Brevet FR3020711A1 — publié le 20151106

METHODE DE COMPRESSION ET COMPRESSEUR DE DYNAMIQUE AUDIO La présente invention se rapporte généralement aux méthodes et systèmes de traitement d'un signal audio, et particulièrement aux méthodes et systèmes de compression de la dynamique audio d'un signal audio. La compression de la dynamique d'un signal audio, communément connue sous l'acronyme DRC pour « Dynamic Range Compression », désigne la compression de l'étendue ou la plage, ou encore l'écart (mesurée en décibels) entre l'amplitude la plus forte et l'amplitude la plus faible d'un programme audio. En effet, un compresseur audio est configuré pour réduire la dynamique, ou autrement dit la plage d'intensité sonore, d'un signal audio lors de son évolution temporelle. Pour cela, le compresseur audio atténue les sons forts (pics ou crêtes du signal), ou alternativement rehausse les sons faibles du signal audio. Il s'ensuit que la différence entre les forts niveaux sonores et les faibles niveaux sonores du signal audio se voit réduite. La compression de la dynamique audio peut avoir pour effet de protéger l'émetteur et/ou l'auditeur d'intensités sonores trop importantes, généralement désagréables voire destructrices, en atténuant ces dernières ; lisser les irrégularités d'un son afin de le rendre plus homogène en volume ; transformer un signal sonore (mixage, « mastering » musical ou cinématographique) pour être écouté en condition particulières : maison, voiture, avion. Dans la pratique, la compression de la dynamique d'un signal audio consiste, généralement, à lui appliquer une courbe de gain (ou de correction). Ceci fait d'un compresseur audio un amplificateur à gain variable dont le gain est ajusté dynamiquement en fonction du niveau de puissance instantanée du signal d'entrée autour d'un certain niveau nominal. H001 B003 FR - TQD En particulier, cette courbe de gain, dont la méthode de calcul caractérise le compresseur audio, joue un rôle déterminant dans la qualité du signal audio dont la dynamique est compressée. En effet, appliquer un gain inapproprié (notamment, avec un taux de compression trop important) peut dénaturer le son du signal audio, voire le saturer. En outre, des variations brusques dans la courbe de gain peuvent produire des compressions brutales désagréables. Un objet de la présente invention est de proposer une courbe de gain permettant de lisser au mieux possible les variations du volume sonore occasionnées par la compression. Un autre objet de la présente invention est de limiter les effets de pompage occasionnés par les méthodes existantes de compression. Un autre objet de la présente est de proposer un compresseur audio et une méthode de compression d'un signal audio qui permettent une meilleure conservation de la sensation de dynamique. A ces fins, l'invention se rapporte, selon un premier aspect, à une méthode de compression de la dynamique audio d'un signal audio, cette méthode comprenant, - une étape d'acquisition d'un signal audio ; - une étape de sélection d'un premier instant du signal audio ; - une étape de calcul d'une pluralité de gains partiels correspondants, respectivement, à une pluralité de fenêtre d'observation du signal audio centrées sur ledit premier instant, la largeur de ces fenêtres d'observations suivant une progression géométrique de raison et de premier terme prédéfinis ; - une étape de sommation des gains partiels calculés en un premier terme correctif ; - une étape d'application du premier terme correctif au signal audio audit premier instant. La méthode comprend en outre, selon diverses réalisations, les étapes suivantes, le cas échéant combinées : H001 B003 FR - TQD - une étape de sélection d'un deuxième instant du signal audio, la durée entre le premier instant et le deuxième instant étant sensiblement égale au temps d'intégration de l'oreille humaine ; - une étape de calcul d'une pluralité de gains partiels correspondants, respectivement, à une pluralité de fenêtre d'observation du signal audio centrées sur ledit deuxième instant, la largeur de ces fenêtres d'observations suivant ladite progression géométrique ; - une étape de sommation des gains partiels calculés en un deuxième terme correctif ; - une étape d'application du deuxième terme correctif au signal audio audit deuxième instant ; - une étape de calcul d'un gain variable allant linéairement dudit premier terme correctif audit deuxième terme correctif ; - une étape d'application dudit gain variable au signal audio sur la durée entre ledit premier instant et ledit deuxième instant. Dans cette méthode, le gain