CN102089815A

CN102089815A - 数字处理音频信号的方法和设备以及计算机程序产品

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Publication number: CN102089815A
Application number: CN2009801265632A
Authority: CN
Inventors: 安东·莱昂纳德·胡伊杰恩
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2008-07-09
Filing date: 2009-05-28
Publication date: 2011-06-08
Also published as: EP2311036A1; WO2010004450A1; US20110112674A1; US8781612B2

Abstract

提供了一种对音频信号进行数字处理的方法，通过多种算法对输入音频信号顺序地执行多个操作以提供输出音频信号。该方法包括自动执行以下步骤：按照第一操作序列以及独立地按照至少一个不同的操作序列对输入音频信号(20)顺序地执行多个操作(a、b、c...)；对利用第一序列和至少一个不同的序列实现的相应输出音频信号(输出_1、输出_2、...、输出_n！)的质量进行评价；以及选择提供了最高质量输出音频信号的操作序列，以进一步处理输入音频信号。

Description

数字处理音频信号的方法和设备以及计算机程序产品

技术领域

本发明涉及一种用于对音频信号进行数字处理的方法、设备和计算机程序产品。

背景技术

由于人类听觉感知系统的高灵敏度，对于产生音频的设备，音频质量是一个重要的销售参数。在现代系统中，执行很多音频后处理来改变发送到扬声器的实际信号。由于需要高的音频质量，在这些系统里，需要许多调谐操作来综合所有特征，同时保留输出信号的高质量。通常在已经将所有特征系统综合到系统中之后执行调谐操作。通常，这些调谐操作是基于信号中任何溢出的避免。为了实现这个操作，针对其他所要实现的特征，通常在系统的输入处将信号按比例缩小来产生所谓的动态余量(headroom)。然后，由在设备中实现的一些或全部特征填充这个动态余量。然而，由于按比例缩放处理，丢失了信号的精确度，导致在数字音频处理系统的输出信号中增加了量化噪声。此外，在已知的设备中，不得不手动执行所需要的调谐任务，并且此调谐任务需要高音频专业技术等级。因此，所需要的调谐是昂贵和耗时的。

例如，US 2002/0023120A1涉及一种对包括音频信号的多媒体数据进行数字处理的方法。

在设备中，在将音频数据输出给扬声器之前对音频数据进行数字后处理，典型的提供了针对改变声音的多个特征。这些特征可以包括通过放大、衰减、低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波等实现的音量控制、音调控制、均衡、压缩/扩充、语音滤波、限幅处理等，并且形成大量的必须由数字信号处理单元中的算法实现的处理任务。按照序列相继地对输入音频信号执行相应的算法。

为了使数字音频信号处理需要的成本、所需存储器和/或空间保持较低水平，许多情况下，通过定点处理代替可提供更高精确度的浮点处理来完成处理。然而，这样的定点处理导致有限的信噪比并且要求相当多的动态冗余。

已知，针对输出音频信号(在已经对输入信号应用处理任务之后)的质量所实现的结果强烈地依赖于执行不同任务的序列。在许多情况下，对实现输出音频信号最好质量的序列(处理任务的次序)与预期的序列不同的。因此，如果引入附加的处理任务或输入音频信号的信号特征改变，则处理任务的最优序列的结果通常是反直观的并且甚至可能改变。

由于通常实现大数目n的可能处理任务，通过手动的尝试处理任务的不同序列，很难找到为了实现可能输出音频信号的最高质量的处理任务的最好序列。在这种情况下，应该注意到可能序列的数目(＝按所希望的处理任务的次序的可能排列的数目)是n！。

发明内容

本发明的目的是提供一种对音频信号进行数字处理的方法、一种对音频信号进行数字处理的设备以及一种计算机程序产品，该计算机程序产品允许实现高质量的输出音频信号并同时使数字音频信号处理需要的成本、所需存储器和/或空间保持较低水平。

