FI113147B - Menetelmä ja signaalinkäsittelylaite stereosignaalien muuntamiseksi kuulokekuuntelua varten - Google Patents

Description

113147

MENETELMÄ JA SIGNAALINKÄSITTELYLAITE STEREOSIGNAALIEN MUUNTAMISEKSI KUULOKEKUUNTELUA VARTEN

5 Keksintö kohdistuu oheisen patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaiseen menetelmään kaksikanavaisessa stereoformaatissa olevien signaalien muuntamiseksi kuulokkeiden avulla tapahtuvaan toistoon soveltuviksi. Lisäksi keksintö kohdistuu oheisen patenttivaatimuksen 7 johdanto-osan mukaiseen signaalinkäsittelylaitteeseen mainitun me-10 netelmän toteuttamiseksi.

Tunnettu kaksikanavainen stereoformaatti on jo usean vuosikymmenen ajan ollut yleinen musiikkiäänitteiden ja muiden audioäänitteiden sekä julkisten radiolähetysten tuottamismuoto. Kaksikanavainen stereo-15 formaatti koostuu kahdesta itsenäisestä raidasta eli kanavasta: vasemmasta (L) ja oikeasta kanavasta, jotka on tarkoitettu toistettaviksi kahden erillisen kaiuttimen avulla. Mainitut kanavat on miksattu ja/tai äänitetty ja/tai muuten valmistettu tarjoamaan kuuntelijalle haluttu tila-vaikutelma, kun kuuntelija on asettunut keskeisesti kahden kaiuttimen 20 eteen, jotka edullisesti sijoittuvat 60 asteen kulmaan kuuntelijaan nähden. Kun kaksikanavaista stereoäänitystä kuunnellaan edellä kuvatulla tavalla järjestetyistä vasemmasta ja oikeasta kaiuttimesta, kuuntelija t’ i saa alkuperäistä äänimaisemaa muistuttavan tilavaikutelman. Tässä tilavaikutelmassa kuuntelija voi erottaa eri äänilähteiden suunnan, ja [ * 25 hän pystyy myös aistimaan eri äänilähteiden etäisyyden. Toisin sa-'· : noen, kaksikanavaista stereoäänitystä kuunnellessa äänilähteet tuntu- vat sijaitsevan jossakin kuuntelijan etupuolella, ja sen alueen sisällä, ...·' joka sijoittuu olennaisesti vasemman ja oikean kaiuttimen väliin.

30 Tunnetaan myös muita audioäänitysformaatteja, joissa äänentoistoon » · ··; käytetään vain kahden kaiuttimen sijasta useampaa kuin kahta kai utinta. Esimerkiksi nelikanavaisessa stereojärjestelmässä kuuntelijan etupuolella on kaksi kaiutinta: yksi vasemmalla ja yksi oikealla, ja kuuntelijan takapuolella on kaksi kaiutinta, vastaavalla tavalla vasem-•v: 35 maila ja oikealla puolella. Tämä mahdollistaa yksityiskohtaisemman tilavaikutelman luomisen äänimaisemasta, jossa äänien voidaan kuulla tulevan ei ainoastaan joltakin kuuntelijan edessä sijaitsevalta alueelta vaan myös takaa tai suoraan kuuntelijan sivulta. Tällaisia monikanavai- 2 113147 siä äänentoistojärjestelmiä käytetään nykyisin yleisesti esimerkiksi elokuvateattereissa. Äänitteet tällaisia monikanavajärjestelmiä varten voidaan valmistaa siten, että jokaisella kanavalla on oma raitansa, tai kaksikanavaiseen stereoformaattiin nähden ylimääräiset kanavat voi-5 daan koodata normaalin kaksikanavaisen stereoäänitteen vasemman ja oikean kanavan signaaleihin. Jälkimmäisessä tapauksessa tarvitaan äänentoistoa varten erityinen dekooderi erottamaan esimerkiksi takana vasemmalla ja takana oikealla olevien kanavien signaalit.

10 Lisäksi tunnetaan joitakin erityisiä menetelmiä sellaisten äänitteiden valmistamiseksi, jotka on tarkoitettu erityisesti kuulokkeiden avulla tapahtuvaa kuuntelua varten. Näihin kuuluvat esimerkiksi binauraaliset äänitteet, jotka on valmistettu äänityssignaaleista, jotka vastaavat ihmisen tärykalvojen todellisessa kuuntelutilanteessa vastaanottamia 15 painesignaaleja. Tällaisia äänitteitä voidaan tuottaa käyttämällä keino-päätä, joka on varustettu kahdella ihmisen korvia vastaavalla mikrofonilla. Kun korkealaatuista binauraalista äänitettä kuunnellaan kuulokkeiden avulla, kokee kuuntelija äänitystilanteen alkuperäisen, yksityiskohtaisen kolmiulotteisen äänikuvan.

20 Tämä keksintö kohdistuu kuitenkin pääasiassa sellaisiin kaksikanavai-y. siin stereoäänitteisiin, -lähetyksiin tai vastaavanlaisiin audiomateriaa- | leihin, jotka on miksattu tai muulla tavalla valmistettu kahden kaiuttimen kautta tapahtuvaa kuuntelua varten, ja jossa mainitut kaiuttimet on tar-’ 25 koitettu sijoitettaviksi edellä kuvatulla tavalla kuuntelijaan nähden. Jäl- • jempänä käytetty lyhennetty termi “stereo” viittaa edellä mainitun kal-täiseen kaksikanavaiseen stereoformaattiin, mikäli toisin ei mainita. Tällaisessa stereoformaatissa olevan audiomateriaalin kahden kaiuttimen avulla tapahtuvaan kuunteluun viitataan jäljempänä termillä ”luon- 30 nollinen kuuntelu”.

* * • t ·

Viimeisen vuosikymmenen aikana kannettavat henkilökohtaiset stereolaitteet, kuten esim. kannettavat kasetti- ja CD-soittimet ovat tulleet yhä '·;· suositummiksi. Tämä kehitys on mm. voimakkaasti lisännyt kuulokkei- 35 den käyttöä musiikkiäänitteiden, radiolähetysten yms. kuuntelussa. ·:··; Kaupalliset musiikkiäänitteet ja muu audiomateriaali ovat kuitenkin lä hes poikkeuksetta kaksikanavaisessa stereoformaatissa, ja ovat näin ollen tarkoitettuja kuunneltaviksi kaiuttimien eikä kuulokkeiden avulla.

3 113147 Tästä huolimatta kannettaville stereolaitteille ja muille äänentoisto-järjestelmille on kuitenkin tyypillistä se, että niissä ei pyritä mitenkään kompensoimaan sitä seikkaa, että stereoäänitteitä ei ole tarkoitettu kuunneltaviksi kuulokkeiden vaan kaiuttimien avulla.

5

Kun stereoäänitettä soitetaan kaiuttimien kautta luonnollisessa kuuntelutilanteessa, kuuntelija pystyy kuulemaan vasemmanpuoleisesta kaiuttimesta lähtevän äänen sekä vasemmalla että oikealla korvallaan, ja vastaavasti oikeanpuoleisesta kaiuttimesta lähtevän äänen sekä oi-10 kealla että vasemmalla korvallaan. Tämä ehto on ensisijaisen tärkeä oikean tilavaikutelman sisältävän kuunteluvaikutelman aikaansaamiseksi. Toisin sanoen tämä ehto on tärkeä, jotta saadaan aikaan kuun-teluvaikutelma, jossa äänet tuntuvat lähtevän ulkopuolisesta tilasta tai ulkopuoliselta näyttämöltä. Kuunneltaessa stereoäänitettä kuulokkeilla, 15 vasen kanava kuuluu vain vasemmanpuoleisessa korvassa ja oikeanpuoleinen kanava vain oikeanpuoleisessa korvassa. Tästä johtuen kuunteluvaikutelmasta tulee luonnoton ja rasittava kuunnella, ja äänimaisema tai -näyttämö on kokonaan kuuntelijan pään sisällä: ääni ei ulkoistu aiotulla tavalla.

20

Tunnetun tekniikan mukaiset, kuulokkeiden avulla esitettävien kaksikanavaisten stereoäänitteiden äänen laadun parantamiseksi tarkoitetut ’ menetelmät ovat pääasiassa seuraavaa kahta tyyppiä.

