專利名稱:一種虛擬重低音增強(qiáng)方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及信息處理技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種虛擬重低音增強(qiáng)方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù):
重低音增強(qiáng)(Bass Enhancement)算法是用來增強(qiáng)聲音的低頻部分的一種 算法,例如增強(qiáng)音樂中的鼓聲和貝斯聲等低頻部分的聲音。
一般的音響和耳機(jī)都存在一定程度的低頻損失,因此重低音的效果已經(jīng)成 為評價(jià)音頻質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一,因此重低音增強(qiáng)算法很重要。
重低音增強(qiáng)的傳統(tǒng)技術(shù)是EQ,而目前比較新的一種重低音增強(qiáng)技術(shù)是虛 擬重低音(Virtual bass )技術(shù),這種虛擬重低音技術(shù)主要是依靠產(chǎn)生一種用戶 心理感知的重低音印象,而并不真正增強(qiáng)低頻部分的增益。依據(jù)的理論基礎(chǔ)是, 人感知重低音時(shí),并不主要依靠該低音的基頻,而更重要的是依靠該基頻產(chǎn)生 的各次諧波,即使低音的基頻被抑制,只要其各次諧波以及這些諧波的關(guān)系依 然存在,那么對于人來說,仍然能夠感覺到強(qiáng)烈的重低音效果。
可以看出,虛擬重低音增強(qiáng)技術(shù)和傳統(tǒng)的EQ技術(shù)有本質(zhì)的區(qū)別,傳統(tǒng)的 EQ技術(shù)是通過增強(qiáng)音頻信號的低頻分量的能量來加強(qiáng)重低音效果,而虛擬重 低音增強(qiáng)技術(shù)是通過增強(qiáng)低音基頻的諧波來虛擬增強(qiáng)重低音效果的。
由于對于一般小型的音箱或者耳機(jī)來說,低頻部分往往有很大的衰減,因 此,即使用傳統(tǒng)的EQ方法將低頻部分增強(qiáng),仍然不能得到滿意的重低音效果, 并且存在飽和溢出噪聲的問題。而虛擬重低音增強(qiáng)技術(shù)增強(qiáng)的是基頻的諧波部 分,這些諧波的頻率相對高些,因此不會受到音箱或者耳機(jī)硬件條件的制約, 往往能得到更強(qiáng)的重低音效果。
6現(xiàn)有的虛擬重低音增強(qiáng)技術(shù)一般是通過反饋調(diào)制產(chǎn)生低頻信號的各次諧 波,然而這會產(chǎn)生互調(diào)畸變噪聲,從而影響了重低音的音質(zhì),也就是說,現(xiàn)有 的虛擬重低音增強(qiáng)技術(shù)的重低音增強(qiáng)效果并不是很好。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例提供了 一種虛擬重低音增強(qiáng)方法及系統(tǒng),用以提高重低音增 強(qiáng)效果。
本發(fā)明實(shí)施例提供的一種虛擬重低音增強(qiáng)方法包括
提取音頻信號中的低頻信號,將該低頻信號轉(zhuǎn)換為頻域信號,并確定該頻 域信號中的基頻信號;
對所述基頻信號進(jìn)行變調(diào)處理,得到多個(gè)諧波,并將所述多個(gè)諧波進(jìn)行疊 加,將疊加后得到的信號轉(zhuǎn)換為時(shí)域信號;
將該時(shí)域信號與所述音頻信號進(jìn)行合成,得到虛擬重低音增強(qiáng)后的音頻信
號
本發(fā)明實(shí)施例提供的一種虛擬重低音增強(qiáng)系統(tǒng)包括 第一低通濾波單元,用于提取音頻信號中的低頻信號; 頻域轉(zhuǎn)換單元,用于將該低頻信號轉(zhuǎn)換為頻域信號; 基頻確定單元,用于確定該頻域信號中的基頻信號; 變調(diào)單元,用于對所述基頻信號進(jìn)行變調(diào)處理,得到多個(gè)諧波; 第一合成單元,用于將所述多個(gè)諧波進(jìn)行疊加;
時(shí)域轉(zhuǎn)換單元,用于將所述第一合成單元處理后得到的信號轉(zhuǎn)換為時(shí)域信
號;
第二合成單元,用于將該時(shí)域信號與所述音頻信號進(jìn)行合成,得到虛擬重 低音增強(qiáng)后的音頻信號。
本發(fā)明實(shí)施例,通過提取音頻信號中的低頻信號,將該低頻信號轉(zhuǎn)換為頻 域信號,并確定該頻域信號中的基頻信號;對所述基頻信號進(jìn)行變調(diào)處理,得到多個(gè)諧波,并將所述多個(gè)諧波進(jìn)行疊加,將疊加后得到的信號轉(zhuǎn)換為時(shí)域信 號;將該時(shí)域信號與所述音頻信號進(jìn)行合成,得到虛擬重低音增強(qiáng)后的音頻信 號,從而在增強(qiáng)了音頻信號的虛擬重低音的同時(shí),避免產(chǎn)生噪聲,提高了重低
