speex 回声消除

在VOIP的音频算法中，回音处理已经成为一个关系通话质量的主要问题。

回声的产生在IP网络主要有两种：

1.声学回声

2.电路回声

声学回声主要又分成以下几种:

a ) 直接回声:由扬声器产生的声音未经任何反射直接进入麦克风

b ) 间接回声: 由扬声器发出的声音经过多次反射后,再进入Mic

对于第二种回声,拥有多路径,时变性的特点.是比较难处理的.

由于IP网络下的传输的延迟较大,而一般情况下,对于人耳,如果声音延迟达到了10ms以上的话,那么回声就会越来越明显.

一般来讲,VOIP中的声音延迟主要来自于几个方面:

1. 编码延迟: 一般情况下编码算法在声音压缩时都会产生延迟,就我们采用的Speex来讲,延迟大概在20ms左右

2. 处理延迟, 封装时延, 缓冲时延等

3. 在IP网络中数据的传输过程也会照成延时.这由当前的网络状况决定.

回声消除的模型:

a) 建立远端声音模型,进行回声估计, 从采集的值中减去估计值

b) 声学模型

Speex manul(手册)中文版

Speex是一套专门用于压缩声音的库,由于其专门针对声音,所以压缩声音的性能非常高.Speex由于其压缩性能,及0.80版后的跨平台的性能,所以在网络声音的传输中有很大的价值.但是需要注意的是speex只能对声音进行压缩,不支持音乐的压缩,如果你需要音乐的压缩你或许需要用vorbis库.

但是的speex资料像其它大都数专用库一样,并没有大多的中文资料.所以在这里我决定将里面最核心的编程技术翻译出来.一来是练习练习自己翻译资料的能力,二来是方便一些英语水平较差的朋友.由于本人能力有限,有些感觉有出入或难理解的地方可以去speex的官方网站www.speex.org找到英文原版的说明.

翻译的一些说明:

1,对于一些专有名词如speex,api不过行翻译

2,对于一些新概念翻译,以及其它的翻译过来也许会产生歧义的文字,用中/英两种方式标出:

如:对话(speech),位采集(bit_packing)

3,基本做到和英文原行对译.及英文原文一行,中文翻译过来也是一行,使翻译后的文章和原文基本行行对照.

4,源代码不翻译,如SpeexBits bits;

5,语言中的关健字不译,如float

6,一此不是关健字但英文通常出现的词第一次以中/英文格式给出,之后按具体情况给出英文或中文,如:frame(帧),

7,对一些有自己翻译起来感觉有歧义的地方,加斜线作标记

1,speex的介绍(略)
2特征描述
这个章节展示了speex的主要特征,以衣一些关于对话(speech)编码的一个概念,以便
帮助我们更好的了解下一章节.
取样率(Sampling rate)
Speex主要是设计了三种不同的取样率:8kHz,16kHz,32kHz.这些分别代表了窄宽(narrowband),
多频率,超声.
质量
Speex编码大都数时间是被一个范围为0到10的质量参数来控制 的.在一个比特率为常量(CBR)的操作中,质量参数是一个整数,而对于变动的比特率(VBR)参数是一个float;
复杂性(变量)
用speex,你可以将编码设置成允许的复杂度.这由一个范围为1到10的整数来控制完成,就像你用选项-1到-9来控制gzip和bzip2的压缩质量.在通常的运用中,噪声级别的复杂度1是在1到2dB之间,比复杂度10要高,但是CPU需要复杂度10大概5倍高行复杂度1.在实践中,最好的是设置在2到4之间,尽管更高的设定通常有用,当编码一个非对话声音(non-speech
sounds)像DTMF语调(tones).
变波特率(VBR
Variable bit-rate (VBR) allows a codec to change its bit-rate dynamically to adapt to
变波特率(VBR)允许编码动态地改变它的波特率以适应声音编码的”难度”.在speex举例来说,
像元音(vowel)和瞬间高音(high-enenrg transients)需要个高的比特率来
取得一个不错的质量,
而摩擦音(fricative)可以被充分地用相对较少的字节来进行编码.
由于上面这个原因,VBR可以调节到一个低的比特率却达到一个同样的质量,或者用
某个比特率达到更好的质量.尽管有上面这些优点,但是VBR也有两个主要的缺点.
首先,仅仅靠指定质量值,这里没有一个关于最后平均比特率的保证.(译者注:作者大概是想说没有什么明确的方法知道质量值)此外,对一些即时
通信,像IP电话(VoIP)这种包含着最大的比特率的,必须把比特率设为足够低以适应
传输通道.
r
平均比特率(ABR)
平均比特率通过动态地调节VBR质量去得到一个确定的目标的比特率,从而解决了VBR中的一个问题..因为质量/比特率被即时的调整了,整体质量将会稍稍低于由VBR对一个
设置得和目标平均比特率非常接近的质量数编码得到的结果.

