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Web Audio API 中的声道处理与立体声效果
在音频处理领域，Web Audio API 提供了丰富的功能来处理和操作音频信号。本文将深入探讨 Web Audio API 中的声道合并、声道分离、立体声平移和立体声增强等重要概念，并通过具体的代码示例进行详细说明。
1. 声道合并与分离
在音频处理中，声道的合并与分离是常见的操作。声道合并可以将多个输入音频流的声道组合成一个多声道输出音频流，而声道分离则可以将单个输入音频流的声道分离成独立的单声道输出流。
1.1 声道合并（ChannelMergerNode）
声道合并节点（ChannelMergerNode）用于将多个输入音频流的声道合并成一个多声道输出音频流。它在处理不同空间音频格式的内容时非常有用，特别是当存在多个具有不同空间位置的音频源时。
-
参数与特性 ：
-
numberOfInputs：定义输入的数量，默认值为 6，但并非所有输入都需要连接。 - 输出流的声道数量与活动输入的数量相同。如果没有活动输入，输出为单声道静音。
- 未连接的输入在输出中仍被视为一个静音声道。
- 改变输入流不会影响输出声道的顺序。
-
-
示例代码 ：
<button id='Flip'>Flip</button>
<script>
var flipped=false;
var context = new AudioContext();
var monoSource = new OscillatorNode(context, {frequency:200});
var stereoSource = context.createChannelMerger(2);
monoSource.connect(stereoSource,0,0);
monoSource.start();
var splitter = context.createChannelSplitter(2);
var flipper = context.createChannelMerger(2);
Flip.onclick = function() {
context.resume();
stereoSource.disconnect();
if (flipped) {
stereoSource.connect(context.destination);
flipped=false;
} else {
stereoSource.connect(splitter);
splitter.connect(flipper, 0, 1);
splitter.connect(flipper, 1, 0);
flipper.connect(context.destination);
flipped=true;
}
};
</script>
在这个示例中，我们创建了一个声道合并节点
stereoSource
，将单声道振荡器
monoSource
连接到它的第一个输入。当点击
Flip
按钮时，声道会被切换。
1.2 声道分离（ChannelSplitterNode）
声道分离节点（ChannelSplitterNode）用于访问单个输入音频流的声道，并将它们分离成独立的单声道输出流，以便进行单独处理。
-
参数与特性 ：
-
numberOfOutputs：确定输出信号的数量，默认值为 6。 - 活动输出的数量等于输入流的声道数量。非活动输出将输出静音，通常不连接到任何节点。
- 该节点不解释声道标识，只是按照输入声道的顺序生成输出流。
-
-
示例代码 ：
<input type='range' min=-1 max=1 value=0 step='any' id='width'>
<script>
let context = new AudioContext();
let source = new AudioBufferSourceNode(context, {loop:true});
let sourceL = context.createGain();
let sourceR = context.createGain();
fetch('symphonic_warmup.wav')
.then(response => response.arrayBuffer())
.then(buffer => context.decodeAudioData(buffer))
.then(data => source.buffer = data);
var splitter = context.createChannelSplitter(2);
source.connect(splitter);
splitter.connect(sourceL,0);
splitter.connect(sourceR,1);
source.start();
// 后续代码省略
</script>
在这个示例中，我们使用声道分离节点
splitter
将立体声输入分离成左声道和右声道，并分别连接到增益节点
sourceL
和
sourceR
。
2. 声道翻转与乒乓延迟效果
声道翻转和乒乓延迟是声道处理中的两个有趣应用，它们可以为音频添加独特的效果。
2.1 声道翻转（Channel Flipper）
声道翻转是指将立体声信号的左声道和右声道进行交换。通过声道分离和声道合并节点的组合，可以实现声道翻转的效果。
-
操作步骤
：
- 创建一个立体声源，将单声道振荡器连接到声道合并节点的第一个输入。
- 创建声道分离节点和声道合并节点。
-
当点击
Flip按钮时，根据flipped变量的值进行不同的操作：-
如果
