FR3133111A1 - Procédé et système d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences d’un signal audio - Google Patents
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Abstract
Procédé et système d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences d’un signal audio L’invention concerne un procédé et un système d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences d’un signal audio, le rendu sonore étant effectué par un système audio comportant au moins un haut-parleur. Le système comporte un module (4) d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences comportant des filtres (10, 12) de séparation d’un signal audio d’entrée en un signal haute fréquence (SH) et un signal basse fréquence (SL). Le système est configuré pour mettre en œuvre un premier traitement du signal basse fréquence pour obtenir un signal basse fréquence de sortie et un deuxième traitement audio du signal haute fréquence pour obtenir un signal haute fréquence de sortie. Le module (4) d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences comporte, pour le premier traitement du signal basse fréquence, un module (22) d’augmentation de la dynamique du signal basse fréquence (SL), paramétré en fonction d’au moins une partie transitoire dudit signal basse fréquence. Figure pour l'abrégé : Figure 2
Description
La présente invention concerne un procédé et un système d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences d’un signal audio.
L’invention se situe dans le domaine du traitement de signal audio, en particulier le traitement de signal audio dans les systèmes audio de diffusion de musique, afin d’améliorer la qualité d’écoute de l’utilisateur final.
Elle trouve une application privilégiée dans le domaine de l’optimisation du rendu sonore des signaux audio diffusés par un ou plusieurs haut-parleurs d’un système audio d’un habitacle de véhicule de transport, en particulier de véhicule automobile.
Plus particulièrement l’invention adresse le problème de l’amélioration ou renforcement (en anglais « boost ») du rendu des basses fréquences des signaux audio, notamment des enregistrements musicaux. Au sens de l’invention, on appellera « basses fréquences » des fréquences inférieures à 150 Hz.
Des systèmes d’amélioration du rendu des basses fréquences ont été proposés dans l’état de la technique pour augmenter les sons des basses fréquences qui sont mal restitués par des petits transducteurs.
En particulier, la demande de brevet FR 3 052951 A1 décrit un procédé et système pour l’optimisation du rendu sonore de basses fréquences d’un signal audio, le procédé comportant un ajustement du gain en corrélation avec le niveau sonore indiqué par le pas de volume choisi par l’utilisateur. Ce procédé ne donne pas de résultats satisfaisants dans tous les cas de figure. En effet, l’ajustement de basses fréquences n’est pas dans ce cas basé sur le contenu de chaque signal audio, et un même ajustement est appliqué sur les signaux audio, e.g. des enregistrements musicaux, ayant des contenus différents, et provenant de sources différentes. Pour certains enregistrements, le rendu sonore est trop lourd (en anglais « boomy ») à cause d’un trop fort renforcement des basses fréquences.
L’invention a pour but de remédier à ces inconvénients, en proposant un procédé et un système qui s’adapte plus finement et automatiquement aux contenus du signal audio à restituer par un système audio.
A cet effet, l’invention propose un procédé d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences d’un signal audio, le rendu sonore étant effectué par un système audio comportant au moins un haut-parleur, le procédé comportant une séparation d’un signal audio d’entrée par filtrage, en un signal haute fréquence et un signal basse fréquence, un premier traitement du signal basse fréquence pour obtenir un signal basse fréquence de sortie et un deuxième traitement audio du signal haute fréquence pour obtenir un signal haute fréquence de sortie, et une sommation du signal basse fréquence de sortie et du signal haute fréquence de sortie pour obtenir un signal audio de sortie fourni en entrée d’un ensemble d’blocs de traitement audio du système audio. Dans ce procédé, le premier traitement du signal basse fréquence comporte la mise en œuvre d’un module d’augmentation de la dynamique du signal basse fréquence, paramétré en fonction d’au moins une partie transitoire dudit signal basse fréquence.
Avantageusement, le procédé d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences met en œuvre un module d’augmentation de la dynamique du signal (en anglais « expander ») qui est paramétré en fonction d’au moins une partie transitoire du signal basse fréquence. Par exemple, la ou chaque partie transitoire correspond à une montée du signal (ou attaque) issu d’instruments tels que les percussions. Ainsi, avantageusement, l’ajustement du rendu sonore des basses fréquences est dynamique et basé sur le contenu du signal audio.
Le procédé d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences d’un signal audio selon l’invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prises indépendamment ou selon toutes les combinaisons techniquement envisageables.
Le signal audio comporte un enregistrement musical, ledit procédé comprenant une détection de ladite partie transitoire basse fréquence comportant au moins une attaque, ladite attaque correspondant à une montée d’amplitude du signal audio.
Le procédé comporte une analyse du signal basse fréquence, ladite analyse comportant un calcul d’un niveau de l’au moins une partie transitoire du signal basse fréquence, et un ajustement d’au moins un paramètre du module d’augmentation de la dynamique du signal basse fréquence en fonction du niveau calculé.
Le paramètre ajusté est une pente du module d’augmentation de la dynamique, ladite pente étant calculée en fonction dudit niveau du signal basse fréquence, d’une première valeur de pente à appliquer pour des signaux audio de premier niveau bas prédéterminé, et d’une deuxième valeur de pente à appliquer pour des signaux audio de deuxième niveau haut prédéterminé.
L’analyse du signal basse fréquence comporte en outre une détection de silence, et une remise à zéro des paramètres d’augmentation de la dynamique en cas de détection de silence.
Le procédé comporte un calcul d’une enveloppe à facteur de crête du signal basse fréquence, et un calcul d’un gain d’expansion du module d’augmentation de la dynamique en fonction de l’enveloppe à facteur de crête.
Le calcul de l’enveloppe à facteur de crête comprend un calcul d’une enveloppe de pic du signal basse fréquence, un calcul d’une enveloppe moyenne du signal basse fréquence, l’enveloppe à facteur de crête étant égale, à un instant temporel, à une différence entre enveloppe de pic et enveloppe moyenne audit instant temporel, exprimées en décibels.