[ ' 25 Ensimmäinen menetelmätyyppi perustuu luonnollisen kuuntelutilanteen • '· jäljittelyyn, missä äänentoisto normaalisti tapahtuisi kaiuttimien avulla.

Toisin sanoen kuulokkeiden avulla toistetut stereosignaalit käsitellään siten, että kuuntelijan korviin saadaan aikaan vaikutelma, jossa ääni tuntuu tulevan ’’virtuaalikaiutinparin” kautta, mikä puolestaan saa ai-30 kaan sen, että kuunneltava ääni muistuttaa alkuperäistä äänilähdettä.

» · Tähän kategoriaan kuuluvia menetelmiä kutsutaan jäljempänä nimellä ’’virtuaalikaiutinmenetelmät”.

* * »

• I

\··: Toinen menetelmätyyppi ei perustu lainkaan yritykseen luoda oikean- 35 lainen luonnollinen kuuntelutilanne tai luonnollinen äänimaisema, vaan ·:··; sellaisiin menetelmiin kuin kaiun lisääminen, tiettyjen taajuuksien te hostaminen tai pelkästään kanavaerotussignaalin (L miinus R) tehostaminen. Näiden menetelmien on empiirisesti todettu parantavan 4 113147 kuunteluvaikutelmaa jossakin määrin. Tähän kategoriaan kuuluvia menetelmiä kutsutaan jäljempänä ’’taajuuskorjaimiksi” tai ’’kehittyneiksi taajuuskorjaimiksi”.

5 Seuraavassa kuvaillaan tarkemmin virtuaalikaiutinmenetelmää sekä eri tyyppisiin taajuuskorjaimiin liittyviä menetelmiä.

Jos ääni lähetetään esimerkiksi kuuntelijan vasemmalla puolella olevasta kaiuttimesta, on mahdollista määrittää kuuntelijan vasempaan ja 10 oikeaan korvaan syntyvät äänenpaineet. Vertaamalla kaiuttimen syöttösignaalia kuuntelijan vasemmassa ja oikeassa korvassa havaittuihin äänenpainesignaaleihin on mahdollista mallintaa äänen kuuntelijan korviin välittävän akustisen polun käyttäytymistä. Kun tämä toimenpide suoritetaan erikseen sekä vasemmalle että oikealle kana-15 valle, on edelleen mahdollista toteuttaa sellaiset signaalisuodattimet, joita voidaan käyttää kaiuttimen syöttösignaalien käsittelyyn mainittujen akustisten polkujen käyttäytymisen mukaisesti. Kun alkuperäiset signaalit käsitellään tällaisia suodattimia käyttäen ja suodatetut signaalit toistetaan kuulokkeiden kautta, muodostuvat ideaalitilanteessa kuunte-20 lijan korviin äänenpaineet samalla tavalla kuin alkuperäisiä signaaleita kaiuttimien kautta kuunnellessa. Edellä kuvattu virtuaalikaiutin-menetelmä on täten ainakin teoreettisesti ajatellen tieteellisesti perus- • · · [ '.m teltu ja luotettava menetelmä luonnollisten kuuntelutilanteiden jäljitte- lemiseksi.

• · · · ; ; 25 • ”· Kukin akustinen polku koostuu kolmesta pääkomponentista: ääni- lähteiden (kuten kaiutinparin) säteilyominaisuuksista, akustisen ympä-ristön vaikutuksesta (joka saa aikaan varhaiset heijastukset lähellä olevista pinnoista sekä jälkikaiun), ja vastaanottimen (kuuntelija) sijain-30 nista äänikentässä. Kaiutinta ei yleensä mallinneta eksplisiittisesti, vaan oletetaan, että kaiuttimessa on tasainen magnitudivaste ja kaiutin on ympärisäteilevä. Akustisesta ympäristön aiheuttamien heijastumien * ♦ · avulla kuuntelija muodostaa vaikutelman ympäristöstä, ja mallintamalla varhaisia heijastuksia [US 5,371,799; US 5,502,747; US 5,809,149] ja 35 jälkikaikua [US 5,371,799; US 5,502,747; US 5,802,180; US 5,809,149; ·:··: US 5,812,674] on mahdollista antaa kuuntelijalle suljetun tilan vaiku telma. Tätä ei kuitenkaan pystytä toteuttamaan tunnetun tekniikan mu- 5 113147 kaisten menetelmien avulla huomattavasti muuttamatta yleistä äänenlaatua epäedullisella tavalla.

Vastaanottimen, ja erityisesti ihmisen pään ja korvalehden vaikutusta 5 saapuviin ääniaaltoihin on tutkittu tiedeyhteisössä intensiivisesti jo useita vuosikymmeniä. Akustista polkua, joka sisältää todenmukaisen mallin kuuntelijan päästä sekä mahdollisesti kuuntelijan vartalosta ja/tai korvalehdestä, kutsutaan yleensä päähän liittyväksi siirtofunktioksi (Head-related Transfer Function, H RTF). HRTF-funktioita mitataan 10 yleensä kaiuttomissa olosuhteissa ns. keinopäiden avulla, ja yleinen käytäntö on korjata mitattu raakadata siirtoketjun vasteella, joka siirto-ketju tyypillisesti koostuu vahvistimesta, kaiuttimesta, mikrofonista ja tiedonkeruulaitteista. Lähimpänä kaiutinta olevan korvan HRTF-funk-tiota kutsutaan ipsilateraaliseksi HRTF-funktioksi, kun taas kauempana 15 kaiuttimesta olevan korvan HRTF-funktiota kutsutaan kontralateraaliseksi HRTF-funktioksi.

Ihmisen kuulojärjestelmä yhdistää ja vertailee ipsilateraalisten ja kontralateraalisten HRTF-funktioiden suodattamia ääniä äänilähteen pai-20 kantamiseksi. Yleisesti hyväksytty tosiasia on, että kuulojärjestelmä käyttää eri mekanismeja äänilähteiden paikantamiseen matalilla ja korkeilla taajuuksilla. Taajuuksilla, jotka alittavat n. 1 kHz, akustinen *· · ' ! aallonpituus on suhteellisen pitkä verrattuna kuuntelijan pään kokoon, \ mikä synnyttää interauraalisen vaihe-eron äänilähteestä (kaiutin) * 25 kuuntelijan eri korviin saapuvien ääniaaltojen välille. Mainittu inter-• ’· auraalinen vaihe-ero voidaan muuntaa interauraaliseksi aikaeroksi (Interaural Time Difference, ITD), joka toisin sanoen on aikaviive äänen saapumiselle kuuntelijan lähimpänä ja kauimpana olevan korvan välillä. Kuuntelijaan nähden vaakatasossa sijaitsevien äänilähteiden yhtey-30 dessä suuri ITD-arvo tarkoittaa sitä, että lähde on jossakin kuuntelijan sivulla, ja pieni ITD-arvo sitä, että lähde on lähes suoraan kuuntelijan edessä tai takana.

* · * ♦ · »· ·

Taajuuksissa, jotka ylittävät n. 2 kHz, akustinen aallonpituus on kuun- :v: 35 telijan pään kokoon verrattuna pienempi, jolloin pää saa aikaan akusti-• · ·:··: sen varjon, joka aiheuttaa interauraalisen tasoeron (Interaural Level

Difference, ILD) äänilähteestä kuuntelijan eri korviin saapuvien ääniaaltojen välille. Toisin sanoen kuuntelijan lähimpänä ja kauimpana ole- 6 113147 vaan korvaan saapuvat äänenpaineet ovat eri suuruiset. Yli 5 kHz:n taajuuksilla akustinen aallonpituus on niin lyhyt, että korvalehti saa aikaan suuria vaihteluja interauraalisessa tasoerossa ILD sekä taajuuden että äänilähteen sijainnin funktiona.

5

Niinpä äänilähteitä paikannetaan matalilla taajuuksilla pääasiassa inter-auraalisen aikaeron ITD piirteiden avulla, kun taas korkeilla taajuuksilla äänilähteiden paikantaminen tapahtuu pääasiassa interauraalisen tasoeron ILD piirteiden avulla.

10

Tunnetun tekniikan mukaisiin, virtuaalikaiutinmenetelmää kuulokkeissa soveltaviin järjestelmiin pyritään sisällyttämään sekä matalataajuisia ITD-piirteitä että korkeataajuisia ILD-piirteitä ainakin siinä määrin, että ILD:n arvo ei ole vakio yli 3 kHz:n taajuuksissa. Tätä korkeataajuista 15 vaihtelua voidaan hyödyntää usealla tavalla [US 3,970,787; US 5,596,644; US 5,659,619; US 5,802,180; US 5,809,149; US 5,371,799; ja WO 97/25834], Eräässä järjestelmässä ILD:tä on jopa liioiteltu, jotta saataisiin aikaan uskottavampi tilavaikutelma [EP 0966 179 A2].

