DE102012014310A1

DE102012014310A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Einstellung der Lautheit eines Audiosignals

Info

Publication number: DE102012014310A1
Application number: DE201210014310
Authority: DE
Inventors: Andreas Jäger
Original assignee: SOLUTIONS E GmbH; eSolutions GmbH
Current assignee: E.SOLUTIONS GMBH, DE
Priority date: 2012-07-19
Filing date: 2012-07-19
Publication date: 2014-05-15

Abstract

Es wird eine Technik zur Lautheitseinstellung für ein Audiosignal beschrieben. Ein Verfahrensaspekt dieser Technik umfasst das Analysieren einer Lautheit des Audiosignals bezüglich einer Ziellautheit und das Ermitteln eines Verstärkungsfaktors für das Anheben oder Absenken der Lautheit des Audiosignals, um die Lautheit des Audiosignals kontinuierlich mit wenigstens einer ersten Rate auf die Ziellautheit zu bringen. Im Anschluss daran wird eine resultierende Lautheit des auf der Grundlage des ermittelten Verstärkungsfaktor skalierten Audiosignals bezüglich Überschreiten eines Lautheitsgrenzwerts analysiert. Sollte die resultierende Lautheit den Lautheitsgrenzwert überschreiten, wird die Lautheit des Audiosignals mit einer zweiten Rate abgesenkt, die höher als die erste Rate ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein das Gebiet der Audiosignal-Verarbeitung. Konkret werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einstellung der Lautheit eines Audiosignals angegeben.
Hintergrund
Lautstärkeschwankungen bei der Wiedergabe eines Audiosignals sind in der Regel dann unerwünscht, wenn sie nicht auf die Dynamik der wiederzugebenden Audio-Informationen (etwa eines Musiktitels) zurückgehen, sondern auf rein technische Effekte. So führt ein Wechsel der Signalquelle bei deutlich unterschiedlichen Pegeln des jeweils ausgegebenen Audiosignals zu einem unerwünschten Lautstärkesprung bei der Wiedergabe. Beispielhaft genannt werden kann hier das Umschalten von einem Radio-Empfangsteil auf einen Compact Disc (CD)-Spieler als Signalquelle. Auch innerhalb eines Audiosignals kann es beim Übergang von einem Musiktitel zum nächsten zu einem unerwünschten Lautstärkesprung kommen, wenn die Musiktitel mit unterschiedlichen Einstellungen aufgenommen oder abgespeichert wurden.
Um eine quantitative Aussage zu Unterschieden in der empfundenen Lautstärke treffen zu können, wurde eine Größe mit der Bezeichnung „Lautheit” (engl. „loudness”) eingeführt. Die Lautheit ist in verschiedenen Normen festgelegt und weist allgemein eine proportionale Beziehung zum menschlichen Lautstärkeempfinden auf. Die Lautheit verdoppelt sich also, wenn ein wiedergegebenes Audiosignal als doppelt so laut empfunden wird.
Neben Verfahren, die die tatsächliche Lautheit eines realen Schallereignisses bestimmen, gibt es auch solche, die lediglich die relative Lautheit von verschiedenen Audiosignalen zueinander beurteilen. Solche Verfahren können insbesondere dazu genutzt werden, die Lautheit von Audiosignalen untereinander anzugleichen, ohne Kenntnis über die weitere Einflussfaktoren auf das Lautheitsempfinden des Hörers – also beispielsweise den Wirkungsgrad der verwendeten Verstärker und Lautsprecher sowie den Abstand des Hörers von den Lautsprechern – zu haben. Ein Beispiel hierfür ist die sog. ITU-Loudness, beschrieben in der Norm BS.1770-2 (03/2011) der International Telecommunication Union, Radiocommunication Sector (ITU-R). Neben dieser ITU-R-Norm existieren weitere Normen bzw. Modelle für die Berechnung der Lautheit.
Ist ein Audiosignal gegeben, kann seine Lautheit durch Skalierung bei der Wiedergabe beeinflusst werden. Durch eine Skalierung mit einem Wert bzw. Faktor < 1 kann die Lautheit des Signals allgemein reduziert werden, während eine Skalierung mit einem Wert bzw. Faktor > 1 die Lautheit allgemein erhöht. Der Zusammenhang zwischen Skalierung und Lautheitsänderung hängt dabei vom Audiosignal selbst und der verwendeten Norm bzw. dem verwendeten Modell zur Berechnung der Lautheit ab.
Soll die Lautheit eines Audiosignals also einem gewünschten Wert angenähert werden, kann dies durch geeignete Skalierung geschehen, wenn der Zusammenhang zwischen Skalierung und Lautheitsänderung bekannt ist. Ist hierbei das Signal vor der Wiedergabe vollständig verfügbar (z. B. in Form einer Musikdatei), kann beispielsweise ein konstanter Verstärkungsfaktor berechnet werden, nach dessen Anwendung die Lautheit des Audiosignals im Mittel dem vorgegebenen Zielwert entspricht.
In vielen Einsatzgebieten wie bei einem Kraftfahrzeug-Audiosystem ist eine solche Offline- Analyse und Offline-Anpassung der Lautheit nicht möglich, etwa weil nicht das gesamte Signal vor der Wiedergabe zur Verfügung steht (z. B. bei Radioempfang). In solchen Fällen müssen die Analyse und Anpassung in Echtzeit erfolgen. Hierbei gilt es mehrere Randbedingungen zu beachten. Grundsätzlich ist bei vielen Echtzeitanwendungen die Verzögerung des Audiosignals bei dessen Analyse und Anpassung so gering wie möglich zu halten. Ferner soll die ursprüngliche Dynamik der Audio-Informationen weitestgehend erhalten bleiben. Hierfür ist eine eher langsame Lautheitseinstellung erwünscht. Andererseits gilt es, große Lautheitssprünge – beispielsweise beim Umschalten der Signalquelle – abzufangen. Letzteres erfordert eine schnelle Lautheitseinstellung.
Zum Abfangen von unerwünschten Lautheitssprüngen lehrt die US 2008/0253586 A1 die Überwachung eines Audiosignals im Hinblick auf einen Übergang zwischen zwei Signalsegmenten unterschiedlicher Lautheit (z. B. zwischen einer Programmwiedergabe und einem nachfolgenden Werbeblock). Ferner findet eine Bestimmung einer Langzeit-Lautheit über einen ersten Bereich des Audiosignals sowie einer Kurzzeit-Lautheit über einen zweiten, kürzeren Bereich des Audiosignals statt. Sobald ein Segmentübergang erfasst wurde, erfolgt eine zweistufige Anpassung des für das Audiosignal vorgesehenen Verstärkungsfaktors. Die Bestimmung des Verstärkungsfaktors erfolgt unmittelbar im Anschluss an den Segmentübergang für eine vorgegebene Zeitspanne auf der Grundlage der Kurzzeit-Lautheit. Nach Ablauf der Zeitspanne wird der Verstärkungsfaktor basierend auf der Langzeit-Lautheit ermittelt.
In einem vergleichbaren Zusammenhang schlägt die US 2010/0272290 A1 vor, den Verstärkungsfaktor unter Berücksichtigung der Lautheit vor und nach dem Segmentübergang zu bestimmen. Bei der Bestimmung des Verstärkungsfaktors werden erneut eine Langzeit-Lautheit sowie eine Kurzzeit-Lautheit berücksichtigt.
Kurzer Abriss
Der vorliegenden Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effizientes Verfahren sowie eine effiziente Vorrichtung zur Lautheitseinstellung anzugeben. Insbesondere sollte wenigstens in manchen Implementierungen die Notwendigkeit eines wiederholten, unerwünschten Nachstellens eines Lautstärkereglers zum Ausgleich von Lautheitssprüngen (etwa bei Quellen- oder Titelwechseln) durch den Benutzer eines Audiosystems vermieden werden. Dabei ist einerseits die ursprüngliche Dynamik des Audiosignals zumindest weitgehend zu erhalten, andererseits sind unerwünscht große Lautheitssprünge sicher abzufangen.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Lautheitseinstellung für ein Audiosignal angegeben, umfassend die Schritte des Analysierens einer Lautheit des Audiosignals bezüglich einer Ziellautheit und des Ermittelns eines Verstärkungsfaktors für das Anheben oder Absenken der Lautheit des Audiosignals, um die Lautheit des Audiosignals kontinuierlich mit wenigstens einer ersten Rate auf die Ziellautheit zu bringen, des Analysierens einer resultierenden Lautheit des auf der Grundlage des ermittelten Verstärkungsfaktors skalierten Audiosignals bezüglich Überschreiten eines Lautheitsgrenzwerts und, falls die resultierende Lautheit den Lautheitsgrenzwert überschreitet, des Absenkens der Lautheit des Audiosignals mit einer zweiten Rate, die höher als die erste Rate ist.
