CN101123829B - 音频信号处理设备、音频信号处理方法 - Google Patents

音频信号处理设备、音频信号处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种音频信号处理设备和音频信号处理方法。该音频信号处理设备包括：方位指向检测器，其检测双声道输入音频信号的方位指向；方位指向分布计算器，其计算所述方位指向检测器所检测到的方位指向的分布；增益表信息记录单元，其记录增益表信息，所述增益表信息定义与各个方位角相对应的权重；增益生成器，其基于所述方位指向分布计算器所计算出的分布和所述增益表信息记录单元中所记录的增益表信息来生成与输出音频信号相对应的增益；以及合成单元，其利用所述增益生成器所生成的增益来合成所述双声道输入音频信号。

Description

音频信号处理设备、音频信号处理方法
技术领域
本发明涉及用于从双声道输入音频信号中导出具有预期指向性的输出音频信号的音频信号处理设备、音频信号处理方法和程序。
背景技术
被动矩阵方法被广泛用来从双声道输入音频信号中分离将位于收听者前方中央处的中央声和所谓的环绕声，所述双声道输入音频信号例如是左声道输入音频信号L和右声道输入音频信号R。被动矩阵方法涉及以简单方式生成左和右声道输入音频信号的L+R和以及L-R差。L+R和被分离为中央声并且L-R差被分离为环绕声。
作为一种用于提高分离信号的分离度的方法，PCT日文翻译专利公开No.2003-516069公开了一种用于抑制分离信号中所包括的串音分量的主动矩阵方法，并且特别地提到一种用于通过施加反馈控制来自适应地控制串音的技术。
发明内容
然而，在PCT日文翻译专利公开No.2003-516069中公开的主动矩阵方法中，需要根据双声道输入音频信号的指向性通过施加反馈控制来自适应地控制串音。另外，存在的问题在于所使用的控制技术较复杂，并且指向性被过度地增强以提高分离度。
本发明通过提供如下设备和方法来解决上面指出的问题，所述设备和方法用于响应于双声道输入音频信号而生成具有自然指向性的输出音频信号。
根据本发明的第一实施例，用于从双声道输入音频信号生成至少三声道输出音频信号的音频信号处理设备包括：多个合成单元，其对应于相应的输出音频信号，并且双声道输入音频信号被提供给每个合成单元，或者双声道输入音频信号和从双声道输入音频信号生成的合成音频信号被提供给每个合成单元；多个增益调节放大器，其是为被提供到合成单元的音频信号当中的预定音频信号而提供的，预定音频信号适合于输出音频信号；多个增益表，其与多个增益调节放大器相对应并且根据相应的输出音频信号为所有的方位指向(localization direction)定义增益；方位指向检测器，其根据相应的双声道输入音频信号的电平在以预定时间间隔隔开的多个时间点中的每个时间点处检测双声道输入音频信号的方位指向；方位指向分布计算器，其积累与方位指向检测器所检测到的方位指向有关的信息，以计算如下分布值，该分布值指示关于所有指向的方位指向在预定时间段期间的分布，该预定时间段包括以预定时间间隔隔开的多个时间点中的每一个；以及增益生成器，其通过为多个增益表中的每一个增益表计算积之和来生成用于其相应的增益调节放大器的多个增益中的每一个，每个积是通过将方位指向分布计算器所计算出的分布值与增益表中的每个增益值相乘来得到的。由增益生成器生成的多个增益被提供给其相应的增益调节放大器。
在本发明的第一实施例中，为了从双声道输入音频信号生成至少三声道输出音频信号，提供了与输出音频信号中的相应声道相对应的合成单元。同时，双声道输入音频信号或者双声道输入音频信号和从双声道输入音频信号生成的合成音频信号被提供给每个合成单元。
在这种情况下，对于将被提供给每个合成单元的音频信号中的一些音频信号，提供了适合于从合成单元得到的输出音频信号(或者适合于输出音频信号的方位指向)的增益调节放大器。然后，音频信号被通过适合的增益调节放大器提供到合成单元。另外，为每个增益调节放大器准备了增益表，该增益表根据相应的输出音频信号为所有的方位指向定义增益。
接着，方位指向检测器检测双声道输入音频信号的指向性。另外，方位指向分布计算器计算如下分布值，该分布值指示关于所有指向的方位指向在预定时间段期间的分布，该预定时间段包括如下检测时间，在该检测时间检测到关于输入音频信号的方位指向的信息。
