電影院內的音量和壓縮控制的製作方法
2023-06-02 10:56:51
專利名稱：電影院內的音量和壓縮控制的製作方法
技術領域：
本發明與音頻信號處理有關。具體地說，本發明與控制電影音軌重放時的響度有關。
背景技術：
上個世紀七十年代中期，杜比實驗室(Dolby Laboratories)提出對電影音軌內的監控電平的校準建議(「Dolby」是杜比實驗室公司的商標)。在記錄鏈內用典型噪聲基準信號將音頻監控電平調整到85dBc。所有為重放這種新的立體聲光音軌而裝備的電影院都建成為在重放音量控制(增益調節器)被設置為校準設置的情況下一個音軌聲道內的等效典型噪聲信號產生相同的85dBc。這意味著以校準的音量控制設置(大多數電影處理系統上設置為「0」到「10」的範圍內的「7」)放映電影的影院重放由電影導演和調音師在配音場(在這裡稱為「混音器」)選擇的相同響度電平。
這種系統多年來工作得很好。杜比立體聲(A型編碼的)電影具有有限的頭上空間(headroom)，得到的受限制的動態範圍很少有觀眾不滿意。大多數電影院以校準的電平放映電影。音軌格式技術自杜比立體聲以來已經有了顯著的提高。杜比SR將頭上空間在中音域頻率擴展了3dB，而在低頻率和高頻率擴展得還要大一些。近些年來，新的數字格式已進一步增大了頭上空間。圖1示出了對於學會單聲道(Academy mono)、杜比A型、杜比SR和杜比數字這四種攝影音軌格式，一個重放的音軌聲道的最大聲壓電平對頻率的關係。這些曲線相對它們的基準電平作了規格化。因此，它們示出了每個不同的光音軌系統的一個聲道在適當建立的電影院內以校準的音量控制設置播放電影時能達到的最大聲壓電平。在電影院內的最大聲壓電平也是音軌聲道數量的函數。例如，五個聲道可以傳送兩個聲道的2.5倍的功率，導致聲壓電平增大4dB。因此，例如在重放5或7聲道數字音軌的情況下，最大聲壓電平的增加甚至大於圖1中所示的。
由於所有演變的格式改變都保持85dBc的校準技術，因此在較新的音軌上可得到附加的頭上空間。然而，對於對話記錄電平，正片具有一個一致的主觀混音基準，而與增大的頭上空間無關，這被稱為「關聯響度」。在混錄調音員看到屏幕上的演員而對話與音樂或音效之間沒有衝突時，一個中等的特寫鏡頭內的對話電平設置成對於視覺印象來說是似真的。在合理的界限內，這通常在2或3dB以內的範圍內適用。這種自然對話電平不適用於解說，因為沒有相應的直觀基準。音樂和音效沒有直觀的關聯響度。大多數人不熟悉一個協和式飛機起飛或一個50mm的榴彈炮的實際聲壓電平。樂譜電平被相等地未校準。
由於記錄媒體的頭上空間能力的擴展，它已經的確得到使用音效和音樂的「非關聯」響度上升到充滿可用的頭上空間。用對話作為基準，象爆炸那樣的大音頻通常要高出20dB以上(爆炸達到高於對話電平25dB的滿標度峰值電平)，而一些要讓所有聽眾聽到的輕的聲音，諸如樹葉的沙沙聲之類，可能要低50dB。
根據觀眾對電影音頻太大的抱怨，許多電影院基本上以低於校準電平放映電影。「6」或「5 1/2」的音量控制設置(增益調節器電平)與校準為「7」的電平(音量控制標準設置)相比並不稀罕，表示響度降低了4或6dB左右。一些電影院將它們的音量控制永久性地調低到這樣的設置，因為用許多銀幕同時放映不同電影的電影放映員沒有時間或無法操心為不同的電影分別設置控制。如果將音量控制調低些以避免對過響的抱怨，對話就比混音師所希望的要輕，而觀眾可能抱怨一些對話在電影中存在其他聲音和/或電影院內存在普通背景噪聲(吃爆米花、空調、談話等聲音)時聽不清楚。電影院的重放電平通常根據對放映得最響(和最早)的部分產生的抱怨設置。如果重放電平根據音量最高的預告片(通常要比正片音量高)設置，正片往往就以降低的同一個電平播放。結果是正片的對話電平降低了與為了減輕預告片音量而被認為必需的相同的電平。用一個比校準的電平低6dB的響度播放的正片可能會導致嚴重的對話聽不清的問題，而且很輕的聲音可能聽不見。
此外，從杜比A型到杜比SR和數字版本頭上空間使用的增加可能並未通過功率放大器和揚聲器的能力的相應提高來匹配。過載設備所引起的失真很可能加重了新近音軌的響度問題，導致抱怨增加。
