Initial pure C++ implementation
This commit is contained in:
@@ -0,0 +1,211 @@
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# 双耳渲染
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[English](binaural.en.md) · [返回 README](../README.md)
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JustOneCacophony 的双耳后端支持三种 HRTF 来源：`SimpleFreeFieldHRIR` SOFA、
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杜比官方软件个性化扫描导出的 Rosella `.personalized_headphone`（JSON 解析由本项目
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自行实现，不调用杜比软件），以及从 SOFA 编译出的 `.jochrtf` 缓存。SOFA 在模型加载
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时编译成内存方向场；`.jochrtf` 只是可删除、可重建的 JOC compiled HRTF cache，
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不是交换格式，也不是使用 SOFA 的前置步骤。
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```text
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SOFA FIR
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-> CanonicalHrtf
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-> 48 kHz / 单 radius shell / delay-phase policy
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-> 64-QMF / 77-hybrid projection
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-> 五阶 ACN/N3D 实球谐场
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-> 逐对象 direct + early reflections
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-> shared unitary-FDN late room
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-> stereo float64
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```
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## 输入接口
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双耳后端消费一个已编译的方向场（JOC compiled HRTF cache，`.jochrtf`）与共享滤波器组表；
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两者都是只读输入，本库不做任何测量数据格式的解析或转换：
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```powershell
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joc_cli input.m4a --binaural `
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--compiled-hrtf-cache path\to\subject.jochrtf `
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--kernels data\rosella_kernels.npz `
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--binaural-mode mid --binaural-tail-seconds 5.0
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```
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库接口使用同一组字段：文件任务用 `joc_task_config`，流式用 `joc_stream_config`，
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其中 `hrtf_path`、`kernels_path`、`binaural_mode`、`binaural_tail_seconds` 决定双耳通路。
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`.jochrtf` 是**输入**而不是本库的产物：从 SOFA 或测量数据编译该缓存属于工具链的职责，
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与本仓库解耦。缓存加载时会校验成员集合、dtype 与形状、C 连续性、CRC-32 以及按成员重算的
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载荷哈希（见下文 `.jochrtf` 一节）。
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`binaural_mode` 取 `near`、`mid`、`far`，选择后端的三组预置参数；`binaural_tail_seconds`
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决定 flush 时排空的房间尾音长度（默认 5.0 s）。
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## 双耳渲染模式
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`--binaural-mode off|near|mid|far`（默认 `mid`）是**人为指定的渲染提示**，不是
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从输入 E-AC-3 JOC 码流提取或还原的原始双耳元数据：
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- 直接双耳渲染（`--binaural`）：near/mid/far 生效，默认 `mid`；`off` 报错；
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- ADM BWF：DBMD segment 10 中后 15 个 JOC 对象的 binaural render mode 写
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`off=0/near=1/far=2/mid=3`，前 10 个 bed 保持不变，默认 `mid`；`off` 用于显式
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关闭双耳元数据提示。
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## Canonical SOFA 契约
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当前 strict importer 接受：
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- `Conventions=SOFA`；
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- `SOFAConventions=SimpleFreeFieldHRIR`，version `0.4`、`1.0` 或 `1.1`；
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- `DataType=FIR`，`Data.IR[M,2,N]`；
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- 单一正有限 `Data.SamplingRate`，单位为 hertz/Hz；
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- spherical 或 Cartesian `SourcePosition`；
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- 单值或 per-measurement 的 `ListenerPosition/View/Up`；
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- 两个能由 listener-local lateral 坐标唯一识别左右的 receiver；
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- 单一且零偏移的 emitter；
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- causal `Data.Delay[I,2]` 或 `[M,2]`；
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- 明确的 free-field/anechoic `RoomType`。
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receiver 左右顺序由几何决定，不能假定 `Data.IR` 的 receiver index。SOFA listener
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坐标为 $+X$ front、
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$+Y$ left、
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$+Z$ up；ADM 坐标为
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$+X$ right、
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$+Y$ front、
