CN1703117A - 动态三维环绕立体声效处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动态三维环绕立体声效处理系统，包括多带通滤波单元、声音成分分离单元、主要声音成分分配单元、双耳滤波单元、两个声音组合单元和自适应声音强度控制单元，双声道音频的左右两路输入依次经上述各组成单元处理后，可以使输出到耳机播放具有三维音效，动态环绕等丰富逼真的立体效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种立体声效处理系统，尤其是涉及一种动态三维环绕立体声效处理系统。
背景技术
具有三维环绕立体声的音效系统能给用户带来如同现实生活中感受到的一样的体验，声音可从三维空间的任何地方传来。三维环绕声效通常是靠多声道录音(多个麦克)和多声道播音(多个喇叭)来完成的，由于在室内布置多个喇叭很容易，环绕立体声已成为电影院甚至家庭影院的重要特征。随着音频处理技术的进步，环绕立体声可用多声道录制和编码，仅用两个喇叭或普通的耳机来欣赏，这些技术对两个声道使用了心理声学的原理(两耳时差IDT和两耳量差ILD)，使听众觉得声音来自环绕的各个方向。换句话说，就是产生虚拟的环绕立体声。虽然虚拟的环绕立体声不如多个喇叭的播放效果逼真，但已能给听众带来很好的三维音效了。此外虚拟环绕立体声要求听众固定在两喇叭间的最佳位置(1米距离)，这通常是对TV或PC的限制，对使用耳机则无此约束。
上述技术虽然播放时既可以是多个喇叭也可以是两个喇叭，通常要求在录制和编码时必须是多声道的。但许多时候，我们手上播放的录音在录制时只有单声道或双声道，用上述虚拟环绕立体声技术来播放只有单声道或双声道的录音，就没有三维的立体声音效。
发明内容
本发明的目的是提供一种复杂度低、效果强烈的动态三维环绕立体声效处理系统，可使基于单声道或双声道录制的声音也能产生三维环绕立体声效，与通过多声道录制的效果相当。
本发明目的可通过以下的技术措施来实现：动态三维环绕立体声效处理系统，包括
用于对各波段输入音频信号进行预处理的多带通滤波单元；
用于分离提取经多带通滤波器单元后相应各波段中主要声音成分信号的声音成分分离单元；
用于将分离提取的主要声音成分信号分配到环绕球形的不同的虚拟位置而其它信号保持不变的主要声音成分分配单元；
用于对上述定位在环绕球形各个不同虚拟位置的声音，并根据其虚拟位置相对于听者头部的方位角和仰角所决定的频响特性进行滤波的双耳滤波单元；
用于将双耳滤波单元输出的两路音频信号与原始的输入音频信号相组合形成三维环绕立体声的两个声音组合单元。
由于经过上述处理过程，其输出信号强度会趋于饱和并且会听到一些噪音，因此，本发明还包括用于限制两个声音组合单元输出信号强度的自适应声音强度控制单元。
本发明在上述原始的输入音频信号与对应的每个声音组合单元之间设有用于放大原始输入音频信号的增益单元。
本发明在多带通滤波单元与对应的每个声音组合单元之间设有用于放大经带通滤波预处理后的音频信号的增益单元。
由于分配过程是模拟多声道环绕立体声录制中这些主要声音成分处于不同位置上的效果；同一主要声音成分可以被同时分配到不同虚拟位置，动态分配可以在空间和时间上同时进行，空间动态分配意味着信号的虚拟位置可以出现在环绕听者头部的任何空间位置，时间动态分配意味着这些虚拟位置会随时间改变。双耳滤波单元可以对上述定位在环绕球形各个不同虚拟位置的声音，并根据其虚拟位置相对于听者头部的方位角和仰角所决定的频响特性进行滤波。因此，本发明能有效地为那些录制时未记录环绕和三维信息的单声道或双声道音频带来增强的三维音效，动态环绕和虚拟的音源运动等丰富逼真效果。
附图说明
图1为本发明对双声道音频输入的处理框图；
图2为本发明对单声道音频输入的处理框图；
图3为本发明对双声道音频输入的另一种处理框图；
图4为本发明对单声道音频输入的另一种处理框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明系统包括两个多带通滤波单元、声音成分分离单元、主要声音成分分配单元、双耳滤波单元、两个声音组合单元和自适应声音强度控制单元，双声道音频的左右两路输入依次经上述各组成单元处理后，可以使输出到耳机播放具有三维音效，动态环绕等丰富逼真的立体效果。为了能够调整动态环绕的程度和三维的效果，在左右两路原始的输入音频信号与对应的每个声音组合单元之间连接一个用于放大原始输入音频信号的增益单元，通过调节增益，实现动态环绕的程度和三维的效果的调节。
图中的多带通滤波单元作为一种预处理，输入信号要先经过预先设定的多带通滤波，滤波器的个数取决于系统所支持的采样频率。单声道音频至少需要两个波段的带通滤波器，双声道音频至少需要三个波段的带通滤波器。本发明支持各种采样频率如96K，48K，44.1K和32K等，对不同的采样频率，多带通滤波器的数目和频响特性都是不同的，相应的在下面的双耳滤波单元处理中的变换函数也会不同。滤波器都可以是IIR或FIR，IIR的阶数和FIR的级数可在其性能、速度和复杂度之间取得平衡；为了简化系统实现，可用几个2阶的IIR串接以替代多个FIR级联或高阶IIR。
