基于特征識別的背景音樂音質提升與應用

余莉娟

(商洛學院 藝術學院， 陜西 商洛 726000)

0 引言

特征識別是指被測試的項目或是事物表現出的征象或標志[1]。識別出的特征具有唯一性，可以使其他人員根據識別特征在識別該項目或事項并重新執行該測試。背景音樂是指在電影、電視劇等藝術作品中用于調節氣氛的一種音樂，插入在對話之中，增強情感表達，達到一種讓觀眾身臨其境的感受。背景音樂起源于歐洲的戲劇，在有聲電影出現后得以迅速發展。音質指的是聲音的質量，也就是經傳輸、處理后音頻信號的保真度，評價音質的好壞判斷音量、音高和音色是否達到一定的水準，細化來講，就是對于某一頻率或頻段的音高是否具有一定的強度，并在要求的頻率范圍內，同一音量下音樂頻點的幅度是否均衡飽滿，對應的頻率響應曲線是否平直，聲音的音準是否準確。在實際音質提升時大多采用實際的比特率為音質數值，提升背景音樂音質質量。

目前很多學者在提升背景音樂音質方面進行了很多研究，比如文獻[2]針對壓縮音頻文件時會出現音樂音質下降的問題，對基于生成對抗網絡的音頻音質提升方法進行了研究，從而獲得了較好的音質效果；文獻[3]為了提升音樂音質，對復合互補聲驅動音質提升方法進行了探討，從而獲得了良好的音質。盡管還有很多學者對此進行了研究，但仍然可以發現在音質提升方面還存在一定局限，為了更好地提升音質，本文對不同類別特點的背景音樂進行分析，利用特征識別背景音樂音質特征，采用交疊分段的處理方法，多次處理重疊部分的背景音樂，減少重疊背景音樂的信息量丟失，計算背景音樂播放時的初始時延間隙，選擇音質參數并確定參數適宜值區間值，完成對背景音樂的提升。實驗選用一個封閉的觀眾廳作為實驗場所，設定測試點，測量測試點混響時間，使用兩種傳統音質提升方法與之進行對比實驗，結果表明文中提出的音質提升方法抑制噪聲的效果最好。

1 基于特征識別的背景音樂音質提升與應用

1.1 利用特征識別背景音樂音質特征

利用特征識別背景音樂音質特征時，先將連續的背景音樂信號進行分段處理，利用加窗分幀實現分段過程，窗函數平滑地在音樂信號上滑動，當滑動距離與加窗寬度相等時，背景音樂的短段信號互相連接，不存在信息量的丟失[4]。當滑動距離小于加窗寬度時，相鄰段的背景音樂出現了部分重疊，存在部分的信息量丟失。為了保證背景音樂各分段音樂數據的連續特性、減少信息量丟失，采用交疊分段處理方法，得到音樂幀長與幀移的關系，如圖1所示。

圖1 幀長與幀移關系

采用矩形窗及漢明窗短時分析上圖所示的關系，假設該窗函數表示為w(i)(i=0,1,2,…,I-1)，其中i表示窗幀長，故此時窗函數，如式(1)。

(1)

漢明窗，如式(2)。

(2)

以式(1)、式(2)為初級約束條件，添加經過放大后的頻率特性，繪制出對應得到的頻率特性，如圖2所示。

a

定義上圖幅值譜曲線中幅度從零到第一次衰減到極小值的部分為主瓣，極小值后峰值與峰值之間的部分為旁瓣。由上圖所示的音樂頻率特性可知，圖2(a)與圖2(b)幅度譜中都存在主瓣與旁瓣。在控制窗的長度相等時，圖2(b)中的主瓣寬度約為圖2(a)長度的兩倍，兩個函數對于背景音樂的頻率響應具有低通特性[5]。以圖2為基礎計算背景音樂的窗寬，假設特征識別原始音樂信號的取樣序列為x(c)，加窗分幀處理后得到第c幀音樂信號為xc(n)，此時xc(n)表示，如式(3)。

xc(n)=w(n)x(i+n), 0≤n≤I-1

(3)

式中，c=0,1T,2T,…，n表示幀長；T表示幀移長度。利用這兩種參數，計算得到背景音樂中的短時時域特征的自相關函數關系，隨機選取一段5 s的背景音樂，調整采樣率為1 000 Hz，得到背景音樂的時域波形，如圖3所示。

