EP1373908A1 - Method and device for analysing a digital audio signal - Google Patents

Method and device for analysing a digital audio signal

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Publication number
EP1373908A1
EP1373908A1 EP02720088A EP02720088A EP1373908A1 EP 1373908 A1 EP1373908 A1 EP 1373908A1 EP 02720088 A EP02720088 A EP 02720088A EP 02720088 A EP02720088 A EP 02720088A EP 1373908 A1 EP1373908 A1 EP 1373908A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frequency
digital audio
audio signal
filter
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02720088A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Sacha c/o Cabinet Hautier Vrazic
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sigtone SA
Original Assignee
Sigtone SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sigtone SA filed Critical Sigtone SA
Publication of EP1373908A1 publication Critical patent/EP1373908A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R23/00Arrangements for measuring frequencies; Arrangements for analysing frequency spectra
    • G01R23/16Spectrum analysis; Fourier analysis
    • G01R23/165Spectrum analysis; Fourier analysis using filters
    • G01R23/167Spectrum analysis; Fourier analysis using filters with digital filters
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H17/00Networks using digital techniques
    • H03H17/02Frequency selective networks
    • H03H17/0248Filters characterised by a particular frequency response or filtering method
    • H03H17/0264Filter sets with mutual related characteristics
    • H03H17/0266Filter banks

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for the analysis of a digital audio signal usable for the recognition of musical notes present in a sound, audio or musical signal.
  • Document FR-A-2,648,566 discloses a method and a device for measuring frequency peaks contained in the spectrum of an analog signal, by threshold comparator.
  • the instants of passage of the signal are determined and stored by a given threshold value using a threshold comparator, a clock and a random access memory.
  • the location of the frequency peaks contained in the spectrum of the analyzed signal is determined.
  • a filter bank is produced for a very wide frequency range, for example a bandwidth of a octave or higher.
  • Music notes are located by detecting their frequency, using the so-called PITCH TRACKING method.
  • This technique has the problem of having a low reliability in particular by the fact that the additional step of PITCH TRACKING is present.
  • the present invention overcomes the drawbacks of the techniques known up to now, and has the advantage for this of presenting a method and a device provided with high reliability.
  • Another advantage of the invention is to be adaptable to any type of musical instrument, since the frequency range to be analyzed can be adapted according to the range of the instrument. This implementation is also done in real time.
  • the present invention relates to a method for analyzing a digital audio signal usable for recognizing musical notes present in a sound, audio or musical signal, characterized by the fact that: - filters with bandwidth widths are created distinct, each corresponding to a frequency interval including the frequency of a single musical note to be recognized, the whole covering the frequency range to be analyzed;
  • the digital audio signal is filtered using the filters created organized in a bank to break down the digital audio signal into as many output signals as there are filters present in the bank, each of the output signals corresponding to a musical note to be recognized in order to project the digital audio signal in a time-frequency basis.
  • each filter corresponds to a frequency interval symmetrical with the frequency of the musical note to be recognized.
  • a preliminary filtering of the digital audio signal is carried out by a finite impulse response filter - a digital audio signal is sub-sampled to reduce its bit rate, the sub-sampling being a function of the frequency range to be analyzed.
  • the digital audio signal is obtained by acquisition of a sound signal by microphone and sampling.
  • the group time of each filter is compensated by a pure delay filter of suitable value.
  • the invention also relates to a device for analyzing a digital audio signal usable for recognizing musical notes present in a sound, audio or musical signal, characterized in that it comprises a bank of filters in each of which the digital audio signal is injected at the input, said filters having different bandwidths but covering the entire frequency range to be analyzed, each bandwidth including the frequency of a single musical note, to decompose the audio signal digital in as many output signals as musical notes to be recognized, in order to carry out a projection of the digital audio signal in a time-frequency basis.
  • It includes a quantizer for determining the width of the passband of each filter in the bench so that each filter corresponds to one and only one musical note.
  • the quantizer is made up of means for calculating the frequency of each musical note in the frequency range to be analyzed and frequency thresholds separating two consecutive notes to assign to each filter a bandwidth between two consecutive frequency thresholds and including the frequency of a note
  • the subsampler for the prior reduction of the audio-digital signal bit rate, the subsampling being a function of the frequency range to be analyzed,
  • Figure 1 is a block diagram of the device according to the invention in a particular embodiment.
  • FIG. 2 illustrates the distribution of the passbands of the bank filters in the frequency range to be analyzed.
  • FIG. 3 shows the frequency representation of the filtering device according to the invention.
  • FIG. 4 shows an example of an audio signal evolving over time, then, successively, two output signals corresponding to two filtering channels each revealing a musical note.
  • the method according to the invention begins with an acquisition of a sound signal A by means of a microphone 1, then with a digitization of the audio electrical signal B thus obtained by means of a sampler 2 .
  • the sampler 2 delivers a digital audio signal C.
  • the digital signal C can be obtained from other sources and in particular from a compact digital disk, a computer file or any other source. .