Wie bereits erwähnt, wird die Lautheit des Audiosignals mit der zweiten Rate abgesenkt, falls die resultierende Lautheit den Lautheitsgrenzwert überschreitet. Sollte die resultierende Lautheit den Lautheitsgrenzwert hingegen nicht überschreiten, kann das Audiosignal mit der ersten Rate kontinuierlich (ggf. unter wiederholter Anpassung des Verstärkungsfaktors) auf die Ziellautheit gebracht werden. Hierbei kann die Lautheit des Audiosignals wahlweise angehoben oder abgesenkt werden.
Beim Absenken der Lautheit des Audiosignals mit der zweiten Rate kann das Audiosignal auf den Lautheitsgrenzwert gebracht werden. Es wäre jedoch auch denkbar, das Audiosignal beim Absenken mit der zweiten Rate auf einen vom Lautheitsgrenzwert abweichenden Lautheitswert zu bringen.
Das Absenken der Lautheit des Audiosignals mit der zweiten Rate kann in einem einzigen Schritt (also instantan) oder aber kontinuierlich erfolgen. Im Umfang der vorliegenden Offenbarung kann eine kontinuierliche Lautheitseinstellung beispielsweise in mehreren, diskreten Schritten erfolgen. Mit anderen Worten kann sich eine kontinuierliche Lautheitseinstellung über einen gewissen zeitlichen Bereich erstrecken.
Zum Absenken der Lautheit des Audiosignals mit der zweiten Rate kann der ermittelte Verstärkungsfaktor modifiziert werden. Im Anschluss daran kann das Audiosignal auf der Grundlage des modifizierten Verstärkungsfaktors skaliert werden. Das Maß der Modifikation kann von der resultierenden Lautheit des mit dem (nicht-modifizierten) Verstärkungsfaktor skalierten Audiosignals abhängen oder fest vorgegeben sein.
Bei der Ziellautheit und dem Lautheitsgrenzwert kann es sich um variable Parameter handeln. So kann die Ziellautheit systemseitig oder durch einen Benutzer vorgegeben werden oder aber zur Laufzeit einstellbar sein. Gemäß einer Variante wird der Lautheitsgrenzwert aus der Ziellautheit abgeleitet. Der Lautheitsgrenzwert kann beispielsweise um einen fest vorgegebenen oder variablen Toleranzwert über der Ziellautheit liegen.
In einer Implementierung kann eine weitere, vom Benutzer einstellbare Skalierungsstufe entsprechend einem konventionellen Lautstärkeregler nachgeschaltet sein. In diesem Fall kann die Ziellautheit eine zur Laufzeit konstante Größe sein; eine zusätzliche Beeinflussung der Ziellautheit und/oder des Lautheitsgrenzwerts durch den Benutzer ist jedoch möglich.
Die für das Anheben oder Absenken der Lautheit vorgesehene Rate kann allgemein die Geschwindigkeit der Änderung der Skalierung zur Beeinflussung (Anhebung bzw. Absenkung) der Lautheit des Audiosignals bezeichnen. So kann die Rate allgemein eine Anpassungsgeschwindigkeit des Verstärkungsfaktors zum Erreichen der gewünschten Lautheit (z. B. der Ziellautheit und/oder des Lautheitsgrenzwerts) charakterisieren. Die Änderung der Skalierung kann in dB/s oder einer anderen Einheit angegeben werden.
Gemäß einer Implementierung liegt die erste Rate für das Anheben oder Absenken der Lautheit in einem Bereich zwischen ungefähr 0.1 und 2 dB/s. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann die zweite Rate für das Absenken der Lautheit in einem Bereich zwischen ungefähr 0.1 und 2 dB/ms liegen. Unabhängig oder zusätzlich hierzu kann die erste Rate für das Anheben oder Absenken der Lautheit zu einer Regelungsdauer von ungefähr 5 s bis 5 min führen und/oder die zweite Rate für das Absenken der Lautheit zu einer Regelungsdauer von ungefähr 1 ms bis 1 s führen. Die Regelungsdauer bezeichnet hier die Zeitspanne, bis eine gewünschte Lautheit im Wesentlichen erreicht ist.
Die erste Rate kann sich für das Anheben und das Absenken der Lautheit unterscheiden. Insbesondere kann das Absenken schneller erfolgen als das Anheben.
Das Analysieren der Lautheit des Audiosignals bezüglich der Ziellautheit sowie das darauf basierende Ermitteln des Verstärkungsfaktors kann im Zusammenhang mit einer automatischen Verstärkungsregelung (engl. ”Automatic Gain Control”, AGC) erfolgen. Die automatische Verstärkungsregelung kann eine Rückkopplungsschleife umfassen. Alternativ hierzu kann – insbesondere bei bekanntem Zusammenhang zwischen Wahl des Verstärkungsfaktors und daraus resultierender Lautheitsänderung – die automatische Verstärkungsregelung vom Typ ”Feed Forward” sein.
Das Analysieren der Lautheit des Audiosignals bezüglich der Ziellautheit kann eine erste Lautheitsmessung umfassen. Das Analysieren des mit dem ermittelten Verstärkungsfaktor skalierten Audiosignals kann eine zweite Lautheitsmessung umfassen, die schneller auf Änderungen des Eingangssignals reagiert als die erste Messung, etwa durch Verwendung von kürzeren Mittelungszeiten in der Analyse. Man kann in diesem Fall also von der Messung einer „Kurzzeit-Lautheit” sprechen. Alternativ hierzu kann die zweite Analyse als Signalspitzenerfassung ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren Variante kann ein Verzögern des Audiosignals stattfinden. Das Verzögern kann zur Synchronisierung des wiederzugebenden Audiosignals mit dem Absenken der Lautheit mit der zweiten Rate erfolgen.
Ferner kann eine Stille-Erkennung für das Audiosignal erfolgen. Bei erkannter Stille kann wenigstens ein Verfahrensschritt unterbleiben, beispielsweise eine Anpassung des Verstärkungsfaktors zum Erreichen der Ziellautheit und/oder das Skalieren des Audiosignals und/oder das Analysieren der resultierenden Lautheit des mit dem ermittelten Verstärkungsfaktor skalierten Audiosignals und/oder das Absenken der Lautheit des Audiosignals mit der zweiten Rate.
In einer Implementierung basiert das Audiosignal auf einem Radiosignal. Bei schlechtem Radioempfang kann wenigstens einer der folgenden Verfahrensschritte unterbleiben: eine Anpassung des Verstärkungsfaktors zum Erreichen der Ziellautheit und/oder das Skalieren des Audiosignals, das Analysieren der resultierenden Lautheit des mit dem ermittelten Verstärkungsfaktor skalierten Audiosignals und das Absenken der Lautheit des Audiosignals mit der zweiten Rate. Schlechter Radioempfang kann beispielsweise von einem Radioempfangsteil signalisiert werden.
Das Audiosignal kann im Zusammenhang mit der Durchführung des vorliegenden Verfahrens gesampelt werden. Die Audiosamples können im Anschluss daran blockweise verarbeitet werden. Dabei kann die Analyse der Lautheit des skalierten Audiosignals auf einer kleineren Sampleblockgröße als die Analyse der Lautheit des nicht-skalierten Audiosignals basieren und/oder eine Anpassung des Verstärkungsfaktors mit der zweiten Rate auf einer kleineren Sampleblockgröße als die Anpassung des Verstärkungsfaktors mit der ersten Rate basieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Vorrichtung zur Lautheitseinstellung für ein Audiosignal angegeben. Die Vorrichtung umfasst einen ersten Funktionsblock, der dazu ausgebildet ist, eine Lautheit des Audiosignals bezüglich einer Ziellautheit zu analysieren und einen Verstärkungsfaktor für das Anheben oder Absenken der Lautheit des Audiosignals zu ermitteln, einen zweiten Funktionsblock, der dazu ausgebildet ist, eine resultierende Lautheit des auf der Grundlage des Verstärkungsfaktors skalierten Audiosignals bezüglich Überschreiten eines Lautheitsgrenzwerts zu analysieren, und einen dritten Funktionsblock, der dazu ausgebildet ist, die Lautheit des Audiosignals kontinuierlich mit wenigstens einer ersten Rate auf die Ziellautheit zu bringen, und, falls die resultierende Lautheit den Lautheitsgrenzwert überschreitet, die Lautheit des Audiosignals mit einer zweiten Rate, die höher als die erste Rate ist, abzusenken.
