CN111988726A - 一种立体声合成单声道的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立体声合成单声道的方法和系统，所述立体声合成单声道的方法包括：分别从左声道信号和右声道信号中提取具有空间感的第一信号、第二信号；对第一信号和第二信号分别进行去相关处理；将去相关处理后的第一信号、第二信号进行混合，得到单声道输出信号。本发明所提供的立体声合成单声道的方法和系统，很大程度的保留源节目信号的空间感，让声音听起来富有层次感及更宽阔声场。

Description

一种立体声合成单声道的方法和系统

技术领域

本发明涉及声音处理技术领域，尤其涉及的是一种立体声合成单声道的方法。

背景技术

音箱指可将音频信号变换为声音的一种设备。通俗的讲就是指音响主机箱体或低音炮箱体内自带功率放大器，对音频信号进行放大处理后由音响本身回放出声音，使其声音变大。音箱是整个音响系统的终端，其作用是把音频电能转换成相应的声能，并把它辐射到空间去。它是音响系统极其重要的组成部分，担负着把电信号转变成声信号供人的耳朵直接聆听的任务。

频率响应是指将一个以恒电压输出的音频信号与系统相连接时，音箱产生的声压随频率的变化而发生增大或衰减、相位随频率而发生变化的现象，这种声压和相位与频率的相关联的变化关系称为频率响应。也是指在振幅允许的范围内音响系统能够重放的频率范围，以及在此范围内信号的变化量称为频率响应，也叫频率特性。在额定的频率范围内，输出电压幅度的最大值与最小值之比，以分贝数(dB)来表示其不均匀度。根据频率响应可以比较直观地评价系统复现信号的能力和过滤噪声的特性。

单声道音箱是指把来自不同方位的音频响应混合后进行播放。在单声道音箱中只能感受到声音、音乐的前后位置及音色、音量的大小，而不能感受到声音从左到右等横向的移动。

现有技术中的单声道音箱，只是将立体声左右声道相加变成单个声道合成，其立体声空间感部分被反相抵消，导致生成的单声道信号损失了绝大部分的空间感。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供了一种立体声合成单声道的方法，从左声道信号和右声道信号中提取出包含空间感的信号，进行去相关处理以避免出现相位抵消，然后混入信号，从而很大程度的保留源节目信号的空间感，让声音听起来富有层次感及更宽阔声场。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种立体声合成单声道的方法，包括如下步骤：

分别从左声道信号和右声道信号中提取具有空间感的第一信号、第二信号；

对第一信号和第二信号分别进行去相关处理；

将去相关处理后的第一信号、第二信号进行混合，得到单声道输出信号。

优选地，所述分别从左声道信号、右声道信号中提取出具有空间感的第一信号、第二信号具体包括如下步骤：

将左声道信号和右声道信号经过分析窗加权处理；

将经过分析窗加权处理后的左声道信号和右声道信号，通过傅立叶变换分别将左声道信号和右声道信号由时域信号转换为频域信号，得到具有空间感的第一信号、第二信号。

优选地，所述将左声道信号和右声道信号经过分析窗加权处理的步骤包括：

通过以下窗函数对左声道信号的时域信号和右声道信号的时域信号进行截取，得到左声道加窗后的时域信号和右声道加窗后的时域信号；

xLW(n)＝xL(n)·w(n)；

xRW(n)＝xR(n)·w(n)；

其中：w(n)为窗函数，N为窗长；xL(n)为左声道的时域信号，xR(n)为右声道的时域信号，xLW(n)为左声道加窗后的时域信号，xRW(n)为右声道加窗后的时域信号。

优选地，所述对第一信号和第二信号分别进行去相关处理具体包括如下步骤：

在第一频率子带中根据第一冲击响应对第一信号进行滤波产生第一子带信号，所述第一子带信号表示具有与频率有关的相位改变的、第一频率子带中的第一信号；

在第二频率子带中根据第二冲击响应对第二信号进行滤波产生第二子带信号，所述第二子带信号表示具有与频率有关的延迟的、第二频率子带中的第二信号。

优选地，所述单声道输出信号表示所述第一子带信号和所述第二子带信号的组合，并所述单声道输出信号具有与第一信号、第二信号的数学相关的度量，所述与第一信号、第二信号的数学相关的度量随着频率改变。