  • sampling frequency of sampler 2 may be the standard frequency for audio compact discs, that is to say 44.1 kHz.
  • the digital audio signal C is then filtered using a finite impulse response filter constituting anti-aliasing filtering (known by the term anti-aliasing).
  • This first processing of the signal C is followed by the filter 3 by a sub-sampling at the level of a sub-sampler marked 4 in FIG. 1.
  • sub-sampling is to reduce the bit rate of the signal to be processed and its parameters depend on the range of the musical instrument or the range of frequencies to be analyzed, in order to respect the frequency of NYQUIST.
  • the impulse response of filter 3 depends on the sub-sampling rate used, and therefore on the range of frequencies to be analyzed.
  • E is called the signal coming from the sub-sampler 4 which is the working signal usable for the step of filtering by filter bank which will be described below.
  • the working signal E is then processed by a filter bank 5 composed by a plurality of filters 7 whose bandwidth is distinct and predetermined, and adapted to cover the entire frequency range to be analyzed.
  • the frequency range to be analyzed corresponds to the range of the instrument.
  • the passband widths of each filter 7 they are determined to include the frequency fi of a note without interfering with the frequency of other notes.
  • each filter 7 is associated with a note in the frequency range to be analyzed.
  • the working signal E is decomposed or projected through the filter bank 5, in order to obtain output signals Fi each revealing the time and frequency location of a musical note.
  • each filter 7 is important and is achieved by determining the order of each of the filters 7.
  • the bandwidth of each filter 7 is determined by a chromatic quantizer 6 capable of fixing the terminals of the bandwidth of the filter 7.
  • the bandwidth of a filter 7 includes the frequency fi of the musical note associated with it. It is constructed by a quarter-tone interval on either side of the frequency fi for recognition of 12 notes per octave. More specifically, Figure 2 gives an illustration of bandwidths as a function of frequency.
  • the thresholds of each filter are determined by arithmetic mean of the frequencies of two successive notes.
  • the thresholds are then defined by: fi + fi + l
  • y ⁇ is a threshold of rank i and fj and f i + 1 the frequencies of two successive notes of rank i and i + 1.
  • the quantizer determines the thresholds up to the maximum frequency of the frequency range to be analyzed.
  • These two octaves include 24 notes requiring the calculation of the parameters of 24 filters whose bandwidths are obtained by the chromatic quantizer 6.
  • the filters 7 are CHEBYCHEV type I filters of order 10.
  • the order of the filter is adapted as a function of the instrument and of the sub-sampling rate.
  • This type of filter is by analog origin and it is therefore necessary to calculate its digital equivalent for a software implementation, which does not exclude 0 a hardware implementation.
  • the index j indicates the channel number, that is to say the note to be analyzed and a and b are the coefficients of the filters.
  • a decomposition of the digital audio signal C is obtained into a wavelet packet, each channel obtained corresponding to a musical note.
  • This delay compensation is carried out by means of a delay compensator filter 80 positioned after the filter bank 5.
  • the value of the pure delay filter 8 corresponding to each filter 7 is determined as a function of the theoretical group time of the filter 7.
  • FIG. 3 An example of frequency representation of the device according to the invention is given in FIG. 3.
  • the first graph is an illustration of the evolution of the amplitude of the signal (in decibel) as a function of frequency.
  • the second graph is an illustration of the evolution of the phase (in degrees) as a function of frequency.
  • the number and the parameters of the filters 7 are adapted to the frequency range to be analyzed.

Abstract

The invention concerns a device and a method for analysing a digital audio signal (C) for use for identifying musical notes present in a sound, audio or musical signal. The invention is characterised in that the method consists in: creating filters (7) having different bandwidths each corresponding to a frequency interval including the frequency (fi) of a musical note to be identified, the set covering the frequency range to be analysed; filtering the digital audio signal (C) using the created filters arranged in a filter bank (5) to break down the digital audio signal (C) into as many output signals as there are filters (7) in the bank (5), each of the output signal (Fi) corresponding to a musical note to be identified so as to produce a projection of the digital audio signal (C) into a time-frequency base.

Description

Procédé et dispositif d'analyse d'un signal audio numérique Method and device for analyzing a digital audio signal
La présente invention concerne un procédé ainsi qu'un dispositif pour l'analyse d'un signal audio numérique utilisable pour la reconnaissance de notes de musique présentes dans un signale sonore, audio ou musical.The present invention relates to a method and a device for the analysis of a digital audio signal usable for the recognition of musical notes present in a sound, audio or musical signal.
Elle trouvera son application particulièrement dans le domaine de la transcription automatique de signaux sonores, audio et musicaux en particulier pour la construction de partitions lorsqu'un musicien joue de son instrument, mais également l'indexation et la reconnaissance automatique de signaux audio.It will find its application particularly in the field of the automatic transcription of sound, audio and musical signals in particular for the construction of partitions when a musician plays his instrument, but also the indexing and the automatic recognition of audio signals.
