CN103000180A - 环绕声矩阵编解码系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种环绕声矩阵编、解码系统及各自的实现方法，在编码时通过音频水印方式在环绕声矩阵编码后的双通道信号中增加原始音源类型信息；在解码时提取出该原始音源类型信息，并选择与每种原始音源类型最佳的回放方式。本申请使得环绕声回放系统可以完美地兼容原始音源类型为双通道的音频内容，并且实现简单。

Description

环绕声矩阵编解码系统及其实现方法

技术领域

本申请涉及一种多媒体处理技术，特别是涉及一种用音频水印来改进环绕声矩阵解码器对双通道原始音源的后向兼容性的方法和装置。

背景技术

立体声是指具有立体感的声音。自然界发出的声音是立体声，人们希望把这些立体声信息经记录、传输、重发（回放）后，仍能准确感知原始的立体声。

一种现有的的立体声处理方式是双通道立体声系统，简称为双通道、双声道。2.0系统是典型的双通道回放系统，仅由左前置扬声器L和右前置扬声器R组成。2.1系统在2.0系统的基础上增加了低音单元LFE。

另一种现有的立体声处理方式是环绕声立体声系统，简称为环绕声。5.1系统是典型的环绕声回放系统，由左前置扬声器L、右前置扬声器R、中前置扬声器C、低音单元LFE、左后环绕扬声器Ls、右后环绕扬声器Rs组成。7.1系统在5.1系统的基础上增加了左侧扬声器和右侧扬声器。

环绕声系统作为比双通道系统更好的立体声再现方式，在家庭影院、电子竞技游戏、实况再现、虚拟现实等场合得到了快速推广和广泛应用。然而，双通道系统具有超过半个世纪的应用历史，硬件设备和音频资源的数量都远大于环绕声系统。如何充分利用已有的双通道信号的制作、存储、传输等设备，实现大部分环绕声系统的性能，便有着巨大的市场价值。一个典型的应用场景是，将现有的调频立体声广播方便地升级为准环绕声广播。

由于环绕声系统所包含的立体声信息远多于双通道系统，一旦双通道系统按其原始设计无法存储额外的环绕声信息时，从双通道信号到环绕声信号的转换（称为环绕声矩阵编码、盲解码）就面临部分环绕声信息无法恢复的难题。有别于主要承担数据压缩功能的纯环绕声编解码器，业界习惯上将从双通道信号向上混音到环绕声信号的系统称为环绕声矩阵解码系统，也称环绕声盲解码系统。

请参阅图1，这是一种现有的环绕声矩阵编码系统，仅包括环绕声矩阵编码器11。所述环绕声矩阵编码器11将任意声道的环绕声信号（图1中以5.1声道为例）转换为双通道信号，以便于在目前大量存在的双通道信号的制作、存储和传输设备中使用。

请参阅图2，这是一种现有的环绕声矩阵解码系统，包括环绕声矩阵解码器21、环绕声放大器22等。所述环绕声矩阵解码器21将双通道信号转换为环绕声信号（图2中以5.1声道为例）。所述环绕声放大器22将环绕声信号经过放大、处理后输出给环绕声回放系统（图2中以5.1环绕声回放系统为例）播放。

由于原始音源类型的信息在存储、传输、编码环节已经丢失，环绕声矩阵解码系统无法得知原始音源类型是双通道还是环绕声，因此环绕声矩阵解码系统的重发方式可能就与原始音源类型的最佳重发方式相悖。例如，图1中的环绕声的原始音源类型如果为双通道信号。聆听者在典型的双通道回放系统上感知到的是位于左前置扬声器L和右前置扬声器R之间的虚拟的中置声像M’。而经过环绕声矩阵解码系统后，聆听者在5.1环绕声回放系统上听到的是由中前置扬声器C发出的实中置声像M，这可能会因为幅度增大造成过幅失真。