声音生动性检测(VAD)
声音生动性检测将会发觉音频正在被编码成对话,静音,或背景噪音.VAD总在用VBR进行编码时暗中起作用,因此选项仅仅对一个不是VBR的操作起作用.对于不是VBR的操作来说,speex察觉出一个不属于对话的周期,然后对它用足够的字节重新生成为背景噪音.不这叫做舒适的噪音生成(CNG).
不连续传输(DTX)
不连续传输是VAD/VBR操作的一个额外选项,当背景噪音一定时,它可以完整地传输.因为在基于文件的操作中,我们不能停止对文件进行写入,所以只有5字节被这种帧所运用.(给250bps通信)
Perceptual enhancement
知觉增强
知觉增加是解码的一部分,它在打开的时候用来减少由编码解码所产生的噪音.在大都数
情况下,知觉增强在客观上使声音离原始值更远(如果用SNR),但是在最后它仍然听起来更好(主观上的改进)
Algorithmic delay
迟时算法
每一个声音编码导致了在传输上的延时.对于speex,这种延时等于frame的大小加上一些
数量的需要对每一帧进行的前瞻(”look-adhead”).
在窄宽操作中(8kHz),迟时是30ms,而对于多频率(2-44Hz),迟时是34ms.这些值
不包括CPU编码,解码帧的时间.
用speex编程(the libspeex api)

这个章节出要讲述了如何用speex api进行编程.例子的源代友你也可以在附录B中找到
4.1 Encoding
4.1压缩
为了用Speex压缩对话,你首先需要引用头文件:
#include <speex.h>
然后你需要定义一个Speex的位采集(bit-packing)结构
SpeexBits bits;
and a Speex encoder state
以及定义一个speex编码器状态量
void *enc_state;
上面定义的这样被初始化:
The two are initialized by:
speex_bits_init(&bits);
enc_state = speex_encoder_init(&speex_nb_mode);
为了支持多频率的压缩,speex_nb_mode将被sppex_wb_mode取代.在大都数
情况下,你需要知道你用的模式(mode)的帧(frame)的大小,你可以得到在frame_size变量里得到这值:
speex_encoder_ctl(enc_state,SPEEX_GET_FRAME_SIZE,&frame_size);
一但初始化完毕,对于每一个输入帧:
speex_bits_reset(&bits);
speex_encode(enc_state, input_frame, &bits);
nbBytes = speex_bits_write(&bits, byte_ptr, MAX_NB_BYTES);
上面input_frame是一个指向对话(speech)帧(frame)的float指针(pointing);byte_ptr
是指向编码帧开始写的地方的char指针,MAX_NB_BYTES是能
写进byte_ptr而不会造成溢出的最大数.nbBytes是一个实际写入btye_ptr的数,即编码的实际大小
在调用speex_bits_write前,可能你需要调用speex_bits_nbytes(&bits)得到需要写入(write)的字节大小.
在你已经编码后,释放所有的资源.
speex_bits_destroy(&bits);
speex_encoder_destroy(enc_state);
That’s about it for the encoder.

这就是关于编码的方面.

