CN1347076A - 音程变换方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种音程变换方法,用时间轴压缩扩展和交叉渐变处理将数字信号序列表示的音响信号的音程变换为任意音程。将音响信号存储到存储器中。从存储器中,读出淡入侧的信号序列、和淡出侧的信号序列,并进行时间轴压缩扩展。对时间轴压缩扩展过的淡入侧的信号序列、和淡出侧的信号序列进行交叉渐变处理。根据基音分量来校正淡入侧的信号序列和淡出侧的信号序列之间的相位差。

Description

音程变换方法及其装置

                        技术领域

本发明涉及用时间轴压缩扩展和交叉渐变(クロスフエ一ド)处理将数字信号序列表示的音响信号的音程变换为任意音程的音程变换方法及其装置。

                        背景技术

例如，在卡拉OK等中，为了不改变乐曲的速度而变换为易唱的音程，使用这种音程变换装置。

即，所谓音程变换装置，是指像卡拉OK等中使用的音调控制器那样将音响信号的音程、即频率变换为原频率的常数倍的装置。

迄今，提出了各种音程变换方法，而本发明涉及通过时间轴压缩扩展和交叉渐变来对数字信号序列进行音程变换的技术。

这里，所谓时间轴压缩扩展，是指对原信号的时间轴进行压缩扩展、生成原频率的常数倍的信号序列的处理。

而所谓交叉渐变处理，是指下述处理：对从原信号中取出的部分信号进行淡入，对与该部分信号不同的部分信号进行淡出，将两部分信号在时间轴上重合。

接着，说明这种现有技术。

(现有技术1：不补偿相位差的音程变换技术)

首先，用图9来说明音程变换的原理。

时间轴压缩扩展

在图9中，横轴是时间，纵轴是信号的振幅。

图9(a)示出原信号的波形。

这里，如果进行时间轴压缩扩展，则能够变换音程(频率)。

例如，如果对图9(a)所示的原信号进行时间轴压缩，则原信号被变换到高的频率，如图9(b)所示。

此时，时间轴压缩后的信号(图9(b))的再现时间比原信号(图9(a))的再现时间短。

另一方面，如果对图9(a)所示的原信号进行时间轴扩展，则原信号被变换到低的频率，如图9(c)所示。

此时，时间轴扩展后的信号(图9(c))的再现时间比原信号(图9(a))的再现时间长。

如上所述，如果进行时间轴压缩扩展，则再现时间与原信号的再现时间不同。这样，存在时窗的切换处不连续、产生噪声等问题。

因此，在现有技术1中，设法在时间轴压缩扩展中加入交叉渐变处理，使再现时间不变化。

时间轴压缩扩展和交叉渐变处理的组合

图10示意性地示出时间轴压缩扩展和交叉渐变处理的组合。图10(a)示出进行时间轴压缩的例子，而图10(b)示出时间轴扩展的例子。

在图10(a)中，上部(1)示出数字信号序列表示的原信号。中部(2)示出时间轴压缩处理的过程，而下部(3-1)、(3-2)示出交叉渐变处理的第1例及第2例。下部(3-1)、(3-2)的方框内的斜线表示进行交叉渐变的部位，在第1例(3-1)中进行长交叉渐变，而在第2例(3-2)中进行短交叉渐变。

