EP0957471B1 - Procédé d'évaluation de la qualité de la correction physiologique de signaux audio - Google Patents

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EP0957471B1 EP99106223A EP99106223A EP0957471B1 EP 0957471 B1 EP0957471 B1 EP 0957471B1 EP 99106223 A EP99106223 A EP 99106223A EP 99106223 A EP99106223 A EP 99106223A EP 0957471 B1 EP0957471 B1 EP 0957471B1
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Deutsche Telekom AG
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10L—SPEECH ANALYSIS OR SYNTHESIS; SPEECH RECOGNITION; SPEECH OR VOICE PROCESSING; SPEECH OR AUDIO CODING OR DECODING
    • G10L25/00—Speech or voice analysis techniques not restricted to a single one of groups G10L15/00 - G10L21/00
    • G10L25/48—Speech or voice analysis techniques not restricted to a single one of groups G10L15/00 - G10L21/00 specially adapted for particular use
    • G10L25/69—Speech or voice analysis techniques not restricted to a single one of groups G10L15/00 - G10L21/00 specially adapted for particular use for evaluating synthetic or decoded voice signals

Definitions

  • the invention relates to a measuring method for aurally quality assessment of audio signals according to the preamble of patent claim 1.
  • the invention has for its object to provide an objective measurement method for aurally quality assessment of audio signals by means of new fast algorithms for calculating linear phase filter, the duration of the audible noise calculated taking into account the temporal change of the envelopes at the individual filter outputs and a ge surgicalangepasste filter bank are used should, whereby an optimal temporal resolution is to be achieved and that while significantly saving of processing time compared to other filter banks.
  • the inventive solution of the problem is characterized in the characterizing part of claim 1.
  • a significant advantage of the method according to the invention is that a more precise hearing model is achieved, since audible disturbances are calculated taking into account the temporal change of the envelopes at the individual filter outputs.
  • a hearing-adapted filter bank is used, whereby an optimal temporal resolution is achieved, and the temporal behavior of the filter (impulse response, etc.) directly corresponds to the level dependence of the transfer functions.
  • the phase information in the filter channels is retained.
  • the folding with smearing function takes place only after the rectification or amount formation.
  • a signal dependence of the filter characteristics is achieved by convoluting the filter outputs in the frequency domain prior to rectification / magnitude formation with a level dependent smear function.
  • the signal components present in the original signal and changed only in their spectral distribution are separated from interferences generated by nonlinearities, the separation taking place by evaluating the orthogonality relationship between the time profiles of the envelopes at corresponding filter outputs of the signal to be evaluated and the original signal.
  • the separation of these noise components corresponds better to the actual hearing impression.
  • the present measuring method evaluates the noise of an audio signal by comparison with an undistorted reference signal.
  • the input signals After filtering with the Transmission functions of the outer and middle ear, the input signals are converted by a gehöangep gratuitte filter bank in a time-tonal representation.
  • the absolute squares of the filter output signals are calculated (rectification) and a convolution of the filter outputs is performed with a smear function.
  • the folding can be done in contrast to the previously known methods before the rectification or even afterwards.
  • Level differences between test and reference signal as well as linear distortions in the test signal are compensated and evaluated separately.
  • a frequency-dependent offset is added to model the self-noise of the ear and there is a temporal smearing of the output signals.
  • the left and right channel test signals 1a, 1b, and the left and right channel reference signals 1c, 1d are respectively applied to pre-filters 2 for pre-filtering.
  • the actual filtering takes place in the filter bank 3.
  • the spectral smearing 4 and the calculation of the squares squares 5.
  • the box marked 6 in the figure symbolically represent the temporal smearing.
  • the level and frequency response equals 7, wherein also output parameters 11 are supplied.
  • the addition of self-noise 8 and then the temporal smearing 9 takes place.
  • the calculation of output parameters 11 takes place in the structure shown in the symbolically represented block 10.
  • the level and Frequenzganganmaschine 7 can also be done between step or operation 9 and 10.
  • the filter bank 3 consists of an arbitrarily selectable number of filter pairs for test and reference signal 1a, b and 1d, c (meaning values between 30 and 200)
  • the filters can be distributed evenly on largely arbitrary pitch scales.
  • a suitable pitch scale is z.
  • z / barque 7 ⁇ arsinh ( ⁇ / Hz 650 )
  • ⁇ 1 2 ⁇ bw and H in the ( t ) cos n ( ⁇ ⁇ bw ⁇ t ) ⁇ sin ( 2 ⁇ ⁇ ⁇ c ⁇ t )
  • the output values of the filter bank 3 are spectrally blurred to account for simultaneous masking at 31 dB / Bark at the lower edge and between -24 and -6 dB / Bark at the upper edge, that is, crosstalk is produced between the filter outputs.
