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CN1625920A - 音频装置及其再生用程序 - Google Patents

音频装置及其再生用程序 Download PDF

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CN1625920A CNA028289552A CN02828955A CN1625920A CN 1625920 A CN1625920 A CN 1625920A CN A028289552 A CNA028289552 A CN A028289552A CN 02828955 A CN02828955 A CN 02828955A CN 1625920 A CN1625920 A CN 1625920A
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Abstract

音频装置及其再生用程序，设有用多级延迟处理器Z－1分割一方声道的输入信号X，通过系数处理器w0、w1…wk使规定的系数重迭到该输出的各信号之上，通过用加法器∑将此相加，从一方声道的输入信号X中提取与另一方声道的输入信号Y相关性高的信号成分的无相关化滤波器。配有根据可从该输出信号RES以及上述另一方声道的输入信号Y获得的误差信号e和上述一方声道的输入信号X，使无相关化滤波器的特性依次改变的系数更新处理器5。可从无相关化滤波器的输出RES和另一方声道的输入信号Y的差分中获得环绕信号。这样即可在从双声道的立体声信号再生时，生成不会给收听人造成反相或不协调感的环绕信号。

Description

音频装置及其再生用程序
技术领域
本发明与从由双声道的立体声音频信号生成多声道音频信号的音频装置及其再生用程序有关。
背景技术
由双声道的立体声音频信号生成多声道音频信号的要求多年来一直存在，而且许多音频装置均具有此项功能，但在再生时往往使人产生反相感及不协调感。
要想由现用的双声道信号生成多声道的音频信号，即生成被称之为环绕信号的从听众的侧面到背后再生的信号或生成希望使之定位在听众的侧面或背后的信号的OSL信号及OSR信号时，通常如图1及下述式(1)所示，计算出输入的立体声音频信号INL和INR的差分进行再生。
OSL＝INL-INR
OSR＝INR-INL                       式(1)
由于此时的OSL和OSR彼此相位相反，因而在再生时自然会使听众产生反相感。图8及图9例示出构成输入信号的立体声音频信号INL和INR的波形及频率特性，通过对此种立体声音频信号INL、INR实施图1所示的处理，即可生成图10及图11所示的环绕信号。
从该图10可知，若仅根据左右的立体声音频信号的差分生成环绕信号，则左右的环绕信号OSL和OSR的相位相反。此外，该环绕信号正如图10所示，因左右两种信号彼此振幅相同但相位相反，除其相关性强之外，由于与构成生成源的立体声音频信号完全不同，因而无法消除再生时的不协调感。
此外，正如图9中的频率特性所示，左右的输入信号均在4.5kHz附近存在共同的信号成分，这正是造成不协调感的原因，但正如图11所示，在此种由输入信号的差分生成的环绕信号之中由于左右的信号均由同一频率成分构成，两种信号的相关性极高，因而给人留下很强的不自然的印象。
为此，有人提议通过减少环绕信号间的相关性来消除给听众造成的反相感以及不协调感。但是此种现有技术仅停留于单纯的相位操作及振幅操作上，关于环绕信号生成中的本质性的无相关化处理的提议却未见到。
此外，在模拟立体声处理等之中，广泛使用的无相关化手法，例如还可进行使用梳形滤波器的无相关化处理。但对于由式(1)获得的信号，即彼此振幅相同但相位相反的信号而言，并未因实施了上述无相关化处理而消除反相感与不协调感。
发明内容
本发明正是为了解决上述现有技术存在的问题而提出来的，其目的在于提供一种通过在生成环绕信号时实施导入了自适应信号处理技术的无相关化处理，而消除了反相感与不协调感的音频装置。
