音频处理Channel Vocoder 算法简介

Posted 2022-11-27 芥末的无奈

系列文章目录

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• LFO 低频振荡器简介及其 C/C++ 实现
• 【音效处理】Delay/Echo 算法简介
• 【音效处理】Vibrato 算法简介
• 【音效处理】Reverb 混响算法简介
• 【音效处理】Compressor 压缩器算法简介
• 【音频处理】Fast Convolution 快速卷积算法简介

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文章目录

• 系列文章目录
• Channel Vocoder
• 算法原理
• • 时域滤波器实现
  • 频域傅里叶变换
• 总结
• 参考

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Channel Vocoder

在各类剪辑软件中，有一类音效非常的魔幻、富有科技感，例如：

• #变声 合成器声音真是笑死我了
• 声网-魔力音阶音效

这类音效背后的原理来自原 Channel Vocoder（声道声码器）。Channel vocoder 最初由 Homer Dudley 在 1930s 发明，发明的初衷是为了做语音通信，但就目前来看，它在音效上取得了更多的进展。

Channel vocoder 的输入有两个两个信号：载波信号（carrier）和调制信号（modulator）。在音效场景中，carrier 通常是一个谐波丰富的音频，例如锯齿波或者小提琴等声音，而 modulator 通常是语音信号；算法的输出，则是将两个信号进行了某种混合，使得两种信号被叠加在一起，可以产生经典的机器人音效，它作为一种特殊效果在好莱坞中被广泛使用。下面视频是本人实现的 channel vocoder 示例，是一种非常「机械」的声音。

channel_vocoder_video

算法原理

Channel vocoder 的算法实现可以分为时域滤波器实现和频域傅里叶变换实现。

时域滤波器实现

Channel vocoder 在时域上可以被描述为 filter-bank 模型，算法处理逻辑如上图，我们对着图来说。

首先，需要选定一组 Band-Pass Filter，用来过滤出特定频率的音频信息，例如我可以选定 [337.5, 575, 850, 1200, 1700, 2350]。

接着，对于 carrier，经过 BPF 后得到不同频段的信号即可；对于 modulator，经过 BPF 处理后，我们还要获取到这个信号的包络（envelope）。获取包络方式多种多样，一种简易的方式是取信号的能量值，并经过一个 Low-Pass Filter 即可。

然后，将 modulator 的包络与 carrier 的相同频段信号做一个相乘，最后累加所有频段信号就可得到最终的输出。这里 有一个在线体验 channel vocoder 的页面，用的就是 filter-band 模型。

这里思考几个问题：

1. 我要选多少个频段？没有一个固定的值，它可以被设置为算法的一个参数。频段越多计算量越大，但输出信号中 modulator 信号越清晰；频段越少，计算越快，但输出信号「机械感」越强，modulator 信号越不清晰。具体感受可以注意文章开头中视频中对 「Number Band」参数的调整。
2. modulator 与 carrier 信号长度不一致怎么办？modulator 通常是语音信号，考虑在直播场景下使用 channel vocoder 音效的话，modulator 是无限长的，carrier 是一段固定长度的音频，可以重复循环使用 carrier。

频域傅里叶变换

时域上实现 channel vocoder ，需要使用了非常多的 Band-Pass Filter 来过滤出特定的频段，这种方式计算量很大。Channel Vocoder 音效的原理无非是：

1. 在 carrier 和 modulator 信号中，找到特定频率的信息
2. 将 modulator 频段信息进行某种非线性操作（例如找到包络），然后将这个结果与 carrier 频段信息相结合

为了达到上述两个目标，Channel Vocoder 现代实现通常用 FFT 替换 Band-Pass Filter。当使用很多频段时，这种方法更快，而且非线性和低通滤波都可以很容易地使用 FFT 的幅度来完成。FFT Channel vocoder 算法处理逻辑如上图，具体的：

1. 对 modulator 进行 FFT，得到 FFT Bins，将 FFT Bins 分为 N 个 band，对每个 band 的幅度取均值，得到 $b_N$
2. 对 carrier 进行 FFT，得到 FFT Bins，将 FFT Bins 分为 N 个 band，对每个 band 的幅度取均值，得到 $a_N$
3. 完成 1、2 后，对于每个 band，我们计算得到 $s=\frac{b_N}{a_N}$，将 s 与当前的 carrier band 相乘，使 carrier 带上 modulator 的信息
4. 最后，对相乘后的 FFT Bins 做 IFFT 得到时域输出信号

频域上实现 channel vocoder，计算量骤降，Number Bands 轻松设置到 256 都没有问题，而 Band-Filter 模型设置到 64 已经非常吃性能了，并且 Number Bands 参数可以实时调整不影响效果。但频域实现代码复杂性较高，需要在输入和输出两个入口设置 ringbuffer 以保证信号连续性，这同时也会引入一定的延迟（取决与 FFT 的 window size）。

总结

本文介绍了 Channel vocoder，它是一种非常神奇的音效，可以用来实现经典的机器人音效。Channel vocoder 可以使用时域和频域两种实现方法。时域方法中，它被看出是一种 filter-band 模型，通过 band-pass filter 过滤出特定频段的信号，然后将 modulator 中的包络信息附加到 carrier 中来实现；频域方法，经过 FFT 后，对每个 band 进行取均值的，将 modulator 中的各 band 的均值与 carrier 的 band 相乘，然后 IFFT 得到时域输出信号。频域方法计算量更小，参数调整更优化，因此目前大多实现都是频域方法，但它会引入算法延迟。

参考

• Dudley’s Channel Vocoder
• A channel vocoder walkthrough
• A Channel Vocoder in Matlab