IT201800009948A1 - Metodo di correzione di segnali audio - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

annessa alla domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo: "METODO DI CORREZIONE DI SEGNALI AUDIO”

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un metodo di correzione di segnali audio.

Nell'ambito della riproduzione di suoni, in particolare in ambito musicale, è nota da tempo l'equalizzazione di un segnale audio, che è una tecnica di trattamento del segnale mediante un procedimento di filtraggio per variarne il contenuto timbrico. Tale procedimento si effettua con un apparecchio detto equalizzatore, in cui avviene un'operazione di livellamento delle varie parti dello spettro di frequenze che compongono il segnale.

Questa operazione avviene utilizzando dei filtri predeterminati, che possono essere selezionati da un utente, ma non permettono un adattamento completo alle personali esigenze di ascolto.

La riproduzione di suoni viene effettuata mediante diversi dispositivi e la qualità dell'ascolto varia a seconda del dispositivo utilizzato e dell'ambiente in cui si trova l'utente. Ad esempio le cuffie d'uso comune non riproducono i suoni con alta fedeltà, presentando cali di volume in molti valori di frequenza.

Inoltre ogni utente percepisce il suono in modo personale e diverso dagli altri in quanto l'orecchio umano elabora in modo diverso le onde sonore provenienti da una sorgente. Questi fenomeni portano ad un'esperienza di ascolto dell'utente non ottimale.

Scopo della presente invenzione è quello di permettere un ascolto personalizzato e ottimale del suono per qualsiasi utente.

L'invenzione raggiunge lo scopo mediante un metodo avente le caratteristiche definite nella rivendicazione 1.

Il metodo permette infatti di utilizzare i dati memorizzati a partire dall'esperienza di ascolto di ciascun utilizzatore per determinare il filtro da applicare ai segnali di ingresso e ottenere quindi l'ascolto desiderato.

Vantaggiosamente, il segnale audio riprodotto presenta una prima frequenza e una prima ampiezza, che viene aumentata mantenendo la prima frequenza durante la riproduzione, e la riproduzione viene arrestata quando un utente percepisce il suono. Queste fasi vengono ripetute a diverse frequenze per ottenere una risposta in frequenza dell'utente. Preferibilmente ciascun dato di risposta in frequenza dell'utente memorizzato nel database viene diviso per ciascun valore di riferimento corrispondente per determinare i coefficienti del filtro. Questo permette di considerare la particolarità dell'orecchio di ciascun utente nella percezione del suono riprodotto da un particolare dispositivo.

I segnali audio vengono riprodotti preferibilmente nell'intervallo di frequenza da 20 Hz a 20KHz, in modo da tener conto di tutto lo spettro di frequenze che l'orecchio umano può percepire.

In una realizzazione vantaggiosa, il metodo comprende una fase di ridimensionamento e normalizzazione della funzione di trasferimento del filtro, per eliminare la dipendenza dei risultati dal volume di riproduzione del dispositivo utilizzato e dal rumore presente durante la riproduzione stessa.

L'invenzione riguarda inoltre un programma per elaboratore avente le caratteristiche definite nella rivendicazione 7.

Ulteriori vantaggi e caratteristiche della presente invenzione saranno maggiormente evidenti nella descrizione dettagliata che segue, fatta con riferimento ai disegni allegati, che ne rappresentano un esempio non limitativo di esecuzione, in cui:

-la figura 1 illustra un esempio di risposta di un utente rispetto ad una risposta standard per l’orecchio destro e l’orecchio sinistro in una realizzazione preferita del metodo secondo la presente invenzione;

-la figura 2 illustra lo spettro del segnale audio prima e dopo l'applicazione del filtro in una realizzazione preferita del metodo secondo la presente invenzione;

-la figura 3 illustra uno schema a blocchi delle fasi di determinazione dei dati da memorizzare nel database in una realizzazione preferita del metodo secondo la presente invenzione;

-la figura 4 illustra uno schema a blocchi della fase di calcolo del filtro in una realizzazione preferita del metodo secondo la presente invenzione; -la figura 5 illustra uno schema a blocchi della fase di applicazione del filtro in una realizzazione preferita del metodo secondo la presente invenzione.