正如图2所示，本发明通过使用导入了自适应信号处理技术的自适应无相关化器1生成环绕信号。在该自适应无相关化器1之中输入信号X和Y，输出信号O。可将X的信号成分之中与Y相关性高的信号成分提取去除后输出。这是由通过随时改变自身的滤波特性，将X的信号成分之中与Y的信号成分相关性高的信号成分提取并输出的自适应滤波器构成的。通过将自适应滤波器的输出从Y中去除，即可不分离生成环绕信号的过程与无相关化处理的过程地抑制彼此相关性高的信号成分，消除再生时给听众造成的反相感及不协调感。
也就是说，本发明的音频装置根据构成输入信号的双声道的音频信号生成多个声道环绕信号的音频装置，其特征在于：包括用多级延迟处理器分割一方声道的输入信号，通过系数处理器使规定的系数重迭到该分割后的多级输出的各信号之上，生成多级输出成分，通过相加多级输出成分，从一方声道的输入信号成分中提取与另一方声道的输入信号相关性高的信号成分的无相关化滤波器，以及根据由该输出信号以及上述另一方声道的输入信号获得的误差信号和上述另一方声道的输入信号，使该无相关化滤波器的特性随时改变的系数更新处理器的自适应无相关化器；通过计算出该无关化滤波器的输出和另一方声道的输入信号的差分之后作为环绕信号输出。
上述无相关化滤波器最好由FIR滤皮器构成。此外，上述系数更新处理器的特征在于：根据LMS计算法进行系数更新或根据NLMS计算法进行系数更新。
上述无相关化滤波器最好由IIR滤波器构成。上述系数更新处理器根据SHARF计算法进行系数更新。
本发明的音频再用程序是根据构成输入信号的双声道的音频信号生成多个声道的环绕信号的音频再生用程序其特征在于，包括：用多级延迟处理步骤分割一方声道的输入信号，使规定系数重迭到该分割后的多级输出的各信号之上的步骤；以及通过相加生成的多级输出成分，从一方声道的输入信号成分中提取与另一方声道的输入信号相关性高的信号成分的无相关化步骤；以及使该无相关化步骤中的上述系数特性根据由该无相关化步骤中的输出信号和上述另一方声道的输入信号得到的误差信号与上述一方声道输入信号随时变化的系数更新处理步骤；计算出该无相关化步骤的输出与另一方声道的输入信号的差分之后作为环绕信号输出的步骤。
在具有上述构成的本发明之中，作为构成自适应无相关化器的无相关化滤波器，通过使用使与输入信号重迭的系数根据其输入信号依次改变的自适应滤波器，即可最大限度地降低双声道输入信号间的相关性，消除由双声道的立体声音频信号生成多声道音频信号时成为很大问题的环绕信号的反相感及不协调感。
附图说明
图1是表示现有的音频装置中的环绕信号的生成方法的框图，
图2是表示使用了本发明的自适应无相关化器的环绕信号的生成方法的框图，
图3是表示将本发明适用于生成4声道信号时的实施方式的框图，
图4是表示将本发明适用于生成5声道信号时的实施方式的框图，
图5是表示将本发明适用于生成5.1声道信号的实施方式的框图，
图6是举例说明使用FIR滤波器的自适应无相关化器构成的框图，
图7是举例说明使用IIR滤波器的自适应无相关化器构成的框图，
图8是表示输入的双声道立体声信号的波形的曲线，
图9是表示输入的双声道立体声信号的频率特性的曲线，
图10是表示采用现有方法生成的环绕信号的波形的曲线，
图11是表示采用现有方法生成的环绕信号的频率特性的曲线。
图12是表示采用本发明的方法生成的环绕信号的波形的曲线，
图13是表示采用本发明的方法生成的环绕信号的频率特性的曲线。
具体实施方式
下面根据附图详细说明本发明的实施方式，本发明虽与生成的声道数无关，可适用于任何由双声道的立体声信号生成环绕信号的音频装置，但此处仅就4声道、5声道、5.1声道信号的生成装置加以说明。此外，说明中使用的滤波器及系数更新的计算法仅仅是例示，本发明并不受此限制。还有，所生成的信号可直接输出或实施以混响效应、延迟处理、降频脉冲调制为代表的音响效应及信号处理后输出，实施方式不过是其例示，并不受此限制。
(4声道信号的生成)
下面根据图3说明由双声道立体声信号生成4声道的信号实施方式。
在本实施方式中输入双声道立体声音频信号INL以及INR。可由输入的信号INL以及INR生成输出的4声道信号的L、R、SL、SR。L为定位在听众的左前方或由左前方再生的信号，R为定位在听众的右前方或由右前方再生的信号，SL为定位于听众的左侧到左后方或由左侧到左后方再生的信号，SR为定位于听众的右侧到右后方或由右侧到右后方再生的信号。
