CN1159906C

CN1159906C - 音调调整方法与装置

Info

Publication number: CN1159906C
Application number: CNB981233732A
Authority: CN
Inventors: 柳又中; 陈惠芳
Original assignee: Sunplus Technology Co Ltd
Current assignee: Sunplus Technology Co Ltd
Priority date: 1998-12-10
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 2004-07-28
Anticipated expiration: 2018-12-10
Also published as: CN1256586A

Abstract

一种音调调整方法与装置，本方法包括以下步骤：以不同取样频率对欲升降调的声信号重新取样，再将其以原播放频率输出；在播放一特定时段后，依升或降调，重复前行一小段或省略后续一小段原始取样声信号，再接续后续原始取样声信号，进行重取样；音调调整装置包括：一储存器；一指标暂存器及一升降调控制器；升降调控制器包括：一重取样控制单元，用于先运算出重取样声信号，再将其依序输出；本发明在调整音调后可保持原播放时间不变。

Description

音调调整方法与装置

技术领域

本发明有关于音响设备的一种音调调整方法与装置，尤其有关于适用于VCD、卡拉OK、变声器等具电脑控制功能的音响设备的用以改变音调高低的方法与装置。

背景技术

音调的高低取决于声源的频率，频率愈高，音调也愈高，频率愈低，音调即愈低，而改变声信号音调的方法，一般可分成对时域或频域的两种控制方式，来对数字音频讯号进行处理，以达到音调调整的目的。现有技术中，音调调整的最普遍的方法是改变播放频率，如将放音机的放音速度加快或放慢，使播放音乐的音调提高或降低，这种方法属于时域上的变调方法；以CD播放机为例，其标准取样频率为44100Hz，若要上升4个半音时，只要将播放频率设定成2^4/12×44100＝55600Hz，即可使音调上升4个半音，但采用这种方法，音调虽提高了，但是放音时间也变短了，而且，其改变播放频率所需的硬件成本亦大大增加。

在台湾专利申请811204369号案中公开有一种卡拉OK伴唱录放音机中的音调升降控制装置，其基本上采用一种对每一取样的音频信号施以变频转换之后，再输出该音频信号，这种方法是在频域上进行音调调变的处理，其硬件需求相当大，相对地成本亦相当高。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种在时域上进行音调处理的方法与装置，且即使音调变化，但放音时间不改变的音调调整方法与装置。

本发明的另一目的在于提供一种在变调过程中，可以使变调前后两段声音听起来相当平顺，不会有不悦感觉的音调调整方法与装置。

本发明是根据以下观点采取措施的，第一观点，若将声音信号在时域上依照要升降的音调范围重新取样，改变其取样频率，取得的声音信号样本再依原来的录放音频率播放，即可达到音调升降的效果，且其中有关声音信号样本的取样，可采用线性内差法由左右两相邻的样本进行内插运算而得。例如，对于一原始的声音信号取样，如取样频率为44.1KHz的激光唱片(CD)，在同样一秒的44100个信号样本中，如果仅均匀地重新取22050个信号样本，再将这22050个样本以原来的44100Hz的频率播放，则输出信号的音调将上升一个八度，反之，若一秒内重新取了88200个信号样本，再以44100Hz频率播放，则音调将下降一个八度。

若仅改变重新取样频率，虽不用改变放音频率，但放音时间却不会改变，例如当重新取样频率下降时，放音时间将减短，而当重新取样频率提高时，放音时间将会拉长。

第二观点，若在播放过程中，于升调时每隔一段时间即重复取样一段相似于该区段末尾声音信号的样本，以重复取样来补足短少的时间，而降调时则每隔一段时间即丢弃一小段接近该区域末尾声音信号的原定信号样本，再开始取样，以防止播放时间的增长，这将能够使放音时间不改变。

换言之，可以在时域上将声音信号看成为一段一段的音区，然后对一段一段音区作处理，且在对下一段音区进行重新取样时，在升调时，不以上一段音区的结尾开始重新取样，而是从该结尾的稍向前一段开始作下一段音区声音信号的取样；而在降调时，则亦不自上一段音区的结尾开始重新取样，而是自该结尾往后延一段再开始重新取样，亦即相当于丢弃一段原始取样信号。

本发明的第三观点，为了避免两段音区的声音不连续，根据上述第二观点，若能将各前后两段音区的取样信号作渐弱—渐强(cross-fading)处理，将可以使两相接合音区的声音信号相当平顺地连接，不会有突变的感觉。亦即，取前一个音区的原本接续部份，和下一音区的前段一部份，各乘以渐弱与渐强的权值，将可以使声音的接合相当平顺。

