CN101819764B - 基于子带分解的特殊音效镶边的处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于子带分解的特殊音效镶边的处理系统。所述系统包括第一正交镜像滤波器组、第二正交镜像滤波器组、抽取处理单元、内插处理单元以及第一至第三镶边处理单元，每一滤波器组包含由对应高通滤波器G₁(z)或G₂(z)和低通滤波器H₁(z)或H₂(z)组成的分析滤波器单元和由对应高通滤波器K₁(z)或K₂(z)和低通滤波器B₁(z)或B₂(z)组成的综合滤波器单元，输入信号x(nT)经两个滤波器组的分析滤波器单元分解成低、中、高三个音域，分别送至对应的镶边处理单元进行镶边处理，镶边处理后的三个音域的信号再经两个滤波器组的综合滤波器单元合并成一路输出信号y(nT)，在对中、低音域信号进行分解之前和合并之后，通过抽取和内插处理来降低工作速率。通过音域的分割和各音域的单独镶边处理有效改善了镶边处理效果。

Description

基于子带分解的特殊音效镶边的处理系统

技术领域

本发明涉及数字音效处理技术，尤其涉及基于子带分解的特殊音效镶边的处理系统。

背景技术

数字音效是一种人工对采集的数字音频信号进行增强、滤波、调制等再处理的过程。通过对原始声音的音效处理，可以产生各种虚拟空间或具有幻觉色彩的特殊音色，增强听觉效果。镶边音效(flanging)作为特殊音效的一种，可以给原始声音带来一种周期性游移的听觉效果，广泛应用于电子吉他和摇滚音乐的音效处理中。

镶边处理实际上就是音频信号经延时后再叠加在原始信号上而产生的梳状滤波效应。目前，镶边处理普遍采用的是调制模式，即音频信号的延迟时间被一个超低频信号进行调制，也就是延迟时间由短到长匀速扫描所产生的声音效果。传统的调制镶边处理都是从全时域上对原始声音进行延时叠加，并未考虑频域因素。然而，人耳作为声音的最终受信者对不同频率声音的感知能力是不同的。除此之外，可以证明不同音域声音镶边处理的效果不仅与镶边处理的参数有关，还与被处理信号的频率有关。因此，为了有效地提高镶边性能，应不仅从时域上，还应从频域处理上加以考虑。

现有的镶边处理的一般模型如图1所示，动态延时单元将原始声音信号x(nT)进行动态延时生成x(nT-d(nT))，其中T为采样周期，d(nT)为动态延时调制波。动态延时后的信号在增益因子a₂(0＜a₂≤1)的控制下与直达信号a₁ x(nT)(a₁为x(nT)的增益因子，0＜a₁≤1)叠加混合形成镶边处理的输出信号y(nT)：

y(nT)＝a₁x(nT)+a₂x(nT-d(nT))        (1)

图1中的动态延时调制波形可以是正弦波、三角波、指数波或对数波。不同的调制波形和频率以及增益因子将产生不同的镶边效果。假设图1中的动态延时单元采用的是正弦调制波形

$d\left(\mathrm{nT}\right)=\frac{D}{2}(1-\cos \left(2\mathrm{\π}{F}_d\mathrm{nT}\right))---\left(2\right)$

其中F_d是调制频率，D为最大延时。取输入信号x(nT)为单频正弦信号，即

x(nT)＝cos(2πf₀nT)            (3)

其中f0为正弦信号的频率。此时，镶边处理输出可分解为：

(4)

式中：θ₁(nT)＝a₂sin[2πf₀d(nT)]     (5)

θ₂(nT)＝a₂cos[2πf₀d(nT)]

其中

为x(nT)的正交信号，即

(6)