在输出的4声道信号之中，L以及R为直接将INL以及INR输出。SL为将INR输入自适应无相关化器1L的输入X之中，将INL输入输入Y之中，从自适应无相关化器1L中生成ASL信号。通过使该信号ASL通过带通滤波器2L及延迟处理器3L，进行频带限制及延迟处理之后，作为左侧的环绕信号输出。另一方面，SR为将INL输入自适应无相关化器1R的输入X，将1NR输入输入Y，从自适应无相关化器1R生成ASR信号，通过使该信号ASR通过带通滤波器2R以及延迟处理器3R，进行频带限制及延迟处理之后，作为右侧的环绕信号输出。
如上所述，在本实施方式之中，通过用自适应无相关化器1L、1R处理双声道立体声信号获得左右环绕信号即可由双声道立体声信号生成4声道信号。
(5声道信号的生成)
下面根据图4就由双声道立体声音频信号生成5声道信号的实施方式加以说明。
输入双声道立体声音频信号的INL以及INR。可由输入的信号INL以及INR生成输出的5声道信号L、R、SL、SR、C。关于其中的信号L、R、SL、SR采用与上述图3所示的4声道信号的4种信号L、R、SL、SR相同的方法生成。
关于定位于听众正前方或由正前方再生的信号C，输出输入信号INL以及INR的相加成分。通过上述处理即可由双声道立体声信号生成5声道的信号。
(5.1声道信号的生成)
下面根据图5说明由双声道立体声信号生成5.1声道信号的实施方式。
输入双声道立体声音频信号的INL以及INR。可由输入的INL以及INR生成输出的5.1声道信号L、R、SL、SR、C以及从低音区域专用扬声器再生的信号SW。关于其中的信号L、R、SL、SR、C采用与上述图4所示的5声道信号的5种信号L、R、SL、SR、C相同的方法生成。
由低音区域专用扬声器再生的信号SW则通过带通滤波器2SW对输入信号INL以及INR的相加成分进行频带限制处理后输出。通过上述处理即可由双声道的立体声信号生成5.1声道的信号。
(自适应无相关化器的构成例示)
下面就上述各种实施方式中使用的自适应无相关化器2L、2R的构成加以举例说明。在各自的自适应无相关化器2L、2R之中，输入信号X、Y虽与双声道立体声信号INL、INR对应，但设定为可根据构成输出信号的左右声道环绕信号SL、SR切换输入信号X、Y和立体声信号INL、INR的对应关系。
此外，在自适应信号处理之中，有许多信号并不依赖FIR(FiniteImpulse Response)滤波器及IIR(Infinite Impulse Response)滤波器等的滤波器构成。也就是说，在本发明之中，考虑到硬件及软件的限制及条件等因素，可适当选择上述自适应信号处理的滤波器构成及更新计算法，并不局限于以下所举的滤波器构成及更新计算法。
(采用FIR滤波器的自适应信号处理)
图6例示出采用FIR滤波器进行的自适应信号处理的自适应无相关化器的构成。该自适应无相关化器包括加法计算一侧的输入信号Y和减法计算一侧的输入信号X的输入端子以及构成环绕信号的输出信号O的输出端子。加法计算一侧的输入信号Y经由延迟处理器Z-m输入运算器4。
另一方面，减法计算一侧的输入信号X通过设置在构成FIR滤波器的多级上的延迟处理器Z-1依次实施延迟处理之后，如下述式(2)所示，在将W0、W1...Wk为要素的系数处理器W之中与规定的系数重迭，然后用加法器∑相加格外的输出成分后获得响应信号RES。此处的k为分流长度(延迟处理数)。
   RES(n)＝X(n)TW(n)                      式(2)
采用上述方法获得的响应信号RES被输入运算器4，从同样被输入运算器4中的另一方声道的输入信号Y中减去该响应信号RES即可获得误差信号e以及输出信号O。该动作如下述式(3)至式(6)所示，此处的g设定为任意常数。
   D(n)＝Y(n)TZ                           式(3)
   Z＝[0 0 0 ... g ... 0 0]                式(4)
   O(n)＝D(n)-RES(n)                       式(5)
