CN116546416B - 通过两个通道模拟三维环绕声音效的音频处理方法及系统 - Google Patents

通过两个通道模拟三维环绕声音效的音频处理方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种通过两个通道模拟三维环绕声音效的音频处理方法及系统，属于音频处理技术领域。本发明通过两个通道模拟三维环绕声音效的音频处理方法包括步骤：接收左声道音频信号和右声道音频信号；对所述左声道音频信号和右声道音频信号进行采样并量化；对量化后的信号进行处理，提升增益，拉宽信号的空间感及时间感，从而能够实现通过两个通道模拟三维环绕声音效，本发明还提供一种实现所述通过两个通道模拟三维环绕声音效的音频处理方法的系统。

Description

通过两个通道模拟三维环绕声音效的音频处理方法及系统
技术领域
本发明涉及音频处理技术领域，具体涉及一种通过两个通道模拟三维环绕声音效的音频处理方法及系统。
背景技术
现有的音频设备，一般都只有左声道和右声道，混合形成立体声，但是，很难实现三维环绕声音音效。为了营造3D环绕声场，通常会布置多个扬声器，环绕声音接收者设置，比如：分别在前后左右及中央分别布置5个扬声器，实现立体环绕。但是，此种方式会造成布线困难，成本高。
如何通过左右两个声道就能够实现三维环绕声音音效，是目前音频信号研究的热点和难点。
发明内容
为解决现有技术中的问题，本发明提供一种通过两个通道模拟三维环绕声音效的音频处理方法及音频处理系统。
本发明通过两个通道模拟三维环绕声音效的音频处理方法，包括如下步骤：
S1：接收左声道音频信号和右声道音频信号；
S2：对所述左声道音频信号和右声道音频信号进行采样、并量化为左声道数字信号和右声道数字信号，然后将所述左声道数字信号和右声道数字信号分别分为两路信号，分别为第一路左声道数字信号、第二路左声道数字信号、第一路右声道数字信号、第二路右声道数字信号，然后分别执行步骤S3和步骤S4分别进行信号处理；
S3：对第一路左声道数字信号、第一路右声道数字信号分别进行取样，通过差分处理，获取差分处理后的第一路信号和第二路信号，其中，第一路信号由第一路左声道数字信号、第一路右声道数字信号相加而成，第二路信号由所述第一路左声道数字信号、第一路右声道数字信号相减而成；
通过对第一路信号和第二路信号进行同相处理，获取同相信号，并经过配置的延时模块延时处理后，分别输出给左声道输出模块和右声道输出模块，
通过对第一路信号和第二路信号进行反相处理，获取反相信号，分别输出给左声道输出模块和右声道输出模块；
S4：分别对第二路左声道数字信号和第二路右声道数字信号进行增益调节，然后分别输出给左声道输出模块和右声道输出模块；
S5：左声道输出模块对步骤S3和步骤S4输出的三路信号进行叠加处理，然后通过左声道输出；右声道输出模块对步骤S3和步骤S4输出的三路信号进行叠加处理，然后通过右声道输出。
进一步地，步骤S4中，对第二路左声道数字信号和第二路右声道数字信号增益调节处理后，还包括高音明暗度调节处理步骤：获取增益调节处理后的信号，将明亮度的差值拉大，增加空间感。
进一步地，获取增益调节处理后的尾音信号，对尾音信号进行插值处理，将所述第二路左声道数字信号和第二路右声道数字信号的明亮度的差值拉大。
进一步地，还包括步骤S6：对左声道和右声道输出的立体声信号进行录音处理，并对该录制的音频信号进行识别、提取，再分别输入所述左声道输出模块和右声道输出模块进行叠加处理，最后分别通过左声道右声道输出。
进一步地，步骤S2中，对所述左声道音频信号和右声道音频信号进行处理的方法为：
S201：接收信号源，所述信号源为一时间-信号强弱的声音曲线；
S202：按照一定的时间间隔，在所述声音曲线上进行采样，取设定个数声音信号值；
S203：对所述声音信号值分别量化为一定量值；
S204：将量化后的数据进行二进制编码；
S205：将二进制编码之后，形成连续的数据存储在缓存中，形成数字信号。
本发明还提供一种音频处理系统，用于实现通过两个通道模拟三维环绕声音效的音频处理方法，包括：
音频接收模块：用于接收左声道音频信号和右声道音频信号；
音频处理模块：用于对所述左声道音频信号和右声道音频信号进行采样、并量化为左声道数字信号和右声道数字信号，然后将所述左声道数字信号和右声道数字信号分别分为两路信号，分别为第一路左声道数字信号、第二路左声道数字信号、第一路右声道数字信号、第二路右声道数字信号；