然后，为多个增益表中的每一个增益表计算积之和，每个积是通过将方位指向分布计算器所计算出的分布值与增益表中的每个增益值相乘而得到的。然后，用计算出的和来控制相应增益调节放大器的增益。
在本发明的第一实施例中，每个增益调节放大器的增益不是根据方位指向检测器在以预定间隔隔开的多个检测时间中的每个检测时间处检测到的方位指向来确定的。作为替代，方位指向分布计算器计算在包括检测时间的预定时间段期间的方位指向分布，然后根据计算出的分布来确定增益调节放大器的增益。
如果每个增益调节放大器的增益是根据方位指向检测器在以预定间隔隔开的多个检测时间中的每个检测时间处检测到的方位指向来确定的，则该增益依赖于在单个时刻检测到的方位指向。这意味着声音指向被限于一个指向，从而未反映指向性的强度。另一方面，如果每个增益调节放大器的增益是根据在包括检测时间的预定时间段期间的方位指向分布来确定的，则增益根据双声道输入音频信号在每个指向的指向性强度被平滑地控制，所述指向性随着时间而改变。
因此，响应于方位指向随时间而改变的双声道输入音频信号，可以从合成单元得到具有自然指向性特性的输出音频信号。
根据本发明的第二实施例，用于从双声道输入音频信号生成至少单声道输出音频信号的音频信号处理设备包括：合成单元，其对应于输出音频信号，并且双声道输入音频信号和/或从双声道输入音频信号生成的合成音频信号被提供给合成单元；一个或多个增益调节放大器，其是为被提供到合成单元的输入音频信号中的预定输入音频信号而提供的，预定输入音频信号对应于输出音频信号；一个或多个增益表，其对应于一个或多个增益调节放大器并且根据输出音频信号为所有的方位指向定义增益；方位指向检测器，其根据相应的双声道输入音频信号的电平在以预定时间间隔隔开的多个时间点中的每个时间点处检测双声道输入音频信号的方位指向；方位指向分布计算器，其积累与方位指向检测器所检测到的方位指向有关的信息，以计算如下分布值，该分布值指示关于所有指向的方位指向在预定时间段期间的分布，该预定时间段包括以预定时间间隔隔开的多个时间点中的每一个；以及增益生成器，其通过为一个或多个增益表中的每一个增益表计算积之和来生成其相应的一个或多个增益调节放大器的多个增益中的每一个，每个积是通过将方位指向分布计算器所计算出的分布值与增益表中的每个增益值相乘来得到的。由增益生成器生成的一个或多个增益被提供给相应的一个或多个增益调节放大器。
在第二实施例中针对与将被输入到适合于输出音频信号的合成单元的音频信号相对应的每个增益调节放大器执行的控制与在上述的第一实施例的情况下执行的控制相同。
然而，在第二实施例的情况下，通过合成双声道输入音频信号而生成并且所具有的指向性与双声道输入音频信号的方位指向的指向性不同的至少单声道的合成信号被得到作为输出音频信号。第二实施例所具有的效果与上述第一实施例的效果类似。
根据本发明的第三实施例，音频信号处理设备包括：第一合成单元，双声道输入音频信号中的一个被提供给第一合成单元，并且双声道输入音频信号中的另一个和/或从双声道输入音频信号生成的合成音频信号被提供给第一合成单元，并且第一合成单元生成并输出第一输出音频信号；一个或多个第一增益调节放大器，其是为被提供到第一合成单元的音频信号中的预定音频信号而提供的，预定音频信号对应于第一输出音频信号；第二合成单元，双声道输入音频信号中的另一个被提供给第二合成单元，并且双声道输入音频信号中的另一个和/或从双声道输入音频信号生成的合成音频信号被提供给第一合成单元，并且第二合成单元生成并输出第二输出音频信号；一个或多个第二增益调节放大器，其是为被提供到第二合成单元的音频信号中的预定音频信号而提供的，预定音频信号对应于第二输出音频信号；多个增益表，其对应于第一和第二增益调节放大器并且根据将从第一合成单元和第二合成单元得到的输出音频信号为所有的方位指向定义增益；方位指向检测器，其根据相应的双声道输入音频信号的电平在以预定时间间隔隔开的多个时间点中的每个时间点处检测双声道输入音频信号的方位指向；方位指向分布计算器，其积累与方位指向检测器所检测到的方位指向有关的信息，以计算如下分布值，该分布值指示关于所有指向的方位指向在预定时间段期间的分布，该预定时间段包括以预定时间间隔隔开的多个时间点中的每一个；以及增益生成器，其通过为多个增益表中的每一个增益表计算积之和来生成其相应的增益调节放大器的多个增益中的每一个，每个积是通过将方位指向分布计算器所计算出的分布值与增益表中的每个增益值相乘来得到的。由增益生成器生成的多个增益被提供给其相应的多个增益调节放大器。
