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CN109036455B - 直达声与背景声提取方法、扬声器系统及其声重放方法 - Google Patents

直达声与背景声提取方法、扬声器系统及其声重放方法 Download PDF

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CN109036455B
CN109036455B CN201811072475.6A CN201811072475A CN109036455B CN 109036455 B CN109036455 B CN 109036455B CN 201811072475 A CN201811072475 A CN 201811072475A CN 109036455 B CN109036455 B CN 109036455B
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signal
sound
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direct
sound signal
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蔡野锋
马登永
沐永生
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Zhongke Shangsheng Suzhou Electronics Co ltd
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Zhongke Shangsheng Suzhou Electronics Co ltd
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Abstract

本发明涉及一种直达声与背景声提取方法，能够较好地区分直达声与背景声。本发明还涉及一种扬声器系统及其声重放方法。一种直达声与背景声提取方法，包括如下步骤：S1、分别将左声道信号xL(n)和右声道信号xR(n)进行短时傅里叶变换得到分别对应左声道信号和右声道信号的XL(m,k)和XR(m,k)，其中n表示时域采样点，m和k分别表示离散时间和离散频率；S2、引入空间因子，将背景声信号表达为一个信号经过房间内的不同传递路径而产生的信号，并分别对XL(m,k)和XR(m,k)进行能量估计，得出左右声道的能量PL(m,k)和PR(m,k)；S3、设定空间因子的值，进行信号分离得出时频域的直达声信号的估计
Figure DDA0001802037180000011
左声道背景声信号的估计
Figure DDA0001802037180000012
和右声道背景声信号的估计
Figure DDA0001802037180000013
S4、经过逆傅里叶变换得到时域的直达声信号
Figure DDA0001802037180000014
左声道背景声信号
Figure DDA0001802037180000015
和右声道背景声信号
Figure DDA0001802037180000016

Description

直达声与背景声提取方法、扬声器系统及其声重放方法
技术领域
本发明涉及立体声双通道信号转换为多通道信号的方法，具体涉及一种基于频域空间分解的直达声与背景声提取方法、扬声器系统及其声重放方法。
背景技术
目前大多数的音源仍然是立体声的，包括CD、MP3、广播信号等都是双通道输出，仅有左右通道(L、R)，所有的特征信息，比如直达声信号、混响声信号、声源位置、声场空间大小等都包含在两个通道内。当采用多个扬声器重放立体声音源时，如果直接将左右通道信号馈给各个扬声器，会造成空间声场的混乱。因此，需要采用数字信号处理技术将立体声信号转换为多通道信号，通过多个扬声器系统进行重放，以构建真实的空间声场。
传统处理方法一般采用时域逐点计算的方法，在分离直达声和背景声信号时，由于相关系数是采用逐点计算的方法，容易引入误差，导致直达声与背景声不能很好的区分。
如美国专利US6496584B2和中国专利ZL01802081.X公开的基于主成分分析(PCA)的方法，采用最小均方误差法计算左右通道的加权因子，分离出语言声与背景声，通过计算左右通道间的相关系数，确定在三维坐标下声信号的矢量关系，然后根据能量守恒原则将语言声与背景声分为左、中、右和环绕四个信号，再通过去相关滤波器把环绕信号分为左后和右后环绕，实现双通道到5通道的转换。这种方法从时域上进行计算，方法简单，运算速度快，但是通过PCA分析只能分离出一个环绕信号，而利用去相关滤波器分离左后和右后环绕的方法会产生一定的误差。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提出一种直达声与背景声提取方法，能够较好地区分直达声与背景声。本发明还旨在提出一种基于该直达声与背景声提取方法进行声重放的扬声器系统及其声重放方法。
根据本发明的第一个方面，本发明采用的技术方案为：
一种直达声与背景声提取方法，包括如下步骤：
