Brevet FR3004883A1 — publié le 20141024

- 1 - Procédé de restitution sonore d'un signal numérique audio Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine du traitement des signaux audio pour améliorer la perception lors de la restitution sonore. On connaît par exemple la demande de brevet internationale W02012088336 décrivant un procédé de traitement d'une source sonore audio pour créer des quatre dimensions du son spatialisé. Une source sonore virtuelle peut être déplacé le long d'un chemin dans un espace tridimensionnel sur une période de temps spécifiée pour obtenir la localisation du son à quatre dimensions. Les divers modes de réalisation décrits ici fournissent des méthodes et des systèmes pour la conversion mono existant, 2-canal et / ou multi-canaux de signaux audio en signaux audio spatialisées ont deux ou plusieurs canaux audio. Les divers modes de réalisation décrivent également les méthodes, les systèmes et appareils pour la production effets basse fréquence et les signaux du canal central à partir de signaux audio entrants ayant un ou plusieurs canaux. On connaît par la demande de brevet W09914983 un dispositif permettant de créer et d'utiliser une paire de haut-parleurs opposés d'un casque d'écoute, la sensation d'une source sonore étant éloignée de la zone située entre lesdits haut-parleurs. Le dispositif comprend : - une série d'entrées audio représentant des signaux audio projetés depuis une source sonore théorique située à distance de l'auditeur théorique; - une première matrice de mixage, connectée aux entrées audio et à une série d'entrées de retour, qui produit - 2 - une combinaison prédéterminée desdites entrées audio constituant des signaux de sortie intermédiaires; - un système de filtre, qui filtre lesdits signaux de sortie intermédiaires et produit des signaux de sortie intermédiaires filtrés et la série d'entrées de retour, et qui comprend des filtres séparés pour filtrer la réponse directe et la réponse rapide et une approximation de la réponse réverbérée, et pour filtrer la réponse de retour de façon à produire les entrées de retour; et - une seconde matrice de mixage, qui combine les signaux de sortie intermédiaires filtrés afin de produire des sorties stéréophoniques de canal droit et de canal gauche. Le brevet européen EP2119306 décrit appareil pour le traitement d'une source sonore audio pour créer des quatre dimensions du son spatialisé. Une source sonore virtuelle peut être déplacé le long d'un chemin dans un espace tridimensionnel sur une période de temps spécifiée pour obtenir la localisation du son à quatre dimensions. Un filtre binaural pour un point spatial souhaité est appliqué à la forme d'onde audio pour produire une forme d'onde spatialisée que, lorsque la forme d'onde spatialisée est joué depuis une paire d'enceintes, le son semble provenir du point choisi spatial au lieu des haut-parleurs. Un filtre binaural pour un point de l'espace est 25 simulé par interpolation du plus proche voisin filtres binauraux choisis parmi une pluralité de filtres prédéfinis binauraux. La forme d'onde audio peut être traitée numériquement en chevauchement des blocs de données à l'aide 30 d'un court temps de transformation de Fourier. Le son localisé peut être traité ultérieurement pour la simulation de décalage Doppler et de chambre. La présente invention concerne un procédé de 35 traitement d'un signal audio originel de N.x canaux, N étant - 3 - supérieur à 1 et x étant supérieur ou égal à 0, comportant une étape traitement multicanal dudit signal audio d'entrée par une convolution multicanal avec une empreinte prédéfinie, ladite empreinte étant élaborée par la capture d'un son de référence par un ensemble d'enceintes disposé dans un espace de référence caractérisé en ce qu'il comporte une étape additionnelle de sélection d'au moins une empreinte parmi une pluralité d'empreintes préalablement élaborées dans des contextes sonores différents. La demande de brevet W02012172264 décrit un procédé de traitement d'un signal audio originel de N.x canaux, N étant supérieur à 1 et x étant supérieur ou égal à 0, comportant une étape traitement multicanal dudit signal audio d'entrée par une