DE102012025016B3 - Method for determining at least two individual signals from at least two output signals - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung wenigstens zweier Einzelsignale aus wenigstens zwei Ausgangssignalen, die aus wenigstens zwei Quellsignalen gebildet sind, wobei die Mischungsverhältnisse von wenigstens zwei Quellsignalen auf die Ausgangssignale bestimmt werden, die Ausgangssignale mit aus dem Mischverhältnis gebildeten Faktoren multipliziert werden und aus den Ausgangssignalen wenigstens zwei Subtraktionssignale ermittelt werden, sodass in jedem Subtraktionssignal ein Quellsignal eliminiert ist, die Subtraktionssignale fouriertransformiert werden, wodurch Transformationssignale entstehen, aus den Transformationssignalen ein Restsignal bestimmt wird, wenigstens zwei Einzelsignale anhand der Transformationssignale und dem Restsignal berechnet werden, und die Einzelsignale durch eine inverse Fouriertransformation transformiert werden.The invention relates to a method for determining at least two individual signals from at least two output signals which are formed from at least two source signals, the mixing ratios of at least two source signals to the output signals being determined, the output signals being multiplied by factors formed from the mixing ratio and from the output signals at least two subtraction signals are determined so that a source signal is eliminated in each subtraction signal, the subtraction signals are Fourier-transformed, which results in transformation signals, from the transformation signals a residual signal is determined, at least two individual signals are calculated on the basis of the transformation signals and the residual signal, and the individual signals by an inverse Fourier transform can be transformed.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung wenigstens zweier Einzelsignale gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Es ist bekannt, zwei oder mehr Schallquellen so aufzunehmen, dass dadurch ein Stereosignal gebildet werden kann. Hierzu werden Pegeldifferenzen oder Laufzeitdifferenzen ausgenutzt. Durch die Stereosignale soll ein räumlicher Schalleindruck entstehen.The invention relates to a method for determining at least two individual signals according to the preamble of
Bekannte Verfahren der Stereophonie sind das AB-Verfahren, die Intensitäts-Stereophonie in Form des XY-Verfahrens oder des MS-Verfahrens sowie gemischte Verfahren wie das ORTF-Verfahren oder das OSS-Verfahren.Known methods of stereophony are the AB method, the intensity stereophony in the form of the XY method or the MS method and mixed methods such as the ORTF method or the OSS method.
In den letzten Jahren sind immer mehr Klangsysteme auf den Markt gekommen, die mehr als zwei Lautsprecher umfassen. Insbesondere befinden sich derartige Klangsysteme schon seit vielen Jahren beispielsweise in Kraftfahrzeugen, die wenigstens zwei Lautsprecher in den Seitentüren und zwei Lautsprecher in inneren Bereich des Kraftfahrzeuges aufweisen.In recent years, more and more sound systems have come on the market, which include more than two speakers. In particular, such sound systems are already for many years, for example, in motor vehicles having at least two speakers in the side doors and two speakers in the inner region of the motor vehicle.
Daher sind Verfahren entwickelt worden, um mehr als zwei Einzelsignale zur Verfügung zu stellen, wie dies bei der Stereophonie der Fall ist. Dabei gibt es im Wesentlichen zwei unterschiedliche Ansätze:
Zum einen gibt es Verfahren, die aus einer Vielzahl von Ausgangssignalen jedes Quellsignal herausrechnen können. Als Quellsignal wird dabei jedes Instrument und jede Sing- oder Sprechstimme verstanden. Bei Chören kann aber auch eine Mehrzahl an Sängern als ein Quellsignal aufgefasst werden, beispielsweise kann „der Sopran” als eine Singstimme begriffen werden, obwohl er beispielsweise zwanzig Sängerinnen umfasst.Therefore, methods have been developed to provide more than two individual signals, as is the case with stereophony. There are essentially two different approaches:
First, there are methods that can calculate out of a variety of output signals of each source signal. The source signal is understood to mean every instrument and every voice or speaking voice. In choirs, however, a plurality of singers can be considered as a source signal, for example, "the soprano" can be understood as a singing voice, although it includes, for example, twenty singers.
Insgesamt gesehen besteht das Problem also darin, aus zwei Ausgangssignalen wie sie bei Stereosignalen vorliegen oder auch mehr Ausgangssignalen eine beliebige Anzahl von Quellsignalen herauszufiltern.Overall, therefore, the problem consists in filtering out any number of source signals from two output signals as they are in stereo signals or even more output signals.
Derartige Verfahren zur Quelltrennung werden unter dem Schlagwort „Blind ... Separation” geführt. Dabei gibt es im Wesentlichen zwei Arten von Verfahren. Die einen arbeiten mit statistischen Verfahren, wie der Unabhängigkeitsanalyse, der Hauptkomponentenanalyse, der Maximum-A-Postariori-Methode, der Maximum-Likelyhood-Methode. Daneben ist es auch bekannt, rekursive Optimierungsmethoden zu verwenden. Die bekannten Verfahren erlauben dabei entweder eine Ermittlung beliebiger Quellsignale aus einer geringeren Anzahl von Ausgangssignalen mit hohem Rechenaufwand oder setzen zu einer Echtzeitberechnung eine Anzahl von Ausgangssignalen voraus, die größer oder gleich der Anzahl der Quellsignale ist.Such methods for source separation are led under the keyword "Blind ... Separation". There are essentially two types of procedures. Some work with statistical methods such as independence analysis, principal component analysis, the maximum-a-postariori method, the maximum likelihood method. In addition, it is also known to use recursive optimization methods. The known methods either allow a determination of any source signals from a smaller number of output signals with high computational complexity or require a real-time calculation, a number of output signals that is greater than or equal to the number of source signals.
