专利名称：用相关输出混合声道的方法
技术领域：
本发明与混合音频信号有关，具体地说涉及用相关输出混合或下混两个或更多个声道。
背景技术：
多声道音响已受到传统影院和家庭影院内电影观众的热烈欢迎，因为它提供了远胜于混合立体声内容的真正“环绕声”感受。杜比AC 3(杜比数字)音频编码系统是一种立体声和5.1声道音轨编码的世界性标准。DTS相干声学是另一种经常使用的多声道音频编码系统。DTS相干声学现在用来通过广播、CD和DVD 5.1、6.1、7.1、10.2及其他多声道格式为专门场合和家庭收听提供多声道音乐。
汽车音响系统在过去几年里从单声道发展到立体声，在目前发展到大多数汽车内的多扬声器系统标准。然而，大多数内容仍然是以2声道立体声(L，R)格式提供的。音响系统将两个声道混合和延迟后加到布置的多个扬声器上，以提供增强的音响感受。然而随着可得到的多声道音乐的增多，多声道的音响系统也正在汽车内实现，为乘客提供“环绕声”感受。
虽然比现有的音响系统有明显的改善，但汽车的限制和乘客接近特定扬声器却影响到环绕声感受。通常，以多声道格式体现的所希望的混合可能成为“不平衡的”。例如，坐在前面座位上的乘客可以听到太多的从前右扬声器发出的分立R(右)声道，从而显著地损失了一些要表现的环绕声效果。更为极端的是，后面座位上的乘客可能只能听到环绕声道。
结果，汽车制造商发现将分立声道重新混合一些可以重建所希望的平衡，并且可以改善车内每个人的环绕声感受。如图1所示，典型的混合器10将分立的R(右)、C(中)、L(左)输入声道12、14、16重新混合成汽车的R、C、L输出声道18、20、22。每个声道通过延迟24后与相邻声道混合(乘以增益系数Gi 26后再相加28)。标准的混合方程式为R＝G1*R+G2*CC＝G3*C+G4*L+G5*RL＝G6*L+G7*C。
经混合的声道通过均衡器30后成为输出声道18、20、22，供汽车内的L、C、R声道扬声器重放。
虽然这种方法通常在重新平衡音响以便为汽车内每个乘客提供适当的环绕声感受上是有效的，但还是有一些潜在的问题。这种方法在两个声道包括相同或者非常相似的内容但具有相对时间或相位延迟时可能引入不希望有的赝象。此外，这种方法会过分混合分配给特定声道的信号，从而恶化了多声道音响的“分立”。
发明内容
本发明提供了一种混合声道的方法，可以有效地重新平衡音响或下混声道，而不会引起不希望有的赝象或过分恶化原来音响的分立表现。
这是在任何两个或更多输入声道之间通过对这些声道的处理为每对输入声道产生一个或多个“相关”音频信号来实现的。然后，将相关音频信号与输入声道混合，以提供输出声道。相关器可以用任何适当的技术实现，包括但并不局限于神经网络、独立成分分析(ICA)、自适应滤波或矩阵解码器。
在一个实施例中，只是将同相相关信号与两个输入声道混合。同相相关信号表示在两个声道内存在的相同或非常相似的而且是同相(没有或者只有极小的时间延迟)的信号。由于只是混合音频信号的这个部分，因此能实现所希望的重新平衡，而不会引起不希望有的赝象或者恶化多声道音响的分立。
在另一个实施例中，相关处理提供与输入声道混合的同相相关信号、异相相关信号(具有明显的时间或相位延迟的相同或相似的信号)和一个或多个独立信号(在另一个输入声道内不存在的信号)。这个方法提供了更大的混合灵活性。混合器可以将异相和独立信号的混合系数设置为零，从而得到与在只是用同相相关信号混合的情况相同的结果。或者，混合器可以只是减小这些信号中的系数，以提供更平滑的混合。在其他应用中，混合器可以希望减小或者除去异相信号但保留一些独立信号。例如，在从L、C、R输入声道到L、R输出声道的3∶2下混中，所希望的可以是将独立的C声道信号混合到L和R输出声道中。
