CN109429167B - 音频强化装置及方法 - Google Patents

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CN109429167B CN201710770460.6A CN201710770460A CN109429167B CN 109429167 B CN109429167 B CN 109429167B CN 201710770460 A CN201710770460 A CN 201710770460A CN 109429167 B CN109429167 B CN 109429167B
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Abstract

一种音频强化装置，包括：音频计算模块、比例计算模块、最小值追踪模块、权重产生模块以及混合模块。音频计算模块根据输入第一及输入第二声道信号之和及差分别计算中央信号及侧边信号。比例计算模块计算侧边信号相对中央信号的侧中比例。最小值追踪模块追踪特定时间长度内侧中比例的侧中比例最小值。权重产生模块根据侧中比例最小值决定第一及第二权重。混合模块使中央信号以及侧边信号分别根据第一及第二权重值加权后，据以对第一及第二声道信号调整产生增强第一声道信号以及增强第二声道信号。

Description

音频强化装置及方法
技术领域
本发明涉及音频强化技术，且特别涉及一种音频强化装置及方法。
背景技术
在扬声器播放双声道信号时，听者会根据左右耳收到的音频的音压差、时间差、相位差来感知音源的方向及距离，进而产生立体的听觉。然而，当两个扬声器摆放的距离很近时，上述音压差、时间差、相位差的差距变小，所产生的狭窄音场会造成听者无法有效地判断音源位置，而较难建立立体的听觉感受。
因此，如何设计一个新的音频强化装置及方法，以解决上述的缺失，乃为此一业界亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种音频强化(audio enhancement)装置，包括：音频计算模块、比例计算模块、最小值追踪模块、权重产生模块以及混合模块。音频计算模块配置以根据输入第一声道信号以及输入第二声道信号之和及差分别计算中央信号以及侧边信号。比例计算模块配置以计算侧边信号相对中央信号的侧中比例。最小值追踪模块配置以追踪特定时间长度内侧中比例的侧中比例最小值。权重产生模块配置以根据侧中比例最小值决定第一权重值以及第二权重值。混合模块配置以使中央信号以及侧边信号分别根据第一权重值以及第二权重值加权后，据以对输入第一声道信号以及输入第二声道信号调整产生增强第一声道信号以及增强第二声道信号。
本发明的另一目的在于提供一种音频强化方法，包括：使音频计算模块根据输入第一声道信号以及输入第二声道信号之和及差分别计算中央信号以及侧边信号；使比例计算模块计算侧边信号相对中央信号的侧中比例；使最小值追踪模块追踪特定时间长度内侧中比例的侧中比例最小值；使权重产生模块根据侧中比例最小值决定第一权重值以及第二权重值；以及使混合模块使中央信号以及侧边信号分别根据第一权重值以及第二权重值加权后，据以对输入第一声道信号以及输入第二声道信号调整产生增强第一声道信号以及增强第二声道信号。
应用本发明的优点在于通过计算侧中比例得知侧边信号相对中央信号的关系，并进一步追踪侧中比例最小值避免暂时性的声音变化造成误判。接着，根据侧中比例最小值对中央信号以及侧边信号进行加权后，音频强化装置可调整输入第一声道信号及输入第二声道信号，以加强音场的特性，产生更佳的听觉效果。
附图说明
图1为本发明一实施例中，一种音频强化装置的方块图；
图2为本发明一实施例中，图1的音频强化装置于一实作范例中的方块图；
图3为本发明一实施例中，音频强化装置的方块图；
图4为本发明一实施例中，音频强化装置的方块图；以及
图5为本发明一实施例中，音频强化方法的流程图。
附图标记说明：
1：音频强化装置 100：音频计算模块
102：比例计算模块 104：最小值追踪模块
106：权重产生模块 108：混合模块
200A、200B：加法器 201A、201B：带阻滤波器
202A、202B：带通滤波器 204A、204B、204C、204D：
206A、206B：加法器 乘法器
208A、208B：延迟模块 210A、210B：加法器
3：音频强化装置 300：串音消除模块
4：音频强化装置 400：中央信号最小值追踪模块
402：中央比例计算模块 500：音频强化方法
501-505：步骤
具体实施方式
请同时参照图1及图2。图1为本发明一实施例中，一种音频强化装置1的方块图。图2为本发明一实施例中，图1的音频强化装置1于一实作范例中的方块图。