In der Druckschrift „Audio Engineering Society-Convention Paper 6924” wird ein Verfahren zur unterbestimten Quelltrennung beschrieben. Es wird geschildert, wie Subtraktionssignale gebildet werden können. Auch das bearbeiten der Signale mittels Fourier-Transformation wird hier offenbart.The publication "Audio Engineering Society-Convention Paper 6924" describes a method for underdetermined source separation. It is described how subtraction signals can be formed. The processing of the signals by means of Fourier transformation is also disclosed here.
Auch die US-Patentanmeldung US2007/0076902A1 beschreibt ebenfalls das Trennen von Audio-Signalen. Diese werden im Frequenzbereich mit Restsignalen bearbeitet.US patent application US2007 / 0076902A1 also describes the separation of audio signals. These are processed in the frequency domain with residual signals.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass auch bei einer Anzahl von Ausgangssignalen, die kleiner als die Anzahl der Quellsignale ist, eine Quelltrennung in Echtzeit ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.It is therefore an object of the present invention to further develop the method with the features of the preamble of
Als Kern der Erfindung wird es angesehen, dass aus den Ausgangssignalen Subtraktionssignale ermittelt werden, die fouriertransformiert werden und in den so erhaltenen Transformationssignalen Einzelsignale ermittelt werden. Dadurch dass auf statistische Verfahren und rekursive Verfahren verzichtet wird, gelingt eine Ermittlung der Einzelsignale in Echtzeit. Echtzeit bedeutet dabei, dass ein anfallender Datenstrom mit einem marginalen zeitlichen Versatz der bei der Berechnung des ersten Blocks von Signalen entsteht, die wiederzugebenden Signale ohne Unterbrechung bereitgestellt werden können. Es ist also möglich, beispielsweise aus einer Aufnahme eine bestimmte Singstimme und beispielsweise das Klavier zu extrahieren, bestimmten Lautsprechern mit einem auszuwählenden Mischungsverhältnis zuzuordnen wobei die Ausgangssignale nicht vorverarbeitet sein müssen. Es soll also beispielsweise möglich sein, in einem Kraftfahrzeug eine CD einzulegen, ein Lied und ggf. die Verteilung der zu extrahierenden Signale wie auch die zu extrahierenden Signale selbst festzulegen, und dass Abspielen des Liedes oder der CD zu beginnen, ohne dass es zu einer merklichen Verzögerung kommt.As the core of the invention, it is considered that subtraction signals are determined from the output signals, which are Fourier-transformed and individual signals are determined in the transformation signals thus obtained. By eliminating statistical methods and recursive methods, it is possible to determine the individual signals in real time. Real-time means that a resulting data stream with a marginal time offset arises when calculating the first block of signals, the signals to be reproduced can be provided without interruption. It is thus possible, for example, to extract from a recording a certain singing voice and, for example, the piano, to assign certain loudspeakers with a mixing ratio to be selected, whereby the output signals need not be preprocessed. It should thus be possible, for example, to insert a CD in a motor vehicle, to specify a song and possibly the distribution of the signals to be extracted as well as the signals to be extracted, and to start playing the song or the CD without it noticeable delay comes.
Die Mischverhältnisse von Quellsignalen auf die Ausgangssignale können mit einer Richtungsbestimmung ermittelt werden. Dafür werden die Ausgangssignale fouriertransformiert und die Amplitudenwerte berechnet. Diese Amplitudenwerte werden zu einem Histogramm zusammengefasst. Dafür werden aus den fouriertransformierten Ausgangssignalen Punktepaare gebildet, wobei die Punktepaare im Histogramm mittels des erhaltenen Winkels zusammengefasst werden. Der Winkel der Punktepaare nimmt dabei Werte zwischen 0° und 90° an und ermittelt sich wie folgt: The mixing ratios of source signals to the output signals can be determined with a direction determination. For this purpose, the output signals are Fourier-transformed and the amplitude values are calculated. These amplitude values are combined into a histogram. For this purpose, pairs of dots are formed from the Fourier-transformed output signals, the pairs of points in the histogram being combined by means of the angle obtained. The angle of the pairs of points assumes values between 0 ° and 90 ° and is calculated as follows:
Dabei bezeichnet X ~1,org das fouriertransformierte erste Ausgangssignal X1, X ~2,org das fouriertransformierte zweite Ausgangssignal X2 und ax sowie ay Vektoren, in denen die Beträge gespeichert werden. Der Buchstabe l ist der Zählindex der Ausgangssignale X1 und X2 bzw. der fouriertransformierten Ausgangssignale X ~1,org und X ~2,org, anhand dessen die Punktepaare festgemacht werden. Der erste Wert des fouriertransformierten Ausgangssignals X ~1,org und der erste Wert des fouriertransformierten Ausgangssignals X ~2,org, die nichts anderes als Vektoren sind, bilden damit das erste Punktepaar, mit l = 1. Natürlich kann der Zählindex l auch bei 0 beginnen, er läuft dann bis L – 1. L bezeichnet dabei die Anzahl der fouriertransformierten Punkte jeweils der Ausgangssignale X1 und X2, beispielsweise 4096. θ ist ein Winkel zwischen 0° und 90°. und (ψl der Betrag des Punktepaares mit Index l.Here, X ~ 1, org denotes the Fourier-transformed first output signal X 1 , X ~ 2, org the Fourier-transformed second output signal X 2 and a x and a y vectors in which the amounts are stored. The letter l is the counting index of the output signals X 1 and X 2 and the Fourier transformed output signals X ~ 1, org and X ~ 2, org , by means of which the pairs of points are fixed. The first value of the Fourier transformed output signal X ~ 1, org and the first value of the Fourier transformed output signal X ~ 2, org , which are nothing else than vectors, thus form the first pair of points, with l = 1. Of course, the count index l can also be at 0 It then starts running to L-1. L denotes the number of Fourier-transformed points respectively of the output signals X 1 and X 2 , for example 4096. θ is an angle between 0 ° and 90 °. and (ψ l the amount of the pair of points with index l.
