CN104010264A - 双声道音频信号处理的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双声道音频信号处理的方法和装置，方法：将原左、右声道的音频信号相减后进行中频段带通滤波，得中频背景声信号；将原左、右声道的音频信号叠加后进行低频段低通滤波，得低频背景声信号；将中、低频背景声信号分别进行随机延迟处理，并进行叠加，正向输出第一左声音信号，反向输出第一右声音信号；对第一左、右声音信号分别与头部相关传输函数卷积进行虚拟定位处理，分别获得对应的左、右环绕3D环境背景声；将左环绕3D环境背景声与原左声道音频信号、右环绕3D环境背景声与原右声道音频信号进行叠加处理，形成具有良好环绕立体感的左、右输出声音信号。本发明的方法和装置，可获得具有良好环绕立体感的左、右输出声音信号。

Description

双声道音频信号处理的方法和装置
技术领域
本发明涉及音效处理技术领域，尤其是涉及一种双声道音频信号处理的方法和装置。
背景技术
自然声音经过录音，再回放的时候原有的空间信息会有所损失。立体声音频技术解决的是使录制下来的自然声音在回放的时候尽量能够保留原有的空间信息的技术问题。
声场是人耳对声音空间信息的一种主观感觉，它可以分为定位声场和弥散声场两种。定位声场是人耳对多个声源的位置定位形成的空间范围，即代表了声源的实际空间位置。弥散声场则是由环境背景声形成的空间范围，它表现为没有混响感，却具有包围感和环绕感，是构成声场主观感觉的一个重要因素，在自然听音时，既使定位声场范围很小，也会有三维的声场。
环境背景声是除了主要声源以外由环境的反射、散射等作用出现的声音。从广义的角度讲除主要声源发出的声音以外其他声源都应算作环境背景声，例如环境噪音、风声等等其他次要的微弱的声源发出的声音都可算作环境背景声。这些环境背景声是构成声场的重要因素。环境背景声信号在数学上有以下的显著特点：在一般听音过程中，在双耳处分别截获的环境背景声信号之间是弱相关的，这是由于环境背景声是由环境中大量微弱的次要声源发出(反射、散射、折射或衍射等声音也可以认为是从一些微小声源发出)。这些次要声源发出的声音能量较小、方向各异，但大量随机分布；同时这些声音混合分别到达左耳和右耳时会产生不同的随机性很强的频谱、相位变化，因此它们之间互相关性很弱，从而造成了环境背景声没有明确的指向性。
实验表明一般的环境背景声的双耳间互相关系数LACC(Inter auralCross—Correlation)小于0.5。其中，互相关系数越小，声音的指向性越差，包围感越强。因此说明立体声音频的环境背景声对声场范围、声音自然度、环绕感以及包围感有很大影响。
在一般的音频中，如音乐或电影，主要声源基本位于正前方，如对话、主唱等等。根据立体声正弦定理原理，它们在左右声道的信号是相等的，因此环境背景声就可以认为是在左右声道中相差较大的信号。另外，环境背景声大部分是散射、反射声，这些声音的能量大部分集中在中频和中低频中。
基于环境背景声的这些特点，现有技术中出现了环境背景声的提取处理技术，即提取环境背景声的算法。这类算法的思想是提取出双声道立体声本身所含有的环境声场信息，然后作一定的频谱叠加到左右声道。它将左右声道信号之差作为环境背景声，对不同频段增强、衰减，增大总能量，叠加到原始左右声道。左右声道信号之和作为中央声道信号，均衡后叠加到左右声道。可用两个公式表示:
LS=L+ K1(L+R)P+ K2(L-R)P
RS=R+ K1(L+R)P+ K2(R-L)P