flipped为true，将立体声源直接连接到目标节点，并将flipped设置为false。 -
如果
flipped为false，将立体声源连接到声道分离节点，然后将分离后的输出流交叉连接到声道合并节点，最后将合并后的输出连接到目标节点，并将flipped设置为true。
-
如果
2.2 乒乓延迟（Ping - Pong Delay）
乒乓延迟是一种立体声反馈延迟效果，延迟的音频副本在左右声道之间来回反弹。
-
操作步骤 ：
- 创建一个音频上下文和一个 40 毫秒的正弦波突发输入，并连接到左声道。
- 创建两个延迟节点和两个反馈增益节点。
- 将左延迟节点的输出连接到右延迟节点的输入，右延迟节点的输出连接到左延迟节点的输入，形成反馈循环。
- 使用声道合并节点将两个延迟节点的输出合并成一个立体声流，并连接到目标节点。
-
示例代码 ：
<button id='ping'>Ping</button>
<script>
var context = new AudioContext();
var Burst = new OscillatorNode(context);
var BurstGain = new GainNode(context, {gain:0});
Burst.start();
Burst.connect(BurstGain);
var merger = context.createChannelMerger(2);
var leftDelay = new DelayNode(context, {delayTime:0.5});
var rightDelay = new DelayNode(context, {delayTime:0.5});
var leftFeedback = new GainNode(context, {gain:0.8});
var rightFeedback = new GainNode(context, {gain:0.8});
BurstGain.connect(leftDelay);
leftDelay.connect(leftFeedback);
leftFeedback.connect(rightDelay);
rightDelay.connect(rightFeedback);
rightFeedback.connect(leftDelay);
leftFeedback.connect(merger, 0, 0);
rightFeedback.connect(merger, 0, 1);
merger.connect(context.destination);
ping.onclick = function() {
context.resume();
BurstGain.gain.value = 1;
BurstGain.gain.linearRampToValueAtTime(0, 0.1 + context.currentTime);
};
</script>
3. 立体声平移与增强
立体声平移和增强是 Web Audio API 中用于控制音频在立体声场中位置和宽度的重要功能。
3.1 立体声平移（StereoPannerNode）
立体声平移节点（StereoPannerNode）用于将输入音频流在立体声场中向左或向右平移。
-
参数与特性 ：
- 输入可以是单声道或立体声，但不能增加声道数。
- 输出始终为立体声，不可配置。
-
pan参数：确定平移位置，范围从 -1（全左平移）到 1（全右平移）。
-
示例代码 ：
<input type='range' min=-1 max=1 step='any' id='panning'>
<script>
let context = new AudioContext();
let source = context.createOscillator();
source.start();
let panNode = context.createStereoPanner();
panning.oninput = function() {
context.resume();
panNode.pan.value = this.value;
};
source.connect(panNode).connect(context.destination);
</script>
在这个示例中，用户可以通过滑动条控制振荡器的平移位置，从而改变音频在立体声场中的位置。
3.2 立体声增强（Stereo Enhancer）
立体声增强（也称为立体声扩展）可以将立体声输入转换为中间和侧边表示，然后通过调整中间和侧边的相对强度来扩展或收缩音频在立体声场中的使用范围。
-
操作步骤 ：
-
加载一个立体声音频文件到
AudioBufferSourceNode。 - 使用声道分离节点将左右声道分离。
-
将分离后的左右声道转换为中间和侧边表示：
- 中间声道：将左右声道相加。
- 侧边声道：将右声道取反后与左声道相加。
- 根据立体声宽度参数调整中间和侧边声道的增益。
- 将调整后的中间和侧边声道转换回左右声道，并使用声道合并节点合并成一个立体声信号。
-
加载一个立体声音频文件到
-
示例代码 ：
<input type='range' min=-1 max=1 value=0 step='any' id='width'>
<script>
let context = new AudioContext();
let source = new AudioBufferSourceNode(context, {loop:true});
let sourceL = context.createGain();
let sourceR = context.createGain();
