CN102334348B - 转换器及转换音频信号的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭露一种用于将N声道音频输入声道转换为M声道音频输出声道的转换器及转换方法，其中处理器用于将传递函数应用至在输入声道上所接收的信号，以获得计算的输出声道的混响成分，其中当被应用至对应激励时，所述传递函数是与测量的混响的一组局部最大值中所选子集匹配的简化传递函数。

Description

转换器及转换音频信号的方法
技术领域
本发明涉及一种用于简化声环境的模型的方法，其中所述模型包括一组传递函数，每一传递函数对应于在所述声环境中的声音发射位置与声音接收位置间的一组声音传播路径。
背景技术
从″An example of adding spatial impression to recorded music：signal convolution with binaural impulse responses″，Angelo Farina，Dipartimento Ingegneria Industriale Universitàdi Parma，Proc.ofInternational Conference″Acoustics and recovery of spaces formusic″，Ferrara 27-28 October 1993知道这样的模型，其中通过使音频信号与形成声环境的该模型的传递函数进行卷积运算，在转换器中模拟声环境。对于N个声道中的每一个声道而言，建立一组卷积，以计算M个声道中的每一个声道的混响，以致于当经由M个声道回放音频时，该音频被视为它原来是在模型化声环境中记录的。
Ahnert W等的“EARS Auralization Software”，Journal of theAudio Engineering Society，New York，NY，USA，vol.41，no.11，1November 1993，pages 894 to 904，公开了一种用于与工程师电子声学模拟器(EASE)一起使用的电子听觉化房间模拟(EARS)。从EASE2.0中的房间模拟，创建完备方向性信息、入射角的模拟的单声道房间脉冲响应。该响应可以被存储在EASE后处理文件中，并且与外耳传递函数卷积，以得到作为所选择的房间聆听位置和模拟的听者的头部方位的函数的双声道听觉化。
Tsingos N等的“Perceptul Audio Rendering of Complex VirtualEnvironments”，ACM Transactions on Graphics，ACM TUSLNKD-DOI：10.1145.1015706.1015710，vol.23，no.3，1 August 2004，pages 249 to 258，公开了一种用于包含几百个移动音源的复杂虚拟场景的实时3D音频渲染管道。由于听觉甄选和空间细节级别具有最小的音频品质降低，能够处理超过在消费者3D音频硬件上可获得的源数量十倍的源。描述的方法对于室内和室外两种环境都执行良好，并且影响音频硬件对各种应用的有限能力，包括交互建筑声学模拟和视频游戏的自动3D语音管理。听不见的源被动态清除，残余可听见的声源分组为多个集群。每一个集群均由使用感性标准定位的一个冒牌声音源表示。然后仅仅对冒牌声音源执行空间音频处理，从而减少计算成本。获得不显著地随集群改变的有限的音频品质降级和局部化损坏。
然而，这样的模型的缺点在于：要达成声像的这种扩展，以与模型化声环境匹配，必须针对每一混响处理表示大量声音传播路径的复杂传递函数，导致高处理功率及转换器的内存需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种减少处理功率及模拟模型化声环境所需的内存的方法，而仍然允许结果M声道音频信号听起来好像它原来是在模型化声环境中记录的。
此目的被达成，因为依据本发明的方法包括下列步骤：
-通过将所述传递函数应用至在所述声音发射位置处所发射的第一激励，以在所述声音接收位置处接收该第一激励时，计算该第一激励的模拟混响；
-选择在模拟混响的强度包络中的一组局部最大值的子集；以及
-计算简化传递函数，该简化传递函数被应用至所述第一激励时提供具有与局部最大值的所述所选子集匹配的强度包络的模拟混响。
在强度包络中的局部最大值表示重要混响成分，其对应于在该模型化声环境中的主要传播路径。选择这些局部最大值的子集允许它们与简化传递函数匹配，然后，可使用该简化传递函数，以减少的处理及内存需求模拟声环境而没有感知的声像品质的降低。
