数字技术驱动的音频调制和混合创新应用解构_肖嘉航.pdf

2023年第47卷第4期52语 音 技 术语 音 技 术oice TechnologyV文献引用格式：肖嘉航.数字技术驱动的音频调制和混合创新应用解构 J.电声技术，2023，47（4）：52-56.XIAO J H.Deconstruction of digital technology driven audio modulation and hybrid innovative applicationsJ.Audio Engineering，2023，47（4）：52-56.中图分类号：TN761；TN792 文献标识码：A DOI：10.16311/j.audioe.2023.04.014数字技术驱动的音频调制和混合创新应用解构肖嘉航（荆楚理工学院 计算机工程学院，湖北 荆门 448000）摘要：数字技术驱动的音频调制和混合创新应用利用先进的数字音频处理算法和工具，推动了音频创作和声音设计的发展。音频软件和硬件平台提供了直观的用户界面和工具，使音频工程师和制作人能够以前所未有的方式探索和操作音频信号。音频合成算法和合成器工具的改进，使得创作出新颖和独特的音色和声音效果成为可能。通过准确的音量控制、平衡调整和空间处理，音频工程师和制作人可以创建出丰富、动态和沉浸式的音频。音频软件和硬件平台的互操作性，使得音频项目的传输和共享更加便捷和高效。此外，云计算和分布式处理的发展为音频处理和混合提供了更大的计算能力和存储容量，使得复杂的音频项目能够更好地处理和管理。关键词：音频调制；音频混合；创新应用Deconstruction of Digital Technology Driven Audio Modulation and Hybrid Innovative ApplicationsXIAOJiahang(SchoolofComputerEngineering,JingchuUniversityofTechnology,Jingmen448000,China)Abstract:Digitaltechnologydrivenaudiomodulationandhybridinnovativeapplicationsuseadvanceddigitalaudioprocessingalgorithmsandtoolstopromotetheboundariesofaudiocreationandsounddesign.Audiosoftwareandhardwareplatformsprovideintuitiveuserinterfacesandtools,enablingaudioengineersandproducerstoexploreandoperateaudiosignalsinunprecedentedways.Theimprovementofaudiosynthesisalgorithmandsynthesizertoolsmakesitpossibletocreatenovelanduniquetimbreandsoundeffects.Withaccuratevolumecontrol,balanceadjustmentandspatialprocessing,theycancreatearich,dynamicandimmersiveaudioexperience.Theinteroperabilityofaudiosoftwareandhardwareplatformsmakesthetransmissionandsharingofaudioprojectsmoreconvenientandefficient.Inaddition,thedevelopmentofcloudcomputinganddistributedprocessinghasprovidedgreatercomputingpowerandstoragecapacityforaudioprocessingandmixing,enablingcomplexaudioprojectstobebetterprocessedandmanaged.Keywords:audiomodulation;audiomixing;innovativeapplications数字技术驱动的音频调制和混合创新应用为音频创作和声音设计开辟了新的可能性。