CN109040885B - 一种基于音量的个性化响度补偿方法及耳机均衡系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于音量的个性化响度补偿方法及耳机均衡系统，本发明提供的方法是通过播放每个选定音量下的猝发音参考信号和猝发音测试信号，调整每个猝发音测试信号增益，使其响度与猝发音参考信号相同，获得每个音量下的响度增益曲线，并利用通用等响曲线进行校正及插值处理后，形成增益连续的幅度响应曲线；利用幅度响应曲线生成耳机均衡曲线，对音频信号进行响度补偿。利用该方法及本发明提供的耳机均衡系统能够获得不同音量下耳机响度均衡曲线，该均衡曲线通过用户调整信号的响度增益获得，以弥补不同声压级下回放音频产生的不敏感频段听感不足的问题，为用户提供更好的耳机听觉体验。

Description

一种基于音量的个性化响度补偿方法及耳机均衡系统

技术领域

本发明涉及音频技术领域，特别是一种基于音量的个性化响度补偿方法及耳机均衡系统。

背景技术

耳机是现代社会应用最为广泛的音频设备之一，人们用耳机聆听手机、电脑等设备播放的音频。为了获得更好的听觉体验，耳机均衡系统应运而生。通过均衡器对耳机频率响应的调整，用户可以感受到同一音频的不同艺术效果。我们知道，人耳对不同频率感知的敏感度不同，相同声压级的不同频率信号，我们感受到的“音量”有高有低，而且不同响度级下等响度曲线形状不同，响度级越高等响曲线越平坦。因此产生的后果是，在较低音量下重放音频时，不敏感频段听感不足。此外，等响度曲线形状随着收听者的年龄、性别、人种等因素的不同而不同，个性化差异明显，因此针对响度设计不同音量下与收听者匹配的个性化耳机均衡系统是需要解决的重要问题。

发明内容

本发明的目的在于，为了解决由于不同响度级下等响曲线形状不同，导致不同音量下回放音频时的不敏感频段听感不足的技术问题，本发明结合了用户反馈的、基于音量的响度补偿耳机均衡技术，提供一种基于音量的个性化响度补偿方法，利用该方法能够获得不同音量下耳机响度均衡曲线，该均衡曲线通过用户调整信号的响度增益获得。进一步的目的是进行响度补偿，以弥补不同声压级下回放音频产生的不敏感频段听感不足的问题，为用户提供更好的耳机听觉体验。

为实现上述目的，本发明提供的一种基于音量的个性化响度补偿方法，该方法具体包括：

步骤1)设定若干个不同音量下的通用等响曲线、猝发音参考信号和猝发音测试信号，猝发音参考信号的音量随系统音量线性变化。猝发音参考信号和测试信号的选定应符合人耳听觉特性。

步骤2)播放每个选定音量下的猝发音参考信号和猝发音测试信号，调整每个猝发音测试信号增益，使其响度与猝发音参考信号相同，获得每个音量下的响度增益曲线。

步骤3)然后利用每个音量下的通用等响曲线校正同一音量下的响度增益曲线，获得校正后的响度增益曲线。

步骤4)对每个音量下经过校正后的响度增益曲线，使用能保持原数据单调性和形态的插值方法进行插值，形成增益连续的幅度响应曲线，作为该音量下与收听者匹配的个性化响度增益曲线。

插值过程和校正过程可以在得到单个音量下的响度增益曲线后进行，也可以在得到所有音量下的响度增益曲线后进行。

步骤5)利用幅度响应曲线生成耳机均衡曲线，对音频信号进行响度补偿。

作为上述技术方案的进一步改进，根据幅度响应曲线，可通过以下两种方式获得不同目的的耳机均衡曲线：

a)直接使用与系统音量对应的幅度响应曲线作为该音量下的耳机均衡曲线；

b)使用与系统前后变化的音量对应的两个幅度响应曲线的差值作为耳机均衡曲线，以达到音量变化时的响度补偿目的，从而在较小音量下聆听音频时仍保持大音量下的听觉感知效果。

作为上述技术方案的进一步改进，在所述的步骤1)中，通过选定一组人耳听觉滤波器的不同频率的脉冲响应作为猝发音参考和猝发音测试信号。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤5)中的响度补偿步骤包括：将生成的耳机均衡曲线与需要播放的音频的短时幅度谱相乘后，保留音频的原始相位，通过短时逆傅里叶变换得到响度补偿后的音频信号；所述的短时逆傅里叶变换公式表示为：

y(t)＝ISTFT(|Y(f)|e^jθ(f))