其中，LS表示左声道输出，RS表示右声道输出，L表示原始左声道，R表示原始右声道， K1、K2分别是叠加系数。这种算法应用非常广泛许多商业产品都利用类似的算法，效果也是可以接受的，算法比较容易实现。但是这种算法得出的输出声音信号只是在感官上产生比较大范围的弥散声场的感觉，但这种输出声音信号与实际的听音习惯不太相符，在使用普通耳机回放更是效果不佳，声音不太自然。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种双声道音频信号处理的方法和装置，增强双声道立体声声场的环绕立体感。
本发明提出一种双声道音频信号处理的方法，包括：
将原始左、右声道的音频信号相减后的音频信号进行中频段带通滤波，获得中频背景声信号；
将原始左、右声道的音频信号叠加后的音频信号进行低频段低通滤波，获得低频背景声信号；
将所述中、低频背景声信号分别进行随机延迟处理，将处理后的信号进行叠加，正向输出成第一左声音信号，反向输出成第一右声音信号；
对所述第一左、右声音信号分别与头部相关传输函数卷积进行虚拟定位处理，分别获得对应的左、右环绕3D环境背景声；
将左环绕3D环境背景声与原始左声道音频信号、右环绕3D环境背景声与原始右声道音频信号进行叠加处理，形成具有良好环绕立体感的左、右输出声音信号。
优选地，所述将原始左、右声道音频信号相减后的音频信号进行中频段带通滤波，获得中频背景声信号具体包括为：
将原始左、右声道的音频信号相减后依次通过多个不同频段的带通滤波器进行中频段滤波，获得多路中频背景声信号。
优选地，所述音频信号的中频段滤波频段X为80hz≤X＜2000hz；所述音频信号的低频段滤波频段Y为0≤Y＜80hz。
优选地，所述将原始左、右声道的音频信号叠加后的音频信号进行低频段低通滤波，获得低频背景声信号步骤之后还包括：
对所述获得的低频背景声信号进行+3dB加强处理。
优选地，对所述第一左、右声音信号分别与头部相关传输函数卷积进行虚拟定位处理，分别获得对应的左、右环绕3D环境背景声具体包括：
对所述第一左、右声音信号进行时域分帧处理，处理后的每一帧数据进行基4的快速傅立叶变换，得到频域下对应的左、右声音信号；
将所述频域下对应的左声道信号与相应的头相关传输函数进行分段卷积，以及将频域下的右声道信号与相应的头相关传输函数进行分段卷积；
将分段卷积后的第一左、右声音信号分别进行基4的快速傅立叶反变换，分别获得时域下第一左、右声音信号对应的每一帧数据；
并分别对时域下第一左、右声音信号的每一帧数据进行重叠相加，分别获得对应第二左、右叠加声音信号；
将第二左、右叠加声音信号进行-3dB衰减，获得对应的左、右环绕3D环境背景声。
本发明另提出一种双声道音频信号处理的装置，包括：
带通滤波模块，用于对原始左、右声道音频信号相减后的音频信号进行中频段带通滤波，以获得中频背景声信号；
低通滤波模块，用于对原始左、右声道的音频信号叠加后的音频信号进行低频段低通滤波，以获得低频背景声信号；
随机延迟处理模块，用于将所述中、低频背景声信号分别进行随机延迟处理，将处理后的信号进行叠加，正向输出成第一左声音信号，反向输出成第一右声音信号；
虚拟定位处理模块，用于对所述第一左、右声音信号分别与头部相关传输函数卷积进行虚拟定位处理，分别获得对应的左、右环绕3D环境背景声；
叠加处理模块，用于将左环绕3D环境背景声与原始左声道音频信号、右环绕3D环境背景声与原始右声道音频信号进行叠加处理，以形成具有良好环绕立体感的左、右输出声音信号。
优选地，所述带通滤波模块，具体还用于对原始左、右声道的音频信号相减后依次通过多个不同频段的带通滤波器进行中频段滤波，获得多路中频背景声信号。
优选地，所述音频信号的中频段滤波频段X为80hz≤X＜2000hz；所述音频信号的低频段滤波频段Y为0≤Y＜80hz。