它们提供了更大的创作自由度、实时处理能力、合成创新和工作流程改进，推动了音频领域的不断发展和进步。1 数字音频调制与混合概述1.1 数字音频调制数字音频调制是一种通过计算机算法生成人工合成音频的过程。它可以用于创造各种声音效果、音色和语音合成等。数字音频合成使用各种算法生成音频波形，其中最常见的是波表合成、采样合成、物理模型合成和叠加合成等，通过数字工作站中的合成器基于合成算法和音频参数生成合成音频。合成器通常包括振荡器、滤波器、包络发生器和混响器等模块，用于生成不同的音色和音效。1.2 数字音频混合数字音频混合是将多个音频信号合并成一个单一的音频信号的过程。它从多个音频源获取输入信号。这些音频源可以是收录的乐器声、人声、采样音频、合成器输出或其他预先录制的音频素材。首先，利用数字工作站进行混合控制来调整每个音频信号的音量、平衡和空间定位等参数。其次，使用常见的信号处理效果器包括均衡器、压缩器、混响器和延迟效果工具等，改变音频信号的频率响2023年第47卷第4期53Voice TechnologY语 音 技 术语 音 技 术应、动态范围和空间特性。数字音频混合通常支持自动化功能，允许用户在时间轴上精确控制混合参数。通过使用自动化，可以实现音量、平衡、效果参数和其他混合参数的实时变化，以实现动态化。完成混合后，音频信号可以通过音频接口输出到扬声器、录音设备或其他音频系统。输出过程中可以对音频信号进行最终的级别调整和格式转换，以适应最终播放或分发的要求。2 数字音频调制的创新应用2.1 波表合成波表是一组存储不同音高的周期性波形样本的数据表格。波表合成利用预先记录的音频波形样本，根据需要进行插值和调制，以生成丰富多样的音色和音效。波表合成开始于收集一组涵盖了不同音高和音色范围的音频波形样本。这些样本可以是真实乐器的采样录音、合成器的生成波形，或者是其他音频来源。波表选择涉及从一系列可用的波表中挑选适当的波形，如()()()Si tiiiiiiiPNI nOF=+（1）式中：I(n)为波表索引值，用于确定要使用的波形在波表中的位置；P 为当前音频信号的音高，可以使用频率或乐器数字接口（Musical Instrument Digital Interface，MIDI）音符号表示这种音高；N为波表长度，表示波表中的离散采样点数；FS为采样率，表示每秒离散采样的次数；O 为调整波表索引的偏移量。经波表索引值的变换，可以在波表中访问不同的波形样本，实现音色的演变。收集的波形样本被存储在一个数据表格（波表）中，通常是一个循环的波形周期。每个波表都包含了多个周期性波形样本，按照音高从低到高的顺序排列，以在波表中连续扫描或遍历波形。在波表扫描过程中，波表索引值会按照设定的参数使多个波形样本产生过渡动态变化，实现循环或来回扫描，如()11()()()Si tiiiiiiiPNI nOFy twAyyyyxxxx+=+=+（2）式中：y(t)为时间 t 处的合成音频信号；wi(i)为第 i个波表在时间 t 处的波形样本；Ai为第 i 个波表的权重，用于控制每个波表按照权重分配扫描。为了实现非整数倍的音高变换，可以使用插值算法，如线性插值或样条插值。使用一个指针（扫描器）来遍历所选波表中的波形样本。扫描器的移动速度决定了合成音频的音高。通过控制扫描器的速度，可以实现音高的变化和演奏技巧，如颤音或滑音。假设有一组已知的离散数据点 xi和 yi，插值的目标是根据这些数据点推断出在其他位置的未知数据点，以平滑生成波形。插值算法会在已知样本之间插入额外的样本来估计和生成中间数据点，如11()iiiiiiPNI nOFy twAyyyyxxxx+=+=+（3）式中：y 为插值样本点，包含每一个待插值位置的估计值；xi和 yi为已知的离散数据点，包含输入值xi和对应的输出值 yi；x 为待插值的位置；yi+1和xi+1为下一个相邻的已知数据点，用于计算已知数据点之间的线性变化率，可估计未知数据点的趋势或在数据点之间进行线性插值。2.2 采样合成采样合成通过采样和重放预先录制的音频样本生成音频波形。它的基本原理是将音频信号分解为一系列离散样本，并在播放时按照一定的速度和顺序重新组合这些样本，以重现原始音频信号。通过模拟-数字转换或直接从数字音频源获取，音频信号被离散化为一系列时间上等间隔的采样点，每个采样点代表音频信号在特定时间点的幅度。假设有一个连续信号是待采样的原始信号x(t)，其中 t 为时间。