音增強(qiáng)效果。
圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種虛擬重低音增強(qiáng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明實(shí)施例才是供的斜坡函數(shù)示意圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種虛擬重低音增強(qiáng)方法的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明實(shí)施例提供了 一種虛擬重低音增強(qiáng)方法及系統(tǒng),用以可靠地產(chǎn)生音 頻信號的低頻部分的各次諧波,并且不產(chǎn)生噪聲,從而提高重低音增強(qiáng)效果。 本發(fā)明實(shí)施例提供的新的虛擬重低音增強(qiáng)的數(shù)字信號處理技術(shù),通過濾波 和變釆樣率技術(shù)將音頻信號的低頻部分單獨(dú)抽3f又出來,然后將其變換到頻域, 再采用頻域變調(diào)技術(shù)將低頻部分的基頻信號,按照各次諧波對應(yīng)的頻率進(jìn)行變 調(diào),最后將處理后的信號恢復(fù)到時(shí)域,并與原音頻信號合成,從而在增強(qiáng)了重 低音效果的同時(shí),不產(chǎn)生噪聲。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)進(jìn)行說明。 參見圖1,本發(fā)明實(shí)施例提供的一種虛擬重低音增強(qiáng)系統(tǒng)包括 第一低通濾波單元11,用于按照預(yù)設(shè)的截止頻率對輸入的音頻信號進(jìn)行低 通濾波處理,得到該音頻信號中的低頻信號,該低頻信號是時(shí)域的低頻信號。 抽取單元12,用于按照預(yù)設(shè)的抽取倍數(shù),對第一低通濾波單元11輸出的 低頻信號進(jìn)行抽取處理,并將處理后的信號發(fā)送給頻域轉(zhuǎn)換單元13。
頻域轉(zhuǎn)換單元13,用于將抽取單元12發(fā)送的低頻信號轉(zhuǎn)換為頻域信號。 基頻確定單元14,用于對頻域轉(zhuǎn)換單元13發(fā)送的頻域信號進(jìn)行分析,確
8定其中的基頻信號。變調(diào)單元15,用于對基頻信號進(jìn)行變調(diào)處理,得到多個(gè)諧波。第一合成單元16,用于將變調(diào)單元15發(fā)送的多個(gè)諧波進(jìn)行疊加,即將多 個(gè)諧波進(jìn)行復(fù)數(shù)相加,也就是說,將用于表示每個(gè)諧波的復(fù)數(shù)的實(shí)部和實(shí)部相 加,將得到的和作為新的復(fù)數(shù)的實(shí)部;將用于表示每個(gè)諧波的復(fù)數(shù)的虛部和虛 部相加,將得到的和作為新的復(fù)數(shù)的虛部;最后將新的復(fù)數(shù)所表示的信號作為 疊加后的信號。時(shí)域轉(zhuǎn)換單元17,用于將第一合成單元16處理后得到的信號轉(zhuǎn)換為時(shí)域 信號。插值單元18,用于按照預(yù)設(shè)的插值倍數(shù),對所述時(shí)域轉(zhuǎn)換單元17輸出的 信號進(jìn)行插值處理,并將處理后的信號發(fā)送給第二低通濾波單元19。第二低通濾波單元19,用于按照預(yù)先設(shè)置的截止頻率,將插值單元18發(fā) 送的信號進(jìn)行低通濾波處理,并將處理后的信號發(fā)送給第二合成單元21。延時(shí)處理單元20,用于按照預(yù)設(shè)時(shí)延值對輸入的音頻信號進(jìn)行延時(shí)處理后 發(fā)送給第二合成單元21。第二合成單元21,將延時(shí)處理單元20輸出的音頻信號,與第二低通濾波 單元19輸出的信號進(jìn)行合成。自動增益控制單元22,用于將經(jīng)過所述第二合成單元21合成的信號進(jìn)行 自動增益控制(AGC)。較佳地,所述頻域轉(zhuǎn)換單元13包括分析窗單元,用于將抽取單元12輸出的低頻信號進(jìn)行分析窗處理。 FFT單元,用于對經(jīng)過分析窗單元處理后的信號進(jìn)行快速傅里葉變換 (FFT),得到低頻信號的頻域信號。 較佳地,所述時(shí)域轉(zhuǎn)換單元17包括綜合窗單元,用于將第一合成單元16輸出的頻域的低頻信號進(jìn)行綜合窗 處理。IFFT單元,用于對經(jīng)過綜合窗單元處理后的信號進(jìn)行快速傅里葉逆變換 (IFFT),得到時(shí)域的低頻信號。下面對上述各個(gè)單元進(jìn)行詳細(xì)說明。上述第一低通濾波單元11和第二低通濾波單元19的功能實(shí)際上是一樣 的,就是一個(gè)簡單的低通濾波器(LPF), LPF主要作用是把信號的低頻部分濾 出來。