CN111357197A - 音频系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种音频系统及其控制方法。本公开的一方面在于根据用户设定音量和音频系统的硬件特性来提供最佳收听状态。该音频系统包括：信号输入器，被配置为接收输入音频信号；信号处理器，被配置为对输入音频信号的每个区域可变地应用动态范围，对输入音频信号应用缩放，该缩放的大小对应于由用户设定音量确定的增强增益的相反数，通过应用增强增益来执行对输入音频信号的音调映射，执行针对输入音频信号补偿缩放的相反数的信号补偿，以及根据用户设定音量应用主音量；存储器，被配置为存储信号处理器的信号处理中使用的参数；以及信号输出器，被配置为输出由信号处理器处理的音频信号。

Description

音频系统及其控制方法

技术领域

本公开涉及一种音频系统。

背景技术

在数字音频信号处理系统中，在执行数字音频信号处理之前，考虑到对信号处理应用的缩放或增益，将余量(headroom)应用于输入的数字音频信号。经过一系列信号处理过程后，具有余量的数字音频信号根据用户设定音量而衰减，然后输出到放大器和扬声器。

音频系统的输出动态范围受到音频系统的硬件级别限制(例如，扬声器的物理特性和用户设定音量)的限制。特别地，由于用户设定音量，总音量可能减小。由于输出动态范围或音量减小的限制，用户(聆听者)难以很好地欣赏音频信号的原始的丰富低音、清晰的语音和细小的声音。另外，即使用户设定音量高，音频信号也可能由于扬声器的物理特性而失真。

发明内容

【技术问题】

本公开的一方面在于根据用户设定音量和音频系统的硬件特性来提供最佳的收听状态。

【技术方案】

本公开的一方面提供了一种音频系统，包括：信号输入器，被配置为接收输入音频信号；信号处理器，被配置为：对所述输入音频信号的每个区域可变地应用动态范围，对所述输入音频信号应用缩放，所述缩放的大小对应于由用户设定音量确定的增强增益的相反数，通过应用所述增强增益来执行对所述输入音频信号的音调映射，执行针对所述输入音频信号补偿所述缩放的所述相反数的信号补偿，以及根据所述用户设定音量应用主音量；存储器，被配置为存储所述信号处理器的信号处理中使用的参数；以及信号输出器，被配置为输出由所述信号处理器处理的音频信号。

所述信号处理器可以包括：预信号处理器，被配置为对所述输入音频信号的每个区域可变地应用所述动态范围；以及预缩放处理器，被配置为对所述输入音频信号应用所述缩放，所述缩放的大小对应于由所述用户设定音量确定的所述增强增益的相反数；主信号处理器，被配置为通过应用所述增强增益来执行对所述输入音频信号的所述音调映射；以及后信号处理器，被配置为执行针对所述输入音频信号补偿所述缩放的相反数的信号补偿。

所述主信号处理器可以被配置为通过根据所述用户设定音量反映人的听力特性和所述音频系统的输出特性来执行所述音调映射。

所述主信号处理器可以被配置为对整个音量区间的每个音量级应用不同曲线的音调映射。

所述主信号处理器可以被配置为将整个音量区间划分为多个单位音量区间，并且对所述多个单位区间中的每个单位区间应用不同曲线的音调映射。

所述主信号处理器可以被配置为将整个音量区间划分为低音量区间和高音量区间，并且对所述低音量区间和所述高音量区间中的每个音量区间应用不同曲线的音调映射。

所述音频系统还可以包括主音量控制器，被配置为根据所述用户设定音量应用所述主音量。

所述音频系统还可以包括在所述预信号处理器的信号处理之前，将余量应用于所述输入音频信号。

所述音频系统还可以包括在所述预信号处理器的信号处理之后，将余量应用于所述输入音频信号。

本公开的另一方面提供一种控制音频系统的方法，包括：预信号处理步骤，对输入音频信号的每个区域可变地应用动态范围；预缩放处理步骤，对所述输入音频信号应用缩放，所述缩放的大小对应于由用户设定音量确定的增强增益的相反数；主信号处理步骤，通过应用所述增强增益来执行对所述输入音频信号的音调映射；以及后信号处理步骤，执行针对所述输入音频信号补偿所述缩放的相反数的信号补偿。

所述主信号处理步骤可以被配置为通过根据所述用户设定音量反映人的听力特性和所述音频系统的输出特性来执行所述音调映射。

所述主信号处理步骤可以被配置为对整个音量区间的每个音量级应用不同曲线的音调映射。

所述主信号处理步骤可以被配置为将整个音量区间划分为多个单位音量区间，并且对所述多个单位区间中的每个单位区间应用不同曲线的音调映射。

所述主信号处理步骤可以被配置为将整个音量区间划分为低音量区间和高音量区间，并且对所述低音量区间和所述高音量区间中的每个音量区间应用不同曲线的音调映射。

所述方法还可以包括主音量控制步骤，根据所述用户设定音量应用主音量。

所述方法还可以包括在所述预信号处理步骤中进行信号处理之前，将余量应用于所述输入音频信号。

所述方法还可以包括在所述预信号处理步骤中进行信号处理之后，将余量应用于所述输入音频信号。

本公开的另一方面提供一种控制音频系统的方法，包括：预信号处理步骤，对输入音频信号的每个区域可变地应用动态范围；预缩放处理步骤，对所述输入音频信号应用缩放，所述缩放的大小对应于由用户设定音量确定的增强增益的相反数；主信号处理步骤，通过应用所述增强增益来执行对所述输入音频信号的音调映射；主音量控制步骤，根据所述用户设定音量应用主音量；以及后信号处理步骤，执行针对所述输入音频信号补偿所述缩放的相反数的信号补偿。

