專利名稱：使用子帶濾波器的立體聲呈現(xiàn)技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及信號處理，更特別地涉及提供轉(zhuǎn)換函數(shù)的精確且有效率的實現(xiàn)的信號處理。

背景技術(shù)：
用于實現(xiàn)轉(zhuǎn)換函數(shù)的典型信號處理技術(shù)經(jīng)常使用計算密集的高階濾波器。立體聲呈現(xiàn)技術(shù)是在只使用兩個聲道的聲場中典型地運用轉(zhuǎn)換函數(shù)來合成很多音頻源的聽覺效果的應(yīng)用實例。立體聲呈現(xiàn)技術(shù)產(chǎn)生二聲道輸出信號，具有從一個或者多個輸入信號得出的空間線索，其中每個輸入信號與對于一個收聽者位置來說特定的位置相關(guān)。所得到的二聲道輸出信號，當(dāng)在比如耳機(jī)或者揚聲器的適當(dāng)設(shè)備上回放時，旨在傳達(dá)聲場的相同聽覺影像，該聲場由源自一個或多個特定位置的輸入聲信號產(chǎn)生。
沿著由聲源到耳朵或者其它感應(yīng)器的路徑的精確路徑和遇到的物理特點將導(dǎo)致特定的聲音修正。例如，比如大的開放空間或者反射表面的環(huán)境或結(jié)構(gòu)特點影響聲波，并產(chǎn)生例如回聲的各種特征。在本公開中，更特別地提及的是對到達(dá)聽者耳朵的聲波的聲音特點和效果。
由聲源產(chǎn)生的聲波沿著不同的聲音路徑到達(dá)聽者的每只耳朵，其通常引起不同的修正。耳朵的位置與外耳、頭、肩膀的形狀使得聲波以不同的聲級和不同的譜形狀在不同的時間到達(dá)每只耳朵。這些修正的累積效果稱為頭部相關(guān)轉(zhuǎn)換函數(shù)(HRTF)。HRTF隨個人而變化，也隨聲源與聽者的相對位置的變化而變化。聽者能夠處理由HRTF修正的對兩只耳朵的聲音信號來確定聲源的空間特征，比如源的方向、距離和空間寬度。
立體聲呈現(xiàn)過程典型地包括向每個輸入信號應(yīng)用一對濾波器來模擬對該信號的HRTF的效果。每個濾波器對人類聽覺系統(tǒng)內(nèi)的一只耳朵執(zhí)行HRTF。組合通過向輸入信號應(yīng)用左耳HRTF而產(chǎn)生的全部信號來產(chǎn)生立體聲信號的左聲道，并且組合通過向輸入信號應(yīng)用右耳HRTF而產(chǎn)生的全部信號來產(chǎn)生立體聲信號的右聲道。
可從各種源，如收音機(jī)和音頻光盤，得到二聲道信號以用于在揚聲器或者耳機(jī)上再現(xiàn)，然而很多這些信號傳達(dá)很少的立體聲線索。如果有任何空間影響，這些信號的再現(xiàn)傳達(dá)的立體聲線索更少。這種限制在耳機(jī)上回放時尤其顯著，其能產(chǎn)生“在頭部內(nèi)”的聽覺影像。如果二聲道信號傳達(dá)足夠的立體聲線索，其在此稱為立體聲信號，該信號的再現(xiàn)能夠產(chǎn)生包括強(qiáng)的空間感受的收聽體驗。
立體聲呈現(xiàn)技術(shù)的一種應(yīng)用是用由僅兩個聲道再現(xiàn)的多聲道音頻節(jié)目來改善收聽體驗。多聲道音頻節(jié)目，比如與DVD和HDTV廣播的視頻節(jié)目相關(guān)的多聲道音頻節(jié)目，其高品質(zhì)再現(xiàn)典型地需要具有多聲道的放大器和揚聲器的適當(dāng)?shù)氖章爡^(qū)域。通常，除非使用立體聲呈現(xiàn)技術(shù)，否則二聲道再現(xiàn)的空間感覺極差。
在對于具有五個輸入聲道的系統(tǒng)的立體聲呈現(xiàn)的典型實現(xiàn)中，例如，立體聲輸出信號通過向每個輸入信號應(yīng)用兩個全帶濾波器而獲得，一個輸出聲道使用一個濾波器，并且組合每個輸出聲道的濾波器輸出。該濾波器典型地是有限沖激響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器，其能夠通過卷積合適的離散時間脈沖響應(yīng)和輸入信號來實現(xiàn)。用于呈現(xiàn)HRTF的脈沖響應(yīng)的長度直接影響實現(xiàn)濾波器所需的處理的計算復(fù)雜度。比如快速卷積技術(shù)的技術(shù)是已知的，其用于降低計算復(fù)雜度而又保持濾波器模擬所需HRTF所使用的精度；然而，需要能夠?qū)崿F(xiàn)高品質(zhì)的轉(zhuǎn)換函數(shù)并且計算復(fù)雜度更低的技術(shù)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目標(biāo)是提供實現(xiàn)轉(zhuǎn)換函數(shù)的濾波器的高效實現(xiàn)方式。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種子帶域濾波器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了用于包括立體聲呈現(xiàn)的各種應(yīng)用的HRTF。在一個實施例中，該濾波器結(jié)構(gòu)包括幅度濾波器、分?jǐn)?shù)樣本延遲濾波器和相位校正濾波器，它們互相級聯(lián)設(shè)置。存在不同但是等效的結(jié)構(gòu) 根據(jù)本發(fā)明的其它方面，使用一種子帶域濾波器結(jié)構(gòu)以用于各種應(yīng)用，包括音量均衡，其中以逐子帶的方式調(diào)整信號的音量；房間聲音校正，其中根據(jù)回放信號的房間的聲學(xué)性質(zhì)以逐子帶的方式對信號進(jìn)行衡恒；以及助聽，其中信號根據(jù)聽者的聽覺障礙以逐子帶的方式對信號進(jìn)行均衡。
可有利地與產(chǎn)生任何數(shù)目聲道的輸出信號的處理方法和系統(tǒng)一起使用本發(fā)明。
