JP4622908B2 - 信号処理装置 - Google Patents
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入力された音声入力信号が順次書き込まれるバッファと、
前記バッファに書き込まれている音声信号の基本周期を検出する基本周期検出手段と、
前記バッファから、並行して前記音声信号を読み出す2系統の読出手段と、
前記2系統の読出手段の各読出アドレスを前記バッファへの書込速度と異なる速度に設定された読出速度で移動させ、この移動で読出アドレスが所定アドレス移動する毎に、前記読出速度によるアドレス進度の前記書込速度によるアドレス進度に対する差であるアドレス進度差を解消する方向に、前記読出アドレスをジャンプさせる手段であって、前記2系統の読出手段の読出アドレスのジャンプ点を前記基本周期における同じ位相のアドレスに制御する読出アドレス制御手段と、
前記読出手段が読み出した音声信号を、前記読出アドレスがジャンプした点を開始点として前記基本周期の整数倍のアドレス長でフェードインし、前記読出アドレスがジャンプした点を終点として前記基本周期の整数倍のアドレス長でフェードアウトする手段であって、一方の読出手段が読み出した音声信号のフェードイン区間と他方の読出手段が読み出した音声信号のフェードアウト区間が重なるように合成して出力するクロスフェード処理を行う信号合成手段と、
前記バッファに書き込まれた音声信号から、振幅が大きいまたは振幅上昇が急激な信号の区間であるアタック部を検出するアタック検出手段と、
を備え、
前記読出アドレス制御手段は、前記アタック部で前記読出アドレスをジャンプさせないように制御し、
前記信号合成手段は、前記読出手段が前記アタック部を読出している区間は、前記フェードイン、フェードアウトを停止して、一方の読出手段が読み出したアタック部の音声信号のみ出力し、
前記読出アドレス制御手段は、読出アドレスが前記アタック部を通過した後、前記読出アドレスをジャンプさせるアドレス長を増加させ、前記アタック部で読出アドレスをジャンプさせなかったことによって増加した前記アドレス進度差を複数のジャンプで解消する。
また、前記信号合成手段は、前記基本周期の整数倍のアドレス長の間、前記2系統の読出手段の一方が読み出した音声信号をフェードインし続ける処理を行い、前記2系統の読出手段の他方が読み出した音声信号をフェードアウトし続ける処理を行う。
また、この信号合成手段は、「一方の読出手段が読み出した音声信号のフェードイン区間と他方の読出手段が読み出した音声信号のフェードアウト区間が重なるように合成して出力するクロスフェード処理を行う」からこの重なった区間でクロスフェードが行なわれ、その区間を基本周期の整数倍にすることができる。このように、読出アドレス制御手段が「前記2系統の読出のジャンプ点を前記基本周期における同じ位相のアドレスに制御」しているから、クロスフェード時間でフェードインする音声信号とフェードアウトする音声信号の位相を合わせることができ、滑らかにクロスフェードすることができる。また、信号合成手段がクロスフェードの区間を基本周期の整数倍にしているから、この位相がずれていかないから、この滑らかにクロスフェードすることができる効果を持続することができる。
前記バッファに書き込まれた音声信号から、振幅が大きいまたは振幅上昇が急激な信号の区間であるアタック部を検出するアタック検出手段を備え、
前記読出アドレス制御手段は、前記アタック部で前記読出アドレスをジャンプさせないように制御し、
前記信号合成手段は、前記読出手段が前記アタック部を読出している区間は、前記フェードイン、フェードアウトを停止して、一方の読出手段が読み出したアタック部の音声信号のみ出力する。
前記読出アドレス制御手段は、読出アドレスが前記アタック部を通過した後、前記読出アドレスをジャンプさせるアドレス長を増加させ、前記アタック部で読出アドレスをジャンプさせなかったことによって増加した前記アドレス進度差を複数のジャンプで解消する。
前記読出アドレス制御手段は、前記読出アドレスをジャンプさせるアドレス長を、前記基本周期の整数倍とする。
