CN108040317B - 一种混合式听感声场扩宽方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于立体声增强器和混响器的混合式听感声场扩宽方法，所述方法包括：实时计算双通道输入信号的左右通道互相关系数，根据互相关系数所在区间，判断立体声增强器和混响器的权重因子；立体声增强运算，引入左右通道信号的差值L‑R，通过对左右通道信号的相位进行随机移动，移动范围为‑45°至45°，重构双通道音频信号；混响器运算，将双通道信号进行混响器滤波操作；通过权重因子，实时计算混合立体声增强器和混响器的输出信号并合成双通道混合声。本发明公开的混合式听感声场扩宽方法，能有效扩大声场宽度，实施简单，适用范围广。

Description

一种混合式听感声场扩宽方法
技术领域
本发明涉及立体声和环绕声领域，公开了一种基于立体声增强器和混响器的混合式听感声场扩宽方法。
背景技术
随着电子消费市场的日趋成熟，消费者对电子产品的声音品质要求越来越高。各类立体声和环绕声标准也逐渐普及，常见的有杜比5.1通道环绕声、QSurround环绕声、Dobly Atmos[G.Sergi，Knocking at the door of cinematic artifice：Dolby Atmos，challenges and opportunities，The New Soundtrack，3(2)：107-121，2013]等。这些方法利用多个扬声器，能够较完美的再现声场，给听众身临其境的听觉感受，得到了广泛的认可，但价格昂贵。
为了更好适应消费电子市场的需求，双扬声器重放环绕声技术仅利用两个扬声器，获取更宽广的声场体验。目前有研究利用人工混响，产生一定空间的环境声学信息，获取更宽广的空间听觉感受[Begault DR，Trejo LJ.3-D sound for virtual reality andmultimedia[J].2000.]，通过对听音环境进行声学混响模拟，可对不同听音环境，营造不同的混响效果；通过引入双通道信号差分信号，并以此提供部分环境信息，降低左右通道的相关性，也可扩宽听感声场宽度[Cohen JM.Stereo image separation and perimeterenhancement：U.S.Patent 4,308,423[P].1981-12-29.]。如专利CN101065989中所提出的双扬声器立体声扩展网络方法，将左右通道信号经过延迟、缩小、反转后，重新生成左右通道的信号。专利CN202276412U也采用了类似的方案，将左右通道混合输出，取得声场扩宽效果。此类方案的目标是放大左右通道的差异信号，增强音频的环境成分，对单通道信号、双通道语音信号的处理能力有限。
此外，可采用HRTF函数，进行环绕声的重建[Begault DR，Trejo LJ.3-D soundfor virtual reality and multimedia[J].2000.]。专利CN101212843采用了HRTF函数方法，将原始信号中的左环绕信号和右环绕信号与特定角度特征的HRTF函数进行卷积，然后通过前方的双扬声器输出，提供了一种立体声扬声器的声场重放方案。该方法可以提供一定的立体声定位效果，但对双声道信号听众正前方的声场扩宽效果有限，并且存在声像狭窄、通用性低的缺点。
最后，还可以利用自适应信号处理和信号分离的方法，通过一定的约束条件，分离原始双通道信号中的主分量和环境分量，提高环境分量比例，得到一定的声场扩宽效果，但算法复杂度较高[Irwan R，Aarts RM.Two-to-five channel sound processing[J].Journal of the Audio Engineering Society，2002，50(11)：914-926.]。如专利CN106170991A采用了这种方法，将左右声道中的中心分量、侧分量和环境分量分离，调整主分量、侧分量以及环境分量的比例，并通过空间串扰消除，提高音频的声场扩宽效果。专利CN106572419A也采用了类似的实现方式，经过一系列复杂运算，将左右通道信号分解为直达声信号和环绕声信号，再将环绕声信号进行解相关处理，最终得到一组相关性很低的左右通道信号。此类方案的算法复杂度较高，实际工程实施的造价偏高，且对单通道信号和语音信号的分离效果有限。
发明内容
针对现有的自由空间双扬声器声场重放设备声像狭窄、空间感不足以及对输入音频种类存在限制的问题，本发明提供了一种立体声增强器和混响器相结合的混合式听感声场扩宽方法。
为实现上述发明目的，本发明的目的通过以下技术方案来实现：
实时计算输入信号的左右通道的互相关系数，判断互相关系数所在区间，获得立体声增强器和混响器的权重因子α和1-α；
进一步的，权重因子由数据统计获取；
立体声增强器运算，获取输入信号的左右通道左(L)、右(R)分量，引入输入信号的左右信号的幅度差值L-R信号，通过对输入信号的左右通道的差值信号加入随机相位条件，重构双通道音频信号；
进一步的，立体声增强器运算中，通过将输入信号的左右声道按照一定比例进行放大、缩小、反相，重构新的左右通道信号；
进一步的，立体声增强器对输入信号的左右通道的差值信号加入随机相位条件，设计相位在-45°至45°之间随机移动生成。
混响器运算，将输入信号的左右通道通过混响器滤波器组，滤波产生混响效果；
进一步的，混响器采用四个并联梳状滤波器和两个串联全通滤波器，组成滤波器组，对输入信号的左右通道加入空间混响；
进一步的，根据目标使用环境，设计混响时间在20毫秒至1秒。
通过权重因子，实时计算混合立体声增强器和混响器的输出信号，并根据比例因子调整幅度，进行能量防溢出处理，实时合成双通道混合声；
进一步的，通过权重因子α和1-α，实时计算混合立体声增强器和混响器的输出信号，加权叠加合成输出信号；
进一步的，将立体声增强器和混响器加权叠加合成后的信号乘以归一化系数1/[α2+(1-α)2]0.5进行能量幅度控制。
本发明具有以下有益效果：(1)本发明从原始双通道信号中提取环境反射声信号，简单可行，可产生良好、自然的主观声场扩宽听感；(2)本发明将立体声增强器和混响器结合，适用的范围更加广泛，对单通道信号、双通道语音信号等都有声场扩宽效果；(3)本发明可采用通用DSP硬件电路或者专用的集成电路实现，也可采用算法语言的软件在计算机上实现；(4)本发明可以作为软件应用于音乐源的制作，也可以作为硬件电路，在家用电视、家庭影院中投入使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中所提到的混合立体声增强器和混响器算法流程框架总图。
图2是本发明中立体声增强器的流程框架图。
图3是本发明中混响器的流程框架图。
图4是本发明中混响器中的梳状滤波器流程框架图。
图5是本发明中混响器中的全通滤波器流程框架图。
具体实施方式
下面结合一种具体发明实例的附图，对本发明进行详细的描述。
图1是混合式听感声场扩宽方法的原理流程方框图，将双通道信号进行声场扩宽处理技术的关键主要包括：
在步骤101中，输入音频采用采样率44.1kHz的音频材料，设置帧长2048点。
在步骤102中，计算权重因子α：
计算当前帧左右通道2048点数据的互相关系数，得到当前帧的互相关系数；
判断互相关系数所在区间，查阅表1，获得一组权重因子α和1-α；
表1相关性判断区间表
根据102中的权重因子，进行算法的选择操作。
在步骤103中，进行立体声增强器运算，其流程图见图2：
202-203：获取输入信号的左右通道输入信号Lin、Rin：引入输入信号的左右信号的差值Lin-Rin信号，将输入信号的左右声道按照一定比例进行放大、缩小、反相，合成新的左右通道信号；
204：对输入信号的左右通道的差值信号加入随机相位条件，设计相位在-45°至45°之间随机移动生成；
采用如下公式：
式中K1、K2、K3为增益系数，jω为相位调整因子。本实施例中采用的相位调整因子在-45°至45°之间随机生成，采用的增益系数见表2：
表2幅度控制增益系数表
207-209：K1、K2、K3直接影响音效调节，一般情况下，K1＞K2。表2中的10组增益系数，立体声音效逐渐增强，根据听音反馈进行调整；
210：能量幅度调整，输出音频：
均衡幅值：采用对应增益系数的修正因子1/(K1 2+K2 2+0.5*K3 2)0.5进幅度修正；
防止能量溢出：对205-206中输出音频的Lout和Rout进行5％的限幅。
在步骤104中，进行混响器运算，其流程图见图3：
301：输入当前帧2048点双通道音频数据；
302-305：进行梳状滤波器1-4并联滤波计算，梳状滤波器的原理框图见图4，***传递函数见式(2)：
402：梳状滤波器1-4采用的延时分别为30ms、35ms、40ms和45ms，延时可根据实际需要调整，需要满足滤波器最大延迟时间为最小延迟时间的1.5倍的条件，且延迟时间不宜过短。
403：反馈系数g由式(3)确定：
式中，mi为采样点数，T为采样率，Tr为混响时间。
306-307：全通滤波的原理框图见图5，***传递函数见式(4)：
502：两个全通滤波器的延时设定在5ms和1.7ms。
503-504：两个全通滤波器的反馈系数为0.7、0.34。
在步骤105中，整合实时输出：
按照步骤102中的权重因子，将103立体声增强器和104混响器的输出信号进行叠加，并进行能量幅度调整，具体过程见式(5)。
式中，ys为立体声增强器的输出音频，yr为混响器的输出音频。