从高保真的角度讲，当原始音源为双通道信号时，聆听者更倾向于由L、R扬声器构成的双通道系统回放。若图1中的5.1环绕声回放系统能够准确地知道原始音源类型是双通道信号，便可以将5.1环绕声回放系统降级切换为2.0或2.1的双通道回放系统，以完美兼容双通道立体声内容。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种环绕声矩阵编码系统，可以在双通道信号中嵌入原始音源类型信息。为此，本申请还要提供所述环绕声矩阵编码系统的实现方法。

相应地，本申请还要提供一种环绕声矩阵解码系统，可以根据双通道信号中所携带的不同的原始音源类型信息进行不同的处理。为此，本申请还要提供所述环绕声矩阵解码系统的实现方法。

为解决上述技术问题，本申请环绕声矩阵编码系统包括：

——环绕声矩阵编码器，将环绕声信号转换为双通道信号；

——水印嵌入器，在双通道信号中以音频水印方式嵌入原始音源类型信息，输出具有原始音源类型信息的双通道信号。

所述环绕声矩阵编码系统的实现方法为：环绕声信号经过环绕声矩阵编码器，被转换为双通道信号；所述双通道信号再经过水印嵌入器，被嵌入表示原始音源类型信息的音频水印后输出。

相应地，本申请环绕声矩阵解码系统包括：

——环绕声矩阵解码器，将具有原始音源类型信息的双通道信号转换为环绕声信号，输出给混音器；

——水印提取器，从具有原始音源类型信息的双通道信号中识别并提取出原始音源类型信息，控制混音器的工作模式；

——混音器，直接采集具有原始音源类型信息的双通道信号；

当原始音源类型为双通道时，水印提取器设定混音器的工作模式为：将所采集的具有原始音源类型信息的双通道信号输出给环绕声放大器；

当原始音源类型为环绕声时，水印提取器设定混音器的工作模式为：将环绕声矩阵解码器输出的环绕声信号输出给环绕声放大器；

——环绕声放大器，将具有原始音源类型信息的双通道信号、或者环绕声信号经过放大、处理后输出给环绕声回放系统播放。

所述环绕声矩阵解码系统的实现方法为：具有原始音源类型类型的双通道信号同时进入环绕声矩阵解码器、水印提取器和混音器；所述环绕声矩阵解码器将其转换为环绕声信号并输出给混音器；所述水印提取器从其中提取出原始音源类型信息，并生成混音器的工作模式信号输出给混音器；所述混音器根据工作模式信号，或者将环绕声信号输出给环绕声放大器，或者将具有原始音源类型类型的双通道信号输出给环绕声放大器。

与现有技术相比，本申请环绕声矩阵编解码系统及其实现方法具有以下优点：

其一，环绕声矩阵解码系统完全兼容原始双通道音源，使得环绕声回放系统能更好地表现原始的双通道音源。

其二，不改变现有双通道信号的制作、存储、传输系统，仅在环绕声矩阵编码器端加入水印嵌入器，在环绕声矩阵解码器端加入水印提取器和混音器。所增加的模块更可以分别整合到环绕声编码器和环绕声解码器之中，以节约成本。

其三，嵌入音频水印可以采用矩阵变换技术，使得有、无水印信号可作为双通道节目源与环绕声节目源的指示；或者，也可使得水印信号中的不同信息作为双通道节目源与环绕声节目源的指示。这可以更好地兼容立体声调频广播中最为广泛使用的和差制、导频制。