LPF的截止頻率的設(shè)定需要考慮兩個(gè)方面 一方面不能太小,太小容易使 低頻成分被衰減;另一方面也不能太大,因?yàn)楹罄m(xù)還要通過抽取單元12進(jìn)行 進(jìn)一步處理,如果截止頻率太大,會容易造成信號頻譜混疊。通常音頻信號中的1千赫茲(KHz)以下的頻率部分就包含了幾乎所有的 低音成分,因此本發(fā)明實(shí)施例中的截止頻率應(yīng)不小于lKHz。例如抽取單元12采用M倍抽取比例,音頻信號的采樣率為44.1KHz, 則抽取單元12抽取得到的信號的采樣率降低為約44.1KHz/M,而信號的頻率 應(yīng)在44.1KHz/2M以下才不會發(fā)生混疊,因此本發(fā)明實(shí)施例的第一低通濾波單 元11和第二低通濾波單元19中預(yù)設(shè)的截止頻率應(yīng)不大于44.1KHz/2M。抽取單元12和插值單元18:抽取單元12和插值單元18主要采用采樣率轉(zhuǎn)換技術(shù),抽取單元12的抽 取即從輸入的信號序列中,每隔M個(gè)點(diǎn)抽取一個(gè)點(diǎn),M即是抽取倍數(shù)。相應(yīng) 地,插值單元18的插值是在輸入的信號序列中,在每個(gè)點(diǎn)后插入M-1個(gè)零, M即是插值倍數(shù),其值與抽取倍數(shù)的值相同。設(shè)置抽取單元12和插值單元18進(jìn)行采樣率轉(zhuǎn)換的操作的目的,是通過降 低采樣率,使得頻域轉(zhuǎn)換單元13和時(shí)域轉(zhuǎn)換單元17在較低的采樣率下工作, 因此可以大大降低運(yùn)算復(fù)雜度。進(jìn)一步,本發(fā)明實(shí)施例考慮到雖然降采樣可以減小FFT和IFFT的處理點(diǎn) 數(shù),但是增加的低通濾波操作會增加額外的運(yùn)算量,并且降采樣的倍數(shù)越高, 低通濾波器的通帶越窄,滿足要求的濾波器的階數(shù)越高。因此,需要折衷(tradeoff)。 經(jīng)過試驗(yàn),本發(fā)明實(shí)施例可以選擇8倍降采樣處理,即M=8,例如, 輸入的音頻信號的采樣率為44.1KHz,則低通濾波器的截止頻率/;必須滿足 /s S44100/2/8 ,即乂S2756Hz。本發(fā)明實(shí)施例采用的低通濾波器可以采用1.5KHz的截止頻率的,64階的 FIR低通濾波器。阻帶衰減大于50分貝(dB),低通濾波器由matlab設(shè)計(jì)。本 發(fā)明實(shí)施例之所以沒有選擇在同樣性能下階數(shù)可以更低的IIR低通濾波器,原 因包括FIR濾波器雖然有64階,但是可以和抽取單元12和插值單元18 —起構(gòu)成 快速算法系統(tǒng),真正的復(fù)雜度相當(dāng)于64/8=8階的FIR濾波器,因此算法的復(fù) 雜度并不高;而IIR濾波器由于有反饋操作,因此必須逐點(diǎn)運(yùn)算,不能和變采樣單元(即抽取單元12和插值單元18)組成快速算法系統(tǒng),另外,由于IIR濾波對數(shù)據(jù)精度要求較高,量化誤差較大,因此也給設(shè)計(jì)帶來一定困難,用較高精度的數(shù) 據(jù)參與運(yùn)算,往往增加運(yùn)算量;FIR濾波器具有線性相位,即所有頻率具有相同的群延時(shí),這點(diǎn)非常關(guān)鍵, 不會帶來相位失真。更為關(guān)鍵的是,在將增強(qiáng)后的低頻信號與原信號疊加的時(shí) 候,有一個(gè)相位對準(zhǔn)的問題。如果采用IIR濾波器處理不當(dāng),就可能出現(xiàn)因反 相而信號對消(phase cancel)的情況,因此會降低音頻質(zhì)量。對于分析窗單元、綜合窗單元、FFT單元和IFFT單元這些基本的數(shù)字信 號處理單元,由于主要采用的是現(xiàn)有技術(shù),因此本發(fā)明實(shí)施例不再贅述。較佳地,基頻確定單元14包括各頻帶頻率確定單元,用于確定頻域轉(zhuǎn)換單元13輸出的頻域信號中各個(gè) 頻帶(bin)對應(yīng)的頻率。頻帶選取單元,用于按照預(yù)先設(shè)置的頻率范圍選取多個(gè)頻帶,并將這些多 個(gè)頻帶中幅度最大的頻帶所對應(yīng)的頻率作為基頻信號的頻率,將該頻帶的幅度 作為基頻信號的幅度。首先對各頻帶頻率確定單元的功能進(jìn)行詳細(xì)說明。
信號通過FFT得到的頻域信號,分為實(shí)部和虛部兩部分,分別用Real和 Imag表示。
假設(shè)FFT的點(diǎn)數(shù)用ffisize表示,則Real和Imag各為ffisize/2長度的序列。
可以通過實(shí)部和虛部得到頻域信號用幅度和相位表示的形式,幅度和相位
分別可以用magn和phase表示,則有
Mzgw = ^/Real承Real + Imag*Imag
r , /Imag、 Real
