EP2987339B1 - Procédé de restitution sonore d'un signal numérique audio - Google Patents

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EP2987339B1
EP2987339B1 EP14721466.2A EP14721466A EP2987339B1 EP 2987339 B1 EP2987339 B1 EP 2987339B1 EP 14721466 A EP14721466 A EP 14721466A EP 2987339 B1 EP2987339 B1 EP 2987339B1
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Jean-Luc HAURAIS
Franck Rosset
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    • H04R5/04—Circuit arrangements, e.g. for selective connection of amplifier inputs/outputs to loudspeakers, for loudspeaker detection, or for adaptation of settings to personal preferences or hearing impairments
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    • H04S5/00—Pseudo-stereo systems, e.g. in which additional channel signals are derived from monophonic signals by means of phase shifting, time delay or reverberation 
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    • H04S3/008—Systems employing more than two channels, e.g. quadraphonic in which the audio signals are in digital form, i.e. employing more than two discrete digital channels
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    • H04R2205/021—Aspects relating to docking-station type assemblies to obtain an acoustical effect, e.g. the type of connection to external loudspeakers or housings, frequency improvement
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    • H04S7/302—Electronic adaptation of stereophonic sound system to listener position or orientation
    • H04S7/303—Tracking of listener position or orientation
    • H04S7/304—For headphones

Definitions

  • the present invention relates to the field of processing audio signals to improve perception during sound reproduction.
  • the international patent application is known WO2012088336 describing a method of processing an audio sound source to create four dimensions of spatialized sound.
  • a virtual sound source can be moved along a path in a three-dimensional space over a specified period of time to obtain the location of the four-dimensional sound.
  • the various embodiments described herein provide methods and systems for the existing mono, 2-channel and / or multi-channel conversion of audio signals into spatialized audio signals having two or more audio channels.
  • the various embodiments also describe methods, systems, and apparatus for producing low frequency effects and center channel signals from incoming audio signals having one or more channels.
  • the European patent EP2119306 describes apparatus for processing an audio sound source to create four dimensions of spatialized sound.
  • a virtual sound source can be moved along a path in a three-dimensional space over a specified period of time to obtain the location of the four-dimensional sound.
  • a binaural filter for a desired spatial point is applied to the audio waveform to produce a spatialized waveform that, when the spatialized waveform is played from a pair of speakers, the sound appears to come from the chosen point space instead of speakers.
  • a binaural filter for a point in space is simulated by interpolation of the nearest neighbor binaural filters selected from a plurality of predefined binaural filters.
  • the audio waveform can be numerically processed by overlapping data blocks using a short Fourier transformation time.
  • Localized sound can be processed later for Doppler shift and chamber simulation.
  • the present invention relates to a method for processing an original audio signal of Nx channels, N being greater than 1 and x being greater than or equal to 0, comprising a multichannel processing step of said input audio signal by a multichannel convolution with a predefined imprint, said imprint being elaborated by the capture of a reference sound by a set of speakers arranged in a reference space characterized in that it comprises an additional step of selecting at least one of a plurality of fingerprints previously developed in different sound contexts.
  • the patent application WO2012172264 discloses a method of processing an original audio signal of Nx channels, N being greater than 1 and x being greater than or equal to 0, comprising a multichannel processing step of said input audio signal by a multichannel convolution with a predefined imprint, said fingerprint being developed by the capture of a reference sound by a set of speakers arranged in a reference space characterized in that it comprises an additional step of selecting at least one of a plurality of fingerprints previously developed in different sound contexts.
  • the patent application WO9725834 proposes another method and device for processing multichannel audio signals, each channel corresponding to a loudspeaker arranged at a particular point in a room so as to give, via an audio headset, the impression that multiple speakers' ghosts 'are distributed in the room.
  • Heading Transfer Functions are selected by taking into consideration the height and azimuth of each speaker in relation to the listener.
  • Each channel is HRTF filtered so that when these channels are combined in the left and right channels and output by headphones, the listener feels that the sound actually comes from ghost speakers distributed in the virtual room.
  • HRTF coefficient sets entered in base data from a large number of individuals and the use of an optimal HRTF game for the listener provides listening impressions similar to those of an isolated listener listening to multiple high speakers distributed in the volume of a room.
