产生回响音效的方法与相关装置.pdf

本发明提供一种产生回响音效的方法与相关装置，以根据一输入讯号产生一具有回响音效的输出讯号。本发明先设定一定值的回声间隔，并将该输入讯号延迟而依序产生多个延迟讯号，使每一延迟讯号与次一延迟讯号之间的延迟时间相当于该回声间隔，而延迟讯号的个数适应性地依据该回响音效的前期回响时段中有几个回声间隔来决定。这些延迟讯号在经过低通滤波后就可作为输出讯号中的前期回响部分，再搭配梳形滤波，即可形成输出讯号中的后期回响部分。

1.  一种用来产生回响音效的方法，以根据一输入讯号产生一具有回响音效的输出讯号；该方法包含有：
设定一前期回响时段；
设定一定值的回声间隔；
计算该前期回响时段中包含有几个回声间隔，并产生一对应的计算结果；
将该输入讯号延迟以依序产生多个延迟讯号，使每一延迟讯号与次一延迟讯号之间的延迟时间相当于该回声间隔，且这些延迟讯号的个数对应于该计算结果；以及
根据这些延迟讯号加总后的结果产生该输出讯号。

2.  如权利要求1所述的方法，其是用来仿真该输入讯号于一给定空间中的音源发射后在该给定空间中传播的情形，使该输出讯号对应于该输入讯号传播至一接收端后的结果；而该方法还包含有：
根据该给定空间的尺寸大小、该给定空间的壁面的讯号反射特性、以及该音源、接收端的位置来计算该前期回响时段的长短。

3.  如权利要求1所述的方法，其中该回声间隔不大于10毫秒。

4.  如权利要求1所述的方法，其中当根据这些延迟讯号加总的结果产生该输出讯号时，还将这些延迟讯号加总后的结果经过低通滤波以产生该输出讯号。

5.  如权利要求1所述的方法，其还包含有：
对这些延迟讯号加总的结果进行梳形滤波以产生一后期回响讯号；以及
根据这些延迟讯号及该后期回响讯号产生该输出讯号。

6.  如权利要求5所述的方法，其中当进行该梳形滤波时，是使该后期回响讯号延迟于输入讯号至少一预设的时段，而该预设时段等于该前期回响时段。

7.  一种用来产生回响音效的音效电路，以根据一输入讯号产生一具有回响音效的输出讯号；该音效电路包含有：
一延迟模块，用来依序产生多个延迟讯号，使每一延迟讯号与次一延迟讯号之间的延迟时间相当于一定值的回声间隔，且这些延迟讯号的个数对应于一计算结果，而该计算结果对应于一前期回响时段中所具有的回声间隔的个数；以及
一加总模块，以根据这些延迟讯号加总后的结果产生该输出讯号。

8.  如权利要求7所述的音效电路，其中该回声间隔不大于10毫秒。

9.  如权利要求7所述的音效电路，其还包含有一低通滤波器，电连于该延迟模块及该加总模块之间，以对这些延迟讯号进行低通滤波后再传输至该加总模块。

10.  如权利要求7所述的音效电路，其还包含有：
一后期回响模块，用来对这些延迟讯号加总后的结果进行梳形滤波以产生一后期回响讯号；而该加总模块还可根据该后期回响讯号及这些延迟讯号产生该输出讯号。

11.  如权利要求10所述的音效电路，其中该后期回响模块中设有多个梳形滤波器，用来使该后期回响讯号延迟于该输入讯号至少一预设的时段，而该预设时段等于该前期回响时段。