partiel est calculé comme suit : GI,n= (Lo- L` n) Rn où - Gi,n est le gain partiel à un instant ti et à une fenêtre d'observation d'ordre n de ladite progression géométrique, ti étant ledit premier ou ledit deuxième instant ; - 1,1,n est le niveau en décibels de la moyenne énergétique du signal audio sur ladite fenêtre d'observation ; - Lo est le niveau nominal en décibels du signal audio; et - Rn est un taux de compression prédéfini à appliquer sur la fenêtre d'observation d'ordre n. La fenêtre d'observation est définie par la fenêtre temporelle[t;_2, [ centrée sur l'instant ti , ti étant le premier instant ou le deuxième instant, de sorte que la raison et le premier terme de ladite progression géométrique sont, respectivement, égaux à deux et à la durée entre ledit premier instant et ledit deuxième instant. H001 B003 FR - TQD Rn - 1 L'invention se rapporte, selon un deuxième aspect, à un compresseur audio pour compresser la dynamique audio d'un signal audio, ce compresseur audio comprenant - des moyens pour acquérir un signal audio ; - des moyens configurés pour sélectionner un premier instant du signal audio ; - des moyens pour calculer une pluralité de gains partiels correspondants, respectivement, à une pluralité de fenêtre d'observation du signal audio centrées sur ledit premier instant, la largeur de ces fenêtres d'observations suivant une progression géométrique de raison et de premier terme prédéfinis ; - des moyens pour sommer les gains partiels calculés en un premier terme correctif ; - des moyens pour appliquer le premier terme correctif au signal audio audit premier instant. Le système ci-dessus comprend, en outre, selon diverses réalisations, les moyens suivants, le cas échéant en combinaison : - des moyens pour sélectionner un deuxième instant du signal audio, la durée entre le premier instant et le deuxième instant étant sensiblement égale au temps d'intégration de l'oreille humaine ; - des moyens pour calculer une pluralité de gains partiels correspondants, respectivement, à une pluralité de fenêtre d'observation du signal audio centrées sur ledit deuxième instant, la largeur de ces fenêtres d'observations suivant ladite progression géométrique ; - des moyens pour sommer les gains partiels calculés en un deuxième terme correctif ; - des moyens pour appliquer le deuxième terme correctif au signal audio audit deuxième instant ; - des moyens de calcul d'un gain variable allant linéairement dudit premier terme correctif audit deuxième terme correctif ; - des moyens pour appliquer ledit gain variable au signal audio sur la durée entre ledit premier instant et ledit deuxième instant. H001 B003 FR - TQD L'invention se rapporte, selon un troisième aspect, à un produit programme d'ordinateur implémenté sur un support mémoire, susceptible d'être mis en oeuvre au sein d'une unité de traitement informatique et comprenant des instructions pour la mise en oeuvre de la méthode résumée ci-dessus. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description de modes de réalisation, faite ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 illustre un signal audio découpé en trames régulières; - la figure 2 illustre des fenêtres d'observations du signal audio ; - la figure 3 illustre une méthode de calcul de la courbe de gain d'un compresseur audio ; - la figure 4 illustre un compresseur audio. Sur la figure 1 est affiché un signal audio 1 découpé en trames de durée constante T0 (c.à.d. en parcelles ou tranches temporelles régulières de durée T0). Ces trames sont indexées par les instants ti = i .T o. Une trame du signal audio 1 correspond au segment allant de l'instant ti à l'instant ti+1. De préférence, la durée T0 d'une trame temporelle du signal audio 1 est de l'ordre du temps d'intégration de l'oreille humaine (de 10 à 100 millisecondes). Dans un mode de réalisation, T0 est de l'ordre de dizaines de millisecondes telle que 5 ms, 10 ms, 20 ms ou 30 ms. En se référent à la figure 2, on associe, à chaque instant ti, un terme correctif Si défini comme suit : Si =Gin n=1 où - Gi,n est un gain partiel correspondant à une fenêtre d'observation d'ordre n autour de l'instant t.. H001 B003 FR - TQD - N est un entier naturel prédéfini. En d'autres termes, le terme correctif Si est obtenu par la somme d'une série de gains partiels Gi,n correspondants à différentes fenêtres d'observation centrées sur l'instant t, et de largeur différent. Une fenêtre d'observation d'ordre n autour de l'instant t, est définie par la fenêtre temporelle , [ (voir figure 2). Sur cette fenêtre temporelle, le gain partiel Gi,n d'ordre n