差分处理模块：用于对第一路左声道数字信号、第一路右声道数字信号分别进行取样，通过差分处理，获取差分处理后的第一路信号和第二路信号，其中，第一路信号由第一路左声道数字信号、第一路右声道数字信号相加而成，第二路信号由所述第一路左声道数字信号、第一路右声道数字信号相减而成；
同相处理模块：用于通过对第一路信号和第二路信号进行同相处理，获取同相信号，并经过配置的延时模块延时处理后，分别输出给左声道输出模块和右声道输出模块，
反相处理模块：用于通过对第一路信号和第二路信号进行反相处理，获取反相信号，分别输出给左声道输出模块和右声道输出模块；
增益调节模块：用于分别对第二路左声道数字信号和第二路右声道数字信号进行增益调节，然后分别输出给左声道输出模块和右声道输出模块；
声道输出模块：用于分别对同相处理模块、反相处理模块和增益调节模块输出的三路信号进行叠加处理，然后再分别通过左声道和右声道输出。
进一步地，还包括高音明暗度调节处理模块：用于获取增益调节处理后的信号，将明亮度的差值拉大，增加空间感。
进一步地，还包括录音反馈模块：用于对左声道和右声道输出的立体声信号进行录音处理，并对该录制的音频信号进行识别、提取，再分别输入所述左声道输出模块和右声道输出模块进行叠加处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通两路信号处理，分别加大左右声道信号的增益差，并通过对第一路信号和第二路信号的处理叠加，能够有效提升信号的增益，有助于声场的拉宽。
通过本发明的声音处理方法，不仅能够增加声音的空间感，也能够增加信号的时间感，高音的明暗会影响听音者的方位，远近感，将差值的拉大也会有帮助空间感的拉宽。且，通过提取信号后再进行计算进行尾音的插值的方式，能够有效将明亮度的差值拉大，增加空间感。
附图说明
为了更清楚地说明本申请或现有技术中的方案，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它附图。
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明对信号源采样、量化方法流程图；
图3为同相信号延时缓存与反相信号处理方法示意图；
图4为明暗度调节示意图。
具体实施方式
除非另有定义，本申请所使用的所有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；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。
在本申请中提及“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，本申请所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本发明旨在在有限的听音空间，通过两个通道（左右声道）来营造身临其境的三维（3D）环绕声，并能聆听出不同乐器摆放位置，模拟出更加宽广的声场效果，有如身临其境的感觉。为了使本技术领域的技术人员更好地理解本申请方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本发明通过两个通道模拟三维环绕声音效的音频处理方法，包括如下步骤：
S1：接收左声道音频信号和右声道音频信号。
本例针对普通双声道立体声信号进行处理，因此，兼容市面上的音频接收模块。
S2：对所述左声道音频信号和右声道音频信号进行采样、并量化为左声道数字信号和右声道数字信号。
如图2所示，本例采样、量化处理方法包括如下子步骤：
（1）信号源输入：音频信号源输入时，左右声道均为一音频波形曲线，其中，横坐标为时间轴，纵坐标是声音的强弱；
（2）采样点：按照一定的时间间隔，在波形曲线上采样取值，比如，本例去7个点的值；
（3）量化取样值：本例对采样获取的数据值进行量化处理，给纵坐标标定刻度，记录纵坐标刻度值；
（4）二进制编码：将量化后的数据进行二进制编码；
（5）数字信号取样，将二进制编码之后连续的数据存储在ROM缓存上形成数字信号。
所述数字信号包括左声道数字信号和右声道数字信号，将所述左声道数字信号和右声道数字信号分别分为两路信号，分别为第一路左声道数字信号、第二路左声道数字信号、第一路右声道数字信号、第二路右声道数字信号，然后分别执行步骤S3和步骤S4分别进行信号处理。