通過實施本發(fā)明而實現(xiàn)的處理方法可結(jié)合其它編碼技術(shù)，例如高級音頻編碼(AAC)和環(huán)繞聲道信號編碼(MPEG環(huán)繞)。子帶域濾波器結(jié)構(gòu)可用于降低系統(tǒng)整體的計算復(fù)雜度，其中通過重新排列以及組合該結(jié)構(gòu)的元件以消除子帶或多聲道中的冗余濾波來使用它。
本發(fā)明的各種特征以及其優(yōu)選實施例可通過參考下列討論和附圖而更好地理解。下列提出的討論和附圖的內(nèi)容僅作為例子，而不應(yīng)該理解為表示對本發(fā)明范圍的限制。



圖1a和1b是在音頻編碼系統(tǒng)中的編碼器和解碼器的示意方塊圖。
圖2和3是立體聲呈現(xiàn)五聲道音頻信息的音頻解碼器的示意方塊圖。
圖4是HRTF的幅度和相位響應(yīng)的示意圖。
圖5是耦合至合成濾波器組的輸入的子帶域濾波器結(jié)構(gòu)的示意方塊圖。
圖6是子帶濾波器的示意方塊圖。
圖7是包括子帶域濾波器結(jié)構(gòu)的音頻解碼系統(tǒng)的示意方塊圖。
圖8是子帶域濾波器結(jié)構(gòu)和相應(yīng)時域濾波器結(jié)構(gòu)的示意方塊圖。
圖9是表示用于多速濾波器系統(tǒng)的Noble等式。
圖10和11是子帶濾波器響應(yīng)的示意圖。
圖12a和12b是子帶延遲濾波器的群延遲的示意圖。
圖13是空間音頻解碼器中的分量的示意方塊圖。
圖14和15是耦合至實現(xiàn)立體聲呈現(xiàn)的濾波器結(jié)構(gòu)的空間音頻解碼器的分量的示意方塊圖。
圖16和17是組合公共分量濾波器以降低計算復(fù)雜度的濾波器結(jié)構(gòu)的示意方塊圖。
圖18是用于實現(xiàn)本發(fā)明各方面的設(shè)備的示意方塊圖。

具體實施例方式 A.引言 本發(fā)明可有利地在包括音頻壓縮或音頻編碼的各種應(yīng)用中使用。音頻編碼用于減少存儲或者發(fā)送音頻信息所需空間或帶寬的數(shù)量。一些感知音頻編碼技術(shù)將音頻信號分割為多個子帶信號，并以試圖要保存所感知或主觀的音頻信號品質(zhì)的方式編碼子帶信號。一些這些技術(shù)公知為Dolby DigitalTM、Dolby TrueHDTM、MPEG 1 Layer 3(mp3)，MPEG 4 Advanced Audio Coding(AAC)和High Efficiency AAC(HE-AAC)。
其它編碼技術(shù)可獨立使用或與上述感知編碼技術(shù)組合使用。一種被稱為空間音頻解碼(SAC)的技術(shù)可用于以如下方式通過將各個輸入信號組合或者向下混頻為合成信號來壓縮多音頻聲道使得原始輸入信號的復(fù)制能夠通過向上混頻該合成信號恢復(fù)。如果期望，該種處理能夠產(chǎn)生“邊帶信息”或者“元數(shù)據(jù)”來幫助控制向上混頻處理。典型地，合成信號具有一個或兩個聲道，并以這樣的方式產(chǎn)生盡管其可能缺乏完整的空間感覺，但其能被直接回放以提供可接受的聽覺體驗。該處理的例子包括公知的Dolby ProLogic和ProLogic2技術(shù)。這些特別的方法不使用元數(shù)據(jù)，而是在編碼/向下混頻處理期間，使用在探測到的聲道之間的相位關(guān)系。其它技術(shù)在編碼/向下混頻處理期間產(chǎn)生元數(shù)據(jù)參數(shù)，如上所述在向上混頻處理期間使用元數(shù)據(jù)參數(shù)。典型的源數(shù)據(jù)參數(shù)包括聲道水平差(CLD)、聲道間時間差(ITD)或者聲道間相位差(IPD)，以及聲道間相干(ICC)。典型地為所有輸入聲道信號上的多個子帶估計元數(shù)據(jù)參數(shù)。
用于空間編碼系統(tǒng)的編碼器和解碼器分別在圖1a和1b中所示。利用例如離散傅立葉變換(DFT)、修正離散余弦變換(MDCT)或者一組正交鏡像濾波器(QMF)的各種技術(shù)之一實現(xiàn)的適當(dāng)?shù)姆治鰹V波器組，該編碼器將N聲道輸入信號分割成時間/頻率(T/F)域內(nèi)的子帶信號。計算CLD、ITD、IPD和/或ICC的估計以作為每個子帶的邊帶信息或者元數(shù)據(jù)。如果對應(yīng)N聲道輸入信號的M聲道混合信號尚未存在，該邊帶信息可用于將原始N聲道輸入信號向下混頻為M通道合成信號?？蛇x擇地，可用同一濾波器組同步地處理已存在的M聲道合成信號，可相對于M聲道合成信號計算N聲道輸入信號的邊帶信息。該邊帶信息和合成信號被編碼并和合成為經(jīng)編碼的輸出信號。解碼器從該被編碼的信號獲得M聲道合成信號和邊帶信息。該合成信號轉(zhuǎn)換到T/F域，并且該邊帶信息用于向上混頻該合成信號為相應(yīng)子帶信號，以產(chǎn)生N聲道T/F域信號。適當(dāng)?shù)暮铣蔀V波器組應(yīng)用到N聲道T/F域信號，以恢復(fù)原始N聲道時域信號的估計。可選擇地，可省略向上混頻處理，并且作為代替，播放該M聲道合成信號。
圖2表示常規(guī)的編碼系統(tǒng)，其中經(jīng)解碼的音頻信號的五個輸出聲道要被立體聲呈現(xiàn)。在該系統(tǒng)中，每個輸出聲道信號由各自的合成濾波器組產(chǎn)生。實現(xiàn)左耳和右耳HRTF的濾波器應(yīng)用到每個輸入聲道信號，且組合濾波器輸出信號以產(chǎn)生二聲道立體聲信號?？蛇x擇地，如圖3所示，實現(xiàn)HRTF的多對濾波器可應(yīng)用到T/F域信號以產(chǎn)生多對經(jīng)濾波的信號，它們被組合成以產(chǎn)生左耳和右耳T/F域信號，以及隨后用各自的合成濾波器組轉(zhuǎn)換成時域信號。該可選擇的實施例是吸引人的，因為其通?？梢詼p少合成濾波器的數(shù)量，這些合成濾波器是計算密集的且需要相當(dāng)多的計算資源來實現(xiàn)。
