TWI415481B - 利用重置法之音訊動態處理技術 - Google Patents

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Description

利用重置法之音訊動態處理技術 發明領域
本發明是關於音訊信號處理。特別地，本發明是關於為了快速適應該音訊信號中的內容變化而使用一重置機制或程序的一音訊動態處理器或處理方法。一重置信號可以藉由分析該音訊信號本身而被產生或者該重置可以自一外部事件被觸發，如一電視機上的頻道變化或者一音訊/可視接收器上的輸入選擇變化。在一外部觸發之情況下，對於一目前音訊來源，動態處理器之狀態的一或多個指示元可被保存以及被與在切換到一新的音訊來源之前的音訊來源相關聯。接著，如果該系統切換回該第一音訊來源，那麼該動態處理器可被重置為先前儲存的狀態或其近似狀態。本發明也是關於用於實施這類方法或控制這類裝置的電腦程式。
發明背景
音訊動態處理的一目的是要把一音訊信號的位準或動態改變到一些期望界限內。這通常藉由產生一音訊信號位準(例如rms位準或峰值位準)的一時變數值以及接著計算並應用作為位準估計值的一函數的一時變信號修正(例如一增益變化)來被實現。利用這樣一操作模式的動態處理器包括自動增益控制(AGC)、動態範圍控制(DRC)、擴展器、限制器、雜訊閘(noise gate)等等。各種類型的信號動態處理 技術在於2006年5月4日以WO 2006/047600被公開的Alan Jeffrey Seefeldt的國際專利申請案PCT/US 2005/038579中被提及。該申請案在其他實體中指定美國。該申請案在此全部以參照形式被併入本文。
第1圖描述一個一般的音訊動態處理器的一高階方塊圖。該處理器可被視為具有兩個路徑：一上層“信號”路徑2及一下層“控制”路徑4。在該下層路徑上，一動態控制程序或控制器(“動態控制”)6測量該音訊信號的位準以及產生作為該位準量值的一函數的一或多個時變修正參數。如圖所示，該等修正參數自輸入音訊信號中被導出。可選擇地，該等修正參數可以自被處理(輸出)音訊中或者自該等輸入及輸出音訊信號之一組合中被導出。在該上層音訊路徑2上，該動態控制6所產生的修正參數被應用於該音訊以產生該被處理音訊。將修正參數應用於一音訊信號可以以許多已知的方式來完成且一般由乘法器符號8來顯示。例如，在一簡單的自動增益控制裝置或程序之情況下，可能具有控制該主要路徑中一可變增益/損耗裝置或程序之增益的一個單一的寬頻增益修正參數。實際上，為了補償與該動態控制程序中計算該等修正參數相關聯的任何延遲，該音訊也可以在應用該等修正參數之前被延遲。為了呈現簡單明瞭，一延遲未被顯示在第1圖或其中的其他圖中。
在一動態控制程序中，典型的是該信號位準量值及該等結果之修正參數都在時間上被連續計算。此外，該信號位準量值及該等修正參數中的任何一個或這二者通常都在 時間上被平滑化以使被引入該被處理音訊的可察覺的人工因素最小化。該平滑最常被利用一“快速突擊”及一“緩慢釋放”來執行，意指該等修正參數依據該信號位準的提高而相對快速地變化並隨著該信號位準的降低而較緩慢地回應。這類平滑與自然聲音的動態以及人隨著時間察覺響度變化的方式一致。因此，這類時間平滑在音訊動態處理器中幾乎是通用的。
對於一些動態處理應用，與這類平滑相關的時間常數可能非常大；在一秒或一秒以上的等級中。例如，一AGC可以利用大時間常數來計算一信號之長期平均位準的一估計值，接著利用該結果之估計值來產生將該音訊的平均位準移近一期望的目標位準的緩慢變化的修正參數。在此情況下，為了保持該音訊信號的短期動態，大時間常數可能是想要的。假定這樣一AGC正在操作一電視機的音訊，意圖是要維持跨越節目播放及跨越各種頻道的一個一致的平均位準。在這樣一情形中，例如，當一頻道被改變時，被該AGC處理的音訊信號的內容可能會突然變化或不連續，且因此該音訊信號之相關聯的平均位準可能也會突然變化或不連續。然而，在具有其大時間常數之情況下，該AGC會採用一個相當大的時間量來收斂到一個新位準以及使該被處理音訊之已修正的位準與該期望的目標位準一致。在這類時間期間，該電視的一觀眾可以察覺到該音訊的位準太大聲或太低。因此，該觀眾可能很快地伸手去拿遙控來調整音量-不料他自己或她自己卻在該AGC收斂時對抗該 AGC。
剛剛所描述的對該問題的一典型的先前技術解決方案包含利用根據該信號的動態來適應的時間常數。例如，如果該信號的短期位準明顯大於或小於該平滑位準附近的一些臨限邊界所定義的平滑位準，那麼該平滑操作分別切換以加快突擊及/或釋放時間常數直到該短期位準回落到該平滑位準附近的臨限邊界內。隨後，該系統切換回初始的較緩慢的時間常數。這樣一系統可以減少該AGC的適應時間，但該等臨限值及較短的時間常數必須被仔細選擇。總而言之，對於一些適當的臨限值而言，其中該等初始的期望信號動態變動到該平均位準附近的臨限邊界外，因此導致該平滑過程錯誤地切換到該快速突擊或釋放模式中的信號可以存在。由於可能經常出現這類錯誤切換，該等快速突擊及釋放模式時間常數不許被選得太短以避免在正常的節目材料期間該AGC的不穩定性。因此，在該音訊內容的突然異動或不連續期間，該AGC的收斂可能還是和期望的不一樣快。