S3：对第一路左声道数字信号、第一路右声道数字信号分别进行取样，通过差分处理，获取差分处理后的第一路信号和第二路信号。
（1）本例左右声道信号沿着各自的传输线传输，经过接收器时，对左右信号进行检测，从两个信号的差值中提取信息，这个差值信号为差分信号。
差分信号驱动的两个信号极性相反，即正极信号输出端信号为Vp，负极性输出端信号为Vn， 左右声道的音频信号转化差分信号。差分信号是左右声道的音频信号相减和左右声道的音频信号相加而得到的信号。差分信号也可表示为：
Vdiff = Vp- Vn
Vcomm = Vp+ Vn
差分传输正是用信号Vdiff、Vcomm来传输信息，接收端检测到Vdiff，Vcomm的电压波形提取信息。通过这种处理方法，使输入的音源信号输出的时候更加分离，增强立体声的效果与提高音质。
（2）同相信号延时缓存与反相信号
如图3所示，本例输入信号是通过运算放大器的同相端子提供。因此，输出相位保持不变，并且在操作过程不会被反相。使用运算放大器进行操作称为同相运算放大器。由于具有负反馈系统，该运算放大器可提供更高的系统稳定性，但其增益比反相运算放大器要小，因此，本例的同相信号可以通过缓存的空间大小申请配置延时的时长。
反相通过运算放大器的反相端子提供输入信号的处理类型。输出的相位在放大过程中反转。而反相运算放大器比同相运算放大器增益更高。
反相运算放大器增益为：Av = -(RL / R1)；
相运算放大器增益为：Av = (1 + RL / R1)。
（3）通过_audio_track_data_mix函数，把转化过后的数据存在数组dest_buff中，并保存缓存中数据，同时，将同相信号和反相信号两路信号同时输出给左声道输出模块和右声道输出模块。
S4：分别对第二路左声道数字信号和第二路右声道数字信号进行增益调节。
立体声的定位主要是靠左右通道的增益差来实现，能将这种声压差的加大就有助于声场的拉宽。本例可以通过差分的反相对信号进行的比对来提取左右通道差值部份的信号，然后再通过将提取信号对原通道的信号进行叠加就可以对原信号进行增益的提升。要注意是不同信号差，相同增益的信号是不需要拉大增益差的，本例增加幅度按比例进行，不是按固定值进行。
本例增益调节可以通过配置工具中的配置项进行设置，比如，本例左右输入的信号经过CH1与CH2调节通道配置增益值。
优选的，本例的为了获得更好的空间感，对第二路左声道数字信号和第二路右声道数字信号增益调节处理后，还包括高音明暗度调节处理步骤：获取增益调节处理后的信号，将明亮度的差值拉大，增加输出声音的空间感。
如图4所示，本例也可以通过配置工具中的配置项进行设置，明亮度调节设置EQ曲线的频点10Khz调节大小，调用函数set_treble_volume设置参数， 这些参数的设置完后即可输出调节后的音频信号。
作为本发明的优选实施例，由于高音的明暗会影响听音者的方位，远近感，将差值的拉大也会有帮助空间感的拉宽。本例先将差分信号分离出来的信号再跟增益调节通道输出的信号进行比对，提取。这部分信号会有一个增益变化的过程（移动），此音的明暗度因时间处理问题是很难进行明亮度的提升的，但可以对运动过程中的尾音进行变化，如由近到远是亮到暗的变化。由远到近是由暗到亮的变化。提取信号后再进行计算进行尾音的插值的方式，将明亮度的差值拉大，增加空间感。
优选地，本例还可以对时间进行加大处理，从而达到空间感增大的效果，通过对采样信号间进行插值处理，实现对时间的增加，增加时间维度。
S5：左声道输出模块对步骤S3和步骤S4输出的三路信号进行叠加处理，然后通过左声道输出；右声道输出模块对步骤S3和步骤S4输出的三路信号进行叠加处理，然后通过右声道输出。
由于在立体声的录音也会适当的增加混响或本来的空间也会产生自然混响，所以，本例还包括步骤S6：对左声道和右声道输出的立体声信号进行录音处理，并对录制的音频信号进行识别、提取，再分别输入所述左声道输出模块和右声道输出模块进行叠加处理，最后分别通过左声道右声道输出。本例通过对这些带混响的音频识别，提取再进行单独的混响增加，单独增加可以减少其它音频的影响，有效的在增加空间感的情况下减少混音对定位、人声的影响，提升3D生效。
本发明还提供一种音频处理系统，用于实现通过两个通道模拟三维环绕声音效的音频处理方法，包括：