  • Applying an HRTF function to the output of the right and left channels allows, in the case of listening to the headphones, to give the impression of listening without headphones.
  • the object of the present invention is to improve the perceived quality and in particular the extent of the spatialization, including with means of reproduction of average quality, such as docking stations of tablets or mobile phones ("docks"). ).
  • the invention relates, in its most general sense, to a method of sound reproduction of a digital audio signal, characterized in that an oversampling step consisting in producing from a sampled signal at a first time is carried out.
  • frequency F a signal sampled at a frequency NxF, where N corresponds to an integer greater than 1, and then to applying a convolution process on a first digital file sampled at a frequency NxF corresponding to the acquisition of the sound environment of a reference sound space, a second digital file sampled at an NxF frequency corresponding to the acquisition of the soundprint of a reference playback equipment, and third file digital sample sampled at an NxF frequency corresponding to the acquisition of an equalizer's audio fingerprint and a fourth file corresponding to said oversampled audio file, the resulting digital packets being then digitally converted to a digital sampling frequency F / M corresponding to the working frequency of the listening equipment.
  • the processing is based on a mathematical convolution operation, and uses several prerecorded audio samples of the impulse response of the modeled space as well as an equalizer and playback equipment.
  • the method comprises an additional step of recalculating the file corresponding to said sound footprint of the reference sound space, in order to modify the balance between the spatial channels of said sound footprint.
  • the treatment method according to the invention consists in producing different acoustic impressions of a sound source, with a view to convolving these different sound tracks.
  • convolutions are a known technique of user capture, then the reproduction of the acoustic behavior of a place or an apparatus.
  • convolution reverbs allow to propose to use the acoustics of many real places, famous concert halls or others: these acoustics, previously sampled, likely to be reused at will within the program.
  • the principle is then to sample the acoustics of the sets in which the scenes of the film have been shot, in order to be able to easily apply this acoustics to the elements recorded a posteriori so that they fit perfectly to the sounds from the direct shots. .
  • the Impulse Response sensor to obtain the impulse response of a material or room constituting the sound footprint is based on the "deconvolution". It uses the excitation of the system by a known signal (here called f (t)). This signal is such that if we apply a transform (deconvolution function), the result is the Dirac function.
  • the types of signals used to capture impulse responses look like a Gaussian noise or a "white noise”.
  • the excitation sequences are generated by a deterministic algorithm and are periodic (periods of the order of a few seconds or tens of seconds for our application) and constitute a pseudo-random signal.
  • LFSRs linear feedback shift registers
  • This register structure whose order is determined by the number of registers, is such that over its period it will produce the set of possible binary values for its order (if order 4 structure, there are 2 n possible values) .
  • MLS, Maximum Length Sequence the longest possible sequence of binary numbers without repeating the same value twice.
  • the initial popularity of MLS stems from the ease of the deconvolution process.
  • the signal MLS is such that for its deconvolution, one can use a transform called Hadamard transform, which simplifies the calculations and has the advantage of being computationally computationally using few resources.
  • the first uses the passage in the frequency domain to make the calculations before returning to time.
  • Each of these impulse responses is captured from a reference signal at a high sampling rate, which is higher than the nominal sampling frequency of the playback equipment.
  • the hallmark (3) is acquired from a white noise producing a file of 6 Mbytes per speaker, for a long time greater than 500 milliseconds, preferably between one and two seconds.
  • the file corresponding to the impulse response is then compressed without loss (ZIP compression for example) and encrypted.
  • the footprint of the headphones (1) is acquired in the same way with a white or pink signal of a duration of about 200 milliseconds, preferably between 100 and 500 milliseconds.
  • the imprint of the equalizer (2) is acquired in the same way with a white or pink signal with a duration of about 200 milliseconds, advantageously between 100 and 500 milliseconds for each of the equalizer settings.
  • This function can be controlled by the gyro sensor to create a dynamic displacement of the sound scene according to the user's movements

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Description

    Domaine de l'invention
  • La présente invention concerne le domaine du traitement des signaux audio pour améliorer la perception lors de la restitution sonore.
  • On connaît par exemple la demande de brevet internationale WO2012088336 décrivant un procédé de traitement d'une source sonore audio pour créer des quatre dimensions du son spatialisé.