本发明的第四观点，在进行上述第三观点的渐弱渐强处理之前，若能从该重复或省略部份原始取样信号的下一音区的前段一部份中取得一与前一音区接合的最佳接合点，再进行前后两音区的接合以及上述渐弱与渐强处理的话，将比单纯作渐弱—渐强处理，能获得更高质量的接续音效。

为达到上述目的，本发明采取如下措施：

本发明的一种音调调整方法，用以对含有原始取样声信号的乐音进行升降调，其特征在于，包括以下步骤：

以不同取样频率对欲升降调的声信号重新取样，然后将其以原始取样的播放频率输出；

在播放特定时段后，依升或降调，而重复前行一小段原始取样声信号，或省略一小段后续原始取样声信号，再接续未重复或省略后的后续原始取样声信号，进行重取样，而保持最终的播放时间实质上相同。

本发明的另一种音调调整方法，用以对含有原始取样声信号的乐音进行升降调，其特征在于，包括以下步骤：

(1)依升降调阶数，以不同于原始取样频率的重取样频率，对欲升降调区段的原始取样声信号重新取样出重取样声信号；

(2)将该重取样声信号以原始取样声信号播放频率输出；

(3)在被据以重取样的第a个原始取样声信号与未被重取样的同一播放时序所对应的第b个原始取样声信号两者相距一特定区段时，设定上一音区结束，其中a，b的上限与下限在原始取样音讯的全部个数与1之间进行取值，且a小于b；

(4)在该上一音区结束时，依升或降调而定，重复所述第a个原始取样声信号的前行一第一小段原始取样声信号，或省略第a个原始取样声信号的后续一第二小段原始取样声信号，再接续未重复或是省略后的后续原始取样声信号，作为下一音区的开始，然后以该下一音区作为该欲升调区段，重复进行第(1)步骤。

较佳地，所述重复第(1)步骤之前，还包括以下步骤(5)：将属于所述下一音区的重取样声信号的振幅强度与所述第a个原始取样声信号的后续原始取样声信号的振幅强度依序作一相近度比较，而找出下一音区重取样声信号中，最适于接续上一音区未尾的最佳起始接合点。

较佳地，所述最佳起始接合点是藉由使依序作相近度比较的各声信号中，至少一对应声信号的强度差值小于一临界值时，以该下一音区中的至少一对应声信号的第一个重取样声信号作为上下音区的接合点。

较佳地，所述重复步骤(1)之前，于所述步骤(5)之后还包括以下步骤(6)：将接合点后的声信号，藉由使下一音区所属重取样声信号自接合点起渐强，上一音区结束点后的未转移音区下的后续原始取样声信号渐弱，再将两者加以合成而产生渐弱渐强效果。

较佳地，所述步骤(1)中，若所述原始取样频率并非该重取样频率的整倍数时，重取样声信号是藉由重取样声信号的对应地址左右两原始取样声信号的地址所对应的原始取样声信号，以内插法运算而得。

本发明的音调调整装置，主要包括：

一储存器，用以储存原始取样声信号；

一指标暂存器，用以分别标指原始播放频率所对应的原始取样声信号，以及重取样频率所对应的重取样声信号；

一升降调控制器，其包括：

一重取样控制单元，用以在没有升降调时，直接将原始取样声信号依序输出，而在有升降调时，则先运算出重取样声信号，再将重取样声信号依序输出；以及

一校正单元，用以在重取样声信号输出一段时间后的一时点，以该时点所对应的原始取样声信号为准，对应于升或降调，先重复输出该时点对应原始取样声信号前行一小段原始取样声信号，或省略其后续一小段后续原始取样声信号后，再接续输出后续原始取样声信号，作为该重取样控制单元进行重新取样的下一音区原始取样声信号，以保持最终播放时间相同。

较佳地，所述升降调控制器还包括一搜寻单元，用以将属下一音区的至少一重取样声信号的振幅强度与所述时点对应原始取样声信号的至少一后续原始取样声信号的振幅强度从头依序作比较，并在强度差值小于一临界值时，以该下一音区的该对应重取样声信号作为下一音区的起始接合点。

附图说明

图1：本发明的音调调整装置的电路方块示意图。

图2：本发明的方法中取得重取样信号的取样地址的示意图。

图3A：本发明的方法中校正放音时间与平滑化信号方法中，音区必须区分时各种指标器的地址示意图；

图3B：表示取样音区转移时各指标器的地址示意图。

图3C：表示在搜寻下一音区最佳接合点时的各指标地址示意图。

图3D：表示在进行渐强、渐弱动作时的各指标地址示意图。

具体实施方式

结合附图及实施例进一步详细说明本发明的技术特征如下：

图1所示，其为本发明实施例的电路方块示意图。其中，音调调整装置1包括：一原始取样信号存储器10、一指标暂存器20以及一升降调控制器30，升降调控制器30包括：一重取样(输出)控制单元31、一校正单元32以及一平滑化单元33；且其中，取样单元31包括一重取样运算单元31a与一输出控制单元31b，而平滑化单元33包括一搜寻单元33a与一渐弱渐强处理单元33b。另外，指标暂存器20包括一第一指标暂存器20a、一第二指标暂存器20b以及一暂时指标暂存器20c。

