СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ СТЕРЕОСИГНАЛА С УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫМ ПЕРЦЕПЦИОННЫМ КАЧЕСТВОМ Российский патент 2012 года по МПК H04S1/00 H04S7/00 

Устройства, реализованные на базе данного изобретения, относятся к средствам формирования стереофонического сигнала с улучшенным для восприятия качеством и, в частности, к способу обработки сигнала, представленного центральным сигналом и боковым сигналом, с получением стереофонического сигнала с расширенными характеристиками.

Предпосылки создания изобретения

За последнее время заметно выросли объемы хранимых и воспроизводимых музыкальных материалов на компактных устройствах. Как следствие, увеличился спрос на подобные устройства, в особенности благодаря возможности прослушивать фонограммы через наушники в любом месте нахождения. Как правило, содержимое проигрываемых программ записано в стереоформате, то есть по двум независимым каналам. При этом запись выполняется для воспроизведения через громкоговорители с использованием обычного двухканального оборудования. Это значит, что стереоканалы были смикшированы в музыкальной студии с наилучшим качеством воспроизведения и максимальным воссозданием пространственного восприятия оригинальной акустической сцены с помощью двух громкоговорителей. Однако прослушивание такой стереозаписи через наушники приводит к внутримозговой локализации звука, то есть к сильному раздражающему пространственному эффекту. Определяя иначе, виртуальные источники звука, расположение которых предполагается где-то в пространстве между этими двумя громкоговорителями, в силу психоакустических свойств слуховой системы человека локализуются в голове слушателя. Так происходит потому, что отсутствует восприятие перекрестных помех и отражений, что раздражает слуховую систему, так как источники звука локализованы в голове слушателя. Раздражение вызывается тем, что слуховая система адаптирована к этим свойствам сигнала, когда фонограмма воспроизводится через громкоговорители, или, в более общем смысле, передается через естественную среду.

Для решения этой проблемы было предложено несколько способов и устройств обработки сигналов левого и правого каналов перед проигрыванием через наушники. Тем не менее, такие подходы, как, например, применение передаточных функций, связанных с головой человека, являются в вычислительном отношении очень сложными. Эти методы основаны на попытке стимуляции слуховой системы человека для локализации источников звука вне головы при воспроизведении музыки через наушники с имитацией прослушивания громкоговорителей в комнате. Это может быть, в частности, искусственное добавление к сигналу траектории прохождения звука перекрестных помех и отражения от стен помещения. Для достижения реалистичности имитации необходима фильтрация левого и правого каналов с дальнейшим учетом параметров туловища, головы и ушных раковин слушателя. Чем точнее такая имитация, тем больше требуется вычислительных ресурсов. В менее сложных моделях меры по достижению приемлемого качества звука сводятся, например, к перекрестным помехам и в некоторых случаях - к незначительному количеству стеновых отражений, что можно обеспечить фильтрацией низкого порядка. Фактор воздействия тела человека также может быть аппроксимирован с помощью фильтров низкого порядка. Однако эти фильтры должны использоваться как на прямом сигнале, так и на каждом из отраженных сигналов (как описано, например, в M.R. Schroeder: An Artificial Stereophonic Effect Obtained from Using a Single Signal, 9^th annual meeting of the AES, preprint 14, 1957).

Другие методы были предложены для создания стереофонического слухового эффекта даже на основе монофонического сигнала. Один из подходов заключается в подаче входного сигнала (монофонического) на оба канала и воспроизведении ослабленного с задержкой сигнала, который затем добавляется к первому каналу и вычитается из второго канала.

Кроме того, стереосигналы часто преобразуются в центрально-боковое представление, состоящее из центрального сигнала (суммарный сигнал) и бокового сигнала (разностный сигнал). Суммарный сигнал формируется путем сложения правого канала и левого канала, а разностный сигнал формируется путем построения разности левого канала и правого канала. В большинстве музыкальных стереосигналов самые значимые виртуальные источники звука расположены перед слушателем. Так происходит потому, что они обычно воспроизводят ведущий голос или ведущий инструмент в записи. Поскольку эти источники звука должны быть локализованы между громкоговорителями двухканального устройства, их сигнал присутствует как в левом канале, так и в правом. Поэтому эти важные сигналы представлены главным образом суммарным сигналом (центральным сигналом) и редко другим видом сигнала (боковым сигналом). В силу этого при объектно-пространственной ориентации вне головы слушателя подобное центрально-боковое ("фронтально-фланговое") представление должно быть выполнено с большой тщательностью.

При традиционном преобразовании сигнала для воспроизведения вне головы, основанном на суммарных и разностных сигналах, суммарные сигналы или остаются необработанными, или обрабатываются индивидуально, или фильтруются специальными фильтрами. Однако простое раздельное фильтрование суммарного сигнала и бокового сигнала с последующим перераспределением сигналов между левым и правым каналами требует неоправданно высокой вычислительной сложности на позиционирование вне головы слушателя или на расширение пространственного восприятия. Кроме того, суммирование (вычитание) прошедшего фильтрацию суммарного сигнала с разностным сигналом, выполняемое общепринятым фронтально-фланговым повышающим микшированием, ведет к смещению воспринимаемого местоположения виртуальных источников звука внутри выходного сигнала.

Международная заявка 2005/098825 А1 относится к решению задачи повышения эффективности алгоритма кодирования центрального/бокового сигнала с приемлемой потерей в качестве звука. Авторы предлагают не передавать полный боковой сигнал, а восстанавливать недостающие компоненты бокового сигнала за счет центрального сигнала в декодере.

Международная заявка 2004/030410 А1 относится к способу обработки аудиосигналов и к системе обработки звука. Для компенсации выпадений в боковом сигнале центрально-бокового представления перед воспроизведением составляющую центрального сигнала выделяют из центрального сигнала, декоррелируют и суммируют с боковым сигналом.

Заявка на патент США 2004/0136554 А1 относится к способу и средству обработки сигналов для расширения стереоэффекта. Для повышения качества аудиосигнала, перед передачей этого сигнала составляющие левого канала декоррелируют и суммируют с правым каналом, а составляющие правого канала декоррелируют и суммируют с левым каналом.