20 Käytännössä edellä mainittujen virtuaalikaiutinmenetelmien haitat keskittyvät akustisen polun tarkan mallin yksityiskohtien määrään ja vaike-uksiin suunnitella ja toteuttaa tarvittavat signaalisuodattimet oikealla ! .·. tavalla. Nykyisin tällaiset suodattimet voidaan parhaiten toteuttaa digi- * · · "\ taalisen signaalinkäsittelytekniikan (Digital Signal Processing, DSP) . .* 25 avulla. Tarvittavien digitaalisuodattimien dynaaminen alue on kuitenkin / melko laaja, millä on se sivuvaikutus, että suodattimet saavat aikaan • ei-toivottua toistetun äänen värittymistä. Tätä äänen värittymistä esiin- * * · tyy erityisesti korkeammilla taajuuksilla, ja se on erityisen huomattavaa tarkoissa HiFi-äänitteissä (engl. High Fidelity).

30 * · ’’Taajuuskorjaimien” tai ’’kehittyneiden taajuuskorjaimien” kategoriaan * ·« Λ kuuluvia menetelmiä ei voida pitää niin sanottuina tilavaikutelman pa- rantajina (engl. spatial enhancer) termin varsinaisessa merkityksessä, sillä niiden avulla ei varsinaisesti pystytä ulkoistamaan mitään ääni-35 maiseman osaa. Perusidea kaksikanavaisen stereoformaatin kanavien ·:··· erotussignaalin (kanava L miinus kanava R) vahvistamisessa pohjau tuu siihen havaintoon, että erotussignaali näyttää sisältävän enemmän tilainformaatiota kuin kanavien summasignaali (L plus R). Kuulokkeita 7 113147 käytettäessä kanavaerotussignaalin tason nostaminen saa aikaan sen, että oikealla ja vasemmalla olevat äänilähteet kuuluvat paremmin, kun taas keskustaa lähellä oleviin äänilähteisiin tällä ei ole olennaista vaikutusta. Tällöin ne äänikomponentit jotka sijoittuvat äänimaisemassa 5 tai -näyttämöllä äärivasemmalle ja äärioikealle vahvistuvat pysyen kuitenkin avaruudellisesti samoissa paikoissa. Jos tehoste päälle kytkettäessä nostaa yleistä äänitasoa muutamalla desibelillä, saadaan kuitenkin aikaan vaikutelma, joka kuulostaa parannukselta äänenlaadussa. Itse asiassa kuuntelija tulkitsee yleisen äänitason nousun 10 tavallisesti äänenlaadun parannuksena riippumatta siitä, millä menetelmällä äänitason nousu on saatu aikaan. Suurinta osaa nykyisin esim. kasettisoittimissa, CD-soittimissa tai PC-äänikorteissa sovellettavista ’’tilavaikutelma-” tai ’’laajennustoiminnoista” voidaan pitää eräänlaisina kanavaerotussignaalin tasoon vaikuttavina kehittyneinä taajuus-15 korjaimina [US 4,748,669].

Tunnetaan myös menetelmä, jossa yksinkertaisesti vahvistetaan matalia taajuuksia (engl. low-frequency boost), ja joka on erityisen tehokas kuulokkeiden yhteydessä käytettynä. Syynä tähän on se, että kuulok-20 keet eivät toista matalia taajuuksia yhtä tehokkaasti kuin kaiuttimet. Matalien taajuuksien vahvistuksen avulla äänitteen spektraalinen taajuusbalanssi säilyy toiston yhteydessä, mutta tilavaikutelmassa ei * · · ’ saavuteta parannusta.

> · ·

Mil [ ) 25 Tunnettua on myös se, että lisäämällä kaikua stereosignaaleihin voi- '· '· daan antaa kuuntelijalle vaikutelma, joka vastaa jossakin määrin sitä ·...·’ vaikutelmaa, jonka kuuntelija saa kuunnellessaan musiikkia huoneessa tai vastaavassa suljetussa tilassa. On myös hyvin tunnettua, että suoran äänen ja heijastuneen kaikuäänen välinen suhde vaikuttaa ihmisen 30 aistimukseen siitä, kuinka kaukana hän kokee äänilähteen olevan. Mitä I · • enemmän äänessä on kaikua, sitä kauempana äänilähde tuntuu ole-van. Korkealaatuiset HiFi-äänitteet sisältävät kuitenkin jo alkujaan oi- ;t,;‘ kean määrän kaikua, jolloin kaiun lisääminen huonontaa tulosta saa- '·;·** maila tavallisesti aikaan sellaisen vaikutelman, että äänite on nauhoi- :*·*: 35 tettukellarissa tai kylpyhuoneessa.

MM» * · Tämän keksinnön pääasiallisena tarkoituksena on esittää uusi ja yksinkertainen menetelmä kaksikanavaisessa stereoformaatissa olevien 8 113147 signaalien muuntamiseksi kuulokkeiden avulla tapahtuvaan toiston soveltuviksi. Keksintö perustuu virtuaalikaiutintyyppiseen ratkaisuun, ja sen avulla voidaan näin ollen ulkoistaa ääniä siten, että kuuntelija kokee äänimaiseman tai -näyttämön sijaitsevan pään ulkopuolella 5 luonnollista kuuntelutilannetta muistuttavalla tavalla. Tähän edellä mainittuun, keksinnön mukaisella menetelmällä aikaansaatuun vaikutelmaan viitataan jäljempänä termillä ’’stereolevitys”.

Tämän tarkoituksen saavuttamiseksi keksinnön mukaiselle menetel-10 mälle on pääasiassa tunnusomaista se, mitä on esitetty itsenäisen patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Lisäksi nyt esillä olevan keksinnön tarkoituksena on saada aikaan signaalinkäsittelylaite jossa sovelletaan keksinnön mukaista menetelmää. 15 Keksinnön mukaiselle signaalinkäsittelylaitteelle on pääasiassa tunnusomaista se, mitä on esitetty itsenäisen patenttivaatimuksen 7 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön muita edullisia suoritusmuotoja on esitetty epäitsenäisissä 20 patenttivaatimuksissa.

Nyt esillä olevan keksinnön perusidea on se, että menetelmä ei perustu | I yksityiskohtaiseen interauraalisen tasoeron ILD-piirteiden, erityisesti korkeataajuisten ILD-piirteiden, mallintamiseen, vaan menetelmässä I * * * e* 25 jätetään pois tarpeettomia yksityiskohtia äänenlaadun säilyttämiseksi. •V'·' Tämä toteutetaan antamalla korkeataajuiselle ILD-erolle oleellisesti I · * vakioarvo (sama molemmille kanaville L ja R) tietyn taajuuden fHiGH ylä-’.!/· puolella, ja matalataajuiselle ILD-erolle lisäksi toinen, oleellisesti vakio- arvo tietyn taajuuden fLOw alapuolella.

30 » · .···. Lisäksi ipsilateraalisten ja kontralateraalisten HRTF-funktioiden magnitudivasteet asetetaan keksinnössä siten, että niiden summa py- syy oleellisesti vakiona taajuuden funktiona. Jäljempänä tähän toimen- piteeseen viitataan termillä ’’balansointi”, ja se eroaa tunnetun tekniikan 35 mukaisista menetelmistä, mukaan lukien julkaisuissa WO 98/20707 ja US 5,371,799 kuvatut menetelmät, joissa manipuloidaan ainoastaan kontralateraalista HRTF-funktiota ja ipsilateraarisella HRTF-funktiolla säilytetään oleellisesti tasainen magnitudivaste koko taajuusalueella.

113147

Keksinnön mukainen menetelmä ja laite ovat huomattavasti edullisemmat tunnetun tekniikan mukaisiin menetelmiin ja laitteisiin verrattuina ei-toivotun ja epämiellyttävän toistetun äänen värittymisen välttä-5 miseksi/minimoimiseksi korkealaatuisen HiFi-audiomateriaalin yhtey dessä. Lisäksi keksinnön mukainen menetelmä vaatii vain vähän laskentatehoa, ja se soveltuu näin ollen erittäin hyvin käytettäväksi erityyppisten kannettavien laitteiden yhteydessä. Keksinnön mukainen stereolevitysvaikutelma voidaan toteuttaa tehokkaasti käyttämällä 10 kiintolukuaritmetiikkaa soveltavaa digitaalista signaalinkäsittelyä erityi sen suodatinrakenteen avulla.