Le procédé comporte en outre une estimation d’un niveau du signal audio de sortie, représentatif d’un volume sonore effectif en sortie du système audio, en fonction d’un niveau estimé du signal audio d’entrée du système audio, et d’une différence entre un deuxième niveau intermédiaire et un premier niveau intermédiaire du signal audio dans le système audio, le deuxième niveau intermédiaire étant le niveau d’un deuxième signal intermédiaire obtenu en sortie d’un limiteur ou d’un gain de sortie du système audio.
Le procédé comporte en outre, après application du module d’augmentation de la dynamique, une compensation de phase, pour obtenir un premier signal de sortie du premier traitement du signal basse fréquence.
Le premier traitement comporte en outre l’application d’un module de génération d’harmoniques sur le signal basse fréquence, sensiblement en parallèle de l’application du module d’augmentation de la dynamique, et l’application de filtres de mise en forme, pour obtenir un deuxième signal de sortie du premier traitement du signal basse fréquence.
Selon un autre aspect, l’invention concerne un système d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences d’un signal audio, le rendu sonore étant effectué par un système audio comportant au moins un haut-parleur, comportant un module d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences comportant des filtres de séparation d’un signal audio d’entrée en un signal haute fréquence et un signal basse fréquence, le système étant configuré pour mettre en œuvre un premier traitement du signal basse fréquence pour obtenir un signal basse fréquence de sortie et un deuxième traitement audio du signal haute fréquence pour obtenir un signal haute fréquence de sortie, et une sommation du signal basse fréquence de sortie et du signal haute fréquence de sortie pour obtenir un signal audio de sortie fourni en entrée d’un ensemble d’blocs de traitement audio du système audio. Le module d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences comporte, pour ledit premier traitement du signal basse fréquence, un module d’augmentation de la dynamique du signal basse fréquence, paramétré en fonction d’au moins une partie transitoire dudit signal basse fréquence.
Le système d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences d’un signal audio est configuré pour mettre en œuvre un procédé d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences d’un signal audio tel que brièvement décrit ci-dessus, selon toutes ses variantes de mise en œuvre.
Le système d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences d’un signal audio selon l’invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prises indépendamment ou selon toutes les combinaisons techniquement envisageables.
Le module d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences comporte un module d’analyse et ajustement temps réel des paramètres un module d’augmentation de la dynamique du signal basse fréquence, comportant un bloc de détection de silence, un bloc de calcul de valeur quadratique moyenne du signal basse fréquence, un bloc de calcul d’un niveau du signal basse fréquence et un bloc de calcul d’une pente du module d’augmentation de la dynamique du signal basse fréquence.
Le module d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences comporte un module d’analyse et ajustement temps réel des paramètres un module d’augmentation de la dynamique du signal basse fréquence, comportant un bloc de calcul de pic d’une enveloppe du signal basse fréquence, un bloc de calcul de valeur quadratique moyenne du signal basse fréquence, un bloc de calcul d’une enveloppe à facteur de crête, égale à une différence entre enveloppe de pic et enveloppe moyenne exprimées en décibels , et un bloc de calcul de gain d’expansion en fonction de l’enveloppe à facteur de crête.
Le système comporte en outre un module d’estimation d’un niveau du signal audio de sortie, représentatif d’un volume sonore effectif en sortie du système audio, comportant un bloc d’estimation d’un niveau du signal audio d’entrée du système audio, et un bloc d’estimation d’une différence entre un deuxième niveau intermédiaire et un premier niveau intermédiaire du signal audio dans le système audio, le deuxième niveau intermédiaire étant le niveau d’un deuxième signal intermédiaire obtenu en sortie d’un limiteur ou d’un gain de sortie du système audio.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
La illustre schématiquement des éléments d’un système audio 2 de restitution (ou rendu sonore) de signal audio, par exemple intégrable dans un habitacle de véhicule automobile (non représenté).
Le système audio 2 comporte un système 5 d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences d’un signal audio, ce système 5 comportant un module 4 d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences et un module 28 d’estimation du niveau du signal audio de sortie, qui seront décrits en détail ci-après.
Le système audio 2 comporte une source 6 de signaux audio, par exemple un autoradio, un lecteur de fichiers mp3 etc, qui fournit un signal audio en une entrée 8. Bien entendu, plusieurs types de sources 6 de signaux audio sont susceptibles de fournir le signal audio à restituer par le système audio 2.
Par exemple, la source 6 fournit une succession d’enregistrements (ou morceaux) musicaux formant une liste d’écoute ou « playlist » sélectionnée par un utilisateur.
Le système audio 2 comporte également un ou plusieurs amplificateurs 7 pour alimenter les haut-parleurs.
En sortie du module 4 d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences, le système 2 comporte N blocs de traitement audio référencés 821à 82N, qui effectuent diverses fonctionnalités de traitement audio qui ne sont pas décrites plus en détail ici. Il comporte également un gain 84 ayant pour objet de permettre à un utilisateur d’ajuster le niveau de sortie, et un limiteur de volume 86 ayant pour objet de limiter la pression acoustique de sortie (ou volume sonore de sortie) de manière à éviter une saturation du volume désagréable pour un utilisateur.
Par la suite, le système 5 d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences est décrit selon divers modes de réalisation. Un des avantages recherchés est de mettre en œuvre un procédé et un système qui s’adapte automatiquement au niveau sonore restitué, en temps réel, et à tout type de morceau musical (un enregistrement plus ou moins récent), provenant de toute source.
En effet, les inventeurs ont constaté que les caractéristiques des signaux audio enregistrés varient notamment selon la date d’enregistrement, et les besoins d’amélioration de rendu audio diffèrent selon les caractéristiques d’enregistrement.
La illustre schématiquement des éléments du module 4 d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences d’un signal audio.
Comme montré dans la , ce module 4 est placé en entrée du système audio 2.