由4式和5式可以看出，一个单频输入信号经过调制镶边处理后由三个分量组成，其中一个是受增益因子a₁控制的原始信号，其余两个是受调制变参θ₁(nT)和θ₂(nT)调制的原信号和其正交信号，并且调制变参由增益因子a₂、动态延时调制波d(nT)和被调信号频率f₀控制。由于增益因子a₂和动态延时调制波d(nT)在镶边处理的最初设定，因此a₂和d(nT)的扫描频率以及扫描范围对一次镶边处理而言是恒定的。但是调制变参还与被调制信号的频率f₀有关。在实际的镶边处理中，被处理信号一般是由许多个频率分量以及它们的谐音组成的复合信号。因此，全时域镶边处理必然会造成在一次镶边处理的过程中，不同频率信号分量之间的调制变参幅度相同，但调制变化速率不同。这种参数间的相同和不同是由调制镶边处理器先天决定的，并未考虑被调制信号自身的特点对调制变参进行精心的选择。

研究表明，人耳对于可闻音域范围(20～20kHz)内不同音域的声音敏感程度是不一样的。传统的全时域镶边处理会由于未考虑频域因素而影响最终的镶边处理效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足提出一种能达到更好的镶边处理效果的基于子带分解的特殊音效镶边的处理系统，它通过下述技术方法来实现：

所述系统包括第一正交镜像滤波器组、第二正交镜像滤波器组、抽取处理单元、内插处理单元以及第一至第三镶边处理单元，所述每一正交镜像滤波器组包含由对应高通滤波器G₁(z)或G₂(z)和低通滤波器H₁(z)或H₂(z)组成的分析滤波器单元和由对应高通滤波器K₁(z)或K₂(z)和低通滤波器B₁(z)或B₂(z)组成的综合滤波器单元，原始声音输入信号x(nT)首先送至第一正交镜像滤波器组的分析滤波器单元，由高通滤波器G₁(z)和低通滤波器H₁(z)将信号分解成高音域和中低音域，中低音域信号送至抽取处理单元进行2∶1的抽取以降低工作速率，抽取处理后的信号送至第二正交镜像滤波器组的分析滤波器单元，由高通滤波器G₂(z)和低通滤波器H₂(z)将信号分解成中音域和低音域，这样，所述滤波器H₂(z)、G₂(z)和G₁(z)分别输出了信号x(nT)的低、中、高三个音域的信号，该低、中、高三个音域的信号分别送至对应的第一、第二和第三镶边处理单元进行镶边处理，由第一、第二镶边处理单元分别处理后的低音域和中音域信号送至第二正交镜像滤波器组的综合滤波器单元，由高通滤波器K₂(z)和低通滤波器B₂(z)叠加合并形成一路信号，该信号经内插处理单元按1∶2插值还原到所述抽取处理前的工作速率，经第三镶边处理单元处理后的信号和经内插处理单元处理后的信号最后由第一正交镜像滤波器组的综合滤波器单元的高通滤波器K₁(z)和低通滤波器B₁(z)叠加合并形成最终的特殊音效镶边处理的输出信号y(nT)。

所述系统进一步的设计在于，通过子带分解将输入信号分解为三个音域后，在各个镶边处理单元，针对各个音域的特点，适当选择和设置镶边调制参数，提高和改善镶边处理效果。对于低音域和高音域，人耳不敏感，可以适当增大增益因子a₂的值来提高调制变参的幅度。由于延时叠加的时差不同，其镶边处理的作用域也不同，因此将各音域镶边处理的动态延时调制波d(nT)修改为

$d\left(\mathrm{nT}\right)=\frac{\mathrm{Dhigh}-\mathrm{Dlow}}{2}(1-\cos \left(2\mathrm{\π}{F}_d\mathrm{nT}\right))+\mathrm{Dlow}---\left(7\right)$

其中Dlow和Dhigh分别为对应延时叠加时差的下限和上限。按修改后的7式来设置调制波的参数，就可以精确、有效地设定各个音域动态延时调制波的扫描范围。

所述系统更进一步的设计在于，对于中音域，它是声音的主体，其镶边处理动态延时调制波的优选值为：Dlow＝3ms，Dhigh＝17ms，即动态延时调制波的扫描范围为3-17ms。