位于该斜线下侧的分量是进行淡入的分量，而位于上侧的分量是进行淡出的分量。

接着，用图10(a)来更具体地说明各处理。

这里，从原信号中取出时间为(T1+T1)的部分信号进行处理。

时间(T1+T1)例如是大约0.1秒的短时间。

此外，假设时间轴的压缩比K1大于1，有T2＝K1^*T1这一关系。

然后，从原信号中取出时间为(T2+T2)的部分信号，将其前半分量A1分配为淡入侧，将后半分量B2分配为淡出侧。

接着，对这些分量A1、B2实施压缩比为K1的时间轴压缩，得到压缩后前半分量A1H和压缩后后半分量B2H。

当然，这些分量A1H、B2H的再现时间都是时间T1。

接着，取出时间为(T2+T2)的部分信号，将其前半分量A2分配为淡入侧，将后半分量B3分配为淡出侧，使得与压缩的后半分量B2H的前头一致。

接着，对这些分量A2、B3实施压缩比为K1的时间轴压缩，得到压缩后前半分量A2H和压缩后后半分量B3H。

当然，这些分量A2H、B3H的再现时间都是时间T1。

以下同样求压缩后前半分量A3H、…、及压缩后B4H、…。

在这样得到的压缩后的各分量中，对B2H和A2H、B3H和A3H、…、BnH和AnH(n是整数)进行交叉渐变处理。

如上所述，对BnH进行淡出，对AnH进行淡入。

这里，可以像第1例(3-1)那样用方框的整个区间来进行交叉渐变处理，也可以像第2例(3-2)那样用方框中央附近的一部分来进行交叉渐变处理。

如图10(b)所示，在降低音程的情况下，除了“时间轴压缩”变为“时间轴扩展”、压缩比小于1以外，与提高音程的情况(图10(a))相同。

通过该交叉渐变处理，能够抑制时窗切换处的不连续点产生的噪声，以与原信号相同的再现时间来再现音程变换输出信号。

以下，用图8来说明现有技术1的结构例。

如图8所示，从音响输入端子807输入的(数字信号序列表示的)音响信号暂时被存储到存储器801。

读出地址产生部件804指定存储器801的地址，根据指定的地址，滤波运算部件802a、802b读出2套(淡入侧和淡出侧)信号序列。

滤波运算部件802a、802b对读出的信号序列进行时间轴压缩扩展，变换音程(频率)。

交叉渐变部件803对进行过时间轴压缩扩展的2套信号序列实施交叉渐变处理，其结果从音响输出端子808输出。

该现有技术1的问题是：在交叉渐变处理时，由于淡入侧的信号序列和淡出侧的信号序列之间的相位差，所以产生震音感。

这里，偶尔如图11所示，如果2套信号序列的相位一致，则在交叉渐变处理中，输出信号的振幅的包络线(振幅峰值的连线)不变化，所以不产生震音感。然而，这2套信号序列的相位一般有偏移的。

特别是如图12所示，如果2套信号序列相位完全相反，则在交叉渐变处理中，这些信号序列的各个信号变成互相抵销的关系，所以输出信号的振幅会比不进行交叉渐变处理的区间小。

因此，在不进行交叉渐变处理的区间、和进行交叉渐变处理的区间中，振幅有差异，结果是相互交替重复。因此，产生震音感。

(现有技术2：补偿相位差的音程变换技术)

作为着眼于现有技术1的问题而对其进行改善的现有技术2，例如可以举出日本国特开平5-297891号公报。

在该技术中，由于产生震音感的原因是进行交叉渐变处理的2个信号序列的相位差，所以求这2个信号序列的相位差，通过将另一信号序列在时间轴方向上移动该相位差的量，来使相位一致。

更具体地说，求2个信号序列的峰值，将信号序列移动该峰值差的量。

然而，详细的理由待后述，这里只说结论，在该技术中，如果是简单的声音信号，则尚能顺利进行，但是对音乐等复杂信号(特别是包含强谐音分量的信号)，峰值的误检测很多，未必能够很好地使相位一致。

                 发明内容

将以上现有技术1、2的问题归纳如下：

现有技术1：在不补偿相位差的音程变换方法中，产生震音感。

现有技术2：在用信号的峰值来补偿相位差的方法中，对于复杂信号，由于峰值的误检测，而使震音感的减少效果甚微。

因此，本发明的第1目的在于提供一种技术，即使是复杂信号，也能够抑制震音感。

此外，随着压缩技术的采用，近年的音频信号以块为单位进行处理的情况增多。1个块例如由64、80、192个样本的数据构成。

这样，如果以块为单位来处理音频信号，则块内的处理一般很容易。然而，跨越多个块的处理则非常复杂，其结果是，运算量也增加。

例如，在采样频率为48kHz、信号为100Hz的情况下，由于1个周期为480个样本，所以为了检测相位差，需要480个样本以上的检索范围。

即，要跨越多个块，处理复杂，运算量多，用于存储信号序列的存储器的容量也增加。

因此，本发明的第2目的在于提供一种音程变换技术，即使是以块为单位的处理形态，也能够设法使运算量及存储器容量很少即可。

为了实现第1目的，第1发明的音程变换方法包括：将数字信号序列表示的音响信号存储到存储器中的步骤；从存储器中读出淡入侧的信号序列和淡出侧的信号序列并进行时间轴压缩扩展的步骤；以及对时间轴压缩扩展过的淡入侧的信号序列和淡出侧的信号序列进行交叉渐变处理的步骤；根据基音分量来校正淡入侧的信号序列和淡出侧的信号序列之间的相位差。

