一种定向声音虚拟低频增强方法、系统、介质和设备与流程

本发明涉及音频处理技术领域，尤其涉及一种定向声音虚拟低频增强方法、系统、介质和设备。

背景技术：

音频中的低频成分对听音感受起着至关重要的作用，直接影响到声音的丰满的、浑厚感和空间感。超声波定向声音的低频部分是超声波搭载技术的最难点。传统的低频增强方法采用音频均衡器直接增强低频能量，这种方法容易造成重放信号畸变，严重时甚至可能损坏音频系统。相比而言，虚拟低音增强技术具有较优的效果。虚拟低音技术形成于心理声学理论，人感知重低音时，并不主要依靠低音的基频，而更多地是依靠该基频的各次谐频，即使低音信号的基频被抑制，只要其各次谐频以及这些谐频的关系依然存在，那么对于人耳而言，仍然能够感觉到低音效果。现有的虚拟低音增强算法在处理音频信号时，大多将音频信号分为瞬态信号和稳态信号。针对瞬态信号和稳态信号分别采用不同的运算方法得到谐频，最后产生的虚拟低音信号包含大量的失真，不能很好的还原真实音质。

技术实现要素：

鉴于以上现有技术存在的问题，本发明提出一种定向声音虚拟低频增强方法、系统、介质和设备，主要解决现有技术低频信号处理效果差的问题。

为了实现上述目的及其他目的，本发明采用的技术方案如下。

一种定向声音虚拟低频增强方法，包括：

将音频信号进行分路处理，分别得到所述音频信号的高频信号和低频信号；对所述低频信号进行降采样；

根据降采样得到的采样点计算低频信号的幅度谱和相位谱；

根据所述幅度谱计算响应谐频幅度与基频幅度的比例因子；

利用所述比例因子对各次谐频进行指数衰减，得到衰减谐频幅度；

根据所述衰减谐频幅度和对应的所述相位谱，得到谐频时域信号；

对所述谐频时域信号进行升采样，得到虚拟低频信号；

将所述虚拟低频信号与所述高频信号进行叠加，得到输出音频信号。

可选地，所述将音频信号进行分路处理之前，还包括：

每次读取一帧信号，设置一帧信号包含N个点；

设置信号读取间隔为N/2。

可选地，所述对低频信号进行降采样，至少包括：

设置采样间隔、窗函数以及窗函数滑动间距，依据采样间隔得到采样点，对所述采样点进行加窗处理。

可选地，所述计算低频信号的幅度谱和相位谱的实现方式还包括：对降采样得到的采样点进行傅里叶变换以得到低频信号的幅度谱和相位谱。

可选地，所述计算响应谐频幅度与基频幅度的比例因子，至少包括：

设置待构造的谐频频率范围；

根据所述频率范围结合傅里叶变换得到的傅里叶级数，计算低频信号多阶谐频点处的幅度，得到构造的谐频幅度；

根据所述谐频幅度的幅值利用声压级计算公式，计算频谱范围内的频率点对应的声压级；

根据所述计算得到的声压级，采用插值法得到不同声压级下对应的响应谐频幅度与基频幅度的比例因子。

可选地，对所述谐频时域信号进行升采样之前还包括：

对所述时域信号进行加窗处理，将一帧低频信号的处理结果的前半帧与上一帧低频信号的处理结果的后半帧进行叠加，得到半帧虚拟低频信号；将所述一帧低频信号的处理结果的后半帧保留，用于与下一帧低频信号处理结果进行叠加。

可选地，所述对谐频时域信号进行升采样至少包括：

对所述半帧虚拟低频信号进行插值运算，得到近似低频信号；

采用与所述降采样同样的采样间隔进行升采样，还原所述近似低频信号的采样频率，得到虚拟低频信号。

一种定向声音虚拟低频增强系统，包括：

音频分路模块，用于将音频信号进行分路处理，分别得到所述音频信号的高频信号和低频信号；

时频转换模块，用于根据降采样得到的采样点计算低频信号的幅度谱和相位谱；

衰减运算模块，用于根据所述幅度谱计算响应谐频幅度与基频幅度的比例因子，并利用所述比例因子对各次谐频进行指数衰减，得到衰减谐频幅度；

时频逆转换模块，用于根据所述衰减谐频幅度和对应的所述相位谱，得到谐频时域信号；

采样模块，用于对所述低频信号进行降采样，对所述谐频时域信号进行升采样以得到虚拟低频信号；

信号融合模块，用于将所述虚拟低频信号与所述高频信号进行叠加，得到输出音频信号。

一种计算机可读存储介质，其中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器加载执行时，实现所述的定向声音虚拟低频增强方法。

一种设备，包括处理器、存储器和定向扬声器；其中，

所述定向扬声器用于定向播放经过处理的音频信号；

所述存储器用于存储计算机程序；

所述处理器用于加载并执行所述计算机程序，使得所述设备执行所述的定向声音虚拟低频增强方法。

如上所述，本发明一种定向声音虚拟低频增强方法，具有以下有益效果。

通过窗函数和降采样，减少计算量，有利于提高低频声音处理效率；通过相应谐频幅度和基频幅度的比例因子进行谐频衰减，可以有效增强虚拟的低频音质。

附图说明

图1为本发明定向声音虚拟低频增强方法的流程图。

图2为本发明一实施例中的定向声音虚拟低频增强系统模块图。

图3为本发明一实施例中的设备结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

超声波定向声音的低频部分一直是超声波搭载技术的一大难点，也是阻碍现实应用的最大难题。传统的技术常采用音频均衡器直接增强低频能量，这种方法容易造成重放信号畸变，严重时甚至可能损坏音频系统。因此，目前处理低音信号多采用基于心理学的虚拟感知低频技术。心理学上认为人感知重低音时，并不主要依靠低音的基频，而更多地是依靠该基频的各次谐频，即使低音信号的基频被抑制，只要其各次谐频以及这些谐频的关系依然存在，那么对于人耳而言，仍然能够感觉到低音效果。现有的虚拟低音增强算法在处理音频信号时，大多将音频信号分为瞬态信号和稳态信号。针对瞬态信号和稳态信号分别采用不同的运算方法得到谐频，最后产生的虚拟低音信号包含大量的失真，不能很好的还原真实音质。基于现有虚拟低频处理方法的不足，本方案提出一种定向声音虚拟低频增强算法。

图1为本发明定向声音虚拟低频增强方法的流程图。

所述定向声音虚拟低频增强方法包括步骤S01-S08：

在步骤S01中，对每帧音频信号进行分路处理得到该帧音频信号的高频信号和低频信号。

具体地，读取音频的模拟信号，每次只读取模拟信号中的一帧信号，在一实施例中，可以设置一帧信号长度N为16×1024个点，读取每帧信号的间隔即为帧移，设置帧移为8×1024个点。帧移为每帧信号长度的一半，可以使前后两帧信号有半帧的信号会产生交叠。增加前后两帧信号进行低频处理得到的虚拟低频信号的关联性。

将读取的一帧信号分成两路，其中一路输入高通滤波器，进行高通滤波，得到一帧信号的高频信号；另一路输入低通滤波器，进行低通滤波，得到一帧信号的低频信号；作为示例，低通滤波器的参数为：Fp＝1000Hz，Ap＝1dB，As＝40dB；高通滤波器的参数为：Fp＝150Hz，As＝40dB，Ap＝1dB。其中Fp为通带截止频率，As为阻带衰减，Ap为通带纹波。

在步骤S02中，对低频信号进行降采样：

在一实施例中，可以对经过低通滤波器后得到的低频信号进行M倍降采样，M为大于1且小于一帧信号长度的正整数；这里以16倍降采样为例，对一帧信号进行16倍降采样，获取一种信号中长度间隔为15的点。设一帧信号长度N为16×1024个点，则可以得到1024个采样点。设置窗函数，用于截取得到的采样点，减少计算量。设置窗函数的滑动间隔，即帧移。帧移决定了信号经过傅里叶变换后的时间分辨率。

在步骤S03中，根据降采样得到的采样点计算低频信号的幅度谱和相位谱：

在一实施例中，对降采样得到的采样点进行傅里叶变换以得到低频信号的幅度谱和相位谱，这里以FFT(Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换)为例。由于FFT的结果为复数序列或复数向量，对每个采样点对应的复数进行取模运算，得到采样点的幅度，将所有采样点的幅度整合起来构成一帧信号的幅度谱。再直接提取傅里叶得到的表达式中包含的相位信息，整合所有采样点的相位信息得到一帧信号的相位谱。

在步骤S04中，计算响应谐频幅度与基频幅度的比例因子：

再根据采样点幅度的大小利用声压级计算公式计算谐频范围内的频率点对应的声压级。具体地，由于需要构造谐频来虚拟低频信号，因此，可以预先设置待构造的谐频频率范围。通常，500Hz以上的频率已经不能通过对应的谐频信号来虚拟出原有的音调。这里以40～150Hz的频率范围为例，公知地，声压可以用幅度的有效值来表示，根据采样点的幅度大小，可以计算出40～150Hz范围内频率点的声压大小。再利用声压级计算公式计算谐频频率范围内频率点的声压级。声压级计算公式为：

SPL＝20*lg(p/p0)

其中，SPL表示声压级；p表示谐频频率范围内频率点的声压；p0表示参考声压。

根据频率范围结合傅里叶变换得到的傅里叶级数，计算低频信号多阶谐频点处的幅度，得到构造的谐频幅度；在一实施例中，可以将40～150Hz的频率范围分为三个频段，包括40～50Hz频段、50～70Hz频段和70～150Hz频段，分别构造低频4阶、5阶、6阶，3阶、4阶、5阶，2阶、3阶、4阶谐频点处的幅度。