Elle aussi applicable à tous types de signaux issus de disques, de fichiers informatiques ou de tout autre support de données, mais également aux signaux issus d'une acquisition temps-réel (via microphone ou autre capteur). On connaît du document du document FR-A-2.648.566 un procédé et un dispositif de mesures de pics de fréquence contenues dans le spectre d'un signal analogique, par comparateur à seuil.It also applicable to all types of signals from discs, computer files or any other data medium, but also to signals from a real-time acquisition (via microphone or other sensor). Document FR-A-2,648,566 discloses a method and a device for measuring frequency peaks contained in the spectrum of an analog signal, by threshold comparator.
Selon ce document, on détermine et on stocke les instants de passage du signal par une valeur de seuil donnée à l'aide d'un comparateur de seuil, d'une horloge et d'une mémoire vive.According to this document, the instants of passage of the signal are determined and stored by a given threshold value using a threshold comparator, a clock and a random access memory.
Par calcul, on détermine la localisation des pics de fréquence contenus dans le spectre du signal analysé.By calculation, the location of the frequency peaks contained in the spectrum of the analyzed signal is determined.
D'une façon générale, selon l'état de la technique, on réalise un banc de filtres pour une très large étendue de fréquence, par exemple une bande passante d'un octave ou plus. Les notes de musique sont localisées par détection de leur fréquence, par la méthode dite du PITCH TRACKING.In general, according to the state of the art, a filter bank is produced for a very wide frequency range, for example a bandwidth of a octave or higher. Musical notes are located by detecting their frequency, using the so-called PITCH TRACKING method.
Cette technique a le problème de présenter une faible fiabilité notamment par le fait que l'étape additionnelle du PITCH TRACKING est présente. La présente invention permet de remédier aux inconvénients des techniques connues jusqu'à présent, et a l'avantage pour ce faire de présenter un procédé et un dispositif pourvus d'une grande fiabilité.This technique has the problem of having a low reliability in particular by the fact that the additional step of PITCH TRACKING is present. The present invention overcomes the drawbacks of the techniques known up to now, and has the advantage for this of presenting a method and a device provided with high reliability.
En effet, on obtient une meilleure précision dans la localisation des notes, tant dans l'espace qu'en fréquence, par le fait qu'on associe un signal à chaque note dont on connaît l'évolution temporelle. Aucune ambiguïté ne peut subsister.Indeed, we obtain a better precision in the location of the notes, both in space and in frequency, by the fact that we associate a signal with each note whose time evolution is known. No ambiguity can remain.
Un autre avantage de l'invention est d'être adaptable à tout type d'instrument de musique, puisqu'on peut adapter la gamme de fréquence à analyser en fonction de la tessiture de l'instrument. Cette implémentation s'effectue d'ailleurs en temps réel.Another advantage of the invention is to be adaptable to any type of musical instrument, since the frequency range to be analyzed can be adapted according to the range of the instrument. This implementation is also done in real time.
D'autres buts et avantages apparaîtront au cours de la description qui suit qui présente un mode de réalisation détaillée de l'invention qui n'en est cependant pas limitatif.Other objects and advantages will appear during the description which follows which presents a detailed embodiment of the invention which is not, however, limiting.
La présente invention concerne un procédé d'analyse d'un signal audio numérique utilisable pour la reconnaissance des notes de musique présentes dans un signal sonore, audio ou musical, caractérisé par le fait que : - on crée des filtres présentant des largeurs de bande passante distinctes correspondant chacune à un intervalle de fréquence incluant la fréquence d'une note de musique unique à reconnaître, l'ensemble couvrant la gamme fréquentielle à analyser ;The present invention relates to a method for analyzing a digital audio signal usable for recognizing musical notes present in a sound, audio or musical signal, characterized by the fact that: - filters with bandwidth widths are created distinct, each corresponding to a frequency interval including the frequency of a single musical note to be recognized, the whole covering the frequency range to be analyzed;
- on filtre le signal audio numérique en utilisant les filtres créés organisés en banc pour décomposer le signal audio numérique en autant de signaux de sorties que de filtres présents dans le banc, chacun des signaux de sortie correspondant à une note de musique à reconnaître afin de réaliser une projection du signal audio numérique dans une base temps- fréquence. Selon des variantes préférées de ce procédé :- the digital audio signal is filtered using the filters created organized in a bank to break down the digital audio signal into as many output signals as there are filters present in the bank, each of the output signals corresponding to a musical note to be recognized in order to project the digital audio signal in a time-frequency basis. According to preferred variants of this process:
- la largeur de bande passante de chaque filtre correspond à un intervalle de fréquence symétrique de la fréquence de la note de musique à reconnaître.- the bandwidth of each filter corresponds to a frequency interval symmetrical with the frequency of the musical note to be recognized.