所述方法还可以包括将整个音量区间划分为低音量区间、高音量区间和中间音量区间；当所述用户设定音量属于所述低音量区间时，执行所述预信号处理步骤、所述预缩放处理步骤、所述主信号处理步骤、所述主音量控制步骤和所述后信号处理步骤；当所述用户设定音量属于所述高音量区域时，仅执行所述主信号处理步骤、所述主音量控制步骤和所述后信号处理步骤；以及当所述用户设定音量属于所述中间音量区间时，仅执行所述主音量控制步骤和所述后信号处理步骤。

本公开的另一个方面提供了一种音频系统，包括：预信号处理步骤，对输入音频信号的每个区域可变地应用动态范围；预信号处理器，被配置为通过对基于输入音频信号电平划分的每个区域可变地应用动态范围来改变每个区域的音量；预缩放处理器，被配置为计算由用户设定音量确定的增强增益，并且将与所述增强增益的相反数相对应的大小的缩放应用于所述输入音频信号；主信号处理器，被配置为通过应用由所述用户设定音量确定的所述增强增益来执行对所述输入音频信号的音调映射；以及后信号处理器，被配置为执行针对所述输入音频信号补偿所述缩放的相反数的信号补偿，所述缩放是由所述预缩放处理器应用的。

【有益效果】

根据实施例的一个方面，可以根据用户设置音频系统的音量和硬件特性来提供最佳收听状态。

附图说明

图1是示出根据实施例的音频系统的示例的视图。

图2是示出根据实施例的用于音频系统中的信号处理的配置的视图。

图3是用于描述余量和动态范围的视图。

图4是详细示出图3所示的音频系统的信号处理器的配置的视图。

图5是示出根据实施例的控制音频系统的方法的视图。

图6是示出根据实施例的通过动态范围重映射的输入音频信号的变化的视图。

图7是示出根据实施例的用于预信号处理器的动态范围重映射的参数设置的视图。

图8是示出根据实施例的用于动态范围重映射的动态范围压缩曲线的示例的视图。

图9是示出根据实施例的动态范围重映射的概念的视图。

图10是示出根据实施例的根据音频系统的预缩放应用的输入音频信号的动态范围的变化的视图。

图11是示出根据用户设定音量的扬声器的输出特性的视图。

图12是示出相等响度曲线的视图。

图13是示出根据实施例的由音频系统的主信号处理器生成的音调映射曲线的示例的图。

图14是示出根据实施例的在音频系统中执行动态范围重映射和音调映射的信号的视图。

图15是图14I至图14III的每个频率的特性图。

图16是将根据实施例的音频系统的动态范围的变化与常规情况进行比较的视图。

图17是示出根据实施例的用于对音频系统的每个音量区间进行差异化信号处理的音量区间的分区的视图。

图18是示出根据实施例的对音频系统的每个音量区间的差异化信号处理方法的视图。

图19是示出根据实施例的在音频系统的信号处理中执行动态范围重映射的位置的修改实施例的视图。

具体实施方式

图1是示出根据实施例的音频系统的示例的视图。

图1所示的音频系统100的示例是电视机104。电视机104基本上是图像装置，但是当通过电视机104观看视频内容时，不仅图像质量而且音频质量可以是重要视点。因此，可以说用于从电视机104输出高质量音频的音频信号处理与视频信号处理一样重要。扬声器492可以安装在电视机104中。根据实施例的音频系统100不限于电视机104，并且可以包括需要音频信号处理的各种设备，例如用于听音乐的专业音频设备或使用笔记本电脑/台式机的PC-FI。

图2是示出根据实施例的用于音频系统中的信号处理的配置的视图。特别地，图2是示出用于音频信号处理的设备配置的视图。

如图2所示，输入的音频信号通过信号输入器210、信号处理器250和信号输出器290最终被输出。存储器270连接到信号处理器270。可以提供控制器200以参与音频系统100的整体控制。特别地，控制器200可以控制整个信号处理过程，直到最终输出输入音频信号为止。用户输入器230可以连接到控制器200。用户输入器230可以是音频系统100中提供的用户接口。特别地，用户输入器230可以包括用于用户设定音量的音量控制。用户通过用户输入器230设定的用户设定音量可以通过控制器200传输给信号处理器250和存储器270。

信号输入器210可以包括余量(见图4中的412)。在实施例中，余量412可以指用于应用余量的设备，但是也可以指被应用于音频信号的余量本身。可以考虑用于输入音频信号的信号处理的缩放或增益来将余量412应用于输入音频信号。在一系列信号处理过程之后，可以通过扬声器492输出被应用了余量412的音频信号。可以在音频信号处理的前端处提供余量412，以防止在处理音频信号时可能发生的诸如溢出(overflow)或削波(clipping)的问题。