在第三实施例中针对与将被输入到适合于输出音频信号的合成单元的音频信号相对应的增益调节放大器执行的控制与在上述的第一实施例的情况下执行的控制相同。
然而，在第三实施例中，得到了如下双声道输出音频信号，其具有增强的指向性特性并且其所具有的声道指向与相应双声道输入音频信号的声道指向相同。第三实施例也具有与上述第一实施例的效果类似的效果。
从而，通过本发明的上述实施例，响应于方位指向随时间改变的双声道输入音频信号，可以得到具有自然指向性特性的输出音频信号。
附图说明
图1是图示了根据本发明的一个实施例的音频信号处理设备的框图。
图2A和图2B是用于说明由图1的方位指向检测器执行的方位指向检测操作的示图。
图3是用于说明由图1的方位指向检测器执行的方位指向检测操作的另一示图。
图4是用于说明由图1的方位指向检测器执行的方位指向检测操作的另一示图。
图5是用来描述图1的方位指向分布测量单元的示图。
图6是用来描述从图1的方位指向分布测量单元输出的信息的一个示例的示图。
图7是用来描述从图1的方位指向分布测量单元输出的信息的一个示例的示图。
图8示出了在图1的实施例中使用的示例性增益表。
图9示出了在图1的实施例中使用的另一个示例性增益表。
图10示出了在图1的实施例中使用的另一个示例性增益表。
图11示出了在图1的实施例中使用的另一个示例性增益表。
图12示出了在图1的实施例中使用的另一个示例性增益表。
具体实施方式
现在将参照附图来描述根据本发明的实施例的音频信号处理设备和方法。
图1是图示了根据本发明的一个实施例的音频信号处理设备的框图。在该实施例中，从双声道输入音频信号得到四声道输出音频信号，所述双声道输入音频信号是左声道输入音频信号Lt和右声道输入音频信号Rt，所述四声道输出音频信号是左声道输出音频信号L、右声道输出音频信号R、环绕左后声道输出音频信号LS和环绕右后声道输出音频信号RS。
环绕左后声道输出音频信号LS和环绕右后声道输出音频信号RS将被分别提供给左后扬声器和右后扬声器，用于环绕声的再现。
如图1所示，在该实施例中，提供了四个合成电路5、6、7和8，用于分别得到左声道输出音频信号L、右声道输出音频信号R、环绕左后声道输出音频信号LS和环绕右后声道输出音频信号RS。从合成电路5、6、7和8分别导出左声道输出音频信号L的输出端15、右声道输出音频信号R的输出端16、环绕左后声道输出音频信号LS的输出端17，以及环绕右后声道输出音频信号RS的输出端18。
来自输入端1的左声道输入音频信号Lt被通过增益调节放大器10提供到合成电路6，同时在不经过任何增益调节放大器的情况下被直接提供给合成电路5。
另外，来自输入端2的右声道输入音频信号Rt被通过增益调节放大器9提供到合成电路5，同时在不经过任何增益调节放大器的情况下被直接提供给合成电路6。
同时，来自输入端1和输入端2的左声道输入音频信号Lt和右声道输入音频信号Rt被分别提供给合成电路3，通过从左声道输入音频信号Lt减去右声道输入音频信号Rt得到的差分音频信号(Lt-Rt)被从合成电路3输出为环绕信号分量，在此合成电路3作为差分信号生成器工作。
来自合成电路3的该差分音频信号(Lt-Rt)被增益调节放大器4增益调节为一半并且在不经过任何增益调节放大器的情况下被直接提供给合成电路7和8。
另外，左声道输入音频信号Lt被通过增益调节放大器11提供给合成电路7，并且还被通过增益调节放大器13提供给合成电路8。同时，右声道输入音频信号Rt被通过增益调节放大器12提供给合成电路7并且还被通过增益调节放大器14提供给合成电路8。
合成电路5通过从左声道输入音频信号Lt中减去经增益调节放大器9(以下述方式)增益调节过的右声道输入音频信号Rt来增强指向性。同时，合成电路5生成左声道输出音频信号L，该信号被控制为在从环绕声中分离时可以实现自然声。然后，所生成的左声道输出音频信号L被输出到输出端15。
合成电路6通过从右声道输入音频信号Rt中减去经增益调节放大器10(以下述方式)增益调节过的左声道输入音频信号Lt来增强指向性。同时，合成电路6生成右声道输出音频信号R，该信号被控制为在从环绕声中分离时可以实现自然声。然后，所生成的右声道输出音频信号R被输出到输出端16。