- on effectue un filtrage préliminaire du signal audio numérique par un filtre à réponse impulsionnelle finie - on effectue un sous échantillonnage du signal audio numérique pour réduire son débit, le sous-échantillonnage étant fonction de la gamme fréquentielle à analyser.- a preliminary filtering of the digital audio signal is carried out by a finite impulse response filter - a digital audio signal is sub-sampled to reduce its bit rate, the sub-sampling being a function of the frequency range to be analyzed.
- on obtient le signal audio numérique par acquisition d'un signal sonore par microphone et échantillonnage. - on compense le temps de groupe de chaque filtre par un filtre de retard pur de valeur adaptée.- the digital audio signal is obtained by acquisition of a sound signal by microphone and sampling. - the group time of each filter is compensated by a pure delay filter of suitable value.
L'invention concerne également un dispositif d'analyse d'un signal audio numérique utilisable pour la reconnaissance des notes de musique présentes dans un signal sonore, audio ou musical, caractérisé par le fait qu'il comporte un banc de filtres dans chacun desquels le signal audio numérique est injecté en entrée, lesdits filtres présentant des largeurs de bande passante distinctes mais couvrant l'ensemble de la gamme fréquentielle à analyser, chaque largeur de bande passante incluant la fréquence d'une seule note de musique, pour décomposer le signal audio numérique en autant de signaux de sorties que de notes de musique à reconnaître, afin de réaliser une projection du signal audio numérique dans une base temps-fréquence.The invention also relates to a device for analyzing a digital audio signal usable for recognizing musical notes present in a sound, audio or musical signal, characterized in that it comprises a bank of filters in each of which the digital audio signal is injected at the input, said filters having different bandwidths but covering the entire frequency range to be analyzed, each bandwidth including the frequency of a single musical note, to decompose the audio signal digital in as many output signals as musical notes to be recognized, in order to carry out a projection of the digital audio signal in a time-frequency basis.
Ce dispositif peut se présenter suivant les modes de réalisation introduits ci- après :This device can be presented according to the embodiments introduced below:
- il comporte un quantificateur de détermination de la largeur de la bande passante de chaque filtre du banc pour qu'à chaque filtre corresponde une et une seule note de musique.- It includes a quantizer for determining the width of the passband of each filter in the bench so that each filter corresponds to one and only one musical note.
- le quantificateur est constitué de moyens de calcul de la fréquence de chaque note de musique de la gamme de fréquence à analyser et des seuils de fréquence séparant deux notes consécutives pour affecter à chaque filtre une largeur de bande passante comprise entre deux seuils de fréquence consécutifs et incluant la fréquence d'une note- the quantizer is made up of means for calculating the frequency of each musical note in the frequency range to be analyzed and frequency thresholds separating two consecutive notes to assign to each filter a bandwidth between two consecutive frequency thresholds and including the frequency of a note
- il comprend un sous-échantillonneur pour la réduction préalable du débit du signal audio-numérique, le sous-échantillonnage étant fonction de la gamme fréquentielle à analyser,it includes a subsampler for the prior reduction of the audio-digital signal bit rate, the subsampling being a function of the frequency range to be analyzed,
- il comporte un filtre à réponse impulsionnelle finie pour un filtrage préliminaire du signal audio numérique, avant le sous-échantillonnage.- it includes a finite impulse response filter for preliminary filtering of the digital audio signal, before subsampling.
- il comprend un microphone et un échantillonneur pour l'analyse de signaux sonores.- it includes a microphone and a sampler for the analysis of sound signals.
- il comprend un compensateur du temps de groupe de chaque filtre constitué par un filtre de retard pur de valeur adaptée. - les filtres du banc sont des filtres de Chebychev Type I d'ordre adapté auxquels on associe l'équivalent numérique.- It includes a group time compensator for each filter consisting of a pure delay filter of suitable value. - the bench filters are Chebychev Type I filters of suitable order with which the digital equivalent is associated.
Les dessins ci-joints sont donnés à titre d'exemples indicatifs et non limitatifs. Ils représentent un mode de réalisation. Ils permettront de comprendre aisément l'invention.The attached drawings are given as indicative and non-limiting examples. They represent an embodiment. They will allow the invention to be easily understood.
La figure 1 est un schéma bloc du dispositif selon l'invention dans un mode particulier de réalisation.Figure 1 is a block diagram of the device according to the invention in a particular embodiment.
La figure 2 illustre la répartition des bandes passantes des filtres du banc dans la gamme de fréquences à analyser. La figure 3 montre la représentation fréquentielle du dispositif de filtrage selon l'invention.FIG. 2 illustrates the distribution of the passbands of the bank filters in the frequency range to be analyzed. FIG. 3 shows the frequency representation of the filtering device according to the invention.
