CN115497438B - 音频录制或播放中快速求解数字音量近似值的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明音频录制或播放中快速求解数字音量近似值的装置和方法,包括音量比较提取模块、音量渐消模块、音量档位粗选模块、音量近似修正模块和音量求和模块,虽然在音量档位粗选模块和音量近似修正模块的处理过程中都会引入计算误差,通过误差的理论计算,证明本发明的误差在各种应用产品中都可被接受,加上本发明求解算法原理结构直观,求解过程快速,具有耗费计算资源少、通用性强的优点,可适用于FPGA、DSP、ARM、PC机等各种平台的开发应用。
Description
技术领域
本发明属于音频技术领域,尤其涉及音频录制或播放中快速求解数字音量近似值的装置和方法。
背景技术
很多音乐录制播放、视频录制播放、远程会议系统都要求能从视觉上获取音频信号的有无、音量大小等相关信息,使用户能更好地进行现场问题排查和控制。对于音频处理分析模块而言,接收的音频数据多为ADC采样得到的二进制数据,数据同音频音量的电压呈线性关系,而音量的大小多以dB值反映到用户界面,从二进制数据转换为dB值理论上必须经过对数运算,这在部分音频数据分析的系统(如FPGA系统)中较难实现或需要耗费更多资源和时间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种音频录制或播放中快速求解数字音量近似值的装置和方法,求解过程快速,耗费计算资源少,虽为近似求解算法,但实际求解的结果输出与理论值相差很小,适用于如音乐录制播放、视频录制播放、远程会议系统等对音量大小指示无严苛精确度要求的各种场合。
本发明音频录制或播放中快速求解数字音量近似值的装置,包括音量比较提取模块、音量渐消模块、音量档位粗选模块、音量近似修正模块和音量求和模块,其中
音量比较提取模块:输入音频ADC输出的与音频电压呈线性关系的音频信号和音量渐消模块的输出结果,计算音频ADC输出的音频信号中音量的最大值,比较音频ADC输出的音频信号中音量的最大值和音量渐消模块的输出数值,取二者中的最大值作为输出数值分别输出给音量渐消模块和音量档位粗选模块;
音量渐消模块:对音量比较提取模块的输出数值减去弥消数值进行音量弥消的迟滞处理,并输出处理结果至音量比较提取模块的输入端;设弥消时间长度为0.3秒至0.5秒,最大音量数值为音频ADC可能输出的最大值,最小音量数值就是0,ADC采样率为系统预置值,通过如下公式(1)计算得到按ADC采样率变化的弥消数值:
音量档位粗选模块:定义最大音量为0dB,对音量比较提取模块的输出数值进行循环左移操作,直至最高位为1,将左移结束后的数值直接输出给音量近似修正模块,每执行一次循环左移操作的同时,将音量比较提取模块的输出数值减6dB,即累计计算的结果为音量比较提取模块的输出数值减去(循环左移的次数*6dB),左移结束后将该累计计算的结果直接输出给音量求和模块;
音量近似修正模块:对音量档位粗选模块的输出数值,进行相对音量档位粗选模块更细精度的dB值数值区间的修正,只取MSB-1、MSB-2、MSB-3这三位,并将该三位的值分别记为b1、b2、b3,得到修正结果为3*b1+1*b2+1*b3,音量近似修正模块输出修正结果给音量求和模块;
音量求和模块:将音量档位粗选模块和音量近似修正模块的输出dB值进行求和运算,所输出的计算结果为数字音量近似值。
本发明音频录制或播放中快速求解数字音量近似值的方法,包括如下步骤:
步骤1、将音频ADC输出的与音频电压呈线性关系的音频信号输入至音量比较提取模块;
步骤2、音量比较提取模块计算音频ADC输出的音频信号中音量的最大值,并比较该音频ADC输出的音量的最大值和音量渐消模块的输出数值,取二者中的最大值作为输出数值,分别输出给音量渐消模块和音量档位粗选模块;
步骤3、音量渐消模块对音量比较提取模块的输出数值减去弥消数值进行音量弥消的迟滞处理,并输出处理结果至音量比较提取模块的输入端,设弥消时间长度为0.3秒至0.5秒,音频ADC可能输出的最大值为最大音量数值,最小音量数值就是0, ADC采样率为系统预置值,通过如下公式(1)计算得到按ADC采样率变化的弥消数值:
步骤4、定义最大音量为0dB,对音量比较提取模块的输出数值进行循环左移操作,直至最高位为1,将左移结束后的数值直接输出给音量近似修正模块,每执行一次循环左移操作的同时,将音量比较提取模块的输出数值减6dB,即累计计算的结果为音量比较提取模块的输出数值减去(循环左移的次数*6dB),左移结束后将该累计计算的结果直接输出给音量求和模块;
步骤5、音量近似修正模块对音量档位粗选模块的输出数值,进行相对音量档位粗选模块更细精度的dB值数值区间的修正,只取MSB-1、MSB-2、MSB-3这三位,并将该三位的值分别记为b1、b2、b3,得到修正结果为3*b1+1*b2+1*b3,音量近似修正模块输出修正结果给音量求和模块;
步骤6、音量求和模块将音量档位粗选模块和音量近似修正模块的输dB值进行求和运算,所输出的结果为数字音量近似值。
本发明一种使用计算机程序编码的计算机可读存储介质,该计算机可读存储介质上存储有快速求解数字音量近似值的程序,该程序在计算机上执行时,使计算机执行所述音频录制或播放中快速求解数字音量近似值的方法的步骤。
本发明作为一种近似求解算法,在音量档位粗选模块和音量近似修正模块的处理过程中都会引入计算误差,通过误差的理论计算,证明本发明的误差在各种应用产品中都可被接受,加上本发明求解算法原理结构直观,求解过程快速,具有耗费计算资源少、通用性强的优点,可适用于FPGA、DSP、ARM、PC机等各种平台的开发应用。
附图说明
图1为本发明的工作原理示意图;
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详述。
具体实施方式
如图1所示,本发明第一实施方式,涉及音频录制或播放中快速求解数字音量近似值的装置,主要包括音量比较提取模块、音量渐消模块、音量档位粗选模块、音量近似修正模块和音量求和模块,其中
音量比较提取模块:输入音频ADC输出的与音频电压呈线性关系的音频信号和音量渐消模块的输出结果,计算音频ADC输出的音频信号中音量的最大值,比较音频ADC输出的音频信号中音量的最大值和音量渐消模块的输出数值,取二者中的最大值作为输出数值分别输出给音量渐消模块和音量档位粗选模块;由于音频数据为交流信号,人耳感观识别的音量大小为一小段时间内的最大音量效果,感观可分辨的时间精度远小于音频采样的间隔时间,因此音量比较提取模块的输出为当前音频ADC采样值和音频渐消模块输出值的较大者;
音量渐消模块:考虑人耳感观和视觉感观的可分辨时间精度,需要对音量弥消进行迟滞处理,本模块的作用相当于模拟电路中的RC放电电路,对音量比较提取模块的输出数值减去弥消数值进行音量弥消的迟滞处理,并输出处理结果至音量比较提取模块的输入端;弥消时间长度一般取0.3秒至0.5秒,音频ADC可能输出的最大值(即满量程)为最大音量数值,最小音量数值就是0,即静音,不同系统ADC采样率不一样,基本都为音视频领域的标称值,如44.1KHz,48KHz,96KHz,通过如下公式(1)计算得到按ADC采样率变化的弥消数值:
举例:设弥消时间长度为0.5秒,最大音量数值为系统音频ADC可能输出的最大值为223,最小音量数值为0,取ADC采样率为48KHz,代入公式(1)计算得到按ADC采样率变化的弥消数值:
音量档位粗选模块:定义最大音量为0dB,对音量比较提取模块的输出数值进行循环左移操作,直至最高位为1,将左移结束后的数值直接输出给音量近似修正模块,每执行一次循环左移操作的同时,将音量比较提取模块的输出数值减6dB,即累计计算的结果为音量比较提取模块的输出数值减去(循环左移的次数*6dB),左移结束后将该累计计算的结果直接输出给音量求和模块;
音量近似修正模块:对音量档位粗选模块的输出数值,进行相对音量档位粗选模块更细精度的dB值数值区间的修正,只取MSB-1、MSB-2、MSB-3这三位,并将该三位的值分别记为b1、b2、b3,得到修正结果为3*b1+1*b2+1*b3,音量近似修正模块输出修正结果给音量求和模块;这里更细是相对音量档位粗选模块的输出精度为6dB而言,本模块的输出精度为1dB;
音量求和模块:将音量档位粗选模块和音量近似修正模块的输出dB值进行求和运算,所输出的计算结果为数字音量近似值。
本发明第二实施方式,涉及音频录制或播放中快速求解数字音量近似值的方法,包括如下步骤:
步骤1、将音频ADC输出的与音频电压呈线性关系的音频信号输入至音量比较提取模块;
步骤2、音量比较提取模块计算音频ADC输出的音频信号中音量的最大值,并比较该音频ADC输出的音量的最大值和音量渐消模块的输出数值,取二者中的最大值作为输出数值,分别输出给音量渐消模块和音量档位粗选模块;