Der erste, der zweite und der dritte Funktionsblock kann jeweils einen Eingang für das Audiosignal aufweisen. Mit anderen Worten kann das Audiosignal jedem dieser drei Funktionsblöcke zugeführt werden. Zusätzlich kann das System einen vierten Funktionsblock zur Stille-Erkennung umfassen, der entweder über einen Eingang für das Audiosignal verfügt und dieses in geeigneter Weise auf das Vorhandensein von Stille überprüft, oder einen Eingang für einen aus dem Audiosignal abgeleiteten Wert – beispielsweise die aktuelle Lautheit des Audiosignals – aufweist, um auf Basis dieses Werts die Stille-Erkennung durchzuführen und beim Erkennen von Stille einen oder mehrere Verarbeitungsschritte durch die Vorrichtung zu überspringen oder zu unterbrechen.
Der erste Funktionsblock kann einen Speicher für den Verstärkungsfaktor umfassen. Der zweite Funktionsblock kann Schreibzugriff auf diesen Speicher besitzen. Zusätzlich hierzu kann dem zweiten Funktionsblock auch ein Lesezugriff hierauf eingeräumt werden. Ferner kann der dritte Funktionsblock Lesezugriff auf den Speicher erhalten, um den jeweils (zum Beispiel sampleweise) anzuwendenden Verstärkungsfaktor auszulesen.
Die Vorrichtung kann bei unterschiedlichen Audiosystemen Verwendung finden. So kann ein Kraftfahrzeug-Audiosystem die Vorrichtung umfassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Aspekte, Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie aus den Figuren. Es zeigen:
1A und 1B Blockdiagramme von Ausführungsbeispielen eines Kraftfahrzeug-Audiosystems;
2 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Lautheitseinstellung bei dem Audiosystem gemäß 1A oder 1B;
3 Komponenten eines ersten Funktionsblocks der Vorrichtung gemäß 2;
4 Komponenten eines zweiten Funktionsblocks der Vorrichtung gemäß 2;
5 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Lautheitseinstellung, wie es von dem zweiten Funktionsblock gemäß 4 durchgeführt wird;
6 bis 8 Diagramme, welche die Lautheitseinstellung gemäß der vorliegenden Offenbarung bei einem Testsignal veranschaulichen;
9 Diagramme, welche die Lautheitseinstellung gemäß der vorliegenden Offenbarung bei einer Abfolge von drei Musikstücken mit ansteigender Lautheit darstellen; und
10 Diagramme, welche die Lautheitseinstellung bei der gleichen Abfolge von Musikstücken wie 9 ohne schnelle Lautheitseinstellung zeigen.
Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden wird die vorliegende Offenbarung anhand schematischer Blockdiagramme erläutert. Es versteht sich, dass die den Blockdiagrammen zugrunde liegende technische Lehren als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden können. So können bei möglichen Implementierungen beispielsweise digitale Signalprozessoren (DSP), anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASIC) und vergleichbare Komponenten zum Einsatz gelangen.
Das Blockdiagramm gemäß 1A veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines Audiosystems 10 zum Einbau in ein Kraftfahrzeug. Das Audiosystem 10 umfasst eine Vielzahl von Signalquellen wie einen CD-Spieler 12, ein Radio-Empfangsteil 14 und einen externen Eingang 16 beispielsweise für portable Musikwiedergabegeräte. Weitere, im vorliegenden Ausführungsbeispiel implementierte Signalquellen umfassen ein Telefoniemodul 18 (beispielsweise mit der Funktionalität einer Freisprecheinrichtung) sowie ein Navigationsmodul 20 zur Ausgabe von Routenführungshinweisen. Es versteht sich, dass sowohl das Telefoniemodul 18 als auch das Navigationsmodul 20 nicht die gesamten Telefonie- und Navigationsfunktionalitäten beinhalten müssen. Vielmehr kann das Telefoniemodul 18 eine geeignete Schnittstelle besitzen, um mit einem Kraftfahrzeug-Telefonsystem (nicht dargestellt) zu kommunizieren. In gleicher Weise kann das Navigationsmodul 20 eine Schnittstelle zu einem Kraftfahrzeug-Navigationssystem (nicht dargestellt) umfassen.
Das in 1A dargestellte Audiosystem 10 umfasst ferner eine Vorrichtung 22 zur Lautheitseinstellung, im Folgenden auch als Lautheitseinsteller 22 bezeichnet. Der Lautheitseinsteller 22 ist eingangsseitig mit den bereits beschriebenen Signalquellen 12, 14, 16, 18, 20 gekoppelt. Erforderlichenfalls kann zwischen diesen Signalquellen 12, 14, 16, 18, 20 und dem Lautheitseinsteller 22 noch eine Signalauswahleinrichtung (nicht dargestellt) vorgesehen werden, die sicher stellt, dass dem Lautheitseinsteller 22 von lediglich einer der Signalquellen 12, 14, 16, 18, 20 ein Audiosignal zugeführt wird.
Das Audiosystem 10 umfasst des Weiteren einen Endverstärker 24, der zum Verstärken eines Ausgangssignals des Lautheitseinstellers 22 vorgesehen ist. Der Endverstärker 24 ist in bekannter Weise ausgangsseitig mit einer Lautsprecheranordnung 26 gekoppelt.
Dem Lautheitseinsteller 22 kann zudem eine weitere, vom Benutzer einstellbare Skalierungseinheit 28 im Sinne einer konventionellen Lautstärkeregelung nachgeordnet sein. Ebenso kann das Audiosystem 10 so ausgestaltet sein, dass lediglich eine Auswahl von Quellen (wie z. B. der CD-Spieler 12, das Radio-Empfangsteil 14 und der externe Eingang 16) dem Lautheitseinsteller 22 zugeführt werden, während weitere Quellen (wie Telefonie 18 oder Navigation 20) direkt dem Endverstärker 24 oder weiteren Verarbeitungsschritten zugeführt werden. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in 1B dargestellt, wobei zusätzlich noch eine quellenspezifische Skalierung vorgesehen ist.
Es versteht sich, dass die Darstellungen gemäß den 1A und 1B lediglich schematischen Charakter haben und keine vollständige Beschreibung eines Kraftfahrzeug-Audiosystems geben sollen. Weitere Funktionsblöcke, beispielsweise zur quellenspezifischen Entzerrung der Eingangssignale und zur Anpassung des Ausgangssignals des Audiosystems 10, sind daher nicht dargestellt.
2 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des Lautheitseinstellers 22 zur Verarbeitung eines Stereo-Audiosignals. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Anordnung auch für andere Konfigurationen von Audiokanälen, wie beispielsweise zur Verarbeitung eines 5.1- oder 7.1-Signals, ausgestaltet werden kann. Der Lautheitseinsteller 22 umfasst insgesamt vier Funktionsblöcke, die mit den Buchstaben A, B, C und D gekennzeichnet sind.
Der erste Funktionsblock A ist dazu ausgebildet, die Lautheit eines eingangsseitigen Audiosignals bezüglich einer vorgegebenen Ziellautheit zu analysieren und auf der Grundlage dieser Analyse einen Verstärkungsfaktor für das Anheben oder Absenken der Lautheit des Audiosignals zu ermitteln. Der zweite Funktionsblock B ist dazu ausgebildet, eine resultierende Lautheit des auf der Grundlage des mit dem in Funktionsblock A ermittelten Verstärkungsfaktors skalierten Audiosignals zu analysieren. Bei dieser Analyse wird die resultierende Lautheit in Bezug auf das Überschreiten eines aus der Ziellautheit abgeleiteten Lautheitsgrenzwerts überprüft. Der dritte Funktionsblock C ist dann für das eigentliche Anheben oder Absenken der Lautheit verantwortlich. Dabei wird die Lautheit des Audiosignals im Normalfall kontinuierlich, also nicht instantan, mit einer ersten Rate auf die Ziellautheit gebracht. Sollte hingegen in Funktionsblock B ermittelt werden, dass die resultierende Lautheit den Lautheitsgrenzwert überschreitet, senkt der dritte Funktionsblock C die Lautheit des Audiosignals mit einer zweiten Rate ab, die höher als die erste Rate ist.
Wie in 2 dargestellt, ist jeder der drei Funktionsblöcke A, B, C mit einem separaten Eingang für das Zweikanalaudiosignal versehen. Der vierte Funktionsblock D hingegen, welcher einer Stille-Erkennung dient, ist eingangsseitig lediglich mit dem Funktionsblock A gekoppelt. Aufgabe des vierten Funktionsblock D ist es, das Audiosignal auf stille Abschnitte hin zu untersuchen. Dies kann beispielsweise durch einen Vergleich der gemessenen Lautheit des Eingangssignals mit einem Schwellwert erreicht werden. Werden derartige stille Abschnitte im Audiosignal erkannt, wird die Regelung des Verstärkungsfaktors in den Funktionsblöcken A und B unterbunden. Zu diesem Zweck umfasst der Funktionsblock D einen Stille-Detektor 30 mit jeweils einem Steuerausgang 32 zum Funktionsblock A und B. Alternativ hierzu kann der Funktionsblock D auch selbst einen Eingang für das Audiosignal umfassen und dieses direkt auf das Vorhandensein von Stille untersuchen.
