一种基于缸压信号的汽车声音合成方法及装置
阅读说明：本技术 一种基于缸压信号的汽车声音合成方法及装置 (Automobile sound synthesis method and device based on cylinder pressure signal ) 是由 卢炽华 谢丽萍 刘志恩 刘浩 孙唯 吕之品 胡杰 彭辅明 魏晓旭 于 2020-12-23 设计创作，主要内容包括：本发明属于数字信号处理技术领域,公开了一种基于缸压信号的汽车声音合成方法及装置。该方法基于汽车缸压信号的周期特性,构建声音粒子的索引矩阵；通过匹配对应转速信息快速定位转速区间范围内索引矩阵中的所有声音粒子；根据汽车的行驶状态,基于“变速不变调”算法将提取的声音粒子进行拼接合成,实现对汽车声音的模拟。本发明解决了现有技术中声音粒子切割难度大,且声音粒子拼接容易出现爆音的问题,能够实时索引与转速匹配的声音粒子,既能保证合成音声品质的连贯性,又能提高与驾驶员行为操作的匹配性。(The invention belongs to the technical field of digital signal processing, and discloses an automobile sound synthesis method and device based on cylinder pressure signals. The method includes the steps that an index matrix of sound particles is constructed based on the periodic characteristics of automobile cylinder pressure signals; quickly positioning all sound particles in the index matrix within the range of the rotating speed interval by matching the corresponding rotating speed information; and splicing and synthesizing the extracted sound particles based on a variable speed and non-tonal modification algorithm according to the driving state of the automobile, so as to realize the simulation of the automobile sound. The method solves the problems that in the prior art, the sound particles are difficult to cut and pop sound is easy to occur in sound particle splicing, can index the sound particles matched with the rotating speed in real time, can ensure the continuity of the sound quality of the synthesized sound, and can improve the matching performance with the behavior operation of a driver.)
技术领域
本发明涉及数字信号处理技术领域，尤其涉及一种基于缸压信号的汽车声音合成方法及装置。
背景技术
汽车品质的提升已逐渐取代产能的增长成为汽车行业发展的主流，尤其是在声学方面整体性能的改善变得尤为重要，这对汽车的NVH提出了日益苛刻的要求。随着主动发声技术的应用，可以根据用户群体的需求，利用声音合成算法设计满足目标要求的车内声音，并通过电子控制器播放出随行驶工况变化的声音。