用于執(zhí)行如圖2和3中所示的常規(guī)系統(tǒng)中的HRTF的濾波器是典型地計算密集的，因為HRTF具有很多精細(xì)頻譜細(xì)節(jié)。典型HRTF的響應(yīng)如圖4所示。在幅度響應(yīng)中的精細(xì)細(xì)節(jié)的精確實現(xiàn)需要高階濾波器，它們是計算密集的。根據(jù)本發(fā)明的子帶域濾波器結(jié)構(gòu)能夠精確地實現(xiàn)HRTF而不需要高階濾波器。
B.子帶域濾波器結(jié)構(gòu) 1.概述 子帶域濾波器結(jié)構(gòu)如圖5所示。每個子帶信號xk(n)由濾波器Sk(z)處理，該濾波器實現(xiàn)對HRTF中相應(yīng)于子帶的部分的近似。在圖6中示出了一種實現(xiàn)方式，每個子帶濾波器Sk(z)包括三個濾波器的級聯(lián)。濾波器Ak(z)改變子帶信號的幅度。濾波器Dk(z)將子帶信號的群延遲改變包括一個取樣周期的分?jǐn)?shù)的量，其在此稱為分?jǐn)?shù)樣本延遲。濾波器Pk(z)改變子帶信號的相位。
幅度濾波器Ak(z)被設(shè)計成確保子帶域濾波器結(jié)構(gòu)的合成幅度響應(yīng)等于或近似等于在特定子帶內(nèi)的目標(biāo)HRTF的幅度響應(yīng)。
對于至少一些子帶，延遲濾波器Dk(z)是分?jǐn)?shù)樣本延遲濾波器，其被設(shè)計成對特定子帶內(nèi)的信號分量精確地模型化目標(biāo)HRTF的延遲。優(yōu)選地，延遲濾波器在子帶整個頻率范圍上提供恒定的分?jǐn)?shù)樣本延遲。
相位濾波器Pk(z)被設(shè)計成利用相位濾波器的響應(yīng)提供連續(xù)相位響應(yīng)，以當(dāng)在合成濾波器合成子帶信號時，用于避免不期望的信號消除效果。
將在下面更詳細(xì)地描述這些濾波器。
圖7是包含本發(fā)明子帶域濾波器結(jié)構(gòu)的具有N聲道輸入和二聲道輸出的音頻編碼系統(tǒng)的示意圖。每個輸入聲道信號用分析濾波器組分割成子帶信號并被編碼。經(jīng)編碼的子帶信號被組合成經(jīng)編碼的信號或者比特流。經(jīng)編碼的信號隨后被解碼為子帶信號。每個被解碼的子帶信號由合適的子帶域濾波器結(jié)構(gòu)處理，其中記號SnL，m(z)和SnR，m(z)表示用于聲道n的子帶m的子帶域濾波器結(jié)構(gòu)，并且組合其輸出以分別形成L聲道和R聲道輸出信號。L聲道輸出的經(jīng)濾波的子帶信號被組合，并由產(chǎn)生L聲道輸出信號的合成濾波器組處理。R聲道輸出的經(jīng)濾波的子帶信號被組合，并由產(chǎn)生R聲道輸出信號的合成濾波器組處理。
本發(fā)明的子帶域濾波器結(jié)構(gòu)還可用于實現(xiàn)除了HRTF之外的其它類型的信號處理元件，并且除了立體聲呈現(xiàn)還可用于其它應(yīng)用。上面陳述了一些例子。
下面的部分描述可用于設(shè)計幅度、延遲和相位濾波器的方法。如果期望，其它技術(shù)可用于設(shè)計這些濾波器。無特定設(shè)計技術(shù)對本發(fā)明是關(guān)鍵的。此外，任何或所有這些濾波器都可通過包括另一個濾波器的響應(yīng)特征而實現(xiàn)為另一個濾波器的一部分。
2.幅度濾波器 如上面所解釋的，子帶域濾波器結(jié)構(gòu)應(yīng)用于一組子帶信號，并向合成濾波器組的輸入提供其經(jīng)濾波的輸出，如圖8的左手側(cè)所示。設(shè)計該子帶域結(jié)構(gòu)，以便隨后的合成濾波器組的輸出基本上與由圖8的右手側(cè)所示的目標(biāo)時域濾波器所獲得的輸出相同。該時域濾波器耦合到合成濾波器組的輸出。
圖8左手側(cè)上所示的系統(tǒng)的輸出Y(z)可表示為 其中M＝子帶的總數(shù)； X(z)＝到分析濾波器組的輸入信號； Hk(z)＝子帶k的分析濾波器組的脈沖響應(yīng)； Gk(z)＝子帶k的合成濾波器組的脈沖響應(yīng)； xT(z)＝[X(z)，X(zW)，...，X(zWM-1)]；(2)
gT(z)＝[G1(z)·S1(zM)，...GM(z)·SM(zM)]；以及 (4) 在公式4中所示的zM符合圖9所示的多速系統(tǒng)的Noble等式。
為了簡化隨后的推導(dǎo)，假設(shè)分析濾波器組或者是復(fù)雜的過抽樣濾波器組，就像在HE-AAC或MPEG環(huán)繞編碼系統(tǒng)中使用的那些(參見2005年5月第118屆AES大會的大會論文欲印版第6447號Herre等人的“The Reference Model Architecture for MPEG Spatial AudioCoding”)，或者其實現(xiàn)抗鋸齒技術(shù)(參見2004年5月第116屆AES大會的大會論文欲印版第6048號Shimada等人的“A Low Power SBRAlgorithm for the MPEG-4 Audio Standard and its DSPImplementation”)，以便其在HAC(z)·g(z)中的鋸齒項是可忽略的。以此假設(shè) HAC(z)·g(z)＝[T(z)，0，...，0]T (5) 其中 使用公式5和6，公式1可被重寫為 在圖8的右手側(cè)上所示的系統(tǒng)的輸出Y’(z)可表示為 其中F(z)＝目標(biāo)時域濾波器。
如果圖8所示的兩個系統(tǒng)提供相等的結(jié)果，則Y(z)＝Y(jié)’(z)，并且從公式7和8 其中 為簡化隨后的推導(dǎo)，在公式9中進(jìn)一步被考慮的元素僅僅是具有顯著能量的那些。參考圖10，對于設(shè)計良好的濾波器組，只有子帶k和k+1在靠近子帶界限的頻率ω處具有顯著能量 k＝1，...M-1 其中