fetch('symphonic_warmup.wav')
.then(response => response.arrayBuffer())
.then(buffer => context.decodeAudioData(buffer))
.then(data => source.buffer = data);
var splitter = context.createChannelSplitter(2);
source.connect(splitter);
splitter.connect(sourceL,0);
splitter.connect(sourceR,1);
source.start();
let Mid = new GainNode(context, {gain:Math.sqrt(0.5)});
let Side = new GainNode(context, {gain:Math.sqrt(0.5)});
let minusSourceR = new GainNode(context, {gain:-1});
sourceL.connect(Mid);
sourceR.connect(Mid);
sourceL.connect(Side);
sourceR.connect(minusSourceR).connect(Side);
let gainMid = new GainNode(context);
let gainSide = new GainNode(context);
Mid.connect(gainMid);
Side.connect(gainSide);
let outputL = new GainNode(context, {gain:Math.sqrt(0.5)});
let outputR = new GainNode(context, {gain:Math.sqrt(0.5)});
let minusGainSide = new GainNode(context, {gain:-1});
gainMid.connect(outputL);
gainSide.connect(outputL);
gainMid.connect(outputR);
gainSide.connect(minusGainSide).connect(outputR);
width.oninput = () => {
context.resume();
let angle = (parseFloat(width.value)+1)*Math.PI/4;
gainMid.gain.value = Math.cos(angle);
gainSide.gain.value = Math.sin(angle);
};
let merger = context.createChannelMerger(2);
outputL.connect(merger,0,0);
outputR.connect(merger,0,1);
merger.connect(context.destination);
</script>
总结
通过 Web Audio API 中的声道合并、声道分离、立体声平移和立体声增强等功能，我们可以实现丰富多样的音频效果。声道合并和分离节点为音频流的组合和拆分提供了基础，而立体声平移和增强则可以控制音频在立体声场中的位置和宽度。这些功能不仅可以用于音乐制作和音频处理，还可以为网页游戏、虚拟现实等领域带来更加沉浸式的音频体验。
同时，我们也看到了这些功能在实际应用中的一些局限性，例如立体声增强效果的输出信号功率可能依赖于立体声源的初始平移位置。在未来的音频处理中，我们可以进一步探索如何利用 Web Audio API 的其他特性来解决这些问题，实现更加稳定和高效的音频处理。
Web Audio API 中的声道处理与立体声效果（续）
4. 立体声音频的理论基础
在深入了解 Web Audio API 中立体声相关节点的具体应用后，我们有必要探究一下立体声音频背后的理论基础，这有助于我们更好地理解和运用这些功能。
4.1 立体声音频的基本概念
数字音频信号通常是在时间上均匀采样的离散值序列。但人有两只耳朵，会根据声源的位置在每只耳朵中听到不同的声音。立体声音频文件会编码两个信号或声道，以便通过耳机或扬声器播放，从而实现声源的定位。此外，空间音频再现系统通常会使用大量扬声器来重现整个声音场景，这就需要更多的声道。
当通过多个扬声器再现空间音频时，我们首先要考虑如何定位声源。假设一个听众从两个不同位置、不同时间和不同音量听到相同的内容，在合适的条件下，这会被感知为一个单一的声源，但位置处于两个原始位置之间。这种声音感知的基本特性是许多空间音频渲染技术的关键要素。
4.2 全景声与平移概念
假设有两个位于不同位置的扬声器，通过给两个扬声器提供相同的源信号，但设置不同的相对音量，就可以改变声源的表观位置。当相机旋转以呈现全景或广角视图时，这被称为平移（panning）。音频中的平移概念就源于此，它描述了通过调整音量来移动虚拟声源的方法。在混音过程中，通常会为每个声源单独进行平移操作，从而在扬声器所覆盖的空间中创建虚拟声源位置的全景图。
考虑一个标准的立体声布局，听众位于中心位置，扬声器放置在以听众为中心的单位圆上，两个扬声器之间的夹角为 90 度，每个扬声器与正前方的夹角为 45 度。设 $\phi$ 为表观声源位置的角度，即方位角；$\vec{s}$ 为指向声源的单位长度向量；$\vec{L} = (L_x, L_y)$ 和 $\vec{R} = (R_x, R_y)$ 为指向扬声器位置的向量，这些向量可以通过几何关系确定。
