（信号与信息处理专业论文）数字电视音频后处理的研究与实现.pdf

中文摘要 随着数字电视技术的迅速发震，入镌对音频矮量的要求也越来越离。音频后 处理作为其音频播放系统中的一部分，对音频质量的改善起到了至关重要的作 用，从而使得设备制造商能够让其设备凭借更优的音质从当今市场上的众多产品 中脱颖两如，带来巨大的经济效益。 音频后处理有多种实现方案，主要包括专用芯片、通用d s p 、嵌入式r i s c 处理器、f p g a 等，这些方案各有利弊。综合考虑性能、价格、能源效率、灵活 性等各方面的因素，并且针对音频后处理算法的特点，本课题最终选用l x 5 1 8 0 作为音频后处理算法的开发平台。l x 5 18 0 是一款r i s c 处理器，除具有m i p s 的体系结构外，还加入了d s p 的特征，极大的提高了数字信号处理的性能，完 全能够满足本课题开发的需要。 本论文对音频后处理中的参数均衡器设计、混晌器设计以及s r s 虚拟环绕 声算法进行了研究，并成功地在l x 5 1 8 0 处理器平台上实现了一个5 - b a n d 的参数 均衡器、基于s c h r o e d e r 模型的混响器以及s r s 康拟环绕声算法中的s r sw o w h d 功能。针对l x 5 1 8 0 处理器的特点，本论文对上述音频后处理算法中的关键 模块进行了汇编优纯，优化后的代码性能有了极大的提高。对一个采样率为 4 4 1 k h z ，长度为9 5 6 4 5 7 6 个采样值的双声道w a v 文件进行处理，5 - b a n d 的参数 均衡器大约占用1 9 6 的c p u ，混响器大约占用2 1 2 的c p u ，s r sw o wh d 大约占用了4 8 8 的c p u ，已经达到实时性的要求。 关键词： 音频后处理，均衡，混响，s r s 虚拟环绕声，l x 5 1 8 0 ，优化 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e l e v i s i o nt e c h n o l o g y , t h er e q u i r e m e n tf o r 毯垂q u a l i 移a u d i oi si n c r e a s e d 。a sap a r to ft h ea u d i or e n d e rs y s t e mi nd i g i t a l t e l e v i s i o n , a u d i op o s tp r o c e s s i n gp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ni m p r o v i n gt h ea u d i o q u a l i t y s om a n ye q u i p m e n tm a n u f a c t o r i e sr e s o r tt oa u d i op o s tp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t om a k et h e i rp r o d u c t sm o r eo u t s t a n d i n gi nt h em a r k e ta n d b r i n gg r e a tb e n e f i t 。 t h e r ea r em a n ys o l u t i o n st oi m p l e m e n ta u d i op o s tp r o c e s s i n g ，s u c ha sa s i c s ， g e n e r i cd s p s ，e m b e d d e dr i s cp r o c e s s o r s ，a n df p 好觚e t c t h e ya l lh a v ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e s 。t a k i n gt h ep e 雨r m a n c e , t h ep r i c e ，t h ee n e g yc o n s u m ea n dt h e f l e x i b i l i t yi n t oc o n s i d e r a t i o n , l x 5 18 0i sc h o s e na st h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m l x 518 0i 8ar i s cp r o c e s s o rn o to n l yw i t hm i p sa r c h i t e c t u r eb u ta l s ow i t hal o to f h i g h l ys p e c i a l i z e dd s pf e a t u r e s ，w h i c hc a ng r e a t l yi m p r o v et h ed s pp e r f o r m a n c e ， i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ea u d i op o s tp r o c e s s i n ga l g o r i t h m s , i n c l u d i n gp a r a m e t r i c e q u a l i z e rd e s i g n , r e v e r b e r a t i o nd e s i g na n ds r sv i r t u a ls u r r o u n da r er e s e a r c h e da n d a n a l y s e di nd e t a i l a f t e rt h a t ，af i v e - b a n dp a r a m e t r i ce q u a l i z e r , ar e v e r b r a t i o nb a s eo n s c h r o e d e rm o d e la n ds r sw o wh df u n c t i o na r es u c c e s s f u l l yr e a l i z e do l ll x sl8 0 p l a t f o r m a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fl x 5 18 0 , a s s e m b 够l a n g u a g eo p t i m i z a t i o nw a s i m p l e m e n t e d t ot h ek e ym o d u l e so ft h e s e a l g o r i t h m s a f t e ro p t i m i z a t i o n ，t h e p e r f o r m a n c eo ft h ep r o g r a mi sg r e a t l yi m p r o v e d 。w h e nat w o * c h a n n e lw a yf i l e s a m p l e da t4 4 。lk h z 诵攮9 5 6 4 5 7 6s a m p l e si sp r o c e s s e d , t h ef i v e - b a n de q u a l i z e ro n l y o c c u p i e sa b o u t19 嚣o fc p u sc y c l e s 。a n dt h er e v e r b r a t i o no c c u p i e sa b o u t21 2 o f c p u sc y c l e s ，a n dt h es r ，sw o wh do c c u p i e sa b o u t4 8 8 o fc p u sc y c l e s n e y a r ea l lr e a lt i m ea c h i e v e d k e yw o r d s ：a u d i op o s t p r o c e s i n g ，e q u a l i z e r , r e v e r b e r a t i o n , s r s v i r t u a l s u r r o u n d ，l x 518 0 ，o p t i m i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞塞鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：叶磐 签字日期： 2 0 v 8 年莎月午日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤凄盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) i 贯 学位论文作者签名：叶晷 导师签名： 签字日期：如8 年6 月 午日签字日期：。对年莎月乒日 第章绪论 1 1 课题研究麴背景 第一章绪论 在数字多媒体技术中，音频后处理的专用算法与m p 3 、m p e g 2a a c 、d o l b y a c 3 这类音频压缩标准一样有着重要的建蹙。这些算法主要雹括均餐、混螭、 动态范围压缩、低音增强、虚拟环绕等。通过音频后处理，可以对音频解码后的 输出信号进行调整，从而把家庭影院转化成任何形式的收听场所：从一个巨大的 教堂到一个爵士音乐俱乐部斡户外摇滚音乐会。按照a d i 公司s i g m ad s p 产晶经 理t h o m a si r r g a n g 的说法，后处理全都是露绕蔷o e m 厂商追求一个“签名声音”的 愿望开展的l 。正是出于这样的愿塑，音频后处理技术被众多产品所采用，包括 高清数字电视、手机、便携式媒体设备、影音器材、个人电脑和车载娱乐设备， 为处予各释环境孛斡各种设冬提供最好熬音囊。 目前，世界上许多公司开始致力于后处理的研究，最具代表性的当褐s i r s ( s o u n dr e t r i e v a ls y s t e m ) 实验室。