声音粒子合成算法是主动发声技术中常用的汽车声音合成算法之一，主要是将设计好的声音样本分割成细小的声音粒子，存储在控制器的内存卡中，根据汽车的行驶工况输入读取内存卡中的声音粒子，并进行拼接从而合成目标声音样本。但传统的声音粒子算法因要将声音样本分割成细小声音粒子，切割难度大，难以保证切割后声音粒子的首尾相位为0，且声音粒子拼接容易出现爆音，使得合成的目标声音不够连贯自然，播放的声音与驾驶员行为的匹配性较差。
发明内容
本申请实施例通过提供一种基于缸压信号的汽车声音合成方法与装置，解决现有技术中无法保证满足声音粒子首尾相位为0，提高合成音的连贯性与驾驶员行为的匹配性的问题。能够实时索引与转速匹配的声音粒子，既能保证合成音的声品质连贯性，又能提高与驾驶员操作行为的匹配性。
本发明提供一种基于缸压信号的汽车声音合成方法，包括以下步骤：
步骤1、同步采集目标汽车声音样本、与所述目标汽车声音样本对应的缸压信号；
步骤2、基于所述缸压信号曲线的周期特性，根据所述目标汽车声音样本、与所述目标汽车声音样本对应的所述缸压信号构建声音粒子索引矩阵；
步骤3、根据车况转速输入信息匹配所述声音粒子索引矩阵对应的转速区间范围，提取所述转速区间范围内的所有声音粒子片段，并计算获得所述转速区间范围内对应的声音信号时长；
步骤4、设定检索转速时间步长，根据所述检索转速时间步长、所述转速区间范围内对应的声音信号时长，计算获得提升倍速；
步骤5、根据所述提升倍数，基于变速不变调算法选择删减所述转速区间内的声音粒子片段，并将剩余的声音粒子片段进行依次拼接，合成目标声音。
优选的，所述步骤1的实现方式为：选取目标车型，同步采集所述目标车型对应的目标汽车声音样本与缸压信号；
其中，所述目标汽车声音样本为发动机声音样本、排气声音样本、车内声音样本、进气声音样本中的至少一种。
优选的，所述步骤2的实现方式为：将所述缸压信号曲线以峰值数值的第一百分比为临界点转换为方波曲线；所述缸压信号曲线大于峰值点数值第一百分比的曲线取值设为1，否则取值设为0。
优选的，将所述方波曲线中相邻的两个高电平的中点之间距离定义为一个声音粒子片段的时长，将前一个高电平的中点定义为该声音粒子片段的起点位置，将后一个高电平的中点定位为该声音粒子片段的终点位置。
优选的，每个所述声音粒子片段对应的转速采用以下公式得到：
其中，RPMi为第i个声音粒子片段对应的转速，Starti为第i个声音粒子片段的起点位置，Endi为第i个声音粒子片段的终点位置，fs为目标汽车声音样本的采样频率。
优选的，根据每个声音粒子片段的起点位置、终点位置、对应的转速，构建维度为n*3声音粒子索引矩阵；
其中，n为声音粒子片段的个数，所述声音粒子索引矩阵的第一列存储每个声音粒子片段对应的转速，所述声音粒子索引矩阵的第二列存储每个声音粒子片段的起点位置，所述声音粒子索引矩阵的第三列存储每个声音粒子片段的终点位置，i＝1，2，3......n。
优选的，所述步骤3的实现方式为：根据车况转速输入信息匹配所述声音粒子索引矩阵中第一列对应的转速区间范围[RPMi,RPMi+k]；
根据转速区间上限值RPMi与转速区间下限值RPMi+k，分别定位所述声音粒子索引矩阵中第i个声音粒子片段的起点位置Starti与第i+k个声音粒子片段的终点位置Endi+k，得到所述声音粒子索引矩阵对应的声音粒子的位置区间为[Starti,Endi+k]；
提取所述声音粒子的位置区间内的k+1个声音粒子片段，并计算所述声音粒子的位置区间内对应的声音信号时长，采用的计算公式为：
其中，Tk+1为转速区间范围内对应的声音信号时长。
优选的，所述步骤4中，计算所述提升倍速采用的公式为：
其中，mu为提升倍速，Tk+1为转速区间范围内对应的声音信号时长，Step为检索转速时间步长；fix为取整函数，提升倍数向上取整，不足的由0取代。
优选的，所述步骤5中，根据所述提升倍数，在k+1个声音粒子片段对应的区间范围内提取Num个声音粒子片段，Num的计算表达式为：
提取的声音粒子片段的间隔为mu*(j-1)，j＝1,2,3,......Num-1，将提取的Num个声音粒子片段依次拼接合成目标声音。
另一方面，本发明提供一种基于缸压信号的汽车声音合成装置，包括：
采集单元，用于同步采集获取目标汽车声音样本、与所述目标汽车声音样本对应的缸压信号；
声音粒子索引矩阵构建单元，用于基于所述缸压信号曲线的周期特性，根据所述目标汽车声音样本、与所述目标汽车声音样本对应的所述缸压信号构建声音粒子索引矩阵；