そこで、本発明では、前記読出アドレス制御制御は、このジャンプ時に、基本周期の整数倍の位置にジャンプするよう制御しているのでクロスフェードする音声信号の互いの位相を合わせることができるから、音声信号をクロスフェードで滑らかに接続することができ、音声の不自然さを解消できる。
8×(0.2/(1+0.2))=4/3波長ジャンプすることになり、基本周期の整数倍とならない。そこで、波長の小数点部分を切り上げて2波長とするか、切り下げて1波長とする。
図3、図4を用いて、本実施形態の信号処理装置の概略を説明する(図3、図4の詳細は後述する。)。図3は、波形メモリ、読出アドレス制御部の動作の一部を説明するための概念図であり、図4は、後述するクロスフェードゲイン計算部の動作概念図である。本実施形態の信号処理装置は、音声信号のピッチを変更する機能を含んでいる。本実施形態の装置は、特定の区間のデータ記憶領域をリング状に巡回しながら、書き込み、読み出しを行うリングバッファ17を備え、このピッチの変更は、リングバッファからディジタル音声信号の読み出しの際に、読み出す速度を書込速度(図3の書込アドレスの時間変化1740参照。)より速くしたり、または遅くすることで実現する(図3の直線178参照。)。テンポを変えないよう、平均的な読出速度を書込速度と同等にするため、図3下に示すように、のこぎり刃状に、書込アドレス1740の時間変化と平行である基準線175にアドレスを戻す。また、ジャンプ時の音声信号のノイズを目立たないようにするため、図4右上に示すように互いに段差部分をずらせて出力した、2系統のリングバッファの読み出しタップ241A、B(図4左参照。)を設けて、これらの出力をクロスフェードして合成する(図4右下参照。)。ここで、クロスフェードは、2つの信号のうち1つをフェードアウトし、他方をフェードインして継ぎ目なく信号を接続する技術である。このアドレスのジャンプの時はこれに対応する音声信号の出力を0にすると共に、他方の系統から音声を出力する。
図1を用いて、本実施形態の信号処理装置の内部構成について説明する。図1は、この信号処理装置の内部構成図である。図1に示すように、信号処理装置1は、カラオケ装置等の音響装置、またはサウンドボードを備えた汎用コンピュータ等の一部で構成され、以下の構成を備えている。即ち、CPU10とROM11とRAM12と外部記憶装置13と通信I/F14と表示回路15と入力装置16と波形メモリ17とDSP2とD/A変換器3とを備えており、これらはデータ/アドレスバス18で接続されている。以下、それぞれを説明する。
ROM11は、固定メモリであって、恒常的に用いるプログラムデータや、種々のBIOS等のデータを格納している。
RAM12は、外部記憶装置13内にあるデータを読み込んで一時的に格納する読み書き可能なメモリであって、プログラムや計算用データを格納している。
外部記憶装置13は、ハードディスク、CD−ROM等の光ディスクで構成され、大量のデータを記憶する記憶装置である。
通信I/F14は、通信回線で結ばれたホストコンピュータ、例えばカラオケ装置の管理室のサーバや、インターネット上にあるデータを入力するインターフェースであり、曲データ101を受信できる。
表示回路15は、カラオケ装置であれば、この画面に出力する画像データや設定画面OSD(オンスクリーンディスプレイ)を表示するための回路であり、また汎用コンピュータであれば、ビデオカードがこれに相当する。
入力装置16は、カラオケ装置であれば、リモコンや装置本体付属の操作子の集合からなる操作入力装置であり、汎用コンピュータであれば、キーボードやマウスがこれに相当する。
波形メモリ17は、通信I/F14を介して取得した音楽データ、図示しないマイクで収音した音声信号をA/D変換したデータ、または外部記憶装置13にある曲データ101を時系列的に書き込み、読み出しするバッファである。波形メモリ17は、音声信号のビットデータをサンプリングタイムで入出力する速度に対応できるものが必要である。この書込速度と読出速度を変えることで、時間軸圧伸が可能となる。
D/A変換器3は、ディジタル信号をアナログ信号に変換し、アナログの出力信号102を取り出す。この出力信号102は、増幅器を介してスピーカへ出力する。