有利地，选择的局部最大值的数目没有超过预定最大值。因此，定义处理简化声环境模型所需的处理及内存需求，事先限制了传递函数的最大尺寸和/或复杂度。
有利地，从大于时间-强度衰减函数的那些局部最大值选择局部最大值的所述所选子集。
通过选择这样的最高反射子集(它们显露为在大于时间-强度衰减函数的混响的强度包络中的峰值)，维持大部分可感知成分及将关于测量的脉冲混响的可感知差异保持在最小值。
更优选地，所述时间-强度衰减函数可以是指数衰减函数。人耳无法区分结果模拟混响与包括所有混响成分的版本，然而低于所述指数时间-强度衰减函数的混响成分的排除实质减少处理需求及复杂度。
优选地，可以通过与所述第一激励的卷积应用所述简化传递函数。这提供特别忠实的模拟混响。
在产生声环境的更简单模型的替代方法中，将每一简化传递函数表示成为每一所选局部最大值的信号延迟与信号衰减的组合。在此情况中，可通过在相对简单的时域运算中将这些传递函数应用至音频信号而不是通过卷积来实施模拟。
本发明还涉及一种用于将包括N个输入声道的第一音频流转换为包括M个输出声道的第二音频流的方法，该方法对于每一输入及输出声道包括下列步骤：
在使用上述方法简化的M-声道声环境的模型中，选择与所述输入声道及输出声道相关联的简化传递函数；
通过应用所述所选简化传递函数，处理来自所述输入声道的输入信号的至少一部分，以便针对所述输出声道产生输出信号的至少一部分。
因此，可经由简化模型的使用模拟将如何在模型化声环境中感知声音。
优选地，M＞N。因而这将能使第一音频流转换成具有较多声道的第二音频流。然而，在替代实施例中，M也可以是低于或等于N。
在本发明的另一实施例中，局部最大值的所选子集对于M个音频声道中的至少两个声道是不同的。
通过刻意在两个声道的简化传递函数中引进差异，避免针对该两个音频声道计算相同信号。在房间内使两个源发射相同信号将导致系统(房间、扬声器及声音)充当造成两个声道在整个房间中有不均匀感知的梳形滤波器(comb filter)。如果相关信号来自不同扬音器，则发生梳形滤波(comb filtering)。
要避免此问题，针对两个声道刻意不同地处理在包络中局部最大值的选择，以有效导致该两个声道的去耦合。
该方法使用两个传递函数通过模拟在房间中从单一源至两个接收点的信号路径，允许人为将单声信号改变为立体声信号。随后，修改该两个传递函数，以便选择一组不同的局部最大值。
在该方法的另一实施例中，所选反射组对于所有M个声道是不同的。
对于多声道系统而言，有利的是确保所有M个声道去耦合，以防止该系统充当造成两个声道在整个房间中有不均匀的感知的梳形滤波器。
虽然本发明将通常用于将多声道信号改变为另一具有更多声道的多声道信号，例如，通过计算代表提升的扬声器(elevated speakers)的附加层的附加声道，将2D音频信号转换为3D音频信号，但是本发明最大程度也可用于通过使用许多简化传递函数(一个传递函数用于每一源扬声器位置组合)及通过确保M个声道的去相关(所选局部最大值的子集对于该M个声道的每一个声道是不同的)，将单声信号转换为3D信号。
注意到这些步骤的使用可无关于本发明的其它步骤和/或特征(包括局部最大值的子集的选择)。
在本发明的特别实施例中，输出信号包括前部及后部。
这样的后部通常倾向于具有与特定反射相关联的少数明显峰值。结果，简化传递函数可用于只产生前部，而后部可以使用其它方法(例如，根据上述现有技术所知的传统方法或算术混响方法)来产生。
前部倾向于具有代表主要反射的几个明显峰值，其中本发明的方法允许非主要混响成分的移除，因而减少处理需求复杂度。
可以根据声音类型确定如何将该输出信号分割成所述前部及后部。
不同种类的声音在具有几个主要局部最大值的前部与具有少数或没有主要局部最大值的后部间具有不同分割。
要减少处理需求，可调整前部与后部间的分割，以最佳地将适当方法应用至适当部分。
例如为了读报，可有利地移除混响的后部。
所要求保护的转换器有利地使用于音频装置中。该音频装置可将例如2维声音转换为具有比2维声音多的声道的3维声音。这允许转换器从没有包含有关第三维的信息的输入声道创建3维效果。
这种包括所要求保护的转换器的音频装置可以有利地在机动车辆中。
在机动车辆中的声环境常常不是最佳的并不同于其中进行许多音频记录的声环境。
可使用允许在机动车辆的声环境中的声音的最佳再现的本发明的方法及转换器调整混响。
附图说明
