CN111091801A - 一种对于乐器的协同信号处理的方法及装置 - Google Patents

一种对于乐器的协同信号处理的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种对于乐器的协同信号处理的方法及装置，步骤为，S1、第一拾音装置与第二拾音装置分别收集乐器的音频信号，通过第一拾音装置的音频信号对第二拾音装置控制，并进行降噪处理；S2、将第一拾音装置的音频信号输入至低频信号分析系统分析处理，将第二拾音装置的音频信号输入至高频信号分析系统分析处理；S3、提取第一拾音装置的低频信号与第二拾音装置的高频信号进行整合，乐器的低频部分采用低频信号，乐器的高频部分采用高频信号，整合成为同时具有低频部分与高频部分的乐器信号；装置包括拾振器、麦克风、降噪模块以及音频信号处理模块。既结合拾振器以及麦克风优势，又兼顾降噪的功能，使得乐器音频信号的更加完整、效果突出。

Description

一种对于乐器的协同信号处理的方法及装置
技术领域
本发明涉及乐器音乐信号处理技术领域，尤其是涉及一种对于乐器的协同信号处理的方法及装置。
背景技术
目前，在乐器的音频信号拾取以及处理行业中，大多采用拾振器或者麦克风进行音频信号的拾取；专利申请号为CN201210516769.X，发明名称为“单声道多音音乐信号的自动转录方法及装置”的中国专利披露了一种单独用麦克风采集音乐信号的技术和处理方法，主要解决多音音乐信号转录或乐谱准确率不高的问题；专利申请号为201910134812.8，发明名称为“一种乐器辅助智能教学系统及其教学方法”的中国专利，披露了一种单独用拾振器采集音乐信号的技术和处理方法，主要解决在使用乐器时无法对弹奏力度进行检测的问题。
在实际的运用场景中，由麦克风单独拾音会受到较多的干扰，例如环境噪音、其他乐器声音等，这些噪音影响对目标乐器拾音，另外麦克风对高频响应较好但是对低频响应较差，会对乐器拾音低频部分造成影响；而拾振器对高频响应较差而对低频响应较好，其只拾取固体震动信号并且具有降噪特性；而目前还没有将两者优点结合使用的方式。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种对于乐器的协同信号处理的方法及装置，通过对拾振器信号的判断来实现麦克风信号的接收，且同时具有拾振器拾取低频部分与麦克风拾取高频部分的优点，还能兼顾降噪功能。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种对于乐器的协同信号处理的方法，该处理方法的步骤为，
S1、通过第一拾音装置与第二拾音装置分别收集乐器的音频信号，并进行降噪处理，所述的第一拾音装置对低频信号有良好的响应，所述的第二拾音装置对高频信号有良好的响应；
S2、将第一拾音装置收集的音频信号输入至低频信号分析系统进行分析处理区分高频信号识别结果与低频信号识别结果，将第二拾音装置收集的音频信号输入至高频信号分析系统进行分析处理区分低频信号识别结果与高频信号识别结果；
S3、提取低频信号分析系统内的低频信号识别结果，提取高频信号分析系统内的高频信号识别结果，将两者进行整合，乐器的低频部分采用低频信号识别结果，乐器的高频部分采用高频信号识别结果，整合成为同时具有低频部分与高频部分的乐器信号。
进一步具体的，在步骤S1中收集音频信号的方法为，
S11、通过多次试验乐器正常弹奏振动的音频信号获取音频信号强度阈值；
S12、第一拾音装置开始收集乐器的实时音频信号，并判断实时音频信号强度是否超过音频信号强度阈值，若否，则将第一拾音装置收集的实时音频信号丢弃，若是，则进入步骤S13；
S13、第二拾音装置开始收集音频信号，并进行降噪处理。
进一步具体的，在步骤S11中试验的方式为，收集乐器由不振动时刻至振动时刻的音频信号，获取该段时间内平均音频信号强度，通过多次试验获取多个平均音频信号强度，从中选取最小值为音频信号强度阈值。
