音频信号增强的制作方法

专利名称：音频信号增强的制作方法
技术领域：
本发明涉及音频信号增强。更特定地，本发明涉及用于增强包括第一声道和第二声道的音频信号的设备和方法。
在多声道音频系统中，音频信号至少具有由独立的在空间上隔开的换能器呈现的两个不同的声道。多声道音频的最好的已知例子是立体声，其中使用两个声道左声道和右声道。当重现声音时，只有在换能器相对于听众在换能器之间以60度角度对称地排列时才能充分欣赏立体声效果。然而，实际上常常不是这种情形。
另外，声道间的分隔常常是不够的，特别是当换能器靠得太近时。这在便携式和/或“小型”或“微型”(书架尺寸)音频系统中典型地是这种情形，其中左声道和右声道扬声器之间的间距可能是20厘米或甚至更小。在这种情形下，希望“展宽”立体声效果。
美国专利申请US2002/0097880(Kirkeby)公开一种立体声展宽处理算法，给予听众以从放置在远离左和右扬声器的虚拟源发出立体声音频信号的印象，因此改变了音像。串扰从左声道被引入到右声道，以及反之亦然，同时滤波器把串扰限制在某些频率范围。然而，这样的算法具有引入人工产物的缺点它们把声音着色并且使不同的声源诸如乐器产生声级的相对改变，因此以不想要的方式改变了声音。
本发明的目的是克服现有技术的这些和其它问题，以及提供增强音频信号的设备和方法，以允许改变各个声道的音像而不造成信号失真。
因此，本发明提供用于增强包括第一声道和第二声道的音频信号的设备，音频信号具有可以由参数表示的声道间特性，该设备包括-参数调节装置，用于调节原始参数，以便产生表示经调节的声道间特性的经调节的参数，以及-处理装置，用于处理音频信号，以便产生具有经调节的声道间特性的增强的音频信号。
通过提供参数调节装置，可以或者相对于原始值或者独立地选择不同的参数值。处理装置这样处理原始信号，以使得经处理的(增强的)信号具有新的参数值，它进而又表示新的(即经过调节的)声道间特性。通过修改信号参数，可以在多声道系统中作出声道间特性的几乎任何调节，而不引入人工产物。
在第一实施例中，本发明的设备还包括参数确定装置，用于确定表示原始声道间特性的原始参数。所以，在本实施例中，设备能够从音频信号得出参数。然而，有可能连同音频信号一起发送一个或多个参数，在这种情形下，不再需要为设备推导出发送的参数。所以，在第二实施例中，设备被安排来接收表示声道间原始特性的原始参数。
各种声道间特性可以由适当的参数表示。第一声道和第二声道典型地规定声源位置，而该设备可被有利地安排成用于调节用源角度表示的声源位置。这个源角度指示声源相对于左声道和右声道的(视在)位置，在双声道声音系统中源角度典型地是相对于右声道被测量的。本发明允许改变源角度，因此改变源的视在位置。
替换地或另外，该设备可被安排成用于调节以声道间声级差所表示的声源位置。这个参数是基于声道的功率比，按照本发明，该参数可被使用来改变声源的视在位置。
第一声道和第二声道典型地还规定声源宽度，即，声源的视在空间的广度。本发明的设备可被有利地安排来调节以声道间相干性表示的声源。
这个参数可以用各种方式来调节或改变。在有利的实施例中，参数调节装置被安排成使用映射函数(优选地是线性映射函数)来调节原始参数。这样的映射函数把原始参数值映射成新的(经调节的)参数值，并提供受控的调节。
音频信号参数可以施加到整个音频信号，或只施加到信号的有限的频率范围。在另外的实施例中，本发明的设备被安排来增强选定的频带的音频信号。在这个实施例中，只有选定的频带被以某种方式增强，而其它频带或者保持不变，或者以不同方式增强，例如使用另外的映射函数或不同的参数来增强。