在使用校準的早期影院音響設備中，音量控制是一個機械的電位計，通常在標準設置處有一個掣子或定位銷。更近一些的(數字)設備用一個轉軸編碼器或一對上、下按鈕(帶有設置的數字顯示)來發出對乘法器(數字或電壓控制的放大器)進行操作的控制信號，影響加到所有重放的音軌的聲道的增益。在典型的影院音響設備中，音量控制逐漸和相對均勻地在從大約「4」到「10」的設置範圍內改變增益，而在設置低於大約「4」時增益下降更快，允許減弱到聽不見。
發明內容
本發明提供了一種電影音軌重放系統，這種系統具有多個音軌聲道。對聲道在重放時的響度進行估計的估計器根據音軌聲道或與這些音軌聲道關聯的數據提供一個響度估計電平。一個調整加到聲道上的增益和壓縮的控制具有一個從最小設置到最大設置的設置範圍，其中包括一個對每個聲道內具有各自基準電平的信號以各自的標準聲電平進行重放的標準設置。在標準設置的情況下，加到每個聲道上的增益對於所有的響度估計電平基本上是恆定的，而且基本上不施加壓縮。對於一個小於標準設置的控制設置範圍內的每個控制設置，在每個控制設置上每個聲道的增益基本上是恆定的，而且對於低於一個比標準聲電平高的門限的響度估計電平基本上不施加壓縮，而對於高於這個門限的響度估計電平對一個或多個聲道施加壓縮，這個門限隨著控制設置減小而降低。
小於標準設置的控制設置範圍向下延伸到最小控制設置，或者也可以是小於標準設置的控制設置範圍向下延伸到高於最小控制設置的另一個設置。
對於在小於標準設置、向下延伸到所述另一個設置的控制設置範圍內的控制設置，每個聲道的增益可以隨著控制設置減小基本上保持恆定。
對於在低於所述另一個設置左右的控制設置範圍內的控制設置，所有聲道的增益可以隨著控制設置的減小而減小。
對於在低於所述另一個設置左右的控制設置範圍內的控制設置，門限可以基本上保持恆定。
對於在小於所述標準設置、向下延伸到所述另一個設置的控制設置範圍內的控制設置，每個聲道的增益可以隨著控制設置的減小以小於對於低於所述另一個設置左右的設置的增益隨著控制設置減小的減小的速度減小。
對於處在和高於標準設置左右的控制設置，可以基本上不施加壓縮，聲道的增益可以隨著控制設置的增大而增大。
如上面所指出的，標準聲電平提供了一個對話的標準聲電平。因此，門限可以高於導致壓縮對話的響度估計電平，使對話可以不受壓縮。
在施加壓縮時，可以將壓縮加到所有的聲道上或者只加到某些聲道而不是所有聲道上。在加到所有聲道上時，可以一致或非一致地施加。在只加到某些聲道而不是所有聲道上時，可以一致或非一致地加到所要施加的聲道上。
作為另一個可選擇方案，在多個音軌聲道包括多個前方音軌聲道和多個環繞音軌聲道時，可以在環繞音軌聲道上施加比前方音軌聲道上小的壓縮。
加到一個或多個聲道上的壓縮可以具有線性限幅特性。
對於控制設置的低於所述另一個設置的另一個範圍，對於低於一個低電平門限的響度估計電平，可以將壓縮加到一個或多個聲道上。
由估計器估計的響度可以是如果控制設置在它的標準設置就會得出的聲道主觀響度的估計。
由估計器估計的響度可以是一個作為某些或所有重放聲道的估計聲電平、它們的頻率成分和時間的函數的對多個音軌的主觀響度的度量。
估計器可以根據音軌聲道信號電壓電平提供一個響度估計電平。
估計器可以根據對所有音軌聲道的音軌聲道信號電壓電平的頻率加權的平方和提供一個響度估計電平。頻率加權可以是A加權、CCIR加權(亦稱ITU/R加權)或其他適當的加權。
估計器可以根據與音軌聲道關聯的元數據提供一個響度估計電平。
因此，本發明用單個控制來確定電影音軌重放中的音量和壓縮度。對於某些控制設置，壓縮或限幅降低了電影音軌上的最高電平，而保留對話電平基本上不變，不會有使對話太輕而聽不清楚的問題，從而消除了觀眾抱怨的原因。
也就是說，壓縮器門限是「音量控制」設置的一個函數。處在標準設置和高於標準設置時，壓縮器禁用(無論它是否實際禁用或是否門限提高到使信號不能達到這個門限)。在設置低於標準設置的一個有限範圍上，控制將總體增益降低比普通常規的音量控制小一些(甚至根本不降低)，但是將壓縮器門限設置在估計響度電平的可能範圍內，使得壓縮器在估計響度足以達到這個門限時進行操作。下調控制使門限向下移動，從而影響估計響度的較小電平。在控制下調到已經限制最高可能響度(例如6或8dB)的點後，壓縮特性可以基本上保持固定，而進一步減小控制設置引入常規的音量減小。對於「音量控制」的每個設置，有一個和只有一個門限值。