Speex manul中文版三

附源代码的翻译:
B Sample code
B 例程源代码
这个章节演示了一段用speex编码,解码对话(speech)的源代码.
可以如下用api命令来编码并解码一个文件:
译者注:这里说的api命令是指unix的用”|”进行管道写入读出.在windows下这样并不能实现.
% sampleenc in_file.sw | sampledec out_file.sw
这里这两段代码都没有引用其它的头文件,并以16 比特率(bits)进行编码
natural endianness).
B.1 sampleenc.c
Sameleenc 用一个未加工的16比特率(bits)文章,给它编码并产生一个speex 流(steam)给标准输出.注意已压缩的和speexenc/speexdec不和谐!
#include <speex.h>
#include <stdio.h>
/*帧的大小在这个例程中是一个固定的值,但它并不是必须这样*/

#define FRAME_SIZE 160
int main(int argc, char **argv)
{
char *inFile;
FILE *fin;
short in[FRAME_SIZE];
float input[FRAME_SIZE];
char cbits[200];
int nbBytes;
/*保存编码的状态*/
void *state;
/*保存字节因此他们可以被speex常规读写*/

SpeexBits bits;
int i, tmp;
//新建一个新的编码状态在窄宽(narrowband)模式下
state = speex_encoder_init(&speex_nb_mode);
//设置质量为8(15kbps)
tmp=8;
speex_encoder_ctl(state, SPEEX_SET_QUALITY, &tmp);
inFile = argv[1];
fin = fopen(inFile, "r");
//初始化结构使他们保存数据
speex_bits_init(&bits);
while (1)
{
//读入一帧16bits的声音
fread(in, sizeof(short), FRAME_SIZE, fin);
if (feof(fin))
break;
//把16bits的值转化为float,以便speex库可以在上面工作
for (i=0;i<FRAME_SIZE;i++)
input[i]=in[i];
//清空这个结构体里所有的字节,以便我们可以编码一个新的帧
speex_bits_reset(&bits);
//对帧进行编码
speex_encode(state, input, &bits);
//把bits拷贝到一个利用写出的char型数组
nbBytes = speex_bits_write(&bits, cbits, 200);
//首先写出帧的大小,这是sampledec文件需要的一个值,但是你的应用程序中可能不一样
fwrite(&nbBytes, sizeof(int), 1, stdout);
//写出压缩后的数组
fwrite(cbits, 1, nbBytes, stdout);
}
//释放编码器状态量
speex_encoder_destroy(state);
//释放bit_packing结构
speex_bits_destroy(&bits);
fclose(fin);
return 0;
}

如何使用Speex中的AEC模块，提高声音质量？
在Speex（www.speex.org）的最新版本中，开始集成了回音消除的模块，而回音消除一直是Voip之中亟待解决的主要问题。

很多朋友和我说speex的aec模块的效能并不好，我们先来看一下speex的aec的api调用方式。

/*

*创建AEC对象

*/

SpeexEchoState *echo_state = speex_echo_state_init(frame_size, filter_length);

frame_size 的取值最好是一个编码的frame大小， 在低带宽条件下，一般延迟20ms，而大小为160

filter_length,最好是房间内反射时间的1/3

如: 一个房间的反射时延为300ms

那么这个filter_length就最好是100ms(这个长度又被称为tail length).

而其中filter_length的设定是一个关键。

/*

*执行AEC

*/

speex_echo_cancel(echo_state, input_frame, echo_frame, output_frame, residue);

其中:

input_frame: 就是被声卡捕捉到的声音

echo_frame: 是由扬声器播放出的声音,这个声音是需要从 input_frame中抵消的声音.

output_frame 是处理完以后输出的声音

residue是一个可选参数,如果不使用可以将之设置为NULL, 也可以通过preprocessor 来控制

问题的关键是 处理input和echo 之间的关系,

也就是说在捕捉到的信号和播放的信号之间的延迟必须足够的小,才可以提高效率.

writetosndcard(echo_frame, frame_size)

readfromsndcard(input_frame, frame_size)

speex_echo_cancel(echo_state, input_frame, echo_frame, output_frame, residue)

如果你想要尽可能的减小信号中的回音,那么可以将residue这个参数设置为噪音参数.

我相信在大多数情况下，都是因为声音捕捉和声音播放之间的同步问题没有处理好，导致的音频质量下降。

/*

*销毁和复位

*/

speex_echo_state_destroy(echo_state);

speex_echo_state_reset(echo_state);

不再复述了！

说明：

据说在Speex的最新的1.2beta版本上，Speex提供了可选择的，简化的API，来提高echo执行过程中的同步问题。