JP2008275876A - デジタル音声処理装置及びデジタル音声処理プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】音量レベルが変化しないようにデジタル音声信号を補正する。
【解決手段】極大値から極小値までのサンプル数及び極小値から極大値までのサンプル数と、極大値及び極小値を含む各サンプルと１サンプル前の値との差分値をそれぞれ乗算して、極大値側のサンプルに加算するための第１の可変量と、極小値側のサンプルから減算するための第２の可変量を求めて、第１の可変量のパワーと第２の可変量のパワーを算出し、第１の可変量のパワーと第２の可変量のパワーが同じになるように第１の可変量と第２の可変量を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、デジタル音声信号における時間的に隣接する前後のサンプル間の差分値に応じた可変量を極大値側のサンプルに加算し、極小値側のサンプルから減算することによりデジタル音声信号を補正するデジタル音声処理装置及びデジタル音声処理プログラムに関する。

例えばＣＤ規格では、アナログ音声信号はサンプリング周波数ｆｓ＝４４．１ｋＨｚ、量子化ビット数＝１６ビットでデジタル音声信号に変換されており、サンプリング定理により、２２．０５ｋＨｚの帯域まででカットされている。また、ＤＶＤビデオ規格やＤＶＤオーディオ規格では、ＣＤ信号よりもさらなる豊かな臨場感を得るために、４４．１ｋＨｚより高いサンプリング周波数ｆｓ＝４８ｋＨｚ、９６ｋＨｚ、１９２ｋＨｚ、量子化ビット数＝２４ビットなどが使用されている。

しかしながら、臨場感を得る目的で、既存のＣＤ信号をそのまま１６→２４ビット変換し、ハイサンプリングして４８ｋＨｚなどに変換したとしても、２２．０５ｋＨｚ以上の帯域が発生することは無い。そのため、ＣＤ信号の波形を整形して得られる高周波帯域を元の信号に付加することにより、聴感上豊かな臨場感を再現する方法が提案されている。例えば第１の従来技術として、下記の特許文献１では、前後のサンプリングデータを比較してサンプリングデータの極大値及び極小値を検出し、また、極大値から極小値まで、極小値から極大値までのサンプル数を検出し、さらに極大値及び極小値を除くサンプル毎に前のサンプルとの差分を算出してこれに上記のサンプル数に応じた係数を乗算し、この乗算結果を、極大値を除く極大値に近いサンプルに対しては加算処理を行い、極小値を除く極小値に近いサンプルに対しては減算処理を行っている。

また、第２の従来技術として、下記の特許文献２では、極大値及び極小値についても適用することとし、極大値及び極小値と各々１サンプル前の値との差分に対して所定の係数を乗算し、その乗算結果を極大値に対しては加算処理を行い、極小値に対しては減算処理を行っている。これらの方法によりオリジナルのアナログ信号のようにシャープで、リアリティ、明瞭度のある再生音を得ることが可能となっている。

図２は、特許文献２における従来のデジタル音声処理装置に関するブロック図を示している。ここでは、一例として入出力されるオーディオ信号をｆｓ＝９６ｋＨｚ、量子化ビット数＝２４ビットとしている。極値算出手段１１では、入力されたオーディオ信号をサンプルごとに１つ前のサンプルとの比較を行い、大きいか、小さいか、等しいかを検出し、波形の極大値と極小値を検出する。サンプル数検出手段１２では、得られた極大値と極小値の間に含まれるサンプル数の検出を行う。差分値算出手段１３では、極大値、極小値を含む各サンプルと１サンプル前の値との差分値Δを求める。可変量算出手段１４では、含まれるサンプル数に応じた各係数αを、求めた差分値Δに対して乗算して可変量＝Δ×αを算出する。加減算手段１５では、極大値を含む極大値に近いサンプルに対しては、可変量＝Δ×αを加算する処理を行い、極小値を含む極小値に近いサンプルに対しては、可変量＝Δ×αを減算する処理を行う。
特許第３４０１１７１号公報（請求項１） 特許第３６５９４８９号公報（請求項１）