得到了幅度和相位后,可以計(jì)算信號在每個(gè)bin里的準(zhǔn)確頻率,bin表示信 號經(jīng)過FFT變換到頻域后的每個(gè)條帶,即頻帶。例如,如果FFT點(diǎn)數(shù)為128, 則共有128個(gè)bin。
第i個(gè)bin里的相位可以用Phase(i)表示,下面以計(jì)算第i個(gè)bin里的信號 的準(zhǔn)確頻率為例進(jìn)行i兌明。
,支設(shè)上一幀第i個(gè)bin對應(yīng)的相位為Phase—old(i),則可知上一幀和當(dāng)前幀 這兩幀在該bin里的相位差Tmp為
Tmp=Phase(i)-Phase—old(i)
因?yàn)榈趇個(gè)bin的標(biāo)準(zhǔn)相位差TmpS為
其中,stepsize表示一次處理信號的步長,一i&來說,stepsize比ffisize要 小,有一定的重疊,這樣處理會更加準(zhǔn)確。較佳地,本發(fā)明實(shí)施例中取stepsize 為ffisize的四分之一長度,即M=ffisize/stepsize=4
計(jì)算Tmp與TmpS的差值TmpD:
TmpD-Tmp-TmpS
將這個(gè)差值TmpD規(guī)劃到正負(fù)"之間,得到rm/W,由此可以計(jì)算得到頻 率偏差F叫"為最后,將i^^D與標(biāo)準(zhǔn)頻率相加,即可得到第i個(gè)bin對應(yīng)的準(zhǔn)確頻率值 FreqS(i)為
FreqS(i)=i*FreqPerBin+FreqD 其中,F(xiàn)reqPerBin表示每個(gè)頻帶的帶寬。 下面詳細(xì)介紹一下頻帶選取單元的功能。
假設(shè)原始輸入的音頻信號的釆樣率為44.1KHz,經(jīng)過8倍抽取后,采樣率 降為約5.5 KHz,如果采用256點(diǎn)的FFT,則每個(gè)bin里的頻率范圍約為20Hz, 一般來說,基頻的頻率很低,在80Hz以下,因此只需對頻率最低的幾個(gè)bin 進(jìn)行搜索即可,較佳地,選取頻率最低的4個(gè)bin,即在頻率最低的四個(gè)bin 里搜索基頻信號,查看哪個(gè)bin里的幅度Magn最大,Magn最大的bin所對應(yīng) 的頻率FreqS即是要尋找的基頻信號的頻率F,該bin對應(yīng)的幅度即是基頻信 號的幅度MF。即
■F」 = arg[她x(Magw(/))y = 0 3 F:Fr叫S[F—i] MF=Magn[F—i] 較佳地,所述變調(diào)單元15包括
諧波頻率確定單元,用于將基頻信號的頻率與預(yù)先設(shè)置的多個(gè)整數(shù)分別相 乘,得到多個(gè)諧波的頻率。
諧波幅度確定單元,用于將所述基頻信號的幅度與預(yù)先設(shè)置的多個(gè)幅度比 例因子分別相乘,得到多個(gè)諧波的幅度。
變調(diào)單元15的主要任務(wù)就是通過基頻信號的頻率F和幅度MF得到基頻 信號的各個(gè)諧波成分。
基頻信號的各個(gè)諧波的頻率都是基頻信號的頻率F的整數(shù)倍。較佳地,本 發(fā)明實(shí)施例中只考慮最低的5次諧波,則各個(gè)諧波的頻率和幅度分別為
Fh(k)=kF,k=l,2,3,4,5
13MFh(k)=a(k)MF, k= 1,2,3 ,4,5 其中,a(k)表示第k次諧波的幅度比例因子,每個(gè)諧波的幅度比例因子是 不同的,并且是預(yù)先設(shè)置好的, 一般來說頻率越高的諧波,能量越低,因此a(k) 是一個(gè)大于零的小數(shù),并且隨著k的增大而減小。
然后,根據(jù)各個(gè)諧波的頻率計(jì)算其準(zhǔn)確相位,以第k次諧波為例,假設(shè)第 k次諧波的頻率Fh(k)在第i個(gè)bin的范圍內(nèi),則Fh(k)與該bin內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)頻率的 差的歸一化值FreqD為
FreqD = (Fh(k)-i*FreqPerBin ) /FreqPerBin 計(jì)算相對相位差r,Z)為
M
rmpD與標(biāo)準(zhǔn)相位差相加得到準(zhǔn)確的相位差Tmp :
t t n丄,' Tmp=TmpD+2;n ~^-
將準(zhǔn)確的相位差Tmp與計(jì)算得到Tmp之前累計(jì)的相位差Tmp一sum相加得 到最終相位Phase(k)為
Phase(k)=Tmp+Tmp—sum 并且,更新累計(jì)相位差Tmp—sum=Phase(k),其中,Tmp_sum的初始值為0。
最后,通過幅度MF(k)和相位Phase(k)就可以計(jì)算出該諧波的實(shí)部Real(i) 和虛部Imag(i):
Real(i)=MF(k)*cos(Phase(k》 Imag(i)-MF(k)承sin(Phase(k))
第一合成單元16將所有的諧波進(jìn)行疊加后就得到了基頻信號的所有諧波 成分的頻域信號,時(shí)域轉(zhuǎn)換單元17對該頻域信號進(jìn)行IFFT變換,就得到了其 時(shí)域信號。
延時(shí)處理單元20:
延時(shí)處理單元20,將原始信號延時(shí)D個(gè)樣本,D值即所謂的時(shí)延值。延時(shí)的目的是為了使得原始的音頻信號與變調(diào)后的基頻信號的相位對齊,以避免
相位不對齊時(shí)造成信號對消。D值的設(shè)置方式如下
D值的確定需要考慮對音頻信號的基頻部分進(jìn)行一系列處理過程中的所 有可能的延時(shí),包括第一低通濾波單元11和第二低通濾波單元19中的濾波 器的長度,分析窗和綜合窗的長度,以及FFT和IFFT轉(zhuǎn)換所需要占用的時(shí)間 等等。
假設(shè)第一低通濾波單元11和第二低通濾波單元19中的濾波器的長度為L, 分析窗和綜合窗的長度為W,則D值可以為
D=L/2*2+W/2*M
其中,L/2為 一個(gè)LPF的延時(shí),共有兩個(gè)LPF,所以低通濾波處理造成的 延時(shí)為L; W/2為分析窗處理和綜合窗處理造成的延時(shí),因?yàn)檫@部分延時(shí)是在 抽取后產(chǎn)生的,因此對于抽取前來說相當(dāng)于還要增大M倍,因此為W/2承M
將延時(shí)了 D個(gè)樣本的原始音頻信號與變調(diào)后的基頻信號相力o,可能發(fā)生飽 和溢出,因此相加后的信號進(jìn)一步需要進(jìn)入自動增益控制單元22進(jìn)行處理。
自動增益控制單元22:
一般的AGC模塊用來自動改變信號的增益,將小信號放大,將大信號縮 小,音量保持適中。而本發(fā)明實(shí)施例中的自動增益控制單元22并不是這樣, 因?yàn)閷τ谝魳穪碚f,旋律的起承轉(zhuǎn)合,抑揚(yáng)頓挫是自身的特點(diǎn),并不能破壞, 本發(fā)明實(shí)施例中使用AGC的目的是在保證聲音不發(fā)生飽和失真的前提下,提 高重低音的音量。也就是說,自動增益控制單元22為了使得一定時(shí)間范圍內(nèi) 的幅度最大的信號處于飽和邊界上,而該范圍內(nèi)的信號大小關(guān)系仍然保留,需 要采用快降慢升的方法。
較佳地,自動增益控制單元22包括
第一增益值單元,用于確定第二合成單元21得到的當(dāng)前幀音頻信號中絕 對值最大的信號幅度值,將該信號幅度值與預(yù)先設(shè)置的目標(biāo)閾值進(jìn)行比較,得 到第一增益值。
15第二增益值單元,用于將第一增益值與上一幀音頻信號采用的增益值進(jìn)行 比較,當(dāng)?shù)谝辉鲆嬷敌∮谏弦粠纛l信號采用的增益值時(shí),令第二增益值等于
第一增益值;當(dāng)?shù)谝辉鲆嬷荡笥谏弦粠纛l信號釆用的增益值時(shí),令第二增益 值等于上一幀音頻信號采用的增益值與預(yù)先設(shè)置的步長的和;其中,第二增益 值屬于預(yù)先設(shè)置的閾值范圍。
幀內(nèi)平滑單元,用于利用上一幀音頻信號采用的增益值,通過斜坡函數(shù)對 第二增益值做幀內(nèi)平滑,得到當(dāng)前幀音頻信號采用的增益值。
輸出單元,用于將當(dāng)前幀音頻信號采用的增益值與當(dāng)前幀合成后的音頻信 號相乘,得到并輸出自動增益控制后的音頻信號。
例如,在第二合成單元21輸出的當(dāng)前幀音頻信號中找到的絕對值最大的 信號幅度值為Vmax,然后將Vmax和目標(biāo)閾值Ti比較,目標(biāo)閾值是希望信號 幅度能夠達(dá)到的理想值。將Ti和Vmax相比得到理想的增益值gain—t (即所述 的第一增益值)為
gain—t=Ti/V max
由于增益變化過快會帶來信號突變噪聲,因此,本發(fā)明實(shí)施例采用快降慢 升的增益調(diào)整方式,包括
假設(shè)當(dāng)前幀的上一幀計(jì)算得到的最終增益值為gain—old,貝'J:
如果gain—t<gain—old,則gain=gain_t,此操作表示快降,gain即所述的第 二增益值,最小可降低到一個(gè)低閾值LowLimit。
如果gain—t>gain—old,貝寸gain=gain—old+step, jt匕才喿4乍表示'f曼升,其中step 為預(yù)先設(shè)置的增益增大時(shí)的過渡步長,gain最大可增大到一個(gè)高闊值 HighLimit。
也就是i兌,gain無"^侖怎么調(diào)整,都要滿足gain LowLimit S gains HighLimit 。
進(jìn)一步,用新計(jì)算出的增益gain和上一幀的gain_old做幀內(nèi)平滑,可用如
圖2所示的斜坡函數(shù)來進(jìn)行加權(quán),斜坡函數(shù)定義為6(0 = 1-〃^,貝'J:
g"/"『(/) = 6(Z)g"/" — oW + (1 — W)),'w, / = 0 TV — 1其中,gainW(i)為當(dāng)前幀采用的做了幀內(nèi)平滑后的樣點(diǎn)i的增益,N表示 每個(gè)幀的長度。