S1、分别将左声道信号xL(n)和右声道信号xR(n)进行短时傅里叶变换得到分别对应左声道信号和右声道信号的XL(m,k)和XR(m,k)，其中n表示时域采样点，m和k分别表示离散时间和离散频率；
S2、引入空间因子，将背景声信号表达为一个信号经过房间内的不同传递路径而产生的信号，并分别对XL(m,k)和XR(m,k)进行能量估计，得出左右声道的能量PL(m,k)和PR(m,k)；
S3、设定空间因子的值，进行信号分离得出时频域的直达声信号的估计
Figure GDA0002661859700000021
左声道背景声信号的估计
Figure GDA0002661859700000022
和右声道背景声信号的估计
Figure GDA0002661859700000023
S4、经过逆傅里叶变换得到直达声信号
Figure GDA0002661859700000024
左声道背景声信号
Figure GDA0002661859700000025
和右声道背景声信号
Figure GDA0002661859700000026
在一实施例，步骤S1中，
Figure GDA0002661859700000027
Figure GDA0002661859700000028
其中，J表示空间中存在的直达声源的个数，sj(n)表示某个时刻的直达声信号，
Figure GDA0002661859700000029
分别表示直达声信号分配给左右通道信号的系数，nL(n)和nR(n)分别表示左右通道的背景信号；
Figure GDA00026618597000000210
Figure GDA00026618597000000211
其中，Sj(m,k)表示时频域的直达声信号，
Figure GDA00026618597000000212
分别表示直达声信号分配给左右通道信号的系数的时频域表达式，NL(m,k)和NR(m,k)分别表示左右通道的背景信号的时频域表达式。
在一实施例中，步骤S2具体包括：
S21、在某一时间m和某一频段k，只存在一个声源Si，则
Figure GDA0002661859700000031
Figure GDA0002661859700000032
Figure GDA0002661859700000033
其中，AL、AR分别表示直达声信号分配给左右通道信号的系数；
S22、引入空间因子BL(m,k)和BR(m,k)，得出如下表达式，NL(m,k)＝BL(m,k)N(m,k)，NR(m,k)＝BR(m,k)N(m,k)，
Figure GDA0002661859700000034
Figure GDA0002661859700000035
Figure GDA0002661859700000036
Figure GDA0002661859700000037
其中，N(m,k)表示时频域的背景信号，bL(m,k)、bR(m,k)分别表示左右通道空间因子的幅度，
Figure GDA0002661859700000038
分别表示左右通道空间因子的相位；
则，XL(m,k)和XR(m,k)分别简化为：
XL(m,k)＝AL(m,k)S(m,k)+BL(m,k)N(m,k)
XR(m,k)＝AR(m,k)S(m,k)+BR(m,k)N(m,k)
左右声道信号之间的相关系数
Figure GDA0002661859700000039
其中，E{}表示信号的期望；
S23、从能量角度可以得出左右声道的能量PL(m,k)和PR(m,k)分别为：
Figure GDA0002661859700000041
Figure GDA0002661859700000042
Figure GDA0002661859700000043
优选地，步骤S3具体包括：设定空间因子的值，得到PS(m,k)，PN(m,k)，AL(m,k)，AR(m,k)的解析解，计算出下式(1)和(2)
Figure GDA0002661859700000044
Figure GDA0002661859700000045
将空间因子BL(m,k)和BR(m,k)分别代入式(2)中，得到
Figure GDA0002661859700000046
和
Figure GDA0002661859700000047
更优选地，设定空间因子的值bL(m,k)＝bR(m,k)＝1，
Figure GDA0002661859700000048
Figure GDA0002661859700000049
根据本发明的第二个方面，本发明采用的技术方案为：
一种扬声器系统的声重放方法，采用如上所述的直达声与背景声提取方法分离出直达声信号和背景声信号，将直达声信号和背景声信号分配给扬声器系统的各个扬声器，以进行声重放。
具体地，根据立体声信号中声像的方位及所述扬声器系统的扬声器数量和位置，将直达声信号和背景声信号分配给扬声器系统的各个扬声器。
根据本发明的第三个方面，本发明采用的技术方案为：
一种扬声器系统，包括多个扬声器，其特征在于，所述扬声器系统还包括用于执行如上所述的直达声与背景声提取方法的提取装置。
具体地，所述提取装置包括包括依次连接的STFT模块、能量估计模块、信号分离模块及ISTFT模块，