Keksinnön huomattava etu on se, että se ei huononna nykyistä digitaalisten äänilähteiden, kuten CD-soittimien (CompactDisk), MiniDisk-soit-15 timien, MP3-soittimien ja digitaalisten radiolähetysten erinomaista äänenlaatua. Keksinnön mukainen käsittelytapa on myös riittävän yksinkertainen suoritettavaksi reaaliaikaisesti kannettavassa laitteessa, koska se voidaan toteuttaa vähäisellä laskentateholla kiintolukuaritmetiikkaa käyttämällä.

20

Kuuloketoisto on keksinnön mukaisen menetelmän yhteydessä käytet- tynä kaiuttimien avulla tapahtuvaan toistoon verrattuna edullinen siinä : suhteessa, että se ei ole riippuvainen akustisen ympäristön ominai- * · · suuksista tai kuuntelijan paikasta tässä ympäristössä. Esimerkiksi au-: 25 ton ohjaamon akustiikka eroaa huomattavasti olohuoneen akustiikasta, ja kuuntelijan asema kaiuttimiin nähden on myös erilainen, eikä välttä-mättä ideaalinen näissä kahdessa tilanteessa. Kuulokkeista kuunnel-’··' tuna ääni kuulostaa kuitenkin aina samalta akustisesta ympäristöstä riippumatta, ja lisäksi, mikäli kuulokkeiden tyyppi ja ominaisuudet tie-30 detään etukäteen, on mahdollista muodostaa järjestelmä joka mahdol-...: listaa hyvän äänentoiston joka tilanteessa. Näitä mahdollisuuksia tukee lisäksi nykyaikaisten korkealaatuisten digitaalisten HiFi-tason äänitys-ja toistolaitteiden suorituskyky.

: 35 Keksinnön edullisia suoritusmuotoja ja niistä saatavia etuja selvitetään tarkemmin seuraavassa kuvauksessa sekä oheisissa patenttivaatimuksissa.

10 113147

Seuraavassa keksintöä selvitetään tarkemmin viitaten samalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 kuvaa kahden kaiuttimen kautta toistetun stereoäänitteen 5 luonnollista kuuntelua, kuva 2 kuvaa nyt tämän keksinnön perusajatusta eli balansoidun stereolevitysverkon käyttöä.

10 kuva 3 kuvaa yksityiskohtaisemmin balansoidun stereolevitysverkon rakennetta, kuva 4a esittää lohkokaaviona balansoidun stereolevitysverkon edullisessa suoritusmuodossa käytettyä digitaalista 15 suodatinrakennetta, kuva 4b esittää kuvassa 4a esitetyn digitaalisen suodatinrakenteen magnitudivastetta, 20 kuva 5 havainnollistaa kuvassa 4a esitetyn digitaalisen suodatinrakenteen käyttöä kuuntelijan vasemmalla puolella sijaitse-vaa virtuaalikaiutinta jäljittelevien signaalinkäsittelyelement- : tien toteuttamisessa, ♦ * · • · .·. : 25 kuva 6 esittää lohkokaaviona balansoitua stereolevitysverkkoa .·.·* jossa sovelletaan kuvissa 4a ja 5 esitettyä digitaalista suodatinrakennetta erityistapauksessa (Gd = 2, Gx= 0), ja * * • · · kuva 7 kuvaa vaihtoehtoisen esi- ja/tai jälkikäsittelyn käyttöä :· i 30 stereolevitysverkon yhteydessä.

I · *

Kuva 1 havainnollistaa luonnollista kuuntelutilannetta, jossa kuuntelija !···. on asettunut keskeisesti vasemman- ja oikeanpuoleisen kaiuttimen L, '·' R eteen. Vasemmanpuoleisesta kaiuttimesta L tuleva ääni kuullaan i 35 kummallakin korvalla, kuten myös oikeanpuoleisesta kaiuttimesta R tuleva ääni. Näin ollen kahdesta kaiuttimesta kulkee korviin neljä akustista polkua. Kuvassa 1 suorat polut (direct path) on merkitty alaindeksillä d (Ld ja Rd) ja ristiinkuulumispolut (cross-talk path) alaindeksillä x 11 113147 (Lx ja Rx). Kuitenkin, kun kaiuttimet L, R sijoittuvat kuuntelijaan nähden täysin symmetrisesti, suora polku Ld vasemmasta kaiuttimesta L vasempaan korvaan on edullisesti samanpituinen ja käsittää samat akustiset ominaisuudet kuin suora polku Rd oikeanpuoleisesta kaiuttimesta 5 R oikeanpuoleiseen korvaan, ja vastaavalla tavalla ristiinkuulumispolku Lx vasemmasta kaiuttimesta L oikeaan korvaan on edullisesti yhtä pitkä ja akustisilta ominaisuuksiltaan samanlainen kuin ristiinkuulumispolku Rx oikeasta kaiuttimesta R vasempaan korvaan. Tällöin suoraan (ipsi-lateraalinen) polkuun ja ristiinkuulumispolkuun (kontralateraalinen) voi-10 daan yhdistää mainitussa järjestyksessä taajuusriippuvat vahvistukset Gd ja Gx ja taajuusriippuvat viiveet t ja t+lTD. Viiveiden välinen ero suorassa ja ristiinkuulumispolussa vastaa interauraalista aikaeroa ITD, ja suoran polun ja ristiinkuulumispolun vahvistusten välinen ero vastaa interauraalista tasoeroa ILD.

15

Kuva 2 esittää kaavamaisesti tämän keksinnön perusajatuksen. Vasemman- ja oikeanpuoleiset stereosignaalit Lin, Rin käsitellään käyttämällä balansoitua stereolevitysverkkoa BSWN (Balanced Stereo Widening Network), jossa sovelletaan virtuaalikaiuttimen tyyppistä me-20 netelmää, jossa yksinkertaistetut päähän liittyvät äänensiirtofunktiot H RTF on tarkkaan valittu, ja jotka mainitut funktiot voidaan esittää suo-. ran vahvistuksen Gd, ristiinkuulumisvahvistuksen Gx ja interauraalisen : aikaeron ITD avulla. Edellä mainitun käsittelyn avulla tuotetaan signaa- I t « lit Lou, ja Rout, joita voidaan käyttää kuulokekuuntelussa luomaan luon-: 25 nollista kuuntelutilannetta muistuttava tilavaikutelma, jossa ääni ul-.···’ koistuu kuuntelijan pään ulkopuolelle.

"·*·* Kuva 3 havainnollistaa yksityiskohtaisemmin balansoidun stereolevitys- verkon BSWN rakennetta. Vasemman- ja oikeanpuoleiset kanava-30 signaalit Lin, Rjn on jaettu vastaavasti suoriin polkuihin ja ristiinkuulumis-polkuihin Ld, Lx ja Rd, Rx. Tämän tuloksena syntyy neljä polkua, jotka ·;·.·. suodatetaan erikseen käyttämällä ensimmäisiä ja toisia suodatin- !···*. välineitä 1 ja 2 vastaavasti vasemmanpuoleiselle suoralle polulle Ld ja vasemmanpuoleiselle ristiinkuulumispolulle Lx, ja kolmansia ja neljän-i 35 siä suodatinvälineitä 3 ja 4 vastaavasti oikeanpuoleiselle suoralle po-lulle Rd ja oikeanpuoleiselle ristiinkuulumispolulle Rx. Mainittuihin suodatinvälineisiin liittyvät vastaavasti suorien polkujen ja ristiin-kuulumispolkujen vahvistukset Gd ja Gx. Molemmat ristiinkuulumispolut 12 113147

Lx ja Rx käsittävät myös välineet 5 ja 6 viiveen lisäämiseksi inter-auraalisen aikaeron ITD lisäämiseksi. Kummankin mainitun välineen 5 ja 6 vahvistuksen arvo on yksi. Vasemmanpuoleinen suora polku Ld on lisäksi summattu yhteen oikeanpuoleisen ristiinkuulumispolun Rx 5 kanssa yhdistämisvälineellä 7 vasemmanpuoleisen kanavan lähtö-signaalin Lout muodostamiseksi, ja oikeanpuoleinen suora polku Rd on vastaavasti summattu yhteen yhdistämisvälineellä 8 vasemmanpuoleisen ristiinkuulumispolun Lx kanssa oikeanpuoleisen kanavan lähtö-signaalin Rout muodostamiseksi. Lisäksi verkossa BSWN on skaalaus-10 välineet 9, 10 ja 11, 12 jokaisen polun Ld, Lx ja Rd, Rx skaalaamiseksi erikseen.

