專利名稱：：基于子帶分解的特殊音效鑲邊的處理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及數(shù)字音效處理技術(shù)，尤其涉及基于子帶分解的特殊音效鑲邊的處理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：數(shù)字音效是一種人工對采集的數(shù)字音頻信號進(jìn)行增強(qiáng)、濾波、調(diào)制等再處理的過程。通過對原始聲音的音效處理，可以產(chǎn)生各種虛擬空間或具有幻覺色彩的特殊音色，增強(qiáng)聽覺效果。鑲邊音效(flanging)作為特殊音效的一種，可以給原始聲音帶來一種周期性游移的聽覺效果，廣泛應(yīng)用于電子吉他和搖滾音樂的音效處理中。鑲邊處理實際上就是音頻信號經(jīng)延時后再疊加在原始信號上而產(chǎn)生的梳狀濾波效應(yīng)。目前，鑲邊處理普遍采用的是調(diào)制模式，即音頻信號的延遲時間被一個超低頻信號進(jìn)行調(diào)制，也就是延遲時間由短到長勻速掃描所產(chǎn)生的聲音效果。傳統(tǒng)的調(diào)制鑲邊處理都是從全時域上對原始聲音進(jìn)行延時疊加，并未考慮頻域因素。然而，人耳作為聲音的最終受信者對不同頻率聲音的感知能力是不同的。除此之外，可以證明不同音域聲音鑲邊處理的效果不僅與鑲邊處理的參數(shù)有關(guān)，還與被處理信號的頻率有關(guān)。因此，為了有效地提高鑲邊性能，應(yīng)不僅從時域上，還應(yīng)從頻域處理上加以考慮?，F(xiàn)有的鑲邊處理的一般模型如圖1所示，動態(tài)延時單元將原始聲音信號χ(ηΤ)進(jìn)行動態(tài)延時生成x(nT-d(nT))，其中T為采樣周期，d(nT)為動態(tài)延時調(diào)制波。動態(tài)延時后的信號在增益因子a2(0<a2彡1)的控制下與直達(dá)信號x(nT)(ai*X(nT)的增益因子，0<B1^1)疊加混合形成鑲邊處理的輸出信號y(nT)y(nT)=B1X(nT)+a2x(nT-d(nT))(1)圖1中的動態(tài)延時調(diào)制波形可以是正弦波、三角波、指數(shù)波或?qū)?shù)波。不同的調(diào)制波形和頻率以及增益因子將產(chǎn)生不同的鑲邊效果。假設(shè)圖1中的動態(tài)延時單元采用的是正弦調(diào)制波形d(nT)=y(1-cos(2^r))(2)其中Fd是調(diào)制頻率，D為最大延時。取輸入信號x(riT)為單頻正弦信號，即x(nT)=cos(2πf0nT)(3)其中fO為正弦信號的頻率。此時，鑲邊處理輸出可分解為y(nT)=O1X(HT)+θ,(ηΤ)χ(ηΤ)+θ2(ηΤ)χ(ηΤ)⑷式中θJnT)=a2sin[23if。d(nT)](5)θ2(nT)=a2cos[2πf0d(nT)]其中為χ(ηΤ)的正交信號，即x{nT)=sin(2<0r)。(6)由4式和5式可以看出，一個單頻輸入信號經(jīng)過調(diào)制鑲邊處理后由三個分量組成，其中一個是受增益因子^控制的原始信號，其余兩個是受調(diào)制變參θJnT)和θ2(ητ)調(diào)制的原信號和其正交信號，并且調(diào)制變參由增益因子％、動態(tài)延時調(diào)制波d(nT)和被調(diào)信號頻率&控制。由于增益因子a2和動態(tài)延時調(diào)制波d(nT)在鑲邊處理的最初設(shè)定，因此a2和d(nT)的掃描頻率以及掃描范圍對一次鑲邊處理而言是恒定的。但是調(diào)制變參還與被調(diào)制信號的頻率fo有關(guān)。在實際的鑲邊處理中，被處理信號一般是由許多個頻率分量以及它們的諧音組成的復(fù)合信號。因此，全時域鑲邊處理必然會造成在一次鑲邊處理的過程中，不同頻率信號分量之間的調(diào)制變參幅度相同，但調(diào)制變化速率不同。這種參數(shù)間的相同和不同是由調(diào)制鑲邊處理器先天決定的，并未考慮被調(diào)制信號自身的特點(diǎn)對調(diào)制變參進(jìn)行精心的選擇。研究表明，人耳對于可聞音域范圍(2020kHz)內(nèi)不同音域的聲音敏感程度是不一樣的。傳統(tǒng)的全時域鑲邊處理會由于未考慮頻域因素而影響最終的鑲邊處理效果。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足提出一種能達(dá)到更好的鑲邊處理效果的基于子帶分解的特殊音效鑲邊的處理系統(tǒng)，它通過下述技術(shù)方法來實現(xiàn)所述系統(tǒng)包括第一正交鏡像濾波器組、第二正交鏡像濾波器組、抽取處理單元、內(nèi)插處理單元以及第一至第三鑲邊處理單元，所述每一正交鏡像濾波器組包含由對應(yīng)高通濾波器G1(ζ)或G2(ζ)和低通濾波器H1(ζ)或H2(ζ)組成的分析濾波器單元和由對應(yīng)高通濾波器K1(ζ)或K2(ζ)和低通濾波器B1(ζ)或B2(ζ)組成的綜合濾波器單元，原始聲音輸入信號x(nT)首先送至第一正交鏡像濾波器組的分析濾波器單元，由高通濾波器G1(ζ)和低通濾波器H1(ζ)將信號分解成高音域和中低音域，中低音域信號送至抽取處理單元進(jìn)行21的抽取以降低工作速率，抽取處理后的信號送至第二正交鏡像濾波器組的分析濾波器單元，由高通濾波器G2(ζ)和低通濾波器H2(ζ)將信號分解成中音域和低音域，這樣，所述濾波器H2(z)、G2(Z)和G1(Ζ)分別輸出了信號χ(ηΤ)的低、中、高三個音域的信號，該低、中、高三個音域的信號分別送至對應(yīng)的第一、第二和第三鑲邊處理單元進(jìn)行鑲邊處理，由第一、第二鑲邊處理單元分別處理后的低音域和中音域信號送至第二正交鏡像濾波器組的綜合濾波器單元，由高通濾波器K2(ζ)和低通濾波器B2(ζ)疊加合并形成一路信號，該信號經(jīng)內(nèi)插處理單元按12插值還原到所述抽取處理前的工作速率，經(jīng)第三鑲邊處理單元處理后的信號和經(jīng)內(nèi)插處理單元處理后的信號最后由第一正交鏡像濾波器組的綜合濾波器單元的高通濾波器K1(ζ)和低通濾波器B1(ζ)疊加合并形成最終的特殊音效鑲邊處理的輸出信號y(nT)。所述系統(tǒng)進(jìn)一步的設(shè)計在于，通過子帶分解將輸入信號分解為三個音域后，在各個鑲邊處理單元，針對各個音域的特點(diǎn)，適當(dāng)選擇和設(shè)置鑲邊調(diào)制參數(shù)，提高和改善鑲邊處理效果。對于低音域和高音域，人耳不敏感，可以適當(dāng)增大增益因子a2的值來提高調(diào)制變參的幅度。由于延時疊加的時差不同，其鑲邊處理的作用域也不同，因此將各音域鑲邊處理的動態(tài)延時調(diào)制波d(nT)修改為d{nT)=Dhlgh~Dlow(1-cos(2^FnT))+Dlow(7)其中Dlow和Dhigh分別為對應(yīng)延時疊加時差的下限和上限。按修改后的7式來設(shè)置調(diào)制波的參數(shù)，就可以精確、有效地設(shè)定各個音域動態(tài)延時調(diào)制波的掃描范圍。所述系統(tǒng)更進(jìn)一步的設(shè)計在于，對于中音域，它是聲音的主體，其鑲邊處理動態(tài)延時調(diào)制波的優(yōu)選值為Dlow=3ms,Dhigh=17ms,即動態(tài)延時調(diào)制波的掃描范圍為3_17ms。本發(fā)明的發(fā)明人通過對傳統(tǒng)調(diào)制鑲邊處理方法的分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)鑲邊調(diào)制僅從時域上進(jìn)行處理，沒有有效地利用音頻信號的頻域特點(diǎn)?；谶@一問題，利用子帶分解的思想，提出了一種新的基于子帶分解的時、頻鑲邊處理方法和系統(tǒng)，將輸入信號分解成低、中、高三個音域，針對各個音域信號的特點(diǎn)，分別進(jìn)行鑲邊處理，獨(dú)立、靈活地設(shè)置和調(diào)整各個音域信號鑲邊處理的參數(shù)，達(dá)到既能實現(xiàn)高效的鑲邊效果，又能擬合人耳的聽覺特性，實現(xiàn)高效的時、頻域鑲邊處理，有效改善和提高了鑲邊處理的性能。圖1是現(xiàn)有全時域鑲邊處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明鑲邊處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行仿真實驗的實施例1的頻譜圖。圖4是本發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行仿真實驗的實施例2的頻譜圖。具體實施例方式對照圖2，本發(fā)明系統(tǒng)主要由第一正交鏡像濾波器組、第二正交鏡像濾波器組(以下簡稱濾波器組)、抽取處理單元、內(nèi)插處理單元以及第一至第三鑲邊處理單元組成。兩個濾波器組分別由對應(yīng)的分析濾波器單元和綜合濾波器單元組成。第一濾波器組的分析濾波器單元由高通濾波器G1(ζ)和低通濾波器H1(ζ)組成，綜合濾波器單元由高通濾波器K1(ζ)和低通濾波器B1(ζ)組成。第二濾波器組的分析濾波器單元由高通濾波器G2(ζ)和低通濾波器H2(ζ)組成，綜合濾波器單元由高通濾波器K2(ζ)和低通濾波器B2(ζ)組成。上述兩組子帶分解濾波器均是等間隔劃分頻帶。原始聲音輸入信號χ(nT)首先通過第一濾波器組的分析濾波器單元，經(jīng)高通濾波器&(ζ)和低通濾波器H1(ζ)一分為二分解成高頻段和中低頻段兩路信號，其中高通濾波器G1(Z)輸出的高頻段構(gòu)成輸入信號χ(ηΤ)的高音域信號。低通濾波器H1(ζ)輸出的中低頻段信號將通過第二組分析濾波器再次分解，分解為中、低兩個頻段，分別構(gòu)成輸入信號χ(ηΤ)的中音域和低音域信號。在此之前，為了提高工作效率，利用奈奎斯特定理，將低通濾波器H1(Z)輸出的中低頻段信號先送至抽取處理單元進(jìn)行21的抽取處理以降低工作速率。抽取處理后的中低頻段信號送至第二濾波器組的分析濾波器單元，經(jīng)高通濾波器G2(ζ)和低通濾波器H2(Z)—分為二分解為中、低兩個頻段，它們分別形成輸入信號x(riT)的中音域信號和低音域信號。這樣，濾波器&(ζ)、G2(ζ)和吐(2)的輸出端就分別形成了輸入信號x(riT)的高、中、低三個音域的分解信號。這低、中、高三個音域的信號分別送至對應(yīng)的第一、第二和第三鑲邊處理單元進(jìn)行鑲邊處理。在各個鑲邊處理單元，可針對各個音域的特點(diǎn)，分別進(jìn)行鑲邊處理，適當(dāng)?shù)剡x擇和設(shè)置鑲邊調(diào)制參數(shù)，提高和改善鑲邊處理效果。研究表明，人耳對中間l_4kHz音域的聲音信號較敏感，對更低或更高音域的聲音不敏感。鑲邊處理中延時疊加的時差小于Ims時，鑲邊效果集中在高音域；延時疊加的時差在3-17ms時，鑲邊效果集中在中音域；延時疊加的時差在17-35ms時，鑲邊效果集中在低音域。對于低音域和高音域，人耳不敏感，可以適當(dāng)增大增益因子a2來提高調(diào)制變參的幅度。如上所述，延時疊加的時差不同，其鑲邊效果的作用域也不同，因此可以對動態(tài)延時調(diào)制波d(nT)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷膩硖岣邔?yīng)音域的鑲邊效果。例如，當(dāng)對中音域進(jìn)行鑲邊處理時，傳統(tǒng)的做法是選擇延時調(diào)制波形后，將其最大延時設(shè)為17ms。如將2式中的D設(shè)為17ms，此時延時調(diào)制波將在0-17ms范圍內(nèi)按照設(shè)定的頻率勻速掃描。但是，研究表明，延時疊加的時差只有在3-17ms時鑲邊效果才集中在中音域。因此O到3ms延時疊加后的鑲邊效果并不集中在中音域。所以，對中音域的鑲邊處理而言，O到3ms的延時疊加是沒有必要的。為了能夠精確、有效地設(shè)定各個音域鑲邊處理延時調(diào)制波的掃描范圍，將動態(tài)延時調(diào)制波即2式修改為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(7)其中Dlow和Dhigh分別對應(yīng)延時疊加時差的下限和上限。對于中音域的鑲邊處理，可以選擇Dlow=3ms,Dhigh=17ms，此時動態(tài)延時調(diào)制波的掃描范圍為3-17ms。這樣按修改后的7式來設(shè)定延時調(diào)制波的參數(shù)，就可以精確、有效地設(shè)定各個音域動態(tài)延時調(diào)制波的掃描范圍。經(jīng)三個鑲邊處理單元鑲邊處理后的高、中、低三個音域的信號再通過第一、第二濾波器組的綜合濾波器單元合并為一路信號。第一鑲邊處理單元輸出的低音域信號和第二鑲邊處理單元輸出的中音域信號首先送至第二濾波器組的綜合濾波器單元，經(jīng)高通濾波器K2(Z)和低通濾波器B2(Z)疊加合并形成一路信號。該信號經(jīng)內(nèi)插處理單元按12比例插值處理還原到抽取處理前的工作速率。合并還原后的中低音域信號再與第三鑲邊處理單元輸出的高音域信號一起送至第一濾波器組的綜合濾波器單元，經(jīng)高通濾波器K1(ζ)和低通濾波器B1(ζ)疊加合并形成最終的特殊音效鑲邊處理的輸出信號y(nT)。上述系統(tǒng)進(jìn)行仿真實驗的實施例如下實施例1仿真實驗數(shù)字化采樣頻率Fs=22.05kHz,每個采樣數(shù)據(jù)編碼長度為16bit。利用正交鏡像濾波器組將音域分為低、中和高三個音域，對應(yīng)頻段分別為0-2.75625kHz、2.75625-5.5125kHz和5.5125-11.025kHz。參考G.722，選擇24階FIR濾波器作為雙通道分析濾波器的原型濾波器。圖2中氏(2)和&(2)的系數(shù)由表1給出，其它濾波器的系數(shù)可由H1(ζ)和B1(ζ)的系數(shù)通過正交鏡像濾波器組的設(shè)計公式計算得出。本系統(tǒng)對位于低、中和高音域頻率分別為300Hz、3000Hz和IOkHz的三個單頻正弦信號所組成的混合信號進(jìn)行了實驗。表1分析原型濾波器系數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>圖3給出了三個單頻混合信號鑲邊處理后的頻譜圖，其中圖(a)為傳統(tǒng)鑲邊處理的輸出，鑲邊處理的參數(shù)為=a2=0.5，D=35ms,Fd=0.2Hz。圖(b)和圖(c)為基于子帶分解的時、頻鑲邊處理輸出，其低和中音域的增益因子均為^=a2=0.5，圖(b)高音域的增益因子=0.8、a2=0.2，圖(c)高音域的增益因子=0.2、a2=0.8，其余參數(shù)與傳統(tǒng)鑲邊處理相同。圖3中，前三根主譜線分別代表300Ηζ、3000Ηζ和IOkHz的頻率分量(后三根為它們的對稱值)，圍繞在這三根主譜線(主分量)周圍的是鑲邊處理產(chǎn)生的邊分量。比較圖(b)和圖(c)可看出，增大或減小高音域的增益因子％，可以獨(dú)立地增大或減小高音域鑲邊處理輸出的主分量(注意比較三個分量的相對大小)，增大或減小高音域的增益因子a2，可以獨(dú)立地增大或減小高音域鑲邊處理輸出的邊分量，而不會影響到低、中音域的鑲邊處理。實施例2本實施例是通過在不同音域上設(shè)定延時調(diào)制波的掃描頻率或范圍來獨(dú)立調(diào)節(jié)不同音域的鑲邊處理輸出。圖4給出了通過對中音域信號鑲邊處理的延時調(diào)制波參數(shù)的選擇來獨(dú)立調(diào)節(jié)中音域鑲邊處理輸出的頻譜圖。圖4中，三個子圖的低音域和高音域鑲邊處理參數(shù)由表2給出；三個子圖的中音域鑲邊處理增益因子相同均為=1.0,a2=2.0(這里僅是為了使實驗結(jié)果更清晰放大了增益因子)，其余參數(shù)由表3給出。比較圖(a)和(b)可看出，通過改變掃描頻率F可以改變鑲邊處理輸出邊分量的大小。比較圖(b)和(c)看出，通過改變掃描范圍可以改變鑲邊處理輸出的邊分量分布。由表3可知，(c)圖的掃描范圍為l-3ms。如前所述，l-3ms的延時疊加鑲邊效果并不集中在中音域，因此(c)圖中中音域的邊分量消失了，由此證明將2式修改為7式的正確性。上述實施例子和實驗結(jié)果表明，本發(fā)明系統(tǒng)通過音域的分割可以獨(dú)立、靈活地設(shè)置和調(diào)節(jié)不同音域的鑲邊處理參數(shù)，精確、有效地控制不同音域鑲邊處理的輸出。表2低、高音域鑲邊處理參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表3中音域鑲邊處理參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>本系統(tǒng)還對一個時長為16秒的吉他彈奏片斷gitar.wav進(jìn)行了實驗，利用Matlab的WAVPLAY函數(shù)，對經(jīng)本發(fā)明系統(tǒng)鑲邊處理后的gitar.wav文件進(jìn)行了音頻輸出。