音频均衡器Equalizer算法研究与实现

音频均衡器Equalizer算法研究与实现标签：均衡器Equalizer音效2015-06-0211:30604人阅读评论(2)收藏举报分类：音频后处理算法（7）版权声明：本文为博主原创文章，未经博主允许不得转载。如转载请注明出处！最近工作需要，对Equalizer算法进行了初步研究，并在本地进行了简单实现。一.声学背景心理声学研究证实人耳可闻的声音频率范围为20Hz--20kHz。在可闻的频率范围内，不同的频段对人耳的感知影响不同。如下所述：“1.20Hz--60Hz部分这一段提升能给音乐强有力的感觉，给人很响的感觉，如雷声。是音乐中强劲有力的感觉。如果提升过高，则又会混浊不清，造成清晰度不佳，特别是低频响应差和低频过重的音响设备。2.60Hz--250Hz部分这段是音乐的低频结构，它们包含了节奏部分的基础音，包括基音、节奏音的主音。它和高中音的比例构成了音色结构的平衡特性。提升这一段可使声音丰满，过度提升会发出隆隆声。衰减这两段会使声音单薄。3.250Hz--2KHz部分这段包含了大多数乐器的低频谐波，如果提升过多会使声音像电话里的声音。如把600Hz和1kHz过度提升会使声音像喇叭的声音。如把3kHz提升过多会掩蔽说话的识别音，即口齿不清，并使唇音“mbv”难以分辨。如把1kHz和3kHz过分提升会使声音具有金属感。由于人耳对这一频段比较敏感，通常不调节这一段，过分提升这一段会使听觉疲劳。4.2KHz--4kHz部分这段频率属中频，如果提升得过高会掩盖说话的识别音，尤其是3kHz提升过高，会引起听觉疲劳。5.4kHz--5KHz部分这是具有临场感的频段，它影响语言和乐器等声音的清晰度。提升这一频段，使人感觉声源与听者的距离显得稍近了一些；衰减5kHz，就会使声音的距离感变远；如果在5kHz左右提出升6dB，则会使整个混合声音的声功率提升3dB。6.6kHz--16kHz部分这一频段控制着音色的明亮度，宏亮度和清晰度。一般来说提升这几段使声音宏亮，但不清晰，不可能会引起齿音过重，衰减时声音变得清晰，但声音不宏亮。”二.数字信号处理原理从声学原理出发，Equalizer的物理意义在于通过对频域进行频带划分（根据个人需要，通常为5,10,12,15个子带）并对不同的频带施加相应的增益，从而改变原始数据频域能量分布，达到改变主观听感的作用（常用的低音增强bassboost效果也可通过该方式实现）。常用的Equalizer分类包含Pop(流行乐)，Jazz(爵士)，HeavyMetal(重金属)，Electronic(电音)，Classic(古典)等等在移动端实现Equalizer是，考虑到实时处理特性（特别对于第三方APK不能利用底层系统底层编译处理），尽量避免FFT切换到频域处理，而采用时域滤波的方式。因此可以考虑利用IIR滤波器的进行时域的滤波处理。设滤波系统传递函数H(z)，原始音频通过滤波系统，输出Y(z)=X(z)*H(z)。考虑到频带的划分及频带滤波增益。最终的信号输出其中BandCount表示划分的子带个数；系数a表示对应频带的增益；H(w)为对用频段的带通滤波器传递函数。滤波系统H(z)的常规表示为：转换到时域系统单位冲击响应表示为：三.工程实现1.首先确定设计EQ的频带分割数。5，10，或者其它个数、2.根据所划分的频带，确定其截至频率并构建带通滤波器。通常可采用ButterWorth滤波器，以10个频带为例，可以设计一个低通，一个高通，八个带通。通过此步骤，来确定每个频带对用的滤波器系数。另外，考虑到实时处理特性，滤波器的阶数不宜过高，以减少滤波处理延时。3.对输入的信号进行时域滤波。工程实现中，将每个时域输入点分别经过所有的滤波器，并将每个滤波器的输出加权求和。鉴于采用的IIR滤波器要参考之前的输入和输出，可采用环形buffer来更新存储x(n-k)和y(n-k).注意：在切换音频帧后，不能对环形buffer进行重置位操作，x(n-k)和y(n-k)独立于数据帧，贯穿整个音频数据处理。时域滤波及最终的输出数据如下式：四.实验结果下面给出pop处理结果：如转载请注明出处！最近工作需要，对Equalizer算法进行了初步研究，并在本地进行了简单实现。一.声学背景心理声学研究证实人耳可闻的声音频率范围为20Hz--20kHz。在可闻的频率范围内，不同的频段对人耳的感知影响不同。如下所述：“1.20Hz--60Hz部分这一段提升能给音乐强有力的感觉，给人很响的感觉，如雷声。是音乐中强劲有力的感觉。如果提升过高，则又会混浊不清，造成清晰度不佳，特别是低频响应差和低频过重的音响设备。