这个目的通过根据权利要求1所述的对音频信号进行数字处理的方法来实现。提出了一种对音频信号进行数字处理的方法，通过多个算法对输入音频信号顺序执行多个操作来提供输出音频信号。该方法包括自动执行下面的步骤：按照第一操作序列以及独立地按照至少一个不同的操作序列，对输入音频信号顺序执行多个操作；对利用第一操作序列和至少一个不同序列实现的相应输出音频信号的质量进行评价；以及选择提供了最高质量输出音频信号的操作序列，以进一步处理输入音频信号。因此，利用按照第一次序执行的多个操作和利用按照不同次序(按照处理步骤的不同序列)执行的多个操作来对输入音频信号进行数字处理；即改变了任务操作这些信号的次序。对相应获得的输出音频信号(与不同的操作序列相对应)结果进行评价，并且对这些输出音频信号的质量进行评估。选择提供更高质量的输出音频信号的音频操作序列，以进一步处理输入音频信号。根据本方法，所有这些步骤是自动执行的。作为结果，可以确定和选择提供最高质量的输出信号的处理操作序列，以处理其他输入音频信号，而无需人工干预。甚至在对输入音频信号执行大量不同处理操作的情况下，可以以低成本实现高质量的输出音频信号，不要求大的存储空间，并且，如果需要，在嵌入式技术中这个处理可以作为小空间中专用硬件来实现。

根据用于评价所获得的输出音频信号的质量的不同的可能性(例如，使用参考音频信号，使用许多特定的测试信号，或使用被处理的输入音频信号的一部分)，本方法即适用于设计时处理操作序列的(例如一次设置)优化又适用于运行时的优化处理。为了产生输出音频信号，要对输入音频信号执行的处理操作可以包括：不同类型的典型音频信号改变操作，例如音量控制，音调控制、均衡、压缩/扩充、语音滤波、限幅操作等等。

优选地，按照与第一序列的排列相对应的多个不同的序列，对输入音频信号顺序执行多个操作。在这种情况下，可以将要执行的多个操作方便地作为列表提供。可以将包含在列表中的操作的排列以资源节约方式实现，不要求复杂算法。

根据一方面，针对第一序列所有可能的排序对输入音频信号顺序执行多个操作，并且选择提供最高输出音频信号质量的序列以进一步处理。这种情况特别适用于设计时任务次序的一次优化，因为对任务的所有可能次序进行评价，并且可以以自动的方式确定实现最好结果的操作序列。优选地，通过应用多个不同的测试信号作为输入音频信号来执行优化。合适的测试信号可以包括白噪声和/或粉红噪声、频率扫描、音调和噪声的合并等等。此外，可以使用真实世界的信号，例如音乐、语音、音乐和语音的合并等等。

根据另一方面，将利用特定序列实现的相应输出音频信号的质量与利用已经达到到目前为止提供输出音频信号的最好质量的序列实现的输出音频信号的质量相比较。在这种情况下，仅将针对到目前为止已经被评价的操作序列的最好结果保持在存储器中，并且可以将操作序列的另一排列与这个最好结果进行比较。因此，可以以一种资源节约方式实现该方法。作为备选，可以将少数的最优选的结果与针对新的序列所获得的结果进行比较。在这种情况下，可以更详细比较结果(例如，关于在不同频带中、针对音频信号的不同音量等实现的质量)。

优选地，通过与参考信号比较，来评价相应输出音频信号的质量。在针对数字处理音频信号的设备设计时使用本方法的情况下，如上面所提到，许多不同的参考信号是可能的。可以选择在设备的预期的使用中特别适用于期望音频信号的参考信号。在音频操作序列的运行时优化的情况下，例如，输入音频信号的一小部分可以以要求更多资源的更复杂方式来处理(例如双精确度浮点处理)，并且当做参考信号。通过资源节约处理(例如定点处理)使用利用小部分参考信号实现的结果，来处理全部的输入信号。通过这种方式，可以实现全面资源节约的实现。例如，用于产生参考信号的输入音频信号的有限部分可以是仅小时间段的信号、仅有限的通道个数(例如仅针对多通道信号的前通道)、输入信号的子采样的部分(即，仅每第n次采样执行)、或这些的任意组合。

根据另一方面，通过与理论模型比较，对相应输出音频信号的质量进行评价。在这种情况下，例如可以采用使用传递函数的理论模型。此外，可以使用描述简单信号特征的理论模型(例如，均值、最大值、最小值)来以资源节约方式实现该方法。

优选地，多个操作包括用于改变输入音频信号的声音的操作。这样的音频后处理操作可以典型地包括音量控制、音调控制、均衡、压缩/扩充、语音滤波、限幅操作等。

此外，通过根据权利要求8所述的对音频信号进行数字处理的设备可以实现本发明的目的。该设备包括：数字信号处理单元，通过多种算法对输入音频信号顺序执行多个操作来提供输出音频信号。数字信号处理单元适合于使得：按照第一操作序列以及独立地按照至少一个其他操作序列，对输入音频信号顺序执行多个操作；对多个相应的输出音频信号的质量进行评价；以及选择提供最高质量输出音频信号的操作序列，以进一步处理输入音频信号。本设备实现了上面已经描述的涉及本方法的优势。

