CN106569780B - 一种多通道数字音频信号实时音效处理方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多通道数字音频信号实时音效处理方法及系统，包括：上位机向并行处理器发送滤波器参数、增益参数和延时参数；并行处理器将接收的滤波器参数和增益参数及待处理的音频信号发送至串行处理器；串行处理器根据接收的滤波器参数和增益参数及待处理的音频信号计算获得滤波器系数和增益调节系数并发送至并行处理器；并行处理器根据接收的滤波器系数和增益调节系数以及延时参数对待处理的音频信号进行时域滤波处理、增益调节处理和延时处理。本发明通过采用串行架构处理器和并行架构处理器共同处理音效数据，降低音效处理过程中的延时，实现了多通道音频数据的并行处理，使音效的处理具有较高的实时性。
Description
技术领域
本发明涉及音频处理技术领域，具体涉及一种多通道数字音频信号实时音效处理方法及系统。
背景技术
目前各类数字扩声系统中的音效处理任务都采用串行架构的DSP处理系统来完成。这类数字信号处理系统虽然具有计算精度高，复杂的处理算法在芯片上实现灵活方便等优点。但在执行多通道大数据量的音效处理任务时却会带来较大的系统延时。
为了保证系统实时性，对处理系统的改进方法一般多为采用价格较高的多核处理器来增加系统的处理能力，或者通过增加系统处理器的芯片个数，由二到四个处理器来并行执行重复的处理任务，从而保证系统的延时不会过大。
现有的基于串行架构的数字音效处理系统由于其数据处理方式的限制，在面对大量的重复性高的处理任务时，其处理能力并不具备较大优势，存在运算速度不能满足于实时处理的要求。而通过增加处理器的个数来提高系统处理能力，实现系统实时处理的改进方式也有一定的局限性，处理能力的提升跟不上数据量增大的要求。由于系统处理单元仍是采用串行架构，因此处理系统还存在延时较大的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种多通道数字音频信号实时音效处理方法及系统，实现了多通道音频数据的并行处理，降低音频数据处理过程中的延时，保证音效的处理具有较高的实时性。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一方面，本发明提供了一种多通道数字音频信号实时音效处理方法，包括：
上位机向并行处理器发送滤波器参数、增益参数和延时参数；
所述并行处理器将接收的滤波器参数和增益参数及待处理的音频信号发送至串行处理器；
所述串行处理器根据接收的滤波器参数和增益参数及待处理的音频信号计算获得滤波器系数和增益调节系数并发送至并行处理器；
所述并行处理器根据接收的滤波器系数和增益调节系数以及延时参数对待处理的音频信号进行时域滤波处理、增益调节处理和延时处理。
进一步的，所述上位机向并行处理器发送滤波器参数、增益参数和延时参数的步骤，之前还包括：
对音频信号进行模数转换处理，获取待处理的音频信号。
进一步的，所述并行处理器根据接收的滤波器系数和增益调节系数以及延时参数对待处理的音频信号进行时域滤波处理、增益调节处理和延时处理的步骤，之后还包括：
并行处理器对进行时域滤波处理、增益调节处理和延时处理后的音频信号进行数模转换，获得模拟音频信号。
进一步的，所述串行处理器根据接收的滤波器参数和增益参数及待处理的音频信号计算获得滤波器系数和增益调节系数并发送至并行处理器的步骤包括：
串行处理器根据滤波器参数计算获得滤波器系数；
串行处理器根据增益参数和音频信号计算获得增益调节系数。
进一步的，所述滤波器系数更新后，并行处理器按照更新后的滤波器系数对待处理的音频信号进行时域滤波处理。
另一方面，本发明提供了一种多通道数字音频信号实时音效处理系统，包括：
上位机，用于向并行处理装置发送指令参数；
并行处理装置，用于对待处理的数字音频信号进行处理；以及
串行处理装置，用于向并行处理装置发送处理系数；
所述并行处理装置分别与所述上位机和所述串行处理装置相连。
进一步的，所述系统还包括：
模数转换装置，用于将模拟音频信号转换为使并行处理装置能够进行处理的数字音频信号；
数模转换装置，用于将并行处理装置输出的数字音频信号转换为模拟信号；
所述模数转换装置与并行处理装置的输入端相连接，所述数模转换装置与并行处理装置的输出端相连接。
进一步的，所述并行处理装置包括：
时域滤波单元，用于根据接收串行处理器发送的滤波器系数，对并行处理器接收的数字音频信号进行时域滤波处理；
信号增益调节单元，用于根据接收串行处理器发送的增益调节系数，对时域滤波单元输出的数字音频信号进行增益调节处理；
延迟处理单元，用于根据上位机发送的延时指令参数对信号增益调节单元输出的数字音频信号进行延迟处理；
所述时域滤波单元的输入端与模数转换装置相连接，输出端与信号增益调节单元的输入端相连接；
