JP2012524440A - オーディオ信号の処理 - Google Patents

Abstract

オーディオ信号は、オーディオ出力装置を通して演奏されるときオーディオ信号の知覚される低周波含有量を増やすため処理される。オーディオ入力信号２０１が受信され、高周波信号２０４と低周波信号２０３を作るために前記オーディオ入力信号がフィルタリングされ、自己畳み込みプロセスを含んで、低周波信号からより高周波の高調波がつくられることによって強化信号２０６が生成される。高周波信号は、出力信号２０８を作るために強化信号と結合する。
【選択図】図２

Description

本発明は音出力を強化するためのオーディオ信号の処理に関する。

拡声器設計において、低周波を出すウーファの性能は、その大きさと出力によって決定される。小さいスピーカ設計への流れが大きくなっている中で、この種の拡声器システムの低音遮断周波数はより高くなっている。ミッシングファンダメンタル効果が知られている。脳は、基音そのものによってではなく、基音に関連したより高い高調波の割合によって、楽音の音高を知覚する。このように、もし耳が基本周波数そのものを含んでいない一連の高調波周波を知覚するならば、脳は、それでもやはり存在する基本周波数を知覚するであろう。

多声音が演奏されているとき拡声器の低音遮断周波数の上により高い高調波を生成することは難しい。したがって、オーディオを１オクターブシフトし、これにより、第１高調波を作り、次いで更なるより高次の高調波を作る技術が求められている。

［発明の簡単な説明］
本発明の一態様によれば、オーディオ出力装置を通して演奏されるときオーディオ信号の知覚される低周波含有量を増やすために、該オーディオ信号を処理する方法が提供される。この方法は、オーディオ入力信号を受信し、高周波信号と低周波信号を作るために該オーディオ入力信号をフィルタリングし、該低周波信号からより高い周波数の高調波を作ることによって強化信号を生成し、そして、出力信号を作るために前記高周波信号を該強化信号と結合する、ステップを含む。

図１は、本発明の一実施形態にかかるオーディオ処理システムに含まれる構成要素の実施例を示す； 図２は、本発明の一実施形態にかかるプロセスの概観を示す； 図３は、ステップ２０５での処理の展開を示す； 図４は、Ｆ１及びＦ２バッファを示す； 図５は、重み付け値の実施例を示す； 図６は、自己畳み込みの方法を示す； 図７は、Ｆ１の自己畳み込みの作動実施例を示す； 図８は、Ｆ２の自己畳み込みを示す； 図９は、リング変調を示す；そして、 図１０は、強化信号の生成を示す。

[好ましい実施の形態の詳細な説明]
（図１）
図１は、本発明の一実施形態にかかるオーディオ処理システムの中に含まれる構成要素の例を示す。中央処理装置１０１、及びランダムにアクセス可能なメモリ１０２が提供され、後者は、中央処理装置１０１によって実行されるプログラム及び演算データの保存のために提供される。

プログラム及び演算データの保存は、ハードディスク・ドライブ１０３によっても行なわれるが、固体フラッシュメモリのような他の形式の記憶装置でもよい。入出力インターフェース１０４は、例えばマウス、キーボード又は他の入力装置から入力命令を受信し、そして、出力装置へ出力を出すために提供される。該出力装置は、拡声器１０５、ヘッドホン又は他の種類の出力装置などのオーディオ出力装置であろう。ネットワークカード１０６は、ネットワークを通じて通信するための設備を提供する。そして、新しいプログラムとデータは、このようなネットワークを通じて又は実際にディスク１０７のような携帯用記憶装置からＤＶＤドライブ１０８によって読み込み可能である。これらの構成要素は、システムバス１０９を経由して通信を行なう。

（図２）
図２は、本発明の一実施形態にかかるプロセスの概観を示す。出力音を強化するために、一連のプロセスが入力信号について実行される。
オーディオ入力信号は２０１で受信され、フィルタは２０２で適用される。本発明の実施形態において、オーディオ入力信号はデジタルサンプルとして表わされ、そして、このためフィルタリング・ステップはデジタル領域で実行される。

好適な実施形態では、ハイパスフィルタのような単一フィルタを使用してもよい。拡声器の特性を強化するために配置されるとき、ハイパスフィルタの応答は拡声器の低周波性能と好適に調和がとれる。フィルタ処理された信号は、低周波だけが存在する第２信号を作るために元の信号のコピーから減算されるであろう。

別の実施形態では、２つの別のフィルタが使用される。１つはローパスフィルタであり、他の１つはハイパスフィルタである。この別の実施形態では、ノッチフィルタ及び／又は帯域通過フィルタを使用して実行される。２０２のフィルタリング・プロセスは、２０４に示す高周波から２０３に示す低周波を切り離す。さらに、図３を参照して説明するように、低周波は次に２０５で処理される。

上記にて説明したプロセスの結果、２０６で示す強化信号が作られる。この強化信号は、低周波から作られるが、それ自体より高い周波数である。強化信号２０６は、次に２０７で高周波２０４と結合する。このように、結果として２０８にて出力信号が比較的高い高周波含有量を有して生成される。しかし、２０５で起きたプロセスのために、出力信号は、心理オーディオ的効果により入力信号と同様に聞こえる。特に、入力信号に含まれる低周波は、まだ出力信号に存在するように耳に聴こえる。