增强音频信号可以是与时间无关的被改变的参数的选择或所施加的映射函数的选择可以不随时间变化。然而，在替换实施例中，该设备可被安排成根据时间来增强音频信号。在本实施例中，增强可以随时间改变，例如通过使用取决于时间的映射函数。如果音频信号被分段成帧或类似的时间段，映射函数或参数的选择可以取决于时间段。这样，得到的是同时取决于时间和取决于信号的增强。
参数调节可以是全自动化的，例如根据预定的设置值。然而，参数调节装置也可以包含用户的控制，以便允许用户调节某一角度或其它参数。
本发明还提供包括如上所规定的设备的音频系统。系统可包括用于提供依赖于频率的参数调节的至少一个滤波器。在有利的实施例中，系统包括被安排在并行分支中的至少两个滤波器，以及用于把来自并行分支的经参数调节信号进行组合的组合装置。在这样的实施例中，每个分支有利地包含上面规定的设备。
替换地，或除了提供取决于频率的参数调节用的滤波器以外，音频系统可以包括用于提供取决于时间的参数调节的装置。这样的装置可包括用于通过使用时间帧划分音频信号的划分装置，这些时间帧可以部分重叠。该音频系统还可包括至少一个放大器。
在特别有利的实施例中，音频系统被安排成对单声道信号和相关的参数信号进行译码，并且它可以是参数立体声译码器的一部分。有可能把立体声音频信号的左声道和右声道组合成单个信号，而同时提取空间信息，并作为附加边带信号发送这个空间信息，这例如在国际专利申请WO 03/090206(Philips)中公开的那样，该专利申请整体地在本文件中引用以供参考。对这样的单声道音频信号和它的相关的参数信号进行译码可以有利地与使用本发明的设备调节音频信号参数相组合。
本发明的音频系统可包括在例如家庭影院系统或汽车声音系统中。
本发明还附加地提供增强包括第一声道和第二声道的音频信号的方法，音频信号具有可以由参数代表的声道间特性，该方法包括以下步骤-调节原始参数，以便产生表示经调节的声道间特性的经调节的参数，以及-处理音频信号，以便产生具有经调节的声道间特性的增强的音频信号。
有利地，本发明的方法还可包括确定表示原始声道间特性的原始参数的步骤，和/或接收代表原始声道间特性的原始参数的步骤。
本发明还提供用于实行如上所规定的方法的计算机程序产品。这样的计算机程序产品可包括由处理器执行的代码，它存储在诸如CD或DVD的适当的存储媒体中、或例如可经由互联网从远端位置下载而得到。
下面参照在附图上显示的示例性实施例进一步说明本发明，其中

图1示意地显示音频信号声道的声道间特性的例子。
图2示意地显示按照本发明的用于增强音频信号的设备的第一实施例。
图3示意地显示按照本发明的用于增强音频信号的设备的第二实施例。
图4示意地显示按照本发明的角度变换函数。
图5示意地显示按照本发明的用于增强声音的系统。
图1的图示意地表示如在本发明中使用和修改的声道间音频信号特性。示例的音频信号被显示为具有两个声道L和R。在本例中，音频信号是立体声信号，但本发明不限于此，而是可应用于多信道音频信号，诸如所谓的“5.1环绕”信号。本例的两个声道L和R被显示为正交声道，规定了π/2弧度(90°)的角度。应当指出，如图1表示的声道L和R可分别被解释为坐标系统的垂直(纵坐标)轴和水平(横坐标)轴。
由立体声(或广泛地说多声道)音频信号产生的声音具有由组成声道的信号规定的视在位置。平均而言，立体声音频信号的声音典型地具有处在左(L)与右(R)声道之间的半途的视在位置，即在由线M表示的中间位置处。应当指出，线M具有相对于右声道R的π/4(45°)的角度α0(为了清晰起见，在图1上未示出)。还应当指出，在图1的例子中，角度α用来表示视在声源的位置，但该位置也可以由其它参数表示，如声道间声级差参数(ILD)。
任何特定的声音段，尤其是当限于某个频带时，可以具有不同的取向，从而有不同的视在位置。在所显示的例子中，音频信号(或音频信号段)V1具有大于π/4(45°)的角度α1，因此，呈现为从在中间位置M的左面的源发出的。