通过在离散时间点上对连续信号进行测量，可得多个采样数据值组成的离散信号序列，如xn=x(nTS)（4）式中：TS为采样间隔，表示连续信号 x(t)在时间轴上两个相邻采样点之间的时间间隔；n 为离散时间点，表示第 n 个采样点时刻；xn 为离散时间点 n处的采样数据值。获取采样数据后，需将采样数据转换为决定采样点精度和动态范围的固定位深度的数字形式，如16 位或 24 位，继而将离散的数据映射成一组固定的数字值存储在内存或磁盘形成音频样本库。这些样本通常按照时间顺序排列，并根据需求进行管理和组织。在合成过程中，根据所需音高和速度，选择并重放适当的音频样本。重放速度决定合成音频的音高，而重放顺序决定音频的时间结构。为在不同音2023年第47卷第4期54语 音 技 术语 音 技 术oice TechnologyV高下平滑地重放样本，需要用到插值算法。2.3 物理模型合成物理模型合成是一种数字音频合成技术，基于数学模型和物理方程，模拟乐器的振动、共振、声音传播等物理特性和行为，从而具有仿真乐器的声音。物理模型合成的主要思想是将乐器抽象为一组模型参数和状态变量，通过模拟这些参数和变量的演化计算音频波形。其中，模型参数包括乐器的结构、材料特性及振动模式等，还有状态变量，表示乐器在不同时间点的振动状态。要进行物理模型合成，先要选择适当的模型参数，以准确描述所要合成的乐器类型和特性。不同乐器需要不同的模型，如弦乐器、管乐器及鼓乐器等，继而设置乐器模型的初始状态，包括乐器结构、弦张力及振动模式等。这些初始条件将影响乐器的声音特性和响应。经数值模拟和物理方程建立模型演化计算后，可根据模型演化的结果，将模型输出与合适的采样率和位深度相结合产出乐器的音频样本。相比于波表合成和采样合成，物理模型合成能够模拟乐器的动态响应和演奏技巧。2.4 叠加合成叠加合成是一种音频合成技术，通过将多个简单的周期波形叠加在一起生成复杂的音色。它是一种基于波形加法的合成方法，通过控制每个波形的振幅、频率和相位等参数来调整合成音色。在叠加合成中，每个波形称为一个分量。它具有特定的频率、振幅和相位，其中相位的不同取值将影响波形的相对位置和相位关系。每个分量代表合成音色中的一个频率成分，选择需要叠加的分量数量和频率范围，为每个分量设置决定分量的音量和能量的振幅，控制它们对最终合成波形的权重。还可以应用频率调制技术，如频率包络或调制振幅，将每个分量的波形叠加在一起，通过将它们的振幅相加，获得更丰富的音色变化和运动效果。叠加合成的优点在于它提供了精细的音色控制能力，通过调整每个分量的参数，可以精确塑造和定制合成音色的谐波结构和声音特性。3 数字音频混合的创新应用3.1 杜比全景声道杜比全景声道是一种音频技术，旨在提供沉浸式、立体和逼真的音频体验。它不仅涉及声音的方向性，还包括声音的位置和运动感知。杜比全景声道能够将声音精确定位和移动到具体的三维空间，使听众感受到来自各个方向的音效1。杜比全景声道基于对象导向的音频编码和渲染，使音频内容能够以对象的形式进行处理和传输。传统的音频系统通常基于固定的声道布局，如立体声、5.1 声道及 7.1 声道等，而杜比全景声道则允许音频对象根据具体环境和设备的要求进行动态灵活布局和重放渲染2。音频内容以对象的形式存在，每个对象都具有自己的音频特性、位置和运动。对象可以是音乐乐器、声音效果、对话等。通过精确的声源定位和运动控制，杜比全景声道可以将对象放置在三维空间中的特定位置。位置信息包括高度、宽度和深度。杜比全景声道系统包括多个扬声器和声道布局，使用音场渲染引擎，根据实际扬声器布局和环境特性，将音频对象动态渲染到适当的扬声器位置，以实现全方位的音场重现。这些扬声器可以放置在房间的不同位置，以提供立体声、环绕声和顶部扩展声。3.2 数字空间音频数字空间音频结合了数字音频处理和空间概念，涉及多个方面，包括信号编码、渲染算法和扬声器布局等，以在数字领域中模拟和再现逼真的三维声音效果。数字空间音频的实现重难点在于如何定位声源位置，以及如何用一个声音系统重现人们通过双耳和单耳对空间的细微感知。数字空间音频系统会对听觉空间进行 3D 声场数学建模，将声音源的位置、方向和特性与空间中的声学参数相结合，考虑声学建模、反射、吸收和演算等模拟条件，对数字信号进行处理，将音频源的空间信息运用对象导向的编码、声场编码和波场编码等技术编码到数字信号中，最后使用渲染算法将编码的音频信号转换为适当的音频设备输出。