一种混合虚拟低音增强处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及音频处理技术领域，具体涉及一种混合虚拟低音增强处理方法。
【背景技术】
[0002] 随着多媒体设备的小型化、轻便化，嵌入在这些设备中的扬声器在尺寸上有很严 格的限制，由于扬声器的体积限制，小型扬声器的低频重放能力很差，但是音频中的低频成 分对听音感受起着很重要的作用，直接影响声音的洪亮度、丰满度、浑厚感和空间感。如何 改善小型扬声器的低频表现是音频设计领域亟待解决的问题。
[0003] 传统的低频增强方法是采用音频均衡器直接增强低频能量，这种方法会导致扬声 器效率降低、重放信号产生畸变，严重时甚至可能损坏扬声器系统。相比而言，虚拟低音增 强技术是一种较为有效的解决方法。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波，即使低音信号的基频被抑 制，只要其各次谐波以及这些谐波的关系依然存在，那么对于人耳来说，仍然能够感觉到低 音效果。虚拟低音增强技术利用了这一现象，将低于扬声器截止频率的成分滤除，并适当增 加其倍频点处的谐波能量，利用扬声器在谐波频段的重放能力较强的优势，可从主观听觉 上虚拟出低音效果。
[0004] 现有的虚拟低音增强算法主要是基于非线性器件的和基于相位声码器的还有基 于两者结合的混合虚拟低音增强算法，基于非线性器件的方法处理速度较快，对于瞬态信 号所产生的低音效果较好，比如鼓声等，但是对于稳态信号会产生非线性畸变。基于相位声 码器算法是通过短时傅理叶变换得到音频信号的时频信息，然后通过增加信号低频成分相 位变化率的方式产生谐波。这种方法比较灵活，有效地控制了信号畸变，但是处理速度较 慢，而且相位声码器为了得到更高的低频分辨率，必须在时域中有一个很大的分析窗口，这 样会对瞬态信号产生一定的失真，所以基于相位声码器的低音增强算法处理稳态信号有较 好的表现。混合的虚拟低音增强系统结合了非线性器件和相位声码器的优点，将音频信号 分别通过两种谐波生成器，将得到的信号经过一个谐波能量控制模块以分配两者的比例。 然而，由于输入到两种谐波生成器的音频信号是包含瞬态成分和稳态成分的原始信号，所 以基于非线性器件生成的谐波会带有稳态信号的失真，而基于相位声码器生成的谐波会带 有瞬态信号的失真，因此最后产生的虚拟低音信号包含了大量的失真，不能很好的还原真 实的音质。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了解决现有技术存在的缺点和不足，提供一种新型的混合虚拟 低音增强处理方法。该方法利用了声源分离算法，将原始音频信号中的瞬态和稳态信号先 分离开后再分别进行相应的虚拟低音处理，克服了传统方法失真度高的不足，显著提高了 虚拟低音增强的效果。
[0006] 为了达到上述目的，本发明采用了下述技术方案：
[0007] -种混合虚拟低音增强处理方法，该信号处理方法首先将原始音频的同一通路信 号分为两路，其中一路经过起始频率为Fc的高通滤波处理后得到高于扬声器截止频率Fc 的部分，经延时处理后得到高频信号；另一路信号经过截止频率为Fc的低通滤波处理得到 低频信号；将低频信号经过信号分离处理，得到瞬态成分和稳态成分；将瞬态成分和稳态 成分分别经过相应的虚拟低音处理后得到虚拟低频信号，并与高频信号叠加，得到虚拟低 音增强后的音频信号。其具体步骤如下：
[0008] (1)将原始音频的同一通路信号分为两路，其中一路经过高通滤波处理得到高于 扬声器截止频率Fc的部分，再经延时处理后得到高频信号；另一路经过截止频率为Fc的低 通滤波处理后得到低频信号。
[0009] (2)将低频信号经过瞬态/稳态分离模块，得到低频信号的瞬态成分和稳态成分。 [0010] (3)将低频信号的稳态成分经过基于相位声码器的虚拟低音生成模块，得到稳态 成分的虚拟低音；将低频信号的瞬态成分经过基于非线性器件的虚拟低音生成模块，得到 瞬态成分的虚拟低音。
[0011] (4)根据等响度曲线对步骤（3)产生的稳态成分和瞬态成分的虚拟低音进行谐 波幅度控制，使各谐波响度满足等响度曲线，并合称为一路，得到幅度控制后的虚拟低音信 号。
[0012] (5)将步骤⑴得到的高频信号与步骤⑷得到的幅度控制后的虚拟低音信号合 成为一路，得到虚拟低音处理后的音频信号。
[0013] 本发明的一种混合虚拟低音增强处理方法与现有技术相比较，具有如下优势：
[0014] 本发明考虑了音频信号中普遍具有瞬态成分和稳态成分，首先利用瞬态/稳态信 号分离算法将原始音频中的瞬态成分和稳态成分分离开来，再利用传统的基于非线性器件 的虚拟低音生成模块和基于相位声码器的虚拟低音生成模块进行虚拟低音处理，大大减少 了虚拟低音处理的稳态失真和瞬态失真，使虚拟低音处理后的音频信号在保留原始品质的 同时增强了低音效果，增强了音频的洪亮度、丰满度、浑厚感和空间感。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明混合虚拟低音增强处理方法的总流程框架示意图。
[0016] 图2为图1中的虚拟低音处理模块的具体流程示意图。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述，但本发明的实施方式不限 于此。
[0018] 本发明的混合虚拟低音增强处理方法，音频信号中包含着瞬态成分和稳态成分， 利用瞬态/稳态信号分离算法将原始音频信号中的瞬态成分和稳态成分分离开来，然后分 别通过基于非线性器件的虚拟低音生成模块和基于相位声码器的虚拟低音生成模块进行 虚拟低音处理，然后将得到的两路虚拟低音信号经过谐波幅度控制使其满足等响度曲线并 合成为一路，最后将得到的虚拟低音信号与原始音频信号经高通滤波和延时处理后得到的 高频信号进行叠加，得到混合虚拟低音增强处理后的音频信号。如图1、图2所示，具体实施 步骤如下：
[0019] (1)将原始音频信号xOTi (t)分为两路，其中一路通过起始频率为Fc的高通滤波 器，得到高于扬声器截止频率Fc的信号，然后经过延时处理模块得到原始信号的高频信号 xH(t)，另一路通过截止频率为Fc的低通滤波器，得到低于扬声器截止频率Fc的低频信号 xL(t)；
[0020] (2)将低频信号A(t)输入到虚拟低音处理模块，得到虚拟低音信号x'Jt)，具 体实施步骤如下：
[0021] (2-1)将低频信号& (t)经过HPSS声源分离算法处理后可将瞬态信号和稳态信号 从原始信号中分离出来，得到稳态信号xu(t)，和瞬态信号&P(t)。具体分离算法如下：
[0022] a.将低频信号&(t)进行短时傅里叶变换（STFT)，得到低频信号的时频谱矩阵， 记为ff是一个NXK的复数矩阵，其中N表示时频谱总共的时间样点数，K表示每个时间 样点所拥有的频率样点数。<