CN101421779B - 用于产生环境信号的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种瞬变检测器，用于产生适于经由扬声器发射的环境信号，所述扬声器不具有用于检测瞬变时间段的专用扬声器信号。合成信号产生器产生合成信号，该合成信号一方面满足瞬变条件，另一方面满足合成信号的连续性条件。然后，信号替换器将用该合成信号来替换检验信号的一部分，以获得用于环绕声道的环境信号。
Description
技术领域
本发明涉及音频信号处理，具体涉及在未传送专用的扬声器信号的多声道场景中为扬声器产生环境信号的概念。
背景技术
多声道音频素材越来越普及。这带来了许多现在拥有多声道再现系统的最终用户。这主要归因于这样的事实，即DVD越来越普及，许多DVD用户现在拥有5.1多声道设备。一般地，这种再现系统包括典型地布置在用户前方的三个扬声器L(左)、C(中)和R(右)、布置在用户后方的两个扬声器Ls和Rs，以及典型地包括一个LFE声道，该LFE声道也被称为低频音效声道或亚低音扬声器(subwoofer)。图10和11中示出了这样的声道场景。尽管为了用户接收尽可能最好的收听印象而如在图10和11中所示的那样相对于用户来放置扬声器L、C、R、Ls、Rs，但是由于人耳不能在这样的低频执行定位，因此LFE声道(图10和11中未示出)的放置不那么重要，因此，可以将LFE声道布置在不会由于其相当大的体积而造成干扰效应的任何位置。
与如图9中示例性示出的典型的双声道再现的立体声再现相比，这样的多声道系统产生了若干优点。
在最优的中心收听位置之外，由于中心声道，结果也是提高了前置收听印象(也称为“前置图像”)。因此，结果是更大的“甜点(sweet-spot)”，“甜点”表示了最优收听位置。
此外，由于两个后置扬声器Ls和Rs，改善了收听者的“深入(delving into)”音频情景的感受。
然而，用户所拥有的或一般可以获得的大量音频素材仅作为立体声素材来呈现，因而仅有两个声道，即左声道和右声道。这种立体声片段的典型载体是致密光盘。
为了经由5.1声道音频装置来再现这样的立体声素材，有两种根据ITU建议的选择。
第一种选择是经由多声道再现系统的左和右扬声器来再现左和右声道。然而，这种方案的缺点在于没有利用现有的多个扬声器，即没有以有利的方式利用存在的中心扬声器和两个后置扬声器。
另一种选择是对两个声道进行转换以形成多声道信号。这可以在再现过程中或由特殊的预处理来进行，该预处理有利地利用了示例性地已存在的5.1再现系统的全部6个扬声器，从而在没有任何误差地执行从2个声道至5和/或6个声道的上混时，产生了改善的收听印象。
只有在不发生上混差错的情况下，与该第一种选择相比，该第二种选择(即使用多声道系统的全部扬声器)才更具优点。当未能以无差错的方式来产生后置扬声器的信号(也称为环境信号)时，这种上混差错将产生极其严重的干扰。
通过关键词“直射环境概念”，已知一种执行所谓上混处理的方法。由现有的三个前置声道来再现直射声源，以使得用户在与原始的双声道版本中相同的位置感知到该直射声源。图9中使用不同的鼓乐器的示例来示意性地示出原始的双声道版本。
图10示出了这样的概念的上混版本，即在该概念中，再次由三个前置扬声器L、C和R再现了全部原始声源(即鼓乐器)，其中，两个后置扬声器输出了附加的专用环境信号。因此，术语“直射声源”描述了仅来自、且直接来自离散声源的音调，所述离散声源是例如鼓乐器或其他乐器，或一般地是在图9中使用鼓乐器来示例性示意示出的一种特殊的音频对象。在这样的直射声源中，不存在任何附加的声音，例如由于墙的反射的声音。在这种场景中，图10中的两个后置扬声器Ls、Rs所发射的声音信号仅包括原始记录中存在的环境信号，或不包括原始记录中存在的环境信号。这种环境信号不属于单一声源，而是贡献了记录的室内声学的再现，从而产生了收听者的所谓“深入”的感觉。
图11示意性地示出了被称为“在乐队中”概念的另一个备选概念。每种类型的声音(即直射声源和环境类型的音调)都环绕收听者而放置。如图11所示例性示出的，音调的位置独立于其特性(直射声源或环境类型的音调)，而仅取决于具体的算法设计。因此，在图11中，上混算法已经确定了相对于收听者侧向放置的两个乐器1100和1102，而将两个乐器1104和1106放置在用户的前方。其结果是，两个后置扬声器Ls、Rs也包含两个乐器1100和1102的特定部分，而不再是如图10所示的将相同的乐器都放置在用户前方的情况那样的仅是环境类型的音调。