12.  如权利要求7所述的音效电路，其中该延迟模块中包含有多个串连的延迟器，各延迟器可使讯号延迟该回声间隔。

产生回响音效的方法与相关装置
技术领域
本发明涉及一种设计、实现回响音效的方法与相关装置/电路，特别是涉及一种适应性地依据前期回响中回声间隔的个数来产生延迟讯号以实现前期回响部分的回响音效产生方法与相关装置/电路。
背景技术
动人的音乐能抚慰人心，已成为人类生活重要的一部份。根据研究，悦耳的音乐不仅与乐器的发声特征、演奏者及演唱者的个人技巧等因素有关，还与音乐演奏的环境有关。对听众来说，在经过专业设计的音乐厅中所演出的音乐，会更为浑厚动听，余音绕梁。音乐在音乐厅中共鸣、回响所呈现出来的特殊声音效果，就可被称为回响(reverberation)音效。在现代的信息社会中，音乐得以用电子播放装置(像是光盘播放器、硬盘或闪存的随身播放器，或甚至是多媒体计算机等等)来播放。然而，这些播放装置的使用者不可能都到音乐厅中播放音乐以取得音乐厅所能额外呈现出来的回响音效；受限于时间、场合，使用者甚至只能以耳机来聆听音乐，就更无法享受到具有回响音效的音乐。因此，现代的信息厂商已开始研发各种能产生回响音效的方法，尝试在播放装置中以讯号处理的方式将回响音效加入至声音讯号中，让使用者不用实际到音乐厅中就可享受到回响音效。
为了仿真声音(音乐)在一给定空间(像是音乐厅)中传播所产生的回响音效，已知的回响音效产生方法常会使用到光追迹法等复杂的算法来计算声音在给定空间中传输的情形，进而仿真产生出回响音效。然而，这类方法所需的讯号处理常会耗用大量的计算与存储资源，使得回响音效不能以较低成本、较有效率的方法来实现。
发明内容
因此，本发明的主要目的，即是要提出一种能以较精简、较低成本、较佳效率来实现回响音效的方法与相关装置，以克服已知技术的缺点。
回响音效的主因之一，是声音在一给定空间中进行多路径传输所造成的。在封闭的给定空间中，声音可能会沿着不同壁面间来回反射的不同路径传播，最后才传播到接收端(也就是听众)。由于不同的路径有不同的路径长短，故在不同路径上传输的声音也会在不同的延迟时间后才抵达接收端。不同路径、具有不同延迟时间的声音在接收端迭加，就能使接收端的听众感受到某种程度的回响音效，尤其是回响音效的前期回响(early reflection)部分。然而，根据本发明的研究，人类的耳朵只能分辨出一定时间间隔的延迟声音，本发明将此时间间隔称为一回声间隔；此回声间隔可以小于10毫秒，譬如说是8毫秒(ms，1毫秒为千分之一秒)。换句话说，若一声音与延迟时间大于回声间隔的另一个声音迭加在一起，人耳会将其辨识为两个不同、零散的声音，不能由此感受到回响音效。相对的，若一声音与另一个延迟时间小于回声间隔的声音迭加在一起，人耳会将其辨识为同一个高声的声音，同样也感受不到回响音效。以此回声间隔为标准，既然延迟时间过大或过小的延迟声音均不能对回响音效有所助益，本发明就只保留延迟时间为回声间隔的延迟声音来实现回响音效，尤其是回响音效的前期回响部分。
具体来说，当本发明要为一输入讯号加上回响音效而形成一对应的输出讯号时，就是根据输入讯号依序产生多个延迟讯号，每一延迟讯号与次一延迟讯号间的延迟时间均为该回声间隔；而延迟讯号的个数就适应性地由前期回响部分中涵盖有几个回声间隔来决定。举例来说，当本发明要模拟声音在一个较大、壁面反射性质较强的房间中所造成的回响音效，由于此类房间中的前期回响部分会较长，故前期回响时段中会涵盖较多的回声间隔，而本发明就可适应性地以较多个延迟讯号来形成回响音效中的前期回响部分。相对地，当本发明要模拟声音在一个较小、壁面较能吸收声音的房间中所呈现的回响音效时，由于此类房间的前期回响时段较短、涵盖较少的回声间隔，故可适应性地以较少的延迟讯号来形成前期回响部分。至于后期回响部分，本发明可使用梳形滤波器来滤波实现回响音效中的后期回响部分，也可广泛地沿用现有技术地后期回响产生法来产生后期回响。
由于本发明仅需产生延迟时间为该回声间隔的延迟讯号来呈现回响音效，故本发明能精简地以延迟器来加以实现，不需占用庞大的计算、存储资源，即可以较低的成本、较佳的效率来实现回响音效。
