TWI634549B - 音訊強化裝置及方法 - Google Patents

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Abstract

一種音訊強化裝置，包括：音訊計算模組、比例計算模組、最小值追蹤模組、權重產生模組以及混合模組。音訊計算模組根據輸入第一及輸入第二聲道訊號之和及差分別計算中央訊號及側邊訊號。比例計算模組計算側邊訊號相對中央訊號之側中比例。最小值追蹤模組追蹤特定時間長度內側中比例之側中比例最小值。權重產生模組根據側中比例最小值決定第一及第二權重。混合模組使中央訊號以及側邊訊號分別根據第一及第二權重值加權後，據以對第一及第二聲道訊號調整產生增強第一聲道訊號以及增強第二聲道訊號。

Description

音訊強化裝置及方法
本發明是有關於音訊強化技術，且特別是有關於一種音訊強化裝置及方法。
在揚聲器播放雙聲道訊號時，聽者會根據左右耳收到的音訊的音壓差、時間差、相位差來感知音源的方向及距離，進而產生立體的聽覺。然而，當兩個揚聲器擺放的距離很近時，上述音壓差、時間差、相位差的差距變小，所產生的狹窄音場會造成聽者無法有效地判斷音源位置，而較難建立立體的聽覺感受。
因此，如何設計一個新的音訊強化裝置及方法，以解決上述的缺失，乃為此一業界亟待解決的問題。
本發明之目的在於提供一種音訊強化(audio enhancement)裝置，包括：音訊計算模組、比例計算模組、最小值追蹤模組、權重產生模組以及混合模組。音訊計算模組配置以根據輸入第一聲道訊號以及輸入第二聲道訊號之和及 差分別計算中央訊號以及側邊訊號。比例計算模組配置以計算側邊訊號相對中央訊號之側中比例。最小值追蹤模組配置以追蹤特定時間長度內側中比例之側中比例最小值。權重產生模組配置以根據側中比例最小值決定第一權重值以及第二權重值。混合模組配置以使中央訊號以及側邊訊號分別根據第一權重值以及第二權重值加權後，據以對輸入第一聲道訊號以及輸入第二聲道訊號調整產生增強第一聲道訊號以及增強第二聲道訊號。
本發明之另一目的在於提供一種音訊強化方法，包括：使音訊計算模組根據輸入第一聲道訊號以及輸入第二聲道訊號之和及差分別計算中央訊號以及側邊訊號；使比例計算模組計算側邊訊號相對中央訊號之側中比例；使最小值追蹤模組追蹤特定時間長度內側中比例之側中比例最小值；使權重產生模組根據側中比例最小值決定第一權重值以及第二權重值；以及使混合模組使中央訊號以及側邊訊號分別根據第一權重值以及第二權重值加權後，據以對輸入第一聲道訊號以及輸入第二聲道訊號調整產生增強第一聲道訊號以及增強第二聲道訊號。
應用本發明之優點在於藉由計算側中比例得知側邊訊號相對中央訊號的關係，並進一步追蹤側中比例最小值避免暫時性的聲音變化造成誤判。接著，根據側中比例最小值對中央訊號以及側邊訊號進行加權後，音訊強化裝置可調整輸入第一聲道訊號及輸入第二聲道訊號，以加強音場的特性，產生更佳的聽覺效果。
1‧‧‧音訊強化裝置
100‧‧‧音訊計算模組
102‧‧‧比例計算模組
104‧‧‧最小值追蹤模組
106‧‧‧權重產生模組
108‧‧‧混合模組
200A、200B‧‧‧加法器
201A、201B‧‧‧帶阻濾波器
202A、202B‧‧‧帶通濾波器
204A、204B、204C、204D‧‧‧乘法器
206A、206B‧‧‧加法器
208A、208B‧‧‧延遲模組
210A、210B‧‧‧加法器
3‧‧‧音訊強化裝置
300‧‧‧串音消除模組
4‧‧‧音訊強化裝置
400‧‧‧中央訊號最小值追蹤模組
402‧‧‧中央比例計算模組
500‧‧‧音訊強化方法
501-505‧‧‧步驟
第1圖為本發明一實施例中，一種音訊強化裝置的方塊圖；第2圖為本發明一實施例中，第1圖的音訊強化裝置於一實作範例中的方塊圖；第3圖為本發明一實施例中，音訊強化裝置的方塊圖；第4圖為本發明一實施例中，音訊強化裝置的方塊圖；以及第5圖為本發明一實施例中，音訊強化方法的流程圖。
請同時參照第1圖及第2圖。第1圖為本發明一實施例中，一種音訊強化裝置1的方塊圖。第2圖為本發明一實施例中，第1圖的音訊強化裝置1於一實作範例中的方塊圖。
音訊強化裝置1包括：音訊計算模組100、比例計算模組102、最小值追蹤模組104、權重產生模組106以及混合模組108。
音訊計算模組100可由包含例如，但不限於第2圖所示的加法器200A及加法器200B的運算模組實現。
音訊計算模組100配置以根據輸入第一聲道訊號Lin及輸入第二聲道訊號Rin之和及差，分別計算中央訊號MID及側邊訊號SIDE。於一實施例中，輸入第一聲道訊號Lin及輸 入第二聲道訊號Rin分別為例如，但不限於輸入的左聲道訊號以及右聲道訊號。
其中，中央訊號MID對於聆聽者而言，相當於輸入第一聲道訊號Lin及輸入第二聲道訊號Rin對應中間方向的成分，並可由下式表示：MID=Lin+Rin(式1)
側邊訊號SIDE對於聆聽者而言，相當於輸入第一聲道訊號Lin及輸入第二聲道訊號Rin對應側邊方向的成分，並可由下式表示：SIDE=Lin-Rin(式2)
比例計算模組102配置以計算側邊訊號SIDE相對中央訊號MID之側中比例RSM。
於一實施例中，比例計算模組102將側邊訊號SIDE的絕對值以及中央訊號MID的絕對值相除產生側中比例RSM，並可由下式表示：RSM=SIDE/MID=(|Lin-Rin|)/(|Lin+Rin|)(式3)
於其他實施例中，側邊訊號SIDE以及中央訊號MID間的比例關係，亦可能由其他可表現出類似意涵的方式替代，不為上述兩者相除的方式所限。舉例而言，側中比例RSM亦可能為側邊訊號SIDE的方均根以及中央訊號MID的方均根相除，或是第一聲道訊號與第二聲道訊號間的相關係數倒數(inverse correlation coefficient)替代，或是其他可表現出側邊訊號SIDE以及中央訊號MID間的比例關係意涵的形 式。於一實施例中，當相關係數很大，也就是相關係數倒數很小時，代表左右訊號極為相似，比較像是來自正前方的聲音訊號；相反的，若相關係數比較小，則代表著音源是來自於其他方向。
最小值追蹤模組104配置以追蹤特定時間長度內側中比例RSM之側中比例最小值RSMmin。舉例而言，最小值追蹤模組104可追蹤5秒內的側中比例RSM，以擷取此時間長度內的側中比例最小值RSMmin。
於一實施例中，由於輸入第一聲道訊號Lin及輸入第二聲道訊號Rin可能會有短暫的變化影響側中比例RSM的數值，例如對話中的清音(unvoiced)部分。因此，藉由最小值追蹤模組104所產生的側中比例最小值RSMmin將具有較高的可靠度，可有效避免造成的誤差，或是避免即時運算所觀察到的短暫劇烈變化。
權重產生模組106配置以根據側中比例最小值RSMmin決定第一權重值α及第二權重值β。於一實施例中，音訊強化裝置1可包含配置以儲存映射表的儲存單元(未繪示)。權重產生模組106可擷取映射表，並根據側中比例最小值RSMmin查詢映射表來決定第一權重值α及第二權重值β。
於其他實施例中，權重產生模組106亦可根據預設的演算法決定第一權重值α及第二權重值β，不為上述的實施方式所限。
