音頻重放的自適應環境噪聲補償的製作方法

2023-10-22 21:27:02 1

專利名稱：音頻重放的自適應環境噪聲補償的製作方法
技術領域：
本發明涉及音頻信號處理，更具體地，涉及音頻信號的感知聲音響度和/或感知頻譜平衡的測量和控制。
背景技術：
不斷增長的通過各種無線通信裝置隨處訪問內容的需求已產生配備高級視聽處理設備的技術。在這方面，電視機、計算機、膝上型計算機、行動電話等已使個人能夠一邊在各種動態環境，比如飛機、汽車、飯店和其它公共和私人場所中漫步，一邊觀看多媒體內容。這些和其它這樣的環境與使得難以舒適地收聽音頻內容的相當大的環境或背景噪聲相關聯。結果，要求消費者響應於喧鬧的背景噪聲而人工調整音量級。這種處理不僅令人厭煩，而且還無效(如果以適當音量第二次重放內容的話)。此外，響應於背景噪聲人工增大音量並不可取，因為稍後當背景噪 聲漸漸消失時，必須人工降低音量，以避免聽到劇烈高
的聲音。於是，在現有技術中，存在對改進的音頻信號處理技術的需要。

發明內容
按照本發明，提供環境噪聲補償方法、系統和設備的多個實施例。環境噪聲補償方法以收聽者的生理學和神經心理學為基礎，包括耳蝸模擬和部分響度掩蔽原理(loudnessmasking principal)的公知方面。在環境噪聲補償方法的各個實施例中，系統的音頻輸出被動態均衡，以補償環境噪聲，比如源於空調器、真空吸塵器等的環境噪聲，否則所述環境噪聲會(可聽見地)掩蔽用戶正在收聽的音頻。為了實現這一點，環境噪聲補償方法利用聲反饋路徑的模型來估計有效音頻輸出和麥克風輸入，以測量環境噪聲。系統隨後利用心理聲學耳朵模型比較這些信號，並計算頻率相關增益，所述增益把有效輸出保持在足夠的水平，以防止掩蔽。環境噪聲補償方法模擬整個系統，從而提供音頻文件的重放、主音量控制和音頻輸入。在一些實施例中，環境噪聲補償方法還提供初始化聲反饋的內部模型的自動校準程序，以及穩態環境(當不應用增益時的)的假定。在本發明的一個實施例中，提供一種修改音頻源信號以補償環境噪聲的方法。所述方法包括以下步驟接收音頻源信號；把音頻源信號解析成多個頻帶；從音頻源信號頻帶的幅值計算功率譜；接收具有信號分量和殘餘噪聲分量的外部音頻信號；把外部音頻信號解析成多個頻帶；根據外部音頻信號頻帶的幅值，計算外部功率譜；預測外部音頻信號的預期功率譜；根據預期功率譜和外部功率譜之間的差異，得出殘餘功率譜；以及把增益應用於音頻源信號的每個頻帶，所述增益是利用預期功率譜和殘餘功率譜的比值確定的。預測步驟可包括音頻源信號和相關的外部音頻信號之間的預期音頻信號路徑的模型。所述模型根據具有參考音頻源功率譜和相關的外部音頻功率譜的函數的系統校準來進行初始化。所述模型還包括在沒有音頻源信號的情況下測量的外部音頻信號的環境功率譜。所述模型可包含音頻源信號和相關的外部音頻信號之間的時間延遲的測量。可根據音頻源幅值譜和相關的外部音頻幅值譜的函數，不斷改變所述模型。可以平滑音頻源頻譜功率，使得正確地調整增益。優選的是利用洩漏積分器，平滑音頻源頻譜功率。對映射在擴展權重陣列上的頻譜能量帶應用耳蝸激勵擴展函數，所述擴展權重陣列具有多個網格元素。在備選實施例中，提供一種修改音頻源信號以補償環境噪聲的方法。所述方法包括以下步驟接收音頻源信號；把音頻源信號解析成多個頻帶；從音頻源信號頻帶的幅值計算功率譜；預測外部音頻信號的預期功率譜；根據保存的剖面，查找殘餘功率譜；和對音頻源信號的每個頻帶應用增益，所述增益是利用預期功率譜和殘餘功率譜的比值確定的。在備選實施例中，提供一種修改音頻源信號以補償環境噪聲的設備。所述設備包括接收音頻源信號並把音頻源信號解析成多個頻帶的第一接收器處理器，其中從音頻源信號頻帶的幅值計算功率譜；接收具有信號分量和殘餘噪聲分量的外部音頻信號並把外部音頻信號解析成多個頻帶的第二接收器處理器，其中從外部音頻信號頻帶的幅值計算外部功率譜；和預測外部音頻信號的預期功率譜，並根據預期功率譜和外部功率譜之間的差異得出殘餘功率譜的計算處理器，其中把增益應用於音頻源信號的每個頻帶，所述增益是利用預期功率譜和殘餘功率譜的比值確定的。結合附圖，參考下面的詳細說明，可最好地理解本發明。


