CN102403970A - 一种数字图形均衡器的音量调节方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字图形均衡器的音量调节方法及装置，该方法包括：对输入的原始数字音频信号进行滤波，得到N个带通音频信号；将施加不同幅度增益后的N个带通信号与原始数字音频信号相加求和得到第一中间信号，利用所述幅度增益根据预设的规则得到表述第一中间信号相对于原始数字音频信号幅度变化的增益影响量，根据预设的映射规则将所述增益影响量转化为增益调整量；合并增益调整量和预设的音量增益值，得到音频增益，利用所述音频增益调整第一中间信号的幅度得到第二中间信号，对第二中间信号进行幅度限制得到字长与输入信号一致的输出信号。用于解决现有技术中在特定增益设置时，图形均衡器使得信号幅值过大，声音模糊的问题。

Description

一种数字图形均衡器的音量调节方法及装置

技术领域

本发明涉及数字图形处理领域，尤其涉及一种数字图形均衡器的音量调节方法及装置。

背景技术

数字图形均衡器(digital graphic equalizer)被广泛的应用于各种播放软件和便携播放器中。数字图形均衡器通过增强或削弱特定频段的信号成分，实现各种听觉效果，典型的，增强低频信号的同时削弱高频信号会带来超重低音的听觉效果。

数字图形均衡器的一种基本构成如下图1所示，数字图形均衡器使用中心频率和带宽为设定值的N个带通滤波器对输入数字音频信号x[n]进行滤波，得到N个频率成分集中在设定中心频率附近的带通音频信号bg_i[n](i＝1～N)。对这N个带通信号bg_i[n]分别施以不同的幅度增益G_i，而后将调整了增益的N个带通信号bpg_i[n]以及原始输入信号x[n]相加求和，得到信号y[n]，也即

$y\left[n\right]=x\left[n\right]+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{bpg}}_i\left[n\right]$

公式[1]中，N为带通滤波器的个数，典型值为10，如Windows Media Player就采用10带图形均衡器。

G_i＞0：增强第i带的频率成分，

G_i＜0：削弱第i带的频率成分。

各频带的增益db数为：db_i＝20*log₁₀(1+G_i)    [2]

一般db_i的取值范围被限制在[-15db～15db]之间。显然，G_i＝0对应0db增益，即不调整该频段的信号。

多数便携播放器都提供数字域音量调节功能，即根据用户设定的音量增益值Gain_total对信号y[n]的幅值进行调整。简单的调整方法就是将y[n]与Gain_total相乘，得到z[n]；复杂的调整方法则可能包括了自动增益控制AGC模块。

输入数字音频信号x[n]的字长一般为16bits，而处理得到的信号z[n]的取值范围可能超过这个范围，因此需要对z[n]进行幅度限制，得到字长与输入信号一致的输出信号out[n]。一般采用直接限幅的方法

$\mathrm{out}\left[n\right]=\left\{\begin{array}{cc}32767& z\left[n\right]>32767\\ z\left[n\right]& z\left[n\right]\&Element;[-\mathrm{32768,32767}]\\ -32768& z\left[n\right]<-32768\end{array}\right.---\left[3\right]$

数字图形均衡器一般会以默认增益参数的形式设置几种常见的音效模式，如摇滚，流行等。用户选择某一种模式时，各带幅度增益G_i采用事先设定的增益参数。此外，数字图形均衡器也提供手工调节模式，即允许用户在一定取值范围内设置各带幅度增益G_i。手工调节模式增加了图形均衡器的灵活性，但也会引入一些问题：如果一首歌的音量较小，用户又比较喜欢听重低音效果时，经常会手工将低频段的增益值db_i和音量增益值Gain_total设成较大值，此时听这首歌可以获得不错的效果，但是所有的歌曲都应用同样的增益值设定可能会使得z[n]的幅度值很大，大量信号被限幅，使得最终的输出信号out[n]听上去浑浊不清。事实上，较多音频信号的能量都集中在低频段上，因此稍微调高一下低频增益就会使得声音混浊，严重影响了手工调节模式的效果。为了解决这个问题，如前所述，部分PC机上使用的播放软件如winamp采用复杂的增益控制机制，使z[n]的幅值始终保持在一个合适的范围，而复杂的增益控制机制需要大量的内存和计算量，不适用于基于嵌入式系统的便携式播放器。