Im Folgenden werden der Aufbau sowie die Funktionsweise des Funktionsblocks A im Hinblick auf die Lautheitsanalyse und die Verstärkungsfaktorermittlung näher erläutert. Wie in 2 gezeigt, umfasst der Funktionsblock A einen Lautheit-Detektor 34 zur Messung der Lautheit des Eingangssignals. Die Lautheit des eingangsseitigen Audiosignals kann dabei anhand unterschiedlicher Normen bzw. Modelle ermittelt werden. Beispielhaft genannt sei in diesem Zusammenhang die Norm BS.1770-2 (03/2011) der International Telecommunication Union, Radiocommunication Sector (ITU-R).
Das die Lautheit repräsentierende Ausgangssignal des Lautheit-Detektors 34 wird sowohl dem Stille-Detektor 30 des Funktionsblocks D als auch einer automatischen Verstärkungsregelung (”AGC”) 36 im Funktionsblock A zugeführt. Der Stille-Detektor 30 analysiert das Ausgangssignal des Lautheit-Detektors 34 – wie oben beschrieben – in Bezug auf stille Abschnitte. Die AGC 36 hingegen vergleicht die aktuelle Lautheit des Audiosignals in Echtzeit mit der vom Benutzer vorgegebenen oder vorab festgelegten Ziellautheit und ermittelt auf der Grundlage dieses Vergleichs einen Verstärkungsfaktor (im Folgenden auch als ”AGC Gain” bzw. ”Gain” bezeichnet).
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden die Begriffe ”Gain” und ”Verstärkungsfaktor” teilweise synonym verwendet und bezeichnen allgemein einen Parameter, auf der Grundlage dessen eine Skalierung des Audiosignals erfolgt. Ein Gain von 0 dB entspricht einer Skalierung mit 1.
Hervorzuheben ist, dass die AGC 36 in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Vergleichs – der Lautheit des Audiosignals mit der Ziellautheit entweder ein Anheben oder ein Absenken der Lautheit des Audiosignals einleitet. Liegt die Lautheit des Audiosignals unter der Ziellautheit, wird der Verstärkungsfaktor derart gewählt, dass die Lautheit des Audiosignals angehoben wird (d. h. die aus dem ermittelten Verstärkungsfaktor – resultierende Skalierung hat einen Wert > 1). Andererseits wird dann, wenn die Lautheit des Audiosignals über der Ziellautheit liegt, der Verstärkungsfaktor dahingehend gewählt, dass die Lautheit des Audiosignals abgesenkt wird (d. h. die aus dem ermittelten Verstärkungsfaktor resultierende Skalierung hat einen Wert < 1). Der von der AGC 36 solchermaßen ermittelte Verstärkungsfaktor wird vom Funktionsblock A sowohl an den Funktionsblock B als auch an den Funktionsblock C ausgegeben.
Im Funktionsblock B wird der vom Funktionsblock A erhaltene Verstärkungsfaktor zunächst in einen Skalierungswert konvertiert. Zu diesem Zweck umfasst der Funktionsblock B einen Konverter 40. Wie in 2 gezeigt, umfasst der Funktionsblock B ferner für jeden der beiden Kanäle des eingangsseitigen Audiosignals einen Multiplizierer 42 sowie ein Vorfilter 44. Mittels der Multiplizierer 42 erfolgt ein Skalieren des Eingangssignals unter Verwendung des vom Konverter 40 erhaltenen Skalierungswerts. Mittels der Vorfilter 44 erfolgt dann eine Aufbereitung des skalierten Eingangssignals für die Zwecke einer zweiten Lautheitsmessung in einem hierfür vorgesehenen Detektor 46.
Der Detektor 46 ist für die Analyse der Lautheit des skalierten Audiosignals in Bezug auf den Lautheitsgrenzwert verantwortlich. Genauer gesagt analysiert der Detektor 46 die Lautheit dahingehend, ob der Lautheitsgrenzwert überschritten wird. Die vom Detektor 46 ermittelte Lautheit des skalierten Audiosignals in Relation zum Lautheitsgrenzwert wird an eine Berechnungseinheit 48 ausgegeben. Sofern der Lautheitsgrenzwert nicht überschritten wird; werden von der Berechnungseinheit 48 im Funktionsblock B keine weiteren Schritte eingeleitet. Das Audiosignal kann dann im Funktionsblock C auf der Grundlage des durch die AGC 36 ermittelten Verstärkungsfaktors und der entsprechenden AGC-bestimmten Rate auf die Ziellautheit gebracht werden.
Wird andererseits der Berechnungseinheit 48 vom Detektor 46 ein Überschreiten des Lautheitsgrenzwerts signalisiert, so erfolgt unverzüglich eine Reduzierung des von der AGC 36 (zunächst autark) ermittelten Verstärkungsfaktors. Wie in 2 veranschaulicht, ist zu diesem Zweck die Berechnungseinheit 48 mit der AGC 36 gekoppelt. Die Reduzierung des Verstärkungsfaktors durch den Funktionsblock B bei erkanntem Überschreiten des Lautheitsgrenzwerts bewirkt unmittelbar eine geringere Verstärkung des Audiosignals als im Fall eines ”autarken” Betriebs der AGC 36 (d. h. bei Nicht-Überschreiten des Lautheitsgrenzwerts). Dementsprechend wird die Lautheit des Audiosignals mit einer Rate abgesenkt, die höher ist, als diejenige Rate, welche ursprünglich im Funktionsblock A vorgesehen wurde.
Die Funktionsblöcke A und B sind also derart konfiguriert, dass sie unterschiedliche Raten (oder Geschwindigkeiten) für das Einstellen der Lautheit aufweisen. So kann die Rate für das Anheben oder Absenken der Skalierung und daraus resultierend der Lautheit des Audiosignals durch die AGC 36 im Funktionsblock A in einem Bereich zwischen ungefähr 0.1 und 2 dB/s (zum Beispiel bei 1 dB/s) liegen, während die Rate für das Absenken der Skalierung durch den Funktionsblock B in einem Bereich zwischen ungefähr 0.1 und 2 dB/ms (zum Beispiel bei 0.5 dB/ms) liegt. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann die Rate des Anhebens oder Absenkens von der Abweichung der gemessenen Lautheit von der Ziellautheit bzw. dem Lautheitgrenzwert selbst abhängen, etwa um eine Regelung innerhalb eines definierten Zeitraums unabhängig von der Höhe der nötigen Skalierungsänderung sicherzustellen. Dementsprechend kann die Rate für das Anheben oder Absenken der Lautheit im Funktionsblock A zu einer Regelungsdauer von ungefähr 5 s bis 5 min führen, bis die Ziellautheit eingeregelt ist. Andererseits kann die Rate für das Absenken der Lautheit im Funktionsblock B zu einer Regelungsdauer von ungefähr 1 ms bis 1 s führen, bis der Lautheitsgrenzwert (oder ein anderer gewünschter Wert) eingeregelt ist. Im Funktionsblock A können dabei unterschiedliche Raten für das Anheben und das Absenken der Lautheit verwendet werden. Insbesondere kann das Anheben langsamer als das Absenken erfolgen.
Der im Funktionsblock A unter optionaler Beeinflussung durch den Funktionsblock B ermittelte Verstärkungsfaktor wird dem Funktionsblock C bereitgestellt. Beispielsweise kann der Funktionsblock C Lesezugriff auf einen der AGC 36 zugeordneten Speicherbereich (in 2 nicht dargestellt) aufweisen, um den jeweils aktuellen Verstärkungsfaktor auslesen zu können. In gleicher Weise kann der Funktionsblock B Schreib- und Lesezugriff auf diesen Speicherbereich besitzen, um den dort von der AGC 36 abgespeicherten Verstärkungsfaktor bei überschreiten des Lautheitsgrenzwerts wie oben geschildert zu beeinflussen.
Der vom Funktionsblock C ausgelesene, aktuelle Verstärkungsfaktor wird zunächst von einem lokalen Konverter 50 – wie oben für den Konverter 40 des Funktionsblocks B beschrieben – in einen Skalierungswert konvertiert. Wie in 2 gezeigt, besitzt der Funktionsblock C für jeden Kanal des eingangsseitigen Audiosignals ferner einen Multiplizierer 52, um das Ausgangssignal auf der Grundlage des durch den Konverter 50 ermittelten Skalierungswert zu skalieren. Für jeden der beiden Kanäle ist im Funktionsblock C signalaufwärts der Multiplizierer 52 ein Verzögerer 54 vorgesehen. Die Verzögerer 54 verzögern das dem Funktionsblock C eingangsseitig zugeführte Audiosignal um einen festen Wert, welche durch die Dauer des Absenkens des Verstärkungsfaktors durch Funktionsblock B bestimmt ist (d. h. in Übereinstimmung mit dem Absenken der Lautheit des Ausgangssignals bei Erfassung eines Überschreitens des Lautheitsgrenzwerts). Auch wenn der Grenzwert nicht überschritten wird, sind die Verzögerer 54 aktiv.