合成电路7从输入音频信号的差(Lt-Rt)中减去经增益调节放大器11增益调节过的左声道输入音频信号Lt，并且将得到的信号加上经增益调节放大器12增益调节过的右声道输入音频信号Rt(或者从右声道输入音频信号Rt中减去增益调节过的右声道输入音频信号Rt)。由合成电路7执行的信号合成增强指向性，并且生成环绕左后声道输出音频信号LS，该信号被控制为在从左和右声道声分离时可以实现自然声。然后，所生成的输出音频信号LS被输出到输出端17。下面将进一步描述经增益调节放大器11增益调节过的左声道输入音频信号Lt和经增益调节放大器12增益调节过的右声道输入音频信号Rt。
合成电路8从输入音频信号的差(Lt-Rt)中减去经增益调节放大器13增益调节过的左声道输入音频信号Lt，并且将得到的信号加上经增益调节放大器14增益调节过的右声道输入音频信号Rt(或者从右声道输入音频信号Rt中减去增益调节过的右声道输入音频信号Rt)。由合成电路8执行的信号合成增强了指向性，并且生成环绕右后声道输出音频信号RS，该信号被控制为在从左和右声道声分离时可以实现自然声。然后，所生成的环绕右后声道输出音频信号RS被输出到输出端18。下面将进一步描述经增益调节放大器13增益调节过的左声道输入音频信号Lt和经增益调节放大器14增益调节过的右声道输入音频信号Rt。
增益调节放大器9至14的增益调节值是由增益调节值生成电路20以下述方式从双声道输入音频信号Lt和Rt生成的。
增益调节值生成电路20包括频带限制滤波器21、频带限制滤波器22、方位指向检测器23、方位指向分布测量单元24、增益生成器25和增益表存储器26。
频带限制滤波器21和22把未清楚表现方位指向特性的频率分量(例如低频分量)从被输入到增益调节值发生电路20中的双声道输入音频信号Lt和Rt除去。
然后，经频带限制滤波器21和22分别限制了频带的双声道输入音频信号Lt和Rt被分别提供给方位指向检测器23。根据相应的频带受限的输入音频信号Lt和Rt的电平，方位指向检测器23以预定间隔对双声道输入音频信号Lt和Rt的方位指向进行检测。
换言之，方位指向检测器23以预定的采样间隔对相应的有限频带的双声道输入音频信号Lt和Rt的电平(或幅度)进行采样。在该示例中，最新采样时刻处的方位指向被检测为目前的方位指向。然后，方位指向检测器23利用相应输入音频信号Lt和Rt在最新采样时刻处的电平和相应输入音频信号Lt和Rt在最新采样时刻之前的采样时刻处的电平对双声道输入音频信号Lt和Rt在最新采样时刻处的方位指向进行检测。
如果双声道输入音频信号Lt和Rt是数字音频信号，则可以使对双声道输入音频信号Lt和Rt的进行采样的采样间隔等于数字音频信号的采样间隔。每个采样间隔的长度可以不一定等于数字音频信号的单个采样间隔的长度，而是可以等于数字音频信号的多个采样间隔的长度。如果被输入到方位指向检测器23中的输入音频信号是模拟信号，则可以在方位指向检测器23的输入级处将输入音频信号变换为数字音频信号。
现在将参照图2A和2B来描述方位指向检测器23用来检测方位指向的方法。图2A和2B中的每一个是这样一种坐标空间，其中X轴表示左声道输入音频信号Lt的幅度，并且Y轴表示右声道输入音频信号Rt的幅度。
方位指向检测器23首先以预定采样间隔得到相应的双声道输入音频信号Lt和Rt的电平，其中在每个预定间隔处一个方位指向被检测出。然后，方位指向检测器23在图2A和2B的坐标空间中绘制与相应的所得到的电平相对应的坐标点，例如P1、P2、P3和P4。在该示例中，P4是与最新检测时刻相对应的坐标点。
然后，当由方程Y＝k·x(其中k是常数)表示的直线(其经过X轴和Y轴的交点Z)被绕交点Z旋转±90度(或者常数k被改变时)时，方位执行检测器23计算与所绘制的坐标点P1、P2、P3和P4最接近的直线的常数k(或者倾角)。换言之，当从相应的坐标点P1、P2、P3和P4到直线(见图2A)的距离Da1、Da2、Da3和Da4之和或者从相应的坐标点P1、P2、P3和P4到直线(见图2B)的距离Db1、Db2、Db3和Db4之和被最小化时，方位指向检测器23计算直线的常数k。
然后，方位指向检测器23把与计算出的常数k对应的倾角确定为目前的方位指向。在图2A和2B的示例中，从X轴起的角度θ(下文称为“方位角”)被检测为方位指向，其中X轴的角度或者说与左声道(或者说左指向)相对应的方位指向是0度。