autour de l'instant t, est défini par l'équation suivante : Gi,n = (Lo- Lin) Rn Où - 1,1,n est le niveau en décibels de la moyenne énergétique du signal audio 1 sur la fenêtre temporelle considérée [ti_2n-i , [ ; - Lo est le niveau nominal en décibels du signal audio 1; et - Rn est un taux de compression prédéfini à appliquer sur la fenêtre d'observation d'ordre n. II s'ensuit que, pour une fenêtre temporelle [ti_2n-i , [ donnée, le gain partiel Gia, est fonction de l'écart mesuré entre la moyenne énergétique Lia, du signal sur la largeur de cette fenêtre et le niveau nominal Lo du signal audio. Par ailleurs, il est à noter que la largeur des fenêtres d'observation 2T0, , 2N-1-T0) (voir figure 2) suit une progression géométrique jusqu'à un ordre N. La valeur de N est choisie de sorte à mieux conserver la sensation de la dynamique du signal audio. Dans un mode de réalisation, N est égal à 10. Avantageusement, l'utilisation de fenêtres d'observation dont la largeur varie selon une progression géométrique permet de limiter les effets de pompage et de variation brutale de la compression. H001 B003 FR - TQD Rn -1 Ainsi, les gains partiels Gi,n correspondants aux N fenêtres d'observation dont la largeur suit une progression géométrique de raison deux et de premier terme To sont sommés pour obtenir le terme correctif Si associé à l' instant ti du signal audio 1. Vu que le calcul des termes correctifs Si utilise des fenêtres d'observation centrées sur l'instant ti , et donc nécessite des segments du signal audio antérieurs et postérieurs à l'instant ti , il est supposé qu' au début du signal audio (ti = 0), ainsi qu'à sa fin, ses segments audio sont égaux au niveau nominal Lo. Un gain variable allant linéairement (voir figure 3) du terme correctif Si (corresposant à l'instant ti) au terme correctif Si+1 (correspondant à l'instant ti+1) est appliqué au signal audio 1 sur la fenêtre temporelle [ti , ti+1 [. Il en résulte que, entre les instants ti et ti+1, le segment élémentaire du signal audio 1 reçoit un gain allant de façon linéaire du terme correctif ponctuel Si (corresposant à l'instant ti) au terme correctif Si+1 (correspondant à l'instant Autrement dit, la courbe de gain en décibels à appliquer au signal audio sur la fenêtre [ti , ti+1 [ est de la forme suivante : S(t)= S1+1 Sit + tiSi+1 To To Ainsi, le calcul des termes correctifs Si aux différents instants ti permet d'obtenir la courbe de gain à appliquer au signal audio d'entrée. La courbe de correction résultante est linéaire par morceaux, autrement dit change de linéarité (ou de pente) aux instants ti. Afin de réduire les écarts de niveaux sonores au sein du signal audio 1 autour d'un niveau nominal Lo, cette courbe de gain est appliquée au signal audio d'entrée. L'amplitude du signal audio à un instant t donné est multipliée par la valeur du terme correctif S(t) à cet instant de la courbe de gain. Le compresseur audio agit, ainsi, dans le temps t sur le signal audio d'entrée de façon variable suivant le niveau sonore du signal à chaque H001 B003 FR - TQD instant et le terme correctif de la courbe de gain à cet instant. Pour des niveaux sonores proches du niveau nominal, la valeur en sortie reste quasi-inchangée (pente de la courbe de gain proche de 1). A défaut, à partir d'un certain niveau sonore, un terme correctif est appliqué (pente de la courbe de gain différente de 1). En se reportant à la figure 4, le compresseur audio 2 utilise, comme données, un taux de compression Rn donné pour chaque fenêtre d'ordre n, la durée To, et le nombre N de fenêtres d'observations, pour la compression de la dynamique du signal audio 1 en entrée. L'application de la courbe de gain, calculée par le compresseur audio 2, au signal audio 1 d'entrée donne en sortie un signal audio 3 dont la dynamique est compressée. Avantageusement, plusieurs plages dynamiques du signal audio peuvent être traitées avec différents taux de compression. Avantageusement, la méthode de compression de dynamique décrite ci- dessus peut être implémentée sous forme logicielle (en tant que plug-in ou application par exemple) ou hardware dans une console, un rack externe ou une station de travail digitale de traitement sonore. H001 B003 FR - TQD REVENDICATIONS1. Méthode de compression de la dynamique audio d'un signal audio, cette méthode comprenant, une étape d'acquisition d'un signal audio ; une étape de sélection d'un premier instant du signal audio ; une étape de calcul d'une pluralité de gains partiels correspondants, respectivement, à une pluralité de fenêtres d'observations du signal audio centrées sur ledit premier instant, la largeur de ces fenêtres d'observations suivant une progression géométrique de raison et de premier terme prédéfinis ; une étape de sommation des gains partiels calculés en un premier terme correctif ; une étape d'application du premier terme correctif au signal audio audit premier instant. 