信号输出器290可以包括扬声器(见图4中的492)。而且，信号输出器290还可以包括放大器。

图3是用于描述余量和动态范围的视图。

如图3所示，动态范围是音频系统100的峰值电平(最大信号电平)与噪声电平之比，以分贝dB为单位。动态范围可以表示音频系统100可以进行处理而没有失真和噪声的范围。低于噪声电平的音频信号可以被认为是噪声。超过的音频信号具有输入和输出不同的现象，即发生失真。动态范围可以说是可以在音频系统100中处理的信号电平的电平，不包括失真和噪声。因此，音频系统100的动态范围越宽，可以输出越大的音频信号音量。

信噪比可以指从噪声电平到均方根(RMS)上限的区域。余量412可以指直至RMS上限和峰值电平的区域。即，余量412是用于通过信号处理防止当输入音频信号超过峰值电平时生成的音频信号失真的区域。

图4是详细示出图3所示的音频系统的信号处理器的配置的视图。

在图4中，信号输入器210包括余量412，并且信号输出器290包括扬声器492，先前已经在图2中提及。

如图4所示，音频系统100的信号处理器250可以包括预信号处理器452、预缩放处理器454和主信号处理器456、主音量控制器458、后信号处理器460中的一些或全部。

在描述信号处理器250之前，将描述在存储器270中提供的查找表472、474和476。存储器270可以提供有多个查找表472、474和476。查找表472、474和476中的每个可以分别对应于预信号处理器452、预缩放处理器454和主信号处理器456。特别地，还可以将与预缩放处理器454相对应的查找表474的值提供给后信号处理器460。可以将用户设定音量输入到三个查找表472、474和476和主音量控制器458。

查找表474、474和476中的每个可以存储在预信号处理器452、预缩放处理器454和主信号处理器456的信号处理中使用的各种参数。存储在查找表472、474和476中的参数具有基于音频系统100的硬件特性和用户音量设定的值。当处理音频信号时，预信号处理器452、预缩放处理器454、主信号处理器456中的每个可以基于音频系统100的硬件特性和用户音量设定从查找表472、474和476中获取适当的参数。

在信号处理器250中，预信号处理器452可以通过动态范围重映射对基于输入音频信号的电平划分的每个区域应用动态范围，使得音量对输入音频信号的每个区域是不同的。即，预信号处理器452可以考虑由于音频系统100的硬件特性引起的限制而导致的可变输出动态范围条件来分析输入音频信号的动态范围，可以生成与用户设定音量的每个音量级对应的最佳动态范围重映射曲线，并且可以应用所生成的范围，以重新布置输入音频信号的动态范围。

预缩放处理器454可以计算通过用户设定音量确定的增强增益，并且可以将与增强增益的相反数相对应大小的缩放应用于输入音频信号。即，预缩放处理器454可以应用根据用户设定音量而变化的最佳缩放。预缩放处理器454的缩放的应用是为了即使在位于预缩放处理器454的下一级的主信号处理器456中增强音频信号时也可以防止诸如溢出或削波之类的问题。在主信号处理器456中进行信号处理之前，预缩放器454中的预缩放可以将输入音频信号的分辨率保持为尽可能接近原始声音。

主信号处理器456可以通过应用由用户设定音量确定的增强增益来应用输入音频信号的音调映射。即，主信号处理器456可以根据音频系统100的硬件特性和用户设定音量来反映人的听力特性，并且可以根据用户设定音量的步级执行音调映射。也就是说，主信号处理器456可以接收在先前步级中经过动态范围重映射和预缩放的音频信号，可以根据音频系统100的硬件特性(例如，扬声器的物理特性)和用户设定音量来反映人的听力特性，并且可以根据用户设定音量的步级执行音调映射。对于音调映射，可以将不同曲线的音调映射应用于整个音量区间的每个音量级。可替代地，整个音量区间可以被划分为多个单位音量区间，并且不同曲线的音调映射可以被应用于每个单位区间。另外，单个曲线的音调映射可以应用于整个音量区间。而且，整个音量区间可以被划分为低音量区间和高音量区间，并且不同曲线的音调映射可以被应用于每个音量区间。

主音量控制器458可以根据用户设定音量对完成音调映射的音频信号应用主音量。在具有多个电平控制的音频系统或音频混频器的情况下，可以将整体声音(例如，为每个通道或每个放大级设定的音量和平衡)汇集到主音量中以调整音量。

后信号处理器460可以执行信号补偿，该信号补偿针对输入音频信号补偿预缩放处理器454所应用的缩放值的相反数。也就是说，考虑到在预缩放处理器454的信号处理期间产生的衰减程度、音频系统100的输出条件(例如，扬声器规格)和用户设定音量，后信号处理器460可以补偿应用了用户设定音量的信号。后信号处理器460进行的信号补偿可以被补偿在预缩放处理器454中应用的预缩放值的相反数。例如，如果应用了-3dB的预缩放，则后信号处理器460可以补偿+3dB。由于补偿方法通过应用与预缩放值相对应的增益值进行补偿，因此具有保持音量线性的优点。从后信号处理器460输出的音频信号可以被传输给扬声器492。