可以看出,由于斜坡函數(shù)在開始時(shí)對于上一幀的gain—old給與了較大權(quán)值, 對于當(dāng)前幀的gain給與了較小權(quán)值;而在末尾時(shí)正好相反。因此可以有效地平 滑增益突變的影響。
最后,用做了幀內(nèi)平滑的增益gainW(i)去處理第二合成單元21的輸出信 號,即自動增益控制單元22的輸入信號input(i),得到輸出信號output(i)為
output(i)=input(i)*gainW(i), i= 0~N-1
參見圖3,本發(fā)明實(shí)施例提供的一種虛擬重低音增強(qiáng)方法包括步驟
5101、 按照預(yù)先設(shè)置的截止頻率,提取音頻信號中的低頻信號,并按照預(yù) 設(shè)的抽取倍數(shù),對所述低頻信號進(jìn)行抽取處理。
5102、 將抽取處理得到的低頻信號經(jīng)過分析窗的處理后,進(jìn)行FFT,得到 低頻信號的頻域信號,并確定該頻域信號中各個(gè)頻帶對應(yīng)的頻率。
5103、 按照預(yù)先設(shè)置的頻率范圍選取多個(gè)頻帶,并將多個(gè)頻帶中幅度最大 的頻帶所對應(yīng)的頻率作為基頻信號的頻率,將該頻帶的幅度作為基頻信號的幅 度。
5104、 將基頻信號的頻率與預(yù)先設(shè)置的多個(gè)整數(shù)分別相乘,得到多個(gè)諧波 的頻率;將基頻信號的幅度與預(yù)先設(shè)置的多個(gè)幅度比例因子分別相乘,得到多 個(gè)諧波的幅度;然后將多個(gè)諧波疊加,并將疊加后得到的信號通過IFFT轉(zhuǎn)換 為時(shí)域信號。
5105、 對該時(shí)域信號進(jìn)行綜合窗的處理后,按照預(yù)設(shè)的插值倍數(shù),對經(jīng)過 綜合窗的處理后的時(shí)域信號進(jìn)行插值處理;按照預(yù)先設(shè)置的截止頻率,將經(jīng)過 插值處理后得到的信號進(jìn)行低通濾波處理,得到變調(diào)處理后的基頻信號。
5106、 按照預(yù)設(shè)時(shí)延值對原始輸入的音頻信號進(jìn)行延時(shí)處理,將經(jīng)過延時(shí) 處理后的音頻信號與得到變調(diào)處理后的基頻信號進(jìn)行合成。
5107、 將當(dāng)前幀音頻信號與當(dāng)前幀變調(diào)處理后的基頻信號合成后得到的音頻信號進(jìn)^"自動增益控制。
其中的抽取步驟和插值步驟都是較佳的步驟,不是必需的步驟。
步驟S107中的自動增益控制包括
步驟一確定將當(dāng)前幀音頻信號與當(dāng)前幀變調(diào)處理后的基頻信號合成后得 到的音頻信號中絕對值最大的信號幅度值,將該信號幅度值與預(yù)先設(shè)置的目標(biāo) 閾值進(jìn)行比較,得到第一增益值。
步驟二將第一增益值與上一幀音頻信號采用的增益值進(jìn)行比較,當(dāng)?shù)谝?增益值小于上一幀音頻信號采用的增益值時(shí),令第二增益值等于第一增益值; 當(dāng)?shù)谝辉鲆嬷荡笥谏弦粠纛l信號采用的增益值時(shí),令第二增益值等于上一幀 音頻信號采用的增益值與預(yù)先設(shè)置的步長的和;其中,第二增益值屬于預(yù)先設(shè) 置的閾值范圍。
步驟三利用第二增益值對當(dāng)前幀合成后的音頻信號進(jìn)行增益控制。 較佳地,步驟三包括
利用上一幀音頻信號采用的增益值,通過斜坡函數(shù)對第二增益值做幀內(nèi)平 滑,得到當(dāng)前幀音頻信號采用的增益值,并將該增益值與當(dāng)前幀合成后的音頻 信號相乘,得到當(dāng)前幀自動增益控制后的音頻信號。
綜上所述,本發(fā)明實(shí)施例提供了一種新的虛擬重低音增強(qiáng)的數(shù)字信號處理 方法及系統(tǒng),通過低通濾波和變采樣率技術(shù)將信號低頻部分抽取出來,然后用 FFT將其變換到頻域,再用頻域變調(diào)技術(shù),將基頻信號按照各次諧波對應(yīng)得頻 率進(jìn)行變調(diào),最后將處理后的基頻信號通過IFFT恢復(fù)到時(shí)域,并與原信號合 成,從而在不產(chǎn)生噪聲的前提下,增強(qiáng)了音頻信號的虛擬重低音。
顯然,本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā) 明的精神和范圍。這樣,倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及 其等同技術(shù)的范圍之內(nèi),則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
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權(quán)利要求