実施される処理は、流入するオーディオサンプルを（ハン・ファンクションのような機能を使用することによって）ウィンドウし（windowing）、該ウィンドウされたサンプルを元のオーディオサンプルとともに畳み込むことによって実行される。これは、自己畳み込みとみることができる。このプロセスは、図３を参照して更に説明する。このように、時間／周波数-領域において、オーディオはサンプル毎に一方向へ進行し、一方インパルス応答はサンプル毎に反対方向に移動する。これは、完全な１オクターブの多音線形音高シフトを結果として生じる。

デジタル技術は、一般的に比較的に容易に奇数次高調波を作るが、これは一般的に歪んで好ましくなく聞こえるタイプの高調波である。好ましいと知覚される歪みのタイプは、一般的に偶数次高調波シリーズであり、それはデジタル的に作るのがより難しい。本発明は、上記のプロセスによって生成された第２高調波をとりあげ、そして第４高調波を作るプロセスを再び実行することなどによって、完全な偶数次高調波シリーズを作る装置を提供する。更なる偶数次高調波はこのようにして作られる。

ミッシングファンダメンタル効果を達成するための方法は、一定の規定量で純粋な正弦波のおよそ６０％全高調波歪みについて、作られた偶数次高調波シリーズに加えることを含む。その結果、基本の最低音を実際には演奏しない場合においても、耳は、全高調波歪みを聞き、そして低音を想像するであろう。これは、出力装置によって実際に作られた音より低い音を知覚したことを結果として示す。実際に、耳は、スピーカから出される音を聞くのであろうが、スピーカは実際にはその音を作ることができない。

（図３）
図３は、ステップ２０５に示すプロセスの展開を示す。低周波の入力は２０３に示す。一連のバッファは、ウィンドウされた信号サンプルによって供給される。ステップ３０１で第１バッファ、Ｆ１バッファ（図４参照）が更新される。
真近のサンプルは該バッファに加えられ、該バッファに前に格納された最も古いサンプルは捨てられる。

ステップ３０２で、Ｆ１バッファはそれ自体畳み込まれる。これは更に図７を参照して説明する。この畳み込みの結果、値Ｆ２が生じる。更なるバッファ（図４参照）はＦ２値を格納し、このバッファはステップ３０３で新しい値によって更新される。図８を参照して説明するように、Ｆ２バッファはステップ３０４で自ら畳み込まれる。この畳み込みの結果は値Ｆ４である。
Ｆ１は第１高調波であり、Ｆ２は第２高調波であり、Ｆ４は第４高調波である。自己畳み込みプロセスは、Ｆ１、Ｆ２及びＦ４値に異なる待ち時間を与える。Ｆ１及びＦ２サンプルはこのようにステップ３０５で遅延するので、Ｆ１、Ｆ２及びＦ４値がやがて再配列される。

リング変調のプロセスは、更に図９を参照して説明するように、次いでステップ３０６で実行される。これは更なる高調波を作る。
作られた高調波は、次にステップ３０７で重み付け係数とともに加算される。これは、図１０を参照して更に説明する。この加算によって強化信号３０８が作られる。

（図４）
図４は、Ｆ１バッファ及びＦ２バッファを示す。Ｆ１バッファは、入ってくる低周波（Ｆ１）の一連のサンプルを格納する。この例では、バッファは固定長である。この場合、Ｆ１バッファには８つのサンプル用スペースがある。値Ｎはバッファ内のスペース数を表わすために用いられる。したがって、この例ではバッファのＮ＝８であり、バッファ内の８つのスペースは、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ及びＨによって表わされる。

図４は、Ｆ２バッファも示す。この例では、Ｆ２バッファは、Ｆ２信号の前のＮ／２（Ｎを２で割る）サンプルを格納する。したがって、この例では、Ｆ１バッファが８つの値を格納するので、Ｆ２バッファは４つの値を格納する。

（図５）
図５は、重み付け値の配列例を示す。５０１は、Ｆ１高調波に関する第１配列を示し、該第１配列は、Ｆ１バッファに格納される８つのサンプルに対応する一連の８つの重み付け値を提供する。
５０２は、Ｆ２高調波に関する第２配列を示し、該第２配列は、Ｆ４高調波を作るＦ２高調波を自己畳み込みするために使用される。

（図６）
図６は、自己畳み込みの一般的な方法を例示する。Ａ［Ｎ］列に含まれる大きさＮのブロック、Ｗ［Ｎ］列に含まれる１組のウィンドウ重み付け値、及びゼロからＮ−１までの値を有する列指数ｉに対する、自己畳み込みが図６に示される。

