CN1185628C - 用于实现音频速度转换的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

音频速度转换器可以在不丢失相关信息的情况下改变音频速度，并且适合于在视频系统中使用，以使得可以在输出音频和视频信号之间提供更好的同步。根据示范实施例，用于处理音频信号的系统中包含用于以第一速率接收音频信号并且根据多个控制信号去处理接收音频信号的第一处理器。每个控制信号都表示不同参考参数的一个级别。第一处理器根据所述处理，以第二速率提供接收的音频信号的输出。速率比较器比较第二速率与要求的速率，并且根据比较结果生成比较信号。第二处理器根据比较信号生成控制信号。

Description

用于实现音频速度转换的系统和方法
                       发明背景
发明领域
本发明总体涉及到音频速度转换，并且更加具体而言，涉及到实现诸如语音速度转换的音频速度转换的系统和方法。
背景信息
速度转换系统可以被用于在各种视频和/或音频重现系统实现多速度(例如快速、慢速等等)操作，这些系统例如是彩色电视(CTV)系统、磁带录像机(VTR)、数字视频/多用光盘(DVD)系统、小型盘(CD)播放机、听力辅助设备、电话应答设备以及类似设备等。常规音频速度转换器一般需要区分音频信号内的静音间隔和有声间隔。通过删除静音间隔并且压缩有声间隔，则可以增加音频速度。相反，通过扩展静音间隔和有声间隔，则可以降低音频速度。
在某些情况下，输出音频信号必须与匀速生成的输出视频信号保持同步。在这种情况下，需要去控制输出音频信号的速度，但是，由于输入音频信号内的冗余量是未知的，因此这一般都比较困难。常规音频速度转换器通过下述操作来解决这一问题，即把输入音频信号分割为固定长度的帧，并且把每一帧压缩到给定间隔内。例如，如果音频输出速度被设置为通常速度的两倍(即2X)，则转换器把每一帧的长度压缩为其原始间隔长度的一半。由于每一帧都表示不同的音频内容，因此某些帧内可能不具有足够用于适当信号压缩的静音和冗余间隔。在这种情况下，转换器删除一帧或多帧中的一部分内容，以达到期望的音频速度。因此，输出音频速度可以保持近似恒定，并且可以在每帧结束时进行调整。图1以图形方式说明这种类型的常规速度控制。
在图1中，示意图60给出视频速度(即以虚线给出的)和音频速度(即以实线给出的)随着时间变化的示范关系。如图1所示，通过删除一个或多个音频帧中的一部分内容，可以实现视频速度和音频速度之间的同步。相应地，真正的同步只会出现在每一帧的结尾处，而在帧周期的其它时段内则不必同步。由于输出音频信号中的各个部分不能被收听者所理解，因此这种常规类型的速度控制通常不能提供令人满意的结果。因此，这些类型的常规音频速度转换器只能被用于有限的应用中，例如视频磁带录像机(VTR)中的快速前进操作等。
考虑到常规技术中存在的上述问题，我们可以认识到，需要一种改进的音频速度转换器。特别是，希望提供这样一种音频速度转换器，它能够适应音频速度的变化，而不会造成相关信息的丢失。而且更加希望的是，这种音频速度转换器可以供视频系统使用，使得可以在输出音频和视频信号之间提供更好的同步。本发明能够解决这些以及其它问题。
                       发明概述
根据本发明的一个方面，用于处理音频信号的系统包含用于以第一速率接收音频信号、并且根据多个控制信号去处理接收的音频信号的第一处理装置。这每个控制信号都表示一个不同参考参数的级别。根据所述处理，第一处理装置以第二速率提供接收的音频信号的输出。比较器装置比较第二速率与要求的速率，并且根据比较结果生成比较信号。第二处理装置根据比较信号生成控制信号。
根据本发明的另一方面，用于处理音频信号的方法中包括以第一速率接收音频信号。根据多个控制信号去处理接收的音频信号，每个控制信号表示一个不同参考参数的级别。根据所述处理，以第二速率来输出接收的音频信号。第二速率与要求的速率相比较，并且根据比较结果生成比较信号。根据比较信号生成控制信号。