圖3 背景音樂時域波形

采集圖3所示的不同時域內背景音樂波形，定義不同時域背景音樂的自相關函數，如式(4)。

(4)

式中，a表示時域內的延遲數點。綜合上述窗函數與時域內的指標作為背景音樂音質特征，計算初始時延間隙，控制特征參數變化，統一背景音樂的音量、音高和音色保持一致，完成對背景音樂音質的提升[6]。

1.2 計算初始時延間隙

使用上述處理得到的各項音質指標，依照背景音樂不同的使用場所，利用賽賓公式計算混響時間，如式(5)。

(5)

(6)

式中，3mv表示空氣吸聲系數。按照式(6)計算出的混響時間控制背景音樂，發現背景音樂易受到聲級衰變的快慢的影響，改變背景音樂中的聲級衰變速度，得到背景音樂混響曲線及其斜率，如圖4所示。

圖4 背景音樂混響曲線及其斜率

由圖4可知，在同一背景音樂應用的兩個場所內，聲級衰變40 dB的時間為0.03 s，衰變80 dB的聲級則需要0.09 s，證明圖4中曲線1比曲線2衰變得快，背景音樂的混響感不同。因此得到衰變曲線斜率越大背景音樂的混響感就越好，所以在提升音質時，控制背景音樂衰變曲線的斜率為大值[7]。但背景音樂在廳堂等封閉場所停止播放后，音樂直達聲會存在部分的反射聲，這部分反射聲會影響背景音樂的音質，測定該部分背景音樂脈沖聲，在不同時間尺度下，得到直達聲與室內反射的響度變化，得到背景音樂的初始延時間隙，如圖5所示。

圖5 初始時延間隙

由圖5可知，最初顯現的直達聲與室內首次反射的背景音樂之差為初始時延間隙，定義一個背景音樂清晰度指標Q，計算圖5所示的初始時延間隙表現出的聲能密度之比，如式(7)。

(7)

式中，p表示聲能密度，Q50中的常數50表示聲能比的界限，Q80表示背景音樂的透明度指數，d表示響度，t表示測試的時間。依照式(7)，計算得到透明度指標Q80在-2～+2 dB之間可以增強背景音樂的音質。為了保證背景音樂的混響感，控制Q50的值大于-4 dB，保證在初始時延間隙影響下的音質質量[8]。綜合上述處理，完成對初始時延間隙的計算，選擇音質參數并確定適宜值區間，完成基于特征識別的背景音樂音質的提升[9]。

1.3 音質參數及適宜值區間值

背景音樂實際播放時，側向的反射聲可以拓寬背景音樂的環繞感，將早期側向聲能分量作為衡量指標，如式(8)。

(8)

式中，LEF表示背景音樂空間感指標;Zc表示直達聲到達后的側向聲能;Zt表示直達聲到達的所有早期聲能。為了擺脫不同方向反射聲帶來的干擾，引入一個雙耳互相關系系數λ，式(8)就可改寫，如式(9)。

(9)

解決不同方向反射聲帶來的干擾后，選取無反射自由場距離數值，計算得到背景音樂的相對強感，如式(10)。

(10)

式中，p′表示該距離值下的聲強；p表示背景音樂的直達聲強。考慮到不同播放場所有著不同聲場分布，以聲場分布不均勻度為衡量指標，總結得到聲場分布R的計算，如式(11)。

R=Pmax-Pmin

(11)

式中，Pmax與Pmin表示背景音樂播放場所內測得的最大聲壓級及最小聲壓值。所以在聲場分布不均勻的場所內，控制背景音樂的R值區間為6≤R≤8，消除聲場分布不均勻帶來的影響[10]。在Pmin控制下，聲場中會形成一個低音比參數，可以增加音質的低頻活躍度及豐滿度，給定一個客觀參量，此時低音比參數的計算，如式(12)。

(12)

