CN101902679B - 立体声音频信号模拟5.1声道音频信号的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及立体声和环绕声领域，公开了一种立体声音频信号模拟5.1声道音频信号的处理方法。本发明首先输入原始的立体声音频信号的左、右声道信号；接收并处理上述输入立体声音频信号的左、右声道信号，生成5.1声道音频信号的前方通路信号；提取上述左、右声道的低频分量，生成低频效果通路信号；对上述输入立体声音频信号的左、右声道信号进行差值运算得到立体声左右声道差，经延时和幅值衰减后再由时变全通滤波生成模拟的左、右环绕通路信号，最终实现5.1声道的模拟。与现有技术相比，本发明提取环绕信息，采用随机相位时变的全通滤波算法降低两路信号的相关性，获得更真实的主观听感，且算法相对现有技术复杂度更低。

Description

立体声音频信号模拟5.1声道音频信号的处理方法

技术领域

本发明涉及立体声和环绕声领域，特别涉及一种立体声音频信号模拟5.1声道音频信号的处理方法。

背景技术

立体声系统作为音频信号的采集和重放方式，能够较好地体现前方声场的位置信息，但在家庭影院应用方面，立体声系统的局限性也暴露了出来。立体声系统只能再现一个二维平面的空间感，即整个声场是平平地摆在听音者面前，并不能使听音者有置身其中的现场感。整体声场全方位的三维空间感可以给听音者一种鲜活的、置身于其中的临场感，因此，多声道环绕声系统发展起来。

目前，多声道环绕声系统已被广泛用于电视、DVD、家庭影院等环绕声效果实现。例如，被推荐作为环绕声国际标准的5.1声道环绕声系统，采用前方左通路信号L、前方右通路信号R、中置通路信号C、左环绕通路信号Ls、右环绕通路信号Rs五个独立的全频带通路及扬声器，以及一路可选择的低频效果通路信号LFE，从而实现重发环绕听音者的声音听觉效果。在5.1声道环绕声系统中，前方左通路信号L、前方右通路信号R携带大量立体声信息；中置通路信号C包含大量前方声场信息，作为左、右通路的补偿，提供更宽的声场和稳定的声像，同时对对白的语音清晰度的提高也有显著作用的；左环绕通路信号Ls、右环绕通路信号Rs主要包含听音区域内的环境声信息，提供有包围感的环绕声场和丰富的声场信息；低频效果通路信号LFE专门为音频信号中的120Hz以下频段设计，用于加强听觉上的冲击力，提供逼真的低音感受。

立体声系统包含左、右声道Lin、Rin，其携带空间环境声信息，主要存在于左、右声道Lin、Rin的信号差(S＝Lin-Rin)中。在研究了立体声系统与5.1声道环绕声系统的联系和区别后提出了立体声模拟5.1声道，前方声道的产生比较容易处理，故其主要研究点在于产生逼真的环绕声道。由于模拟环绕声道来源于左、右声道Lin、Rin之差(S＝Lin-Rin)，若直接将其处理成环绕声道，由于其与前方声道有较强的相关性，会对前方声场造成较大干扰而引起声场混乱。因此，在模拟5.1声道环绕声时去除环绕声道与其它声道的相关性是主要问题。

中国专利申请号200510102200.9，发明名称为：双通路立体声信号模拟5.1通路环绕声的信号处理方法该申请首先输入原始的双通路左、右立体声信号L0、R0，产生5.1通路环绕声的前方三通路信号L、R、C，并从中提取出环境声学信息S，经延时、带通滤波和六个子带的随机延时处理后，得到去相关的一对环绕声信号LS，RS，并馈给5.1通路环绕声系统重发。但该申请在实时回放系统中应用时，会由多频带的运算复杂度而引起的实时性难以满足的问题。本发明提出一种算法复杂度更低的实现方式，通过以更低的资源消耗获取相同效果的解决方案。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的缺陷，提供一种立体声音频信号模拟5.1声道音频信号的处理方法。该方法的音频信号处理的运算复杂度更低。

