CN100429936C - 响应于频道变化自动补偿音频音量的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种响应于频道改变自动补偿音频音量的设备和方法。该方法包括：通过比较输入音频信号的平均声级与预定输入/输出声级曲线产生增益值以调整输入音频信号的声级；通过将产生的增益值应用于输入音频信号的声级调整输入音频信号的音频音量；以及调整具有调整的音频音量的音频信号的动态范围。

Description

响应于频道变化自动补偿音频音量的设备和方法
本申请要求于2004年7月24日提交到韩国知识产权局的第2004-57918号韩国专利申请的优先权，该申请公开于此以资参考。
技术领域
本发明总体构思涉及一种音频信号处理系统，尤其涉及一种响应于频道变化自动补偿音频音量的设备和方法。
背景技术
TV接收机的功能已经变得更加多样和复杂。为了在传统TV接收机中选择广播频道，用户必须通过手动改变广播频道来确认屏幕状态。在较近的TV接收机中，用户可自动搜索可接收频段的连续的广播频道。
然而，当用户改变广播频道时，由于广播频道的接收灵敏度从频道到频道有变化，所以广播频道的音频声级会轻微不同。因此，对频道改变引起的变化，音频音量应该被补偿。
传统地，控制音频信号的动态范围的动态范围控制(DRC)方法被用来补偿由频道改变引起的音频音量变化。动态范围可被理解为描述特定广播频道的最响声音和最轻声音的音量之比。
图1是示出使用DRC方法的传统音频音量补偿设备的方框图。
参照图1，声级测量单元110测量在预定范围内的输入信号X(n)的平均包络值。例如，输入信号X(n)的平均包络值XRMS(n)使用a|X(n)|+(1-a)·XRMS(n-1)来计算。这里，a指的是增强时间系数或衰减时间系数。
声级比较器120根据由声级测量单元110测量的平均包络值XRMS(n)比较定义输入音频信号(即，输入信号X(n))声级与输出音频信号Y(n)声级之间的相关性的静态声级曲线的声级。声级比较器120其后根据比较结果输出增益声级值静态声级曲线由使用G(dB)＝f(X[dB])的试验值定义。参照图2，输入音频信号X(n)的平均包络值XRMS(n)与静态声级曲线的Sturn、Mturn、以及Bturn区中的声级比较。具有低音频音量的输入信号X(n)的增益声级被映射到具有被提高10dB音量的输出信号Y(n)，具有高音频音量的输入信号X(n)的增益声级被映射到具有被降低10dB音量的输出信号Y(n)。
增益计算器130基于由声级比较器120映射的增益声级值和先前的增益值g(n-1)计算应用于输入音频信号X(n)的增益值g(n)。
延迟单元140延迟输入音频信号X(n)直到计算出应用于输入音频信号X(n)的增益值g(n)。
乘法器150通过将由增益计算器130计算出的增益值g(n)与输入音频信号X(n)相乘产生输出音频信号Y(n)。
然而，使用DRC方法的传统音频音量补偿设备响应于由频道改变引起的音频音量变化，通过降低输入音频信号X(n)的动态范围产生输出音频信号Y(n)。即，如图3A和3B所示，当输入音频信号X(n)具有高音频音量时，如果输入音频信号X(n)的动态范围是20dB，则作为DRC处理的结果的动态范围被降低至5dB以下。输入音频信号X(n)的音响效果由于降低的动态范围而失真。如图4A和4B所示，如果输入音频信号X(n)具有中间音频音量，则作为DRC处理的结果的输入音频信号X(n)被无动态范围大变化地再现。如图5A和5B所示，如果输入音频信号X(n)具有低音频音量，则由于快速增强和慢速衰减特性，所以具有低音频音量的输入音频信号X(n)被提高至具有中间音量声级，并且具有中间音量声级的输入音频信号X(n)被无变化动态范围地再现。当具有低音频音量的音频信号X(n)被输入至传统的音频音量补偿设备时，由于动态范围的变化小，所以输出音频信号Y(n)的失真小。然而，存在一个问题：输出音频信号Y(n)的音频音量几乎不变化。