现在将根据显示用于实施本发明的最佳模式的附图来描述本发明。
图1显示具有用于描绘房间的特性的测量设置的房间。
图2显示表示在房间中的测量位置处的混响的测量的脉冲响应的强度包络。
图3显示使用房间的模型所获得的模拟脉冲响应的强度包络。
图4显示测量的脉冲响应与模拟脉冲响应两者的强度包络。
图5显示在将某些成分设定至零后的模拟脉冲响应的强度包络，在混响中只留下预定数目的最高反射。
图6显示使用房间模型将N个音频声道转换为M个音频声道的转换器。
图7显示包括转换器的音频装置。
图8显示测量的脉冲响应。
图9显示模拟前部。
图10显示模拟后部。
图11显示峰值的选择，以避免梳形滤波器效应。
具体实施方式
虽然叙述提及卷积做为用于从脉冲激发计算脉冲响应或从N个音频输入声道计算M个音频声道的方法，但是同样可通过对要模拟的每一相关直接或间接(反射)路径简单地应用延迟及适当衰减来完成。熟知替代办法是使用在学生教科书中所找到的卷积及因而不做详细描述。
图1显示具有用于描绘房间的特性的测量设置的房间。
在声环境1(例如，房间)中，在声音发射位置处放置激发源2(例如，扬声器)。在声音接收位置处放置测量装置3，以获取房间对激发源2的激励的响应。
在优选实施例中，激励可以是时间加宽脉冲(Time StretchedPulse)。这基本上是指数正弦扫描(exponential sine sweep)，其提供优于较旧MLS(最大长度序列)方法的几个优点。一个用于获得较高S/N比的技术包括记录多个TSP及然后算出它们的平均；周遭噪音及设备本身噪音因记录次数任何加倍而减少3dB。然而，此技术的遗留问题是扬声器引发失真将不会消失。
取而代之，优选使用TSP，其中扫描长度将为测量的房间的估计混响时间的约10倍长，通常导致15-80秒的长度。这意味着从开始至结束频率测量到10个倍频程(octaves)。所用扫描也应渐强(faded in)及渐弱(faded out)，以避免噪声(artefacts)。
相较于背景噪音级，对信号/噪音比具有直接影响的另一因素是扬声器功率。建议通过播放-20dbFS有限带宽(500-2000Hz)信号在2m距离处使用85dBa SPL的校准。扫描在-6dBFS处发出14dB的更大声响。
因此，经由激发源2提供这样的脉冲及声波沿着不同路径(在图1中，第一路径4及第二路径5)行进。因为第一路径4与第二路径5具有不同长度，所以声波将以不同时间到达测量装置3，导致获取混响。
不同的测量方法及激发位置具有不同的混响，以及根据测量的混响，可建立房间的模型。此方法是众所皆知且可在Ralph Kessler的″An optimised Method for Capturing Multidimensional AcousticFingerprints″，Audio Engineering Society，Convention Paper，第118届会议(2005年5月28-31日)，巴塞隆纳，西班牙及意大利Prof.AngeloFarina出版物中找到。
通过建构传递函数(该传递函数与脉冲激励的卷积导致具有拥有与测量的脉冲响应的混响的强度包络几近匹配的强度包络的混响的模拟脉冲响应)，可将房间的模型构建为一组对应于一组声音发射位置及声音接收位置的这样的传递函数。
要创建M个音频声道，使N个输入音频声道与该组传递函数进行卷积运算，导致具有相似于模型化房间的声像的M个音频声道。
图2显示表示在房间中的测量位置处的混响的测量的脉冲响应。
在图2中的算术线性图上显示测量的脉冲响应的强度包络20为时间的函数，以及该强度包络20包括对应于在房间中的多个传播路径的几个局部最大值21、22、23、24及25。
根据该房间的特性，反射造成不同量的延迟及衰减。结果，在该包络20中的峰值21、22、23、24及25具有不同位置及不同振幅。
图3显示使用房间的上述模型所获得的模拟脉冲响应。
在图3中显示模拟脉冲响应的强度包络30，及该强度包络30包括对应于在模型化房间中的多个传播路径的几个局部最大值31、32、33、34及35。
根据房间的模型化特性，将不同量的延迟及衰减并入传递函数。通过计算脉冲激发与转换函数间的卷积，获得在包络30中的局部最大值21、22、23、24及25，及局部最大值在混响中位于适当位置处且具有不同振幅及尽可能近地与测量的脉冲响应匹配。
图4显示测量的脉冲响应与模型化脉冲响应两者。
为了比较，使测量的脉冲响应的强度包络20及计算的脉冲响应的包络30重叠，及可以看出，在此范例中，已实现强度包络20及30间的良好匹配。
