CN1127916A - 声音变速播放装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种声音变速播放装置，它在由声音播放装置播放所存储的声音时，能防止因变更声音播放速度产生的音色恶化和声音损失，能调节声音播放速度进行播放，从而能像人或快或慢说话那样听到上述声音。

Description

声音变速播放装置

本发明涉及声音变速播放装置，更具体地说是涉及这样一种声音变速播放装置，它在由声音播放装置(磁带放送机、磁带录象机、多媒体装置、计算机等)播放所存储的声音时，能防止因变更声音播放速度而产生的音色变坏及声音损失，能调节声音的播放速度进行播放，以便像人或快或慢说话那样听到上述声音。

通常，改变磁带或视频唱机的播放速度时，其声音的音色变更。即播放速度变快时就会偏离原来声音高度而听到″咔、咔″的声音。播放速度变慢时，就会听到人们通常所说的″磁带拖长的声音″。

为了防止产生这样的现象，以往，像在日本专利公开特开平4—168499号(1992.6.16)中所披露的那样，使用由缓冲器读出声音信号后只播放其中的一部分的方法。即，以往是使用由存储缓冲器读出声音信号，在使播放速度成为二倍的情况下，只播放两个时间段中的一个时间段的信号的方法。

因而，使用以往的方法，用两倍的速度播放″我与绫子一起去学校″这句话时，就会如图1所示，使原音中构成绫的声音脱落，只播放出″我一起去″。

象这样，用以往的方法，当加快播放速度时，由于为了维持声音的音色只能播放声音的一部分，丧失了原音具有的意义。因而，使用播放装置存在着要理解声音的意义需经历重重困难，有使听者感到难以接受这样的问题。

所以，本发明的目的是为了解决上述问题提供这样一种声音变速播放装置，它在用声音播放装置(磁带放送机、磁带录象机、多媒体装置、计算机等)播放所存储的声音时，能防止因变更声音播放速度而产生的音色变坏和声音损失，能调节声音的播放速度进行播放，以便像人们或快或慢说话那样听到上述声音。

为了达到上述目的，本发明的特征在于在声音变速播放装置中配置有：将输入的声音信号分别分离成原音成分和声音特性的音调检测电路；在用上述音调检测电路分离出的原音成分和声音特性中，按播放原音成分的速度来消除和添加以调节声音信号的长度的音调调制部件；合成用上述音调调制部件调制的原音成分与声音特性，输出变速了的声音信号的声音合成电路；借助由外部输入的控制信号控制上述各构成部分的主控制器。

在本发明中，为使音调检测电路能以数字方式检测音调部分，最好还设置将所输入的模拟声音信号变换成数字声音信号的模/数变换器。

声音合成电路最好还设置用以将已按数字方式变换处理过的声音信号变换成适合于信号处理的模拟方式的数/模变换器。

最好还配置有存储装置，用以将由存储最初的声音信号所存储声音信号输出到声音合成电路，与用声音合成电路合成的调制声音信号进行比较。

最好还配置指令字存储装置，用以存储声音变速播放所必须的各种控制信号，由主控制器施加、接收控制信号，输出所存储的各种控制信号。

音调检测电路最好按下述的数学式选取原音成分。 $c(m,\mathrm{\δ})=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|x(n+t(m-1)-x(n+\mathrm{tm}+\mathrm{\δ})\right|$

其中x(n)是已输入的原来的信号(在时间轴n的音量)，tm是第m原音的位置，δ是原音位置的容许范围。

音调调制部件最好使与声音信号特性对应部分像下述数学式那样，以原音的位置为基准，增加一定长度的窗函数来调制信号。

Xm(n)＝hm(tm－n)x(n)

其中Xm(n)是已调制的声音信号，hm(n)是窗函数，tm是原音的位置，x(n)是输入的声音信号(在时间轴n的音量)。

原音合成电路最好像下列的数学式那样用已调制的原音成分和声音特性求出已变速的声音信号x(n)。 $x\left(n\right)=\frac{\underset{q}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\αq}\×q\left(n\right)\mathrm{hq}(\mathrm{tq}--n)}{\underset{q}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{hq}2(\mathrm{tq}-n)}$

其中aq是合成音量调制变量，xq(n)＝xm(n－δq)是已调制的声音特性，hq(n)是窗函数，tq是已调制的原音的位置，δq是决定播放速度的变量。

图1是表示以往的声音变速播放方式的图。

图2是本发明的声音变速播放装置的概略方框图。

图3是表示将适用于本发明的声音生成模式电子电路化的图。

图4是表示与图2所示的声音变速播放装置的主要部分对应的信号处理过程的图。

图5是表示按图2的分析过程分离的原音和声音特性的状态的图。

图6是表示用图2所示的声音变速播放装置调制原音的过程的图。

下面将参照附图对本发明的声音变速播放装置的优选实施例进行详细说明。

图2示出本发明的声音变速播放装置的概略方框图。参看图2，它是由如下各部分构成：连结输入信号线(Audio In)与程序母线的模/数变换器(1)；连结模/数变换器(1)和程序、数据母线的输入缓冲器(2)；连结输入缓冲器(2)与程序母线的音调检测电路(3)；连结音调检测电路(3)与程序母线的音调调制部件(4)；连结音调调制部件(4)与程序、数据母线的声音合成电路(5)；连结声音合成电路(5)与程序母线的输出缓冲器(6)；连结输出缓冲器(6)与程序母线的数/模变换器(7)；与程序母线连结的主控制器(8)；与主控制器(8)连结的指令字存储电路(9)；与程序、数据母线连结的存储装置(10)。