这些算法根据不同设备、不同对象的空间特性和用户偏好等因素，将声音定位和分发到合适的位置。数字空间音频系统还可以结合头部追踪技术，追踪听众的头部运动，调整音频输出，以保持声音的定位和一致性。此外，一些系统支持个性化设置，利用基于头部相关传递函数，根据个体听觉特征进行定制化音频处理3。例如，AudioEar3D 实验用人耳进行 3D 结构光重建后的数据集进行耳朵重建模型训练，再使用耳朵模型进行头相关变换函数2023年第47卷第4期55Voice TechnologY语 音 技 术语 音 技 术模拟，以声压级误差衡量头部相关传递函数模拟结果4。实验结果说明，更好的重建结果带来了更真实的头相关变换函数结果。因为，为了获得更真实的空间音频，有必要开发先进的耳朵重建算法。3.3 人工智能混合人工智能混合是将人工智能技术与音频混合过程相结合，以改善音频制作和混合的效果。人工智能模型作用在于分析音频信号的特征，自动调整不同音轨的音量和平衡。可以根据音频特性和形式，智能应用合适的音频效果处理，如均衡器、压缩器、混响等，以改善音频的质量和音场感。通过机器学习和深度学习技术，人工智能模型可以分离和识别音频信号中的不同音频源，从而实现对音频的精确和个别化处理。它可以学习和推断音频处理的最佳实践和音效预设，从而为音频工程师提供自动化的混合建议和推荐。它的优势在于提供了更快速、智能化的音频混合解决方案，减少了传统手动混合过程中的时间成本和人力成本，并提供了一致和高质量的混合结果。3.4 云服务母带处理云服务母带处理是指使用云计算平台和在线音频处理服务进行音频母带处理的方法。传统的音频母带处理通常需要专业的音频工程师和专用的硬件设备，而云服务母带用户无须购买昂贵的专业设备或安装专用软件，直接将处理任务上传至云端就可进行处理，为用户提供了更加灵活、便捷和可扩展的解决方案。用户将待处理的音频素材上传至云服务平台，通常可以通过网页或专门的应用程序进行操作。云服务平台分析上传的音频获取音频的特征信息，如频谱分布、动态范围等。基于用户的需求和预设参数，应用一系列音频处理算法，如均衡器、压缩器、限制器效果等，融合硬件对音频进行母带处理。这些处理过程通常是根据专业工程师的经验和预设的音效模板进行的。母带处理后，用户可以在平台上进行预览和审听，评估处理效果。如果需要调整，用户可以提供反馈并进行相应的参数调整。一旦用户满意处理结果，可以选择下载处理后的音频文件以供后续使用。云服务母带处理具有高度可扩展性，可以同时处理多个任务，提高处理效率。需要注意的是，云服务对音频的实时性和数据安全性需求的满足还有待提升。用户应选择可信赖的云服务平台，并确保音频数据的安全和隐私保护。4 数字技术驱动下的挑战4.1 资源消耗和计算复杂性音频文件存储在计算系统中进行处理和分析时会占据大量存储空间，尤其是无损音频或多声道音频。较长的音频文件或高采样率的音频信号需要更多的计算资源进行实时处理或离线处理，因此存储资源需求需要考虑音频数据的大小和处理任务的规模。在音频数据进行传输和共享时，高质量的音频信号可能需要较高的数据传输速率和带宽，以确保实时的音频流和无损的数据传输。这对于音频实时传输、远程协作或在线音频处理服务尤为重要。音频技术涉及多种算法和信号处理操作，如快速 Fourier 变换、滤波器设计、时频分析、混合、时域和频域转换等具有较高的计算复杂性和运算量。在某些应用中，系统响应速度至关重要，如音效的实时渲染。这就需要系统具备足够的并发处理能力和实时响应性能，并针对算法实现优化，以确保音频信号的实时处理和低延迟。复杂的音频处理和分析操作可能需要较高的功耗，因此还需考虑能源效率和节能策略，以降低系统的能源消耗和对环境的影响。4.2 声音真实性和逼真性音频编码和压缩技术旨在减小音频文件的大小并提高存储和传输效率。然而，高度压缩的音频文件可能导致音频插值样本丢失。此外，利用可视频谱分析平衡压缩和音质之间的关系有一定难度。综合目前多种音质测试实验，盲测仍然是一种可靠的音质检测方法5。在不同的真实环境和数字场景中创造空间音频体验至关重要，如室内和室外的声音特性、不同的房间声学特性、反射和混响等因素都会对声音的真实性产生影响。文献 6 通过从低频、自然性、倾向性、存在感、整体宽度及位置定位，设备的包围性、宽度及距离，房间的包围性、大小、级别及宽度等数据，评估空间音频对受试者的感知产生的不同刺激。结果表明，传统空间音频再现方法取决于物理位移传感器。相对较小的物理空间，需要使用信号处理技术进行增强。