优选地，所述的双声道音频信号处理的装置，还包括：
声场信号加强模块，用于对获得的低频背景声信号进行+3dB加强处理。
优选地，所述虚拟定位处理模块包括：
基4的快速傅立叶变换子模块，用于对所述第一左、右声音信号进行时域分帧处理，处理后的每一帧数据进行基4的快速傅立叶变换，得到频域下对应的左、右声音信号；
头相关变换函数卷积子模块，用于将所述频域下对应的左声道信号与相应的头相关传输函数进行分段卷积，以及将频域下的右声道信号与相应的头相关传输函数进行分段卷积；
基4的快速傅立叶反变换子模块，用于将分段卷积后的第一左、右声音信号分别进行基4的快速傅立叶反变换，分别获得时域下第一左、右声音信号对应的每一帧数据；
叠加处理子模块，用于分别对时域下第一左、右声音信号的每一帧数据进行重叠相加，分别获得对应第二左、右叠加声音信号；
衰减处理子模块，用于将第二左、右叠加声音信号进行-3dB衰减，获得对应的左、右环绕3D环境背景声。
本发明所提供的双声道音频信号处理的方法和装置，通过将带通滤波获得的中频背景声信号和低通滤波获得的低频背景声信号分别进行随机延迟处理，叠加随机延迟处理后的信号，正向输出成第一左声音信号，反向输出成第一右声音信号，然后对第一左、右声音信号分别进行头相关传输函数虚拟定位处理，获得对应的左、右环绕3D环境背景声；再将左环绕3D环境背景声与原始左声道音频信号、右环绕3D环境背景声与原始右声道音频信号进行叠加处理的方式，从而获得具有良好环绕立体感的左、右输出声音信号。
附图说明
图1是本发明的双声道音频信号处理的方法一实施例的流程图；
图2是本发明的双声道音频信号处理的方法实施例的另一流程图；
图3 是本发明的双声道音频信号处理的装置一实施例的结构示意图；
图4 是本发明的双声道音频信号处理的装置实施例的另一结构示意图；
图5是本发明的双声道音频信号处理的装置实施例的另一结构示意图；
图6是本发明的双声道音频信号处理的装置实施例的另一结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1，提出本发明的一种双声道音频信号处理的方法一实施例，包括：
步骤S101、将原始左、右声道的音频信号相减后的音频信号进行中频段带通滤波，获得中频背景声信号。
其中，所述步骤S101具体处理如下：将原始左、右声道的音频信号相减后依次通过多个不同频段的带通滤波器进行中频段滤波，获得多路中频背景声信号。
所述音频信号的中频段滤波频段X为80hz≤X＜2000hz；所述音频信号的低频段滤波频段Y为0≤Y＜80hz。所述音频信号的中频段滤波频段可以分为3-6个频段，其中，较佳可分为四个频段：X1、X2、X3、X4，80hz≤X1＜200hz；200hz≤X2＜500hz；500hz≤X3＜800hz；800hz≤X4＜2000hz。
步骤S102、将原始左、右声道的音频信号叠加后的音频信号进行低频段低通滤波，获得低频背景声信号。
本步骤S102中，为了增强环境背景声低频声场，可对所述获得的低频背景声信号进行+3dB加强处理。
步骤S103、将所述中、低频背景声信号分别进行随机延迟处理，将处理后的信号进行叠加，正向输出成第一左声音信号，反向输出成第一右声音信号。
本步骤中，对所述中频背景声信号和低频背景声信号进行正、反向随机延迟处理时间为10-15ms。
步骤S104、对所述第一左、右声音信号分别与头部相关传输函数卷积进行虚拟定位处理，分别获得对应的左、右环绕3D环境背景声。
参见图2，所述步骤S104具体包括以下处理流程：