音频接收模块：用于接收左声道音频信号和右声道音频信号；
音频处理模块：用于对所述左声道音频信号和右声道音频信号进行采样、并量化为左声道数字信号和右声道数字信号，然后将所述左声道数字信号和右声道数字信号分别分为两路信号，分别为第一路左声道数字信号、第二路左声道数字信号、第一路右声道数字信号、第二路右声道数字信号；
差分处理模块：用于对第一路左声道数字信号、第一路右声道数字信号分别进行取样，通过差分处理，获取差分处理后的第一路信号和第二路信号，其中，第一路信号由第一路左声道数字信号、第一路右声道数字信号相加而成，第二路信号由所述第一路左声道数字信号、第一路右声道数字信号相减而成；
同相处理模块：用于通过对第一路信号和第二路信号进行同相处理，获取同相信号，并经过配置的延时模块延时处理后，分别输出给左声道输出模块和右声道输出模块，
反相处理模块：用于通过对第一路信号和第二路信号进行反相处理，获取反相信号，分别输出给左声道输出模块和右声道输出模块；
增益调节模块：用于分别对第二路左声道数字信号和第二路右声道数字信号进行增益调节，然后分别输出给左声道输出模块和右声道输出模块；
声道输出模块：用于分别对同相处理模块、反相处理模块和增益调节模块输出的三路信号进行叠加处理，然后再分别通过左声道和右声道输出。
还包括高音明暗度调节处理模块：用于获取增益调节处理后的信号，将明亮度的差值拉大，增加空间感。
优选地，还包括录音反馈模块：用于对左声道和右声道输出的立体声信号进行录音处理，并对该录制的音频信号进行识别、提取，再分别输入所述左声道输出模块和右声道输出模块进行叠加处理。
通过上述描述可知，本发明主要针对普通双声道立体声信号进行处理，是一套通过左右声道模拟环绕声的系统，左、右声道的立体声信号经过本发明转化，缓存数据延时处理等等处理后，产生三维的环绕声场效果。它使用一般双声道创建一个具有三维感觉的环绕声音场，比立体声效果更好。
由于人耳对声音场有着一套自我的分析系统，以对声音的分析与定位。空间中任意一点传到人耳（鼓膜之前）的信号可以类式一个滤波器系统进行描述，音源与滤波器（转递函数）获取的声音达到人的两耳鼓膜前信号。音源到我们双耳之前的信号是会差别的，左耳与右耳听到声音不一样。这个滤波器叫头部相关传输函数。当头部相关传输函数技术应用之后,它使用人耳和人脑的频率振动预知来合成3D音效，通过高速DSP计算，头部相关传输函数可实时处理虚拟世界的音源。当声音晶片计算包含3D声音的波形时，通过人脑可感知到真实的定位感受，比如从前方/后方，上方/下方或者是三维空间内任意方位传来的声音，利用心理学中的耳廊效应，大脑中会产生处于实际 3D环绕声场的包围之中的感觉。
本例正是基于头部相关传输函数等技术，增加信号的增益、空间感、时间感等，使听众产生3D环绕声的效果。
与现有技术相比，本发明具有以下创新点：
（1）本发明有针对性的设计开发，能够达到虚拟环绕声效果，突破头部公司授权限制；
（2）对声霸产品的使用环境和听声音效果，有极大的改善；
（3）算法简单可靠，性价比高；
（4）灵活多用，可根据不同的方案植入不同的音频算法，增加产品的亮点。
以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明所作的等效变化均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种通过两个通道模拟三维环绕声音效的音频处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：接收左声道音频信号和右声道音频信号；
S2：对所述左声道音频信号和右声道音频信号进行采样、并量化为左声道数字信号和右声道数字信号，然后将所述左声道数字信号和右声道数字信号分别分为两路信号，分别为第一路左声道数字信号、第二路左声道数字信号、第一路右声道数字信号、第二路右声道数字信号，然后分别执行步骤S3和步骤S4分别进行信号处理；
S3：对第一路左声道数字信号、第一路右声道数字信号分别进行取样，通过差分处理，获取差分处理后的第一路信号和第二路信号，其中，第一路信号由第一路左声道数字信号、第一路右声道数字信号相加而成，第二路信号由所述第一路左声道数字信号、第一路右声道数字信号相减而成；
通过对第一路信号和第二路信号进行同相处理，获取同相信号，并经过配置的延时模块延时处理后，分别输出给左声道输出模块和右声道输出模块，