Принимая во внимание существующий уровень техники, генерирующей стереосигналы, и возросшие требования к звуковоспроизводящей аппаратуре, следует отметить необходимость в развитии концепции выработки стереосигнала с расширенными перцептуальными свойствами, которую можно эффективно реализовать.

Краткое описание изобретения

Несколько конструктивных решений по данному изобретению предусматривают формирование стереосигнала с оптимизированными перцептуальными характеристиками на базе центрального [фронтального] сигнала (суммарного сигнала) и бокового [флангового] сигнала (разностного сигнала). Локализация вне головы и ширина фронта звукового сигнала возрастают, когда составляющая центрального сигнала смешана с представлением бокового сигнала при условии, что составляющая центрального сигнала и представление бокового сигнала до некоторой степени взаимно декоррелированы. Такое совмещение поможет усовершенствовать фланговый сигнал, который будет использован как входной сигнал для фронтально-флангового повышающего микшера с получением выходного стереосигнала для воспроизведения через наушники. При смешивании компонентов фронтального сигнала с фланговым сигналом перед микшированием с повышением может быть расширено пространственное восприятие виртуальных источников звука перед головой слушателя за счет распределения части сигнала в боковой канал, содержащий информацию об источниках звука, находящихся не прямо перед слушателем. При этом во избежание ощущения смещения влево или вправо акустической сцены или виртуальных источников звука совмещаемые сигналы должны быть взаимно декоррелированы с целью неравномерного распределения усиливающей или ослабляющей интерференции сигнала внутри спектра. Формулируя точнее, после декорреляции сигнала, разные участки спектра сигналов интерферируют по-разному. Для достижения подобного эффекта конструкция декоррелятора рассчитана на формирование декоррелированного представления, по крайней мере, части фронтального сигнала и/или декоррелированного представления, по крайней мере, части флангового сигнала.

Благодаря использованию декоррелированных вариантов компонент сигналов, смешанных с боковым сигналом, воспроизводимый стереосигнал имеет оптимизированные перцептуальные свойства в силу того, что сигнал больше не локализован в голове при прослушивании в наушниках. С целью получения такого воздействия декоррелированное представление части центрального сигнала может быть выделено и смешано с боковым сигналом.

Далее реализация изобретения предусматривает декоррелированное представление, по меньшей мере, одной составляющей суммарного сигнала и декоррелированное представление, по меньшей мере, одной составляющей флангового сигнала. Оба декоррелированных представления совмещают (микшируют) с фланговым сигналом или с представлением флангового сигнала, полученного путем модификации флангового сигнала.

Затем составляющую фронтального сигнала совмещают с представлением флангового сигнала, в котором хотя бы, одна составляющая флангового сигнала декоррелирована относительно составляющей фронтального сигнала. Это может быть достигнуто путем создания декоррелированного представления компоненты бокового сигнала перед сведением созданного таким образом декоррелированного представления с боковым сигналом.

Далее техническое решение включает в себя декорреляцию высокочастотных составляющих сигналов, причем обработке подвергаются только те частотные компоненты аудиосигнала, которые в силу относительно короткой длины волны оказывают значительное воздействие на слушателя, вызванное эффектами отражения. Благодаря этому удается предупредить проявление раздражающих артефактов в низкочастотном диапазоне сигнала.

Для дальнейшего осуществления вышеописанного подхода в конструкцию аудиодекодера вводят аудиопроцессор таким образом, что центрально-боковое представление двухканального сигнала, образованного как промежуточный сигнал в декодере, может быть напрямую преобразовано с улучшением перцептуальных свойств генерируемого стереосигнала. С этой целью в вариантах конструктивных решений по настоящему изобретению предусмотрена обработка центрального сигнала и бокового сигнала в частотной области, позволяющая преобразовывать частотные представления соответствующих сигналов непосредственно, без необходимости перепреобразования их во временную область. Такое решение имеет преимущество, например, когда применяются звуковые декомпрессоры, которые обеспечивают промежуточный сигнал, являющийся фронтально-фланговым представлением базового стереосигнала в частотной области.

Таким образом, в техническом исполнении данное изобретение может быть эффективно использовано, в частности, в декодерах формата МР3 и ААС или аналогичных, для повышения качества звуковосприятия от переносных аудиоустройств, воспроизводящих сигнал через наушники.

Таким образом, аудиодекодер, предназначенный для генерирования стереосигнала с расширенными перцептуальными свойствами, может включать в себя источник сигнала, для выработки центрального сигнала и бокового сигнала, из которых центральный сигнал представляет собой сумму исходных левого и правого каналов, а боковой сигнал представляет собой разность исходных левого и правого каналов; и аудиопроцессор, реализуемый согласно приведенным здесь описаниям.

В последующие конструкции аудиодекодера может быть введен источник сигнала, содержащий звуковой декомпрессор, предназначенный для генерации центрального сигнала и бокового сигнала при декомпрессии сжатого потока аудиоданных.

Суммируя сказанное, можно утверждать, что в вариантах реализации данного изобретения применен новый способ обработки звука для генерации стереосигналов без эффекта локализации в голове слушателя при воспроизведении генерируемого сигнала через наушники. Этот метод обеспечивает высокое качество звуковосприятия, то есть возможность генерирования стереосигнала с расширенными перцептуальными свойствами, сохраняя другие характеристики сигнала, такие как спектральное распределение и переходный режим, неизменными для слуха. Более того, ощущение пространства улучшено с точки зрения локализации вне головы и ширины акустического фронта с сохранением распределения источников звука. Благодаря низкой вычислительной сложности варианты конструкции изобретения могут быть легко использованы на портативных музыкальных проигрывающих устройствах несмотря на ограничения их вычислительной мощности и питания.

Краткое описание чертежей

Ниже проиллюстрирован ряд конструктивных решений настоящего изобретения с описанием.

Фиг.1 - принципиальная схема осуществления аудиопроцессора;

фиг.2 - пример стандартного двухканального стереофонического микшера;

фиг.3 - схема осуществления аудиопроцессора с использованием составляющих декоррелированных центрального и бокового сигналов;

фиг.4 - альтернативный вариант конструктивного решения декоррелятора;

фиг.5 - версия конструктивного решения интегрированного декоррелятора;

фиг.6 - вариант осуществления аудиодекодера;

фиг.7 - реализация способа генерирования стерео сигнала.