基本周期検出部212は、LPF211を通した音声入力信号100から周期性を検出して制御部22にその情報を送る。基本周期検出部212の基本周期信号検出の方法としては、例えばFFT変換により信号の周波数成分を検出することにより行う。
図2の波形メモリ17は、前述の通り、音声入力信号100を一時的に蓄えるバッファであり、後述の図3で示すように、リング状に書き込み、読み出しを行うリングバッファである。読出速度と書込速度を異なる値にすることで、バッファ出力信号17A、17Bの時間軸圧伸を行うことができる。
なお、読出速度を速めたり、遅くしたりしてバッファ出力信号の時間軸圧伸を行う場合には、所望のピッチ変更率29に正確に対応する圧伸を行おうとすると読出アドレスは少数点以下を含むこととなる。そこで、波形メモリ17の出力を合成する加算部(不図示)を設け、小数点部分については、小数点をはさんで整数値の両側のアドレスに書き込まれたデータについて比例配分を行い、データを加算する。
図2の制御部22は、波形解析部21の解析結果に基づいて、読出アドレス制御部24やクロスフェードゲイン計算部25に指示を送る。例えば、基本周期検出部212の検出した周期に基づいてクロスフェード時に合成するバッファ出力信号17A、Bの基本周期の位相が合うように、クロスフェード開始時、終了時を調整する指示を送る。また、急峻に音量が上下するアタックの場合には、アタックの部分は急激な音量変化を伴うため、波形の接続により2度打ちが生じやすいことから、クロスフェード合成部26の動作をとめて、バッファ出力信号17A、Bのいずれかの出力をそのまま出すように、クロスフェードゲイン計算部25に指示を送る。
クロスフェード合成部26は、前述の通り、バッファ出力信号17A、Bを互いにフェードイン、フェードアウトして合成するものである。後述の通り、一定区間毎に読出アドレスをジャンプさせることによるノイズの発生を目立たなくさせるためバッファ出力信号17A、Bを用いて合成する。
次に、図3を用いて、波形メモリ17の動作および読出アドレス制御部24の動作についてさらに詳しく説明する。図3は、波形メモリ17、読出アドレス制御部24の動作の一部を説明するための概念図である。図3は、波形メモリ17から出力される信号であるバッファ出力信号17A、Bのうち、17Aのみを表している。書き込み/読み出しは、同一の方向(書込方向174、読出方向171A)に沿って順次行う。その際、波形メモリ17のデータ容量(アドレス区画173の数)は有限であるから、書き込み/読み出し経路172に沿って、リング状に書き込み/読み出しを行う。これによりデータ容量の制限に対応することができる。バッファ出力信号17Aは、読出アドレスの指示241Aに従って波形メモリ17から読み出され、クロスフェード合成部26に送られる。
次に、図4を用いて、読出アドレス制御部24、クロスフェードゲイン計算部25の動作についてさらに詳しく説明する。図4は、この動作の概念図である。ここで、クロスフェードは、2つの信号のうち1つをフェードアウトし、他方をフェードインして継ぎ目なく信号を接続する技術である。図3ではバッファ出力信号17Bを省略していたが、このクロスフェードを行うため、2系統のバッファ出力信号17A、17Bを取り出す。図3と同様の部分は、同様の符号を付して説明を準用する(符号がAの代わりにBとなっているものについても同様である。)。
一方、図6は、エネルギー和(波高値の2乗の時間積分で計算できる)が一定である場合を示しており、このようにクロスフェードのゲインを設定する場合には、結果としてフェードアウトする信号のエンベロープレベルの時間変化は図6(A)で示すような余弦関数の曲線になり、フェードインする信号のエンベロープレベルの時間変化は図6(B)で示すような正弦関数の曲線になる(なお、ゲインの2乗和が一定となる関数であれば、他の関数でも良い。)。この合成方法は、一般に入力信号に周期性がある場合には、加算部263で合成後のゲインレベルが変動するデメリットがあるが、周期性がなくとも滑らかに接続できるメリットがある。図6に示した方法においても、クロスフェード合成部26で滑らかに接続するためには、フェードアウトする信号とフェードインする信号の位相を合わせる。図4に示すように、連続的にクロスフェードをする場合には、位相を合わせるためクロスフェード時間を基本周期の整数倍にすることが望ましい(図6では、説明の容易等のため、基本周期を8つ含むとしている。)。本実施形態の装置1のクロスフェードゲイン計算部25は、図5、図6で説明したいずれかの方法でクロスフェードゲインを計算する。