专家出版物“C.Avendano and J.M.Jot：“Ambience Extraction andSynthesis from Stereo Signals for Multichannel Audio Mixup”，IEEEInternational Conference on Acoustics，Speech and Signal Processing，ICASSP02，Orlando，F1，May2002”公开了一种用于识别和提取立体声音频信号中的环境信息的频域技术。该概念是基于计算声道间相干性和非线性映射函数，该函数能够在立体声信号中确定主要包括环境分量的时频区域。然后，合成环境信号并用于存储多声道再现系统的后置声道或“环绕”声道Ls、Rs(图10和11)。
在专家出版物“R.Irwan and Ronald M Aarts：“A method to covertstereo to multi-channel sound”，The proceedings of the AES19thInternational Conference，Schloss Elmau，Germany，June21-24，pages139-143，2001”中，提出了一种用于将立体声信号转换为多声道信号的方法。使用互相关技术来计算环绕声道的信号。使用主要分量分析(PCA)来计算指示主要信号的方向的向量。然后，将该向量从双声道表示映射到三声道表示，以产生三个前置声道。
专家出版物“G.Soulodre，“Ambience-Based Up-mixing”，Workshop“Spatial Coding of Surround Sound：A Progress Report”，117th AESConvention，San Francisco，CA，USA，2004”公开了一种从立体声信号产生多声道信号的系统。将信号分割为所谓的单独声源流和环境流。所谓的“美学处理器”基于这些流来对声道输出信号进行合成。
所有已知技术以不同方式尝试从原始立体声信号中提取环境信号，或甚至根据噪声和/或另外的信息来合成环境信号，其中，也可以使用非立体声信号中的信息来合成环境信号。然而，最终，这都是关于从立体声信号中提取信息和/或为再现场景馈送信息，由于典型地只有双声道立体声信号和可能有附加信息和/或元信息可用，因此没有明确地说明该信息。
从这一观点，由于如果环境声道中包含了来自声源的信息，用户将该信息识别为直接来自前方(即左声道、中心声道和右声道)，则用户可能感知到其受到干扰，因此，这样的环境信号的提取或部分提取和部分合成是有风险的。出于这个原因，为了确保不产生是用户感知到受到干扰的人工效应(artifact)，环境信号的产生可能呈现出非常的“防御性(defensive)”。在产生环境信号时表现地过度防御性的其他极端情况是：要提取的环境信号非常微弱或几乎不可感知，或环境信号仅包括噪声，而不再有专用信息，使得环境信号对收听的愉悦仅有非常细微的贡献，在这种情况下，实际上可以完全省略环境信号。
另一方面，在产生环境信号时的问题是，产生包括超过正常噪声的信息在内的环境信号，而该环境信号不产生可听见的人工效应，即必须维持可听见性与信息内容之间的合适的度量。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于产生环境信号的概念，在所述环境信号中，可听见的人工效应减少。
这一目的是通过根据权利要求1所述的用于产生环境信号的设备、根据权利要求21所述的用于产生环境信号的方法或根据权利要求22所述的计算机程序来实现的。
本发明基于以下发现：在环境信号中，收听者感知最负面的人工效应是导致收听者认为在后置扬声器中存在直射声源的人工效应，尽管他或她感知该声源来自前方。感知直射声源的特性是瞬变过程，即，与关于从微弱状态至响亮状态或从响亮状态至微弱状态的交替阈值的(快速)变化相关、和/或与关于特殊频带的(尤其是特定时间内的最高频带中的)交替阈值的能量(强烈)增加相关的时间信号中的信号精细结构。
例如，这种瞬变过程是乐器开始演奏或打击鼓乐器或音调的结束，该音调结束不是缓慢减弱而是突然停止。收听者将这样的瞬变过程感知为直射声源的特性，根据本发明，从环境信号中消除该直射声源的特性，以向环境扬声器提供本发明产生的、不包括瞬变或仅包括强烈衰减的瞬变的环境信号。
根据本发明，确保了抑制环境信号中的瞬变不会导致过大的幅度调制。根据本发明，已经发现，幅度的变化(即声音强度上的变化)即使不是瞬变的(即低于瞬变阈值的)，而是高于特定的变化阈值，当由于在环境信号中的简单消除瞬变而产生这样的幅度变化时，用户也会将其认为是受到干扰，并且收听者会将其认为是人工效应或差错。
根据本发明，在检验信号中，检测到瞬变时间段，在该瞬变时间段中，在检验信号中出现了瞬变区域。随后，使用合成信号产生器来针对该瞬变时间段产生合成信号，实现所述产生器以产生合成信号，使其与瞬变区域中的检验信号相比具有更平坦的时间过程，此外，实现所述产生器以产生合成信号，使其相对于该检验信号中之前或后续的部分的强度相差小于预定的阈值。然后，在该瞬变时间段，信号替换器使用所产生的合成信号替代该检验信号来获得环境信号。