本发明的目的是这样实现的：一种立体声音频信号模拟5.1声道音频信号的处理方法，包括如下步骤：

A.输入立体声音频信号的左、右声道信号；

B.接收并处理上述立体声音频信号的左、右声道信号，生成5.1声道音频信号的前方左通路信号、前方右通路信号、中置通路信号；

C.接收上述立体声音频信号的左、右声道信号，并提取上述左、右声道的低频分量，生成5.1声道音频信号的低频效果通路信号；

D.接收上述立体声音频信号的左、右声道信号，并进行差值运算得到立体声声道差，对上述立体声声道差依次进行延时处理、幅值衰减处理、以及时变全通滤波处理后生成左、右环绕通路信号。

进一步，上述步骤B中，所述前方左通路信号、前方右通路信号来源于立体声音频信号的左、右声道信号；立体声音频信号的左、右声道信号进行和运算，并对上述和运动获得的信号提升3dB，生成5.1声道音频信号的中置通路信号。

进一步，上述步骤C中，立体声音频信号的左、右声道信号经频率为120Hz的低通滤波处理提取出左、右声道信号的低频分量，并对上述低频分量提升3dB，生成5.1声道音频信号的低频效果通路信号。

与现有技术相比，本发明立体声音频信号模拟5.1声道音频信号的处理方法，首先输入原始的立体声音频信号的左、右声道信号；接收并处理上述输入立体声音频信号的左、右声道信号，生成5.1声道音频信号的前方左通路、前方右通路、中置通路；提取上述左、右声道的低频分量，生成低频效果通路；对上述输入立体声音频信号的左、右声道信号进行差值运算得到立体声左右声道差，经延时和幅值衰减后再由时变全通滤波生成模拟的左、右环绕通路，最终实现了对5.1声道音频信号的模拟。本发明模拟5.1声道信号的处理方法提取环绕信息，采用随机相位时变的全通滤波算法降低两路信号的相关性，获得更真实的主观听感，且算法相对现有技术复杂度更低，适用于实时的模拟多声道音频信号。

附图说明

图1为本发明立体声音频信号模拟5.1声道音频信号的处理方法实施例的流程图。

图2为本发明立体声音频信号模拟5.1声道音频信号的处理方法实施例提供的生成前方声道原理示意图。

图3为本发明立体声音频信号模拟5.1声道音频信号的处理方法实施例提供的生成低音效果声道原理示意图。

图4为本发明立体声音频信号模拟5.1声道音频信号的处理方法实施例提供的生成环绕声道原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

为解决现有技术中存在的问题，本发明中提出一种立体声音频信号模拟5.1声道音频信号的处理方法。首先输入原始的立体声音频信号的左、右声道信号；接收并处理上述输入立体声音频信号的左、右声道信号，生成5.1声道音频信号的前方左通路信号、前方右通路信号、中置通路信号；提取上述左、右声道信号的低频分量，生成低频效果通路信号；对上述输入立体声音频信号的左、右声道信号进行差值运算得到立体声左右声道差，经延时和幅值衰减后再由时变全通滤波生成模拟的左、右环绕通路信号，最终实现了对5.1声道音频信号的模拟。本发明模拟5.1声道信号的处理方法提取环绕信息，采用随机相位时变的全通滤波算法降低两路信号的相关性，获得更真实的主观听感，且算法相对现有技术复杂度更低，适用于实时的模拟多声道音频信号。

图1为本发明立体声音频信号模拟5.1声道音频信号的处理方法实施例的流程图。

步骤S101，输入立体声音频信号的左、右声道信号；

首先输入原始的立体声音频信号，用于后续模拟生成5.1声道音频信号；所述立体声音频信号包括左、右声道信号Lin、Rin。

步骤S102，接收并处理上述立体声音频信号的左、右声道信号，生成5.1声道音频信号的前方左通路信号、前方右通路信号、中置通路信号；

图2为本发明立体声音频信号模拟5.1声道音频信号的处理方法实施例提供的生成前方声道原理示意图。前方声道包括前方左通路信号L、前方右通路信号R、中置通路信号C。接收立体声音频信号的左、右声道信号Lin、Rin，直接用于生成前方左通路信号L、前方右通路信号R；提取上述左、右声道信号Lin、Rin，进行和运算，生成和值M(M＝Lin-Rin)，之后对上述生成的和值M提升3dB得到中置通路信号C。

