專利名稱：在保持感知譜平衡的情況下的音頻信號響度調(diào)整的制作方法
在保持感知譜平衡的情況下的音頻信號響度調(diào)整相關(guān)申請的交叉引用此申請要求于2009年5月6日提交的美國臨時專利申請第61/176，084號的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容在此以引用方式并入本文。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及音頻信號處理，即涉及用于以保持音頻信號的感知譜平衡的方式調(diào)整音頻信號的響度的低復(fù)雜度方法或設(shè)備。本發(fā)明還涉及存儲于計算機可讀介質(zhì)上的用于使計算機執(zhí)行該方法的計算機程序。本發(fā)明還涉及其上存儲執(zhí)行該方法的計算機程序的計算機可讀介質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
依據(jù)本發(fā)明的各方面，通過如下操作在減少音頻信號的感知譜平衡中的變化的同時調(diào)整音頻信號的響度，即將所述音頻信號應(yīng)用于具有高頻響應(yīng)特性和低頻響應(yīng)特性的可動態(tài)控制濾波器，接收關(guān)于所述音頻信號的多個頻帶中的每一個頻帶中的期望增益的動態(tài)變化信息，所述期望增益在應(yīng)用于所述音頻信號時趨向于在所述音頻信號的所述響度改變時保持感知譜平衡，所述信息響應(yīng)于所述音頻信號和期望的響度，其中存在相互并置的三個或更多個頻帶，包括通常介于所述高頻響應(yīng)特性在其中改變的頻率范圍的下端與所述低頻響應(yīng)特性在其中改變的頻率范圍的上端之間的錨定頻帶(anchor band)、位于所述濾波器的響應(yīng)在其中改變的頻率范圍的上端處的上頻帶，和介于所述錨定頻帶與所述上頻帶之間的至少一個頻帶，以及響應(yīng)于所述信息來動態(tài)地控制所述濾波器，其中所述高頻響應(yīng)特性可是可變擱架(shelf)濾波器響應(yīng)，并且所述低頻響應(yīng)特性可是具有在所述錨定頻帶以下單調(diào)減小的對數(shù)域中的升高/衰減的可變斜率響應(yīng)，所述可變擱架濾波器響應(yīng)響應(yīng)于所述三個或更多個頻帶中的每個頻帶中的期望增益而被控制，且所述可變斜率響應(yīng)響應(yīng)于所述錨定頻帶中的所述期望增益而被控制。包括錨定頻帶和上頻帶的頻率范圍中的頻帶的數(shù)目可少于處于所述頻率范圍中的人耳的臨界帶的數(shù)目。各頻帶中的期望增益可通過在比相應(yīng)頻帶的頻率范圍寬的頻率范圍上分析輸入信號來獲得。錨定頻帶中的期望增益是通過在包括在500kHz和2kHz之間的頻率的頻率范圍上分析輸入信號來獲得的?？勺償R架濾波器響應(yīng)的截止頻率可響應(yīng)于所述音頻信號的相對于聽力閾值的電平。錨定頻帶可為大約700Hz至大約2kHz。圖1是示意性功能框圖，其示出依據(jù)本發(fā)明的各方面的用于以保持音頻信號的感知譜平衡的方式來調(diào)整所述音頻信號的響度的方法或設(shè)備的實施例。換句話說，此設(shè)備或方法的任務(wù)是改變音頻輸入信號以產(chǎn)生音頻輸出信號，使得收聽者感知到音頻輸出信號的響度相對于音頻輸入信號的響度增加或降低，所感知的響度的差等于響度變化輸入，同時在音頻信號的譜平衡中感知到很少的變化或者感知不到變化。