Подробное описание чертежей

На фиг.1 дана схема аудиопроцессора 2 для генерирования стереосигнала с расширенными перцептуальными свойствами 4, который имеет правый канал 4а и левый канал 4b. Стереосигнал 4 образуется из фронтального сигнала 6а и бокового сигнала 6b, поступающих на аудиопроцессор 2. Следует учитывать, что здесь и в контексте данного приложения под центральным М и боковым S сигналами понимаются или М- и S-сигналы, полученные сложением и нахождением разности исходного левого и правого каналов, или сигнал на базе этих же М- и S-сигналов, являющийся модификацией этих сигналов. При этом модификации основаны только на исходных среднем и боковом сигналах. Это означает, что модифицированный боковой сигнал сформирован с использованием только бокового сигнала, а модифицированный центральный сигнал образован с использованием только центрального сигнала. Поэтому видоизмененные центральные и боковые сигналы называются также представлением центрального сигнала M_R и бокового сигнала S_R.

Аудиопроцессор 2 включает в себя декоррелятор 8, комбинатор сигнала 10 и фронтально-фланговый повышающий микшер 12. На вход декоррелятора 8 поступает центральный сигнал 6а и боковой сигнал 6b или вместо них - представления этих сигналов. В некоторых реализациях декоррелятор 8 может непосредственно сам формировать представление центрального сигнала 6а и бокового сигнала 6b. Декоррелятор предназначен для выработки декоррелированного представления, по меньшей мере, одной составляющей центрального сигнала и/или декоррелированного представления, по меньшей мере, одной составляющей бокового сигнала. В ряде версий исполнения декоррелируемая компонента сигналов представляет собой элемент исходных сигналов после фильтрации верхних частот, выполненный так, чтобы последующее преобразование велось только в той полосе частот, где оно обеспечивает улучшение перцептуальных свойств.

В альтернативные варианты конструкции могут быть введены дополнительные формирователи представления 42 и 44, которые получают на входе исходный центральный сигнал 6а и исходный боковой сигнал 6b и которые вырабатывают представления центрального сигнала (М_R) и бокового сигнала (S_R), а также обеспечивают декорреляторы представлениями m и s.

Декоррелированные версии, выработанные декоррелятором 8, вводятся в комбинатор сигнала 10, который получает, кроме того, боковой сигнал или представление бокового сигнала S_R. Комбинатор сигнала 10 формирует на базе комбинации принятых сигналов оптимизированный боковой сигнал 14. В одном из вариантов реализации возможно совмещение представления бокового сигнала S_R и декоррелированное представление составляющей центрального сигнала m⁺. В другом случае совмещены могут быть боковой сигнал S_R, декоррелированное представление составляющей бокового сигнала s⁺ и декоррелированное представление составляющей центрального сигнала m⁺. Возможен также вариант совмещения бокового сигнала S_R, составляющей центрального сигнала m (без декорреляции) и декоррелированное представление хотя бы одной составляющей бокового сигнала s⁺.

В ряде приложений составляющая суммарного сигнала и составляющая бокового сигнала представляют собой аналогичные компоненты сигнала, то есть, например, находятся в одном диапазоне частот. То есть при выделении этих составляющих используются фильтры высоких частот с одинаковыми характеристиками.

Таким образом, комбинатор сигнала 10 формирует оптимизированный боковой сигнал 14 (S'), содержащий компоненту центрального сигнала. Эта компонента и боковой сигнал взаимно декоррелируются (по крайней мере, в полосе частот, представляющей интерес) так, что впоследствии при сведении составляющих сигнала с использованием центрально-бокового повышающего микшера 12 возможные конструктивные или деструктивные интерференции распределяются в пределах спектра неравномерно. Центрально-боковой повышающий микшер 12 получает на входе, с одной стороны, оптимизированный боковой сигнал 14, а с другой стороны, центральный сигнал M_R или представление центрального сигнала 6а. Центрально-боковой (фронтально-фланговый) повышающий микшер вырабатывает на выходе стереосигнал 4 с улучшенным для восприятия качеством звукопередачи, особенно при воспроизведении через наушники.

В некоторых реализациях изобретения в повышающем микшере применяется правило микширования с повышением, согласно которому левый канал стереосигнала формируется путем суммирования усовершенствованного бокового сигнала и центрального сигнала. В таких конструкциях правый канал 4а формируется через построение разности между центральным сигналом 6а (или представлением центрального сигнала М_R) и усовершенствованным боковым сигналом 14.

В конструкции аудиопроцессора, представленной на фиг.1, составляющие центрального сигнала поступают в боковой сигнал до выполнения повышающего микширования. Иными словами, обработка центрального сигнала и бокового сигнала в области центрально-бокового сигнала выполняется поочередно, обеспечивая в результате объектно-пространственную ориентацию преобразуемого сигнала вне головы слушателя, что трудно осуществимо при использовании общепринятой технологии обработки центрально-бокового сигнала, когда вычислительная насыщенность является проблемой.

На фиг.2 приведен пример применения традиционной технологии обработки сигнала, где стереосигнал 20 (при наличии левого канала 20а и правого канала 20b) преобразуется в центральный сигнал 22а и боковой сигнал 22b с использованием стандартного центрально-бокового синтезатора 24. Центральный сигнал 22а фильтруется первым фильтром 26а, а боковой сигнал 22b фильтруется вторым фильтром 26b. Отфильтрованные представления центрального сигнала 22а и бокового сигнала 22b микшируются с повышением центрально-боковым повышающим микшером 28 с получением обработанного стереосигнала 30 (при наличии левого канала L' 30а и правого канала R' 30b).

Тем не менее, в силу отсутствия чередования преобразований перцептуальное расширение акустической сцены или локализация вне головы слушателя едва ли могут быть достигнуты без значительного увеличения вычислительной сложности обработки сигналов.

На фиг.3 отображена схема конструктивного решения изобретения с использованием декоррелированного представления составляющей центрального сигнала, а также декоррелированного представления составляющей бокового сигнала. Первоначальный стереосигнал 40 преобразуется с использованием центрально-бокового синтезатора 24 в представление, содержащее центральный сигнал 6а и боковой сигнал 6b.

