FR3132974A1 - Procede de traitement d’un signal sonore numerique - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne le domaine du traitement numérique pour restituer l’impression auditive d’un « son vinyle ». Le disque microsillon vinyle est né en 1948 ; l’information sonore était restituée par le déplacement d’une aiguille transmettant les déviations du sillon à un transducteur électromagnétique ou piézoélectrique qui transforme ces vibrations en signal électrique. Lors de la fabrication de la matrice du disque, les fréquences aiguës sont renforcées et les graves sont atténuées selon une courbe RIAA. Cela permet d'avoir une dimension de gravure plus régulière et évite aux aigus de se perdre dans le bruit de fond et aux graves d'envoyer le burin dans la spire voisine La lecture s'effectue avec une correction selon la RIAA courbe inverse. Figure 1

Description

PROCEDE DE TRAITEMENT D’UN SIGNAL SONORE NUMERIQUE Domaine de l’invention
La présente invention concerne le domaine du traitement numérique pour restituer l’impression auditive d’un « son vinyle » à partir d’une restitution sur un équipement audio numérique.
Le disque microsillon vinyle est né en 1948 ; l’information sonore était restituée par le déplacement d’une aiguille transmettant les déviations du sillon à un transducteur électromagnétique ou piézoélectrique qui transforme ces vibrations en signal électrique. Lors de la fabrication de la matrice du disque, les fréquences aiguës sont renforcées et les graves sont atténuées selon une courbe RIAA. Cela permet d'avoir une dimension de gravure plus régulière et évite aux aigus de se perdre dans le bruit de fond et aux graves d'envoyer le burin dans la spire voisine La lecture s'effectue avec une correction selon la RIAA courbe inverse.
Les imperfections résultant de cette lecture « mécanique » (usure, souffle, bruits de surface, fluctuations de la vitesse, craquements, …) ont conduit dans les années 2000 à privilégier les enregistrements numériques sur des supports physiques (CD, DVD-audio) ou dématérialisés (radio numérique, DAB, « streaming »).
Récemment, on observe un retour d’intérêt pour les disques vinyles, pas seulement par nostalgie, mais en raison d’une perception d’écoute plus musicale. Cette différence de perception s’explique par les spécificités de l’enregistrement des disques vinyles, qui en l’absence d’échantillonnage et en raison des contraintes « physique » imposées par la formation des sillons, et se traduisant notamment par des paramètres typiques (courbe RIAA), qui apportent une « coloration » particulière d’un signal plus facile à écouter, dans lequel plus de détails sont amenés à des seuils audibles et par un son perçu comme plus musical, plus chaleureux et plus "pêchu".
Afin de pouvoir concilier les avantages d’un signal numérique, a priori inaltérable, et la particularité du « son vinyle », pour utiliser ce vocable désignant une perception un peu subliminale et difficile à caractériser techniquement, on a proposé dans l’art antérieur d’appliquer des filtres pour modifier la courbe spectrale du signal sonore et simuler le « son vinyle » à partir d’un signal numérique.
 État de la technique
On connait dans l’état de la technique plusieurs brevets de la société DOLBY (nom commercial) décrivant des systèmes de filtres acoustiques permettant de modifier un signal audio pour introduire des effets sonores et des corrections spectrales. Les brevets US9825598B2 ou US10466957B2 ou US10834493B2 décrivent différentes variantes de systèmes de filtre acoustique actif destinés à appliquer des fonctions de traitement audio comprenant l'ajout d'écho ou de réverbération au son ambiant et /ou la détection et l'annulation d'un écho dans le son ambiant, un traitement de réduction de bruit. Ces brevets mentionnent aussi que la fonction de traitement audio peut inclure des effets "d’émulation vinyle" consistant à ajouter des sons de rayures et des pops.
On connaît aussi l’article « Bénéficier du plaisir du son du vinyle … à partir de sources numériques » publié sur le sitehttp://www.carbon13.fr/vsound.htmlfaisant état de traitement visant à restituer un son vinyle à partir d’une source numérique, principalement par augmentation du niveau des graves fréquences (ex : +6 dB pour Fr inférieures à 150 Hz) et une « correction dynamique "maison", qui apporte une couleur sonore plus "crunchy", et permet de gagner 3 dB de marge ».
On connaît aussi des applications de type « plugins » permettant de simuler la poussière et les rayures d’un disque vinyle, par exemple « iZotope Vinyl » (nom commercial).