根据该结构，由于能够补偿淡入侧和淡出侧的2个信号序列的相位差，所以能够抑制震音感。而且，相位差的补偿是根据基音分量来进行的，所以能够大幅度削减相位差的误检测，即使是音乐等复杂声音信号，也能够抑制震音感。

为了实现第2目的，第2发明的音程变换装置包括相位差调整部件，该相位差调整部件对作为交叉渐变部件的输入的时间轴偏移的淡入侧和淡出侧的2个信号序列，检测其相位差，校正其相位差；

相位差调整部件具有多个阶段的调整功能，

在第1相位差调整阶段中，将2个信号序列分别分割为规定的块，求每个块的代表值，用求出的代表值来求2个信号序列以块为单位的相位差最小时的块的偏移，在2个信号序列中，将淡入侧的信号序列移动求出的偏移的量，

在第1相位差调整阶段后，在第2以后的相位差调整阶段中，对2个信号序列，以1个样本为单位或以几个样本为单位，求比以块为单位更精细的相位差，在2个信号序列中，将淡入侧的信号序列移动求出的相位差的量，

在相位差调整部件完成相位差调整后，交叉渐变部件进行交叉渐变处理。

根据该结构，即使在以块为单位的处理形态中，运算量及存储器容量很少即可。

                附图说明

图1(a)是本发明实施例1的音程变换装置的方框图。

图1(b)是其相位差调整部件的流程图。

图2(a)是其相位差调整的区间说明图。

图2(b)是其第1次相位差调整的说明图。

图2(c)是其第1次相位差调整的最小平方误差说明图。

图2(d)是其相位差调整的区间说明图。

图3(a)是其相位差调整的区间说明图。

图3(b)是其第1次相位差调整的说明图。

图3(c)是其第1次相位差调整的最小平方误差说明图。

图3(d)是其相位差调整的区间说明图。

图4是其方框的代表值的说明图。

图5是其第2次相位差调整的最小平方误差说明图。

图6是现有技术2的误检测的说明图。

图7是本发明实施例1的读出/写入地址的关系图。

图8是现有技术1的音程变换装置的方框图。

图9(a)是音程变换的原理说明图(原信号)。

图9(b)是音程变换的原理说明图(时间轴压缩信号)。

图9(c)是音程变换的原理说明图(时间轴扩展信号)。

图10(a)是交叉渐变处理的说明图(时间轴压缩)。

图10(b)是交叉渐变处理的说明图(时间轴扩展)。

图11是交叉渐变处理和震音感之间的关系说明图。

图12是交叉渐变处理和震音感之间的关系说明图。

                 具体实施方式

以下，参照附图来说明本发明的实施例。

(实施例1)

本发明实施例1的音程变换装置设有相位差调整部件，相位差调整部件分2个阶段来调整相位差。

图1(a)是本实施例的音程变换装置的方框图。

图1(a)所示的音程变换装置包括：存储器1；滤波运算部件2a、2b；交叉渐变部件3；读出地址产生部件4；相位差调整部件5；音程控制信号输入端子6；音响信号输入端子7；音响信号输出端子8。

存储器1暂时存储来自音响信号输入端子7的音响信号。

读出地址产生部件4按照来自音程控制信号输入端子6的信号来生成要从存储器1读出的信号的读出地址。

滤波运算部件2a、2b对来自存储器1的信号进行滤波处理，生成时间轴压缩扩展信号，输出到交叉渐变部件3。

交叉渐变部件3进行过交叉渐变处理后，从音响输出端子8输出音程变换信号。

相位差调整部件5根据来自存储器1的2套信号序列来求该2套信号序列的相位差，将其值送至读出地址产生部件4，将淡入侧的信号序列移动相位差的量。

在交叉渐变处理开始前，淡入侧的信号序列的乘法系数是零，淡出侧的乘法系数是1。因此，在音响输出中只出现淡出侧的信号序列的分量。此时，由于淡入侧的乘法系数是零，所以即使移动淡入侧的信号序列，也不会对音响输出有不良影响。