                       附图简述
在附图中：
图1是根据常规速度控制技术说明视频速度和音频速度之间的示范关系的示意图；
图2是根据本发明原理构造的音频速度转换器；
图3是包括根据本发明原理构造的音频速度转换器的示范系统；
图4是说明示范的输入音频信号的参考参数级别的示意图；
图5是说明输出音频质量与参考参数PREF级别之间的示范关系的示意图；以及
图6是说明开环和闭环系统之间的示范比较的示意图。
在此所提出的范例中说明了本发明的优选实施例，并且无论如何，这种范例不应该被解释为限制本发明的范围。
                    优选实施例的描述
本申请公开了用于处理音频信号的系统和方法，它可以改变音频速度，而不会丢失相关信息，并且可以适于供视频系统使用，使得能够在输出音频和视频信号之间提供更好的同步。根据示范实施例，系统中包括用于以第一速率接收音频信号并且根据多个控制信号处理接收的音频信号的第一处理装置。每个控制信号都表示一个不同参考参数的级别。根据所述处理，第一处理装置以第二速率提供接收的音频信号的输出。根据示范实施例，第一处理装置通过压缩和扩展接收的音频信号这两种操作中的一种操作，对接收音频信号进行处理。比较器装置比较第二速率与要求的速率，并且根据所述比较结果来生成比较信号。根据该比较信号，第二处理装置生成所述控制信号。根据示范实施例，由控制信号表示的一个参考参数就是平均功率。系统内还包含用于使得能够实现要求的速率的用户输入的输入装置，以及/或者用于通过使该视频信号能与该第二速率同步从而对视频信号进行处理的装置。在此还提供由上述系统执行的方法。
现在参考附图，并且更加具体而言参考图2，其中给出根据本发明原理构造的音频速度转换器10。在图2中，音频速率转换器10中包括第一处理装置，例如与参数相关的处理器11。与参数相关的处理器11接收例如第一速率(SIN)的语音信号的音频信号。与参数相关的处理器11通过根据多个控制信号而压缩或扩展接收的音频信号，从而去处理接收的音频信号，由此以第二速率(SOUT)生成输出的音频信号。根据优选实施例，每个控制信号表示一个不同参考参数(PREF1、PREF2、PREF3...PREFN)的一个级别。
例如速率比较器12的比较装置从与参数相关的处理器11中接收所述输出音频信号，并且检测其速度。例如，用户接口13的输入装置使得能够实现各种功能，例如通过允许用户输入所指定或要求的速率(m)而实现速度控制。速率比较器12比较检测到的输出音频信号的速度(SOUT)与要求的速率(m)，并且在比较结果的基础上生成比较信号。
例如参数处理器14的第二处理装置从速率比较器12中接收比较信号。参数处理器14根据接收的比较信号来生成控制信号。每个控制信号都表示一个不同参考参数(PREF1、PREF2、PREF3...PREFN)的级别。控制信号被同时输入到与参数相关的处理器11中，以便去控制与参数相关的处理器11的信号压缩和扩展操作。如在此将要进一步讨论的，通过音频速度转换器10的闭环设计，可以根据输入音频信号的内容来自适应地控制音频速度。音频速度转换器10也可以被包含在同时具有音频和视频重现能力的系统内，如图3所示。
参考图3，其中给出包括根据本发明原理构造的音频速度转换器10的示范系统100。在图3中，系统100是一个包括如图2所示的音频速度转换器10和视频速度转换器20的音频/视频系统。在图3的系统100内，期望输出视频信号与输出音频信号呈现相同的速度。因此针对最佳视频同步，视频速度转换器20利用与输出音频信号的瞬时速度相关的信息，去控制输出视频信号的速度。如图3所示，根据实施例，该信息经过与参数相关的处理器11的输出端，作为数字数据，被提供给视频速度转换器20。在该方式中，音频速度转换器10作为“主设备”进行操作，而视频速度转换器20作为“从设备”进行操作。
现在参考图2-6，进一步给出根据本发明原理构造的音频速度转换器10操作的相关细节。