附图说明
图1为声音于一空间中传播的示意图。
图2示意的是图1中声音传播的回响音效的时域突波响应。
图3为本发明音效电路一实施例的功能方块示意图。
图4示意的是图3中延迟模块的时域突波响应。
图5示意的是本发明设计、实现回响音效的流程。
附图符号说明
10音效电路                     12延迟模块
14低通滤波器                   16后期回响产生模块
18加总模块                     20延迟器
22乘法器                       24A-24D梳形滤波器
102-112步骤
S0空间                         W壁面
S音源                          R接收端
Si输入讯号                     So输出讯号
P0、P1a-P1d、P2a-P2b、P3路径
Sd、Sd(1)-Sd(N)讯号            Te回声间隔
具体实施方式
请参考图1。图1示意的是声音于一给定空间S0中由一音源S传播至一接收端R的情形。当声音由音源S发出时，声音可能会经由许多种不同的路径传播至接收端R；举例来说，声音可能由路径P0而直接传播至接收端R，也可能沿着路径P1a、P1b、P1c及P1d等路径，在空间S0的壁面W上经过一次反射后，才传播至接收端R。当然，声音也可能会经由多次的壁面间反射才能由接收端R接收，像是经由路径P2a、P2b或P3等等。由于这些路径P0、P1a至P1d、P2a、P2b、P3等等均有不同的路径长度，沿着不同路径传播的声音也会在不同的时间抵达接收端R。举例来说，当声音开始由音源S传播出去时，沿路径P0传播的声音会先抵达接收端R(因为路径P0较短)，而沿着路径P1a至P1d传播的声音会较晚抵达，还会有较大的声音讯号衰减，因为路径P1a至P1d的路径较长，又可能因壁面的反射而损失能量。同理，沿路径P2a、P2b传播的声音又会延迟更久才抵达接收端R，其讯号衰减也会更大，以此类推。换句话说，对于接收端R来说，其所接收到的声音，也就是不同抵达时间(不同延迟)、不同衰减的各种声音相互迭加后的结果；而对接收端R的听众来说，也就会因此感受到回响音效。
为进一步说明回响音效的效应，请继续参考图2(并一并参考图1)。延续图1中的说明，若以音源S发出的声音当作一输入讯号，而接收端R接收的声音当作一输出讯号，则这两个输入/输出讯号间的时域突波响应(time-domain impulse response)就会如图2中所示；图2的横轴为时间，纵轴为响应大小。如本领域的技术人员所知，图2中所示的突波响应是将输入讯号分别加上不同的延迟时间及强度衰减后，再迭加形成具有回响音效的输出讯号。而由图2中也可看出，回响音效可概分为前期回响(earlyreflection)及后期回响(late reverb)两个部分；前期回响部分对应于较早抵达接收端R的声音，故此部分的响应强度较强，衰减较少，而这些声音的抵达率(arriving rate，也就是单位时间内有几个不同路径的声音抵达接收端R)较低，形成突波响应中较为稀疏、较为离散的响应。相对地，后期回响部分则对应于较晚抵达接收端R的声音，此部分响应的抵达率会增高而形成较密集的响应，而讯号衰减也较大。最后，后期回响的讯号会衰减至人耳听不见的程度。当图2中的突波响应由开始的响应强度衰减至某一程度(像是由原来强度衰减60分贝)所需的时间，即可称为一回响时间(reverbtime)，如图2中所标示。一个设计良好的音乐厅，其回响音效对应的回响时间可能有1.5至2秒。而前期回响持续的时间则可称为一前期回响时段。