參考下面的說明和附圖，將更好地理解這裡公開的各個實施例的這些和其它特徵及優點，附圖中，相同的附圖標記指的是相同的部分，其中圖1圖解說明包括聽音區域和麥克風的環境噪聲補償環境的一個實施例的示意圖；圖2是順序詳述由環境噪聲補償方法的一個實施例進行的各個步驟的流程圖；圖3是具有初始化處理塊和自適應參數更新的環境噪聲補償環境的備選實施例的流程圖；圖4是按照本發明的一個實施例的ENC處理塊的示意圖；圖5是環境功率測量的高級處理框圖；圖6是功率傳遞函數測量的高級處理框圖；圖7是按照可選實施例的兩級校準處理的高級處理框圖；圖8是描述當進行了初始化程序之後，在聽音環境變化時的步驟的流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖陳述的詳細說明只是本發明的目前優選的實施例的描述，並不意圖代表可以構成或利用本發明的唯一形式。所述說明結合圖解說明的實施例，陳述了產生和操作本發明的函數和步驟序列。不過，要明白，相同或者等同的函數和序列可由也預期包含在本發明的精神和範圍內的不同實施例實現。另外要明白諸如第一、第二之類的關係術語的使用只是用於區分一個實體和另一個實體，不一定要求或意味所述實體之間任何實際的這種關係或順序。參見圖1，基本的環境噪聲補償(ENC)環境包括具有中央處理器(CPU) 10的計算機系統。諸如鍵盤、滑鼠、鐵筆、遙控器之類的設備向數據處理操作提供輸入，經常規的輸入埠，比如USB連接器或者諸如紅外之類的無線發射器，連接到計算機系統10單元。各種其它輸入和輸出設備可以連接到系統單元，以及可以替換備選的無線互連模態。如圖1中所示，中央處理器(CPU) 10可代表一種或多種常規類型的處理器，比如IBM PowerPC, Intel Pentium(x86)處理器,或者在諸如電視機或移動計算設備之類的消費類電子產品中實現的常規處理器，等等。隨機存取存儲器(RAM)臨時保存由CPU進行的數據處理操作的結果，一般通過專用存儲通道與CPU互連。所述系統單元還可包括同樣通過i/o總線與CPU 10通信的永久存儲設備，比如硬碟驅動器。也可連接其它類型的存儲設備，比如磁帶驅動器、光碟驅動器等。音效卡也通過總線連接到CPU 10，並傳送表示音頻數據的信號，以便通過揚聲器重放。USB控制器為連接到輸入埠的外設，相對於CPU 10轉移數據和指令。諸如麥克風12之類的其它設備可連接到CPU 10。CPU 10可以利用任意作業系統，包括具有圖形用戶界面(⑶I)的作業系統，比如華盛頓州雷蒙德市的微軟公司的WINDOWS作業系統，加利福尼亞州庫珀蒂諾市的蘋果公司的MAC OS作業系統，具有X-Windows視窗系統的各種版本的UNIX作業系統等等。通常，作業系統和電腦程式確實地包含在計算機可讀介質，例如包括硬碟驅動器的固定和/或可拆卸數據存儲設備中的一個或多個之中。作業系統和電腦程式都可以從上述數據存儲設備載入RAM中，供CPU 10執行 。電腦程式可包含當被CPU 10讀取和執行時，使CPU 10執行實現本發明的步驟或特徵的步驟的指令或算法。另一方面，可在消費類電子設備中，以硬體或固件的形式實現為執行本發明而要求的必需步驟。上述CPU 10隻代表適合於實現本發明的各個方面的一個例證設備。因而，CPU 10可具有許多不同的配置和架構。可以容易地替換任何這樣的配置或架構，而不脫離本發明的範圍。如圖1中圖解說明的ENC方法的基本實現結構呈現得出動態變化的均衡函數，並把所述函數應用於數字音頻輸出流，使得當在聽音區域中引入外來噪聲源時，保持(或者甚至增大)「期望的」音軌信號的感知響度的環境。