例如，在影院音量控制處在一個標準設置(例如，在許多種當前設備上為「7」而在一些其他設備上為「0.0」)時，壓縮器是停用的。如果控制下調到例如「6」，這在普通影院設備內會將音軌內所有聲道的音量降低3或4dB，對包括典型對話的從低到中等電平的信號只有少許影響甚至根本沒有影響，但是最高電平(在可能響度範圍內最響的)根據對主觀響度的測量通過壓縮或限幅操作予以衰減。也就是說，將音量控制從標準設置下調到一個稍低的設置可以使最響的聲音減輕但將對話和較輕的聲音保持在混音師想要的響度。隨著音量控制進一步下調，壓縮門限降低，導致在一個較寬的響度電平範圍上的高程度壓縮。可選地，在再低一些的設置，壓縮達到最大有效度(壓縮門限不再進一步降低)，而對控制設置的進一步調整以與普通的音量控制相同的方式衰減(經壓縮的)信號。
作為另一個可選方案，隨著控制器從它的標準設置下調到降低低中電平信號的電平的設置時，低電平信號可以受到壓縮(提升)，以便將它們的電平保持成使它們不致被影院的背景噪聲掩蓋掉。這個可選方案可以實現成使得在一個再低的設置上低電平壓縮達到最大程度，而再降低控制設置會減小這些聲道的增益，允許聲音漸變到聽不見。
本發明的一個方面是得出一個對超過一個導致壓縮的門限的重放響度電平的估計。這個估計是根據在一些或所有的音軌聲道內的信號電平應用適當的時間常數得出的，如下面要進一步所說明的。
「電平」和「門限」參數已經以許多方式測量和定義。例如，在想要防止發射機過調製的廣播限幅器中，「電平」一般是指波形的峰值(通常是所有聲道內的最大的波形峰值)，或者是在幾百微秒或幾毫秒平滑的峰值。對於一個演播室壓縮器，電平普遍的是指在幾十毫秒上測量的功率(有時表示為rms)，或者在同樣的時段上測量的平均振幅。對於在消費類攝像機/錄像機內的自動增益控制，它經常是指通過一個具有幾毫秒的「上升時間」和幾十秒的「恢復時間」的非線性濾波器測量的振幅。在廣播和演播室設備內，通常有一些措施，諸如頻帶分離和頻率加權之類，用來減小由此一些頻譜部分對其他一些部分的增益調製的不希望的效應。無論是怎樣測量的信號用來控制壓縮，門限的「單位」都相同。
按照本發明，用來控制壓縮器的量度可以包括對主觀響度或幹擾的估計。可以使用各種技術來估計主觀響度，如下面要進一步說明的那樣。
圖1示出了對於學會單聲道、杜比A型、杜比SR和杜比數字這四種攝影音軌格式的最大聲壓級對頻率的關係。
圖2為一些壓縮器的一組理想化的響度輸出對音頻輸入的關係。
圖3為一些壓縮器的一組理想化的增益(垂直軸)對音頻輸入(水平軸)的關係。圖3給出了與圖2所給出的相同的信息，但是以垂直標度表示增益而不是輸出響度的不同格式給出。
圖4示出了本發明的一個實施例的一組理想化的加到重放的聲音上的增益(垂直軸)與主觀響度(水平軸)(更準確地說，一個對於電影音軌重放系統能在沒有壓縮和音量控制在標準設置時重放的最響聲音的主觀響度的估計)的關係。
圖5示出了本發明的另一個實施例的一組理想化的加到重放的聲音上的增益(垂直軸)與主觀響度(水平軸)(更準確地說，一個對於電影音軌重放系統能在沒有壓縮和音量控制在標準設置時重放的最響聲音的主觀響度的估計)的關係。
圖6示出了本發明的又一個實施例的一組理想化的加到重放的聲音上的增益(垂直軸)與主觀響度(水平軸)(更準確地說，一個對於電影音軌重放系統能在沒有壓縮和音量控制在標準設置時重放的最響聲音的主觀響度的估計)的關係。
圖7為示出根據從音頻信號的響度估計和控制設置得出的控制信號來控制加到音頻信號上的增益或衰減的配置的簡化功能方框圖。
圖8為示出根據多個音頻聲道產生響度估計的簡化功能方框圖。
圖9示出了A加權曲線與CCIR加權曲線(亦稱ITU-R加權曲線)的對照情況。
具體實施例方式
本發明的實現可以看作涉及一種音頻壓縮器，其中，壓縮器具有一系列由單個控制(常規為「音量」控制)的設置選擇的輸入輸出響應特性，但是在本發明中，控制不僅選擇音量特性，而且對於一些控制設置，為很響的重放音頻和可選地為很響和很輕的重放音頻選擇壓縮響應。