发明内容
本发明总体构思提供一种对由改变频道造成的音频信号的音频音量变化或者对具有过大的动态范围的音频音量自动补偿音频音量的方法。
本发明总体构思还提供一种用于自动补偿由频道改变引起的音频音量变化的自动音频音量补偿设备。
本发明总体构思的另外的方面和/或优点部分地在下面的描述中提出，部分地可从描述中变得清楚，或者可通过对发明的实践而被了解。
本发明总体构思的上述和/或其它方面和优点将通过提供一种自动补偿音频音量的方法来实现，该方法包括：通过比较输入音频信号的平均声级与预定输入/输出声级曲线产生增益值以调整输入音频信号的声级，使得当输入音频信号具有高音频音量时以及当输入音频信号具有低音频音量时，输入音频信号的平均声级均被调整到中间音频音量的声级；通过将产生的增益值应用于输入音频信号的声级调整输入音频信号的音频音量；以及调整具有调整的音频音量的输入音频信号的动态范围，以便当所述动态范围过大时压缩该动态范围。
本发明总体构思的上述和/或其它方面和优点还可通过提供一种控制音频音量的方法来实现，该方法包括：根据输入音频信号的全局增益值调整输入音频信号的音量声级，使得当输入音频信号具有高音频音量时以及当输入音频信号具有低音频音量时，输入音频信号的音量声级均被调整到中间音频音量的声级；以及根据输入音频信号的最终增益值调整具有调整的音量声级的输入音频信号的动态范围，以便当所述动态范围过大时压缩该动态范围，其中，音频音量不考虑频道改变而被保持为恒定值。
本发明总体构思的上述和/或其它方面和优点还可通过提供一种控制音频音量的设备来实现：该设备包括：第一音频音量补偿器，用于根据输入音频信号的全局增益值调整输入音频信号的音量声级，使得当输入音频信号具有高音频音量时以及当输入音频信号具有低音频音量时，输入音频信号的音量声级均被调整到中间音频音量的声级；以及第二音频音量补偿器，用于根据输入音频信号的最终增益值调整具有调整的音量声级的输入音频信号的动态范围，以便当所述动态范围过大时压缩该动态范围，其中，音频音量不考虑频道改变而被保持恒定值。
附图说明
通过下面结合附图进行的对实施例的描述，本发明总体构思的上述和/或其它方面和优点将会变得清楚和更易于理解，其中：
图1是示出使用动态范围控制(DRC)方法的传统音频音量补偿设备的方框图；
图2是示出由图1的传统音频音量补偿设备的声级比较器使用的静态声级曲线的曲线图；
图3A至5B是示出根据音频音量变化的DRC输出结果的波形图；
图6是示出根据本发明总体构思的实施例的响应于频道改变而自动补偿音频音量的设备的方框图；
图7是示出由图6的补偿设备的全局声级比较器使用的静态声级曲线的曲线图；
图8A至8C是示出在其中根据频道改变，音频音量从高音量变化至低音量和从低音量变化至中间音量的情况的波形图；
图9A至9F是示出具有高音频音量的音频信号的音频音量补偿结果的波形图和曲线图；以及
图10是示出根据本发明总体构思的实施例的自动补偿音频音量的方法的流程图。
具体实施方式
现在，详细参照本发明总体构思的实施例，在附图中给出其示例，其中，相同的标号始终指的是相同的部件。以下，参照附图描述实施例以解释本发明总体构思。
图6是示出根据本发明总体构思的实施例的响应于频道改变而自动补偿音频音量的设备的方框图。
参照图6，该设备包括第一音频音量补偿器600-1，其调整输入音频信号X(n)的声级；第二音频音量补偿器600，其调整输入音频信号X(n)的动态范围；第一乘法器690，其将由第一音频音量补偿器600-1调整的第一增益值与输入音频信号X(n)相乘；延迟单元640，其将从第一乘法器690输出的输入音频信号X(n)延迟预定时间；以及第二乘法器698，其通过将由第二音频音量补偿器600调整的第二增益值与由延迟单元640延迟的输入音频信号X(n)相乘而产生输出音频信号Y(n)。