2. Méthode selon la revendication précédente, comprenant, en outre, une étape de sélection d'un deuxième instant du signal audio, la durée entre le premier instant et le deuxième instant étant sensiblement égale au temps d'intégration de l'oreille humaine ; une étape de calcul d'une pluralité de gains partiels correspondants, respectivement, à une pluralité de fenêtres d'observations du signal audio centrées sur ledit deuxième instant, la largeur de ces fenêtres d'observations suivant ladite progression géométrique ; une étape de sommation des gains partiels calculés en un deuxième terme correctif ; une étape d'application du deuxième terme correctif au signal audio audit deuxième instant. 3. Méthode selon la revendication précédente, comprenant, en outre, une étape de calcul d'un gain variable allant linéairement dudit premier terme correctif audit deuxième terme correctif ; une étape d'application dudit gain variable au signal audio sur la durée entre ledit premier instant et ledit deuxième instant. H001 8003 FR - TQD 4. Méthode selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, dans laquelle le gain partiel est calculé comme suit : , Rn- 1 = (L0 - Li,n) Rn où Gi;n est le gain partiel à un instant ti et à une fenêtre d'observation d'ordre n de ladite progression géométrique, ti étant ledit premier ou ledit deuxième instant ; - Li,n est le niveau en décibels de la moyenne énergétique du signal audio sur ladite fenêtre d'observation ; Lo est le niveau nominal en décibels du signal audio; et Ri, est un taux de compression prédéfini à appliquer sur la fenêtre d'observation d'ordre n. 5. Méthode selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans laquelle la fenêtre d'observation est définie par la fenêtre temporelle , [ centrée sur l'instant t. , ti étant le premier instant ou le deuxième instant, de sorte que la raison et le premier terme de ladite progression géométrique sont, respectivement, égaux à deux et à la durée entre ledit premier instant et ledit deuxième instant. 6. Méthode selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans laquelle ladite durée entre ledit premier instant et ledit deuxième instant est sensiblement égale à 10 millisecondes. 7. Un compresseur audio (2) pour compresser la dynamique audio d'un signal audio, ce compresseur audio comprenant - des moyens pour acquérir un signal audio ; des moyens configurés pour sélectionner un premier instant du signal audio ; - des moyens pour calculer une pluralité de gains partiels correspondants, respectivement, à une pluralité de fenêtres d'observations du signal audio centrées sur ledit premier instant, la H001 B003 FR - TQDlargeur de ces fenêtres d'observations suivant une géométrique de raison et de premier terme prédéfinis ; des moyens pour sommer les gains partiels calculés en terme correctif progression un premier des moyens pour appliquer le premier terme correctif au signal audio audit premier instant. 8. Le compresseur audio (2) selon la revendication précédente comprenant, en outre, des moyens pour sélectionner un deuxième instant du signal audio, la durée entre le premier instant et le deuxième instant étant sensiblement égale au temps d'intégration de l'oreille humaine ; des moyens pour calculer une pluralité de gains partiels correspondants, respectivement, à une pluralité de fenêtres d'observations du signal audio centrées sur ledit deuxième instant, la largeur de ces fenêtres d'observations suivant ladite progression géométrique ; des moyens pour sommer les gains partiels calculés en un deuxième terme correctif ; des moyens pour appliquer le deuxième terme correctif au signal audio audit deuxième instant. 9. Le compresseur audio (2) selon la revendication précédente comprenant, en outre, des moyens de calcul d'un gain variable allant linéairement dudit premier terme correctif audit deuxième terme correctif ; des moyens pour appliquer ledit gain variable au signal audio sur la durée entre ledit premier instant et ledit deuxième instant. 10. Produit programme d'ordinateur implémenté sur un support mémoire, susceptible d'être mis en oeuvre au sein d'une unité de traitement informatique et comprenant des instructions pour la mise en oeuvre de la méthode selon l'une des revendications 1 à 6. H001 B003 FR - TQD