s r s 实验室怒消费类电子音频信号处理领域 的领导者，开发可_ 以优化和提升呀觉效果的先进音频、语音和环绕音效技术。这 些技术都是建立在对人类听觉熬研究和调查基础之上嚣。透过与全球领先的裁造 商、半导体厂商以及软件合作伙伴合作，1 0 多亿使用s r s 音频技术的产品已被销 往全球各地。这些技术可以分为三个技术系列：s r sw o w 、s r st r u s u r r o u n d 和 s r sc i r c l es u r r o u n d 2 。在2 0 0 6 年交付静5 8 0 0 万宙平板电视中，3 8 采用了s r s 音频处理技术，s r s 实验室凭借这一点为高清数字电视的音频处理树立了标准净j 。 此外，s r s 实验室的环绕音效解决方案还让专业广播和录制行业得以拥有卓越的 制作、存储以及传送能力。最近s r s 实验室又摊邀了s r sm o b i l ee q e 3 ，这是一种 专为手机籀便携式媒体设备两设计的墨示均餐器( 音频均衡器) 解凌方案，支持 多达1 0 个频段。制造商能够将s r sm o b i l ee q 艘用于手机、p d a 、便携式媒体 播放器等多种移动设备，从而对频率范围进行极其精确的控制。用户能够按照个 性他的移动音乐和视频预先设置、制律和保存链们镳爱的声音风格，戳供耳机耧 扬声器收听之曩。除了用户的预先设置之井，s r s 实验室已经为s r sm o b i l ee q 专门预设了几种格式，包括古典、爵士、舞曲、r a p h i ph o p 、摇滚、演唱会和 标准( f l a te q ) 格式。 当然，除s r s 实验窒之努，其它公司懿噩、b b e 4 、桂泷等在后处理领域 也取得了突出的成就。 第章绪论 对鬻频后楚理算法熬硬究与实凌无论在理论上还是在斑溺上罄畜羞援箕重 要韵意义。首先，赉予孱内对这方面豹研究楣对薄弱，两在阑外，这些都避专利 技术，瓣到保护，通过本课题的研究，可以推进我国音频后处理技术的应用岛发 展。其次，后处理技术使褥设备制造商能够让其设蓊凭借更优骢音质从当今枣场 主懿其它产墨中麓颥褥穗，获瑟带来基大羹经济效盏。 1 2 音频后处理的实现方案 音频后处理系统豹实现方案多种多样，主要包括以下凡类： 一、专用芯片 专耀集成电路( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t , a s i c ) 是指应特定餍 户要求藕特定电子系统蕊霉要焉设计、裁造羹集成电路，芯片设计饕对专门麴算 法进行高度的优化，热有很高的性能和能源效率。但是专用芯片的开发周期长， 开发费用高，而且大燮的专用模块在算法修改时，无法适应新的算法，只能黧新 设计，秃法灵涯薨缀秘应震蛰致，对特殊环笺缺惹窿变能力。 二、通焉d s p 通用数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , d s p ) 的关键优势在子其可编 程的灵活性和强大的开发工具。兼顾灵活性牺牲了性能积能源效率。囝一时期螅 逶焉d s p 藕专鬟芯片糨篦，簧黠特定瓣算法，避爝d s p 羹韪理畿力慧是要低一 些。典型d s p 与典型嵌入式r i s c 处理器的重要麟别是对操作系统的支持。d s p 内部一般没有存储器管理单元( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ，m m u ) ，一般支持少 量实霹搡佟系统。 三、嵌天式r i s c 处理器 嵌入忒精简指令集( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r , r i s c ) 处理器烧通用 处理器，拥有很少的专用特点。主额逐渐提高，难使嵌入式r i s c 处理器能够胜 荏多媒体柽务。嵌入式r i s c 楚毽器在处理多媒体餐务霹逶常效搴较低，但宅在 应用软件开发方面其有许多优点。例如，嵌入式r i s c 处理器一般比前面讨论的 其它处理器更容易编糕，开发嵌入式r i s c 处理器上的软件非常类似于开发通用 诗算祝上泌软件，因褥有大量熟悉姥类1 开发豹人贤。 登、f p g a 鞭 现场可编程门阵刿( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y , f p g a ) 具有用户甜编程 的特性。刹用f p g a ，电子系统设计工程师可以矬实验室中设计燃专用i c ，察现 系统豁集成，飙磊大大缩短了产品秀发、上市戆黠润，降蕞了舞发成本。魏乡 爹p g 焱 还其有静态可重复编糕域在线动态爨构特往，镁硬件的功能可以像软件一样通过 第章绪论 编程来修改，不仅使设计修改和产品舞缓变褥十分方便，面且极大缝提高了魄子 系统瓣灵活性和通瘸能力。但灵活性是以牺牲能源效率和成本效率为代价的， f p g a 的能源效率通常低于专用芯片，而且价格较高，开发难度较大。 本文综合考虑了性能、价格、能源效率、灵活性等各方面的因素，势且针对 音豢盾处理算法翦特点，提窭并实现了基于l x 5 1 8 0 处理器平螽的方案。 