其中，y(t)表示响度补偿后的音频信号，θ(f)表示音频的原始相位，|Y(f)|表示耳机均衡曲线与音频的短时幅度谱的乘积。

本发明的上述方法应测量所有选定音量下的响度增益曲线。预定待测音量可以由用户自己设置，也可用系统存储的音量数组。在得到某一音量下的响度增益曲线后，改变猝发音参考信号的音量，通过调整猝发音测试信号增益，得到另一音量下的响度增益曲线。

本发明还提供了一种耳机均衡系统，该系统包括：处理器、存储器、控制设备、显示器、信号输入端和信号输出端；

处理器，利用每个音量下的通用等响曲线校正同一音量下的响度增益曲线，获得校正后的响度增益曲线；对每个音量下经过校正后的响度增益曲线，使用能保持原数据单调性和形态的插值方法进行插值，形成增益连续的幅度响应曲线；利用幅度响应曲线生成耳机均衡曲线，对音频信号进行响度补偿；以及其它可由控制设备接收到的指令；

存储器，用于存储系统设定或用户自定义的待测音量数组、各音量下的通用等响曲线、猝发音参考信号和猝发音测试信号、待处理的音频和测试生成的各音量下的响度增益曲线、幅度响应曲线、耳机均衡曲线以及响度补偿后的音频；

控制设备，用于控制系统音量并播放猝发音参考信号和猝发音测试信号，调整猝发音测试信号增益；

显示器，用于显示当前测试音量、所使用的猝发音参考信号和测试信号中心频率、每个音量下的通用等响曲线、响度增益曲线、幅度响应曲线和耳机均衡曲线；

信号输入端，用于从外部设备输入音频信号；

信号输出端，用于输出系统播放的猝发音参考信号、猝发音测试信号和响度补偿后的音频给耳机。

本发明的一种基于音量的个性化响度补偿方法及耳机均衡系统优点在于：

本发明的上述响度补偿方法在实施过程中，不用获得信号的固有声压级，而是以操作系统的音量为基准，获得特定音量下的耳机均衡曲线，并利用该耳机均衡曲线作为响度补偿的依据，即以一种灵活、简洁的方式获得了与收听者匹配的响度增益曲线，且考虑了所使用的耳机的特性。可根据用户需求，利用个性化响度增益曲线获得不同的耳机均衡曲线。

附图说明

图1是本发明提供的耳机均衡系统总体结构示意图；

图2是ISO226规定的等响曲线示意图，图中横坐标为频率，纵坐标为声压级；

图3是利用本发明提供的基于音量的个性化响度补偿方法获得耳机均衡曲线的操作流程示意图；

图4是本发明实施例中使用的人耳听觉滤波器组脉冲响应幅度示意图；

图5是50Hz猝发音测试信号波形示意图；

图6是1000Hz猝发音测试信号波形示意图；

图7是4300Hz猝发音测试信号波形示意图；

图8是平移后的30Phon响度级下的等响曲线示意图；

图9是利用本发明提供的基于音量的个性化响度补偿方法，在两个音量下测得的幅度响应曲线示意图；

图10是直接使用某音量下得到的幅度响应曲线作为耳机均衡曲线示意图。

附图标记

101、处理器 102、存储器 103、控制设备

104、显示器 105、输入/输出设备 106、耳机

107、麦克风

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种基于音量的个性化响度补偿方法及耳机均衡系统进行详细说明。

本发明提出了一种结合了用户反馈和随音量变化的响度补偿耳机均衡技术的个性化响度补偿方法。所述方法通过用户反馈获得不同音量下的个性化响度增益曲线，处理后获得耳机均衡曲线。所述的个性化响度补偿方法具体包括以下步骤：