Le signal audio d’entrée SINest traité d’abord par la mise en œuvre de filtrages, respectivement d’un filtre passe-haut 10 et d’un filtre passe-bas 12, ce qui permet de séparer le signal audio d’entrée en un signal haute fréquence SHet un signal basse-fréquence SL.
La fréquence de coupure f0permet d’effectuer la séparation fréquentielle pour générer respectivement le signal haute fréquence SH comprenant des fréquences supérieures ou égales à f0et le signal basse fréquence SLcomprenant des fréquences inférieures à f0 . La fréquence de coupure f0est un paramètre du système, qui est prédéterminé, par exemple compris entre 50 et 150 Hz.
Le module 4 met en œuvre un premier traitement du signal basse fréquence, qui sera décrit plus en détail ci-après, et un deuxième traitement du signal haute fréquence.
Le deuxième traitement du signal haute fréquence est effectué par application d’un module 14 de compensation de délai temporel, et d’un module 16 de compensation de phase.
Le module de compensation de délai 14 met en œuvre un délai d’avance (« lookahead delay » en anglais), correspondant au délai de premier traitement effectué sur le signal basse fréquence. Cette compensation permet d’obtenir un signal haute fréquence en sortie du deuxième traitement synchronisé avec le signal basse fréquence en sortie du premier traitement avant la sommation 18 de ces deux signaux pour obtenir le signal audio de sortie du module 4.
Le module 16 de compensation de phase met en œuvre des fréquences de mise en forme, respectivement une fréquence basse flet une fréquence haute fh. Tout module de compensation de phase connu peut être mis en œuvre. Cette compensation permet d’obtenir une recomposition parfaite du signal haute fréquence en sortie du deuxième traitement avec le signal basse fréquence en sortie du premier traitement lors de la sommation 18 de ces deux signaux pour obtenir le signal audio de sortie du module 4.
Le module 4 d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences d’un signal audio comporte plusieurs modules contribuant au premier traitement du signal basse fréquence.
Le signal basse fréquence SLissu du filtrage passe-bas 12 est fourni en entrée d’un module 22 d’augmentation de la dynamique du signal basse fréquence.
Le module 22 d’augmentation de la dynamique est également appelé module d’expansion (en anglais « Expander »).
Le module 22 est par exemple un module de contrôle de la dynamique ou un module DRC (pour « Dynamic Range Control »), spécialisé plus spécifiquement pour l’expansion de la dynamique.
De manière connue, la dynamique d’un signal audio ou dynamique sonore est le rapport entre son niveau sonore maximal et son niveau sonore minimal.
Le module 22 d’expansion de la dynamique est destiné à augmenter la dynamique du signal, en fonction d’un ensemble de paramètres 24, au moins une partie de ces paramètres étant ajustée selon les modes de réalisation décrits ci-après.
Les paramètres 24 comprennent d’une part des paramètres prédéterminés, dont la valeur est par exemple fournie par un ingénieur du son lors d’un calibrage : un seuil de déclenchement Thr, une durée d’attaque T_att, une durée de relâchement T_rel, un délai d’anticipation D, ainsi qu’un premier paramètre B1de renforcement de niveau bas et un deuxième paramètre B2de renforcement de niveau haut.
De plus, des paramètres de pente d’expansion de la dynamique et de gain d’expansion de la dynamique sont utilisés par le module 22.
De manière connue dans le domaine du contrôle de la dynamique de niveau sonore, l’attaque (en anglais « Attack ») est une partie transitoire correspondant à la montée de l’amplitude du signal audio, et le relâchement (en anglais « Release ») est une partie transitoire correspondant à une descente de l’amplitude du signal. Bien entendu un signal sonore provenant d’un enregistrement musical comporte plusieurs parties transitoires, attaques et relâchements, tout le long du morceau.
Par exemple, dans un signal basse fréquence d’un enregistrement musical, les attaques correspondent à des sons de percussifs, type grosse-caisse, contrebasse, etc.
La durée d’attaque T_att est une durée temporelle prédéterminée qui est comparée au seuil de déclenchement Thr pour déclencher le fonctionnement du module 22 d’augmentation de la dynamique du signal audio.
La durée de relâchement T_rel est une durée temporelle prédéterminée qui est comparée au seuil de déclenchement Thr pour déclencher le retour du module 22 d’augmentation de la dynamique du signal audio à un état neutre.
Les paramètres 24 comprennent également des paramètres de fonctionnement du module 22 qui sont calculés ou ajustés en temps réel, en particulier une pente d’augmentation de la dynamique et un gain.
Au moins une partie des paramètres de fonctionnement du module 22 d’augmentation de la dynamique du signal audio, e.g. la pente et le gain, sont calculés en fonction d’au moins une partie transitoire, et plus particulièrement d’au moins une attaque du signal basse fréquence SL.
Un module 26 d’analyse et ajustement temps réel des paramètres est mis en œuvre.
Des modes de réalisation du module 26 seront décrits ci-après.
Le module 26 effectue une analyse du signal basse fréquence SL et fournit une valeur de pente adaptée dynamiquement.
De plus, au moins une partie des paramètres du module 22 d’augmentation de la dynamique du signal audio dépend d’un niveau estimé du signal audio de sortie, référencé L_out.
Le niveau L_out estimé est par exemple fourni par le module 28 d’estimation du niveau du signal audio de sortie (illustré en ), dont un mode de réalisation sera décrit ci-après en référence à la .
Le module 26 d’analyse et ajustement temps réel des paramètres met en œuvre une détection d’une ou plusieurs parties transitoire(s) basse fréquence comportant chacune au moins une attaque correspondant à une montée d’amplitude du signal audio.
La sortie du module 22 d’augmentation de la dynamique du signal audio est fournie en entrée d’un module 30 de compensation de phase, semblable au module de compensation de phase 16 décrit ci-dessus.