进一步具体的，在步骤S13中降噪处理的方法为，根据第一拾音装置的音频信号主动对第二拾音装置的音频信号进行降噪处理，得到消除噪音后的第二拾音装置的音频信号；其中第一拾音装置获取的音频信号为乐器的固体振动信号转化而来。
进一步具体的，在步骤S2中对于第一拾音装置收集的音频信号以及第二拾音装置收集的音频信号分析处理的方法为，
S21、对收集的音频信号进行信息切分，按照相同的时间长度将音频信号切分为若干个音频片段；
S22、对每个音频片段提取频谱特征，通过短时傅里叶变换、常数Q变换以及梅尔倒谱提取频谱特征；
S23、对切分信息进行整合，根据音高提取方法，从上述频谱特征中提取频谱维度的音高、力度以及起止时间的音符序列，并累计音符序列形成集合；第一拾音装置的音频信号形成第一拾音集合，第二拾音装置的音频信号形成第二拾音集合；
S24、计算音频信号的中间频率阈值，根据获取的音频信号中固定的音符序列，得到音高所对应的基频，从获取的音频信号的音高从低至高或者从高至低依次选取若干中间频率，通过单个中间频率计算音频信号并与基频进行对比后形成若干准确率数据，选取对应准确率最高的中间频率为中间频率阈值；
S25、在第一拾音集合内以中间频率阈值为界限区分的高频信号识别结果与低频信号识别结果，在第二拾音集合内以中间频率阈值为界限区分的低频信号识别结果与高频信号识别结果。
进一步具体的，在步骤S24中中间频率准确率的计算方式为，以选取的中间频率为界，音频信号中小于或等于该中间频率的音频信号通过第一拾音装置获得，音频信号中大于该中间频率的音频信号通过第二拾音装置获得，并将低频信号以及高频信号与基频进行对比得到其准确率。
一种对于乐器的协同信号处理装置，包括
拾振器，设置于乐器上用于获取乐器振动发出的振动信号并转化为音频信号输出；
麦克风，设置于乐器旁用于获取乐器振动后通过空气传播的振动信号并转化为音频信号输出；
降噪模块，连接拾振器与麦克风用于接收拾振器与麦克风的音频信号并通过拾振器的音频信号过滤麦克风的音频信号的噪音；
协同信号处理模块，连接拾振器与麦克风用于根据拾振器的音频信号判断是否开启麦克风；
音频信号处理模块，分为拾振器信号处理分析系统、麦克风信号处理分析系统以及整合系统；
所述的拾振器信号处理分析系统用于处理拾振器输出的音频信号并区分高频信号识别结果与低频信号识别结果，所述的麦克风信号处理分析系统用于处理麦克风输出的音频信号并区分低频信号识别结果与高频信号识别结果，整合系统提取拾振器信号处理分析系统的低频信号识别结果以及麦克风信号分析系统的高频信号识别结果整合后输出乐器信号。
进一步具体的，所述的拾振器与降噪模块之间、麦克风与降噪模块之间为有线连接或者无线连接。
进一步具体的，所述的无线连接包括蓝牙连接、红外线连接、无线网络连接。
进一步具体的，所述的拾振器贴于乐器的表面或者内壁。
本发明的有益效果是：相比单拾振器和单麦克风的方案，该方案的优点，同时获取拾振器和麦克风两路信号，由于拾振器和麦克风在对低频和高频部分信号获取方面各有优势，分别取其优势部分整合并获取整合后的结果，既可以结合拾振器对于低频信号的优势以及麦克风对于高频信号的优势，又可以兼顾降噪的功能，使得乐器音频信号的更加完整、效果突出。
附图说明
图1是本发明协同处理方法的流程示意图；
图2是本发明音频信号处理分析方法的流程示意图；
图3是本发明协同信号处理装置的结构示意图。
图中：1、拾振器；2、麦克风；3、降噪模块；4、音频信号处理模块；5、协同信号处理模块；41、拾振器信号处理分析系统；42、麦克风信号处理分析系统；43、整合系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示一种对于乐器的协同信号处理的方法，该处理方法的步骤为，