Inconvénients de l’art antérieur
Les solutions de l’art antérieur aboutissent à un son qui est plus proche d’une caricature du son vinyle, ajoutant aux défauts du son numérique, les défauts certes caractéristiques mais néanmoins préjudiciables, des disques vinyles. Les auditeurs peu avertis retrouveront bien sûr l’ambiance particulière des disques microsillons.
Les puristes, quant à eux, ne retrouveront avec les solutions de l’art antérieur que partiellement les spécificités acoustiques propres au son vinyle.
Solution apportée par l’invention
Afin de remédier à ces inconvénients, la présente invention concerne selon son acception la plus générale un procédé de traitement d’un couple de signaux stéréophoniques caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes :
  • Une étape initiale de lecture sur une platine d’un disque microsillon vinyle physique, d’échantillonnage du couple de signaux stéréophonique et d’enregistrement lesdits signaux numérique stéréophoniques constituant les signaux stéréophoniques de référence, puis un traitement comportant :
a) Une étape itérative de modification consistant à appliquer un changement de tonalité pour augmenter la hauteur de son pour lesdits signaux stéréophoniques initialement de référence pour la première modification, puis au couple de signaux obtenus lors de l’itération précédente,
b) une étape additionnelle consistant à procéder à la sommation desdits signaux numériques stéréophoniques résultant de la dernière itération et lesdits signaux numérique stéréophoniques de référence pour produire un couple de signaux stéréophoniques numériques corrigés.
De préférence, le nombre d’itération est compris entre 3 et 8.
Avantageusement, le procédé comporte une étape additionnelle de réduction de l’image stéréophonique dudit couple de signaux stéréophoniques numériques corrigés.
Selon une variante, ladite étape additionnelle de réduction de l’image stéréophonique consiste à additionner à chaque canal desdits signaux stéréophoniques numériques corrigés un signal monophonique central résultant du traitement des deux canaux desdits signaux stéréophoniques numériques corrigés.
Avantageusement, ledit traitement desdits signaux stéréophoniques numériques corrigés consiste à additionner au signal de chacun des canaux le signal opposé de l’autre canal et d’additionner les deux signaux résultant pour fournir un signal monophonique central.
Selon un mode de réalisation préféré ladite étape initiale de lecture d’un disque vinyle est répété avec une pluralité de platines, et ledit couple de signaux stéréophoniques de référence correspond à la sélection du couple de signaux correspondant à l’une desdites platines en fonction d’un critère de sélection fonction de caractéristiques spécifiques auxdites platines.
Selon une autre variante, le procédé comporte une étape additionnelle consistant à appliquer un posttraitement dudit couple de signaux stéréophoniques numériques corrigés par un filtre à réponse impulsionnel, par une réponse impulsionnelle correspondant à une capture d’un signal impulsionnel à partir d’un ensemble acoustique et électronique de lecture d’un disque vinyle.
Selon une autre variante, le procédé comporte une étape additionnelle consistant à générer une empreinte d’un système d’écoute de référence [celle sur la platine de référence] en stéréo et en binaurale à une distance comprise entre 20 et 300 cm et à appliquer un filtre permettant d’assurer une compatibilité maximale aux profils HRTF.
Selon un mode de mise en œuvre particulier, le procédé comporte un traitement par un filtre de diaphonie présentant un angle supérieur à 3 degrés et inférieur à 320 degrés.
Avantageusement, le procédé comporte une étape additionnelle consistant à appliquer un traitement d’égalisation du support d’écoute afin de restituer un signal identique à l’original.
Selon une autre variante, le procédé comporte une étape additionnelle consistant à appliquer un traitement spécifique aux fréquences comprises entre 150hz et 300hz par un filtrage impulsionnel avec des réponses impulsionnelles binaurales comprenant une modification de délais de 25%, par application à chaque signal corrigé d’un filtre passe-bas et d’addition pondérée dudit signal corrigé et du signal traité par filtrage impulsionnel.
Avantageusement, ledit traitement comporte une modification d’une valeur comprise entre 10 et 20% de la composante « gauche » du canal « droite » la réponse impulsionnelle ainsi que de la composante « droite » du canal « gauche» la réponse impulsionnelle.