因此，本發明的目的是要提供一個較好的解決方案來解決音訊內容變化期間動態處理適應時間的問題。
發明概要
根據本發明之一層面，一種用於處理一音訊信號的方法(或實現該方法的裝置)包括根據一動態控制程序來改變該音訊信號的動態、檢測該音訊信號的內容中的一變化以 及依據檢測這樣一變化來重置該動態控制程序。檢測該音訊信號的內容中的一變化可包含以下中的一個或這二者：(1)檢測該音訊信號中出現一時間演變，其中該音訊信號的位準在不短於一第一時間臨限值t silence 的一時間間隔內始終保持在一臨限值L silence 以下，以及(2)檢測該音訊信號中出現一時間演變，其中該音訊信號的位準在不大於一第二時間臨限值t drop 的一時間間隔內被大於一差異臨限值L drop 的一個量降低。
根據本發明之另一層面，一種用於處理一音訊信號的方法(或實現該方法的裝置)包括根據一動態控制程序來改變該音訊信號的動態、接收指示該音訊信號中的一變化的一外部提供的重置觸發信號以及依據該重置觸發信號來重置該動態控制程序。該重置觸發信號可以指示以下中的一或多個：(1)一使用者變換一頻道的行為，(2)一使用者改變輸入來源的行為，(3)一使用者選擇一播放、重播及前進功能的行為，(4)一檔案到另一檔案的切換，(5)節目中的一變化，(6)一音訊編碼格式到另一音訊編碼格式的切換，以及(7)編碼參數中的一變化。
根據該等上述層面中的任何一個，重置該動態控制程序可以加快該動態處理適應該輸入信號中的變化的速率。重置該動態控制程序可以將一或多個程序控制參數的值或者其中這樣一或多個程序控制參數為一函數的一信號的值設定為一儲存的或預設的值。重置該動態控制程序可以縮短決定一或多個程序控制參數或者其中這樣一或多個程序 控制參數為一函數的一信號時所使用的一或多個時間常數的值。
儘管上述的可適性時間常數方法可能多少有助於減少一音訊動態處理器或程序的適應時間且可以與本發明之層面一起被使用，但這樣一處理器或程序藉由增加在被處理的音訊信號的內容中出現某些突然變化或不連續性之後被啟動的一詳細的重置機制或程序而可以被顯著地改善。第2圖描述呈一個一般形式的本發明，其中另一控制路徑-一重置控制路徑10被添加到第1圖之一般的動態處理器中。一重置控制機制或程序(“重置控制”)12可以回應該音訊信號本身(該輸入音訊信號或者該等輸入及輸出音訊信號的一組合)及一外部觸發信號中的一個或這二者。因此，具有3個可能的組態：(1)該音訊信號本身(其接下來可包含該輸入音訊信號或者該等輸入及輸出音訊信號的一組合)，(2)一外部觸發信號，以及(3)該音訊信號本身與一外部觸發信號這二者。如果重置控制12做出一重置決定，那麼該重置控制機制或程序發送一重置訊息給該動態控制6，命令該動態控制6以某一方式來重置其動態控制狀態中的某些層面，該方式允許該音訊動態處理快速地適應進入的音訊信號的新位準。該動態控制狀態之某些層面的重置可以，例如(1)將一或多個時間常數設定為對於一短期的時間而言一較短的值(從而加快該音訊處理的適應速率)，以及/或者(2)將該音訊信號位準的一平滑量值或者一或多個修正參數設定為一已儲存的值或者一平均或預設值。
分析該音訊信號 以判定信號內容中出現一突然變化或不連續性
一重置決定可以被重置控制12以多種方式開始，例如，藉由分析該進入的音訊信號本身或藉由接收一外部重置觸發信號。在分析該音訊信號時，該重置控制12試圖檢測該信號中指示內容中的一突然變化或不連續性的情形。在以某種程度的把握檢測到這樣一情形之後，重置控制12做出一重置決定並隨後命令動態控制6重置其動態控制狀態的一或多個層面。儘管其他技術可被用以檢測信號內容中的突然變化或不連續性，但用於執行此動作的兩個可實施的有效範例在下文中被描述。
利用一外部觸發 來判定信號內容中出現一突然變化或不連續性
在許多應用中，高度可靠的外部資訊可供用以觸發一重置。例如，在一電視機或纜線“視訊盒”中，一使用者變換一頻道的行為可以作為一重置的一外部觸發。同樣地，在一電視或音訊/視訊接收器中，一使用者改變輸入來源的行為，例如從“視訊1”改變到“視訊2”的行為，可用於觸發一重置。其他範例包括一基於檔案的媒體播放器，例如一可攜式音訊裝置或一數位視訊記錄器。在這類情況中，一重置可以在該系統結束播放一檔案並切換到另一檔案時被外部觸發。一重置也可以在一使用者他自己或她自己明確地變換檔案，按下播放或快進或重播到一段內容中的一個新位置時被觸發。在被處理的音訊已經自一數位資料壓縮 串流中被解碼出的情況下，例如在Dolby Digital(杜比數位)音訊情況中，可存在一外部重置觸發信號的其他來源。“Dolby”及“Dolby Digital”是杜比實驗室授權公司的商標。例如，該杜比數位音訊編碼系統是美國的高清晰度電視的強制性音訊格式。在節目播放的一給定頻道中，該音訊被連續發送，但該杜比數位格式可以在節目邊界變化。例如，主要節目可以以5.1聲道格式來編碼，但一商業廣告可以以立體聲道來編碼。一杜比數位解碼器必然會檢測這類變化並將該資訊傳遞給本發明的音訊動態處理器作為一重置觸發。編碼參數中的其他變化也可以被使用，例如一般對於單段內容被保持恆定的杜比數位對話正規化參數“DIALNORM”中的變化。一類似的外部重置觸發也可以自其他音訊編碼格式被產生，如MP3及AAC。除了剛才列出的外部重置觸發的來源以外，其他也是可能的，且本發明並不打算被列出的那些所限制。