本發明通過應用動態均衡來抗衡背景噪聲。表不背景噪聲相對於期望的前景音軌的掩蔽效果的感知的心理聲學模型被用於精確地抗衡背景噪聲。麥克風12對收聽者正在傾聽的內容採樣，並把期望的音軌和幹擾噪聲分開。從心理聲學的觀點分析信號分量和噪聲分量，然後使音軌均衡，使得使最初被掩蔽的頻率不被掩蔽。隨後，收聽者可在噪聲中聽到音軌。利用這種處理，EQ能夠只有在需要時，在沒有收聽者的任何交互作用的情況下，不斷適應於背景噪聲水平。當背景噪聲消退時，EQ變回其初始水平，從而用戶不會感受到過高的響度水平。圖2是利用ENC算法處理的首頻/[目號14的圖形表不。首頻/[目號14被環境噪聲20掩蔽。結果，某個音頻範圍22消失在噪聲20中，從而聽不見。一旦應用ENC算法，該音頻信號不被掩蔽16，從而可清楚地聽見。具體地，應用必需的增益18，使得實現不被掩蔽的音頻信號16。
現在參見圖1和2，根據最佳地近似在沒有噪聲的情況下，收聽者聽見的音頻信號的校準，把期望的音軌14、16和背景噪聲20分開。從預測的信號中減去重放期間的實時麥克風信號24，差值代表附加的背景噪聲。
通過測量揚聲器和麥克風之間的信號路徑26來校準系統。在該測量過程中，優選地把麥克風12置於聽音位置28。否則，應用的EQ(必需的增益18)會相對於麥克風12的角度，而不是收聽者28的角度改變。不正確的校準會導致背景噪聲20的補償不足。當收聽者28、揚聲器30和麥克風12的位置可預測(例如膝上型計算機或者汽車的座艙)時，可以預設校準。在位置不太可預測的情況下，在首次使用系統之前，需要在重放環境內進行校準。這種情形的例子可以是用戶在家裡收聽電影音軌。幹擾噪聲20可來自於任何方向，從而麥克風12應具有全向拾取模式。
一旦分離了音軌分量和噪聲分量，ENC算法隨後模擬在收聽者內耳(或者耳蝸)內產生的激勵模式，還模擬背景聲音部分掩蔽前景聲音的響度的方式。足夠地增大期望的前景聲音的水平18，使得可高於幹擾噪聲地聽到所述前景聲音。
圖3是ENC算法執行的各個步驟的流程圖。下面詳細說明方法的各個執行步驟。 各個步驟是按照它們在流程圖中的順序位置編號和說明的。
現在參見圖1和3，在步驟100，利用64頻帶過採樣多相分析濾波器組34，36，系統輸出信號32和麥克風輸入信號24都被轉換成復頻域表示。本領域的技術人員明白可以採用把時域信號轉換成頻域信號的任何技術，以及上述濾波器組只是作為例子提供的，並不意圖限制本發明的範圍。在當前說明的實現中，系統輸出信號32被假定是立體聲信號，麥克風輸入信號24被假定是單聲道信號。不過，本發明不受輸入或輸出聲道的數目限制。
在步驟200，系統輸出信號的復頻帶38都被乘以在ENC方法42的前次迭代期間計算的64頻帶補償增益40函數。不過，在ENC方法的第一次迭代時，假定增益函數在每個頻帶中為I。
在步驟300，利用應用的64頻帶增益函數產生的中間信號被發送給一對64頻帶過採樣多相合成濾波器組46，所述濾波器組46把信號變回到時域。隨後，時域信號被傳回給系統輸出限幅器和/或D/A轉換器。
在步驟400，通過平方每個頻帶中的絕對幅值響應，計算系統輸出信號32和麥克風信號24的功率譜。
在步驟500，利用「洩漏積分」函數衰減系統輸出功率32和麥克風功率24的衝擊特性(ballistics),
P' SPK 0UT(n) = a Pspk out(η) + (1- α )P; SPK 0UT(η-1)等式 la
P' MIC(n) = a PMIC(n) + (l_a )P, MIC(n_l)等式 Ib
其中P』 (n)是平滑功率函數，P(n)是計算的當前幀的功率，P(n_l)是計算的先前的衰減功率值，a是與洩漏積分函數的上升(attack)和衰減率相關的常數
權利要求