Il metodo di correzione di segnali audio secondo la presente invenzione comprende una prima fase di attivazione della riproduzione di un suono proveniente da una sorgente audio, in cui il suono corrisponde ad un segnale audio avente determinate caratteristiche. Almeno una caratteristica del segnale audio viene variata e la riproduzione viene poi arrestata in un determinato istante (t). Viene poi memorizzato in un database almeno un dato relativo alle caratteristiche del segnale all'istante (t) di arresto della riproduzione. Il dato memorizzato viene quindi confrontato con almeno un rispettivo dato di riferimento presente nel database per calcolare un filtro adattato alla differenza tra il dato memorizzato e il dato di riferimento. Il metodo prevede poi di applicare il filtro alla sorgente audio.

Nel metodo secondo la presente invenzione il filtro viene quindi calcolato in base ad un'esperienza di ascolto da parte dell'utente, che attiva e arresta la riproduzione a seconda dell’istante in cui percepisce il segnale audio. In questo modo è possibile ottenere un'equalizzazione personalizzata. Inoltre l'equalizzazione può essere integrata nei più comuni riproduttori.

In una realizzazione vantaggiosa, il metodo prevede di attivare la riproduzione di un suono corrispondente ad un segnale audio ad una prima frequenza avente una prima ampiezza; aumentare l'ampiezza del segnale mantenendo la prima frequenza; e arrestare la riproduzione quando un utente percepisce il suono. In particolare, l’ampiezza viene variata secondo la seguente legge: ampiezza=1.5<t >, in cui t è il tempo. Questa legge esponenziale garantisce un graduale aumento dell’intensità del suono a volumi molto bassi (al fine di aumentare la precisione del test) assicurando allo stesso tempo una durata ridotta della fase di test. Il dato memorizzato nel database corrisponde all’ampiezza normalizzata.

Preferibilmente, queste fasi vengono ripetute a diverse frequenze, in modo da memorizzare nel database i dati relativi alla risposta in frequenza dell'utente. In particolare, le fasi vengono ripetute prima per un orecchio dell'utente poi per l'altro orecchio. Questo permette di tenere conto della particolare percezione del suono utente per utente dovuta alle caratteristiche fisiche dell'orecchio.

Secondo tale realizzazione vantaggiosa, l'utente effettua una prima volta la sequenza di fasi di attivazione della riproduzione, variazione del segnale, arresto della riproduzione e memorizzazione per il primo orecchio.

L’utente attiva, ad esempio premendo un tasto, la riproduzione del suono, che corrisponde ad un segnale audio ad una prima frequenza e ad una ampiezza che viene via via incrementata in modo da aumentare il volume del suono. L'ampiezza viene aumentata fino a quando l'utente avverte il suono. Quando l'utente avverte il suono, arresta la riproduzione, ad esempio sempre premendo un tasto, e la frequenza e l'ampiezza del segnale vengono memorizzate in un database.

Il segnale viene poi impostato ad una seconda frequenza, ad esempio sempre premendo un tasto. L'utente attiva quindi la riproduzione del suono corrispondente ad un segnale audio a questa seconda frequenza. Il segnale viene riprodotto ad ampiezze via via crescenti fino a quando l'utente avverte il suono. Quando avverte il suono, l’utente arresta la riproduzione. La seconda frequenza e l'ampiezza del segnale avvertito dall'utente vengono memorizzate nel database.

Preferibilmente la sequenza comprende la riproduzione di toni sinusoidali puri a frequenze e intensità via via crescenti.

La procedura viene ripetuta incrementando la frequenza preferibilmente da 20 Hz fino a 20 Khz, ad esempio per un totale di 29 step.

La sequenza viene poi ripetuta per l'altro orecchio.

Infine vengono memorizzati i risultati per segnali a diverse frequenze e corrispondenti ampiezze, che corrispondono alla risposta in frequenza dell'utente (HR(f)).

Sulla base di questi risultati viene impostata la correzione.

I dati memorizzati vengono confrontati con dati di riferimento, ad esempio secondo lo standard ISO. Viene quindi implementato un filtro adattato alla differenza fra risposta in frequenza dell'utente e risposta standard, che viene poi applicato alla sorgente audio. Ne risulta una compensazione del volume solo alle frequenze in cui la risposta dell'utente si discosta da quella standard.