在本發明被用於其中音訊可以來自一組已知來源的一裝置中之情況下，本發明可以如第3圖所示的被進一步改善。沿著該圖底部的N個音訊來源(“音訊來源1”-“音訊來源N”)14-1到14-N被描述，其中假定該N個音訊來源中的一個藉由一來源選擇裝置或程序(“來源選擇”)16被選擇用於透過動態處理系統進行播放。這類音訊來源可以表示(但不限制於)一電視機或視訊盒上的各種頻道、一音訊/可視接收器上的各種輸入或者一可攜式媒體播放器上的各種檔案。與每一音訊來源一起被儲存的是該動態控制程序之一或多個 層面的狀態指示元，當它在音訊特定來源最後一次被播放時存在時。該動態控制的狀態的這類層面可包括，例如，以下中的一或多個：(1)該音訊信號位準的平滑量值，(2)產生自該音訊信號位準之平滑量值的一或多個修正參數，以及(3)在獲取該音訊信號位準之一平滑量值時所使用的該等時間常數中的一或多個。在下述的一示範性實施例中，該音訊信號位準之平滑量值被使用，這間接地影響該增益修正參數(在該範例中，增益是該平滑音訊信號位準的一函數)。當一不同的音訊來源透過該來源選擇程序被選擇時，在實際切換到該新的音訊來源之前，該來源選擇16發送一外部重置觸發到該重置控制12’。接下來，這致使該重置控制12’為目前播放的音訊來源擷取該動態控制程序的目前狀態的指示元。然後該重置控制12’將該動態控制狀態的指示元保存在與目前音訊選擇相關聯的N個動態控制狀態儲存位置(動態控制狀態儲存1-N)18-1到18-N中。接下來，該來源選擇16切換到該新的音訊來源並發送該動態控制狀態之相關聯的儲存指示元到重置控制程序，接著該重置控制程序利用該等儲存的狀態指示元來重置該動態控制程序。
當切換到一音訊來源時，藉由使用該來源之最後動態控制狀態的層面來重置該動態控制程序，可以獲得比沒有使用這樣一初始狀態時要好的效能。在沒有這類資訊的情況下，該動態控制程序在適應該新的音訊來源時要依靠該重置之後進入的音訊信號。在一短期基礎上，該音訊的位準可能會快速地變動，且因此當該動態控制程序試圖快速 適應該新音訊時，該等修正參數也可能會快速地變動。藉由使用與該音訊來源相關聯的動態處理器的最後狀態之層面來重置該動態處理器，該動態處理器將可能在某一狀態中開始，該狀態接近於該動態處理器對於該音訊來源將實際收斂至的狀態。因此，該重置之後的快速適應時間常數不必被減少得和別的方式可能需要的一樣多，從而提高穩定性而不犧牲總適應時間。比如，考慮兩個電視台之間的切換，該第一電視台具有相對於全範圍數位處於-15dB的一平均位準的音訊而該第二電視台具有處於-30dB的一平均位準的音訊，兩個電視台都具有圍繞其等各自的平均值加減5dB的一範圍。假定恰好在切換到該第二台之前，該第一台的平均位準處於-13dB。進一步假定該第二台的平均位準在切換之後處於-33dB。差異為-20dB。如果有人想要該動態處理系統在，例如半秒內適應，那麼在缺少任何其他資訊的情況下，需要每秒-40dB的一適應速率。這樣一速率是相當快的且可能將不穩定性引進該被處理音訊。另一方面，假定與該第二台一起被儲存的最後動態處理狀態對應於-28dB的一位準。那麼，在該重置之後，該動態控制程序可以以此狀態來重置且只有-33dB-(-28dB)=-5dB的一差異存在。因此，只有每秒-10dB的一適應速率(不需要該時間常數縮短太多)被需要用以在半秒內收斂到該期望位準。此範例說明將該動態控制程序的最後狀態與在此類狀態中所產生的該音訊來源一起儲存的優點。
一重置被觸發時的效果
觸發一重置會加快該音訊動態處理適應速率(該動態處理適應該輸入信號中的變化的速率)。例如，當一重置被觸發時，與該適應速率相關聯的一或多個時間常數可以快速切換到明顯較小的值，接著在一段特定時間內平滑地返回其等初始大值。可選擇地，該一或多個時間常數可以切換到明顯較小的值並在這類值上維持一段特定時間。在一AGC配置中，一時間常數控制信號c[t]可以臨時減少在計算該平滑平均位準時所使用的該等時間常數。例如，該等平滑時間常數可以在一重置之後在大約為1秒的一持續時間內被減少。在一示範實施例中，該時間常數控制信號c[t]可以在出現一重置觸發之後以數值“1”(指示對一或多個時間常數的一最大變化影響)開始；當為“1”時，該等突擊及釋放係數被設定為遠遠小於其等標稱值的值。由於c[t]在一段短時間內(如1秒)(時間週期的長度不是關鍵的)衰減為0，所以該等係數被內插回其他標稱正常(非重置)值中。可選擇地或此外，在出現一重置觸發之後，該動態控制程序計算的一平滑平均位準的值可被重置為與一特定音訊來源一起被儲存的一狀態或者被重置為一預設值。
圖式簡單說明
第1圖是高階顯示一個一般的音訊動態處理器的一示意功能方塊圖。
第2圖是顯示根據本發明之層面的本發明之一實施例的範例的一示意功能方塊圖，在該範例中，呈一個一般形式的另一控制路徑-一重置控制路徑被添加到第1圖之一般 的動態處理器中。
第3圖是顯示根據本發明之層面的本發明之一實施例的範例的一示意功能方塊圖，在該範例中，一音訊動態處理器被進一步增強。
第4圖顯示一典型的自動增益控制(AGC)的一示範性輸入/輸出函數。