所述STFT模块的输入为左声道信号xL(n)和右声道信号xR(n)，用于进行短时傅里叶变换后输出对应左声道信号和右声道信号的XL(m,k)和XR(m,k)；
所述能量估计模块，用于接收STFT模块输出的XL(m,k)和XR(m,k)，并引入空间因子，将背景声信号表达为一个信号经过房间内的不同传递路径而产生的信号，并分别对XL(m,k)和XR(m,k)进行能量估计，得出左右声道的能量PL(m,k)和PR(m,k)并输出至所述信号分离模块；
所述信号分离模块，用于设定空间因子的值，进行信号分离得出
Figure GDA0002661859700000051
Figure GDA0002661859700000052
和
Figure GDA0002661859700000053
并输出至所述ISTFT模块；
所述ISTFT模块，用于进行逆傅里叶变换，输出直达声信号
Figure GDA0002661859700000054
左声道背景声信号
Figure GDA0002661859700000055
和右声道背景声信号
Figure GDA0002661859700000056
本发明采用以上方案，相比现有技术具有如下优点：
通过定义左右声道信号之间的空间因子变量，以表征背景声信号在声传播过程中由于房间混响、空间大小等因素引起的左右通道之间的差异；可以分离出左右通道的背景声信号，而传统方法只能分离出一个背景信号。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明的直达声与背景声提取方法的信号处理流程图；
图2示出了左右声道信号；
图3示出了左右声道信号在某个时刻的相关系数；
图4a、4b、4c分别示出了分离后的直达声信号、左声道背景声信号、右声道背景声信号。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。
本实施例提供一种直达声与背景声提取方法，参照图1所示的信号流程图，该提取方法包括如下步骤：
S1、分别将左声道信号xL(n)和右声道信号xR(n)进行短时傅里叶变换(STFT)得到分别对应左声道信号和右声道信号的XL(m,k)和XR(m,k)，其中n表示时域采样点，m和k分别表示离散时间和离散频率；
S2、引入空间因子，将背景声信号表达为一个信号经过房间内的不同传递路径而产生的信号，并分别对XL(m,k)和XR(m,k)进行能量估计，得出左右声道的能量PL(m,k)和PR(m,k)；
S3、设定空间因子的值，进行信号分离得出时频域的直达声信号的估计
Figure GDA0002661859700000061
左声道背景声信号的估计
Figure GDA0002661859700000062
和右声道背景声信号的估计
Figure GDA0002661859700000063
S4、经过逆傅里叶变换(ISTFT)得到时域的直达声信号
Figure GDA0002661859700000064
左声道背景声信号
Figure GDA0002661859700000065
和右声道背景声信号
Figure GDA0002661859700000066
具体地，如图2所示，左、右声道信号分别为：
Figure GDA0002661859700000067
Figure GDA0002661859700000068
其中，sj(n)表示某个时刻的直达声信号，
Figure GDA0002661859700000069
表示直达声信号分配给左右通道信号的系数，nL(n)和nR(n)表示左右通道的背景信号。
S1、经过短时傅里叶变换后(STFT)，得到
Figure GDA0002661859700000071
Figure GDA0002661859700000072
其中，m和k分别表示时间和频率。
S2、有两个假设：
S21、在某个时间m和某个频段k，只存在一个声源Si，即
Figure GDA0002661859700000073
因此
Figure GDA0002661859700000074
Figure GDA0002661859700000075
Figure GDA0002661859700000076
S22、引入空间因子B，将背景声信号表达为一个信号经过房间内的不同传递路径而产生的信号，类似于直达声信号的表达方式，即NL(m,k)＝BL(m,k)N(m,k),NR(m,k)＝BR(m,k)N(m,k)
Figure GDA0002661859700000077
Figure GDA0002661859700000078
Figure GDA0002661859700000079
Figure GDA00026618597000000710
这样，上述公式可以简化为
XL(m,k)＝AL(m,k)S(m,k)+BL(m,k)N(m,k)
XR(m,k)＝AR(m,k)S(m,k)+BR(m,k)N(m,k)
左右声道信号之间的相关系数(如图3所示)定义为
Figure GDA0002661859700000081
S23、从能量角度可以得出左右通道的能量分别为：
Figure GDA0002661859700000082
Figure GDA0002661859700000083