音频强化装置1包括：音频计算模块100、比例计算模块102、最小值追踪模块104、权重产生模块106以及混合模块108。
音频计算模块100可由包含例如，但不限于图2所示的加法器200A及加法器200B的运算模块实现。
音频计算模块100配置以根据输入第一声道信号Lin及输入第二声道信号Rin之和及差，分别计算中央信号MID及侧边信号SIDE。于一实施例中，输入第一声道信号Lin及输入第二声道信号Rin分别为例如，但不限于输入的左声道信号以及右声道信号。
其中，中央信号MID对于聆听者而言，相当于输入第一声道信号Lin及输入第二声道信号Rin对应中间方向的成分，并可由下式表示：
MID＝Lin+Rin(式1)
侧边信号SIDE对于聆听者而言，相当于输入第一声道信号Lin及输入第二声道信号Rin对应侧边方向的成分，并可由下式表示：
SIDE＝Lin-Rin(式2)
比例计算模块102配置以计算侧边信号SIDE相对中央信号MID的侧中比例RSM。
于一实施例中，比例计算模块102将侧边信号SIDE的绝对值以及中央信号MID的绝对值相除产生侧中比例RSM，并可由下式表示：
RSM＝SIDE/MID＝(|Lin-Rin|)/(|Lin+Rin|)(式3)
于其他实施例中，侧边信号SIDE以及中央信号MID间的比例关系，亦可能由其他可表现出类似意涵的方式替代，不为上述两者相除的方式所限。举例而言，侧中比例RSM亦可能为侧边信号SIDE的方均根以及中央信号MID的方均根相除，或是第一声道信号与第二声道信号间的相关系数倒数(inverse correlation coefficient)替代，或是其他可表现出侧边信号SIDE以及中央信号MID间的比例关系意涵的形式。于一实施例中，当相关系数很大，也就是相关系数倒数很小时，代表左右信号极为相似，比较像是来自正前方的声音频信号；相反的，若数值比较小，则代表着音源是来自于其他方向。
最小值追踪模块104配置以追踪特定时间长度内侧中比例RSM的侧中比例最小值RSMmin。举例而言，最小值追踪模块104可追踪5秒内的侧中比例RSM，以撷取此时间长度内的侧中比例最小值RSMmin。
于一实施例中，由于输入第一声道信号Lin及输入第二声道信号Rin可能会有短暂的变化影响侧中比例RSM的数值，例如对话中的清音(unvoiced)部分。因此，通过最小值追踪模块104所产生的侧中比例最小值RSMmin将具有较高的可靠度，可有效避免造成的误差，或是避免实时运算所观察到的短暂剧烈变化。
权重产生模块106配置以根据侧中比例最小值RSMmin决定第一权重值α及第二权重值β。于一实施例中，音频强化装置1可包含配置以储存映射表的储存单元(未绘示)。权重产生模块106可撷取映射表，并根据侧中比例最小值RSMmin查询映射表来决定第一权重值α及第二权重值β。
于其他实施例中，权重产生模块106亦可根据预设的演算法决定第一权重值α及第二权重值β，不为上述的实施方式所限。
混合模块108配置以使中央信号MID以及侧边信号SIDE分别根据第一权重值α及第二权重值β加权后，据以对输入第一声道信号Lin及输入第二声道信号Rin调整产生增强第一声道信号Len以及增强第二声道信号Ren。
于一实施例中，混合模块108配置以使输入第一声道信号Lin与加权的中央信号MID以及加权的侧边信号SIDE相加，以产生增强第一声道信号Len，并可由下式表示：
Len＝Lin+α×0.5×MID+β×0.5×SIDE(式4)
另一方面，混合模块108配置以使输入第二声道信号Rin与加权的中央信号MID相加，并与加权的侧边信号SIDE相减，以产生增强第二声道信号Ren，并可由下式表示：
Ren＝Rin+α×0.5×MID-β×0.5×SIDE(式5)
于一实施例中，当侧中比例最小值RSMmin愈大，第一权重值α愈小且第二权重值β愈大。当侧中比例最小值RSMmin愈小，第一权重值α愈大且第二权重值β愈小。
更详细地说，当侧中比例最小值RSMmin愈大时，表示侧边信号SIDE的强度有大于中央信号MID的强度的趋势。换句话说，输入第一声道信号Lin与输入第二声道信号Rin间的差异程度大于相似程度。此时，较小的第一权重值α以及较大的第二权重值β将使得增强第一声道信号Len以及增强第二声道信号Ren的差异性更大，造成更宽敞的听觉效果。
而当侧中比例最小值RSMmin愈小时，表示中央信号MID的强度有大于侧边信号SIDE的强度的趋势。换句话说，输入第一声道信号Lin与输入第二声道信号Rin间的相似程度大于差异程度。此时，较大的第一权重值α以及较小的第二权重值β将使得增强第一声道信号Len以及增强第二声道信号Ren的相似性更大，造成更强烈的前方听觉效果。
于一实施例中，第一权重值α及第二权重值β的总和为1。举例而言，当第一权重值α为0.9时，第二权重值β为0.1。而当第一权重值α为0.3时，第二权重值β为0.7。然而，本发明并不以此为限。