Устройство обработки сигналов 2 обрабатывает полученные таким образом центральный сигнал 6а и боковой сигнал 6b. Устройство обработки сигналов 2 имеет в своем составе первый генератор представлений 42 бокового сигнала 6b и второй генератор представлений 44 центрального сигнала 6а. Комбинатор сигналов 46 в составе аудиопроцессора 2 включает в себя первый узел суммирования 46а и второй узел суммирования 46b. Кроме того, в конструкцию аудиопроцессора входит фронтально-фланговый повышающий микшер 48, генерирующий на выходе аудиопроцессора 2 стереосигнал с расширенными перцептуальными свойствами 50.

Генераторы представлений 42, 44 используют соответствующие им входные сигналы, то есть центральный сигнал 6а и боковой сигнал 6b, для генерирования представлений M_R и S_R этих сигналов путем сложения или вычитания после высокочастотной фильтрации составляющей входных сигналов непосредственно с самими входными сигналами, таким образом, усиливая или ослабляя высокочастотные компоненты этих сигналов. Для этого в первый генератор представлений 42 введены фильтр высоких частот 52, первый делитель частоты сигнала 54а, второй делитель частоты сигнала 54b и узел суммирования 56. Второй генератор представлений 44 включает в себя фильтр высоких частот 62, третий делитель частоты сигнала 64а, четвертый делитель частоты сигнала 64b и также сумматор 66.

Делители частоты сигнала 54а, 54b и 64а, 64b масштабируют сигналы на входе, то есть перемножают сигналы на масштабный коэффициент. Фильтр высоких частот 52 первого генератора представлений 42 получает на входе копию бокового сигнала 6b и обеспечивает на выходе прошедшую высокочастотную фильтрацию компоненту сигнала S_Hi. Прошедшая высокочастотную фильтрацию компонента сигнала S_Hi вводится в первый делитель частоты 54а, и одновременно боковой сигнал 6b или его копия вводится во второй делитель частоты 54b.

Коэффициенты масштабирования делителей частоты сигнала 54а и 54b могут быть заданы заранее или в иных случаях вводиться через пользовательский интерфейс. Масштабированная, прошедшая высокочастотную фильтрацию компонента сигнала S_Hi и масштабированный боковой сигнал поступают на сумматор 56, который суммирует эти сигналы с получением на выходе (на выходе первого генератора представлений 42) представление бокового сигнала 70. Аналогичным способом на выходе второго генератора представлений 44 формируется представление центрального сигнала M_R 72.

Кроме указанного, в конструкцию аудиопроцессора входят первый контур декорреляции 74 и второй контур декорреляции 76. Первый контур декорреляции 74 имеет в своем составе делитель частоты 74а, декоррелятор 74b и линию задержки 74с, во второй контур декорреляции 76 также включены шестой делитель частоты 76а, декоррелятор 76b и линия задержки 76с.

Следует обратить внимание на то, что под устройствами декорреляции 74 и 76 подразумеваются любые применимые схемы декорреляции или декорреляторы. В частности, не обязательна цепь задержки (линии задержки 76с и 74с). Вместо нее декорреляторы 74b и 76b могут сами обеспечивать задержку определенной величины. В некоторых вариантах реализации задержку можно не применять. Как уже говорилось в предыдущих параграфах, составляющие сигналов, которые будут совмещены, должны быть взаимно декоррелированными. Поэтому декорреляторы 74b (decorr 2) и 76b (decorr 1) могут быть разными, чтобы обеспечивать взаимно декоррелированные сигналы.

Масштабные множители делителей частоты сигнала 74а и 76а могут быть заданы заранее или вводиться через пользовательский интерфейс. Декорреляторы 74b и 76b генерируют сигнал, который до некоторой степени декоррелирован по сравнению с сигналом на их входе. Это означает, что максимальная абсолютная величина нормализованной взаимной корреляции между сигналом на входе декоррелятора и выходным сигналом декоррелятора будет значительно ниже 1. Можно отметить, что определение точного конструктивного решения декорреляторов не важно. Могут быть применены любые варианты конструкции декорреляторов, существующих в этой области техники, и их произвольные сочетания. Например, допустимо использование различных всепропускающих фильтров. В частности, может быть применен каскад БИХ-фильтров (с бесконечной импульсной характеристикой) второго порядка для обеспечения декоррелированного представления прошедшей высокочастотную фильтрацию составляющей центрального сигнала и бокового сигнала. Каждый фильтр может иметь произвольные характеристики, которые, например, могут быть сгенерированы произвольным генератором. Декорреляция может быть выполнена различными видами декорреляторов, например, с использованием алгоритмов реверберации, включая, в частности, линии задержки обратной связи. Гребенчатые фильтры с прямой связью и гребенчатые фильтры с обратной связью могут использоваться наравне со всепропускающими фильтрами, которые могут, например, быть объединены с гребенчатыми фильтрами с прямой и обратной связью. В других конструктивных решениях, например, может использоваться случайный шум для фильтрации сигналов на входе декорреляторов с образованием декоррелированных сигналов.

Кроме того, контуры декорреляции 74 и 76 включают в себя линии задержки 74с и 76с, посредством которых в декоррелированные сигналы, генерируемые декорреляторами 74b и 76b, может быть введена произвольная дополнительная задержка. Контур декорреляции 76 формирует декоррелированное представление отфильтрованной по высоким частотам составляющей центрального сигнала М⁺ 82, тогда как контур декорреляции 74 формирует декоррелированное представление отфильтрованной по высоким частотам составляющей бокового сигнала s⁺ 84. В конкретном примере на фиг.3 комбинатор сигнала 46 совмещает представление бокового сигнала 70, декоррелированное представление составляющей бокового сигнала 84 и декоррелированное представление составляющей центрального сигнала 82, суммируя эти три компоненты с использованием сумматоров 46а и 46b. В частном случае на фиг.3 декоррелированное представление составляющей центрального сигнала 82 и декоррелированное представление составляющей бокового сигнала 84 сначала совмещаются, например, сложением обоих сигналов с помощью узла суммирования 46а. Комбинированный таким образом сигнал совмещается с представлением бокового сигнала 70 путем, например, сложения обоих сигналов суммирующим узлом 46b. Следует отметить, что операция суммирования также может быть видоизменена путем предварительного масштабирования сигналов перед совмещением (суммированием). Масштабирование с использованием отрицательных величин при суммировании также может быть эффективным для выведения разности. Для формирования оптимизированного бокового сигнала 90 декорреляция может быть продолжена в рамках этих двух узлов суммирования 46а и 46b.