La figure 4 montre un exemple de signal audio évoluant dans le temps, puis, successivement, deux signaux de sortie correspondant à deux voies de filtrage chacune révélant une note de musique. En référence à la figure 1 , le procédé selon l'invention débute par une acquisition d'un signal sonore A par le biais d'un microphone 1 , puis par une numérisation du signal électrique audio B ainsi obtenu au moyen d'un échantillonneur 2.FIG. 4 shows an example of an audio signal evolving over time, then, successively, two output signals corresponding to two filtering channels each revealing a musical note. With reference to FIG. 1, the method according to the invention begins with an acquisition of a sound signal A by means of a microphone 1, then with a digitization of the audio electrical signal B thus obtained by means of a sampler 2 .
L'échantillonneur 2 délivre un signal numérique audio C. Sans sortir du cadre de l'invention, on peut obtenir le signal numérique C d'autres sources et notamment d'un compact disque numérique, d'un fichier informatique ou de toute autre source.The sampler 2 delivers a digital audio signal C. Without departing from the scope of the invention, the digital signal C can be obtained from other sources and in particular from a compact digital disk, a computer file or any other source. .
La fréquence d'échantillonnage de l'échantillonneur 2 pourra être la fréquence standard pour des compact-disques audio, c'est-à-dire 44,1 khz.The sampling frequency of sampler 2 may be the standard frequency for audio compact discs, that is to say 44.1 kHz.
On procède ensuite avantageusement à un filtrage du signal audio numérique C par le biais d'un filtre à réponse impulsionnelle finie constituant un filtrage anti-repliement (connu sous le terme anti-aliasing).Advantageously, the digital audio signal C is then filtered using a finite impulse response filter constituting anti-aliasing filtering (known by the term anti-aliasing).
On fait suivre ce premier traitement du signal C par le biais du filtre 3 par un sous-échantillonnage au niveau d'un sous-échantillonneur repéré 4 en figure 1.This first processing of the signal C is followed by the filter 3 by a sub-sampling at the level of a sub-sampler marked 4 in FIG. 1.
Le sous-échantillonnage a pour fonction de réduire le débit du signal à traiter et ses paramètres dépendent de la tessiture de l'instrument de musique ou de la gamme de fréquences à analyser, afin de respecter la fréquence de NYQUIST.The purpose of sub-sampling is to reduce the bit rate of the signal to be processed and its parameters depend on the range of the musical instrument or the range of frequencies to be analyzed, in order to respect the frequency of NYQUIST.
De même, la réponse impulsionnelle du filtre 3 dépend du taux de sous- échantillonnage utilisé, et donc de la gamme de fréquences à analyser. Pour la suite de la description, on appelle E le signal issu du sous- échantillonneur 4 qui est le signal de travail utilisable pour l'étape de filtrage par banc de filtres qui sera décrit ci-après.Likewise, the impulse response of filter 3 depends on the sub-sampling rate used, and therefore on the range of frequencies to be analyzed. For the remainder of the description, E is called the signal coming from the sub-sampler 4 which is the working signal usable for the step of filtering by filter bank which will be described below.
En effet, le signal de travail E est ensuite traité par un banc de filtres 5 composé par une pluralité de filtres 7 dont la largeur de bande passante est distincte et prédéterminée, et adaptée pour couvrir l'ensemble de la gamme fréquentielle à analyser.In fact, the working signal E is then processed by a filter bank 5 composed by a plurality of filters 7 whose bandwidth is distinct and predetermined, and adapted to cover the entire frequency range to be analyzed.
Dans l'application préférée à la reconnaissance de notes de musique, la gamme fréquentielle à analyser correspond à la tessiture de l'instrument. Quant aux largeurs de bande passante de chaque filtre 7, elles sont déterminées pour inclure la fréquence fi d'une note sans interférer avec la fréquence d'autres notes. Ainsi, à chaque filtre 7 est associé une note dans la gamme de fréquence à analyser.In the preferred application for recognizing musical notes, the frequency range to be analyzed corresponds to the range of the instrument. As for the passband widths of each filter 7, they are determined to include the frequency fi of a note without interfering with the frequency of other notes. Thus, each filter 7 is associated with a note in the frequency range to be analyzed.
Tel que schématisé en figure 1, le signal de travail E est décomposé ou projeté par le biais du banc de filtres 5, pour obtenir des signaux de sorties Fi chacun révélant la localisation temporelle et fréquentielle d'une note de musique.As shown diagrammatically in FIG. 1, the working signal E is decomposed or projected through the filter bank 5, in order to obtain output signals Fi each revealing the time and frequency location of a musical note.