在一个实作的范例中，上述的第一权重值α及第二权重值β仅对输入第一声道信号Lin及输入第二声道信号Rin中，特定频带的部分产生影响。因此，音频强化装置1可如图2所示，还包含带通滤波器202A及202B，分别对输入第一声道信号Lin及输入第二声道信号Rin进行带通滤波，以产生带通滤波后的输入第一声道信号
Figure BDA0001394920440000051
及输入第二声道信号
Figure BDA0001394920440000052
原本的输入第一声道信号Lin可表示为：
Figure BDA0001394920440000053
原本的输入第二声道信号Rin可表示为：
Figure BDA0001394920440000054
其中，
Figure BDA0001394920440000055
为不包含经过带通滤波的输入第一声道信号
Figure BDA0001394920440000056
的信号，而
Figure BDA0001394920440000057
为不包含经过带通滤波的输入第二声道信号
Figure BDA0001394920440000061
的信号。
因此，(式4)可进一步以下式表示
Figure BDA0001394920440000062
(式5)可进一步以下式表示
Figure BDA0001394920440000063
其中，γ＝2×α-1。换句话说，第一权重值α相当于(γ+1)/2，而第二权重值β相当于1-(γ+1)/2。因此，于本实施例中，权重产生模块106可根据侧中比例最小值RSMmin决定γ，进一步间接决定第一权重值α与第二权重值β。
因此，在此实作的范例中，混合模块108如图2所示，还包含乘法器204A、204B、204C、204D及加法器206A、206B。
其中，在权重产生模块106决定γ后，分别通过乘法器204A及204B与带通滤波器202A及202B产生的
Figure BDA0001394920440000064
以及
Figure BDA0001394920440000065
相乘，以产生0.5×
Figure BDA0001394920440000066
及
Figure BDA0001394920440000067
的项次。
此外，带通滤波器202A及202B的
Figure BDA0001394920440000068
以及
Figure BDA0001394920440000069
更分别通过乘法器204C及204D与参数1.5相乘，产生
Figure BDA00013949204400000610
以及
Figure BDA00013949204400000611
的项次。
为产生不包含输入第一声道信号
Figure BDA00013949204400000612
及输入第二声道信号
Figure BDA00013949204400000613
后的信号
Figure BDA00013949204400000614
及
Figure BDA00013949204400000615
音频强化装置1可还包含带阻滤波器(Band-Rejection Filter)201A及201B。
依据一实施例，带阻滤波器201A包含延迟模块208A及加法器210A，带阻滤波器201B包含延迟模块208B及加法器210B。延迟模块208A及208B配置以分别对原始的输入第一声道信号Lin与输入第二声道信号Rin延迟，以匹配带通滤波器202A及202B造成的延迟，再进一步通过加法器210A及210B移除带通滤波器202A及202B产生的
Figure BDA00013949204400000616
以及
Figure BDA00013949204400000617
以产生
Figure BDA00013949204400000618
及
Figure BDA00013949204400000619
的项次。于其他实施例中，为产生不包含输入第一声道信号
Figure BDA00013949204400000620
及输入第二声道信号
Figure BDA00013949204400000621
后的信号
Figure BDA00013949204400000622
及
Figure BDA00013949204400000623
的带阻滤波方法，亦可能由其他方式求得，不为上述延迟、相减的方式为限。
进一步地，加法器206A将对于
Figure BDA0001394920440000071
以及
Figure BDA0001394920440000072
进行加总，以达到(式6)的运算结果，产生增强第一声道信号Len。
另一方面，加法器206B将对于
Figure BDA0001394920440000073
以及