Questa procedura differisce dalle comuni equalizzazioni poiché il filtro adattato viene ottenuto confrontando la risposta dell'utente, in particolare la risposta dell’orecchio dell’utente, con quella standard. Ciò garantisce una perfetta correzione delle imperfezioni introdotte dallo strumento di riproduzione e dall'orecchio dell'ascoltatore.

Al fine di ottenere i parametri del filtro equalizzatore, il metodo prevede vantaggiosamente di dividere la risposta ideale per la risposta dell'utente per elidere le differenze fra i due, come mostrato nelle equazioni 1,2 e 3.

   YI(f) = X(f) x HI(f)

(1)

Y<R>(f) = X(f) x H<R>(f)

(2)

C(f) = H<I>(f) / H<R>(f) (3)

Dove:

• X(f) è la trasformata di Fourier del segnale audio.

• Y<I>(f) è lo spettro idealmente ricevuto.

• YR(f) è lo spettro realmente ricevuto.

• HI(f) è la risposta standard dell'orecchio.

• H<R>(f) è la risposta reale dell'utente.

• C(f) è l'equalizzatore.

 

In figura 1 viene mostrato un esempio della differenza fra risposta ideale e risposta dell'utente per l'orecchio sinistro e per l'orecchio destro.

Per utilizzare il filtro è sufficiente moltiplicare i parametri dell'equalizzatore per i campioni della trasformata di Fourier dell'audio (4) che si intende adattare all'orecchio dell'utente.

YI(f) = YR(f) x C(f) = X(f) x HR(f) x C(f) =

(4)

= X(f) x H<R>(f) x (H<I>(f) / H<R>(f)) = X(f) x H<I>(f)

 

      

La figura 2 illustra lo spettro del segnale audio prima e dopo l'equalizzazione per l'orecchio sinistro e per l'orecchio destro.

In una realizzazione vantaggiosa, nella sequenza di riproduzione del suono viene generato inizialmente un tono sinusoidale x<n>(f) con n = 1, 2, …,N, alla frequenza

f = fp, con frequenza di campionamento fs = 44.1 KHz e durata T = 10 s.

xn = sin (2 π (f / fs) n T), n = 1, 2, … ,N

(5)

N = fsT, (6)

Viene poi generata una funzione esponenziale, i cui campioni yn vengono definiti come segue:

yn = Ks<n >(7)

dove sn è un vettore di N numeri reali equispaziati nel range [-S, 0] e K una costante arbitraria.

Negli esempi sopra riportati sono stati utilizzati i valori K = 1,5 e S = 50. Negli esempi sopra riportati sono stati utilizzati i valori K = 1,5 e S = 50. Viene quindi effettuato il prodotto elemento per elemento tra la sinusoide e la funzione esponenziale ottenendo come risultato la funzione z<n>, sinusoide di intensità esponenzialmente crescente nel tempo.

z<n >= x<n>y<n >(9) A questo punto tale segnale viene riprodotto dal sistema audio (speaker, cuffie, ecc.). Non appena l'intensità del segnale supera la soglia di udibilità dell'utente, questi interrompe la riproduzione e l'ampiezza corrente del segnale viene memorizzata nel vettore D alla posizione p-esima.

Tale procedura viene reiterata per i seguenti valori di frequenza:

f = [25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000,1250, 1600, 2000, 2500, 3150, 4000, 5000, 6300, 8000, 10000, 12500] Hz

In una realizzazione vantaggiosa, per calcolare il filtro, i valori collezionati nel vettore D, che rappresentano la risposta in frequenza dell'orecchio dell'utente, vengono divisi elemento per elemento per i valori della risposta standard contenuti nel vettore W.

Rp =Dp / Wp (10)

Il vettore R contiene una prima versione dei coefficienti del filtro equalizzatore. Segue quindi una procedura di ridimensionamento e normalizzazione della funzione di trasferimento del filtro. Il vettore R viene diviso per la sua dinamica (∆R = Rmax - Rmin) e moltiplicato per un coefficiente α detto fattore di ridimensionamento.

R’ = (R / ∆R) α (11) A questo punto viene applicato un offset per riportare il vettore dei coefficienti nel range [1 – α, 1].