  • Une source sonore virtuelle peut être déplacé le long d'un chemin dans un espace tridimensionnel sur une période de temps spécifiée pour obtenir la localisation du son à quatre dimensions.
  • Les divers modes de réalisation décrits ici fournissent des méthodes et des systèmes pour la conversion mono existant, 2-canal et / ou multi-canaux de signaux audio en signaux audio spatialisées ont deux ou plusieurs canaux audio.
  • Les divers modes de réalisation décrivent également les méthodes, les systèmes et appareils pour la production effets basse fréquence et les signaux du canal central à partir de signaux audio entrants ayant un ou plusieurs canaux.
  • On connaît par la demande de brevet WO9914983 un dispositif permettant de créer et d'utiliser une paire de haut-parleurs opposés d'un casque d'écoute, la sensation d'une source sonore étant éloignée de la zone située entre lesdits haut-parleurs. Le dispositif comprend :
    • une série d'entrées audio représentant des signaux audio projetés depuis une source sonore théorique située à distance de l'auditeur théorique;
    • une première matrice de mixage, connectée aux entrées audio et à une série d'entrées de retour, qui produit une combinaison prédéterminée desdites entrées audio constituant des signaux de sortie intermédiaires;
    • un système de filtre, qui filtre lesdits signaux de sortie intermédiaires et produit des signaux de sortie intermédiaires filtrés et la série d'entrées de retour, et qui comprend des filtres séparés pour filtrer la réponse directe et la réponse rapide et une approximation de la réponse réverbérée, et pour filtrer la réponse de retour de façon à produire les entrées de retour; et
    • une seconde matrice de mixage, qui combine les signaux de sortie intermédiaires filtrés afin de produire des sorties stéréophoniques de canal droit et de canal gauche.
  • Le brevet européen EP2119306 décrit appareil pour le traitement d'une source sonore audio pour créer des quatre dimensions du son spatialisé. Une source sonore virtuelle peut être déplacé le long d'un chemin dans un espace tridimensionnel sur une période de temps spécifiée pour obtenir la localisation du son à quatre dimensions.
  • Un filtre binaural pour un point spatial souhaité est appliqué à la forme d'onde audio pour produire une forme d'onde spatialisée que, lorsque la forme d'onde spatialisée est joué depuis une paire d'enceintes, le son semble provenir du point choisi spatial au lieu des haut-parleurs.
  • Un filtre binaural pour un point de l'espace est simulé par interpolation du plus proche voisin filtres binauraux choisis parmi une pluralité de filtres prédéfinis binauraux.
  • La forme d'onde audio peut être traitée numériquement en chevauchement des blocs de données à l'aide d'un court temps de transformation de Fourier.
  • Le son localisé peut être traité ultérieurement pour la simulation de décalage Doppler et de chambre.
  • La présente invention concerne un procédé de traitement d'un signal audio originel de N.x canaux, N étant supérieur à 1 et x étant supérieur ou égal à 0, comportant une étape traitement multicanal dudit signal audio d'entrée par une convolution multicanal avec une empreinte prédéfinie, ladite empreinte étant élaborée par la capture d'un son de référence par un ensemble d'enceintes disposé dans un espace de référence caractérisé en ce qu'il comporte une étape additionnelle de sélection d'au moins une empreinte parmi une pluralité d'empreintes préalablement élaborées dans des contextes sonores différents.
  • La demande de brevet WO2012172264 décrit un procédé de traitement d'un signal audio originel de N.x canaux, N étant supérieur à 1 et x étant supérieur ou égal à 0, comportant une étape traitement multicanal dudit signal audio d'entrée par une convolution multicanal avec une empreinte prédéfinie, ladite empreinte étant élaborée par la capture d'un son de référence par un ensemble d'enceintes disposé dans un espace de référence caractérisé en ce qu'il comporte une étape additionnelle de sélection d'au moins une empreinte parmi une pluralité d'empreintes préalablement élaborées dans des contextes sonores différents.