因此，根据本发明，改进了从双声道立体声输入信号中提取环境信号类型的信号，或者，执行对已有信号的后处理，例如，已有信号是已经提取的原始环境信号。在第一种情况下，该检验信号是实际的双声道立体声信号和/或双声道信号的一个声道，而在第二种情况下，该检验信号是提取的环境信号或预合成的环境信号。因此，本发明的概念对于上混概念(也作为“直射环境概念”进行过说明)尤其有用。本发明的概念对于“在乐队中”的概念也有优点，由于在这种情况下将产生改进的环境信号，该环境信号一方面不再有产生干扰的人工效应，另一方面仍包括足够的信息，以便用户从环境信号中受益。
本发明的环境信号产生的结果在于，该环境信号没有来自直射声源的相关部分，其中具体地没有包含瞬变和/或仅以非常强烈衰减的形式包含瞬变。否则，收听者可能感知到在他或她自己后方的直射声源，这将与典型地仅从前方感知到声源的用户的经验相冲突。
此外，由于例如在简单地完全消除瞬变时获得的中断的环境类型的音调可能被用户感知为不愉悦或甚至被感知为上混处理中的差错，本发明的概念确保了环境信号是连续不中断的散射音调信号。
在本发明的优选实施例中，从立体声信号中提取后置声道的环境类型的信号，以实现直射环境类型的上混处理。为了实现这一点，示例性地，仅使用不相关的信号分量，或作为一种简单的方案，简单地使用原始右和左声道之间的差别。如果利用这种方式产生后置声道，则后置声道通常包括直射声源的瞬变类型的分量。这些瞬变可以是音调，例如音符的起始或敲击乐器的部分。在将直射声源(典型地，瞬变属于该直射声源)放置在收听者的前方的同时，感知到瞬变在收听者的后方，这对直射声源的定位具有负面影响。因此，直射声源显得或者比原始的更宽，或者更有害地，被感知为在用户后方的独立直射声源，其中这两种效应都是非常不利的，尤其是对于直射环境概念。
根据本发明，通过抑制环境类型的信号中的瞬变，并通过对瞬变时间段仅允许受限的强度变化，最小化该抑制对其余信号的影响，即维持信号的连续性，从而解决了这些问题。
在本发明的优选实施例中，在信号替换器使用为瞬变时间段所产生的信号之前，将该信号与该瞬变时间段中原始存在的信号混合，例如，这是由重叠处理来实现的。备选地或附加地，可以执行交叉渐变来抑制或至少减小在瞬变时间段边沿的不连续性，以在从瞬变时间段之前的信号至瞬变时间段中的信号的交叉渐变区域中缓慢地执行交叉渐变，或使其从瞬变时间段再次缓慢地渐弱。
具体地，由于当人工效应未造成检验信号的缺陷时，要确保从合成信号至原始检验信号的过渡不产生噼啪声(crackling)或类似效应，因此，为了无人工效应的收听印象，优选地，在不再检测到瞬变时，从瞬变时间段渐变为原始信号。
在本发明的另一优选实施例中，通过随机化频谱值的符号，或更一般地，通过随机化频谱值的相位，来执行频域中的瞬变时间段中信号的处理，这必然导致对在频域中处理的信号的时间精细结构的平滑。进一步的频谱处理是做出对频谱值的频率的预测，然后，由于对频率的预测导致对相应时间信号的平滑，因此使用预测频谱值作为合成信号的频谱值。
为了在维持或仅略微影响瞬变的同时抑制瞬变，优选地，改变瞬变时间段的强度至多+/-50％，即限制从一个块至下一个块的频谱值的变化，其中，可以全局地(即对所有频率值同等地)或选择性地(仅针对包括特别大变化的特定频谱值)进行所述限制。
附图说明
随后，将参照附图，详细描述本发明的优选实施例，其中：
图1是本发明的用于产生环境信号的设备的电路框图；
图2a是具有非重叠块、但具有交叉渐变区域的块处理的示意图；
图2b是具有重叠块的合成信号产生的示意图；
图3示出了可以用于图2a或图2b的具有渐强函数和渐弱函数的交叉渐变的特定实现；
图4是包括频域处理的优选实现的电路框图；
图5a示出了频域处理的备选实现；
图5b示出了另一备选的频域处理；
图5c示出了基于强度的处理的优选实现；
图6示出了用于维持合成信号中的音调区域的实现；
图7是基于高频内容HFC的优选实施例的电路框图；
图8示出了本发明的具有用于产生直射声道L、R、C的附加功能的设备的优选实现；
图9示出了立体声再现的场景；
图10示出了多声道再现场景，其中，前置声道再现全部直射声源；以及
图11示出了多声道再现场景，其中，后置声道也再现声源。
具体实施方式
图1示出了本发明的用于产生适于经由扬声器发射的环境信号10的设备，未向该扬声器传送任何专用的扬声器信号。典型地，如在图10和图11中以Ls、Rs示例性示出的，这种扬声器是后置扬声器或环绕扬声器。