通过对第一路信号和第二路信号进行反相处理，获取反相信号，分别输出给左声道输出模块和右声道输出模块；
S4：分别对第二路左声道数字信号和第二路右声道数字信号进行增益调节，然后分别输出给左声道输出模块和右声道输出模块；
S5：左声道输出模块对步骤S3和步骤S4输出的三路信号进行叠加处理，然后通过左声道输出；右声道输出模块对步骤S3和步骤S4输出的三路信号进行叠加处理，然后通过右声道输出。
2.根据权利要求1所述的通过两个通道模拟三维环绕声音效的音频处理方法，其特征在于：步骤S4中，对第二路左声道数字信号和第二路右声道数字信号增益调节处理后，还包括高音明暗度调节处理步骤：获取增益调节处理后的信号，将明亮度的差值拉大，增加空间感。
3.根据权利要求2所述的通过两个通道模拟三维环绕声音效的音频处理方法，其特征在于：获取增益调节处理后的尾音信号，对尾音信号进行插值处理，将所述第二路左声道数字信号和第二路右声道数字信号的明亮度的差值拉大。
4.根据权利要求1-3任一项所述的通过两个通道模拟三维环绕声音效的音频处理方法，其特征在于：还包括步骤S6：对左声道和右声道输出的立体声信号进行录音处理，并对录音的音频信号进行识别、提取，再分别输入所述左声道输出模块和右声道输出模块进行叠加处理，最后分别通过左声道右声道输出。
5.根据权利要求1-3任一项所述的通过两个通道模拟三维环绕声音效的音频处理方法，其特征在于：步骤S2中，对所述左声道音频信号和右声道音频信号进行处理的方法为：
S201：接收信号源，所述信号源为一时间-信号强弱的声音曲线；
S202：按照一定的时间间隔，在所述声音曲线上进行采样，取设定个数声音信号值；
S203：对所述声音信号值分别量化为一定量值；
S204：将量化后的数据进行二进制编码；
S205：将二进制编码之后，形成连续的数据存储在缓存中，形成数字信号。
6.一种音频处理系统，用于实现权利要求1-5任一项所述的通过两个通道模拟三维环绕声音效的音频处理方法，其特征在于，包括：
音频接收模块：用于接收左声道音频信号和右声道音频信号；
音频处理模块：用于对所述左声道音频信号和右声道音频信号进行采样、并量化为左声道数字信号和右声道数字信号，然后将所述左声道数字信号和右声道数字信号分别分为两路信号，分别为第一路左声道数字信号、第二路左声道数字信号、第一路右声道数字信号、第二路右声道数字信号；
差分处理模块：用于对第一路左声道数字信号、第一路右声道数字信号分别进行取样，通过差分处理，获取差分处理后的第一路信号和第二路信号，其中，第一路信号由第一路左声道数字信号、第一路右声道数字信号相加而成，第二路信号由所述第一路左声道数字信号、第一路右声道数字信号相减而成；
同相处理模块：用于通过对第一路信号和第二路信号进行同相处理，获取同相信号，并经过配置的延时模块延时处理后，分别输出给左声道输出模块和右声道输出模块，
反相处理模块：用于通过对第一路信号和第二路信号进行反相处理，获取反相信号，分别输出给左声道输出模块和右声道输出模块；
增益调节模块：用于分别对第二路左声道数字信号和第二路右声道数字信号进行增益调节，然后分别输出给左声道输出模块和右声道输出模块；
声道输出模块：用于分别对同相处理模块、反相处理模块和增益调节模块输出的三路信号进行叠加处理，然后再分别通过左声道和右声道输出。
7.根据权利要求6所述的音频处理系统，其特征在于：还包括高音明暗度调节处理模块：用于获取增益调节处理后的信号，将明亮度的差值拉大，增加空间感。
8.根据权利要求6或7所述的音频处理系统，其特征在于：还包括录音反馈模块：用于对左声道和右声道输出的立体声信号进行录音处理，并对录音的音频信号进行识别、提取，再分别输入所述左声道输出模块和右声道输出模块进行叠加处理。
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A New 3D Sound Reproduction Method using an Auditory Filter;Park, Byoung-Uk等;《《Future Generation Communication and Networking (FGCN 2007) IEEE Xplore.》》;全文 *

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