在图2A的坐标点P1、P2、P3和P4的示例中，θa被检测为方位角。在图2B的P1、P2、P3和P4的示例中，θb被检测为方位角。
在该示例中，在方位指向检测器23中，目前(或者说最近采样时刻)被指定给双声道输入音频信号的电平的权重与以往采样时刻被指定给双声道输入音频信号的电平的权重不相同。被指定给双声道输入音频信号的电平的权重随着采样时刻接近当前时刻而增加。
因此，如图3所示，方位指向检测器23使用具有指数曲线特性的时间窗口WD1，使得被指定给相应的双声道输入音频信号的采样电平的权重朝着当前时刻(或者说该示例中的最近采样时刻tn)的方向增加。
在上述描述中，最近采样时刻被看作是当前时刻或者处理时间点。然而，当前时刻或者处理时间点可以是从通过输入端1和2输入的输入音频信号Lt和Rt延迟了τ的时刻。这可以通过在输入端1和2与合成电路5和6、输入端1和2与增益调节放大器9至14、增益调节放大器4与合成电路7和8等之间提供延迟电路来实现，所述延迟电路实现了预定时间段τ的延迟。
在这种情况下，方位指向检测器23还可以利用在当前时刻之后(或者说迟于当前时刻)的时刻处的双声道输入音频信号来检测方位指向。例如，在图2A和2B中，P2或P3是当前时刻或处理时间点。
在这种情况下，使用具有指数曲线特性的时间窗口WD2(见图4)而不是上述的时间窗口WD1，在时间窗口WD2中，在当前时刻tp或者说处理时间点处使权重最大化，并且权重随着从当前时刻到过去和将来的时间的日益增加的而减少。
可以在不向过去和/或未来采样时刻的双声道输入音频信号的电平指定任何权重的情况下使用当前时刻的双声道输入音频信号的电平。
从而，方位指向检测器23可以将方位角θ检测为当前时刻的双声道输入音频信号的方位指向。
因此，通过根据当前时刻检测到的方位角θ对增益调节放大器9至14中的每一个进行增益控制，可以控制输出音频信号L、R、LS和RS当中的指向性和分离度。然而，当前时刻检测到的方位角θ仅表示输入音频信号在单个时间点处的单个方位指向并且不反映每个方向上的信号强度。因此，有可能无法得到高质量的输出音频信号L、R、LS和RS。
考虑到这个方面，在本实施例中，被方位指向检测器23检测为双声道输入音频信号的当前方位指向的方位角θ被提供给方位指向分布测量单元24。
在该示例中，方位指向分布测量单元24为所有的方向确定由方位指向检测器23检测到的方位角θ在预定时间段d上的分布。根据得到的分布，方位指向分布测量单元24测量双声道输入音频信号的方位指向中的哪些部分在哪些方向中存在。
在这种情况下，预定时间段d的范围例如在几毫秒到几百毫秒之间。在该示例中，预定时间段d被设为几十毫秒。在本实施例中，方位指向分布测量单元24在预定时间段d上将时间窗口WD3(见图5)应用于方位指向检测器23检测到的方位角θ。时间窗口WD3所具有的特性与方位指向检测器23所使用的加权因子的特性类似。就是说，方位指向分布测量单元24利用时间窗口WD3向方位指向检测器23所检测到的方位角θ指定权重，该权重朝着当前时刻tp(在该示例中tp＝tn(最近采样时刻))的方向指数地增加。
如果如上所述延迟时间τ被加入输入音频信号，并且方位指向检测器23利用图4的时间窗口来执行加权，则方位指向分布测量单元24利用与图4的时间窗口类似的时间窗口。在这种情况下，预定时间段包括当前时刻tp之前和之后的时间段。作为替代，方位指向分布测量单元24可以使用方位指向检测器23所检测到的方位角θ而不向其指定任何权重。
图6示出了作为方位角θ的分布的示例性的方位指向分布P(θ)，该分布是由方位指向分布测量单元24确定的。水平轴表示相对于X轴(或者说左声道的方位指向)的方位角θ，而垂直轴表示每个方位角的发生频率(<1)。在本示例中，分布被这样生成，使得为所有方位角θ确定的方位指向分布P(θ)之和等于1，即满足方程∑P(θ)＝1。
图7图示了方位角θ与音频信号的方位指向之间的关系。图7中示出的“前”向、“左”向、“右”向等是从收听者的方向。
因此，在每个当前时刻(或者说当前采样时刻或处理时间点)可以从方位指向分布测量单元24得到如图6所示的关于方位指向分布P(θ)的信息。关于方位指向分布P(θ)的信息被提供给增益生成器25，该生成器以下述方式生成将被提供给增益调节放大器9至14的增益控制信号G1至G5。