存储单元，用于存储所述声音粒子索引矩阵、所述目标汽车声音样本；
索引单元，用于根据车况转速输入信息匹配所述声音粒子索引矩阵对应的转速区间范围，定位所述转速区间范围内的声音粒子提取区间；
声音粒子合成单元，用于计算获得提升倍速，根据所述提升倍速，基于变速不变调算法，合成目标声音；
所述基于缸压信号的汽车声音合成装置用于实现上述的基于缸压信号的汽车声音合成方法中的步骤。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在发明中，首先同步采集目标汽车声音样本、与目标汽车声音样本对应的缸压信号，然后基于缸压信号的周期特性，根据目标汽车声音样本、与目标汽车声音样本对应的缸压信号构建声音粒子索引矩阵；接着根据车况转速输入信息匹配声音粒子索引矩阵对应的转速区间范围，提取转速区间范围内的所有声音粒子，并计算转速区间范围内对应的声音信号时长；设定检索转速时间步长，根据检索转速时间步长、转速区间范围内对应的声音信号时长计算获得提升倍速；最后根据提升倍数，基于变速不变调算法选择删减转速区间内声音粒子片段，并将剩余的声音粒子片段进行依次拼接，合成发动机声音。本发明根据缸压曲线的周期特征，构建声音粒子索引矩阵，解决传统声音粒子算法切割难度大，且声音粒子拼接容易出现爆音，合成的目标声音不够连贯自然与驾驶员行为的匹配性较差的问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于缸压信号的汽车声音合成方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种基于缸压信号的汽车声音合成方法中四冲程发动机缸压曲线示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于缸压信号的汽车声音合成方法中四冲程发动机缸压曲线方波示意图。
其中，A-气缸压力的波峰、TDC-上止点、BDC-下止点、S1-膨胀过程、S2-排气过程、S3-进气过程、S4-压缩过程。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本实施例提供了一种基于缸压信号的汽车声音合成方法，参见图1，包括以下步骤：
步骤1、同步采集目标汽车声音样本、与目标汽车声音样本对应的缸压信号。
具体的，根据用户对汽车声品质的偏好性定位目标车型，通过声压传感器、缸压传感器同步采集目标车型的汽车声音样本与缸压信号。
其中，所述的汽车声音样本包括但不限于发动机声音样本、排气声音样本、车内声音样本、进气声音样本。
一种具体的发动机声音样本与缸压信号的采集方法是：在发动机前围侧、机顶和水箱侧各布置一个声压传感器，在四冲程的发动机的气缸内各布置一个缸压传感器。运行发动机，使其转速从怠速缓慢加速到发动机能达到的最高转速，同步采集声音样本与缸压信号。
步骤2、基于缸压信号曲线的周期特性，根据所述目标汽车声音样本、与目标汽车声音样本对应的缸压信号构建声音粒子索引矩阵。
具体的，所述缸压信号曲线的周期特性如图2所示，A点为气缸压力的波峰，TDC代表压缩上止点。相邻两个波峰之间代表一个完整的发动机循环，包括S1膨胀过程、S2排气过程、S3进气过程和S4压缩过程。四个行程对应720°曲轴转角，每个行程分别为180°。活塞从上止点TDC到下止点BDC在到TDC两个循环，曲轴转动两圈。
将所述缸压信号曲线以峰值数值的第一百分比为临界点转换为方波曲线；所述缸压信号曲线大于峰值点数值第一百分比的曲线取值设为1，否则取值设为0。
例如，第一百分比取80％，即将所述缸压信号曲线大于峰值A的80％的曲线部分的数值设定为1，否则数值设定为0，以此转换为方波曲线，如图3所示。
根据所述的方波曲线，定义相邻两个方波之间高电平的中点距离为一个声音粒子片段的时长。定义前一个方波的中点为一个声音粒子片段的起点位置，后一个方波的中点为声音粒子片段的终点位置。
其中，定义的声音粒子片段是在短时间范围内的，因此认为每个声音粒子片段都是稳态的，时不变的信号。一个声音粒子片段的区间对应一个完整的发动机循环。
根据所述定位出每个声音粒子片段的起点与终点位置，定义每个声音粒子片段对应的转速为：