本发明允许改变角度α，从而改变音频信号的视在位置。更特定地，本发明使得有可能无需着色地或以别的方式使信号失真地来改变角度α。角度α可被做成处在由声道L和R规定的0到π/2(弧度)的范围内，因此提供“正常的”立体声。然而，本发明也允许把角度α定位在这个范围以外，因此提供“展宽的立体声”。音频信号(或音频信号段)V2例如具有负的角度α2，它把音频信号定位在右声道R的右面。类似地，音频信号(或音频信号段)V3例如具有大于π/2的角度α2，它把这个音频信号定位在左声道L的左面。这样的“展宽的立体声”对于较小的(便携式)音频系统(其中扬声器通常不可能有足够间隔)是特别有利的。
按照本发明的音频信号增强设备示意地显示于图2。在图2上所示的只是作为非限制的例子的设备10，包括处理单元11、参数确定单元12和参数调节单元13。
处理单元11接收音频信号的左声道L和右声道R(如上所述，本发明不限于只具有两个信道的音频信号)，并输出经调节的左声道L’和调节的右声道R’，经调节的声道L’和R’一起组成增强的音频信号。(原始的)左声道L和右声道R还被馈送到参数确定单元12，它使用这些信道产生(原始的)参数，这可包括角度α该角度指示音频信号的方向，即，视在的相对声源位置。这个角度α也可以被解释为指示音频信号的主要分量(本征向量的角度)，并且这个主要向量的确定可称为主要向量的分析。可以由参数确定单元12确定的其它参数包括声道间强度(或声级)差ILD和声道间相干性ICC。
这个角度α和/或其它参数被馈送到参数调节单元13，它改变原始的参数和输出经改变的或经调节的参数α’，ILD’和/或ICC’。这个经调节的参数α’，ILD’和/或ICC’，和原始的参数α，ILD和/或ICC，一起馈送到处理单元11，用于确定经调节的声道L’和R’。
设备10的操作将参照一个对角度α进行调节的例子进行说明。
参数确定单元12确定使得信号的能量最大化的音频信号的特定的角度α。换句话说，角度α指示左(L)和右(R)声道组合后的能量呈现为最大的方向。对于音频信号段，这个角度是在从0到π/2(0°到90°)的范围内，典型地近似等于π/4(45°)。在优选实施例中，角度α是使用被称为电平差ILD的(第一)参数而计算的，该电平差ILD在数学上被定义为
ILD=10log(ΣkL[k]L*[k]ΣkR[k]R*[k])---(1)]]>其中k是(数字或数字化音频信号的)样本数，L是左声道，R是右声道，log代表以10为底的对数，以及*表示复数共轭。
通过使用这个参数，角度确定单元12可以使用下式计算角度α＝arctan(c)(2)其中c＝10ILD/20(3)将会看到，为此，参数确定单元12可以具有适当的处理装置，诸如具有相关联存储器的微处理器、专用集成电路(ASIC)、或任何其它适当的电路。
当考虑到第二参数即声道间相干性ICC时，可以得到更加精确确定的角度α。这个参数在数学上表示为ICC=|ΣkL[k]R*[k]ΣkL[k]L*[k]ΣkR[k]R*[k]|---(4)]]>公式(2)的改进的版本考虑到相干性参数ICCα=12arctan(2cICCc2-1)---(2a)]]>如上所述，这个角度α是音频信号的原始的角度。设备10的角度调节单元13调节这个角度，并产生经调节的角度α’。调节可以以各种不同的方式实行。在优选实施例中，使用变换函数F，它的实例显示于图4。变换函数可以具有以下形式α’＝F(α) (5)函数F(α)可以是线性或非线性的。线性函数的例子是α’＝π/4+d.(α-π/4) (5a)其中d是常数，它可以等于例如0.1，0.5，1.2，或2.0。非线性函数的例子(类似于图4的函数F)是α’＝α-d.sin(4α) (5b)如图4的例子所示，α和α’对于某些α的数值，诸如0，π/4，和π/2，可以是相同的。当原始的角度α等于零时，调节后的角度α’不一定必须等于零，对于α＝0公式(5)可以很好地呈现α’的负值。这样的负值将把音频信号的视在方向放置在右扬声器的右面，因此展宽立体声信号。