在本实施例中，增益表存储器26连接到增益生成器25。增益表存储器26预先存储与六个增益调节放大器9至14相对应的增益表信息K1(θ)到K5(θ)。
增益表信息K1(θ)至K5(θ)中的每一个示出如下增益特性，其中根据每个输出音频信号所需的方位指向对所有方位角(范围从-45到135度变动)的增益进行加权。
在该示例中，增益表信息K1(θ)对应于增益调节放大器9和10，增益表信息K2(θ)对应于增益调节放大器11，增益表信息K3(θ)对应于增益调节放大器12，增益表信息K4(θ)对应于增益调节放大器13，并且增益表信息K5(θ)对应于增益调节放大器14。在每个增益表信息中，执行加权使得如下方向的增益被增强，相应输出声道的输出音频信号将被以所述方向定位。图8至图12中分别示出了增益表K1(θ)至K5(θ)的示例。
例如，合成电路5从左声道输入音频信号Lt中减去经增益调节放大器9增益调节过的右声道输入音频信号Rt，而合成电路6从右声道输入音频信号Rt中减去经增益调节放大器10增益调节过的左声道输入音频信号Lt。从而，分别从合成电路5和6导出从后环绕声分量分离的左声道输出音频信号L和右声道输出音频信号R。
因此，如图8所示，在与增益调节放大器9和10相对应的增益表信息K1(θ)中，与从左经中央到右的方向相对应的方位角(0到90度)的增益被设为零。对于与从左到后的方向相对应的方位角(0到-45度)和与从右到后的方向相对应的方位角(90到135度)，增益向后增加。
因此，在该具体情况下，增益调节放大器9和10碰巧具有相同的增益特性，一个相同的增益表信息K1(θ)被提供给增益调节放大器9和10。然而，原则上，为增益调节放大器9和10中的每一个准备增益表信息。
合成电路7从左和右这两个输入音频信号的差(Lt-Rt)中减去经增益调节放大器11增益调节过的左声道输入音频信号Lt，并且向得到的信号加入经增益调节放大器12增益调节过的右声道输入音频信号Rt。从而，后环绕声分量中的环绕左后声道输出音频信号LS(或者说左后分量)被分离并且被从合成电路7输出。
因此，如图9所示，在与增益调节放大器11相对应的增益表信息K2(θ)中，在与左方向相对应的方位角(0度)处使增益最大化。对于与左方向相对应的方位角周围的方位角(图9中的0±22.5度)，增益随着与对应于左方向的方位角偏离逐渐增大而逐渐减小到零。对于其他方位角，增益被设为零。
同时，如图10所示，在与增益调节放大器12相对应的增益表信息K3(θ)中，在与右方向相对应的方位角(90度)处使增益最大化。对于与右方向相对应的方位角周围的方位角(图10中的90±22.5度)，增益随着与对应于右方向的方位角偏离逐渐增大而逐渐减小到零。对于其他方位角，增益被设为零。
如图9所示，增益调节放大器11具有由如下曲线表示的增益特性，该曲线在与左方向相对应的方位角周围的角度范围内较陡峭，而如图10所示，增益调节放大器12具有由如下曲线表示的增益特性，该曲线在与右方向相对应的方位角周围的角度范围内较不陡峭。因此，左后分量被分离并且被从合成电路7输出。
合成电路8从左和右这两个输入音频信号的差(Lt-Rt)中减去经增益调节放大器13增益调节过的左声道输入音频信号Lt，并且向得到的信号加入经增益调节放大器14增益调节过的右声道输入音频信号Rt。从而，后环绕声分量中的环绕左后声道输出音频信号RS(或者说右后分量)被分离并且被从合成电路8输出。
因此，如图11所示，在与增益调节放大器13相对应的增益表信息K4(θ)中，在与左方向相对应的方位角(0度)处使增益最大化。对于与左方向相对应的方位角周围的方位角(图11中的0±45度)，增益随着与对应于左方向的方位角偏离逐渐增大而逐渐减小到零。对于其他方位角，增益被设为零。
同时，如图12所示，在与增益调节放大器14相对应的增益表信息K5(θ)中，在与右方向相对应的方位角(90度)处使增益最大化。对于与右方向相对应的方位角周围的方位角(图12中的90±22.5度)，增益随着与对应于右方向的方位角偏离逐渐增大而逐渐减小到零。对于其他方位角，增益被设为零。
如图11所示，增益调节放大器13具有由如下曲线表示的增益特性，该曲线在与左方向相对应的方位角周围的角度范围内较不陡峭，而如图12所示，增益调节放大器14具有由如下曲线表示的增益特性，该曲线在与右方向相对应的方位角周围的角度范围内较陡峭。因此，右后分量被分离并且被从合成电路8输出。
