JP2009294501A - オーディオ信号補間装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】
圧縮処理により高周波成分が失われたオーディオ信号に対して、基音部との相関性がよい高周波成分を補間することができ、また、高周波成分が補間されたオーディオ信号において、ユーザの視聴環境に応じたチャンネル数を変換することができるオーディオ信号補間装置を提供する。
【解決手段】
オーディオ信号に高周波帯域を補間する高域補間手段と、高域補間手段により高周波帯域が補間されたオーディオ信号から複数のチャンネルのオーディオ信号を生成する信号生成手段と、信号生成手段により生成されるオーディオ信号のチャンネル数を設定するチャンネル設定手段とを備える。
【選択図】 図1

Description

本発明は、オーディオ信号に高周波帯域を補間するオーディオ信号補間装置に関する。
MP3(MPEG Audio Later-3)等のオーディオデータは、圧縮処理をする際に高域(例えば16kHz以上)の高周波成分の信号がカットされている。このため、MP3等の圧縮処理されたオーディオデータは、圧縮処理される前のオーディオ信号と比べて音質が悪くなる。このようなオーディオデータを高音質で再生するために、例えば特許文献1に開示されているように、圧縮処理により失われた高周波成分をオーディオデータに補間して再生する手段がある。
特開2002−175092号公報
特許文献1に開示されている手段は、帯域制限されたオーディオ信号の高周波成分の一部を複写し、このオーディオ信号に複写した高周波成分を追加することにより、圧縮処理により失われた高周波成分を補間する。このような補間の手段では、追加する高周波成分とオーディオ信号の基音部との相関性が薄く、ユーザにとって補間されたオーディオ信号が不自然に聴こえる虞がある。
また、ユーザの視聴環境が例えば5.1チャンネルサラウンドシステムである場合、再生するオーディオ信号のチャンネル数が5.1チャンネルでなければ、設置されたスピーカを有効に利用したサラウンド再生をすることができないという問題がある。特に、MP3等の圧縮処理されたオーディオデータはチャンネル数が2チャンネルであるため、このような問題が発生する。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、圧縮処理により高周波成分が失われたオーディオ信号に対して、基音部との相関性がよい高周波成分を補間することができるオーディオ信号補間装置を提供することを目的とする。また、高周波成分が補間されたオーディオ信号において、ユーザの視聴環境に応じて、オーディオ信号のチャンネル数を変換することができるオーディオ信号補間装置を提供することを特徴とする。
上記の課題を解決するために、本発明におけるオーディオ信号補間装置は、オーディオ信号に高周波帯域を補間する高域補間手段と、前記高域補間手段により高周波帯域が補間されたオーディオ信号から複数のチャンネルのオーディオ信号を生成する信号生成手段と、前記信号生成手段により生成されるオーディオ信号のチャンネル数を設定するチャンネル設定手段とを備えることを特徴とする。
また、上記のオーディオ信号補間装置において、前記高域補間手段は、第1のオーディオ信号および第2のオーディオ信号を入力する入力手段と、前記入力手段から入力された第1のオーディオ信号および第2のオーディ信号を遅延させる遅延手段と、前記入力手段から入力された第1のオーディオ信号と第2のオーディオ信号を同位相成分信号と差位相成分信号に分割する位相分割手段と、前記同位相成分信号および前記差位相成分信号に高周波成分を補間する処理を施す補間処理手段と、前記補間処理手段により高周波成分が補間された同位相成分信号と差位相成分信号を合成し、第3のオーディオ信号と第4のオーディオ信号を出力する位相合成手段と、前記位相合成手段から出力された第3のオーディオ信号にハイパスフィルタ処理を施す第1のハイパスフィルタ手段と、前記位相合成手段から出力された第4のオーディオ信号にハイパスフィルタ処理を施す第2のハイパスフィルタ手段と、前記遅延手段により遅延された第1のオーディオ信号と前記第1のハイパスフィルタ手段から出力された信号を加算する第1の加算処理部と、前記遅延手段により遅延された第2のオーディオ信号と前記第2のハイパスフィルタ手段から出力された信号を加算する第2の加算処理部とを備えることを特徴とする。