Les modules 22, 30 réalisent une première partie du premier traitement consistant à effectuer une augmentation de la dynamique du signal basse fréquence, qui est adaptative en fonction du contenu du signal basse fréquence, et en particulier des attaques.
En sortie du module 30 est obtenu un premier signal de sortie du premier traitement du signal basse fréquence.
Le premier traitement comprend également une deuxième partie de traitement du signal basse fréquence, comprenant une génération d’harmoniques.
Les première et deuxièmes parties du premier traitement sont effectuées en parallèle.
Pour la deuxième partie, le signal basse fréquence SLest fourni en entrée d’un module 32 de compensation de délai temporel, semblable au module de compensation de délai temporel 14 qui a pour effet de compenser le délai introduit par le premier traitement du module 22 appliqué sur le signal basse fréquence.
La sortie du module 32 est fournie en entrée d’un module de génération d’harmoniques 34 (en anglais « Harmonizer »), paramétré par des paramètres 36 qui spécifient le type d’harmoniques à ajouter.
Le module 34 et ses paramètres ne sont pas décrits plus en détail ici, il s’agit d’un traitement communs d’un système audio.
La sortie du module de génération d’harmoniques 34 est fournie en entrée d’un module 38 de mise en forme, configuré pour appliquer des filtrages passe-bas et passe-haut, de fréquences respectives flet fh.
Le signal obtenu en sortie du module 38 de mise en forme est amplifié par un amplificateur 40 dont le gain est basé sur un gain d’harmonique GHdont la valeur est par exemple prédéterminée par un ingénieur du son lors d’un calibrage, le gain étant ajusté dynamiquement en fonction du niveau L_out estimé du signal audio de sortie.
En sortie de l’amplificateur 40 est obtenu un deuxième signal de sortie du premier traitement du signal basse fréquence.
Le premier signal de sortie du premier traitement du signal basse fréquence et le deuxième signal de sortie du premier traitement du signal basse fréquence sont sommés par un module additionneur 42 pour obtenir le signal basse fréquence de sortie, fourni en entrée de l’additionneur 18. Le signal haute fréquence en sortie du module 16 et le signal basse fréquence en sortie du module additionneur 42 sont additionnés pour obtenir le signal de sortie du module 4 d’amélioration du rendu des basses fréquences.
Tout ou partie des modules décrits sont réalisés par traitement numérique, mis en œuvre par une ou plusieurs unités de traitement numérique, par exemple des processeurs DSP (pour Digital Signal Processor), spécialisés dans le traitement du signal.
La représente schématiquement le premier mode, dit adaptatif (ou « adaptative » en anglais), de réalisation du module 26 d’analyse et ajustement des paramètres du module 22 d’augmentation de la dynamique en fonction du signal.
Dans ce mode de réalisation, le module 26, qui reçoit en entrée le signal basse fréquence SL, comporte des blocs fonctionnels suivants :
-un bloc 44 de détection de silence, destiné à détecter les transitions entre deux enregistrements musicaux distincts ;
-un bloc 46 de calcul de la valeur quadratique moyenne ou RMS (pour « Root Mean Square ») de l’enveloppe du signal audio fourni en entrée du module 26, par exemple un filtrage à réponse impulsionnelle infinie (ou filtre IIR) de premier ordre ;
-un bloc 48 de calcul d’un niveau L(t) du signal audio en fonction des résultats des blocs 44 et 46, et
-un bloc 50 de calcul dynamique de pente du module 22 d’augmentation de la dynamique.
Plus généralement, le bloc 46 calcule une enveloppe moyenne du signal audio fourni en entrée, qui est le signal basse fréquence SL dans le module 4 d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences.
La pente s(t) est ajustée dynamiquement au cours du temps en fonction du niveau du signal L(t) calculé, du premier paramètre B1de renforcement de niveau bas et un deuxième paramètre B2de renforcement de niveau haut. Le premier paramètre B1est représentatif d’un niveau de gain, en dB, à appliquer à des signaux audio de niveau bas Lbet le deuxième paramètre B2est d’un niveau de gain, en dB, à appliquer à des signaux audio de niveau haut Lh.
Les paramètres B1, B2sont par exemple prédéterminés, i.e. fixés par défaut ou bien sont fournis par un utilisateur via une interface homme-machine non représentée.
Le calcul de la pente s(t) ajustée dynamiquement est semblable à une interpolation linéaire entre une deux régions de fonctionnement, respectivement une région de niveau bas et une région de niveau haut, en fonction du niveau du signal L(t) calculé dynamiquement, sensiblement en temps réel.
Un mode de réalisation d’un procédé mis en œuvre par les blocs 44, 46, 48 et 50 décrits ci-dessus est décrit ci-après en référence à la .
Le procédé reçoit en entrée un signal d’entrée qui est le signal basse fréquence SL .
Les paramètres B1, B2sont préalablement reçus et mémorisés.
Le procédé comprend une étape 52 de calcul de la valeur quadratique moyenne ou RMS de l’enveloppe du signal basse fréquence SL, à l’instant temporel t.
Toute méthode de calcul de la valeur quadratique moyenne de l’enveloppe est applicable.
Dans un mode de réalisation, un filtre IIR de premier ordre, paramétré par une constante d’intégration α, est mis en œuvre :
Où désigne l’enveloppe estimée à l’instant t, et désigne l’amplitude du signal basse fréquence, fourni en entrée du module 26, à l’instant t.
Lors d’une comparaison 54, suivant le calcul 52 de l’enveloppe moyenne, il est vérifié si l’enveloppe moyenne estimée à l’instant t est supérieure ou égale au niveau du signal L(t) préalablement calculé.
En cas de réponse positive à l’étape 54, le niveau L(t) est mis à jour (étape 56), de manière à ce que le niveau L(t) soit égal au maximum de l’enveloppe moyenne.
La mise à jour (étape 56) du niveau du signal à l’instant t met en œuvre la formule suivante :
Le niveau du signal est temporairement enregistré.