这里，控制整个声音变速播放装置的任务由主控制器(8)完成，为了用主控制器(8)控制各部分，将必要的指令字存储到指令字存储电路(9)中。而且声音数据存储在存储装置(10)中。

各块之间的控制信号与数据的传输分别用程序母线和数据母线进行，程序母线担当将来自主控制器(8)的指令传输到应控制的部分，数据母线从输入缓冲器(2)接收声音数据并存储到存储装置(10)后，要合成声音时，通过将所存储的声音数据传输到声音合成电路(5)，用声音合成电路(5)与已调制的原音信号一起进行再合成。

下面说明有上述结构的本发明的工作。

本发明所使用的方式是基于声音发生模式。声音发生模式是模拟人的发声器官，通过由作为声音发生源的原音和发音器官(舌、齿、唇等)决定的声音传输特性、再现声音。

按照声音发生模式，声音是从人的肺部开始的气流在由声带或口腔内的舌、齿、唇构成的″狭窄的空间″即发音点的部位处引起周期性或杂音性的空气振动，此即声源，由声带接受由上部器官即声道的发声动作决定的声音传输特性的影响，通过原音的频率成分的有选择地共鸣，产生声音。图3示出将上述声音发生模式电子电路化的图。

本方式是根据上述的声音发生模式，如图4所示，分成如下三个主要部分：由输入信号分离成原音和声音特性的分析部分；将已分离的信号用所需要的播放速度进行处理的调制部分；使用已调制的信号再合成信号的合成部分。

上述的调制部根据上述的声音生成模式，分为处理已分离的原音信号的原音调制部，和一边维持音色即声音特性一边完成与再合成所必需的窗函数有关的平滑化处理的声音特性控制部。

本方式的全部流程，为了一边照原样维持声音信号的音色或频率，一边改变播放速度，成为在分析已输入的声音信号并分离成原音信号和声音特性后，将已分离的各数据进行变速处理，使用已处理过的数据进行再合成的过程。此过程示于图4。

图4是表示对图2所示的声音变速播放装置的主要部分的信号处理过程的图。作为本发明最核心部分的分析部件、调制部件、合成部件分别与图2中的音调检测部件(3)、音调调制部件(4)、声音合成电路(5)相对应。

下面将更详细地说明上述工作。

首先，输入模拟声音信号时，用模/数变换器(1)将模拟声音信号变换成数字信号后，经输入缓冲器(2)供给音调检测电路(3)。

在分析过程中，借助主控制器(8)的控制信号，音调检测电路(3)按照声音发生模式，从声音信号中分离成与原音对应的部分和与声音信号特性对应的部分并进行处理。

这时，为了从声音信号求出原音的位置，像下述式(1)那样来定义相互类似度c(m，δ)(以第m—1原音和第m原音为基准，是所测定的信号差的值，这时前容许范围是δ)。 $c(m,\mathrm{\δ})=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}|x(n+t(m-1)-x(n+\mathrm{tm}+\mathrm{\δ})|---\left(1\right)$

其中x(n)是已输入的原来的信号(在时间轴n的音量)，tm是第m原音的位置，δ是原音位置的容许范围。

这里，所谓相互类似度定义为以邻接的原音的位置为基准点通过测定信号的差，表示信号的类似度的标准。因而，第m原音的位置定为相互类似度为最小的位置tm，通过对已输入的信号反复地进行这样的过程选取原音成分。

图5是表示用上述分析过程分离的原音和声音特性的状态的图。如图5所示，通常的声音信号呈现并稳定即在相邻接的短的时间区间中有大体类似的特性。这时，有类似信号特性的最大信号周期，我们通常称之谓音调，在本发明的分析过程中，从已输入的声音信号选取这样的音调周期，即原音信号，在声音播放时用以调节速度。

在调制过程中，完成调制在上述分析过程分离的原音信号与声音特性的过程。因而，音调调制部件(4)由处理原音信号的原音调制部件和一边维持音色即声音特性一边完成与再合成时必要的窗函数有关的平滑化处理过程的声音特性控制部件构成。

在音调调制部件(4)的原音调制部分中，按照应播放由声音信号选取的原音成分的速度进行消除或添加来调节声音信号的长度。参照图6进行更详细的说明。

在图6中示出借助图2所示的声音变速播放装置调制原音的过程。如图6所示，在使声音播放速度减慢时，一边就这样维持相邻的原音间的间隔，一边进一步添加其它原音使信号延伸，在使原音的播放速度加快时，一边维持相邻的原音间的间隔，一边每隔一个来选择原音，使用声音特性进行再合成。