图5是示出根据实施例的控制音频系统的方法的视图。

当输入音频信号时，在执行预处理之前，考虑应用到信号处理的缩放或增益，将余量应用到输入音频信号(512)。

首先，由于由音频系统100的硬件特性引起的限制，预信号处理器452可以考虑可变的输出动态范围条件来分析输入音频信号的动态范围(514)。

当完成对输入音频信号的动态范围的分析时，可以生成对应于用户设定音量的每个音量级的最佳动态范围重映射曲线(516)。

当生成最佳动态范围重映射曲线时，可以将动态范围重映射曲线应用于重映射输入音频信号的动态范围(518)。根据实施例的音频系统100的动态范围的重映射可以指根据输入音频信号的电平的变化来可变地应用动态范围。

将参考图6至图9更详细地描述动态范围的重映射。

图6是示出根据实施例的通过动态范围重映射的输入音频信号的改变的视图。图6I则是重映射动态范围之前的输入音频信号，图6II是重映射动态范围之后的输入音频信号。

图6I所示的输入音频信号可以被划分为A区域、B区域和C区域。A区域中的音频信号是足够高的输入电平，因此，即使用户设定音量很小，声音也可以传输给用户(聆听者)。B区域中的音频信号实际上对于用户是听不到的，除非输入电平太低并且极大地提高了用户设定音量。C区域中的音频信号在用户设定音量较低的情况下对于用户而言是听不到的，但是如果适当增加用户设定音量，则输入信号的输入电平可以很好地传输给用户。在相对较低的用户设定音量下用户无法听到动态范围的重映射(例如，C区域中的音频信号)，但是如果用户设定音量适当增加，则可以相对好地传输给用户。这是要通过重映射动态范围来增加增益，从而增加相应区域(C区域)的输入电平。通过动态范围的重映射，将用户设定音量保持在当前设定值(即，无需用户对用户设定音量进行额外操纵)，同时在A区域中保持良好的声音传输功率，而通过改善区域的声音传输功率来保持C区域，可以很好地听到A和C区域的声音。

当比较图6I和图6II时，可以清楚地看到动态范围的重映射结果。如图6II所示，由于仅B区域中的音频信号的增益由于动态范围的重映射而增加，并且A区域中音频信号的增益保持为原始值，所以即使增加了B区域中音频信号的增益，也不会出现A区域的音量过分增大的情况(按区域偏差减小)。结果，输入音频信号的动态范围重映射保持输入音频信号的状态，使得已经可被很好地听到的声音仍能被很好地听到(A区域)。在当前的用户设定音量下，很难听到输入音频信号的动态范围重映射，但是通过动态范围的重映射，可以听到需要通过提高声音传输功率来更好地聆听的部分(C区域)。

图7是示出根据实施例的用于预信号处理器的动态范围重映射的参数设定的视图。

在图7中，附图标记702可以指示“作用时间(attack time)”和“释放时间”，它们是在预信号处理器452中设置的参数组之一。可以基于动态范围压缩来执行动态范围重映射。“作用时间”可以指超过阈值的音频信号被压缩到预设电平所需的时间。“释放时间”可以指将压缩到阈值以下的音频信号恢复到其原始大小所需的时间。当设置了“作用时间”和“释放时间”时，可以在设定的时间执行预定大小的信号的压缩和恢复。例如，当“作用时间”设定为1ms时，信号大小可以在1ms内减小(压缩)10dB。

在图7中，附图标记704可以表示在预信号处理器452中设定的另一参数组“α(Alpha)”、“TH1”和“TH2”。参数“α”、“TH1”和“TH2”可以在动态范围压缩曲线中指定特定区间并设定指定区间的增益。将参考图8详细描述参数“α”、“TH1”和“TH2”的含义。

图8是示出根据实施例的用于动态范围重映射的动态范围压缩曲线的示例的视图。

如图8所示，虚线所指示的曲线是输入音频信号和输出音频信号的增益相同的情况。当在特定区间中增益改变时，可以通过参数“TH1”和“TH2”设定期望的区间，并且通过用于增益变化的参数“α”可以在“TH1”点将增益改变“α”这么多。在图8中，增益可以从-100dB点增加“α”达到“TH1”点，并且可以从“TH1”点到“TH2”点返回到原始增益。

考虑到用户设定音量和硬件特性，可以通过设定图7所示的参数组702和704来对动态范围压缩曲线的设计进行各种调整和设计。即，对于动态范围重映射，可以设置参数“α”、“TH1”和“TH2”以将输入音频信号的特定区间中的增益增加到期望的大小。通过动态范围重映射，可以选择性地增加上述图6的C区域的增益(电平)。

图9是示出根据实施例的动态范围重映射的概念的视图。

在图9中，附图标记902可以指示被应用输入动态范围的音频信号。即，输入动态范围足够宽以能够表现飞机发动机的响度，以及人类对话、鸟类和诸如冰箱噪声之类的小声音的正常大小。

然而，如果由于用户设定音量和硬件特性(例如，扬声器输出限制)而导致输出动态范围比输入动态范围窄，则如附图标记904所示，表示飞机的声音和人类对话，但由于输出动态范围的限制，不表示诸如新声音和冰箱噪声之类的小声音。

通过动态范围重映射来增加输出音频信号的增益，可以输出更清晰和响亮的声音。特别地，当诸如人类对话声音之类的收听者应该充分了解音量时，人类对话声音的增益被选择性地增加，使得可以更好地听到。为此，可以利用动态范围重映射。