熟悉该技术领域的人员从以下结合附图对优选实施例所作的详细说明中可以清楚地看到本发明的这些及其他一些特征和优点，在这些附图中图1如上面所说明的那样为汽车内混合分立的L、C和R声道以改善环绕声感受的已知配置；图2为按照本发明用L与C声道之间和R与C声道之间的相关输出混合分立的L、C和R声道的配置；图3为产生相关输出的相关器的方框图；图4为产生相关、异相和独立输出的相关器的方框图；图5a至5h为示出L和R输入声道的时域和频域表示以及2∶1和4∶1相关输出的频域表示的简化示意图；图6为使用2∶4矩阵解码器的相关器的实施例的方框图；图7为汽车音响系统的简化方框图；图8为多声道混合器的方框图；以及图9为汽车内使用图4所示的相关器的下混能力的多声道混合器的方框图。
具体实施例方式
将多声道音频应用于汽车希望将分立声道重新混合以为所有乘客提供更一致的环绕声感受。然而，虽然直接混合在重新平衡多声道音频上是有效的，但这个方法可能产生不希望有的赝象。例如，如果R和C声道包括相同或者非常相似的但具有明显相位或时间延迟的内容，重新混合这两个声道可能产生相位失真和/或振幅失真。此外，希望多声道音响许多是由于声道的分立未混合表示引起的。重新混合处理弱化音响的分立表示。
因此，本发明提供了一种混合声道的方法，可以有效地重新平衡音响，而不会引起不希望有的赝象或过分弱化原来音响的分立表现。这是在任何两个或更多输入声道之间通过对这些声道的处理为每对输入声道产生一个或多个“相关”音频信号来实现的。将表示两个声道内有很少或没有相位或时间延迟的相同或非常相似的内容的同相相关信号与输入声道相混合。这个方法还可以产生通常要丢弃的异相相关信号(具有明显的时间或相位延迟的相同或相似的信号)和一对可以与输入声道混合的独立信号(在另一个输入声道内不存在的信号)。提供这个同相相关信号和这对独立信号使得这个方法也很适合声道下混。
虽然这些技术是为了改善汽车内多声道音响提供的环绕声感受开发的，但本发明通常适用于以任何设置进行混合的两个或更多个声道。
与相关输出的混合如图2所示，混合器40将分立的R、C、L输入声道42、44、46重新混合成汽车的R、C、L输出声道48、50、52。每个声道都经过延迟54。R、C声道和L、C声道分别输入相关器56和58，相关器56和58分别产生相关音频信号60和62。相关音频信号60和62与相邻声道混合(乘以增益系数Gi 64后相加66)。经混合的声道通过均衡器68后成为输出声道48、50、52，供例如汽车内的L、C、R声道扬声器重放。
相关器56和58可以用任何适当的技术实现，包括但并不局限于神经网络、独立成分分析(ICA)、自适应滤波或矩阵解码器。如图3所示，相关器70可以配置成产生单个同相相关音频信号(LCC，RCC)，进行如下混合R＝G8*R+G9*RCC (1)C＝G10*C+G11*LCC+G12*RCC (2)L＝G13*L+G14*LCC (3)在这个方法中，异相相关信号和独立信号被去除。当然，没有鲜明的界线或清楚的定义将同相与异相和将相关与独立分开。音频内容的这些成分怎样分开将取决于用来实现相关器的技术和所要的相关信号特性。在一些应用中，所希望的可能是只保留非常高相关的相关信号。在其他一些应用中，所希望的可能是保留一些异相和独立信号。
如图4所示，这种增大灵活性的希望可以用配置成产生同相相关音频信号(RIP，LIP)、异相相关音频信号(ROP，LOP)以及L和R独立音频信号(RCI，CRI和LCI，CLI)的相关器72实现。通常，这些成分可以按照以下混合方程式混合R＝G15*R+(G16*RIP+G17*ROP+G18*RCI+G19*CRI)(4)C＝G20*C+(G21*LIP+G22*LOP+G23*LCI+G24*CLI)+(G25*RIP+G26*ROP+G27*RCI+G28*CRI) (5)L＝G29*L+(G30*LIP+G31*LOP+G32*LCI+G33*CLI) (6)与上面类似，怎样计算这些不同的相关成分将取决于实现技术和所要的不同成分的特性。