发明内容

本发明实施例提供一种数字图形均衡器的音量调节方法及装置，用于解决现有技术中调整增益时，可能会将增益调整到较大值，如为了获得很好的重低音效果，会将低频增益调得较大，而音频信号的低频段一般能量很大，因此此时最终输出音频信号z[n]中大量样点被截断，导致声音浑浊的问题。

本发明提供一种数字图形均衡器的音量调节方法，该方法包括：

对输入的原始数字音频信号进行滤波，得到N个带通音频信号；将施加不同幅度增益后的N个带通信号与原始数字音频信号相加求和得到第一中间信号；

获取每个带通信号的幅度增益，利用获取到的幅度增益根据预设的规则得到表述第一中间信号相对于原始数字音频信号幅度变化的增益影响量，根据预设的映射规则将所述增益影响量转化为增益调整量；

合并增益调整量和预设的音量增益值，得到音频增益，利用所述音频增益调整第一中间信号的幅度得到第二中间信号，对第二中间信号进行幅度限制，得到字长与原始数字音频信号一致的输出信号。

根据上述方法，本发明还提供一种数字图形均衡器，具体包括：

N个带通滤波器，对输入的原始数字音频信号进行滤波，得到N个带通音频信号；

N个增益模块，与带通滤波器一一对应连接，对所述N个带通信号分别施以不同的幅度增益；

求和模块，将调整了增益的N个带通信号以及原始数字音频信号相加求和，得到信号第一中间信号；

增益估计模块，与所述音量调节模块连接，获取每个带通信号的幅度增益，利用获取到的幅度增益根据预设的规则得到表述第一中间信号相对于原始数字音频信号幅度变化的增益影响量，根据预设的映射规则将所述增益影响量转化为增益调整量，合并增益调整量和预设的音量增益值，得到音频增益；

音量调节模块，利用所述音频增益对第一中间信号的幅值进行调整得到第二中间信号；

信号限幅模块，对第二中间信号进行幅度限制，得到字长与所述原始数字音频信号一致的输出信号。

本发明所提供的方法和装置根据各带的增益值db_i，估算出一个增益调整量G_mod，在进行数字域音量调节时，综合音量增益值Gain_total和G_mod，采用调整后的数字域增益Gain_total_mod调整y[n]的幅度，以解决在特定增益设置时，图形均衡器使得信号幅值变大，声音模糊的问题。

附图说明

图1为现有技术中数字图形均衡器的结构图；

图2为本发明实施例一种数字图形均衡器的音量调节方法流程图；

图3为本发明实施例一种数字图形均衡器的结构图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种数字图形均衡器的音量调节方法，对输入的原始数字音频信号进行滤波，得到N个带通音频信号；将施加不同幅度增益后的N个带通信号与原始数字音频信号相加求和得到第一中间信号；获取每个带通信号的幅度增益，利用获取到的幅度增益根据预设的规则得到表述第一中间信号相对于原始数字音频信号幅度变化的增益影响量，根据预设的映射规则将所述增益影响量转化为增益调整量；合并增益调整量和预设的音量增益值，得到音频增益，利用所述音频增益调整第一中间信号的幅度得到第二中间信号，对第二中间信号进行幅度限制，得到字长与原始数字音频信号一致的输出信号。