Selon une autre variante, ledit procédé comporte une étape additionnelle consistant à appliquer un traitement spécifique aux fréquences comprises entre 12000hz et 22000hz avec un traitement spécifique aux harmoniques comprises entre 2 et 7 sans modification de l’harmonique 1, par application à chaque signal corrigé d’un filtre passe-haut et d’addition pondérée dudit signal corrigé et du signal traité.
Selon un mode de réalisation particulier, le procédé comporte une étape additionnelle consistant à appliquer un traitement des fréquences inférieures à 150hz en mono via une réduction des pistes stéréo avec application d’un filtre acoustique.
Selon une autre variante, le procédé comporte une étape additionnelle consistant à appliquer un filtre de correction acoustique 3D multibandes définit par la distance de captation du système de référence et du volume des harmoniques.
Selon une autre variante, il comporte une étape additionnelle consistant à appliquer un filtre de correction acoustique 3D appliqué à la fondamentale.
Avantageusement, le procédé comporte une étape additionnelle de modification de l’image stéréophonique appliquée à l’étape b) et à la fondamentale des signaux corrigés sur le signal 3D.
Description détaillée d’un exemple non limitatif de réalisation de l’invention.
D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement, se référant aux dessins annexés sur lesquels :
  • La représente une représentation graphique d’un algorithme mis en œuvre du procédé objet de l’invention.
Principes généraux
Le but de l’invention est de post-traiter un fichier audio numérique pour permettre une écoute au casque, avec un équipement « moderne », préservant l’impression de l’écoute d’un disque microsillon, caractérisé par la signature caractéristique de leurs défauts :
  • Image stéréophonique limitée par l’extension physique maximale des sillons
  • Déformation : réglage de la quantité de déformation et la forme de déformation du disque, de l'absence de déformation aux bords totalement fondus et déformés.
  • Poussière : simulation de la quantité de poussière qui s'est déposée sur la surface du disque.
  • Année : Modèles de lecteurs de disques de différentes décennies en utilisant des réponses de filtre.
  • Usure : simulation de l'effet d'un disque qui a été joué trop souvent, du tout nouveau à quelques milliers de tours.
  • Bruit mécanique : ajout du grondement de la platine et le bruit du moteur.
  • Spin Down : simulation du son de l'arrêt lent de la lecture d'un enregistrement, en modulant à la fois la vitesse et la fréquence de lecture.
L’objectif est d’obtenir au casque une écoute conforme à un mastering vinyle sur un système de référence en gardant tous les avantages du support, ainsi que la restitution de l’espace des deux enceintes (gauches et droites) et de l’auditeur, indispensable à une restitution à l’identique d’un système existant sur chaine hifi.
Traitements numériques
Le signal sonore numérique fait l’objet d’un ensemble de traitements décrits ci-après et illustrés par la .
La première étape (1) consiste à procéder à une lecture d’un disque vinyle (30) sur une platine tourne-disque (40) et à échantillonner ce couple de signaux stéréophonique pour enregistrer un fichier numérique de référence (35) prenant en compte toutes les caractéristiques audios de la lecture d’un disque vinyle sur une platine tourne-disque. Ces fichiers de référence (35) sont enregistrés dans une mémoire, lors d’une étape initiale du procédé.
Écoute d’un fichier numérique
Lors de l’écoute d’un fichier numérique (45), on procède à une série de traitement du signal stéréo numérique. On commence par créer une harmonique de la fréquence fondamentale de ce signal. Pour créer une harmonique artificielle, on duplique le signal (étape 2) et on procède sur la composante dupliquée à un glissement de fréquence dans un rapport x2 pour créer une harmonique 1 (étape 3). Ainsi, les fréquences de 100 Hz sont transformées en fréquences de 200 Hz, sans pour autant que la durée de la séquence musicale ne change. Ce traitement peut être réalisé par des applications de type « voicechanger » (nom commercial).
On procède à plusieurs itérations de cette étape de création d’harmoniques, puis on procède à une addition du signal de référence (35) avec le signal résultant de la dernière itération (étape 4).
Le nombre d’itération est déterminé de manière empirique, en fonction de l’évolution des signaux d’une itération par rapport aux signaux de l’itération précédente. Si la variation est imperceptible, on arrête le traitement. Typiquement, le nombre optimum d’itération est compris entre 3 et 8, et généralement cinq itérations conduisent à un bon résultant.
Ce premier traitement du signal numérique (45) intègre les caractéristiques propres aux disques vinyles par cette étape de combinaison entre le signal numérique (45) et le signal de référence (35) enregistré lors de l’étape initiale.