并且 結(jié)果，公式9可簡化如下 Hk(ω)Sk(Mω)Gk(ω)+Hk+1(ω)Sk+1(Mω)Gk+1(ω)＝T′(ω) (12) 每個子帶域濾波器在頻率ω的頻率響應(yīng)由帶入z＝ejω而獲得。此外，相位轉(zhuǎn)換函數(shù)Pk(z)以這樣的方式設(shè)計，其中公式12中的第一和第二項的相位響應(yīng)近似相等。結(jié)果，該兩個濾波器的合成幅度響應(yīng)等于他們幅度響應(yīng)的合成。幅度濾波器Ak(z)也需要是實數(shù)系數(shù)線性相位FIR濾波器。使用這些要求以及幅度濾波器Ak(z)的幅度響應(yīng)為對稱的觀察結(jié)果，以及知道濾波器F(z)為期望響應(yīng)下，在下面表示的公式系統(tǒng)可對給定頻率的幅度響應(yīng)寫出。參考圖11可有助于這些方程結(jié)構(gòu)的可視化。
|F1(Δω)H1(Δω)‖A1(Δω)|＝|T′(Δω)| (13) |FM(π-Δω)HM(π-Δω)‖AM(π-MΔω)|＝|T′(π-Δω)|(16) 其中 通過限制Δω為一組離散值，上面所示的方程可被求解以對ω＝MΔωi和ω＝π-MΔωi獲得幅度響應(yīng)|Ak(ω)|。該響應(yīng)可用于使用在例如紐約John Wiley & Sons1987年出版的Park等人所著的DigitalFilter Design中所述的技術(shù)來設(shè)計幅度濾波器Ak(z)。
該設(shè)計過程可概括如下對k＝1，...，M求解公式13至16而獲得幅度響應(yīng)|Ak(ω)|，并使用該響應(yīng)來設(shè)計線性相位FIR濾波器Ak(z)。
3.延遲濾波器 提供分?jǐn)?shù)樣本延遲的濾波器用于優(yōu)選實施例中，因為以頻帶為基準(zhǔn)精細(xì)控制組延遲涉及聲道間相位差(IPD)、聲道間時間差(ITD)和聲道間相干差(ICC)。所有這些差在產(chǎn)生精確空間效果上是重要的。分?jǐn)?shù)樣本延遲在使用多速濾波器組和向下抽樣的實施例中甚至更加期望，因為子帶域濾波器結(jié)構(gòu)在降低的抽樣速率下工作，該抽樣速率的周期甚至比原始信號的抽樣間隔還長。
優(yōu)選地，延遲濾波器被設(shè)計為在整個子帶的整個帶寬上具有近似線性的相位。結(jié)果，延遲濾波器在子帶的整個帶寬上具有大致恒定的組延遲。這顯著地降低了在子帶邊界處的組延遲的失真。用于實現(xiàn)該設(shè)計的優(yōu)選方法是避免嘗試消除組延遲失真，而是取而代之地對該子帶將任何失真移動到合成濾波器的通帶之外的頻率上。
在根據(jù)其帶寬將子帶信號向下抽樣的實施例中，對每個子帶信號的抽樣率FSsubband為 其中M＝子帶的抽取因數(shù)；并且 FStime＝原始輸入信號的抽樣率。
理論上，對所有頻率都提供恒定的分?jǐn)?shù)取樣延遲的理想分?jǐn)?shù)樣本延遲(FD)濾波器需要無限沖激響應(yīng)。遺憾的是，這是不實際的，F(xiàn)D濾波器的實際設(shè)計通常使用在某些頻率范圍[-ω0，ω0]上提供精確的分?jǐn)?shù)樣本延遲的實數(shù)值全通FIR或IIR濾波器，其中ω0<π。在接近Nyquist頻率ω＝π的頻率處，延遲會有較大的偏差。這對于全帶寬FD濾波器一般不成問題，因為Nyquist頻率通常很高并且在感覺上不顯著。遺憾的是，子帶FD濾波器的Nyquist頻率在子帶域濾波器結(jié)構(gòu)中將被映射至在子帶邊界上的頻率。這些頻率低得多，并一般感覺得到。因此，常規(guī)FD濾波器是不理想的。
避免該問題的一個方法是用復(fù)數(shù)正弦信號調(diào)制實數(shù)值系數(shù)FD濾波器的脈沖響應(yīng)，以移動濾波器的恒定延遲范圍，以便其覆蓋調(diào)制后的期望的頻率范圍。以圖10為例說明。圖12a表示實數(shù)值系數(shù)的六階FIR FD濾波器的延遲，其在整個頻率范圍[-π/2，π/2)上具有幾乎恒定的分?jǐn)?shù)樣本延遲。該延遲的較大偏差發(fā)生在Nyquist頻率π附近。圖12b表示同一濾波器但是用復(fù)數(shù)正弦信號s(n)＝ejnπ/2調(diào)制。得到的組延遲平移了π/2，在整個頻率范圍[0，π)上提供幾乎恒定的分?jǐn)?shù)抽樣延遲。
優(yōu)選地，F(xiàn)D濾波器在子帶合成濾波后具有顯著能量的頻率范圍中應(yīng)具有恒定的分?jǐn)?shù)抽樣延遲。如圖10中所示，子帶k的恒定的分?jǐn)?shù)樣本延遲應(yīng)覆蓋頻率范圍[(k-1)π，kπ)，其對應(yīng)于k＝1，3，5，...的抽取的子帶域中的頻率范圍[0，π)，并且對應(yīng)于k＝2，4，6，...的抽取的子帶域的頻率范圍[-π，0)。結(jié)果，期望的FD濾波器可通過用頻率為或者的復(fù)數(shù)正弦調(diào)制原型FD濾波器而獲得。
該設(shè)計過程可總結(jié)如下設(shè)計具有脈沖響應(yīng)h’k(n)，n＝0，...，Lk-1的原型FD濾波器D’k(z)，其中Lk是濾波器的長度，并且對k的奇數(shù)值用復(fù)數(shù)正弦，以及對k的偶數(shù)值用復(fù)數(shù)正弦調(diào)制脈沖響應(yīng)h’k(n)。原型濾波器可用IEEE信號處理雜志1996年1月第30-36頁的Laakso等人的“Splitting the Unit Delay-Tools for FractionalDelay Filter Design”中公開的各種方法獲得。
4.相位濾波器 對每個子帶k的相位校正濾波器