参照图6，根据频道信息当接收到频道改变数据时频道改变接收器650设置标记。例如，当TV广播频道从“频道11”改变至“频道9”时标记被设置为“1”。
参考第一音频音量补偿器600-1，全局声级测量单元660通过连续地计算在预定范围内的输入信号X(n)的平均声级而产生指示输入信号(即，输入音频信号X(n))的全局音频音量的全局均方根(RMS)值GRMS。例如，更新的输入信号的全局RMS值GRMS由GRMS(n)＝k|X(n)|+(1-k)·GRMS(n-1)给出。这里，|X(n)|是更新的输入信号的绝对值，GRMS(n-1)是先前信号的RMS值，以及k是增强时间系数或衰减时间系数。例如，k可被设置为0.0001-0.0005。当从频道改变接收器650接收到标记时，全局声级测量单元660将全局RMS值GRMS初始化到中间音频音量范围。
全局声级比较器670比较定义输入声级和输出声级之间的相关性的静态声级曲线的声级与由全局声级测量单元660测量的全局RMS值GRMS，并且根据比较结果产生增益声级值G(n)。这里，静态声级曲线由G[dB]＝f(X[dB])定义。静态声级曲线可由实验方法确定。参照图7，通过比较输入音频信号X(n)的全局RMS值GRMS与在静态声级曲线区Sturn、Mturn、以及Bturn的静态声级曲线的值来产生映射的增益声级值G(n)。因此，全局声级比较器670将具有高音频音量的输入信号X(n)映射为具有中间音频音量的信号，并且还将具有低音频音量的输入信号X(n)映射为具有中间音频音量的信号。例如，通过将增益提高25dB(图7中增益2)将具有低音频音量的输入信号X(n)的增益映射为第一中间增益声级值，并且通过将增益降低25dB(图7中增益1)将具有高音频音量的输入信号X(n)的增益映射为第二中间增益声级值。
全局增益计算器680使用由全局声级比较器670产生的增益声级值G(n)和先前的全局增益值Global_g(n-1)来计算将被应用于输入音频信号X(n)的全局增益值Global_g(n)。即，全局增益值Global_g(n)由Global_g(n)＝Global_g(n-1)·0.5+G(n)·0.5来定义。
第一乘法器690通过将由全局增益计算器680计算的全局增益值Global_g(n)与输入音频信号X(n)相乘来调整输入音频信号X(n)的增益。具有调整的增益的输入音频信号X(n)作为用作将被在第二音频音量补偿器600中处理的输入音频信号X(n)的第二输入音频信号X(n)而从第一乘法器690输出。
参考第二音频音量补偿器600，声级测量单元610测量在预定范围内的输入音频信号X(n)的平均包络值XRMS(n)，该输入音频信号X(n)具有由第一乘法器690调整的增益声级。例如，输入音频音频信号X(n)的平均包络值XRMS(n)由XRMS(n)＝a|X(n)|+(1-a)·XRMS(n-1)来定义。这里，a是增强时间系数或衰减时间系数。当|X(n)|＞XRMS(n-1)时输入音频信号X(n)处于增强状态，并且当|X(n)|＜XRMS(n-1)时输入音频信号X(n)处于衰减状态。
声级比较器620比较在其中输入声级和输出声级之间的相关性被定义的静态声级曲线区Sturn、Mturn、以及Bturn与由声级测量单元610测量的平均包络值XRMS(n)，并且根据比较结果计算增益声级值。即，计算出的具有低音频音量的输入信号X(n)的增益声级值为正，计算出的具有高音频音量的输入信号X(n)的增益声级值为负。
增益计算器630使用由声级比较器620计算的增益声级值和先前的增益值g(n-1)产生将被应用于输入音频信号X(n)的最终增益值g(n)。