從主觀聽覺來看，新的基于子帶分解的時、頻鑲邊處理系統(tǒng)能夠有效地提高鑲邊處理效果。權(quán)利要求基于子帶分解的特殊音效鑲邊的處理系統(tǒng)，其特征在于包括第一正交鏡像濾波器組、第二正交鏡像濾波器組、抽取處理單元、內(nèi)插處理單元以及第一至第三鑲邊處理單元，所述每一正交鏡像濾波器組包含由對應(yīng)高通濾波器G1(z)或G2(z)和低通濾波器H1(z)或H2(z)組成的分析濾波器單元和由對應(yīng)高通濾波器K1(z)或K2(z)和低通濾波器B1(z)或B2(z)組成的綜合濾波器單元，原始聲音輸入信號x(nT)首先送至第一正交鏡像濾波器組的分析濾波器單元，由高通濾波器G1(z)和低通濾波器H1(z)將信號分解成高音域和中低音域，中低音域信號送至抽取處理單元進(jìn)行2∶1的抽取以降低工作速率，抽取處理后的信號送至第二正交鏡像濾波器組的分析濾波器單元，由高通濾波器G2(z)和低通濾波器H2(z)將信號分解成中音域和低音域，這樣，所述濾波器H2(z)、G2(z)和G1(z)分別輸出了信號x(nT)的低、中、高三個音域的信號，該低、中、高三個音域的信號分別送至對應(yīng)的第一、第二和第三鑲邊處理單元進(jìn)行鑲邊處理，由第一、第二鑲邊處理單元分別處理后的低音域和中音域信號送至第二正交鏡像濾波器組的綜合濾波器單元，經(jīng)高通濾波器K2(z)和低通濾波器B2(z)疊加合并形成一路信號，該信號經(jīng)內(nèi)插處理單元按1∶2插值還原到所述抽取處理前的工作速率，經(jīng)第三鑲邊處理單元處理后的信號和經(jīng)內(nèi)插處理單元處理后的信號最后由第一正交鏡像濾波器組的綜合濾波器單元的高通濾波器K1(z)和低通濾波器B1(z)疊加合并形成最終的特殊音效鑲邊處理的輸出信號y(nT)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于子帶分解的特殊音效鑲邊的處理系統(tǒng)，其特征在于所述鑲邊處理單元對對應(yīng)音域鑲邊處理采用的動態(tài)延時調(diào)制波d(nT)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中Dlow和Dhigh分別為對應(yīng)延時疊加時差的下限和上限。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于子帶分解的特殊音效鑲邊的處理系統(tǒng)，其特征在于對于中音域鑲邊處理，其優(yōu)選值為Dlow=3ms,Dhigh=17ms。全文摘要本發(fā)明涉及基于子帶分解的特殊音效鑲邊的處理系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括第一正交鏡像濾波器組、第二正交鏡像濾波器組、抽取處理單元、內(nèi)插處理單元以及第一至第三鑲邊處理單元，每一濾波器組包含由對應(yīng)高通濾波器G1(z)或G2(z)和低通濾波器H1(z)或H2(z)組成的分析濾波器單元和由對應(yīng)高通濾波器K1(z)或K2(z)和低通濾波器B1(z)或B2(z)組成的綜合濾波器單元，輸入信號x(nT)經(jīng)兩個濾波器組的分析濾波器單元分解成低、中、高三個音域，分別送至對應(yīng)的鑲邊處理單元進(jìn)行鑲邊處理，鑲邊處理后的三個音域的信號再經(jīng)兩個濾波器組的綜合濾波器單元合并成一路輸出信號y(nT)，在對中、低音域信號進(jìn)行分解之前和合并之后，通過抽取和內(nèi)插處理來降低工作速率。通過音域的分割和各音域的單獨(dú)鑲邊處理有效改善了鑲邊處理效果。文檔編號G10H1/06GK101819764SQ20091026473公開日2010年9月1日申請日期2009年12月31日優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日發(fā)明者劉維富,吉曉東,周婧潔,陳建平,顧翔申請人:南通大學(xué)