至此，已经描述了在音频系统100的预信号处理器452中执行的动态范围重映射。下面描述在预信号处理器452的动态范围重映射之后在预缩放处理器454中执行的预缩放。

再次返回到图5，在预信号处理器452的动态范围重映射完成的状态下，预缩放处理器454可以向音频信号应用反映用户设定音量和硬件特性的最佳预缩放(520)。

当在位于预缩放处理器454的下一级中的主信号处理器456中执行诸如音调映射之类的信号处理时，增强(放大)音频信号可能导致诸如溢出或削波之类的问题。因此，为了即使在主信号处理器456中增强音频信号时也可防止出现溢出或削波问题，可以在位于主信号处理器456前端的预缩放处理器454中应用根据用户设定音量的最佳缩放变量。

然而，如果在预缩放处理器454中应用于音频信号的预缩放值是固定的，则由于不必要的缩放应用，可能会降低音频信号的分辨率。另外，通过改变用户设定音量，输出音频信号中可能会出现间断。即，用户设定音量的改变会不自然地反映在输出音频信号中，但是可能会出现由于缩放应用而似乎被切断的现象。为了防止分辨率问题和不连续性问题，有必要根据用户设定音量和输出动态范围限制来可变地应用预缩放值。

可以通过以下方法获得由预缩放处理器454应用的最佳缩放值。在音频系统100中，可以根据用户设定音量来确定用于增强主信号处理器456的增益值。即，用于增强主信号处理器456的增益值可以根据用户设定音量而变化。因此，可以从用户设定音量预先知道用于增强主信号处理器456的增益值。当用于增强主信号处理器456的增益值的相反数被应用为预缩放处理器454的预缩放值时，除了诸如在主信号处理器456的信号处理时可能发生的溢出或削波之类的问题之外，还可以防止音量减小和数据丢失，并保持音频信号的高分辨率。

图10是示出根据实施例的根据音频系统的预缩放应用的输入音频信号的动态范围的变化的视图。图10I是应用现有的固定余量的情况。当如上所述将余量保持固定时，可能会应用不必要的余量，从而导致音频信号的分辨率下降或音量减小。另一方面，在图10II所示的音频系统100的情况下，可以通过应用可变的和优化的预缩放增益来排除不必要的余量，并且可以解决分辨率损失或音量减小的问题。

预缩放可以应用于音频信号处理的任何阶段。但是，优选在预信号处理(即动态范围重映射)和主信号处理之间应用预缩放，以在执行信号处理之前尽可能地保持原始声音的分辨率。为此，可以将预缩放处理器454设置在预信号处理器452和主信号处理器456之间。

返回图5，在预缩放处理器454已被缩放的状态下，主信号处理器456可以执行音调映射，以在有限的输出动态范围条件下提供最佳质量的声音(522)。

主信号处理器456可以接收在先前步骤中经过动态范围重映射和预缩放的音频信号，根据音频系统100的硬件特性(例如，扬声器的物理特性)和用户设定音量来反映人的听力特性，并且可以根据用户设定音量的步级来执行音调映射。对于音调映射，可以将不同曲线的音调映射应用于每个音量级的每个音量。或者，可以将整个音量区间划分为多个单位音量区间，并且可以将不同曲线的音调映射应用于每个单位区间。另外，单个曲线的音调映射可以应用于整个音量区间。而且，整个音量区间可以被划分为低音量区间和高音量区间，并且不同曲线的音调映射可以被应用于每个音量区间。

图11是示出根据用户设定音量的扬声器的输出特性的视图。如图11所示，扬声器的频率输出特性可以根据音量级而变化。即，当电视机的音量设定得较低时，与中等或更高的音量相比，可以更强调低范围。但是，实际上，由于音量设定较低，电视机扬声器的输出信号可能会衰减，从而可能无法充分表现出低范围。当电视机的音量设定得较高时，可能会输出强音频信号。但是，电视机扬声器可以表现的频率特性可能会降低，并且输出音频信号中可能会出现失真。也就是说，扬声器在高音量设定时的频带可能会减小(变窄)。当原始输入信号偏置到低音或高音(pitch)时，由于扬声器的窄频率特性，输出音频信号可能会失真。因此，为了通过最小化由于用户设定音量和音频系统100的硬件特性引起的影响来忠实地表现原始音频信号的原始感觉，期望考虑到用户设定音量和硬件特性来优化低频和高频。在图11的情况下，低频和高频的优化可以包括在低音量处扩展频带，使得可以输出更丰富的低音调，或者在高音量处减小频带以最小化失真。为此，可以通过在时域中使用倾斜型滤波器调整低频和高频来优化低频和高频。可替代地，可以通过在频域中适当地调整信号来容易地优化低频和高频。

图12是示出相等响度曲线的视图。相等响度曲线可以是连接当聆听者聆听由不同频率的纯正弦波产生的声音时感觉到相同的声音强度的点的曲线。即使人耳大小相同，耳朵的感觉也会因频率而异。例如，要感觉响度为60方的声音，对于1kHz正弦波需要60dBSPL，而对于100Hz正弦波则需要78dB SPL。考虑到这一点，相等响度曲线(相等响度等高线)可以通过实验研究并显示以相同响度听到的每个频率的声压级。

看图12所示的相等响度曲线，取决于音量，一个人对每个频率的音量感觉不同。由于输出音量在低用户设定音量时较低，因此人可能无法听到在高用户设定音量时可能听到的低端信号。