被設(shè)計成保證濾波器Hk(z)Sk(z)Gk(z)的整體相位響應(yīng)在所有子帶之間的邊界上在頻率k＝1，...，M-1上對齊。通過匹配每個相鄰子帶濾波器之間的相位響應(yīng)，可以避免合成濾波器組中的不期望的信號消除。換言之，整個子帶邊界上的連續(xù)相位響應(yīng)保證子帶濾波器不會在一個子帶中產(chǎn)生這樣的信號，它不正確地取消或者衰減在相鄰子帶內(nèi)產(chǎn)生的信號。這可以通過選擇相位校正角

，以便子帶k內(nèi)的濾波器Hk(z)Sk(z)Gk(z)的相位響應(yīng)φk(ω)滿足以下等式來實現(xiàn)k＝1，...，M-1. 對很多實施例，其它設(shè)計考慮的子帶域濾波器Sk(z)在相鄰子帶之間的邊界上得到類似延遲量。該條件通常足以保證在子帶之間的邊界上相鄰子帶中的濾波器的相位響應(yīng)相匹配。
C.低復(fù)雜度的變形 能夠以以下所述的幾個方式減少用于實現(xiàn)子帶域濾波器結(jié)構(gòu)的技術(shù)的計算復(fù)雜度。
1.子帶濾波器階 可減少在一些較高頻率子帶中使用的濾波器的計算復(fù)雜度，因為在這些子帶中的目標(biāo)HRTF響應(yīng)的頻譜細(xì)節(jié)較粗并且因為聽覺敏銳度在這些子帶內(nèi)的頻率處降低。
公知的是人類聽覺系統(tǒng)不以相等的敏感度感覺不同頻率的聲音。每當(dāng)模擬的HRTF中的輸出誤差不可辨別的時候，能夠降低子帶域濾波器的計算復(fù)雜度。例如，可在較高頻率的子帶中使用較低階的幅度濾波器Ak(z)而不會降低感覺到的聲音品質(zhì)。經(jīng)驗測試已經(jīng)表明，對于頻率為約2kHz以上的子帶，可用零階FIR濾波器滿意地模型化很多HRTF的幅度響應(yīng)。對于這些子帶，幅度濾波器Ak(z)可實現(xiàn)為單一的縮放因子。通過使用整數(shù)樣本延遲濾波器，延遲濾波器Dk(z)的計算復(fù)雜度也可在較高頻率子帶內(nèi)被降低。對于頻率在約1.5kHz以上的子帶，分?jǐn)?shù)樣本延遲可用整數(shù)樣本延遲替換，因為人類聽覺系統(tǒng)在較高頻率處對ITD不敏感。整數(shù)樣本延遲濾波器比FD濾波器實現(xiàn)起來更便宜。
2.組合編碼處理 如圖3中所示的音頻解碼器中用于應(yīng)用空間邊帶信息的處理的計算復(fù)雜度，能夠通過組合以及簡化用于執(zhí)行空間音頻解碼和立體聲呈現(xiàn)的兩個處理而降低。
如上所述，典型的邊帶信息參數(shù)包括聲道水平差(CLD)、聲道間時間差(ITD)或者聲道間相位差(IPD)，以及聲道間相干性(ICC)。實際上，CLD和ICC在重建原始多聲道音頻節(jié)目的精確空間圖像中更重要。
如果僅使用CLD和ICC參數(shù)，圖3中所示的應(yīng)用空間邊帶信息方塊可如在13中所示的被實現(xiàn)。在該例子中，原始多聲道音頻節(jié)目被向下混頻為單聲道信號。標(biāo)示有CLD的方塊表示獲得每個輸出聲道信號的合適信號幅度的處理，并且標(biāo)示有ICC的方塊表示獲得輸出聲道信號之間適當(dāng)量的去相關(guān)的處理。每個CLD方塊處理可利用應(yīng)用到整個寬帶的單聲道信號的增益而實現(xiàn)，或者其可利用應(yīng)用到單聲道信號的子帶的一組不同增益而實現(xiàn)。每個ICC方塊處理可通過應(yīng)用至寬帶單聲道信號的全通濾波器而實現(xiàn)，或者其可通過應(yīng)用到單聲道信號的子帶的一組不同的全通濾波器而實現(xiàn)。
如果期望，可通過只使用CLD方塊處理而進(jìn)一步降低解碼和立體聲呈現(xiàn)處理的計算復(fù)雜度，代價是進(jìn)一步降低輸出信號品質(zhì)。圖14表示該簡化處理怎樣被包括到圖3所示的系統(tǒng)內(nèi)的。Rs、R、C、L和Ls(右環(huán)繞、右、中、左和左環(huán)繞)聲道的信號只在幅度上彼此不同。
圖14所示的處理元件的結(jié)構(gòu)可如圖15所示的那樣重新排列，而不影響結(jié)果的精度，因為所有的處理都是線性的。如圖所示，對圖14所示的每個獨立HRTF，用于實現(xiàn)濾波器結(jié)構(gòu)的處理由寬帶增益因子或者一組子帶增益因子修正，然后組合形成如圖15所示的濾波器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對每個輸出聲道實現(xiàn)合成HRTF。在某些應(yīng)用中，CLD增益因子以被編碼的信號傳達(dá)且被周期性地修改。在該類型應(yīng)用中，對不同合成HRTF的新濾波器結(jié)構(gòu)用每次變化的增益因子形成。
因為形成對合成HRTF的子帶域濾波器結(jié)構(gòu)，以及然后對這些合成HRTF應(yīng)用這些濾波器所需的計算資源量，比對圖14所示的單獨HRTF應(yīng)用濾波器結(jié)構(gòu)的計算資源量少，所以該方法可降低該解碼處理的計算復(fù)雜度。該計算復(fù)雜度的降低應(yīng)當(dāng)對立體聲呈現(xiàn)的品質(zhì)中的降低平衡。對品質(zhì)降低的主要原因是省略根據(jù)ICC參數(shù)對信號去相關(guān)所需的處理。
3.組合濾波器 如果用于兩個或更多子帶的濾波器具有任何公共的分量濾波器Ak(z)、Dk(z)或者Pk(z)，則可降低這些子帶的濾波器的計算復(fù)雜度。通過組合這些子帶內(nèi)的信號以及僅應(yīng)用一次公共分量，可實現(xiàn)公共分量濾波器。