   E(n)＝O(n)                              式(6)
(自适应计算法)
但在本实施方式之中，上述系数处理器W可通过配置了自适应计算法的系数更新处理器5进行更新，以便提取输入信号X的成分中与输入信号Y的成分相关性高的成分。
也就是说，在该系数更新处理器5之中，随时输入输入信号X以及运算器4的误差信号e，通过用更新计算法处理上述输入信号X以及误差信号e，从系数更新处理器5中朝各级系数处理器W0、W1...Wk输出系数的更新指令，并据此改变与各级延迟处理器Z-1的输出信号重迭的系数值。
在此种系数更新处理器5中采用的更新方式有多种多样，但为了说明，此处仅列举其典型的方式-LMS(Least Mean Square)计算法以及NLMS(Normalized Least Mean Square)计算法。
(LMS计算法)
LMS计算法是将瞬间平方误差作为评估量的计算法，可用下述式(7)更新系数处理器W。此处的μ为步进尺寸参数，是对可实现的自适应无相关化器的性能产生巨大影响的量。
   W(n+1)＝W(n)+2μ·e(n)·X(n)            式(7)
(NLMS计算法)
由于NLMS计算法比LMS计算法在自适应速度方面更为先进，因而是常被使用的计算法，用过去到现在的输入功率将更新量正规化。该NLMS计算法是通过下述式(8)到式(10)更新系数处理器W的，此处的α为忘却系数，决定了与过去的输入对应的权重。
  W(n+1)＝W(n)+2μ·u(n)·e(n)·X(n)         式(8)
u ( n ) = 2 ( j + 1 ) σ ^ ( n ) 2 式(9)
σ ^ ( n ) 2 = α · X ( n ) 2 + ( 1 - α ) · σ ^ ( n - 1 ) 2 式(10)
通过配置了上述自适应计算法的系数更新处理器5，系数处理器W得以更新，通过反复进行由更新的系数处理器W处理输入X这一动作即可进行自适应无相关化处理。
(采用IIR滤波器的自适应信号处理)
图7例示出采用IIR滤波器进行的自适应信号处理的无相关处理器的构成。
在该自适应无相关化器之中，设有将a0、a1...al作为构要素的第1系数处理器a以及将b0、b1...bq作为构成要素的第2系数处理器b，通过针对上述第1、第2系数处理器a、b的各级而多级设置的延迟处理器Z-1输入依次延迟处理后的输入信号X。
输入第1及第2系数处理器a、b的信号X经下述式(11)所示的处理即可获得响应信号RES。然后在运算器4之中正如式(12)～式(14)所示，从输入的信号Y中减去响应信号RES即可获得误差信号e以及输出信号O。
RES(n)＝a0(n)X(n)+a1(n)X(n-1)+...al(n)X(n-1)
+b0(n)X(n)+b1X(n-1)+...+bq(n)X(n-q)     式(11)
D(n)＝Y(n)                              式(12)
O(n)＝D(n)-RES(n)                       式(13)
e(n)＝O(n)                              式(14)
在该实施方式之中，各系数处理器a、b由系数更新处理器5更新，以便利用自适应计算法提取X的成分中与Y的成分相关性高的成分。在该系数更新处理器5之中，可采用的更新处理有许多种，但在本实施方式中，采用下述式(15)～式(17)中所示的SHARF(SimplifedHyperstable Adaptive Recursive Filter)计算法。SHARF计算法比较简单，与LMS极其相似，但通常通过对误差信号e施加平滑化滤波器C以谋求计算法的稳定。
a(n+1)＝a(n)+μ·RES(n)·V(n)
b(n+1)＝b(n)+μ·X(n)·V(n)
                                                      式(15)
a(n)＝[a0(n)  a1(n)  a2(n)...aq(n)]，a0(n)＝1