延迟单元640延迟输入音频信号X(n)直到最终增益值g(n)被应用于输入音频信号X(n)。
第二乘法器698通过将由增益计算器630计算的最终增益值g(n)与由延迟单元640延迟的输入音频信号X(n)相乘而产生具有调整的动态范围的输出音频信号y(n)。输出音频信号Y(n)由y(n)＝g(n)·X(n-D)定义。这里，X(n-D)指示由延迟单元640延迟的输入音频信号X(n)。
也就是说，计算在预定范围内的输入信号X(n)的平均声级，将输入信号X(n)调整至具有中间音频音量，并且利用传统的DRC处理方法调整调整的输入信号X(n)的动态范围。因此，由本发明总体构思的实施例产生的具有中间音频音量的输入信号X(n)为传统的DRC处理方法提供更适当的音频音量。结果，输出信号Y(n)具有比当对具有高音频音量或低音频音量的输入信号X(n)执行传统DRC处理时得到的输出信号要少的失真。
图8A至8C是示出在其中根据本发明总体构思的实施例的频道改变，音频音量从高音频音量变化至低音频音量和从低音频音量变化至中间音频音量的情况的波形图。
图8A是示出根据频道改变，当输入音频信号X(n)的音频音量从高音频音量变化至低音频音量和从低音频音量变化至中间音频音量时的输入音频信号X(n)的波形图。箭头标志指的是在其上频道改变标记由频道改变接收器650(见图6)设置的点。
图8B是示出通过将由全局增益计算器680(见图6)计算的全局增益Global_g(n)应用于输入音频信号X(n)得到的音频信号的波形图。这里，当频道改变标记被设置时，RMS声级GRMS被设置为中间音频音量的初始值。
图8C是示出具有通过将由增益计算器630(见图6)产生的最终增益值g(n)应用于延迟的输入音频信号X(n-D)而调整的动态范围的输出音频信号y(n)的波形图。参照图8C，通过自动调整音频音量输出音频信号y(n)的失真被最小化。
图9A至9F是示出根据本发明总体构思的实施例的具有高音频音量的音频信号的音频音量补偿结果的波形图和曲线图。
图9A是示出具有高音频音量的输入音频信号X(n)的波形图。
图9B是示出静态声级曲线和用于计算全局增益值Global_g(n)的全局RMS值GRMS的曲线图。参照图9B，在输入信号的高音频音量声级区(Bturn)，X(n)被映射为静态曲线声级的中间信号声级。例如，-14dB的输入信号声级被映射为高于输入信号声级X(n)-12dB的-26dB的中间信号声级。因此，全局增益值Global_g(n)被设置为-12dB。
图9C是示出关于图9B作为将全局增益值Global_g(n)(-12dB)应用于输入信号X(n)的结果，静态声级曲线和输入信号X(n)的动态范围如箭头指示被移动的曲线图。因此，得到具有调整的增益声级的信号。
图9D是示出作为将全局增益值Global_g(n)(-12dB)应用于具有高音频音量的输入信号X(n)的结果而得到的具有调整的增益声级的信号的波形图。
图9E是示出使用具有调整的增益声级的信号的RMS声级从静态声级曲线计算最终增益值g(n)的曲线图。即，比较在静态声级曲线上的预定静态声级与由声级测量单元610(见图6)测量的平均包络值XRMS(n)，并且输出基于比较结果的最终增益值g(n)。具有低音频音量的输入信号X(n)的最终增益值g(n)为正(10dB)，具有高音频音量的输入信号X(n)的最终增益值g(n)为负(-10dB)
图9F是示出具有通过将由增益计算器630(见图6)产生的最终增益值g(n)应用于延迟的输入音频信号X(n-D)而得到的动态范围的输出信号y(n)的波形图。参照图9F，通过将最终增益值应用于具有通过将全局增益值Global_g(n)(-12dB)应用于输入信号X(n)而得到的调整的增益声级的信号而输出具有最小失真和适当的音频音量的信号。
图10是示出根据本发明总体构思的实施例的自动补偿音频音量的方法的流程图。