Der Vektor ψl beinhaltet die Summe der Beträge der Vektoren ax sowie ay:
Die Fouriertransformation wird blockweise durchgeführt. Als Eingangssignal wird jeweils eine Zweierpotenz, also eine Potenz zur Basis 2, verwendet. Es hat sich herausgestellt, dass Potenzen von 10, 11 oder 12, also 1024, 2048 oder 4096 Datenpunkte, besonders effizient sind. Besonders bevorzugt sind 4096 Datenpunkte, da bei diesen die Rechenzeit im Hinblick auf den Rechenaufwand optimiert ist.The Fourier transformation is performed block by block. In each case a power of two, ie a power to the
Die Einteilung des Histogramms erfolgt bevorzugt in 1°-Schritten, d. h., dass das Histogramm 90 Elemente enthält. Die Werte vom Winkel θ werden dabei auf ganze Zahlen gerundet, um den Wertebereich des Histogramms einzugrenzen.The division of the histogram is preferably carried out in 1 ° increments, d. that is, the histogram contains 90 elements. The values of the angle θ are rounded to integers in order to narrow the value range of the histogram.
Anschließend wird das Histogramm geglättet, um die Erkennung der Maxima zu verbessern. Als Glättungsfunktion wird beispielsweise folgende Funktion verwendet: Then the histogram is smoothed to improve the detection of the maxima. For example, the following function is used as the smoothing function:
Der Parameter T ist eine ganze Zahl und gibt vor, wie viele Nachbarpunkte in die Glättung einbezogen werden. Es findet also eine Mittelung über mehrere Datenpunkte statt. An den Grenzen des Histogramms, wo keine Nachbarpunkte existieren, wird der Wert 0 an den entsprechenden zu ergänzenden Stellen verwendet. Bei der Berechnung des ersten Zahlenwertes des Histogramms sind also auf der einen Seite achtmal der Wert 0 anzusetzen, während auf der anderen Seite die vorhandenen Zahlenwerte verwendet werden. Im geglätteten Histogramm werden alle lokalen Extremwerte bestimmt und nach Höhe des Zahlenwertes, also nach Häufigkeit sortiert. Jede Stelle im Histogramm entspricht ja wie oben beschrieben einem Winkel, somit entspricht auch jedem Extremwert ein Winkel. Zu den ermittelten Maxima wird der zugehörige Winkel bestimmt und es werden entweder eine vorgegebene Anzahl von Maxima verwendet oder alle Maxima, deren Häufigkeit über einem vorgegebenen Schwellwert liegt.The parameter T is an integer and specifies how many neighbor points are included in the smoothing. So there is an averaging over several data points. At the boundaries of the histogram, where there are no neighboring points, the
Der geglättete Histogramm-Vektor ergibt sich damit zu The smoothed histogram vector thus results in
Dabei kann das Problem auftreten, dass ein Quellsignal nicht über die gesamte Dauer in den Ausgangssignalen auftritt. Beispielsweie haben bestimmte Instrumente oder Singstimmen Pausen. Damit diese Pausen keine Fehler in der Winkelbestimmung verursachen, ist es möglich, nach der Ermittlung von zwei oder mehr Histrogrammen und einer entsprechenden Winkelbestimmung die folgenden Histogramme mit einer Gewichtungsfunktion, beispielsweise einem Tiefpass, zu multiplizieren. Der Tiefpass kann folgendes Aussehen haben:
Durch diese Gewichtung wird die Winkelerkennung stabilisiert.This weighting stabilizes the angle detection.
Ausgehend von den ermittelten Winkeln bestimmen sich die Mischverhältnisse zweier Quellsignale, indem die Winkel
Liegt ein Maximum des Histogramms beispielsweise bei 18°, so ergibt sich so ein Mischungsverhältnis von V = 0,325.If a maximum of the histogram is, for example, 18 °, this results in a mixing ratio of V = 0.325.
Anhand der Mischungsverhältnisse werden Subtraktionssignale berechnet, die sich bei zwei Ausgangssignalen folgendermaßen ergeben: mit N = 1, 2, .... N ist der Index des auszufilternden Quellsignals.Based on the mixing ratios, subtraction signals are calculated, which result for two output signals as follows: with N = 1, 2, .... N is the index of the source signal to be filtered out.