优选地，所述第二冲击响应包括有限长度正弦序列。

优选地，所述第一冲击响应表示带状相位翻转滤波器；

所述第二冲击响应表示与频率有关的延迟。

优选地，所述带状相位翻转滤波器在相邻相位翻转之间的间隔是频率的对数函数。

优选地，所述低通滤波器和高通滤波器皆各具有在1kHz到5kHz范围内的截止频率。

优选地，所述将去相关处理后的第一信号、第二信号进行混合，得到单声道输出信号之后还包括：

将单声道输出信号输出到DSP处理器处理后，发送至扬声器播放出来。

一种立体声合成单声道的系统，其包括：

信号提取模块：用于分别从左声道信号和右声道信号中提取具有空间感的第一信号、第二信号；

去相关处理模块：用于对第一信号和第二信号分别进行去相关处理；

混合模块：用于将去相关处理后的第一信号、第二信号进行混合，得到单声道输出信号。

与现有技术相比，本申请实施例主要有以下有益效果：

该立体声合成单声道的方法从左声道信号和右声道信号中提取出包含空间感的信号，进行去相关处理以避免出现相位抵消，将经过去相关处理后的信号进行混合，从而很大程度的保留源节目信号的空间感，让声音听起来富有层次感及更宽阔声场。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，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是本发明中的立体声合成单声道的方法较佳实施例的流程示意图。

图2是本发明中的立体声合成单声道的方法较佳实施例的信号处理结构示意图。

图3是本发明中的立体声合成单声道的方法较佳实施例的第一具体流程示意图。

图4是本发明中的立体声合成单声道的方法较佳实施例的第二具体流程示意图。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

如图1和图2所示，本发明较佳实施例提供的一种立体声合成单声道的方法，包括如下步骤：

S100、分别从左声道信号和右声道信号中提取具有空间感的第一信号、第二信号；

S200、对第一信号和第二信号分别进行去相关处理；

S300、将去相关处理后的第一信号、第二信号进行混合，得到单声道输出信号。

目前大多数的音源仍然是立体声的，包括CD、MP3、广播信号等都是双通道输出，仅有左右通道(L、R)，所有的特征信息，比如直达声信号、混响声信号、声源位置、声场空间大小等都包含在两个通道内。当采用一个扬声器重放立体声音源时，需要将左右通道的信号合成到一个通道中，其合成方法通常是左右声道相加变成单个声道合成，这样导致其立体声空间感部分被反相抵消，导致生成的单声道信号损失了绝大部分的空间感。

在音频领域里面实现空间感声像和动态范围：

比如在一个单声道内包含动态范围。动态范围是由信号的强弱可以解读它的远近信息。在不考虑时间维度的情况下，动态范围恒定，即音频信号时时为定值，此时闭上眼睛去感受单声道信号，会认为越弱的声音越远，而越强的声音越近。

由单声道变化到立体声，比如从一个单声道1kHz恒定的正弦波信号，复制一份，一份放到左侧，一份放到右侧，组成声音的成分现在是两个信号，虽然此时的声源是由两个通道组成，并且被放置在声场两侧，但听起来还是单声道。这是因为它们不具有相位差，或者说两侧信号的相关性为1，两侧信号毫无差异。而当它们存在相位差异时，合成信号就具有明确的立体感了。这说明声像这个维度是不够充分的，严格来说，有效的声像信息应该是指“由至少两个处于声场不同位置的信号组成的立体声信号，且左右声道存在差异，相关性既不为1亦不为0”。

由于人声往往在声场的中央，在左右声道差异较小，因此，本发明实施例将音频信号由时域转换到频域进行处理。

如图3所示，本发明进一步较佳实施例中，所述S100、分别从左声道信号、右声道信号中提取出具有空间感的第一信号、第二信号具体包括如下步骤：

S101、将左声道信号和右声道信号经过分析窗加权处理；

S102、将经过分析窗加权处理后的左声道信号和右声道信号，通过傅立叶变换分别由时域信号转换为频域信号，得到具有空间感的第一信号、第二信号。

为了对音频信号进行频域处理，一般采用截取函数对信号进行截断，分帧处理。截取函数称为窗函数，简称为窗。左右声道的信号分别经过分析窗加权，分析窗一般采用正弦窗，设置50％的叠加，叠加目的是使处理后信号的帧与帧之间能够平滑连接。假设xL(n)表示左声道时域信号、xR(n)表示右声道时域信号，xLW(n)表示左声道加窗后的时域信号、xRW(n)表示右声道加窗后的时域信号，w(n)表示窗函数，窗长为N，则：

xLW(n)＝xL(n)·w(n)，xRW(n)＝xR(n)·w(n)