  • the level L is calculated independently for each filter output from the least squares amount 5 of the corresponding output value filtered with a time constant of 10 ms. This blurring is performed independently for the filters representing the real part of the signal (G1.2) and the filters representing the imaginary part (G1.3) of the signal.
  • the level may be calculated without a low-pass filter, and instead the low-pass filtering factor obtained by delogarithmizing the slew rate (G1.4) may be filtered low. Since this convolution operation is quasi linear and therefore preserves the relation between the resulting frequency response and the resulting impulse response, it can be considered as part of the filter bank 3.
  • the temporal smearing of the filter output signals takes place in two stages.
  • the signals are averaged over a cos 2- shaped time window, which primarily models the pre-masking.
  • the after-mask is modeled, which will be described in more detail later.
  • the cos 2- shaped time window has a length of 400 samples at a 48 kHz sampling rate. The distance between the maximum of the time window and its 3 dB point is thus about 100 samples or 2 ms, which corresponds approximately to a time period often assumed for the pre-occlusion.
  • Level differences and linear distortions (frequency responses of the test object) between the test and reference signals 1a, b and 1c, d can be compensated and thus from the evaluation other types of disturbances are separated.
  • the instantaneous absolute squares at the filter outputs are temporally smoothed by first-order low-pass filters.
  • corr total ( ⁇ P test ⁇ P Ref ⁇ P test ) 2
  • the time constants are calculated according to Eq. 6 determined. If ratio f, t is greater than one, the correction factor for the test signal is set to ratio f, t -1 and the correction factor for the reference signal is set to one. In the reverse In the case, the correction factor for the reference signal is set to ratio f, t and the correction factor for the test signal is set to one.
  • correction factors are temporally smoothed over several adjacent filter channels, and with the same time constants, as indicated above.
  • a frequency-dependent offset for modeling the self-noise of the ear is added to the absolute squares at all filter outputs. Another offset to account for background noise can also be added (but normally set to 0).
  • e ( ⁇ c . t ) e ( ⁇ . t ) + 10 0364 ( ⁇ c kHz ) - 0.8
  • the instantaneous absolute squares in each filter channel are time-blurred by a first-order low-pass filter with a time constant of approximately 10 ms.
  • the time constant can also be calculated as a function of the center frequency of the respective filter. In this case it is 50 ms for low frequencies and 8 ms for high frequencies (like G1.6).
  • Figure 11 has here been designed to provide the specific loudness of the disturbance when no masker is present and provides approximately the ratio between the disturbance and the masker when the disturbance is very small relative to the masker.
  • the "throttled noise” corresponds to the mean of this variable over time and filter channels.
  • the resulting output parameter is referred to as the "loudness of missing signal components".
  • linear distortions can also be determined by using the reference signal before signal equalization as the test signal.
  • the modulation difference is averaged over time and filter bands.
  • the modulation used on the input side is obtained by normalizing the time derivative of the instantaneous values to their time-smoothed value.
  • FIG. 2 shows a filter structure for the recursive calculation of a simple finite impulse response (FIR) bandpass filter.
  • FIR finite impulse response
  • the signal is processed separately according to real part (upper path) and imaginary part (lower path). Since the input signal X was originally purely real, the lower path is missing first.
  • the input signal X is delayed by N samples (21) and, after multiplication by a complex-valued factor cos (N, ⁇ ) + j.sin (N, ⁇ ) from the original input signal subtracted (22).
  • the resulting signal V is added to the one-sample delayed output (23).
  • the result multiplied by another complex-valued factor cos ( ⁇ ) + j.sin ( ⁇ ) gives the new output signal Y (24).
  • the swept identifiers for V and Y each mark the imaginary part.
  • the second complex multiplication continues the input signal periodically.
  • the addition of the delayed and weighted by the first complex multiplication input signal aborts the continuation of the input signal after N samples again.
