基于MATLAB的音頻分析與處理系統(tǒng)

張國偉 吳澳輝 陳細(xì)水 胡春華

摘要：通過MATLAB仿真模擬軟件，以音頻分析與處理為設(shè)計目標(biāo)，綜合運(yùn)用GUI界面設(shè)計一套完整的音頻分析與處理方法，實現(xiàn)對音頻的收集，并運(yùn)用函數(shù)調(diào)用來實現(xiàn)音頻信號的剪輯、分析混音，以此來實現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)的分析與處理。本設(shè)計主要以高效率、低成本的方案，為基于MATLAB的音頻分析與處理提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：MATLAB;GUI界面;音頻分析與處理

1.引言

目前，隨著計算機(jī)與信息科學(xué)的飛速發(fā)展，在這個互聯(lián)網(wǎng)時代，語音交互已經(jīng)成為人機(jī)交互的主要手段，而音頻信號的采集和處理是人機(jī)交互的前提以及基礎(chǔ)，主流的音頻處理包括音頻處理軟件、聲卡等[1，2]。不同的音頻處理一般包括對信號濾波、放大、采樣保持、A/D和D/A轉(zhuǎn)換等功能[3]，其中對信號濾波、放大、采樣保持以其精度高、效率高、速度快、成本低等優(yōu)勢廣泛用于音頻處理與分析中[4～8]。文中設(shè)計的音頻處理與分析即采用通過多種編程方法驅(qū)動聲卡，實現(xiàn)對語音信號的采集和回放，并利用功能函數(shù)快捷方便地對音頻信號進(jìn)行處理和分析，實現(xiàn)了基于MABLAB的音頻信號與處理的基本功能，并以低成本、高效率的優(yōu)勢為相關(guān)設(shè)計提供借鑒與參考。

2.整體設(shè)計

為了實現(xiàn)音頻信號的采集、處理等基本功能，本設(shè)計以MATLAB的圖形用戶界面為主控界面[9]，分別采用聲卡及錄音進(jìn)行音頻的錄制，并能進(jìn)行音頻的分析;通過內(nèi)置函數(shù)進(jìn)行音頻的處理;通過GUI界面進(jìn)行用戶操作等。

3.系統(tǒng)設(shè)計及功能簡介

3.1系統(tǒng)設(shè)計

基于MATLAB的音頻處理及分析的功能需求，系統(tǒng)的界面關(guān)系。其中前端的創(chuàng)建用戶、登錄等屬于系統(tǒng)界面的用戶端口;音頻導(dǎo)入、音頻錄制、音頻播放等則是系統(tǒng)的處理裝置。主控界面是利用MATLAB的GUI界面，功能均用內(nèi)置函數(shù)實現(xiàn)，即系統(tǒng)基本功能集成在同一界面上實現(xiàn)，降低了系統(tǒng)集成的成本。

3.2功能簡介

在音頻文件的收取中，使用函數(shù)直接打開文件夾，簡便的與電腦文檔進(jìn)行交互，方便對音頻文件的自主選取，在選取音頻文件后，會將音頻信息存儲在Matlab的內(nèi)存中，這樣我們可以任意的對這個音頻進(jìn)行處理并不會影響到我們最開始的音頻文件，在對音頻文件處理完成后，我們可以選擇對音頻文件的存儲，這樣我們能就能夠得到我們需要的音頻文件，在錄音模式下，我們可以根據(jù)自己的需要對錄音時常進(jìn)行設(shè)置，錄音完成會保存在相應(yīng)的音頻文件中，這樣我們可以對錄音進(jìn)行簡單的處理。

4.音頻處理實例分析

4.1音頻的采集

4.1.1錄制音頻模式

使用matlab中audiorecorder函數(shù)對音頻進(jìn)行錄制并且保存，可以通過輸入錄音時間來設(shè)置讓錄音進(jìn)行任意時間的錄入。