また、上記のオーディオ信号補間装置において、前記補間処理手段は、前記同位相成分信号および前記差位相成分信号のカットオフ周波数を検出するカットオフ周波数検出手段と、前記カットオフ周波数検出手段により検出された前記同位相成分信号のカットオフ周波数における包絡線情報を生成し、前記カットオフ周波数検出手段により検出された前記差位相成分信号のカットオフ周波数における包絡線情報を生成する包絡線生成手段と、前記同位相成分信号の包絡線情報に応じて前記同位相成分信号のカットオフ周波数より高周波成分を補間する周波数帯域を定め、当該周波数帯域を補間し前記差位相成分信号の包絡線情報に応じて前記差位相成分信号のカットオフ周波数から高周波成分を補間する周波数帯域を定め当該周波数帯域を補間する高周波成分補間手段とを備えることを特徴とする。
また、上記のオーディオ信号補間装置において、前記高周波成分補間手段が高周波成分を補間する周波数帯域は、所定のナイキスト周波数以下であることを特徴とする。
本発明によれば、圧縮処理により高周波成分が失われたオーディオ信号に対して、基音部との相関性がよい高周波成分を補間することができるオーディオ信号補間装置を提供することができる。また、高周波成分が補間されたオーディオ信号において、ユーザの視聴環境に応じて、オーディオ信号のチャンネル数を変換することができるオーディオ信号補間装置を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の一実施例であるオーディオ信号補間装置の構成を示すブロック図である。図1に示すように、本実施例のオーディオ信号補間装置10は、入力部20、高域補間部30、信号生成部40、DAC(Digital to Analog Converter)50、出力部60、チャンネル設定部70、制御部80を備える。本実施例のオーディオ信号補間装置は、AVアンプやMP3等の圧縮オーディオデータが再生可能なプレーヤに備えられる。
本実施例のオーディオ信号補間装置10は、デジタル信号である2チャンネルのステレオオーディオ信号を入力部20から入力する。入力された左チャンネル(Lch)のオーディオ信号と右チャンネル(Rch)のオーディオ信号は、高域補間部30により高周波成分が補間される。信号生成部40は、高周波成分が補間されたLchおよびRchのオーディオ信号から3チャンネル以上のオーディオ信号を生成する。DAC50は、信号生成部40からチャンネル毎に入力されたオーディオ信号をアナログ信号に変換する。
出力部60は、チャンネルに対応した出力端子を備える。アナログ信号に変換されたオーディオ信号は、出力部60の出力端子に接続されたスピーカにより再生される。チャンネル設定部70は、信号生成部40により生成されるオーディオ信号のチャンネル数を設定する。制御部80は、チャンネル設定部70により設定されたチャンネル数のオーディオ信号を生成するように信号生成部70を制御するとともに、本実施例のオーディオ信号補間装置10を統括的に制御する。
図2は、本実施例の高域補間部30の構成を示すブロック図である。図2に示すように、高域補間部30は、位相分割部31、補間処理部32、位相合成部33、フィルタ部34、加算処理部35、遅延部36、遅延部37を備える。
図2に示すように、入力部20から入力されたLchのオーディオ信号は位相分割部31と遅延部36に入力され、入力部20からRchのオーディオ信号は位相分割部31と遅延部37に入力される。位相分割部31は、合成部311および合成部312を備え、入力部20から入力されたLchおよびRchのオーディオ信号を同位相成分|L+R|と差位相成分|L-R|の信号に分割する。同位相成分信号は、合成部311によりLchのオーディオ信号とRchのオーディオ信号を合成することにより得られる。差位相成分信号は、合成部312によりLchのオーディオ信号を反転させRchのオーディオ信号と合成することにより得られる。
補間処理部32は、位相分割部31から入力された同位相成分信号に高周波成分を補間する処理を施すために、カットオフ周波数検出部321、包絡線生成部322および補間部323を備える。カットオフ周波数検出部321は、高速フーリエ変換等を用いてスペクトル解析をし、入力された同位相成分信号のカットオフ周波数fcを検出する。包絡線生成部322は、カットオフ周波数検出部321によるスペクトル解析から求めた同位相成分信号のスペクトル分布からケプストラム分析をすることにより、検出されたカットオフ周波数fcにおける包絡線情報を生成する。補間部323は、生成された包絡線情報に応じて、カットオフ周波数fcから高周波成分を補間する周波数帯域を定め、同位相成分信号の当該周波数帯域に高周波成分を補間する。