S1、通过第一拾音装置与第二拾音装置分别收集乐器的音频信号，并进行降噪处理，第一拾音装置在本案中采用拾振器，拾振器对乐器的低频信号具有良好的响应能够很好的进行还原，第二拾音装置在本案中采用麦克风，麦克风对乐器的高频信号具有良好的响应能够很好的进行还原，在此步骤中，拾振器与麦克风均收集乐器的低频以及高频信号，其中由于麦克风收集的音频信号会受到环境噪音以及其他噪音的影响，故需要对麦克风收集的音频信号进行降噪处理。
上述步骤S1中收集音频信号的方法为，
S11、通过多次试验乐器正常弹奏振动的音频信号获取音频信号强度阈值Z，首先收集乐器由不振动时刻T0至开始振动时刻T1剧烈变化的音频信号的平均信号强度，多次试验收集若干个平均信号强度数值，将若干个平均信号强度数值进行对比，从中选取最小值为音频信号强度阈值Z。在本方案中选用音频信号强度来确定是否开始麦克风收音工作，也可以通过其他方式进行判断，例如采用音频信号的强度变化跃迁，选取单位时间t，在该单位时间t内检测信号强度的变化并获得信号强度变化值，通过多次试验得到多个信号强度变化值，从中选取最小值为音频强度变化阈值Z1。
S12、拾振器开始收集乐器的实时音频信号，并判断实时音频信号强度是否超过音频信号强度阈值Z或者音频强度变化阈值Z1，若否，则将拾振器收集的实时音频信号丢弃，若是，则进入步骤S13。
S13、激活麦克风使得麦克风开始收集音频信号，并根据拾振器获取的乐器固体振动信号转化的音频信号主动对麦克风的音频信号进行降噪处理，得到消除噪音后的麦克风的音频信号，该种降噪方式使得麦克风获取的信号更接近纯的乐器振动通过空气传播的声音。
采用这种收集音频信号的方式可以避免额外的信号采集和分析，在节省算力的同时更能保证对真实乐器振动的响应。
S2、将拾振器收集的音频信号输入至低频信号分析系统进行分析处理区分高频信号识别结果与低频信号识别结果，将麦克风收集的音频信号输入至高频信号分析系统进行分析处理区分低频信号识别结果与高频信号识别结果，两者之间通过确定一个中间频率阈值进行分割，低频信号分析系统根据中间频率阈值区分出拾振器收集的高频部分与低频部分，高频信号分析系统根据中间频率阈值区分出麦克风收集的高频部分与低频部分。
如图2所示对步骤S2中拾振器收集的音频信号以及麦克风收集的音频信号分析处理的方法为，对两种信号处理的步骤基本一致，如下：
S21、对收集的音频信号进行信息切分，按照相同的时间长度将音频信号切分为若干个音频片段，该步骤从音频信号开始收集即开始进行切分操作，每隔t时间进行一次收集，故该音频片段的时间为t，其目的是能够实时分析获取的音频片段。
S22、对每个音频片段提取频谱特征，通过短时傅里叶变换、常数Q变换以及梅尔倒谱等常用的一些方式提取该音频片段的频谱特征。
S23、对切分信息进行整合，根据音高提取方法，从上述频谱特征中提取频谱维度的音高、力度以及起止时间的音符序列，并累计音符序列形成集合；拾振器的音频信号形成拾振器拾音集合，麦克风的音频信号形成麦克风拾音集合，在拾振器拾音集合以及麦克风拾音集合内均既包含音频的低频部分也包含高频部分，该处整合方便后续提取低频部分或者高频部分。
S24、计算音频信号的中间频率阈值H，此处计算得到的中间频率阈值H同时应用于拾振器与麦克风收集的音频信号处理结果即得到的音符序列集合；其计算方式为，根据获取的音频信号中固定的音符序列，得到音高所对应的基频，从获取的音频信号的音高从低至高或者从高至低依次选取若干中间频率，以选取的中间频率为界，在音频信号中小于或等于该中间频率的音频信号通过拾振器获得作为低频部分，音频信号中大于该中间频率的音频信号通过麦克风获得作为高频部分，并将低频部分以及高频部分与基频进行对比得到若干准确率，选取对应准确率最高的中间频率为中间频率阈值H。
S25、根据中间频率阈值H区分出拾振器收集的高频信号识别结果与低频信号识别结果，根据中间频率阈值H区分出麦克风收集的高频信号识别结果与低频信号识别结果。
S3、提取拾振器拾音集合内的低频信号识别结果，提取麦克风拾音集合内的高频信号识别结果，将两者进行整合，乐器的低频部分采用提取的低频信号识别结果，乐器的高频部分采用提取的高频信号识别结果，整合成为同时具有低频部分与高频部分的乐器信号。