第5圖顯示被選擇用以類比與人耳中的基底膜一起被觀測的臨界頻帶濾波的一組帶通頻率回應。
第6圖是顯示根據本發明之層面的本發明之一AGC實施例的範例的一示意功能方塊圖。
較佳實施例之詳細說明
該描述的發明適用於各種各樣的動態處理應用，如動態範圍控制、壓縮器、限制器、擴展器等等。儘管如此，本發明在被應用於一AGC時特別有用，在缺少本發明的一AGC中，大時間常數導致緩慢的適應。因此，該較佳實施例描述本發明在一AGC中的應用作為一範例。
基本AGC實施
一AGC的基本實施計算一信號平均位準的一時變估計值以及計算一期望的修正輸出位準，該修正輸出位準是該輸入位準及一期望目標位準的一函數。接著一時變信號修正可被計算作為該輸入位準與該期望輸出位準之間的差異的一函數。將輸入映射到輸出的該函數被設計來使修正音訊的位準接近該期望的目標位準，以及第4圖描述一個此類 的輸入/輸出函數。對於該目標位準以上的一輸入，該AGC要求信號衰減，而對於該目標位準以下的一輸入，該AGC要求信號提升。衰減度或提升度藉由變化第4圖中的線的斜率而可以被控制。
理想地，被用以計算該音訊之平均位準的量值應該與人類的響度知覺相關。這可以以許多方式來實現；例如，藉由一加權均方冪(mean square power)量值或一心理聲學響度量值。一簡單的未加權均方冪量值的精確度比剛剛提及的該兩種方法稍稍低一些，但對於大多數真實世界的音訊信號，它仍說明與人類響度知覺的一高度相關。由於計算簡便，一未加權均方冪量值被用在一較佳實施例中，但不應該被視為限制本發明。
儘管在原理上本發明之層面可以在類比域及/或數位域中被實現，但可實現的實施可能是在該數位域中被實現，在該數位域中，每一音訊信號由資料區塊內的個別取樣或取樣來表示。輸入位準估計值及對應的期望輸出位準及信號修正參數可以對於一類比音訊信號或者在來自一數位信號的一逐個取樣基礎上被進行連續計算，但對於此示範實施例，它反而想要對一數位音訊信號之取樣的連續重疊區塊來計算這些量。這主要是由於數位區塊處理有助於從該信號本身檢測重置情形，如稍後描述的。令該數位音訊信號由x[n]表示，該音訊信號的重疊區塊可以被計算為：x[n,t]=w[n]x[n+tN/2]對於0<n<N-1(1) 其中N是區塊長度，N/2連續區塊之間的重疊程度，t是區塊索引，而w[n]是一視窗函數(如一正弦視窗)。對於以44100Hz取樣的信號，設定N=512或N=1024是行之有效的。使用取樣之重疊區塊的一數位音訊處理配置的進一步細節在Fielder等人的美國專利5,899,969(“Frame-based audio with gain-control words”)中被提及，該專利在此全部以參照形式被併入本文。如下所述，該AGC計算一時變增益G[t]，接著該時變增益G[t]與該信號的每一區塊相乘。然後這些修正區塊中的每一個被疊加以產生最後的修正音訊信號y[n+tN/2]：y[n+tN/2]=G[t]x[n,t]+G[t-1]x[n+N/2,t-1]對於0<n<N/2(2)
如同計算該增益G[t]的一第一步驟，信號L[t]的時變暫態位準被計算為每一區塊x[n,t]的均方冪。在分貝中，該位準被計算為： 其中0dB對應於一全範圍數位方波的位準。
接下來，該暫態位準可以以一快速突擊及一緩慢釋放來平滑以產生該音訊信號的一平滑平均位準：
其中
以及α release >α attack (4c)
該等平滑係數α attack 及α release 被選擇來給出期望的突擊及釋放時間。指定該等平滑係數的一方式是平滑濾波器的半衰減時間，即使該時間平滑濾波器的脈衝回應衰減到其初始值的一半所花費的時間。儘管選擇α attack 對應於1秒的半衰減時間以及α release 對應於4秒的半衰減時間對於一AGC而言是行之有效的，但該等值不是關鍵的。方程式4a中的值L min表示一最小位準，在該位準以上，該暫態信號位準L[t]為了平滑位準被更新必須是按順序的。這在該信號變得相對無聲時防止該平滑平均位準下落得太低以及對應的增益上升得太高。假定0dB表示一全範圍數位方波的位準，設定L min=-60dB是一個適當的選擇，儘管該位準不是關鍵的。
如第4圖所示，該期望的輸出位準自該平滑平均位準及AGC輸入/輸出函數F AGC 被計算出：
最後，該增益G[t]自該輸出位準及該輸入位準之間的差異被計算出：
當>時，該增益大於1，意指該信號被提升，而當<時，該增益小於1，意指該信號被衰減。
具有重置的AGC
如上所述，該重置機制或功能可能引起以下兩個動作中的一個或這二者：(1)將一或多個時間常數在一段短時間內設定為一較短的值(從而加快該音訊處理的適應速率)，以及(2)將該音訊信號位準的一平滑量值或者一或多個修正參數設定為一已儲存的值或者設定為一平均或預設值，其可被表示為(參見下面的方程式8a以及該方程式前後的描述)。首先，重置一或多個時間常數被描述。