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$+Z$ up，转换为：
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$$\bigl(x_{\mathrm{SOFA}},\ y_{\mathrm{SOFA}},\ z_{\mathrm{SOFA}}\bigr) = \bigl(y_{\mathrm{ADM}},\ -x_{\mathrm{ADM}},\ z_{\mathrm{ADM}}\bigr)$$
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`CanonicalHrtf` 将 `Data.IR` 与 `Data.Delay` 分开保存。只有时域 baseline 才调用
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`materialized_measurement()` 将 delay 应用一次；运行时 SH 路径不先 materialize。
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非 48 kHz HRIR 使用 float64 `scipy.signal.resample_poly` 规范化，delay samples 按
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相同比例缩放。
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GeneralFIR、BRIR、TF、多 emitter、多义 receiver 或非 free-field 数据需要单独的
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convention adapter，不能只通过 reshape 进入核心 importer。
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## Delay/phase：exactly once
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编译器只允许三种互斥语义：
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1. 非零 `Data.Delay` 是 `Data.IR` 外部 delay；FIR 不去旋，运行时应用一次。
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2. `Data.Delay=0` 且 HRIR 有普通正 onset：以每耳 main peak 分离 arrival，拟合后
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在运行时恢复一次；当前阈值为 peak index 大于 2 samples。
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3. `Data.Delay=0` 且双耳 FIR 共享 sample-0 起点：不发明外部 delay，原 complex
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phase 直接进入五阶场。
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任何路径都不能再叠加第二套 ear delay 或 phase-group delay。
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## 公开 filterbank 与方向场
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运行时固定为：
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- 48 kHz；
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- 64-sample QMF hop；
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- 64-QMF / 77-hybrid；
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- analysis/synthesis latency 961 samples；
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- 五阶、36 项、ACN/N3D real spherical harmonics；
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- PCM、delay、SH、room state 为 float64；频带传递和频域状态为 complex128。
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每个 hybrid band 的 real/imaginary 单位增益都通过同一套 analysis/synthesis 链生成
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脉冲字典，共 154 个实参数；编译不是直接读取 77 个 FFT bin。默认 projection
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ridge 为 `1e-3`，SH ridge 为 `1e-5`。同方向 measurement 先合并，再用球面 Voronoi
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面积权重做 ridge fit。
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固定表位于 `data/rosella_kernels.npz`，实现公开标准化的滤波器组，各表可由如下
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公式计算。
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hybrid 分析核定义于 [3GPP TS 26.405 / ETSI TS 126 405](https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/126400_126499/126405/06.00.00_60/ts_126405v060000p.pdf)
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第 5.2.2 节（Table 1 的 $Q=8$/
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$Q=4$ 系数，delay 6）：
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$$G_q^p[n] = g^p[n]\cdot\exp\Bigl(j\,\frac{2\pi}{Q^p}\bigl(q+\tfrac12\bigr)(n-6)\Bigr),\qquad n=0,\dots,12$$
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QMF analysis 表即 MPEG-4 AAC/SBR（ISO/IEC 14496-3/AMD1:2003 第 4.B.18.2 节）
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的 64 complex QMF bank；打包的 $64\times10$ 表是公开 640-tap prototype
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$c_0,\dots,c_{639}$ 的多相重排：
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$$A_{r,t} = \frac{(-1)^t}{128}\,c_{63-r+64t},\qquad r=0,\dots,63,\ t=0,\dots,9$$
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QMF synthesis 表为上述 analysis 多相矩阵 $\mathbf{A}$ 的因果左逆，即求解
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$\mathbf{A}\,\mathbf{W}=\mathbf{P}$（
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$\mathbf{P}$ 为 577-sample 延迟置换；
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全链 $961 = 577 + 6\times64$），以 rank-4 分解形式存储：
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$$W_{b,l} = \sum_{r=1}^{4} t_{b,l,r}\,\mathbf{b}_{b,r}^{\top}$$
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hybrid synthesis 表为 77→64 重组：高频带恒等 $Y_{3+b}=X_{16+b}$；低频带（
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$C_p$ 为
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$8+4+4$ 子带划分）：
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$$Y_p = \sum_{q\in C_p}\Bigl(\mathrm{Re}X_q + j\,s_q\,\mathrm{Im}X_q\Bigr),\qquad s_q\in\{\pm1\}$$
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loader 校验 archive 和每个数组的 SHA-256；table version、所有数组 hash 与
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77 个 band-center 参考值都属于 cache key。标准可公开获取不等于获准实施相关
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专利；更多来源信息见 [`data/README.md`](../data/README.md) 与
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[`THIRD_PARTY_NOTICES.md`](../THIRD_PARTY_NOTICES.md)。
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## `.jochrtf`