附图说明

图1是现有的环绕声矩阵编码系统的结构示意图；

图2是现有的环绕声矩阵解码系统的结构示意图；

图3是本申请环绕声矩阵编码系统的结构示意图；

图4是本申请环绕声矩阵解码系统的结构示意图；

图5是图3中水印嵌入器的一个实施例的结构示意图；

图6是图5中水印嵌入单元的一个实施例的结构示意图；

图7是图5中水印嵌入单元的另一个实施例的结构示意图；

图8是图4中水印提取器的一个实施例的结构示意图；

图9是图8中去抖动处理模块对信号处理前、后的波形图、以及交叉混音切换器对信号C淡入、信号D淡出的波形图；

图10是图4中混音器的一个实施例的结构示意图。

图中附图标记为：

11为环绕声矩阵编码器；21为环绕声矩阵解码器；22为环绕声放大器；23为5.1声道环绕声回放系统；31为水印嵌入器；311为矩阵M；312为水印嵌入单元；313为矩阵M^-1；41为水印提取器；411为差分器；412为水印检测单元；413为冗余纠错解码模块；414为去抖动处理模块；415为水印判别模块；42为混音器；421为交叉混音切换器；422为延时、增益调整模块；51为冗余纠错编码模块；52为载波信号发生器；53为调制器；54为混合器；55为滤波器；56为卷积器。

具体实施方式

请参阅图3，这是本申请环绕声矩阵编码系统的结构示意图，包括环绕声矩阵编码器11和水印嵌入器31。所述环绕声矩阵编码器11将环绕声信号（图3中以5.1声道为例）转换为双通道信号，以便适用于目前大量存在的双通道信号的制作、传输和存储设备。而水印嵌入器31则在双通道信号中嵌入原始音源类型信息（与采样频率不相关），这种嵌入采用音频水印的方式。所述音频水印是指在音频信号中隐藏一个新增的信号，该新增信号不会被人耳感知到，只有专门设备才可以从音频信号中发现并提取该新增信号。所述原始音源类型包括单通道、2.0双通道、2.1双通道、5.1环绕声、7.1环绕声、9.2环绕声等。水印嵌入器31输出具有原始音源类型信息的双通道信号。

上述环绕声矩阵编码系统的实现方法为：环绕声信号经过环绕声矩阵编码器11，被转换为双通道信号。所述双通道信号再经过水印嵌入器31，被嵌入表示原始音源类型信息的音频水印后输出。

请参阅图4，这是本申请环绕声矩阵解码系统的结构示意图，与图2所示的环绕声矩阵编码系统配合使用。其包括环绕声矩阵解码器21、水印提取器41、混音器42和环绕声放大器22。所述环绕声矩阵解码器21将具有原始音源类型信息的双通道信号转换为环绕声信号（图4中以5.1声道为例），输出给混音器42。所述水印提取器41从具有原始音源类型信息的双通道信号中识别并提取出原始音源类型信息，控制混音器42的工作模式。混音器42直接采集具有原始音源类型信息的双通道信号。当水印提取器41所提取出的原始音源类型为双通道时，设定混音器42为双通道工作模式，混音器42就直接将所采集的具有原始音源类型信息的双通道信号输出给环绕声放大器22。当水印提取器41所提取出的原始音源类型为环绕声时，设定混音器42为环绕声工作模式，混音器42就直接将环绕声矩阵解码器21输出的环绕声信号输出给环绕声放大器22。所述环绕声放大器22将具有原始音源类型信息的双通道信号、或者环绕声信号经过放大、处理后输出给环绕声回放系统播放。

上述环绕声矩阵解码系统的实现方法为：具有原始音源类型类型的双通道信号同时进入环绕声矩阵解码器21、水印提取器41和混音器42。所述环绕声矩阵解码器21将其转换为环绕声信号并输出给混音器42。所述水印提取器41从中提取出原始音源类型信息，并生成混音器42的工作模式信号输出给混音器42。所述混音器42根据工作模式信号，或者将环绕声信号输出给环绕声放大器22，或者将具有原始音源类型类型的双通道信号输出给环绕声放大器22。

在第一种环绕声矩阵编、解码方案中，当原始音源类型为双通道时，水印嵌入器31不在双通道信号中嵌入水印。当原始音源类型为环绕声时，水印嵌入器31在双通道信号中嵌入表示原始音源类型信息的音频水印。这样便以水印嵌入器31所输出的双通道信号中是否具有水印，作为判别原始音源类型的依据。