当原始取样信号S经现有播放设备的解码器5解出之后，即依序储存到一环状缓冲存储器10。然后，升降调控制器30控制第一指标暂存器20a与第二指标暂存器20b相对于环状缓冲存储器10所指的存储地址；且其中，第一指标器20a恒依原始取样频率与原始播放频率，依序指向存储器10中所存的原始取样信号；而第二指标器20b则恒依重取样频率，且依原始播放频率，依序指向存储器10中所储存的原始取样信号。而且，升降调控制器30可设定成恒以第二指标器20b所指的信号作为输出信号。

具体言之，第一指标器20a随每一原始播放频率移动一个原始取样声信号地址，而第二指标器20b则每次移动2^P/12个声信号地址，其中p为升降范围，升调时p为正值，降调时，p为负值；暂时指标器20c亦每次移动一个原始取样声信号地址。因而当没有升降调时，第二指标器20b与第一指标器20a所指的声信号地址将相同，进而依序由输出控制单元31b输出每一原始取样声信号。反之，当有升降调需求RS被输入升降调控制器30时，第二指标器20b所指的声信号将与第一指标器20a所指的声信号不同步，且由于每次移动2^P/12个声信号地址，而2^P/12不一定为整数，因而每次所指的声信号地址不一定恰好为存有原始取样声信号的地址，亦即所指的地址为一虚拟地址，此时藉由控制器30中的重取样运算单元31a，在算出第二指标器20b所指地址后，根据该地址前后最接近的存有原始取样声信号的地址上所储存的声信号，以内插法算出该虚拟地址上的对等声信号，再以该声信号输出至输出控制单元31b，而输出重取样声信号。

如图2所示，其为执行内插运算的示意图。当第R(y)个重取样声信号的地址Ar(y)落在原始取样声信号地址As(x)与As(x+1)之间时，即根据该两地址上的原始取样声信号S(x)与S(x+1)以下式求得：R(y)＝S(x)×d+S(x+1)×(1-d)，其中d为R(y)地址与S(x)地址间的距离(为小数)。

其次，当第二指标器20b与第一指标器20a所指的地址相差超过K个声信号时，或是地址相差超过一特定K值时，升降调控制器中的校正单元32即将暂时指标器20c所指地址指定为第二指标器20b所指的地址，而第二指标器20b则指定第一指标器20a所指的地址，这相当于改变取样点的开始位置，而对重取样音区作一区隔动作，亦即结束上一音区的重取样，开始下一音区的重取样，且在这过程中即相当于重复往前取一小段原始取样声信号(升调时)，或省略后续一小段原始取样声信号(降调时)，然后接续未被重复或省略后的后续原始取样声信号进行重取样。

上述动作进一步以图3说明如下：如图3所示，长方形区块表示环状存储器10，其内的各地址依序储存有每一原始取样声信号。图3(a)为升调状态，开始进行升调后，同一取样序号a下，第二指标器20b所指地址Ar1(a)与第一指标器20a所指地址As1(a)自同一地址As1(0)，Ar1(0)开始，渐行渐远终至相差K个地址时的情形；图3(b)表示在图3(a)的情形产生后，第二指标器20b将所指地址由Ar1(a)移至第一指标器20a所指地址As1(a)而成为Ar2(a)，并将序号a归零，且将一暂时指标器20c所指地址At(0)定为第二指标器24未转移地址前所指的地址Ar1(a)的情形。

藉由上述方式，将使声信号于升降调情况下，每隔一段音区即进行补偿校正处理，重取样声信号的播放时间将实质上不会因升调而减少，亦不会因降调而延长。

在本实施例中，于从图3(b)所示的As2(0)地址开始进行下一音区的重取样之前，并包含一利用平滑化单元33中的搜寻单元33a来寻找上下两段音区中最适合接续的声信号的处理。亦即如图3(c)所示，将第二指标器20b所指的自Ar2(0)开始对原始取样的声信号重新取样所得到的重取样声信号R(n)，依序(第n个)与暂时指标器20c所指的At(0)地址开始的后续原始取样声信号T(n)作一振幅强度的比较，若其强度差值小于一可接受的临界值，即将第R(n)个重取样声信号视为最佳接合点。其中亦可以不单独以第n个重取样声信号R(n)与原始取样声信号T(n)相比较，而是以第n个重取样声信号与原始取样声信号后的连续m个声信号相比较的总和值小于一临界值而定，亦即如下式所示：