其中，RPMi为第i个声音粒子片段对应的转速，Starti为第i个声音粒子片段的起点位置，Endi为第i个声音粒子片段的终点位置。fs为目标汽车声音样本的采样频率。
根据每个声音粒子片段的起点、终点位置和对应的转速信息，以此构建维度为n*3声音粒子索引矩阵。
其中，n为声音粒子片段的个数，声音粒子索引矩阵的第一列存储每个声音粒子片段对应的转速RPMi，第二列为每个声音粒子片段的起点位置Starti，第三列为每个声音粒子片段的终点位置Endi，i＝1，2，3......n。
步骤3、根据车况转速输入信息匹配声音粒子索引矩阵对应的转速区间范围，提取转速区间范围内的所有声音粒子片段，并计算获得转速区间范围内对应的声音信号时长。
具体的，根据实车OBD接口利用CAN线读取车况转速输入信息，与声音粒子索引矩阵中第一列对应的转速做差值计算，索引最小差值数对应的行数，定位前后索引转速区间的范围[RPMi,RPMi+k]，即根据车况转速输入信息匹配所述声音粒子索引矩阵中第一列对应的转速区间范围[RPMi,RPMi+k]。
根据转速区间上限值RPMi与转速区间下限值RPMi+k，分别定位声音粒子索引矩阵中第i个声音粒子片段的起点位置Starti与第i+k个声音粒子片段的终点位置Endi+k。得到声音粒子索引矩阵中声音粒子的位置区间为[Starti,Endi+k]，提取声音粒子的位置区间内k+1个声音粒子，并计算声音粒子的位置区间区间范围内对应的声音信号时长为：
步骤4、设定检索转速时间步长，根据检索转速时间步长、转速区间范围内对应的声音信号时长计算获得提升倍速。
具体的，设定检索转速时间步长Step，根据转速区间范围内对应的声音信号时长Tk+1计算提升倍速mu为：
其中，fix为取整函数，设定提升倍数向上取整，不足的由0取代。
步骤5、根据提升倍数，基于变速不变调算法选择删减转速区间内声音粒子片段，并将剩余的声音粒子片段进行依次拼接，合成发动机声音。
具体的，根据计算的提升倍数mu，在k+1个声音粒子片段对应的区间范围内提取Num个声音粒子片段，其中，Num的计算表达式为：
提取的声音粒子片段的间隔为mu*(j-1)，j＝1,2,3,......Num-1，将提取的声音粒子片段依次拼接合成目标声音。
此外，本发明还提供一种基于缸压信号的汽车声音合成装置，包括采集单元、声音粒子索引矩阵构建单元、存储单元、索引单元、声音粒子合成单元。
所述采集单元用于同步采集获取目标汽车声音样本、与所述目标汽车声音样本对应的缸压信号；所述声音粒子索引矩阵构建单元用于基于所述缸压信号曲线的周期特性，根据所述目标汽车声音样本、与所述目标汽车声音样本对应的所述缸压信号构建声音粒子索引矩阵；所述存储单元用于存储所述声音粒子索引矩阵、所述目标汽车声音样本；所述索引单元用于根据车况转速输入信息匹配所述声音粒子索引矩阵对应的转速区间范围，定位所述转速区间范围内的声音粒子提取区间，即实现转速区间范围索引矩阵中声音粒子的提取；所述声音粒子合成单元用于计算获得提升倍速，根据所述提升倍速，基于变速不变调算法，合成目标声音，即将提取的声音粒子片段进行依次拼接，合成目标声音。
本发明提供的一种基于缸压信号的汽车声音合成装置用于实现本发明提供的一种基于缸压信号的汽车声音合成方法中的步骤，即装置的功能与方法的步骤相对应，因此不再对装置的具体功能一一赘述。
本发明实施例提供的一种基于缸压信号的汽车声音合成方法及装置至少包括如下技术效果：
(1)本发明引入缸压信号作为声音粒子切割的参考依据，存储完整的声音信号。利用缸压信号的周期特性，构建声音粒子索引矩阵，根据实时转速的输入索引声音粒子。降低传统声音粒子算法的切割难度，提高声音粒子合成音的连贯性。
(2)本发明利用“变速不调算法”，根据计算的提升倍速，选择删减转速区间范围内的声音粒子片段，并将剩余声音粒子片段拼接合成。不仅提高了合成音与驾驶员行为的匹配性，而且即使通过修正的提升倍数，获得不同速率的合成音，其音调依旧满足实现用户所选择的偏好性。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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