動態範圍壓縮器和線性限幅器的設計是眾所周知的，本發明所用的壓縮器的動態特性的詳細情況(上升時間、恢復時間、保持時間、節目適應時間常數等)並不是本專利的主題。類似地，壓縮器可以用頻帶分離對整個信號或者對部分音頻帶寬進行操作。熟悉該技術的人員將能設計一個適當的壓縮器的那些方面。因此，本說明書將集中於說明壓縮器的「規律」，亦即輸出電平與輸入電平之間或者等價地增益與控制壓縮器的估計響度之間的關係。
為了更好地理解本發明，簡要地回顧一下音頻壓縮器的作用是有益的。圖2為一些壓縮器的一組理想化的響度輸出對音頻輸入的關係。各軸以分貝標度表示電平，0dB是任意的，但是經常表示在不過載的情況下可達到的最高電平。特性的直線斜率為1(即在45度)的部分表示增益或衰減恆定(即動態不變)。如果這個部分或者它的投影在兩個軸上通過0dB，它就表示單位增益(在音量控制設置在其標準設置時電影伴音系統內提供單位增益)。45度以下的任何線表示(固定)衰減，而45度以上的線表示(固定)增益或提升。因此，常規的音量控制可以描繪成一族45度的線，每個設置一條線。特性的斜率比1小的部分表示提供壓縮(動態改變減小)的取決於信號的變化增益。為完整起見，但對本發明並不重要，特性的斜率大於1的部分表示擴展(動態改變增大)。
曲線A示出了在音頻輸入電平的整個範圍上具有恆定斜率的壓縮特性，在這個例子中，輸入改變1dB導致輸出改變0.5dB。
曲線B示出了通常稱為限幅器(壓縮比為無窮大的壓縮器，有時稱為線性限幅器以強調沒有涉及削波)的特性；在這個例子中，在預定輸入門限以下，輸出精確等於輸入，但一旦超過門限，限幅器引入等於輸入超過門限的程度的衰減，結果是輸出電平保持在這個門限值而在該門限值以上不顯著地上升。
雖然線性限幅器的概念是眾所周知的，但這個術語通常是指由音頻波形的峰值控制的裝置。它的通常作用是通過阻止峰值超過一個明確的最大值(例如，AM發射機的100％調製，模數變換器內的數字滿標度，或者FM發射機的最大合法調製)來避免過載。本發明的一種最佳方式使用了看來像常規的線性限幅器的壓縮特性，但不同的是被測量的參數是估計響度而不是峰值。
曲線C示出了一個較為複雜的壓縮特性，類似於杜比降噪系統內所用的稱為雙線性的特性，其中有稱為開始點和結束點的兩個門限。開始點以下，增益是恆定的(例如10dB)，這樣，輸出隨從輸入，但一貫高10dB。結束點以上，增益也是恆定的，但小於10dB；在這個例子中是0dB，這樣，輸出就等於輸入。在開始點到結束點之間，斜率比1小，表示動態壓縮。
曲線D示出了只影響低電平信號的壓縮器。-40dB門限以上，增益是恆定的，但是在該門限以下，取決於電平的正增益提升輕的信號。
圖3也是一些壓縮器的一組理想化的增益對音頻輸入的關係。圖3給出了對於相同的例子的與圖2相同的信息，但是以垂直軸表示增益而不是輸出響度的不同格式給出。雖然圖3這種格式不常見，但被認為更為清晰地示出了壓縮器的作用，將用於例示本發明的典型方面的圖4-6中。
回到對圖3的說明，各軸表示分貝標度的電平，水平軸上的0dB是任意的，但是經常表示不過載時可達到的最高電平。特性的直線斜率為零的部分(即水平部分)表示恆定的增益或衰減(即動態不改變)。如果這個部分或者它的投影在垂直軸上通過0dB，它就表示單位增益。如果它比0dB低，就為衰減，而如果比0dB高就為提升。特性的斜率為負的部分表示提供壓縮(動態改變減小)的取決於信號的變化增益。為完整起見，但對本發明並不重要，特性的斜率為正的部分表示擴展(動態改變增大)。
曲線A示出了一個恆定斜率的壓縮器，在輸入電平的整個範圍上，輸入增大1dB導致增益減小0.5dB，因此輸出僅增大0.5dB。
曲線B示出了通常稱為限幅器(有時稱為線性限幅器以強調沒有涉及削波)的特性；在這個例子中，在預定輸入門限以下，增益為0dB，這樣，輸出精確等於輸入，但一旦超過門限，限幅器引入等於輸入超過門限的程度的衰減，如圖3明確所示，結果是輸出電平保持在門限值而在門限值以上沒有顯著上升。
曲線C示出了一個較為複雜的壓縮特性，類似於杜比降噪系統內所用的稱為雙線性的特性，其中有稱為開始點和結束點的兩個門限。開始點以下，增益是恆定的(例如10dB)，這樣，輸出隨從輸入，但一貫高10dB。結束點以上，增益也是恆定的，但小於10dB；在這個例子中是0dB，這樣輸出就等於輸入。在開始點到結束點之間，斜率為負的，表示動態壓縮，圖3示出了增益隨著輸入電平增大而下降的情況。