影响回响音效的因素有许多。空间S0的空间大小及形状，音源S、接收端R的位置，空间中的陈设，壁面W对声音反射的特性(某些壁面材质较能反射声音，某些壁面材质则较能吸收声音的能量)，空间S0中空气的性质(可能会吸收声音的能量)等等，都有可能会使回响音效改变，像是使前期回响时段以及回响时间增长或缩短等等。另外，声音的波传播特性也是影响因素之一；举例来说，若空间S0中存在有障碍物，对于某种尺寸的障碍物来说，其可将声音完全遮蔽或反射；但对于另一种尺寸的障碍物来说，声音可能就可以绕射而过，不一定会像追迹射线(tracing ray)一般被完全障蔽或反射。此外，不同频率的声音也会有不同的反射、传播特性，也可能会影响回响音效。为了模拟上述这些因素所形成的不同回响音效，已知的回响音效产生方法往往要运用上许多复杂讯号处理、光追迹法等等算法才能实现回响音效，这也使得回响音效的实现成本较高，需耗用较多的运算或存储资源，而效率也较差。
然而，经由本发明的研究显示，回响音效的实现是可以适度简化而不失其效果的。回响音效主要就是要仿真听众在一给定空间中所听到的声音，然而人耳辨音的特性确有某种限制。大体来说，人类的耳朵只能分辨出一定时间间隔的延迟声音，本发明将此时间间隔称为一回声间隔；此回声间隔大略为8毫秒(ms，1毫秒为千分之一秒)。换句话说，若一声音与延迟时间大于回声间隔的另一个声音迭加在一起，人耳会将其辨识为两个不同、零散的声音，不会感受到回响音效。相对的，若一声音与另一个延迟时间小于回声间隔的声音迭加在一起，人耳会将其辨识为同一个高声的声音，同样也感受不到回响音效。以此回声间隔为标准，既然延迟时间过大或过小的延迟声音均不能对回响音效有所助益，本发明就只保留延迟时间为回声间隔的延迟声音来实现回响音效，尤其是在回响音效的前期回响部分。换句话说，当要将一输入讯号加上回响音效而产生一输出讯号时，本发明可依序将输入讯号延迟而产生多个延迟讯号，并使每一延迟讯号与次一延迟讯号间的延迟时间等于该回声间隔；而延迟讯号的个数，就适应性地依据前期回响时段中有几个回声间隔来决定。根据这些延迟讯号迭加的结果，就可形成本发明回响音效的前期回响部分。
请参考图3；图3所示即为本发明音效电路一实施例10的功能方块示意图。根据上述本发明的技术精神，即能以此音效电路10来实现本发明的回响音效产生技术。音效电路10可对一电子的声音输入讯号Si进行讯号处理，以产生能呈现出回响音效的输出讯号So；音效电路10中设有一延迟模块12、一低通滤波器14、一后期回响产生模块16以及一加总模块18。延迟模块12及低通滤波器14主要用来产生回响音效中的前期回响部分，后期回响产生模块18则产生后期回响部分；加总模块18可将前后期回响部分加总在一起，形成输出讯号So而完整地呈现回响音效的整体效果。
根据本发明前述的技术精神，前期回响部分中仅需保留延迟时间相当于回声间隔的讯号。故在本发明音效电路10中，延迟模块12中就设有多个串连的延迟器20，各延迟器20可分别引入相当于回声间隔的延迟时间；而各延迟器的输出会分别经由不同的乘法器22乘上讯号衰减的系数，再加总为讯号Sd。换句话说，第一个延迟器可将输入讯号Si延迟一回声间隔的时间而形成延迟讯号Sd(1)，第二个延迟器可将延迟讯号Sd(1)再延迟一回声间隔的时间而形成延迟讯号Sd(2)，以此类推；而延迟模块12整体产生出来的讯号Sd，就相当于a1*Sd(1)+a2*Sd(2)+…+an*Sd(n)+…+aN*Sd(N)。其中，延迟器的个数(也就是N)则是适应性地由前期回响时段中有几个回声间隔来决定；在本发明的较佳实施例中，前期回响时段中涵盖有几个回声间隔，就可在延迟模块12中设置几个延迟器20。当要模拟一个较大的空间所产生出来的回响音效时，由于其前期回响时段较长，本发明就可适应性地在延迟模块12中设置较多的延迟器20。反之，当要仿真的回响音效具有较短的前期回响时段，则可适应性地减少延迟模块12中的延迟器数量。
请参考图4。以输入讯号Si当作延迟模块12的输入、讯号Sd当作延迟模块12的输出，则延迟模块12本身的时域突波响应即示于图4；图4的横轴为时间，纵轴为响应的大小。由图4可知，延迟模块12的功能就是在回响音效的前期回响部分中保留延迟时间恰为回声间隔Te整数倍的讯号。前期回响的时段长短改变，其所涵盖的回声间隔的个数也会随之改变，而本发明就可适应性地调整延迟模块12中延迟器的个数。另外，不同延迟器搭配的乘法器也具有不同的讯号衰减倍率，以使延迟时间越长的延迟讯号会被乘上越大的讯号衰减。