步骤S1041、对所述第一左、右声音信号进行时域分帧处理，对处理后的每一帧数据进行基4的快速傅立叶变换，得到频域下对应的第一左、右声音信号；
步骤S1042、将所述频域下对应的第一左声音信号与相应的头相关传输函数进行分段卷积，以及将频域下对应的右声音信号与相应的头相关传输函数进行分段卷积。
本步骤中，所述与第一左声音信号相应的头相关传输函数是指声音输出设备的左声音信号输出模块的每一个位置上的头相关传输函数。所述与第一右声音信号相应的头相关传输函数是指声音输出设备的右声音信号输出模块的每一个位置上的头相关传输函数。
步骤S1043、将分段卷积后的第一左、右声音信号分别进行基4的快速傅立叶反变换，分别获得时域下第一左、右声音信号对应的每一帧数据。
步骤S1044、分别对时域下第一左、右声音信号的帧数据进行重叠相加，分别获得对应的第一左、右叠加声音信号；
步骤S1045、将将第一左、右叠加声音信号进行-3dB衰减，获得对应的左、右环绕3D环境背景声。
步骤S105、将左环绕3D环境背景声与原始左声道音频信号、右环绕3D环境背景声与原始右声道音频信号进行叠加处理，形成具有良好环绕立体感的左、右输出声音信号。
本步骤中，所述左、右输出声音信号通过左、右输出设备（如耳机）进行回放，用户便可以听到效果较好的环绕立体声。
本实施例提供双声道音频信号处理的方法，通过将带通滤波获得的中频背景声信号和低通滤波获得的低频背景声信号分别进行随机延迟处理，叠加随机延迟处理后的信号，正向输出成第一左声音信号，反向输出成第一右声音信号，然后对第一左、右声音信号分别进行头相关传输函数虚拟定位处理，获得对应的左、右环绕3D环境背景声；再将左环绕3D环境背景声与原始左声道音频信号、右环绕3D环境背景声与原始右声道音频信号进行叠加处理的方式，从而获得具有良好环绕立体感的左、右输出声音信号。
参见图3，提出本发明的一种双声道音频信号处理的装置100一实施例，所述装置100包括：带通滤波模块110、低通滤波模块120、随机延迟处理模块130、虚拟定位处理模块140、以及叠加处理模块150。其中，所述带通滤波模块110，用于对原始左、右声道音频信号相减后的音频信号进行中频段带通滤波，以获得中频背景声信号。所述低通滤波模块120，用于对原始左、右声道的音频信号叠加后的音频信号进行低频段低通滤波，以获得低频背景声信号。所述随机延迟处理模块130，用于将所述中、低频背景声信号分别进行随机延迟处理，将处理后的信号进行叠加，正向输出成第一左声音信号，反向输出成第一右声音信号。所述虚拟定位处理模块140，用于对所述第一左、右声音信号分别与头部相关传输函数卷积进行虚拟定位处理，分别获得对应的左、右环绕3D环境背景声。所述叠加处理模块150，用于将左环绕3D环境背景声与原始左声道音频信号、右环绕3D环境背景声与原始右声道音频信号进行叠加处理，以形成具有良好环绕立体感的左、右输出声音信号。
参见图4，上述双声道音频信号处理的装置100实施例中，所述装置100还包括左输出设备161和右输出设备162。所述左输出设备161，用于对所述左输出声音信号进行回放。所述右输出设备162，用于对所述右输出声音信号进行回放。即用户通过所述左输出设备161和右输出设备162可以听到回放效果较好的环绕立体声。
进一步地，上述双声道音频信号处理的装置100实施例中，所述带通滤波模块110，具体还用于对原始左、右声道的音频信号相减后依次通过多个不同频段的带通滤波器进行中频段滤波，获得多路中频背景声信号。所述音频信号的中频段滤波频段X为80hz≤X＜2000hz；所述音频信号的低频段滤波频段Y为0≤Y＜80hz。所述音频信号的中频段滤波频段可以分为3-6个频段，其中，较佳可分为四个频段：X1、X2、X3、X4，80hz≤X1＜200hz；200hz≤X2＜500hz；500hz≤X3＜800hz；800hz≤X4＜2000hz。