曲線D示出了只影響低電平信號的壓縮器。-40dB門限以上，增益是恆定為0dB，但是在該門限以下，取決於電平的正增益提升輕的信號。
圖4示出了按照本發明的一個實施例，對於各個控制設置的施加到重放的聲音上的增益與主觀響度(更準確地說，為對電影音軌重放系統能在沒有壓縮和音量控制在標準設置時重放的最響聲音的主觀響度的估計)的關係。如可以看到的那樣，對於某些控制設置的增益特性提供高電平壓縮/限幅。對於為「7」的標準設置和「7」以上的設置，沒有壓縮，總增益隨著控制設置以常規的方式改變。對於在標準設置「7」與大約例如「5.5」之間的設置，大多數動態範圍上的增益比對於常規的音量控制更慢地改變(例如，每個「設置單位」2dB而不是在標準電影音響系統內這部分範圍中的每個設置單位4dB左右)，但是對於這樣的控制設置，高電平限幅使最響聲音衰減更大一些，而門限隨控制設置減小向下移動。在大約「5.5」的設置以下，門限停止移動，出現(受限幅的)信號整體衰減。
圖5示出了圖4所示特性的一種有益的變異，其中對於標準設置「7」與大約「5.5」之間的設置，增益不改變，但是門限隨著控制設置的減小而降低。
圖6示出了施加到重放的聲音上的增益對主觀響度(更準確地說，為對電影音軌重放系統能在沒有壓縮和音量控制在標準設置時重放的最響聲音的主觀響度的估計)的代表性關係，其中具有高電平限制和低電平壓縮。例如，在設置「5」以上，結果與圖3的相同。對於設置在「7」到大約「5.5」之間的，例如，在大部分範圍上的增益被適度下調(例如，每個標度2dB)，但是限幅門限下降使得最響聲音下調更大一些。或者，也可以是增益如圖5中的那樣保持不變。對於在「5.5」左右到「5」左右之間的設置，整體(受限的)增益下調2dB。對於在「5」左右到「3」左右之間的設置，例如，如圖3中那樣引入更大的衰減，但是對於輕的音響，還隨著門限隨控制設置的改變使低電平壓縮導致的衰減小一些。注意，不論壓縮如何，這些輕的音響決不會提升到比在標準設置「7」時會具有的電平高的電平(增益線決不會交叉)。在設置為「3」以下時受壓縮和限幅的總體信號被簡單地下調，如常規的音量控制那樣(即，門限不再移動)。
圖4-6特性響應的情況可以以許多方式實現，但是可能以某種查找表形式實現最為容易，在查找表中每個音量控制設置與總增益值、限幅門限、開始點和結束點及這兩個點之間的壓縮比(如果使用低電平壓縮的話)關聯。利用現代處理技術，容易在模擬和數字域構成具有用於任何這些特性和許多其他特性的所希望的壓縮斜率和所希望的門限的壓縮器，並以預定方式改變那些參數。雖然在圖4-6這些例子中所示的特性響應是切實可行和有用的，但確切的特性並不是關鍵性的。圖中所示的這些特性僅僅是屬於本發明的範圍內的適當特性的一個例子。
例如，沒有必要保證因為在控制設置為「6」時限幅門限低於最大響度例如4dB，在控制設置在「6」到「7」之間時這個門限隨著控制設置線性移動，而在「7」時精確地成為0dB即最大可能響度。在實際設備中，一個系統的最大可能響度通常不是明確規定的，而是取決於放大器的相對功率、揚聲器的靈敏度、它們的過載電平和這些參數的頻率依賴性等。一些可行的實施例並不需要任何嚴格地考慮所有這些參數。一個設備內最大可能響度的粗略估計可能在安裝時按照設備使用情況和空間的大小作出。如果設備是欠功率的，也許所希望的是隨著控制設置從它的標準設置下調時能壓縮得更急劇。因此，門限移入一個低於「7」的具體控制設置的有效範圍的程度可能對於不同的設備是不同的。例如，從在圖4中標為「4」到「6.5」的控制設置得出的特性曲線可以實際改為出現在從「4.5」到「6.9」的設置範圍內，使得控制設置從「6.9」移動到「7」會具有從標為靠近「6.5」曲線處急劇地移動到標為「7」的曲線處(以一個按鈕開關的方式)的效果。