然而，基于物理声场重建和基于感知的双耳声音重建实时生成逼真空间感需要复杂的音频处理和声场模拟算法，而设备算力或2023年第47卷第4期56语 音 技 术语 音 技 术oice TechnologyV者算法无法支持会造成音质损伤。个体差异和主观感知是影响声音真实性和逼真性评价的因素。不同的人对声音的感知和主观体验可能存在差异，因此实现广泛认可的声音真实性不仅需要声音的内涵，还需要人的关联和思维的深化7。面对这些挑战，音频领域的研究人员需不断探索并创新音频处理算法、音频编码技术和声场模拟方法，通过用户研究和主观评估，努力使声音的表达更符合人类的听觉感知和个体差异。5 结 语随着数字信号处理和算法技术的发展，音频调制和混合的方式得到了极大拓展和提升。这些创新应用的发展使得音频调制和混合变得更加灵活、多样化和精确化。通过不断研究能够不断提升音频调制和混合的质量和系统性能效率，满足不同应用领域对音频表达的需求，满足个体差异和主观感知的需求。参考文献：1姚雪春，张茂胜，王晓晨，等.浅谈音频技术发展 J.中国科技信息，2014（8）：182-184.2胡泽，易闻波.浅谈音频技术发展对音乐混音创作理念的影响 J.现代电影技术，2021（5）：23-27.3胡瑞敏，王晓晨，张茂胜，等.三维音频技术综述 J.数据采集与处理，2014（5）：661-676.4PRADEOTHK，KURIANA，PRASHANTHA.Microtiadeformitycorrectionwiththree-dimensionalandtwo-dimensionaltemplates：apathwayforeffectiveearreconstructionJ.JournalofClinicalandScientificResearch，2021，10（4）：252-255.5张勇.媒资管理系统中音频编码的选择 J.广播与电视技术，2018（6）：77-81.6SCHOEFFLERM，SILZLEA，HERREJ.Evaluationofspatial/3Daudio：basicaudioqualityversusqualityofexperienceJ.IEEEjournalofselectedtopicsinsignalprocessing，2017，11（1）：75-88.7牛雪瑶.试析移动音频发展的三重困境 J.出版广角，2019（4）：74-76.编辑：郭芳园聚类和分组，以发现其中的潜在结构和模式。对于高维特征空间的信号数据，可以使用特征选择和降维技术，如主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）、线性判别分析（Linear Discriminant Analysis，LDA）等，降低特征维度，并提取最具代表性的特征。2.4 系统性能评估与对比设计一系列实验来评估水声系统在复杂水文环境下的性能，确保实验具有一定的代表性和可重复性，涵盖不同的水文条件和目标情景。定义适当的性能指标来评估水声系统的性能，常见的指标包括准确率、召回率、误报率、漏报率、定位误差以及检测延迟等。根据具体需求和应用场景，选择合适的性能指标进行评估。使用真实数据集或合成数据集进行性能评估，选择具有代表性的对比系统或算法，并在相同的测试条件下比较性能指标，分析系统性能。3 结 语本文深入研究复杂水文环境下水声系统的检测性能，分析了水声传感器技术、信号处理技术、复杂水文环境建模以及多传感器数据融合技术等。经过数据预处理与清洗、信号特征提取与表示、信号识别与分类结果分析等，获取数据分析结果，从而实现系统性能评估与对比，为水声系统在复杂水文环境下的高效应用奠定基础。参考文献：1刘宗伟，孙超，向龙凤，等.不确定海洋环境中的模态子空间重构稳健定位方法 J.物理学报，2014，63（3）：220-230.2梁民赞，孟华，陈迎春，等.水声环境复杂性对声呐探测距离的影响 J.舰船科学技术，2013，35（4）：45-48.3涂峰，黄瑞光.水声信道的建模与仿真研究 J.微计算机信息（测控仪表自动化），2003，19（5）：76-77.4苏绍璟，郭熙业，王跃科.一种海底混响时间序列仿真方法研究 J.系统仿真学报，2010，22（8）：1853-1856.5董阳泽，许肖梅，刘平香，等.浅海声信道建模及其应用研究 J.系统仿真学报，2010，22（1）：47-50.编辑：郭芳园（上接第 51 页）