2.60Hz--250Hz部分这段是音乐的低频结构，它们包含了节奏部分的基础音，包括基音、节奏音的主音。它和高中音的比例构成了音色结构的平衡特性。提升这一段可使声音丰满，过度提升会发出隆隆声。衰减这两段会使声音单薄。3.250Hz--2KHz部分这段包含了大多数乐器的低频谐波，如果提升过多会使声音像电话里的声音。如把600Hz和1kHz过度提升会使声音像喇叭的声音。如把3kHz提升过多会掩蔽说话的识别音，即口齿不清，并使唇音“mbv”难以分辨。如把1kHz和3kHz过分提升会使声音具有金属感。由于人耳对这一频段比较敏感，通常不调节这一段，过分提升这一段会使听觉疲劳。4.2KHz--4kHz部分这段频率属中频，如果提升得过高会掩盖说话的识别音，尤其是3kHz提升过高，会引起听觉疲劳。5.4kHz--5KHz部分这是具有临场感的频段，它影响语言和乐器等声音的清晰度。提升这一频段，使人感觉声源与听者的距离显得稍近了一些；衰减5kHz，就会使声音的距离感变远；如果在5kHz左右提出升6dB，则会使整个混合声音的声功率提升3dB。6.6kHz--16kHz部分这一频段控制着音色的明亮度，宏亮度和清晰度。一般来说提升这几段使声音宏亮，但不清晰，不可能会引起齿音过重，衰减时声音变得清晰，但声音不宏亮。”二.数字信号处理原理从声学原理出发，Equalizer的物理意义在于通过对频域进行频带划分（根据个人需要，通常为5,10,12,15个子带）并对不同的频带施加相应的增益，从而改变原始数据频域能量分布，达到改变主观听感的作用（常用的低音增强bassboost效果也可通过该方式实现）。常用的Equalizer分类包含Pop(流行乐)，Jazz(爵士)，HeavyMetal(重金属)，Electronic(电音)，Classic(古典)等等在移动端实现Equalizer是，考虑到实时处理特性（特别对于第三方APK不能利用底层系统底层编译处理），尽量避免FFT切换到频域处理，而采用时域滤波的方式。因此可以考虑利用IIR滤波器的进行时域的滤波处理。设滤波系统传递函数H(z)，原始音频通过滤波系统，输出Y(z)=X(z)*H(z)。考虑到频带的划分及频带滤波增益。最终的信号输出其中BandCount表示划分的子带个数；系数a表示对应频带的增益；H(w)为对用频段的带通滤波器传递函数。滤波系统H(z)的常规表示为：转换到时域系统单位冲击响应表示为：三.工程实现1.首先确定设计EQ的频带分割数。5，10，或者其它个数、2.根据所划分的频带，确定其截至频率并构建带通滤波器。通常可采用ButterWorth滤波器，以10个频带为例，可以设计一个低通，一个高通，八个带通。通过此步骤，来确定每个频带对用的滤波器系数。另外，考虑到实时处理特性，滤波器的阶数不宜过高，以减少滤波处理延时。3.对输入的信号进行时域滤波。工程实现中，将每个时域输入点分别经过所有的滤波器，并将每个滤波器的输出加权求和。鉴于采用的IIR滤波器要参考之前的输入和输出，可采用环形buffer来更新存储x(n-k)和y(n-k).注意：在切换音频帧后，不能对环形buffer进行重置位操作，x(n-k)和y(n-k)独立于数据帧，贯穿整个音频数据处理。时域滤波及最终的输出数据如下式：四.实验结果下面给出pop处理结果：音频均衡器算法研究与实现请求原文传递音频均衡器一直是专业音频领域中重要的一部分，但由于经典的均衡器实现算法频率分辨率低，对非控制频带影响较大，均衡器的使用者往往无法精确的控制各个频带的增益来达到对频响曲线完美修补的效果。本文介绍了一种通过提高均衡器中的滤波器阶数来改善频率分辨率，消除相邻频带间重叠的音频均衡器算法。该算法不仅具有良好的频率截止特性，且在通带范围内十分平坦，弥补了经典均衡器实现算法的不足。在论文的结构安排上，首先对音频均衡器的一些关键技术进行了介绍，随后通过对不同音频均衡器实现算法和改进方案的分析，提出了高阶音频均衡器的实现方法。在测试阶段对均衡器算法和不同滤波结构进行了详细的测试。实验结果表明在给定极低频率和极低带宽的条件下，动态的调整增益和带宽，频率变换结构的性能表现较好，因此最终选择了频率变换滤波结构作为播放器的滤波结构。通过测试证明，高阶均衡器可以很好的解决相邻频带的重叠问题，达到了对频响曲线的精确控制。但其相位的线性问题仍比较突出，有待于进一步的研究和分析。作者：吴礼仲学科专业：通信与信息系统授予学位：硕士学位授予单位：西安电子科技大学导师：马鸿飞授予学位时间：2010关键词：音频均衡器；滤波器阶数；频率分辨率；滤波结构总页数：69