其中：n＝0，…，N-1。

针对加窗后的时域信号，通过傅立叶变换FFT分别将左声道时域信号xLW(n)和右声道时域信号xRW(n)从时域转换到频域。

如图4所示，本发明进一步较佳实施例中，所述S200、对第一信号和第二信号分别进行去相关处理具体包括如下步骤：

S201、在第一频率子带中根据第一冲击响应对第一信号进行滤波产生第一子带信号，所述第一子带信号表示具有与频率有关的相位改变的、第一频率子带中的第一信号；

S202、在第二频率子带中根据第二冲击响应对第二信号进行滤波产生第二子带信号，所述第二子带信号表示具有与频率有关的延迟的、第二频率子带中的第二信号。

许多常规的上混设备使用一个或更多个矩阵结构从数量为N的输入音频信号导出数量为M的输出音频信号，其中N小于M。一些设备使用有源或变量矩阵结构，所述有源或变量矩阵结构响应于从输入音频信号导出的控制信号而被适应性调整。在使用去相关时，有源矩阵结构有时被分为两个级。第一级从N个输入音频信号导出2M个中间信号，第二级从2M个中间信号导出M个输出音频信号。去相关技术被施加到2M个中间信号中的一半。第二级通过将响应于所述控制信号而被适应性调整的大量的去相关的和未去相关的信号进行混合，产生具有变化的相关度的输出音频信号。

去相关处理可在没有将频域表示的系数转换到另一频域或时域表示的情况下被执行。该频域表示可以是应用完美重构、临界采样的滤波器组的结果。该去相关处理可包含通过对于该频域表示的至少一部分应用线性滤波器来生成混响信号或去相关信号。该频域表示可以是将修正离散正弦变换、修正离散余弦变换、或者重叠正交变换应用于时域中的音频数据的结果。

去相关处理可包含特定通道的选择性或信号自适应的去相关。作为替代的或者附加地，该去相关处理可包含特定频带的选择性或信号自适应的去相关。该去相关处理可包含将去相关滤波器应用于该接收的音频数据的一部分以产生经滤波的音频数据。该去相关处理可包含使用非分层混合器以根据空间参数将所接收的音频数据的直接部分与经滤波的音频数据进行组合。

去相关信息可随音频数据被接收或者被以另外方式接收。去相关处理可包含根据所接收的去相关信息将音频数据中的至少一些进行去相关。所接收的去相关信息可包括单独离散通道与耦合通道之间的相关系数、单独离散通道之间的相关系数、显式音调信息和/或瞬态信息。

该去相关处理可包含根据所确定的去相关信息将音频数据中的至少一些进行去相关。该去相关处理可包含根据所接收的去相关信息或所确定的去相关信息中的至少一个将音频数据中的至少一些进行去相关。

去相关滤波器包括固定延迟，其后是时间变化部分。在音频数据220在频域中的一些实施例中，作为替代，频段可被分组并且相同滤波器可被应用于每一组。例如，频段可被分组为频带，可按通道分组和/或可按频带和通道分组。固定延迟的量可例如由逻辑设备和/或根据用户输入被选择。为了在去相关信号中引入受控的混乱，去相关滤波器控制可应用去相关滤波器参数以控制全通滤波器的极点，从而极点中的一个或多个极点在受约束的区域中随机或伪随机地移动。

本发明进一步较佳实施例中，所述单声道输出信号表示所述第一子带信号和所述第二子带信号的组合，并所述单声道输出信号具有与第一信号、第二信号的数学相关的度量，所述与第一信号、第二信号的数学相关的度量随着频率改变。