圖7為示出根據從音頻信號的主觀響度估計和控制設置得出的控制信號來控制加到音頻信號上的增益或衰減的配置的簡化功能方框圖。原則上，可以修改任意多個電影音軌聲道的響度。作為一個例子，圖中示出了三個聲道。加到多個電影音軌聲道中的各個聲道上的增益例如各由一個乘法器(或者說乘法功能)或電壓控制放大器(VCA)102、104、106根據一個來自控制信號產生器或產生器功能108的控制信號進行控制。控制信號的特性響應由單個控制110的控制設置以上述圖4至圖6所示實例的方式選擇。由一個響度估計器或響度估計功能112響應電影音軌聲道或根據一個與聲道關聯的數據信號得出的估計主觀響度信號輸入給產生控制信號輸出的控制信號產生器或產生器功能108。因此，從「音量控制」設置和估計響度這兩個輸入得出對每個聲道內的增益的控制。在本發明的一個實施例中，除很響的信號之外，增益僅由控制設置確定。在信號很響而超過一個取決於控制設置的門限時，增益降低，從而提供壓縮，如上面所說明的那樣。
在圖7這個例子中，根據從所有的音軌聲道得出的一個估計響度將相同的增益控制信號施加到所有音軌聲道上。如上面所提到的，有一些可選擇的替代方案，其中控制少於所有音軌聲道的增益和/或其中從少於所有音軌聲道得出估計響度信號。
在有多個音頻聲道時，常規的做法是同等地控制所有聲道的增益，從而避免了聲像視在位置的「漂移」，但是在一個多聲道的電影院應用中，部分或完全與其他聲道獨立地處理前方或前方和環繞聲道具有優點。雖然最好是所有聲道按照相同的增益/壓縮特性控制，但將壓縮加到一些聲道上而不加到其他聲道上或者將較小程度的壓縮加到某些聲道上可能是有益的。例如，將壓縮加到除中前聲道之外的所有聲道上或者將較小程度的壓縮加到中前聲道上可能是有益的，因為在常規的音軌中實際上所有的對話出現在中前聲道內。
相對於環繞聲道將不同的增益施加到前方聲道上也可以有某些優點。觀眾是面對銀幕的，從而對正面方向最為敏感。施加到前方聲道上的相對增益的任何改變可以導致聲源的視在位置或者方向的移動(很少dB的改變可以導致位置很大的移動)。類似地，如果一個環境是由許多環繞聲道建立的，相對增益的任何改變都可能改變這個環境的重心，所以不是對稱的(既不向左也不向右)，可能需要偏向一側。然而，它會是一個由於前方與環繞之間的適度增益差而被篡改的非常聲音。作為另一個例子，快速恢復對混響衰減的壓縮明顯地擴展了混響。如果環繞聲道主要承載混響，優選的是壓縮只加到前方聲道上，而使來自環繞聲道的混響衰減保留為未壓縮的因此也就是未擴展的。
有許多方式可以相對於其他聲道將不同的壓縮加到一些聲道上。可以得出一個控制信號，以不同的比例將它用到環繞和前方聲道上，以便例如在將環繞聲道衰減例如4dB時前方聲道只下調2dB。或者，也可以是對前方和環繞聲道的響度分別進行估計。
圖7這個例子示出了控制信號從可以認為是一個壓縮器的輸入得出的情況。響度估計可以如圖7所示從輸入(來自音量調整和/或壓縮前的音軌聲道)得出，或者從輸出(來自音量調整和/或壓縮後的音頻音軌)得出，或者從聽音區域中的聲量度得出。前兩個可選方案要求將這些聲道進行某種組合以評估其總響度。在第三種情況下，聽音區域做了這種組合，因此只需要一個拾音器。
壓縮和音量調整會不同地交互作用，如果從VCA或乘法器之後而不是之前得出控制的話。例如，隨著將控制下調到正降低實際總體增益的點，結果會從壓縮門限退離，因此對於低設置來說信號不會保持受壓縮。實踐中，最好是在數字實現中避免遞歸、反饋、輸出控制等。
圖8為示出根據多聲道產生響度估計的簡化功能方框圖。作為一個例子，圖中示出了三個聲道。如上面所指出的，圖4-6的水平軸表示這些信號在沒有壓縮和採用標準設置的音量控制的情況下被重放時的聲電平。按照本發明，為此目的的優選測量是與主觀響度和/或主觀幹擾相關的測量。通常，這需要測量所有聲道的組合，諸如它們的能量和之類，一種考慮保證主觀響度和/或幹擾的頻率依賴性(通過加權或者通過使用多頻帶方法)的方式，以及一種考慮響度取決於聲音的持續時間以及它的聲壓級(即，適當的時間常數)的方式。可以相信，將較大的加重放在低高音(例如，接近2到6kHz的範圍)上的頻率依賴性會趨於考慮幹擾。
在圖8這個實施例中，每個音軌聲道內的電信號各由一個頻率加權功能或頻率加權濾波器202、204、206進行頻率加權，諸如在杜比模型737音軌響度計--Leq(m)用戶手冊中所說明的和這裡在圖9中所示的A加權或CCIR加權之類。CCIR加權亦稱ITU/R加權。每個經加權的信號用一個平方功能或裝置208、210、212平方，以提供每個聲道的能量量度。然後，將這些經加權的能量信號用一個求和功能或裝置214相加合併。所有聲道在一段適當時間(諸如幾十或幾百毫秒)上的能量的和提供了響度波形的單個估計，它是時間的函數。