步骤3、音量渐消模块对音量比较提取模块的输出数值减去弥消数值进行音量弥消的迟滞处理,并输出处理结果至音量比较提取模块的输入端,弥消时间长度一般取0.3秒至0.5秒,音频ADC可能输出的最大值(即满量程)为最大音量数值,最小音量数值就是0,即静音,不同系统ADC采样率不一样,基本都为音视频领域的标称值,如44.1KHz,48KHz,96KHz,通过如下公式(1)计算得到按ADC采样率变化的弥消数值:
步骤4、定义最大音量为0dB,对音量比较提取模块的输出数值进行循环左移操作,直至最高位为1,将左移结束后的数值直接输出给音量近似修正模块,每执行一次循环左移操作的同时,将音量比较提取模块的输出数值减6dB,即累计计算的结果为音量比较提取模块的输出数值减去(循环左移的次数*6dB),左移结束后将该累计计算的结果直接输出给音量求和模块;
步骤5、音量近似修正模块对音量档位粗选模块的输出数值,进行相对音量档位粗选模块更细精度的dB值数值区间的修正,只取MSB-1、MSB-2、MSB-3这三位,并将该三位的值分别记为b1、b2、b3,得到修正结果为3*b1+1*b2+1*b3,音量近似修正模块输出修正结果给音量求和模块;
步骤6、音量求和模块将音量档位粗选模块和音量近似修正模块的输出dB值进行求和运算,所输出的结果为数字音量近似值。
第二实施方式是与第一实施方式相对应的方法实施方式,本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效,为了减少重复,这里不再赘述。相应地,本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
本发明的第三实施方式,涉及一种使用计算机程序编码的计算机可读存储介质,该计算机可读存储介质上存储有快速求解数字音量近似值的程序,该程序在计算机上执行时,使计算机执行上述第二实施方式的步骤。
对本发明的输出进行误差的理论计算,采用市面上常见的设备仪器的指示区间0dB~-60dB进行推导:
(1)对于音量档位粗选模块引入的误差
假设音量档位粗选模块循环左移的次数为N,则引入的误差为:
(2)对于音量近似修正模块引入的误差如下表所示
由表中可知,本发明修正值的结果相较理论计算值偏大,与没有参与本发明运算的ADC低位数据基本不可能全零的实际情况贴合,由此实际误差小于表格1中的极大值0.977。
(3)本发明整体误差
需要说明的是,本发明的各实施方式均可以软件、硬件、固件等方式实现,不管本发明是以软件、硬件、还是固件方式实现,指令代码都可以存储在任何类型的计算机可访问的存储器中(例如永久的或者可修改的,易失性的或者非易失性的,固态的或者非固态的,固定的或者可更换的介质等等)。同样,存储器可以是可编程阵列逻辑PAL、随机存取存储器RAM、可编程只读存储器PROM、只读存储器 ROM、电可擦除可编程只读存储器EPROM、磁盘、光盘、数字通用光盘DVD等等。
需要说明的是,本发明各实施方式中提到的各单元/模块都是逻辑单元/模 块,在物理上,一个逻辑单元可以是一个物理单元,也可以是一个物理单元的一部位,还可以以多个物理单元的组合实现,这些逻辑单元本身的物理实现方式并不是最重要的,这些逻辑单元所实现的功能的组合才是解决本发明所提出的技术问题的关键。此外,为了突出本发明的创新部位,本发明上述各实施方式并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入,这并不表明上述各实施方式并不存在其它的单元。
需要说明的是,在本发明的权利要求和说明书中,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
虽然通过参照本发明的某些优选实施方式,已经对本发明进行了图示和描述,但本领域的普通技术人员应该明白,可以在形式上和细节上对其作各种改变,而不偏离本发明的精神和保护范围。
Claims (3)
1.音频录制或播放中快速求解数字音量近似值的装置,其特征在于:包括音量比较提取模块、音量渐消模块、音量档位粗选模块、音量近似修正模块和音量求和模块,其中
音量比较提取模块:输入音频ADC输出的与音频电压呈线性关系的音频信号和音量渐消模块的输出结果,计算音频ADC输出的音频信号中音量的最大值,比较音频ADC输出的音频信号中音量的最大值和音量渐消模块的输出数值,取二者中的最大值作为输出数值分别输出给音量渐消模块和音量档位粗选模块;