因為該修正參數-增益G[t]是該平滑平均位準的一函數，所以該描述的AGC適應該音訊的速率被計算時所使用的該等突擊及釋放時間控制。如上所述，這類平滑時間常數被選擇為相對較大，在數秒等級內，藉此該AGC在正常音訊內容的時間演變期間不會過快地改變該音訊的位準。然而，如果該音訊內容突然改變或有不連續性，特別是如果新內容處於明顯不同於先前內容的位準，那麼該AGC可能會花費過長的時間來適應。為了加快適應速率，先前描述的該重置信號可被用以觸發與該位準平滑相關聯的該等時間常數中的一或多個的修正。在此情況下，當一重置被觸發時，該等時間常數快速切換成明顯較小的值，接著在一段特定時間內，平滑地返回它們的初始大值(或其 等近似值)。用於在一重置被觸發後加快適應速率的其他方法是可能的。例如，取代平滑地返回它們的初始值或其等近似值的是，該等時間常數可以在一段特定時間內被保持在它們的較小值，接著被直接返回到它們的初始值或其等近似值。另一種可能的方法是提供在一段特定時間內該等時間常數的一步階返回。本發明並不打算被限制該等時間常數返回它們的初始值或其等近似值的方式。
為了觸發一重置，可能存在一個二進制重置信號R[t]，藉此在正常操作期間該R[t]=0而想要在時間方塊t重置時R[t]=1。該重置藉由分析該音訊信號或藉由一外部來源而可以被觸發，如先前所述。透過信號分析來觸發一重置的範例的細節在下面被描述。在一外部觸發之情況下，可能存在可以重置該動態處理的一已儲存的狀態，如第3圖所示。對於該描述的較佳實施例，這樣一已儲存的狀態可以由一特定音訊來源被處理時的最後時間方塊處的該平滑平均位準的值所組成。在一外部觸發重置期間自儲存器被擷取的初始狀態(或者可選擇地，無論一外部觸發重置是否被使用，一初始狀態都可以是一預設值)可以由該值來表示。
一時間常數控制信號可以自該二進制重置信號R[t]中產生且隨後被用以臨時縮短在計算該平滑平均位準時所使用的該等時間常數，從而加快該處理適應速率。一時間常數控制信號c[t]可以被計算，藉此它在一重置出現(R[t]=1)時等於“1”，然後以一衰減係數λ<1控制的一速率以指數方式衰減到“0”： c[t]=1如果R[t]=1(7a)
否則，
該衰減係數λ可以被選擇來給出例如，1秒的半衰減時間，這意味著該等平滑時間常數在一重置之後在近似1秒的一持續時間內被縮短。同樣要注意的是為了防止快速適應出現在相對無聲期間，唯若該信號位準L[t] L min，該控制信號才可以被更新。
作為該時間常數控制信號c[t]的一函數，該等突擊及釋放係數現在可以隨時間而變化，而不是如方程式4b中所示的利用固定的突擊及釋放係數來平滑該信號位準。當c[t]=1時，意指一重置剛剛出現，該等突擊及釋放係數可以被設定為等於遠遠小於來自方程式4b的值α attack 及α release 的值(例如大約為該等初始值的10%或更少)。然後，隨著c[t]衰減為“0”，該等係數可以被內插回其等標稱值α attack 及α release 。此外，可取捨地，緊接在一重置之後被使用的該等小系數值也可以依據一初始狀態值是否存在而變化。如果不存在任何初始狀態，那麼非常小的系數值可被使用，而如果確實存在一已儲存的初始狀態，那麼稍大一些的系數值可以被使用。在後一種情況中，假定以來初始化是在某個值上開始，該值較接近於其實際上收斂至的值。因此，與沒有任何初始狀態可用的情況相比，對應於較大係 數的一稍微緩慢的適應時間可被使用。該適應平滑過程可以被表示為：如果R[t]=1及存在
否則，
其中
γ attack [t]=c[t]β attack [t]+(1-c[t])α attack (8d)
γ release [t]=c[t]β release [t]+(1-c[t])α release (8e)
β afast <β aslow <<α attack (8h)
以及β rfast <β rslow <<α release (8i)
該等值β afast 及β rfast 表示沒有任何初始狀態被提供時，緊接在一重置之後的該等初始突擊及釋放平滑係數。分別對應於50毫秒及200毫秒的半衰減時間的值已被發現是可用的。該等特定值不是關鍵的。該等值β aslow 及β rslow 表示初始狀態被提供時，緊接在一重置之後的該等較大的初始突擊及釋放平滑係數。在此情況中，對應於半衰減時間的值等於它們較快相對應(counterpart)值的兩倍；100毫秒及400毫秒已分別被發現是可用的。同樣在此情況中，該等特定值不是關鍵的。
透過信號分析來重置檢測
用於在該揭露的發明中觸發一重置的最可靠方法是從外部接收來自一機制或程序的一觸發，該機制或程序已知是直接與音訊內容的變化聯繫。數個此類機制先前被討論；例如，一電視機上的頻道變化或者一音訊/可視接收器上的一輸入選擇變化。然而，在許多情況中，沒有任何此類機制可供使用，且因此該系統必須依靠分析該音訊信號本身來判定一重置是否被觸發。例如，假定該揭露的發明常駐在一電視機中，一使用者已將一外部纜線視訊盒連接到該電視機。該纜線視訊盒負責調諧及變換頻道，該已解碼的音訊僅僅是作為一連續音訊串流被傳遞到該電視機。因此，該電視機不會接收關於一個新頻道何時被選擇的任 何詳細資訊。唯一可得的資訊就是哪個頻道可以從它接收的音訊串流被推斷出。