混合模組108配置以使中央訊號MID以及側邊訊號SIDE分別根據第一權重值α及第二權重值β加權後，據以 對輸入第一聲道訊號Lin及輸入第二聲道訊號Rin調整產生增強第一聲道訊號Len以及增強第二聲道訊號Ren。
於一實施例中，混合模組108配置以使輸入第一聲道訊號Lin與加權的中央訊號MID以及加權的側邊訊號SIDE相加，以產生增強第一聲道訊號Len，並可由下式表示：Len=Lin+α×0.5×MID+β×0.5×SIDE(式4)
另一方面，混合模組108配置以使輸入第二聲道訊號Rin與加權的中央訊號MID相加，並與加權的側邊訊號SIDE相減，以產生增強第二聲道訊號Ren，並可由下式表示：Ren=Rin+α×0.5×MID-β×0.5×SIDE(式5)
於一實施例中，當側中比例最小值RSMmin愈大，第一權重值α愈小且第二權重值β愈大。當側中比例最小值RSMmin愈小，第一權重值α愈大且第二權重值β愈小。
更詳細地說，當側中比例最小值RSMmin愈大時，表示側邊訊號SIDE的強度有大於中央訊號MID的強度的趨勢。換句話說，輸入第一聲道訊號Lin與輸入第二聲道訊號Rin間的差異程度大於相似程度。此時，較小的第一權重值α以及較大的第二權重值β將使得增強第一聲道訊號Len以及增強第二聲道訊號Ren的差異性更大，造成更寬敞的聽覺效果。
而當側中比例最小值RSMmin愈小時，表示中央訊號MID的強度有大於側邊訊號SIDE的強度的趨勢。換句話說，輸入第一聲道訊號Lin與輸入第二聲道訊號Rin間的相似程度大於差異程度。此時，較大的第一權重值α以及較小的 第二權重值β將使得增強第一聲道訊號Len以及增強第二聲道訊號Ren的相似性更大，造成更強烈的前方聽覺效果。
於一實施例中，第一權重值α及第二權重值β之總和為1。舉例而言，當第一權重值α為0.9時，第二權重值β為0.1。而當第一權重值α為0.3時，第二權重值β為0.7。然而，本發明並不以此為限。
在一個實作的範例中，上述的第一權重值α及第二權重值β僅對輸入第一聲道訊號Lin及輸入第二聲道訊號Rin中，特定頻帶的部分產生影響。因此，音訊強化裝置1可如第2圖所示，更包含帶通濾波器202A及202B，分別對輸入第一聲道訊號Lin及輸入第二聲道訊號Rin進行帶通濾波，以產生帶通濾波後的輸入第一聲道訊號及輸入第二聲道訊號。
原本的輸入第一聲道訊號Lin可表示為：
原本的輸入第二聲道訊號Rin可表示為：
其中，為不包含經過帶通濾波的輸入第一聲道訊號的訊號，而為不包含經過帶通濾波的輸入第二聲道訊號的訊號。
因此，(式4)可進一步以下式表示
(式5)可進一步以下式表示
其中，γ=2×α-1。換句話說，第一權重值α相當於(γ+1)/2，而第二權重值β相當於1-(γ+1)/2。因此，於本實施例中，權重產生模組106可根據側中比例最小值RSMmin決定γ，進一步間接決定第一權重值α與第二權重值β。
因此，在此實作的範例中，混合模組108如第2圖所示，更包含乘法器204A、204B、204C、204D及加法器206A、206B。
其中，在權重產生模組106決定γ後，分別透過乘法器204A及204B與帶通濾波器202A及202B產生的以及相乘，以產生0.5×γ×及0.5×γ×的項次。
此外，帶通濾波器202A及202B的以及更分別透過乘法器204C及204D與參數1.5相乘，產生1.5×以及1.5×的項次。
為產生不包含輸入第一聲道訊號及輸入第二聲道訊號後的訊號及，音訊強化裝置1可更包含帶阻濾波器(Band-Rejection Filter)201A及201B。