Во избежание равномерной конструктивной или деструктивной интерференции во всех частях спектра и для расширения перцептуальных свойств акустической сцены используется декоррелятор 74b, обеспечивающий декоррелированное представление бокового сигнала 84 до совмещения с представлением бокового сигнала 70. Чтобы добиться эффекта локализации вне головы и пространственного расширения, необходимо составляющую центрального сигнала, которая совмещена с представлением бокового сигнала с образованием оптимизированного бокового сигнала, декоррелировать относительно соответствующей компоненты представления бокового сигнала. Это означает, что при совмещении прошедшей высокочастотную фильтрацию составляющей М_Hi центрального сигнала с прошедшей высокочастотную фильтрацию составляющей S_Hi бокового сигнала высокочастотная составляющая S_Hi бокового сигнала и высокочастотная составляющая M_Hi центрального сигнала должны быть взаимно декоррелированы. Допустимо, чтобы обе составляющие были взаимно декоррелированы относительно представления бокового сигнала 70.

Однако альтернативные конструктивные решения могут напрямую совмещать декоррелированное представление центрального сигнала 82 с представлением бокового сигнала 70, поскольку они взаимно декоррелированы декоррелятором 76b.

Кроме того, другие варианты реализации могут комбинировать отфильтрованную по высоким частотам составляющую сигнала М_Hi непосредственно с представлением бокового сигнала, если высокочастотная составляющая представления бокового сигнала уже декоррелирована, обеспечивая, таким образом, взаимную декорреляцию соответствующих составляющих сигнала.

С учетом описанных вариантов решений, характеристики фильтров высоких частот 52 и 62 могут быть сходными или различаться.

Кроме того, в широких пределах могут варьироваться коэффициенты масштабирования делителей частоты сигнала 54а, 54b, 64a, 64b, 74а и 76а. Исходя из назначения версии масштабные коэффициенты выбираются так, чтобы полная энергия М и S сигналов, то есть бокового сигнала и центрального сигнала, сохранялась в ходе формирования представления центрального сигнала 72 и оптимизированного бокового сигнала 90.

При необходимости усиления эффектов фронтального расширения и локализации вне головы масштабные множители могут быть выбраны так, чтобы оптимизированный боковой сигнал 90 содержал в себе больше энергии или был громче бокового сигнала 6b. При таком сценарии необходимость сохранения энергии может потребовать ослабления центрального сигнала, то есть подбора коэффициентов пересчета меньше единицы. При необходимости фазового изменения соответствующие масштабные коэффициенты могут быть меньше нуля.

Аудиопроцессор в версии, представленной на фиг.3, благодаря декорреляции высокочастотной составляющей бокового сигнала обеспечивает рациональную и действенную имитацию перекрестных помех и рассеянного акустического поля виртуальной аудитории.

Кроме того, в некоторых вариантах реализации в зависимости от примененного масштабного коэффициента можно уменьшить низкочастотную составляющую центрального сигнала. Это является простой имитацией перекрестных помех на низких частотах, где звуковые волны преломляются вокруг головы слушателя. Включение составляющих центрального сигнала в преобразование вне головы дает пространственное расширение фронтальных источников. Смешивание декоррелированного центрального сигнала m⁺ с боковым сигналом S усиливает пространственный эффект звучания. Более того, данный метод цифровой обработки является чрезвычайно эффективным, обеспечивая естественное звучание с локализацией вне головы слушателя при высоком качестве звукопередачи и низкой вычислительной сложности. Эффективность может быть даже повышена, если декорреляция составляющей центрального сигнала и бокового сигнала S совмещена, как подробно представлено на примерах реализации выше и далее.

В итоге особенности технического решения устройства цифровой обработки аудиосигналов могут быть сформулированы следующим образом.

Обеспечивают наличие центрального сигнала М и бокового сигнала S. Эти сигналы или вводят извне, или генерируют внутри процессора аудиосигналов, суммируя исходные стереоаудиосигналы или стереофонические каналы "L" и "R" с формированием суммарного сигнала М и разностного сигнала S.

Затем вырабатывают фильтрованную по высоким частотам составляющую сигнала S_Hi. Суммируют масштабированную (ослабленную или усиленную) копию прошедшей высокочастотную фильтрацию составляющей сигнала S_Hi с ослабленной основной компонентой S. Масштабируют и рассогласовывают копию прошедшей высокочастотную фильтрацию составляющей сигнала S_Hi и/или устанавливают запаздывание этого сигнала перед его суммированием с основной компонентой.

Далее суммарный сигнал М обрабатывают следующим образом.

Формируют отфильтрованную по высоким частотам составляющую сигнала М_Hi центрального сигнала М. Ослабляют копию прошедшей высокочастотную фильтрацию составляющей М_Hi и суммируют результат с ослабленной основной компонентой М. Ослабляют и декоррелируют следующую копию M_Hi и/или для результата устанавливают запаздывание.

Затем совмещают эти сигналы, суммируя ослабленную, декоррелированную и с возможным запаздыванием составляющую сигнала М_Hi с основной составляющей сигнала S.

В завершение синтезируют или создают выходные сигналы "L" и "R", вычисляя сумму или разность составной части S основного сигнала и составной части М основного сигнала.

Как отображено на фиг.4, декорреляция высокочастотных составляющих M_Hi, S_Hi может быть частично выполнена за один шаг. Это возможно потому, что в реализациях используют взаимно декоррелированные сигналы, в то время как для получения декоррелированных сигналов возможно применение других компоновок.