透過信號分析來觸發一重置的一相對簡單但有效的方式是檢測該音訊信號中出現的時間演變，其中該音訊信號的位準在一最小時期(不短於一時間臨限值t silence 的一時間間隔)內始終保持在一臨限值L silence 以下。換言之，使一持續時間至少與一特定的臨限時間間隔一樣長以檢測一相對無聲時期。這樣一出現可能指示該音訊內容中的一突然變化或不連續性。許多裝置(特別是纜線視訊盒)在該音訊來源變化時在一段短時間內消除該音訊信號。該消除行為將該音訊信號降低到遠遠低於一般在正常音訊內容中遇到的位準的一位準。例如，在數位音訊之情況下，它可以將該信號的取樣減少為0。該信號之時間演變中的此類情行可以透過分析先前討論的短期位準L[t]來被檢測。如果L[t]在至少t silence 的一時間間隔內始終保持低於一臨限值L silence ，那麼接著一重置可被觸發。此方法可被表示為：
其中一無聲計數信號s[t]根據以下被更新：
假定0dB對應於一全範圍數位方波的位準，接著設定 L silence 等於，例如-90dB在實際上是行之有效的，儘管該位準不是關鍵的。設定t silence 為，例如0.25秒的一時間對應許多應用而言是適當的，儘管該時間週期不是關鍵的。
在一些情形中，當該音訊內容突然變化或具有不連續性時，相對無聲的一間隙不會被引入，且因此該上述技術在觸發一重置時可能不是有效的。因此期望出現處理額外情況的一可選擇的重置觸發。在該音訊內容突然變化或具有不連續性地任何情形中，新音訊的位準將大於、等於或小於該先前音訊內容的位準。因為大多數的動態處理器使用遠遠快於其釋放的一突擊，所以該新音訊內容的位準大於或等於該舊音訊內容之情況的問題比該新音訊內容的位準遠遠小於該舊音訊內容時的情況要少。在後一種情況中，該緩慢的釋放時間可能導致一令人討厭的長適應時間。因此，在該新音訊內容遠遠低於該舊音訊內容時觸發一重置可被認為是特別想要的。為了執行此動作，人們可以利用由自然聲音組成的大多數音訊信號所共有的一特徵。自然聲音可以表現位準的突然增加，但它們一般表現一較平緩的衰減。被突然切斷的聲音在大多數音訊記錄中不是非常普遍。然而，如果音訊內容突然切換(例如透過一輸入選擇變化)，以及該新音訊內容的位準遠遠小於該舊音訊內容的，那麼結果之音訊串流表現位準中的一激烈的、非自然的暫態下降。位準中的這樣一下降可以自該短期位準L[t]中被檢測到並被用以觸發一重置。
因此，透過信號分析來觸發一重置的另一有效方法是 檢測該音訊信號中出現一時間演變，其中該音訊信號的位準在不大於一時間臨限值t drop 的一時間間隔內被大於一差異臨限值L drop 的某個量降低。較特別地，如果L[t]與L[t-1]之間的差異在一時間間隔t drop 內大於一特定臨限值L drop ，那麼一重置被觸發：
一適當的時間差異t drop 是一數位處理區塊的時間。例如，在重疊一半的一區塊重疊情況下，一區塊時間對應於N/2個取樣。如果N=512且該取樣率是48000Hz，那麼t drop 大約是5毫秒。如果N=1024，那麼t drop 大約是10毫秒。大約-10到-20dB的一位準差異L drop 已被發現是適當的，儘管該位準差異不是關鍵的。
當新音訊內容的位準遠遠低於該舊音訊內容的位準時，該上述技術在觸發一重置時是有效的，但它有時可能是易受影響的而在正常音訊內容期間錯誤地觸發一重置。該上述技術尋找該信號之總位準中的一下降，且有時該音訊信號的一主要部分(例如一擊鼓聲)可以表現此類行為，而該信號的剩餘部分不會。然而，該主要信號分量對該總位準的貢獻最大且因此可致使一重置被觸發。為了解決此類的觸發，該檢測方案藉由在該信號的位準在該臨限時間週期內跨越複數個頻帶(例如所有頻帶)同時表現一明顯的位準下降時檢測一重置而可以被改善。以此方式，所有此類 頻帶對該重置檢測程序有相等的貢獻，而不管任何給定頻帶中的絕對位準。為了實現此技術，複數個頻帶內的暫態位準首先被計算。此位準被表示為L[b,t]，其中b表示該頻帶索引。其藉由計算每一音訊區塊x[n,t]的離散傅利葉轉換(DFT)以及將該DFT與每一頻帶b的一帶通頻率回應C b [k]相乘而可以被有效地產生：
其中x[n,t]的DFT-X[k,t]被計算為：
該組帶通頻率回應C b [k]可以被有利地選擇以模擬與人耳中的基底膜一起被觀測的臨界頻帶濾波。如Moore及Glasberg所建議的(J.Audio Eng.Soc.1997年4月第45卷第4冊中Brian Moore、Brian Glasberg及Thomas Baer所著的“A Model for the Prediction of Thresholds,Loudness,and Partial Loudness”)，此類濾波器顯示一近似圓通化指數(rounded exponential)的形狀並在該等效矩形頻寬(ERB)範圍內被均勻間隔開。第5圖描述間距為1ERB，產生總計有40個頻帶的一組適當的濾波器，。
從每頻帶的暫態位準L[b,t]中，在所有頻帶範圍內平均的連續時間區塊間的差異可被計算出：
對於真實世界的音訊信號，唯若該信號的位準在大多數頻帶b中明顯下降，D[t]才會極其小。如果該差異小於某個臨限值D drop ，那麼接著一重置被檢測：
實際上，將D drop 設定在-10與-20dB之間是行之有效的，儘管該設定不是關鍵的。結果之多頻帶技術比只觀察總信號位準中的差異之較簡單技術較不易受影響而錯誤地觸發一重置。