图1所示的设备包括瞬变检测器11，用于检测瞬变时间段(图2中以20示出)，在该瞬变时间段中，检验信号包括瞬变区域。尽管这里描述了该瞬变检测器的若干实现，但是应指出，可以使用用于检测瞬变的任何其他方法，例如在MPEG-4音频编码器中可以得到的方法，在该方法中，根据瞬变检测来执行短窗至长窗的切换。在音频信号处理的其他领域中，也使用了瞬变检测器，该瞬变检测器能够检测时间信号的包络的快速而强烈的变化。要检测的示例量值级是包络在1ms的时间段中涉及等于或大于包络幅度的100％的变化的变化。
瞬变检测器11耦合至合成信号产生器12，合成信号产生器12被实现为产生满足两个条件的合成信号13，即一方面是瞬变条件，另一方面是连续性条件。瞬变条件是合成信号在瞬变区域中具有比检验信号更加平坦的时间过程，而连续性条件是合成信号在瞬变区域中的强度相对于检验信号的之前或后续部分的强度的偏差小于预设的阈值。优选地，该阈值是相对阈值，并且取值为2.5，其中该阈值更优选地取值为1.5。这意味着，在瞬变区域中，信号的强度至多是检验信号中之前的非瞬变部分或后续的非瞬变部分的强度的1.5倍或0.66倍。因此，确保了瞬变抑制不会导致产生干扰的幅度变化和/或强度变化。
也可以通过使用历史记录值而确定的80％或更少的置信区间来实现该阈值。
本发明可以采用的强度度量(measure)包括通过将块中的采样平方或频谱值平方相加而获得的能量、或者考虑时间块长度而获得的功率度量、或者甚至以加权或非加权的方式将频带中的频谱值的量值(magnitude)相加而获得的度量，其中，当进行相加的频带是比检验信号更高的频带，或一般地，与较低频率相比，以较大权重对较高频率进行加权，或较高频率对最终结果有较大影响时，这种同样表示强度的特殊的度量被称为高频内容。
然后，合成信号产生器产生合成信号，信号替换器14使用该合成信号来代替原始检验信号中的相应区域，以最终提供环境信号10。如图1所示，除了经由线路13接收合成信号之外，信号替换器14经由线路15接收检验信号。瞬变检测器11经由输入线路16接收检验信号，并经由输出线路17向合成信号产生器12提供瞬变信息，以便其利用经由线路18提供给它的检验信号来产生合成信号。
在本发明的特定实施例中，使用如图2a所示的非重叠块处理，或如图2b所示的重叠块处理。在图2a中的非重叠块处理中，优选地，将检验信号21分割为具有特定块长度的等长的块。然后，瞬变检测器检测瞬变时间段20中的瞬变22。因此，瞬变22处于图2a的瞬变时间段20中，结果是瞬变检测器11经由其与合成信号产生器12通信的输出线路17来提供输出信号，该信号表示合成信号产生器12必须开始信号合成。除了交叉渐变区域23中的交叉渐变之外，在瞬变时间段20之前和之后的块直接表示环境信号10的相应部分，然后，合成信号产生器对与瞬变时间段20相对应的检验信号中的块进行合成，然后，信号替换器14使用该块来代替环境信号中的检验信号的原始块。
如以下将要解释的，在优选实施例中，在频域中，对检验信号的块进行处理。其结果是，在块边界处的合成信号具有的采样值可能与作为检验信号中前一块中的最后采样的采样相差很大。为了消除可能出现的这样的块边界人工效应，在图2a所示的实施例中，优选地，例如，通过将根据交叉渐变函数(示例性地根据图3所示的渐强函数)来进行加权的前一块中的最后十个采样与所产生的合成信号的第一个采样相加，执行从瞬变时间段之前的块至瞬变时间段中的合成信号的交叉渐变。同时，根据图3所示的渐弱函数，将瞬变时间段中根据该渐强函数来进行加权的合成块中的第一个采样或第一个采样之后的采样与前一块的最后一个采样相加，以提供交叉渐变。相应地，在返回交叉渐变区域中，即在从瞬变时间段返回环境信号中不受瞬变影响的块时，可以应用相同的方法。
为了进一步减小这种块边界的人工效应，优选地，执行如图2b所示的重叠处理。在图2b所示的实施例中，瞬变检测器检测由加圈的数字(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)表示的块区域。在22处检测到瞬变。其结果是：与图2a相比，由于在既处于块4中又处于块5中的位置22处检测到瞬变，因此瞬变时间段20更大。因此，图1的合成信号产生器12将产生针对块4和块5的合成信号。对于三个瞬变时间段区域A、B、C之前的块，检验信号不具有瞬变，因此可以直接作为环境信号，而图1的信号替换器14使用合成信号产生器所产生的部分A、B、C来替换区域A、B、C。通过将不受瞬变影响的检验信号的块3的后半块与针对块4所产生的合成信号的前半块相加来产生部分A。通过将针对块4所产生的合成信号的后半块与针对块5所产生的合成信号的后半块相加来提供瞬变时间段20中的第二部分B，信号替换器将其替换作为环境信号10的相应部分。通过将合成信号产生器所产生的块5的后半块与不再受瞬变影响的块6的前半块相加来提供瞬变时间段20中的第三部分C，信号替换器14将其写入环境信号。