本发明进一步较佳实施例中，所述第二冲击响应包括有限长度正弦序列。

本发明进一步较佳实施例中，所述第一冲击响应表示带状相位翻转滤波器；

所述第二冲击响应表示与频率有关的延迟。

在相位翻转滤波器的优选实施方式中，相邻的相位翻转之间的间隔是频率的对数函数。该滤波器可被实现为有限冲击响应(FIR)滤波器，其冲击响应通过以下获得:创建复值的频率响应，该复值的频率响应具有等于零的实部和等于第一步骤中产生的函数的虚部；对所述复值的频率响应施加逆傅立叶变换以产生冲击响应。优选地，该相位翻转滤波器由快速卷积实现。

所述低通滤波器和高通滤波器的截止频率应被选择为使得在这两个滤波器的通带之间没有间隙，并且使得通带重叠的交叉频率附近的区域中的其组合输出的谱能量基本上等于该区域中的输入中间信号的谱能量。延迟施加的延迟量应被设定为使得较高频和较低频信号处理路径的传播延迟在该交叉频率处近似相等。

低通滤波器和高通滤波器中的一个或两个可分别位于带状相位翻转滤波器和与频率有关的延迟之前。延迟可根据需要通过一个或更多个置于信号处理路径中的延迟部件来实现。

带状相位翻转滤波器的理想实施方式在滤波器的通带内具有单位一的幅值响应和在两个或更多个频带的边缘处在正90度和负90度之间交替或翻转的相位响应。所述带状相位翻转滤波器可被看作Hilbert变换的延伸。

由于Hilbert变换的冲击响应是奇对称的响应，因此，该变换的频率响应是纯粹为虚部的频率的复函数。当Hilbert变换被施加到信号时，它对正频率赋予负90度相移，并且对负频率赋予正90度相移。虽然相位翻转滤波器可以由Hilbert变换实现，但是这种实施方式可能会不令人满意，因为其去相关的输出信号听起来不相对于作为该变换的输入的音频信号可分开或有区别。

当由稀疏Hilbert变换实现时，相位翻转滤波器提供的去相关的信号大体上听起来未畸变、具有足以确保其听起来相对于输入信号可分开或有区别的去相关量、并且能够与输入信号混合而不产生可听到的伪信号。然而，在实际当中稀疏Hilbert变换的冲击响应必须被截断，被截断的响应的长度可被选择，以通过在频率响应的瞬变性能和平滑度之间进行权衡而优化去相关性能。

相位翻转的数量由S参数的值来控制。该参数应该被选择以在去相关程度和冲击响应长度之间进行权衡。在S参数值增大时，需要较长的冲击响应。如果S参数值太小，则滤波器提供不充足的去相关。如果S参数太大，则滤波器将在足够长的时间间隔中使瞬变声音拖尾，以如上讨论的那样在去相关的信号中创建令人反感的伪噪声。

本发明进一步较佳实施例中，所述带状相位翻转滤波器在相邻相位翻转之间的间隔是频率的对数函数。

本发明进一步较佳实施例中，所述低通滤波器和高通滤波器皆各具有在1kHz到5kHz范围内的截止频率。

与频率有关的延迟对于高于大约2.5kHz的频率提供音频信号的好的去相关性能。能够以多种方式对与频率有关的延迟施加频率限制，所述多种方式包括使用施加到其输出的高通滤波器、施加到其输入的高通滤波器、或者将希望的高通特性并入到与频率有关的延迟自身的变型设计。