根据一方面，设备是嵌入式系统。在这种情况下，所描述的特征是特别适合于处理任务的次序的设计时优化。然而，运行时优化也是可能的，例如，通过使用减少的信号部分作为用于优化的参考信号。

根据另一方面，通过具备适当程序的个人计算机形成该设备。在这种情况下，可以以一种非常节约资源的方式来实现一种对提供高音频质量的音频信号进行数字处理的设备。

此外，通过根据权利要求11所述的计算机程序产品实现本发明的目的。此计算机程序产品包括当程序在计算机中执行时用于执行根据权利要求1至8的任一项所述的方法的程序代码。在这种情况下，在现有的计算机中可以容易地实现上面限定的方法。在数据载体上可以提供程序代码，或例如从互联网上或内网上等下载程序代码。优选地，计算机程序产品可以存储在例如可以通过CD-ROM、USB存储器等形成的机器可读的载体上。

附图说明

通过非限制性的示例，参考图中所示的实施例，在下文中将用更详细描述本发明。

图1示意性示出了根据一个示例的方法步骤。

图2示意性示出了实施例中的大体步骤。

具体实施方式

关于图1和图2描述实施例。首先描述的根据实施例的方法特别适用于在设计时(即，在设备交付给顾客之前)用于对音频信号进行数字处理的设备的输出音频信号质量的优化。

在对输入音频信号20进行数字处理的方法中，必须对输入音频信号20执行多个不同的音频处理操作a、b、c、...。在信号处理链中，要对输入音频信号20依次执行不同的音频处理操作a、b、c、...(音频处理任务)。换句话讲，对输入音频信号20串行地依次应用不同的处理任务。音频处理操作可以包括例如音量控制、音调控制、均衡、压缩、扩充、语音滤波、限幅操作等等，即，用于改变输入音频信号的声音的操作。将必须对输入音频信号执行的音频处理的操作a、b、c...作为其中列出不同的音频处理操作的列表来提供。

根据实施例，通过按照第一序列顺序地应用多个音频处理操作a、b、c、...，来对输入音频信号20进行处理。这获得与该第一序列相对应的(所处理的)输出音频信号输出_1。此外，对包括在列表中的音频处理操作a、b、c、...的次序进行改变，来提供不同于第一序列的第二序列。例如，通过排列音频处理操作a、b、c、...的次序可以方便地实现这个处理。下面，将描述非限制性示例，其中要对输入音频信号20执行的音频处理操作的总数是3。然而，应该注意到音频处理操作的数目不限于3，而可以是任意整数n。

如图1所示在n＝3(任务a、b、c)的情况下，例如，第一序列将任务以如下次序对输入音频信号20应用任务a-b-c，即提供第一任务a，然后任务b，以及然后任务c。在任务次序的排列之后，在第二序列中将任务以a-c-b的次序应用于输入音频信号。根据本示例，将任务次序(音频处理操作的次序)的所有可能排列应用于输入音频信号；即关于n＝3，将音频处理操作a、b、c的6种不同的序列应用于输入音频信号(即序列a-b-c；a-c-b；b-a-c；b-c-a；c-a-b；c-b-a)。请注意，针对音频处理操作的数目n，排列的数目是n！。每个排序提供相应的输出音频信号输出_1、输出_2、...、输出_n！。

在另一步骤中，对相应的输出音频信号输出_1、输出_2、...、输出_n！的信号质量进行评价。通过对相应的输出音频信号应用质量标准，实现对输出音频信号的质量的评价。例如，可以通过比较相应的输出音频信号与参考信号10来实现质量标准。如果如第一示例中所描述的在对音频信号进行数字处理的设备的设计时应用该方法，参考信号10可以是对音频信号(可以是模拟的、数字的、或两者的结合)进行处理的更复杂的设备所产生的高质量参考信号。通过将相应输出音频信号输出_1、输出_2、...、输出_n！与参考信号10相比较，可以确定提供最高质量的输出音频信号的音频处理操作序列。例如，这可以通过在全部频谱上比较、在特定的频率范围内比较等来实现，并且例如在数字信号处理单元30中通过诸如RMS(均方根)值比较之类的已知算法来实现。