l x 5 1 8 0 是一款r i s c 处理器，鼎有m i p s ( m i c r o p r o c e s s o rw i t h o u ti n t e r l o c k e d p i p e l i n es t a g e s ) 的体系结构。在众多类型的r i s cc p u 体系中，m i p s 是相当成功 戆一种。窦献1 9 8 3 年j o h nh e n n e s s y 在斯坦福大学成功缝完成了第一个采爝r i s c 理念f l c j m i p s 微处理器以来，基于m i p s 构架静c p u 在露络通信、多媒体娱乐等 领域得到了广泛应用。l x 5 18 0 处理器的主要特点如下【6 】： m i p s i 指令集的支持； 扩展蕊l e x r ar a d i a x 指令集，专门用子d s p 运算； 高性能的六缎流水线； 双乘累加( d u a lm a c ) 单元； 三个硬 牟加速的锺环缓誓( c i r e u l a rb u f f e r ) ； 篱纯翁存诸器管理单元( s m 羚掰) ； 可配置的指令存储器和指令缓存； 可配置的数据存储器和数据缓存； 霹选择熬雳户定义协处理器； 系统总线控制； 增强的e j t a g 提供不受干扰的调试支持； 墅l 。l 为l x 5 1 8 0 处理器的结构图。 i 淼蠡jii ：；珏j r a mr a mr o m 图1 - 1l x 5 1 8 0 处理器结构 s y s t e m 嚣毪 第一章绪论 1 3 音频后处理的系统结构 选择了音频后处理的实现方案聪，就需要确定音频后处理的系统结构了。通 常，音频怎处理的系统结梅有鼹种形式，分别如图l 乏和匿l 。3 所示。 塑1 - 2 串，音菝解码器帮音频蕨处理是分开进行翡，音频解码器壹主c p u 完成，而音频后处理则由协处理器配合实现，两者之间相互独立。这种系统结构 对c p u 的性能要求不是很高，但却需要增加额外的协处理器。 图l 。3 中，音频解褥器帮音频舞处理都由主c p u 完成。c p u 每解完一帧数 据君便存入b u f f e r l ，藉处理从b u f f e r l 串取一帧数据进行处理，然后存入b u f f e r 2 中播放。这种系统结构实现起来较为方便，但要求有较高的c p u 性能。 l x 518 0 的c p u 主频至少能达到18 0 m h z ，完全能够胜任整个音频播放系统 音频髂码器抽音频菪处理) 翡任务，毽我本课题数字电视音频后处理系统麓实 现将基于图1 3 所示的系统结构。 誊频辩璃 誊甄蠢娃瑾 流输入播放 主c p u 协处理b u f f e r 器 图1 2 音频后处理的系统结构1 觏吨 图 3 音频露链理翦系统结构2 篇章绪论 1 4 本课题的任务与本文的结构 本课题是泰鼎多媒体技术( 上海) 有限公司开发的数字电视项目中的一部分， 以l x 5 1 8 0 力开发平台，实现了多种音频后处理算法。 本论文熊结掏如- f ； 第章介绍了课题研究的背景弗讨论了音频后处理的几类实现方案，最终选 择l x 5 1 8 0 作为本课题的开发平台。 第二章分析了音频后处理算法酶一些基本原理。重点对参数均衡器设计方 法、混晌器设计方法以及s r s 虚拟环绕声算法中豹t r u b a s s 技术和s r s3 d 立体 声技术进行了深入的阐述。 第三章介绍了l x 5 1 8 0 开发平台，包括硬件结构和软件开发环境。 第四章论述了基于l x 5 1 8 0 开发平台懿算法实现与优纯。 第激章总结了本人所做的工作，并对进一步的工作做了展翅。 第二章裔频后处理算法的研究 第二章音频后处理算法的研究 音频后处理豹算法很多，主要包括：均衡、混晌、虚拟环绕、动态范戳鹾缩、 采样率转换等。本文主要针对前三种算法作详细的介绍。 2 。l 参数均衡器的设计 在音频处理中，均衡器可以改变音频信号的频响特性，实现不同的音响效果， 魏p o p ，r & b ，c l a s s i c 等。蚜囊器一般可分为图示均衡器帮参数均簿器。霆示均 衡器亦称图表均衡器，通过面板上摊拉键的分布，可直观地反映出所调出的均衡 补偿曲线，各个频率点固定，其提升和衰减情况目了然。参数均衡器需调整的 频率段较少，但其参数都可调，即每段的中心频率、增益、带宽或q 值都是可 熬乡 部调整躲，萁癍鼹更热灵活。下面篱单翁贫绍一下参数均簿器翦设计方法。 2 1 1 = 阶i i r 带通滤波器 参数均衡器设计的关键是带遥滤波器酶设计，一般采爰二阶i i r 滤波器作为 其原型。二阶i i r 滤波器的直接i 型结构如图2 。l 所示。传输溺数如下： 日( 岩) ；等生拦 ( 2 1 ) x 图2 - 1 = 阶i i r 系统的直接i 型结构 h ( z ) x ( z ) 要将箕设计成参数均衡器，对给定的频率进行增强或衰减，就需满足图2 2 第二章膏频后处理算法的研究 所示的幅频响瘟。扶图2 - 2 中可 冀很侠建褥到黯个重要的技术指标： 直流频率和奈圭斯特频率处的幅度必须兔0 d b 。 h ( e 川) = 日( 十1 ) = 1 h ( e 肛) = h ( - 1 ) = 1 在中心频率楚魏幅度必须是最大值或最小蘧。 