参见图5，上述双声道音频信号处理的装置100实施例中，所述装置100还包括声场信号加强模块170，所述声场信号加强模块170，用于对获得的低频背景声信号进行+3dB加强处理，以增强环境背景声低频声场。
参见图6，上述双声道音频信号处理的装置100实施例中，所述虚拟定位处理模块140包括：基4的快速傅立叶变换子模块141、头相关传输函数卷积子模块142、基4的快速傅立叶反变换子模块143、叠加处理子模块144以及衰减处理子模块145。所述基4的快速傅立叶变换子模块141，用于对所述第一左、右声音信号进行时域分帧处理，对处理后的每一帧数据进行基4的快速傅立叶变换，得到频域下对应的第一左、右声音信号。所述头相关传输函数卷积子模块142，用于将所述频域下对应的第一左声音信号与相应的头相关传输函数进行分段卷积，以及将频域下对应的第一右声音信号与相应的头相关传输函数进行分段卷积。所述基4的快速傅立叶反变换子模块143，用于将分段卷积后的第一左、右声音信号分别进行基4的快速傅立叶反变换，分别获得时域下第一左、右声音信号对应的每一帧数据。所述叠加处理子模块144，用于分别对时域下第一左、右声音信号的帧数据进行重叠相加，分别获得对应的第一左、右叠加声音信号。所述衰减处理子模块145，用于将第一左、右叠加声音信号进行-3dB衰减，获得对应的左、右环绕3D环境背景声。
本实施例中，所述与第一左声音信号相应的头相关传输函数是指声音输出设备的左声音信号输出模块的每一个位置上的头相关传输函数。所述与第一右声音信号相应的头相关传输函数是指声音输出设备的右声音信号输出模块的每一个位置上的头相关传输函数。
本实施例提供双声道音频信号处理的装置，通过将带通滤波获得的中频背景声信号和低通滤波获得的低频背景声信号分别进行随机延迟处理，叠加随机延迟处理后的信号，正向输出成第一左声音信号，反向输出成第一右声音信号，然后对第一左、右声音信号分别进行头相关传输函数虚拟定位处理，获得对应的左、右环绕3D环境背景声；再将左环绕3D环境背景声与原始左声道音频信号、右环绕3D环境背景声与原始右声道音频信号进行叠加处理的方式，从而获得具有良好环绕立体感的左、右输出声音信号。
应当理解的是，以上仅为本发明的优选实施例，不能因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种双声道音频信号处理的方法，其特征在于，包括：
将原始左、右声道的音频信号相减后的音频信号进行中频段带通滤波，获得中频背景声信号；
将原始左、右声道的音频信号叠加后的音频信号进行低频段低通滤波，获得低频背景声信号；
将所述中、低频背景声信号分别进行随机延迟处理，将处理后的信号进行叠加，正向输出成第一左声音信号，反向输出成第一右声音信号；
对所述第一左、右声音信号分别与头部相关传输函数卷积进行虚拟定位处理，分别获得对应的左、右环绕3D环境背景声；
将左环绕3D环境背景声与原始左声道音频信号、右环绕3D环境背景声与原始右声道音频信号进行叠加处理，形成具有良好环绕立体感的左、右输出声音信号。
2.根据权利要求1所述的双声道音频信号处理的方法，其特征在于，所述将原始左、右声道音频信号相减后的音频信号进行中频段带通滤波，获得中频背景声信号具体包括为：
将原始左、右声道的音频信号相减后依次通过多个不同频段的带通滤波器进行中频段滤波，获得多路中频背景声信号。
3.根据权利要求1或2所述的双声道音频信号处理的方法，其特征在于，所述音频信号的中频段滤波频段X为80hz≤X＜2000hz；所述音频信号的低频段滤波频段Y为0≤Y＜80hz。