Σ_{k = n}^{m} | R (k) - T (k) | \leq THe

其中THe为临界值。

藉由上述最佳接合的搜寻，将使上下音区的接续有一较不突变的感觉，且实质上不会改变多少播放时间。此外，理所当然的，上述例子是以向后续声信号搜寻的情形，当然也可以设定成向前搜寻。

当找出可以接受的最佳声信号的接合点时，例如第Ar2(n)地址所在的声信号R(n)，则可以进一步如图3(d)所示，将两个声信号R(n)与T(n)的后续同样数量的声信号，例如同为第n个至第n+c个，通过平滑化单元33中之一渐弱渐强处理单元33b，进行一渐弱与渐强的处理。亦即，使上一音区的后续原始取样声信号T(n)至T(n+c)渐弱，另使下一音区的重取样声信号R(n)至R(n+c)渐强，两者相加后的声信号作为第二指标器20b的地址Ar2(n)至Ar2(n+c)所指的重取样声信号，如下式所示；

R(n’)＝R(n)×(1-i/c)+T(n)×(i/c)，

其中i＝0至c，且输出控制单元31b输出此种声信号。

藉由上述的接合处理，将使上下音区的接续更为平顺，而达最佳音区接续状态。

当进行完上述音区区分、最佳接合点搜寻、渐弱渐强接合处理程序之后，在继续依原始播放频率播放重取样声信号的同时，再回到前面所述判别第一指标器20a与第二指标器20b所指地址是否相差超过一特定值K的音区区分步骤，如此周而复始，直到整个曲子的音调升降都处理完毕。若在处理中，第一指标与第二指标的地址超过环状缓冲区的边界时，再从环状缓冲存储器的前端开始，即可。

与现有技术相比，本发明具有如下效果：

综上所述，藉由本发明的音调调整方法，除了确实可以进行升降调外，并可以在不改变放音频率下，维持节拍及固定的放音时间，可将音调作随意升降，并能保持声音的平顺与音质，同时，由于只需利用一环状存储器，即可通过运算单元，以适当的运算法完成，因而可以减少存储器的使用量，进而降低整体成本。

总之本发明的方法可以在不需要改变音频率之下，维持放音时间不变、节拍不变。而且，除了放音时间不会改变外，亦可以避免上下两段音区声音间的不连续。本发明的装置结构十分简单，能以相当低的成本获得所要达到的效能。

以上所述，仅为本发明的一较佳实施例，不应理解成对本发明保护范围的限制。

Claims

1、一种音调调整方法，用以对含有原始取样声信号的乐音进行升降调，其特征在于，包括以下步骤：

在播放一特定时段后，依升或降调，而重复前行一小段原始取样声信号，或省略一小段后续原始取样声信号，再接续未重复或省略后的后续原始取样声信号，进行重取样，而保持最终的播放时间实质上相同。

2、一种音调调整方法，用以对含有原始取样声信号的乐音进行升降调，其特征在于，包括以下步骤：

(2)将该重取样声信号以原始取样声信号播放频率输出；

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述重复第(1)步骤之前，还包括以下步骤(5)：将属于所述下一音区的重取样声信号的振幅强度与所述第a个原始取样声信号的后续原始取样声信号的振幅强度依序作一相近度比较，而找出下一音区重取样声信号中，最适于接续上一音区未尾的最佳起始接合点。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述最佳起始接合点是藉由使依序作相近度比较的各声信号中，至少一对应声信号的强度差值小于一临界值时，以该下一音区中的至少一对应声信号的第一个重取样声信号作为上下音区的接合点。

5、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述重复步骤(1)之前，于所述步骤(5)之后还包括以下步骤(6)：将接合点后的声信号，藉由使下一音区所属重取样声信号自接合点起渐强，上一音区结束点后的未转移音区下的后续原始取样声信号渐弱，再将两者加以合成而产生渐弱渐强效果。

6、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，若所述原始取样频率并非该重取样频率的整倍数时，重取样声信号是藉由重取样声信号的对应地址左右两原始取样声信号的地址所对应的原始取样声信号，以内插法运算而得。

7、一种音调调整装置，主要包括：

一储存器，用以储存原始取样声信号；

一指标暂存器，用以分别标指原始播放频率所对应的原始取样声信号，以及重取样频率所对应的原始取样声信号；

一升降调控制器，其包括：

8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述升降调控制器还包括一搜寻单元，用以将属下一音区的至少一重取样声信号的振幅强度与所述时点对应原始取样声信号的至少一后续原始取样声信号的振幅强度从头依序作比较，并在强度差值小于一临界值时，以该下一音区的该对应重取样声信号作为下一音区的起始接合点。