b(n)＝[b0(n)  b1(n)  b2(n)...bq(n)]
                                                      式(16)
V(n)＝e(n)·C
            C＝[C0 C1 C2 C3...C0]，C0＝1
                                                      式(17)
如上所述，在本实施方式之中，通过采用上述自适应计算法的系数更新处理器5，系数处理器a、b中使用的系数得以更新，更新后的系数即可边重复与输入信号X的重迭处理这一动作边进行自适应无相关化处理。
(输出入信号的比较)
如上所述，若采用本发明，一把构成原始信号的INL以及INR输入自适应无相关化器即可生成实施了上述处理的信号ASL、ASR。若比较一下使用了该自适应无相关化器的本发明与现用技术中的输出信号，则情况如下。
图8以及图9示出构成原始信号的INL、INR。上述两种信号在4.5KHz附近带有彼此相同的信号成分。图10以及图11示出用现用方法生成的信号OSL、OSR。由此可知，该输出信号OSL、OSR正如背景技术项中所介绍过的那样是彼此振幅相同、相位相反的信号。
图12以及图13示出由上述各实施方式中所示的本发明的自适应无相关化器生成的环绕信号ASL、ASR。从图12及图13可以看出不存在现用方法那种彼此振幅相同、相位相反的信号，消除了使人感到反相的信号成分。同时还可看出关于原始信号中共同含有的彼此相关性高的4.5KHz附近的信号成分也通过无相关化处理而受到抑制。
由自适应无相关化器实施了无相关化处理的信号，如有必要仍可作为频带被限制后的环绕信号SL、SR与其它信号一样输出。这时，由于环绕信号SL、SR彼此相关性高的信号受到抑制，因而能消除给听众造成的反相感与不协调感。
如上所述，现用技术存在生成、再生环绕信号时给听众造成的反相感与不协调感的问题，但若采用本发明，由于在生成环绕信号时彼此实施利用了自适应信号处理技术的无相关化处理，因而更有效地实现了生成信号间的无相关化，可不产生反相感及不协调感地进行收听。

Claims (7)

1、一种音频装置，根据构成输入信号的双声道的音频信号生成多个声道环绕信号，其特征在于：设置有自适应无相关化器，它包括：用多级延迟处理器分割一方声道的输入信号，通过系数处理器使规定的系数重迭到该分割后的多级输出的各信号之上，生成多级输出成分，通过相加多级输出成分，从一方声道的输入信号成分中提取与另一方声道的输入信号相关性高的信号成分的无相关化滤波器；以及根据由该输出信号以及上述另一方声道的输入信号获得的误差信号和上述另一方声道的输入信号，使该无相关化滤波器的特性随时改变的系数更新处理器；通过计算出该无关化滤波器的输出和另一方声道的输入信号的差分之后作为环绕信号输出。
2、根据权利要求1所述的音频装置，其特征在于：上述无相关化滤波器由FIR滤波器构成。
3、根据权利要求2所述的音频装置，其特征在于：上述系数更新处理器根据LMS计算法进行系数更新。
4、根据权利要求2所述的音频装置，其特征在于：上述系数更新处理器根据NLMS计算法进行系数更新。
5、根据权利要求1所述的音频装置，其特征在于：上述无相关化滤波器由IIR滤波器构成。
6、根据权利要求5所述的音频装置，其特征在于：上述系数更新处理器根据SHARF计算法进行系数更新。
7、一种音频再生用程序，根据构成输入信号的双声道的音频信号生成多个声道的环绕信号，其特征在于包括：用多级延迟处理步骤分割一方声道的输入信号，使规定系数重迭到该分割后的多级输出的各信号之上的步骤；以及通过相加生成的多级输出成分，从一方声道的输入信号成分中提取与另一方声道的输入信号相关性高的信号成分的无相关化步骤；以及使该无相关化步骤中的上述系数特性根据由该无相关化步骤中的输出信号和上述另一方声道的输入信号获得的误差信号与上述一方声道的输入信号随时变化的系数更新处理步骤；计算出该无相关化步骤的输出与另一方声道的输入信号的差分之后作为环绕信号输出的步骤。
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