相应地，当水印提取器41从具有原始音源类型类型的双通道信号中找不到水印时，表明原始音源类型为双通道。此时水印提取器41向混音器42发出双通道工作模式信号。当水印提取器41从具有原始音源类型类型的双通道信号中提取出水印，表明原始音源类型为水印中记载的环绕声。此时水印提取器41就向混音器42发出环绕声工作模式信号。

在第二种环绕声矩阵编、解码方案中，无论原始音源类型为何种，水印嵌入器31都在双通道信号中嵌入水印，水印中记载了具体的原始音源类型。

相应地，水印提取器41从具有原始音源类型类型的双通道信号中找到水印，并根据水印中的信息得知原始音源类型，从而向混音器42发出相应的工作模式信号。

无论是上述哪一种方案，本申请都可以根据原始音源类型在环绕声回放系统中让音频得到最优的再现方式。

所述水印嵌入器31、水印提取器41、混音器42可以用多种方式实现，例如分立元件电子设备、混合信号集成电路、通过对数字信号处理器或通用型中央处理器进行软件编码等方式，或者是这些实现方式的组合。下面仅示例性地举出几个实施例。

请参阅图5，这是水印嵌入器31的一个具体实施例，包括矩阵变换单元311、水印嵌入单元312、矩阵逆变换单元313。

所述矩阵变换单元311将双通道信号转换为M信号（共模信号）和S信号（差分信号）。所述矩阵变换单元311例如为2×2的矩阵M： $M=\left[\begin{array}{cc}1/2& 1/2\\ 1/2& -1/2\end{array}\right].$ 所述矩阵变换例如将2×2的矩阵M乘以2×1的矩阵 $\left[\begin{array}{c}L\\ R\end{array}\right],$ 其中L、R表示双通道信号。

所述水印嵌入单元312在S信号中调制上表示原始音源类型信息的水印并输出为S’信号（具有原始音源类型信息的差分信号）。如果是以有、无水印来分别表示原始音源类型为环绕声、双通道，那么当原始音源类型为双通道时，水印嵌入单元312不在S信号中调制水印，直接将S信号作为S’信号输出。

所述矩阵逆变换单元313将M信号和S’信号转换为具有原始音源类型信息的双通道信号。所述矩阵逆变换单元例如为2×2的矩阵M^-1： $M^{-1}=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& -1\end{array}\right].$ 所述矩阵逆变换例如将2×2的矩阵M^-1乘以2×1的矩阵 $\left[\begin{array}{c}M\\ S^{\′}\end{array}\right].$

图6给出了水印嵌入单元312的一个实施例，包括冗余纠错编码模块51、载波信号发生器52、调制器53、混合器54。原始音源类型信息经冗余纠错编码模块51后，成为冗余纠错码字。在大部分时候，水印嵌入器31和水印提取器41为非同步工作状态，因此冗余纠错码字中还会嵌入必要的同步码字。载波信号发生器52生成载波信号，载波信号通常为宽带白噪声、单频信号或多频信号。调制器53在载波信号中调制上冗余纠错码字，常用的调制方法为BPSK（Binary Phase Shift Keying，二相相移键控）等。调制信号和S信号一起进入混合器54后变换为S’信号。混合器54还需完成输出信号衰减或频率响应整形功能，使调制信号能被S信号掩蔽而不会被人耳感知到。

图7给出了水印嵌入单元45的另一个实施例，包括冗余纠错编码模块51、滤波器55、卷积器56等。原始音源类型信息经冗余纠错编码模块51后，成为冗余纠错码字。在大部分时候，水印嵌入器31和水印提取器41为非同步工作状态，因此冗余纠错码字中还会嵌入必要的同步码字。滤波器55将冗余纠错码字构造为脉冲序列，常用的构造方法是回声隐藏序列，如单回声、正负回声、时间轴扩展的正负回声序列等。脉冲序列和S信号一起进入卷积器56变换为S’信号。