In psychoakustisch vorteilhafter Weise erfolgt somit eine schnelle Regelung im Direktpfad des Lautheitseinstellers 18 (über den Funktionsblock C), um dem Auftreten eines erkannten Lautheitssprungs im ausgangsseitigen Audiosignal des Funktionsblocks C entgegenzuwirken. Bleibt die Lautheit hingegen unterhalb des Lautheitgrenzwerts, erfolgt eine lediglich langsame Nachregelung in Richtung der Ziellautheit gemäß der inhärenten Regelungsdauer des Funktionsblocks A. Eine solche langsame Regelung ist weniger auffallend und damit psychoakustisch nicht störend. In ihrer Kombination bewirken diese psychoakustischen Effekte, dass der Benutzer weniger häufig durch Betätigung des Lautstärkereglers zu einer Lautheitsnachregelung veranlasst wird. Gleichzeitig ist die Funktionsweise des Lautheitseinstellers 22 nicht auf die Kenntnis oder die Ermittlung von Titelgrenzen, Quellenwechseln oder ähnlichem angewiesen.
Um das Regelungsverhalten der AGC 36 sowie des Funktionsblocks B näher zu erläutern, wird nun auf die 3 und 4 Bezug genommen. 3 zeigt in einem Blockdiagramm die wesentlichen Komponenten der AGC 36, während 4 ebenfalls in einem Blockdiagramm die wesentlichen Komponenten des Funktionsblocks B veranschaulicht.
Wie in 3 gezeigt, umfasst die AGC 36 einen eingangsseitigen Addierer 60. Als erstes Eingangssignal empfängt der Addierer 60 die vom Lautheit-Detektor 34 ermittelte aktuelle Lautheit. Als zweites Eingangssignal wird die systemseitig/vom Benutzer vorgegebene oder eingestellte Ziellautheit empfangen. Im Addierer 60 werden der negative Wert der aktuellen Lautheit und die Ziellautheit addiert. Mit anderen Worten wird die aktuelle Lautheit von der Ziellautheit abgezogen und die entsprechende Lautheitsdifferenz berechnet.
Die derart berechnete Lautheitsdifferenz wird anschließend einer Abfolge aus einem Addierer 62, einem Multiplizierer 64 und einem weiteren Addierer 66 eingangsseitig zugeführt. Dieser Abfolge von Komponenten 62, 64, 66 werden ferner der aktuelle Verstärkungsfaktor y sowie eine Zeitkonstante zugeführt. Der aktuelle Verstärkungsfaktor y wird aus einem der AGC 36 zugeordneten Speicherbereich 68 ausgelesen. Der Wert der Zeitkonstanten hängt u. a. davon ab, ob die durch den Addierer 60 ermittelte Lautheitsdifferenz positiv (aktuelle Lautheit geringer als die Ziellautheit) oder negativ (aktuelle Lautheit höher als die Ziellautheit) ist. Bei einer positiven Lautheitsdifferenz ist ein Anheben der Lautheit erforderlich, während bei einer negativen Lautheitsdifferenz ein Absenken der Lautheit erfolgt. Das Anheben und Absenken der Lautheit erfolgt mit unterschiedlichen Zeitkonstanten (Release Time-Faktor bzw. Attack Time-Faktor) und führt daher zu unterschiedlichen Regelungsdauern.
Die Berechnung der Zeitkonstante für das Anpassen der Skalierung im Absenkungsfall (d. h. das Absenken der Lautheit) erfolgt für das gesampelte Audiosignal nach folgender Formel:
wobei gilt:

atc: = der anzuwendende Attack Time-Faktor (Zeitkonstante)
B: = Sampleblockgröße
fs: = Samplingrate
AT: = Attack-Time (Regelungsdauer) in Sekunden

Die Berechnung des Release Time-Faktors erfolgt analog.
Basierend auf den in 3 veranschaulichten Eingabeoperationen berechnet die Abfolge von Komponenten 62, 64, 66 den neu in den Speicherbereich 68 zu schreibenden Verstärkungsfaktor x gemäß der folgenden Programm-Anweisung: lastGain = atc·targetGain + (1 – atc)·lastGain wobei gilt:

lastGain: = der neu in den Speicherbereich 68 zu schreibende Verstärkungsfaktor x bzw. der aus dem Speicherbereich 68 ausgelesene Verstärkungsfaktor y
atc: = Attack Time-Faktor
targetGain: = aus Lautheitsdifferenz abgeleitete Zielverstärkung.

Wie in 3 dargestellt, kann der aus dem Speicherbereich 68 ausgelesene Verstärkungsfaktor g' von dem von der Abfolge von Komponenten 62, 64, 66 zuletzt in den Speicherbereich 68 geschriebenen Verstärkungsfaktor g abweichen. Diese Abweichung beruht auf der Möglichkeit einer externen Beeinflussung des von der AGC 36 geschriebenen Verstärkungsfaktors x durch den Funktionsblock B auf der Grundlage eines von einer Komponente des Funktionsblocks B ausgegebenen Beeinflussungswerts d zur Verringerung des Verstärkungsfaktors. Wie bereits oben erläutert, erfolgt eine Verringerung des Verstärkungsfaktors immer dann, wenn im Funktionsblock B ein Überschreiten des Lautheitsgrenzwerts erkannt wird.
In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass der Betrieb des Lautheitseinstellers 22 auf einer Abtastung (engl. ”Sampling”) des Audiosignals basiert. Sowohl der Funktionsblock A als auch der Funktionsblock B arbeiten auf der Grundlage einer vorgegebenen Sampleblockgröße. Der Funktionsblock B wird auf der Grundlage einer kleineren Sampleblockgröße als der Funktionsblock A betrieben. So kann beispielsweise der Betrieb des Funktionsblocks A auf einer Blockgröße von 1024 Samples basieren, während der Betrieb des Funktionsblocks B auf einer Blockgröße von 64 Samples erfolgt. Der Funktionsblock B hat daher in kurzen Zyklen von lediglich 64 Samples Einfluss auf den im Speicherbereich 68 gespeicherten und vom Funktionsblock C zu Verstärkungszwecken ausgelesenen Verstärkungsfaktor.
Die Regelungsgeschwindigkeit des Funktionsblocks B, die insbesondere vom Betrag des Beeinflussungswerts d abhängt, ist äußerst kurz. Die Regelungsgeschwindigkeit des Funktionsblocks A hingegen, die im Wesentlichen durch die dem Multiplizierer 64 zugeführte Zeitkonstante definiert ist, ist hingegen deutlich länger. Außerdem können innerhalb eines Regelungszyklus des Funktionsblocks A mehrere Regelungszyklen des Funktionsblocks B ablaufen, wodurch ebenfalls eine rasche Reaktion auf unerwünschte Lautheitssprünge erfolgen kann. Dies ist in 3 dadurch veranschaulicht, dass der aus dem Speicherbereich 68 ausgelesene Verstärkungsfaktor g' um ein Mehrfaches des Beeinflussungswerts d vom zuletzt über die AGC 36 in den Speicherbereich 68 geschriebenen Verstärkungsfaktor g abweichen kann.
In vielen Anwendungsfällen ist es erwünscht, dass sich das Regelungsverhalten des Lautheitseinstellers 22 neutral bezüglich der in den Funktionsblöcken A und B verwendeten Sampleblockgrößen verhält. Unterschiedliche Sampleblockgrößen sind dennoch vorteilhaft für eine effiziente Signalverarbeitung. Beispielsweise sind die zur Verarbeitung eines einzigen Blocks von 1024 Samples benötigten CPU-Ressourcen durch geringeren Verarbeitungs-Overhead und mögliche effizientere Implementierungen der Verarbeitungsfunktionen geringer als bei der Verarbeitung von 16 Blöcken mit jeweils 64 Samples, obwohl am Ende die gleiche Anzahl von Samples verarbeitet wurde. Im Ausführungsbeispiel ermöglicht die vergleichsweise große Sampleblockgröße für den Funktionsblock A eine effizientere Berechnung als bei Verwendung einer kleineren Blockgröße von z. B. 64 Samples. Im vorliegenden Echtzeitsystem ist eine hohe Blockgröße jedoch dahingehend kritisch, als dass eine Verarbeitung des Eingangssignals und damit eine mögliche Reaktion auf Änderungen in diesem erst nach Eintreffen eines vollständigen Blocks von Samples möglich sind. Anders gesagt kann es zu einer möglichen Verzögerung von im Wesentlichen der Länge eines Sampleblocks kommen, bis eine eingangsseitige Signalspitze zur Verarbeitung in die AGC 36 gelangt und diese hierauf ihrerseits den Verstärkungsfaktor ändern kann. Soll die Regelung der AGC 36 sicher mit dem Eintreffen der Signalspitze in den Multiplikatoren 52 einsetzen, wird damit eine Verzögerung in den Verzögerern 54 entsprechend der Blockgröße nötig. Soll die Regelung der AGC 36 zu diesem Zeitpunkt bereits abgeschlossen sein, müsste der Wert der Verzögerung nochmals entsprechend erhöht werden.
