音頻均衡器Equalizer算法研究與實(shí)現(xiàn)

1、音頻均衡器Equalizer算法研究與實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽： 均衡器Equalizer音效2015-06-02 11:30 604人閱讀 評論(2) 收藏 舉報(bào) 分類：音頻后處理算法（7） 版權(quán)聲明：本文為博主原創(chuàng)文章，未經(jīng)博主允許不得轉(zhuǎn)載。如轉(zhuǎn)載請注明出處！最近工作需要，對Equalizer算法進(jìn)行了初步研究，并在本地進(jìn)行了簡單實(shí)現(xiàn)。一. 聲學(xué)背景心理聲學(xué)研究證實(shí)人耳可聞的聲音頻率范圍為20Hz-20kHz。在可聞的頻率范圍內(nèi)，不同的頻段對人耳的感知影響不同。如下所述：“1.  20Hz-60Hz部分這一段提升能給音樂強(qiáng)有力

2、的感覺，給人很響的感覺，如雷聲。是音樂中強(qiáng)勁有力的感覺。如果提升過高，則又會混濁不清，造成清晰度不佳，特別是低頻響應(yīng)差和低頻過重的音響設(shè)備。2.  60Hz-250Hz部分這段是音樂的低頻結(jié)構(gòu)，它們包含了節(jié)奏部分的基礎(chǔ)音，包括基音、節(jié)奏音的主音。它和高中音的比例構(gòu)成了音色結(jié)構(gòu)的平衡特性。提升這一段可使聲音豐滿，過度提升會發(fā)出隆隆聲。衰減這兩段會使聲音單薄。3.  250Hz-2KHz部分這段包含了大多數(shù)樂器的低頻諧波，如果提升過多會使聲音像電話里的聲音。如把600Hz和1kHz過度提升會使聲音像喇叭的聲音。如把3kHz提升過多會掩蔽說話的識別音，即口齒不清，并使唇音“mbv

3、”難以分辨。如把1kHz和3kHz過分提升會使聲音具有金屬感。由于人耳對這一頻段比較敏感，通常不調(diào)節(jié)這一段，過分提升這一段會使聽覺疲勞。4.  2KHz-4kHz部分這段頻率屬中頻，如果提升得過高會掩蓋說話的識別音，尤其是3kHz提升過高，會引起聽覺疲勞。5.  4kHz-5KHz部分這是具有臨場感的頻段，它影響語言和樂器等聲音的清晰度。提升這一頻段，使人感覺聲源與聽者的距離顯得稍近了一些；衰減5kHz，就會使聲音的距離感變遠(yuǎn)；如果在5kHz左右提出升6dB，則會使整個(gè)混合聲音的聲功率提升3dB。6.  6kHz-16kHz部分這一頻段控制著音色的明亮度，宏亮度和

4、清晰度。一般來說提升這幾段使聲音宏亮，但不清晰，不可能會引起齒音過重，衰減時(shí)聲音變得清晰，但聲音不宏亮?！倍? 數(shù)字信號處理原理從聲學(xué)原理出發(fā)，Equalizer的物理意義在于通過對頻域進(jìn)行頻帶劃分（根據(jù)個(gè)人需要，通常為5,10,12,15個(gè)子帶）并對不同的頻帶施加相應(yīng)的增益，從而改變原始數(shù)據(jù)頻域能量分布，達(dá)到改變主觀聽感的作用（常用的低音增強(qiáng)bassboost效果也可通過該方式實(shí)現(xiàn)）。常用的Equalizer分類包含Pop(流行樂)， Jazz(爵士)， HeavyMetal(重金屬)，Electronic(電音)，Classic(古典)等等在移動端實(shí)現(xiàn)Equalizer是，考慮到實(shí)時(shí)處理特

5、性（特別對于第三方APK不能利用底層系統(tǒng)底層編譯處理），盡量避免FFT切換到頻域處理，而采用時(shí)域?yàn)V波的方式。因此可以考慮利用IIR濾波器的進(jìn)行時(shí)域的濾波處理。 設(shè)濾波系統(tǒng)傳遞函數(shù)H(z)，原始音頻通過濾波系統(tǒng)，輸出Y(z) = X(z)*H(z)。考慮到頻帶的劃分及頻帶濾波增益。最終的信號輸出其中BandCount表示劃分的子帶個(gè)數(shù)；系數(shù)a表示對應(yīng)頻帶的增益；H(w)為對用頻段的帶通濾波器傳遞函數(shù)。濾波系統(tǒng)H(z)的常規(guī)表示為：轉(zhuǎn)換到時(shí)域系統(tǒng)單位沖擊響應(yīng)表示為：三. 工程實(shí)現(xiàn)1. 首先確定設(shè)計(jì)EQ的頻帶分割數(shù)。5，10，或者其它個(gè)數(shù)、2. 根據(jù)所劃分的頻帶，確定其截至頻率并構(gòu)建帶通濾