虚拟声源位置 $\vec{s}$ 可以通过对扬声器位置 $\vec{L}$ 和 $\vec{R}$ 应用增益 $g_L$ 和 $g_R$ 来构建。由此可以推导出一个平移定律，描述了为了重新定位声源，应如何对每个扬声器应用增益。这种方法可以用矩阵形式表示，适用于任意扬声器角度，甚至可以用于在更高维度中进行虚拟放置（使用两个以上的有源扬声器）。
图 1 展示了恒定功率平移时，每个声道的增益和总功率、总增益随方位角 $\phi$ 的变化情况。可以看到，虽然总功率是恒定的，但总增益会随方位角变化，当声源位于两个扬声器中间时达到最大值。
从平移定律还可以推导出，对于给定的扬声器布局，声源的感知角度是所应用增益之间电平差异的函数。这种关系的一般形式被称为正切定律，图 2 展示了感知方位角随应用增益之间电平差异的变化情况。
需要注意的是，这种基于电平的平移方法比交叉淡入淡出平移更受青睐。交叉淡入淡出平移是通过在硬左和硬右两个极端之间线性插值振幅来移动声源的表观位置，但在不进行缩放时，由于功率降低，会在中间产生一个“空洞”。
5. 立体声平移与增强的深入分析
5.1 立体声平移节点（StereoPannerNode）的数学原理
立体声平移节点（StereoPannerNode）用于将输入音频流在立体声场中向左或向右平移。其输入可以是单声道或立体声，但不能增加声道数；输出始终为立体声，不可配置。该节点只有一个音频速率参数
pan
，取值范围从 -1（全左平移）到 1（全右平移）。
设 $p$ 表示平移位置，$x$ 表示单声道源的输入，$x_L$ 和 $x_R$ 表示立体声源的输入，$y_L$ 和 $y_R$ 表示左右声道的输出。对于单声道输入，根据平移定律方程，利用三角函数恒等式可以重写增益。在 Web Audio API 中，单声道平移就是应用平移定律，且功率是守恒的，即 $|y_L|^2 + |y_R|^2 = |x|^2$。
对于立体声输入，当 $p \leq 0$ 时，左声道保持不变，但右声道向左移动；当 $p > 0$ 时，右声道保持不变，但左声道向右移动。图 3 展示了不同初始平移位置的立体声源，其最终平移位置随应用的
pan
值的变化情况。需要注意的是，对于立体声源，功率并不守恒。
5.2 立体声增强（Stereo Enhancer）的效果分析
立体声增强（也称为立体声扩展）将立体声输入转换为中间（Mid）和侧边（Side）表示。转换公式如下：
[
M = \frac{L + R}{\sqrt{2}}
]
[
S = \frac{L - R}{\sqrt{2}}
]
其中，$L$ 和 $R$ 分别表示左声道和右声道的信号，$M$ 和 $S$ 分别表示中间和侧边声道的信号。
一个单声道信号只会在中间声道有内容；一个仅来自左声道的信号在中间和侧边声道具有相同的强度。当左声道和右声道的信号符号相反时，信号被认为只存在于侧边声道，因为左右声道在中间相互抵消。
立体声增强通过一个立体声宽度参数 $W$ 来改变中间和侧边声道的相对强度。$W$ 的取值范围从 -1（单声道）到 0（不变）到 +1（最大扩展）。当 $W = -1$ 时，侧边声道没有信号，中间声道产生相等的左右声道输出；当 $W = +1$ 时，立体声宽度完全扩展，中间声道没有信号。
在代码示例中，我们首先将立体声输入分离成左右声道，然后将其转换为中间和侧边表示。接着，根据立体声宽度参数调整中间和侧边声道的增益。最后，将调整后的中间和侧边声道转换回左右声道，并合并成一个立体声信号。
图 4 展示了立体声增强对声源平移位置的影响。当宽度小于 0 时，声源向中心移动；当宽度大于 0 时，声源远离中心。平移位置大于 1 或小于 -1 表示左右声道之间的符号发生了变化。
然而，这种立体声增强方法以及许多其他类似技术存在一个问题，即输出信号的功率取决于立体声源的初始平移位置。在后续的研究中，我们可以探索如何利用 Web Audio API 的其他特性来创建恒定功率的立体声扩展器。
6. 总结与展望
通过对 Web Audio API 中声道处理和立体声效果的深入研究，我们了解了声道合并、声道分离、立体声平移和立体声增强等功能的原理和应用。这些功能为音频处理带来了极大的灵活性和创造性，无论是在音乐制作、网页游戏还是虚拟现实等领域，都可以实现更加丰富和沉浸式的音频体验。
声道合并和分离节点为音频流的组合和拆分提供了基础，使我们能够灵活地处理多声道音频。立体声平移节点可以精确地控制音频在立体声场中的位置，而立体声增强则可以扩展或收缩音频的立体声宽度。
但同时，我们也意识到这些功能存在一些局限性，例如立体声增强效果的输出信号功率不稳定。未来，我们可以进一步探索 Web Audio API 的其他特性，如音频工作线程（Audio Worklets），以解决这些问题，实现更加稳定和高效的音频处理。此外，随着技术的不断发展，我们还可以期待更多创新的音频处理方法和应用场景的出现。
相关图表说明
- 图 1 ：恒定功率平移时，每个声道的增益和总功率、总增益随方位角 $\phi$ 的变化情况。
- 图 2 ：感知方位角随应用增益之间电平差异的变化情况。
-
图 3
：不同初始平移位置的立体声源，其最终平移位置随应用的
pan值的变化情况。 - 图 4 ：立体声增强对声源平移位置的影响。
代码示例总结
| 功能 | 代码示例 |
|---|---|
| 声道翻转 | |
| ```html | |
|
| 乒乓延迟 |
html
|
| 立体声平移 |
html
|
| 立体声增强 |
html
``` |
通过不断学习和实践，我们可以更好地掌握 Web Audio API 的强大功能，为音频处理和创作带来更多的可能性。
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