  • f A denotes the sampling frequency
  • the initially low stopband attenuation of these bandpasses can be increased by calculating K + 1 of such bandpass filters with the same impulse response length N but different values of ⁇ in parallel, adapting their phase responses to one another by a further complex multiplication and adding their output signals weighted:
  • 0 ⁇ n ⁇ N for the real part and a K ( n ) sin K ( ⁇ N n ) ⁇ sin ( 2 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ M ⁇ A ⁇ n )

Claims (23)

  1. Procédé de mesure d'évaluation de la qualité auditive de signaux audio à l'aide de filtres, d'un étalement temporel, d'une harmonisation du niveau et de la fréquence caractérisé en ce que
    le signal audio à évaluer est comparé comme signal-test (1a, 1b) avec un signal original livré comme signal de référence (1c, 1d),
    le signal-test (1a, 1b) et le signal de référence (1c, 1d) sont d'abord soumis à un préfiltrage (2), puis conduits dans un banc de filtrage (3), de sorte qu'il est procédé ensuite à un étalement spectral (4),
    l'évaluation des carrés de valeurs absolues (5) s'effectue ensuite, après quoi il est procédé à un étalement temporel,
    les grandeurs de sorties ainsi atteintes sont soumises à une harmonisation du niveau et de la fréquence (7) et
    une addition de bruit auditif propre (8) est enfin effectuée, suite à quoi il est à nouveau procédé à un étalement temporel (9) et à un calcul (10) des paramètres de sortie (11) ou à l'harmonisation du niveau et de la fréquence entre l'étalement temporel et le calcul de paramètres de sortie.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que
    le banc de filtrage (3) est adapté auditivement et produit une oscillation sinusoïdale non amortie dotée de la fréquence centrale de filtrage souhaitée à partir de chaque signal entrant à l'aide d'une multiplication récursive complexe,
    l'oscillation sinusoïdale appartenant à un signal-test (1a, 1b) est de nouveau interrompue par soustraction du signal-test d'entrée (1a, 1b) retardé d'une période correspondante de la valeur réciproque de la largeur de bande souhaitée et multiplié par l'angle de phase correspondant au retard.
  3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que
    une courbe d'atténuation correspondant à la transformée de Fourier d'une fenêtre temporelle de forme cosn (n-1) est produite par convolution dans la gamme des fréquences, à partir de n sorties de filtre de même largeur de bande et à partir de la valeur réciproque de la longueur de fenêtre de fréquences centrales décalées.
  4. Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que
    la courbe d'atténuation est définie par une autre convolution dans la gamme des fréquences, et ce à une plus grande distance de la fréquence centrale de filtrage en transition entre la bande de transmission et la bande éliminée.
  5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que
    une oscillation sinusoïdale non amortie à la fréquence centrale de filtrage souhaitée est produite par multiplication récursive complexe à partir de chaque signal-test (1a, 1b) entrant,
    l'oscillation sinusoïdale appartenant à un signal-test d'entrée (1a, 1b) est de nouveau interrompue par soustraction du signal-test d'entrée (1a, 1b) retardé de la période correspondante de la valeur réciproque de la largeur de bande souhaitée et multipliée par l'angle de phase correspondant au retard,
    une courbe d'atténuation correspondant à la transformée de Fourier d'une fenêtre temporelle de forme cosn (n-1) est produite par convolution dans la gamme des fréquences, à partir de n sorties de filtre de même largeur de bande et à partir de la valeur réciproque de la longueur de fenêtre de fréquences centrales décalées, et
    la courbe d'atténuation est définie par une autre convolution dans la gamme des fréquences, et ce à une plus grande distance de la fréquence centrale de filtrage.
  6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que
    les signaux-tests d'entrée (1a, 1b) et les signaux de référence (1c, 1d) sont introduits chacun pour un canal de droite et un canal de gauche, c'est-à-dire par paire, comme grandeur d'entrée.
  7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que
    les deux signaux ou les paires de signaux (1a, 1b ; 1c, 1d) sont décomposés par un banc de filtrage (3) après un préfiltrage (2) dans la gamme des fréquences,
    une présentation conforme à l'audition des signaux audio (1a, 1b) à évaluer comme signal-test est produite par la caractéristique du banc de filtrage (3) et un étalement temporel (9) des signaux de sortie de filtre et
    une estimation de l'impression auditive à attendre est livrée par comparaison des présentations conformes à l'audition de signaux-test (1a, 1b) et de signaux de référence (1c, 1d) selon des déformages non linéaires.
  8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que
    une conversion en une représentation de tonalité temporelle s'effectue grâce à un banc de filtrage (3) adapté à l'audition après le filtrage avec des fonctions de transmission de signaux d'entrée d'oreille externe et d'oreille moyenne,
    des carrés de valeurs absolues (5) des signaux de sortie de filtre sont calculés ensuite et une convolution des signaux de sortie de filtre est effectuée avec une fonction d'étalement (6).
  9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que
    la convolution s'effectue avant ou après le redressement.
  10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que
    les différences de niveau entre le signal-test et le signal de référence (1a, 1b ou 1c, 1d) ainsi que les distorsions linéaires du signal de référence (1c, 1d) sont compensées et analysées séparément.