例如，在计算的包络30中的第一局部最大值或峰值31良好地对应于测量的包络20的第一峰值21，显示传递函数与模型化房间很好地匹配。
图5显示在将某些成分设定至零后的模型化脉冲响应，以在混响中只留下预定数目的主要传播路径。
在本发明中，为了减少卷积的复杂度，简化传递函数。通过使用简化传递函数来计算脉冲响应及检查结果脉冲响应是否仍然与测量的脉冲响应令人满意地匹配，以验证此简化。
用于检查简化传递函数的准则是在模拟脉冲响应的强度包络中仍然维持测量的脉冲响应的强度包络的局部最大值组的所选子集。
这意味着可经由修改(亦即，简化)传递函数来移除某些局部最大值。这显示于图5中，其中第一峰值31、第二峰值32及第五峰值35仍然存在于模拟脉冲响应的强度包络30中，然而第三峰值33及第四峰值34不再存在。为了容易比较，图5显示测量的脉冲响应的强度包络20。
在本发明的优选实施例中，局部最大值31、32及35的所选子集的数目不比预定数目大，例如，在该所示范例中，不比3大。这提前限制简化传递函数的复杂度。优选地，如图5所示，通过使时间-强度衰减函数40适合于强度包络20(其中该时间-强度衰减函数40底切要选择的局部最大值的预定最大数目)及选择在它上方的局部最大值(其中该所选局部最大值是将被人耳更清楚地感知的局部最大值)来执行该选择。特别地，该时间-强度衰减函数可以显示为根据方程式的指数函数，其中I(t)是以时间为函数的强度，I0是初始强度，以及t0是初始时间。
在特别实施例中，简化传递函数可以表示成为每一所选局部最大值的信号延迟及信号衰减。脉冲响应的计算因而将可在相对简单的时域运算中，而不是使用卷积。
图6显示用于使用房间模型将N个音频声道转换为M个音频声道的转换器。
转换器60具有连接至处理器61的输入声道64，处理器61可计算输入声道及输出声道的不同组合的多个混响。将处理器61的输出信号提供至输出声道65。
经由模型输入区块提供处理器61要使用的传递函数或传递函数的参数，其中该模型输入区块配置成从参数输入66接收关于模型或传递函数的信息。
在本发明的实施例中，所述处理器针对每一输入及输出声道组合计算输入信号与对应的简化传递函数的卷积。
在本发明的另一实施例中，如果简化传递函数表示为每一所选局部最大值的信号延迟与信号衰减的组合，则在时域运算中将这些应用至输入信号。
用于独立地处理混响的前部及后部的转换器60具有连接至用于分割输入信号的分割器的输入声道。处理器可针对输入声道及输出声道的不同组合计算多个混响，以便产生输出信号的前部。完全不产生后部，或者通过也连接至分割器的独立处理器产生后部，例如以像算术混响的常规方式产生后部。
处理器提供输出声道给组合器，其中将每一声道的结果前部及后部组合成要被提供给输出的单一输出信号。
经由模型输入区块提供处理器要使用的传递函数或传递函数的参数，该模型输入区块配置成从参数输入接收关于模型或传递函数的信息。
图7显示包括该转换器的音频装置。
音频装置80包括该转换器60(图6的转换器60)。音频装置例如从光盘81或传输声道(未显示)接收N个输入声道。将该N个输入声道提供给转换器60，以转换为M个声道。为此，转换器需要有关将使用的转换函数的信息。可将此信息嵌入转换器60中或音频装置80中，或者可从外部源接收此信息。图8显示从光盘检索信息的情况。在这样的情况下，光盘可包括输入声道及房间模型信息。
图8显示包括前部及后部的测量的脉冲响应。在所示实施例中，前部与后部是邻接的，但是在替代实施例中，它们也可以是重叠的或隔开的。
可分割及单独处理混响的前部及后部的处理。
在图8中再次显示图2的混响20的强度包络，但是现在以垂直虚线表示前部21、22、23、24及25与后部91间的分割点。该分割点在时间上不是固定的，而是根据声音的类型(例如，声音、古典乐、爵士乐、流行音乐等)或模型化声环境的类型而确定的。在图8的情况下，选择的分割点是在具有因相对高振幅的显著主要反射所造成的峰值的前部与具有相对均匀衰减包络形状而没有主要峰值的后部91间。从该叙述可清楚知道，本发明可有利地使用在具有其峰值的前部21、22、23、24及25上。可使用从现有技术所已知的方法及装置来处理后部91或可完全忽略后部91。
图9显示模拟前部。
脉冲响应的模拟前部100只包括通过使用本发明的模型化方法所选择的主要峰值31、32、33、34及35(等同于第5图)，但是在应用本发明的方法前移除后部。
这导致模拟混响的后部101被设定成零。
图10显示模拟后部。
脉冲响应的模型化后部110缺少前部的主要峰值31、32、33、34及35，因为在处理前移除前部，但是包括后部111。