如图2所示，本发明实施例提供一种数字图形均衡器的音量调节方法，具体实现步骤包括：

步骤201，对输入的原始数字音频信号x[n]进行滤波，得到N个频率成分集中在设定中心频率附近的带通音频信号bg_i[n](i＝1～N)；

N为中心频率的个数，一般情况下N的个数没有特别的限制-N越大达到的效果越好，但实现越复杂，运算量越大。目前用得较多的是5，8，10，24，32等。一般5和10在个人消费类电子产品中用得最多。

步骤202，对所述N个带通信号bg_i[n]分别施加不同的幅度增益G_i，而后将调整了增益的N个带通信号bpg_i[n]以及原始输入信号x[n]相加求和得到信号第一中间信号y[n]；

步骤203，获取每个带通信号的幅度增益G_i，利用所述G_i根据预设的规则得到表述y[n]相对于x[n]幅度变化的增益影响量db_mod，根据预设的映射规则将所述db_mod转化为增益调整量G_mod；

在本发明实施例中所述预设规则可以是：

其中w_i为加权系数取值范围为[0～1]。

在本发明实施例中所述预设规则可以是其它公式，只是用来估计一个幅度改变量，上述公式所应用的加权方法是最常用的，而且能保证db_mod的取值范围与dbi的取值范围一致。

在上述公式中w_i取值范围可以是任意值，因为是加权系数，一般取值在0～1之间，比较直观，0代表最小加权，1代表最大加权量---分子分母中各w_i均乘上一个常量，即得到新的加权系数w_i2，但最终计算结果显然不变。

另外，在本发明实施例中，将所述db_mod转化为增益调整量G_mod的预设映射规则可以是：

(1)将db_mod的取值范围分成多个取值区间，每个取值区间对应一个增益调整量。

(2)将db_mod的取值范围分成多个取值区间，并且每个取值区间对应一个以db_mod为变量求解G_mod的线性方程。

步骤204，合并G_mod和预设的音量增益值Gain_total，得到音频增益Gain_total_mod，利用所述音频增益Gain_total_mod调整y[n]的幅度得到第二中间信号z[n]，对z[n]进行幅度限制，得到字长与输入信号一致的输出信号out[n]。

步骤204的具体实现方式可以是：

利用G_mod和Gain_total求和得到Gain_total_mod，该Gain_total_mod对应的幅度因子为gain_fac＝10^{Gain_total_mod/20}；

通过公式z[n]＝y[n]*gain_fac调整y[n]幅度得到z[n]；

对z[n]进行幅度限制，得到字长与输入信号一致的输出信号out[n]

以winamp采用的10-bands图形均衡器中的中心频率设置为例，对本发明说明实施例所提供的方法做进一步的说明，具体包括：

winamp所采用的10带图形均衡器的10个频带的中心频率分别为60Hz，170Hz，310Hz，600Hz，1kHz，3kHz，6kHz，12kHz，14kHz，16kHz。上述10个频带的增益值为db_i(i＝1～10)，db_i＝20*log₁₀(1+G_i)。

(1)应用各带增益值db_i计算增益影响量db_mod，应用的公式为：

$\mathrm{db}\_\mathrm{mod}=\frac{\underset{i=1}{\overset{10}{\mathrm{\&Sigma;}}}({\mathrm{db}}_i*w_i)}{\underset{i=1}{\overset{10}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_i}---\left[4\right]$

上式中，w_i为加权系数，在本实施例中取值范围是[0～1]，以体现不同频带的增益调整对整体信号幅度有着不同程度的影响的特性。一般而言，音乐信号的能量主要集中在4kHz以下的低频段，12kHz以上的高频段能量较弱。