步骤S103，接收上述立体声音频信号的左、右声道信号，并提取上述左、右声道的低频分量，生成5.1声道音频信号的低频效果通路信号；

图3为本发明立体声音频信号模拟5.1声道音频信号的处理方法实施例提供的生成低音效果声道原理示意图。接收上述左、右声道信号Lin、Rin，经fc＝120Hz低通滤波处理提取上述左、右声道信号Lin、Rin的低频分量，并对上述低频分量提升3dB得到5.1声道音频信号的低频效果通路信号LFE。

步骤S104，接收上述立体声音频信号的左、右声道信号，并进行差值运算得到立体声声道差，对上述立体声声道差依次进行延时处理、幅值衰减处理、以及时变全通滤波处理后生成左、右环绕通路信号。

环绕声道包括左、右环绕通路信号Ls、Rs；环绕声道包含多数的空间和环境声信息，用于前方声道提供有包围感的声场。立体声音频信号不包含环绕声道，故需要模拟出5.1声道音频信号的环绕声道。一般，环绕声道经由布置是在听音者后方的扬声器播放，且要保证环绕声道不干扰前方声道；若处理不当，会使在听音者认为音源产生于后方的错误声感。因此，立体声音频信号模拟5.1声道音频信号的环绕声道时需要解决环绕声道和前方声道的相关性问题。

立体声音频信号的左、右声道信号Lin、Rin本身有较大的相关性，其和值M(M＝Lin+Rin)主要包含前方信号，而其差值S(S＝Lin-Rin)包含大量相关性小的空间和环境声信息。图4为本发明立体声音频信号模拟5.1声道音频信号的处理方法实施例提供的生成环绕声道原理示意图。首先接收立体声音频信号的左、右声道信号Lin、Rin；对上述左、右声道信号Lin、Rin进行差运算，得到其差值S(S＝Lin-Rin)；对上述差值S进行20ms延时；再经-3dB的一个衰减后分别经两个时变全通滤波生成左、右环绕通路信号Ls、Rs。空间环境声信息通常包含反射声、混响声，故上述时延处理，在听感上可以更好的和前方声场区分，同时延时也在一定程度上去除了一些和前方声场间的相关性；信号衰减使环绕声道生成对前方声场的干扰更小；为使两个信号的相关性降低，改变信号的相位是主要的方法，对于一定频带内的信号，因只需改变其相位，故用时变全通滤波即可达到去相关的目的。

为达到上述去除相关性的目的，上述全通滤波为幅频响应在所有频率

下都为1或一常数的滤波函数。即，若其系统函数为H_ap(z)，则对所有

此系统的频率响应

都应满足

因此可以得到其一阶全通系统的系统函数为：

$H_{\mathrm{ap}}\left(z\right)=\frac{z^{-1}-a}{1-{\mathrm{az}}^{-1}},$ a为实数，0＜|a|＜1；

其二阶全通系统的系统函数为：

$H_{\mathrm{ap}}\left(z\right)=\frac{z^{-1}-a^{*}}{1-{\mathrm{az}}^{-1}}\&CenterDot;\frac{z^{-1}-a}{1-a^{*}{z}^{-1}},\left|a\right|<1.$

通过变换，得到其时变全通滤波的频率响应为：

其中i表示第i个全通滤波，n表示全通滤波的时变特性。从上式可以看出时变全通滤波的几个特征：对于所有的

和n，都有

表示全通滤波在任何时刻都不影响所有频率的幅值；全通滤波改变输入信号的相位；相位的改变是通过时变参数a_i1(n)和a_i2(n)决定的；为了使全通滤波稳定，时变参数a_i1(n)和a_i2(n)的绝对值必须小于1。