しかしながら、第１及び第２の従来技術により、小型、簡単かつ安価な回路構成で、狭周波数帯域の音声情報を広周波数帯域の音声情報に変換することが可能であり、その目的は達せられるが、サンプル毎に前のサンプルとの差分Δを算出して、これにサンプル数に応じた係数αを乗算し、この乗算結果＝Δ×αを極大値側のサンプルに対して加算処理を行い、極小値側のサンプルか減算処理を行っているため、加算値／減算値がサンプル毎に異なるので、オリジナルデータが持つ信号パワーを変化させてしまう場合がある。すなわち、加算値の二乗和で求められるパワー総量と、減算値の二乗和で求められるパワー総量が一致しない場合に、音量レベルが変化したと知覚されることが課題となっていた。

図３は従来の波形処理を説明するための図であり、一例を示したものである。この図では、極小値と極大値の間隔がサンプリング周期で３サンプル分存在し、極大値Ｘ３に近いサンプルＸ２、Ｘ４にはそれぞれ可変量＝Δｄ１、Δｄ３が加算され、極小値Ｘ０、Ｘ６にそれぞれ近いサンプルＸ１、Ｘ５には可変量＝Δｄ２、Δｄ４が減算されている。この例では、Δｄ３とΔｄ４の場合は、サンプルＸ３−Ｘ４、Ｘ５−Ｘ６間の差分値が均一であるため、Δｄ３＝Δｄ４であるのに対し、Δｄ１とΔｄ２の場合は、オーディオ信号に急激な立ち上がりが見られるため、Δｄ２＞Δｄ１のように不整合な状態が起こっている。そのため、Δｄ２分の減算処理を行うと、(Δｄ２−Δｄ１）の２乗分のパワーが減少する。

そこで本発明では、デジタル音声信号における時間的に隣接する前後のサンプル間の差分値に応じた可変量を極大値側のサンプルに加算し、極小値側のサンプルから減算することによりデジタル音声信号を補正する場合に、音量レベルが変化しないようにデジタル音声信号を補正することができるデジタル音声処理装置及びデジタル音声処理プログラムを提供することを目的とする。

本発明のデジタル音声処理装置は上記目的を達成するために、オリジナルのデジタル音声情報における時間的に隣接する前後のサンプルを比較することにより極大値と極小値を求める極値算出手段と、
前記極大値から前記極小値までのサンプル数及び前記極小値から前記極大値までのサンプル数を検出するサンプル数検出手段と、
前記極大値及び前記極小値を含む各サンプルと１サンプル前の値との差分をそれぞれ求める差分値算出手段と、
前記サンプル数に応じた各係数に前記各差分値をそれぞれ乗算して、前記極大値側のサンプルに加算するための第１の可変量と、前記極小値側のサンプルから減算するための第２の可変量を求める可変量算出手段と、
前記可変量算出手段により算出された第１の可変量のパワーと第２の可変量のパワーを算出するパワー算出手段と、
前記パワー算出手段により算出された前記第１の可変量のパワーと前記第２の可変量のパワーが同じになるように前記第１の可変量と前記第２の可変量を補正する可変量補正手段と、
前記可変量補正手段により補正された前記第１の可変量を前記極大値側のサンプルに加算し、前記可変量補正手段により補正された前記第２の可変量を前記極小値側のサンプルから減算する加減算手段とを、
有する。

本発明のデジタル音声処理プログラムは上記目的を達成するために、オリジナルのデジタル音声情報における時間的に隣接する前後のサンプルを比較することにより極大値と極小値を求める極値算出ステップと、
前記極大値から前記極小値までのサンプル数及び前記極小値から前記極大値までのサンプル数を検出するサンプル数検出ステップと、
前記極大値及び前記極小値を含む各サンプルと１サンプル前の値との差分をそれぞれ求める差分値算出ステップと、
前記サンプル数に応じた各係数に前記各差分値をそれぞれ乗算して、前記極大値側のサンプルに加算するための第１の可変量と、前記極小値側のサンプルから減算するための第２の可変量を求める可変量算出ステップと、
前記可変量算出ステップにより算出された第１の可変量のパワーと第２の可変量のパワーを算出するパワー算出ステップと、
前記パワー算出ステップにより算出された前記第１の可変量のパワーと前記第２の可変量のパワーが同じになるように前記第１の可変量と前記第２の可変量を補正する可変量補正ステップと、
前記可変量補正ステップにより補正された前記第１の可変量を前記極大値側のサンプルに加算し、前記可変量補正ステップにより補正された前記第２の可変量を前記極小値側のサンプルから減算する加減算ステップとを、
有する。