声音成分分离单元主要是利用声源分类技术，分离主要的声音成分如歌唱者的声音和各种乐器的声音，正是它们合成了单声道和双声道的音频信号。对与预先确定的多带通滤波器相应的每一频段，至少有一个主要的声音成分会被提取出来.这种分离操作会针对每一个多带通滤波器的输出使用，换句话说，多带通滤波器的设计(频响、个数)取决于有多少种主要声音成分需提取。
主要声音成分分配单元完成将对应于主要声音成分的信号分配到环绕球形的不同方位角和仰角的虚拟位置，如模拟五个喇叭的播放，虚拟位置可以在前方左右45度，后方左右45度以及正上方，而其它的信号保持不变。这一分配过程是模拟多声道环绕立体声录制中这些主要声音成分处于不同位置上的效果。同一主要声音成分可以被同时分配到不同虚拟位置，动态分配可以在空间和时间上同时进行，空间动态分配意味着信号的虚拟位置可以出现在环绕听者头部的任何空间位置，时间动态分配意味着这些虚拟位置会随时间改变。当然也可能一些虚拟位置被固定下来而另一些在改变，换句话说，在一些位置上至少有一种声音被分配在那里。一种声音成分也可被指派到一个或同时指派到多个虚拟位置上，通过同一声音成分分布到不同虚拟位置，可以获得很好的扩域音效。但这是以计算复杂度的增加为代价的，各个具有不同频响特性的双耳滤波器可以同时对不同位置的声音成分进行处理，其输出可先进行合成，比如加权累积，然后再交下一步合成处理，当然，这些输出也可直接与其它信号合成。
双耳滤波单元用于对上述定位在环绕球形各个不同虚拟位置的声音，并根据其虚拟位置相对于听者头部的方位角和仰角所决定的频响特性进行滤波。两个声音组合单元用于将双耳滤波单元输出的两路音频信号与原始的输入音频信号相组合形成三维环绕立体声。滤波与合成都是基于在双声道上模拟多声道的ITD和ILT技术实现的。滤波器都可以是IIR或FIR，IIR的阶数和FIR的级数可在其性能、速度和复杂度之间取得平衡；为了简化系统实现，可用几个2阶的IIR串接以替代多个FIR级联或高阶IIR。
经过上述处理过程，其输出信号强度会趋于饱和并且会听到一些噪音。因此，必须对两个声音组合单元输出信号的强度进行限制，通过自适应声音强度控制单元自适应地跟踪上述处理后输出信号的外包络，来达到平滑和减小因三维立体声效处理而带来的噪音；由于输出信号通常为立体声，可对左右声道分别处理。
如图3所示，对双声道音频输入的另一种处理情形。为了能更有选择性和更灵活调整动态环绕的程度和三维的效果，在多带通滤波单元与各个声音组合单元之间连接用于放大经带通滤波预处理后的音频信号的增益单元。声音组合单元输出结果可能是由双耳滤波处理的结果与原始输入信号或多带通滤波器的输出组合而成。由于同时起作用的虚拟位置不只一个，加上还有双耳滤波的输出等，合成处理过程的输入将在3个以上，最简单的实现过程就是对输入信号进行加权累积，这些加权系数(增益)的信号均应小于1，增益为0表示相应的信号被跳过。
如图2和图4所示为单声道音频输入的两种处理情形，与上述图1和图3中所示的不同之处仅在于单声道音频的输入。对单声道输入信号也可用I-Q正交变换产生两个声道的信号，然后将其作为左右声道采用图1和3中的处理情形，达到同样的效果。
上述各图中经本发明系统处理后的单声道或双声道音频是输出到耳机播放。同样也可在两个喇叭上播放，在这种情形下，双耳滤波单元的频响特性不仅取决于方位角与仰角，还取决于听者与喇叭间的距离，听者最好站在两喇叭间最佳点(1米距离)。
本发明可以接受单声道和双声道的各种格式如MP3、WMA、MIDI、数字电视、数字广播和互联网音频等等。
Claims (4)
1、一种动态三维环绕立体声效处理系统，其特征在于包括：
用于对各波段输入音频信号进行预处理的多带通滤波单元；
用于分离提取经多带通滤波器单元后相应各波段中主要声音成分信号的声音成分分离单元；
用于将分离提取的主要声音成分信号分配到环绕球形的不同的虚拟位置而其它信号保持不变的主要声音成分分配单元；
用于对上述定位在环绕球形各个不同虚拟位置的声音，并根据其虚拟位置相对于听者头部的方位角和仰角所决定的频响特性进行滤波的双耳滤波单元；
用于将双耳滤波单元输出的两路音频信号与原始的输入音频信号相组合形成三维环绕立体声的两个声音组合单元。
2、根据权利要求1所述的动态三维环绕立体声效处理系统，其特征在于还包括用于限制两个声音组合单元输出信号强度的自适应声音强度控制单元。
3、根据权利要求1或2所述的动态三维环绕立体声效处理系统，其特征在于所述原始的输入音频信号与对应的每个声音组合单元之间设有用于放大原始输入音频信号的增益单元。
4、根据权利要求3所述的动态三维环绕立体声效处理系统，其特征在于所述多带通滤波单元与对应的每个声音组合单元之间设有用于放大经带通滤波预处理后的音频信号的增益单元。
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