下面将更详细地讨论图3所示的渐弱函数。因此，在进行具有非重叠块的块处理时，可以使用该渐弱函数来提供从非合成块至合成块的软的块过渡，还提供从合成块返回非合成块的软过渡。备选地，具体是在已经由某一特定数目的块产生了合成信号时，也可以使用相应的交叉渐变函数来再次交叉渐变回原始检验信号。由于存在外插所导致的合成信号明显偏移检验信号的可能性，因此，在特定情况下，突然转回检验信号将产生可听见的人工效应。因此，优选地，通过针对其中不再检测到瞬变的块产生由上一合成块的90％和当前检验块的10％所组成的合成信号，根据图3中的渐强/渐弱函数来执行缓慢的交叉渐变。在下一块中，该比值可以变为80％:20％，直到在特定数目的块之后，合成信号渐渐完全衰弱，而不受瞬变影响的当前检验信号再次渐渐完全显现。
随后，将参照图4，讨论合成信号产生器12的一部分的优选实现。为此，转换器40将表示检验信号中的块的时间信号转换为频域表示或子带表示，转换器40可以包括变换或分解滤波器组。然后，如在41处所示，如果这是一个在其中已经检测到瞬变的时间信号块，则可以使用外插的频谱表示和/或外插的子带信号来替换频谱系数形式的频谱表示或子带信号。随后，将频谱表示(由于外插，可能使用附加信息)馈送给平滑器42，平滑器42影响该频谱值，以对其下信号的时间过程进行平滑。在滤波器组的情况下，该平滑器42将影响子带信号，使得该子带信号下的信号的时间过程比平滑之前更为平滑。然后，在框43中，执行至时域的逆转换，其中，使用再变换或合成滤波器组，以最终到达时间信号44，时间信号44具有比级40的输入处的时间信号更为平滑的过程，然而也具有未受该平滑显著影响的能量的量。此外，执行平滑以使得平滑后的时间信号44的能量与先前的时间信号的能量之差不大于阈值。
因此，在本发明中，可以执行对时间信号的能量的总体能量处理。然而，仅对瞬变进行衰减，而音调部分继续不变，和/或通过使用来自过去的非瞬变信号进行的预测来合成瞬变时间段中的信号，以从历史记录中合成音调部分。
然而，如果不触及能量(如在随机化或在频谱预测中)，平滑将导致能量被更均匀地分配在块上，以产生更平滑的时间过程，而没有显著改变检验信号的采样的块的能量。在大多数情况下，这是足够的，并确保了用户将听到总是满足连续性条件的检验信号。仅当瞬变导致了能量的显著增大(考虑整个块)时，仅平滑(即将能量更均匀地分布在块上)不再足够，而可以执行受控的信号限幅(clipping)。
包括避免将直射声源定位在后置声道的公知方法将后置声道延迟几毫秒。这种方案不会导致抑制瞬变，而是尝试通过使用优先效应来“掩蔽”瞬变。该优先效应是，人耳假设声源在其首先从该声源听见一些声音的位置，其中，然后从该声源听到的声音可以很好地变得更响亮或来自不同的方向。然而，该方案的缺点在于，通常还是可以听见具有尖锐瞬变的非常短的声音事件，并由前置扬声器以及若干毫秒之后由后置声道共两次感知到该事件，这导致了不愉悦的收听印象。
商业上提供的矩阵解码器(例如Dolby Pro Logic II或Logic7)具有将未经预处理的双声道立体声文件上混至多声道环绕文件中的能力，尽管它们不是直接为这一任务而设计的。这些矩阵解码器通常不能抑制后置声道中的瞬变音调，这导致信号不满足无瞬变和幅度和/或强度连续性的要求。
然而，根据本发明，检测并衰减存在瞬变的声道区域。然而，在这些区域中简单地衰减整个信号将导致环境信号的幅度调制并可能被感知为不愉悦或甚至是人工效应。因此，这将妨碍所提取或所处理的环境信号的感觉质量。为了克服这种不愉悦的幅度调制效应，产生了根据本发明的瞬变抑制，而不妨碍合成信号和/或环境信号的连续性。这里，使用后置声道输入信号(例如由矩阵上混器实现的上混信号)或分析具有类似特性和类似应用领域的信号来检测是否存在瞬变。
如果检测到瞬变，则使用具有平坦(非瞬变)时间包络的替换信号来替换当前处理的块。该替换信号或由不存在瞬变的之前的信号部分来产生，或由使信号的时间包络和/或精细结构更平坦的处理步骤当前处理的块来产生，或由这两种方法的结合来产生。
例如，通过对信号的之前的能量级进行外插，或通过对不带有信号的瞬变区域的之前的信号部分进行复制/重复，来产生由之前的部分所产生的替换信号。
例如，可以利用随后参照图5a、5b或5c所示的方式来执行基于当前处理的块的时间精细结构或精细时间信号的“平坦化”。
如以后将结合图5c所解释的，可以在外插的频谱系数或其幅值周围所延伸的受限的区域内，对频谱系数的绝对值进行随机化。
备选地或附加地，可以由随机化器50来对其中有瞬变的所处理的块的频谱系数的相位和/或符号进行随机化。为此，产生所考虑的检验信号块的短期频谱，并根据幅度和相位来计算所获得的复频谱值，以对频谱值的相位进行随机化。如果使用仅能分辨+/-180°相位的变换，即仅能为频谱值提供正或负的符号，则也可以对信号进行随机化，以获得对应时间信号的更平坦时间过程的具有随机化相位/符号的短期频谱。