所述信号增益调节单元的输出端与延迟处理单元的输入端相连接，所述延迟处理单元的输出端与数模转换装置相连接。
进一步的，所述串行处理装置包括：
滤波器系数计算单元，用于根据接收并行处理装置发送的滤波器参数计算获得滤波器系数并将滤波器系数发送至时域滤波单元；
增益调节系数计算单元，用于根据接收并行处理装置发送的增益参数及数字音频信号计算获得增益调节系数并将增益调节系数发送至信号增益调节单元。
进一步的，所述并行处理装置采用FPGA，所述串行处理装置采用DSP。
由上述技术方案可知，本发明所述的一种多通道数字音频信号实时音效处理方法及系统，通过采用串行架构处理器和并行架构处理器共同处理音效数据，降低音效处理过程中的延时，实现了多通道音频数据的并行处理，使音效的处理具有较高的实时性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种多通道数字音频信号实时音效处理方法的流程示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种多通道数字音频信号实时音效处理方法的流程示意图；
图3是本发明实施例三提供的一种多通道数字音频信号实时音效处理系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
随着时代的发展，在各类扩声系统中对多通道、大数据量的数字音效处理要求越来越多，且对处理的实时性要求也越来越高。由于需要同时处理多通道音频数据，因此重复性的信号处理任务量很大。传统基于DSP(Digital Signal Processing)的串行架构音效处理系统在进行复杂的音效处理计算时虽具实现灵活方便，计算精度高等方面的优势，但在面对多通道、大数据量、重复性强的实时处理任务时，由于其本身串行架构处理方式的特点，导致音效处理的过程中存在较大的系统时延的问题。为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种多通道数字音频信号实时音效处理方法及系统。
在介绍本发明提供的多通道数字音频信号实时音效处理方法及系统之前，先介绍一下音效处理算法的拆分。
基本的音效处理其实都可看做是通过对音频信号进行时域滤波来实现的，其区别仅在于采用不同的滤波器系数计算方法。因此，基本的音效处理算法均可拆分为滤波器系数计算及时域滤波两部分。下面分别对几种音效处理算法进行说明。
1.均衡、分频，一般都是根据给定的参数要求来计算滤波器系数，再通过对信号进行时域滤波来完成处理。滤波器系数的计算方法比较复杂，但其仅需在给定的参数发生变化时进行计算即可，对计算的实时性要求不高，即使有上百毫秒的计算延时也不会影响到现场的听觉感受。而对实时性要求较高的时域滤波部分运算过程相对简单，只通过有限次的乘加运算即可完成。因此，均衡、分频这类处理可拆分为滤波器系数计算部分及时域滤波部分。
2.扩展、压缩这类动态范围调整处理，一般是根据输入信号的幅度大小及给定的参数要求来动态的计算需要调节的信号幅度，再根据计算得到的调节量来调整信号的幅度参数，完成相应的处理。动态计算信号幅度调节量的处理部分可看成为一个滤波器系数的计算过程，虽然这部分的计算对实时性有一定的要求，但其对延时的容忍度相对较高，几十毫秒的计算延时对现场的听觉感受影响不大。而调整信号的幅度处理其实也可看成是一个简单的时域滤波过程。因此，扩展、压缩这类处理也可拆分为滤波器系数计算部分及时域滤波部分。
3.音效处理中的延时处理也可看成是一个简单的时域滤波过程。
由于基本的音效处理算法都可以根据其处理过程进行合理的拆分成计算复杂、实时性要求不高的滤波器系数计算部分及计算简单、实时性要求高的时域滤波部分。由于拆分的两部分处理分别具有不同的计算特点，根据不同的算法特点来分别选用不同特点的硬件处理器来完成相应的处理任务，从而更好的发挥各类处理器的计算优势，有效地提升系统的整体处理能力。
本发明实施例一提供一种多通道数字音频信号实时音效处理方法，参见图1，该方法具体包括如下步骤：
S101：上位机向并行处理器发送滤波器参数、增益参数和延时参数；
在本步骤中，上位机采用计算机，并行处理器采用FPGA(Field－ProgrammableGate Array)。通过计算机向并行处理器发送指令参数，指令参数包括：滤波器参数、增益参数和延时参数。
S102：所述并行处理器将接收的滤波器参数和增益参数及待处理的音频信号发送至串行处理器；
在本步骤中，串行处理器采用DSP，并行处理器将滤波器参数、增益参数和音频信号发送至串行处理器。
S103：所述串行处理器根据接收的滤波器参数和增益参数及待处理的音频信号计算获得滤波器系数和增益调节系数并发送至并行处理器；
在本步骤中，串行处理器根据滤波器参数计算获得滤波器系数；串行处理器根据增益参数和音频信号计算获得增益调节系数。由于需要计算的处理系数，计算复杂度高，对延时的容忍度也较高，因此选用实现灵活、计算速度快、精度高的串行处理器来完成这部分的处理任务。