以下、図7,8を用いてジャンプ区間1762におけるアドレスのジャンプ量を求める方法およびその修正方法について説明する。
音声入力信号100のサンプリング周波数[1/秒]
×(179に示す)サイクル[m秒]/1000
×ピッチ増量率[%]/100
の計算により求めることができる。速読み区間1761でのアドレス進度に含まれる基本周期の数を基準にすると、ジャンプ区間1762に含まれる基本周期の数は、
速読み区間1761に含まれる基本周期の数
×ピッチ増量率[%]/(100+ピッチ増量率[%])
となる。図7の例では、速読み区間1761で、基本周期を偶数含む6波長進んで、この6波長×25%/(100%+25%)=1.2波長ジャンプして、ジャンプ先アドレスは1764となる。
次に、図8を用いてピッチを下げる場合に、読出アドレス制御部24がジャンプ区間1772のアドレスのジャンプ量を求める方法およびその修正方法について説明する。図8は、ピッチを低くする場合の遅読み区間1771と、ジャンプ区間1772との1サイクルを拡大した図であり、アドレスのジャンプ量を計算する方法と、このジャンプ量を修正する方法を表す概念図である。
音声入力信号100のサンプリング周波数[1/秒]
×179に示すサイクル[m秒]/1000
×ピッチ減少率
の計算により求めることができる。遅読み区間1771でのアドレス進度に含まれる基本周期の数を基準にすると、ジャンプ区間1772に含まれる基本周期の数は、
遅読み区間1771に含まれる基本周期の数
×ピッチ減少率[%]/(100−ピッチ減少率[%])
となる。
以下、図9、図10を用いて、図2で示したアタックがあった場合の処理について詳細に説明する。
以下、アタックの検出方法について説明し、その後、制御部22を受けたクロスフェードゲイン計算部25、読出アドレス制御部24の処理、アタック区間45以後の後処理について説明する。
そして、この切り出した区間を所定の個数分用意して、それぞれの区間41の波高値の2乗平均値Piを求める。または、波高値の2乗平均値をFFT解析により求めた特定周波数毎のゲインの2乗の足し算で代用しても良い。また、所定の個数の区間41を合わせて波高値の時間平均Pavgを求める。
アタック検出部213は、このような区間毎の時間平均の波高値の2乗と、計算する全区間の移動平均を求め、閾値を設けて
Pi/Pavg>(閾値)
が成立する場合には、アタック検出部213は、アタックが成立すると判断する。
アタックを検出した場合には、クロスフェード調整区間42を基本周期の整数倍にするため、図9に示すようなクロスフェード調整区間42の長さを基本周期の波長刻みで修正する。また、この修正では、アタック45を含むクロスフェード停止区間43が最小になるように、クロスフェード調整区間42でフェードインする時刻を決定する。
ST1において、音声入力信号100がマイナスからプラス方向へ0点をクロスするゼロクロス位置またはプラスからマイナス方向へ0点をクロスするゼロクロス位置のいずれかを基準にして音声入力信号100を区間41毎に区切るようにする。また、この区間41の切り出しは、図2の基本周期検出部212で検出した音声信号の基本周期から求まる周期を基準にして、このゼロクロスの位置に丸め込んで、区間41を区切るようにしてもよい。
ST2において、この切り出した区間を特定の個数を用意して、特定区間の波高値のパワーと移動平均値との比率を計算する。このパワーは、それぞれの区間41の波高値の2乗平均値Piを求めることに相当する。この計算が容易でなければ、波高値の2乗平均値をFFT解析により求めた特定周波数毎のゲインの2乗の足し算で代用しても良い。また、移動平均値として、この過去の特定の個数の区間41全体について時間平均Pavgを求める。