请再度参考图3。延迟模块12产生的讯号Sd在经过低通滤波器14的低通滤波后，就可形成回响音效中的前期回响部分。经过低通滤波的讯号Sd再经过后期回响产生模块16的进一步处理，即可形成后期回响部分。本发明可广泛地搭配各种后期回响产生算法来产生后期回响；在图3的实施例中，本发明所搭配的后期回响产生模块16中设有四个并行的梳形滤波器24A至24D，各梳形滤波器中是以一延迟器搭配一乘法器形成回授的梳形滤波架构。其中，各个梳形滤波器中的延迟器所分别引入的延迟时间可各不相同；在本发明的较佳实施例中，最长延迟时间与最短延迟时间两者的比值不超过1.5，最短的延迟时间可以和前期回响时段相同，再依据(1+0.5/3)、(1+1/3)及1.5三个比值来配置其它三个延迟器所引入的延迟时间长短。换句话说，四个梳形滤波器24A至24D中的延迟器可分别引入T、(1+0.5/3)T、(1+1/3)T及1.5T的延迟时间，而T同样地可适应性地由前期回响时段的长短来决定。而不同梳形滤波器中的乘法器也可分别具有不同的讯号衰减倍率；在本发明的较佳实施例中，可依据g(i)＝10^(-3*m(i)*Ts/Tr)，i＝1至4来分别设定各乘法器的倍率，其中m(i)为对应延迟器的延迟线的长度，Ts为声音讯号的采样时间间隔，Tr则为回响时间。
经过延迟模块12、低通滤波器14、四个梳形滤波器24A至24D的讯号处理后，各个处理后的讯号会在加总模块18中被加总起来，形成具有回响音效的输出讯号So。
总的来说，本发明设计、实现回响音效电路的技术精神可归纳于图5的流程图。请参考图5(并一并参考图3)；图5中的流程有下列步骤：
步骤102：决定前期回响时段的长短。当要模拟某一给定空间中所产生的回响音效时，可根据该给定空间的大小、几何形状，壁面对声音的反射特性，音源、接收端的位置等因素来决定回响音效中前期回响部分的时间长短。
步骤104：设定定值的回声间隔。如前所述，依据本发明的研究，在本发明的较佳实施例中，此回声间隔可设定为8毫秒。
步骤106：计算前期回响时段中有几个回声间隔。
步骤108：适应性地根据步骤106中的计算结果决定要在前期回响时段中产生几个延迟讯号。在本发明的较佳实施例中，前期回响中有几个回声间隔，就依序产生几个延迟讯号，并使每一延迟讯号与次一延迟讯号间的延迟时间长短均相等于该回声间隔。
步骤110：架构延迟模块(及对应的低通滤波器)以产生步骤108中所需的各个延迟讯号。
步骤112：以步骤110中的延迟模块配合上适当的后期回响产生电路，就能架构出一个完整的回响音效电路，以讯号处理的方式来实现回响音效。
依据本发明技术精神所设计的音效电路10可广泛运用于各种电子播放装置，像是收音机、音乐光盘播放器(CD player)、多功能数字光盘播放器(DVD player)、硬盘或闪存的随身播放器、音响、电视、或是多媒体计算机(像是架构于声卡中，或是架构于主机板上的音效芯片内)等等。音效电路1 0的各个模块、延迟器、乘法器可分别使用软件、固件或硬件的方式来实现。举例来说，音效电路10可以利用单一讯号处理芯片来实现，音效电路10中各模块、延迟器、乘法器的功能即可由该处理芯片执行适当的固件程序代码来加以实现。或者，当音效电路10架构于一计算机中时，也可利用该计算机的中央处理器执行适当的软件程序代码而实现音效电路10的功能。
相较于已知技术，本发明以精简的结构即可适当的实现回响音效，降低回响音效的成本、运算的复杂程度及其所需的存储、运算资源，并提高回响音效实现的效率。依据实验显示，本发明不仅可呈现出良好的回响音效，也能避免回响音效中不理想的频域响应(即coloration)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明的权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。