Figure GDA0002661859700000084
S3、一般情况下，背景声能量小于直达声能量，并且
Figure GDA0002661859700000085
所以传统做法是忽略PN(m,k)，即
Figure GDA0002661859700000086
Figure GDA0002661859700000087
在这里，假设空间因子的值为bL＝bR＝1，
Figure GDA0002661859700000088
没有忽略PN(m,k)的贡献，这样就得到PS(m,k)，PN(m,k)，AL(m,k)，AR(m,k)的解析解。
于是，可以计算出S(m,k)，N(m,k)
Figure GDA0002661859700000089
Figure GDA00026618597000000810
再将空间因子BL(m,k)和BR(m,k)代入其中，可以得到NL(m,k)，NR(m,k)。
S4、最后经过逆傅里叶变换得到分别如图4a、4b、4c所示的直达声信号
Figure GDA00026618597000000811
背景声信号
Figure GDA00026618597000000812
和
Figure GDA00026618597000000813
该提取方法中，(1)通过定义左右声道信号之间的空间因子变量，以表征背景声信号在声传播过程中由于房间混响、空间大小等因素引起的左右通道之间的差异；(2)可以分离出左右通道的背景声信号，而传统方法只能分离出一个背景信号；(3)加入空间因子后的计算过程比较简单，可以得到直达声与背景声的解析解。
本实施例还提供一种扬声器系统的声重放方法，该扬声器系统包括多个扬声器，各扬声器分别布放在不同位置。该声重放方法是一种立体声转换多通道声信号的方法，具体包括：采用如上所述的直达声与背景声提取方法分离出直达声信号和背景声信号，根据立体声信号中声像的方位及所述扬声器系统的扬声器数量和位置，将直达声信号和背景声信号分配给扬声器系统的各个扬声器，从而完成声重放。
本实施例还提供一种扬声器系统，包括多个扬声器，所述扬声器系统还包括用于执行如上所述的直达声与背景声提取方法的提取装置。结合图1所示，该提取装置具体包括依次连接的STFT模块、能量估计模块、信号分离模块及ISTFT模块。其中，STFT模块的输入为左声道信号xL(n)和右声道信号xR(n)，进行短时傅里叶变换后输出对应左声道信号和右声道信号的XL(m,k)和XR(m,k)；能量估计模块接收STFT模块输出的XL(m,k)和XR(m,k)，并引入空间因子，将背景声信号表达为一个信号经过房间内的不同传递路径而产生的信号，并分别对XL(m,k)和XR(m,k)进行能量估计，得出左右声道的能量PL(m,k)和PR(m,k)以及AL、AR并输出至信号分离模块；信号分离模块还设定空间因子的值，进行信号分离得出
Figure GDA0002661859700000091
和
Figure GDA0002661859700000092
并输出至ISTFT模块；ISTFT模块分别进行逆傅里叶变换，输出直达声信号
Figure GDA0002661859700000093
左声道背景声信号
Figure GDA0002661859700000094
和右声道背景声信号
Figure GDA0002661859700000095
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，是一种优选的实施例，其目的在于熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限定本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种直达声与背景声提取方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、分别将左声道信号xL(n)和右声道信号xR(n)进行短时傅里叶变换得到分别对应左声道信号和右声道信号的XL(m，k)和XR(m，k)，其中n表示时域采样点，m和k分别表示离散时间和离散频率；
S2、引入空间因子，将背景声信号表达为一个信号经过房间内的不同传递路径而产生的信号，并分别对XL(m，k)和XR(m，k)进行能量估计，得出左右声道的能量PL(m，k)和PR(m，k)；
S3、设定空间因子的值，进行信号分离得出时频域的直达声信号的估计
Figure FDA0002688643060000011
左声道背景声信号的估计
Figure FDA0002688643060000012
和右声道背景声信号的估计
Figure FDA0002688643060000013
S4、经过短时逆傅里叶变换得到时域的直达声信号
Figure FDA0002688643060000014
左声道背景声信号
Figure FDA0002688643060000015
和右声道背景声信号
Figure FDA0002688643060000016
其中，步骤S2具体包括：
S21、在某一时间m和某一频段k，只存在一个声源Si，则
Figure FDA0002688643060000017
Figure FDA0002688643060000018