Comme indiqué précédemment, la sélectivité de chaque filtre 7 est importante et réalisée par la détermination de l'ordre de chacun des filtres 7. Pour une analyse musicale, la largeur de bande de chaque filtre 7 est déterminée par un quantificateur 6 chromatique apte à fixer les bornes de la bande passante du filtre 7. La bande passante d'un filtre 7 inclut la fréquence fi de la note de musique qui lui est associée. Elle est construite par un intervalle d'un quart de ton de la part et d'autre de la fréquence fi pour une reconnaissance de 12 notes par octave. Plus précisément, la figure 2 donne une illustration des bandes passantes en fonction de la fréquence. Les seuils de chaque filtre sont déterminés par moyenne arithmétique des fréquences de deux notes successives.As indicated above, the selectivity of each filter 7 is important and is achieved by determining the order of each of the filters 7. For a musical analysis, the bandwidth of each filter 7 is determined by a chromatic quantizer 6 capable of fixing the terminals of the bandwidth of the filter 7. The bandwidth of a filter 7 includes the frequency fi of the musical note associated with it. It is constructed by a quarter-tone interval on either side of the frequency fi for recognition of 12 notes per octave. More specifically, Figure 2 gives an illustration of bandwidths as a function of frequency. The thresholds of each filter are determined by arithmetic mean of the frequencies of two successive notes.
Le quantificateur réalise cette opération. En effet, on peut calculer facilement la fréquence de chaque note de musique selon la suite géométrique dont la progression est la suivante : ι π+i = X 2 Les seuils sont alors définis par : fi + fi + lThe quantizer performs this operation. Indeed, we can easily calculate the frequency of each musical note according to the geometric sequence whose progression is as follows: ι π + i = X 2 The thresholds are then defined by: fi + fi + l
Yi =Yi =
2 où yι est un seuil du rang i et fj et fi+1 les fréquences de deux notes successives de rang i et i+1. Le quantificateur assure la détermination des seuils jusqu'à la fréquence maximale de la gamme de fréquence à analyser.2 where yι is a threshold of rank i and fj and f i + 1 the frequencies of two successive notes of rank i and i + 1. The quantizer determines the thresholds up to the maximum frequency of the frequency range to be analyzed.
On donne ci-après à titre d'exemple un tableau révélant le calcul de fréquence des notes pour deux octaves.An example is given below of a table revealing the frequency calculation of the notes for two octaves.
Ces deux octaves comprennent 24 notes nécessitant le calcul des paramètres de 24 filtres dont les bandes passantes sont obtenues par le quantificateur chromatique 6. These two octaves include 24 notes requiring the calculation of the parameters of 24 filters whose bandwidths are obtained by the chromatic quantizer 6.
On obtient autant de signaux Fi qu'il y a de notes à analyser, c'est-à-dire 24 dans l'espèce présente.As many signals Fi are obtained as there are notes to be analyzed, that is to say 24 in the present case.
De façon préférée, les filtres 7 sont des filtres de CHEBYCHEV type I d'ordre 10. L'ordre du filtre s'adapte en fonction de l'instrument et du taux de sous- échantillonnage. Ce type de filtre est par origine analogique et il est donc nécessaire de calculer son équivalent numérique pour une implantation logicielle, ce qui n'exclut 0 pas une réalisation matérielle.Preferably, the filters 7 are CHEBYCHEV type I filters of order 10. The order of the filter is adapted as a function of the instrument and of the sub-sampling rate. This type of filter is by analog origin and it is therefore necessary to calculate its digital equivalent for a software implementation, which does not exclude 0 a hardware implementation.
Cet équivalent est obtenu, après calcul des pôles de la fonction de transfert analogique du filtre puis, par calcul du filtre équivalent discret par transformation bilinéaire.This equivalent is obtained, after calculation of the poles of the analog transfer function of the filter then, by calculation of the discrete equivalent filter by bilinear transformation.
On obtient le filtre équivalent numérique de la forme telle que définie ci-après :We obtain the digital equivalent filter of the form as defined below:
Dans cette formule, l'indice j indique le numéro de canal, c'est-à-dire la note à analyser et a et b sont les coefficients des filtres.In this formula, the index j indicates the channel number, that is to say the note to be analyzed and a and b are the coefficients of the filters.
A titre d'illustration, on donne ci-après un exemple des coefficients calculés 0 pour ce filtre équivalent discret pour une reconnaissance de notes sur deux octaves.By way of illustration, an example is given below of the coefficients calculated 0 for this discrete equivalent filter for recognition of notes over two octaves.
Par traitement du signal de travail au moyen des filtres 7 ainsi définis, on obtient une décomposition du signal audio numérique C en paquet d'ondelettes, chaque canal obtenu correspondant à une note de musique.By processing the working signal by means of the filters 7 thus defined, a decomposition of the digital audio signal C is obtained into a wavelet packet, each channel obtained corresponding to a musical note.
Compte-tenu que la bande passante des filtres 7 n'est pas uniforme, un temps de groupe distinct est présent en sortie. Ce temps de groupe n'est pas uniforme, il est donc nécessaire de compenser cette disparité de retard afin d'obtenir en sortie un rattrapage de phase.Given that the bandwidth of the filters 7 is not uniform, a separate group time is present at the output. This group time is not uniform, it is therefore necessary to compensate for this disparity of delay in order to obtain a phase catch-up at the output.
Cette compensation de retard est effectuée au moyen d'un filtre 8 0 compensateur de retard positionné après le banc de filtres 5.This delay compensation is carried out by means of a delay compensator filter 80 positioned after the filter bank 5.