R’’ = R’ – R’<M AX >+ 1 (12)

Viene infine eseguita una regressione lineare al fine di ottenere una curva più densa di punti in frequenza.

B = LinReg{R’’} = θ<0 >+ θ<1>R’’ θ <2>R’’<2>+ … (13)

Questi passaggi di normalizzazione premettono di eliminare la dipendenza dei risultati del test dal volume di riproduzione del dispositivo utilizzato e dal rumore presente durante lo stesso. Assumendo rumore di fondo e volume di riproduzione costanti durante la fase di test audiometrico, il loro effetto si traduce in un offset applicato ai risultati ottenuti.

Tramite la procedura precedentemente descritta tale offset viene eliminato. Inoltre a valle di questa procedura il filtro equalizzatore evita il fenomeno di clipping, in quanto il segnale viene modulato in modo da non eccedere mai la dinamica di riproduzione del dispositivo.

Il fattore di ridimensionamento α può essere settato dall'utente nell'intervallo [0, 1] e permette di regolare l'intensità del filtraggio, questo valore rappresenta il valore limite di attenuazione che può applicare il filtro, ciò significa che se il valore viene settato a 0 al filtro è concesso di eliminare completamente una determinata frequenza, se il valore viene settato a 0.5 il filtro può al massimo dimezzare l’intensità di tale frequenza, se viene settato a 1 il filtro diventa trasparente e non ha più alcun effetto. E' quindi possibile una correzione mirata del suono a seconda della percezione dell'orecchio del singolo utente. Inoltre, è possibile migliorare la qualità delle sorgenti audio (speakers, cuffie...) e permettere un'esperienza di ascolto totalmente indipendente dal tipo di sorgente.

Viene quindi eseguita la FFT (Fast Fourier Transform) a finestra scorrevole del segnale audio da equalizzare e viene successivamente moltiplicata elemento per elemento per la funzione di trasferimento del filtro B. Infine si esegue la IFFT del segnale ottenuto per rendere il segnale audio riproducibile.

Tale procedura viene effettuata a valle del software di riproduzione audio direttamente sul segnale in uscita dal dispositivo (PC, smartphone, tablet, ecc.).

Il metodo secondo la presente invenzione permette quindi di realizzare un equalizzatore audio personalizzato indipendente. L’equalizzatore è integrabile nei più comuni riproduttori e l’esperienza di ascolto risulta totalmente indipendente al tipo di sorgente. Inoltre l’equalizzazione può essere effettuata anche tenendo conto delle caratteristiche fisiche dell’utente e della personale percezione del suono.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo di correzione di segnali audio comprendente le fasi di: a)attivare la riproduzione di un suono proveniente da una sorgente audio, in cui il suono corrisponde ad un segnale audio avente determinate caratteristiche; b)variare almeno una del segnale audio; c)arrestare la riproduzione in un determinato istante (t); d)memorizzare in un database almeno un dato relativo alle caratteristiche del segnale all'istante (t) di arresto della riproduzione; e) confrontare il dato memorizzato con almeno un rispettivo dato di riferimento presente nel database per calcolare un filtro adattato alla differenza tra il dato memorizzato e il dato di riferimento; f) applicare il filtro alla sorgente audio.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che nella fase a) il segnale audio presenta una prima frequenza e una prima ampiezza; nella fase b) viene aumentata l'ampiezza del segnale mantenendo la prima frequenza e la fase c) avviene nell’istante (t) in cui un utente percepisce il segnale audio.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto di ripetere le fasi a), b), c) a diverse frequenze per ottenere una risposta in frequenza dell'utente.
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto di riprodurre segnali audio nell'intervallo di frequenza da 20 Hz a 20KHz.
5. 5. Metodo secondo una la rivendicazione 3 o 4, caratterizzato dal fatto che ciascun dato di risposta in frequenza dell'utente memorizzato nel database viene diviso per ciascun valore di riferimento corrispondente per determinare i coefficienti del filtro.
6. 6. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere una fase di ridimensionamento e normalizzazione della funzione di trasferimento del filtro.
7. 7. Programma per elaboratore, caratterizzato dal fatto di comprendere istruzioni per l'esecuzione delle fasi del metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.