Abhängig davon, ob das Mischungsverhältnis größer oder kleiner als 1 ist, wird das entsprechende Subtraktionssignal berechnet. Dabei ist es möglich, auch mehr als zwei Ausgangssignale zu verwenden, jedoch führt dies lediglich zu einem erhöhten Rechenaufwand. Liegen nicht nur wie bei einem Stereosignal zwei sondern mehr Ausgangssignale vor, werden zur Extraktion eines Quellsignals daher bevorzugt diejenigen zwei Ausgangssignale ausgewählt, bei der das Quellsignal am stärksten vertreten ist.Depending on whether the mixing ratio is greater or less than 1, the corresponding subtraction signal is calculated. It is possible to use more than two output signals, but this only leads to an increased computational effort. If there are not two but more output signals as in the case of a stereo signal, then those two output signals in which the source signal is most strongly represented are preferably selected for the extraction of a source signal.
Bei den so ermittelten Subtraktionssignalen ist jeweils ein Quellsignal ausgeblendet.In the case of the subtraction signals thus determined, a source signal is hidden in each case.
Diese Subtraktionssignale werden dann fouriertransformiert. Dies geschieht blockweise, wobei nachfolgende Blöcke immer mit einem Abstand beginnen, der der halben Größe der zu vorher transformierenden Datenpunkte entspricht. D. h., dass die erste Hälfte eines Blockes bereits als zweiter Teil des vorhergehenden Blockes fouriertransformiert wurde.These subtraction signals are then Fourier transformed. This happens block by block, whereby subsequent blocks always start with a distance that corresponds to half the size of the previously transforming data points. That is, the first half of a block has already been Fourier transformed as the second part of the previous block.
Dies erlaubt eine kontinuierliche Signalverarbeitung und ist unter dem Namen Overlap-Add-Verfahren bekannt.This allows continuous signal processing and is known under the name overlap-add method.
Zur Minimierung des Leck-Effektes werden die Eingangsblöcke mit einem Fenster, beispielsweise einem Hanning-Fenster multipliziert. Die Fensterfunktion f(n) für N Datenpunkte lautet: To minimize the leak effect, the input blocks are multiplied by a window, for example a Hanning window. The window function f (n) for N data points is:
Aus den fouriertransformierten Subtraktionssignalen X ~, im folgenden Transformationssignale genannt, wird ein Restsignal ermittelt. Für zwei Transformationssignale X ~ ergibt sich das Restsignal als einfache Subtraktion des zweiten Transformationssignals vom ersten:
Im Folgenden wird weiterhin von zwei Transformationssignalen X ~1 und X ~2 und einem Restsignal X ~3 ausgegangen, was insgesamt drei Signale ergibt. Zur Extraktion eines Einzelsignals werden daraufhin diese drei Signale miteinander verglichen.In the following, it is further assumed that two transformation signals X ~ 1 and X ~ 2 and a residual signal X ~ 3 , resulting in a total of three signals. To extract a single signal, these three signals are then compared.
Für jeden Datenpunkt der Signale X ~1, X ~2 und X ~3, üblicherweise weist jedes Signal 4096 Datenpunkte auf, werden aus den Amplituden der drei Signale die Extremwerte berechnet.For each data point of the signals X ~ 1 X ~ 2 and X ~ 3, usually, each signal 4096 data points are calculated, the extreme values of the amplitudes of the three signals.
Ausgegangen wird von einem Array mit 3 × 4096 Datenpunkten. Die Zahl 3 gibt die Anzahl der Transformationssignale und dem Restsignal an und die 4096 die Anzahl der fouriertransformierten Datenpunkte in einem Block. Betrachtet man den ersten Datenpunkt bzw. den ersten Frequenz-Bin der Vektoren X ~1, X ~2 und X ~3, so stehen drei Zahlenwerte zum Vergleich. An der Stelle des minimalen Wertes dieser drei Werte wird der Maximalwert der beiden anderen Werte gesetzt und die anderen Werte werden auf Null gesetzt.The starting point is an array with 3 × 4096 data points. The
Ein Zahlenbeispiel zur Verdeutlichung:
Sei der erste Wert von X ~1 5, der erste Wert von X ~2 10 und der erste Wert von X ~3 15. Dann wird 15 an die Stelle von 5 gesetzt und der erste Wert von X ~2 und X ~3 auf 0. Die Werte werden also spaltenweise betrachtet. Man erhält ein Array aus 4096 Spalten und drei Zeilen, bei dem zwei drittel der Werte Null sind. Die Werte ungleich von Null sind unregelmäßig über die Einzelvektoren verteilt. Die Einzelvektoren zu X ~1 und X ~2 heißen S ~1 und S ~2 und sind die Fouriertranformierten der berechneten Quellsignale S1 und S2. Der sich ergebende Vektor des Restwertsignals X ~3 hat keine weitere Bedeutung.A numerical example for clarification:
Let the first value of X ~ 1 5 be the first value of X ~ 2 10 and the first value of X ~ 3 15. Then
Die Ermittlung von S ~1 und S ~2 ist durch folgende Formel gegeben: The determination of S ~ 1 and S ~ 2 is given by the following formula:
Dabei ist k der Zählindex der Datenpunkte bzw. Frequenz-Bins und durchläuft bei 4096 Datenpunkten die Werte 1 bis 2048. Es muss nur die Hälfte der Frequenz-Bins durchlaufen werden, da aus Symmetriegründen im Zuge der Fouriertransformation die Datenpunkte doppelt vorkommen. Im obigen Beispiel war k = 1.K is the counting index of the data points or frequency bins and passes through the
Nimmt man die so umgewandelten Zeilen, die zu den Signalen X ~1 und X ~2 gehört haben, nämlich die Einzelsignale S ~1 und S ~2, kann man daraus die berechneten Quellsignale S1 und S2 durch eine inverse Fouriertransformation ermitteln. Als Phase kann die Phase der Signale X ~1 und X ~2 auch direkt herangezogen werden. S ~1 und S ~2 wird also die jeweilige Phase aus den Vektoren X ~1 und X ~2 zugeordnet. Die Zuordnung erfolgt natürlich in Abhängigkeit des Zählindexes k.If one takes the lines thus converted, which have belonged to the signals X ~ 1 and X ~ 2 , namely the individual signals S ~ 1 and S ~ 2 , one can use them to determine the calculated source signals S 1 and S 2 by an inverse Fourier transformation. As a phase, the phase of the signals X ~ 1 and X ~ 2 can also be used directly. S ~ 1 and S ~ 2 is thus assigned the respective phase of the vectors X ~ 1 and X ~ 2 . The assignment is of course dependent on the counting index k.
