CN102354500A - 一种基于谐波控制的虚拟低音增强处理方法 - Google Patents

一种基于谐波控制的虚拟低音增强处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于谐波控制的虚拟低音增强处理方法，包括信号处理过程，是将同一通路信号分为两路，其中一通路信号通过频率为Fc的高通滤波处理后得到信号高于扬声器截止频率的成分，经延时处理后直接得到高频信号；另一通路信号通过1000Hz低通滤波处理、低音处理后得到虚拟低频信号并与高频信号叠加，最后输出并通过扬声器重放声音。本专利可以精确的还原音频的低音响度，使得处理后的音频与原音频的响度以及音感上更加接近，且方法简单。本发明可采用通用信号处理芯片(DSP硬件)电路或专用的集成电路实现，也可采用算法语言编制的软件在多媒体计算机上实现。

Description

一种基于谐波控制的虚拟低音增强处理方法
技术领域
本发明涉及音频处理技术领域，具体涉及一种基于谐波控制的虚拟低音增强处理方法。
背景技术
目前，大多数扬声器依然采用传统的动圈式结构。由于受制于其体积，小型扬声器的低频重放能力非常差。然而，音频的低频成分在听觉感知中起着非常重要的作用，直接影响着音频的力度、丰满度、柔和度等主观评价指标。如何改善小型扬声器的低频重放能力一直是迫切需要解决的问题。传统的使用均衡器提高低频输出功率的方法不仅使得音频信号产生严重的畸变，而且对扬声器的损害非常大。
现有的虚拟低音增强算法主要有MaxxBass算法和VB Phase Vocoder算法。美国专利MaxxBass算法是通过包含乘法器的非线性电路产生谐波，再以能量控制模块限制谐波能量。VB Phase Vocoder算法则是基于时频分析方法相位编码器的一种算法。它通过短时FFT得到信号的时频信息，然后通过增加信号低频成分相位变化率的方式产生谐波，最后以能量控制模块限制谐波能量。两种技术相互对比，MaxxBass算法处理速度较快，但信号的非线性畸变明显；VB Phase Vocoder算法较灵活、有效地控制了信号畸变，但速度稍慢。然而，这两种算法通过谐波能量控制模块控制谐波响度的方式均过于粗略。具体来说，它们均是使每一个谐波成分分别与低频成分等响，然后再让所有谐波幅度乘以一个衰减系数，最后使得所有谐波的整体响度大概与原低频成分相等。显然这样的方法是不能实现音频信号等响度还原的。并且，以上两种算法都没重视信号音色还原问题，在谐波幅度比例选取上欠合理。
发明内容
为解决现有技术存在的缺点和不足，本发明提供一种基于谐波控制的虚拟低音增强处理方法，其音色和响度都更接近原音频信号。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种基于谐波控制的虚拟低音增强处理方法，包括信号处理，该信号处理的过程是将同一通路信号分为两路，其中一通路信号通过频率为Fc的高通滤波处理后得到信号高于扬声器截止频率的成分，经延时处理后直接得到高频信号；另一通路信号通过1000Hz低通滤波处理、低音处理后得到虚拟低频信号并与高频信号叠加，最后输出并通过扬声器重放声音。
上述低音处理包括下述步骤：
(1)经低通滤波处理的信号通过16倍降采样处理进行降采样，再通过快速傅里叶变换处理后，得到该信号关于时间和频率的二维频谱信息，从二维的频谱信息中分别获取：频率Fc/2到Fc的幅度和相位信息、频率Fc/3到Fc/2的幅度和相位信息、频率40Hz到Fc/3的幅度和相位信息；
(2)频率Fc/2到Fc的信号通过第一谐波生成、峰值匹配处理后，再进行第一响度控制处理；频率Fc/3到Fc/2的信号通过第二谐波生成、峰值匹配处理后，再进行第二响度控制处理；频率40Hz到Fc/3的信号通过第三谐波生成、峰值匹配处理后，再进行第三响度控制处理；
第一、第二、第三响度控制处理后的信号通过正弦叠加处理，得到时域信号，通过16倍上采样处理，使信号的采样率变回44100。
上述频率Fc/2到Fc的信号，生成2、3、4次谐波，这三个谐波的幅度分别为Xn、Xn+1、Xn+2；其中Xn＝w1*X0，Xn+1＝a*Xn，Xn+2＝a*Xn+1；a为谐波比例常数；w1为等响度控制系数；X0为低频信号幅度。
上述频率Fc/3到Fc/2的信号，生成3、4、5次谐波，这三个谐波的幅度分别为Xn、Xn+1、Xn+2；其中Xn＝w2*X0，Xn+1＝a*Xn，Xn+2＝a*Xn+1；w2为等响度控制系数。
上述频率40Hz到Fc/3的信号，生成生成4、5、6次谐波，这三个谐波的幅度分别为Xn、Xn+1、Xn+2；其中Xn＝w3*X0，Xn+1＝a*Xn，Xn+2＝a*Xn+1；w3为等响度控制系数。