Pi/Pavg>(閾値)
が成立する場合には、ST3の判断はYとなり、アタック検出部213は、ST4でアタックが成立すると判断する。この不等式が成立しない場合には、ST1〜3を繰り返す。即ち、ST3の判断はNとなり、S1に戻り、S3でNとなる限り、S1で新たに区間を切り出し、その新たに切り出した特定の区間S2でアタックがないか判断する。
なお、特定の区間は、音声入力信号100の頭のデータを入力するときは、移動平均値を求めるために、アタックの判定処理に先立って所定長の区間について前述の波高値の時間平均Pavgを計算しておく必要がある。
S5において、ST4でアタックがあった区間のIDを図2の制御部22に出力して、制御部22に伝達する。
172−書込/読出経路、 173−アドレス区画
174−書込方向、 1740−書込アドレス、 175−基準線
176−読出アドレス、 1761−速読み区間、 1762−ジャンプ区間
177−読出アドレス、 1771−遅読み区間、 1772−ジャンプ区間
178−直線、 179−サイクル、 18−データ/アドレスバス
212−基本周期検出部、 213−アタック検出部、 22−制御部
24−読出アドレス制御部、25−クロスフェードゲイン計算部
26−クロスフェード合成部、 261−ゲイン調整部、 262−ゲイン調整部
263−加算部、 29−ピッチ変更率、 3−D/A変換器
41−区間、 42−クロスフェード調整区間、 43−クロスフェード停止区間
Claims (3)
- 入力された音声入力信号が順次書き込まれるバッファと、
前記バッファに書き込まれている音声信号の基本周期を検出する基本周期検出手段と、
前記バッファから、並行して前記音声信号を読み出す2系統の読出手段と、
前記2系統の読出手段の各読出アドレスを前記バッファへの書込速度と異なる速度に設定された読出速度で移動させ、この移動で読出アドレスが所定アドレス移動する毎に、前記読出速度によるアドレス進度の前記書込速度によるアドレス進度に対する差であるアドレス進度差を解消する方向に、前記読出アドレスをジャンプさせる手段であって、前記2系統の読出手段の読出アドレスのジャンプ点を前記基本周期における同じ位相のアドレスに制御する読出アドレス制御手段と、
前記読出手段が読み出した音声信号を、前記読出アドレスがジャンプした点を開始点として前記基本周期の整数倍のアドレス長でフェードインし、前記読出アドレスがジャンプした点を終点として前記基本周期の整数倍のアドレス長でフェードアウトする手段であって、一方の読出手段が読み出した音声信号のフェードイン区間と他方の読出手段が読み出した音声信号のフェードアウト区間が重なるように合成して出力するクロスフェード処理を行う信号合成手段と、
前記バッファに書き込まれた音声信号から、振幅が大きいまたは振幅上昇が急激な信号の区間であるアタック部を検出するアタック検出手段と、
を備え、
前記読出アドレス制御手段は、前記アタック部で前記読出アドレスをジャンプさせないように制御し、
前記信号合成手段は、前記読出手段が前記アタック部を読出している区間は、前記フェードイン、フェードアウトを停止して、一方の読出手段が読み出したアタック部の音声信号のみ出力し、
前記読出アドレス制御手段は、読出アドレスが前記アタック部を通過した後、前記読出アドレスをジャンプさせるアドレス長を増加させ、前記アタック部で読出アドレスをジャンプさせなかったことによって増加した前記アドレス進度差を複数のジャンプで解消する信号処理装置。 - 前記信号合成手段は、前記基本周期の整数倍のアドレス長の間、前記2系統の読出手段の一方が読み出した音声信号をフェードインし続ける処理を行い、前記2系統の読出手段の他方が読み出した音声信号をフェードアウトし続ける処理を行う請求項1に記載の信号処理装置。
- 前記読出アドレス制御手段は、前記読出アドレスをジャンプさせるアドレス長を、前記基本周期の整数倍とする請求項1または2に記載の信号処理装置。
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