步骤1)设定若干个不同音量下的通用等响曲线、猝发音参考信号和猝发音测试信号，猝发音参考信号的音量随系统音量线性变化；

步骤2)播放每个选定音量下的猝发音参考信号和猝发音测试信号，调整每个猝发音测试信号增益，使其响度与猝发音参考信号相同，获得每个音量下的响度增益曲线；

步骤3)利用每个音量下的通用等响曲线校正同一音量下的响度增益曲线，获得校正后的响度增益曲线；

步骤4)对每个音量下经过校正后的响度增益曲线，使用能保持原数据单调性和形态的插值方法进行插值，形成增益连续的幅度响应曲线；

步骤5)利用幅度响应曲线生成耳机均衡曲线，对音频信号进行响度补偿。

本发明还提供了一种耳机均衡系统，如图1所示，是本发明提供的耳机均衡系统硬件总体结构示意图。该系统包括：处理器101、存储器102、控制设备103、显示器104、输入/输出设备105，它们共同接在一条总线上。耳机106和麦克风107与输入/输出设备105的信号输出端和信号输入端连接。处理器101用于处理输入、输出和控制等各种指令，包括：利用每个音量下的通用等响曲线校正同一音量下的响度增益曲线，获得校正后的响度增益曲线；对每个音量下经过校正后的响度增益曲线，使用能保持原数据单调性和形态的插值方法进行插值，形成增益连续的幅度响应曲线；利用幅度响应曲线生成耳机均衡曲线，对音频信号进行响度补偿。控制设备103用于控制系统音量并播放猝发音参考信号和猝发音测试信号，调整猝发音测试信号增益；显示器104用于显示当前测试音量、所使用的猝发音参考信号和测试信号中心频率、每个音量下的通用等响曲线、响度增益曲线、幅度响应曲线和耳机均衡曲线；用户通过控制设备103和显示器104相互配合调节预定猝发音测试信号增益并生成耳机均衡曲线。系统自带或用户自定义的待测音量数组、各音量下的通用等响曲线、预定猝发音参考信号、预定猝发音测试信号、待处理的音频和测试生成的各音量下的响度增益曲线、幅度响应曲线、耳机均衡曲线以及经响度补偿后需要播放的音频均存储在存储器102中。该实例采用的通用等响曲线为ISO226规定的等响曲线，如图2所示。预定参考信号、预定测试信号和响度补偿处理后的音频经输入/输出设备105输出至用户所佩戴的耳机106。将麦克风107连接至输入/输出设备105后可录制音频用于均衡处理。该系统可以搭载于电脑、手机等多媒体播放设备上。

实施例一

如图3所示，是本发明实施例中提供的一种基于音量的个性化响度补偿方法流程图，该方法用以获得耳机均衡曲线并实现响度补偿。该实例不去获得信号的固有声压级，而是以系统音量值为基准，获得特定音量下的耳机均衡曲线。在本实施例中，所述的方法结合耳机均衡系统的具体实施方式包括：

步骤201)为设定待测音量和预定猝发音参考信号，该实例选定音量值10、20、30、40、50、60、70、80、90为待测音量，也可选择系统内已存储的待测音量数组。选择1000Hz为预定猝发音参考信号，并存储每个音量值下的等响曲线，1000Hz处的响度值随待测音量线性变化。

步骤202)设定1000Hz信号的一个音量值，该音量值为预定音量值中的一个，并在该次测试过程中保持不变，在步骤203)中以其为基准调整每个猝发音测试信号增益。猝发音信号可以是正弦信号、伪随机噪声等信号形式。在本实施例中，采用选定的一组人耳听觉滤波器的脉冲响应作为预定猝发音参考和测试信号。人耳基底膜可等效成一系列具有连续中心频率的、相互交叠的带通滤波器，重叠区域可以确保可靠地重建整个频率范围内的频响曲线。听觉系统的频率分辨率随频率增高而下降。针对采样率为16kHz的音频，该实施例模拟了一组gammatone带通滤波器组，如图4所示，中心频率fc[1:16]＝[50 130 230 370540 760 1000 1400 1900 2500 3300 4300 5600 7300 9500 12000]。预定猝发音参考信号和测试信号s(n)为每个滤波器脉冲响应x(n)时间上的重复，即：

s(n)＝[x(n) x(n) x(n) x(n) …]

其中，n为有限值，表示信号长度，信号长度与信号频率有关。以图5、图6、图7所示的50Hz、1000Hz和4300Hz的猝发音信号为例，所取n分别为：1000,640,400。播放猝发音信号时，该频率下长度为n的脉冲响应持续播放，直到用户发出停止指令。