Как показано на фиг.4, декоррелированные составляющие m⁺ 82 и s⁺ 84 компонент сигналов М_Hi и S_Hi, прошедших высокочастотную фильтрацию, могут быть суммированы с помощью сумматора 46а до задействования третьего декоррелятора 92, за чем произвольно может последовать включение линии задержки 94.

Совмещение с образованием оптимизированного бокового сигнала может быть выполнено уже после сведения декоррелированных сигналов, что видно из фиг.4. Для обеспечения взаимной корреляции компонент сигналов один из трех обозначенных декорреляторов 74b, 76b или 92 может быть исключен в вариантах конструктивных решений последующих изобретений.

Еще одна схема декорреляции изображена на фиг.5, где применен декоррелятор 100 с несколькими входами. Использование декоррелятора 100 с несколькими входами позволяет непосредственно в него вводить компоненты сигналов М_Hi и S_Hi, прошедшие высокочастотную фильтрацию, после чего декоррелятор 100 обеспечивает корреляцию и сведение сгенерированных сигналов, например, в соответствии с процедурой преобразования на фиг.4. При этом декоррелятор 100 следует понимать как черный ящик, выполняющий операции обработки сигнала, например, показанные на фиг.4. После декоррелятора 100 может быть введена схема задержки 94, если задержка не входит в набор функций декоррелятора 100.

Осуществима версия компоновки, где декоррелятор 92 или 100 обеспечивает множество выводов, рассогласованных относительно друг друга, то есть несколько взаимно декоррелированных выходов. При таком сценарии в соответствующих реализациях выходные сигналы могут передаваться непосредственно на левый и правый каналы или быть представлены в виде центрального сигнала или оптимизированного бокового сигнала. Развитие такого подхода предусматривает выполнение декорреляции (рассогласования) в спектральной области с открытием возможности эффективного приложения относящегося к изобретению аудиопроцессора, благодаря использованию расчета локализации вне головы, в области декодирования сжатых аудиосигналов, например, в форматах МР3 или ААС.

Большие преимущества открываются там, где фронтально-фланговое представление сигнала стереоканала образуется в процессе декодирования, и/или тогда, когда декодирование выполняется в спектральной области или в спектральном представлении сигналов. Типичной сферой практического приложения конструктивных решений будут реализации процессоров аудиосигналов в портативных музыкальных проигрывающих устройствах, таких, например, как мобильные телефоны или специальные мультимедийные воспроизводящие устройства.

Пример одного из таких приложений приведен на фиг.6. Как видно на фиг.6, музыкальные данные охраняются или пересылаются в закодированном виде 110 на декодер 112, который расшифровывает или распаковывает музыкальные данные 110, формируя входной сигнал, который в зависимости от конкретного назначения может представлять собой стереосигнал, содержащий левый канал и правый канал или центрально-боковое представление, имеющее центральный канал и боковой канал. Кроме того, эти представления могут быть даны как во временной области, так и в спектральной области. В процессе обработки сигналов или реконструкции аудиоданных, показанных на фиг.6, предусмотрен пользовательский интерфейс, обеспечивающий доступ к ряду параметров системы, что будет описано ниже.

Входной сигнал 114 поступает в шунтирующую цепь, которая в зависимости от команды пользователя, подаваемой через пользовательский интерфейс 116, обходит контур процессора аудиосигналов 2, относящийся к изобретению, или запитывает его, или пересылает не него сигнал 114. Процессор сигналов 2 обеспечивает возможность оптимизации перцептуальных свойств стереосигнала независимо от его параметризации, то есть независимо от работы во временной или частотной области. Когда сигнал направляется по шунтирующему контуру 120, необработанный сигнал может быть введен в дополнительный эквалайзер 122, предназначенный для изменения сигнала по параметрам пользователя, поступающим от пользовательского пульта управления 116, для подачи сигнала на головные телефоны на выходе устройства. Однако если шунтирующий контур перенаправит сигнал на вход процессора аудиосигналов 2, активируется процесс преобразования "вне головы" для формирования перцептуально расширенного стереосигнала.

Конструктивное решение на фиг.6 предусматривает возможность регулировки или управления такими рабочими параметрами, как коэффициенты масштабирования или пороговые характеристики высокочастотных фильтров процессора аудиосигналов 2, с пользовательского пульта управления 116 с помощью контрольных или управляющих значений, передаваемых на контур обработки параметров управления 126, в функции которого может входить перепроверка ввода пользователя с возможностью корректировки задаваемых пользователем величин и, в частности, обеспечения экономичного режима преобразования.

После процессора аудиосигналов 2 последующая дообработка сигнала может быть выполнена постпроцессором 128, произвольно управляемым пользователем с пульта управления 116. Такая последующая доработка может включать себя настройку амплитудно-частотных характеристик или регулировку динамического диапазона, например его сжатие и т.п.

Подводя итог, следует перечислить ряд преимуществ, которые обеспечивает осуществление аудиопроцессоров в портативных устройствах, в которых музыкальный материал, как правило, хранится в сжатом виде. Кроме использования для декодирования сжатых фонограмм варианты конструкции аудиопроцессоров, относящихся к изобретению, могут найти применение в системах ИКМ (импульсно-кодовой модуляции) данных и их частотного представления. Кроме того, метод может быть интегрирован в процесс прямого декодирования сжатых аудиосигналов как в спектральную, так и во временную область. Возможен режим управления предлагаемым методом или аудиопроцессором, при котором процесс обработки будет включаться и отключаться самим процессором аудиосигналов. Кроме того, такие рабочие параметры аудиопроцессора, как коэффициенты масштабирования, могут контролироваться пользователем. Для этого может быть задан соответствующий набор значений параметров управления, которые в ходе рабочего процесса преобразовываются процессором параметров управления 126 в надлежащие параметры.

Помимо этого, к усовершенствованному сигналу может быть применена дополнительная последующая обработка, такая как регулировка амплитудно-частотных характеристик или динамического диапазона. В описываемое устройство может быть интегрирован управляемый пользователем алгоритм работы эквалайзера, по которому осуществляется доводка выходного сигнала аудиопроцессора и/или сигнала последующей доработки.

Выходные данные полной технологической цепочки, то есть выходной сигнал реализованного аудиопроцессора или контура последующей доработки и/или управляемого пользователем эквалайзера, поступают на разъем головных телефонов музыкально-воспроизводящего устройства.