如上所示，在图2和图3内，音频速度转换器10内的与参数相关的处理器11以第一速率(SIN)接收输入音频信号。与参数相关的处理器11根据多个控制信号，通过压缩或扩展接收的音频信号而去处理接收的音频信号。每个控制信号表示一个不同参考参数(PREF1、PREF2、PREF3...PREFN)的级别。由与参数相关的处理器11执行的处理过程可以以第二速率(SOUT)生成音频信号。特别是，通过压缩接收的音频信号，可以增加输出音频信号的速度。相反，通过扩展接收的音频信号，可以降低输出音频信号的速度。
速率比较器12可接收输出音频信号，并且检测其速度。也就是，速率比较器12检测第二速率(SOUT)。速率比较器12还从用户接口13接收表示要求的速率(m)的输入信号。用户接口13可以实施为任意类型的输入装置，例如键盘、远端控制或允许用户输入指定或要求速率(m)的类似设备等。速率比较器12比较被检测的输出音频信号速度(SOUT)与要求的速率(m)，并且在该比较结果的基础上生成比较信号。根据示范实施例，速率比较器12可生成二进制低电平比较信号，指示还没有达到要求的速率(m)。相反，速率比较器12可生成二进制高电平比较信号，指示已经超过要求的速率(m)。
参数处理器14从速率比较器12接收比较信号，并且根据接收的比较信号生成控制信号。每个控制信号表示一个不同参考参数的级别(PREF1、PREF2、PREF3...PREFN)。控制信号被同时输入到与参数相关的处理器11中，并且用于去控制与参数相关的处理器11的信号压缩和扩展操作。根据示范实施例，每个参考参数(PREF1、PREF2、PREF3...PREFN)代表一个不同的音频信号的独立的参数。例如，第一参考参数PREF1可以表示接收的音频信号的平均功率。第二参考参数PREF2可以例如表示接收的音频信号的两个连续间隔(pitch period)之间的近似性。第三参考参数PREF3可以例如表示包含在接收的音频信号两个连续间隔内包含的周期数目的差异。当然，可以根据本发明的原理使用其它参数。
平均功率是特别有用的参数，可以用于区分有用输入音频信号和噪声信号。用于区分有用音频信号和噪声的门限一般可以由参考参数PREF的级别来确定。现在参考图4，进一步给出示范参考参数PREF的相关细节。
参考图4，其中给出用于说明示范输入音频信号的参数级别的示意图30。出于举例说明的目的，图4中给出的参数级别可以对应于示范的输入音频信号的平均功率。图4中可以看到，平均参数级别PAVERAGE随着时间而在参考参数PREF级别的上下进行波动。平均参数级别PAVERAGE和参考参数PREF级别都由数字值表示。如果平均参数级别PAVERAGE高于参考参数PREF级别，则相应信号被当作有用的音频信号。否则，信号被当作噪声信号，并且可以相应地被删除掉。
如图4所示，如果特定参考参数PREF级别被设置地过高(即，如打点线表示)，这就会增加输入音频信号被当作噪声信号的机率，并最终被删除。或者，如果参考参数PREF级别被设置地过低(即，如虚线表示)，有效的噪声检测就会变得更加困难。实际上，可以任意设置给定参考参数PREF级别，但是由于它将最终影响输出音频信号的质量，因此应该根据设计需要仔细地选择该参考参数级别。可以认识到，当给定参考参数PREF的适当级别处在较小的可允许范围内，不会降低输出音频信号的质量。在图4中，由阴影区域表示给定参考参数PREF的这种可允许范围的实例。
参考图5，其中给出说明输出音频信号(即听众的可理解性)与参考参数PREF级别之间的示范关系的示意图40。如图5所示，超出参考参数PREF的可允许范围会导致输出音频信号质量急剧下降，其原因在于丢失了某些有用的音频信号。值得注意的是，每个参考参数PREF的级别还可以影响压缩速率以及最终的音频输出速度。例如，在给定时间间隔内，利用较高门限参考参数PREF的音频速度转换器将会比利用较低门限参考参数PREF的音频速度转换器删除更多的噪声。如上所示，本发明使用多个不同的独立参考参数(PREF1、PREF2、PREF3...PREFN)，以便检测音频(即声音)的冗余性。