在一个典型实现中，对于输出声道来说可以丢弃异相成分和独立成分。在这种情况下，这些方程式简化为R＝G15*R+(G16*RIP+G19*CRI) (7)C＝G20*C+(G21*LIP+G23*LCI)+(G25*RIP+G27*RCI)(8)L＝G29*L+(G30*LIP+G33*CLI) (9)只留下同相相关信号和来自另一个声道的独立信号。
图5a至5h例示了强调混合相关输出所提供的效益和灵活性的有四个音的简单例子。在这个例子中，L声道包括1kHz音、5kHz音和15kHz音。R声道具有5kHz音、10kHz音和15kHz音。5kHz音是同相和相关的。15kHz音是异相的。图5a的上部和下部分别示出了L和R声道的时域波形72和74。图5b和5c分别示出了L和R声道的频率内容76和78。
上面在图3中所例示的类型的2∶1相关器产生单个同相相关音频信号80，如图5d所示。于是，可以将这个信号与左、右声道之一或左、右两个声道混合来重新平衡5kHz音而不会引起任何与异相15kHz音关联的相位或振幅失真或者混合入任何独立音频信号(即不会将1kHz混合入R声道或者将10kHz混合入L声道)。
上面图4中所示的类型的2∶4相关器产生处在1kHz的独立L信号82、处在10kHz的独立R信号84、处在5kHz的同相相关信号86和处在15kHz的异相相关信号88，如图5e-5h所示。于是，可以独立地将这些信号与左、右声道之一或左、右两个声道混合。在有些情况下，只将同相相关信号86混合，而丢弃其他信号或者将它们设置为零。或者，混合器可以优选增添这些其他信号的一个小的成分。例如，在C声道没有分立的扬声器的3∶2下混中，混合一些独立信号可能是必要的。
相关器实现矩阵解码器如上面所提到的，相关器可以用矩阵解码器实现。最早的多声道系统将多个声道例如左、右、中和环绕(L，R，C，S)声道矩阵编码成左右总(Lt，Rt)声道，以标准的立体声格式予以记录。Prologic编码器4对这样的混合进行如下矩阵编码Lt＝L+.707C+S(+90°)(10)Rt＝R+.707C+S(-90°)(11)矩阵解码器对两个分立声道Lt、Rt解码，将它们扩展成四个分立的重构声道L、R、C和S，加以放大后分配给一个5扬声器系统。有许多不同的专有算法可用来执行主动解码，而全部都基于对Lt+Rt(C)、Lt-Rt(S)、Lt(L)和Rt(R)的功率的测量，从而可以计算出增益因子HiL＝H1*Lt+H2*Rt(12)R＝H3*Lt+H4*Rt(13)C＝H5*Lt+H6*Rt(14)S＝H7*Lt+H8*Rt(15)具体地说，杜比Pro Logic为在5点声场的中央处的零点提供了一组增益因子。Pro Logic解码器测量经2声道矩阵编码的信号Lt和Rt的绝对功率，计算L、R、C和S声道中的每个声道的功率电平。然后，用这些功率电平来计算L/R和C/S优势向量，这些向量的向量和定义了在5点声场内应该发出单个优势信号的单个优势向量。对这些功率电平和优势向量取时间平均，以改善稳定性。解码器按照优势向量对在零点的这组增益系数定标，以提供增益因子Hi。
DTS Neo6解码器包括多频带滤波器组、矩阵解码器和综合滤波器，它们一起对Lt和Rt解码，并重构多声道输出。Neo6计算每个子带的L/R和C/S优势向量，再用缓慢和快速平均两者对它们进行平均。Neo6用优势向量将Lt、Rt子带信号映射为一个经扩展的9点声场。Neo6根据在这个声场内增益系数的值计算在每个子带内向量的增益系数。这允许子带可以在观察影片声道配置的声场内独立地接受引导。