Jotta kuulokekuuntelussa saataisiin aikaan luonnollinen kuuntelu-vaikutelma, suodatinvälineiden 1,2,3,4 ominaisuudet (Gd, Gx) ja 15 viiveenlisäysvälineiden 5,6 ominaisuudet (ITD) on valittava oikein. Keksinnön mukaan tämä valinta perustuu luonnolliseen kuunteluun ja yksinkertaistettujen HRTF-funktioiden joukon käyttäytymiseen tällaisessa tilanteessa.

20 Gd:n ja Gx:n arvot voidaan johtaa äänen etenemisen fysiikkaa tutkimalla. Kun jokin objekti, esimerkiksi kuuntelijan pää, on saapuvassa äänikentässä, esimerkiksi sellaisessa, jonka kaksi kaiutinta tuottaa : luonnollisessa kuuntelutilanteessa, objekti ei aiheuta merkittävää häi- • · · riötä äänikenttään, jos ääniaaltojen aallonpituus on riittävän suuri ob-: 25 jektin kokoon nähden. Kun otetaan huomioon ihmispään koko, tarkoit-taa tämä sitä, että vahvistusten Gd ja Gx voidaan alle 1 kHz:n taajuuk-silla olettaa olevan vakioita taajuuden funktiona sekä oleellisesti yhtä '··’ suuria. Korkeammilla taajuuksilla, joilla ääniaaltojen aallonpituus on pieni objektin kokoon verrattuna, objektin äänilähdettä kohden olevalle :·’·: 30 reunalle syntyy ääniaaltojen paineen nousua, ja paine vaimenee objek-...: tin toisella puolella olevalla reunalla. Jälkimmäistä vaikutusta voidaan kutsua varjostumiseksi. Jos objektin muoto on suhteellisen yksin-,···. kertainen niin, että objekti ei merkittävällä tavalla fokusoi äänikenttää, ja jos objekti on lisäksi oleellisen jäykkä, paine kaksinkertaistuu objek-: 35 tin lähimpänä olevalla reunalla korkeilla taajuuksilla, ja ääniaallot eivät : etene objektin toisella puolella olevalla reunalla sijaitsevalle varjosta neelle alueelle.

13 113147

Edellä mainittujen seikkojen perusteella ja keksinnön mukaisesti, vahvistuksille Gd ja Gx voidaan antaa ykköstä vastaava arvo tietyn ala-taajuusrajan flow alapuolelle sijoittuvissa taajuuksissa ja vahvistukselle Gd voidaan antaa olennaisesti vakioarvo joka on huomattavasti suu-5 rempi kuin yksi, ja vahvistukselle Gx oleellisesti vakioarvo joka on huomattavasti pienempi kuin yksi tietyn ylätaajuusrajan fhjgh yläpuolelle sijoittuvilla taajuuksilla.

Keksinnön edullisessa suoritusmuodossa Gd ja Gx on asetettu arvoon 10 yksi f|OW-rajaa pienemmillä taajuuksilla, ja Gd arvoon 2 ja Gx arvoon 0 fhigh‘raiaa suuremmilla taajuuksilla. Edellä mainittu vahvistusten Gd ja Gx käyttäytyminen taajuuden funktiona on esitetty kaavamaisesti kuvassa 3 suodatinvälineitä 1,2 ja 3,4 vastaavissa lohkoissa olevissa kuvaajissa. Tällöin, jos kumpikaan vahvistuksista Gx tai Gd ei muutu liian 15 nopeasti f|0W-rajan tai fhigh-rajan välisellä siirtymäkaistalla, summa-signaalin Ld + Lx kokonaisvahvistus ja vastaavasti summasignaalin Rd + Rx kokonaisvahvistus on aina hyvin lähellä arvoa 2. Sen varmistamiseksi, että BSWN-verkko ei vaikuta kokonaisvahvistukseen eli ei vahvista signaaleja, skaalataan suorat Ld, Rd ja ristiinkuulumispolut Lx, Rx 20 jokainen kertoimella 0,5 ennen suodatusta. Tämä voidaan toteuttaa skaalaamalla signaalit skaalausvälineiden 9, 10, 11, 12 avulla. Edellä :··’.* mainitun vaikutuksen selventämiseksi voidaan tarkkailla syöttöön Lin : yhdistetyn signaalin käyttäytymistä. f|0W -rajaa pienemmillä taajuuksilla :·; mainittu signaali kulkee molempien suodatinvälineiden 1 (Gd = 1) ja 2 ·. : 25 (Gx = 1) kautta, ja edellä mainitun arvolla 0,5 tapahtuvan skaalauksen .··.* johdosta suodatinvälineiden 1 ja 2 lähtöjen summa ei ole vahvistettu alkuperäiseen syöttösignaaliin Lin nähden. Korkeammilla taajuuksilla signaali kulkee vain suodatinvälineen 1 (Gd = 2) kautta ja edelleen arvolla 0,5 tapahtuvan skaalauksen johdosta, suodatinvälineiden 1 ja 2 ’·: 30 lähtöjen summaa ei ole vahvistettu alkuperäiseen syöttösignaaliin Lin ...: nähden. Näin ollen, kun siniaaltosignaalia käytetään syöttösignaalina

Lin f|0W-rajaa pienemmillä taajuuksilla, se jakautuu tasan lähtöjen L^t ja !··. R0ut kesken, ja lähtöjen Lout ja Rout amplitudien summa on yhtä suuri '* alkuperäisen syöttösignaalin Lin amplitudin kanssa. Korkeammilla, rajaa i 35 fhigh suuremmilla taajuuksilla signaali kulkee vain vasemmanpuoleisen kanavan suoran polun Ld kautta, ja lähdön Lout amplitudi on yhtä suuri kuin alkuperäisen syötön Lin amplitudi. Edellä kuvattu skaalaus vaikuttaa vastaavalla tavalla BSVVN-verkon oikeanpuoleiseen kanavaan, ja 14 113147 tämän vuoksi keksinnön mukaisesta stereolevitysverkosta BSWN käytetään nimitystä balansoitu verkko. Toisin sanoen, magnitudivasteiden summa vastaavissa ipsilateraalisissa ja kontralateraalisissa HRTF-funktioissa säilyy vakiona taajuuden funktiona, eikä signaalien netto-5 vahvistusta tapahdu.

Taajuusrajojen f|0W ja fhigh arvot suodatinvälineissä 1,2,3,4 tapahtuvaa suodatusta varten eivät ole kovin tarkat. Rajan f)ow arvo voi olla esim. 1 kHz ja rajan fhigh 2 kHz. Muita näitä edellä mainittuja arvoja lähellä 10 olevia arvoja voidaan myös käyttää, mutta raja f|0W on kuitenkin aina arvoltaan hieman rajaa fhigh pienempi, eikä siirtymäkaistaa mainittujen taajuusrajojen välissä tulisi muodostaa liian leveäksi.

Keksinnön edullisessa suoritusmuodossa toisten suodatinvälineiden 2 15 (Lx) ja neljänsien suodatinvälineiden 4 (Rx) alipäästöominaisuudet muodostetaan voimakkaammiksi kuin luonnollisessa kuuntelutilanteessa esiintyvä vaikutus, jota pyritään jäljittelemään, eli taajuusalueella rajan f|0W yläpuolella vastaava vahvistus Gx on pakotettu nollaan. Tämä estää korkeammilla taajuuksilla tapahtuvan monotonisen 20 komponentin eli sen komponentin, joka on yhteinen sekä syötölle Lin että Rin, ei-toivotun kampasuodattumisen (engl. comb-filtering), mikä on tärkeää, jotta voidaan välttää toistetun äänen värittyminen korkea- : luokkaisissa HiFi-äänitteissä.