然后在每个谐波频率的±5％的范围内搜索峰值，并采用该峰值处的频率代替谐波频率，进行峰值匹配。
与现有技术相比本发明的有益效果在于：
1.由于谐波幅度比例直接影响着音频音色，为了得到较接近原音频的音色效果，对低频成分的最小三个谐波在不同幅度比例的低音效果进行比较，得出音色还原较好的谐波幅度比例。通过主观心理声学实验音质评价结果，得到谐波比例以底数为0.5的指数衰减时音色还原较好。
2.采用响度数值计算模型计算出固定幅度比例的谐波复音响度。算出在不同频率和不同声压级下低频基音与其最小次谐波的幅度比例。根据低音基频成分的幅度(X0)计算其声压级后就可以通过二维线性差值求得首次谐波与基频的幅度比例(w)。从而得到生成的三次谐波的幅度分别为：Xn＝w*X0、Xn+1＝a*Xn、Xn+2＝a*Xn+1(a为谐波比例常数)。此算法不仅简化了计算量，并且提高了响度控制的精确度。如下表所示：
表1等响度谐波与基频幅度比例
  SPL/dB   50   60   70   80
  100Hz   0.30   0.30   0.38   0.52
  125Hz   0.34   0.36   0.38   0.53
  150Hz   0.39   0.43   0.43   0.54
本发明可以精确的还原音频的低音响度，使得处理后的音频与原音频的响度以及音感上更加接近。本发明可采用通用信号处理芯片(DSP硬件)电路或专用的集成电路实现，也可采用算法语言(如VC++)编制的软件在多媒体计算机上实现。
附图说明
图1为本发明基于谐波控制的虚拟低音增强处理方法的总流程框架示意图；
图2为图1中信号处理过程的具体流程示意图；
图3为图2中低音处理过程的具体流程示意图；
图4为本发明某一频率点的谐波生成示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1、图2所示，本发明基于谐波控制的虚拟低音增强处理方法，包括信号处理，该信号处理的过程是将同一通路信号分为两路，其中一通路信号通过频率为Fc的高通滤波处理后得到信号高于扬声器截止频率的成分，经延时处理后直接得到高频信号；另一通路信号通过1000Hz低通滤波处理、低音处理后得到虚拟低频信号并与高频信号叠加，最后输出并通过扬声器重放声音。选择1000Hz低通滤波处理是由于低音处理过程中的峰值匹配过程要先获得原信号[Fc-4*Fc]范围的频谱。
如图3、图4所示，上述低音处理包括下述步骤：
(1)经低通滤波处理的信号通过16倍降采样处理进行降采样，再通过快速傅里叶变换(FFT，点数为N＝1024，针移为N/2)处理后，得到该信号关于时间和频率的二维频谱信息，从二维的频谱信息中分别获取：频率Fc/2到Fc的幅度和相位信息、频率Fc/3到Fc/2的幅度和相位信息、频率40Hz到Fc/3的幅度和相位信息；因为低通信号只包含1000Hz以下的信号，可以进行降采样简化计算。原信号采样率为44100，经过16倍降采样后采样率约为2756。低通信号最高频率1000Hz小于2756/2，依然满足采样定理。
因为生成谐波的频率必须高于扬声器截止频率Fc，频率Fc/2到Fc的信号，生成2、3、4次谐波；频率Fc/3到Fc/2的信号，生成3、4、5次谐波；频率40Hz到Fc/3的信号，生成4、5、6次谐波；由于人耳在某频率点处约±5％的范围内均认为音高一致，所以在每个谐波频率的±5％的范围内搜索峰值，并采用该峰值处的频率代替谐波频率，进行峰值匹配。
(2)频率Fc/2到Fc的信号通过第一谐波生成、峰值匹配处理后，再进行第一响度控制处理；频率Fc/3到Fc/2的信号通过第二谐波生成、峰值匹配处理后，再进行第二响度控制处理；频率40Hz到Fc/3的信号通过第三谐波生成、峰值匹配处理后，再进行第三响度控制处理；
第一、第二、第三响度控制处理后的信号通过正弦叠加处理，得到时域信号，通过16倍上采样处理，使信号的采样率变回44100并通过扬声器重放。
上述频率Fc/2到Fc的信号，生成2、3、4次谐波，这三个谐波的幅度分别为Xn、Xn+1、Xn+2；其中Xn＝w1*X0，Xn+1＝a*Xn，Xn+2＝a*Xn+1；a为谐波比例常数；w1为等响度控制系数；X0为低频信号幅度。
上述频率Fc/3到Fc/2的信号，生成3、4、5次谐波，这三个谐波的幅度分别为Xn、Xn+1、Xn+2；其中Xn＝w2*X0，Xn+1＝a*Xn，Xn+2＝a*Xn+1；w2为等响度控制系数。
上述频率40Hz到Fc/3的信号，生成生成4、5、6次谐波，这三个谐波的幅度分别为Xn、Xn+1、Xn+2；其中Xn＝w3*X0，Xn+1＝a*Xn，Xn+2＝a*Xn+1；w3为等响度控制系数。
如上所述便可较好的实现本发明。