Figure FDA0002688643060000019
其中，Sj(m，k)表示时频域的直达声信号，
Figure FDA00026886430600000110
分别表示直达声信号分配给左右通道信号的系数的时频域表达式，AL、AR分别表示直达声信号分配给左右通道信号的系数；
S22、引入空间因子BL(m，k)和BR(m，k)，得出如下表达式，NL(m，k)＝BL(m，k)N(m，k)，NR(m，k)＝BR(m，k)N(m，k)，
Figure FDA00026886430600000111
Figure FDA0002688643060000021
Figure FDA0002688643060000022
Figure FDA0002688643060000023
其中，NL(m，k)和NR(m，k)分别表示左右通道的背景信号的时频域表达式，N(m，k)表示时频域的背景信号，bL(m，k)、bR(m，k)分别表示左右通道空间因子的幅度，
Figure FDA0002688643060000024
分别表示左右通道空间因子的相位；
则，XL(m，k)和XR(m，k)分别简化为：
XL(m，k)＝AL(m，k)S(m，k)+BL(m，k)N(m，k)
XR(m，k)＝AR(m，k)S(m，k)+BR(m，k)N(m，k)
左右声道信号之间的相关系数
Figure FDA0002688643060000025
其中，E{}表示信号的期望；
S23、从能量角度可以得出左右声道的能量PL(m，k)和PR(m，k)分别为：
Figure FDA0002688643060000026
Figure FDA0002688643060000027
Figure FDA0002688643060000028
2.根据权利要求1所述的直达声与背景声提取方法，其特征在于，步骤S3具体包括：设定空间因子的值，得到PS(m，k)，PN(m，k)，AL(m，k)，AR(m，k)的解析解，计算出下式(1)和(2)
Figure FDA0002688643060000029
Figure FDA00026886430600000210
将空间因子BL(m，k)和BR(m，k)分别代入式(2)中，得到
Figure FDA00026886430600000211
和
Figure FDA00026886430600000212
3.根据权利要求2所述的直达声与背景声提取方法，其特征在于，设定空间因子的幅度bL(m，k)＝bR(m，k)＝1，相位
Figure FDA0002688643060000031
4.根据权利要求1所述的直达声与背景声提取方法，其特征在于，步骤S1中，
Figure FDA0002688643060000032
Figure FDA0002688643060000033
其中，J表示空间中存在的直达声源的个数，sj(n)表示某个时刻的直达声信号，
Figure FDA0002688643060000034
分别表示直达声信号分配给左右通道信号的系数，nL(n)和nR(n)分别表示左右通道的背景信号；
Figure FDA0002688643060000035
Figure FDA0002688643060000036
5.一种扬声器系统的声重放方法，其特征在于，采用如权利要求1-4任一项所述的直达声与背景声提取方法分离出直达声信号和背景声信号，将直达声信号和背景声信号分配给扬声器系统的各个扬声器，以进行声重放。
6.根据权利要求5所述的声重放方法，其特征在于，根据立体声信号中声像的方位及所述扬声器系统的扬声器数量和位置，将直达声信号和背景声信号分配给扬声器系统的各个扬声器。
7.一种扬声器系统，包括多个扬声器，其特征在于，所述扬声器系统还包括用于执行权利要求1-4任一项所述的直达声与背景声提取方法的提取装置。
8.根据权利要求7所述的扬声器系统，其特征在于：所述提取装置包括包括依次连接的STFT模块、能量估计模块、信号分离模块及ISTFT模块，
所述STFT模块的输入为左声道信号xL(n)和右声道信号xR(n)，用于进行短时傅里叶变换后输出对应左声道信号和右声道信号的XL(m，k)和XR(m，k)；
所述能量估计模块，用于接收STFT模块输出的XL(m，k)和XR(m，k)，并引入空间因子，将背景声信号表达为一个信号经过房间内的不同传递路径而产生的信号，并分别对XL(m，k)和XR(m，k)进行能量估计，得出左右声道的能量PL(m，k)和PR(m，k)并输出至所述信号分离模块；
所述信号分离模块，用于设定空间因子的值，进行信号分离得出
Figure FDA0002688643060000041
Figure FDA0002688643060000042
和
Figure FDA0002688643060000043
并输出至所述ISTFT模块；
所述ISTFT模块，用于进行逆傅里叶变换，输出直达声信号
Figure FDA0002688643060000044
左声道背景声信号
Figure FDA0002688643060000045
和右声道背景声信号
Figure FDA0002688643060000046
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