Durch unterschiedliche Blockgrößen in der Verarbeitung wird dies umgangen, da der Betrieb des Funktionsblocks B auf einer wesentlich geringeren Sampleblockgröße basiert. Die geringe Sampleblockgröße in Funktionsblock B gestattet eine schnelle Reaktion auf Ausreißer im Eingangssignal, da die entsprechenden Verarbeitungspuffer schneller gefüllt werden und damit die Signalspitzen-Verarbeitung schneller geschieht. Die Länge der Verzögerung in Block C muss damit ebenfalls nur das Füllen eines Sampleblock-Puffers für Block B sowie die entsprechende Regelungszeit berücksichtigen. Als Resultat erhält man eine effiziente Berechnung für Funktionsblock A bei gleichzeitig hoher Regelungsgeschwindigkeit in Funktionsblock B und vergleichsweise kurzen Werten der Verzögerung in Block C. Dies ist für die Echtzeitverarbeitung als günstig anzusehen, da die Verzögerung vom Eintreffen des – Audiosignals bis zu seinem Anliegen an den Ausgängen der entsprechenden Schaltung gering gehalten werden kann.
4 veranschaulicht den Aufbau des Funktionsblocks B im Detail, wiederum für den Fall einer Stereo-Verarbeitung des Audiosignals. Auf die Funktionalitäten des Konverters 40, der Multiplizierer 42 sowie der Vorfilter 44 wird nicht näher eingegangen, da diese bereits im Zusammenhang mit 2 erläutert wurden. Die nachfolgende Beschreibung konzentriert sich auf den Aufbau und die Funktionsweise des Detektors 46 für die Kurzzeit-Lautheit sowie der Berechnungseinheit 48.
Der Kurzzeit-Lautheits-Detektor 46 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Wesentlichen einen Lautheit-Detektor 46A, der zunächst für jeden Kanal eine Einheit 70 zur Berechnung eines Mean-Square-Werts umfasst. Die Mittelungszeit in dieser Mean-Square-Berechnung kann unter der Mittelungszeit der entsprechenden Lautheitsberechnung im ersten Funktionsblock A liegen. Es kann damit von der Ermittlung einer „Kurzzeit-Lautheit” gesprochen werden. Der Einheit 46A vorgeschaltet sind die bereits beschriebenen Vorfilter 44, die in ihrer Funktion den in der ITU-R-Norm enthaltenen Definitionen entsprechen können. Eine Abweichung in der Auslegung der Vorfilter 44 von der ITU-R Norm, etwa zur Verringerung des Einflusses tieffrequenter Signalanteile in der Berechnung der Kurzzeit-Lautheit, ist jedoch ebenfalls möglich.
Die Ausgangssignale der Berechnungseinheiten 70 werden einem Addierer 72 zugeführt. Das Ausgangssignal des Addierers 72 wiederum dient als Eingangssignal einer weiteren Berechnungseinheit 74. Das Ausgangssignal der Berechnungseinheit 74 – und damit das Ausgangssignal des Lautheit-Detektors 46A – gibt die resultierende Kurzzeit-Lautheit des mittels der Multiplizierer 42 skalierten Audiosignals dar und wird der Berechnungseinheit 46B zugeführt.
Zusammengefasst entspricht die Kaskade aus den Komponenten 44 und 46A damit einer hinsichtlich der Auslegung der Vorfilter 44 und der Mittelungszeit in der Mean-Square-Berechnung 70 modifizierten Berechnung der ITU-Lautheit.
In der Berechnungseinheit 46B wird mittels eines Addierers 76 die Differenz zwischen der Lautheit des skalierten Audiosignals einerseits und eines Lautheitsgrenzwerts andererseits ermittelt. Der Lautheitsgrenzwert setzt sich additiv aus der Ziellautheit und einem Toleranzwert zusammen und wird mittels eines weiteren Addierers 78 berechnet. Die dem Addierer 78 zugeführte Ziellautheit ist die selbe Ziellautheit, die auch dem Addierer 60 gemäß 3 zugeführt wird. Bei dem Toleranzwert kann es sich um einen fest vorgegebenen oder aber variablen Wert handeln.
Die Wahl des Toleranzwerts hängt allgemein von der Messmethode zur Ermittlung der Kurzzeitlautheit sowie der Systemvorgaben hinsichtlich tolerierbarer Lautheitssprünge am Ausgang des Systems ab. Es ist zu beachten, dass ein sehr klein gewählter Toleranzwert zu einer Reduzierung in der Gesamtlautheit des Audiosignals führen kann, da jede kurzzeitige Überschreitung des Lautheits-Grenzwerts zu einer Reduzierung des Verstärkungsfaktors der AGC 36 führt. In einer Variante mit einer Kurzzeitmessung auf Basis der beschriebenen modifizierten ITU-Loudness mit einer Zeitkonstante von 5 ms kann der Toleranzwert beispielsweise in einem Bereich von 6–15 LKFS über dem Zielwert der AGC 36 liegen.
Der Differenzwert zwischen dem solchermaßen berechneten Lautheitsgrenzwert einerseits und der Lautheit des skalierten Audiosignals andererseits wird einem Funktionsblock 80 der Berechnungseinheit 48 zugeführt. Dem Funktionsblock 80 wird ferner ein Wert y (beispielsweise aus einem zugeordneten Speicherbereich) zugeführt. Stellt der Funktionsblock 80 fest, dass die Lautheit des skalierten Audiosignals den Lautheitsgrenzwert überschreitet, wird der oben beschriebene Beeinflussungswert d, der von dem Funktionsblock 80 ausgegeben wird, auf den Wert von y gesetzt. Andernfalls wird der Beeinflussungswert d auf Null gesetzt. Ein dem Funktionsblock 80 nachgeschalteter Addierer 82 addiert den Ausgabewert des Funktionsblocks 80 zu dem aktuell im Speicherbereich 68 gespeicherten Verstärkungsfaktor. Das Ergebnis dieser Berechnung wird zurück in den Speicherbereich 68 geschrieben. Die inhärente zeitliche Verzögerung vom Beginn der Verarbeitung in Funktionsblock B bis zur Aktualisierung des aus dem Speicherbereich 68 abrufbaren Werts von einem Verarbeitungszyklus wird im Blockdiagramm durch das Verzögerungsglied 84 dargestellt.
Der vorstehend beschriebene Betriebszyklus des Funktionsblocks B kann mehrmals während eines Betriebszyklus des Funktionsblocks A ablaufen. Diese Tatsache hängt – wie oben geschildert – damit zusammen, dass der Funktionsblock B auf der Grundlage einer geringeren Sampleblockgröße als der Funktionsblock A betrieben wird. In diesem Zusammenhang ist ferner darauf hinzuweisen, dass neben der für den Funktionsblock B gewählten, geringeren Sampleblockgröße insbesondere der Betrag des Beeinflussungswerts d die Rate der auf den Funktionsblock B zurückgehenden Lautheitsänderung (und damit die Regelungsgeschwindigkeit bzw. Regelungsdauer) beeinflusst. In jedem Fall ist die auf dem Funktionsblock B zurückgehende Rate der Lautheitsabsenkung auf den Lautheitsgrenzwert deutlich höher als die auf den Funktionsblock A zurückgehende Rate, um die Lautheit des Audiosignals auf die Ziellautheit zu bringen.
5 zeigt anhand eines Flussdiagramms die Funktionsweise des Funktionsblocks B. Die in 5 gezeigten Schritte werden wahlweise für jedes Sample oder jeden Sampleblock (mit 64 Samples) in Schritt 502 gestartet.
In Schritt 504 wird dann der aktuelle Verstärkungsfaktor (”AGC-Gain”) aus dem Speicherbereich 68 gelesen. Im Anschluss daran erfolgt in Schritt 506 ein Skalieren des eingangsseitigen Audiosignals mit dem aus dem Speicherbereich 68 gelesenen Verstärkungsfaktor (unter Verwendung des Konverters 40 sowie der Multiplizierer 42 gemäß 4).