图11显示两个声道120及121，其中使用于模型的简化传递函数中的所选峰值被选为不同的，以便避免在房间中回放时的梳形滤波效应。为了容易说明，显示两个相同脉冲响应120及121，然而实际上脉冲响应将对每一声道而言是稍微不同的。
在第一模型化脉冲响应120中，已省略第二峰值32，然而在第二模型化脉冲响应121中，已省略第四峰值34。
虽然已参考特定示范性实施例来描述本发明，但是显然在不脱离权利要求所述的本发明的较广范围下可以对这些实施例实施各种修改及变更。例如，虽然在本叙述中，已描述信号处理宛如其是以模拟方式实施的，但是本发明的所有信号处理步骤可有利地经由数字时间取样以数字方式来实施。于是，该叙述及附图应被视为描述用而非限定用。

Claims (15)

1.一种用于简化声环境(1)的模型的方法，其中所述模型包括一组传递函数，每一传递函数对应于在所述声环境(1)中从声音发射位置(2)至声音接收位置(3)的声音传播(4，5)，该方法对于每一传递函数包括下列步骤：
-通过将所述传递函数应用至在所述声音发射位置处所发射的第一激励，计算在所述声音接收位置处接收的所述第一激励的第一模拟混响；
其特征在于所述方法还包括下列步骤：
-选择在第一模拟混响的强度包络(30)中的一组局部最大值(31，32，33，34，35)的子集(31，32，35)；以及
-计算简化传递函数，该简化传递函数被应用至所述第一激励时提供第二模拟混响，所述第二模拟混响具有与所述第一模拟混响的局部最大值(31，32，33，34，35)的所述所选子集(31，32，35)匹配的强度包络。
2.如权利要求1所述的方法，其中局部最大值(31，32，33，34，35)的所述所选子集(31，32，35)的数目不大于预定最大值。
3.如权利要求1所述的方法，其中从高于时间-强度衰减函数的那些局部最大值之中选择局部最大值(31，32，33，34，35)的所述所选子集(31，32，35)。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述衰减函数是指数衰减函数。
5.如权利要求1-4中任何一项所述的方法，其中通过与所述第一激励的卷积来应用所述简化传递函数。
6.如权利要求1至4中任何一项所述的方法，其中所述简化传递函数表示成每一所选局部最大值(31，32，35)的信号延迟与信号衰减的组合，并且在时域运算中应用至所述第一激励。
7.一种用于将包括N个输入声道的第一音频流转换为包括M个输出声道的第二音频流的方法，该方法对于每一输入及输出声道包括下列步骤：
-在使用如权利要求1至6中任何一项所述的方法所简化的M-声道声环境(1)的模型中，选择与所述输入声道及输出声道相关联的简化传递函数；以及
-通过应用所述所选简化传递函数，处理来自所述输入声道的输入信号，以针对所述输出声道产生输出信号的至少一部分。
8.如权利要求7所述的方法，其中M＞N。
9.如权利要求7所述的方法，其中对于M个输出声道中的至少两个声道，简化传递函数所匹配的局部最大值(31，32，33，34，35)的所选子集(31，32，35)是不同的。
10.如权利要求7所述的方法，其中对于所有M个输出声道，简化传递函数所匹配的局部最大值(31，32，33，34，35)的所选子集(31，32，35)是不同的。
11.如权利要求7至10中任何一项所述的方法，其中所述输出信号包括前部(31，32，33，34，35)及后部(91)。
12.如权利要求11所述的方法，其中使用所述简化传递函数只产生前部(91)。
13.如权利要求12所述的方法，其中由输入信号的算术混响产生后部(91)。
14.一种用于使用如权利要求7至13项中任何一项所述的方法来将包括N个输入声道(54)的第一音频信号转换为包括M个计算的声道(55)的第二音频信号的转换器(50)，转换器(50)包括：
-N个输入(54)及M个输出(55)；以及
-处理器(51)，用于将所述简化传递函数组应用至在输入声道(54)上所接收的音频信号，以便获得计算的输出声道(55)的混响成分；以及
其特征在于：转换器(50)还包括由所述处理器(51)所使用的数据载体(52)，其中该数据载体至少具有与所述简化传递函数组相关联的系数。
15.如权利要求14所述的转换器，其中所述数据载体(52)是连接至所述处理器(50)的瞬时计算机内存。
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