FASTRAK在高密度头相关传输函数测量中的应用
1引言
头相关传输函数(Head-Related Transfer Function,HRTF)描述了自由场情况下,声源发出的声波经由头部、耳廓、躯干等人体生理结构的散射和反射等作用后到达双耳的声传输过程, 因此包含有声源的空间定位信息, 是研究双耳听觉和虚拟听觉重放技术的重要数据基础[1]。
理论上,HRTF 是在空间方向的连续函数。 但通过实验测量获取 HRTF 时, 只能对有限个声源空间方位进行采样。根据 HRTF 的空间采样定理,未测量空间方位的 HRTF 可以通过插值获取[2]。 但从科学分析的角度,希望通过实验测量建立一个空间方向采样密度较高的HRTF数据库,为 HRTF 的插值运算、误差校准等相关研究提供数据基础。
测量建立高密度的 HRTF 数据库时, 一方面要求声源的尺度足够小,以提高声源本身的空间分辩率(与声源距离有关);另一方面要提高声源的位置精度。 为了保证声源的空间分辨率, 设计制作了适合于高密度HRTF 测量的小型扬声器系统[3]。 而声源的位置精度依赖声源定位系统的精度, 以及测量过程中声源与受试者相对位置的定位方式。在已有的工作中,对定位方式而言主要使用激光笔[4-5],在真人 HRTF 测量中也有用到 FASTRAK 电磁跟踪器对受试者的微小转动进行实时监控[6], 但对于声源定位系统的精度并未有定量分析。
笔者采用的是半径为 2.0 m 的方位角刻度定位环,其上每 2.5°标有刻度, 较大的半径有利于提高刻度的精度。 该刻度用 FASTRAK 电磁追踪器进行精度校准,并重复验证,系统稳定后进行正式测量。 在测量过程中转动人工头(激光笔与人工头同步转动),将激光束与不同刻度对准便实现了声源空间位置的定位。
2 FASTRAK的工作原理
FASTRAK 电磁追踪器由硬件和软件两部分组成,其实物如图 1 所示。 硬件包括电磁系统单元、发射器、接收器和电源等四部分。 配套软件(FTGui)可以在PC 机上对 FASTRAK 的参数进行设置,如设置坐标原点、参数的零点等;该软件还可对空间坐标信息进行数据采集和保存[7]。
实验中,FASTRAK 电磁追踪器的发射器作为基准点固定,接收器安装在所要测量的对象上。 发射器发射电磁波,接收器接收电磁波,通过电磁系统单元处理发射器和接收器的相对位置关系,就能在FASTRAK 的软件界面得到接收端(也是测量对象)的空间位置坐标(x,y,z),水平方位角 θ,仰角 φ,倾斜度等 6 个参数的数据。
在角度参数上,FASTRAK 的空间分辨率为 0.01°,静态精度为 0.15°。 在 FASTRAK 的使用中,应注意以下的问题:
(1) 为了保证 FASTRAK 的静态精度 ,发射端和接收端的距离应控制在 0.76 m 的范围内, 超过该距离,上述静态精度将得不到保证。
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