依據一實施例，帶阻濾波器201A包含延遲模組208A及加法器210A，帶阻濾波器201B包含延遲模組208B及加法器210B。延遲模組208A及208B配置以分別對原始的輸入第一聲道訊號Lin與輸入第二聲道訊號Rin延遲，以匹配帶通濾波器202A及202B造成的延遲，再進一步透過加法器 210A及210B移除帶通濾波器202A及202B產生的以及，以產生及的項次。於其他實施例中，為產生不包含輸入第一聲道訊號及輸入第二聲道訊號後的訊號及的帶阻濾波方法，亦可能由其他方式求得，不為上述延遲、相減的方式為限。
進一步地，加法器206A將對於、0.5×γ×以及1.5×進行加總，以達到(式6)的運算結果，產生增強第一聲道訊號Len。
另一方面，加法器206B將對於、0.5×γ×以及1.5×進行加總，以達到(式7)的運算結果，產生增強第二聲道訊號Ren。
需注意的是，第2圖中的模組架構僅為一可能的實施範例。於其他實施例中，亦可能藉由其他的模組架構實現，不為第2圖繪示的模組架構所限。舉例而言，於另一實施例中，權重產生模組106亦可不透過γ間接決定第一權重值α與第二權重值β，而直接決定第一權重值α與第二權重值β並分別透過乘法器對中央訊號MID以及側邊訊號SIDE進行加權。
本發明的音訊強化裝置1可藉由計算側中比例RSM得知側邊訊號SIDE相對中央訊號MID的關係，並進一步追蹤側中比例最小值RSMmin避免暫時性的突發音量造成誤判。接著，根據側中比例最小值RSMmin對中央訊號MID以及側邊訊號SIDE進行加權後，音訊強化裝置1可調整輸入第一聲 道訊號Lin及輸入第二聲道訊號Rin，以加強音場的特性，產生更佳的聽覺效果。
請參照第3圖。第3圖為本發明一實施例中，音訊強化裝置3的方塊圖。音訊強化裝置3與第1圖所繪示的音訊強化裝置1類似，包括：音訊計算模組100、比例計算模組102、最小值追蹤模組104、權重產生模組106以及混合模組108。然而，第3圖的音訊強化裝置3更包含串音消除模組300。
串音消除模組300配置以接收增強第一聲道訊號Len以及增強第二聲道訊號Ren進行串音消除。舉例而言，當第一聲道訊號Len以及增強第二聲道訊號Ren分別對應於左聲道以及右聲道，且兩邊揚聲器的來源非常靠近時，來自兩邊揚聲器的訊號到一邊耳朵的音壓差、時間差相近，使得聽者感受聲音的方向錯誤。因此，串音消除模組300將可進行串音消除抵消這樣的效應，以分別產生輸出第一聲道訊號Lout以及輸出第二聲道訊號Rout。
於不同實施例中，串音消除模組300可藉由遞迴處理(recursive processing)或是非遞迴處理(non-recursive processing)的方式進行串音消除。
在進行串音消除的程序中，容易對中央訊號MID的成分衰減。在前述側中比例最小值RSMmin愈小的狀況中，較大的第一權重值α以及較小的第二權重值β不僅使增強第一聲道訊號Len以及增強第二聲道訊號Ren的相似性更大，造成更強烈的前方聽覺效果，更可對於串音消除模組300的衰減達到補償的功效。
請參照第4圖。第4圖為本發明一實施例中，音訊強化裝置4的方塊圖。音訊強化裝置4與第1圖所繪示的音訊強化裝置1類似，包括：音訊計算模組100、比例計算模組102、最小值追蹤模組104、權重產生模組106以及混合模組108。然而，第4圖的音訊強化裝置4更包含中央訊號最小值追蹤模組400以及中央比例計算模組402。
中央訊號最小值追蹤模組400配置追蹤特定時間長度內中央訊號MID的中央訊號最小值MIDmin。舉例而言，中央訊號最小值追蹤模組400可對中央訊號MID進行追蹤5秒內的數值，例如絕對值。以擷取此時間長度內的中央訊號最小值MIDmin。