On procède ensuite à une combinaison d’un ou de plusieurs traitements additionnels :
  • Étape (5) : modification de l’image stéréophonique résultant de l’étape (4) et à la fondamentale des signaux corrigés sur le signal stéréophonique via un traitement dynamique défini par le contenu de la source audio
  • Étape (6) : Génération de l’empreinte d’un système Hifi de référence en stéréo et en binaurale à une distance comprise entre 20 et 300 cm.
Cette étape vise à produire un signal audio binaural à partir d’une méthode de captation du son adaptée à la morphologie de la tête humaine. Elle consiste à enregistrer à partir d’une tête artificielle (36) un signal de référence reproduit par des haut-parleurs disposés à une distance comprise entre 20 et 300 centimètres pour enregistrer une réponse impulsionnelle (37). Cette réponse impulsionnelle (37) sera ensuite exploitée pour une restitution binaurale au casque.
  • Étape (7) : Cette étape consiste à ajouter un filtre assurant une compatibilité maximale aux fonctions de transferts relatives à différents profils de tête HRTF (head-related transfer function)
  • Étape (8) ; Utilisation d’un filtre de diaphonie avec un angle supérieur à 3 degrés et inférieur à 320 degrés
  • Étape (9) : Égalisation du support d’écoute afin de restituer un signal identique à l’original
  • Étape (10) : Traitement spécifiques aux fréquences comprises entre 150hz et 300hz avec des réponses impulsionnelles binaurales comprenant une modification de délais de 25% ainsi qu’une modification du signal gauche de la réponse impulsionnelle droite ainsi que le signal droit de la réponse impulsionnelle gauche d’une valeur comprise entre 10 et 20%.
  • Étape (11) : Traitement spécifique aux fréquences comprises entre 12000hz et 22000hz avec un traitement spécifique aux harmoniques comprises entre 2 et 7 sans modification de l’harmonique 1
  • Étape (12) : Traitement des fréquences inférieures à 150hz en mono via une réduction des pistes stéréo avec application d’un filtre acoustique.
  • Étape (13) : Filtre de correction acoustique 3D multibandes définit par la distance de captation du système de référence et du volume des harmoniques
  • Étape (14) : filtre de correction acoustique 3D appliqué à la fondamentale
  • Étape (15) : modification de l’image stéréophonique appliquée à l’étape b) et à la fondamentale des signaux corrigés sur le signal 3D
  • Étape (16) : Utilisation des signaux de références afin de générer le bruit caractéristique du vinyle
  • Étape (17) : Traitement du signal issu de l’étape (16) avec un jeu de réponses impulsionnelles spacialisées spécifiques.
L’objectif est d’obtenir au casque (20) une écoute conforme à un mastering vinyle sur un système de référence en gardant tous les avantages du support, ainsi que la restitution de l’espace des deux enceintes (gauches et droites) et de l’auditeur, indispensable à une restitution à l’identique d’un système existant sur chaine hifi.

Claims (17)

  1. Procédé de traitement d’un couple de signaux stéréophoniques caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes :
    Une étape initiale de lecture sur une platine (40) d’un disque microsillon vinyle (30) physique, d’échantillonnage du couple de signaux stéréophonique et d’enregistrement, lesdits signaux numérique stéréophoniques constituant les signaux stéréophoniques de référence, puis un traitement comportant :
    1. Une étape itérative de modification consistant à appliquer un changement de tonalité pour augmenter la hauteur de son pour lesdits signaux stéréophoniques initialement de référence pour la première modification, puis au couple de signaux obtenus lors de l’itération précédente,
    2. une étape additionnelle consistant à procéder à la sommation desdits signaux numériques stéréophoniques résultant de la dernière itération et lesdits signaux numérique stéréophoniques de référence pour produire un couple de signaux stéréophoniques numériques corrigés.
  2. Procédé de traitement d’un signal sonore numérique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le nombre d’itération est compris entre 3 et 8.
  3. Procédé de traitement d’un signal sonore numérique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il comporte une étape additionnelle de réduction de l’image stéréophonique dudit couple de signaux stéréophoniques numériques corrigés.
  4. Procédé de traitement d’un signal sonore numérique selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite étape additionnelle de réduction de l’image stéréophonique consiste à additionner à chaque canal desdits signaux stéréophoniques numériques corrigés un signal monophonique central résultant du traitement des deux canaux desdits signaux stéréophoniques numériques corrigés.