Figure BDA0001394920440000074
进行加总，以达到(式7)的运算结果，产生增强第二声道信号Ren。
需注意的是，图2中的模块架构仅为一可能的实施范例。于其他实施例中，亦可能通过其他的模块架构实现，不为图2绘示的模块架构所限。举例而言，于另一实施例中，权重产生模块106亦可不通过γ间接决定第一权重值α与第二权重值β，而直接决定第一权重值α与第二权重值β并分别通过乘法器对中央信号MID以及侧边信号SIDE进行加权。
本发明的音频强化装置1可通过计算侧中比例RSM得知侧边信号SIDE相对中央信号MID的关系，并进一步追踪侧中比例最小值RSMmin避免暂时性的突发音量造成误判。接着，根据侧中比例最小值RSMmin对中央信号MID以及侧边信号SIDE进行加权后，音频强化装置1可调整输入第一声道信号Lin及输入第二声道信号Rin，以加强音场的特性，产生更佳的听觉效果。
请参照图3。图3为本发明一实施例中，音频强化装置3的方块图。音频强化装置3与图1所绘示的音频强化装置1类似，包括：音频计算模块100、比例计算模块102、最小值追踪模块104、权重产生模块106以及混合模块108。然而，图3的音频强化装置3还包含串音消除模块300。
串音消除模块300配置以接收增强第一声道信号Len以及增强第二声道信号Ren进行串音消除。举例而言，当第一声道信号Len以及增强第二声道信号Ren分别对应于左声道以及右声道，且两边扬声器的来源非常靠近时，来自两边扬声器的信号到一边耳朵的音压差、时间差相近，使得听者感受声音的方向错误。因此，串音消除模块300将可进行串音消除抵消这样的效应，以分别产生输出第一声道信号Lout以及输出第二声道信号Rout。
于不同实施例中，串音消除模块300可通过递回处理(recursive processing)或是非递回处理(non-recursive processing)的方式进行串音消除。
在进行串音消除的程序中，容易对中央信号MID的成分衰减。在前述侧中比例最小值RSMmin愈小的状况中，较大的第一权重值α以及较小的第二权重值β不仅使增强第一声道信号Len以及增强第二声道信号Ren的相似性更大，造成更强烈的前方听觉效果，更可对于串音消除模块300的衰减达到补偿的技术效果。
请参照图4。图4为本发明一实施例中，音频强化装置4的方块图。音频强化装置4与图1所绘示的音频强化装置1类似，包括：音频计算模块100、比例计算模块102、最小值追踪模块104、权重产生模块106以及混合模块108。然而，图4的音频强化装置4还包含中央信号最小值追踪模块400以及中央比例计算模块402。
中央信号最小值追踪模块400配置追踪特定时间长度内中央信号MID的中央信号最小值MIDmin。举例而言，中央信号最小值追踪模块400可对中央信号MID进行追踪5秒内的数值，例如绝对值。以撷取此时间长度内的中央信号最小值MIDmin。
接着，中央比例计算模块402配置以计算中央信号MID的绝对值相对中央信号最小绝对值MIDmin的中央比例RMID，并可由下式表示：
RMID＝|MID|/MIDmin(式8)
于一实施例中，中央比例RMID相当于信噪比(signal to noise rato；SNR)的计算，在数值大时，表示中央方有声音出现。
因此，音频强化装置4中的权重产生模块106可配置以同时根据侧中比例最小值RSMmin以及中央比例RMID决定第一权重值α及第二权重值β。举例来说，当中央比例RMID大于一个很高的阈值(threshold)，代表着前方出现了声音，例如语音的开始，这时不论测中最小值RSMmin多少都是选择最大的第一权重值α。当中央比例RMID没有高于很高的阈值，则就根据测中最小值RSMmin决定第一权重值α。
请参照图5。图5为本发明一实施例中，音频强化方法500的流程图。音频强化方法500可应用于图1的音频强化装置1中。音频强化方法500包含下列步骤(应了解到，在本实施方式中所提及的步骤，除特别叙明其顺序者外，均可依实际需要调整其前后顺序，甚至可同时或部分同时执行)。
于步骤501，使音频计算模块100根据输入第一声道信号Lin及输入第二声道信号Rin之和及差分别计算中央信号MID以及侧边信号SIDE。
于步骤502，使比例计算模块102计算侧边信号SIDE相对中央信号MID的侧中比例RSM。
于步骤503，使最小值追踪模块104追踪特定时间长度内侧中比例RSM的侧中比例最小值RSMmin。
于步骤504，使权重产生模块106根据侧中比例最小值RSMmin决定第一权重值α及第二权重值β。
于步骤505，使混合模块108使中央信号MID以及侧边信号SIDE分别根据第一权重值α及第二权重值β加权后，据以对输入第一声道信号Lin及输入第二声道信号Rin调整产生增强第一声道信号Len以及增强第二声道信号Ren。