基于上述对于乐器的协同信号处理方法而设计一协同信号处理装置，如图3所示该装置包括拾振器1、麦克风2、降噪模块3、协同信号处理模块5以及音频信号处理模块4。
拾振器1，设置于乐器上用于获取乐器振动发出的振动信号并转化为音频信号输出，拾振器1贴于乐器的表面或者内壁上，其最佳位置可以通过对拾振器1收集音频信号多次试验并进行对比后，选择效果最好的位置进行安装。
麦克风2，设置于乐器旁用于获取乐器振动后通过空气传播的振动信号并转化为音频信号输出，麦克风2设置的距离也可以通过多次试验对比分析获得其放置的最佳位置。
降噪模块3，连接拾振器1与麦克风2用于接收拾振器1与麦克风2的音频信号并过滤噪音，该降噪模块3可以集成于麦克风内，也可以以模组形式单独接在麦克风2与拾振器1后，也可以集成于音频信号处理模块4内。
协同信号处理模块5，连接拾振器1与麦克风2用于根据拾振器1的音频信号判断是否开启麦克风2，通过设置一个音频信号强度阈值Z来实现对麦克风2的开启，若超过该阈值Z则开启麦克风2收音，若为超过该阈值Z则将拾振器1已经收集的音频信号丢弃。
音频信号处理模块4，分为拾振器信号处理分析系统41、麦克风信号处理分析系统42以及整合系统43，拾振器信号处理分析系统41与麦克风信号处理分析系统42因其在处理音频信号时分析方法一致，故可以采用同一系统进行处理，但是其处理速度相对较慢，在本案中可以设置两个相同的处理分析系统分别对应拾振器1以及麦克风2的音频信号处理。
整合系统43提取拾振器拾音集合内的低频信号识别结果作为低频部分以及麦克风拾音集合内的高频信号识别结果最为高频部分整合后输出乐器信号。
上述各个部件之间的连接关系，拾振器1与协同信号处理模块5之间、麦克风2与协同信号处理模块5之间、协同信号处理模块5与降噪模块3之间为有线连接或者无线连接，而无线连接可以包括蓝牙连接、红外线连接、无线网络连接，热点、WiFi、局域网、4G、5G等连接方式均可；而降噪模块3与音频信号处理模块4之间也可以通过无线连接，在本案中采用有线连接的方式进行；上述的协同信号处理模块5、降噪模块3、拾振器信号处理分析系统41、麦克风信号处理分析系统42以及整合系统43可以根据需要单独设置相应模块进行安装，也可以选择多个进行集成后安装，具体根据实际需求进行确定，在形成相应的模块或集成后可以设置于本地服务器内或者移动终端内进行工作。
综上，通过上述方法以及装置，可以实现以下优点：
1.能够同时获取拾振器1和麦克风2两路信号，可以使用拾振器1信号的强度对整个系统的运行做控制(只有在超过强度后接收麦克风2信号)，采用此种方式可以避免额外的信号采集和分析，节省算力的同时更能保证对真实乐器振动的响应。
2.能够使用拾振器1信号对麦克风2信号做主动降噪，使麦克风2获取的信号经过滤波更接近纯的当前乐器振动通过空气传播的声音。
3.因为拾振器1和麦克风2在对低频和高频部分信号获取方面各有优势，所以在使用其识别结果的时候也可以根据其各自的优势，获取整合后的结果。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种对于乐器的协同信号处理的方法，其特征在于，该处理方法的步骤为，
S1、通过第一拾音装置与第二拾音装置分别收集乐器的音频信号，并进行降噪处理，所述的第一拾音装置对低频信号有良好的响应，所述的第二拾音装置对高频信号有良好的响应；
S2、将第一拾音装置收集的音频信号输入至低频信号分析系统进行分析处理区分高频信号识别结果与低频信号识别结果，将第二拾音装置收集的音频信号输入至高频信号分析系统进行分析处理区分低频信号识别结果与高频信号识别结果；
S3、提取低频信号分析系统内的低频信号识别结果，提取高频信号分析系统内的高频信号识别结果，将两者进行整合，乐器的低频部分采用低频信号识别结果，乐器的高频部分采用高频信号识别结果，整合成为同时具有低频部分与高频部分的乐器信号。
2.根据权利要求1所述的对于乐器的协同信号处理的方法，其特征在于，在步骤S1中收集音频信号的方法为，