请参阅图8，这是水印提取器41的一个具体实施例，包括差分器411、水印检测单元412、冗余纠错解码模块413、去抖动处理模块414、水印判决模块415等。所述差分器411从具有原始音源类型信息的双通道信号中提取出S’信号。所述水印检测单元412在本地生成与S’信号中一致的同步码字，以该同步码字与S’信号进行相关运算，从而检测出S’信号的同步位置。当相关值最大时，表示检测到了同步位置。所述冗余纠错解码模块413对获取同步位置后的S’信号中的码字进行冗余纠错解码，获得S’信号中嵌入的表示原始音源类型信息的水印。所述去抖动处理模块414对所获得的原始音源类型信息进行干扰修正，降低因各种干扰导致的误判决造成的水印信息错误。或者，所述去抖动处理模块414对未检测到同步位置的S’信号进行干扰修正，降低因各种干扰导致的误判决造成的信息错误。图9中的信号A、B分别示出了去抖动处理模块414处理前、后的信号波形。所述水印判决模块415在一种情况下，当S’信号中具有水印则向混音器输出环绕声工作模式信号，当S’信号中没有水印则向混音器输出双通道工作模式信号。所述水印判决模块415在另一种情况下，当S’信号中的水印记载了原始音源类型为双通道则向混音器输出双通道工作模式信号，当S’信号中的水印记载了原始音源类型为环绕声则向混音器输出环绕声工作模式信号。

如果是以有、无水印分别表示原始音源类型为环绕声、双通道，那么当水印检测单元412未检测到同步时，就直接将S’信号送往去抖动处理模块414，再由水印判别模块415按双通道处理。

如果无论原始音源类型为何种均有水印，以水印中记载的信息具体判断，那么水印检测模块412必须要检测到同步位置后，才将S’信号送往冗余纠错解码模块413。未检测到同步，则不继续进行下去。

请参阅图10，这是混音器42的一个具体实施例，包括交叉混音切换器421、延时和增益调整模块422等。当混音器42收到的是双通道工作模式信号，所述交叉混音切换器421将具有原始音源类型信息的双通道信号经延时和增益调整模块422处理后再做淡入处理，同时将环绕声信号做淡出处理。当混音器42收到是环绕声工作模式信号，所述交叉混音切换器421将环绕声信号做淡入处理，将具有原始音源类型信息的双通道信号经延时和增益调整模块处理后再做淡出处理。图9中的信号C表示出了5.1声道环绕声信号的增益曲线，信号D表示出了双通道信号的增益曲线。两路信号叠加后（由于一路淡入、一路淡出，大致相当于只输出其中一路信号）传递给环绕声放大器22。由于具有原始音源类型信息的双通道信号、环绕声信号分别是环绕声矩阵解码器41的输入、输出信号，两者不可避免地存在时间差、幅度差。所述延时和增益调整模块412用来匹配具有原始音源类型信息的双通道信号和环绕声信号之间的时间差和幅度差，从而削弱混音器42的工作模式切换对人耳的感知程度。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种环绕声矩阵编码系统，其特征是，包括：

——环绕声矩阵编码器，将环绕声信号转换为双通道信号；

——水印嵌入器，在双通道信号中以音频水印方式嵌入原始音源类型信息，输出具有原始音源类型信息的双通道信号。

2.根据权利要求1所述的环绕声矩阵编码系统，其特征是，所述水印嵌入器包括：

——矩阵变换单元，将双通道信号转换为M信号和S信号；

——水印嵌入单元，在S信号中调制上表示原始音源类型信息的水印并输出为S’信号；

——矩阵逆变换单元，将M信号和S’信号转换为具有原始音源类型信息的双通道信号。

3.根据权利要求2所述的环绕声矩阵编码系统，其特征是，所述水印嵌入单元包括冗余纠错编码模块、载波信号发生器、调制器和混合器；原始音源类型信息经冗余纠错编码模块后成为冗余纠错码字；调制器在载波信号发生器所生成的载波信号中调制上冗余纠错码字；调制信号和S信号一起进入混合器后变换为S’信号。