除了固定的变换函数外，可以例如在用户控制下作出可变的函数或可变的调节。为此，可以把适当的角度控制信号馈送到角度调节单元13。
经调节的角度α’和原始角度α被馈送到处理装置11，以便确定调节后的信号L’和R’。在优选实施例中，处理单元11首先使用原始信号L[k]，R[k]和原始角度α来确定主信号Y[k]和剩余信号Q[k]Y[k]Q[k]=cosαsinα-sinαcosαL[k]R[k]---(6)]]>通常，在数学领域。方括号表示向量和矩阵。
按照本发明，主信号Y[k]和剩余信号Q[k]然后被反向旋转一个角度α’以产生经旋转的(或经调节的)输出信号L’[k]和R’[k]
L'[k]R'[k]=cosα'-sinα'sinα'cosα'Y[k]Q[k]---(7)]]>处理单元11可以通过以上的矩阵乘法或通过组合运算来实行这个旋转运算，它们都考虑到了公式(6)和公式(7)而不用计算主信号Y[k]和剩余信号Q[k]作为中间结果L'[k]R'[k]=cosα'-sinα'sinα'cosα'cosαsinα-sinαcosαL[k]R[k]---(8)]]>也可以表示为L'[k]R'[k]=cos(α+α')sin(α-α')-sin(α-α')cos(α+α')L[k]R[k]---(8a)]]>代替或除了调节角度α以外，有可能使用以下公式控制ICC参数μ=1+4ICC2-4(c+1c)2---(9)]]>和γ=arctan1-μ1+μ---(10)]]>其中c按以上的公式(3)被定义。通过计算原始参数α，μ和γ，以及想要的(调节的)参数α’，μ’和γ’，可以使用以下公式得到数值L’[k]和R’[k]L'[k]R'[k]=cosα'-sinα'sinα'cosα'cosγ'cosγ00sinγ'sinγY[k]Q[k]---(7a)]]>
同样地，可把想要的ILD数值代入公式(3)而得到c的数值，它进而又被用于公式(9)而得到α和μ的新的数值，从而得到γ的数值，这些值然后可用来如前面那样计算L’[k]和R’[k]。
从公式(7)或(7a)得到的信号L’和R’由处理单元11输出，并可被馈送到一组扬声器、放大器或其它声音处理装置。本领域技术人员将会看到，可以提供适当的D/A(数字/模拟)转换器来把数字信号L’[k]和R’[k]转换成模拟信号L’和R’，它们可以由扬声器重现。这些DA转换器可被集成在处理单元11中，或可被安排成与单元11串联。
按照本发明的设备10的替换实施例示意地示于图3。图3的设备包括处理单元11和参数调节单元13。然而，与图2的实施例不同，参数确定单元12被省掉。在本实施例中，参数连同来自外部源的音频信号一起被接收，因此，不需要在设备10中推导出参数。可以说，本例中的音频信号包括左声道(L)、右声道(R)、和参数声道(α，ILD，ICC)。
在另一个替换实施例(未示出)中，音频信号包括单声道和参数声道。包含信号Y[k]的单声道和参数(例如，α，ILD，ICC)可被用来通过使用一个全通去相关滤波器推导出上述的剩余信号Q[k]。
示例的音频系统1示例地显示于图5。所显示的音频系统1包括输入放大器2、滤波器3和3’、增强设备10和10’、信号组合单元4、和输出放大器5。可以具有A/D(模拟/数字)转换器和D/A(数字/模拟)转换器，但为了清晰起见，图上未示出。