云陆加) 喊l 。o 或 未| 嚣犯如) 喊| 2 。o ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 孛心频率韵增益为g 疆。增益镳g 由用户设定。 l 必( 霹7 蛳) 1 = 1 0 = k ( 2 - 5 ) 用4 个约束条件确定5 个德定系数，将会得到许多可能的解。在这些解中， 一个翳盥魏差爱裁是滤波器q 值或带宽戆不冠。一量带宽有了翡确豹定义和限 制，就可以得到唯一的一组解，满足所有约束条件。 a m p l ( d b r ) 诲。豫e - o 淞 嚣2 - 2 荣逶滤波器参数 2 1 2 带宽定义 一般认为滤波器的带宽为2 个边带上一3 d b 点之间的宽度。但是当滤波器中心 频率处的增益小于3 d b 时，这种定义便无法找到相应的带宽。r o b e r tb r i s t o w j o h n s o n 总结了各种对予带宽的定义黯认力m o o 愆的“m i d p o i n t 鹋g a i n ”是比较合 理麴定义，窝滤波器购带宽为两个边带上g 2d b 煮之藏酶宽度。o r f a n i d i s 关予参 第二章音频后处理算法的研究 数均衡器的论述也采用了该定义。j o h n s o n 指出，只要基于横间的带宽定义，各 种二阶滤波器的实现方法都是等价的，丽建立在科蕊d p o i n td bg a i n 上豹方法在 数学计髀上是比较简单的【7 1 。 关予带宽的另外一个闻题就是举位闻题。理论上，带宽是频率差，但在实际 应雳孛，经豢焉音阶( o c t a v e s ) 表示。lo c t a v e s 是捃逶带上截止频率是下截止频 率的2 倍膨j ，举个例子，一个带通滤波器的截止频率分别是l o o h z 和2 0 0 h z ，则 该滤波器的带宽为1o c t a v e s 。以此类推，1 3o c t a v e s 是2 3 ，即1 2 6 倍。 2 。1 。3 均衡器篱输函数的确定 这熙采用的方法是，先设计一个连续时间滤波器的原型，然后用双线性变换 法映射为离散时间滤波器。连续时阍滤波器的原燮函数如下： 氟) ：霉孥等( 2 - 6 ) s 2 + 2 勰。s + q 。 其中，鸵。为中心频率，k 为中心频率处的增益值，即k = 1 0 g 他o ，a 为待求漂数。 盘i 1 2 显然，岸歹妨= 嚣扣) 2b嚣( j n 。) = k ， 盖p 筒习n - - n , 0 以上4 个等式经双线性变换后能够满足前面提到的4 个约束条件。 接下来就是如何求解岱了。髓的值完全由带宽的指标来决定。根据2 1 2 节 中带宽的定义，通带边界频率处的增益僮为g 2d b ，霹 l 刍( 廊) k1 0 蕊g 2 ：4 - g 或 h u n ) 2 黼挺 代入式( 2 。6 ) 得， 2 = k 解方程得： q 2 = q 0 2 l l + 2 k o e 2 + _ 2 0 t k ( k a 2 + 1 ) i 则上边界频率为： q + 2 = q 0 2 i + 2 k f z 2 + 2 0 r k ( k 搿2 + 1 ) l 下边界频率为： q 一2 = q 。21 + 2 k a 2 2 a 气k ( k t z 2 + 1 ) | 设带宽为b w ，单位为o c t a v e s ，则 q + = q 一2 姗一q e ，其中= l n ( 2 ) b w q 2 9 一声= f 2 _ 2 e p 联合式0 8 ) 弱式2 一l0 ) 避一步得到 扛去卜2 k 因为露2 登须秀正值，所以将受璧禽去，并显进一步篱讫得 ( 2 7 ) ( 2 * 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - l o ) 第二章膏频后处理算法的研究 穗= 去触( 匀= 去泓叫 至此。连续时间滤波器设计完毕，其传输函数为 。“2 瓜s i n h f 掣6 小。s + q 。： l “” 娥曲2 i ；福嘶 倍疆2 k” ” 接下来的任务就是把连续时间滤波器变换成离散时间滤波器，这里采用双线 性变换法，鄄： 蓐卜手云 j 科o ) = 日o ) ，毒譬 这种变换是变量s 和z 之间的代数变换，它将s 平匾的整个蔺轴映射成z 平面 静整个单位匮震。因为一q 0 0 映射成一露缈万，掰以连续时瓣频率变量 和离散时间频率变量的变换必定是非线性的。 由箕m q 和z = 秽归，得 。 21 一暑21 一咎吖书 落2 珏2 = 一一2 一_ 从而，耻亍2t a n ( l 国2 一) ( 2 以2 ) 或国= 2 a r c t a n ( - 警 弘1 3 ) 从式( 2 1 3 ) 可以看刘，当把连续时间滤波器交换成离散时间滤波器时，将会 引入频率轴非线性压缩。如果按式( 2 - 1 2 ) 对连续时间滤波器的中心频率进行预畸 变，剥变换后嚣离散时阆滤波器豹中心频率将会满足预定的指标。 此势，频率轴毒# 线牲压缩还会影响弱逶带麴边界频率，导致带宽随着审心频 率的增大而逐渐缩小。为精确解决这一问题，可使用下面的等式替换式( 2 1 0 ) 来 求解口。 粼纨( 堕2 ) 2 妇= 叫墅2 )k 夕k夕 但是这样就得不到封闭形式的解了。一个不是很精确但很有效的方法是对带 宽进行补偿。用对数模拟频率在中心频率q 。处对对数数字频率求导，即 q ：三滋f 竺1 7 k2 夕 h 陆t n ( 手) 伯譬) 矛臻n 心舅 缈 甭2 s i n ( t o ) 第二章膏频后处理算法的研究 妇卜南搬( 2 - 1 4 ) 将式( 2 一1 2 ) 和式( 2 1 4 ) 代入式( 2 11 ) ，缀双线性变换后得 一高1 + 7 采反- 2 丽c o s ( c o o 游岛番 岱粉 鼽脚i m ( 掣6 w 南卜概) 将式( 2 * 1 5 ) 改写成式( 2 1 ) 的形式，褥到二阶i i r 滤波器的五令系数，即 ， 14 - 7 4 k 2 丽 6 l = 口l ：- 2 e o s ( 一c o o ) 1 + 7 4 k 珏巡 i 1 + yn 枝 1 一y | 4 k a ，= - 2 1 + y 4 k 檄据这五个系数豁计算公式，就可强设计爨在任何专心频率处，吴寿经何增 益和带宽的带通滤波器了。图2 - 3 就是根据以上设计，用m a t l a b 仿真出的滤 波器的幅频响应图，其中心频率分别为5 k h z 、1 0 k h z 和1 5 k h z ，增益分别为8 d b 、 6 d b 和3 d b ，带宽均设隽1o c t a v e ，采样率兔铤。l k h z 。壶餮2 - 3 可冕，该幅频喃 应完全满足设计指标。 霾2 。3 滤波器辐频辘或圈 第二章替频后处理算法的研究 2 。2 混响算法研究 不论是y a m a h a 提倡的d s p 模拟音场，迸是s o n y 独家的d i g i t a lc i n e m a s o u n d ，都是模拟电影院与音乐厅空阀特性的环绕音效后处理方式。面这种环绕 音效君处理方式罄愚以湿晌算法为基撼匏。 2 2 1 混晌的基本原理 混响是释童然醣声学效果，这种效果一般通过特殊戆建筑声学设计褥刘。如 果在混响室里产生一个声音，那么这个声音将带来大量的间隔非常短的回声，这 些回声魁由于声音在房间的墙壁、地板和天花板等表面反射而产生的。如图2 4 所示。 图2 _ 唾混响的产生 由于通过了较长的传播路程，经过反射后的声波将比直接传播的声波延时一 段时间进入人耳，且由予墙壁等反射面和空气的吸收作用，这然反射波的幅值要 毙直传波小。混嚷就是在这一系列的经过多次反射、延时帮衰减瓣声波共嗣俸餍 下产生的。 合邋的混响不仪可以让人产生空间感，而且可以美化声音、掩盖乐器噪声， 并能增强响度和音节的连贯性，使乐音更融合。健显然，固定的声学设计无法满 足现代多功能音乐厅所担受露不嗣声乐、醑众对最建灞噙效果的要求，焉传统上 采用在室内布置不同啜音系数的反射板方法不仅麻烦，而且难以调节到最佳效 果。因此随着人们对高品质音乐需求的日益增长，采用人工混响算法的方式根据 需要得到不露厅堂昀l 隧场感无疑是最好的解决方案【9 l 。 人工混璃霹虢通过物理遥远和听觉逼近这两稀不弼豹方式实现。物理逼避方 式就是通过对一个真实房间进行直接测量或建立一个虚拟房间的几何模型米获 得这个房间的脉冲响应。输入声源与该脉冲响应相卷积，便得到带有混响效果的 声音。尽管这饕方式可以逼真鲍产生混响效果，但它震要豹计算量太大，对于实 时生成算法来说不够灵活有效。昕镦逼近方式楚从入的听觉感知角度出发，通过 第二章音频后处理算法的研究 数字信号处理算法产生与自然混嫡没有听觉差异的人工混响。这种算法只是重建 自然混响的重点部分，因此毙物理遥近的方式更加有效。蜀前大部分混响算法采 用的都是听觉逼近的方式f l 川。 图2 。5 是房间脉冲响应的理论分拆示意图，室内声场由鬻中的直达信号、前 襄反射和蓐期瀑喃组成。其中直达箍号是声源不经过任 莓障碍耪直接到达人鼙麓 那部分，其传播路径较短，所以能爨损失少，幅度很强；前期反射是由一次或几 次反射的声音信号所组成，由于声音与反射面的碰撞以及空气的吸收作用，畿量 有所减少；后裳混响是声音经过多次反鸯砉磊叠加在一起两造成的，声音信号的密 度很高，且其能量隧着时闯呈指数递减翦形式。 幅度 图2 - 5 房闻脉浮穗应示意图 时闻 由此看出，混响算法的设计可以分为两个部分；一部分产生有限数量的离散 回声，酃蓠麓反射。另一部分生成醣指数形式衰减酶高密度圜声，鼯后期滢响。 前期反龛| 通常利用听音环境的几 毒模型计算褥到，最常焉豹方法是“声源一 镜像( s o u r c e - i m a g e ) 算法和“光线跟踪”( r a y - t r a c i n g ) 算法】。这里不再作详细 介绍。 后期混穗可以幂用数字滤波器来实现。旱在1 9 6 1 年前，更尔实验室靛 m i l s c h r o e d e r 就已经诞瘸；用简单的数字滤渡器仿真可以使混晌和入的真实听觉 感受之间的差别达到人耳不能分辨的程度，也就是说某个房间的混响完全可以用 数字滤波器进行模拟。剃用数字滤波器进行混响器的设计是毯前虚雳最为广泛戆 方法之，下面就常用的滤波混嫡设计方法逶霉亍介绥。 2 2 2 常用的混响设计方法 一、蘸状滤波器 梳状滤波器是一个带有后向反馈的延对电路，其原理框图、脉冲晌庭如图2 6 所示。 传输函数力； 荆= 嚣= 毒 第二章音频后处理算法的研究 x g y om2 m3 m4 m5 m 踅2 。6 梳状滤波器特征圈 n 由梳状滤波器的脉冲响应图可以看出，其幅度是随时间以指数形式衰减的， 这点与实际房闻孛螽期混噙翳衰减规律一致，但是其回声密度太低，且不随时阀 的增长丽加强，这就与实际混响不相符合了，另外它的频谱呈现明显的梳状滤波 特性，如图2 7 所示，这样对于不同的频率就会产生幅度的颤动，即声染色现象。 m a g n i t u d er e s p o n s e ( d 爨) 图2 7 梳状滤波器幅频响应图 = 、全遥滤波器 全遴滤波器是一个带有前商反馈支路斡蕊状滤波器，其驭壤框匿、脉冲响应 如图2 8 所示。 - g x g y 图2 8 垒通滤波器特征圈 n 秘p兽o_u石蟊篡 第二章音频后处理算法的研究 传输函数鸯： 日o ) 端塑：兰= = 燕( 2 1 7 ) 一 ( z )l 一影” 由全通滤波器的脉冲响应可以糟出，其幅度仍然是以指数彤式衰减的，且全 透滤波器鹃幅频璃应是一个常数，这样就链够克照棱状滤波器产生熬声染色现 象。但是单个全通滤波器的回声密度还是很低，无法满足实际应用的需要。 三、s c h r o e d e r 经典混响模型 努了达裂真实混嗡的效果，s c h r o e d e r 提出了最著名的一种设计，遥过锼耀并 联豹撬状滤波器积宰联豹全透滤波器来建立混晌模型，如鬣2 9 所示。其中溺个 梳状滤波器的延迟时间分别为3 5 m s 、4 0 m s 、4 5 m s 和5 0 m s ，两个全通滤波器的延 迟时间分别为5 m s 和1 7 m s 。 根据延迟时间，式( 2 1 6 ) 器2 17 ) 中的两个参数，霹衰减系数g 帮延迟长度m 就 可以确定了。 梳状滤波器的衰减系数g 可由式( 2 18 ) 计算得到【1 2 】； g = 1 0 心胛 0 1 8 ) 萁中专为滤波嚣靛延避时阊，t 巍整个混晌对闻。混晌时嚣一般定义隽矗羯混确衰 减6 0 d b l i j t 用的时间1 1 3 1 。若选定混响时间为l s ，则由以上公式计算得到的梳状滤 波器的衰减系数分别为：g l = 0 7 8 5 2 ，9 2 = o 7 5 8 6 ，9 3 = o 7 3 2 8 ，9 4 = 0 7 0 7 9 。 蔼个全遗滤波器的衰减系数均设为g = 0 。8 。 x 图2 9s c h r o e d e r 混响模溅【1 4 l 、 设工为信号翡采榉频率，煲l j 延迟长度m 宙以下公式确定： m = f z ( 2 1 9 ) 若设输入信号的采样频率为钳1k h z ，则梳状滤波器的延迟长度分别为 擦l = 0 0 3 5 x 4 4 1 0 0 = 1 5 4 4 ，撒2 = 1 7 6 4 ，m 3 = 1 9 8 5 ，m 4 = 2 2 0 5 t 全通滤波器的 第二章裔频后处理算法的研究 延迟长度分别2 2 0 帮7 5 。 根据以上计算褥判的系数，耀m a t l a b 对s c h r o e d e r 混晌模型进行了仿真， 得到的单位脉冲响应如图2 1 0 所示。由图可以看出s c h r o e d e r 混晌模型的回声密度 与采用攀个的梳状滤波器或全遥滤波器相比明显的增加了。 i m p u l s er e s p o n s e s a m p l e s 图2 1 0s e h r o e d e r 混响模型的脉冲响应 尽管s c h r o e d e r 懿这个涅璃模型产生豹效果离真实兹涅嗡效果仍然有一定黪 差距，如产生的回声密度仍然不够，对于短促声凿的响应较差，声音衰减时存在 声摆现象等，但它的设计思路为今聪混响算法的研究奠定了坚实的基础。 四、m o o r e 混响模型 m o o r e 混晌模型采用六个并联的带有低遁反馈回路的梳状滤波器帮个全 通滤波器来实现。在梳状滤波器的反馈回路中插入低通滤波器主蒙是为了模拟空 气对声音中高频成分的吸收特性。该滤波器截止频率的选择与回声距离d 有关。 m o o r e 在经过大量实验后褥到了一个在5 0 湿度情况下豹经验公式骓4 如下： l = 2 0 0 0 0 9 ：”“( 2 - 2 0 ) 根据以上公式，就可以确定滤波器的截止频率了。 为降低计算复杂度，低逶滤波器的原型一般选择单极点躺i l r 滤波器。其传 输蘧数设为： 第二章街频后处理算法的研究 雄，一嵩= 毒 其中g 为待求系数，由截止频率确定。 设截止频率为鳞，则在鳞处的幅度为3 d b ，即 解得 压 2 咄s ( 2 疗爿一 英中工为采样频率。 m o o r e 混响模型有效的模拟了空气对高频成分的吸收，但在回声密度上并没 有很大的改进。 五、嵌套全通滤波器【1 餐 除以上介绍的混晌模型外，v e r c o e 提出了嵌套全通滤波器的思想，即将一个 全通滤波器插入到另外一个全通滤波器的延时单元中去，如图2 1 1 所示。 一g x gv 匿2 。l l 嵌套全通滤波器 y 图2 - 11 中如果g ( z ) 只是一个延时单元，则该滤波器是标准的全通滤波器，如 果g z ) 也是一个全通滤波器，则滤波器为嵌套滤波器。其z 变换如下： 喇一粥= 丽g ( z ) - g 阱心群端 从上述公式可以看出，如果g ( z ) 的模为l ，则h ( z ) 的模也是1 ，也就是说，如 果g ( z ) 为全通滤波器的话，h ( z ) 也是全通滤波器。 采用嵌套滤波器的一个显著优点是嵌套滤波器中内部全逶滤波器生成静回 声可以通过外部滤波器的反馈环路蓬新彳乍为输入信号，因此对于脉冲响应来说其 第二章膏频后处理算法的研究 生成的圜声数虽远多于标准全适滤波器，并且回声之阕的间隔不像全通滤波器那 样是罄定的。 出予算法复杂度的考虑，本课题对混响的实现将基于s c h r o e d e r 的经典混响模 型，其系统框图如下： 图2 1 2 混晌系统结构阉 y 在该系统孛，增加了k ；和k ：糖个衰减系数，范围在0 刭l 之间，分别控制混 嫡信号翻漾始蔷号在整个输鑫中掰占静魄翱，从丽实现不同的混响效采。 2 3s r s 虚拟环绕声算法 传统的双声道立体声系统存在很多的缺点，翔声像位置不够宽广，听音位置 狭小等等，已经无法满足人们对声音品质越来越黼的要求。而多声道编码系统如 社毙环绕声，虽然能够很好的改善音壤，僵是会增加编解码算法的复杂度。同时， 对音嚷的摆敖，藏音的环境都有较高的要求。康掇环绕声系统瓣毽现有效地解决 了以上问题。虚拟环绕声技术的基本原理是根据人类听觉系统的生理和心理特性 对双声道立体声进行处理，只需通过两只音箱就可以再现三维声场的声学特燃和 空阗特性，使入产生被声场包蚕的感赏鞋雏。 在多种虚拟环绕声技术中，代袭技术有3 种 i 6 】； 美国d e s p e rp r o d u c t s 公司的s p a t i a l i z e r ； 魏拿大os o u n d 实验室的oe x p a n d e r ； 美藿s r s 实验室的s o u n dr e t r i e v a ls ；c s t e m ，箍稔s r s 。 第二章音频后处理算法的研究 其中s r s 以其简单独特的处理方法帮自然逼真酶声场重现，箨到了谗多商 家的青昧。需要说翡酌是，s r s 包括多种技术，如s r sw o wh d 、s r st m s u r r o u n d h d 、s r sc i r c l es u r r o u n d 等。本课题仅实现s r sw o wh d 的功能，源代码由 s r s 实验室提供。 2 。3 1s r sw o w 篱介 s r sw o w 是出美国s r s 实验室根据人类听觉系统的动力学原理及心理声 学原理丽研究出来的一种专剩音响技术，适焉予双声道立俸声系统或单声道系统 的后处理阶段，可以最著扩展声像宽度，提高低酱效果以及嵌入式音频系统的动 态范围，营造出一个邋真的立体声场，使聆听者谢身临其境的感觉，因而在电脑， 因特网，家庭影院，以及便携式的音频播放系统巾褥到了广泛的应用。 s r sw o w 包括三耪主要懿技术，它韶分别是：f o c u s 、t r u b a s s 潋及s r s 3 d 立体声。 f o c u s 是一种基于头部相关传递函数( h e a dr e l a t e dt r a n s f e rf u n c t i o n , h r t f ) 鲢处理方法。它主要蘑来改变声豫在垂直方蠢上的位置，倒如有些大屏 幕电视的扬声器位予屏幕的下方，为了达到声音与图像的融合，需要适当的提升 原来的声像，f o c u s 就能实现这样的效果。另外还改善了高频清晰度，为听众 提供了轻松的音乐环境。 t r u b a s s 是一静剩雳心理声学技术来强讫低音表现翡技术，它可以改善低音 和超低齑音频，使之产生大容量扬声器的声音效果。它利用出现在原始声源的谐 波来恢复低频声调，从而再生低频倍息，可以传递出比扬声器溅耳机的物理低频 下限低8 度音除翡丰富低音感觉。 s r s3 d 处理基于另岁 的一组头部褶关传递滋数。它主要瘸来提取琴瑟鬟现在 录音或还原过程中丢失了的空间信息和方向信息，实现声像谯水平方向上的扩 展。 2 3 。2s r sw o w h d 基本模块 随着影音行业跨入高清( h d 时代的脚步豳益加快，目前众多的音频安验 室纷纷推戡了薪一代的对应h d 的音频标准，继桂毙和d t s 两大环绕声晶牌推 出h d 新标准之后，s r s 实验室也攘出了最新的标准，被称为w o wh d 。 s r sw o w h d 音效技术是w o w 技术的升级版本，是一项用来加强消费电子 产品和电视音响效果的技术。这项技术可以让用户根据自己的鬻要和环境调整音 响效果。举个例子来说，通过w o wh d 技术，用户想在足球转播中褥清楚主持 人的解说和嘉宾的评述，可以将这部分声音单独调高，同时将背景中球场声音过 第二章音频篇处理算法的研究 滤出去，如此便更具身临其境之感f 捌。w o wh d 技术不仅可以帮助用户调整声 响效果，还提供了高清晰度音频增强功能，并麴强了低音处理效果。除了s r s3 d 立体声、t r u b a s s 技术、f o c u s 技术之外，s r sw o wh d 又新增 h i g hd e f i n i t i o n 、 l i m i t e r 等技术【1 8 1 ，如