具体地，可以根据计算的声压级，采用插值法得到不同声压级下响应谐频幅度与基频幅度的比例因子。可以采用哈密特插值法、分段插值法、样条插值法或牛顿插值法构造插值函数，利用插值函数在40～150Hz谐频范围内针对多个频率点插入近似幅度，得到构造的幅度谱。构造的谐频幅度与基频幅度的比值即为不同声压下响应谐频幅度与基频幅度的比例因子。

在步骤S05中，利用所述比例因子对各次谐波进行指数衰减，得到衰减谐频幅度。

在另一实施例中，为了简化计算，相位信息直接用原频率点处的相位代替。

在步骤S06中，根据所述衰减谐频幅度和对应的所述相位谱得到半帧虚拟低频时域信号。

其中，该步骤包括：根据所述衰减谐频幅度和对应的所述相位谱进行傅里叶反变换，得到时域信号；对获得的时域信号进行处理以获得半帧虚拟低频信号。

在一实施例中，可以设置窗函数对时域信号进行加窗处理，再将处理后的时域信号的前半帧结果与上一帧信号的后半帧处理结果进行叠加，得到半帧虚拟低频信号。将当前时域信号的后半帧留存，用于与下一帧处理结果的前半帧进行叠加。在另一实施例中，也可以采用正弦求和的方式，逐点构造半帧虚拟低频信号，省去加窗和半帧交叠相加的过程。

在步骤S07中，对所述半帧虚拟低频时域信号进行升采样，得到虚拟低频信号。

对所述半帧虚拟低频信号进行插值运算，可以采用哈密特插值法、分段插值法、样条插值法或牛顿插值法构造插值函数，根据插值函数计算得到近似低频信号；对近似低频信号进行M倍升采样，在一实施例中，可以采用与降采样同样的采样间隔进行升采样，还原所述近似低频信号的采样频率，得到虚拟低频信号。

在步骤S08中，将所述虚拟低频信号与所述高频信号进行叠加获得输出音频信号。

在该步骤中，将虚拟低频信号与经过高通滤波器得到的高频信号进行叠加并输出。

在一实施例中，也可以重复设置谐频频率范围，继续计算响应谐频幅度与基频幅度的比例因子及以后的步骤，直到500Hz以内的低频信号处理完毕。

根据本发明的实施例，还提供了一种计算机存储介质，存储介质中存储有计算机程序，该计算机程序执行时可以实现前述的定向声音虚拟低频增强方法。计算机存储介质可以包括计算机存储的任何可用介质或者包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。可用介质包括磁性介质(如：软盘、硬盘、磁带)、光介质(如：DVD)、半导体介质(如：固态硬盘)等。

请参阅图2，本实施例提供一种定向声音虚拟低频增强系统，包括：音频分路模块10、时频转换模块12、衰减运算模块13、时频逆转换模块14、采样模块11和信号融合模块15。由于本系统实施例的技术原理与前述方法实施例的技术原理相似，因此不再对同样的技术细节做重复性赘述。音频分路模块10用于执行前述方法实施例中的步骤S01，时频转换模块12用于执行前述方法实施例中的步骤S03，衰减运算模块13用于执行前述方法实施例中的步骤S04和S05，时频逆转换模块14用于执行前述方法实施例中的步骤S06，采样模块12用于执行前述方法实施例中的步骤S02和S07，融合模块15用于执行前述方法实施例中的步骤S08。

本领域技术人员应当理解，图2实施例中的各个模块的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以全部或部分集成到一个或多个物理实体上。且这些模块可以全部以软件通过处理元件调用的形式实现，也可以全部以硬件的形式实现，还可以部分模块通过处理元件调用软件的形式实现，部分模块通过硬件的形式实现。例如音频分路模块可以为单独设立的处理元件，也可以集成在某一个芯片中实现。此外，也可以依程序代码的行驶存储于存储器中，由某一个处理与案件调用并执行音频分路模块的功能。其它模块的实现与之类似。这里所述的处理元件可以是一种集成电路，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤或以上各个模块可以通过处理器元件中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。

请参阅图3，本实施例提供一种设备，包括通过总线连接的存储器21、处理器20和定向扬声器22；定向扬声器22用于定向播放经过处理的音频信号；存储器21用于存储计算机程序；处理器20用于加载并执行所述计算机程序，使得设备执行前述方法实施例中的全部或部分步骤。

存储器21可能包含随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

上述的处理器20可以是通用处理器，包括中央处理器(Central ProcessingUnit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，简称DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field－ProgrammableGate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

综上所述，本发明一种定向声音虚拟低频增强方法、系统、介质和设备，通过降采样以及加窗处理减少计算量，提高实时处理声音信号的效率；通过前后两帧信号半帧交叠，增强信号的关联性，增强处理后的信号的关联性，有利于增强还原后的低频音调。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。