4.1.2通過導(dǎo)入音頻來進(jìn)行對導(dǎo)入音頻的調(diào)制

可以將調(diào)制完的音頻保存到Mr音頻文件

4.2音頻的處理設(shè)計

導(dǎo)入音頻，我們通過代碼實現(xiàn)在文件夾里面直接選取音頻文件，并且將文件名顯示在文本框中。

在這個操作界面下可以看到分別有很多種處理的模式，在這些模式的處理上，我們通過對設(shè)定的Fs的值進(jìn)行處理可以讓音頻展現(xiàn)出不同的播放效果，或者對音頻的頻率進(jìn)行過濾或?qū)σ纛l添加不同的數(shù)據(jù)都能得到不同的處理結(jié)果。

快放模式和慢放模式：

直接對Fs的值進(jìn)行倍數(shù)更改讓音頻播放進(jìn)行倍數(shù)的變化，最后得到的音頻整體會進(jìn)行快放或者慢放。

倒放模式：

我們使用flipud函數(shù)對音頻進(jìn)行整體的處理，然后對處理的函數(shù)進(jìn)行播放就能夠得到倒放的效果。

柔和模式：

通過對音頻頻率的處理柔化了一些比較高或者比較的頻率，使頻域相對趨于平緩，這樣出來的音頻播放效果更加的柔和。

噪音添加和去噪音模式：

添加噪音，我們使用了比較簡單的直接添加Matlab白噪聲進(jìn)行噪聲的模擬，在去噪音模式中，我們使用im2double函數(shù)對音頻進(jìn)行濾波計算。

錄音模式：

我們可以自主設(shè)置錄音的時長，在錄音結(jié)束后我們可以對錄音進(jìn)行播放和查看，對錄音進(jìn)行上訴的音頻處理，也可以將錄音直接保存在音頻文件中。

5.結(jié)論

綜上，本設(shè)計已基本實現(xiàn)了音頻的采集、錄制、處理等功能。設(shè)計的不足之處在于，對音頻處理有專業(yè)高端需求的群體來說，可進(jìn)一步將語音處理的功能進(jìn)一步更加完善，以便更好地進(jìn)行專業(yè)的音頻處理。此外，系統(tǒng)設(shè)計還須進(jìn)一步完善，在音頻設(shè)計方面如實現(xiàn)人聲的識別并處理、音頻的無損連接、音樂的制作等，在登錄方面如實現(xiàn)對多個用戶進(jìn)行存儲，在音頻存儲方面可改進(jìn)讓音頻存入云端這樣能夠進(jìn)行更多的儲存。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宋翔.數(shù)字音頻處理技術(shù)在多媒體計算機(jī)中的應(yīng)用分析[J].湖北農(nóng)機(jī)化，2019（22）：67.

[2] 呂紫薇，馬昕洋，李豇安，李鐸，教召航.基于MATLAB的音頻信號的分析與處理[J].河北農(nóng)機(jī)，2019（04）：45-46.DOI：10.15989/j.cnki.hbnjzzs.2019.04.037.

[3] 尹學(xué)愛，馬國利，馮偉偉.基于MATLAB的聲音信號頻譜分析儀[J].教育教學(xué)論壇，2018（04）：276-278.

[4] 彭南京. 基于音頻信號處理技術(shù)的音色分析系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].北京郵電大學(xué)，2016.

[5] 劉衛(wèi)強(qiáng).基于MATLAB的音頻信號綜合分析處理[J].德州學(xué)院學(xué)報，2014，30（04）：33-42.

[6] 翟繼濤，雷洪.基于Matlab的音頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分析與評價[J].電腦知識與技術(shù)，2014，10（17）：4134-4136.

[7] 羅秀芝，王伯雄，王雪.Matlab語言在測試與檢測技術(shù)實驗中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2011，28（11）：47-49+60.DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2011.11.015.

[8] 張登奇，蔣敏.基于MATLAB的音頻信號處理技術(shù)實現(xiàn)[J].電腦知識與技術(shù)，2009，5（05）：1211-1213.