音量渐消模块:对音量比较提取模块的输出数值减去弥消数值进行音量弥消的迟滞处理,并输出处理结果至音量比较提取模块的输入端;设弥消时间长度为0.3秒至0.5秒,最大音量数值为音频ADC可能输出的最大值,最小音量数值就是0,ADC采样率为系统预置值,通过如下公式(1)计算得到按ADC采样率变化的弥消数值:
音量档位粗选模块:定义最大音量为0dB,对音量比较提取模块的输出数值进行循环左移操作,直至最高位为1,将左移结束后的数值直接输出给音量近似修正模块,每执行一次循环左移操作的同时,将音量比较提取模块的输出数值减6dB,即累计计算的结果为音量比较提取模块的输出数值减去(循环左移的次数*6dB),左移结束后将该累计计算的结果直接输出给音量求和模块;
音量近似修正模块:对音量档位粗选模块的输出数值,进行相对音量档位粗选模块更细精度的dB值数值区间的修正,只取MSB-1、MSB-2、MSB-3这三位,并将该三位的值分别记为b1、b2、b3,得到修正结果为3*b1+1*b2+1*b3,音量近似修正模块输出修正结果给音量求和模块;
音量求和模块:将音量档位粗选模块和音量近似修正模块的输出dB值进行求和运算,所输出的计算结果为数字音量近似值。
2.音频录制或播放中快速求解数字音量近似值的方法,其特征在于包括如下步骤:
步骤1、将音频ADC输出的与音频电压呈线性关系的音频信号输入至音量比较提取模块;
步骤2、音量比较提取模块计算音频ADC输出的音频信号中音量的最大值,并比较该音频ADC输出的音量的最大值和音量渐消模块的输出数值,取二者中的最大值作为输出数值,分别输出给音量渐消模块和音量档位粗选模块;
步骤3、音量渐消模块对音量比较提取模块的输出数值减去弥消数值进行音量弥消的迟滞处理,并输出处理结果至音量比较提取模块的输入端,设弥消时间长度为0.3秒至0.5秒,音频ADC可能输出的最大值为最大音量数值,最小音量数值就是0,ADC采样率为系统预置值,通过如下公式(1)计算得到按ADC采样率变化的弥消数值:
步骤4、定义最大音量为0dB,对音量比较提取模块的输出数值进行循环左移操作,直至最高位为1,将左移结束后的数值直接输出给音量近似修正模块,每执行一次循环左移操作的同时,将音量比较提取模块的输出数值减6dB,即累计计算的结果为音量比较提取模块的输出数值减去(循环左移的次数*6dB),左移结束后将该累计计算的结果直接输出给音量求和模块;
步骤5、音量近似修正模块对音量档位粗选模块的输出数值,进行相对音量档位粗选模块更细精度的dB值数值区间的修正,只取MSB-1、MSB-2、MSB-3这三位,并将该三位的值分别记为b1、b2、b3,得到修正结果为3*b1+1*b2+1*b3,音量近似修正模块输出修正结果给音量求和模块;
步骤6、音量求和模块将音量档位粗选模块和音量近似修正模块的输出dB值进行求和运算,所输出的结果为数字音量近似值。
3.一种使用计算机程序编码的计算机可读存储介质,其特征在于:该计算机可读存储介质上存储有快速求解数字音量近似值的程序,该程序在计算机上执行时,使计算机执行权利要求2所述音频录制或播放中快速求解数字音量近似值的方法的步骤。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Device and method for quickly solving approximate digital volume values in audio recording or playback Effective date of registration: 20230919 Granted publication date: 20230217 Pledgee: Bank of China Limited Xiamen hi tech Park sub branch Pledgor: XIAMEN RGBLINK SCIENCE & TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2023980057461 |
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PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |