TWI451772B

TWI451772B - 中央聲道音訊呈現技術

Info

Publication number: TWI451772B
Application number: TW096106766A
Authority: TW
Inventors: Mark Stuart Vinton
Original assignee: Dolby Lab Licensing Corp
Priority date: 2006-03-13
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2014-09-01
Also published as: EP2002692A1; JP4887420B2; TW200740265A; CN101401456B; US8045719B2; US20090304189A1; CN101401456A; WO2007106324A1; JP2009530909A; ATE472905T1; EP2002692B1; DE602007007457D1

Description

中央聲道音訊呈現技術

發明領域

本發明是關於音訊信號處理。本發明尤其是關於依據二聲道立體聲音(“立體聲”)音訊的三聲道(左、中央及右)音訊之呈現技術。這類配置有時被稱為“二至三(2：3)擴升混合器”。本發明之層面包括裝置、方法及被儲存於一電腦可讀媒體上用以使一電腦執行該方法之電腦程式。

發明背景

一“中央收聽者”位在一理想收聽區域(或“最佳聆聽點”)中，例如，相對於一對立體聲揚聲器而言是等距的。一“偏離中央”收聽者位在此理想收聽區域之外。在一個兩揚聲器立體聲配置中，一中央收聽者一般感覺“虛幻的(phantom)”或“虛擬的(virtual)”聲像位於該等揚聲器之間其被打算的位置上，而一偏離中央收聽者感覺這類虛擬聲像較接近於該對其而言較近的揚聲器。當該收聽者越來越遠離中央(即該等虛擬聲像越來越接近於該較近的揚聲器)時，此效果會隨之增加。

已知採用二聲道(左及右)立體聲音訊信號，且從中導出一個得自該等原始信號之一組合的中央揚聲器饋源。在一些已知的系統中，該組合是可變的。一些已知的系統也變化增益至該左及右揚聲器饋源。各種通道中的該等增益典型地由分析包含在該等立體聲輸入信號中的方向資訊來控制。參見，例如，美國專利4,024,344。此類中央聲道導出之目的是為了抵銷上面所提及之對於偏離中央收聽者的效果，藉此聲像，尤其是中央聲像被感覺為來自它們被打算的位置。不幸的是，利用此導出的中央聲道的一個不想要的副作用是：對於中央收聽者而言該立體聲像的降級(degradation)(收縮(narrowing))－對於偏離中央收聽者而言的聲像改善造成對於中央收聽者而言的聲像降級。一中央收聽者不需要一中央聲道揚聲器是為了感覺聲像處於它們被打算的位置。因此，需要使一些收聽者的聲場改善與其他收聽者的聲場降級保持平衡。

發明概要

在一層面中，本發明提供一種方法用以從左右兩立體聲聲道中導出三聲道，一左聲道、一中央聲道及一右聲道，藉由從該左立體聲聲道之一可變比例中導出該左聲道、從該右立體聲聲道之一可變比例中導出該右聲道，以及從該左立體聲聲道之一可變比例與該右立體聲聲道之一可變比例的組合中導出該中央聲道，其中每一可變比例藉由將一增益因子應用到該左或右立體聲聲道中而被決定。該等增益因子可藉由以下步驟被導出：決定呈現於一中央位置的收聽者之耳朵處的聲音之一程度上的差異，有關於一個依據該等立體聲聲道被應用於左右揚聲器的一第一模型的組態而言，及有關於一個依據該等立體聲聲道被應用於左右揚聲器及一中央揚聲器的一第二模型的組態，並以增益因子控制在該第二模型中被應用於該左、中央及右聲道的該等立體聲聲道之比例，以最小化該差異，而在該兩個立體聲聲道中之該等信號的一些條件下，同時使該左及/或右立體聲聲道之一部分被應用於該中央揚聲器，該部分與一加權因子的值相對應，藉此該加權因子控制兩個相反條件間的一平衡，在一條件下沒有信號被應用於該中央揚聲器，而在另一條件下沒有信號被應用於該左右揚聲器。

根據本發明之層面，一中央聲道以下列方式從一個二聲道立體聲中被導出：對於偏離中央收聽者而言的聲像方面的改善被提高，同時限制對於中央收聽者而言的聲像衰落。

依據本發明之層面，改善該偏離中央收聽位置的體驗是藉由將該左右聲道信號之一已加權的總和應用於一中央聲道而被獲得，其中該等權重是以某一方式被選取，該方式具有在對於一些收聽者而言的聲場改善與對於其他收聽者而言的聲場降級之間進行取捨的效果。

在一層面中，本發明提供一種新的方式：在從二聲道立體聲信號中導出一中央聲道信號時，計算該等最佳增益，間接允許對於該偏離中央收聽者而言所感覺的聲場之改善與對於該中央收聽者而言所感覺的聲場之降級(可能由利用一中央聲道所造成)之間的一可控制的平衡。

在一示範性實施例中，兩種重現模型(系統1及2)及會被一中央收聽者所聽的結果被考慮。系統1是一對習知的揚聲器，接收該等未被改變的左右聲道信號。系統2添加了一個中央揚聲器，接收該左右輸入聲道之一中央聲道組合，具有該組合及該左右聲道的時變(time－variable)信號相依(signal－dependent)的增益。加上各種條件及簡化，對於該兩個系統，一中央收聽者的左右耳處所聽到的聲音的一程度(該程度是，例如幅度或功率)被計算。儘管接著很可能要解一組方程式，以將該等增益設定為最小化該兩個系統之間差異的值，但是這麼做不是有用的－該結果會對該中央聲道產生無聲，一個無義解。

因此，根據本發明之層面，另一個限制條件被引入－使該左及/或右兩個聲道立體聲輸入信號之一部分在某些條件下被應用於該中央聲道。對一加權或“懲罰”因子的選擇作用為兩個相反條件之間的一平衡，在一條件下沒有信號被應用於該中央聲道而在另一條件下沒有信號被應用於該左右聲道。間接地，該加權因子作用為對於一些收聽者而言的改善與對於其他收聽者而言的降級之間的一平衡。藉由迫使該左及/或右二聲道立體聲輸入信號之一可控制的量在某些信號條件下被應用於該中央聲道，該中央收聽者所感覺的該聲場中的降級度被限制，同時改善了偏離中央收聽者所感覺的該聲場。

依據本發明之層面，該等增益的可解方程式被提供，該等方程式允許該中央聲道中已增加的信號，且因此對偏離中央收聽者有一好處，同時不過度地損壞一中央收聽者的立體聲像。對於偏離中央收聽者而言的該聲場改善與對於中央收聽者而言的聲場損壞度之間的取捨或平衡是由選擇一加權或懲罰因子λ來決定。

較佳的是，所有的計算及該實際的音訊處理在多個頻帶(諸如臨界的或窄於臨界的頻帶)上被執行。可選擇地，如果已減少的效能是可接受的，那麼計算及處理可利用較少的頻帶或甚至是在一寬頻基礎上被執行。

要注意的是本發明之該示範性實施例計算左、中央及右聲道增益，藉由只考量一中央收聽者的耳朵處，而不是一偏離中央收聽者的耳朵處或這二者的耳朵處的聲音程度。對本發明之一理解是因為偏離中央收聽者在該中央聲道中的信號被增加時受益，所以計算對於一中央收聽者的理論損壞度就足夠了。

下面的描述包括依據本發明之層面的一種三聲道呈現方法、本發明之一簡介、一可被利用的時間/頻率轉換、一可被使用的計算頻帶結構、一可被使用的動態平滑系統，以及可被利用的聲道增益計算。

圖式簡單說明

第1圖是一功能方塊圖，概要地顯示依據本發明之層面的一個二聲道至三聲道擴升混合配置。

第2圖描述一可用於在本發明之一可實行的實施例中執行一時間至頻率轉換的適當分析/合成視窗對。

第3圖顯示對於一取樣率為44100Hz(以赫茲為單位)的每一頻帶之中心頻率的圖表，可用於在本發明之一可實行的實施例中執行分組為不同頻譜係數的頻帶。

第4圖顯示在本發明之一可實行的實施例中所利用的一IIR時間平滑濾波器中的一參數可如何隨時間變化，以回應在處理中的音訊中檢測到可聽見的事件。

第5圖概要地顯示一個具有該等來自於每一揚聲器並到達該收聽者之耳朵處的信號的二聲道重現系統之模型(“系統1”)。

第6圖概要地顯示添加了一中央聲道揚聲器的三聲道重現系統之模型(“系統2”)。

第7圖顯示相對於具有及不具有該懲罰函數之二者的該中央增益因子G_CL ，繪製從方程式31中被最小化而來的該運算式的效果。

第8圖顯示該等中央聲道增益之總和對該左右輸入信號之間的相關性的一圖表。

第9圖概要地顯示添加了一中央聲道揚聲器並引入進入該左右聲道的干擾(crosstalk)的該三聲道重現系統之模型(系統2之變化)。

較佳實施例之詳細說明

依據本發明之層面的該三聲道呈現之一目標是提供改善的虛擬聲像給位在偏離中央的收聽者，而不過度降級位居中央的收聽者的收聽體驗。為了實現此目標，在一示範性實施例中，一種方法或實行該方法的裝置適應性地選擇四個增益以控制每時間單元每頻帶(例如，方塊或音框，如下所述)的輸出聲道(G_L 、G_R 、G_CL 、G_CR )。儘管在該示範性實施例中，整個有興趣的頻率範圍內與耳朵的臨界頻帶(或更小)相對應的複數個頻帶被利用，但是本發明之層面可在較簡單(儘管可能較不有效)的實施例中被實現，在該等較簡單的實施例中，整個有興趣的頻率範圍內較少的頻帶被利用或者該方法或裝置操作於一“寬頻”基礎之上。該等增益之適應性較佳地是基於計算一位在一中央收聽位置的收聽者的耳朵處的信號，並考量頭部遮蔽(head－shadowing)效應。

在該示範性實施例中，依據本發明之層面的一種方法或實行該方法的裝置利用了一個具有一中央揚聲器的模型，藉此一位居中央的收聽者的左耳及右耳處的產生的信號，盡可能類似於那些在由一個僅具有左右揚聲器的模型重現時產生自該原始立體聲信號，同時在一可控制的程度上，對於某些信號條件迫使該原始立體聲信號之一部分進入一中央聲道的信號。在該示範性實施例中，此公式導出一最小平方方程式(其中該可控制性由每一頻帶中的一可選擇的懲罰因子表示)，該方程式具有該等期望的增益的一個封閉形式的解。

第1圖概要地顯示根據本發明之層面的一個二至三聲道配置的高階功能方塊圖。該等左右時域信號可被劃分成時間塊、利用一短時傅利葉轉換(STFT)被轉換至頻域並被分組入頻帶。在每一頻帶中，四個增益被計算(G_L 、G_R 、G_CL 、G_CR )且如圖所示，被用於該等信號以產生一個四聲道輸出。該輸出左聲道是該原始左立體聲聲道被加權G_L 。該輸出右聲道是該原始右立體聲聲道被加權G_R 。該輸出中央聲道是該等原始左右立體聲聲道被分別加權G_CL 及G_CR 後的總和。在最後信號輸出之前，一STFT反轉換可被用於每一輸出聲道中。如下面將描述的，利用四個加權增益因子導致了一利用一個四維運算式的計算。可選擇地，該配置可被簡化，藉此該中央聲道透過對該等原始左右立體聲聲道進行求和，並將一個單一的加權或增益因子應用於該組合中而被導出。這使得利用了三個而不是四個加權增益因子且導致一利用一個三維運算式的計算。儘管該等結果可能較不令人滿意，但是如果處理複雜度是一在意的事，那麼該三維可選擇方案可以是可期望的。

時間/頻率轉換

當一濾波器組藉由一快速傅利葉轉換(“FFT”)實現時，輸入的時域信號被分段成連續的方塊且通常在重疊方塊中被處理。該FFT的離散頻率輸出(轉換係數)被稱為方格(bin)，每一個有一具有分別對應於同相部分及正交部分的實部及虛部的複數值。連續的轉換方格可被分組為近似於人耳的臨界帶寬的子帶。多個連續時域方塊可被分組為音框，每一音框中的個別方塊值被平均或被組合或被累加。依據本發明之層面所產生的該等加權增益因子在多個方塊中被時間平滑化(time smoothed)，為了避免可能導致可聽見的人工因素的增益之快速變化。

一個可被用於依據本發明之層面的一個三聲道呈現系統的時間/頻率轉換可基於眾所周知的短時傅利葉轉換(STFT)，也被稱為離散傅利葉轉換(DFT)。為了使環形捲積影響最小化，該系統可對分析及合成這二者使用75%的重疊。適當選擇分析及合成視窗，一重疊的DFT可被用於最小化可聽見的環形捲積影響，同時能夠將幅度及相位修正應用到該頻譜中。第2圖描述一適當的分析/合成視窗對。

該分析視窗可被設計成使該等重疊的分析視窗之一總和等於已選擇的重疊間隔之整體。一適當的選擇就是一方形的凱撒貝索衍生(KBD)視窗。使用此分析視窗，無須合成視窗人們也可最佳地合成一已分析的信號(如果沒有對該等重疊DFT做出修正)。然而，由於用於此配置中的該等幅度及相位變化，該合成視窗應該被尖細化(tapered)以防止可聽見的方塊不連續性。適當視窗參數之實例被列出如下。

DFT長度：2048分析視窗主波瓣長度(AWML)：1024跳躍大小(HS)：512領前墊零(ZP_lead )：256滯後墊零(ZP_lag )：768合成視窗斜度(SWT)：128

頻帶

依據本發明之層面的三聲道呈現可以以大約一半臨界帶寬計算並應用頻帶中的該等增益係數。該頻帶結構可被使用：藉由在每一頻帶中將該等頻譜係數分組，並將該相同的處理過程應用到該同一群組中的所有方格中。第3圖顯示對於一取樣率為44100Hz的每一頻帶之中心頻率(以赫茲為單位)的圖表，且表1給出了對於一取樣率為44100Hz的每一頻帶之中心頻率。

儘管剛才所描述之時間/頻率轉換是適當的，但是其他時間/頻率轉換可被使用。選擇一特定的轉換技術並非本發明之關鍵。

信號適應性洩漏積分器(Signal Adaptive Leaky Integrators )

在依據本發明的一個三聲道呈現配置中，每一統計估計及變數(參見下面的“求聲道增益之解”)可在一頻帶中被計算出且接著在時間上被平滑化。每一變數之時間平滑可以是一個簡單的一階IIR濾波器，如方程式1所示。然而，方程式1中的α參數可隨時間變化。如果一音訊事件被檢測出，那麼該α參數減少到一較低值，且之後隨時間構建回一較高值。一種有用的用於檢測音訊事件(有時被稱為“可聽見的事件”)的技術在B.Crockett“Improved Transient Pre－Noise Performance of Low Bit Rate Audio Coders Using Time Scaling Synthesis”117th AES Conference，San Francisco，Oct.2004及在Brett G.Crockett的名為“Segmenting Audio Signals into Auditory Events”的已公開之美國專利申請案2004/0165730中被描述。該AES Paper及已公開的美國申請案的整篇內容在此以參照形式被併入本文。因此，該配置由於該音訊中的變化而更快速地更新。第4圖顯示在一音訊事件被檢測到時，一頻帶中之該α參數的一典型頻率響應。

C' (n ,b )＝αC' (n －1,b )＋(1－α )C (n ,b ) (1)其中C (n ,b )是在音框n處的一頻帶b上被計算出的變數，而C' (n ,b )是在音框n處的時間平滑後的變數。

計算該等聲道增益

為解出依據本發明之層面的該等增益，我們可從構建位在一中央收聽位置(對於該原始立體聲呈現及該新的三聲道配置這二者而言)的收聽者的耳朵處的該等信號之一模型開始。假設該等揚聲器被合理匹配的兩個系統皆被配置在該最佳試聽位置中，且一收聽者處於該中央收聽位置中。房間脈衝頻率響應及揚聲器轉移函數未被考量，是為了避免一個專用於一特定揚聲器及/或一特定房間的模型。第5圖概要地顯示一個具有該等來自於每一揚聲器並到達該收聽者之耳朵處的信號的二聲道重現系統之模型(“系統1”)。該等信號L_h 、L_f 、R_h 及R_f 是該等來自於該左右揚聲器的信號(透過適當的頭部遮蔽模型)。儘管頭部相關轉移函數(HRTF)可被利用於該系統1及系統2模型中(該系統2模型接下來會被描述)，HRTF的簡化及近似形式，諸如頭部遮蔽模型可被利用。適當的頭部遮蔽模型可利用“A Structural Model for Binaural Sound Synthesis”by C.Phillip Brown，Richard O.Duda，“IEEE Trans.on Speech and Audio Proc.”，Vol.6，No.5，Sept.1998中所描述之技術來被產生，該研究報告之全文在此以參照形式被併入本文。該左耳處的信號是L_h 及R_f 的組合，而該右耳處的信號是R_h 及L_f 的組合。第6圖概要地顯示添加了一中央聲道揚聲器的三聲道重現系統之模型(“系統2”)。該原始的左(L)及右(R)電信號對於該左右揚聲器被增益調整且對於該中央揚聲器被增益調整及加總。該等已處理的信號透過該等適當的頭部遮蔽模型傳遞到該收聽者的耳朵處。該左耳處的信號被假設為G_L L_h 、G_R R_f 、G_CL L_c 及G_CR R_c 的組合，而該右耳處的信號被假設為G_R R_h 、G_L L_f 、G_CL L_c 及G_CR R_c 的組合。該等信號L_c 及R_c 是該等來自於該中央揚聲器的信號(透過該等適當的頭部遮蔽模型)。要注意所利用的該頭部遮蔽模型是一線性捲積處理，且因此該等用於該L及R電信號的增益跟著到該左右耳。

一旦我們有兩個重現系統的一收聽者之耳朵處的該等信號之一模型，那麼我們可導出一組方程式來解出該等期望的增益。這可藉由確保這兩個系統的該收聽者之每一耳朵處的該等信號皆盡可能匹配，同時將能量插入該第二系統之中央揚聲器中來完成。為了使該兩個系統聽起來相同，無論從直覺上還是從數學上，都應該沒有能量被插入該中央揚聲器。但這是一個無義解。為了產生一個有用的非無義解，引入一個懲罰(諸如可由一懲罰函數決定的)以確保一些能量被引入該中央揚聲器是必要的。此懲罰函數作用以控制中央收聽者位置效能及位在偏離中央的收聽者位置效能之間的一取捨，該取捨由一個人或非人工的決策裝置憑經驗決定。此問題的公式導致該等期望的增益的一個封閉形式的解。該懲罰較佳地是每一頻帶中的該等信號及該懲罰因子之二者的一函數。

求該等聲道增益的解

求該等增益的解之第一步驟是藉由：導出該等經過頭部遮蔽後會呈現於一位在中央的收聽者之耳朵處的信號來構建該系統1及系統2模型。因為該示範性實施例在該頻域中操作，所以該等頭部遮蔽模型之應用可由乘法運算實現。因此，我們可導出該外耳處的該等信號，如下所示：L _h (m ,k )＝L (m ,k )．H (k ) (2)其中：m是時間索引，k是方格索引，L(m,k)是來自於該左揚聲器的信號，L_h (m,k)是來自於該左揚聲器的該左耳處的信號，而H(k)是從該左揚聲器到該左耳的轉移函數。

L _f (m ,k )＝L (m ,k )．F (k ) (3)其中：m是時間索引，k是方格索引，L(m,k)是來自於該左揚聲器的信號，L_f (m,k)是來自於該左揚聲器的該右耳處的信號，而F(k)是從該左揚聲器到該右耳的轉移函數。

R _h (m ,k )＝R (m ,k )．H (k ) (4)其中：m是時間索引，k是方格索引，R(m,k)是來自於該右揚聲器的信號，R_h (m,k)是來自於該右揚聲器的該右耳處的信號，而H(k)是從該右揚聲器到該右耳的轉移函數。

R _f (m ,k )＝R (m ,k )．F (k ) (5)其中：m是時間索引，k是方格索引，R(m,k)是來自於該右揚聲器的信號，R_f (m,k)是來自於該右揚聲器的該左耳處的信號，而F(k)是從該右揚聲器到該左耳的轉移函數。

L _c (m ,k )＝L (m ,k )．C (k ) (6)其中：m是時間索引，k是方格索引，L(m,k)是導出自位在該中央揚聲器的該左揚聲器信號的信號，L_c (m,k)是來自於該中央揚聲器的該左耳處的信號，而C(k)是從該中央揚聲器到該左耳的轉移函數。

R _c (m ,k )＝R (m ,k )．C (k ) (7)其中：m是時間索引，k是方格索引，R(m,k)是導出自位在該中央揚聲器的該右揚聲器信號的信號，R_c (m,k)是來自於該中央揚聲器的該右耳處的信號，而C(k)是從該中央揚聲器到該右耳的轉移函數。

在方程式2－7中，該等轉移函數H(k)、F(k)及C(k)考量了頭部遮蔽效應。可選擇地，如上所述，該等轉移函數可以是適當的HRTF。假設頭部是對稱的，因此分別在方程式2及4、3及5、6及7中使用該等相同的轉移函數H(k)、F(k)及C(k)是可能的。

下一步驟是將該等頻譜取樣分組成頻帶，如上面所討論的。另外，我們可將該等頻譜群組表示成行向量，如下所示：其中：b是頻帶索引，L_b 是頻帶b的下邊界，而U_b 是頻帶b的上邊界。

利用方程式9至13，我們現在可分別寫出第5及第6圖中所示之該兩個收聽組態的運算式。該等運算式假設該等頭部遮蔽信號以一功率意義而不是線性地在耳朵處進行組合。因此，相位差異被忽略。由於房間音響效果及揚聲器轉移函數已被忽略以便維持普遍性，所以假設一功率維持過程是合理的(因為它確保了該等被計算出的增益僅僅是實數正值)。該最小化問題(該兩個收聽組態之間)就是：一旦該問題被解決，即具有該等增益的一個封閉形式的運算式。

對於系統1，該左耳處的組合信號功率被假設為由方程式14給定。

其中：X1(m,b)是一個N乘2的矩陣，包含對於時間m及頻帶b的系統1中的左耳處的該組合信號。該矩陣的長度(N)取決於所分析的頻帶(b)的長度。

該右耳處的組合信號功率被假設為由方程式15給定。

其中：X2(m,b)是一個N乘2的矩陣，包含對於時間m及頻帶b的系統1中的右耳處的該組合信號。

對於系統2，該左耳處的組合信號功率被假設為：其中：是一個N乘4的矩陣，包含對於時間m及頻帶b的系統2中的左耳處的該組合信號。該向量的長度(N)取決於所分析的頻帶的長度。

該右耳處的組合信號功率被假設為：其中：是一個N乘4的矩陣，包含對於時間m及頻帶b的系統2中的右耳處的該組合信號。

可選擇地，代替在功率域(即平方的)中特徵化每一耳朵處的該等信號的是：它們可在幅度域(即非平方的)中被特徵化(如在方程式14－17中)。

現在我們可用公式表示出一方程式以最小化該兩個系統之間的差異，如下所示：其中：d ＝[1 1]^T G ＝[G _L G _R G _CL G _CR ]^T 且E是期望運算子。

注意：為了簡化該表示，該時間及頻帶索引已被省略。

該最小化問題已在方程式18中給出，該最小化問題試圖最小化該等被假設到達系統1及2中之該左耳處的信號之間的差異及該等被假設到達系統1及2中之該右耳處的信號之間的差異。然而，方程式18有一個無義解：沒有信號放到該中央揚聲器中(即G_CL ＝G_CR ＝0)。因此，我們必須引入一懲罰函數迫使能量進入該中央揚聲器。為了引入一懲罰函數，我們可做出下列定義：其中：X3(m,b)是一個N乘4的矩陣，表示對於時間m及頻帶b只來自於系統2中的該左右揚聲器的信號能量。

其中：X4(m,b)是一個N乘4的矩陣，表示對於時間m及頻帶b只來自於系統2中的該中央揚聲器的信號能量。

如果方程式14－17利用信號幅度而不是信號功率，那麼該方程式19及20也應該利用幅度(非平方的)矩陣元素。

該懲罰函數表示來自於該左右揚聲器及中央揚聲器並到達系統2中該左右耳處的能量中的差異，其由下列方程式給定：P ＝E {λ ((X 3．G )．(X 3．G )^T －(X 4．G )．(X 4．G )^T )} (21)

可選擇地，該懲罰函數可由下列方程式表示：P ＝E {λ (－(X 4．G )．(X 4．G )^T )} (22)

如果我們修改方程式18以包括該懲罰函數，那麼我們得到下列方程式：其中：λ表示該兩個系統中的差異之間的一取捨及不將能量放入中央揚聲器的代價。該懲罰因子λ可有介於0與無窮大之間的一個值(儘管實際值可能介於0與1之間)且對於每一頻帶或頻帶群組可有一不同的值。如果該方程式之懲罰函數部分對於該等增益因子被最小化，那麼該等中央聲道增益因子可能是無窮大。如果該方程式之非懲罰函數部分被最小化，那麼該等中央聲道增益因子可能是零。因此該懲罰因子允許非零中央聲道增益之一可選擇的量。由於該懲罰因子λ增加，對於該兩個立體聲輸入聲道中的該等信號之一些條件下，該等最小中央聲道增益越來越遠離零。由於λ值減小，該中央聲像的寬度增加。直觀上，該λ參數提供該最佳聆聽點收聽效能與該非最佳聆聽點收聽效能之間的一取捨。該因子可由一個人或非人工的決策裝置(例如該重現系統的設計者)憑經驗決定。該決策可利用該系統設計者認為適當的準則。該等決策準則中的一些或全部可以是主觀的。不同的決策裝置可選擇不同的λ值。一個實行本發明之層面的可實行的裝置，例如，對於不同的操作模式可具有不同的λ值。例如，一裝置可具有一“音樂”模式及“電影”模式。該電影模式可能具有較大的λ值，從而產生一較窄的中央聲像(因此有助於將該電影對白固定至該期望的中央位置)。不是常駐在一裝置中，對該懲罰因子λ的選擇可與娛樂軟體一起被攜帶，藉此在一適當的裝置中被播放時，該軟體創造者對λ的選擇在播放該軟體期間被實現。在一可實行的實施例中，λ的一個值0.08已被發現是可用的。

現在我們可以解出該最小化問題，如下所示：因為該期望運算子是線性的，所以我們可做出下列定義以簡化該表示：其中：R _xx ₁ 是一個2乘4的矩陣其中：R _xx ₂ 是一個2乘4的矩陣其中：V _x ₁ 是一個4乘4的矩陣其中：V _x ₂ 是一個4乘4的矩陣V _x ₃ ＝λ ．E {X 3^T ．X 3} (29)其中：V _x ₃ 是一個4乘4的矩陣V _x ₄ ＝λ ．E {X 4^T ．X 4} (30)其中：V _x ₄ 是一個4乘4的矩陣

對於方程式25至30，該期望運算子(E)利用上述的該信號適應性洩漏積分器被模擬。將方程式25至30代入方程式24，我們得到

為了顯示對於一特定的任意選擇地信號條件下該懲罰函數的操作，我們可將所有該等期望的增益設定成該最佳值且接著以該懲罰函數及不以該懲罰函數來變化該等中央增益中的一個。如果我們接著對於具有及不具有該懲罰函數的該等中央聲道增益因子中的一個(諸如G_CL )繪製出從方程式31中被最小化而來的該運算式，那麼我們應該觀察到該懲罰函數使該增益因子G_CL 的最小值偏離x軸上的零；因此確保一些信號被應用於該中央聲道。第7圖顯示對於具有及不具有該懲罰函數之二者的該中央增益因子G_CL ，繪製從方程式31中被最小化而來的該運算式的效果。如所期望的，該等最小值被偏離該x軸。

對於G設定偏導數為零，我們得到方程式32－2dR _xx ₁ ＋2V _x ₁ G －2dR _xx ₂ ＋2V _x ₂ G ＋2V _x ₃ G －2V _x ₄ G ＝0 (32)

因此，由下列等式給出該最小平方方程式的解：

由於方程式33需要轉換(inversion)一個4乘4矩陣，所以在轉換之前檢查該矩陣的秩(rank)是重要的。有一些信號條件可導致該矩陣不可逆轉(秩小於4)。然而，藉由在計算之前添加少量雜訊到該等信號中，這些情況易於解決。

接著在方程式33中所計算出的該等增益被正規化，藉此所有該等輸出信號的總功率等於該等輸入信號的總功率。最後該等增益在應用到該等信號之前可利用上述之該等信號適應性洩漏積分器被平滑化(在一或多個方塊或音框上)，如第1圖所示。

儘管最小化在該上述實例中被計算出，但是其他已知的用於最小化的技術也可被利用。例如，一遞回技術，諸如一梯度搜索，可被利用。

在變化信號條件下，本發明之效能可藉由以下證明：將具有相等能量的左右輸入測試信號應用到第1圖之該配置中以，及將那些信號之間的內部聲道相關性從0(完全不相關)變化到1(完全相關)。適當的測試信號是，例如白雜訊信號(white noise signal)，其中該等信號在不相關的情況下是獨立的且其中該相同的白雜訊信號被用於完全相關的情況。由於該內部聲道相關性從不相關逐漸變化到完全相關，所以該期望的輸出從只有左右聲像(不相關)變化到只有一中央聲像(完全相關)。因此，我們會期望該等產生的中央聲道增益的總和接近於零(在該內部聲道相關性低時)，而期望該等中央聲道增益的總和接近於1(在該內部聲道相關性高時)。第8圖顯示該等中央聲道增益之總和對內部聲道增益相關性的一圖表。該等增益之總和如所期望地隨著該內部聲道相關性變化而變化。

依據目前為止已描述的本發明之層面，輸出左右信號是分別產生於該原始輸入左右立體聲信號的可變比例。儘管這很有效，但是在一些應用中從該原始左及原始右信號之二者的可變比例中構建該輸出左右信號可以是有利的。如在該領域中眾所周知的，該相反的音訊聲道(右到左及左到右)可被插入180°不同相位，以擴展該已感覺到的前音場(soundstage)。因此，本發明之層面也可包括從該原始左及原始右立體聲信號中產生該輸出左右信號中的每一個，如第9圖所概要顯示的。在第9圖中，該輸出左信號是乘上該變數G_LL 的該原始左信號及乘上該變數－G_LR 乘的該原始右信號之組合。同樣地，該輸出右信號是乘上該變數G_RR 的該原始右信號及乘上該變數－G_RL 的該原始左信號之組合。因此，現在該收聽者之左耳處的信號被假設為G_LL L_h 、－G_LR R_h 、G_RR R_f 、－G_RL L_f 、G_CL L_c 及G_CR R_c 的組合。類似地，該右耳處的信號被假設為G_RR R_h 、－G_RL L_h 、G_LL L_f 、－G_LR R_f 、G_CL L_c 及G_CR R_c 的組合。

為了解出第9圖中所描述之該系統的新的增益，方程式16被擴展成方程式34。

其中：是一個N乘6的矩陣，包含對於時間m及頻帶b的系統2中的左耳處的該組合信號。該向量的長度(N)取決於所分析的頻帶的長度。

方程式17被擴展成方程式35。

其中：是一個N乘6的矩陣，包含對於時間m及頻帶b的系統2中的右耳處的該組合信號。

我們也需要修正方程式18所示之該增益向量以包括如方程式36所示之該等新的增益。

G ＝[G _LL －G _LR G _RR －G _RL G _CL G _CR ]^T (36)最後，方程式19及20被分別修正，如方程式37及38所示。

其中：X3(m,b)是一個N乘6的矩陣，表示對於時間m及頻帶b來自於系統2中的該左右揚聲器的信號能量。

其中：X4(m,b)是一個N乘6的矩陣，表示對於時間m及頻帶b只來自於系統2中的該中央揚聲器的信號能量。

現在我們可解出方程式16所給出的該新的增益向量，利用方程式24所示之該相同的方程式插入上面所給出的該等已修正的方程式。

實施方式

本發明可在硬體或軟體或這二者之組合(例如可程式化邏輯陣列)中被實現。除非特別指明，否則任何被包括為本發明之一部分的演算法並未固定與任何特定的電腦或其他裝置有關。尤其是，各種一般用途的機器可與依據此說明書中的該等教示所寫的程式一起被使用，或可以更簡便的是構建較特定的裝置(例如積體電路)以執行該等所需的方法步驟。因此，本發明可在一或多個電腦程式中被實現，該一或多個電腦程式在一或多個可程式化電腦系統上執行，每一電腦系統包含至少一處理器、至少一資料儲存系統(包括依電性及非依電性記憶體及/或儲存元件)、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描述之該等功能並產生輸出資訊。該輸出資訊以已知的方式被用於一或多個輸出裝置。每一程式可以以任何希望的電腦語言(包括機器、元件或者高階程序的、邏輯的或物件導向的程式語言)來實現以與一電腦系統進行通訊。在任何情況下，該語言可以是一已編譯或已解譯的語言。

每一電腦程式較佳地被儲存或被下載到一個可被一個一般或特殊用途的可程式化電腦可讀儲存媒體或裝置(例如，固態記憶體或媒體或者磁性或光學媒體)中，用於組配及操作該電腦，在該儲存媒體或裝置被該電腦系統讀時，執行其中所描述之該等程序。本發明的系統也可被考量實現作為一電腦可讀儲存媒體，並被以一電腦程式組配，其中該儲存媒體被組配使一電腦系統以一特定及預先定義的方式操作，從而執行其中所描述之該等功能。

本發明之多個實施例已被描述。不過，要理解的是各種修改可被作出而不脫離本發明之精神及範圍。例如，此說明書中所描述之該等步驟中的一些可以是順序獨立的，且因此可以以一不同於所描述的順序被執行。

Claims

一種用以從左及右兩立體聲聲道中導出三聲道之方法，該等三聲道包含一左聲道、一中央聲道及一右聲道，該方法包含以下步驟：從該左立體聲聲道之一可變比例部分中導出該左聲道，從該右立體聲聲道之一可變比例部分中導出該右聲道，以及從該左立體聲聲道之一可變比例部分與該右立體聲聲道之一可變比例部分之組合中導出該中央聲道，其中每一可變比例部分藉由將一增益因子應用到該左或右立體聲聲道中而被決定，該等增益因子藉由以下步驟被導出：建立用來將該等立體聲聲道應用於左及右揚聲器之一第一模型，建立用來將該等立體聲聲道應用於左及右揚聲器以及一中央揚聲器之一第二模型，決定呈現於相對於根據該第一模型之組態以及相對於根據該第二模型之組態之一中央位置的收聽者之耳朵處的聲音的一程度中的差異，建立一加權因子，該加權因子之數值控制兩相反狀況間之平衡，其中一狀況為沒有信號被施加至該中央揚聲器，以及另一狀況為沒有信號被施加到該左揚聲器與右揚聲器；以及以該等增益因子控制在該第二模型中被應用於該左、中央及右揚聲器的該等立體聲聲道之比例部分，以最小化該差異，而在該兩個立體聲聲道中之該等信號的某些狀況下，同時使該左及/或右立體聲聲道之一部分被應用於該中央揚聲器，這樣的狀況包括在個別聲道內之信號間的聲道間相關性以及該等各別信號之能量，該左及/或右立體聲聲道之該部分與一選定加權因子的值相當。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在該導出該中央聲道時，該左立體聲聲道之該可變比例部分及該右立體聲聲道之該可變比例部分是相等的，藉此該中央聲道可使用一增益因子來被導出，而不是兩增益因子且三增益因子之一總數被利用。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在該導出該中央聲道時，該左立體聲聲道之該可變比例部分及該右立體聲聲道之該可變比例部分未被限制為是相等的，藉此導出該中央聲道需要使用兩增益因子且四增益因子之一總數被利用。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該控制包括對一具有一懲罰函數的運算式執行一數學最小化，該加權因子在該懲罰函數中是一懲罰因子。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該控制包括對一運算式執行一數學最小化，在該運算式中信號被應用於該中央揚聲器的程度被降低權重，該降低權重由該加權因子控制。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該聲音的程度是該聲壓之幅度。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該聲音的程度是該聲壓之功率。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中決定該呈現於一收聽者之該等耳朵處的聲音的一程度中的差異包括執行一考量頭部遮蔽效應的計算。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該決定及該控制利用在該頻域中所執行的計算。
如申請專利範圍第9項所述之方法，其中在該頻域中所執行的該等計算被執行於與臨界頻帶相對應或小於臨界頻帶的多個頻帶中。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中控制該等用於該左、中央及右揚聲器聲道的二聲道立體聲信號之總量包括解一最小平方方程式，該最小平方方程式對於該等用於該左、中央及右揚聲器聲道的二聲道立體聲信號中之每一個的總量具有一封閉形式的解。
如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含從該右立體聲聲道之一可變比例部分中導出該左聲道，以及從該左立體聲聲道之一可變比例部分中導出該右聲道。
如申請專利範圍第12項所述之方法，其中從中導出該左聲道的該右立體聲聲道是該右立體聲聲道之一不同相位的版本，而從中導出該右聲道的該左立體聲聲道是該左立體聲聲道之一不同相位的版本。
一種適於執行用以從左及右兩立體聲聲道中導出三聲道之方法的裝置，該方法係為如申請專利範圍第1至13項中之任一項所述之方法。
一種儲存於電腦可讀媒體上之電腦程式，用於使一電腦執行申請專利範圍第1至13項中之任一項所述之方法。