第6圖顯示實現本發明之層面的一AGC的一方塊圖。一數位音訊輸入信號x[n,t](參見方程式1)被施加到一AGC裝置或程序的兩條路徑中。在該控制路徑中，一“計算位準”裝置或程序20計算該音訊的一量值，該量值可以是該信號的一時變暫態位準L[t]，被計算為該輸入信號x[n,t]之每一區塊的均方冪(參見方程式3)。接下來，該暫態位準L[t]在一“平滑位準”裝置或程序22中被時間平滑化以產生該音訊信號之一平滑平均位準(參見方程式4a)。在缺少一重置之情況下，該時間平滑可能具有一快速突擊及一緩慢釋放的特性。該平滑位準22可以由一“時間常數控制信號c[t]”輸入及/或一“初始化”輸入控制。該時間常數控制信號c[t]輸 入可以使在該平滑位準22中所使用的該等時間常數中的一或多個在出現一重置之後被改變，如上所述。該初始化輸入可以使該平滑位準22的輸出在出現一重置之後取得一已儲存的值或預設值，如上所述。該平滑位準22輸出被施加到一“應用輸入/輸出函數F AGC ”裝置或功能24以及被施加到一“計算增益”裝置或功能26。裝置或功能24應用結合第4圖所描述的該函數以提供一期望的輸出位準(參見方程式5)。該計算增益26自該輸出位準與該輸入位準之間的差值計算出該增益G[t](參見方程式6)。當>時，該增益大於1，意指該信號被提升，而當<時，該增益小於1，意指該信號被衰減。接著該時變增益G[t]-一修正參數被應用到“相乘”裝置或程序28中，在此該時變增益G[t]被乘以該信號x[n,t]之每一區塊以產生一已修正的音訊信號y[n+tN/2](參見方程式2)。儘管如上所述，該增益修正參數G[t]與頻率無關，但是一頻率相依的增益修正參數G[b,t]也可以被計算，其中b是一頻帶索引。在此情況中，計算位準20可計算一頻率相依的暫態信號位準，平滑位準22可以提供一頻率相依的輸出(其控制輸入時間常數控制信號c[t]及初始化也可以是頻率相依的)，應用函數F AGC 可以應用一頻率相依的函數，而計算增益26提供一頻率相依的時變增益G[b,t]。
實施
本發明可以以硬體或軟體，或者這二者的一組合(例如可程式化邏輯陣列)來實現。除非被特別指出，否則作為本 發明之一部分被包括的演算法不是固有地與任何特定電腦或其他裝置有關的。特別地，各種一般用途的機制可以與根據文中的教示所撰寫的程式一起被使用，或者其可以較方便地建構較特別的裝置(例如積體電路)以執行所需的方法步驟。因此，本發明可以以在一或多個可程式化電腦系統上執行的一或多個電腦程式來實現，每一可程式化電腦系統包括至少一處理器、至少一資料儲存系統(包括依電性及非依電性記憶體以及/或者儲存元件)、至少一輸入裝置或埠，以及至少一輸出裝置或埠。程式碼被用於輸入資料以執行在此所述之該等功能並產生輸出資訊。該輸出資訊以已知方式被施加到一或多個輸出裝置。
每一此類程式可以以與一電腦系統通訊的任何期望的電腦語言(包括機器、組合或者高階程式、邏輯或物件導向程式語言)來實現。在任何情況下，該語言可以是一已編譯或已解譯語言。
較佳地，每一此類程式被儲存於或被下載到一個一般或特殊用途的可程式電腦可讀的一儲存媒體或裝置(例如固態記憶體或媒體，或者磁性或光學媒體)中，用於在該儲存媒體或裝置被該電腦系統讀取以執行在此所述之該等程序時組配及操作該電腦。該發明系統也可以被認為是作為電腦可讀儲存媒體被實現並被組配有一電腦程式，其中該儲存媒體被如此組配以使一電腦系統以一特定的及預先定義的方式來操作以執行在此所述之該等功能。
本發明的多個實施例已被描述。然而，要理解的是可 以做出各種修改而不背離本發明之精神與範圍。例如，在此所描述的該等步驟中的一些可以與順序無關，且因此可以以與所描述的順序不同的一順序來被執行。
2‧‧‧信號路徑
4‧‧‧控制路徑
6‧‧‧動態控制程序或控制器/動態控制
8‧‧‧乘法器
10‧‧‧重置控制路徑
12‧‧‧重置控制機制或程序/重置控制
12’‧‧‧重置控制
14-1到14-N‧‧‧音訊來源
16‧‧‧來源選擇裝置或程序/來源選擇
18-1到18-N‧‧‧動態控制狀態儲存
20‧‧‧計算位準裝置或程序/計算位準
22‧‧‧平滑位準裝置或程序/平滑位準
24‧‧‧應用輸入/輸出函數裝置或功能
26‧‧‧計算增益裝置或功能/計算增益
28‧‧‧相乘裝置或程序
第1圖是高階顯示一個一般的音訊動態處理器的一示意功能方塊圖。
第2圖是顯示根據本發明之層面的本發明之一實施例的範例的一示意功能方塊圖，在該範例中，呈一個一般形式的另一控制路徑-一重置控制路徑被添加到第1圖之一般的動態處理器中。
第3圖是顯示根據本發明之層面的本發明之一實施例的範例的一示意功能方塊圖，在該範例中，一音訊動態處理器被進一步增強。
第4圖顯示一典型的自動增益控制(AGC)的一示範性輸入/輸出函數。
第5圖顯示被選擇用以類比與人耳中的基底膜一起被觀測的臨界頻帶濾波的一組帶通頻率回應。
第6圖是顯示根據本發明之層面的本發明之一AGC實施例的範例的一示意功能方塊圖。
2‧‧‧信號路徑
4‧‧‧控制路徑
6‧‧‧動態控制程序或控制器/動態控制
8‧‧‧乘法器
10‧‧‧重置控制路徑
12’‧‧‧重置控制
14-1到14-N‧‧‧音訊來源
16‧‧‧來源選擇裝置或程序/來源選擇
18-1到18-N‧‧‧動態控制狀態儲存

Claims (12)