本发明的发明人通过对传统调制镶边处理方法的分析，发现传统镶边调制仅从时域上进行处理，没有有效地利用音频信号的频域特点。基于这一问题，利用子带分解的思想，提出了一种新的基于子带分解的时、频镶边处理方法和系统，将输入信号分解成低、中、高三个音域，针对各个音域信号的特点，分别进行镶边处理，独立、灵活地设置和调整各个音域信号镶边处理的参数，达到既能实现高效的镶边效果，又能拟合人耳的听觉特性，实现高效的时、频域镶边处理，有效改善和提高了镶边处理的性能。

附图说明

图1是现有全时域镶边处理系统的结构示意图。

图2是本发明镶边处理系统的结构示意图。

图3是本发系统进行仿真实验的实施例1的频谱图。

图4是本发系统进行仿真实验的实施例2的频谱图。

具体实施方式

对照图2，本发明系统主要由第一正交镜像滤波器组、第二正交镜像滤波器组(以下简称滤波器组)、抽取处理单元、内插处理单元以及第一至第三镶边处理单元组成。两个滤波器组分别由对应的分析滤波器单元和综合滤波器单元组成。第一滤波器组的分析滤波器单元由高通滤波器G₁(z)和低通滤波器H₁(z)组成，综合滤波器单元由高通滤波器K₁(z)和低通滤波器B₁(z)组成。第二滤波器组的分析滤波器单元由高通滤波器G₂(z)和低通滤波器H₂(z)组成，综合滤波器单元由高通滤波器K₂(z)和低通滤波器B₂(z)组成。上述两组子带分解滤波器均是等间隔划分频带。

原始声音输入信号x(nT)首先通过第一滤波器组的分析滤波器单元，经高通滤波器G₁(z)和低通滤波器H₁(z)一分为二分解成高频段和中低频段两路信号，其中高通滤波器G₁(z)输出的高频段构成输入信号x(nT)的高音域信号。低通滤波器H₁(z)输出的中低频段信号将通过第二组分析滤波器再次分解，分解为中、低两个频段，分别构成输入信号x(nT)的中音域和低音域信号。在此之前，为了提高工作效率，利用奈奎斯特定理，将低通滤波器H₁(z)输出的中低频段信号先送至抽取处理单元进行2∶1的抽取处理以降低工作速率。抽取处理后的中低频段信号送至第二滤波器组的分析滤波器单元，经高通滤波器G₂(z)和低通滤波器H₂(z)一分为二分解为中、低两个频段，它们分别形成输入信号x(nT)的中音域信号和低音域信号。这样，滤波器G₁(z)、G₂(z)和H₂(z)的输出端就分别形成了输入信号x(nT)的高、中、低三个音域的分解信号。这低、中、高三个音域的信号分别送至对应的第一、第二和第三镶边处理单元进行镶边处理。

在各个镶边处理单元，可针对各个音域的特点，分别进行镶边处理，适当地选择和设置镶边调制参数，提高和改善镶边处理效果。研究表明，人耳对中间1-4kHz音域的声音信号较敏感，对更低或更高音域的声音不敏感。镶边处理中延时叠加的时差小于1ms时，镶边效果集中在高音域；延时叠加的时差在3-17ms时，镶边效果集中在中音域；延时叠加的时差在17-35ms时，镶边效果集中在低音域。对于低音域和高音域，人耳不敏感，可以适当增大增益因子a₂来提高调制变参的幅度。如上所述，延时叠加的时差不同，其镶边效果的作用域也不同，因此可以对动态延时调制波d(nT)进行适当的修改来提高对应音域的镶边效果。例如，当对中音域进行镶边处理时，传统的做法是选择延时调制波形后，将其最大延时设为17ms。如将2式中的D设为17ms，此时延时调制波将在0-17ms范围内按照设定的频率匀速扫描。但是，研究表明，延时叠加的时差只有在3-17ms时镶边效果才集中在中音域。因此0到3ms延时叠加后的镶边效果并不集中在中音域。所以，对中音域的镶边处理而言，0到3ms的延时叠加是没有必要的。为了能够精确、有效地设定各个音域镶边处理延时调制波的扫描范围，将动态延时调制波即2式修改为