作为相关器的矩阵解码器如图6所示，2∶4矩阵解码器90设计成将Lt和Rt解构以重构如以方程式10和11编码的L、R、C和S声道。分析这些方程式表明L和R声道在Lt和Rt内是独立的，C声道是完全相关的，而S声道有180°的相位差。
因此，如图6所示，如果Lt和Rt仅是两个声道，而不是经矩阵编码的声道，重构的C声道将表示在Lt和Rt内的任何同相相关音频信号，重构的S声道将表示任何异相相关音频信号，而重构的L和R声道将表示来自两个输入声道的独立音频信号。注意，如果需要的只是同相相关信号，可以使用将S声道混合入L和R声道的2∶3矩阵解码器。
用来计算增益因子Hi的特定算法将确定这些声道中每个内获取的相关度、相移或独立性。为了例示，考虑以下这些理想化了的情况情况1Lt、Rt高度相关(Lt＝Rt)L H1和H2＝0.354，-0.354，C H1和H2＝0.707，0.707，R H1和H2＝-0.354，0.354，S H1和H2＝0.707，-0.707，在这种情况下，L、R和S将为0，而C将含有相等的L和R两者的量。正如所期望的，同相成分将很大而其他成分将为零。根据引导向量的末端位置，用内插法从最佳系数的网格计算出新的系数。
情况2Lt、Rt完全异相(Lt＝-1.0*Rt)L G1和G2＝0.354，0.354，C G1和G2＝0.5，0.5，R G1和G2＝0.354，0.354，S H1和H2＝0.707，-0.707，在这种情况下，所有的输出都将为零。
情况3Lt占优势(Rt＝0)L H1和H2＝1.0，0.0，C H1和H2＝0.0，0.5，R H1和H2＝0.0，0.707，S H1和H2＝0.0，-1，在这种情况下，除了含有左输入的左声道，所有输出都为零。多声道汽车音响系统如以上所说明的那样，本发明的动机是改善由诸如杜比AC3或DTS相干声学所提供的多声道音响提供的环绕声感受。通过混合相关音频信号，多声道混合器提供了所希望的多声道音响的重新平衡而不会产生不希望有的赝象或弱化音响的分立表现。
如图7和8所示，典型的汽车音响系统100包括多个扬声器102，至少包括汽车的客舱104内的L前和R前扬声器。在这个例子中，扬声器系统还包括C前、R侧和L侧及R后和L后这些扬声器，还可以包括C后扬声器。多声道解码器106将来自盘108(或广播)的经多声道编码的音频解码成包括至少L前、C前和R前的多个分立音频输入声道。在这种5.1声道格式中，还提供右Rs和左Ls环绕声道。.1或者说低频声道没有示出。
多声道混合器110将分立的R、C、L声道用相关输出混合成给相应扬声器的R、C、L声道。每个声道都经过延迟112。R、C声道和L、C声道分别输入相关器114和116，相关器114和116分别产生相关音频信号118和120。这些相关音频信号118和120与相邻声道混合(乘以增益系数Gi 122后相加124)。经混合的声道通过均衡器126后成为R、C、L输出声道，供例如R、C、L声道扬声器重放。
在这个具体应用中，5.1音频混合成7扬声器系统，这并不罕见。由于典型的家庭扬声器配置，5.1内容是较为普遍的，但许多汽车使用7扬声器系统。在这种情况下，Rs和Ls分立声道分别混合到R侧、R后和L侧、L后。Rs(Ls)声道通过延迟130、分路后乘以混合系数132。一个支路通过均衡器134提供给R后(L后)。另一个支路与经混合的R(L)声道(经延迟136、混合系数138和相加节点140)混合后，通过均衡器142提供给R侧(L侧)。
如果内容以7.1格式提供，R、R侧和R后这些分立声道可以以与对R、C、L所说明的类似的方式用相关输出加以混合。左侧声道可以类似地加以混合。此外，如果可以得到8.1格式的音频而且扬声器系统包括C后扬声器，那么所有后扬声器可以这样加以混合。