1、一種虛擬重低音增強(qiáng)方法,其特征在于,該方法包括提取音頻信號中的低頻信號,將該低頻信號轉(zhuǎn)換為頻域信號,并確定該頻域信號中的基頻信號;對所述基頻信號進(jìn)行變調(diào)處理,得到多個(gè)諧波,并將所述多個(gè)諧波進(jìn)行疊加,將疊加后得到的信號轉(zhuǎn)換為時(shí)域信號;將該時(shí)域信號與所述音頻信號進(jìn)行合成,得到虛擬重低音增強(qiáng)后的音頻信號。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,將所述低頻信號轉(zhuǎn)換為頻 域信號,并確定該頻域信號中的基頻信號的步驟包括將所述低頻信號經(jīng)過分析窗的處理后,進(jìn)行快速傅里葉變換,得到所述低 頻信號的頻域信號,并確定該頻域信號中各個(gè)頻帶對應(yīng)的頻率;按照預(yù)先設(shè)置的頻率范圍選取多個(gè)頻帶,并將所述多個(gè)頻帶中幅度最大的 頻帶所對應(yīng)的頻率作為基頻信號的頻率,將該頻帶的幅度作為基頻信號的幅 度。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,對所述基頻信號進(jìn)行變調(diào) 處理,得到多個(gè)諧波的步驟包括將所述基頻信號的頻率與預(yù)先設(shè)置的多個(gè)整數(shù)相乘,得到多個(gè)諧波的頻率;將所述基頻信號的幅度與預(yù)先設(shè)置的多個(gè)幅度比例因子分別相乘,得到多 個(gè)諧波的幅度。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法,其特征在于,在提取了所述低頻信號之 后,將該低頻信號轉(zhuǎn)換為頻域信號之前,還包括步驟按照預(yù)設(shè)的抽取倍數(shù),對所述低頻信號進(jìn)行抽取處理; 在將所述疊加后得到的信號轉(zhuǎn)換為時(shí)域信號之后,將該時(shí)域信號與所述音 頻信號進(jìn)行合成之前,還包括步驟對所述時(shí)域信號進(jìn)行綜合窗的處理后,按照預(yù)設(shè)的插值倍數(shù),對經(jīng)過綜合窗的處理后的時(shí)域信號進(jìn)行插值處理;按照預(yù)先設(shè)置的截止頻率,將經(jīng)過所述插值處理后得到的信號進(jìn)行低通濾 波處理。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1至4任一權(quán)利要求所述的方法,其特征在于,將所述 時(shí)域信號與所述音頻信號進(jìn)行合成的步驟包括按照預(yù)設(shè)時(shí)延值對所述音頻信號進(jìn)行延時(shí)處理; 將經(jīng)過所述延時(shí)處理后的音頻信號,與所述時(shí)域信號進(jìn)行合成。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,將所述時(shí)域信號與所述音 頻信號進(jìn)行合成之后,還包括步驟將所述時(shí)域信號與所述音頻信號合成后得到的音頻信號進(jìn)行自動增益控制。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其特征在于,所述自動增益控制包括 確定所述時(shí)域信號與所述音頻信號合成后得到的當(dāng)前幀音頻信號中絕對值最大的信號幅度值,將該信號幅度值與預(yù)先設(shè)置的目標(biāo)閾值進(jìn)行比較,得到 第一增益值;將所述第一增益值與上一幀音頻信號采用的增益值進(jìn)行比較,當(dāng)所述第一 增益值小于上一幀音頻信號采用的增益值時(shí),令第二增益值等于所述第一增益 值;當(dāng)所述第一增益值大于上一幀音頻信號采用的增益值時(shí),令第二增益值等 于上一幀音頻信號采用的增益值與預(yù)先設(shè)置的步長的和;其中,所述第二增益 值屬于預(yù)先設(shè)置的閾值范圍;利用所述第二增益值對當(dāng)前幀合成后的音頻信號進(jìn)行增益控制。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法,其特征在于,利用所述第二增益值對當(dāng) 前幀合成后的音頻信號進(jìn)行增益控制的步驟包括利用上一幀音頻信號采用的增益值,通過斜坡函數(shù)對所述第二增益值做幀 內(nèi)平滑,得到當(dāng)前幀音頻信號采用的增益值,并將該增益值與當(dāng)前幀合成后的音頻信號相乘,得到自動增益控制后的音頻信號。