Claims (3)

1.一种基于谐波控制的虚拟低音增强处理方法，包括信号处理，其特征在于：所述信号处理的过程是将同一通路信号分为两路，其中一通路信号通过频率为Fc的高通滤波处理后得到信号高于扬声器截止频率的成分，经延时处理后直接得到高频信号；另一通路信号通过1000Hz低通滤波处理、低音处理后得到虚拟低频信号并与高频信号叠加，最后输出并通过扬声器重放声音。
2.根据权利要求1所述的基于谐波控制的虚拟低音增强处理方法，其特征在于，所述低音处理包括下述步骤：
(1)经低通滤波处理的信号通过16倍降采样处理进行降采样，再通过快速傅里叶变换处理后，得到该信号关于时间和频率的二维频谱信息，从二维的频谱信息中分别获取：频率Fc/2到Fc的幅度和相位信息、频率Fc/3到Fc/2的幅度和相位信息、频率40Hz到Fc/3的幅度和相位信息；
(2)频率Fc/2到Fc的信号通过第一谐波生成、峰值匹配处理后，再进行第一响度控制处理；频率Fc/3到Fc/2的信号通过第二谐波生成、峰值匹配处理后，再进行第二响度控制处理；频率40Hz到Fc/3的信号通过第三谐波生成、峰值匹配处理后，再进行第三响度控制处理；
第一、第二、第三响度控制处理后的信号通过正弦叠加处理，得到时域信号，通过16倍上采样处理，使信号的采样率变回44100。
3.根据权利要求2所述的基于谐波控制的虚拟低音增强处理方法，其特征在于：
所述频率Fc/2到Fc的信号，生成2、3、4次谐波，这三个谐波的幅度分别为Xn、Xn+1、Xn+2；其中Xn＝w1*x0，Xn+1＝a*Xn，Xn+2＝a*Xn+1；a为谐波比例常数；w1为等响度控制系数；X0为低频信号幅度；
所述频率Fc/3到Fc/2的信号，生成3、4、5次谐波，这三个谐波的幅度分别为Xn、Xn+1、Xn+2；其中Xn＝w2*X0，Xn+1＝a*Xn，Xn+2＝a*Xn+1；w2为等响度控制系数；
所述频率40Hz到Fc/3的信号，生成4、5、6次谐波，这三个谐波的幅度分别为Xn、Xn+1、Xn+2；其中Xn＝w3*X0，Xn+1＝a*Xn，Xn+2＝a*Xn+1；w3为等响度控制系数；
上述每个谐波频率的±5％的范围内搜索峰值，并采用该峰值处的频率代替谐波频率，进行峰值匹配。
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