圖16中示出用于立體聲呈現(xiàn)的例子。在該例子中，用于聲源1、2、3的HRTF在子帶k中基本上具有相同的延遲濾波器Dk(z)，并且用于聲源4和5的HRTF在子帶k中基本上具有相同的延遲濾波器Dk(z)以及基本上相同的相位濾波器Pk(z)。在子帶k中用于聲源1、2、3的HRTF的延遲濾波器通過向下混頻子帶信號并向經(jīng)向下混頻的信號應(yīng)用一個延遲濾波器Dk(z)而實現(xiàn)。在子帶k內(nèi)用于聲源4和5的HRTF的延遲和相位濾波器通過向下混頻子帶信號并向該經(jīng)向下混頻的信號應(yīng)用一個相位濾波器Pk(z)和一個延遲濾波器Dk(z)而實現(xiàn)。該經(jīng)向下混頻和濾波的子帶信號如上面討論的那樣組合并輸入到合成濾波器組。
如果一個分量濾波器對所有子帶與所有聲道或源是公共的，則該公共的濾波器可如在圖17中所示的例子那樣在時域中實現(xiàn)，并被應(yīng)用于合成濾波器的輸出。如果公共濾波器為延遲濾波器，可通過設(shè)計濾波器提供整數(shù)樣本延遲而進(jìn)一步降低計算復(fù)雜度。
D.實現(xiàn) 包括本發(fā)明各個方面的設(shè)備可以各種方式實施，包括由計算機(jī)執(zhí)行的軟件或者一些包括更專業(yè)元件的其它設(shè)備，例如耦合到類似于那些在通用計算機(jī)中安裝的數(shù)字信號處理器(DSP)電路。圖18是可用于實現(xiàn)本發(fā)明各方面的設(shè)備70的示意方塊圖。DSP72提供計算源。RAM 73是由DSP 72使用用于處理的系統(tǒng)隨機(jī)存取存儲器(RAM)。ROM 74表示永久存儲器的某種形式，例如用于存儲操作裝置70所需程序并且可能用于執(zhí)行本發(fā)明各個方面的只讀存儲器(ROM)。I/O控制75表示通過通信通道76、77接收和傳送信號的接口電路。在所示的實施例中，所有的主要系統(tǒng)元件連接到總線71，其可表示多于一個的物理或邏輯總線；然而，不需要總線結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)本發(fā)明。
在由通用計算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行的實施例中，可包括另外的元件用于與例如鍵盤或鼠標(biāo)和顯示器的結(jié)構(gòu)設(shè)備交互，用于控制具有例如磁帶或磁盤、或者光學(xué)介質(zhì)的存儲介質(zhì)的存儲設(shè)備78。該存儲介質(zhì)可用于記錄用于操作系統(tǒng)、公用程序和應(yīng)用程式的指令程序，并可包括實現(xiàn)本發(fā)明各個方面的程序。
實施本發(fā)明各個方面所需的功能可以由以各種方式實現(xiàn)的元件來執(zhí)行，包括離散邏輯元件、集成電路、一個或多個ASIC和/或受程序控制的處理器。這些元件實現(xiàn)的方式對本發(fā)明不重要。
本發(fā)明的軟件實現(xiàn)可用各種機(jī)器可讀介質(zhì)傳達(dá)，例如包括基帶或者由超聲波至紫外線頻率的整個頻譜調(diào)制的通信路徑，或者包括實質(zhì)上使用任何記錄技術(shù)傳達(dá)信息的存儲介質(zhì)，包括磁帶、卡片或磁盤、光學(xué)卡片或光盤、以及在包括紙的媒介上可探測的標(biāo)記。
權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)
1.一種用于處理表示輸入信號的輸入信息的方法，其中該方法包括
接收該輸入信息，并從其獲得該輸入信號的多個子帶信號；
通過對相應(yīng)的子帶信號應(yīng)用幅度、延遲和相位校正濾波器而產(chǎn)生各自的經(jīng)濾波的信號，其中每個各自的經(jīng)濾波的信號對于其相應(yīng)的子帶信號而言在幅度上被改變、在時間上被延遲并且在相位上被修正，并且其中至少一些延遲濾波器是分?jǐn)?shù)樣本延遲濾波器；以及
通過向經(jīng)濾波的信號應(yīng)用合成濾波器組，產(chǎn)生輸出信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過以復(fù)數(shù)正弦調(diào)制具有實數(shù)值系數(shù)的原型分?jǐn)?shù)樣本延遲濾波器的脈沖響應(yīng)而獲得所述分?jǐn)?shù)樣本延遲濾波器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中至少一些延遲濾波器是整數(shù)樣本延遲濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3的任何一個的方法，其中由有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器實現(xiàn)各個延遲濾波器，所述有限沖激響應(yīng)濾波器的組延遲在包括由各個延遲濾波器過濾的各個子帶信號的帶寬的頻率范圍上偏離一個恒定值，并且其中各個子帶信號的帶寬內(nèi)的偏移量小于此帶寬之外的偏移量。
5.如權(quán)利要求1至4的任何一個的方法，其其中所述合成濾波器組是多速濾波器組。
6.如權(quán)利要求1至5的任何一個的方法，其中由公共濾波器在時間上延遲，或者在相位上修正兩個或多個各自經(jīng)濾波的信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任何一個的方法，包括
用子帶增益因子修正多個濾波器；以及
組合該經(jīng)修正的濾波器形成合成濾波器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括應(yīng)用于所述子帶信號的延遲和相位校正濾波器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其包括從輸入信息獲得所述子帶增益因子。
9.一種處理表示輸入信號的輸入信息的裝置，其中該裝置包括
用于接收該輸入信息，并從其獲得該輸入信號的多個子帶信號的裝置；
