CN101304242B - 一种音量控制方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种音量控制方法，包括：(1)输入音频信号；(2)设置音频信号的线性区和非线性区；(3)判断音频信号是否处在线性区；(4)若音频信号处在线性区则按线性变换处理，否则按非线性变换处理。并且，步骤(2)中设置的音频信号线性区和非线性区可以通过对音频信号的整体监测进行调整。本发明还包括为实现上述音量控制方法的装置，包括：输入模块；音频信号的线性区和非线性区范围的监测调整模块；判断模块；线性变换模块及非线性变换模块和输出模块。本发明的方法和装置通过非线性变换部分来达到实时限制音量幅度的作用，并通过对信号整体的监测调整线性区和非线性区的范围，达到了减少失真的效果。

Description

一种音量控制方法及设备

技术领域

本发明涉及一般电子设备中的音量控制领域，具体来说是关于一种在音频播放装置上进行音量幅度控制的方法及设备。

背景技术

随着现代多媒体技术的普及和应用，音频播放设备也越来越普及。从传统的收音机，电视机，随身听到现代的MP3，MP4等，都有相应的音频播放模块。音频设备在给我们带来诸多方便的同时也会出现一些问题。很多时候，由于音源的动态范围不同，经常会出现声音忽大忽小的情况。例如，在收听过程中由于切换频道或节目变更，音量会出现突然变大的情况，或是在听MP3时，有些音乐音量较大而另一些音量较小。在这些情况下，如果音量突然增大，往往给人们带来很大的不适，或是打扰他人休息，更有甚者，如果声音变化幅度很大，有时还可能还会损害收听者听力。

在上述情况下就需要对声音信号进行限幅。常用在时域上的限幅手段有两种，一种是对信号进行非线性变换的限幅，如对信号进行削顶，这样做的优点是实时性(即处理突然的声音增大)好，但缺点是对于较大的声音失真严重，故很难处理动态范围较大的信号。另外一种方法是根据当前的动态范围对信号进行整个范围的线性变换，这样做的好处就是不存在失真，但缺点是其判定动态范围的方法需要综合实时性和有效性两个方面，在实际应用中不大容易把握。如果能将两者结合起来，利用部分非线性变幻解决实时性的问题，而利用整体线性变换有效的解决失真问题，就有可能达到较好的处理效果。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种新型的音量控制方法及设备，结合信号非线性变换实时性强和线性变换失真少的优点，同时还保证了变换过程的实时性和有效性。

本发明目的通过下述方法实现：一种音量控制方法，所述方法包括以下步骤：(1)输入音频信号；(2)设置音频信号的线性区和非线性区；(3)判断音频信号是否处在线性区；(4)若音频信号处在线性区则按线性变换处理，否则按非线性变换处理。其中，设置音频信号的线性区和非线性区可以采用以下方法：(a)设置线性空间调控因子和差值积分初值；(b)读取音频信号；(c)计算读取的音频信号理论线性 区与现有线性区的差值；(d)计算差值积分；(e)判断差值积分结果是否超过阈值；(f)若超过阈值则调整线性空间调控因子改变线性区和非线性区范围并将差值积分清零，否则返回(b)步重新开始音频信号监测。

上述步骤(2)中设置的音频信号线性区和非线性区可以通过对音频信号的整体监测进行调整。

步骤(f)中，当差值积分结果超过阈值上限时，线性空间调控因子将增大，当差值积分结果超过阈值下限时，线性空间调控因子将减小或等于1。

本发明方法中，对音频信号的处理都是针对时域信号的处理，并且在信号的非线性变换的最终输出函数是值域有限的奇函数，该最终输出函数在除线性区与非线性区的交点以外二阶可导，且一阶导数是正值。

本发明还包括为实现上述音量控制方法的装置，包括：输入音频信号的输入模块；设置音频信号的线性区和非线性区范围的模块，该模块包括，设置线性空间调控因子和差值积分初值的单元，读取音频信号的单元，计算读取的音频信号理论线性区与现有线性区的差值的计算单元，计算差值积分的计算单元，判断差值积分结果是否超过阈值的判断单元，在该判断单元中，若超过阈值则调整线性空间调控因子改变线性区和非线性区范围并将差值积分清零，否则返回读取音频信号的单元重新开始音频信号监测；判断音频信号是否处于线性区的判断模块；以及处理模块，在该处理模块中若音频信号处在线性区则按线性变换处理，否则按非线性变换处理。

使用本发明的方法和装置与传统音量控制方法相比较，通过非线性变换来达到实时限制音量幅度的作用，并通过对信号整体的监测调整线性区和非线性区的范围，达到了减少失真的效果。

附图说明

下面参照附图对本发明的具体实施方案进行详细的说明，附图中：

图1是本发明所用音量控制方法的流程图；

图2是音频信号的线性区和非线性区监测调整流程图。

具体实施方式

下面结合图1和图2对本发明的方法进行具体说明。

首先，由系统或用户给出两个参数D、B，其中D是线性区的输出范围，即信号线性变换的输出范围在[-D，D]之间，B是系统最大的输出范围，信号输出的范围在[-B，B]之间。