  • La demande de brevet WO9725834 propose un autre procédé et dispositif de traitement de signaux audio multicanaux, chaque canal correspondant à un haut-parleur disposé en un point particulier une pièce de façon à donner, via un casque audio, l'impression que de multiples de haut-parleurs 'fantômes' sont répartis dans la pièce. On sélectionne des fonctions HRTF de transfert par rapport à la tête (Head Related Transfer Functions) en prenant en considération la hauteur et l'azimut de chaque haut-parleur considéré par rapport à l'auditeur. Chaque canal fait l'objet d'un filtrage HRTF de sorte que, lorsque ces canaux sont combinés dans les canaux gauche et droit et restitués par un casque audio, l'auditeur a l'impression que le son provient effectivement de haut-parleurs fantômes répartis dans la pièce virtuelle. Des jeux de coefficients HRTF saisis en base de données à partir d'un grand nombre d'individus et l'utilisation pour l'auditeur concerné d'un jeu HRTF optimal lui fournit des impressions d'écoute semblables à celle qu'aurait un auditeur isolé s'il écoutait de multiples haut-parleurs répartis dans le volume d'un local. L'application d'une fonction HRTF à la sortie des canaux droit et gauche permet, dans le cas d'une écoute au casque, de donner l'impression d'une écoute sans casque.
  • Le document US 2006/045294 est considéré comme représentant l'état de la technique le plus pertinent et décrit un procédé de restitution sonore d'un signal numérique audio dans lequel l'on procède à une étape de suréchantillonnage consistant à produire à partir d'un signal échantillonné à une fréquence F un signal échantillonné à une fréquence NxF, où N correspond à un entier supérieur à 1, puis à appliquer un traitement de convolution sur un fichier numérique échantillonné à une fréquence NxF correspondant à l'acquisition de l'empreinte sonore d'un équaliseur ainsi qu'un fichier correspondant audit fichier audio suréchantillonné, les paquets numériques résultant faisant ensuite l'objet d'un traitement numérique de conversion à une fréquence d'échantillonnage F/M correspondant à la fréquence de travail de l'équipement d'écoute.
  • D'autant plus, il est référé au document US 2012/014527 , qui divulgue l'application d'une transformation ou convolution combinée en chaîne comprenant deux ou plus de transformations de signaux, les signaux pouvant être fournis par une base de données, qui contient des transformations développées par l'utilisateur lui-même, ou par un module d'extension, qui contient des opérations spatiales qui peuvent être appliquées sur le champs sonore.
    • Inconvénients de l'art antérieur
  • Les solutions de l'art antérieur restent limitées par les qualités intrinsèques du moyen de restitution (casque ou haut-parleurs) ainsi que de leur adéquation au traitement appliqué au signal audio.
  • Par ailleurs, certains traitements de l'art antérieur nécessitent des puissances de calcul importantes, peu compatibles avec les capacités des tablettes, téléphones ou lecteurs portatifs.
    • Solution apportée par l'invention
  • L'objet de la présente invention est d'améliorer la qualité perçue et notamment l'étendue de la spatialisation, y compris avec des moyens de reproduction de qualité moyenne, tels que des stations d'accueil de tablettes ou téléphones portables («docks»).
  • A cet effet, l'invention concerne selon son acception la plus générale un procédé de restitution sonore d'un signal numérique audio caractérisé en ce que l'on procède à une étape de suréchantillonnage consistant à produire à partir d'un signal échantillonné à une fréquence F un signal échantillonné à une fréquence NxF, où N correspond à un entier supérieur à 1, puis à appliquer un traitement de convolution sur un premier fichier numérique échantillonné à une fréquence NxF correspondant à l'acquisition de l'ambiance sonore d'un espace sonore de référence, un second fichier numérique échantillonné à une fréquence NxF correspondant à l'acquisition de l'empreinte sonore d'un équipement de restitution de référence, et troisième fichier numérique échantillonné à une fréquence NxF correspondant à l'acquisition de l'empreinte sonore d'un équaliseur ainsi qu'un quatrième fichier correspondant audit fichier audio suréchantillonné, les paquets numériques résultant faisant ensuite l'objet d'un traitement numérique de conversion à une fréquence d'échantillonnage F/M correspondant à la fréquence de travail de l'équipement d'écoute.
  • Le traitement est basé sur une opération de convolution mathématique, et utilise plusieurs échantillons audios préenregistrés de la réponse impulsionnelle de l'espace modélisé ainsi que d'un équaliseur et d'un équipement de restitution.
  • Selon une variante, le procédé comporte une étape supplémentaire de recalcule du fichier correspondant à ladite empreinte sonore de l'espace sonore de référence, pour modifier l'équilibre entre les voies spatiale de ladite empreinte sonore.