Ainsi, le niveau du signal est mis à la valeur maximale (maximum local) de l’enveloppe moyenne du signal, ce qui correspond à une phase transitoire d’attaque dans le signal audio traité, qui est le signal basse fréquence.
De plus, un compteur temporel ou chronomètre (« timer » en anglais) est remis à zéro lors de la mise à jour du niveau du signal (étape 55).
En cas de réponse négative à la comparaison 54, une étape 58 de temporisation est mise en œuvre, en utilisant le compteur temporel mis à zéro lors de l’étape 55. Le compteur temporel est incrémenté (étape 58), puis comparé (étape 60) à une durée de temporisation prédéterminée.
Si la valeur du compteur temporel atteint ou dépasse la durée de temporisation (test 60), alors que la valeur de l’enveloppe estimée à l’instant t est inférieure au niveau du signal maximal, le niveau du signal est décrémenté (étape 62) d’une valeur de décrémentation ΔdB. Par exemple, la valeur de décrémentation est de l’ordre de 1 dB et la durée de temporisation est de l’ordre de 1 seconde.
L’étape de décrémentation 62 met en œuvre, en utilisant un niveau de signal L(t-1) préalablement enregistré :
Il est à noter que pendant la durée de temporisation, le niveau du signal reste égal à celui enregistré, qui est le maximum local de la valeur quadratique moyenne de l’enveloppe.
L’utilisation de la temporisation permet avantageusement de prendre en compte les attaques tout au long d’un enregistrement de signal audio.
En parallèle, et en temps réel, le procédé comporte une étape 64 de mise en œuvre du bloc 44 de détection de silence, et en cas de détection positive, le niveau maximum estimé est mis à zéro (étape 66).
Avantageusement, la mise en œuvre d’une détection de silence permet d’effectuer une remise à zéro des paramètres du module 26 entre deux enregistrements successifs, ce qui permet d’éviter un ajustement de niveau basé sur un enregistrement précédent lors du début du rendu sonore d’un enregistrement suivant.
Par exemple, dans un mode de réalisation, le bloc de détection de silence met en œuvre un suivi temporel de l’amplitude de l’enveloppe du signal basse fréquence sur une durée de détection de silence prédéterminée, par exemple de l’ordre de deux secondes.
Si l’amplitude est inférieure à un premier seuil d’amplitude de NdB, par exemple de -80 dB, pendant la durée de détection de silence prédéterminée, alors la détection de silence est positive.
En alternative, la détection de silence est effectuée différemment, par exemple en fonction d’informations transmises par la source 6 de signaux audio.
Les étapes respectives de modification du niveau de signal L(t) enregistré 56, 62 et 66 sont suivies d’une étape 68 de calcul de la pente du module 22.
Dans un mode de réalisation, la pente s(t) est calculée par la formule d’interpolation linéaire suivante :
Où s1est une première valeur de pente à appliquer à des signaux audio de premier niveau bas Lbet s2une deuxième valeur de pente à appliquer à des signaux audio de deuxième niveau haut Lh.
Les niveaux bas Lbet haut Lhsont exprimés en dB.
Par exemple le premier niveau bas Lbest inférieur en moyenne à -12dBrms, le deuxième niveau haut Lhest en moyenne supérieur à -6dBrms.
De préférence, les première et deuxième valeurs de pente s1et s2sont calculés à partir des premier paramètre B1et deuxième paramètre B2, qui sont prédéterminés et fournis par un ingénieur du son dans une phase de calibration, par les formules :
et
Où Thr est le seuil de déclenchement à partir duquel le module 22 d’augmentation applique l’expansion, et IN_max est le niveau maximum que peut atteindre le signal en entrée, par exemple 0dBfs, fs signifiant « Full Scale » pour un procédé numérique.
La illustre de manière schématique à titre d’exemple la pente d’un module 22 d’augmentation de la dynamique du signal pour plusieurs valeurs de seuil de déclenchement Thr=TdB qui sont respectivement -10B et -20dB et des valeurs de pente s=2 et s=3.
En détail, la montre un graphe comprenant le niveau du signal de sortie du module 22 d’augmentation de dynamique (en dB), représenté sur l’axe des ordonnées, en fonction du niveau du signal d’entrée (niveau d’entrée) en en dB sur l’axe des abscisses.
Entre l’origine du graphe et le niveau d’entrée égal au seuil de déclenchement TdB(niveau de seuil) la pente de la portion de droite représentée est égale à 1.
Des droites respectives sont représentées, la droite P1correspondant à une pente de s=2 à partir de -20dB, la droite P2de pente s=3 à partir de -10dB et la droite P3de pente s=2 à partir de -10dB. A un niveau d’entrée de 0 dB, une amplification de 20dB est obtenue soit en appliquant P1, soit en appliquant P2.
Avantageusement, le niveau d’amplification est ajusté grâce à l’ajustement de la valeur de pente du module d’augmentation de la dynamique, en fonction des premières phases transitoires (i.e. des attaques) de chaque signal audio basse fréquence fourni en entrée, et ce pour chaque enregistrement distinct.
La représente schématiquement le deuxième mode de réalisation du module d’analyse et d’ajustement des paramètres du module 22 d’augmentation de la dynamique. Ce deuxième mode de réalisation met en œuvre une enveloppe à facteur de crête (en anglais « Crest Factor Envelope »).
Il est à noter que ce deuxième mode de réalisation est combinable avec le premier mode de réalisation.
Dans ce deuxième mode de réalisation, le paramètre du module 22 d’augmentation de la dynamique du signal est un paramètre de gain d’expansion, et le module 26’ comporte des blocs fonctionnels, qui sont :
-un bloc 70 de calcul de l’enveloppe de pic (ou enveloppe de crête) du signal basse fréquence SL ,fourni en entrée du module 26’ ;
-un bloc 72 de calcul de la valeur quadratique moyenne ou RMS (pour « Root Mean Square ») de l’enveloppe du signal basse fréquence, par exemple un filtrage à réponse impulsionnelle infinie (ou filtre IIR) de premier ordre ;
-un bloc 74 de calcul d’une enveloppe à facteur de crête, par soustraction de la valeur quadratique moyenne de l’enveloppe à la valeur de pic, exprimées en décibels, à un même instant temporel ;
- un bloc 76 de calcul de gain d’expansion du module 22 en fonction de l’enveloppe à facteur de crête.