• · · : 25 Tarkasti ottaen suoran polun ja ristiinkuulumispolun välinen interauraa-.···.* linen aikaero ITD on myös taajuusriippuvainen, mutta sen voidaan olettaa olevan vakio menetelmän toteutuksen yksinkertaistamiseksi. ’···’ Suoraan kuuntelijan edessä oleville äänilähteille ITD-eron arvo on nolla, ja suurin arvo todellisia äänilähteitä kuunnellessa on n. 0,7 ms, ’·: 30 mikä vastaa tilannetta, jossa äänilähde on suoraan kuuntelijan sivulla.

ITD-eron arvo vaikuttaa näin ollen kuuntelijan havaitsemaan äänen le-v. viämisen määrään. Haluttua levitysvaikutelmaa varten interauraalinen !···’. aikaero ITD voidaan valita siten, että sillä on sopiva arvo, joka on suu- ·* rempi kuin nolla, mutta pienempi kuin 1 ms. Esimerkiksi 0,8 ms:n arvo ; V 35 on hyvä erittäin suuren stereolevityksen aikaansaamiseksi, mutta jos ITD-eroksi valittu arvo on suurempi kuin 1 ms, tuloksesta tulee luonnoton ja siten epämukava kuunnella. Keksinnön sovellukset eivät kuitenkaan ole rajoittuneet vain sellaisiin tapauksiin, joissa ITD-erolle on 15 113147 annettu taajuudesta riippumaton vakioarvo. On myös mahdollista muuttaa esimerkiksi päästösuodattimessa (engl. allpass filter) ITD-eron arvoa taajuuden funktiona.

5 Kuvassa 4a on esitetty lohkokaaviona yksinkertainen digitaalinen suodatinrakenne 41, jota voidaan käyttää balansoidun BSWN-stereo-levitysverkon tehokkaaseen ja edulliseen toteuttamiseen käytännössä. Suodatinrakenne 41 hyödyntää sitä tunnettua seikkaa, että digitaalisen vaihelineaarisen alipäästösuodattimen 42 lähtöä voidaan modifioida 10 siten, että saatu tulos vastaa toisen vaihelineaarisen digitaalisuodatti-men lähtöä, joka myös päästää matalia taajuuksia suoraan lävitseen, eli vahvistuksen arvo on tällöin yksi, mutta mainitussa toisessa suodat-timessa on erilainen magnitudivaste korkeammilla taajuuksilla. Näin ollen magnitudivaste joka on kuvassa 4b esitettyä tyyppiä voidaan 15 muodostaa digitaalisen vaihelineaarisen alipäästösuodattimen 42 lähdöstä vähäisellä lisäkäsittelyllä. Lisäkäsittely vaatii erillisen digitaalisen viivelinjan 43, jonka pituus näytteinä ilmaistuna vastaa alipäästösuodattimen 42 ryhmäviivettä. Digitaalinen signaalivirta Sin suunnataan samalla tavalla ja samaan aikaan viivelinjan 43 ja alipäästösuodattimen 20 42 syöttöihin. Kerroinvälinettä 44 käyttämällä viivelinjan 43 lähtö ker rotaan arvolla G, joka G:n arvo on haluttu suodatinrakenteen 41 korkeataajuuksinen magnitudivaste. Alipäästösuodattimen 42 lähtö ker-; rotaan kerroinvälineen 45 avulla arvolla 1-G. Kahden rinnakkaisen, kerroinvälineeseen 45 yhdistetystä alipäästösuodattimesta 42 ja : 25 kerroinvälineeseen 44 yhdistetystä viivelinjasta 43 muodostuvan haa-• roja lähdöt on liitetty toisiinsa käyttämällä summausvälineitä 46. Käy- tännössä vaihelineaarisen alipäästösuodattimen 42 ryhmäviive on luokkaa 0,3 ms, joka vastaa 13 näytettä 44,1 kHz.n näytteenottotaajuudella.

·'·: 30

Kuvassa 5 on kaavallisesti havainnollistettu kuinka kuvassa 4a esitet-v. tyä digitaalista suodatinrakennetta 41 voidaan käyttää laskennallisen !···. säästön aikaansaamiseksi suuntaamalla vasemman kanavan digitaali- ]·[ nen signaalivirta Lin samanaikaisesti ja rinnakkain yhteen digitaaliseen : V· 35 vaihelineaariseen alipäästösuodattimeen 52 ja digitaaliseen viivelinjaan 53. Tällä tavalla on mahdollista toteuttaa kaksi suodatinta, toinen suoralle polulle (ensimmäinen suodatinväline 1 kuvassa 3) ja toinen ristiin-kuulumispolulle (toinen suodatinväline 2 kuvassa 3) niin, että mainitun 16 113147 digitaalisen aiipäästösuodattimen 52 ja digitaalisen viivelinjan 53 lisäksi tarvitaan vain kerroinvälineet 54, 55, 56, 57 ja summausvälineet 58, 59. Tällöin kuvassa 5 on esitetty kuuntelijan vasemmalla puolella olevaa virtuaalikaiutinta L jäljittelevät signaalinkäsittelylaitteet, jotka suorittavat 5 signaalipolkujen Ld ja Lx muodostamisen. Kuva 5 vastaa oleellisesti kuvassa 3 esitettyä balansoidun stereolevitysverkon BSWN ylempää puoliskoa. Alan ammattilaiselle on itsestään selvää, että kuuntelijan oikealla puolella olevan virtuaalikaiuttimen R jäljittelemiseen tarvittavat signaalinkäsittelylaitteet voidaan toteuttaa vastaavalla tavalla.

10

Kuvassa 6 on esitetty lohkokaaviona balansoitu stereolevitysverkko BSWN, joka on toteutettu käyttämällä edellä kuvissa 4a ja 5 esitettyä digitaalista suodatin rakennetta 41, ja joka vastaa lisäksi erityistapausta, jossa Gd:n arvo on 2 ja Gx:n nolla. Lisäksi kuvassa 5 esitetyistä va-15 semman kanavan vahvistuksista Gd (välineet 54), 1-Gd (välineet 55), Gx (välineet 56) 1-GX (välineet 57) jokainen on kuvassa 6 skaalattu kertoimella 0,5 sekä vasemmalla että oikealla kanavalla lähtösignaalien Lout, Rout kokonaistasojen balansoimiseksi alkuperäisten syöttösignaa-leiden Lin, Rin tasoihin nähden. Tämä aiheuttaa tässä erityistapauk-20 sessa sekä keksinnön edullisessa suoritusmuodossa balansoidun stereolevitysverkon BSWN supistumisen kuvassa 6 esitetyksi pelkiste-tyksi rakenteeksi, jossa neljä suodatinvälinettä 1, 2, 3, 4 voidaan käy-tännössä toteuttaa käyttämällä vain kahta konvoluutiota. Mainitut kon-voluutiot tapahtuvat vastaavissa lineaarisissa alipäästösuodattimissa . : 25 65 ja 66. Kuvassa 6 esitetty pelkistetty verkkorakenne on numeerisesti ··’ erittäin robusti, ja näin ollen se soveltuu hyvin käytettäväksi kiintoluku- aritmetiikassa.

Keksinnön mukaista balansoitua stereolevitysverkkoa BSWN voidaan 30 käyttää itsenäisenä signaalinkäsittelymenetelmänä, mutta käytännössä on todennäköistä, että sitä tullaan käyttämään jonkin tyyppisen esi- ja jälkikäsittelyn yhteydessä. Kuva 7 esittää kaavamaisesti joidenkin mah-!···’. dollisten esi- ja jälkikäsittelymenetelmien käyttöä, jotka mainitut mene- _"·* telmät ovat alalla sinänsä tunnettua tekniikkaa, mutta joita voidaan : 35 käyttää yhdessä balansoidun stereolevitysverkon BSWN kanssa kuuntelukokemuksen laadun parantamiseksi.