（図７）
図７は、（Ｆ２値を作るために使用された）Ｆ１の自己畳み込みの作動実施例を示す。Ｆ１バッファからの最初の値ＡはＦ１バッファからの最後の値Ｈとともに畳み込まれる。該値ＨはＦ１重み付け列からの第１の値Ｗ１とともに畳み込まれる。これは、図５に示される式にしたがってＦ１重み付け列からのＢ、Ｇ及び第２の値Ｗ２などの畳み込みの結果に加算される。このように、バッファは、第２の高調波信号Ｆ２の単一サンプルを作るためにそれ自体ウィンドウされたバージョンとともに畳み込まれる。作られたＦ２値は、図８に示すように他のバッファを更新するために用いられる。

（図８）
図８に示すように、Ｆ２バッファは、第４高調波Ｆ４を作るためにそれ自体ウィンドウされたバージョンとともに畳み込まれる。
自己畳み込みプロセスは、Ｆ１、Ｆ２及びＦ４値に異なる待ち時間を与える。このため、Ｆ１及びＦ２サンプルは遅れるので、Ｆ１、Ｆ２及びＦ４値がやがて再配列される。その後、リング変調は更なる高調波を作るために用いられる。このことについては、図９において更に説明する。

（図９）
図９は、高調波Ｆ１３、Ｆ３５及びＦ２６を作るためのリング変調を示す。これらの各々は、以前に作られた高調波の畳み込みによって作られる。周波数Ａ及びＢを含む２つの信号のリング変調は、ＡプラスＢ及びＡマイナスＢが存在する信号を出力する。

（図１０）
一連の高調波を含む強化信号を出力するために、個々の高調波は、（Ｗ２、Ｗ４、Ｗ１３、Ｗ３５及びＷ２６としてここで表わされた）重み付け係数とともに加算される。重み付け値は、一連の高調波に対する各高調波の相対的寄与をコントロールするために用いられる。図１０に示すように、強化信号は、各高調波値とともにその重み付け係数の畳み込みによって作られる。

このプロセスによって、現実的な音と１オクターブの安定音高シフトを有する信号が作られる。自己畳み込み技術は多音（polyphonic）である、したがって、音高シフトはすべての周波数相で完全に達成され得る。
前述したように、作られた強化信号は、最終的な出力信号を出すために入力信号よりもより高い周波数と結合する。本発明の実施形態において、出力信号はアナログ信号に変換され、その後、増幅され、拡声器などのオーディオ出力装置に供給される。

このプロセスの結果、結果として生じる出力信号は、実際には信号の一部でない高調波を含むことが知覚される。これは、オーディオ出力装置の出力能力の範囲内でないかもしれない音が知覚されることを意味する。例えば、低周波の再生能力がない小さいスピーカは、耳が実在しない基本波を知覚するので、物理的に作ることが可能であるより低い周波数を明白に生み出すであろう。

Claims (10)

1. オーディオ出力装置を通して演奏されるときオーディオ信号の知覚される低周波含有量を増やすために該オーディオ信号を処理する方法であって、
   オーディオ入力信号を受信し、
   高周波信号と低周波信号を作るために前記オーディオ入力信号をフィルタリングし、
   自己畳み込みプロセスを含んで、前記低周波信号からより高い周波数の高調波を作ることによって強化信号を生成し、そして、
   出力信号を作るために前記高周波信号を前記強化信号と結合する
   オーディオ信号を処理する方法。
2. 前記オーディオ入力信号がデジタルサンプルを表わし、前記フィルタリングステップがデジタル領域にて実行される請求項１記載の方法。
3. 前記高周波信号を作るために第１フィルタリングステップが前記入力信号について実行され、第２フィルタリングステップが前記低周波信号を作るために実行される請求項１記載の方法。
4. 前記生成ステップが更にリング変調のプロセスを含む請求項１記載の方法。
5. 前記生成ステップが更に重み付け係数とともに複数の高調波を結合するプロセスを含む請求項１の方法。
6. 前記出力信号がアナログ信号に変換され、増幅され、前記低周波信号の構成要素を再生する能力を有していない拡声器に供給される請求項１記載の方法。
7. オーディオ入力信号を受信するように構成された入力部と、
   高周波信号と低周波信号を作るために前記オーディオ入力信号をフィルタリングし、自己畳み込みプロセスを含んで、前記低周波信号からより高い周波数の高調波を作ることによって強化信号を生成し、そして、出力信号を作るために前記高周波信号を前記強化信号と結合するように構成された処理手段と、そして、
   前記出力信号を受信しオーディオ出力を作る出力部と
   を含むオーディオ信号を処理する装置。
8. 前記出力手段が拡声器である請求項７記載の装置。
9. 前記拡声器が前記低周波信号の構成要素を再生する能力を有していない請求項９記載の装置。
10. コンピュータによって実行可能なコンピュータ可読指令を有するコンピュータ可読媒体であって、前記指令を実行するときコンピュータは、
    オーディオ入力信号を受信し、
    高周波信号と低周波信号を作るために前記オーディオ入力信号をフィルタリングし、
    自己畳み込みプロセスを含んで、前記低周波信号からより高い周波数の高調波を作ることによって強化信号を生成し、そして、
    出力信号を作るために高周波信号を前記強化信号と結合する
    ステップを実行するコンピュータ可読媒体。

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