本发明进一步较佳实施例中，所述将去相关处理后的第一信号、第二信号进行混合，得到单声道输出信号之后还包括：

将单声道输出信号输出到DSP处理器处理后，发送至扬声器播放出来。

本发明还提供了一种立体声合成单声道的系统，其包括：

信号提取模块：用于分别从左声道信号和右声道信号中提取具有空间感的第一信号、第二信号；

去相关处理模块：用于对第一信号和第二信号分别进行去相关处理；

混合模块：用于将去相关处理后的第一信号、第二信号进行混合，得到单声道输出信号。

所述信号提取模块包括：分析窗加权处理子模块和傅立叶变换子模块；

所述分析窗加权处理子模块用于将左声道信号和右声道信号分析窗加权处理；

所述傅立叶变换子模块用于通过傅立叶变换分别将左声道信号和右声道信号由时域信号转换为频域信号。

所述去相关处理模块包括：第一滤波子模块和第二滤波子模块；

所述第一滤波子模块用于将第一频率子带进行滤波产生第一子带信号，所述第一子带信号表示具有与频率有关的相位改变的、第一频率子带中的第一信号；

所述第二滤波子模块用于将第一频率子带进行滤波产生第二子带信号，所述第二子带信号表示具有与频率有关的延迟的、第二频率子带中的第二信号。

本申请其他实施系统中，所述立体声合成单声道的系统还包括DSP处理模块，对接收到的单声道输出信号进行处理后，发送至扬声器播放出来。

经过上述系统，即可得到空间感强，声场更宽阔、层次更分明的声音。

综上所述，本发明所提供的立体声合成单声道的方法，从左声道信号和右声道信号中提取出包含空间感的信号，进行去相关处理以保证不出现相位抵消，然后混入信号，从而很大程度的保留源节目信号的空间感，让声音听起来富有层次感及更宽阔声场。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式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效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种立体声合成单声道的方法，其特征在于，包括如下步骤：

分别从左声道信号和右声道信号中提取具有空间感的第一信号、第二信号；

对第一信号和第二信号分别进行去相关处理；

将去相关处理后的第一信号、第二信号进行混合，得到单声道输出信号。

2.根据权利要求1所述的立体声合成单声道的方法，其特征在于，所述分别从左声道信号、右声道信号中提取出具有空间感的第一信号、第二信号具体包括如下步骤：

将左声道信号和右声道信号经过分析窗加权处理；

将经过分析窗加权处理后的左声道信号和右声道信号，通过傅立叶变换分别由时域信号转换为频域信号，得到具有空间感的第一信号、第二信号。

3.根据权利要求2所述的立体声合成单声道的方法，其特征在于，所述将左声道信号和右声道信号经过分析窗加权处理的步骤包括：

通过以下窗函数对左声道信号的时域信号和右声道信号的时域信号进行截取，得到左声道加窗后的时域信号和右声道加窗后的时域信号；

xLW(n)＝xL(n)·w(n)；

xRW(n)＝xR(n)·w(n)；

其中：w(n)为窗函数，N为窗长；xL(n)为左声道的时域信号，xR(n)为右声道的时域信号，xLW(n)为左声道加窗后的时域信号，xRW(n)为右声道加窗后的时域信号。

4.根据权利要求2所述的立体声合成单声道的方法，其特征在于，所述对第一信号和第二信号分别进行去相关处理具体包括如下步骤：

在第一频率子带中根据第一冲击响应对第一信号进行滤波产生第一子带信号，所述第一子带信号表示具有与频率有关的相位改变的、第一频率子带中的第一信号；

在第二频率子带中根据第二冲击响应对第二信号进行滤波产生第二子带信号，所述第二子带信号表示具有与频率有关的延迟的、第二频率子带中的第二信号。

5.根据权利要求4所述的立体声合成单声道的方法，其特征在于，所述单声道输出信号表示所述第一子带信号和所述第二子带信号的组合，并所述单声道输出信号具有与第一信号、第二信号的数学相关的度量，所述与第一信号、第二信号的数学相关的度量随着频率改变。

6.根据权利要求4所述的立体声合成单声道的方法，其特征在于，所述第二冲击响应包括有限长度正弦序列；

所述第一冲击响应表示带状相位翻转滤波器；

所述第二冲击响应表示与频率有关的延迟。

7.根据权利要求6所述的立体声合成单声道的方法，其特征在于，所述带状相位翻转滤波器在相邻相位翻转之间的间隔是频率的对数函数。

8.根据权利要求6所述的立体声合成单声道的方法，其特征在于，所述低通滤波器和高通滤波器皆各具有在1kHz到5kHz范围内的截止频率。

9.根据权利要求1所述的立体声合成单声道的方法，其特征在于，所述将去相关处理后的第一信号、第二信号进行混合，得到单声道输出信号之后还包括：

将单声道输出信号输出到DSP处理器处理后，发送至扬声器播放出来。

10.一种立体声合成单声道的系统，其特征在于，包括：

信号提取模块：用于分别从左声道信号和右声道信号中提取具有空间感的第一信号、第二信号；

去相关处理模块：用于对第一信号和第二信号分别进行去相关处理；

混合模块：用于将去相关处理后的第一信号、第二信号进行混合，得到单声道输出信号。

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