步骤203)耳机均衡系统通过输入/输出设备105交叉播放预定猝发音测试信号和参考信号，用户通过控制设备103和显示器104调整测试信号增益使其与参考信号响度相同。一次测试完成，将在步骤204中获得16个增益数据。

步骤204)取出步骤201)存储的该音量下的通用等响曲线，以30Phon响度级下的通用等响曲线为例，将所有频点对应的声压级减30，这样就得到了猝发音参考信号频率处，即1000Hz处声压级为0的、被平移过的通用等响曲线，如图8所示。因为人耳对响度的感知是高度个性化的，所以测得的响度增益曲线数值必然和通用等响曲线有出入。该步骤的目的主要是保证测得的数据与通用等响曲线数据趋势大致相同，即50-1000Hz大幅度单调递减，1000Hz以后基本平稳。具体的校正步骤为：在这16个增益数据点中，对于1000Hz之前的点，检查其值是否在规定范围内，该实例中规定范围为[1,100]，如果超出范围则将该值定义为通用等响曲线下对应的声压级数值；然后检查当前数据点是否小于或等于前一个数据点，若不符合，则将该数据点值定义为前一数据点值。对于1000Hz之后的点，只要检查其值是否在规定范围内即可，该实例中规定此范围为[-30,30],为保证平稳性，若超出范围则将该点值定义为前一点的值。

步骤205)判断是否已获得所有预设音量下的增益曲线，若否，则回到步骤202)向下执行，若是，即获得了每个预设音量下的响度增益曲线后，执行步骤207)

步骤207)使用逐段三次埃尔米特插值法对曲线进行插值。将响度增益曲线上的相邻两点表示为p₁＝(f_c1,y₁),p₂＝(f_c2,y₂)，其中f_c为上文提到的测试信号中心频率，y表示f_c对应的增益，其切线斜率分别为k₁,k₂,根据p₁,p₂,k₁,k₂可以确定一个三次函数h(f),h(f)在f_c1,f_c2处的取值h(f_c1),h(f_c2)仍为y₁,y₂,导数值h′(f_c1),h′(f_c2)仍为k₁,k₂。h(f)即为插值得到的幅度响应曲线，并将其作为该音量下与收听者匹配的个性化响度增益曲线。该插值方法保留了原数据的单调性和形态。这样在步骤208)中就得到了所有预设音量下连续的幅度响应曲线。幅度响应曲线的形状随音量非线性变化。如图9所示，为在某两个选定音量下测得的幅度响应曲线。

步骤208)根据测得的幅度响应曲线，在本步骤中可通过多种方式获得不同目的的耳机均衡曲线。第一种方法是，根据音频的音量，直接用其对应的幅度响应曲线作为耳机均衡系统幅频响应；若播放音量不存在对应的幅度响应曲线，则用与该音量最接近音量下的幅度响应曲线作为耳机均衡系统幅频响应，或使用与播放音量上下相邻的、有对应的幅度响应曲线的组合作为耳机均衡系统幅频响应。第二种方法是，当音量从一个较大的值调到较小的值时，使用小音量和大音量分别对应的幅度响应曲线的差作为耳机均衡系统幅频响应，这样在小音量下重放音频时仍能保持大音量时的听感，克服低音量情况下的低频段不敏感问题，以达到响度补偿目的。图10为用第一种方法，即直接使用该音量下获得的幅度响应曲线作为耳机均衡曲线的示意图。

将得到的耳机均衡曲线表示为g1f)，待处理音频的短时幅度谱表示为|X(f)|，两者相乘后音频的短时幅度谱表示为：

|Y(f)|＝g(f)·|X(f)| (1)

保留其原始相位θ(f)，通过短时逆傅里叶(ISTFT)变换得到处理后的音频y(t)：

y(t)＝ISTFT(|Y(f)|e^jθ(f)) (2)

y(t)通过输入/输出设备105的信号输出端输出至用户所佩戴的耳机106。这样用户就听到了经过个性化响度补偿后的音频。

总之，相较于现有技术，本发明的基于音量的响度补偿方法通过用户反馈获得不同音量下形状不同的耳机均衡曲线，既考虑了用户间个性化差异因素，又兼顾了不同声压级下等响曲线形状不同的事实，实现了一个个性化的、幅频响应随音量非线性变化的耳机均衡系统。本发明实施例中耳机均衡系统的各个部件可以通过硬件实现，或者通过在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(如DSP)来实现根据本发明所实施的一些或者全部功能。本发明涵盖了为实现执行本发明所述的方法及系统功能而设计的计算机程序。该程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于音量的个性化响度补偿方法，其特征在于，包括：