如可以預期的，一些音軌在用不同的頻率加權估計時得到不同的響度值。例如，A加權的低頻滾降導致在素材具有充分的低音內容時響度估計電平減小。將較重的加重加在2到6kHz區域上可以較好地與人對音軌響度反應情況匹配。原來旨在測量低電平記錄媒體噪聲的CCIR加權曲線(亦稱ITU/R加權曲線)可以比A加權曲線更接近地與主觀幹擾準則匹配。
如上面所提到的，主觀響度不僅是聲電平和頻率成分的函數而且也是持續時間的函數。觀眾的抱怨不只是由於電影音軌響得令人不適而且還由於這種不適被持續。如果一個聲音具有很高的聲壓，但是只持續幾或幾十毫秒，它不會給出是很響的主觀印象。有一個有限的響度印象建立速率。因此，優選的是在至少數十毫秒上進行平滑，使得音軌內短暫的高電平信號不會導致響度估計電平超過門限而導致壓縮。另一方面，持續的響度應該產生一個超過門限引起壓縮的控制信號。在一個切實可行的系統中，幾十毫秒的上升時間(大致相當於主觀響度的建立時間)但更長的幾百毫秒或秒的恢復時間可能是適當的。一個從非常短期的量度(諸如波形峰值)得出的響度估計控制信號是不合需要的。
或者，也可以是使用節目響應時間常數。例如，一個孤立的響到足以啟動壓縮的聲音可以從快速恢復得益，以便在聽覺靈敏度恢復之前增益回到正常。相反，對於一連串相繼的相當快速來臨的各響到足以啟動壓縮而分開得聽覺足以在中間至少部分恢復的聲音，可能所希望的是在它們之間保持壓縮或者應用慢許多的恢復時間來減小改變的增益可能產生的調製效應。
通過優化時間常數最小化壓縮的人為假象可能不是特別重要的，因為本發明的高電平壓縮方面只是作用於音軌範圍內最響的少數幾個dB(在聲音響得使某種惡化可能是可接受的或者至少優於聲音仍然變得更響時)而不是在對話響度電平。
諸如圖8的配置產生的控制信號是對響度的估計，因為實際響度測量將需要一個在聽音區域內的拾音器。圖8這種配置在鏈內在音軌重放時信號電壓電平與聲壓電平具有已知關係(該關係在控制處在它的標準設置時是已知的)的點進行電測量。
或者，響度的估計可以由與電影音軌關聯的元數據提供。也就是說，元數據載有對主觀響度的估計，從而避免了需要在響度估計器或響度估計功能112(圖7)內計算主觀響度估計。元數據可以編碼入一個或多個音軌，或者單獨但與一個或多個音軌關聯承載。「關聯」意味著元數據與音軌信息相關，由電影與音軌一起承載，無論是在常規的環境內承載在電影膠片上(或在與膠片同步的承載電影音軌的盤上)，還是在數字影院環境內作為構成數字電影的數字數據承載。通過使用元數據，可以預先對整個電影進行分析，產生適當的控制信號記錄在電影上。如果一個聲音實際上很響，但是它只持續幾秒或者表示一個電影的持續時間的非常小的部分，觀眾就不大可能反感。處理這樣的聲音的最佳方式可能是用元數據來提供響度估計控制信號。
本發明及其各個方面可以用模擬電路或作為在數位訊號處理器、編程的通用數字計算機和/或專用數字計算機上執行的軟體功能實現，或者用這樣的設備和功能的某種組合實現。模擬與數位訊號流之間的接口可以用適當的硬體和/或作為軟體和/或固件內的功能執行。
權利要求
1.一種電影音軌重放系統，具有多個音軌聲道，所述系統包括對聲道在重放時的響度進行估計的估計器，所述估計器根據音軌聲道或與這些音軌聲道關聯的數據提供一個響度估計電平；用於調整加到聲道上的增益和壓縮的控制器，所述控制器具有一個從最小設置到最大設置的設置範圍，其中包括一個對每個聲道內具有各自基準電平的信號以各自的標準聲電平進行重放的標準設置，其中在所述標準設置下，加到每個聲道上的增益對於所有的響度估計電平基本上是恆定的，而且基本上不施加壓縮，以及對於一個小於所述標準設置的控制設置範圍內的每個控制設置，在每個控制設置上每個聲道的增益基本上是恆定的，而且對於低於一個比所述標準聲電平高的門限的響度估計電平，基本上不施加壓縮，而對於高於所述門限的響度估計電平，對一個或多個聲道施加壓縮，所述門限隨著控制設置減小而降低。
2.一種按照權利要求1所述的系統，其中所述小於所述標準設置的控制設置範圍向下延伸到最小控制設置。
