一种老唱片音槽轨迹的提取分析方法与流程

[0001]
本发明涉及针对老唱片音槽轨迹的提取分析方法，尤其是音槽轨迹扫描图像的灰度化、 二值化和去噪技术。凹槽的扫描图像展开成一幅具有位置坐标的便于观察的平面图像。图像 上是一条条不同的亮度的条带


背景技术：

[0002]
唱片是人类历史上第一种成熟大规模应用的声音保存载体。老式唱片的原理是将声音信 号通过调制设备转变为机械震动，将机械振动信号记录在盘式胶木唱片(密纹唱片)的轨道 上，音槽轨道上凹凸不平的音槽坑包含有老唱片所携带的音频信号。在老唱片播放音频时， 探针在老唱片上按照音槽轨道上游走，将所产生的机械震动振动转化为电信号，然后再通过 一系列解调、放大最终到喇叭单元，驱动喇叭产生声音信号。因此老唱片载体中含有的声音 信号保存在音槽轨迹中。老唱片文物修复过程中，为了避免唱针摩擦对唱片的损坏，非侵入 式无损伤的老唱片音频保存方式是有必要的。现有老唱片音频文物的无损伤保存研究尚在初 期阶段，国内外开展了以红外线和激光扫描非接触式唱头的研究，但此类技术对设备、实验 和工作环境要求比较高，实现难度较大。采用现代图像处理方法提取老唱片音槽轨迹并加以 分析处理难度较低，可以实现无损伤老唱片文物保护和有声档案数字化。
[0003]
本专利提出的方法主要完成对扫描图像的音槽轨迹提取和图谱编码转化为简单音频信号 的功能，输入的是老唱片高清扫描图像，输出的是经过去噪后的简单音频信号。本专利提出 的方法安全、高质、高效的完成老唱片文物数字化工作，可使我国的历史录音资料和唱片文 物保护技术达到并超越国际同类水平。