    • Description détaillée d'exemples de réalisation non limitatifs
  • L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant au dessin annexé correspondant à des exemples de réalisation non limitatifs où :
    • la figure 1 représente une vue schématique des traitements du signal selon l'invention.
  • Le procédé de traitement selon l'invention consiste à produire différentes empreintes acoustiques d'une source sonore, en vue de réaliser une convolution de ces différentes empreintes sonores.
  • La technologie des convolutions est une technique connue de captation par l'utilisateur, puis la reproduction du comportement acoustique d'un lieu ou d'un appareil. A titre d'exemple, les réverbérations à convolution permettent de proposer d'utiliser les acoustiques de nombreux lieux réels, salles de concert célèbres ou autres : ces acoustiques, préalablement échantillonnées, susceptibles d'être réutilisées à volonté au sein du programme.
  • Dans le cas du son à l'image, la première idée d'exploitation de cette possibilité a été la captation des acoustiques des décors de tournages dans le but d'obtenir des raccords acoustiques directs entre les sons directs et sons rajoutés en post-production (post-synchronisation, bruitages)
  • Le principe est alors de réaliser l'échantillonnage des acoustiques des décors dans lesquels les scènes du films ont été tournées, afin de pouvoir aisément appliquer cette acoustique aux éléments enregistrés a posteriori pour que ceux-ci s'intègrent parfaitement aux sons issus des prises directes.
  • Le capteur de Réponses Impulsionnelles pour obtenir la réponse impulsionnelle d'un matériel ou d'une salle constituant l'empreinte sonore est basée sur la "déconvolution". Elle utilise l'excitation du système par un signal connu (appelé ici f(t)). Ce signal est tel que si on lui applique une transformée (fonction de déconvolution), le résultat est la fonction de Dirac.
  • La fonction de déconvolution est choisie telle que, pour le signal d'excitation f(t) et une fonction h(t) quelconque : G f t = δ t
    Figure imgb0001
     G f t * h t = G h t * f t = G f t * h t
    Figure imgb0002
  • Grâce à cette fonction de déconvolution, on produit un signal de réponse impulsionnel d'un système à partir de la réponse de celui-ci à un signal d'excitation différent de l'impulsion de Dirac.
  • Les types de signaux utilisés pour la capture de réponses impulsionnelles ressemble, à l'écoute, à un bruit gaussien ou un « bruit blanc ». Les séquences d'excitation sont générées par un algorithme déterministe et sont périodiques (des périodes de l'ordre de quelques secondes ou dizaines de seconde pour notre application) et constituent un signal pseudo-aléatoire.
  • Ces séquences sont créées par des registres à décalage à rétroaction linéaire (linear feedback shift registers, LFSR). Cette structure de registres, dont l'ordre est déterminé par le nombre de registres, est telle que sur sa période elle produira l'ensemble des valeurs binaires possible pour son ordre (si structure d'ordre 4, il existe 2n valeurs possibles). Ces séquences sont connues par l'homme du métier sous le terme de « MLS, Maximum Length Sequence »: la séquence de nombre binaires la plus longue possible sans répéter deux fois la même valeur.
  • La popularité initiale de la MLS est issue de la facilité du procédé de déconvolution.
  • En effet, le signal MLS est tel que pour sa déconvolution, on peut utiliser une transformée appelée transformée d'Hadamard, qui simplifie les calculs et a l'avantage d'être calculable informatiquement en utilisant peu de ressources.
  • Une autre solution de signal d'excitation est basée sur la technique dite « sweep logarithmique », ou « sweep exponentiel », correspondant comme son nom l'indique à un sinus glissant dont la fréquence est liée au temps par une loi exponentielle. Cela implique que le glissement est plus rapide aux fréquences élevées qu'aux fréquences basses, et par conséquent son spectre est celui d'un bruit rose (moins d'énergie est dégagé dans les fréquences hautes puisque moins de temps y est consacré).