  5. Procédé de traitement d’un signal sonore numérique selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit traitement desdits signaux stéréophoniques numériques corrigés consiste à additionner au signal de chacun des canaux le signal opposé de l’autre canal et d’additionner les deux signaux résultant pour fournir un signal monophonique central.
  6. Procédé de traitement d’un signal sonore numérique selon la revendication 1 caractérisé en que ladite étape initiale de lecture d’un disque vinyle est répété avec une pluralité de platines, et en ce que ledit couple de signaux stéréophoniques de référence correspond à la sélection du couple de signaux correspondant à l’une desdites platines en fonction d’un critère de sélection fonction de caractéristiques spécifiques auxdites platines.
  7. Procédé de traitement d’un signal sonore numérique selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en qu’il comporte une étape additionnelle consistant à appliquer un posttraitement dudit couple de signaux stéréophoniques numériques corrigés par un filtre à réponse impulsionnel, par une réponse impulsionnelle correspondant en une capture d’un signal impulsionnel à partir d’un ensemble acoustique et électronique de lecture d’un disque vinyle.
  8. Procédé de traitement d’un signal sonore numérique selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en qu’il comporte une étape additionnelle consistant à générer une empreinte d’un système d’écoute de référence en stéréo et en binaurale à une distance comprise entre 20 et 300 cm et à appliquer un filtre permettant d’assurer une compatibilité maximale aux profils HRTF.
  9. Procédé de traitement d’un signal sonore numérique selon la revendication précédente caractérisé en ce qu’il comporte un traitement par un filtre de diaphonie présentant un angle supérieur à 3 degrés et inférieur à 320 degrés.
  10. Procédé de traitement d’un signal sonore numérique selon l’une au moins des revendications précédentes caractérisé qu’il comporte une étape additionnelle consistant à appliquer un traitement d’égalisation du support d’écoute afin de restituer un signal identique à l’original.
  11. Procédé de traitement d’un signal sonore numérique selon l’une au moins des revendications précédentes caractérisé en qu’il comporte une étape additionnelle consistant à appliquer un traitement spécifique aux fréquences comprises entre 150hz et 300hz par un filtrage impulsionnel avec des réponses impulsionnelles binaurales comprenant une modification de délais de 25%, par application à chaque signal corrigé d’un filtre passe-bas et d’addition pondérée dudit signal corrigé et du signal traité par filtrage impulsionnel.
  12. Procédé de traitement d’un signal sonore numérique selon la revendication précédente caractérisé en que ledit traitement comporte une modification d’une valeur comprise entre 10 et 20% de la composante « gauche » du canal « droite » la réponse impulsionnelle ainsi que de la composante « droite » du canal « gauche» la réponse impulsionnelle.
  13. Procédé de traitement d’un signal sonore numérique selon l’une au moins des revendications précédentes caractérisé en qu’il comporte une étape additionnelle consistant à appliquer un traitement spécifique aux fréquences comprises entre 12000hz et 22000hz avec un traitement spécifique aux harmoniques comprises entre 2 et 7 sans modification de l’harmonique 1, par application à chaque signal corrigé d’un filtre passe-haut et d’addition pondérée dudit signal corrigé et du signal traité.
  14. Procédé de traitement d’un signal sonore numérique selon l’une au moins des revendications précédentes caractérisé en qu’il comporte une étape additionnelle consistant à appliquer un traitement des fréquences inférieures à 150hz en mono via une réduction des pistes stéréo avec application d’un filtre acoustique.
  15. Procédé de traitement d’un signal sonore numérique selon la revendication 1 caractérisé en qu’il comporte une étape additionnelle consistant à appliquer un filtre de correction acoustique 3D multibandes définit par la distance de captation du système de référence et du volume des harmoniques.
  16. Procédé de traitement d’un signal sonore numérique selon l’une au moins des revendications précédentes caractérisé en qu’il comporte une étape additionnelle consistant à appliquer un filtre de correction acoustique 3D appliqué à la fondamentale.
  17. Procédé de traitement d’un signal sonore numérique selon l’une au moins des revendications précédentes caractérisé en qu’il comporte une étape additionnelle de modification de l’image stéréophonique appliquée à l’étape b) et à la fondamentale des signaux corrigés sur le signal 3D.
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