4.根据权利要求2所述的环绕声矩阵编码系统，其特征是，所述水印嵌入单元包括冗余纠错编码模块、滤波器和卷积器；原始音源类型信息经冗余纠错编码模块后成为冗余纠错码字；滤波器将冗余纠错码字构造为脉冲序列；脉冲序列和S信号一起进入卷积器变换为S’信号。

5.一种环绕声矩阵编码系统的实现方法，其特征是：环绕声信号经过环绕声矩阵编码器，被转换为双通道信号；所述双通道信号再经过水印嵌入器，被嵌入表示原始音源类型信息的音频水印后输出。

6.一种环绕声矩阵解码系统，其特征是，包括：

——环绕声矩阵解码器，将具有原始音源类型信息的双通道信号转换为环绕声信号，输出给混音器；

——水印提取器，从具有原始音源类型信息的双通道信号中识别并提取出原始音源类型信息，控制混音器的工作模式；

——混音器，直接采集具有原始音源类型信息的双通道信号；

当原始音源类型为双通道时，水印提取器设定混音器的工作模式为：将所采集的具有原始音源类型信息的双通道信号输出给环绕声放大器；

当原始音源类型为环绕声时，水印提取器设定混音器的工作模式为：将环绕声矩阵解码器输出的环绕声信号输出给环绕声放大器；

——环绕声放大器，将具有原始音源类型信息的双通道信号、或者环绕声信号经过放大、处理后输出给环绕声回放系统播放。

7.根据权利要求6所述的环绕声矩阵解码系统，其特征是，所述水印提取器包括：

——差分器，从具有原始音源类型信息的双通道信号中提取出S’信号；

——水印检测单元，在本地生成与S’信号中一致的同步码字，以该同步码字与S’信号进行相关运算，从而检测出S’信号的同步位置；

——冗余纠错解码模块，对获取同步位置后的S’信号中的码字进行冗余纠错解码，获得S’信号中嵌入的表示原始音源类型信息的水印；

——去抖动处理模块，对所获得的原始音源类型信息进行干扰修正；

——水印判决模块，一种情况下，当S’信号中具有水印则向混音器输出环绕声工作模式信号，当S’信号中没有水印则向混音器输出双通道工作模式信号；另一种情况下，当S’信号中的水印记载了原始音源类型为双通道则向混音器输出双通道工作模式信号，当S’信号中的水印记载了原始音源类型为环绕声则向混音器输出环绕声工作模式信号。

8.根据权利要求6所述的环绕声矩阵解码系统，其特征是，所述混音器包括：

——交叉混音切换器，当混音器收到的是双通道工作模式信号，则将具有原始音源类型信息的双通道信号经延时和增益调整模块处理后再做淡入处理，同时将环绕声信号做淡出处理；当混音器收到是环绕声工作模式信号，则将环绕声信号做淡入处理，将具有原始音源类型信息的双通道信号经延时和增益调整模块处理后再做淡出处理；

——延时和增益调整模块，匹配具有原始音源类型信息的双通道信号和环绕声信号之间的时间差和幅度差。

9.一种环绕声矩阵解码系统的实现方法，其特征是：具有原始音源类型类型的双通道信号同时进入环绕声矩阵解码器、水印提取器和混音器；所述环绕声矩阵解码器将其转换为环绕声信号并输出给混音器；所述水印提取器从其中提取出原始音源类型信息，并生成混音器的工作模式信号输出给混音器；所述混音器根据工作模式信号，或者将环绕声信号输出给环绕声放大器，或者将具有原始音源类型类型的双通道信号输出给环绕声放大器。

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