6、波器。     通常可采用ButterWorth濾波器，以10個(gè)頻帶為例，可以設(shè)計(jì)一個(gè)低通，一個(gè)高通，八個(gè)帶通。通過此步驟，來確定每個(gè)頻帶對用的濾波器系數(shù)。另外，考慮到實(shí)時(shí)處理特性，濾波器的階數(shù)不宜過高，以減少濾波處理延時(shí)。3. 對輸入的信號進(jìn)行時(shí)域?yàn)V波。    工程實(shí)現(xiàn)中，將每個(gè)時(shí)域輸入點(diǎn)分別經(jīng)過所有的濾波器，并將每個(gè)濾波器的輸出加權(quán)求和。鑒于采用的IIR濾波器要參考之前的輸入和輸出，可采用環(huán)形buffer來更新存儲x(n-k)和y(n-k).    注意：在切換音頻幀后，不能對環(huán)形buffer進(jìn)行重置位操作，x

7、(n-k)和y(n-k)獨(dú)立于數(shù)據(jù)幀，貫穿整個(gè)音頻數(shù)據(jù)處理。時(shí)域?yàn)V波及最終的輸出數(shù)據(jù)如下式：四. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果下面給出pop處理結(jié)果：如轉(zhuǎn)載請注明出處！最近工作需要，對Equalizer算法進(jìn)行了初步研究，并在本地進(jìn)行了簡單實(shí)現(xiàn)。一. 聲學(xué)背景心理聲學(xué)研究證實(shí)人耳可聞的聲音頻率范圍為20Hz-20kHz。在可聞的頻率范圍內(nèi)，不同的頻段對人耳的感知影響不同。如下所述：“1.  20Hz-60Hz部分這一段提升能給音樂強(qiáng)有力的感覺，給人很響的感覺，如雷聲。是音樂中強(qiáng)勁有力的感覺。如果提升過高，則又會混濁不清，造成清晰度不佳，特別是低頻響應(yīng)差和低頻過重的音響設(shè)備。2.  60Hz-2

8、50Hz部分這段是音樂的低頻結(jié)構(gòu)，它們包含了節(jié)奏部分的基礎(chǔ)音，包括基音、節(jié)奏音的主音。它和高中音的比例構(gòu)成了音色結(jié)構(gòu)的平衡特性。提升這一段可使聲音豐滿，過度提升會發(fā)出隆隆聲。衰減這兩段會使聲音單薄。3.  250Hz-2KHz部分這段包含了大多數(shù)樂器的低頻諧波，如果提升過多會使聲音像電話里的聲音。如把600Hz和1kHz過度提升會使聲音像喇叭的聲音。如把3kHz提升過多會掩蔽說話的識別音，即口齒不清，并使唇音“mbv”難以分辨。如把1kHz和3kHz過分提升會使聲音具有金屬感。由于人耳對這一頻段比較敏感，通常不調(diào)節(jié)這一段，過分提升這一段會使聽覺疲勞。4.  2KHz-4kH

9、z部分這段頻率屬中頻，如果提升得過高會掩蓋說話的識別音，尤其是3kHz提升過高，會引起聽覺疲勞。5.  4kHz-5KHz部分這是具有臨場感的頻段，它影響語言和樂器等聲音的清晰度。提升這一頻段，使人感覺聲源與聽者的距離顯得稍近了一些；衰減5kHz，就會使聲音的距離感變遠(yuǎn)；如果在5kHz左右提出升6dB，則會使整個(gè)混合聲音的聲功率提升3dB。6.  6kHz-16kHz部分這一頻段控制著音色的明亮度，宏亮度和清晰度。一般來說提升這幾段使聲音宏亮，但不清晰，不可能會引起齒音過重，衰減時(shí)聲音變得清晰，但聲音不宏亮?！倍? 數(shù)字信號處理原理從聲學(xué)原理出發(fā)，Equalizer的物理意