接著，中央比例計算模組402配置以計算中央訊號MID的絕對值相對中央訊號最小絕對值MIDmin之中央比例RMID，並可由下式表示：RMID=|MID|/MIDmin(式8)
於一實施例中，中央比例RMID相當於訊噪比(signal to noise rato；SNR)的計算，在數值大時，表示中央方有聲音出現。
因此，音訊強化裝置4中的權重產生模組106可配置以同時根據側中比例最小值RSMmin以及中央比例RMID決定第一權重值α及第二權重值β。舉例來說，當中央比例RMID大於一個很高的閾值(threshold)，代表著前方出現了聲音，例如語音的開始，這時不論測中最小值RSMmin多少都是選擇最大的第一權重值α。當中央比例 RMID沒有高於很高的閾值，則就根據測中最小值RSMmin決定第一權重值α。
請參照第5圖。第5圖為本發明一實施例中，音訊強化方法500的流程圖。音訊強化方法500可應用於第1圖的音訊強化裝置1中。音訊強化方法500包含下列步驟(應瞭解到，在本實施方式中所提及的步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前後順序，甚至可同時或部分同時執行)。
於步驟501，使音訊計算模組100根據輸入第一聲道訊號Lin及輸入第二聲道訊號Rin之和及差分別計算中央訊號MID以及側邊訊號SIDE。
於步驟502，使比例計算模組102計算側邊訊號SIDE相對中央訊號MID之側中比例RSM。
於步驟503，使最小值追蹤模組104追蹤特定時間長度內側中比例RSM之側中比例最小值RSMmin。
於步驟504，使權重產生模組106根據側中比例最小值RSMmin決定第一權重值α及第二權重值β。
於步驟505，使混合模組108使中央訊號MID以及側邊訊號SIDE分別根據第一權重值α及第二權重值β加權後，據以對輸入第一聲道訊號Lin及輸入第二聲道訊號Rin調整產生增強第一聲道訊號Len以及增強第二聲道訊號Ren。
需注意的是，上述的各個模組或方法步驟，可依據設計者的需求，藉由硬體、軟體或是韌體來實現。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的原則之內所作的任何修改，等同替換和改進等均應包含本發明的保護範圍之內。

Claims (10)

  1. 一種音訊強化(audio enhancement)裝置，包括：一音訊計算模組，配置以根據一輸入第一聲道訊號以及一輸入第二聲道訊號之和及差分別計算一中央訊號以及一側邊訊號；一比例計算模組，配置以計算該側邊訊號相對該中央訊號之一側中比例；一最小值追蹤模組，配置以追蹤特定時間長度內該側中比例之一側中比例最小值；一權重產生模組，配置以根據該側中比例最小值決定一第一權重值以及一第二權重值；以及一混合模組，配置以使該中央訊號以及該側邊訊號分別根據該第一權重值以及該第二權重值加權後，據以對該輸入第一聲道訊號以及該輸入第二聲道訊號調整產生一增強第一聲道訊號以及一增強第二聲道訊號。
  2. 如請求項1所述的音訊強化裝置，其中該混合模組更配置以使該輸入第一聲道訊號以及該輸入第二聲道訊號均與加權的該中央訊號相加，並使該輸入第一聲道訊號以及該輸入第二聲道訊號其中一者與加權的該側邊訊號相加且另一者與加權的該側邊訊號相減；以及其中當該側中比例最小值愈大，該第一權重值愈小且該第二權重值愈大，當該側中比例最小值愈小，該第一權重值愈大且該第二權重值愈小。