3.一種按照權利要求1所述的系統，其中所述小於所述標準設置的控制設置範圍向下延伸到高於最小控制設置的另一個設置。
4.一種按照權利要求3的系統，其中對於低於所述另一個設置的另一個控制設置範圍，對於低於一個低電平門限的響度估計電平，將壓縮加到所述一個或多個聲道上。
5.一種按照權利要求3所述的系統，其中對於在小於所述標準設置、向下延伸到所述另一個設置的控制設置範圍內的控制設置，每個聲道的增益隨著控制設置減小基本上保持恆定。
6.一種按照權利要求3所述的系統，其中對於在低於所述另一個設置左右的控制設置範圍內的控制設置，所有聲道的增益隨著控制設置的減小而減小。
7.一種按照權利要求6所述的系統，其中對於在小於所述標準設置、向下延伸到所述另一個設置的控制設置範圍內的控制設置，每個聲道的增益隨著所述設置的減小以一個速度減小，該速度小於對於低於所述另一個設置左右的設置增益隨著控制設置減小而減小的速度。
8.一種按照權利要求3所述的系統，其中對於在低於所述另一個設置左右的控制設置範圍內的控制設置，所述門限基本上保持恆定。
9.一種按照權利要求8所述的系統，其中對於在小於所述標準設置、向下延伸到所述另一個設置的控制設置範圍內的控制設置，每個聲道的增益隨著所述設置的減小以一個速度減小，該速度小於對於低於所述另一個設置左右的設置增益隨著控制設置減小而減小的速度。
10.一種按照權利要求1-9中任一項所述的系統，其中對於處在和高於所述標準設置左右的控制設置，基本上不施加壓縮，聲道的增益隨著控制設置的增大而增大。
11.一種按照權利要求1所述的系統，其中所述標準聲電平提供對話的標準聲電平，而所述門限高於導致壓縮對話的響度估計電平，使得對話不受壓縮。
12.一種按照權利要求1所述的系統，其中壓縮在施加時加到所有的聲道上。
13.一種按照權利要求12所述的系統，其中壓縮在施加時一致地加到所有的聲道上。
14.一種按照權利要求12所述的系統，其中壓縮在施加時非一致地加到所有的聲道上。
15.一種按照權利要求14所述的系統，其中所述多個音軌聲道包括多個前方音軌聲道和多個環繞音軌聲道，其中與所述前方音軌聲道相比，較小的壓縮加到所述環繞音軌聲道上。
16.一種按照權利要求1所述的系統，其中壓縮在施加時加到一些聲道上而不是所有的聲道上。
17.按照權利要求16所述的系統，其中壓縮在施加時一致地加到所有受到壓縮的聲道上。
18.按照權利要求16所述的系統，其中壓縮在施加時非一致地加到受到壓縮的聲道上。
19.一種按照權利要求18所述的系統，其中所述多個音軌聲道包括多個前方音軌聲道和多個環繞音軌聲道，其中與所述前方音軌聲道相比，較小的壓縮加到所述環繞音軌聲道上。
20.一種按照權利要求1所述的系統，其中所述加到一個或多個聲道上的壓縮具有線性限幅特性。
21.一種按照權利要求1所述的系統，其中由估計器估計的響度是在控制器在它的標準設置的情況下會得出的聲道主觀響度的估計。
22.一種按照權利要求1所述的系統，其中由估計器估計的響度是一個對多個音軌的主觀響度的度量，該主觀響度是一些或所有重放聲道的估計聲電平、它們的頻率成分和時間的函數。
23.一種按照權利要求22所述的系統，其中所述估計器根據音軌聲道信號電壓電平提供一個響度估計電平。
24.一種按照權利要求23所述的系統，其中所述估計器根據對所有音軌聲道的音軌聲道信號電壓電平的頻率加權的平方和來提供一個響度估計電平。
25.一種按照權利要求24所述的系統，其中所述頻率加權是A加權。
26.一種按照權利要求24所述的系統，其中所述頻率加權是CCIR加權。
27.一種按照權利要求1所述的系統，其中所述估計器根據與音軌聲道關聯的元數據提供一個響度估計電平。
全文摘要
單個控制確定重放電影音軌中的音量和壓縮度。對於某些控制設置，壓縮或限幅降低了電影音軌上的最高電平，而保留對話電平基本上不變，不會有使對話太輕而聽不清楚的問題，從而消除了觀眾抱怨的原因。
文檔編號H03G9/10GK1774861SQ200480010077
公開日2006年5月17日 申請日期2004年4月22日 優先權日2003年4月24日
發明者肯尼斯·詹姆斯·岡德裡, 約翰·艾爾斯, 羅格爾·華萊斯·德雷斯勒 申請人:杜比實驗室特許公司