Die Einzelsignale S ~1 und S ~2 bzw. die fouriertransformierten Einzelsignale S1 und S2 können sich von den Quellsignalen aufgrund von Rechenungenauigkeiten und Rundungsfehlern leicht unterscheiden. D. h., dass eine vollständige Reproduktion eines Quellsignals zwar nicht gelingt, die Unterschiede sind aber derart gering, dass sie üblicherweise nicht bemerkbar sind.The individual signals S ~ 1 and S ~ 2 or the Fourier-transformed individual signals S 1 and S 2 may differ slightly from the source signals due to computational inaccuracies and rounding errors. This means that a complete reproduction of a source signal is not possible, but the differences are so small that they are usually not noticeable.
Zur Verbesserung der Trennung der Einzelsignale sind folgende Schritte möglich:
Um Sprünge in der Minima-Erkennung zu vermeiden kann vorgesehen sein, dass die Festlegung eines Minimums in den Signalen X ~1, X ~2 und X ~3 von der Erkennung vorhergehender Minima abhängt. Beispielsweise kann ein bedingter Tiefpassfilter verwendet werden: To improve the separation of the individual signals, the following steps are possible:
In order to avoid jumps in the minima detection it can be provided that the definition of a minimum in the signals X ~ 1 , X ~ 2 and X ~ 3 depends on the detection of preceding minima. For example, a conditional lowpass filter can be used:
Die Ermittlung von S ~1 und S ~2 ist dann durch folgende Formel gegeben: Der Parameter η (0 ≤ η ≤ 1) gibt vor, wie stark das tiefpass-gefilterte Signal in die Einzelsignale S ~m, m = 1, 2, 3, ... eingeht.The determination of S ~ 1 and S ~ 2 is then given by the following formula: The parameter η (0 ≤ η ≤ 1) specifies how much the low-pass filtered signal enters into the individual signals S m , m = 1, 2, 3,.
Weiterhin können die Minima der Transformationssignale X ~m, m = 1, 2, 4, 5, ... getrennt mit dem Restwertsignal X ~3 verglichen werden, d. h. dass die Minimabestimmung Emin(k), Belegung mit 0 oder dem Maximalwert der Spalte Emax(k) usw. jeweils zwischen einem Transformationssignal X ~m und dem Restwertsignal X ~3 durchgeführt wird. So werden die Vektoren Emin1, Emin2, Emax1 und Emax2 ermittelt. Die Minima werden mit einem Faktor β (0 ≤ β ≤ 2) multipliziert. Je nach Wahl des Faktors ergeben sich unterschiedliche Effekte. Für β < 1 werden unerwünschte Frequenzen unterdrückt und für β > 1 ergibt sich ein harmonischeres Klangbild.Furthermore, the minima of the transformation signals X ~ m , m = 1, 2, 4, 5,... Can be compared separately with the residual value signal X ~ 3 , ie the minimum determination E min (k), zero occupancy or the maximum value of Column E max (k), etc. are each performed between a transform signal X ~ m and the residual value signal X ~ 3 . Thus, the vectors E min1 , E min2 , E max1 and E max2 are determined. The minima are multiplied by a factor β (0 ≤ β ≤ 2). Depending on the choice of the factor, different effects result. For β <1 unwanted frequencies are suppressed and for β> 1 results in a more harmonious sound.
Die Einzelsignale ergeben sich zuThe individual signals arise too
Zusätzlich können die Signale anhand der Phasenlage getrennt werden. Ist die Amplitude der Transformationssignale X ~m(k) im Wesentlichen identisch und hat im Restwertsignal X ~3(k) ein Minimum, wird die Phase berücksichtigt. Ist diese gleich, wird das Maximum S ~3(k) zugeordnet, ansonsten S ~1(k) und S ~2(k). Diese Betrachtung ist natürlich für jeden Frequenz-Bin k gesondert durchzuführen.In addition, the signals can be separated based on the phase angle. If the amplitude of the transform signals X ~ m (k) is substantially identical and has ~ 3 in the residual signal X (k) is a minimum, the phase is considered. If this is the same, the maximum S ~ 3 (k) is assigned, otherwise S ~ 1 (k) and S ~ 2 (k). Of course, this consideration is to be performed separately for each frequency bin k.