根据质量评价的结果，选择提供最高质量的序列，以进一步处理输入音频信号。在所描述的设计时优化的示例中，例如，在数字处理音频信号的设备提交给用户之前，可以对提供最高质量的序列进行固定的预确定，以进一步处理输入音频信号。

应该注意到，本发明不限于上面描述的示例。例如，已经描述了针对不同序列产生相应的输出音频信号输出_1、输出_2、...、输出_n！，并且此后对它们的质量进行评价。然而，能够产生对应于特定序列的输出音频信号，以及首先评估质量以及存储结果。此后，针对其他的序列执行相同的过程。这个备选方法特别适合于后面将描述的不采用任务次序的全部可能排列的修改。

代替采用全部可能的排列，例如，可以采用随机任务排序，其中，通过随机地重排序任务产生任务的另一序列。备选地，例如，可以应用演进的任务排序，其中根据到目前为止提供最佳输出信号质量的已评价的任务次序的集合中确定下任务的下一个序列。针对这些不考虑全部排列的备选方法，优选地，将x(x是整数)个质量结果的集合保留在存储器中，并且通过针对到目前为止已经提供最佳结果的那些序列的结果，在每个其他序列的评价之后更新集合。应该注意到，改变任务(音频处理操作)操作输入音频信号的次序的不同备选方法是可能的。

尽管已经描述了通过与参考信号比较实现相应的输出音频信号输出_1等的质量的评价，但是存在针对质量评价的其他备选方法。例如，可以关于理论模型对相应输出音频信号进行分析。可使用采用传递函数的理论模型，或使用描述信号特征的更简单的理论模型，例如最大值、均值、最小值。

在所有任务(音频处理操作)已经执行它们对输入音频信号的处理之后，其他用于确定输出音频信号质量的备选方法是可能的。

在对音频信号进行数字处理的方法中，对于任务次序的优化，可以使用不同的信号作为输入音频信号。例如，为了找到最佳适合的序列，可以应用测试信号作为输入音频信号。这样的测试信号可以包括白或粉噪声、频率扫描、音调和噪声的合并等。此外，可使用真实世界的信号作为输入音频信号，例如音乐、语音、音乐和语音的合并等。

尽管已经描述了音频处理操作序列的设计时优化，本发明不限于此。如下面所将要描述的，运行时的优化也是可能的。对于运行时的优化，原则上与参考信号比较也是可能的。然而，在许多情况下，没有特定的测试信号是可用的(具体地在嵌入式系统实现中)，此外，如果为了提供参考信号，用复杂的高质量的方式处理要通过多个音频处理任务处理的完整输入音频信号，则将不会实现资源节约的效果，并且这样的参考信号将用作使得本发明的方法无效的输出音频信号(例如，在个人计算机的应用中，没有节省资源，在嵌入式系统的应用中，系统必须具备以高质量的方式(例如要求浮点运算)处理输入音频信号的能力)。然而，根据下面描述的方法，可以提供参考信号，并且同时现实资源节约是可能的。

例如，在具有允许高质量处理的资源的设备实现中，例如个人计算机，可以用复杂的方式(例如通过双精度浮点处理)对输入音频信号的一小部分进行处理以提供高质量的参考信号，并且通过不复杂的资源节约的方式对完整输入音频信号进行处理(例如通过定点处理)。因此，可以通过采用参考信号来确定用于资源节约处理的最佳任务序列。因为仅对输入音频信号的一小部分(部分)用复杂的方式进行处理，所以可以实现全面的资源节约的实现。

关于嵌入式系统中的应用，不得不特别注意，因为参考信号不是全部可用的。这是由于(全部的)参考信号的产生要求诸如处理能力和存储器之类的系统资源的很大程度的使用。然而，参考信号的一小部分(部分)足以实现优势，尤其是确定音频处理操作的优化序列。因此，例如，在嵌入式系统中用资源节约、有成本效益的方式可以实现对完整的输入音频信号的定点处理，并且仅需要用于产生参考信号的有限资源。

产生参考信号的输入音频信号的适当的部分是：输入音频信号中小时间段部分，多通道信号中的有限数量的通道(例如，仅前通道)，信号的子采样部分(例如仅每第n次采样执行)，或这些的任意组合。例如作为小时间段的部分，可以仅使用输入音频信号最大最响部分。