在音调调制部件(4)的声音特性控制部分，使与声音信号特性对应的部分像下述式(2)那样以原音的位置为基准，增加一定长度的窗函数来调制信号。这是在当下述的声音合成时通过原音的消除和添加来调制信号的情况下也用以产生平滑的声音信号的处理过程。

Xm(n)＝hm(tm－n)x(n)    ……(2)

其中Xm(n)是已调制的声音信号，hm(n)是窗函数，tm是原音的位置，x(n)是所输入的声音信号(在时间轴n的音量)。

最终，在进行合成过程的原音合成电路(5)中，利用通过上述调制过程调制了的原音成分和声音特性，求出已变速的声音信号x(n)。它用下述的式(3)表示。 $x\left(n\right)=\frac{\underset{q}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\αq}\×q\left(n\right)\mathrm{hq}(\mathrm{tq}-n)}{\underset{q}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{hq}2(\mathrm{tq}-n)}--\left(3\right)$

其中aq是合成音量调节变量，Xq(n)＝Xm(n—δq)是已调制的声音特性，hq(n)是窗函数，tq是已调制的原音的位置，δq是决定播放速度的变量。

已变速的声音信号X(n)经输出缓冲器(6)借助数/模变换器(7)变换成模拟信号后输出。

当用此方式播放声音时，即使改变播放速度也能一边就这样维持所播放的声音的音色，一边听到像人们或快或慢地发声那样播放的声音。

因而，如VTR唱机那样快速播放图象画面并进行检索或监测时，听众不会像已有的VTR唱机那样因音色改变而失真或因声音信号损失而听不清，能得到按原来的音色快速说话的播放声。

除此之外，可予想到也适合于多媒体装置的高速扫描这样的应用。今后，随着多媒体市场的不断开发，可予期本发明技术的应用将更多样化。

如上所述，按照本发明的实施例提供了这样一种声音变速播放装置，它在由声音播放装置(磁带放送机，磁带录象机，多媒体装置，计算机等)播放所存储的声音时，能防止因变更声音播放速度而产生的音色恶化和声音损失，能像人们或快或慢说话那样听到上述声音并据此调节声音的播放速度进行播放。

本发明的这种效果也能用于各种声音播放装置的设计、制造、销售等领域。

Claims (8)

1.一种声音变速播放装置，其特征在于它设置有：

用以由所输入的声音信号分别分离成原音成分和声音特性的音调检测电路；

用以在由上述音调检测电路分离出的原音成分和声音特性中，按播放原音成分的速度进行消除和添加来调节声音信号长度的音调调节部件；

用以合成用上述音调调制部件调制的原音成分和声音特性，输出已变速的声音信号的声音合成电路；

用由外部输入的控制信号控制上述各构成部件的主控制器。

2.按照权利要求1所说的声音变速播放装置，其特征在于所说的音调检测电路还设置有模/数变换器，用以将所输入的模拟声音信号变换成数字声音信号以便能以数字方式检测音调部分。

3.按照权利要求1所说的声音变速播放装置，其特征在于所说的声音合成电路还设置有数/模变换器，用以将已按数字方式变换处理的声音信号变换成适于信号处理的模拟方式。

4.按照权利要求1所说的声音变速播放装置，其特征在于还设置有用以在存储最初的声音信号后，将所存储的声音信号输出到声音合成电路，并与用声音合成电路合成的调制声音信号进行比较的存储装置。

5.按照权利要求1所说的声音变速播放装置，其特征在于还设置有用以存储对声音变速播放所必须的各种控制信号，由主控制器施加接收控制信号并输出所存储的各种控制信号的指令字存储电路。

6.按照权利要求1所说的声音变速播放装置，其特征在于所说的音调检测电路按下述的数学式选取原音成分： $C(m,\mathrm{\δ})=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}|x(n+t(m-1)-x(n+\mathrm{tm}+\mathrm{\δ})|$

其中X(n)是所输入的原来的信号(在时间轴n的音量)，tm是第m原音的位置，δ是原音位置的容许范围。

7.按照权利要求1所说的声音变速播放装置，其特征在于所说的音调调制部将与声音信号特性相对应的部分按下述的数学式，以原音位置为基准施加一定长度的窗函数来调制信号：

Xm(n)＝hm(tm－n)x(n)

其中Xm(n)是已调制的声音信号，hm(n)是窗函数，tm是原音的位置，x(n)是所输入的声音信号(在时间轴的音量)。

8.按照权利要求1所说的声音变速播放装置，其特征在于所说的原音合成电路按下述的数学式，利用已调制的原音成分和声音信号特性求出已变速的声音信号X(n)： $x\left(n\right)=\frac{\underset{q}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\αq}\×q\left(n\right)\mathrm{hq}(\mathrm{tq}-n)}{\underset{q}{\mathrm{\Σh}}q2(\mathrm{tq}-n)}$

其中aq是合成音量调节变量，xq(n)＝Xm(n—δq)是已调制的声音特性，hq(n)是窗函数，tq是已调制的原音的位置，δq是决定播放速度的变量。

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