Für das skalierte Audiosignal wird in einem weiteren Schritt 508, der im Detektor 466 in 4 ausgeführt wird, die Kurzzeit-Lautheit wie oben beschrieben berechnet. In einem nachfolgenden Analyseschritt 510 wird geprüft, ob die solchermaßen ermittelte Kurzzeit-Lautheit über dem Lautheitsgrenzwert liegt. Wie bereits erläutert, setzt sich der Lautheitsgrenzwert additiv aus der Ziellautheit der AGC 36 und einem Toleranzwert zusammen.
Sollte die Kurzzeit-Lautheit tatsächlich über dem Lautheits-Grenzwert liegen, wird in Schritt 512 der Verstärkungsfaktor basierend auf dem Beeinflussungswert d = y reduziert. Die entsprechende Reduzierung beinhaltet einen Schreibzugriff auf den Speicherbereich 68.
Wird hingegen in Schritt 510 festgestellt, dass der Lautheitsgrenzwert nicht überschritten wird, endet das Verfahren in Schritt 514. Der Funktionsblock B wird folglich nicht weiter aktiv (entsprechend dem Fall d = 0 in Funktionsblock 80 gemäß 4).
Im Folgenden wird anhand mehrerer Diagramme der Einfluss des Lautheitseinstellers 22 auf ein Audiosignal erörtert. Die 6 und 7 zeigen jeweils oben und unten den zeitlichen Verlauf eines eingangsseitigen und eines ausgangsseitigen Audiosignals des Lautheitseinstellers 22. In der Mitte ist jeweils der zeitliche Verlauf des im Speicherbereich 68 abgespeicherten Verstärkungsfaktors (in dB) für die Skalierung des eingangsseitigen Audiosignals gezeigt.
Das in 6 oben dargestellte eingangsseitige Audiosignal weist einen ansteigenden Signalpegel auf. Der Anstieg zum Zeitpunkt 1:00 min ist vergleichsweise gering, während er Anstieg zum Zeitpunkt 2:00 min vergleichsweise stark ist.
Wie in 6 gezeigt, liegt die Lautheit des Eingangssignals bis zum Zeitpunkt 1:00 min unterhalb der Ziellautheit. Aus diesem Grund wird der Verstärkungsfaktor durch den Funktionsblock A (gemäß dem Release Time-Faktor) langsam auf ca. 4 dB angehoben. Der Funktionsblock B ist nicht aktiv.
Infolge des Lautheitssprungs zum Zeitpunkt 1:00 min liegt die Lautheit des Eingangssignals auf Höhe der Ziellautheit. Der angewandte Verstärkungsfaktor zum Erreichen der Ziellautheit muss damit von den zuletzt angewandten ca. 4 dB auf 0 dB reduziert werden. Zum Zeitpunkt des Anstiegs im Eingangssignal bei 1:00 min und bis 2:00 min übersteigt die in Block B gemessene Kurzzeit-Lautheit des skalierten Signals (nicht dargestellt) den eingestellten Lautheits-Grenzwert nicht. Aus diesem Grund senkt der Funktionsblock A den Verstärkungsfaktor langsam (gemäß den Attack Time-Faktor) ab, während der Funktionsblock B weiter inaktiv bleibt.
Zum Zeitpunkt 2:00 min tritt dann ein starker Lautheitssprung auf, so dass sowohl die Ziellautheit als auch der Lautheitsgrenzwert überschritten werden. Das Überschreiten des Lautheitsgrenzwerts führt zu einer äußerst schnellen Absenkung des Verstärkungsfaktors durch den Funktionsblock B. Diese schnelle Absenkung dauert so lange, bis die resultierende Kurzzeit-Lautheit des skalierten Audiosignals den Lautheitsgrenzwert nicht mehr überschreitet. Im Anschluss daran erfolgt eine langsame Regelung auf die Ziellautheit wieder allein durch den Funktionsblock A.
Wie im Ausgangssignal des Lautheitseinstellers in 6 unten dargestellt, kommt es aufgrund des Eingreifens des Funktionsblocks B zum Zeitpunkt 2:00 min zu keinem übermäßigen Lautheitssprung im Ausgangssignal, obwohl eingangsseitig ein starker Lautheitssprung zu verzeichnen ist.
7 veranschaulicht die Funktionsweise des Lautheitseinstellers 22 in ähnlicher Weise wie in 6, aber für einen anderen Signalverlauf des eingangsseitigen Audiosignals. In 7 ist insbesondere veranschaulicht, dass die Reduzierung der Verstärkung durch den Funktionsblocks B geringer ist als die erforderliche Reduzierung des Verstärkungsfaktors, um die Ziellautheit zu erreichen. Diese Tatsache hängt auch damit zusammen, dass der von Funktionsblock B verwendete Lautheitsgrenzwert um einen Toleranzwert über der von Funktionsblock A verwendeten Ziellautheit liegt.
8 zeigt eine Ausschnittsvergrößerung des oberen Diagramms aus 7 (oben) und des mittleren Diagramms aus 7 (unten) zwischen den Zeitpunkten 2:32 min und 2:33 min. Das zweite Diagramm von oben in 8 zeigt das Ergebnis der Lautheitsmessung in Funktionsblock B (in LKFS), und das dritte Diagramm von oben zeigt die Dauer, während der der Funktionsblock B auf den Speicherbereich 68 zugreift, um den jeweils gültigen Verstärkungsfaktor wiederholt um den Beeinflussungswert d = y zu reduzieren.
Deutlich zu erkennen in den mittleren beiden Diagrammen ist die Tatsache, dass während der Regelungsdauer die in Funktionsblock B gemessene Lautheit über dem Lautheitsgrenzwert (Ziellautheit plus Toleranzwert) liegt, sich jedoch sehr rasch dem Lautheitsgrenzwert annähert. Insbesondere veranschaulicht 8, dass die Rate für das Absenken der Lautheit des Audiosignals durch den Funktionsblock B deutlich höher ist als die Rate, mit der der Funktionsblock A die Lautheit des Audiosignals durch Anheben oder Absenken auf die Ziellautheit bringt.
Während die 6 bis 8 die Funktionsweise des Lautheitseinstellers 22 für ein Testsignal veranschaulichen, veranschaulicht 9 die Funktionsweise des Lautheitseinstellers 22 für eine Abfolge von drei Musikstücken mit ansteigender Lautheit. Der erste Musiktitel dauert hierbei von 0–ca. 60 s, der zweite Titel von ca. 60–ca. 100 s, gefolgt von ca. 10 S Pause, der dritte Titel von ca. 110 s bis zum Ende des Diagramms. Wiederum ist im oberen Diagramm das eingangsseitige Audiosignal und im unteren Diagramm das ausgangsseitige Audiosignal des Lautheitseinstellers 22 dargestellt. Das mittlere Diagramm zeigt den Verlauf des Verstärkungsfaktors und der entsprechenden Skalierung, wenn sowohl die Regelung im Funktionsblock A als auch die Regelung im Funktionsblock B aktiv ist. 10 hingegen veranschaulicht das Regelungsverhalten des Lautheitseinstellers 22, wenn der Funktionsblock B abgeschaltet bleibt (oder fehlt) bei ansonsten identischen Einstellungen mit der Aufzeichnung in 9.
Deutlich zu erkennen sind im unteren Diagramm von 10 ein erheblicher Lautheitssprung im Ausgangssignal beim Übergang vom ersten zum zweiten Titel (bei ca. 60 s) sowie die darauf folgende Regelung der AGC 36, welche die Lautheit des nachfolgenden Signals nur sehr langsam der Ziellautheit annähert. Es ist ferner erkennbar, dass insbesondere der zweite Titel durch die Verstärkung der AGC 36 über weite Teile sogar noch in der Lautheit angehoben wird, obwohl der eingestellte Verstärkungsfaktor zu einer Lautheit des Signals oberhalb der Ziellautheit führt (erkennbar an der stetigen Abnahme des Verstärkungsfaktor in der Folge des Übergangs vom ersten zum zweiten Titel).
Dem gegenüber steht die sehr schnelle Regelung an gleicher Stelle in 9. Es ist erkennbar, dass durch den Eingriff des Funktionsblocks B schon zu Beginn des zweiten Titels eine weitgehend richtige Skalierung eingestellt werden kann, so dass die weitere Anpassung durch die AGC 36 in der Folge wesentlich geringer ausfällt als in 10. Der in 10 erkennbare große Lautheitssprung beim Übergang vom ersten zum zweiten Titel kann durch den Eingriff des Funktionsblocks B ebenfalls verhindert werden.