convolution multicanal avec une empreinte prédéfinie, ladite empreinte étant élaborée par la capture d'un son de référence par un ensemble d'enceintes disposé dans un espace de référence caractérisé en ce qu'il comporte une étape additionnelle de sélection d'au moins une empreinte parmi une pluralité d'empreintes préalablement élaborées dans des contextes sonores différents. La demande de brevet W09725834 propose un autre procédé et dispositif de traitement de signaux audio multicanaux, chaque canal correspondant à un haut-parleur disposé en un point particulier une pièce de façon à donner, via un casque audio, l'impression que de multiples de haut- parleurs 'fantômes' sont répartis dans la pièce. On sélectionne des fonctions HRTF de transfert par rapport à la tête (Head Related Transfer Functions) en prenant en considération la hauteur et l'azimut de chaque haut-parleur considéré par rapport à l'auditeur. Chaque canal fait l'objet d'un filtrage HRTF de sorte que, lorsque ces canaux sont combinés dans les canaux gauche et droit et restitués par un casque audio, l'auditeur a l'impression que le son provient effectivement de haut-parleurs fantômes répartis dans la pièce virtuelle. Des jeux de coefficients HRTF saisis en base - 4 - de données à partir d'un grand nombre d'individus et l'utilisation pour l'auditeur concerné d'un jeu HRTF optimal lui fournit des impressions d'écoute semblables à celle qu'aurait un auditeur isolé s'il écoutait de multiples haut- parleurs répartis dans le volume d'un local. L'application d'une fonction HRTF à la sortie des canaux droit et gauche permet, dans le cas d'une écoute au casque, de donner l'impression d'une écoute sans casque. Inconvénients de l'art antérieur Les solutions de l'art antérieur restent limitées par les qualités intrinsèques du moyen de restitution (casque ou haut-parleurs) ainsi que de leur adéquation au traitement appliqué au signal audio. Par ailleurs, certains traitements de l'art antérieur nécessitent des puissances de calcul importantes, peu compatibles avec les capacités des tablettes, téléphones ou lecteurs portatifs. Solution apportée par l'invention L'objet de la présente invention est d'améliorer la qualité perçue et notamment l'étendue de la spatialisation, y compris avec des moyens de reproduction de qualité moyenne, tels que des stations d'accueil de tablettes ou téléphones portables («docks»). A cet effet, l'invention concerne selon son acception la plus générale un procédé de restitution sonore d'un signal numérique audio caractérisé en ce que l'on procède à une étape de suréchantillonnage consistant à produire à partir d'un signal échantillonné à une fréquence F un signal échantillonné à une fréquence NxF, où N correspond à un entier supérieur à 1, puis à appliquer un traitement de convolution sur un premier fichier numérique échantillonné à une fréquence - 5 - NxF correspondant à l'acquisition de l'ambiance sonore d'un espace sonore de référence, un second fichier numérique échantillonné à une fréquence NxF correspondant à l'acquisition de l'empreinte sonore d'un équipement de restitution de référence, et troisième fichier numérique échantillonné à une fréquence NxF correspondant à l'acquisition de l'empreinte sonore d'un équaliseur ainsi qu'un quatrième fichier correspondant audit fichier audio suréchantillonné, les paquets numériques résultant faisant ensuite l'objet d'un traitement numérique de conversion à une fréquence d'échantillonnage F/M correspondant à la fréquence de travail de l'équipement d'écoute. Le traitement est basé sur une opération de convolution mathématique, et utilise plusieurs échantillons audios préenregistrés de la réponse impulsionnelle de l'espace modélisé ainsi que d'un équaliseur et d'un équipement de restitution. Selon une variante, le procédé comporte une étape supplémentaire de recalcule du fichier correspondant à ladite empreinte sonore de l'espace sonore de référence, pour modifier l'équilibre entre les voies spatiale de ladite empreinte sonore. Description détaillée d'exemples de réalisation non limitatifs L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant au dessin annexé correspondant à des exemples de réalisation