当在音频系统100的主信号处理器456中执行音调映射时，根据用户设定音量，考虑到人的听觉特性和音频系统100的硬件特性，应用适当的音调映射，使得既可以在低用户设定音量下又可以在高用户设定音量下保持原始音频信号的特性。通过这种适当的音调映射，可以在任何用户设定音量下保持原始音频信号的特异性。

图13是示出根据实施例的由音频系统的主信号处理器生成的音调映射曲线的示例的图。如图13所示，可以根据用户设定音量，考虑人类的听觉特性和各种系统特性，来应用针对每个音量级生成的基本音调映射曲线。如图13所示的音调映射曲线可以根据人的听力特性和音频系统100的特性以各种形式设计。

图14是示出根据实施例的在音频系统中执行动态范围重映射和音调映射的信号的视图。在图14中，图14I可以是输入音频信号，图14II可以是被应用动态范围重映射的信号，图14III可以是被应用动态范围重映射和音调映射的信号。观察图14中的椭圆所指示的部分，可以看出，通过动态范围重映射，图14I的输入音频信号在图14II中增加了。另外，在图14III中，可以看出，根据用户设定音量，考虑到人的听觉特性和音频系统100的硬件特性，通过适当的音调映射优化了音频信号。

图15是上述图14I至图14III的每个频率的特性图。如在图15中可以看到的，可以通过根据本实施例的动态范围重映射和音调映射根据用户设定音量和硬件特性针对每个频率优化音频信号。

返回到图5，主音量控制器458可以根据用户设定音量对完成音调映射的音频信号应用主音量(524)。在音频混频器或音频系统100具有多个电平控制的情况下，可以将整体声音(例如，针对每个通道或每个放大级设定的音量和平衡)汇集到主音量中以调整音量。

随后，后信号处理器460可以最后对应用了主音量的音频信号执行信号补偿，并且可以将其输出到扬声器492(或放大器)(526)。

后信号处理器460的信号补偿可以补偿在预缩放处理器454中应用的预缩放值的相反数。例如，如果应用了-3dB的预缩放，则后信号处理器460可以补偿+3dB。由于补偿方法通过应用与预缩放值相对应的增益值进行补偿，因此具有保持音量线性的优点。

由后信号处理器460进行的另一种信号补偿可以是考虑音频系统100的硬件特性来确定补偿值。在上述补偿预缩放值的相反数的方法中，可以增加音量，但是根据音频系统100的特性，可能会不合理地补偿或补偿效果很小。因此，在计算补偿值时，通过充分地反映根据用户设定音量而变化的音频系统100的特性，可以通过补偿来确保高音量。

在将主音量应用于音频信号之后执行后信号处理的原因可以是因为它在调整输出音频信号的音量方面具有很高的自由度，并且可以在相同的用户音量设定条件下提供音频系统100允许的最高音量。由于后信号处理是在应用主音量之后补偿音频信号的，因此在先前的信号处理中补偿音频信号时，根据用户设定音量的步级适当减小或增大音量是很重要的。例如，当用户尝试减小或增大音量时，根据用户设定音量的变化，自然地线性减小或增大输出音频信号的音量，以应用适当的补偿值来保持音量级之间移动的线性感觉。另外，必须应用信号补偿值，以使得不会发生由信号补偿引起的音量反转现象。音量反转现象是指尽管用户设定音量很高但实际音量仍然降低的情况。

图16是将根据实施例的音频系统的动态范围的变化与常规情况进行比较的视图。在图16中，实线可以指示根据实施例的动态范围的变化，并且虚线可以指示常规动态范围的变化。如在图16中可以看到的，在根据实施例的音频系统100中，通过应用可变和优化的预缩放增益，以及在应用用户设定音量后通过信号补偿增加输出音频信号的音量，可以避免不必要地应用余量，在相同的用户设定音量条件下，可以提供比传统情况更大的音量。

图17是示出根据实施例的用于对音频系统的每个音量区间进行差异化的信号处理的音量区间的分区的视图

音频系统100可以将整个音量区间划分为多个区间，并对每个区间执行信号处理的各种不同组合。如图17所示，整个音量区间可以被划分为“低音量区间”、“中间音量区间”和“高音量区间”。即，可以设定低音量阈值和高音量阈值。低于低音量阈值可以被分类为“低音量区间”，高于高音量阈值可以被分类为“高音量区间”，高于低音量阈值但低于高音量阈值的区间可以被分类为“中间音量区间”。可以根据音频系统100的硬件特性来确定低音量阈值和高音量阈值。此外，可以进一步设定音量阈值并将其分类为更多的音量区间。

在“低音量区间”中，可能听不到小声音，并且由于硬件特性，可能无法很好地表现低音(bass)。因此，当用户设定音量属于“低音量区间”时，可以执行涉及动态范围重映射和音调映射的信号处理。

在“中间音量区间”中，输出信号具有适当的大小，并且由于硬件特性的影响相对较小而输出了相对良好的声音。因此，当用户设定音量属于“中间音量区间”时，不执行信号处理(诸如单独的动态范围重映射或预缩放)，而是按原样或接近原始声音的方式(旁路)再现原始声音。当然，取决于硬件特性，也可以在“中等音量区间”中执行动态范围重映射或音调映射。