  3. 如請求項1所述的音訊強化裝置，其中該第一權重值以及該第二權重值是根據該側中比例最小值查詢一映射表決定，其中該第一權重值以及該第二權重值之和為1。
  4. 如請求項1所述的音訊強化裝置，更包含：一第一帶通濾波器，配置以對該輸入第一聲道訊號進行帶通濾波產生一帶通濾波後輸入第一聲道訊號；一第一帶阻濾波器，配置以對該輸入第一聲道訊號延遲並與該帶通濾波後輸入第一聲道訊號相減產生一第一剩餘訊號；一第二帶通濾波器，配置以對該輸入第二聲道訊號進行帶通濾波產生一帶通濾波後輸入第二聲道訊號；以及一第二帶阻濾波器，配置以對該輸入第二聲道訊號延遲並與該帶通濾波後輸入第二聲道訊號相減產生一第二剩餘訊號；使該混合模組分別根據該第一權重值以及該第二權重值對該帶通濾波後輸入第一聲道訊號以及該帶通濾波後輸入第二聲道訊號進行加權，以進一步分別與該第一剩餘訊號以及該第二剩餘訊號疊加產生該增強第一聲道訊號以及該增強第二聲道訊號。
  5. 一種音訊強化方法，包括：使一音訊計算模組根據一輸入第一聲道訊號以及一輸入第二聲道訊號之和及差分別計算一中央訊號以及一側邊訊號；使一比例計算模組計算該側邊訊號相對該中央訊號之一側中比例；使一最小值追蹤模組追蹤特定時間長度內該側中比例之一側中比例最小值；使一權重產生模組根據該側中比例最小值決定一第一權重值以及一第二權重值；以及使一混合模組使該中央訊號以及該側邊訊號分別根據該第一權重值以及該第二權重值加權後，據以對該輸入第一聲道訊號以及該輸入第二聲道訊號調整產生一增強第一聲道訊號以及一增強第二聲道訊號。
  6. 如請求項5所述的音訊強化方法，更包含：使該混合模組使該輸入第一聲道訊號以及該輸入第二聲道訊號均與加權的該中央訊號相加，並使該輸入第一聲道訊號以及該輸入第二聲道訊號其中一者與加權的該側邊訊號相加且另一者與加權的該側邊訊號相減；其中當該側中比例最小值愈大，該第一權重值愈小且該第二權重值愈大，當該側中比例最小值愈小，該第一權重值愈大且該第二權重值愈小。
  7. 如請求項5所述的音訊強化方法，更包含：根據該側中比例最小值查詢一映射表決定該第一權重值以及該第二權重值，其中該第一權重值以及該第二權重值之和為1。
  8. 如請求項5所述的音訊強化方法，更包含：使一第一帶通濾波器對該輸入第一聲道訊號進行帶通濾波產生一帶通濾波後輸入第一聲道訊號；使一第一帶阻濾波器對該輸入第一聲道訊號延遲並與該帶通濾波後輸入第一聲道訊號相減產生一第一剩餘訊號；使一第二帶通濾波器對該輸入第二聲道訊號進行帶通濾波產生一帶通濾波後輸入第二聲道訊號；使一第二帶阻濾波器對該輸入第二聲道訊號延遲並與該帶通濾波後輸入第二聲道訊號相減產生一第二剩餘訊號；以及使該混合模組分別根據該第一權重值以及該第二權重值對該帶通濾波後輸入第一聲道訊號以及該帶通濾波後輸入第二聲道訊號進行加權，以進一步分別與該第一剩餘訊號以及該第二剩餘訊號疊加產生該增強第一聲道訊號以及該增強第二聲道訊號。
  9. 如請求項5所述的音訊強化方法，更包含：使一串音消除模組接收該增強第一聲道訊號以及該增強第二聲道訊號進行串音消除，以分別產生一輸出第一聲道訊號以及一輸出第二聲道訊號。
  10. 如請求項5所述的音訊強化方法，更包含：使一中央訊號最小值追蹤模組在每一第二追蹤特定時間長度內該中央訊號之一中央訊號最小值；使一中央比例計算模組計算該中央訊號相對該中央訊號最小值之一中央比例；以及使該權重產生模組根據該側中比例最小值以及該中央比例決定該第一權重值以及該第二權重值。
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