S104：所述并行处理器根据接收的滤波器系数和增益调节系数以及延时参数对待处理的音频信号进行时域滤波处理、增益调节处理和延时处理。
在本步骤中，对音频信号的处理这部分的计算复杂度较低、对实时性的要求较高，而且由于需同时处理多通道的大量数据，选用并行处理器FPGA来完成这部分的处理任务。FPGA的并行机制特别适合于处理多通道的大量数据的处理任务，并能保证良好的系统实时性。当处理系数未更新时，并行处理器按原处理系数来处理实时音频信号；当处理系数更新后，并行处理器再按新处理系数来处理实时音频信号。
从上述描述可知，并行处理器是整个系统的核心，主要完成与上位机的命令交互、与串行处理器的命令数据交互、以及主要的各项音效处理任务。串行处理器的主要任务是根据并行处理器传输过来的指令参数及数字音频数据完成音效处理算法中较复杂的各项滤波系数计算，并将计算得到的各项系数传输给并行处理器最终完成音效处理算法。对实时音频信号的时域滤波处理不会因为滤波器系数的计算延迟而延迟，滤波器系数计算带来的延时只会影响系统音效处理的响应速度，而不会影响实时音频信号的输出，从而保证了系统具有良好的实时性。
本发明实施例二提供了一种多通道数字音频信号实时音效处理方法。参见图2，上述步骤S101之前还具体包括如下步骤：
S100：对音频信号进行模数转换处理，获取待处理的音频信号。
在本步骤中，并行处理器在处理待处理的音频信号前，将模拟的音频信号进行模数转换，获取并行处理器能够处理的数字音频信号。
上述步骤S104之后还具体包括如下步骤：
S105：并行处理器对进行时域滤波处理、增益调节处理和延时处理后的音频信号进行数模转换，获得模拟音频信号。
在本步骤中，并行处理器对待处理的音频信号处理后，需要经数模转换，获取模拟音频信号输出。
从上述描述可知，在对音频信号处理之前需将模拟音频信号转换为数字音频信号，并对数字音频信号进行处理之后进行数模转换为模拟音频信号。
本发明实施例三提供一种多通道数字音频信号实时音效处理方系统，参见图3，该系统包括：
上位机，用于向并行处理装置发送指令参数；
并行处理装置，用于对待处理的数字音频信号进行处理；以及
串行处理装置，用于向并行处理装置发送处理系数；
所述并行处理装置分别与所述上位机和所述串行处理装置相连。
所述系统还包括：
模数转换装置，用于将模拟音频信号转换为使并行处理装置能够进行处理的数字音频信号；
数模转换装置，用于将并行处理装置输出的数字音频信号转换为模拟信号；
所述模数转换装置与并行处理装置的输入端相连接，所述数模转换装置与并行处理装置的输出端相连接。
所述并行处理装置包括：
时域滤波单元，用于根据接收串行处理器发送的滤波器系数，对并行处理器接收的数字音频信号进行时域滤波处理；
信号增益调节单元，用于根据接收串行处理器发送的增益调节系数，对时域滤波单元输出的数字音频信号进行增益调节处理；
延迟处理单元，用于根据上位机发送的延时指令参数对信号增益调节单元输出的数字音频信号进行延迟处理；
所述时域滤波单元的输入端与模数转换装置相连接，输出端与信号增益调节单元的输入端相连接；
所述信号增益调节单元的输出端与延迟处理单元的输入端相连接，所述延迟处理单元的输出端与数模转换装置相连接。
所述串行处理装置包括：
滤波器系数计算单元，用于根据接收并行处理装置发送的滤波器参数计算获得滤波器系数并将滤波器系数发送至时域滤波单元；
增益调节系数计算单元，用于根据接收并行处理装置发送的增益参数及数字音频信号计算获得增益调节系数并将增益调节系数发送至信号增益调节单元。
所述并行处理装置采用FPGA，所述串行处理装置采用DSP。
在具体实施时，首先，多路模拟音频信号通过模数转换装置(ADC)转换为数字音频信号后，输入并行处理装置，先经过均衡、分频等时域滤波处理。滤波器的系数由串行处理装置中的滤波系数计算单元根据接收到的指令参数计算得出，并传送回并行处理装置中的时域滤波单元来完成相关音效处理。当串行处理装置没有计算得出新的滤波器系数时，并行处理装置按照原系数进行时域滤波处理。因此，串行处理装置计算带来的延时不会影响系统的总延时，仅会影响命令的响应速度。
经过时域滤波处理后的数字音频信号会接着进行信号增益调节处理，同时，这些数字音频信号会经由并行处理装置发送给串行处理装置的增益系数计算单元。增益系数由串行处理装置中的增益系数计算单元根据接收到的指令参数及数字音频信号计算得出，并传送回并行处理装置中的增益调节单元来完成相关音效处理。
数字音频信号经过增益调节处理后再进行延时处理，延时处理单元直接按照指令参数来完成信号的延时处理。最后并行处理装置输出的数字音频信号通过数模转换装置(DAC)再转换为模拟音频信号输出。