因此针对winamp图形均衡器中心频率取值的一组参考加权系数取值如表1所示。

W1	W2	W3	W4	W5	W6	W7	W8	W9	W10
										1	1	1	1	1	0.8	0.6	0.5	0.3	0.2

表1

如db_i的取值范围被限制在[-12db～12db]之间，则按[4]计算得到的db_mod取值范围也在[-12db～12db]之间。

(2)由db_mod得到增益调整量G_mod。

得到G_mod的具体实现方式可以是：

实现方式1、将db_mod的取值范围分成若干段，各段给定一个增益调整量，本实施例中参考分段方法和对应的增益调整量可以是表2所示。

db_mod	Gmod
		[-12db，2db)	0db
[2db，4db)	-2db
		[4db，6db)	-4db
[6db，9db)	-6db
		[9db，12db]	-9db

表2

实现方式2，用分段线性方程模拟db_mod和G_mod之间关系的方法，本实施例中参考值如下所示：

$\left\{\begin{array}{cc}{G}_{\mathrm{mod}}=0\mathrm{db}& \mathrm{db}\_\mathrm{mod}<2\mathrm{db}\\ G_{\mathrm{mod}}=(2-\mathrm{db}\_\mathrm{mod})\mathrm{db}& \mathrm{db}\_\mathrm{mod}\&Element;[2\mathrm{db},6\mathrm{db})\\ G_{\mathrm{mod}}=(2-\mathrm{db}\_\mathrm{mod}*0.8)& \mathrm{db}\_\mathrm{mod}\&Element;[6\mathrm{db},12\mathrm{db}]\end{array}\right.$

(3)合并G_mod和Gain_total，得到音频增益Gain_total_mod，并转化为幅度因子。

在本实施例中合并方法可以是直接相加，即

Gain_total_mod＝Gain_total+G_mod

对应的幅度因子为：gain_fac＝10^{Gain_total mod/20}。

由y[n]计算得到z[n]的方法可以是y[n]乘上幅度因子：

z[n]＝y[n]*gain_fac

如图3所示，本发明实施例还提供一种数字图形均衡器，包括N个带通滤波器301、N个增益模块302、求和模块303、增益估计模块304、音量调节模块305和信号限幅模块306：

N个带通滤波器301，对输入的原始数字音频信号进行滤波，得到N个带通音频信号；

N个增益模块302，与带通滤波器一一对应连接，对所述N个带通信号分别施以不同的幅度增益；

求和模块303，将调整了增益的N个带通信号以及原始数字音频信号相加求和，得到信号第一中间信号；

增益估计模块304，与所述音量调节模块连接，获取每个带通信号的幅度增益，利用获取到的幅度增益根据预设的规则得到表述第一中间信号相对于原始数字音频信号幅度变化的增益影响量，根据预设的映射规则将所述增益影响量转化为增益调整量，合并增益调整量和预设的音量增益值，得到音频增益；

音量调节模块305，利用所述音频增益对第一中间信号的幅值进行调整得到第二中间信号；

信号限幅模块306，对第二中间信号进行幅度限制，得到字长与所述原始数字音频信号一致的输出信号。

所述增益估计模块304中的预设映射规则包括：将增益影响量的取值范围分成多个取值区间，每个取值区间对应一个增益调整量。

所述增益估计模块304中的预设映射规则包括：将增益影响量的取值范围分成多个取值区间，并且每个取值区间对应一个以增益影响量为变量求解增益调整量的线性方程。

所述增益估计模块304合并增益调整量和音量增益值，得到音频增益包括：利用增益调整量和音量增益值求和得到，并根据公式gain_fac＝10^{Gain_total_mod/20}得到音频增益对应的幅度因子，其中Gain_total_mod为音频增益；gain_fac为幅度因子；

则所述音量调节模块305根据公式z[n]＝y[n]*gain_fac将第一中间信号的幅值进行调整得到第二中间信号，其中y[n]为第一中间信号；z[n]为第二中间信号。

本发明所提供的装置和方法根据各带的增益值db_i，估算出一个增益调整量G_mod，在进行数字域音量调节时，综合音量增益值Gain_total和G_mod，采用调整后的数字域增益Gain_total_mod调整y[n]的幅度，以解决在特定增益设置时，图形均衡器使得信号幅值变大，声音模糊的问题。由db_i估计G_mod的两种方法：分段线性拟合，分段给固定值。运算量小，不需要额外的存储空间。不改变信号中各频率成分的相对大小，不影响图形均衡均衡器的效果。实现灵活性好。