如图9所示，汽车内的扬声器系统并不配有C前扬声器。必须将三个前方声道(R，C，L)下混成只有两个声道(R，L)。这在没有C声道扬声器的非汽车应用中也是常见的。简单地将C声道混合入L和R两个扬声器。在汽车设置中，可以采取相同的方法。然而，理想的用于混合C声道的系数可能不同于所希望的用于重新平衡的系数，而且还可能由于输入声道之间的异相相关信号而引起不希望有的赝象。
作为替代，相关器150和152产生同相、异相音频信号和成对独立音频信号。混合器现在可以灵活地按需要混合同相成分以重新平衡信号、丢弃异相成分以避免相位失真和混合独立C声道以将音频信号保留在该声道内。
以这种方式将N个声道灵活地下混成M个声道(其中，N＞M)的能力也可用于汽车应用之外的应用。例如，正在为新的展示场所产生具有更多分立声道(例如10.2)的内容。然而，许多商业和消费场所将具有5.1、6.1或7.1扬声器配置，这些配置就需要下混。
虽然以上示出和说明了本发明的一些例示性实施例，但熟悉该技术领域的人员可以想到许多变型和可替代实施方式。可以预期这样的变型和可替代实施方式在不背离所附权利要求书中所确定的本发明的精神和范围的情况下是可以实现的。
权利要求
1.一种混合声道的方法，包括提供第一和第二音频输入声道；将第一与第二声道相关，以提供相关音频信号；以及将相关音频信号与第一声道混合成第一音频输出声道。
2.权利要求1的方法，其中所述相关音频信号包括同相相关信号。
3.权利要求2的方法，其中所述同相相关信号表示第一和第二音频输入声道内的有很少或没有时间或相位延迟的相同或相似的音频信号。
4.权利要求2的方法，其中所述相关音频信号还包括第一和第二独立信号。
5.权利要求4的方法，其中所述第一和第二独立信号表示在所述第二和第一输入声道内不存在的音频信号。
6.权利要求4的方法，其中所述第二独立信号与第一输入声道混合成第一输出声道。
7.权利要求6的方法，其中所述同相相关信号和第二独立信号独立地与第一输入声道混合成第一输出声道。
8.权利要求4的方法，其中所述相关音频信号还包括异相相关信号。
9.权利要求8的方法，其中所述异相相关信号被丢弃。
10.权利要求1的方法，其中所述相关用神经网络、ICA、自适应预测或矩阵解码之一执行。
11.权利要求1的方法，其中所述第一和第二输入声道经2:3矩阵解码后产生同相相关音频信号、分别包括第一和第二输入声道的独立音频信号的第一和第二矩阵信号及异相相关信号，其中所述同相音频信号与所述第一输入声道混合，而所述第一和第二矩阵信号被丢弃。
12.权利要求1的方法，其中所述第一和第二输入声道经2:4矩阵解码后产生同相相关信号、异相相关信号及第一和第二独立信号，其中所述同相信号与所述第一输入声道混合。
13.权利要求12的方法，其中所述异相信号被丢弃。
14.权利要求12的方法，其中所述第二独立信号与所述第一输入声道混合。
15.权利要求12的方法，其中所述第一和第二输入声道是分立声道。
16.一种混合声道的方法，包括提供右(R)、中(C)和左(L)音频输入声道；将R与C声道和将C与L声道相关，以提供第一和第二相关音频信号；将第一相关音频信号与R输入声道混合成R输出声道；以及将第二相关音频信号与L输入声道混合成L输出声道。
17.权利要求16的方法，其中所述第一和第二相关音频信号包括R与C输入声道之间和C与L输入声道之间的同相相关信号。
18.权利要求书17的方法，还包括将第一和第二同相相关音频信号与C输入声道混合成C输出声道。
19.权利要求16的方法，其中所述第一相关音频信号包括第一同相相关信号、第一异相相关信号及第一R和第一C独立信号，而所述第二相关音频信号包括第二同相相关信号、第二异相相关信号及第二C和第二L独立信号。
20.权利要求19的方法，其中所述同相相关信号和所述第一C独立信号独立地与第一输入声道混合成第一输出声道，而所述第二同相相关信号和所述第二C独立信号独立地与第二输入声道混合成第二输出声道。