从上述描述可知，本发明提供的一种多通道数字音频信号实时音效处理方系统，通过对数字音频信号的处理拆分为两部分，计算复杂对实时性要求不高的处理部分放在串行架构的DSP处理器中进行；计算相对简单，数据量大，对实时性要求高的处理部分放在并行架构的FPGA处理器中进行，从而保证了多通道音效处理任务的并行执行，很好地发挥了并行架构在处理重复性高数据量大的简单任务时的优势，同时保留了串行架构在处理复杂运算时计算精度高，实现灵活方便的优点。实现了多通道音频数据的并行处理。而音效处理算法的拆分保证了复杂的音效处理算法中滤波系数计算所带来的时间延时并不会附加到整个系统的延时上，从而保证了多通道，大数据量的音效处理系统具有较高的实时性。
而且本发明系统的系统延时低，相对于传统数字音效系统几毫秒到十几毫秒的系统延时，本发明的系统可以将系统延时降低到小于1毫秒。本发明系统对串行架构的DSP处理器的处理能力要求不高，延时容忍度较高，可选用相对低廉的器件就能满足要求，因此该系统的成本低，可应用于各类基本的多通道数字音效处理系统。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种多通道数字音频信号实时音效处理方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
上位机向并行处理器发送滤波器参数、增益参数和延时参数；
所述并行处理器将接收的滤波器参数和增益参数及待处理的音频信号发送至串行处理器；
所述串行处理器根据接收的滤波器参数和增益参数及待处理的音频信号计算获得滤波器系数和增益调节系数并发送至并行处理器；
所述并行处理器根据接收的滤波器系数和增益调节系数以及延时参数对待处理的音频信号进行时域滤波处理、增益调节处理和延时处理；
所述上位机向并行处理器发送滤波器参数、增益参数和延时参数的步骤，之前还包括：
对音频信号进行模数转换处理，获取待处理的音频信号；
所述并行处理器根据接收的滤波器系数和增益调节系数以及延时参数对待处理的音频信号进行时域滤波处理、增益调节处理和延时处理的步骤，之后还包括：
并行处理器对进行时域滤波处理、增益调节处理和延时处理后的音频信号进行数模转换，获得模拟音频信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述串行处理器根据接收的滤波器参数和增益参数及待处理的音频信号计算获得滤波器系数和增益调节系数并发送至并行处理器的步骤包括：
串行处理器根据滤波器参数计算获得滤波器系数；
串行处理器根据增益参数和音频信号计算获得增益调节系数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述滤波器系数更新后，并行处理器按照更新后的滤波器系数对待处理的音频信号进行时域滤波处理。
4.一种采用权利要求1-3任一项所述方法的系统，其特征在于，所述系统包括：
上位机，用于向并行处理装置发送指令参数；
并行处理装置，用于对待处理的数字音频信号进行处理；以及
串行处理装置，用于向并行处理装置发送处理系数；
所述并行处理装置分别与所述上位机和所述串行处理装置相连。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
模数转换装置，用于将模拟音频信号转换为使并行处理装置能够进行处理的数字音频信号；
数模转换装置，用于将并行处理装置输出的数字音频信号转换为模拟音频信号；
所述模数转换装置与并行处理装置的输入端相连接，所述数模转换装置与并行处理装置的输出端相连接。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述并行处理装置包括：
时域滤波单元，用于根据接收串行处理器发送的滤波器系数，对并行处理器接收的数字音频信号进行时域滤波处理；
信号增益调节单元，用于根据接收串行处理器发送的增益调节系数，对时域滤波单元输出的数字音频信号进行增益调节处理；
延迟处理单元，用于根据上位机发送的延时指令参数对信号增益调节单元输出的数字音频信号进行延迟处理；
所述时域滤波单元的输入端与模数转换装置相连接，输出端与信号增益调节单元的输入端相连接；
所述信号增益调节单元的输出端与延迟处理单元的输入端相连接，所述延迟处理单元的输出端与数模转换装置相连接。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述串行处理装置包括：
滤波器系数计算单元，用于根据接收并行处理装置发送的滤波器参数计算获得滤波器系数并将滤波器系数发送至时域滤波单元；
增益调节系数计算单元，用于根据接收并行处理装置发送的增益参数及数字音频信号计算获得增益调节系数并将增益调节系数发送至信号增益调节单元。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述并行处理装置采用FPGA，所述串行处理装置采用DSP。
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