Avantageusement, l’utilisation d’une enveloppe à facteur de crête permet de s’affranchir des variations de niveau absolues, dues au type d’enregistrement, et de mieux adapter l’augmentation de la dynamique aux attaques des percussions de chaque signal audio basse fréquence traité.
Le bloc 70 de calcul de l’enveloppe de pic du signal basse fréquence est configuré pour mettre en œuvre toute méthode de calcul d’enveloppe de pic d’un signal audio connue.
De même, le bloc 72 de calcul de la valeur quadratique moyenne de l’enveloppe du signal audio est configuré pour mettre en œuvre toute méthode de calcul de la valeur quadratique moyenne de l’enveloppe d’un signal audio connue.
Dans un mode de réalisation particulier, le bloc 70 met en œuvre le calcul suivant :
Où x(t) est le signal basse fréquence, est le module de ce signal, est l’estimation de l’enveloppe de pic à du signal audio x(t) à l’instant t, et est un paramètre qui est défini par :
Où est la durée de relâchement (en anglais « release time ») de l’enveloppe de pic et est la durée d’attaque de l’enveloppe de pic, considérant .
Dans un mode de réalisation particulier, le bloc 72 met en œuvre le calcul suivant :
Où x(t) est le signal basse fréquence, est le module de ce signal, est l’estimation de la valeur quadratique moyenne de l’enveloppe du signal audio x(t) à l’instant t, également appelée enveloppe RMS, et est un paramètre qui est défini par :
Où est la durée de relâchement (en anglais « release time ») de l’enveloppe RMS et est la durée d’attaque de l’enveloppe RMS, considérant .
Les valeurs des constantes , , , sont par exemple prédéterminées.
Le bloc 74 de calcul de l’enveloppe à facteur de crête met en œuvre, dans un mode de réalisation, le calcul suivant, les grandeurs étant exprimées en décibels :
Où
La valeur de de l’enveloppe à facteur de crête , calculée en décibels, correspond dans le domaine linéaire à la division de la valeur de pic par la valeur quadratique moyenne de l’enveloppe du signal au même instant temporel t.
Le calcul du gain d’expansion GdB(t) du module 22 d’augmentation de la dynamique du signal est effectué de la manière suivante dans un mode de réalisation :
Où est le gain instantané, et DRC(x) est une fonction de contrôle de la dynamique définie par :
Où Thr est le seuil de déclenchement à partir duquel le module 22 d’augmentation applique l’expansion (en dB), et est un paramètre défini en fonction de la pente s(t) :
La pente s(t) peut être de valeur prédéterminé s(t)=s, fournie en tant que paramètre d’entrée.
De préférence, la pente s(t) est ajustée dynamiquement, selon le procédé décrit en référence à la .
De préférence, le gain instantané est lissé en mettant en œuvre la formule suivante :
Le coefficient dépendant des durées d’attaque T_att et de relâchement T_rel du module 22 :
Dans le domaine linéaire, le gain d’expansion est exprimé par :
La illustre schématiquement un mode de réalisation d’un module 28 d’estimation du niveau L_out du signal audio de sortie.
Ce niveau est calculé, sensiblement en temps réel, en fonction d’une valeur de pression acoustique effective, dans l’espace dans lequel est installé le système audio 2, par exemple la cabine d’un véhicule automobile. Ainsi, le niveau du signal audio de sortie est représentatif du volume sonore effectif à la sortie 20 du système audio 2.
Le module 28 d’estimation du niveau du signal audio de sortie du système audio 2 reçoit d’une part en entrée le signal audio issu de la source audio 6 qui fournit des signaux audio au système audio 2, noté Sin, puis un premier signal audio intermédiaire Sint1, formé d’un premier nombre P1 de canaux, obtenu en sortie du bloc 80 de traitement dépendant du niveau du signal, qui implémente avantageusement le module 4 d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences dans un mode de réalisation, et un deuxième signal audio intermédiaire Sint2, formé d’un deuxième nombre P2 de canaux, obtenu en sortie du système audio 2, après application des N blocs de traitement audio 821à 82N, du gain de sortie 84 et du limiteur 86. Les premier et deuxièmes nombres de canaux sont des nombres entiers, le premier nombre de canaux pouvant être différent du deuxième nombre de canaux.
Dans le cas où un seuil du limiteur 86 de volume est mis en œuvre, le volume effectif, et donc la valeur de pression acoustique effective, n’est plus, à partir d’un certain niveau, corrélé au pas de volume commandé par l’utilisateur via une interface homme machine du système audio (e.g. un bouton de réglage du volume ou tout autre dispositif, éventuellement numérique, de réglage du volume).
Alternativement, si le système audio 2 ne comporte pas de limiteur 86, le deuxième signal intermédiaire est obtenu en sortie du bloc gain de sortie 84.
Le module 28 d’estimation du niveau L_out du signal audio de sortie comporte un bloc 90 d’estimation du niveau L_in du signal d’entrée Sin, un premier bloc de moyennage des canaux 92, un deuxième bloc de moyennage des canaux 94.
Le bloc 90 reçoit en entrée le signal audio Sin(signal audio d’entrée), et calcule le niveau L_in de ce signal audio d’entrée.
Dans un mode de réalisation, le niveau L_in du signal audio d’entrée est estimé par la mise en œuvre des étapes 52 à 66 décrites en référence à la ci-dessus.
Le ou les premiers signaux audio intermédiaires Sint1sur les P1 canaux sont fournis en entrée du premier bloc de moyennage des canaux 92 pour obtenir un premier signal moyenne S1aégal à la moyenne des premiers signaux audio intermédiaires Sint1de chacun des P1 canaux.