时变参数a_i1(n)和a_i2(n)的变化规则如下：

a_i1(n+1)＝a_i1(n)+r_i1(n)；

a_i2(n+1)＝a_i2(n)+r_i2(n)；

a_i1(n+1)＝0，if a_i1(n+1)＜0；

a_i1(n+1)＝0.99，if _ai1(n+1)＞0.99；

a_i2(n+1)＝-0.99，if _ai2(n+1)＜-0.99；

a_i2(n+1)＝0，if _ai2(n+1)＞0。

其中，r_i1(n)和r_i2(n)为[-R，R]内取值的随机数，R为每次变化时的最大值。R取值越大，全通滤波的相位随机性越大，去相关的效果越明显，但太大会引起音质的畸变。经实验得到，R＝0.03时不会产生明显的音质畸变，而当R＝0.04时，一定程度上引入失真，故本处理方法取R＝0.03，即以[-0.03，0.03]作为时变随机相位的随机变化范围。

本发明的立体声音频信号模拟5.1声道音频信号的处理方法与现有技术比较：算法复杂度的度量通常通过空间复杂度和时间复杂度来比较，所谓空间复杂度即在一次执行中，数据对缓冲区、中间量对寄存器等资源的需求量；而时间复杂度度量运算次数，体现在硬件资源的需求上就是对运算单元的调用次数上；在同一个算法中，空间复杂度和时间复杂度通常是一对矛盾，实际应用中根据系统提供的资源在空间和时间之间取得合乎要求的平衡。故通过表1两种方法的时间和空间复杂度的对比，本发明具有更低的运算复杂度。

	子带多相位滤波器组	随机相位全通滤波器
			空间复杂度来源	各子带滤波器系数、各子带计算后待合成前的中间量	全通滤波器系数、每次处理的数据所占用的空间
空间复杂度	6*O(n)	O(n)
			时间复杂度来源	各子带滤波算法、随机	时变参数导致需要不断

	时延、子带合成时域值的计算	更新全通滤波器的参数
			时间复杂度	O(n3)	O(n)

表1两种方法的时间和空间复杂度的对比

其中，O(n)表示和输入数据量有关的复杂度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.立体声音频信号模拟5.1声道音频信号的处理方法，其特征在于，其步骤包括：

A.输入立体声音频信号的左、右声道信号；

B.接收并处理上述立体声音频信号的左、右声道信号，生成5.1声道音频信号的前方左通路信号、前方右通路信号、中置通路信号；

C.接收上述立体声音频信号的左、右声道信号，并提取上述左、右声道的低频分量，生成5.1声道音频信号的低频效果通路信号；

D.接收上述立体声音频信号的左、右声道信号，并进行差值运算得到立体声声道差，对上述立体声声道差依次进行延时处理、幅值衰减处理、以及时变全通滤波处理后生成左、右环绕通路信号；

上述步骤D中，所述时变全通滤波处理的频率响应为

其中i表示第i个全通滤波器，n表示全通滤波器的时变特性，a_i1(n)和a_i2(n)表示全通滤波器的时变参数。

2.根据权利要求1所述的立体声音频信号模拟5.1声道音频信号的处理方法，其特征在于，上述步骤D中，全通滤波器的时变参数a_i1(n)和a_i2(n)变化规则如下：

a_i1(n+1)＝a_i1(n)+r_i1(n)；

a_i2(n+1)＝a_i2(n)+r_i2(n)；

a_i1(n+1)＝0，if a_i1(n+1)＜0；

a_i1(n+1)＝0.99，if a_i1(n+1)＞0.99；

a_i2(n+1)＝-0.99，if a_i2(n+1)＜-0.99；

a_i2(n+1)＝0，if a_i2(n+1)＞0；

其中，所述r_i1(n)和r_i2(n)分别为[-R，R]内取值的随机数，所述R为一随机数。

3.根据权利要求2所述的立体声音频信号模拟5.1声道音频信号的处理方法，其特征在于，所述R值为0.03。

Images