需注意的是，上述的各个模块或方法步骤，可依据设计者的需求，通过硬件、软件或是固件来实现。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种音频强化装置，包括：
一音频计算模块，配置以根据一输入第一声道信号以及一输入第二声道信号之和及差分别计算一中央信号以及一侧边信号；
一比例计算模块，配置以计算该侧边信号相对该中央信号的一侧中比例；
一最小值追踪模块，配置以追踪特定时间长度内该侧中比例的一侧中比例最小值；
一权重产生模块，配置以根据该侧中比例最小值决定一第一权重值以及一第二权重值；以及
一混合模块，配置以使该中央信号以及该侧边信号分别根据该第一权重值以及该第二权重值加权后，据以对该输入第一声道信号以及该输入第二声道信号调整产生一增强第一声道信号以及一增强第二声道信号；
其中，该音频强化装置还包括：
一第一带通滤波器，配置以对该输入第一声道信号进行带通滤波产生一带通滤波后输入第一声道信号；
一第一带阻滤波器，配置以对该输入第一声道信号延迟并与该带通滤波后输入第一声道信号相减产生一第一剩余信号；
一第二带通滤波器，配置以对该输入第二声道信号进行带通滤波产生一带通滤波后输入第二声道信号；以及
一第二带阻滤波器，配置以对该输入第二声道信号延迟并与该带通滤波后输入第二声道信号相减产生一第二剩余信号；
使该混合模块分别根据该第一权重值以及该第二权重值对该带通滤波后输入第一声道信号以及该带通滤波后输入第二声道信号进行加权，以进一步分别与该第一剩余信号以及该第二剩余信号迭加产生该增强第一声道信号以及该增强第二声道信号。
2.如权利要求1所述的音频强化装置，其中该混合模块更配置以使该输入第一声道信号以及该输入第二声道信号均与加权的该中央信号相加，并使该输入第一声道信号以及该输入第二声道信号其中一者与加权的该侧边信号相加且另一者与加权的该侧边信号相减；以及其中当该侧中比例最小值愈大，该第一权重值愈小且该第二权重值愈大，当该侧中比例最小值愈小，该第一权重值愈大且该第二权重值愈小。
3.如权利要求1所述的音频强化装置，其中该第一权重值以及该第二权重值是根据该侧中比例最小值查询一映射表决定，其中该第一权重值以及该第二权重值之和为1。
4.一种音频强化方法，包括：
使一音频计算模块根据一输入第一声道信号以及一输入第二声道信号之和及差分别计算一中央信号以及一侧边信号；
使一比例计算模块计算该侧边信号相对该中央信号的一侧中比例；
使一最小值追踪模块追踪特定时间长度内该侧中比例的一侧中比例最小值；
使一权重产生模块根据该侧中比例最小值决定一第一权重值以及一第二权重值；以及
使一混合模块使该中央信号以及该侧边信号分别根据该第一权重值以及该第二权重值加权后，据以对该输入第一声道信号以及该输入第二声道信号调整产生一增强第一声道信号以及一增强第二声道信号；
该音频强化方法还包含：
使一第一带通滤波器对该输入第一声道信号进行带通滤波产生一带通滤波后输入第一声道信号；
使一第一带阻滤波器对该输入第一声道信号延迟并与该带通滤波后输入第一声道信号相减产生一第一剩余信号；
使一第二带通滤波器对该输入第二声道信号进行带通滤波产生一带通滤波后输入第二声道信号；
使一第二带阻滤波器对该输入第二声道信号延迟并与该带通滤波后输入第二声道信号相减产生一第二剩余信号；以及
使该混合模块分别根据该第一权重值以及该第二权重值对该带通滤波后输入第一声道信号以及该带通滤波后输入第二声道信号进行加权，以进一步分别与该第一剩余信号以及该第二剩余信号迭加产生该增强第一声道信号以及该增强第二声道信号。
5.如权利要求4所述的音频强化方法，还包含：
使该混合模块使该输入第一声道信号以及该输入第二声道信号均与加权的该中央信号相加，并使该输入第一声道信号以及该输入第二声道信号其中一者与加权的该侧边信号相加且另一者与加权的该侧边信号相减；
其中当该侧中比例最小值愈大，该第一权重值愈小且该第二权重值愈大，当该侧中比例最小值愈小，该第一权重值愈大且该第二权重值愈小。
6.如权利要求4所述的音频强化方法，还包含：
根据该侧中比例最小值查询一映射表决定该第一权重值以及该第二权重值，其中该第一权重值以及该第二权重值之和为1。
7.如权利要求4所述的音频强化方法，还包含：
使一串音消除模块接收该增强第一声道信号以及该增强第二声道信号进行串音消除，以分别产生一输出第一声道信号以及一输出第二声道信号。
8.如权利要求4所述的音频强化方法，还包含：
使一中央信号最小值追踪模块在每一第二追踪特定时间长度内该中央信号的一中央信号最小值；
使一中央比例计算模块计算该中央信号相对该中央信号最小值的一中央比例；以及
使该权重产生模块根据该侧中比例最小值以及该中央比例决定该第一权重值以及该第二权重值。
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