Es gilt dementsprechend: It applies accordingly:
Zusätzlich können weiterhin die fouriertransformierten Ausgangssignale X ~m,org berücksichtigt werden. Liegt ein Minimum bei X ~1,org(k), wird dieses ebenfalls S ~1,org(k) zugeordnet: In addition, the Fourier-transformed output signals X ~ m, org can furthermore be taken into account. If there is a minimum at X ~ 1, org (k), this is also assigned to S ~ 1, org (k):
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen: The invention is explained in more detail with reference to embodiments in the drawing figures. These show:
Gezeigt sind vier Signalquellen, die jeweils ein Quellsignal
Aus den Quellsignalen
Selbstverständlich können auch mehr Quellsignale zur Erzeugung der Ausgangssignale Xm verwendet werden, zur Durchführung des Verfahrens müssen sinnvoller Weise aber wenigstens zwei Quellsignale vorhanden sein.Of course, more source signals can be used to generate the output signals X m , but in order to carry out the method, it is necessary to have at least two source signals.
Im Folgenden wird des Öfteren auf zwei Ausgangssignale X1, X2 Bezug genommen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber nicht auf Stereosignale beschränkt, grundsätzlich können beliebig viele Ausgangssignale Xm, m = 1, 2, 3, ... zur Verfügung stehen.In the following, reference is frequently made to two output signals X 1 , X 2 . The inventive method is not limited to stereo signals, in principle, any number of output signals X m , m = 1, 2, 3, ... are available.
Die so berechneten Subtraktionssignale X ^1 und X ^2 werden nach dem Overlap-Add-Verfahren fouriertransformiert.The thus calculated subtraction signals X ^ 1 and X ^ 2 are Fourier transformed according to the overlap-add method.
Die Ausgangssignale X1 und X2 sind selbstverständlich digitale Signale, die dementsprechend aus reinen Folgen von Zahlenwerten oder Datenpunkten entsprechen. Man könnte ein Ausgangssignal auch als einen Vektor mit einer sehr großen Anzahl an Zahlenwerten, üblicherweise viele Zehntausend, darstellen. Dies gilt genauso für die Subtraktionssignale. Um den Rechenbedarf klein zu halten und insbesondere die Zeitdauer bis zur Bereitstellung erster Einzelsignale gering zu halten, werden die Ausgangssignale X1 und X2 bzw. die Subtraktionssignale X ^1 und X ^2 blockweise weiterverarbeitet. Die Fouriertransformation wird beispielsweise auf die ersten 4.096 Datenpunkte des Subtraktionssignals X ^1 und X ^2 angewandt. Bevorzugt werden Zweierpotenzen von Datenpunkten fouriertransformiert, da bei diesen die schnelle Fouriertransformation (FFT) angewandt werden kann. Die Zahl 4.096 stellt dabei einen Optimalwert dar im Hinblick auf die verbrauchte Rechenzeit und die verwendeten Rechenresourcen. Es können auch kleinere oder größere Datenblöcke genommen werden, beispielweise Datenblöcke von 1024 oder 2048 Datenpunkten. Es handelt sich dabei selbstverständlich immer um aufeinanderfolgende Datenpunkte. Durch die Fouriertransformation der Substraktionssignale X ^1 und X ^2 erhält man die Transformationssignale X ~1 und X ~2. Durch Subtraktion des Transformationssignals X ~2 vom Transformationssignal X ~1 erhält man das Restsignal X ~3.The output signals X 1 and X 2 are of course digital signals, which accordingly correspond to pure sequences of numerical values or data points. One could also represent an output signal as a vector with a very large number of numerical values, usually many tens of thousands. This also applies to the subtraction signals. In order to keep the computational requirements small and in particular to keep the time until the provision of first individual signals low, the output signals X 1 and X 2 and the subtraction signals X ^ 1 and X ^ 2 are further processed block by block. The Fourier transform is applied, for example, to the first 4,096 data points of the subtraction signal X ^ 1 and X ^ 2 . Preferably, powers of two of data points are Fourier-transformed, since the fast Fourier transformation (FFT) can be used for these. The number 4,096 represents an optimum value with regard to the used computing time and the used computing resources. It is also possible to take smaller or larger data blocks, for example data blocks of 1024 or 2048 data points. Of course, these are always consecutive data points. By the Fourier transformation of the subtraction signals X ^ 1 and X ^ 2 , the transformation signals X ~ 1 and X ~ 2 are obtained . By subtracting the transformation signal X ~ 2 from the transformation signal X ~ 1 , the residual signal X ~ 3 is obtained .
Das Restsignal X ~3 enthält jeweils genau so viele Datenpunkte, wie die Transformationssignale X ~1 und X ~2, beispielsweise also 4096 Datenpunkte. Da diese Datenpunkte in der Frequenzdomäne vorliegen, werden sie auch üblicherweise Frequenz-Bins genannt. Ein Frequenz-Bin ist also ein Datenpunkt eines Transformations- oder Restsignals. Im Beispielfall weist jedes Transformations-Restsignal also 4096 Frequenz-Bins auf.The residual signal X ~ 3 contains exactly as many data points as the transformation signals X ~ 1 and X ~ 2 , for example 4096 data points. Because these data points are in the frequency domain, they are also commonly called frequency bins. A frequency bin is therefore a data point of a transformation or residual signal. In the example, each transformation residual signal therefore has 4096 frequency bins.