在“高音量区间”中，扬声器492的频率特性变窄，并且输出信号可能失真。因此，当用户设定音量属于“高音量区间”时，期望通过伴随适当电平的音调映射的信号处理来尽可能地防止输出信号的失真。此外，在“高音量区间”中，由于输出信号较大，因此可以省略动态范围重映射，因此即使很小的声音也可以相对较好地听到。另外，因为音频信号通常被衰减，所以在“高音量区间”中可以省略预缩放。但是，也可以根据输入的音频信号和硬件特性来进行动态范围的重映射和预缩放。

图18是示出根据实施例的用于音频系统的每个音量区间的差异化信号处理方法的视图。图18的信号处理方法可以基于以上图17所示的用于差异化信号处理的音量区间的划分。

首先，可以标识音频系统100的当前用户设定音量(1802)。当标识了用户设定音量时，标识当前用户设定音量是属于“低音量区间”、“高音量区间”还是“中间音量区间”。在根据实施例的音频系统100中，整个音量区间可以被划分为多个区间，诸如“低音量区间”、“高音量区间”和“中间音量区间”，以对每个区间以各种组合执行信号处理。

<低音量区间>

当当前用户设定音量属于“低音量区间”时，可以针对低音量区间更新查找表472、474和476(1812)。即，当用户设定音量属于“低音量区间”时，可以从查找表472、474和476中获取用于适当的信号处理的参数，从而可以执行信号处理。

当用户设定音量属于“低音量区间”时，由于硬件特性，小声音可能难以听到，并且低音(bass)可能无法很好地表现。因此，在“低音量区间”中，可以执行通过预信号处理器452的预信号处理的动态范围的重映射(1814)、预缩放处理器454的预缩放(1816)和通过主信号处理器456的主信号处理的音调映射(1818)。当用户设定音量属于“低音量区间”时执行的一系列信号处理即使在低用户音量条件下也可以提供改善的声音质量和良好的音量。

当完成由主信号处理器456进行的音调映射时，可以执行由主音量控制器458进行的主音量应用和由后信号处理器460进行的后信号处理(信号补偿)(1832)。后信号处理完成之后的音频信号可以被输出到扬声器492(或放大器)。

<高音量区间>

当当前用户设定音量属于“高音量区间”时，可以针对高音量区间更新查找表472、474和476(1822)。即，当用户设定音量属于“高音量区间”时，可以从查找表472、474和476中获取用于适当的信号处理的参数，从而可以执行信号处理。

当用户设定音量属于“高音量区间”时，由于扬声器492的频率特性变窄并且输出信号可能失真，因此可以为了防止信号失真而执行涉及通过主信号处理器456进行的音调映射的信号处理(1828)。在“高音量区间”中，动态范围重映射可以省略，因为输出信号很大并且较小的声音可以相对较好地听到。另外，由于音频信号通常在“高音量区间”中衰减，因此也可以省略预缩放。

当完成主信号处理器456的音调映射时，可以执行主音量控制器458的主音量应用和后信号处理器460的后信号处理(信号补偿)(1832)。后信号处理完成之后的音频信号可以被输出到扬声器492(或放大器)。

<中间音量区间>

当用户设定音量属于“中间音量区间”时，输出信号具有适当的大小，并且由于硬件特性的影响相对较小，因此可以输出相对良好的影响。因此，当用户设定音量属于“中间音量区间”时，通过仅执行主音量控制(1830)和后信号处理(1832)，而无需执行诸如单独的动态范围重映射或预缩放的信号处理，可以按原样或接近原始声音的方式(旁路)复制原始声音(1852)。

图19是示出根据实施例的在音频系统的信号处理中执行动态范围重映射的位置的修改实施例的视图。

在上述图4的实施例中，当应用余量的音频信号依次通过预信号处理器452和预缩放处理器454时，可以执行一系列信号处理。即，在图4的实施例中，可以按照余量应用-动态范围重映射-缩放应用的顺序执行信号处理。

可替代地，在图19中示出的另一实施例中，首先在应用余量之前执行通过预信号处理的动态范围重映射，然后进行余量应用和预缩放。特别地，如图19所示，当在应用余量之前布置预信号处理步骤时，余量应用和预缩放过程可以被集成到一个过程中。

在图19的情况下，可以在预缩放之前执行通过预信号处理的动态范围重映射。因此，可以通过在预缩放之前执行动态范围重映射来最小化输入音频信号的分辨率损失。

所公开的实施例仅是说明性的，并且本领域技术人员将理解，可以在不脱离其基本特征的情况下进行各种修改、改变和替换。因此，以上公开的示例性实施例和附图并非旨在限制技术思想，而是描述技术精神，并且技术思想的范围不受实施例和附图的限制。保护范围应由所附权利要求书解释，并且等同范围内的所有技术思想应解释为包括在权利范围内。

Claims (20)