21.一种混合声道的方法，包括提供第一、第二和第三音频输入声道；处理第一和第二声道，以提供第一同相相关信号、第一异相相关信号及第一和第二独立信号；处理第二和第三声道，以提供第二同相相关信号、第二异相相关信号及第二和第三独立信号；将第一同相相关信号、第一异相相关信号及第一和第二独立信号的信号与第一输入声道混合成第一输出声道；以及将第二同相相关信号、第二异相相关信号及第二和第三独立信号的信号与第三输入声道混合成第三输出声道。
22.权利要求1的方法，其中所述第一和第二异相相关信号被丢弃。
23.权利要求21的方法，其中所述第一和第二声道及所述第二和第三声道各经2:4矩阵解码后产生这些信号。
24.一种音频混合器，包括将第一与第二音频输入声道相关以提供相关音频信号的相关器；以及将第一相关音频信号与第一输入声道混合成第一输出声道的混合器。
25.权利要求24的音频混合器，其中所述相关音频信号包括同相相关信号。
26.权利要求24的音频混合器，其中所述相关音频信号包括同相相关信号、异相相关信号及第一和第二独立信号。
27.一种音频混合器，包括接收经多声道编码的音频数据和输出包括至少左(L)、中(C)和右(R)声道的多个分立音频输入声道的解码器；对R和C声道矩阵解码以产生第一同相相关音频信号的第一矩阵解码器；将第一同相相关音频信号与R输入声道混合成R输出声道的第一混合器；对RL和C声道矩阵解码以产生第二同相相关音频信号的第二矩阵解码器；以及将第二同相相关音频信号与L输入声道混合成L输出声道的第二混合器。
28.权利要求27的音频混合器，其中所述第一和第二矩阵解码器包括输出要丢弃的左和右声道和提供同相相关音频信号的中声道的2:3解码器。
29.权利要求27的音频混合器，其中所述第一和第二矩阵解码器包括输出分别提供R与C和L与C独立音频信号的左和右声道、输出提供同相相关音频信号的中央声道和输出提供要丢弃的异相相关音频信号的环绕声道的2:4解码器。
30.一种音响系统，包括具有客舱的汽车；包括至少客舱内L前和R前的多个扬声器；将经多声道编码的音频解码成包括至少L前、C前和R前的多个分立音频输入声道的多声道解码器；以及多声道混合器，用来将R与C声道和将C与L声道相关，以提供第一和第二相关音频信号；将第一相关音频信号与R输入声道混合成要给R前扬声器的R输出声道；以及将第二相关音频信号与L输入声道混合成要给L前扬声器的L输出声道。
31.权利要求30的音响系统，其中所述相关音频信号包括同相相关信号。
32.权利要求30的音响系统，其中所述相关音频信号包括同相相关信号、异相相关信号及第一和第二独立信号。
33.权利要求32的音响系统，其中所述异相相关信号被丢弃，而所述第一和第二独立信号及同相信号独立地与所述L和R输入声道混合。
34.权利要求30的音响系统，其中所述多声道混合器将第一和第二相关音频信号与C输入声道混合成要给C前扬声器的C输出声道。
全文摘要
一种混合声道(R，C，L)的方法有效地重新平衡音频而不会引起不希望有的赝象或过分弱化原来音频的分立表现。这是在任何两个或更多输入声道(R，C，L)之间通过对这些声道的处理为每对输入声道产生一个或多个“相关”音频信号来实现的。将表示两个声道内有很少或没有相位或时间延迟的相同或非常相似的内容的同相相关信号(150，152)与输入声道相混合。这个方法还可以产生通常要丢弃的异相相关信号(具有明显的时间或相位延迟的相同或相似的信号)和一对可以与输入声道混合的独立信号(在另一个输入声道内不存在的信号)。
文档编号H04R5/00GK101036414SQ200580033552
公开日2007年9月12日 申请日期2005年8月26日 优先权日2004年8月31日
发明者威廉·保罗·史密斯 申请人:Dts公司