本方法基于以下事实，即仅当在该瞬变区域下的基波及各个谐波的相位处于特殊比值时，时间信号中的快速改变才是可能的。如果实现了相位的随机化，则由于由频谱值所映射的各个正弦振荡的相位的特殊相互作用不复存在，因而将导致瞬变区域被平滑。
图5b示意了一种使用预测器51的备选实现，该预测器51被实现为关于频率执行短期频谱的预测。在J.Herre，J.D Johnston的″ExploitingBoth Time and Frequency Structure in a System that Uses anAnalysis/Synthesis Filterbank with High Frequency Resolution″，103rdAES Convention，New York1997，Preprint4519中说明了这样一种预测器。
此外，产生在其相关联的时间信号中具有瞬变过程的短期频谱。典型地，使用开环预测器，通过之前的频谱值或多个之前的频谱值来预测短期频谱的当前频谱值，其中，然后可以从时间频谱值中减去所预测的频谱值来获得频谱残留值。尽管关于频率的典型预测的频谱残留值表示了所关心的值，并携带了信息以及预测滤波器的系数，但是，本发明的特定预测滤波器是预设置的，由使用该预测滤波器所预测的频谱值来替换短期频谱的频谱值，而不再使用预测误差信号。
然而，所获得的实际上有缺陷的预测频谱值具有比原始短期频谱更加平坦的时间过程，但仍具有近似相同的能量的量，因此如结合图1的合成信号产生器12所示，满足了瞬变条件和连续性条件。预测滤波器的优选简单实现是简单地使用具有较低索引的频谱线的值作为当前频谱线的预测值。
一般地，在指定的持续时间之后，外插信号可以与原始信号交叉渐变，而不是突然地切换，以避免长期外插的人工效应。
此外，优选地，如参照图6所示，由检测器60来检测音调部分/频带，而合成信号产生器不对其产生影响，但是，在混合器/组合器61中，将其与瞬变频带的合成信号进行组合，以在变换或转换至时域(可以在框61中进行)之后获得具有更平坦的时间过程的时间信号，然而，该时间信号仍包括未改变形式的音调频带，即未瞬变的部分。
因此，检测输入信号中的稳态(stationary)/音调频率分量，该分量仅在部分频谱上在瞬变持续时间期间出现，并产生替换信号，该替换信号包括过去的稳态/音调信号分量与当前块中所检测到的稳态/音调频率分量的外插。
随后，参照图5c，说明使用隐式(implicit)而不再是显式(explicit)瞬变检测器的本发明的实现。图5c中示出了用于计算块和前一个块的强度的装置53。例如，所处理的信号块的强度的度量是能量或高频内容(HFC)或基于频谱值、时间采样、能量、功率的其他度量或与幅度相关的信号的其他度量。然后，装置54确定从一块至下一块的强度增量是否超过阈值。如果是，则限制所处理的块的频谱值，使得其强度超过之前信号块的强度不多于特定的相对或绝对阈值，从而至少降低了瞬变的总体支配性(dominance)。在装置55中执行该限制，装置55被实现为：如果检测到限制的需要(即隐式地检测瞬变)，则单独地或全局地限制频谱值。单独的限制可能是针对频谱值或频带计算能量增量，频谱值和/或能量频带仅增大多达最大能量增量，超过它的部分将被截去。
因此，用于限制频谱值的装置55单独地或全局地限制频谱值，其中，单独限制是仅限制超过阈值的频谱值的增大，优选地，将其限制为该阈值，而增大不那么强烈的其他频谱值不受影响。然而，备选地，如果确定出过强的增大，则以相同的绝对或相对度量来限制所有频谱值，在特定情况下更有利，并对计算复杂度而言更容易。
此外，优选地，通过用于后处理的装置56来执行对受限的频谱值的后处理，其中，该后处理可以是如图5a所描述的随机化，或者如图5b所描述的预测。装置55和66的处理顺序也可以反过来，使得首先对检测出瞬变的块执行随机化和/或预测处理，其中，只有在此之后才执行根据框55中的处理的强度限制。
对于图5c，应指出，框t/f表示时/频域转换57，其中，也可以通过分解滤波器组来对从时域至频域的转换进行滤波，使得在这种情况下，频谱表示由子带信号组成，而不是由各个频谱分量组成。
随后，参照图7，讨论本发明的特别优选的实施例。在本实施例中，瞬变检测器(如图1以11所示)包括装置71，装置71针对用于计算长期HFC的装置72的下游的每个块计算高频内容(HFC)。然后，比较器73检测是否有瞬变或是否有存在瞬变的瞬变时间段。具体地，装置71被实现为针对原始的左信号和原始的右信号的每个块计算加权的高频内容(HFC)。备选地，可以针对每个单个声道来计算HFC。HFC是对块中的所有频率线的绝对值的加权和，该加权使用从较低至较高频率递增的加权因子。HFC计算如下：
HFC＝sum(X(f)·w(f))，
其中，X(f)是特定频率的频谱系数，w(f)是特定频率的加权因子。