На фиг.7 представлена принципиальная схема осуществления способа формирования стереосигнала 4 с расширенными перцептуальными свойствами с использованием центрального сигнала 6а и бокового сигнала 6b. На шаге декорреляции 150 образуется декоррелированное представление, по крайней мере, одной составляющей центрального сигнала 152 и/или декоррелированное представление, по крайней мере, одной составляющей бокового сигнала 154.

На шаге оптимизации 160 формируется оптимизированный боковой сигнал 162 (S') путем совмещения представления (S_R) бокового сигнала 164 с декоррелированным представлением составляющей центрального сигнала 152, с декоррелированным представлением составляющей центрального сигнала 152 и декоррелированным представлением составляющей бокового сигнала 154 или с составляющей центрального сигнала 168 и декоррелированным представлением составляющей бокового сигнала 154.

На шаге повышающего микширования 169 вырабатывается стереосигнал 4 с расширенными перцептуальными свойствами с использованием оптимизированного бокового сигнала 162 и представления центрального сигнала M_R.

На шаге факультативного формирования представления 148 при необходимости предварительно генерируются представления M_R и S_R центрального и/или бокового сигналов, а также составляющие m и s центрального сигнала 6а и бокового сигнала 6b. При пропуске этого шага указанные компоненты сигналов могут быть сформированы непосредственно при выполнении последующих шагов преобразования необработанного предварительно сигнала. Таким образом, шаг формирования представления может быть выполнен при выполнении других операций описываемого способа генерирования стереосигнала.

В зависимости от конкретных требований к реализации относящихся к изобретению методов эти методы могут быть осуществлены как в виде аппаратных средств, так и в виде программного обеспечения. В конструкцию может быть введен цифровой накопитель данных, в частности жесткий диск, цифровой видеодиск DVD или компакт-диск CD, способный хранить сигналы управления, электронно считываемые с помощью программируемой компьютерной системы с целью реализации методики, относящейся к данному изобретению. Соответственно, в целом настоящее изобретение представляет собой компьютерный программный продукт, имеющий код программы, хранящийся на машиночитаемом носителе и предназначенный для реализации относящихся к изобретению методов при условии использования для выполнения компьютерной программы компьютерной техники. Иначе говоря, методы, относящиеся к изобретению, представляют собой, таким образом, компьютерную программу с присвоенным ей кодом программы, предназначенную для реализации, по меньшей мере, одного из относящихся к изобретению методов при выполнении компьютерной программы на компьютере.

Ввиду того что все вышеописанное является частным представлением вариантов конструктивных решений, для квалифицированных специалистов очевидно, что общая форма и элементы конструкции допускают внесение различных изменений, не противоречащих сути и назначению изобретения. Внесение любых изменений при реализации для конкретных приложений требует соблюдения раскрытой здесь общей концепции, сформулированной в приведенной ниже формуле изобретения.

Изобретение относится к средствам формирования стереофонического сигнала с улучшенным для восприятия качеством, в частности к способу обработки сигнала, представленного центральным сигналом и боковым сигналом, с получением стереофонического сигнала с расширенными характеристиками. Техническим результатом является повышение качества звуковоспроизведения. Указанный результат достигается тем, что аудиопроцессор (2) формирует стереосигнал (4; 50) с расширенными перцептуальными свойствами с использованием центрального сигнала (6а) и бокового сигнала (6b). Центральный сигнал (6а) представляет собой сумму, а боковой сигнал (6b) - разность исходных левого и правого каналов (40). Аудиопроцессор включает декоррелятор (8) для выработки декоррелированного представления составляющей центрального сигнала (82) и/или декоррелированного представления составляющей бокового сигнала (84), комбинатор сигнала (10; 46) для формирования оптимизированного бокового сигнала (14; 90) путем совмещения представления (70) бокового сигнала с декоррелированным представлением бокового сигнала (84) и декоррелированным представлением составляющей центрального сигнала (82) или с составляющей центрального сигнала и декоррелированным представлением составляющей бокового сигнала (84) и центрально-боковой повышающий микшер (12; 48), предназначенный для формирования стереосигнала с расширенными перцептуальными свойствами с использованием представления центрального сигнала и оптимизированного бокового сигнала. 5 н. и 15 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Аудиопроцессор (2) для формирования стереосигнала (4; 50) с расширенными перцептуальными свойствами с использованием центрального сигнала (6а) и бокового сигнала (6b), из которых центральный сигнал (6а) представляет собой сумму исходных левого и правого каналов (40), а боковой сигнал (6b) представляет собой разность исходных левого и правого каналов (40), характеризующийся тем, что включает декоррелятор (8), предназначенный для выработки декоррелированного представления, по меньшей мере, одной составляющей центрального сигнала (82) и/или декоррелированного представления, по меньшей мере, одной составляющей бокового сигнала (84); комбинатор сигнала (10; 46), предназначенный для формирования оптимизированного бокового сигнала (14; 90) путем совмещения представления (70) бокового сигнала с декоррелированным представлением бокового сигнала (84) и декоррелированным представлением составляющей центрального сигнала (82) или с составляющей центрального сигнала и декоррелированным представлением составляющей бокового сигнала (84); и центрально-боковой повышающий микшер (12; 48), предназначенный для формирования стереосигнала с расширенными перцептуальными свойствами с использованием представления центрального сигнала и оптимизированного бокового сигнала.

2. Аудиопроцессор (2) по п.1, характеризующийся тем, что комбинатор сигналов (10; 46) предназначен для построения взвешенной суммы совмещаемых сигналов.

3. Аудиопроцессор (2) по п.1, характеризующийся тем, что декоррелятор (8) предназначен для формирования декоррелированного представления высокочастотной составляющей центрального сигнала и/или бокового сигнала.

4. Аудиопроцессор (2) по п.1, характеризующийся тем, что комбинатор сигналов (10; 46) предназначен для использования центрального сигнала и бокового сигнала в качестве представлений совмещаемых сигналов.

5. Аудиопроцессор (2) по п.1, в рабочие функции которого включено использование частотного представления центрального сигнала и бокового сигнала.