Bien entendu, la valeur du filtre de retard pur 8 correspondant à chaque filtre 7 est déterminée en fonction du temps de groupe théorique du filtre 7.Of course, the value of the pure delay filter 8 corresponding to each filter 7 is determined as a function of the theoretical group time of the filter 7.
La fonction de transfert globale obtenue est la suivante : H; = _ où le terme d, = retard max c .est l'estimée du délai à insérer dans la voie i (i est le canal d'analyse de la nième note). η est l'estimée du temps de groupe de la voie i.The overall transfer function obtained is as follows: H; = _ where the term d, = max delay c. is the estimated delay to be inserted in channel i (i is the analysis channel for the nth note). η is the estimated group time for channel i.
On donne ci-après un exemple du temps de groupe pour un banc de filtres de 24 filtres, en millisecondesAn example of the group time is given below for a filter bank of 24 filters, in milliseconds
Un exemple de représentation fréquentielle du dispositif selon l'invention est donné en figure 3. An example of frequency representation of the device according to the invention is given in FIG. 3.
Le premier graphique est une illustration de l'évolution de l'amplitude du signal (en décibel) en fonction de la fréquence. Le deuxième graphique est une illustration de l'évolution de la phase (en degrés) en fonction de la fréquence.The first graph is an illustration of the evolution of the amplitude of the signal (in decibel) as a function of frequency. The second graph is an illustration of the evolution of the phase (in degrees) as a function of frequency.
Tel qu'indiqué précédemment, on adapte le nombre et les paramètres des filtres 7 à la gamme fréquentielle à analyser.As indicated above, the number and the parameters of the filters 7 are adapted to the frequency range to be analyzed.
Ainsi, pour des instruments de tessiture plus importante, un nombre de filtres et de signaux de sorties Fi plus important est nécessaire.Thus, for larger range instruments, a larger number of filters and output signals Fi is necessary.
Une implémentation en temps réel est possible en utilisant la méthode overlap save par fonction de transformée de FOURRIER qui convolue chaque réponse impulsionnelle par le signal. Real-time implementation is possible using the overlap save method by FOURRIER transform function which convolves each impulse response by the signal.
REFERENCESREFERENCES
A. signal sonoreA. sound signal
B. signal électrique audio C. signal numérique audioB. electrical audio signal C. digital audio signal
D. signal filtréD. filtered signal
E. signal de travail Fj. signaux de sortie fi. Fréquence d'une note 1. microphoneE. working signal Fj. fi output signals. Frequency of a note 1. microphone
2. échantillonneur2. sampler
3. filtre3. filter
4. sous-échantiilonneur4. subsampler
5. banc de filtres 6. quantificateur5. filter bank 6. quantifier
7. filtre7. filter
8. filtre compensateur de temps de groupe 8. group time compensator filter

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'analyse d'un signal audio numérique (C) utilisable pour la reconnaissance des notes de musique présentes dans un signal sonore, audio ou musical, caractérisé par le fait que :1. Method for analyzing a digital audio signal (C) usable for recognizing musical notes present in a sound, audio or musical signal, characterized in that:
- on crée des filtres (7) présentant des largeurs de bande passante distinctes correspondant chacune à un intervalle de fréquence incluant la fréquence (fi) d'une note de musique unique à reconnaître, l'ensemble couvrant la gamme fréquentielle à analyser ;- Filters (7) are created having distinct bandwidths each corresponding to a frequency interval including the frequency (fi) of a single musical note to be recognized, the assembly covering the frequency range to be analyzed;
- on filtre le signal audio numérique (C) en utilisant les filtres créés organisés en banc (5) pour décomposer le signal audio numérique (C) en autant de signaux de sorties que de filtres (7) présents dans le banc (5) , chacun des signaux de sortie (Fi) correspondant à une note de musique à reconnaître afin de réaliser une projection du signal audio numérique (C) dans une base temps- fréquence.the digital audio signal (C) is filtered using the filters created organized in a bank (5) to decompose the digital audio signal (C) into as many output signals as there are filters (7) present in the bank (5), each of the output signals (Fi) corresponding to a musical note to be recognized in order to carry out a projection of the digital audio signal (C) in a time-frequency basis.
2. Procédé, selon la revendication 1 , caractérisé par le fait que la largeur de bande passante de chaque filtre (7) correspond à un intervalle de fréquence symétrique autour de la fréquence (fi) de la note de musique à reconnaître.2. Method according to claim 1, characterized in that the bandwidth of each filter (7) corresponds to a frequency interval symmetrical around the frequency (fi) of the musical note to be recognized.
3. Procédé, selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'on effectue un filtrage préliminaire du signal audio numérique (C) par un filtre (3) à réponse impulsionnelle finie, et qu'on effectue un sous échantillonnage du signal audio numérique (C) pour réduire son débit, le sous-échantillonnage étant fonction de la gamme fréquentielle à analyser.3. Method according to claim 1 or 2, characterized in that a preliminary filtering of the digital audio signal (C) is carried out by a filter (3) with finite impulse response, and that a signal sub-sampling is carried out digital audio (C) to reduce its bit rate, the sub-sampling being a function of the frequency range to be analyzed.