本发明的关键点是该相位差调整部件5，所以下面说明以相位差调整部件5为中心的、求相位差并移动信号序列的操作。

如图1(b)所示，构成为下述2级：第1次相位差检测和基于时间轴调整的第1次相位差调整；以及第2次相位差检测和基于时间轴调整的第2次相位差调整。

这些相位差调整在交叉渐变处理之前的时刻进行。

首先，将2个信号序列分别分割为块(有些音频格式一开始就进行了分割)。

例如，32个样本为1个块。

如图2(a)所示，考虑将开始交叉渐变前的14个块用于相位差调整的例子。

假设在该14个块中，前半12个块用于第1次相位差调整，后半2个块用于第2次相位差调整。第2次相位差调整用于微调，所以无需分配太多的块数。例如，1～3个块左右就够了。

先说明第1次相位差调整。

首先，求每个块的代表值。

如图4所示，该代表值是对块内的信号序列施加低通滤波所得的值。

在图4中，符号○表示1个样本，包围多个样本的虚线矩形表示1个块。在图4的例子中，示出的是相邻块相互交叉一部分，但是即使本来没有这样交叉，也同样能够应用本发明。

这里，考虑提高音程的情况。

如图2(b)所示，以淡出侧的信号序列的块7～12为基准，对淡入侧的信号序列的下述7组块

(0)7～12   (1)6～11   (2)5～10

(3)4～9    (4)3～8    (5)2～7    (6)1～6，求相位差最小的块串。该7组列举了可作为偏移而成立的组。

如图2(c)所示，该求法的例子是使对应的块的最小平方误差最小的方法。

从块的先头起求各个差分，求其平方和，将其值最小的情况下的块的偏移作为第1次相位差调整时的移动量。

在上述例子中，如果(4)3～8的块串最小，则如图2(d)所示，与淡出侧13、14对应的淡入侧的信号序列为从过去的信号序列移动4个块后的9、10。

在降低音程的情况下，将基准块串作为淡入侧的信号序列。

如图3(b)所示，以淡入侧的信号序列的块7～12为基准，与提高音程的情况同样，对淡出侧的信号序列的下述7组块

(0)7～12  (1)6～11  (2)5～10

(3)4～9   (4)3～8   (5)2～7    (6)1～6，求相位差最小的块串。

在上述例子中，如果(3)4～9的块串最小，则如图3(d)所示，与淡出侧13、14对应的淡入侧的信号序列为从未来的信号序列移动3个块后的16、17。

接着，说明第2次相位差调整。

如图5所示，将淡出侧作为基准。

例如，采用32个样本中的第(12，14，16，18，20)个样本。

与此相对，与第1次相位差调整同样，淡入侧对第(1，3，5，7，9，11)个样本至第(22，24，26，28，30，32)个样本求最小平方误差最小的序列。这里，不是对全部样本一个不漏地进行处理，而是在合理的范围内，抽取样本来减少处理量。