参照图10，在操作1110，在频道上广播的音频信号X(n)被输入广播接收机。在操作1120如果频道被改变，则在操作1140全局RMS值GRMS被初始化为中间音频音量的RMS声级。否则，全局RMS值GRMS不被初始化。其后在操作1150通过比较预定输入/输出声级曲线与输入音频信号X(n)的平均声级来计算全局增益值Global_g(n)。在操作1160通过将在操作1150中计算的全局增益值Global_g(n)与输入音频信号X(n)相乘来调整输入音频信号X(n)的增益声级。其后，在操作1170，使用传统的DRC处理方法调整对其应用全局增益值Global_g(n)的输入音频信号X(n)的动态范围。
本发明总体构思可被应用于用于再现音频内容的诸如TV、MP3播放器、以及膝上型电脑的任意装置。
如上所述，根据本发明总体构思的实施例，当频道被改变时，输入信号的音频音量可被保持为恒定值，而无需用户调整音频音量。当频道被改变至具有不同音量的频道或具有过大动态范围的频道时，音频音量可被自动调整到适当的音频音量。因此，通过有效地将本发明总体构思应用于TV、MP3播放器、膝上型电脑、或任意其它音频内容再现设备，可提高产品性能。
尽管示出并描述了本发明总体构思的一些实施例，但是，本领域技术人员应理解在不脱离发明的一般概念的原理和精神的情况下，可以进行各种修改，本发明的范围由权利要求和其等同物限定。

Claims (20)

1、一种自动补偿音频音量的方法，该方法包括：
通过比较输入音频信号的平均声级与预定输入/输出声级曲线产生增益值以调整输入音频信号的声级，使得当输入音频信号具有高音频音量时以及当输入音频信号具有低音频音量时，输入音频信号的平均声级均被调整到中间音频音量的声级；
通过将产生的增益值应用于输入音频信号的声级调整输入音频信号的音频音量；以及
调整具有调整的音频音量的输入音频信号的动态范围，以便当所述动态范围过大时压缩该动态范围。
2、如权利要求1所述的方法，还包括：
当广播频道被改变时，将输入音频信号的声级初始化为预定声级。
3、如权利要求2所述的方法，其中，输入音频信号的声级的初始化包括将输入音频信号的声级初始化为在最大声级和最小声级之间的中间声级。
4、如权利要求1所述的方法，其中，增益值的产生包括：
计算在预定范围内的输入音频信号的平均声级；以及
通过比较计算出的输入音频信号的平均声级与基于预定输入/输出方程的输入/输出声级曲线并且将在预定范围内的输入音频信号的平均声级映射为输入/输出声级曲线的预定声级而产生增益值。
5、如权利要求1所述的方法，其中，调整具有调整的音频音量的输入音频信号的动态范围的步骤包括：
计算在预定范围内音频音量调整过的输入音频信号的平均包络值；
比较计算出的平均包络值与静态声级曲线；
根据比较结果计算增益声级值；
通过使用增益声级值和先前的最终增益值来产生最终增益值；以及
通过将最终增益值与音频音量调整过的输入音频信号相乘来调整音频音量调整过的输入音频信号的动态范围。
6、一种控制音频音量的方法，包括：
根据输入音频信号的全局增益值调整输入音频信号的音量声级，使得当输入音频信号具有高音频音量时以及当输入音频信号具有低音频音量时，输入音频信号的音量声级均被调整到中间音频音量的声级；以及
根据输入音频信号的最终增益值调整具有调整的音量声级的输入音频信号的动态范围，以便当所述动态范围过大时压缩该动态范围，
其中，音频音量不考虑频道改变而被保持为恒定值。
7、如权利要求6所述的方法，其中，调整输入音频信号的音量声级的步骤包括：根据全局增益值和静态声级曲线区调整音量声级；并且调整具有调整的音量声级的输入音频信号的动态范围的步骤包括：根据最终增益值和静态声级曲线区调整动态范围。
8、如权利要求6所述的方法，其中，调整音量声级的步骤包括：