本発明によれば、極大値側のサンプルに加算するための第１の可変量のパワーと、極小値側のサンプルから減算するための第２の可変量のパワーが同じになるように第１、第２の可変量を補正し、それぞれを極大値側のサンプルに加算し、極小値側から減算するので、極小値−極大値間、極大値−極小値間の信号パワーが、オリジナルデータの持つ信号パワーに保たれるため、音量レベルが変化しないようにデジタル音声信号を補正することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明に係るデジタル音声処理装置及びデジタル音声処理プログラムの一実施の形態についてのブロック図を示している。従来のブロック図（図２）に対して、可変量算出手段１４と加減算手段１５の間に、パワー算出手段２６、可変量補正手段２７が追加された形になっている。パワー算出手段２６では、可変量算出手段１４で求まる可変量のうち、加算に用いられる可変量（加算値）の二乗和で求められるパワー総量と、減算に用いられる可変量（減算値）の二乗和で求められるパワー総量を算出する。可変量補正手段２７では、加算値のパワー総量と減算値のパワー総量の比較により、各パワーが同じになるように加算値、減算値の補償係数を算出し、加算値又は減算値を補償係数により修正する。

以下では、図３の例（Δｄ２＞Δｄ１）を用いてパワー算出手段２６及び可変量補正手段２７について詳しく説明する。パワー算出手段２６では、加算値のパワー総量（Plus_pw)と、減算値のパワー総量（Minus_pw)を求める。図３の例では、以下の式１、式２のように求められる。
Plus_pw＝（Δｄ１）² （式１）
Minus_pw＝（Δｄ２）² （式２）

可変量補正手段２７では、Plus_pw = Minus_pwになるようにパワー総量の大きい側に合わせるための補償係数を算出する。加算値に対する補償係数をratio_p、減算値に対する補償係数をratio_mとすると、以下の式３、式４のように求められる。

ratio_m＝１ （式４）

そして、補償係数(ratio_p、ratio_m)を用いて加算値及び減算値の修正を行う。
Δｄ１’＝（ratio_p×Δｄ１）→Δｄ１ （式５）
Δｄ２’＝（ratio_m×Δｄ２）→Δｄ２ （式６）
以上のことに基づき、一般式を導出することを考える。加算値がｍ個（ｉ＝０〜ｍ−１）存在し、各々をΔＰiと定義し、減算値がｎ個（ｊ＝０〜ｎ−１）存在し、各々をΔＭjと定義すると、

上記と同様に、Plus_pw = Minus_pwになるように、パワー総量の大きい側に合わせるための補償係数を算出することを考える。加算値に対する補償係数をratio_p、減算値に対する補償係数をratio_mとすると以下のように求められる。
(Plus_pw ＞ Minus_pwの場合）
ratio_p＝１ （式９）

(Plus_pw ＜ Minus_pwの場合）

ratio_m＝１ （式１２）
(Plus_pw ＝ Minus_pwの場合）
ratio_p＝ratio_m＝１ （式１３）
以上より、補償係数を用いて修正された加算値をΔP'i、減算値をΔM'jとすると、以下のように計算される。
ΔP'i ＝（ratio_p×ΔPi） （式１４）
ΔM'j ＝（ratio_m×ΔMj） （式１５）

上記で示した一例では、Plus_pw = Minus_pwになるように、パワー総量の大きい側に合わせるための補償係数を算出することを考えたが、パワー総量の小さい側に合わせることも可能である。

また、可変量補正手段２７により修正された加算値及び減算値がそれぞれ、可変量算出手段１４において加算、減算に用いられる可変量を算出する際に用いた差分値よりも小さい値になるように制限を加えてもよい。すなわち、加算に用いられる可変量を算出する際に用いた差分値をＤＰi、 減算に用いられる可変量を算出する際に用いた差分値をＤＭjとすると、（式１４）、（式１５）に対して、次式１６、１７の制限を加えてもよい。
｜ΔＰ'i｜＜｜ＤＰi｜ （式１６）
｜ΔＭ'j｜＜｜ＤＭj｜ （式１７）