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`.jochrtf` 是无 pickle 的压缩 NumPy archive，固定包含：
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| key | dtype / shape |
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|---|---|
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| `metadata_json` | 含 JSON 文本的 NumPy Unicode scalar（`dtype.kind == "U"`） |
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| `band_center_frequencies_hz` | little-endian `float64[77]` |
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| `coefficients` | little-endian `complex128[36,2,77]` |
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| `delay_coefficients` | little-endian `float64[36,2]` |
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| `delay_bounds` | little-endian `float64[2,2]` |
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metadata magic 固定为 `JOC-HRTF-CACHE`，并记录 schema/compiler/phase-policy、
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ACN/N3D、filterbank table hashes、SOFA content SHA-256、采样率、radius、order、
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两个 ridge、payload hash 和 fit report。cache key 覆盖所有会改变编译结果的字段。
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metadata 不保存本机绝对 `source_path`，仅可保存 source display name。
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loader 使用 `allow_pickle=False`，并在构造对象前检查 ZIP 成员集、解压大小、shape、
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dtype、端序、连续布局、有限值、delay bounds、band centers、payload hash 和 cache
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key。writer 使用同目录临时文件、`fsync`、进程持有的 OS 文件锁和原子
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`os.replace`；对应的隐藏 `.lock` sidecar 可保留，但不代表仍有 writer 持锁。
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旧版本、损坏或配置不匹配的 cache 不能命中；从 SOFA 启动时会重建，显式 cache
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入口则直接报错。
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删除磁盘 cache 后，从同一 SOFA 和同一编译配置得到的场与渲染结果不得改变。
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`.jochrtf` 包含由源 HRIR 变换得到的方向场系数与 delay 数据，因此“可以重建”不表示
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它不受数据许可约束。生成 cache 不会扩大源 SOFA/HRTF 数据集授予的权利；cache 的
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使用、复制和再分发仍须遵守源数据集条款。不能确认条款时，应把 `.jochrtf` 作为本地
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私有 cache，不随程序或构建产物发布。`source_sha256` 只用于内容一致性校验，不是许可
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或来源证明。
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## JOC 对象与房间
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生产适配器继续使用现有 JOC 调度：
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- 每帧输入 `[1536,16]`；
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- channel 0 是 special LFE，channel 1..15 是 JOC objects；
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- ID11/OAMD position 使用 sample-timed timeline；
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- 每 512 samples 更新方向/profile；
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- 每个对象拥有独立 direct/early history，late FDN 全局共享；
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- `finish()` 排空 early/late tail；输出增益显式应用，不隐含 limiter 或节目响度归一化。
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Near/Mid/Far、equal-power direct level、六面 shoebox 一阶 image source、late send、
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unitary FDN、LFE 120–180 Hz cosine-squared 低通及 room calibration 都是 JOC
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项目定义行为，不是 SOFA 或 Dolby 公布常数。
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双耳渲染在本库内实现：filterbank、SH 方向场求值、逐对象 early/direct 历史与共享 FDN
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全部执行于 `joc_core`（`ejoc_sofa_binaural_*` 内核），对外只消费编译好的方向场与
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512-sample 粒度的元数据更新。
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## 技术引用与权利边界
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- [SOFA SimpleFreeFieldHRIR convention](https://www.sofaconventions.org/mediawiki/index.php/SimpleFreeFieldHRIR)
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- [3GPP TS 26.405 / ETSI TS 126 405（64-QMF/77-hybrid 定义）](https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/126400_126499/126405/06.00.00_60/ts_126405v060000p.pdf)
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- [Dolby binaural render mode workflow](https://professionalsupport.dolby.com/s/article/What-is-Binaural-Render-Mode-and-how-do-the-settings-affect-my-mix)
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- [EP3090576A1](https://patents.google.com/patent/EP3090576A1/en)，仅作 direct/early/late、
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subband 与 FDN 架构背景，不证明某个产品使用特定实施例。
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规范、源码或专利文献可公开获取，不等于获准复制其内容、再分发派生产物或实施其中的
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专利权利要求。本项目的技术引用本身不授予专利许可，也不作不侵权保证；准备发布或集成
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到产品的一方应自行审查适用的数据许可、软件许可、专利许可及 freedom-to-operate。
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公开标准来源与权利边界见
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[`THIRD_PARTY_NOTICES.md`](../THIRD_PARTY_NOTICES.md)。
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Reference in New Issue
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