Le ou les deuxièmes signaux audio intermédiaires Sint2sur les P2 canaux sont fournis en entrée du deuxième bloc de moyennage des canaux 94 pour obtenir un deuxième signal moyenne S2aégal à la moyenne des deuxièmes signaux audio intermédiaires Sint 2de chacun des P2 canaux.
Le premier signal moyenne S1aet le deuxième signal moyenne S2asont fournis en entrée d’un bloc 96 d’estimation de différence de niveau entre deux points du système audio, qui met en œuvre un calcul de différence entre un premier niveau intermédiaire L1du premier signal moyenne S1aet un deuxième niveau intermédiaire L2du premier signal moyenne S2a.
Dans un mode de réalisation, pour chacun des premier signal moyenne S1aet deuxième signal moyenne S2a, un procédé d’estimation de niveau semblable à celui mis en œuvre par le bloc 90 est appliqué.
Ensuite, le bloc 96 met en œuvre le calcul de différence suivant :
Où Loffest un niveau de calibration, également appelé niveau d’offset, calculé préalablement pendant une phase de calibration du système audio et mémorisé, la calibration étant effectuée sur un signal audio de niveau connu, par exemple un bruit rose de niveau connu.
Il est à noter également qu’une compensation de latence entre le premier signal moyenne S1aet le deuxième signal moyenne S2aest appliquée, par exemple un délai est appliqué au premier signal moyenne S1ade manière à appliquer la différence de niveau à un même instant temporel.
Le résultat du bloc 96 de différence de niveau entre deux points du système audio est fourni en entrée d’un bloc 98 de calcul de niveau de sortie L_out.
Le niveau du signal d’entrée L_in est également fourni en entrée du bloc 98.
Le bloc 98 d’estimation du niveau de sortie du système audio utilise les deux niveaux fournis en entrée pour réaliser l’estimation du niveau L_out.
Par exemple, dans un système audio, des paramètres de niveau bas Lb, de niveau haut Lh, un biais maximal autorisé entre un enregistrement de niveau haut et un enregistrement de bas sont fournis, par exemple par un ingénieur du son lors d’une phase de calibration.
Dans un mode de réalisation, le niveau L_out estimé est calculé comme suit.
Un biais est défini par :
- Si
- Si
- Si
Et :
Si ,
Avantageusement, le niveau L_out ainsi calculé est représentatif du volume d’écoute effectif, et permet donc un ajustement mieux adapté pour un utilisateur que tout système basé uniquement sur des paramètres d’entrée du système audio.
Le niveau L_out du signal audio de sortie est utilisé dans le module 22 d’augmentation de la dynamique du signal basse fréquence, et dans le module d’amplification 40.
Dans un mode de réalisation, les paramètres B1, B2et Thr du module 26 qui pilote le module 22 d’augmentation de la dynamique du signal basse fréquence sont ajustés selon le niveau L_out estimé.
Le niveau estimé L_out du signal audio de sortie permet d’ajuster la pente du module 26, en augmentant ou en diminuant le gain d’expansion GdBprédéterminé.
Le niveau estimé L_out du signal audio de sortie permet d’ajuster le gain de l’amplification 40, en augmentant ou en diminuant le gain des harmoniques GHprédéterminé.
Si le niveau estimé L_out du signal audio de sortie est bas, par exemple inférieur à un seuil prédéterminé, alors le gain des harmoniques GHet GdBsont ceux prédéfinis.
Si le niveau estimé L_out du signal audio de sortie est haut, par exemple supérieur au seuil prédéterminé, le niveau d’écoute (le volume sonore) est élevé, donc un traitement moindre des basses est appliqué. Par exemple, le gain des harmoniques GHet le gain d’expansion GdBsont diminués.
Dans un mode de réalisation, le système 5 d’amélioration de rendu sonore des basses fréquences d’un signal audio met en œuvre l’ajustement de la pente d’expansion et du gain d’expansion du module 22 d’expansion dynamique et le module 28 d’estimation de niveau de signal audio de sortie du système audio 2.
Selon une variante sous-optimale, le système 5 d’amélioration de rendu sonore des basses fréquences d’un signal audio met en œuvre l’ajustement de la pente d’expansion et/ou du gain d’expansion du module 22 d’expansion dynamique tels que décrits ci-dessus, et le niveau L_out de sortie du système audio 2 est estimé par une méthode différente, par exemple en fonction d’un pas de volume commandé par l’utilisateur.
Avantageusement, le procédé et système d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences d’un signal audio, mettent en œuvre une analyse du signal audio en temps réel, permettant de distinguer entre enregistrements anciens et modernes, de manière à adapter l’augmentation de la dynamique des basses fréquences en temps réels, au cas par cas.
Avantageusement, l’invention permet également d’adapter l’amélioration du rendu sonore des basses fréquences en fonction d’un volume d’écoute estimé en temps réel.
Claims (14)
- Procédé d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences d’un signal audio, le rendu sonore étant effectué par un système audio (2) comportant au moins un haut-parleur (7), le procédé comportant une séparation d’un signal audio d’entrée par filtrage, en un signal haute fréquence (SH) et un signal basse fréquence (SL), un premier traitement du signal basse fréquence (SL) pour obtenir un signal basse fréquence de sortie et un deuxième traitement audio du signal haute fréquence (SH) pour obtenir un signal haute fréquence de sortie, et une sommation du signal basse fréquence de sortie et du signal haute fréquence de sortie pour obtenir un signal audio de sortie fourni en entrée d’un ensemble d’blocs de traitement audio du système audio (2) , le procédé étant caractérisé en ce que le premier traitement du signal basse fréquence (SL) comporte la mise en œuvre d’un module (22) d’augmentation de la dynamique du signal basse fréquence (SL), paramétré en fonction d’au moins une partie transitoire dudit signal basse fréquence (SL).