non limitatifs où : - la figure 1 représente une vue schématique des traitements du signal selon l'invention.35 -6 - Le procédé de traitement selon l'invention consiste à produire différentes empreintes acoustiques d'une source sonore, en vue de réaliser une convolution de ces différentes empreintes sonores. La technologie des convolutions est une technique connue de captation par l'utilisateur, puis la reproduction du comportement acoustique d'un lieu ou d'un appareil. A titre d'exemple, les réverbérations à convolution permettent de proposer d'utiliser les acoustiques de nombreux lieux réels, salles de concert célèbres ou autres : ces acoustiques, préalablement échantillonnées, susceptibles d'être réutilisées à volonté au sein du programme. Dans le cas du son à l'image, la première idée d'exploitation de cette possibilité a été la captation des acoustiques des décors de tournages dans le but d'obtenir des raccords acoustiques directs entre les sons directs et sons rajoutés en post-production (post-synchronisation, bruitages) Le principe est alors de réaliser l'échantillonnage des acoustiques des décors dans lesquels les scènes du films ont été tournées, afin de pouvoir aisément appliquer cette acoustique aux éléments enregistrés a posteriori pour que ceux-ci s'intègrent parfaitement aux sons issus des prises directes. Le capteur de Réponses Impulsionnelles pour obtenir la réponse impulsionnelle d'un matériel ou d'une salle constituant l'empreinte sonore est basée sur la "déconvolution". Elle utilise l'excitation du système par un signal connu (appelé ici f(t)). Ce signal est tel que si on lui applique une transformée (fonction de déconvolution), le résultat est la fonction de Dirac. La fonction de déconvolution est choisie telle que, pour le signal d'excitation f(t) et une fonction h(t) quelconque : G[f(t)] = 15(t) - 7 - G[f(t) * h(t)] = G[h(t)] * f(t) = G[f(t)] * h(t) Grâce à cette fonction de déconvolution, on produit un signal de réponse impulsionnel d'un système à partir de la réponse de celui-ci à un signal d'excitation différent de l'impulsion de Dirac. Les types de signaux utilisés pour la capture de réponses impulsionnelles ressemble, à l'écoute, à un bruit gaussien ou un « bruit blanc ». Les séquences d'excitation sont générées par un algorithme déterministe et sont périodiques (des périodes de l'ordre de quelques secondes ou dizaines de seconde pour notre application) et constituent un signal pseudo-aléatoire. Ces séquences sont créées par des registres à décalage à rétroaction linéaire (linear feedback shift registers, LFSR). Cette structure de registres, dont l'ordre est déterminé par le nombre de registres, est telle que sur sa période elle produira l'ensemble des valeurs binaires possible pour son ordre (si structure d'ordre 4, il existe 2n valeurs possibles). Ces séquences sont connues par l'homme du métier sous le terme de « MLS, Maximum Length Sequence »: la séquence de nombre binaires la plus longue possible sans répéter deux fois la même valeur. La popularité initiale de la MLS est issue de la facilité du procédé de déconvolution. En effet, le signal MLS est tel que pour sa déconvolution, on peut utiliser une transformée appelée transformée d'Hadamard, qui simplifie les calculs et a l'avantage d'être calculable informatiquement en utilisant peu de ressources. Une autre solution de signal d'excitation est basée sur la technique dite « sweep logarithmique », ou « sweep exponentiel », correspondant comme son nom l'indique à un -8 - sinus glissant dont la fréquence est liée au temps par une loi exponentielle. Cela implique que le glissement est plus rapide aux fréquences élevées qu'aux fréquences basses, et par conséquent son spectre est celui d'un bruit rose (moins d'énergie est dégagé dans les fréquences hautes puisque moins de temps y est consacré). Il existe deux façons de déconvoluer les mesures ainsi effectuées. La première utilise le passage dans le domaine fréquentiel pour faire les calculs avant de revenir en temporel. La seconde consiste à convoluer non-périodiquement le signal enregistré avec le signal d'excitation retourné temporellement : h(t) = r(t) * s(T - t) avec T la durée du