1.一种音频系统，包括：

信号输入器，被配置为接收输入音频信号；

信号处理器，被配置为

对所述输入音频信号的每个区域可变地应用动态范围，

对所述输入音频信号应用缩放，所述缩放的大小对应于由用户设定音量确定的增强增益的相反数，

通过应用所述增强增益来执行对所述输入音频信号的音调映射，

执行针对所述输入音频信号补偿所述缩放的所述相反数的信号补偿，以及

根据所述用户设定音量来应用主音量；

存储器，被配置为存储在所述信号处理器的信号处理中使用的参数；以及

信号输出器，被配置为输出由所述信号处理器处理的音频信号。

2.根据权利要求1所述的音频系统，其中所述信号处理器包括：

预信号处理器，被配置为对所述输入音频信号的每个区域可变地应用所述动态范围；

预缩放处理器，被配置为对所述输入音频信号应用所述缩放，所述缩放的大小对应于由所述用户设定音量确定的所述增强增益的相反数；

主信号处理器，被配置为通过应用所述增强增益来执行对所述输入音频信号的所述音调映射；以及

后信号处理器，被配置为执行针对所述输入音频信号补偿所述缩放的所述相反数的所述信号补偿。

3.根据权利要求2所述的音频系统，其中所述主信号处理器被配置为通过根据所述用户设定音量反映人的听力特性和所述音频系统的输出特性来执行所述音调映射。

4.根据权利要求2所述的音频系统，其中所述主信号处理器被配置为对整个音量区间的每个音量级应用不同曲线的音调映射。

5.根据权利要求2所述的音频系统，其中所述主信号处理器被配置为将整个音量区间划分为多个单位音量区间，并且对所述多个单位区间中的每个单位区间应用不同曲线的音调映射。

6.根据权利要求2所述的音频系统，其中所述主信号处理器被配置为将整个音量区间划分为低音量区间和高音量区间，并且对所述低音量区间和所述高音量区间中的每个音量区间应用不同曲线的音调映射。

7.根据权利要求2所述的音频系统，还包括：

主音量控制器，被配置为根据所述用户设定音量应用所述主音量。

8.根据权利要求2所述的音频系统，还包括：

在所述预信号处理器的信号处理之前，将余量应用于所述输入音频信号。

9.根据权利要求2所述的音频系统，还包括：

在所述预信号处理器的信号处理之后，将余量应用于所述输入音频信号。

10.一种控制音频系统的方法，包括：

对输入音频信号的每个区域可变地应用动态范围的预信号处理步骤；

对所述输入音频信号应用缩放的预缩放处理步骤，所述缩放的大小对应于由用户设定音量确定的增强增益的相反数；

通过应用所述增强增益来执行对所述输入音频信号的音调映射的主信号处理步骤；以及

执行针对所述输入音频信号补偿所述缩放的所述相反数的信号补偿的后信号处理步骤。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述主信号处理步骤被配置为通过根据所述用户设定音量反映人的听力特性和所述音频系统的输出特性来执行所述音调映射。

12.根据权利要求10所述的方法，其中所述主信号处理步骤被配置为对整个音量区间的每个音量级应用不同曲线的音调映射。

13.根据权利要求10所述的方法，其中所述主信号处理步骤被配置为将整个音量区间划分为多个单位音量区间，并且对所述多个单位区间中的每个单位区间应用不同曲线的音调映射。

14.根据权利要求10所述的方法，其中所述主信号处理步骤被配置为将整个音量区间划分为低音量区间和高音量区间，并且对所述低音量区间和所述高音量区间中的每个音量区间应用不同曲线的音调映射。

15.根据权利要求10所述的方法，还包括：

根据所述用户设定音量应用主音量的主音量控制步骤。

16.根据权利要求10所述的方法，还包括：

在所述预信号处理步骤中进行信号处理之前，将余量应用于所述输入音频信号。

17.根据权利要求10所述的方法，还包括：

在所述预信号处理步骤中进行信号处理之后，将余量应用于所述输入音频信号。

18.一种控制音频系统的方法，包括：

对输入音频信号的每个区域可变地应用动态范围的预信号处理步骤；

对所述输入音频信号应用缩放的预缩放处理步骤，所述缩放的大小对应于由用户设定音量确定的增强增益的相反数；

通过应用所述增强增益来执行对所述输入音频信号的音调映射的主信号处理步骤；

根据所述用户设定音量应用主音量的主音量控制步骤；以及

执行针对所述输入音频信号补偿所述缩放的所述相反数的信号补偿的后信号处理步骤。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括：

将整个音量区间划分为低音量区间、高音量区间和中间音量区间；

当所述用户设定音量属于所述低音量区间时，执行所述预信号处理步骤、所述预缩放处理步骤、所述主信号处理步骤、所述主音量控制步骤和所述后信号处理步骤；

当所述用户设定音量属于所述高音量区域时，仅执行所述主信号处理步骤、所述主音量控制步骤和所述后信号处理步骤；以及

当所述用户设定音量属于所述中间音量区间时，仅执行所述主音量控制步骤和所述后信号处理步骤。

20.一种音频系统，包括：

对输入音频信号的每个区域可变地应用动态范围的预信号处理步骤；

预信号处理器，被配置为通过对基于输入音频信号电平划分的每个区域可变地应用动态范围来改变每个区域的音量；

预缩放处理器，被配置为计算由用户设定音量确定的增强增益，并且将与所述增强增益的相反数相对应的大小的缩放应用于所述输入音频信号；

主信号处理器，被配置为通过应用由所述用户设定音量确定的所述增强增益来执行对所述输入音频信号的音调映射；以及

后信号处理器，被配置为执行针对所述输入音频信号补偿所述缩放的所述相反数的信号补偿，所述缩放是由所述预缩放处理器应用的。

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