步骤1)设定若干个不同音量下的通用等响曲线、猝发音参考信号和猝发音测试信号，猝发音参考信号的音量随系统音量线性变化；

步骤2)播放每个选定音量下的猝发音参考信号和猝发音测试信号，调整每个猝发音测试信号增益，使其响度与猝发音参考信号相同，获得每个音量下的响度增益曲线；

步骤3)利用每个音量下的通用等响曲线校正同一音量下的响度增益曲线，获得校正后的响度增益曲线；具体为：当响度增益曲线上的增益点超过阈值时，采用平移后的通用等响曲线中的声压级数值取代增益点数值，获得校正后的响度增益曲线；

步骤4)对每个音量下经过校正后的响度增益曲线，使用能保持原数据单调性和形态的插值方法进行插值，形成增益连续的幅度响应曲线；

步骤5)利用幅度响应曲线生成耳机均衡曲线，对音频信号进行响度补偿；

在所述的步骤1)中，通过选定一组人耳听觉滤波器的不同频率的脉冲响应作为猝发音参考和猝发音测试信号。

2.根据权利要求1所述的基于音量的个性化响度补偿方法，其特征在于，所述步骤4)中的插值方法为逐段三次埃尔米特插值法。

3.根据权利要求1所述的基于音量的个性化响度补偿方法，其特征在于，所述步骤5)中的耳机均衡曲线生成方式为：直接使用与系统音量对应的幅度响应曲线作为该音量下的耳机均衡曲线；或者使用与系统前后变化的音量对应的两个幅度响应曲线的差值作为耳机均衡曲线。

4.根据权利要求1所述的基于音量的个性化响度补偿方法，其特征在于，所述步骤5)中的响度补偿步骤包括：将生成的耳机均衡曲线与需要播放的音频的短时幅度谱相乘后，保留音频的原始相位，通过短时逆傅里叶变换得到响度补偿后的音频信号；所述的短时逆傅里叶变换公式表示为：

y(t)＝ISTFT(|Y(f)|e^jθ(f))

其中，y(t)表示响度补偿后的音频信号，θ(f)表示音频的原始相位，|Y(f)|表示耳机均衡曲线与音频的短时幅度谱的乘积。

5.一种耳机均衡系统，其特征在于，包括：处理器、存储器、控制设备、显示器、信号输入端和信号输出端；

处理器，利用每个音量下的通用等响曲线校正同一音量下的响度增益曲线，获得校正后的响度增益曲线；具体为：当响度增益曲线上的增益点超过阈值时，采用平移后的通用等响曲线中的声压级数值取代增益点数值，获得校正后的响度增益曲线；

对每个音量下经过校正后的响度增益曲线，使用能保持原数据单调性和形态的插值方法进行插值，形成增益连续的幅度响应曲线，利用幅度响应曲线生成耳机均衡曲线，对音频信号进行响度补偿；

存储器，用于存储系统设定或用户自定义的待测音量数组、各音量下的通用等响曲线、猝发音参考信号和猝发音测试信号、待处理的音频和测试生成的各音量下的响度增益曲线、幅度响应曲线、耳机均衡曲线以及响度补偿后的音频；

所述各音量下的响度增益曲线的测试生成步骤包括：

设定若干个不同音量下的通用等响曲线、猝发音参考信号和猝发音测试信号，猝发音参考信号的音量随系统音量线性变化；播放每个选定音量下的猝发音参考信号和猝发音测试信号，调整每个猝发音测试信号增益，使其响度与猝发音参考信号相同，获得每个音量下的响度增益曲线；

控制设备，用于控制系统音量并播放猝发音参考信号和猝发音测试信号，调整猝发音测试信号增益；所述猝发音参考信号和猝发音测试信号为选定一组人耳听觉滤波器的不同频率的脉冲响应；

显示器，用于显示当前测试音量、所使用的猝发音参考信号和测试信号中心频率、每个音量下的通用等响曲线、响度增益曲线、幅度响应曲线和耳机均衡曲线；

信号输入端，用于从外部设备输入音频信号；

信号输出端，用于输出系统播放的猝发音参考信号、猝发音测试信号和响度补偿后的音频给耳机。