所述響度變化輸入可以是靜態(tài)的，諸如，舉例來說，可由用戶所選擇的音量控制水平而引起，或響度變化輸入可以是動態(tài)的，諸如，可例如由接收音頻輸出和/或音頻輸入以及使用者所選擇的期望音頻輸出音量控制水平的自動校平器設(shè)備或過程而引起。為了方便起見，所述響度變化可例如表達為比率(輸出響度(以宋(Sone)為單位)除以輸入響度(以宋為單位))，或以對數(shù)標度來表達。對于此文檔的其余部分，響度變化被表達為比率，使得當響度變化=1.0時，圖1的示例的方法或設(shè)備理想化地對正被處理的音頻信號沒有影響(所以，除了可能的延遲以外， 音頻輸出信號與音頻輸入信號響度相同，該延遲可被忽略)。當響度變化=2. O時，圖1的示例的方法或設(shè)備理想化地以使得所感知的響度加倍(在宋標度上)的方式使音頻輸出相對于音頻輸入升高。相似地，當響度變化=0. 5時，圖1的示例的方法或裝置理想化地以使得所感知的響度減半(在宋標度上)的方式相對于音頻輸入削減或衰減音頻輸出。音頻輸入被應(yīng)用于信號路徑以及控制路徑。信號路徑可包括第一和第二串聯(lián)濾波器或濾波器功能(“低頻濾波器”)2和(“高頻濾波器”)4。優(yōu)選地，該濾波器或濾波器功能中的一個濾波器或濾波器功能在低頻(如下文所討論的，通常處于“錨定頻帶”以下的頻率)操作，而另一濾波器或功能在高頻(通常處于錨定頻帶以上的頻率)操作。盡管它們可以任何順序來排列，低頻濾波器2被示出為首先位于信號路徑中。濾波器或濾波器功能的進一步的細節(jié)在下文中加以討論。信號路徑包括可變增益元件6，被示出為圖1的示例中的低頻濾波器2中的乘法器元件或功能。此乘法器元件或功能不必須為濾波器2的一部分，而是可以是濾波器4的一部分，或者可以不是濾波器2和濾波器4的一部分。在圖1的示例的控制路徑中，“計算每個頻帶的增益”裝置或功能8接收音頻輸入和上文提到的響度變化。在此示例中，裝置或功能8輸出用于音頻輸入信號的一組頻帶中的每一頻帶的期望增益(“頻帶增益(BandGain) ”)，使得如果該期望增益應(yīng)用于音頻輸入信號，則將在音頻輸入信號的響度被改變以產(chǎn)生音頻輸出信號時保持或傾向于保持音頻輸入信號的感知譜平衡。這可至少部分地通過使裝置或功能8的增益計算基于諸如文中圖10 所示的音壓級(SPL)與響度之間的基于人聽覺的頻率相關(guān)關(guān)系來實現(xiàn)。圖10在下文被進一步加以討論。用于控制低頻濾波器2和高頻濾波器4以獲得要被應(yīng)用于音頻輸入信號(以產(chǎn)生音頻輸出信號)的期望頻帶增益的控制信號可通過低頻濾波器控制器或控制過程(“LF控制”)10和高頻濾波器控制器或控制過程(“HF控制”)12從計算每個頻帶的增益8的頻帶增益輸出獲得。該LF控制10從錨定頻帶增益導(dǎo)出三個控制變量，包括增益因子G。該HF 控制12從錨定頻帶增益和至少兩個高頻頻帶的各自的增益導(dǎo)出五個控制變量。用以控制 LF和HF濾波器的控制變量的數(shù)目可在替代實施例中不同，因為替代濾波器結(jié)構(gòu)可能需要不同數(shù)目的可變系數(shù)。本發(fā)明的各方面包括如下認識，即通過用簡單的低頻和高頻濾波器特性的響應(yīng)來近似復(fù)雜的理想濾波器響應(yīng)，并且通過使用少至三個的頻帶增益來控制該簡單的濾波器特性，可獲得可變響度譜平衡保持音頻輸出信號，在所述少至三個的頻帶增益中，一個頻帶增益用于所述錨定頻帶，并且兩個或更多個頻帶增益用于高于所述錨定頻帶的頻帶。例如，圖 2示出可被假定為期望的濾波器響應(yīng)的十八個頻帶增益值(繪示為小圓圈)的集合的對數(shù)增益(log gain) (dB)-對數(shù)頻率(log frequency)的曲線圖，以及旨在近似該十八個頻帶增益值的平滑化濾波器曲線。