113147

Kuva 7 esittää dekorrelaation käyttöä signaalien esikäsittelyssä ennen kuin signaalit siirtyvät balansoituun stereolevitysverkkoon BSWN. Lähdesignaalien Ls ja Rs dekorrelaatio takaa sen, että ne signaalit, jotka on syötetty balansoituun stereolevitysverkkoon BSWN eroavat 5 aina toisistaan jossakin määrin, vaikka digitaalisen lähteen signaalit Ls ja Rs olisivatkin identtiset. Dekorrelaatio vaikuttaa siten, että sekä vasemman- että oikeanpuoleiselle kanavalle yhteinen eli monotoninen äänikomponentti ei kuullosta paikallistuvan yksittäiseen pisteeseen, vaan levittyy hieman siten, että se tuntuu tulevan kooltaan rajalliselta 10 alueelta äänimaisemassa. Tämä estää äänimaiseman tai -näyttämön ’’ruuhkautumisen” lähellä keskustaa. Lisäksi dekorrelaatio vähentää merkittävästi suoran polun ja ristiinkuulumispolun välisen interferenssin aiheuttamaa monotonisen komponentin signaalin vaimentumista rajojen flow ja f high välisellä siirtokaistalla. Dekorrelaatio voidaan toteuttaa 15 käyttämällä kahta komplementaarista kampasuodatinta, kuten kuvassa 7 on esitetty. Kampasuodattimet, joiden molempien viive on luokkaa 15 ms, ovat sopivia tähän tarkoitukseen. Kertoimien b0 ja bN arvoiksi voidaan asettaa esimerkiksi 1,0 ja 0,4. Kahden kanavan kertoimen bN erilaiset etumerkit (kuvassa 7 +bN vasemmanpuoleisessa kanavassa ja -20 bN oikeanpuoleisessa kanavassa) varmistavat sen, että kahden siirto-funktion magnitudien summa on vakio taajuudesta riippumatta. Näin .·*·]: ollen kampadekorrelaatio on balansoitu balansoidun stereolevitys- verkon BSWN tapaa vastaavalla tavalla.

• : 25 Kuvassa 7 on lisäksi kaavallisesti havainnollistettu taajuuskorjauksen käyttöä, esimerkiksi matalien taajuuksien vahvistamista, kuulokkeiden ei-ideaalisen taajuusvasteen kompensoimiseksi. Sopivimmin taajuus-korjaus, jota käytetään spektraalisen taajuusbalanssin palauttamiseksi toistettaessa äänitteitä kuulokkeiden avulla, toteutetaan jälkikäsittelyllä, 30 jolloin se ei vaikuta balansoidun stereolevitysverkon BSWN erin-...: omaisiin dynaamisiin ominaisuuksiin.

!···’. Alan ammattilaiselle on itsestään selvää, että nyt esillä oleva keksintö '·’ ei ole rajoittunut yksinomaan edellä esitettyihin suoritusmuotoihin, vaan i V 35 sitä voidaan muunnella oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

Keksinnön mukainen menetelmä voidaan toteuttaa myös analogisen elektroniikan avulla, mutta alan ammattilaiselle on itsestään selvää, 18 113147 että keksinnön edulliset suoritusmuodot perustuvat digitaalisiin signaalinkäsittelytekniikoihin. Balansoidun stereolevitysverkon BSWN digitaaliset signaalikäsittelyrakenteet, esimerkiksi ristiinkuulumispolun vaihelineaarinen alipäästösuodatus, voidaan myös toteuttaa monella 5 muulla tavalla. Erilaisia tekniikoita tätä tarkoitusta varten on esitetty runsaasti alan kirjallisuudessa.

Keksinnön mukainen menetelmä on tarkoitettu sellaisen audiomateri-aalin muuntamiseksi kuulokekuuntelua varten, jossa signaalit ovat ta-10 vallisessa kaksikanavaisessa stereoformaatissa. Tämä koskee kaikenlaista audiomateriaalia, esimerkiksi puhetta, musiikkia tai ääni-efektejä jotka on nauhoitettu ja/tai miksattu tai joita on muuten käsitelty kahden erillisen audiokanavan muodostamiseksi, jotka mainitut kanavat voivat lisäksi sisältää monotonisia komponentteja, tai jotka kanavat 15 on voitu muodostaa yhdestä monotonisesta kanavalähteestä esimerkiksi dekorrelaatiomenetelmien avulla ja/tai lisäämällä kaikua. Tämä mahdollistaa keksinnön mukaisen menetelmän käytön tilavaikutelman parantamiseksi myös eri tyyppisiä monotonisia audiomateriaaleja kuunneltaessa.

20

Media, jolta prosessoitava stereosignaali tuotetaan, voi olla mm. ;·]: CompactDisc™, MiniDisc™, MP3 tai muunlainen digitaalinen media- väline, kuten julkinen TV-, radio- tai muu lähetys, tietokone ja tieto-:··: liikennelaite, kuten multimediapuhelin. Stereosignaaleina voidaan ·. : 25 käyttää myös analogisia signaaleita, jotka AD-muunnetaan ennen : · · ] BSVVN-verkossa tapahtuvaa käsittelyä.

Keksinnön mukainen signaalinkäsittelylaite voidaan sisällyttää erityyppisiin kannettaviin laitteisiin, kuten kannettaviin soittimiin tai ; 30 viestimiin, mutta myös ei-kannettaviin laitteisiin kuten kotistereo- järjestelmiin tai PC-tietokoneisiin.

• · »»»* ·

Claims (16)

19 113147

1. Menetelmä kaksikanavaisessa stereoformaatissa olevien vasemman (L) ja oikean kanavan (R) syöttösignaalien (Lin> Rin) 5 muuntamiseksi vasemman ja oikean kanavan lähtösignaaleiksi (Lout, Rout), jossa menetelmässä — vasemman suoran polun (Ld) ja vasemman ristiinkuulumispolun (Lx) signaalit muodostetaan vasemmasta syöttösignaalista (Lin), ja 10 vastaavasti — oikeanpuoleisen suoran polun (Rd) ja oikeanpuoleisen ristiinkuulumispolun (Rx) signaalit muodostetaan oikeanpuoleisesta syöttösignaalista (Rin), ja — vasemmanpuoleinen lähtösignaali (Lout) muodostetaan yhdistä- 15 mällä mainitun vasemmanpuoleisen suoran polun (Ld) ja mainitun oikeanpuoleisen ristiinkuulumispolun (Rx) signaalit, ja vastaavasti — oikeanpuoleinen lähtösignaali (Rout) muodostetaan yhdistämällä mainitun oikeanpuoleisen suoran polun (Rd) ja mainitun vasemmanpuoleisen ristiinkuulumispolun (Lx) signaalit. jotka mainitut vasemman- ja oikeanpuoleisen kanavan lähtösignaalit . ·[: (Lout, Rout) soveltuvat näin ollen kuulokekuunteluun, tunnettu siitä, että • · > I · — kukin suoran polun signaali (Ld, Rd) muodostetaan ensimmäisen . : 25 taajuusriippuvan vahvistuksen (Gd) omaavalla suodatuksella (1,3) ./ — kukin ristiinkuulumispolun signaali (Lx, Rx) muodostetaan toisen taajuusriippuvan vahvistuksen (Gx) omaavalla suodatuksella (2,4) ja lisäämällä interauraalinen aikaero (ITD) (5,6), — ensimmäisen taajuusrajan (f|0W) alapuolella mainituille ensimmäi- .'·· 30 selle ja toiselle taajuusriippuvalle vahvistukselle (Gd , Gx) anne- ...: taan yhteinen oleellisesti vakio vertailuarvo, — toisen taajuusrajan (fhigh) yläpuolella mainitulle ensimmäiselle !··. taajuusriippuvalle vahvistukselle (Gd) annetaan oleellisesti vakio- arvo, joka on merkittävästi suurempi kuin mainittu vertailuarvo, ja : 35 mainitulle toiselle taajuusriippuvalle vahvistukselle (Gx) annetaan oleellisesti vakioarvo, joka on merkittävästi pienempi kuin mainittu vertailuarvo, missä tilanteessa 20 113147 — mainittu toinen taajuusraja (fhigh) on suurempi kuin mainittu ensimmäinen taajuusraja (f|OW). ja — mainitulle interauraaliselle aikaerolle (ITD) annetaan taajuudesta riippumaton vakioarvo, tai vaihtoehtoisesti taajuusriippuva arvo. 5

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että — mainitun ensimmäisen taajuusrajan (f|OW) alapuolella mainituille sekä ensimmäiselle että toiselle taajuusriippuvalle vahvistukselle (Gd, Gx) annetaan arvo 1, ja 10. mainitun toisen taajuusrajan (fhigh) yläpuolella mainitulle ensimmäi selle taajuusriippuvalle vahvistukselle (Gd) annetaan arvo 2 ja mainitulle toiselle taajuusriippuvalle vahvistukselle (Gx) arvo 0.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 15 että molemmat mainitut suoran polun signaalit (Ld, Rd) skaalataan ensimmäisellä skaalauskertoimella (Sd) ja molemmat mainitut ristiinkuulu-mispolun signaalit (Lx, Rx) skaalataan toisella skaalauskertoimella (Sx) lähtösignaalien (Lout, Rout) summa-amplitudien saattamiseksi oleellisesti vastaamaan syöttösignaalien (Lin, Rin) summa-amplitudeja. 20