S11、通过多次试验乐器正常弹奏振动的音频信号获取音频信号强度阈值；
S12、第一拾音装置开始收集乐器的实时音频信号，并判断实时音频信号强度是否超过音频信号强度阈值，若否，则将第一拾音装置收集的实时音频信号丢弃，若是，则进入步骤S13；
S13、第二拾音装置开始收集音频信号，并进行降噪处理。
3.根据权利要求2所述的对于乐器的协同信号处理的方法，其特征在于，在步骤S11中试验的方式为，收集乐器由不振动时刻至振动时刻的音频信号，获取该段时间内平均音频信号强度，通过多次试验获取多个平均音频信号强度，从中选取最小值为音频信号强度阈值。
4.根据权利要求2所述的对于乐器的协同信号处理的方法，其特征在于，在步骤S13中降噪处理的方法为，根据第一拾音装置的音频信号主动对第二拾音装置的音频信号进行降噪处理，得到消除噪音后的第二拾音装置的音频信号；其中第一拾音装置获取的音频信号为乐器的固体振动信号转化而来。
5.根据权利要求1所述的对于乐器的协同信号处理的方法，其特征在于，在步骤S2中对于第一拾音装置收集的音频信号以及第二拾音装置收集的音频信号分析处理的方法为，
S21、对收集的音频信号进行信息切分，按照相同的时间长度将音频信号切分为若干个音频片段；
S22、对每个音频片段提取频谱特征，通过短时傅里叶变换、常数Q变换以及梅尔倒谱提取频谱特征；
S23、对切分信息进行整合，根据音高提取方法，从上述频谱特征中提取频谱维度的音高、力度以及起止时间的音符序列，并累计音符序列形成集合；第一拾音装置的音频信号形成第一拾音集合，第二拾音装置的音频信号形成第二拾音集合；
S24、计算音频信号的中间频率阈值，根据获取的音频信号中固定的音符序列，得到音高所对应的基频，从获取的音频信号的音高从低至高或者从高至低依次选取若干中间频率，通过单个中间频率计算音频信号并与基频进行对比后形成若干准确率数据，选取对应准确率最高的中间频率为中间频率阈值；
S25、在第一拾音集合内以中间频率阈值为界限区分的高频信号识别结果与低频信号识别结果，在第二拾音集合内以中间频率阈值为界限区分的低频信号识别结果与高频信号识别结果。
6.根据权利要求5所述的对于乐器的协同信号处理的方法，其特征在于，在步骤S24中中间频率准确率的计算方式为，以选取的中间频率为界，音频信号中小于或等于该中间频率的音频信号通过第一拾音装置获得，音频信号中大于该中间频率的音频信号通过第二拾音装置获得，并将低频信号以及高频信号与基频进行对比得到其准确率。
7.一种对于乐器的协同信号处理装置，其特征在于，包括
拾振器，设置于乐器上用于获取乐器振动发出的振动信号并转化为音频信号输出；
麦克风，设置于乐器旁用于获取乐器振动后通过空气传播的振动信号并转化为音频信号输出；
降噪模块，连接拾振器与麦克风用于接收拾振器与麦克风的音频信号并通过拾振器的音频信号过滤麦克风的音频信号的噪音；
协同信号处理模块，连接拾振器与麦克风用于根据拾振器的音频信号判断是否开启麦克风；
音频信号处理模块，分为拾振器信号处理分析系统、麦克风信号处理分析系统以及整合系统；
所述的拾振器信号处理分析系统用于处理拾振器输出的音频信号并区分高频信号识别结果与低频信号识别结果，所述的麦克风信号处理分析系统用于处理麦克风输出的音频信号并区分低频信号识别结果与高频信号识别结果，整合系统提取拾振器信号处理分析系统的低频信号识别结果以及麦克风信号分析系统的高频信号识别结果整合后输出乐器信号。
8.根据权利要求7所述的对于乐器的协同信号处理装置，其特征在于，所述的拾振器与降噪模块之间、麦克风与降噪模块之间为有线连接或者无线连接。
9.根据权利要求8所述的对于乐器的协同信号处理装置，其特征在于，所述的无线连接包括蓝牙连接、红外线连接、无线网络连接。
10.根据权利要求7所述的对于乐器的协同信号处理装置，其特征在于，所述的拾振器贴于乐器的表面或者内壁。
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