记录在增益表存储器26中的上述五条增益表信息K1(θ)至K5(θ)被提供给增益生成器25。对于K1(θ)至K5(θ)这五条增益表信息中的每一条，增益生成器25计算多个积之和，其中每个积是通过对每个方位指向使增益表信息中的对应增益值与由方位指向分布测量单元24确定的方位指向分布P(θ)相乘来得到的。
换言之，增益生成器25根据下列方程来生成增益控制信号G1至G5：
G1＝∑(K1(θ)×P(θ))
G2＝∑(K2(θ)×P(θ))
G3＝∑(K3(θ)×P(θ))
G4＝∑(K4(θ)×P(θ))
G5＝∑(K5(θ)×P(θ))
然后，增益控制信号G1被提供给增益调节放大器9和10，增益控制信号G2被提供给增益调节放大器11，增益控制信号G3被提供给增益调节放大器12，增益控制信号G4被提供给增益调节放大器13，增益控制信号G5被提供给增益调节放大器14。从而，增益调节放大器9至14被增益调节。
上述的增益控制使得可以根据实际的左和右这两个声道输入音频信号的方位指向分布来抑制串音分量。从而可以从合成电路5至8导出四声道输出音频信号，这些信号是自然分离的并且具有自然指向性。
在本实施例中，在输出声道中的音频信号的生成中反映了与所有方位角度相对应的方位方向的分布，而非只是增强或控制特定的方位指向。因此，可以得到具有自然连续性的多声道信号，而无须执行特别复杂的控制。
虽然在上述的实施例中生成了四个输出声道，但是输出声道的数日不限于此。就是说，将被生成的输出声道的数目可以是任何大于或等于三的数目。
上述的输出声道信号的方位指向仅仅是示例且并非是限制性的。例如，上述的左声道输出音频信号L、右声道输出音频信号R、环绕左后声道输出音频信号LS和环绕右后声道输出音频信号RS这四个输出声道信号可被变成左声道输出音频信号L、中声道输出音频信号C、右声道输出音频信号R和环绕声道输出音频信号S。将明白输出信号信号可被指向其他方向。
另外，虽然图8至12的增益表信息中示出的增益特性曲线是线性的，但它们也可以是表示其他增益特性的非线性曲线。
另外，虽然上述实施例中的双声道输入信号是左右声道立体声信号，但是双声道输入信号的方位指向不限于左和右方向。
在上述的实施例中，一些被增益调节为一半的合成信号(Lt-Rt)和/或输入音频信号Lt和Rt在不经过任何增益调节放大器的情况下被提供给它们相应的合成电路。然而，所有被增益调节为一半的合成信号(Lt-Rt)和/或输入音频信号Lt和Rt可以被通过适当的增益调节放大器提供给它们相应的合成电路。
其他实施例
作为被提供为单个单元的替代，图1的音频信号处理设备可被分成用于导出输出音频信号L和R的一部分以及用于导出输出音频信号LS和RS的另一部分。换言之，上述实施例的音频信号处理设备可被分成两部分，一部分用于导出与双声道输入音频信号具有相同声道指向且方向性被增强的双声道输出音频信号，并且另一部分用于合成双声道输入音频信号以导出与输入音频信号具有不同指向性的输出声道信号。
就是说，图1的音频信号处理设备可以被分成第一部分和第二部分，所述第一部分包括合成电路5和6、增益调节放大器9和10以及增益调节值发生电路20，并且所述第二部分包括合成电路7和8、增益调节放大器11、12、13和14以及增益调节值发生电路。
在这种情况下，第一和第二部分中的每一个都可以充当独立的音频信号处理设备。例如，第一部分可以被用来检测左右双声道输入音频信号中的后部(rear-localized)声音分量、衰减所检测到的声音分量，从而提高左声道与右声道之间的分离度。
虽然图1中的音频信号处理设备被配置为使得左右双声道音频信号之一被与经增益调节过的另一声道的音频信号合成，但是所述的第一部分的配置不限于此。例如，左声道音频信号和右声道音频信号可以被与如下信号合成，该信号是通过对左右声道音频信号合并生成的信号进行增益调节而得到的。
第二部分可以被用来从双声道输入音频信号中分离并得到诸如环绕声道输出音频信号S或中声道输出音频信号C这样的单声道音频信号，或者诸如环绕左后声道输出音频信号LS和环绕右后声道输出音频信号RS这样的双声道输出音频信号。第二部分还可以被用来合成左声道音频信号和右声道音频信号以得到中声道音频信号。
上述的音频信号处理设备可以通过由包括数字信号处理器(DSP)的计算机执行的软件处理来实现。在这种情况下，每个模块结构可以根据程序通过功能处理器(或软件)来实现，所述程序使所述计算机进行操作。