  1. 一種用於處理一音訊信號的方法，包含以下步驟：使用一動態控制程序或控制器來控制該音訊信號之動態表現，其中該動態控制程序或控制器以運用一適應性時間常數β之一平滑濾波器來平滑化該音訊信號之信號位準及/或一動態增益修正參數；檢測該音訊信號出現於時間演變中之一第一類型，其中該音訊信號的位準在不大於一第二時間臨限值t drop 的一時間間隔內以大於一差異臨限值L drop 的一個量來降低，其中該檢測步驟於多數個頻帶中檢測該音訊信號的位準之該降低；檢測該音訊信號出現於該時間演變中之一第二類型，其中該音訊信號的位準在不短於一第一時間臨限值t silence 的一時間間隔內始終保持在一臨限值L silence 以下，以及響應於檢測到該第一類型之出現或該第二類型之出現，使用一明確之重置機制或程序來重置該音訊信號之該動態控制程序之控制，其中重置該動態控制程序之該控制之步驟包括設定該平滑濾波器時間常數為一預定值βfast，在該重置後之一預定之時間期間內將該時間常數β內插回一βslow值，而βfast係較βslow快之時間常數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中重置該動態控制程序加快該動態處理適應該輸入信號中的變化的速 率。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中重置該動態控制程序將一或多個程序控制參數的值或者一信號的值設定為一已儲存的或預設的值，其中這樣一或多個程序控制參數為該信號的一函數。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中重置該動態控制程序縮短在決定一或多個程序控制參數或者一信號時所使用的一或多個時間常數的值，其中這樣一或多個程序控制參數為為該信號的一函數。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含以下步驟：接收指示該音訊信號中的一變化的一外部提供的重置觸發信號，以及依據該重置觸發信號來重置該動態控制程序。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該重置觸發信號指示以下中的一或多個：一使用者變換一頻道的行為，一使用者改變輸入來源的行為，一使用者選擇一播放、重播或前進功能的行為，一檔案到另一檔案的切換，節目中的一變化，一音訊編碼格式到另一音訊編碼格式的切換，以及編碼參數中的一變化。
  7. 一種用於處理一音訊信號的裝置，其包含：用以使用一動態控制程序或控制器來控制該音訊 信號之動態表現之構件，其中該動態控制程序或控制器以運用一適應性時間常數β之一平滑濾波器來平滑化該音訊信號之信號位準及/或一動態增益修正參數；用以檢測該音訊信號出現於時間演變中之一第一類型之構件，其中該音訊信號的位準在不大於一第二時間臨限值t drop 的一時間間隔內以大於一差異臨限值L drop 的一個量來降低，其中該檢測於多數個頻帶中檢測該音訊信號的位準之該降低；用以檢測該音訊信號出現於該時間演變中之一第二類型之構件，其中該音訊信號的位準在不短於一第一時間臨限值t silence 的一時間間隔內始終保持在一臨限值L silence 以下，以及用以響應於檢測到該第一類型之出現或該第二類型之出現而使用一明確之重置機制或程序來重置該音訊信號之該動態控制程序之控制之構件，其中用以重置該動態控制程序之該控制之構件包括用以設定該平滑濾波器時間常數為一預定值βfast之構件，用以在該重置後之一預定之時間期間內將該時間常數β內插回一βslow值之構件，而βfast係較βslow快之時間常數。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之裝置，其中用以重置該動態控制程序之該構件加快該動態處理適應該輸入信號中的變化的速率。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之裝置，其中用以重置該動態控制程序之該構件將一或多個程序控制參數的值或 者一信號的值設定為一已儲存的或預設的值，其中這樣一或多個程序控制參數為該信號的一函數。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之裝置，其中用以重置該動態控制程序之該構件縮短在決定一或多個程序控制參數或者一信號時所使用的一或多個時間常數的值，其中這樣一或多個程序控制參數為為該信號的一函數。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之裝置，更包含：用以接收指示該音訊信號中的一變化的一外部提供的重置觸發信號之構件，以及用以響應於該重置觸發信號來重置該動態控制程序之構件。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其中該重置觸發信號指示以下中的一或多個：一使用者變換一頻道的行為，一使用者改變輸入來源的行為，一使用者選擇一播放、重播或前進功能的行為，一檔案到另一檔案的切換，節目中的一變化，一音訊編碼格式到另一音訊編碼格式的切換，以及編碼參數中的一變化。
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