[发明专利]使用音频信号的固定分区大小卷积的声音合成

说明书

提供一种用于卷积输入信号和脉冲响应函数的方法，脉冲响应函数被分割成相同大小的多个时间段，所述方法包括将输入信号的段变换到频域以生成输入信号的段的频谱；将输入信号的段的频谱乘以脉冲响应函数的每个段的频谱；缩放来自频谱的乘法的结果；累加缩放结果；以及对累加信号执行逆变换以生成时域中的期望的卷积信号。缩放包括对乘法结果执行逐位移位运算，并且执行逐位移位运算包括在逐位移位运算之前向乘法结果添加位。可以通过使用定点算术执行缩放输入信号、乘法和累加来实现均匀分割的脉冲响应函数的快速卷积。

技术领域

本公开涉及用于执行频域卷积技术的信号处理方法和装置。更具体来说，本公开涉及声音合成技术，其涉及音频输入信号与固定分区大小脉冲响应函数的卷积。

发明背景

脉冲响应函数与输入信号的卷积具有各种各样的应用，包括例如音频和视频信号处理、声纳和雷达以及通用数字信号处理(DSP)应用。一个此类实例为音频信号卷积以模拟环境的声学效果，由此可以卷积源信号与有限脉冲响应(FIR)函数，FIR函数模型化环境的声学响应。此音频信号卷积的实际应用为模拟中声音的实时合成，例如，视频游戏虚拟环境，其中可以实时卷积模型化虚拟房间的声学特性的预计算的脉冲响应函数与输入源信号以模拟虚拟环境的声学效果。各种常规的技术可用于执行此等信号的卷积。

一种此类技术为对应于输入信号和脉冲响应滤波器的函数的时域中的直接卷积。然而，执行此卷积的计算成本可能非常高，并且执行此等运算的计算时间随着滤波器长度而线性增加(即，t∝N²，其中t为计算时间并且N为脉冲响应函数中的滤波器长度或取样点数)。因此，时域中的直接卷积不适合于许多实时应用，特别是当脉冲响应函数具有相对较长的持续时间时。

鉴于与直接卷积相关联的缺点，已提出各种频域技术，其涉及生成时域信号的频谱以便利用时域中的卷积用频域中的逐点乘法来代替的概念。计算时间用滤波器长度的对数(即，t∝Nlog₂N)而不是线性地缩放，由此在样本大小足够大的情况下，比直接时域技术提供显著的计算成本优势。

频域卷积技术通常涉及数字取样的脉冲响应函数(其可以是预计算的数字取样的输入信号)，以及使用离散傅立叶变换(DFT)将取样信号转换到频域中。通常通过使用快速傅立叶变换(FFT)算法对时域输入信号和脉冲响应执行DFT，并且可以零填充信号和脉冲响应的各段以避免圆周卷积。执行复值输入信号和脉冲响应频谱的逐点乘法，并且使用快速傅立叶逆变换(IFFT)将所得乘积转换回时域以生成作为时间的函数的期望的卷积和滤过的信号。

已提出用于执行脉冲函数和输入信号的频域卷积的各种技术。一个挑战是频域卷积引入固有的等待时间，这是因为输入信号段最初必须被缓冲，并且在可以执行卷积运算之前必须载入频率窗口(frequency bin)。在许多实时应用中，通过在执行频域卷积之前将脉冲响应函数分割成较小的块，使用块处理来解决等待时间问题是很常见的。然而，传统的分区方法在执行长的脉冲响应的卷积时仍然遭受缓慢的性能和/或等待时间。

因此，在本领域中需要以最小等待时间和低的计算成本执行实时源信号的准确且快速卷积的方法和装置。本公开正是在这一背景下产生的。

附图简述

通过考虑以下详细描述以及附图，可以容易地理解本公开的方面，其中：

图1A描绘根据本公开的方面的均匀分割的脉冲响应函数。

图1B描绘根据本公开的方面的均匀分割的输入信号。

图1C描绘根据本公开的方面的输入信号与图1A的脉冲响应函数之间的卷积方法。

图2A至图2B描绘说明本公开的方面的缩放运算的实例。

图3描绘根据本公开的方面的卷积方法的流程图。

图4描绘根据本公开的方面的用于执行卷积的系统。

具体实施方式