  • Il existe deux façons de déconvoluer les mesures ainsi effectuées. La première utilise le passage dans le domaine fréquentiel pour faire les calculs avant de revenir en temporel. La seconde consiste à convoluer non-périodiquement le signal enregistré avec le signal d'excitation retourné temporellement : h t = r t * s T − t
    Figure imgb0003
     avec T la durée du sweep
  • En procédant ainsi, deux avantages apparaissent :
    • Les distorsions non-linéaires du système sont totalement rejetées et ne perturbent pas la mesure de la réponse impulsionnelle linéaire du système
    • La méthode supporte bien les légères désynchronisation : on peut diffuser le sweep depuis un appareil et l'enregistrer avec un autre sans que ces deux machine soient synchronisées par une horloge.
  • Dans la présente invention, on procède à la capture de trois empreintes sonores ou réponses impulsionnelles, correspondant :
    • à une empreinte sonore d'un moyen d'écoute, par exemple d'un casque
    • à une empreinte sonore d'un équaliseur
    • à une empreinte sonore d'un espace sonore de référence.
  • Chacune de ces réponses impulsionnelles est capturée à partir d'un signal de référence à un échantillonnage élevé, supérieur à la fréquence d'échantillonnage nominale de l'équipement de restitution.
  • A titre d'exemple, l'empreinte de salle (3) est acquise à partir d'un bruit blanc produisant un fichier de 6 Moctets par enceinte, pendant une durée longue supérieure à 500 millisecondes, de préférence comprise entre une et deux secondes. Le fichier correspondant à la réponse impulsionnelle est ensuite comprimé sans perte (compression ZIP par exemple) et crypté.
  • L'empreinte du casque (1) (ou d'une série d'enceintes) est acquise de la même façon avec un signal blanc ou rose d'une durée d'environ 200 millisecondes, avantageusement entre 100 et 500 millisecondes.
  • L'empreinte de l'équaliseur (2) est acquise de la même façon avec un signal blanc ou rose d'une durée d'environ 200 millisecondes, avantageusement entre 100 et 500 millisecondes pour chacun des réglages de l'équaliseur.
  • Ces trois fichiers de réponse impulsionnelle (1 à 3) ainsi que le fichier numérique du signal audio (4) font l'objet d'un traitement de convolution (5) basé sur un traitement par transformée de fourier rapide FFT.
  • Pour réduire les temps de calcul, on procède à une étape (6) permettant de recalculer dynamiquement les empreintes gauches et droites en fonction des particularités de l'équipement de restitution et le cas échéant des particularités sensorielles de l'auditeur. Il dispose par exemple d'un moyen de réglage permettant de modifier la position spatiale virtuelle. Une modification de ce réglage commande le calcul d'un nouveau couple d'empreintes sonores à partir des empreintes initialement fournies, par morphose (« morphing ») :
    • on prend en compte une enceinte virtuelle centrale et deux empreintes pour l'enceinte droite et l'enceinte gauche
    • on recalcule les empreintes gauche / droite en temps réel pour déplacer la scène sonore
  • Cette fonction peut être pilotée par le capteur gyroscopique pour créer un déplacement dynamique de la scène sonore en fonction des mouvements de l'utilisateur
  • Elle permet de centrer la voix en temps réel par rapport à la tête.

Claims (2)

  1. Procédé de restitution sonore d'un signal numérique audio caractérisé en ce que l'on procède à une étape de suréchantillonnage consistant à produire à partir d'un signal échantillonné à une fréquence F un signal échantillonné à une fréquence NxF, où N correspond à un entier supérieur à 1, puis à appliquer un traitement de convolution sur un premier fichier numérique échantillonné à une fréquence NxF correspondant à l'acquisition de l'ambiance sonore d'un espace sonore de référence, un second fichier numérique échantillonné à une fréquence NxF correspondant à l'acquisition de l'empreinte sonore d'un équipement de restitution de référence, et troisième fichier numérique échantillonné à une fréquence NxF correspondant à l'acquisition de l'empreinte sonore d'un équaliseur ainsi qu'un quatrième fichier correspondant audit fichier audio suréchantillonné, les paquets numériques résultant faisant ensuite l'objet d'un traitement numérique de conversion à une fréquence d'échantillonnage F/M correspondant à la fréquence de travail de l'équipement d'écoute.
  2. Procédé de restitution sonore d'un signal numérique audio selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte une étape supplémentaire recalcul du fichier correspondant à ladite empreinte sonore de l'espace sonore de référence, pour modifier l'équilibre entre les voies spatiale de ladite empreinte sonore.
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