10、義在于通過對頻域進(jìn)行頻帶劃分（根據(jù)個(gè)人需要，通常為5,10,12,15個(gè)子帶）并對不同的頻帶施加相應(yīng)的增益，從而改變原始數(shù)據(jù)頻域能量分布，達(dá)到改變主觀聽感的作用（常用的低音增強(qiáng)bassboost效果也可通過該方式實(shí)現(xiàn)）。常用的Equalizer分類包含Pop(流行樂)， Jazz(爵士)， HeavyMetal(重金屬)，Electronic(電音)，Classic(古典)等等在移動端實(shí)現(xiàn)Equalizer是，考慮到實(shí)時(shí)處理特性（特別對于第三方APK不能利用底層系統(tǒng)底層編譯處理），盡量避免FFT切換到頻域處理，而采用時(shí)域?yàn)V波的方式。因此可以考慮利用IIR濾波器的進(jìn)行時(shí)域的濾波處理。 

11、設(shè)濾波系統(tǒng)傳遞函數(shù)H(z)，原始音頻通過濾波系統(tǒng)，輸出Y(z) = X(z)*H(z)。考慮到頻帶的劃分及頻帶濾波增益。最終的信號輸出其中BandCount表示劃分的子帶個(gè)數(shù)；系數(shù)a表示對應(yīng)頻帶的增益；H(w)為對用頻段的帶通濾波器傳遞函數(shù)。濾波系統(tǒng)H(z)的常規(guī)表示為：轉(zhuǎn)換到時(shí)域系統(tǒng)單位沖擊響應(yīng)表示為：三. 工程實(shí)現(xiàn)1. 首先確定設(shè)計(jì)EQ的頻帶分割數(shù)。5，10，或者其它個(gè)數(shù)、2. 根據(jù)所劃分的頻帶，確定其截至頻率并構(gòu)建帶通濾波器。     通?？刹捎肂utterWorth濾波器，以10個(gè)頻帶為例，可以設(shè)計(jì)一個(gè)低通，一個(gè)高通，八個(gè)帶通。通過此步驟，來確定每個(gè)頻帶對

12、用的濾波器系數(shù)。另外，考慮到實(shí)時(shí)處理特性，濾波器的階數(shù)不宜過高，以減少濾波處理延時(shí)。3. 對輸入的信號進(jìn)行時(shí)域?yàn)V波。    工程實(shí)現(xiàn)中，將每個(gè)時(shí)域輸入點(diǎn)分別經(jīng)過所有的濾波器，并將每個(gè)濾波器的輸出加權(quán)求和。鑒于采用的IIR濾波器要參考之前的輸入和輸出，可采用環(huán)形buffer來更新存儲x(n-k)和y(n-k).    注意：在切換音頻幀后，不能對環(huán)形buffer進(jìn)行重置位操作，x(n-k)和y(n-k)獨(dú)立于數(shù)據(jù)幀，貫穿整個(gè)音頻數(shù)據(jù)處理。時(shí)域?yàn)V波及最終的輸出數(shù)據(jù)如下式：四. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果下面給出pop處理結(jié)果：音頻均衡器算法研究與實(shí)現(xiàn)請求原文傳遞音頻

13、均衡器一直是專業(yè)音頻領(lǐng)域中重要的一部分，但由于經(jīng)典的均衡器實(shí)現(xiàn)算法頻率分辨率低，對非控制頻帶影響較大，均衡器的使用者往往無法精確的控制各個(gè)頻帶的增益來達(dá)到對頻響曲線完美修補(bǔ)的效果。 本文介紹了一種通過提高均衡器中的濾波器階數(shù)來改善頻率分辨率，消除相鄰頻帶間重疊的音頻均衡器算法。該算法不僅具有良好的頻率截止特性，且在通帶范圍內(nèi)十分平坦，彌補(bǔ)了經(jīng)典均衡器實(shí)現(xiàn)算法的不足。在論文的結(jié)構(gòu)安排上，首先對音頻均衡器的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹，隨后通過對不同音頻均衡器實(shí)現(xiàn)算法和改進(jìn)方案的分析，提出了高階音頻均衡器的實(shí)現(xiàn)方法。在測試階段對均衡器算法和不同濾波結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在給定極低頻率和極低帶寬的條件下，動態(tài)的調(diào)整增益和帶寬，頻率變換結(jié)構(gòu)的性能表現(xiàn)較好