4. Patenttivaatimusten 2 ja 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainituille ensimmäiselle ja toiselle skaalauskertoimelle (Sd, Sx) ; molemmille annetaan arvo 0,5. > I I ’ · * ‘ « .·. : 25

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1—4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitulle ensimmäiselle taajuusrajalle (f|OW) anne-!! taan arvo, joka on noin 1 kHz ja mainitulle toiselle taajuusrajalle (fhigh) annetaan arvo, joka on noin 2 kHz. '*: 30

6. Jonkin edellisen patenttivaatimusten 1—5 mukainen menetelmä, ' tunnettu siitä, että interauraaliselle aikaerolle (ITD) annetaan alle 1 ms:n arvo/arvot. » ♦ • · » »

7. Signaalinkäsittelylaite (BSWN) kaksikanavaisessa stereoformaa-: 35 tissa olevien vasemman (L) ja oikean kanavan (R) syöttösignaalien (Lin, : Rin) muuntamiseksi kuulokekuunteluun soveltuviksi vasemman ja oi kean kanavan lähtösignaaleiksi (Lout, Rout), tunnettu siitä, että signaalinkäsittelylaite (BSWN) käsittää ainakin 113147 — ensimmäisellä taajuusriippuvalla vahvistuksella (Gd) varustetun ensimmäisen suodatinvälineen (1) vasemmanpuoleisen suoran polun signaalin (Ld) muodostamiseksi mainitusta vasemman- 5 puoleisesta syöttösignaalista (Lin), — toisella taajuusriippuvalla vahvistuksella (Gx) varustetun toisen suodatinvälineen (2), joka on kytketty sarjaan interauraalisen aikaeron (ITD) lisäävän ensimmäisen viiveenlisäysvälineeen (5) kanssa vasemmanpuoleisen ristiinkuulumispolun signaalin (Lx) 10 muodostamiseksi mainitusta vasemmanpuoleisesta syöttösignaa lista (Lin), — ensimmäisellä taajuusriippuvalla vahvistuksella (Gd) varustetun kolmannen suodatinvälineen (3) oikeanpuoleisen suoran polun signaalin (Rd) muodostamiseksi mainitusta oikeanpuoleisesta 15 syöttösignaalista (Rin), — toisella taajuusriippuvalla vahvistuksella (Gx) varustetun neljännen suodatinvälineen (4), joka on kytketty sarjaan interauraaliseen aikaeron (ITD) lisäävän toisen viiveenlisäysvälineen (6) kanssa oikeanpuoleisen ristiinkuulumispolun signaalin (Rx) muodostami- 20 seksi mainitusta oikeanpuoleisesta syöttösignaalista (Rin), — ensimmäisen yhdistämisvälineen (7) vasemmanpuoleisen lähtö- X: signaalin (Lout) muodostamiseksi yhdistämällä mainitun vasemmanpuoleisen suoran polun (Ld) ja mainitun oikean- • * · puoleisen ristiinkuulumispolun (Rx) signaalit, ja vastaavasti : 25 — toisen yhdistämisvälineen (8) oikeanpuoleisen lähtösignaalin (Lout) ./ muodostamiseksi yhdistämällä mainitun oikeanpuoleisen suoran polun (Rd) ja mainitun vasemmanpuoleisen ristiinkuulumispolun (Lx) signaalit, ja että — ensimmäisen taajuusrajan (f|0W) alapuolella mainituilla ensimmäi- 30 setiä ja toisella taajuusriippuvalla vahvistuksella (Gd, Gx) on yhtei- nen oleellisesti vakio vertailuarvo, — toisen taajuusrajan (fhigh) yläpuolella mainitulla ensimmäisellä /··’. taajuusriippuvaisella vahvistuksella (Gd) on oleellisesti vakioarvo, < « joka on merkittävästi suurempi kuin mainittu vertailuarvo, ja mai-: 35 nitulla toisella taajuusriippuvaisella vahvistuksella (Gx) on oleelli- "**i sesti vakioarvo, joka on merkittävästi pienempi kuin mainittu vertailuarvo, missä tilanteessa 22 113147 — mainittu toinen taajuusraja (fhigh) on suurempi kuin mainittu ensimmäinen taajuusraja (f|0W), ja — mainitulla interauraaliselle aikaerolla (ITD) on taajuudesta riippumaton vakioarvo, tai vaihtoehtoisesti taajuusriippuvainen 5 arvo.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen signaalinkäsittelylaite (BSWN), tunnettu siitä, että — mainitun ensimmäisen taajuusrajan (f|OW) alapuolella mainituilla ensimmäisellä ja toisella taajuusriippuvaisella vahvistuksella (Gd,

9. Patenttivaatimuksen 7 tai 8 mukainen signaalinkäsittelylaite (BSWN), tunnettu siitä, että jokainen suora polku (Ld, Rd) käsittää ensimmäisellä skaalauskertoimella (Sd) varustetut ensimmäiset skaalaus-välineet (9, 11) ja jokainen ristiinkuulumispolku (Lx, Rx) käsittää toisella skaalauskertoimella (Sx) varustetut toiset skaalausvälineet (10,12) 20 jokaisen polun skaalaamiseksi, jotta lähtösignaalien (Lout, Rout) summa-amplitudi vastaisi oleellisesti syöttösignaalien (Ljn, R,n) summa-amplitu-dia.

10. Patenttivaatimusten 8 ja 9 mukainen signaalinkäsittelylaite ·. : 25 (BSWN), tunnettu siitä, että mainittujen ensimmäisten ja toisten skaa- :lauskertoimien (Sd, Sx) arvo on 0,5. τ · · «

10 Gx) on molemmilla arvo yksi, ja — mainitun toisen taajuusrajan (fhjgh) yläpuolella mainitulla ensimmäisellä taajuusriippuvaisella vahvistuksella (Gd) on arvo 2 ja mainitulla toisella taajuusriippuvaisella vahvistuksella (Gx) on arvo 0.

11. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 7—10 mukainen signaalinkäsittelylaite (BSWN), tunnettu siitä, että mainitun ensimmäisen **: 30 taajuusrajan (f|0W) arvo on noin 1 kHz ja mainitun toisen taajuusrajan ...: (fhigh) arvo on noin 2 kHz. j -:.

12. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 7—11 mukainen signaalin- käsittelylaite, tunnettu siitä, että interauraalisen aikaeron (ITD) arvo : 35 on/arvot ovat alle 1 ms. • ·

13. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 7—12 mukainen signaalinkäsittelylaite (BSWN), tunnettu siitä, että signaalinkäsittelylaite 23 113147 (BSWN) on digitaalinen signaaliprosessori ja/tai digitaalinen signaalin-käsittelyverkko.

14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen signaalinkäsittelylaite (BSWN), 5 tunnettu siitä, että ensimmäinen (1) ja toinen (2) suodatinväline ja vastaavasti kolmas (3) ja neljäs (4) suodatinväline on muodostettu käyttämällä erityistä digitaalista suodatinrakennetta (41), jossa suodatinrakenteessa vaihelineaarisen alipäästösuodattimen (42; 52) lähtö on yhdistetty rinnakkaisen digitaalisen viivelinjan (43; 53) lähtöön, 10 jonka viivelinjan viive vastaa mainitun alipäästösuodattimen (42; 53) ryhmäviivettä.

15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen signaalinkäsittelylaite (BSWN), tunnettu siitä, ensimmäinen (1), toinen (2), kolmas (3) ja neljäs (4) 15 suodatinväline on toteutettu käyttämällä pelkistettyä verkkorakennetta (kuva 6), joka perustuu kahden konvoluution suorittamiseen.

16. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 13—15 mukainen signaalinkäsittelylaite (BSWN), tunnettu siitä, että syöttösignaalit (Lin, Rin) esi- 20 käsitellään dekorrelaatiota suorittavaa menetelmää käyttäen. • » t # *» t 4 · * « t · ' I t > · ► t * » i · 4 4 • < * I 1 « • · • » i 4 ‘ 4 » · I · · i 4 « • *•*1 • · 113147 24