音频信号的左声道L和右声道R被馈送到输入放大器2，该放大器可包含以上讨论的A/D转换器。放大的信号被馈送到低通滤波器3和高通滤波器3’，它们被放置在并行分支中(将会看到，这些滤波器仅仅是示例的，可以存在或多或少的滤波器)。滤波后的声道信号被馈送到本发明的增强设备10和10’，它们可以相应于图2的设备10。设备10和10’使声道信号旋转一个角度α’，如上所讨论的。
应当指出，图5的实施例允许按频带的选择性增强(例如，旋转和/或源展宽或变窄)。通过第一滤波器3的较低的频率和通过第二滤波器3’的较高的频率可以具有不同的参数，它进而又可导致不同的调节参数。另外，增强设备10和10’可以具有不同的变换或映射函数F(α，ILD，ICC，...)。这允许进行取决于频率的角度调节。
应当指出，变换函数F(α，ILD，ICC，...)，替换地或另外，可以是取决于时间的。例如，声道信号L和R(数字的或数字化的)可被划分成帧，每个帧包含一定数目的样本，变换函数可以取决于帧号码。
由增强设备10，10’输出的信号被组合单元4组合。这个单元最好把来自设备10，10’的左声道信号相加以形成组合的左声道信号。以同样方式组合右声道信号。这些组合的声道然后被馈送到输出放大器5，它放大相应的信号。如上所述，输出放大器5可包含D/A转换器。
如上所述，本发明的音频系统1使得按频带旋转声道成为可能。另外或替换地，例如使角度调节取决于时间帧，可以提供取决于时间的声道旋转(也许要提供使用时间帧划分音频信号的适当的装置)。在另一个实施例中，例如通过使用MIDI技术以提供按乐器的声道旋转，该MIDI技术允许存储各种乐器。
将会看到，放大器2和5是任选的，并且可以提供两个以上的增强设备10，10’，...。除了所显示的部件以外，在音频系统中可以包括其它部件，诸如音频信号源和换能器。音频信号源可包括CD播放器、DVD播放器、MP3播放器、收音机、电视机、计算机、互联网终端、局域网终端以及其它源。换能器可包括电-机械扬声器、静电扬声器、和“震动机(shaker)”或其它谐振器。本发明的音频系统可被用于包括电视机的家庭音响系统(家庭影院)和多媒体系统、专业音响系统，诸如电影院音响系统，和汽车音响系统。
本发明是基于这样的观点由声道规定的音频信号参数可以通过使用适当的技术使其改变。本发明从另一个观点获益主要部件分析和相关技术允许处理音频信号参数而不引入人工产物。
虽然本发明是参照立体声(即，两个声道)音频信号进行说明的，但本发明不限于此，本发明可以容易应用到多声道音频信号，例如“5.1”信号。当从多信道中选择两个信道时，可以应用以上使用的公式，或这些公式可按特定的多信道情形而作修正。
应当指出，在本文件中使用的术语不应当看作为限制本发明的范围。具体地，单字“包括”不意味着排除没有特定地阐述的任何单元。单个(电路)元件可以用多个(电路)元件或它们的等价物替代。
本领域技术人员将会看到，本发明不限于以上说明的实施例，以及可以作出许多修改方案和添加，而不背离如所附权利要求中规定的本发明的范围。
权利要求
1.一种用于增强包括第一声道和第二声道的音频信号的设备(10)，音频信号具有可以由参数(α，ILD，ICC)表示的声道间特性，该设备包括-参数调节装置(13)，用于调节原始参数(α，ILD，ICC)，以便产生表示经调节的声道间特性的经调节的参数(α’，ILD’，ICC’)，以及-处理装置(11)，用于处理音频信号，以便产生具有经调节的声道间特性的增强的音频信号。
2.按照权利要求1的设备，还包括参数确定装置(12)，用于确定表示原始声道间特性的原始参数(α，ILD，ICC)。
3.按照权利要求1的设备，被安排成用于接收表示原始声道间特性的原始参数(α，ILD，ICC)。
4.按照权利要求1的设备，其中第一声道(L)和第二声道(R)规定了声源位置，该设备被安排成用于调节以源角度(α)表示的声源位置。