再回来参考图2和图3，参数处理器14响应速率转换器12生成的比较信号，从而生成控制信号，其中每个控制信号表示多个不同参考参数(PREF1、PREF2、PREF3...PREFN)之一的一个级别。根据示范实施例，参数处理器14利用N个不同的参考参数(PREF1、PREF2、PREF3...PREFN)，其中每个参考参数由不同的数字值表示。参考参数的数量N的选择与设计方案有关。实际上，每个不同参考参数(PREF1、PREF2、PREF3...PREFN)的分辨率是没有必要相同的。例如，第一参考参数PREF1的级别可以由8比特的数字值表示，而第二参考参数PREF2的级别可以由14比特的数字值表示。
参数处理器14生成控制信号，使得能够根据由速率比较器12生成的比较信号而去改变每个单独参考参数(PREF1、PREF2、PREF3...PREFN)的级别。也就是，参数处理器14根据比较信号去改变每个参考参数(PREF1、PREF2、PREF3...PREFN)的级别，以达到要求的速率(m)。例如为了达到要求的速率(m)，参数处理器14可以生成控制信号，使得第一参考参数PREF1变为(PREF1+/-ΔPREF1)，第二参考参数PREF2变为(PREF2+/-ΔPREF2)，第三参考参数PREF3变为(PREF3+/-ΔPREF3)，以及第N个参考参数PREFN变为(PREFN+/-ΔPREFN)。在上述各表达式中，由于增加音频速度并不必要求提高参考参数级别并且反之亦然，因此”+/-”是有必要的。还应该注意，尽管在图2和图3中的参数处理器14针对每个参考参数(PREF1、PREF2、PREF3...PREFN)配备单独的输出线，但是实际上可以通过串行方式发送控制信号，从而减少这种输出线的数量。
作为实例，在图2和图3内假设音频速度转换器10正常地工作而不用进行任何速度调整(即m＝1)。在这种状态下，如果用户通过用户接口13输入要求的、等于2(即两倍于正常速度)的速率(m)，则音频速度转换器10通过操作会把输出音频信号的速度(SOUT)提高成要求的速率(m)。
为了实现这种期望的变化，速率比较器12经过用户接口13接收用户输入，并且在一开始检测到：输出音频信号的速度(SOUT)还没有达到要求的、等于2的速率(m)。因此，速率比较器12生成二进制低电平比较信号，指示还没有达到要求的速率(m)。参数比较器14接收处于二进制低电平状态的比较信号，并且通过生成控制信号进行响应，指示还没有达到要求的速率(m)。也就是，参数处理器14生成控制信号，以便去改变参考参数(PREF1、PREF2、PREF3...PREFN)的级别，使得与要求的速率(m)一致。控制信号进而通过增加信号压缩率，使得与参数相关的处理器11可以增加输出音频信号的速度(SOUT)。
速率比较器12检测增加的输出音频信号速度(SOUT)，并且只要被检测的输出音频信号速度(SOUT)低于要求速率(m)，就会继续生成二进制低电平比较信号。以类似方式，参数处理器14继续生成控制参数，以便去改变参考参数(PREF1、PREF2、PREF3...PREFN)的级别，使得与要求的速率(m)一致。这进而又会使得与参数相关的处理器11通过提高信号压缩率，从而进一步增加输出音频信号的速度(SOUT)。该过程继续执行，直到速率比较器12检测到：已经超过要求的速率(m)，并且生成二进制高电平状态的比较信号。
一旦超过要求速率(m)，参数处理器14生成控制信号，以便再次去改变参考参数(PREF1、PREF2、PREF3...PREFN)的级别，使得与要求的速率(m)一致。这进而使得与参数相关的处理器11通过降低信号压缩率，从而去减小输出音频信号的速度(SOUT)。通过连续执行这种基于环路的、迭代地改变参考参数(PREF1、PREF2、PREF3...PREFN)级别的处理过程，使得可以把输出音频信号的速度(SOUT)锁定在要求的速率(m)上。如果要求的速率(m)小于1，则音频速度转换器11可以以类似但是相反的方式进行操作。