- Procédé selon la revendication 1, dans lequel le signal audio comporte un enregistrement musical, ledit procédé comprenant une détection de ladite partie transitoire basse fréquence comportant au moins une attaque, ladite attaque correspondant à une montée d’amplitude du signal audio.
- Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, comportant une analyse du signal basse fréquence, ladite analyse comportant un calcul d’un niveau (52-66) de l’au moins une partie transitoire du signal basse fréquence, et un ajustement (68) d’au moins un paramètre du module d’augmentation de la dynamique du signal basse fréquence en fonction du niveau calculé.
- Procédé selon la revendication 3, dans lequel le paramètre ajusté est une pente du module (22) d’augmentation de la dynamique, ladite pente étant calculée en fonction dudit niveau du signal basse fréquence, d’une première valeur de pente à appliquer pour des signaux audio de premier niveau bas prédéterminé, et d’une deuxième valeur de pente à appliquer pour des signaux audio de deuxième niveau haut prédéterminé.
- Procédé selon l’une des revendications 3 et 4, dans lequel l’analyse du signal basse fréquence comporte en outre une détection (64) de silence, et une remise à zéro (66) des paramètres d’augmentation de la dynamique en cas de détection de silence.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, comportant un calcul d’une enveloppe à facteur de crête du signal basse fréquence, et un calcul d’un gain d’expansion du module d’augmentation de la dynamique en fonction de l’enveloppe à facteur de crête.
- Procédé selon la revendication 6, dans lequel le calcul de l’enveloppe à facteur de crête comprend un calcul d’une enveloppe de pic du signal basse fréquence, un calcul d’une enveloppe moyenne du signal basse fréquence, l’enveloppe à facteur de crête étant égale, à un instant temporel, à une différence entre enveloppe de pic et enveloppe moyenne audit instant temporel, exprimées en décibels.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comportant en outre une estimation d’un niveau du signal audio de sortie, représentatif d’un volume sonore effectif en sortie du système audio (2), en fonction d’un niveau estimé du signal audio d’entrée du système audio, et d’une différence entre un deuxième niveau intermédiaire et un premier niveau intermédiaire du signal audio dans le système audio, le deuxième niveau intermédiaire étant le niveau d’un deuxième signal intermédiaire obtenu en sortie d’un limiteur (86) ou d’un gain (84) de sortie du système audio (2).
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, comportant en outre, après application du module (22) d’augmentation de la dynamique, une compensation de phase, pour obtenir un premier signal de sortie du premier traitement du signal basse fréquence.
- Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le premier traitement comporte en outre l’application d’un module (34) de génération d’harmoniques sur le signal basse fréquence, sensiblement en parallèle de l’application du module d’augmentation de la dynamique, et l’application de filtres de mise en forme, pour obtenir un deuxième signal de sortie du premier traitement du signal basse fréquence.
- Système (5) d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences d’un signal audio, le rendu sonore étant effectué par un système audio (2) comportant au moins un haut-parleur (7), comportant un module (4) d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences comportant des filtres (10, 12) de séparation d’un signal audio d’entrée en un signal haute fréquence (SH) et un signal basse fréquence (SL), le système étant configuré pour mettre en œuvre un premier traitement du signal basse fréquence pour obtenir un signal basse fréquence de sortie et un deuxième traitement audio du signal haute fréquence pour obtenir un signal haute fréquence de sortie, et une sommation du signal basse fréquence de sortie et du signal haute fréquence de sortie pour obtenir un signal audio de sortie fourni en entrée d’un ensemble d’blocs (821,…82N) de traitement audio du système audio (2), le module (4) d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences étant caractérisé en ce qu’il comporte, pour ledit premier traitement du signal basse fréquence, un module (22) d’augmentation de la dynamique du signal basse fréquence (SL), paramétré en fonction d’au moins une partie transitoire dudit signal basse fréquence.
- Système selon la revendication 11, dans lequel ledit module (4) d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences comporte un module (26) d’analyse et ajustement temps réel des paramètres un module (22) d’augmentation de la dynamique du signal basse fréquence, comportant un bloc (44) de détection de silence, un bloc (46) de calcul de valeur quadratique moyenne du signal basse fréquence, un bloc (48) de calcul d’un niveau du signal basse fréquence et un bloc (50) de calcul d’une pente du module d’augmentation de la dynamique du signal basse fréquence.
- Système selon l’une des revendications 11 ou 12, dans lequel ledit module (4) d’amélioration du rendu sonore des basses fréquences comporte un module (26) d’analyse et ajustement temps réel des paramètres un module (22) d’augmentation de la dynamique du signal basse fréquence, comportant un bloc (70) de calcul de pic d’une enveloppe du signal basse fréquence, un bloc (72) de calcul de valeur quadratique moyenne du signal basse fréquence, un bloc (74) de calcul d’une enveloppe à facteur de crête, égale à une différence entre enveloppe de pic et enveloppe moyenne exprimées en décibels , et un bloc (76) de calcul de gain d’expansion en fonction de l’enveloppe à facteur de crête.
- Système selon l’une quelconque des revendications 11 à 13, comportant en outre un module (28) d’estimation d’un niveau du signal audio de sortie, représentatif d’un volume sonore effectif en sortie du système audio (2), comportant un bloc (90) d’estimation d’un niveau du signal audio d’entrée du système audio (2), et un bloc (96) d’estimation d’une différence entre un deuxième niveau intermédiaire et un premier niveau intermédiaire du signal audio dans le système audio, le deuxième niveau intermédiaire étant le niveau d’un deuxième signal intermédiaire obtenu en sortie d’un limiteur (86) ou d’un gain (84) de sortie du système audio (2).
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- 2023-02-27 US US18/114,982 patent/US20230276172A1/en active Pending
Patent Citations (2)
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| FR3052951A1 (fr) | 2016-06-20 | 2017-12-22 | Arkamys | Procede et systeme pour l'optimisation du rendu sonore de basses frequences d'un signal audio |
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