Reverb音效算法研究实现

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1. Reverb物理原型

在一定的空间范围内（如房间中）进行语音/音频播放时(讲话或者Audio播放)。对于语音/音频接收端而言，其接收到的音频信号除了播放端直接传递过来的信号（直达声）外，还包含了经过各种复杂物理反射后的信号（反射声）。反射声信号要延迟于直达声信号到达，并且由于物理反射作用其能量要发生衰减。并且空间模型不同（房间、礼堂），反射声的延迟及能量衰减会有较大的差异，从而造成主观听觉的不同。如图1所示。

   

 图1. 音频信号传输

 

2. 数字信号处理模型

2.1 梳状滤波器模型

由Reverb物理模型可知，混响信号可以看做直达信号和各阶延迟信号的叠加。

y(n) = x(n) + ax(n-m) + a² x(n-2m) + ……

转换到Z域，可得到系统单位冲击响应的Z变换为：

H(z) = 1+a z^-m + a² z^-2m+……

等比求和后，传递函数为：

        

其时域方程又可以表述为：
                 y(n) = ay(n-m) + x(n)
即一阶的IIR滤波器，其中m为延迟间隔即延迟时间，系统框图如图2所示：

 

 图2. 梳状滤波器系统框图

由梳状滤波器的幅频特性可知，其频域相应幅度呈现梳妆分布；从梳状滤波器的脉冲响应可知，其冲击响应点离散的以m为间隔延续，且能量逐渐减小，因此与Reverb物理特性相一致。但是其回声密度受限于延迟时间，因此回声密度较低。

2.2 全通滤波器模型

全通滤波器模型是在梳状滤波器模型的基础上，通过增加一条前向反馈支路实现的。该模型的时域系统表达式为：
             y(n) = -gx(n) + x(n-m) +gy(n-m);

其Z域传递函数为：
            

系统传递框图如图3所示：

图3. 全通滤波器系统框图

由全通滤波器的幅频特性可知，其频域相应幅度呈现直通分布；从梳状滤波器的脉冲响应可知，其冲击响应点离散的以m为间隔延续，且能量逐渐减小，因此与Reverb物理特性相一致。但是其回声密度同样受限于延迟时间，因此回声密度较低。

  

2.3 Schroeder混合模型
    综合梳状滤波器和全通滤波器，为了实现较高的回声密度，将4个梳状滤波器进行并联，然后通过2个级联的全通滤波器，实现Schroder混合模型。Schroeder混合模型的系统框图如图4所示。

         

图4. Schroeder模型系统框图

3.  算法实现

基于Schroeder模型的原理，本地对算法进行了实现。根据不同的空间模型其延迟特性不同，在空间模型设定时进行延迟参数的校准，最终生成了3种空间模型：小房间、大房间及礼堂模型。并且对纯语音和音频样本进行了初步测试，效果如下(以纯语音样本处理为例)。

(a) 原始音频文件

(b) 小房间模型数据