Claims (3)

1.一种混合式听感声场扩宽方法，所述方法包括：
实时计算双通道输入信号的左右通道互相关系数，判断互相关系数所在区间，获得立体声增强器和混响器的权重因子α和1-α；
立体声增强器运算，其特征在于，按照如下公式重构双通道音频信号：
Lout＝K1·Lin-K2·Rin+K3·(Lin-Rin)·ejω
Rout＝K1·Rin-K2·Lin+K3·(Rin-Lin)·e-jω
其中，Lout和Rout表示重构信号的左右通道，Lin和Rin表示输入信号的左右通道，K1、K2和K3表示幅度控制增益系数，ejω和e-jω表示随机相位，相位在-45°至45°之间随机移动生成；
混响器运算，将输入信号的左右通道通过混响器滤波器组，滤波产生混响效果；
通过权重因子，实时计算混合立体声增强器和混响器的输出信号，并根据权重因子调整幅度，进行能量防溢出处理，实时合成双通道混合声；
其中混响器运算，采用四个并联梳状滤波器和两个串联全通滤波器，组成滤波器组，对输入信号的左右通道加入空间混响；
根据目标使用环境，设计混响时间在20ms至1s；
通过权重因子α和1-α，实时计算混合立体声增强器和混响器的输出信号，加权叠加合成双通道混合声。
2.如权利要求1所述的混合式听感声场扩宽方法，其特征在于：
实时计算双通道输入信号的左右通道互相关系数，互相关系数区间和对应的比例因子由数据统计获取。
3.如权利要求1所述的混合式听感声场扩宽方法，其特征在于：
将立体声增强器和混响器加权叠加合成后的信号乘以归一化系数1/[α2+(1-α)2]0.5进行能量幅度控制。
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