用于通過對相應(yīng)的子帶信號應(yīng)用幅度、延遲和相位校正濾波器而產(chǎn)生各自的經(jīng)濾波的信號的裝置，其中每個各自的經(jīng)濾波的信號對于其相應(yīng)的子帶信號而言在幅度上被改變、在時間上被延遲并且在相位上被修正，并且其中至少一些延遲濾波器是分?jǐn)?shù)樣本延遲濾波器；以及
用于通過向經(jīng)濾波的信號應(yīng)用合成濾波器組以產(chǎn)生輸出信號的裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的裝置，其中通過以復(fù)數(shù)正弦調(diào)制具有實數(shù)值系數(shù)的原型分?jǐn)?shù)樣本延遲濾波器的脈沖響應(yīng)而獲得所述分?jǐn)?shù)樣本延遲濾波器。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10的裝置，其中至少一些延遲濾波器是整數(shù)樣本延遲濾波器。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11的任一個的裝置，其中由有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器實現(xiàn)各個延遲濾波器，所述有限沖激響應(yīng)濾波器的組延遲在包括由各個延遲濾波器過濾的各個子帶信號的帶寬的頻率范圍上偏離一個恒定值，并且其中各個子帶信號的帶寬內(nèi)的偏移量小于此帶寬之外的偏移量。
13.如權(quán)利要求9至12的任何一個的裝置，其中所述合成濾波器組是多速濾波器組。
14.如權(quán)利要求9至13的任何一個的裝置，其中由公共濾波器在時間上延遲，或者在相位上修正兩個或多個各自經(jīng)濾波的信號。
15.根據(jù)權(quán)利要求9至14的裝置，包括
用子帶增益因子修正多個濾波器的裝置；以及
組合該經(jīng)修正的濾波器形成合成濾波器結(jié)構(gòu)的裝置，該結(jié)構(gòu)包括應(yīng)用于所述子帶信號的延遲和相位校正濾波器。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的裝置，其包括從輸入信息獲得子帶增益因子的裝置。
17.一種傳達(dá)指令程序的介質(zhì)，其可由設(shè)備執(zhí)行，以實現(xiàn)在權(quán)利要求1至8的任何一個描述的方法。
權(quán)利要求
1.一種用于處理表示輸入信號的輸入信息的方法，其中該方法包括
接收該輸入信息，并從其獲得該輸入信號的多個子帶信號；
通過對相應(yīng)的子帶信號應(yīng)用延遲和相位校正濾波器而產(chǎn)生各自的經(jīng)濾波的信號，其中每個各自的經(jīng)濾波的信號對于其相應(yīng)的子帶信號而言在時間上被延遲，并且在相位上被修正；以及
通過向經(jīng)濾波的信號應(yīng)用合成濾波器組，產(chǎn)生輸出信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中也通過對所述相應(yīng)的子帶信號應(yīng)用幅度響應(yīng)隨頻率變化的濾波器來產(chǎn)生所述各自的經(jīng)濾波的信號，使得相對相應(yīng)的子帶信號幅度而改變所述各自的經(jīng)濾波的信號幅度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中至少一些延遲濾波器是分?jǐn)?shù)樣本延遲濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中通過以復(fù)數(shù)正弦調(diào)制具有實數(shù)值系數(shù)的原型分?jǐn)?shù)樣本延遲濾波器的脈沖響應(yīng)而獲得所述分?jǐn)?shù)樣本延遲濾波器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中至少一些延遲濾波器是整數(shù)樣本延遲濾波器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5的任何一個的方法，其中由有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器實現(xiàn)各個延遲濾波器，所述有限沖激響應(yīng)濾波器的組延遲在包括由各個延遲濾波器過濾的各個子帶信號的帶寬的頻率范圍上偏離一個恒定值，并且其中各個子帶信號的帶寬內(nèi)的偏移量小于此帶寬之外的偏移量。
7.如權(quán)利要求1至6的任何一個的方法，其中所述合成濾波器組是多速濾波器組。
8.如權(quán)利要求1至7的任何一個的方法，其中由公共濾波器在時間上延遲，或者在相位上修正兩個或多個各自經(jīng)濾波的信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8任何一個的方法，包括
用子帶增益因子修正多個濾波器；以及
組合該經(jīng)修正的濾波器形成合成濾波器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括應(yīng)用于所述子帶信號的延遲和相位校正濾波器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其包括從輸入信息獲得所述子帶增益因子。
11.一種用于處理表示輸入信號的輸入信息的方法，其中該方法包括
接收該輸入信息并從其獲得該輸入信號的多個子帶信號；
通過向多個子帶濾波器的每一個應(yīng)用各自的子帶增益因子，產(chǎn)生一組經(jīng)修正的子帶濾波器；
對多個子帶中每個子帶，將各個子帶的經(jīng)修正的子帶濾波器組合為合成子帶濾波器；