錨定頻帶中的頻率的值被突出顯示為黑色實心圓圈，且“上頻帶”頻率值被用十字突出顯示。圖3示出減少的頻帶增益值的集合(相對于圖2的示例而言)，其可依據(jù)本發(fā)明的各方面被用于近似基于更大數(shù)目的頻帶增益值的平滑化濾波器曲線。該濾波器的性態(tài)可分為兩部分-低于錨定頻帶的頻率和高于錨定頻帶的頻率。通過采用諸如圖4的示例中的其中低于錨定頻帶的響應(yīng)由錨定頻帶值確定的低頻濾波器響應(yīng)，不需要低于錨定頻帶的頻帶增益值。通過采用諸如圖5的示例中的高頻擱架濾波器響應(yīng)，需要高于錨定頻帶頻率的兩個(圖中所示)至五個頻帶增益值組成的集合的全部來近似基于更大數(shù)目的頻帶增益值的平滑化濾波器曲線。因此，當響度變化時維持感知譜所需的復(fù)雜響應(yīng)可被由兩個非常簡單的濾波器特性近似，一個在低頻操作而另一個在高頻操作。這與可能需要20至40個頻帶的試圖在臨界頻帶基礎(chǔ)上產(chǎn)生所需響應(yīng)相比實現(xiàn)了大幅簡化。實現(xiàn)了復(fù)雜性的進一步降低是由于控制簡單濾波器響應(yīng)所需的分析作為替代可采用少量的寬頻帶，否則該分析可能預(yù)計需要大量頻帶(例如臨界頻帶)。錨定頻帶在采用五個頻帶的示例性實施例中，頻帶增益值可與在下列頻率的期望增益相對應(yīng)BandFaz(I)=IkHz (錨定頻帶)
BandFaz (2)=5kHz
BandFaz (3)=9kHz
BandFaz (4)=13kHz
BandFaz (5)=17kHz (高頻頻帶)BandFHZ(i)頻率可指的是每個頻帶的基本在中心的頻率或代表頻率。例如，第2 頻帶的頻帶增益(頻帶增益O))可指的是理想化地應(yīng)由低頻濾波器2和高頻濾波器4的組合在5kHz施加的期望增益。將了解的是，在3000Hz至7000Hz的頻率范圍中的低和高頻濾波器組合的增益可近似等于頻帶增益O)。第2頻帶的頻帶增益值可通過在較寬的頻率范圍上的輸入音頻信號的分析導(dǎo)出，其中大多數(shù)權(quán)重被給予例如介于1000Hz與9000Hz之間的頻率。在此分析過程中，信號功率(處于1000至9000Hz頻帶中)可用作聲壓級的估計值，且期望響度變化可依據(jù)下文結(jié)合圖11所描述的過程被應(yīng)用。頻帶增益(1)的值可具有下列屬性頻帶增益⑴指的是在IkHz的期望增益。頻帶增益(1)是錨定增益(Anchor Gain)，因為頻帶1是錨定頻帶，且在此示例中錨定頻帶頻率為IkHz。在700Hz至2kHz之間應(yīng)用的濾波器增益應(yīng)近似等于頻帶增益(1)。在低于700Hz的情況下，如圖4中所示，濾波器的響應(yīng)作為頻帶增益(1)的函數(shù)而改變，即在高于錨定頻帶的情況下，濾波器具有平坦的頻率響應(yīng)，并且在低于錨定頻帶的情況下，濾波器具有可變斜率響應(yīng)，該可變斜率響應(yīng)具有在錨定頻帶以下單調(diào)減小的對數(shù)域中的升高/衰減。頻帶增益(1)的增益可基于在從約300Hz至4kHz的頻率范圍上的輸入信號的分析來計算。此頻率范圍的下限可由具有例如400Hz的截止頻率的高通濾波器來確定，但是該高通濾波器也可具有在IOOHz至1000Hz范圍中的截止頻率?？商鎿Q地，高通濾波器可被省略，使得頻帶增益(1)的增益基于在從OHz至4kHz的頻率范圍上的輸入信號的分析來計