  11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'une partie de l'étalement temporel s'effectue directement après le redressement.
  12. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 5, caractérisé en ce qu'un banc de filtrage (3) adapté à l'audition est utilisé, ledit banc atteignant une dépendance des caractéristiques de filtrage par rapport au signal en ceci que les sorties de filtre sont convoluées dans la gamme des fréquences avant le redressement/la constitution de la valeur absolue à l'aide d'une fonction d'étalement dépendante du niveau.
  13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que
    des parts de signaux existantes dans le signal de référence (1c, 1d) et modifiées uniquement dans leur répartition spectrale sont séparés des interférences additives ou produites par des non-linéarités, et
    la séparation de ces parts d'interférences s'effectue par analyse de la relation d'orthogonalité entre les phases temporelles des enveloppantes sur les sorties de filtre, correspondant l'une à l'autre, du signal-test (1a, 1b) à évaluer et du signal de référence (1c, 1d).
  14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que
    le banc de filtrage (3) est composé d'un nombre éligible arbitraire de paires de filtres pour signal-test et de référence (1a, 1b ou 1c, 1d) et
    les filtres sont répartis régulièrement sur des échelles de tonalité en grande partie arbitraire.
  15. Procédé selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que
    les valeurs de sortie du banc de filtrage (3) sont étalées spectralement sur le flanc supérieur pour tenir compte de la couverture simultanée,
    le niveau (L) est calculé en fonction de chaque sortie de filtre à partir du carré de valeur absolue (5) de la valeur de sortie correspondante, filtré en passe-bas avec une constante temporelle, ou déterminé sans filtre passe-bas, le facteur d'étalement étant filtré au lieu de cela en passe-bas, et
    l'étalement s'effectue indépendamment pour les filtres qui représentent la part réelle du signal et pour les filtres qui représentent la part imaginaire du signal.
  16. Procédé selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que
    l'étalement temporel des signaux de sortie de filtre s'effectue en deux étapes, les signaux étant détectés à la première étape par l'intermédiaire d'une fenêtre temporelle en forme de cosinus2 et une couverture ultérieure étant modulée à la deuxième étape.
  17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que
    les fenêtres temporelles en forme de cosinus2 ont une longueur comprise entre 1 et 16 ms.
  18. Procédé selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que,
    pour l'harmonisation du niveau, les carrés momentanés de valeurs absolues (5) sont lissés temporellement sur les sorties de filtre par des passe-bas de premier ordre,
    les constantes temporelles utilisées sont choisies en fonction de la fréquence centrale du filtre respectif et
    un facteur de correction est calculé à partir de la relation d'orthogonalité entre les enveloppantes spectrales des sorties de filtre du signal-test et du signal de référence (1a, 1b ; 1c, 1d) lissées temporellement.
  19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que
    le signal-test est multiplié par le facteur de correction si ledit facteur de correction est < 1 et
    le signal de référence est divisé par le facteur de correction si ledit facteur de correction est > i.
  20. Procédé selon l'une des revendications 1 à 19, caractérisé en ce que
    des facteurs de correction sont calculés pour chaque canal de filtrage à partir de la relation d'orthogonalité entre les enveloppantes temporelles des sorties de filtre du signal-test et de référence (1a, 1b ; 1c, 1d).
  21. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que
    une différence de modulation est définie pour chaque canal de filtrage et pour chaque bande de filtrage à partir de la différence (absolue), normée sur la modulation du signal de référence, des enveloppantes de signal-test et de signal de référence, ladite différence de modulation étant adaptée à estimer certaines interférences audibles après indication temporelle et spectrale.
  22. Procédé selon l'une des revendications 1 à 21, caractérisé en ce que
    des valeurs d'entrée servent, sous forme des carrés de valeur absolue (5) dans chaque canal de filtrage, de la modulation des enveloppantes, du bruit de fond de l'audition et des constantes, à détecter un volume sonore atténué des interférences, celui-ci étant transmis par canaux temporels et de filtrage.
  23. Procédé selon l'une des revendications 1 à 22, caractérisé en ce que
    le signal d'entrée (X) est retardé de N valeurs de balayage et soustrait du signal d'entrée original après une multiplication par un facteur de valeur complexe,
    le signal résultant (V) est ajouté au signal de sortie retardé d'une valeur de balayage et
    le résultat multiplié par un autre facteur de valeur complexe donne le nouveau signal de sortie.
EP99106223A 1998-05-13 1999-04-12 Procédé d'évaluation de la qualité de la correction physiologique de signaux audio Expired - Lifetime EP0957471B1 (fr)

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