本领域技术人员应当明白，各种修改、组合、子组合和变更取决于设计要求和其他因素可以发生，只要它们属于所附权利要求书或其等同物的范围。
本发明包括与2006年7月21日向日本专利局提交的日本专利申请JP2006-198940相关的主题，上述申请的全部内容通过引用而结合于此。

Claims (12)

1.一种音频信号处理设备，包括：
方位指向检测器，其根据双声道输入音频信号的电平在以预定时间间隔隔开的多个时间点中的每个时间点处检测所述双声道输入音频信号的方位指向；
方位指向分布测量单元，其计算所述方位指向检测器所检测到的方位指向的分布；
增益表存储器，其记录增益表信息，所述增益表信息定义与各个方位角相对应的权重；
增益生成器，其基于所述方位指向分布测量单元所计算出的分布和所述增益表存储器中所记录的增益表信息来生成与输出音频信号相对应的增益；以及
合成单元，其利用所述增益生成器所生成的增益来合成所述双声道输入音频信号来生成输出音频信号。
2.根据权利要求1所述的音频信号处理设备，其中，所述合成单元用所述增益生成器所生成的增益来调节所述双声道输入音频信号中的一个，并且将所调节过的信号与所述双声道输入音频信号中的另一个合成。
3.根据权利要求1所述的音频信号处理设备，还包括生成所述双声道输入音频信号之间的差分信号的差分信号生成器，
其中，所述合成单元用所述增益生成器所生成的增益来调节所述双声道输入音频信号中的一个，并且将所调节过的信号与所述差分信号生成器所生成的差分信号合成。
4.根据权利要求1所述的音频信号处理设备，其中，所述增益表存储器记录至少两条增益表信息；并且
所述增益生成器基于所述方位指向分布测量单元所计算出的分布和所述增益表存储器所记录的至少两条增益表信息来生成至少两个增益。
5.根据权利要求4所述的音频信号处理设备，还包括生成所述双声道输入音频信号之间的差分信号的差分信号生成器，
其中，所述合成单元用所述增益生成器所生成的相应至少两个增益来调节所述双声道输入音频信号，并且将所调节过的信号与所述差分信号生成器所生成的差分信号合成。
6.根据权利要求1所述的音频信号处理设备，还包括频带限制滤波器，所述频带限制滤波器通过从相应的双声道输入音频信号除去预定频率分量来对所述相应的双声道输入音频信号进行频带限制，
其中所述经所述频带限制滤波器限制频带后的双声道输入音频信号被提供给所述方位指向检测器。
7.根据权利要求1所述的音频信号处理设备，其中，所述方位指向检测器参照所述双声道输入音频信号的多个过去的方位指向来检测所述双声道输入音频信号的方位指向，所述多个过去的方位指向是在预定时间之前检测到的。
8.根据权利要求7所述的音频信号处理设备，其中，根据所述多个过去的方位指向与所述预定时间的相应时间差来给所述多个过去的方位指向加权，并且所述方位指向检测器参照所述多个过去的方向指向。
9.根据权利要求8所述的音频信号处理设备，其中，所述多个过去的方位指向被这样加权，使得更高的权重被指定给在与所述预定时间更接近的时间处检测到的过去的方位指向。
10.根据权利要求1所述的音频信号处理设备，其中，所述方位指向检测器参照所述双声道输入音频信号的多个未来方位指向来检测所述双声道输入音频信号的方位指向，所述多个未来方位指向是在预定时间之后检测到的。
11.一种音频信号处理方法，其包括以下步骤：
根据双声道输入音频信号的电平在以预定时间间隔隔开的多个时间点中的每个时间点处检测所述双声道输入音频信号的方位指向；
计算检测到的方位指向的分布；
记录增益表信息，所述增益表信息定义与各个方位角相对应的权重；
基于计算出的分布和所记录的增益表信息来生成与输出音频信号相对应的增益；以及
利用所生成的增益来合成所述双声道输入音频信号来生成输出音频信号。
12.一种音频信号处理设备，其包括：
用于根据双声道输入音频信号的电平在以预定时间间隔隔开的多个时间点中的每个时间点处检测所述双声道输入音频信号的方位指向的装置；
用于计算检测到的方位指向的分布的装置；
用于记录增益表信息的装置，所述增益表信息定义与各个方位角相对应的权重；
用于基于计算出的分布和所记录的增益表信息来生成与输出音频信号相对应的增益的装置；以及
用于利用所生成的增益来合成所述双声道输入音频信号来生成输出音频信号的装置。
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