在上述方式中，与参数相关的处理器11、速率比较器12以及参数处理器14作为一个闭环系统进行工作，以便根据输入音频信号的内容而自适应地控制音频速度。而且，这种速度控制技术可以被包含在具有音频和视频重现功能的系统中，如图3所示。在图6中可以看到根据本发明原理构造的闭环速度控制系统的好处。
参考图6，其中给出说明开环和闭环系统之间的示范比较的示意图50。如图6所示，开环系统(即实线表示)以随时间变化的速度生成输出音频信号。这种速度变化会使得听众非常烦恼。相反地，例如根据本发明原理构造成的闭环系统(即虚线)可以有益地以相对恒定的速率生成输出音频信号。根据本发明原理构造的系统可以改善音频和视频产品的功能。例如，本发明通过提高音频和视频速度，使得可以只用一部电影原来的持续时间的70％持续时间去进行现看，而同时又能够确保各个音频和视频片段之间良好的同步，从而可以节省用户的时间。而且，通过只需用60％的原来的持续时间去回放电话应答机消息，从而也可以节省用户的时间。此外，由于效率高的存储器已经变得更加可行，因此在录制之前对音频信号进行压缩可以降低产品的成本。
尽管已经按照优选设计方法描述了本发明，但是本发明可以在该公开内容的精神实质和覆盖范围内被进一步修改。因此，该本申请可以被认为涵盖任何利用本发明基本原理的应用的变化方案与使用。而且，本申请应该覆盖与本发明相关并且处于附属权利要求限制之内的、本领域内公知或通常的应用。

Claims (10)

1.用于处理音频信号的系统，包括：
第一处理装置(11)，用于以第一速率(SIN)接收所述音频信号，并且根据多个控制信号去处理所述接收的音频信号，其中每个控制信号都表示用于区分音频信号和噪声信号的不同参考参数(PREF1、PREF2、PREF3...PREFN)的级别，并且根据所述处理，以第二速率(SOUT)提供所述接收的音频信号的输出；
比较器装置(12)，用于比较所述第二速率(SOUT)与要求的速率(m)，并且根据所述比较结果生成比较信号；以及
第二处理装置(14)，用于根据所述比较信号生成所述控制信号。
2.权利要求1的系统，其中由所述控制信号表示的所述参考参数(PREF1、PREF2、PREF3...PREFN)中的一个是平均功率。
3.权利要求1的系统，还包括用于使能所述要求的速率(m)的用户输入的输入装置(13)。
4.权利要求1的系统，还包括用于通过使所述视频信号与所述第二速率(SOUT)同步从而处理视频信号的装置(20)。
5.权利要求1的系统，其中所述第一处理装置(11)通过压缩和扩展所述接收的音频信号这两种操作中的一种操作，从而处理所述接收的音频信号。
6.一种用于处理音频信号的方法，包含如下步骤：
以第一速率(SIN)接收所述音频信号；
根据多个控制信号去处理所述接收的音频信号，其中每个控制信号都表示用于区分音频信号和噪声信号的不同参考参数(PREF1、PREF2、PREF3...PREFN)的级别；
根据所述处理，以第二速率(SOUT)提供所述接收的音频信号的输出；
比较所述第二速率(SOUT)与要求的速率(m)；根据所述比较结果生成比较信号；以及
根据所述比较信号生成所述控制信号。
7.权利要求6的方法，其中由所述控制信号表示的所述参考参数(PREF1、PREF2、PREF3...PREFN)中的一个是平均功率。
8.权利要求6的方法，还包括使能所述要求的速率(m)的用户输入的步骤。
9.权利要求6的方法，还包括用于通过使所述视频信号与所述第二速率(SOUT)同步从而处理视频信号的步骤。
10.权利要求6的方法，其中通过压缩和扩展所述接收的音频信号这两种操作中的一种操作从而执行处理所述接收的音频信号的步骤。
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