Ebenso erkennbar ist in 9, dass innerhalb des ersten Titels lediglich beim Eintreffen der ersten Signalspitze eine deutliche Reduzierung des Verstärkungsfaktor der AGC 36 erfolgt, so dass in der Folge die Dynamik des Signals im Bereich von 10–30 s ähnlich wie in der Variante ohne Funktionsblock B weitgehend erhalten bleibt. Die Reduktion des Vestärkungsfaktors bei ca. 10 s erfolgt zudem direkt vor Eintreffen eines Transienten im Eingangssignal und damit in psychoakustisch vorteilhafter Weise. In der leiseren Passage des ersten Titels (30–60 s) wird der Verstärkungsfaktor dann auf Basis der AGC-Release Time sukzessive angehoben, um eine langsame Anpassung der Lautheit des Audiosignals bei gleichzeitig geringer Hörbarkeit der Änderungen zu erreichen.
Gemäß einer Ausgestaltung können Teile der Verarbeitung bei erfasster Stille in Funktionsblock D abgeschaltet werden. Auf diese Weise wird einerseits ein unnötiger Betrieb von Funktionsblock B (und damit nötige Rechenoperationen), insbesondere aber eine fälschliche Regelung in der AGC 36 vermieden. Dies ist nötig, um zu vermeiden, dass bei stillen Passagen die AGC 36 den angewendeten Verstärkungsfaktor erhöht, um das Signal auf die Ziellautheit anzuheben, was letztlich zu einem Verstärken des Grundrauschens im System führen würde. Ferner wäre es denkbar, die Regelung abzustellen, wenn im Radiobetrieb das Radio-Empfangsteil 14 schlechte Signalqualität erkennt und deshalb seinerseits die Lautstärke des Audiosignals reduziert, um auch in diesem Fall einer Anhebung des gezielt gedämpften Signals auf die Ziellautheit entgegen zu wirken. Zu diesem Zweck kann der Lautheitseinsteller 22 eine separate Schnittstelle zum Radio-Empfangsteil 14 aufweisen, um vom Radio-Empfangsteil 14 Informationen bezüglich der Signalqualität zu erhalten.
Wie sich aus der Beschreibung der Ausführungsbeispiele ergibt, ermöglicht die hier vorgestellte Technik zur Lautheitseinstellung eine effiziente Anpassung der Lautheit an beispielsweise Quellen- und Titelwechsel. Die daraus resultierenden psychoakustischen Vorteile können in vielen Implementierungen die Notwendigkeit eines Nachregelns der Lautheit durch einen Benutzer verhindern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2008/0253586 A1 [0008]
US 2010/0272290 A1 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm BS.1770-2 (03/2011) [0004]
Norm BS.1770-2 (03/2011) [0049]

Claims

Verfahren zur Lautheitseinstellung für eine Audiosignal, umfassend die Schritte: Analysieren einer Lautheit des Audiosignals bezüglich einer Ziellautheit und Ermitteln eines Verstärkungsfaktors für das Anheben oder Absenken der Lautheit des Audiosignals, um die Lautheit des Audiosignals kontinuierlich mit wenigstens einer ersten Rate auf die Ziellautheit zu bringen; Analysieren einer resultierenden Lautheit des auf der Grundlage des ermittelten Verstärkungsfaktors skalierten Audiosignals bezüglich Überschreiten eines Lautheitsgrenzwerts; und falls die resultierende Lautheit den Lautheitsgrenzwert überschreitet, Absenken der Lautheit des Audiosignals mit einer zweiten Rate, die höher als die erste Rate ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Audiosignal mit der ersten Rate auf die Ziellautheit gebracht wird, falls die resultierende Lautheit den Lautheitsgrenzwert nicht überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei bei Absenken der Lautheit des Audiosignal mit der zweiten Rate das Audiosignal auf den Lautheitsgrenzwert gebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Absenken der Lautheit des Audiosignals mit der zweiten Rate kontinuierlich erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Absenken der Lautheit des Audiosignals mit der zweiten Rate der ermittelte Verstärkungsfaktor modifiziert und das Audiosignal mit dem modifizierten Verstärkungsfaktor skaliert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Lautheitsgrenzwert aus der Ziellautheit abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Lautheitsgrenzwert um einen Toleranzwert über der Ziellautheit liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Rate für das Anheben oder Absenken der Lautheit in einem Bereich zwischen ungefähr 0.1 und 2 dB/s liegt und/oder die zweite Rate für das Absenken der Lautheit in einem Bereich zwischen ungefähr 0.1 und 2 dB/ms liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Rate für das Anheben oder Absenken der Lautheit zu einer Regelungsdauer von ungefähr 5 s bis 5 min führt und/oder die zweite Rate für das Absenken der Lautheit zu einer Regelungsdauer von ungefähr 1 ms bis 1 s führt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei unterschiedliche erste Raten für das Anheben und das Absenken der Lautheit verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Analysieren der Lautheit des Audiosignals bezüglich der Ziellautheit und das Ermitteln des Verstärkungsfaktors im Zusammenhang mit einer automatischen Verstärkungsregelung erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die automatische Verstärkungsregelung vom Typ „Feed Forward” ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Analysieren der resultierenden Lautheit des mit dem ermittelten Verstärkungsfaktor skalierten Audiosignals eine Signalspitzenerfassung umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend Verzögern des Audiosignals für ein Synchronisieren mit dem Absenken der Lautheit des Audiosignals mit der zweiten Rate.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend Durchführen einer Stille-Erfassung für das Audiosignal, wobei bei erfasster Stille wenigstens einer der folgenden Schritte unterbleibt: – eine Anpassung des Verstärkungsfaktors mit der ersten Rate zum Erreichen der Ziellautheit – das Skalieren des Audiosignals; – das Analysieren der resultierenden Lautheit des mit dem ermittelten Verstärkungsfaktor skalierten Audiosignals; – das Absenken der Lautheit des Audiosignals mit der zweiten Rate.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – das Audiosignal auf einem Radiosignal basiert und bei schlechtem Radioempfang wenigstens einer der folgenden Schritte unterbleibt: – eine Anpassung des Verstärkungsfaktors mit der ersten Rate zum Erreichen der Ziellautheit – das Skalieren des Audiosignals; – das Analysieren der resultierenden Lautheit des mit dem ermittelten Verstärkungsfaktor skalierten Audiosignals; – das Absenken der Lautheit des Audiosignals mit der zweiten Rate.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Audiosignal gesampelt wird und die Analyse der Lautheit des skalierten Audiosignals und/oder eine Anpassung der Verstärkungsfaktor zum Reduzieren der Lautheit auf den Lautheitsgrenzwert auf einer kleineren Sampleblockgröße als die Analyse der Lautheit des nicht-skalierten Audiosignals und/oder die Anpassung der Skalierung zum Erreichen der Ziellautheit basiert.
Vorrichtung (22) zur Lautheitseinstellung für eine Audiosignal, umfassend: einen ersten Funktionsblock (A), der dazu ausgebildet ist, eine Lautheit des Audiosignals bezüglich einer Ziellautheit zu analysieren und einen Verstärkungsfaktor für das Anheben oder Absenken der Lautheit des Audiosignals zu ermitteln; einen zweiten Funktionsblock (B), der dazu ausgebildet ist, eine resultierende Lautheit des auf der Grundlage des ermittelten Verstärkungsfaktors skalierten Audiosignals bezüglich Überschreiten eines Lautheitsgrenzwerts zu analysieren; und einen dritten Funktionsblock (C), der dazu ausgebildet ist, die Lautheit des Audiosignals kontinuierlich mit wenigstens einer ersten Rate auf die Ziellautheit zu bringen, und, falls die resultierende Lautheit den Lautheitsgrenzwert überschreitet, die Lautheit des Audiosignals mit einer zweiten Rate, die höher als die erste Rate ist, abzusenken.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei der erste, der zweite und der dritte Funktionsblock (A; B; C) jeweils einen Eingang für das Audiosignal aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, wobei der erste Funktionsblock (A) eine automatische Verstärkungsregelung umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei der zweite Funktionsblock (B) eine Signalspitzenerkennung umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei der erste Funktionsblock (A) einen Speicher (68) für den Verstärkungsfaktor umfasst und wobei der zweite Funktionsblock (B) zumindest Schreibzugriff auf den Speicher (68) besitzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, ferner umfassend einen vierten Funktionsblock (D) zur Stille-Erkennung im Audiosignal, der dazu ausgelegt ist, bei Erkennen von Stille einen oder mehrere Verarbeitungsschritte durch die Vorrichtung zu überspringen oder zu unterbrechen.
Kraftfahrzeug-Audiosystem (10), umfassend die Vorrichtung (22) nach einem der Ansprüche 18 bis 23.