由于加权因子从较低至较高频率递增的事实，确保了在HFC值中，与较低频率分量中的能量相比，较高频率分量中的能量被加以更重的权值。与较低频谱分量中的能量相比，较高频谱分量中的能量是瞬变的更好的索引。在本实现中，可以使用所有频谱分量来计算HFC。备选地，也可以从大约在频谱中心区域中的阈值开始来执行对HFC的计算，以使得在计算HFC时，较低频谱系数不起作用。
此外，对至少3个(优选地为5个)之前的块计算长期HFC平均值(也被称为HFC’)。如果在装置73中确定当前块中的HFC与长期平均值HFC’偏差的因子大于常数因子c(使用≥1.0的数作为该常数因子c)，则检测到瞬变。该阈值取决于浮动平均值的类型。如果浮动平均值是这样的平均值，即在其中，与较新的块相比，以更重的权值对历史记录的块进行加权(即较慢的平均值)，则该阈值比其中历史记录块以较小的程度加入该浮动平均值的情况更接近1。这里，该阈值较为远离1。
如果检测到瞬变，如从装置73向用于计算平均值的装置74发送信号所指示的，则计算所定义的时间间隔(例如5个块)上的每个频率线(频谱系数)的过去的绝对值的平均值。此外，计算外插绝对值的预测置信区间Δmax。外插绝对值在该区间Δmax内随机变化。为了实现这一点，根据如图7中在装置75处所示的等式来执行计算。RN代表随机数，Δmax表示置信区间，SW是用于计算的装置75所计算的频谱值，SWm是框74已经计算的、作为数个之前块的平均值的结果的频谱值。因此，装置75被实现为评估以下等式：
SW＝SWm+RN·Δmax
为了避免在所检测的瞬变过长时可能出现的重复效应，在已过去固定时间间隔(例如，已经呈现的3个合成信号块)时，外插值与原始值交叉渐变，从此时起，必须再次到达原始信号。然而，如果瞬变时间段比3个块短，则优选地不执行交叉渐变，因为此时可以假定外插信号尚未偏移原始信号太远。如图7中以76所示，可以在转换至时域之前或优选地在转换至时域之后进行交叉渐变，以获得合成信号。
在一个实现中，可以将本发明的概念结合到环境信号的提取处理中，或可以将其用作使用已有环境信号的分离的后处理步骤，然而，在本发明的处理之前，所述已有环境信号仍包括不利的瞬变。
在频域中，可以每频率线地或在子带中执行本发明的处理步骤。然而，可以部分地在频域中(典型地在特定频率限制之上)，或完全在时域中，或在时域和频域的结合中执行本发明的处理步骤。
图8示出了本发明的优选实施例，其中，用于产生环境信号的设备不仅被实现为产生针对左环境声道的输出80和针对右环境声道的输出81的环境信号。此外，如图8所示，本发明的设备包括上混器82，用于产生针对左声道L、右声道R、中心声道C的信号，优选地也产生针对LFE声道的信号。解码器84向瞬变检测器12、合成产生器14与信号替换器16和上混器82的组合提供信号。解码器84被实现为接收并处理比特流85，以在输出侧提供单声道信号或立体声信号86。该比特流可以是MP3比特流或MP3文件，或者可以是AAC文件或者可以是参数编码的多声道信号的表示。因此，例如，比特流85可以是左声道、右声道和中心声道的参数表示，其中包含了传送声道和第二和第三声道的若干提示(cue)，该处理以BCC多声道处理而为人所知。因而，解码器84可以是BCC解码器，该BCC解码器不仅提供单声道或立体声信号，而且甚至提供三声道信号，然而，该三声道信号不包括两个环绕声道Ls、Rs的数据。在一种实现中，在这种情况下，检验信号是单声道信号、立体声信号或甚至是多声道信号，然而，该多声道信号不包括环绕声道Ls、Rs的专用扬声器信号。
应指出，可以针对两个环绕声道计算相同的环境信号，或者可以针对每个环绕声道计算专用的信号。在第一种情况下，例如，从左右声道之和中获得检验信号和/或环绕信号。在另一种情况下，例如，从左声道计算针对左环绕声道的环境信号，从右声道计算针对右环绕声道的环境信号。
根据情况，可以利用硬件或软件来实现本发明的方法。实现可以是在数字存储介质上，具体在具有电子可读出的控制信号的盘或CD上，所述控制信号可以与可编程计算机系统协作来执行本发明的方法。一般地，本发明因此也在于具有程序代码的计算机程序产品，所述程序代码被存储在机器可读载体上，当计算机程序产品在计算机上运行时，所述程序代码执行本发明的方法。换言之，因此，本发明可以被实现为具有程序代码的计算机程序，当计算机程序在计算机上运行时，所述程序代码执行本发明的方法。
Claims (18)
1.一种用于产生适于经由后置或环绕扬声器(Ls、Rs)发射的环境信号的设备，所述设备包括：
瞬变检测器(11)，用于检测瞬变时间段(20)，在所述瞬变时间段(20)中，检验信号包括瞬变区域(22)，所述检验信号包括单声道信号、立体声信号、多声道信号、或双声道信号的声道、提取的环境信号或预合成的环境信号；