如图1，首先判断输入信号是否在线性区内。若输入信号x线性区的范围为：-aD≤x≤aD；其中a为线性区域调控因子，a≥1；x的非线性区的范围为：x＜-aD或aD＜x。

若x在线性区内，则变换后的值为： $f\left(x\right)=\frac{x}{a},$ 直接输出。

若x不在线性区内，则分两种情况进行变换：

当x＜-aD时， $f\left(x\right)=-D-(B-D)g(-\frac{x+\mathrm{aD}}{\mathrm{aB}-\mathrm{aD}});$

当aD＜x时， $f\left(x\right)=D+(B-D)g\left(\frac{x-\mathrm{aD}}{\mathrm{aB}-\mathrm{aD}}\right);$ 其中，g(x)是选定的变换函数，g(x)是定义在[0，+∞)上的函数，须满足以下条件：

1.g(0)＝0；

2. $\underset{\mathrm{\ϵ}\→0^{+}}{\lim }\frac{g\left(\mathrm{\ϵ}\right)-g\left(0\right)}{\mathrm{\ϵ}}=1;$

3.g′(x)＞0(x＞0)；

4.g″(x)＜0(x＞0)；

5. $\underset{x\→+\∞}{\lim }g\left(x\right)=1.$

此时，f(x)在(-∞，+∞)上单调有界，得到f(x)后，即可作为最后输出。

本发明为保证音频信号播放过程中的有效性，使播放的动态范围和输入的动态范围相匹配，即提高信噪比或减少信号失真，需要对整体音频信号进行监测，通过设置和调整线性区域调控因子a改变线性区和非线性区范围，具体监测和调整过程如图2所示：

a、首先将线性区域调控因子a设置为1，把差值积分C设置为0；

b、读取N个声音点x_i；

c、计算N个信号点理论线性区与现有线性区的差值P，计算公式如下：

$P=\mathrm{\β}\×\frac{\sqrt{\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2}}{\sqrt{\frac{N}{2}}}-\mathrm{aD},$ 其中β为校正因子，1＜β＜2；

d、计算差值的积分C＝C+P；

e、查看C是否超过阈值，即C＞Q⁺×D或是C＜-Q^-×D，其中Q⁺是给定的上界，而Q^-是给定的下界，一般情况下，Q⁺＜Q^-，超过上界代表出现失真，而超过下界代表动态范围利用不足，当失真发生时，需要采用更快的处理。如未发生超过阈值的情况，则跳转至b。

f、当C＞Q⁺×D时， $a=\frac{a}{\mathrm{\γ}},$ C＝0，a的值将增大；当C＜-Q^-×D时，a＝max(γa，1)，C＝0，a的值将减小或等于1，其中，γ是给定的调整速度的参数，0＜γ＜1。跳转至b。

显而易见，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下，在此描述的本发明可以有许多变化。因此，所有对于本领域技术人员来说显而易见的改变，都应包括在本权利要求书所涵盖的范围之内。本发明所要求保护的范围仅由所述的权利要求书进行限定。

Claims (6)

1.一种音量控制方法，该方法包括以下步骤：(1)输入音频信号；(2)设置音频信号的线性区和非线性区；(3)判断音频信号是否处在线性区；(4)若音频信号处在线性区则按线性变换处理，否则按非线性变换处理，其特征在于，在所述设置音频信号的线性区和非线性区的步骤(2)中包括以下步骤：

(a)设置线性空间调控因子和差值积分初值；(b)读取音频信号；(c)计算读取的音频信号理论线性区与现有线性区的差值；(d)计算差值积分；(e)判断差值积分结果是否超过阈值；(f)若超过阈值则调整线性空间调控因子改变线性区和非线性区范围并将差值积分清零，否则返回(b)步重新开始音频信号监测。

2.根据权利要求1所述的音量控制方法，其特征在于所述步骤(2)中设置的音频信号线性区和非线性区通过对音频信号的整体监测进行调整。

3.根据权利要求1所述的音量控制方法，其特征在于步骤(f)中，当差值积分结果超过阈值上限时，线性空间调控因子将增大，当差值积分结果超过阈值下限时，线性空间调控因子将减小或等于1。

4.根据权利要求1所述的音量控制方法，其特征在于音频信号的非线性变换的最终输出函数是值域有限的奇函数，该最终输出函数在除线性区与非线性区的交点以外二阶可导，且一阶导数是正值。

5.根据权利要求1所述的音量控制方法，其特征在于输入的音频信号是时域信号。

6.一种音量控制装置，其特征在于所述装置包括：

输入音频信号的输入模块；

设置音频信号的线性区和非线性区范围的模块，该模块包括：设置线性空间调控因子和差值积分初值的单元；读取音频信号的单元；计算读取的音频信号理论线性区与现有线性区的差值的计算单元；计算差值积分的计算单元；判断差值积分结果是否超过阈值的判断单元，在该判断单元中，若超过阈值则调整线性空间调控因子改变线性区和非线性区范围并将差值积分清零，否则返回所述读取音频信号的单元重新开始音频信号监测；

判断音频信号是否处于线性区的判断模块；以及，

处理模块，在该处理模块中若音频信号处在线性区则按线性变换处理，否则按非线性变换处理。

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