测量在预定范围内的输入音频信号的平均声级以产生全局RMS值；
比较全局RMS值与静态声级曲线的声级以产生增益声级值；以及
根据输入音频信号的增益声级值和先前的全局增益值来计算全局增益值。
9、如权利要求6所述的方法，其中，调整动态范围的步骤包括：
测量在预定范围内音量声级调整过的输入音频信号的平均包络值，并根据输入音频信号的增益声级值和先前的最终增益值来计算最终增益值。
10、如权利要求6所述的方法，其中，调整输入音频信号的音量声级的步骤包括：
当当前频道被改变时初始化输入音频信号的全局均方根RMS；
根据Global_g(n)＝Global_g(n-1)·0.5+G(n)·0.5计算全局增益，
其中，Global_g(n)是全局增益值，Global_g(n-1)是先前的全局增益值，G(n)是从输入音频信号的值映射到第一预定增益声级曲线的第一增益声级；以及
根据全局增益值调整输入音频信号的音量声级。
11、如权利要求10所述的方法，其中，第一预定增益声级曲线将高音量声级降低第一预定分贝声级，并且将低音量声级提高第二预定分贝声级。
12、如权利要求11所述的方法，其中，高音量声级与第一预定增益声级曲线的Bturn区相应，低音量声级与第一预定增益声级曲线的Sturn区相应。
13、如权利要求6所述的方法，其中，调整音量声级调整过的输入音频信号的动态范围的步骤包括：
确定音量声级调整过的输入音频信号的平均包络值；
比较平均包络值与第二预定增益声级曲线以确定第二增益声级；以及
根据第二增益声级和先前的最终增益值计算最终增益值；以及
通过将最终增益值应用于音量声级调整过的输入音频信号来调整音量声级调整过的输入音频信号的动态范围。
14、如权利要求13所述的方法，其中，平均包络值根据
XRMS(n)＝a|X(n)|+(1-a)·XRMS(n-1)来确定。
这里，XRMS(n)是输入音频信号的均方根值，a是衰减时间系数和增强时间系数之一，|X(n)|是输入音频信号的绝对值，XRMS(n-1)是输入音频信号的先前的均方根值。
15、如权利要求13所述的方法，其中，当输入音频信号具有低音量时最终增益值为正，当输入音频信号具有高音量时最终增益值为负。
16、如权利要求6所述的方法，还包括：
将输入音频信号的频道改变为具有不同的相应的音量声级的频道。
17、一种控制音频音量的设备，包括：
第一音频音量补偿器，用于根据输入音频信号的全局增益值调整输入音频信号的音量声级，使得当输入音频信号具有高音频音量时以及当输入音频信号具有低音频音量时，输入音频信号的音量声级均被调整到中间音频音量的声级；以及
第二音频音量补偿器，用于根据输入音频信号的最终增益值调整具有调整的音量声级的输入音频信号的动态范围，以便当所述动态范围过大时压缩该动态范围，
其中，音频音量不考虑频道改变而被保持恒定值。
18、如权利要求17所述的设备，其中，第一音频音量补偿器通过根据全局增益值和静态声级曲线区调整音量声级来调整输入音频信号的音量声级，并且第二音频音量补偿器通过根据最终增益值和静态声级曲线区调整动态范围来调整具有调整的音量声级的输入音频信号的动态范围。
19、如权利要求17所述的设备，其中，第一音频音量补偿器通过测量在预定范围内的输入音频信号的平均声级以产生全局RMS值，比较全局RMS值与静态声级曲线的声级以产生增益声级值，以及根据输入音频信号的增益声级值和先前的全局增益值来计算全局增益值来调整输入音频信号的音量声级。
20、如权利要求17所述的设备，其中，第二音频音量补偿器通过测量在预定范围内音量声级调整过的输入音频信号的平均包络值，并根据输入音频信号的增益声级值和先前的最终增益值来计算最终增益值，以调整音量声级调整过的输入音频信号的动态范围。
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