例如，在偏移了5个样本的第(7，9，11，13，15，17)个样本的情况下，将淡入侧的训练序列从过去信号序列移动5个样本量。

该第2次相位差调整可以进行多次。

在本例中，可以进行淡出侧的块是13的情况和14的情况的2次调整。

此外，该第2次相位差调整也可以以淡入侧为基准。

然而，求相位差后移动的仍然是淡入侧。这是因为，在交叉渐变处理开始前，淡入侧的信号序列的乘法系数是零。

接着，说明本实施例的效果。

首先，通过将相位差调整部件分为第1次和第2次这2个阶段(多个阶段)，可削减运算量和存储器。

首先在第1次中通过使用每个块的代表值，在上述例子中，只需求7种最小误差即可。

此外，对每个块只需将1个代表值保存在存储器中即可。

如果想只用第2次相位差调整部件的方法来包含第1次相位差调整的范围，则运算量约增大1个数量级。

此外，由于必须将相应的整个信号序列保存在存储器中，所以存储器容量也增大。

这样，将相位差调整部件分为2个阶段，对削减运算量和存储器容量有很大效果。

此外，块的代表值是对块内的信号序列施加低通滤波所得的值。

一般，乐音信号是以最低的频率为基音，与该基音频率的整数倍的谐音组合而成的。

如果使相位与该基音一致，则其谐音的相位也一致。

相反，如果谐音的相位一致，则基音的相位不一定一致。

图6示出该例子。在图6中，着眼于振幅大的谐音分量，为了使相位一致，基音的相位有偏移。

图6表示如果像现有技术2那样根据振幅的峰值来使相位一致，则误检测相位差的可能性很大。

即，在现有技术2中，相位差误检测的最大的原因是，结果不是求出基音而是求出谐音的相位差。

另一方面，在本实施例中，如果在求块的代表值时，使用低通滤波器的输出，则减少了作为相位差误检测原因的谐音的电平，取出基音分量，所以能够大幅度减少相位差的误检测。

即使基音是比该低通滤波器的截止频率高的频率也没有问题。

因而在第1次相位调整中选择哪个相位差的块也没有关系。

这是因为基音的频率高，所以1周期包含在1个块内，只需第2次相位调整就能够充分进行相位调整。

再者，在第1次相位差调整中，在提高音程的情况下，以淡出侧的信号序列为基准，获得与时间偏移的淡入侧的信号序列之间的相位差，从过去信号序列来移动音响信号。

而在降低音程的情况下，以淡入侧的信号序列为基准，获得与时间偏移的淡出侧的信号序列之间的相位差，从未来信号序列来移动音响信号。

即使在存在相位差调整部件5的情况下，这些操作也有助于削减图1(a)中的存储器1的容量。

图7示出存储器1中的写入地址和读出地址之间的关系。

例如，在提高音程的情况下，由于从存储器1中进行读出的地址的更新速度快，所以记录音响输入端子7的信号的地址需要设定为具有余量、使得不被前述读出地址赶上的值。

在提高音程的情况下，以淡入侧的信号序列为基准，其结果是，可从未来的信号序列将音响信号移动相位差的量。

然而，在此情况下，除了上述余量之外，为了从未来移动音响信号，还需要准备相当于其移动量可取的最大值的量(在本例中是6个块)的存储器。

降低音程的情况也同样。

由于从存储器1中进行读出的地址的更新速度慢，所以记录音响输入端子7的信号的地址需要设定为具有余量、使得不赶上前述读出地址的值。

在降低音程的情况下，以读出侧的信号序列为基准，其结果是，可从过去的信号序列将音响信号移动相位差的量。

在本发明的方法中，在提高音程的情况下从过去的信号序列来移动值，而在降低音程的情况下从未来信号序列来移动值，所以无需伴随该第1次相位差调整而增加新的存储器。

根据本发明，通过将相位差调整分为第1次和第2次以后多个阶段，第1次相位差调整为以块为单位的调整，从而能削减运算量和存储器容量。

此外，通过使用低通滤波器的输出来作为第1次相位差调整部件的块的代表值，从而可减少相位差的误检测。

再者，在第1次相位差调整中，在提高音程的情况下，以淡出侧的信号序列为基准，获得与时间偏移的淡入侧的信号序列之间的相位差，从过去的信号序列来移动音响信号。

在降低音程的情况下，以淡入侧的信号序列为基准，获得与时间偏移的淡出侧的信号序列之间的相位差，从未来的信号序列来移动音响信号。

该操作具有削减存储器的效果。

即，本发明能够提供一种音程变换装置，其相位差的误检测少，在块处理中运算量和存储器容量少，而且震音感少。

Claims (14)