技术实现要素：

[0004]
提出了一种老唱片音槽轨迹的提取分析方法。采用本发明所述方法，能将老唱片承载的 音频信号进行数字化保存，具有抗干扰能力强、非侵入性无损伤、快捷高效等特点。本发明 的技术方案如下：
[0005]
1.一种老唱片音槽轨迹的提取分析方法，包括下列步骤：
[0006]
1)将输入的老唱片扫描图像转换为灰度图像l；
[0007]
2)对l进行直方图均衡化，均衡后结果用i表示；
[0008]
3)提取图像i的音槽轨迹，经观察图片，音槽轨迹为音槽轮廓偏向中线的较明亮区域， 方法如下：
[0009]
第1步：使用3
×
3的高斯滤波器平滑图像，首先生成二维高斯分布矩阵，将g(x,y)与灰 度均衡化图像i做卷积运算进行高斯平滑滤波：
[0010][0011]
f
s
(x,y)＝i(x,y)*g(x,y)
[0012]
第2步：求取图像的梯度；用一阶偏导的有限差分来计算梯度的幅值和方向，记水平方 向梯度为gx和竖直方向梯度gy，每一个像素的梯度大小为梯度方向为 梯度方向通常垂直于边缘方向；
[0013]
第3步：对于求取梯度后所有像素，遍历模值图像，若某一点的模值大于沿着其幅角方 向与其相邻的两个像素的模值，则认为该点是局部极大值点，保留它的模值不变，否则将其 模值设为零，对于数字图像中任意点(x,y)其8邻域点考虑以下4种情况，即点(x,y)只能为水 平、垂直、35
°
和135
°
方向中某一个方向上对应3个像素点中的梯度值模局部极大值点， 若点(x,y)是该方向上梯度值局部极大值点，点(x,y)就是候选边缘点，模极大值方程为 我们依据如下公式遍历局部模极大值：
[0014]
①
若θ＝0或θ＝π，比较(m-1,n)，(x,y)和(x+1,y)三个点对应的模值；
[0015]
②
若或比较(m,n-1)，(x,y)和(x,y+1)三个点对应的模值；
[0016]
③
若或比较(m-1,n+1)，(x,y)和(x+1,y-1)三个点对应的模值；
[0017]
4)提取音槽轨迹后，将轨迹信息和音频图谱进行简单编码转化，方法如下：
[0018]
第1步：将音槽轨迹确定坐标零点，将音槽轨迹按照立体空间坐标系x-y-z展开，坐标系 最小单位为um，提取包含深度信息的z轴方向坐标值保存至矩阵a中，
[0019]
第2步：计算唱针在老唱片上匀速转动时的摩擦力f＝μfn，fn为唱针给老唱片的压力， 各类型唱针压力值恒定，不同类型的唱针压力值一般不同可根据实际情况选取，
[0020]
第3步：考虑音槽轨迹在x方向和y方向上轨迹曲线，则此时轨迹曲线在x-y坐标轴构 成的平面内，将音槽轨迹曲线随着音槽的变化呈现不同的曲率变化，计算各段不同的其曲率 和质心，将最终处理结果作二维矩阵记录在矩阵e中；
[0021]
第4步：将唱针摩擦力f、音槽轨迹曲线的z轴方向坐标值、曲率和质心特征值与声音的 波长和频率相对应，进行音频编码。
[0022]
本专利提出的老唱片音槽轨迹的提取分析方法，包括灰度化、灰度均衡化、音槽轨迹提 取以及轨迹信息和音频图谱进行简单编码转化等步骤。首先将输入的老唱片音槽扫描图片转 换为灰度图像；接下来进行直方图均衡化处理来增强对比度；然后进行音槽轨迹提取，主要 包括高斯滤波平滑、求取梯度、遍历所有像素值求局部模极大值步骤；最后将轨迹信息和音 频图谱进行简单编码转化。本发明方法的特征有：1)安全高效的实现老唱片音频数字化保存； 2)与其他老唱片音频数字化方法相比，难度较低；3)不损伤老唱片文物。
附图说明
[0023]
图1老唱片部分音槽扫描图
[0024]
图2部分实验结果
[0025]
(a)直方图均衡化的音槽图像(b)老唱片音槽轨迹提取图
具体实施方式
[0026]
所提方法主要包括：灰度化、灰度均衡化、音槽轨迹提取以及轨迹信息和音频图谱
进行 简单编码转化。包括：
[0027]
1、灰度化
[0028]
本专利所提方法首先将输入的彩色扫描文档图像转换为灰度图像。首先判断输入扫描文 档图像类型。如果是灰度图，则直接进入到下一步；如果是彩色图，则使用以下过程转换为 灰度图像。
[0029]
用c表示输入彩色扫描文档图像，其红、绿、蓝三通道图像分别用c
r
、c
g
和c
b
表示。 使用式(1)得到灰度图像，并用l表示，即有：
[0030][0031]
2直方图均衡化
[0032]
由于光照以及显微成像设备等原因，可能导致老唱片音槽扫描图亮度偏暗。使用直方图 均衡化调节l的灰度对比，增强结果用i表示。具体过程如下：
[0033]
算法1：直方图均衡化
[0034]
第1步：计算l中的像素的总和以及当前灰度级的像素个数，分别用n和nk表示；
[0035]
第2步：使用式(2)对l进行直方图均衡化，即有：
[0036][0037]
3、高斯平滑滤波
[0038]
噪声对于轨迹提取的干扰较大。高斯滤波器能够很好的消去噪声干扰。使用高斯滤波器 对i进行平滑处理，处理结果用f表示。具体过程如下：
[0039]
算法2：高斯平滑滤波
[0040]
第1步：选取高斯核函数，使用3
×
3的高斯滤波器平滑图像。高斯核函数为
[0041][0042]
第2步：将g(x,y)与灰度均衡化图像i做卷积运算进行高斯平滑滤波；
[0043]
f
s
(x,y)＝i(x,y)*g(x,y)
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0044]
4、梯度计算
[0045]
音槽轨迹在图像中属于高频信号，一阶导数的幅值可用于检测图像中的某个点处是否存 在一个边缘。用一阶偏导的有限差分来计算梯度的幅值和方向。记水平方向梯度为gx和竖 直方向梯度gy，每一个像素的梯度大小为梯度方向为梯度方 向通常垂直于边缘方向。
[0046]
5.模极大值计算
[0047]
对于求取梯度后所有像素，遍历模值图像，若某一点的模值大于沿着其幅角方向与其相 邻的两个像素的模值，则认为该点是局部极大值点，对于局部极大值点需要保留它的模值不 变，否则将其模值设为零。具体过程如下：
[0048]
算法3：局部模极大值计算
[0049]
第1步：对于数字图像中任意点(x,y)其8邻域点考虑以下4种情况，即点(x,y)只能为水 平、垂直、35
°
和135
°
方向中某一个方向上对应3个像素点中的梯度值模局部极大值点。 若点(x,y)是该方向上梯度值局部极大值点，点(x,y)就是候选边缘点。
[0050]
第2步：模极大值方程为
[0051]
第3步：我们依据如下思路遍历局部模极大值：
[0052]
①
若θ＝0或θ＝π，比较(m-1,n)，(x,y)和(x+1,y)三个点对应的模值；
[0053]
②
若或比较(m,n-1)，(x,y)和(x,y+1)三个点对应的模值；
[0054]
③
若或比较(m-1,n+1)，(x,y)和(x+1,y-1)三个点对应的模值。
[0055]
5.音槽轨迹信息和音频图谱进行简单编码转化
[0056]
提取音槽轨迹后，将轨迹信息和音频图谱进行简单编码转化，本专利使用以下方法：
[0057]
第1步：将音槽轨迹确定坐标零点，将音槽轨迹按照立体空间坐标系x-y-z展开，坐标系 最小单位为um。提取包含深度信息的z轴方向坐标值保存至矩阵a中，
[0058]
第2步：计算唱针在老唱片上匀速转动时的摩擦力f＝μfn，fn为唱针给老唱片的压力， 各类型唱针压力值恒定，不同类型的唱针压力值一般不同可根据实际情况选取。
[0059]
第3步：考虑音槽轨迹在x方向和y方向上轨迹曲线，则此时轨迹曲线在x-y坐标轴构 成的平面内。将音槽轨迹曲线随着音槽的变化呈现不同的曲率变化，计算各段不同的其曲率 和质心，将最终处理结果作二维矩阵记录在矩阵e中；
[0060]
第4步：将唱针摩擦力f、音槽轨迹曲线的z轴方向坐标值、曲率和质心特征值与声音的 波长和频率相对应，进行音频编码。
[0061]
采用windows7系统下的matlab 2016a作为实验仿真平台。选用显微扫描得到的老唱片 音槽轨迹作为测试采用本专利所提方法对测试图像进行处理，得到了良好的处理效果，处理 结果能够满足老唱片文物音频数字化要求。
[0062]
图1为老唱片部分音槽扫描图，图2所示部分处理结果，其中(a)为直方图均衡化的音槽 图像，(b)为老唱片音槽轨迹提取图。