9、 一種虛擬重低音增強(qiáng)系統(tǒng),其特征在于,該系統(tǒng)包括 第一低通濾波單元,用于提取音頻信號中的低頻信號; 頻域轉(zhuǎn)換單元,用于將該低頻信號轉(zhuǎn)換為頻域信號; 基頻確定單元,用于確定該頻域信號中的基頻信號; 變調(diào)單元,用于對所述基頻信號進(jìn)行變調(diào)處理,得到多個(gè)諧波; 第一合成單元,用于將所述多個(gè)諧波進(jìn)行疊加;時(shí)域轉(zhuǎn)換單元,用于將所述第 一合成單元處理后得到的信號轉(zhuǎn)換為時(shí)域信第二合成單元,用于將該時(shí)域信號與所述音頻信號進(jìn)行合成,得到虛擬重 低音增強(qiáng)后的音頻信號。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng),其特征在于,所述基頻確定單元包括 各頻帶頻率確定單元,用于確定該頻域信號中各個(gè)頻帶對應(yīng)的頻率; 頻帶選取單元,用于按照預(yù)先設(shè)置的頻率范圍選取多個(gè)頻帶,并將所述多個(gè)頻帶中幅度最大的頻帶所對應(yīng)的頻率作為基頻信號的頻率,將該頻帶的幅度 作為基頻信號的幅度。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9或IO所述的系統(tǒng),其特征在于,所述變調(diào)單元包括 諧波頻率確定單元,用于將所述基頻信號的頻率與預(yù)先設(shè)置的多個(gè)整數(shù)分別相乘,得到多個(gè)諧波的頻率;諧波幅度確定單元,用于將所述基頻信號的幅度與預(yù)先設(shè)置的多個(gè)幅度比 例因子分別相乘,得到多個(gè)諧波的幅度。
12、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng),其特征在于,該系統(tǒng)還包括 抽取單元,用于按照預(yù)設(shè)的抽取倍數(shù),對所述第一低通濾波單元輸出的低頻信號進(jìn)行抽取處理,并將處理后的信號發(fā)送給所述頻域轉(zhuǎn)換單元;插值單元,用于按照預(yù)設(shè)的插值倍數(shù),對所述時(shí)域轉(zhuǎn)換單元輸出的信號進(jìn) 行插值處理,并將處理后的信號發(fā)送給第二低通濾波單元;第二低通濾波單元,用于按照預(yù)先設(shè)置的截止頻率,將經(jīng)過所述插值處理 后得到的信號進(jìn)行低通濾波處理,并將處理后的信號發(fā)送給所述第二合成單元。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng),其特征在于,該系統(tǒng)還包括 延時(shí)處理單元,用于按照預(yù)設(shè)時(shí)延值對所述音頻信號進(jìn)行延時(shí)處理; 所述第二合成單元,將經(jīng)過所述延時(shí)處理后的音頻信號,與所述第二低通濾波單元輸出的信號進(jìn)行合成。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng),其特征在于,該系統(tǒng)還包括自動增益控制單元,用于將經(jīng)過所述第二合成單元合成的信號進(jìn)行自動增 益控制。
15、 娘據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng),其特征在于,所述自動增益控制單元 包括第一增益值單元,用于確定所述時(shí)域信號與所述音頻信號合成后得到的當(dāng) 前幀音頻信號中絕對值最大的信號幅度值,將該信號幅度值與預(yù)先設(shè)置的目標(biāo) 閾值進(jìn)行比較,得到第一增益值;第二增益值單元,用于將所述第一增益值與上一幀音頻信號采用的增益值 進(jìn)行比較,當(dāng)所述第一增益值小于上一幀音頻信號采用的增益值時(shí),令第二增 益值等于所述第一增益值;當(dāng)所述第一增益值大于上一幀音頻信號釆用的增益 值時(shí),令第二增益值等于上一幀音頻信號采用的增益值與預(yù)先設(shè)置的步長的 和;其中,所述第二增益值屬于預(yù)先設(shè)置的閾值范圍;幀內(nèi)平滑單元,用于利用上一幀音頻信號采用的增益值,通過斜坡函數(shù)對 所述第二增益值做幀內(nèi)平滑,得到當(dāng)前幀音頻信號采用的增益值;輸出單元,用于將當(dāng)前幀音頻信號采用的增益值與當(dāng)前幀合成后的音頻信 號相乘,得到并輸出自動增益控制后的音頻信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種虛擬重低音增強(qiáng)方法及系統(tǒng),用以提高重低音增強(qiáng)效果。本發(fā)明提供的一種虛擬重低音增強(qiáng)方法包括通過提取音頻信號中的低頻信號,將該低頻信號轉(zhuǎn)換為頻域信號,并確定該頻域信號中的基頻信號;對所述基頻信號進(jìn)行變調(diào)處理,得到多個(gè)諧波,并將所述多個(gè)諧波進(jìn)行疊加,將疊加后得到的信號轉(zhuǎn)換為時(shí)域信號;將該時(shí)域信號與所述音頻信號進(jìn)行合成,得到虛擬重低音增強(qiáng)后的音頻信號。
文檔編號H04R3/04GK101505443SQ200910079938
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月13日
發(fā)明者晨 張 申請人:北京中星微電子有限公司