In den Signalen X ~1, X ~2 und X ~3 werden dann Minima gesucht, da diese gleichbedeutend mit den ausgeblendeten Signalen sind. Dazu werden für jeden Frequenz-Bin aus den Amplituden der Signale X ~1, X ~2 und X ~3 die Minima berechnet und an diese Minimumsstellen die Maximalwerte des jeweiligen Frequenz-Bins gesetzt die anderen Werte für diesen Frequenz-Bin auf Null gesetzt. Die Phasen zu den von Null verschiedenen Werten erhält man aus den Auf diese Weise hält man die Einzelsignale S ~1 und S ~2. Diese müssen in den Zeitbereich rücktransformiert werden, wodurch man die berechneten Quellsignale S1 und S2 erhält.In the signals X ~ 1 , X ~ 2 and X ~ 3 then minima are searched, since these are synonymous with the hidden signals. For this purpose the signals for each frequency bin from the amplitudes X ~ 1 X ~ 2 and X ~ 3 calculates the minima and set the maximum values of the respective frequency bins of these minimum points, the other values for this frequency bin to zero. The phases to the non-zero values are obtained from the In this way one holds the individual signals S ~ 1 and S ~ 2 . These must be transformed back into the time domain, whereby the calculated source signals S 1 and S 2 are obtained.
Im Folgenden wird eine Möglichkeit zur Bestimmung der Mischverhältnisse offenbart. Grundsätzlich können alle Verfahren zur Bestimmung der Mischverhältnisse verwendet werden.In the following, a possibility for determining the mixing ratios is disclosed. In principle, all methods for determining the mixing ratios can be used.
Im nächsten Schritt S3 erfolgt die Berechnung des Winkels θ und des Betragswertes ψl aus den vorausgehend ermittelten Werten. Dabei kann die Berechnung der Betragswerte der fouriertransformierten Ausgangssignale X ~1,org und X ~2,org datenpunktweise oder auch als Vektor erfolgen, jedenfalls sind daraus Wertepaare von Winkeln θ und Betragswerten ψl, zu ermitteln.In the next step S3, the calculation of the angle θ and of the absolute value ψ 1 takes place from the previously determined values. In this case, the magnitude values of the Fourier-transformed output signals X ~ 1, org and X ~ 2, org can be calculated by data point or vector, at least value pairs of angles θ and magnitude values ψ l are to be determined therefrom.
In Schritt S4 wird aus den Wertepaaren θ und ψl, ein Histogramm berechnet, welches in Schritt S5 geglättet wird.In step S4, a histogram is calculated from the value pairs θ and ψ 1 , which is smoothed in step S5.
In Schritt S6 folgt die Bestimmung der Maxima des Histogramms, wobei entweder eine vorgegebene Anzahl oder alle Maxima über einem Schwellwert herangezogen werden.In step S6, the determination of the maximums of the histogram follows, whereby either a predetermined number or all maxima above a threshold value are used.
Diesen Maxima ist jeweils ein Winkel zugeordnet, der aus der oben angegebenen Formel jeweils aus den Maximawerten berechnet wird. In Schritt S7 erfolgt dann die Bestimmung der gesuchten Mischungsverhältnisse anhand der ermittelten Winkel.Each of these maxima is assigned an angle, which is calculated in each case from the maximum values from the formula given above. In step S7, the determination of the desired mixing ratios then takes place on the basis of the determined angles.
In Schritt S9 wird in jedem Frequenz-Bin an der Stelle des Minimalwertes der Maximalwert des Frequenz-Bins bzw. der jeweiligen Spalte gesetzt, allen anderen Werten wird entweder eine Null- oder der Haltewert
Gemäß Schritt
Die Zuordnung erfolgt dabei anhand der Nummerierung der Frequenz-Bins. Hat das Frequenz-Bin 28 des Einzelsignals S ~1 einen von Null verschiedenen Wert, so erhält dieses die Phase des Frequenz-Bins 28 des Transformationssignals X ~1. Aufgrund der Verschiebung der Maximalwerte auf die Minimalwerte in jedem Frequenz-Bin und der Nullsetzung der übrigen Werte ist kein einziger Wert eines Einzelsignals gleich dem Wert des zugeordneten Transformationssignals. Trotzdem können die Phasen übernommen werden.The assignment is based on the numbering of the frequency bins. If the
Statt einer Nullsetzung der Nicht-Minimunsstellen kann auch der Haltewert ηPhold eingesetzt werden. Dies verhindert Sprungstellen in den Einzelsignalen.Instead of zeroing the non-minimum points, the hold value ηP hold can also be used. This prevents jumps in the individual signals.