$d\left(\mathrm{nT}\right)=\frac{\mathrm{Dhigh}-\mathrm{Dlow}}{2}(1-\cos \left(2\mathrm{\π}{F}_d\mathrm{nT}\right))+\mathrm{Dlow}---\left(7\right)$

其中Dlow和Dhigh分别对应延时叠加时差的下限和上限。对于中音域的镶边处理，可以选择Dlow＝3ms，Dhigh＝17ms，此时动态延时调制波的扫描范围为3-17ms。这样按修改后的7式来设定延时调制波的参数，就可以精确、有效地设定各个音域动态延时调制波的扫描范围。

经三个镶边处理单元镶边处理后的高、中、低三个音域的信号再通过第一、第二滤波器组的综合滤波器单元合并为一路信号。第一镶边处理单元输出的低音域信号和第二镶边处理单元输出的中音域信号首先送至第二滤波器组的综合滤波器单元，经高通滤波器K₂(z)和低通滤波器B₂(z)叠加合并形成一路信号。该信号经内插处理单元按1∶2比例插值处理还原到抽取处理前的工作速率。合并还原后的中低音域信号再与第三镶边处理单元输出的高音域信号一起送至第一滤波器组的综合滤波器单元，经高通滤波器K₁(z)和低通滤波器B₁(z)叠加合并形成最终的特殊音效镶边处理的输出信号y(nT)。

上述系统进行仿真实验的实施例如下：

实施例1

仿真实验数字化采样频率F_s＝22.05kHz，每个采样数据编码长度为16bit。利用正交镜像滤波器组将音域分为低、中和高三个音域，对应频段分别为0-2.75625kHz、2.75625-5.5125kHz和5.5125-11.025kHz。参考G.722，选择24阶FIR滤波器作为双通道分析滤波器的原型滤波器。图2中H₁(z)和B₁(z)的系数由表1给出，其它滤波器的系数可由H₁(z)和B₁(z)的系数通过正交镜像滤波器组的设计公式计算得出。本系统对位于低、中和高音域频率分别为300Hz、3000Hz和10kHz的三个单频正弦信号所组成的混合信号进行了实验。

表1分析原型滤波器系数

图3给出了三个单频混合信号镶边处理后的频谱图，其中图(a)为传统镶边处理的输出，镶边处理的参数为a₁＝a₂＝0.5，D＝35ms，F_d＝0.2Hz。图(b)和图(c)为基于子带分解的时、频镶边处理输出，其低和中音域的增益因子均为a₁＝a₂＝0.5，图(b)高音域的增益因子a₁＝0.8、a₂＝0.2，图(c)高音域的增益因子a₁＝0.2、a₂＝0.8，其余参数与传统镶边处理相同。图3中，前三根主谱线分别代表300Hz、3000Hz和10kHz的频率分量(后三根为它们的对称值)，围绕在这三根主谱线(主分量)周围的是镶边处理产生的边分量。比较图(b)和图(c)可看出，增大或减小高音域的增益因子a₁，可以独立地增大或减小高音域镶边处理输出的主分量(注意比较三个分量的相对大小)，增大或减小高音域的增益因子a₂，可以独立地增大或减小高音域镶边处理输出的边分量，而不会影响到低、中音域的镶边处理。