4.根据权利要求1所述的双声道音频信号处理的方法，其特征在于，所述将原始左、右声道的音频信号叠加后的音频信号进行低频段低通滤波，获得低频背景声信号步骤之后还包括：
对所述获得的低频背景声信号进行+3dB加强处理。
5.根据权利要求1所述的双声道音频信号处理的方法，其特征在于，对所述第一左、右声音信号分别与头部相关传输函数卷积进行虚拟定位处理，分别获得对应的左、右环绕3D环境背景声具体包括：
对所述第一左、右声音信号进行时域分帧处理，对处理后的每一帧数据进行基4的快速傅立叶变换，得到频域下对应的第一左、右声音信号；
将所述频域下对应的第一左声音信号与相应的头相关传输函数进行分段卷积，以及将频域下对应的第一右声音信号与相应的头相关传输函数进行分段卷积；
将分段卷积后的第一左、右声音信号分别进行基4的快速傅立叶反变换，分别获得时域下第一左、右声音信号对应的每一帧数据；
分别对时域下第一左、右声音信号的帧数据进行重叠相加，分别获得对应的第一左、右叠加声音信号；
将第一左、右叠加声音信号进行-3dB衰减，获得对应的左、右环绕3D环境背景声。
6.一种双声道音频信号处理的装置，其特征在于，包括：
带通滤波模块，用于对原始左、右声道音频信号相减后的音频信号进行中频段带通滤波，以获得中频背景声信号；
低通滤波模块，用于对原始左、右声道的音频信号叠加后的音频信号进行低频段低通滤波，以获得低频背景声信号；
随机延迟处理模块，用于将所述中、低频背景声信号分别进行随机延迟处理，将处理后的信号进行叠加，正向输出成第一左声音信号，反向输出成第一右声音信号；
虚拟定位处理模块，用于对所述第一左、右声音信号分别与头部相关传输函数卷积进行虚拟定位处理，分别获得对应的左、右环绕3D环境背景声；
叠加处理模块，用于将左环绕3D环境背景声与原始左声道音频信号、右环绕3D环境背景声与原始右声道音频信号进行叠加处理，以形成具有良好环绕立体感的左、右输出声音信号。
7.根据权利要求6所述的双声道音频信号处理的装置，其特征在于，所述带通滤波模块，具体还用于对原始左、右声道的音频信号相减后依次通过多个不同频段的带通滤波器进行中频段滤波，获得多路中频背景声信号。
8.根据权利要求6或7所述的双声道音频信号处理的装置，其特征在于，所述音频信号的中频段滤波频段X为80hz≤X＜2000hz；所述音频信号的低频段滤波频段Y为0≤Y＜80hz。
9.根据权利要求6所述的双声道音频信号处理的装置，其特征在于，还包括：
声场信号加强模块，用于对获得的低频背景声信号进行+3dB加强处理。
10.根据权利要求6所述的双声道音频信号处理的装置，其特征在于，所述虚拟定位处理模块包括：
基4的快速傅立叶变换子模块，用于对所述第一左、右声音信号进行时域分帧处理，对处理后的每一帧数据进行基4的快速傅立叶变换，得到频域下对应的第一左、右声音信号；
头相关传输函数卷积子模块，用于将所述频域下对应的第一左声音信号与相应的头相关传输函数进行分段卷积，以及将频域下对应的第一右声音信号与相应的头相关传输函数进行分段卷积；
基4的快速傅立叶反变换子模块，用于将分段卷积后的第一左、右声音信号分别进行基4的快速傅立叶反变换，分别获得时域下第一左、右声音信号对应的每一帧数据；
叠加处理子模块，用于分别对时域下第一左、右声音信号的帧数据进行重叠相加，分别获得对应的第一左、右叠加声音信号；
衰减处理子模块，用于将第一左、右叠加声音信号进行-3dB衰减，获得对应的左、右环绕3D环境背景声。
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