6. Аудиопроцессор (2) по п.1, характеризующийся тем, что центрально-боковой повышающий микшер (12; 48) предназначен для формирования левого канала стереосигнала (4; 50) с расширенными перцептуальными свойствами путем построения взвешенной суммы представления центрального сигнала и оптимизированного бокового сигнала (14; 90) и для формирования правого канала стереосигнала (4; 50) с расширенными перцептуальными свойствами путем построения взвешенной разности между представлением центрального сигнала и оптимизированным боковым сигналом.

7. Аудиопроцессор (2) по п.1, характеризующийся тем, что содержит также генератор представлений (42), предназначенный для формирования представления бокового сигнала (70) с использованием бокового сигнала (6b) и отфильтрованной по высоким частотам составляющей бокового сигнала.

8. Аудиопроцессор (2) по п.7, характеризующийся тем, что генератор представлений (42) включает в себя, кроме того, первый (54а) и второй (54b) делители частоты сигнала, предназначенные для масштабирования перед совмещением бокового сигнала и прошедшей высокочастотную фильтрацию составляющей сигнала.

9. Аудиопроцессор (2) по п.7, характеризующийся тем, что генератор представлений (42) содержит фильтр высоких частот (52), предназначенный для получения составляющей сигнала, прошедшей высокочастотную фильтрацию.

10. Аудиопроцессор (2) по п.9, характеризующийся тем, что декоррелятор (8) предназначен для формирования декоррелированного представления бокового сигнала с использованием составляющей сигнала бокового сигнала, отфильтрованной по высоким частотам.

11. Аудиопроцессор (2) по п.1, характеризующийся тем, что декоррелятор (8) предназначен для декорреляции составляющей центрального сигнала и/или бокового сигнала с получением декоррелированного сигнала.

12. Аудиопроцессор (2) по п.11, характеризующийся тем, что декоррелятор (8), кроме того, предназначен для приложения заданной величины задержки к декоррелированным сигналам.

13. Аудиопроцессор (2) по п.1, характеризующийся тем, что содержит второй генератор представлений (44), предназначенный для формирования представления центрального сигнала с использованием центрального сигнала (4а) и составляющей центрального сигнала, прошедшей высокочастотную фильтрацию.

14. Аудиопроцессор (2) по п.13, характеризующийся тем, что второй генератор представлений (44) содержит третий (64а) и четвертый (64b) делители частоты сигнала, предназначенные для масштабирования перед совмещением центрального сигнала и прошедшей высокочастотную фильтрацию составляющей центрального сигнала.

15. Аудиопроцессор (2) по п.13, характеризующийся тем, что второй генератор представлений (44) содержит второй фильтр высоких частот (62), предназначенный для получения составляющей центрального сигнала, прошедшей высокочастотную фильтрацию.

16. Аудиопроцессор (2) по п.15, характеризующийся тем, что декоррелятор (8) предназначен для формирования декоррелированного представления центрального сигнала (82) с использованием отфильтрованной по высоким частотам составляющей центрального сигнала.

17. Аудиопроцессор (2) для генерирования стереосигнала (4; 50) с расширенными перцептуальными свойствами с использованием центрального сигнала (6а) и бокового сигнала (6b), причем центральный сигнал (6а) представляет собой сумму исходных левого и правого каналов (40), а боковой сигнал (6b) представляет собой разность исходных левого и правого каналов (40), характеризующийся тем, что включает декоррелятор (8), предназначенный для выработки декоррелированного представления, по меньшей мере, одной составляющей центрального сигнала (82) и/или декоррелированного представления, по меньшей мере, одной составляющей бокового сигнала (84); генератор представлений (42), предназначенный для формирования представления бокового сигнала (70) с использованием бокового сигнала (6b) и составляющей бокового сигнала, прошедшей высокочастотную фильтрацию; комбинатор сигнала (10; 46), предназначенный для образования оптимизированного бокового сигнала (14; 90) совмещением представления (70) бокового сигнала с декоррелированным представлением составляющей центрального сигнала; и центрально-боковой повышающий микшер (12; 48), предназначенный для формирования стереосигнала с расширенными перцептуальными свойствами с использованием представления центрального сигнала и оптимизированного бокового сигнала.

18. Способ формирования стереосигнала с расширенными перцептуальными свойствами (4) с использованием центрального сигнала (6а) и бокового сигнала (6b), из которых центральный сигнал является суммой исходных левого и правого каналов, а боковой сигнал является разностью исходных левого и правого каналов, характеризующийся тем, что формируют декоррелированное представление (160), по меньшей мере, одной составляющей центрального сигнала и/или декоррелированное представление, по меньшей мере, одной составляющей бокового сигнала; формируют оптимизированный боковой сигнал (160) путем совмещения представления бокового сигнала с декоррелированным представлением бокового сигнала и декоррелированным представлением составляющей центрального сигнала или с составляющей центрального сигнала и декоррелированным представлением составляющей бокового сигнала; и выполняют повышающее микширование (169) представления центрального сигнала и оптимизированного бокового сигнала с образованием стереосигнала с расширенными перцептуальными свойствами (180).

19. Способ формирования стереосигнала с расширенными перцептуальными свойствами (4) с использованием центрального сигнала (6а) и бокового сигнала (6b), из которых центральный сигнал является суммой исходных левого и правого каналов, а боковой сигнал является разностью исходных левого и правого каналов, характеризующийся тем, что формируют декоррелированное представление (160), по меньшей мере, одной составляющей центрального сигнала и/или декоррелированное представление, по меньшей мере, одной составляющей бокового сигнала; формируют представление бокового сигнала (148) с использованием бокового сигнала и прошедшей высокочастотную фильтрацию составляющей бокового сигнала; формируют оптимизированный боковой сигнал (160) путем совмещения представления бокового сигнала с декоррелированным представлением составляющей центрального сигнала; и выполняют повышающее микширование (169) представления центрального сигнала и оптимизированного бокового сигнала с образованием стереосигнала с расширенными перцептуальными свойствами.

20. Машиночитаемый носитель данных, хранящий код программы, предназначенный для реализации при выполнении на компьютере способа формирования стереосигнала с расширенными перцептуальными свойствами по п.18 или 19.