1.一種修改音頻源信號以補償環境噪聲的方法,包括 接收音頻源信號； 計算音頻源信號的功率譜； 接收具有信號分量和殘餘噪聲分量的外部音頻信號； 計算外部音頻信號的功率譜； 預測外部音頻信號的預期功率譜； 根據預期功率譜和外部功率譜之間的差異，得出殘餘功率譜；和把頻率相關增益應用於音頻源信號，所述增益是通過比較預期功率譜和殘餘功率譜確定的。
2.按照權利要求1所述的方法，其中預測步驟包括音頻源信號和相關的外部音頻信號之間的預期音頻信號路徑的模型。
3.按照權利要求2所述的方法，其中所述模型根據具有參考音頻源功率譜和相關的外部音頻功率譜的函數的系統校準來進行初始化。
4.按照權利要求2所述的方法，其中所述模型包括在沒有音頻源信號的情況下測量的外部音頻信號的環境功率譜。
5.按照權利要求2所述的方法，其中所述模型包含音頻源信號和相關的外部音頻信號之間的時間延遲的測量。
6.按照權利要求2所述的方法，其中根據音頻源幅值譜和相關的外部音頻幅值譜的函數，不斷改變所述模型。
7.按照權利要求1所述的方法，其中平滑功率譜使得正確地調整增益。
8.按照權利要求7所述的方法，其中利用洩漏積分器平滑功率譜。
9.按照權利要求1所述的方法，其中對映射在擴展權重陣列上的頻譜能量帶應用耳蝸激勵擴展函數，所述擴展權重陣列具有如下表示的多個網格元素 Ec = EfflW 其中 Ec表示耳蝸激勵函數； Em表示網格的第m個元素；和 W表示擴展權重。
10.按照權利要求1所述的方法，其中通過麥克風接收外部音頻信號。
11.一種修改音頻源信號以補償環境噪聲的方法，包括 接收音頻源信號； 把音頻源信號解析成多個頻帶； 從音頻源信號頻帶的幅值計算功率譜； 預測外部音頻信號的預期功率譜； 根據保存的剖面，查找殘餘功率譜；和 對音頻源信號的每個頻帶應用增益，所述增益是利用預期功率譜和殘餘功率譜的比值確定的。
12.—種修改音頻源信號以補償環境噪聲的設備，包括 接收音頻源信號並把音頻源信號解析成多個頻帶的第一接收器處理器，其中從音頻源信號頻帶的幅值計算功率譜； 接收具有信號分量和殘餘噪聲分量的外部音頻信號並把外部音頻信號解析成多個頻帶的第二接收器處理器，其中從外部音頻信號頻帶的幅值計算外部功率譜；和 預測外部音頻信號的預期功率譜，並根據預期功率譜和外部功率譜之間的差異得出殘餘功率譜的計算處理器，其中把增益應用於音頻源信號的每個頻帶，所述增益是利用預期功率譜和殘餘功率譜的比值確定的。
13.按照權利要求12所述的設備，其中確定音頻源信號和相關的外部音頻信號之間的預期音頻信號路徑的模型。
14.按照權利要求13所述的設備，其中所述模型根據具有參考音頻源功率譜和相關的外部音頻功率譜的函數的系統校準來進行初始化。
15.按照權利要求13所述的設備，其中所述模型包括在沒有音頻源信號的情況下測量的外部音頻信號的環境功率譜。
16.按照權利要求13所述的設備，其中所述模型包含音頻源信號和相關的外部音頻信號之間的時間延遲的測量。
17.按照權利要求13所述的設備，其中根據音頻源幅值譜和相關的外部音頻幅值譜的函數，不斷改變所述模型。
全文摘要
本發明涉及音頻重放的自適應環境噪聲補償。本發明通過應用動態均衡，抗衡背景噪聲。表示背景噪聲相對於期望的前景音軌的掩蔽效果的感知的心理聲學模型被用於精確地抗衡背景噪聲。麥克風對收聽者正在傾聽的內容採樣，把期望的音軌和幹擾噪聲分開。從心理聲學的觀點分析信號分量和噪聲分量，然後使音軌均衡，使得使最初被掩蔽的頻率不被掩蔽。隨後，收聽者可在噪聲中聽到音軌。利用這種處理，EQ能夠只有在需要時，在沒有收聽者的任何交互作用的情況下，不斷適應於背景噪聲水平。當背景噪聲消退時，EQ變回其初始水平，從而用戶不會感受到不必要的響度水平。
文檔編號H04B15/00GK103039023SQ201180024582
公開日2013年4月10日 申請日期2011年4月11日 優先權日2010年4月9日
發明者M·瓦什, E·斯坦恩, J-M·約特, J·D·約翰斯通 申請人:Dts公司