1、一种音程变换方法，其特征在于，包括：

将数字信号序列表示的音响信号存储到存储器中的步骤；

从上述存储器中，读出淡入侧的信号序列、和淡出侧的信号序列，进行时间轴压缩扩展的步骤；以及

对时间轴压缩扩展过的淡入侧的信号序列、和淡出侧的信号序列进行交叉渐变处理的步骤；

根据基音分量来校正淡入侧的信号序列和淡出侧的信号序列之间的相位差。

2、如权利要求1所述的音程变换方法，其特征在于，相位差的校正由粗略的电平校正、和精细的电平校正的组合来构成。

3、如权利要求2所述的音程变换方法，其特征在于，粗略的电平校正以信号序列的块为单位来进行，而精细的电平校正以构成块的样本为单位来进行。

4、如权利要求1所述的音程变换方法，其特征在于，基音分量是对信号序列施加低通滤波而提取出的。

5、一种音程变换装置，其特征在于，包括：

存储器，存储数字信号序列表示的音响信号；

滤波运算部件，从上述存储器中读出淡入侧的信号序列和淡出侧的信号序列，进行时间轴压缩扩展；

交叉渐变部件，对时间轴压缩扩展过的淡入侧的信号序列和淡出侧的信号序列进行交叉渐变处理；以及

相位差调整部件，根据基音分量来校正淡入侧的信号序列和淡出侧的信号序列之间的相位差。

6、如权利要求5所述的音程变换装置，其特征在于，相位差的校正由粗略的电平校正和精细的电平校正的组合来构成。

7、如权利要求6所述的音程变换装置，其特征在于，粗略的电平校正以信号序列的块为单位来进行，而精细的电平校正以构成块的样本为单位来进行。

8、如权利要求5所述的音程变换装置，其特征在于，基音分量是对信号序列施加低通滤波而提取出的。

9、一种音程变换装置，用时间轴压缩扩展和交叉渐变处理将数字信号序列表示的音响信号的音程变换为任意音程，其特征在于，

包括相位差调整部件，该相位差调整部件对作为交叉渐变部件的输入的时间轴偏移的淡入侧和淡出侧的2个信号序列检测其相位差，并校正其相位差：

上述相位差调整部件具有多个阶段的调整功能，

在第1相位差调整阶段中，将2个信号序列分别分割为规定的块，求每个块的代表值，用求出的代表值来求使2个信号序列以块为单位的相位差最小时的块的偏移，在2个信号序列中，将淡入侧的信号序列移动求出的偏移的量，

在第1相位差调整阶段后，在第2以后的相位差调整阶段中，对2个信号序列以1个样本为单位或以几个样本为单位来求比以块为单位更精细的相位差，在2个信号序列中，将淡入侧的信号序列移动求出的相位差的量，

在上述相位差调整部件完成相位差调整后，上述交叉渐变部件进行交叉渐变处理。

10、如权利要求9所述的音程变换装置，其特征在于，作为块的代表值使用对块内的信号序列施加低通滤波所得的输出值。

11、如权利要求9所述的音程变换装置，其特征在于，

在相位差调整阶段的至少一部分中，

在提高音程的情况下，将淡入侧的信号序列向使用过去信号的方向移动；

在降低音程的情况下，将淡入侧的信号序列向使用未来信号的方向移动。

12、一种音程变换方法，用时间轴压缩扩展和交叉渐变处理将数字信号序列表示的音响信号的音程变换为任意音程，其特征在于，

包括相位差调整处理，该相位差调整处理对作为交叉渐变处理的输入的时间轴偏移的淡入侧和淡出侧的2个信号序列检测其相位差，并校正其相位差：

上述相位差调整处理具有多个阶段的调整功能，

在第1相位差调整阶段中，将2个信号序列分别分割为规定的块，求每个块的代表值，用求出的代表值来求使2个信号序列以块为单位的相位差最小时的块的偏移量，在2个信号序列中，将淡入侧的信号序列移动求出的偏移的量，

在第1相位差调整阶段后，在第2以后的相位差调整阶段中，对2个信号序列以1个样本为单位或以几个样本为单位来求比以块为单位更精细的相位差，在2个信号序列中，将淡入侧的信号序列移动求出的相位差的量，

在上述相位差调整处理完成后，进行交叉渐变处理。

13、如权利要求12所述的音程变换方法，其特征在于，作为块的代表值，使用对块内的信号序列施加低通滤波所得的输出值。

14、如权利要求12所述的音程变换方法，其特征在于，

在相位差调整阶段的至少一部分中，

在提高音程的情况下，将淡入侧的信号序列向使用过去信号的方向移动；

在降低音程的情况下，将淡入侧的信号序列向使用未来信号的方向移动。

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