また、補間処理部32は、位相分割部31から入力された差位相成分信号に高周波成分を補間する処理を施すために、カットオフ周波数検出部324、包絡線生成部325および補間部326を備える。カットオフ周波数検出部324は、高速フーリエ変換等を用いてスペクトル解析をし、入力された差位相成分信号のカットオフ周波数fcを検出する。包絡線生成部325は、カットオフ周波数検出部324によるスペクトル解析から求めた差位相成分信号のスペクトル分布からケプストラム分析をすることにより、検出されたカットオフ周波数fcにおける包絡線情報を生成する。補間部326は、生成された包絡線情報に応じて、カットオフ周波数fcから高周波成分を補間する周波数帯域を定め、補間処理部32に入力された差位相成分信号の当該周波数帯域に高周波成分を補間する。
位相合成部33は、合成部331および合成部332を備え、補間処理部32から入力された同位相成分信号と差位相成分信号を合成し、Lchのオーディオ信号とRchのオーディオ信号を出力する。合成部331は、同位相成分信号と差位相成分信号を合成することにより得られるLchのオーディオ信号を出力する。合成部332は、反転させた同位相成分信号と差位相成分信号を合成することにより得られるRchのオーディオ信号を出力する。
フィルタ部34は、ハイパスフィルタ341およびハイパスフィルタ342を備える。ハイパスフィルタ341は、カットオフ周波数検出部321が検出したカットオフ周波数fcで、合成部331から出力されたLchのオーディオ信号の低周波成分を除去する。ハイパスフィルタ342は、カットオフ周波数検出部324が検出したカットオフ周波数fcで、合成部332から出力されたRchのオーディオ信号の低周波成分を除去する。
加算処理部35は、加算部351および加算部352を備える。加算部351は、ハイパスフィルタ341から出力された低周波成分が除去されたLchのオーディオ信号と遅延部36から出力されたLchのオーディオ信号を加算する。加算部352は、ハイパスフィルタ342から出力された低周波成分が除去されたRchのオーディオ信号と遅延部37から出力されたRchのオーディオ信号を加算する。
遅延部36は、位相分割部31、補間処理部32、位相合成部33およびフィルタ部34の処理により生じる位相遅れに相当する時間だけ入力部20から入力されたLchのオーディオ信号を遅延させる。遅延部37は、入力部20から入力されたRchのオーディオ信号を、位相分割部31、補間処理部32、位相合成部33およびフィルタ部35の処理により生じる位相遅れに相当する時間だけ遅延させる。
次に、本実施例のオーディオ信号補間装置10における補間処理部32による補間処理について説明する。図3は、高周波成分の補間処理を説明する図である。
図3(a)に示す同位相成分信号のスペクトルを表すグラフにおいて、fcはカットオフ周波数検出部321が検出した同位相成分信号のカットオフ周波数であり、fnはナイキスト周波数である。図3(b)に示す差位相成分信号のスペクトルを表すグラフにおいて、fcはカットオフ周波数検出部324が検出した差位相成分信号のカットオフ周波数であり、fnはナイキスト周波数である。オーディオ信号補間装置10に入力されるオーディオ信号はステレオ信号であるため、図3(a)に示すカットオフ周波数fcと図3(b)に示すカットオフ周波数fcは実質的に同じ周波数であり、図3(a)に示すナイキスト周波数fnと図3(b)に示すナイキスト周波数fnも実質的に同じ周波数となる。ステレオオーディオ信号がMP3等の圧縮処理されたオーディオデータである場合、カットオフ周波数fcは16kHzとなる。また、ナイキスト周波数fnは、例えば22.05kHzである。
図3(a)に示す包絡線は、包絡線生成部322により生成されたカットオフ周波数fcにおける包絡線であり、その傾きをCOMMと表す。図3(b)に示す包絡線は、包絡線生成部325により生成されたカットオフ周波数fcにおける包絡線であり、その傾きをDIFFと表す。本実施例において、同位相成分信号の包絡線の傾きCOMMは、差位相成分信号の包絡線の傾きDIFFより急峻となる。これは、一般的にステレオオーディオ信号では、エコー成分、残響成分やリバーブ成分などの高調波成分は、差位相成分信号の高音域まで多く含まれているためである。また、ボーカル音や楽器の基音などの高調波成分は、同位相成分信号に含まれていることが多く、高音域になるにつれて減衰するためである。
通常、オーディオ信号は、高音域になるにつれてスペクトラム成分が減少する。このため、上述したように、同位相成分信号と差位相成分信号も高音域になるにつれてスペクトラム成分が減少するが、その減少の仕方に違いが生じる。本実施例では、このスペクトラム成分の減少の違いを利用して、同位相成分信号と差位相成分信号のカットオフ周波数fcにおける包絡線上に沿って高周波成分を補間することにより、より原音に近い信号になるように補間することが可能になる。