式中，T表示背景音樂混響時間;常數表示背景音樂的低頻及中頻值。綜合上述處理，最終得到音質參數及適宜值區間值結果，如表1所示。

表1 音質參數及適宜值區間值

按照表1所示的音質參數及適宜值區間控制，為了擺脫噪聲對背景音質的影響，控制背景音樂播放的噪聲聲級不高于30 dB，針對聲場不均勻的背景音樂播放，設定以播放點為計算測量中心，形成噪聲處理點，如圖6所示。

圖6 噪聲處理點

采用圖6所示的測量計算方式，最終確定實線上得到的點為噪聲處理點。點S′，S″以及S?均表示背景音樂播放的音響設備。基于上述所有處理，最終完成對基于特征識別的背景音樂音質提升的研究。

2 仿真實驗

2.1 實驗準備

實驗選用一個觀眾廳呈中軸線對稱的劇場作為實驗對象，設定8個測試點，測試點A、B、C、F、H距離中軸線1.5 m處，測試點D以及E在側座內的半場，控制測試劇場為一個封閉的空間，D點距中軸5.8 m，測試點E點與中軸之間距離為6.95 m，H點距中軸6.8 m。利用計算機內的AWA6290M測試分析軟件發送測試聲源到功能分析儀中，測量計算得到8個測試點在不同頻率控制下的混響時間，如表2所示。

表2 測試點混響時間

利用表2所示不同頻率控制下測試點得到的混響時間，控制同一頻率參數下的混響時間為最大值，分別使用文獻[2]、文獻[3]方法與基于特征識別的背景音樂音質提升方法進行實驗，對比三種提升方法的性能。

2.2 實驗結果分析

基于上述實驗準備，控制背景音樂的混響時間為2.30 s，在250 Hz背景音樂的頻率下，最終在三種音質提升方法控制下的8個測試點得到的聲壓級結果，如表3所示。

表3 三種提升方法的聲壓級控制結果

由表3所示的聲壓級控制結果可知，三種音質提升方法都對聲壓有一定的控制效果，但從數值大小上來講，傳統音質提升方法1的控制數值較小，傳統音質提升方法2的控制數值相比于傳統音質提升方法1要大，但文中提出的提升方法控制的聲壓數值最大，擺脫了背景音樂播放時聲壓的干擾。

表3顯示了在聲壓數值控制下，控制背景音樂的頻率為500 Hz，利用三種音質提升方法去除該頻率下的音樂噪聲，噪聲抑制結果，如表4所示。

表4 噪聲抑制結果

由表4所示的噪聲抑制結果可知，文獻[2]方法在500 Hz的背景音樂控制下，8個測試點的平均噪聲抑制數值在11.5 dB左右，文獻[3]方法抑制噪聲的平均數值在14.3 dB左右，而文中提出的音質提升方法平均噪聲抑制數值在21.7 dB左右，與兩種音質提升方法相比，文中提出的音質提升方法抑制噪聲干擾的效果更好。保持該實驗條件，不斷調整測試設備，以測試點ABCDEF構成的空間為測試范圍，三種音質提升方法能夠控制的面積結果，如圖7所示。

由圖7可知，在相同觀眾廳范圍內，文獻[2]方法控制得到的測試點范圍最小，文獻[3]方法控制得到的測試點范圍較大，而文中提出的音質提升方法控制該觀眾廳的范圍最大，能夠在有效的空間內最大限度地控制范圍內的音質提升。綜合上述全部實驗結果可知，文中提出的音質提升方法無論是在聲壓級的控制上，還是噪聲抑制效果上，或是控制范圍上都要比文獻[2]方法、文獻[3]方法更加優秀，更加適合在背景音樂提升上使用。

圖7 三種音質提升方法的控制范圍

3 總結

本文采用交疊分段處理重疊部分的背景音樂方法，有效地減少了重疊背景音樂的信息量丟失，通過對初始時延間隙的精確計算，選擇并確定適宜的音質參數值區間，有效地降低了噪聲干擾，對背景音樂音質進行提升。并且文中提出的音質提升方法在聲壓級的控制上、噪聲抑制效果上或是控制范圍上均比傳統的音質提升方法更加適合在背景音樂提升上使用。本文關于背景音樂的音質提升方法的研究可以有效地保證藝術作品的表達，豐富藝術作品的情感，對文化產業的發展有著重要意義。但本文提出的提升方法存在大量的計算，在實際運用時會存在一定的困難，依舊需要學習改進。