本发明所述的方法并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其它的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种数字图形均衡器的音量调节方法，其特征在于，包括：

对输入的原始数字音频信号进行滤波，得到N个带通音频信号；将施加不同幅度增益后的N个带通信号与原始数字音频信号相加求和得到第一中间信号；

获取每个带通信号的幅度增益，利用获取到的幅度增益根据预设的规则得到表述第一中间信号相对于原始数字音频信号幅度变化的增益影响量，根据预设的映射规则将所述增益影响量转化为增益调整量；

合并增益调整量和预设的音量增益值，得到音频增益，利用所述音频增益调整第一中间信号的幅度得到第二中间信号，对第二中间信号进行幅度限制，得到字长与原始数字音频信号一致的输出信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设规则为：

其中db_mod为增益影响量；w_i为加权系数，取值范围为[0，1]。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设映射规则是将增益影响量的取值范围分成多个取值区间，每个取值区间对应一个增益调整量。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设映射规则是将增益影响量的取值范围分成多个取值区间，并且每个取值区间对应一个以增益影响量为变量求解增益调整量的线性方程。

5.如权利要求1～4任一权项所述的方法，其特征在于，合并增益调整量和音量增益值，得到音频增益，利用所述音频增益调整第一中间信号的幅度得到第二中间信号包括：

利用增益调整量和音量增益值求和得到音频增益，该音频增益对应的幅度因子为：

gain_fac＝10^{Gain_total_mod/20}，其中Gain_total_mod为音频增益；gain_fac为幅度因子；

通过公式z[n]＝y[n]*gain_fac调整第一中间信号幅度得到第二中间信号，其中y[n]为第一中间信号；z[n]为第二中间信号。

6.一种数字图形均衡器，其特征在于，包括：

N个带通滤波器，对输入的原始数字音频信号进行滤波，得到N个带通音频信号；

N个增益模块，与带通滤波器一一对应连接，对所述N个带通信号分别施以不同的幅度增益；

求和模块，将调整了增益的N个带通信号以及原始数字音频信号相加求和，得到信号第一中间信号；

增益估计模块，与所述音量调节模块连接，获取每个带通信号的幅度增益，利用获取到的幅度增益根据预设的规则得到表述第一中间信号相对于原始数字音频信号幅度变化的增益影响量，根据预设的映射规则将所述增益影响量转化为增益调整量，合并增益调整量和预设的音量增益值，得到音频增益；

音量调节模块，利用所述音频增益对第一中间信号的幅值进行调整得到第二中间信号；

信号限幅模块，对第二中间信号进行幅度限制，得到字长与所述原始数字音频信号一致的输出信号。

7.如权利要求6所述的数字图形均衡器，其特征在于，所述增益估计模块中的预设映射规则包括：将增益影响量的取值范围分成多个取值区间，每个取值区间对应一个增益调整量。

8.如权利要求6所述的数字图形均衡器，其特征在于，所述增益估计模块中的预设映射规则包括：将增益影响量的取值范围分成多个取值区间，并且每个取值区间对应一个以增益影响量为变量求解增益调整量的线性方程。

9.如权利要求6所述的数字图形均衡器，其特征在于，所述增益估计模块合并增益调整量和音量增益值，得到音频增益包括：利用增益调整量和音量增益值求和得到，并根据公式gain_fac＝10^{Gain_total_mod/20}得到音频增益对应的幅度因子，其中Gain_total_mod为音频增益；gain_fac为幅度因子；；

则所述音量调节模块根据公式z[n]＝y[n]*gain_fac将第一中间信号的幅值进行调整得到第二中间信号，其中y[n]为第一中间信号；z[n]为第二中间信号。

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