实施例2

本实施例是通过在不同音域上设定延时调制波的扫描频率或范围来独立调节不同音域的镶边处理输出。图4给出了通过对中音域信号镶边处理的延时调制波参数的选择来独立调节中音域镶边处理输出的频谱图。图4中，三个子图的低音域和高音域镶边处理参数由表2给出；三个子图的中音域镶边处理增益因子相同均为a₁＝1.0，a₂＝2.0(这里仅是为了使实验结果更清晰放大了增益因子)，其余参数由表3给出。比较图(a)和(b)可看出，通过改变扫描频率F可以改变镶边处理输出边分量的大小。比较图(b)和(c)看出，通过改变扫描范围可以改变镶边处理输出的边分量分布。由表3可知，(c)图的扫描范围为1-3ms。如前所述，1-3ms的延时叠加镶边效果并不集中在中音域，因此(c)图中中音域的边分量消失了，由此证明将2式修改为7式的正确性。

上述实施例子和实验结果表明，本发明系统通过音域的分割可以独立、灵活地设置和调节不同音域的镶边处理参数，精确、有效地控制不同音域镶边处理的输出。

表2低、高音域镶边处理参数

表3中音域镶边处理参数

本系统还对一个时长为16秒的吉他弹奏片断gitar.wav进行了实验，利用Matlab的WAVPLAY函数，对经本发明系统镶边处理后的gitar.wav文件进行了音频输出。从主观听觉来看，新的基于子带分解的时、频镶边处理系统能够有效地提高镶边处理效果。

Claims (3)

1.基于子带分解的特殊音效镶边的处理系统，其特征在于包括第一正交镜像滤波器组、第二正交镜像滤波器组、抽取处理单元、内插处理单元以及第一至第三镶边处理单元，所述每一正交镜像滤波器组包含由对应高通滤波器G₁(z)或G₂(z)和低通滤波器H₁(z)或H₂(z)组成的分析滤波器单元和由对应高通滤波器K₁(z)或K₂(z)和低通滤波器B₁(z)或B₂(z)组成的综合滤波器单元，原始声音输入信号x(nT)首先送至第一正交镜像滤波器组的分析滤波器单元，由高通滤波器G₁(z)和低通滤波器H₁(z)将信号分解成高音域和中低音域，中低音域信号送至抽取处理单元进行2∶1的抽取以降低工作速率，抽取处理后的信号送至第二正交镜像滤波器组的分析滤波器单元，由高通滤波器G₂(z)和低通滤波器H₂(z)将信号分解成中音域和低音域，这样，所述滤波器H₂(z)、G₂(z)和G₁(z)分别输出了信号x(nT)的低、中、高三个音域的信号，该低、中、高三个音域的信号分别送至对应的第一、第二和第三镶边处理单元进行镶边处理，由第一、第二镶边处理单元分别处理后的低音域和中音域信号送至第二正交镜像滤波器组的综合滤波器单元，经高通滤波器K₂(z)和低通滤波器B₂(z)叠加合并形成一路信号，该信号经内插处理单元按1∶2插值还原到所述抽取处理前的工作速率，经第三镶边处理单元处理后的信号和经内插处理单元处理后的信号最后由第一正交镜像滤波器组的综合滤波器单元的高通滤波器K₁(z)和低通滤波器B₁(z)叠加合并形成最终的特殊音效镶边处理的输出信号y(nT)。

2.根据权利要求1所述的基于子带分解的特殊音效镶边的处理系统，其特征在于所述镶边处理单元对对应音域镶边处理采用的动态延时调制波d(nT)为：

$d\left(\mathrm{nT}\right)=\frac{\mathrm{Dhigh}-\mathrm{Dlow}}{2}(1-\cos \left(2\mathrm{\π}{F}_d\mathrm{nT}\right))+\mathrm{Dlow}$

其中Dlow和Dhigh分别为对应延时叠加时差的下限和上限；F_d为调制频率。

3.根据权利要求2所述的基于子带分解的特殊音效镶边的处理系统，其特征在于对于中音域镶边处理，其优选值为：Dlow＝3ms，Dhigh＝17ms。

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