補間処理部32において、補間部323は、入力された同位相成分信号を高速フーリエ変換解析し周波数シフト処理等を施すことにより、カットオフ周波数fcから傾きCOMMの包絡線に沿ってナイキスト周波数まで間の周波数帯域に高周波成分を補間する。図3(a)に示すように、包絡線と周波数軸の交点の周波数fがナイキスト周波数fnより低い場合(すなわち、fc<f<fnの場合)、補間部323は、カットオフ周波数fcからその交点の周波数fまでの周波数帯域に高周波成分を補間する。このようにして、補間部323により同位相成分信号に補間された高周波成分は、図3(a)に示す斜線部の領域となる。
また、補間部326は、入力された差位相成分信号を高速フーリエ変換解析し周波数シフト処理等を施すことにより、カットオフ周波数fcから傾きDIFFの包絡線に沿ってナイキスト周波数まで間の周波数帯域に高周波成分を補間する。図3(b)に示すように、包絡線と周波数軸の交点の周波数fはナイキスト周波数fnより高くなるため、補間部326は、カットオフ周波数fcからナイキスト周波数fnまでの周波数帯域に高周波成分を補間する。このようにして、補間部326により差位相成分信号に補間された高周波成分は、図3(b)に示す斜線部の領域となる。
図3に示すように高周波成分が補間された同位相成分信号および差位相成分信号は、位相合成部33により合成されLchのオーディオ信号およびRchのオーディオ信号となる。このLchおよびRchのオーディオ信号は、フィルタ部34によりカットオフ周波数fcにおいて低周波成分が除去され、補間処理部32により補間されたLchおよびRchの高周波成分が抽出される。
フィルタ部34により抽出されたLchおよびRchの高周波成分は、加算処理部35によりそれぞれ遅延部36および遅延部37から出力されたLchおよびRchのオーディオ信号に加算される。ここで、加算処理部35に入力されるLchおよびRchオーディオ信号は、補間処理部32により補間処理されるオーディオ信号と同一のオーディオ信号となるように、遅延部36および遅延部37によって遅延されたものである。
以上のように、本実施例の高域補間部30は、圧縮処理により高周波成分が失われたオーディオ信号に対して、基音部との相関性がよい高周波数成分を補間することができる。これにより、ユーザにとって、高周波成分が補間されたオーディオ信号が不自然に聴こえるようなことがなくなる。
次に、本実施例のオーディオ信号補間装置10において、信号生成部40がLchおよびRchのオーディオ信号から、3チャンネルのオーディオ信号を生成する信号処理について説明する。図4は、5.1チャンネルのオーディオ信号を生成する信号生成部40の構成を示す図である。信号生成部40は、制御部80の制御により、チャンネル設定部80により設定されたチャンネル数のオーディオ信号を生成する。ここで、本実施例の信号生成部40は、5.1チャンネルの他に、4チャンネルや7.1チャンネル等のオーディオ信号を生成することが可能である。
図4に示すように、信号生成部40は、高域補間部30から高周波数成分が補間されたLchおよびRchのオーディオ信号が入力される。信号生成部40は、サラウンド左チャンネル(SLch)のオーディオ信号を生成するために、図中に示すA1において、Lchのオーディオ信号とRchのオーディオ信号が逆相であり、かつ、Lchのオーディオ信号のレベルが高い成分から、SLchのオーディオ信号を生成する信号処理をする。また、サラウンド右チャンネル(SRch)のオーディオ信号を生成するために、信号生成部40は、図中に示すA2において、Lchのオーディオ信号とRchのオーディオ信号が逆相であり、かつ、Rchのオーディオ信号のレベルが高い成分から、SRchのオーディオ信号を生成する信号処理をする。
信号生成部40は、センターチャンネル(Cch)のオーディオ信号を生成するために図中に示すA3において、Lchのオーディオ信号とRchのオーディオ信号の同相成分から、Cchのオーディオ信号を生成する信号処理をする。また、サブウーファーチャンネル(SWch)のオーディオ信号を生成するために、信号生成部40は、図中に示すA4において、Lchのオーディオ信号とRchのオーディオ信号の低域成分から、SWchのオーディオ信号を生成する信号処理をする。
チャンネル設定部70は、信号生成部40により生成されるオーディオ信号のチャンネル数を設定するために、ユーザがチャンネル数を入力する入力素子を備える。入力素子としては、設定可能なチャンネル数に対応する入力ボタンやオンスクリーンディスプレイなどがある。チャンネル設定部70において設定可能なチャンネル数には、5.1チャンネルの他に、4チャンネルや7.1チャンネル等がある。