また、上記で示した一例では、入力されるオーディオ信号をｆｓ＝９６ｋＨｚ、量子化ビット数＝２４ビットとしているが、ＣＤ規格に準拠したｆｓ＝４４．１ｋＨｚ、量子化ビット数＝１６ビットでもよい。さらにそのオーディオ信号は、リニアＰＣＭ信号に限らず、ＭＰ３、ＡＡＣ符号化方式などにより符号化／復号化処理された結果の信号であってもよい。

本発明に係るデジタル音声処理装置及びデジタル音声処理プログラムの一実施の形態を示すブロック図である。 従来のデジタル音声処理装置を示すブロック図である。 図２における波形処理を説明するための図である。

符号の説明

１１ 極値算出手段
１２ サンプル数検出手段
１３ 差分値算出手段
１４ 可変量算出手段
１５ 加減算手段
２６ パワー算出手段
２７ 可変量補正手段

Claims (4)

1. オリジナルのデジタル音声情報における時間的に隣接する前後のサンプルを比較することにより極大値と極小値を求める極値算出手段と、
   前記極大値から前記極小値までのサンプル数及び前記極小値から前記極大値までのサンプル数を検出するサンプル数検出手段と、
   前記極大値及び前記極小値を含む各サンプルと１サンプル前の値との差分をそれぞれ求める差分値算出手段と、
   前記サンプル数に応じた各係数に前記各差分値をそれぞれ乗算して、前記極大値側のサンプルに加算するための第１の可変量と、前記極小値側のサンプルから減算するための第２の可変量を求める可変量算出手段と、
   前記可変量算出手段により算出された第１の可変量のパワーと第２の可変量のパワーを算出するパワー算出手段と、
   前記パワー算出手段により算出された前記第１の可変量のパワーと前記第２の可変量のパワーが同じになるように前記第１の可変量と前記第２の可変量を補正する可変量補正手段と、
   前記可変量補正手段により補正された前記第１の可変量を前記極大値側のサンプルに加算し、前記可変量補正手段により補正された前記第２の可変量を前記極小値側のサンプルから減算する加減算手段とを、
   有するデジタル音声処理装置。
2. 前記可変量補正手段により補正された前記第１、第２の可変量はそれぞれ、前記差分値算出手段により算出された前記各差分値よりも小さい値であることを特徴とする請求項１に記載のデジタル音声処理装置。
3. オリジナルのデジタル音声情報における時間的に隣接する前後のサンプルを比較することにより極大値と極小値を求める極値算出ステップと、
   前記極大値から前記極小値までのサンプル数及び前記極小値から前記極大値までのサンプル数を検出するサンプル数検出ステップと、
   前記極大値及び前記極小値を含む各サンプルと１サンプル前の値との差分をそれぞれ求める差分値算出ステップと、
   前記サンプル数に応じた各係数に前記各差分値をそれぞれ乗算して、前記極大値側のサンプルに加算するための第１の可変量と、前記極小値側のサンプルから減算するための第２の可変量を求める可変量算出ステップと、
   前記可変量算出ステップにより算出された第１の可変量のパワーと第２の可変量のパワーを算出するパワー算出ステップと、
   前記パワー算出ステップにより算出された前記第１の可変量のパワーと前記第２の可変量のパワーが同じになるように前記第１の可変量と前記第２の可変量を補正する可変量補正ステップと、
   前記可変量補正ステップにより補正された前記第１の可変量を前記極大値側のサンプルに加算し、前記可変量補正ステップにより補正された前記第２の可変量を前記極小値側のサンプルから減算する加減算ステップとを、
   有するデジタル音声処理プログラム。
4. 前記可変量補正ステップにより補正された前記第１、第２の可変量はそれぞれ、前記差分値算出ステップにより算出された前記各差分値よりも小さい値であることを特徴とする請求項３に記載のデジタル音声処理プログラム。

Images