JP5224586B2 - オーディオ信号補間装置 - Google Patents

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、圧縮処理により高周波成分が失われた第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のオーディオ信号から同位相成分信号と差位相成分信号を生成する位相成分信号生成手段と、前記同位相成分信号および前記差位相成分信号に圧縮処理により失われた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圧縮処理により失われた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、前記第１の加算処理部及び前記第２の加算処理部により加算された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から圧縮処理により失われた高周波成分を補間する周波数帯域を定め、当該周波数帯域に圧縮処理により失われた高周波成分を補間し、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圧縮処理により失われた高周波成分を補間する周波数帯域を定め、当該周波数帯域に圧縮処理により失われた高周波成分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圧縮処理により失われた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{ HYPERLINK "http://www6.ipdl.inpit.go.jp/Tokujitu/tjitemdrwbs.ipdl?N0000=234&N0001=4&N0005=5Z1do8i6QZnA7uQQ83S3&N0500=4JPA%20421294501%20%20%20%20%20%20%20&N0510=ygfdkm0NRr3USRSOa3Qs&N0552=9&N0553=000004" \t "tjitemdrwbs" ,}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、位相成分信号生成手段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成分信号生成部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成分信号生成部３１と遅延部３７に入力される。位相成分信号生成部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のオーディオ信号から同位相成分|L+R|と差位相成分|L-R|の信号を生成する。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、位相成分信号生成部３１から入力された同位相成分信号に圧縮処理により失われた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から圧縮処理により失われた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圧縮処理により失われた高周波成分を補間する。

また、補間処理部３２は、位相成分信号生成部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から高周波成分を圧縮処理により失われた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圧縮処理により失われた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、位相成分信号生成部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、位相成分信号生成部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…位相成分信号生成部、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 (3)

1. 圧縮処理により高周波成分が失われた第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のオーディオ信号から同位相成分信号と差位相成分信号を生成する位相成分信号生成手段と、
   前記同位相成分信号および前記差位相成分信号に圧縮処理により失われた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圧縮処理により失われた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、
   前記第１の加算処理部及び前記第２の加算処理部により加算された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から圧縮処理により失われた高周波成分を補間する周波数帯域を定め、当該周波数帯域に圧縮処理により失われた高周波成分を補間し、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圧縮処理により失われた高周波成分を補間する周波数帯域を定め、当該周波数帯域に圧縮処理により失われた高周波成分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。
3. 請求項２に記載のオーディオ信号補間装置において、
   前記高周波成分補間手段が圧縮処理により失われた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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