4. Procédé, selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'on obtient le signal audio numérique (C) par acquisition d'un signal sonore (A) par microphone (1) et échantillonnage. 4. Method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the digital audio signal (C) is obtained by acquisition of a sound signal (A) by microphone (1) and sampling.
5. Procédé, selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'on compense le temps de groupe de chaque filtre (7) par un filtre de retard pur (8) de valeur adaptée.5. Method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the group time of each filter (7) is compensated by a pure delay filter (8) of suitable value.
6. Dispositif d'analyse d'un signal audio numérique (C) utilisable pour la reconnaissance des notes de musique présentes dans un signal sonore, audio ou musical, caractérisé par le fait qu'il comporte un banc (5) de filtres (7) dans chacun desquels le signal audio numérique (C) est injecté en entrée, lesdits filtres (7) présentant des largeurs de bande passante distinctes mais couvrant l'ensemble de la gamme fréquentielle à analyser, chaque largeur de bande passante incluant la fréquence (fi) d'une seule note de musique, pour décomposer le signal audio numérique (C) en autant de signaux de sorties (Fi) que de notes de musique (fi) à reconnaître, afin de réaliser une projection du signal audio numérique (C) dans une base temps-fréquence.6. Device for analyzing a digital audio signal (C) usable for the recognition of musical notes present in a sound, audio or musical signal, characterized in that it comprises a bank (5) of filters (7 ) into each of which the digital audio signal (C) is injected as an input, said filters (7) having different bandwidths but covering the entire frequency range to be analyzed, each bandwidth including frequency (fi ) a single musical note, to decompose the digital audio signal (C) into as many output signals (Fi) as musical notes (fi) to recognize, in order to produce a projection of the digital audio signal (C) in a time-frequency basis.
7. Dispositif, selon la revendication 6, caractérisé par le fait, qu'il comporte un quantificateur (6) de détermination de la largeur de la bande passante de chaque filtre (7) du banc (5) pour qu'à chaque filtre (7) corresponde une et une seule note de musique.7. Device according to claim 6, characterized in that it comprises a quantizer (6) for determining the width of the passband of each filter (7) of the bench (5) so that at each filter ( 7) corresponds to one and only one musical note.
8. Dispositif, selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le quantificateur (6) est constitué de moyens de calcul de la fréquence (fi) de chaque note de musique de la gamme de fréquence à analyser et des seuils de fréquence séparant deux notes consécutives pour affecter à chaque filtre (7) une largeur de bande passante comprise entre deux seuils de fréquence consécutifs et incluant la fréquence (fi) d'une note.8. Device according to claim 7, characterized in that the quantizer (6) consists of means for calculating the frequency (fi) of each musical note in the frequency range to be analyzed and frequency thresholds separating two consecutive notes to assign to each filter (7) a bandwidth between two consecutive frequency thresholds and including the frequency (fi) of a note.
9. Dispositif, selon la revendication 7 ou 8, caractérisé par le fait qu'il comprend un sous-échantillonneur (4) pour la réduction préalable du débit du signal audio-numérique (C), le sous-échantillonnage étant fonction de la gamme fréquentielle à analyser, et qu'il comporte un filtre (3) à réponse impulsionnelle finie pour un filtrage préliminaire du signal audio numérique (C), avant le sous-échantillonnage.9. Device according to claim 7 or 8, characterized in that it comprises a subsampler (4) for the prior reduction of the bit rate of the audio-digital signal (C), the subsampling being a function of the range frequency to analyze, and that it comprises a finite impulse response filter (3) for preliminary filtering of the digital audio signal (C), before the subsampling.
10. Dispositif, selon l'une quelconque des revendications 8 à 9, caractérisé par le fait qu'il comprend un microphone (1) et un échantillonneur (2) pour l'analyse de signaux sonores (A).10. Device according to any one of claims 8 to 9, characterized in that it comprises a microphone (1) and a sampler (2) for the analysis of sound signals (A).
11. Dispositif, selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé par le fait qu'il comprend un compensateur du temps de groupe de chaque filtre (7) constitué par un filtre de retard pur (8) de valeur adaptée.11. Device according to any one of claims 8 to 10, characterized in that it comprises a compensator for the group time of each filter (7) constituted by a pure delay filter (8) of suitable value.
12. Dispositif, selon l'une quelconque des revendications 8 à 11 , caractérisé par le fait que les filtres (7) du banc (5) sont des filtres de Chebychev Type I d'ordre adapté auxquels on associe l'équivalent numérique. 12. Device according to any one of claims 8 to 11, characterized in that the filters (7) of the bench (5) are Chebychev Type I filters of suitable order with which the digital equivalent is associated.
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