通過對相應(yīng)子帶信號應(yīng)用該合成子帶濾波器到，產(chǎn)生各自的經(jīng)濾波的信號；以及
通過向該經(jīng)濾波的信號應(yīng)用合成濾波器組，產(chǎn)生輸出信號。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其包括從輸入信息獲得子帶增益因子。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12的方法，其中該輸入信號表示多聲道音頻節(jié)目，并且該子帶增益因子表示多聲道的聲道水平差。
14.一種處理表示輸入信號的輸入信息的裝置，其中該裝置包括
用于接收該輸入信息，并從其獲得該輸入信號的多個子帶信號的裝置；
用于通過對相應(yīng)的子帶信號應(yīng)用延遲和相位校正濾波器而產(chǎn)生各自的經(jīng)濾波的信號的裝置，其中每個各自的經(jīng)濾波的信號對于其相應(yīng)的子帶信號而言在時間上被延遲，并且在相位上被修正；以及
用于通過向經(jīng)濾波的信號應(yīng)用合成濾波器組以產(chǎn)生輸出信號的裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中用于產(chǎn)生各自的經(jīng)濾波的信號的裝置也應(yīng)用幅度響應(yīng)隨頻率變化的濾波器來產(chǎn)生所述各自的經(jīng)濾波的信號，使得相對相應(yīng)的子帶信號幅度而改變所述各自的經(jīng)濾波的信號幅度。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15的裝置，其中至少一些延遲濾波器是分?jǐn)?shù)樣本延遲濾波器。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的裝置，其中通過以復(fù)數(shù)正弦調(diào)制具有實數(shù)值系數(shù)的原型分?jǐn)?shù)樣本延遲濾波器的脈沖響應(yīng)而獲得所述分?jǐn)?shù)樣本延遲濾波器。
18.根據(jù)權(quán)利要求14或15的裝置，其中至少一些延遲濾波器是整數(shù)樣本延遲濾波器。
19.根據(jù)權(quán)利要求14至18的任何一個的裝置，其中由有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器實現(xiàn)各個延遲濾波器，所述有限沖激響應(yīng)濾波器的組延遲在包括由各個延遲濾波器過濾的各個子帶信號的帶寬的頻率范圍上偏離一個恒定值，并且其中各個子帶信號的帶寬內(nèi)的偏移量小于此帶寬之外的偏移量。
20.如權(quán)利要求14至19的任何一個的裝置，其中所述合成濾波器組是多速濾波器組。
21.如權(quán)利要求14至20的任何一個的裝置，其中由公共濾波器在時間上延遲，或者在相位上修正兩個或多個各自經(jīng)濾波的信號。
22.根據(jù)權(quán)利要求14至21的裝置，包括
用子帶增益因子修正多個濾波器的裝置；以及
組合該經(jīng)修正的濾波器形成合成濾波器結(jié)構(gòu)的裝置，該結(jié)構(gòu)包括應(yīng)用于所述子帶信號的延遲和相位校正濾波器。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，其包括從輸入信息獲得子帶增益因子的裝置。
24.一種用于處理表示輸入信號的輸入信息的裝置，其中該裝置包括
用于接收該輸入信息并從其獲得該輸入信號的多個子帶信號的裝置；
用于接收該輸入信息并從其獲得該輸入信號的多個子帶信號的裝置；
用于通過向多個子帶濾波器的每一個應(yīng)用各自的子帶增益因子，產(chǎn)生一組經(jīng)修正的子帶濾波器的裝置；
用于對多個子帶中每個子帶，將各個子帶的經(jīng)修正的子帶濾波器組合為合成子帶濾波器的裝置；
用于通過對相應(yīng)子帶信號應(yīng)用該合成子帶濾波器產(chǎn)生各自的經(jīng)濾波的信號的裝置；以及
用于通過向該經(jīng)濾波的信號應(yīng)用合成濾波器組產(chǎn)生輸出信號的裝置。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的裝置，其包括用于從輸入信息獲得子帶增益因子的裝置。
26.根據(jù)權(quán)利要求24或25的裝置，其中該輸入信號表示多聲道音頻節(jié)目，并且該子帶增益因子表示多聲道的聲道水平差。
27.一種傳達(dá)指令程序的介質(zhì)，其可由設(shè)備執(zhí)行，以實現(xiàn)在權(quán)利要求1至13的任何一個描述的方法。
全文摘要
由子帶域濾波器結(jié)構(gòu)有效地實現(xiàn)立體聲呈現(xiàn)所需的轉(zhuǎn)換函數(shù)，例如頭部相關(guān)轉(zhuǎn)換函數(shù)(HRTF)。在一個實施例中，幅度、分?jǐn)?shù)樣本延遲和相位校正濾波器彼此級聯(lián)設(shè)置，并且應(yīng)用于表示頻率子帶內(nèi)的音頻信號的譜內(nèi)容的子帶信號。也公開了其它濾波器結(jié)構(gòu)。在各種信號處理應(yīng)用中有利地使用這些濾波器結(jié)構(gòu)。音頻應(yīng)用的幾個例子包括信號帶寬壓縮、音量均衡、房間聲音校正和對有聽覺障礙的人的助聽。
文檔編號H04S3/00GK101401455SQ200780008995
公開日2009年4月1日 申請日期2007年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月15日
發(fā)明者俞容山, C·Q·羅賓森, M·S·文頓 申請人:杜比實驗室特許公司