在运行时优化的情况下，音频处理操作的次序不必保持定点，但是输入音频信号的实际处理信号内容的改变是可能的。

此外，可以实现停止优化处理的不同的方式。在采用所有可能的排列的情况下，在对所有排序进行研究过之后停止优化处理。在针对当前输入音频信号的连续运行时优化的情况下，永远不停止优化处理，并且可以确定针对当前输入音频信号的最佳序列。作为备选，停止标准可以定义为，优化的结果超过输出音频信号质量的改进。

概括来讲，如图2所示，根据示例的方法要求：输入音频信号(1)；对输入音频信号执行的多个处理任务(2)；改变任务操作输入音频信号的次序(序列)的方式(3)；在所有任务已经执行它们的处理之后确定信号质量的方法(4)；用于选择输出音频信号质量最优的任务次序的方法(5)；针对停止另一优化的装置(6)；以及在以优化任务次序的处理之后输出音频信号(7)。

现在将描述在已经由本发明人实现的测试环境中针对PC上示例性实现的特定特征。在LabView或其他合适的编程语言中可以实现此实现。

A：提供并可以选择多个测试信号。测试信号包括标准测试信号，例如音调&噪声，三角、方形、锯齿、增大或减小斜坡，粉或白噪声，脉冲，扫描，sinc、正弦、余弦等(例如，在LabView中所有可使用的)。

B：提供多个音频处理相关任务如下：放大、衰减、低通、高通、带通、带阻、限幅等。

C：创建5随机排列以及到目前为止已知的最好的排列的集合。

D：对不同与作为参考信号的双精度浮点信号与使用8比特表示的定点信号之间的RMS(均方根)差进行计算。

E：使用到目前为止已知的最佳排序(即根据步骤D的最佳RMS值)来进行实际处理。

F：利用停止按钮实现停止标准(从而停止优化处理)，使得当用户按下停止按钮时停止优化。

G：在示出了已处理信号与已处理参考信号用于视觉比较的图中放入输出信号。

上面描述的特征例如可以有利地应用于多个类型的对音频信号进行处理数字的设备，例如，个人娱乐产品、移动电话或汽车娱乐产品。具体地，优点是关于嵌入式定点处理器的应用。

Claims

1.一种对音频信号进行数字处理的方法，通过多种算法对输入音频信号顺序地执行多个操作以提供输出音频信号，所述方法包括：

自动执行以下步骤：

按照第一操作序列以及独立地按照至少一个不同的操作序列，对输入音频信号(20)顺序地执行多个操作(a、b、c...)；

对利用第一序列和至少一个不同的序列实现的相应输出音频信号(输出_1、输出_2、...、输出_n！)的质量进行评价，

选择提供了最高质量输出音频信号的操作序列，以进一步处理输入音频信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，按照与第一序列的排列相对应的多个不同的序列，对输入音频信号(20)顺序地执行所述多个操作(a、b、c...)。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，针对第一序列的所有可能排序，对输入音频信号(20)顺序地执行所述多个操作(a、b、c...)，并且选择提供了最高输出音频信号质量的序列以用于进一步处理。

4.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其中，将利用特定序列实现的相应输出音频信号(输出_1、输出_2、...、输出_n！)的质量与利用到目前为止已经提供了最佳输出音频信号质量的序列实现的输出音频信号的质量进行比较。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，通过与参考信号(10)比较，对相应输出音频信号(输出_1、输出_2、...、输出_n！)的质量进行评价。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，通过与理论模型比较，对相应输出音频信号(输出_1、输出_2、...、输出_n！)的质量进行评价。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，多个操作(a、b、c...)包括用于改变输入音频信号的声音的操作。

8.一种对音频信号进行数字处理的设备，该设备包括：数字信号处理单元(30)，通过多种算法对输入音频信号(20)顺序地执行多个操作(a、b、c...)以提供输出音频信号；

其中，数字信号处理单元(30)适合于使得：

按照第一操作序列以及独立地按照至少一个其他操作序列，对输入音频信号(10)顺序地执行多个操作(a、b、c...)；

对多个相应输出音频信号(输出_1、输出_2、...、输出_n！)的质量进行评价；并且

选择提供了最高输出音频信号(输出_1、输出_2、...、输出_n！)质量的操作序列，以进一步处理输入音频信号。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述设备是嵌入式系统。

10.根据权利要求8所述的设备，其中，所述设备由具备适当程序的个人计算机形成。

11.一种计算机程序产品，包括：当程序在计算机上执行时用于执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法的程序代码。

12.根据权利要求11所述的计算机程序产品，所述计算机程序产品存储在机器可读载体中。