Auf derart einfache Art und Weise lassen sich die Mischungsverhältnisse aber nur bei in realen Aufnahmen so nicht vorkommenden Sinussignalen ermitteln. Statt der Bildung eines Streudiagramms und der Ermittlung der Steigung der sich ergebenden Geraden wird nach der Fouriertransformation der der Ausgangssignale X1 und X2 aus den Punktepaaren der fouriertransformierten Ausgangssignale X ~1,org und X ~2,org jeweils ein Winkel θ und ein Vektor ψ berechnet. Statt eines Streudiagramms wird aus den Paaren aus Winkeln θ und Vektor ψ ein Histogramm ermittelt, in dem die Winkel auf eine ganze Zahl gekürzt werden und daraus entsprechende Häufigkeiten an Winkeln ermitteln werden. Aus jedem Punktepaar ergibt sich so eine einzelne Häufigkeit für das Histogramm.In such a simple way, however, the mixing ratios can only be determined with sinusoidal signals that do not occur in real recordings. Instead of the formation of a scatter diagram and determining the slope of the resulting straight lines is after the Fourier transform of the output signals X 1 and X 2 of the pairs of points of the Fourier-transformed output signals X ~ 1, org, and X ~ 2, org, respectively an angle θ and a vector ψ calculated. Instead of a scatter plot, a histogram is determined from the pairs of angles θ and vector ψ, in which the angles are shortened to an integer and from this, corresponding frequencies at angles are determined. Each pair of points results in a single frequency for the histogram.
Dieses Histogramm wird mit einer Glättungsfunktion geglättet, sodass die Anzahl lokaler Minima und Maxima verringert wird. Als Glättungsfunktion kann beispielsweise die Funktion herangezogen werden, die weiter oben bereits beschrieben wurde.This histogram is smoothed with a smoothing function, reducing the number of local minima and maxima. As a smoothing function, for example, the function be used, which has already been described above.
Ein derart geglättetes Histogramm ist in
Der Anzahl der Häufigkeiten nach sortiert, hat das Maximum
Jedes Maximum steht für einen Winkel. Das Maximum
Die Angabe des Winkels kann dabei gemäß der Formel
N ist der Index des zu extrahierenden Quellsignals. Damit ist die Bestimmung der Mischungsverhältnisse anhand einer Richtungsinformation abgeschlossen.N is the index of the source signal to be extracted. Thus, the determination of the mixing ratios is completed on the basis of a direction information.
Die Ermittlung der Subtraktionssignale X ^1 und X ^2 erfolgt gemäß der weiter oben angegebenen Formel, insbesondere können die Subtraktionssignale X ^1 und X ^2 auch blockweise ermittelt werden. Es können also jeweils ein vorgegebener Satz an Datenpunkten, beispielsweise jeweils 4096 Datenpunkte der Ausgangsignale X1 und X2 zu Subtraktionssignalen X ^1 und X ^2 unter Verwendung der Mischverhältnisse berechnet werden. Die Subtraktionssignale X ^1 und X ^2 werden gemäß dem in
Gezeigt sind Datenblöcke
Der Datenblock
Vor der Fouriertransformation werden die Datenblöcke
Die in
Aus diesen geht das in Vektor
Für Frequenz-Bin 1 liegt das Minimum in Vektor
For
Entsprechend werden die Werte der Spalten für Frequenz-Bin 2, 3, 4, 5, usw. berechnet, so dass sich die in
In Vektor
Zu den Vektoren
Bei sämtlichen Ausgestaltungen in den Figuren können statt explizit genannter zweier Ausgangssignale, zweier Transformationssignale oder Einzelsignale auch mehr als zwei Signale verwendet werden, weiterhin können alle in der Beschreibungseinleitung genannten Ausgestaltungen auch im Hinblick auf die Figurenbeschreibung angewandt werden, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist.In all embodiments in the figures, instead of explicitly mentioned two output signals, two transformation signals or individual signals, more than two signals can be used, furthermore all embodiments mentioned in the introduction to the description can also be used with regard to the description of the figures, unless this is expressly excluded.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Quellsignalsource signal
- 22
- Quellsignalsource signal
- 33
- Quellsignalsource signal
- 44
- Quellsignalsource signal
- 55
- Mikrofonmicrophone
- 66
- Mikrofonmicrophone
- 77
- Bestimmung MischungsverhältnisseDetermination of mixing ratios
- 88th
- Signaltrennungsignal separation
- 99
- Streudiagrammscatterplot
- 1010
- Achseaxis
- 1111
- Achseaxis
- 1212
- Punktwolkepoint cloud
- 1313
- PunktPoint
- 1414
- Streudiagrammscatterplot
- 1515
- Achseaxis
- 1616
- Achseaxis
- 1717
- GeradeJust
- 1818
- GeradeJust
- 1919
- Achseaxis
- 2020
- Achseaxis
- 2121
- Histogrammhistogram
- 2222
- Maximummaximum
- 2323
- Maximummaximum
- 2424
- Maximummaximum
- 2525
- Maximummaximum
- 2626
- Datenblockdata block
- 2727
- Datenblockdata block
- 2828
- Datenblockdata block
- 2929
- Datenblockdata block
- 3030
- Datenblockdata block
- 3131
- Datenblockdata block
- 3232
- Datenblockdata block
- 3333
- Datenblockdata block
- 3434
- 3D-Amplitudenspektrum3D amplitude spectrum
- 3535
- Achseaxis
- 3636
- Achseaxis
- 3737
- Achseaxis
- 3838
- StelleJob
- 3939
- StelleJob
- 4040
- StelleJob
- 4141
- 3D-Amplitudenspektrum3D amplitude spectrum
- 4242
- Achseaxis
- 4343
- StelleJob
- 4444
- StelleJob
- 4545
- StelleJob
- 4646
- Vektorvector
- 4747
- Vektorvector
- 4848
- Vektorvector
- 4949
- Frequenz-BinFrequency bin
- 5050
- Vektorvector
- 5151
- Vektorvector
- 5252
- Vektorvector
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---|---|---|---|
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R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20150210 |