以上のように、本実施例のオーディオ信号補間装置10は、信号生成部40において、ユーザにより設定されたチャンネル数のオーディオ信号を高周波成分が補間された2チャンネルのオーディオ信号から生成することができる。これにより、ユーザの視聴環境に応じたチャンネル数にオーディオ信号を変換することができ、設置されているスピーカを有効に利用してサラウンド再生をすることができる。
上述したように、本実施例のオーディオ信号補間装置は、圧縮処理により高周波成分が失われたオーディオ信号に基音部との相関性がよい高周波成分を補間することができるとともに、高周波成分が補間されたオーディオ信号をユーザの視聴環境に応じたチャンネル数に変換することができる。
本実施例のオーディオ信号補間装置の構成を示すブロック図。 高域補間部30の構成を示すブロック図。 高周波成分の補間処理を説明する図。 5.1チャンネルのオーディオ信号を生成する信号生成部40の構成を示す図。
符号の説明
10…オーディオ信号補間装置、20…入力部、30…高域補間部、31…位相分割部、32…補間処理部、33…位相合成部、34…フィルタ部、35…加算処理部、36…遅延部、37…遅延部、40…変換部、50…DAC、60…出力部、70…設定部、80…制御部、311…合成部、312…合成部、321…カットオフ周波数検出部、322…包絡線生成部、323…補間部、324…カットオフ周波数検出部、325…包絡線生成部、326…補間部、331…合成部、332…合成部、341…ハイパスフィルタ、342…ハイパスフィルタ、351…加算部、352…加算部

Claims (4)

  1. オーディオ信号に高周波帯域を補間する高域補間手段と、
    前記高域補間手段により高周波帯域が補間されたオーディオ信号から複数のチャンネルのオーディオ信号を生成する信号生成手段と、
    前記信号生成手段により生成されるオーディオ信号のチャンネル数を設定するチャンネル設定手段とを備えることを特徴とするオーディオ信号補間装置。
  2. 請求項1に記載のオーディオ信号補間装置において、
    前記高域補間手段は、
    第1のオーディオ信号および第2のオーディオ信号を入力する入力手段と、
    前記入力手段から入力された第1のオーディオ信号および第2のオーディ信号を遅延させる遅延手段と、
    前記入力手段から入力された第1のオーディオ信号と第2のオーディオ信号を同位相成分信号と差位相成分信号に分割する位相分割手段と、
    前記同位相成分信号および前記差位相成分信号に高周波成分を補間する処理を施す補間処理手段と、
    前記補間処理手段により高周波成分が補間された同位相成分信号と差位相成分信号を合成し、第3のオーディオ信号と第4のオーディオ信号を出力する位相合成手段と、
    前記位相合成手段から出力された第3のオーディオ信号にハイパスフィルタ処理を施す第1のハイパスフィルタ手段と、
    前記位相合成手段から出力された第4のオーディオ信号にハイパスフィルタ処理を施す第2のハイパスフィルタ手段と、
    前記遅延手段により遅延された第1のオーディオ信号と前記第1のハイパスフィルタ手段から出力された信号を加算する第1の加算処理部と、
    前記遅延手段により遅延された第2のオーディオ信号と前記第2のハイパスフィルタ手段から出力された信号を加算する第2の加算処理部とを備えることを特徴とするオーディオ信号補間装置。
  3. 請求項1または請求項2に記載のオーディオ信号補間装置において、
    前記補間処理手段は、前記同位相成分信号および前記差位相成分信号のカットオフ周波数を検出するカットオフ周波数検出手段と、
    前記カットオフ周波数検出手段により検出された前記同位相成分信号のカットオフ周波数における包絡線情報を生成し、前記カットオフ周波数検出手段により検出された前記差位相成分信号のカットオフ周波数における包絡線情報を生成する包絡線生成手段と、
    前記同位相成分信号の包絡線情報に応じて前記同位相成分信号のカットオフ周波数より高周波成分を補間する周波数帯域を定め、当該周波数帯域を補間し前記差位相成分信号の包絡線情報に応じて前記差位相成分信号のカットオフ周波数から高周波成分を補間する周波数帯域を定め当該周波数帯域を補間する高周波成分補間手段とを備えることを特徴とするオーディオ信号補間装置。
  4. 請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載のオーディオ信号補間装置において、
    前記高周波成分補間手段が高周波成分を補間する周波数帯域は、所定のナイキスト周波数以下であることを特徴とするオーディオ信号補間装置。
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