笪弁。高頻頻帶高頻頻帶是與濾波器中受關(guān)注的最高頻率相對應(yīng)的頻帶。在上文所列出的示例頻帶中，BandFHZ(5) = 17kHz，使得此頻帶預(yù)期定義了從14kHz至20kHz的范圍上的期望的濾波器響應(yīng)。此頻率被選擇以使得頻帶的上端(20kHz)近似等于人類音頻感知的上限 (20kHz)，或者音頻系統(tǒng)的頻率上限(通常由系統(tǒng)的采樣率限制)。例如，17kHz的上頻帶中心頻率可能適合于以44. IkHz,48kHz或96kHz的采樣率操作的音頻系統(tǒng)，但是12kHz的上頻帶頻率可能在以32kHz的采樣率操作的音頻系統(tǒng)中是適用的。應(yīng)理解的是，與包括錨定頻帶和高頻頻帶的各種頻帶有關(guān)的頻率值是有用的示例，但是對本發(fā)明來說并不是必需的。


圖1是示出依據(jù)本發(fā)明的各方面的用于以保持音頻信號的感知譜平衡的方式來調(diào)整音頻信號的響度的方法或設(shè)備的示例的示意性功能框圖。圖2示出假定為期望的濾波器響應(yīng)的十八個頻帶增益值(繪示為小圓圈)的集合的對數(shù)增益(dB)-對數(shù)頻率的曲線圖，和預(yù)期近似該十八個頻帶增益值的平滑化濾波器曲線。圖3示出依據(jù)本發(fā)明的各方面可被用以近似基于更大數(shù)目的頻帶增益值的平滑化濾波器曲線的減少的頻帶增益值的集合(相對于圖2的示例而言)。圖4示出其中低于錨定頻帶的響應(yīng)僅由錨定頻帶值確定的低頻濾波器響應(yīng)的族的代表示例。圖5是其中由二(被示出)至五個高于錨定頻帶的頻帶增益值的集合近似基于更大數(shù)目的頻帶增益值的平滑化濾波器曲線的高頻擱架濾波器響應(yīng)的族中的一個響應(yīng)的代表示例。此示例與圖3的示例的不同之處在于圖3的示例示出了組合的高頻和低頻濾波器響應(yīng)，而圖5的示例僅示出了高頻濾波器響應(yīng)。圖6示出方程式1. 2的fl和f2多項式值的曲線圖。圖7示出理想化的高頻擱架濾波器響應(yīng)的指導(dǎo)性示例。圖8示出理想化的高頻擱架濾波器響應(yīng)的其他指導(dǎo)性示例。圖9示出理想化的高頻擱架濾波器響應(yīng)的另外的指導(dǎo)性示例。圖10示出依據(jù)本發(fā)明的各方面適于使用的基于人類聽覺系統(tǒng)的非線性增益-響度函數(shù)響應(yīng)。圖11示出非線性增益-響度函數(shù)響應(yīng)可被采用的方式的示例。圖12在其上部部分示出示例性的信號振幅(對數(shù)標度)對頻率，其中音頻的較高頻成分的振幅趨向于減弱至很低的水平。圖12在其下部部分示出得到的增益輪廓線，其中高頻部分呈現(xiàn)擱架濾波器的形狀，并且在較低頻處的增益朝零向下傾斜(在對數(shù)標度上)。
具體實施方案低頻濾波器細節(jié)L0044」 如圖4饑不，低頻濾汲器2的性態(tài)1 乂由處ナ錨定頻帶頻卒的頻帶堦M值釆佛定。圖 4示出對于各種錨定頻帶增益水平的一系列低頻濾波器2的理想化的濾波器響應(yīng)曲線(對 數(shù)増益(以dB為單位)-對數(shù)頻率)。因為在錨定頻帶頻率應(yīng)用各種增益水平，較低頻率的 頻帶被以與所施加的増益水平相比較小的量而升高或衰減。在高于錨定頻帶處，濾波器具 有平坦頻率響應(yīng)，而在低于錨定頻帶處，該濾波器具有可變斜率響應(yīng)，該可變頻率響應(yīng)具有 在錨定頻帶之下單調(diào)減小的對數(shù)域中的升高/衰減。低頻增益調(diào)整的此單調(diào)減少可由下列 方程式來表示
f MkikHf)=
權(quán)利要求