合成信号产生器(12)，用于产生所述瞬变时间段(20)的合成信号，所述合成信号产生器(12)被实现为产生合成信号，所述合成信号包括比所述瞬变时间段(20)中的所述检验信号的时间过程更加平坦的时间过程，所述合成信号的强度相对于所述检验信号中的在时间上处于所述瞬变时间段(20)之前的部分或在时间上处于所述瞬变时间段(20)后续的部分的强度的偏差小于预定阈值；以及
信号替换器(14)，用于使用所述合成信号来替换所述瞬变时间段中的所述检验信号，以获得所述环境信号。
2.如权利要求1所述的设备，针对块处理来实现所述设备，以重叠或非重叠的方式对时间离散采样中的时间上的后续块进行处理。
3.如权利要求2所述的设备，其中，所述瞬变检测器(11)被实现为计算时间上的后续块的强度值，并在块的强度值与前一个或后一个的强度值相差大于预定瞬变阈值时检测瞬变时间段(20)。
4.如权利要求3所述的设备，其中，所述合成信号产生器(12)被实现为：针对所述瞬变时间段(20)中的块，限制表示所述块的短期频谱的多个频谱值，使得所述多个频谱值的强度与瞬变的前一个或后一个块的强度相差小于所述预定阈值。
5.如权利要求3所述的设备，其中，所述合成信号产生器(12)被实现为对表示包括所述瞬变时间段(20)在内的块的短期频谱的复频谱值进行关于其相位或符号的随机化。
6.如权利要求3所述的设备，其中，所述合成信号产生器(12)被实现为关于频率执行预测处理(51)，以获得预测频谱，与所述预测频谱相关联的时间信号包括比与所述频率的预测处理之前的频谱相关联的时间信号的时间过程更平坦的时间过程。
7.如权利要求1所述的设备，
其中，所述合成信号产生器(12)被实现为：根据所述检验信号中所述瞬变时间段之前或之后的信号部分、根据平滑其时间过程之后的所述瞬变时间段中的所述检验信号、或者根据所述检验信号的所述信号部分和平滑后的所述检验信号的组合，来计算所述合成信号。
8.如权利要求7所述的设备，
其中，所述合成信号产生器(12)被实现为对所述检验信号中在所述瞬变时间段之前或之后的信号部分进行复制。
9.如权利要求7所述的设备，
其中，所述合成信号产生器(12)被实现为：在预定域中，对从所述瞬变时间段之外的检验信号中获得的外插频谱值进行随机化。
10.如权利要求1所述的设备，
其中，所述合成信号产生器(12)被实现为：当所述瞬变时间段的持续时间比预定时间更长时，对于比所述预定时间段更晚的时间，将合成信号值与所述检验信号的信号值进行混合。
11.如权利要求1所述的设备，
其中，所述信号替换器(14)被实现为：根据交叉渐变函数，从所述瞬变时间段之前的部分至所述瞬变时间段进行交叉渐变；或者，根据交叉渐变函数，从所述瞬变时间段至所述瞬变时间段之后的部分进行交叉渐变。
12.如权利要求1所述的设备，
其中，所述合成信号产生器(12)被实现为使用频谱值来计算所述合成信号的短期频谱，
将所述短期频谱转换(43)为表示所述合成信号的时间表示(44)。
13.如权利要求1所述的设备，
其中，所述合成信号产生器(12)被实现为利用子带信号来计算所述合成信号的短期频谱，以及
将使用子带信号的所述短期频谱转换为(43)表示所述合成信号的时间表示。
14.如权利要求1所述的设备，
其中，所述合成信号产生器(12)被实现为产生所述合成信号，以使得所述预定阈值小于或等于因子2。
15.如权利要求1所述的设备，
其中，所述合成信号产生器(12)被实现为使用频带选择性的预设阈值或对整个频谱使用单一阈值。
16.如权利要求1所述的设备，还包括：
提取装置，用于处理左声道信号和右声道信号，以提取所述检验信号。
17.如权利要求1所述的设备，还包括：
2至3上混器(82)，用于根据所传送的立体声或单声道信号产生左声道、右声道和中心声道；以及
所述合成信号产生器(12)被实现为针对左后置声道和右后置声道提供相同的环境信号，或对所述检验信号进行缩放，以使得左后置声道和右后置声道能够接收所述环境信号的不同缩放的版本，或针对两个环绕声道计算两个专用环境信号。
18.一种用于产生适于经由后置或环绕扬声器(Ls、Rs)发射的环境信号的方法，所述方法包括：
检测瞬变时间段(20)，在所述瞬变时间段(20)中，检验信号包括瞬变区域(22)，所述检验信号包括单声道信号、立体声信号、多声道信号、或双声道信号的声道、提取的环境信号或预合成的环境信号；
产生所述瞬变时间段(20)的合成信号，所述合成信号包括比所述瞬变时间段(20)中的所述检验信号的时间过程更加平坦的时间过程，所述合成信号的强度相对于所述检验信号中的在时间上处于所述瞬变时间段(20)之前的部分或在时间上处于所述瞬变时间段(20)后续的部分的强度的偏差小于预定阈值；以及
使用所述合成信号来替换所述瞬变时间段(20)中的所述检验信号，以获得所述环境信号。
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