sweep En procédant ainsi, deux avantages apparaissent : - Les distorsions non-linéaires du système sont totalement rejetées et ne perturbent pas la mesure de la réponse impulsionnelle linéaire du système - La méthode supporte bien les légères désynchronisation : on peut diffuser le sweep depuis un appareil et l'enregistrer avec un autre sans que ces deux machine soient synchronisées par une horloge. Dans la présente invention, on procède à la capture de trois empreintes sonores ou réponses impulsionnelles, correspondant : - à une empreinte sonore d'un moyen d'écoute, par exemple d'un casque - à une empreinte sonore d'un équaliseur - à une empreinte sonore d'un espace sonore de référence. Chacune de ces réponses impulsionnelles est capturée à partir d'un signal de référence à un échantillonnage élevé, supérieur à la fréquence d'échantillonnage nominale de l'équipement de restitution. A titre d'exemple, l'empreinte de salle (3) est acquise à partir d'un bruit blanc produisant un fichier de 6 -9 - Moctets par enceinte, pendant une durée longue supérieure à 500 millisecondes, de préférence comprise entre une et deux secondes. Le fichier correspondant à la réponse impulsionnelle est ensuite ZIP par exemple) et crypté. L'empreinte du comprimé sans perte (compression casque (1) (ou d'une série d'enceintes) est acquise de la même façon avec un signal blanc ou rose d'une durée d'environ 200 millisecondes, avantageusement entre 100 et 500 millisecondes. L'empreinte de l'équaliseur (2) est acquise de la même façon avec un signal blanc ou rose d'une durée d'environ 200 millisecondes, avantageusement entre 100 et 500 millisecondes pour chacun des réglages de l'équaliseur. Ces trois fichiers de réponse impulsionnelle (1 à 3) ainsi que le fichier numérique du signal audio (4) font l'objet d'un traitement de convolution (5) basé sur un traitement par transformée de fourrier rapide FFT. Pour réduire les temps de calcul, on procède à une étape (6) permettant de recalculer dynamiquement les empreintes gauches et droites en fonction des particularités de l'équipement de restitution et le cas échéant des particularités sensorielles de l'auditeur. Il dispose par exemple d'un moyen de réglage permettant de modifier la position spatiale virtuelle. Une modification de ce réglage commande le calcul d'un nouveau couple d'empreintes sonores à partir des empreintes initialement fournies, par morphose (« morphing ») - on prend en compte une enceinte virtuelle centrale et deux empreintes pour l'enceinte droite et l'enceinte gauche - on recalcule les empreintes gauche / droite en temps réel pour déplacer la scène sonore Cette fonction peut être pilotée par le capteur gyroscopique pour créer un déplacement dynamique de la scène sonore en fonction des mouvements de l'utilisateur REVENDICATIONS1 - Procédé de restitution sonore d'un signal numérique audio caractérisé en ce que l'on procède à une étape de suréchantillonnage consistant à produire à partir d'un signal échantillonné à une fréquence F un signal échantillonné à une fréquence NxF, où N correspond à un entier supérieur à 1, puis à appliquer un traitement de convolution sur un premier fichier numérique échantillonné à une fréquence NxF correspondant à l'acquisition de l'ambiance sonore d'un espace sonore de référence, un second fichier numérique échantillonné à une fréquence NxF correspondant à l'acquisition de l'empreinte sonore d'un équipement de restitution de référence, et troisième fichier numérique échantillonné à une fréquence NxF correspondant à l'acquisition de l'empreinte sonore d'un équaliseur ainsi qu'un quatrième fichier correspondant audit fichier audio suréchantillonné, les paquets numériques résultant faisant ensuite l'objet d'un traitement numérique de conversion à une fréquence d'échantillonnage F/M correspondant à la fréquence de travail de l'équipement d'écoute. 2 - Procédé de restitution sonore d'un signal numérique audio selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte une étape supplémentaire recalcul du fichier correspondant à ladite empreinte sonore de l'espace sonore de référence, pour modifier l'équilibre entre les voies spatiale de ladite empreinte sonore.