1.一種用于在減少音頻信號的感知譜平衡的變化的同時調(diào)整音頻信號的響度的方法， 包括將所述音頻信號應(yīng)用于具有高頻響應(yīng)特性和低頻響應(yīng)特性的可動態(tài)控制濾波器，接收關(guān)于所述音頻信號的多個頻帶中的每一個頻帶中的期望增益的動態(tài)變化信息，所述期望增益在應(yīng)用于所述音頻信號時趨向于在所述音頻信號的所述響度改變時保持感知譜平衡，所述信息響應(yīng)于所述音頻信號和期望的響度，其中存在相互并置的三個或更多個頻帶，包括通常介于所述高頻響應(yīng)特性在其中改變的頻率范圍的下端與所述低頻響應(yīng)特性在其中改變的頻率范圍的上端之間的錨定頻帶、位于所述濾波器的響應(yīng)在其中改變的頻率范圍的上端處的上頻帶，和介于所述錨定頻帶與所述上頻帶之間的至少一個頻帶，以及響應(yīng)于所述信息來動態(tài)地控制所述濾波器，其中所述高頻響應(yīng)特性是可變擱架濾波器響應(yīng)，并且所述低頻響應(yīng)特性是具有在所述錨定頻帶以下單調(diào)減小的對數(shù)域中的升高/衰減的可變斜率響應(yīng)，所述可變擱架濾波器響應(yīng)響應(yīng)于所述三個或更多個頻帶中的每個頻帶中的期望增益而受控，且所述可變斜率響應(yīng)響應(yīng)于所述錨定頻帶中的所述期望增益而受控。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中包括所述錨定頻帶和所述上頻帶的頻率范圍中的頻帶的數(shù)目少于處于所述頻率范圍中的人耳的臨界帶的數(shù)目。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其中各頻帶中的所述期望增益通過在比相應(yīng)頻帶的頻率范圍寬的頻率范圍上分析所述輸入信號來獲得。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，其中所述可變擱架濾波器響應(yīng)的截止頻率響應(yīng)于所述音頻信號的相對于聽力閾值的電平。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法，其中所述錨定頻帶為大約700Hz至大約 2kHz ο
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法，其中所述錨定頻帶中的所述期望增益通過在包括500kHz和2kHz之間的頻率的頻率范圍上分析輸入信號來獲得。
7.一種設(shè)備，包含適于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的方法的裝置。
8.一種計算機程序，存儲在計算機可讀介質(zhì)上，用于使計算機執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至6 中任一項所述的方法。
9.一種計算機可讀介質(zhì)，其上存儲有執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的方法的計算機程序。
全文摘要
使用具有高頻響應(yīng)特性和低頻響應(yīng)特性的可動態(tài)控制濾波器在減少音頻信號的感知譜平衡的改變的同時調(diào)整該音頻信號的響度，該可動態(tài)控制濾波器通過動態(tài)改變關(guān)于該音頻信號的多個頻帶中的每一個頻帶中的期望增益的信息而被控制。
文檔編號H03G9/14GK102414746SQ201080019733
公開日2012年4月11日 申請日期2010年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月6日
發(fā)明者D·S·麥克格拉斯 申請人:杜比實驗室特許公司