5.按照权利要求1的设备，其中第一声道(L)和第二声道(R)规定声源位置，该设备被安排成用于调节以声道间声级差(ILD)表示的声源位置。
6.按照权利要求1的设备，其中第一声道(L)和第二声道(R)规定声源宽度，设备被安排成用于调节以声道间相干性(ICC)表示的声源宽度。
7.按照权利要求1的设备，其中参数调节装置(13)被安排成通过使用映射函数F(α)；F(ILD)；F(ICC)调节至少一个原始参数(α，ILD，ICC)。
8.按照权利要求1的设备，被安排成用于增强选定的频带的音频信号。
9.按照权利要求1的设备，被安排成用于增强取决于时间的音频信号。
10.按照权利要求1的设备，其中参数调节装置(13)被安排成用于用户控制。
11.包括按照权利要求1-10的任一项的至少一个设备(10；10’)的音频系统(1)。
12.按照权利要求11的音频系统，包括至少一个用于选择频率范围的滤波器(3，3’)。
13.按照权利要求11的音频系统，包括被安排成并行分支的至少两个滤波器(3，3’)，和用于组合来自并行分支的经参数调节的信号的组合装置(4)。
14.按照权利要求11的音频系统，还包括至少一个放大器(2，5)。
15.按照权利要求11的音频系统，被安排成对单声道信号和相关的参数信号进行译码。
16.包括按照权利要求11的音频系统的家庭影院系统。
17.包括按照权利要求11的音频系统的汽车音响系统。
18.一种增强包括第一声道(L)和第二声道(R)的音频信号的方法，音频信号具有可以由参数(α，ILD，ICC)表示的声道间特性，该方法包括以下步骤-调节原始参数(α，ILD，ICC)，以便产生表示经调节的声道间特性的经调节的参数(α’，ILD’，ICC’)，以及-处理音频信号，以便产生具有经调节的声道间特性的增强的音频信号。
19.按照权利要求18的方法，还包括用于确定表示原始声道间特性的原始参数(α，ILD，ICC)的步骤。
20.按照权利要求18的方法，还包括接收代表原始声道间特性的原始参数(α，ILD，ICC)的步骤。
21.按照权利要求18的方法，其中第一声道(L)和第二声道(R)规定声源位置，该方法还包括调节以源角度(α)表示的声源位置的步骤。
22.按照权利要求18的方法，其中第一声道(L)和第二声道(R)规定声源位置，该方法还包括调节以声道间声级差(ILD)表示的声源位置的步骤。
23.按照权利要求18的方法，其中第一声道(L)和第二声道(R)规定声源宽度，该方法还包括调节以声道间相干性(ICC)表示的声源宽度的步骤。
24.按照权利要求18的方法，还包括通过使用映射函数F(α)；F(ILD)；F(ICC)、优选地是线性映射函数来调节原始参数(α，ILD，ICC)的步骤。
25.按照权利要求18的方法，还包括增强选定的频带的音频信号的步骤。
26.按照权利要求18的方法，还包括增强取决于时间的音频信号的步骤。
27.按照权利要求18的方法，其中调节原始参数的步骤是在用户控制下进行的。
28.用于实行按照权利要求18-27的任一项的方法的计算机程序产品。
全文摘要
用于增强多声道(例如立体声)音频信号的设备(10)具有参数调节单元(13)，用于调节代表音频信号的原始的声道间特性的原始参数(α，ILD，ICC)。该设备还包括处理单元(11)，用于处理音频信号，以便产生具有经调节的声道间特性(α’，ILD’，ICC’)的增强的音频信号。该设备允许立体声展宽或其它多声道信号增强，而不引入人工产物。
文档编号G10L21/00GK101015230SQ200580029918
公开日2007年8月8日 申请日期2005年8月30日 优先权日2004年9月6日
发明者M·W·范卢恩, D·J·布里巴特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司