專利名稱：使用集中式信號處理的集成多媒體信號處理系統的制作方法
技術領域：
傳統上，對音頻部件和視頻部件是獨立進行開發的。為了確保不同制造商所制造的部件之間的兼容性，該行業已經開發了可以適應于于多種產品的接口。因為強調的重點是兼容性而不是質量，所以就為各種部件之間提供數量有限的接口。因此，各種部件必須輸出與這些標準化接口兼容的信號。但是，這種為了實現部件之間的互相通信所采取的措施會導致在部件之間出現顯著的信號損耗和畸變。另外，盡管部件和控制設備是按照集成的方式進行工作的，但是各種部件當前都具有一種用于其操作的獨立的控制設備。因此，本發明公開了一種實施例，其中，優選地是在單個盒子或外殼中，使用集中式處理方法，對所有音頻/視頻和其它娛樂操作進行集成控制。
背景技術：
當前，可以使用被稱作家庭娛樂系統的集成音頻/視頻娛樂系統。每個娛樂系統至少需要三種不同的部件，包括電視(TV)或視頻顯示器、主要用于向顯示器提供視頻信號的錄像機(VTR)或多功能數碼光盤(digital versatile disk，DVD)播放器、以及音頻部件。家庭娛樂系統還可以包括機頂盒以及獨立于該機頂盒或集成在該機頂盒中的數字視頻記錄器(DVR)，其中該機頂盒從例如天線、電纜或圓盤式衛星電視天線接收音頻/視頻信號。
通常，消費者從多家制造商購買這三種或四種部件。即使是從同一家制造商購買這些部件，每種部件也可能是被分別購買的，并且是具有獨立功能的分離的盒子。通常，將這些部件制造成分離的獨立設備，這是因為無法確定消費者可能將其它何種部件連接到一起從而組成一個家庭娛樂系統。例如，電視制造商將電視制造成一種獨立的設備，以便可以將任何種類的視頻源連接到該電視，而無論該視頻源是VTR、DVD播放器還是機頂盒。這使得消費者有選擇的余地。因此，電視制造商必須提供經濟上可行的盡可能多的連接端口和接口。這些標準是由行業組織設定的，例如國際標準化組織(ISO)、電子電氣工程師學會(IEEE)以及國家電視系統委員會(NTSC)。
但是，還是存在一個問題，即，電視制造商必須為他們生產的電視配備這些接口端子中的至少一個或兩個(如果不是全部提供的話)，以及任何所需的接口轉換器。
視頻源設備制造商也必須提供多種不同類型的接口端子，這是因為他們并不能確定他們的產品會連接到哪種類型的顯示設備，并且他們希望為消費者提供盡可能多的選擇。因此，例如VTR和DVD播放器的設備也具有三種或四種不同類型的端子或接口。或者，制造商可以僅提供一種具有廣泛兼容性的接口，但是這樣做會犧牲質量。
對于音頻源設備和機頂盒制造商來說也不例外。因此，如果我們觀察組成家庭娛樂系統的三種或四種不同的部件就可以發現，僅是為了使消費者所選擇的設備之間具有兼容性，每種部件都具有三種或四種不同的接口。
因為大多數接口都是考慮到現有的部件而設置的，所以可能僅僅是為了實現部件之間的通信，就必須將內部信號或者源信號轉換為輸出信號，盡管這些不同的部件在進行內部處理時可能使用了相似的內部信號。例如，部件A和部件B在其內部處理相同格式的信號，但是僅僅是為了實現部件A和部件B之間的信號傳輸就必須對這些內部信號進行轉換。
為了提供不同種類的輸出信號，每個部件都需要將信號從最初被處理時的格式轉換為發送輸出信號所需的另一種格式。這樣一種轉換可能會導致信號損耗或畸變。
已經向市場引入了多種諸如接收機/輕便型收錄機、迷你立體聲系統或迷你家庭影院(HTIB)這樣的產品。但是，這些產品僅是各種部件的簡單的物理集成，而并不提供任何功能集成。

發明內容
本發明通過提供一種對音頻/視頻信號和其它信息信號進行集中式處理的系統來解決上述問題。這可以消除為了進行部件間的通信所進行的不必要的信號轉換，從而保持了初始源信號的特性并且可以再現最純粹的源信號，以便通過輸出設備(例如顯示器、揚聲器或其它聲音再現系統)將其發送給最終用戶、聽眾或觀眾。
本發明可以使得不需要重復安裝用于生成和接收輸出信號的轉換裝置，而這些轉換裝置當前普遍存在于多數家庭電子部件中。因此，制造商可以以低價提供產品，或者以基本上相同的價格提供配有更好設備或部件的產品。
如果源信號完全是數字編碼的并且輸出裝置是數字化操作的，那么本發明可以提供更好的性能。
本發明通過對目前在每個部件中被單獨執行的功能進行集中式處理，從而提供了一種成本效益較好的高端音頻/視頻再現系統。本發明還使得用戶可以容易地生成關于音樂和視頻內容的補充信息并且廣泛地共享這樣的信息以增強視覺和聽覺體驗的樂趣。
可以通過對現有部件進行功能分解并且對這些功能進行組合以便進行集中式處理來實現本發明，因此，通過對所有信號進行數字化地處理從而減少了數字到模擬或模擬到數字的轉換。
人類對可聽聲譜(audible spectrum)的整個頻率范圍的響應并不一致。例如，相比于在可聽聲譜的低頻處發生的聲級(sound level)的變化，人耳可以更容易地感應到中頻處發生的聲級的微小變化。因此，對于構成音頻輸出的具有不同頻率的聲音而言，增加相同的聲級(可以以分貝為單位對其進行測量)，并不會使聽者能體驗到增加了相同的響度(loudness)。這種音頻輸出中的響度的不均勻分布會擾亂聽覺體驗。
為了解決該問題，本發明可以按照頻率范圍將包含音頻輸出的聲音進行分離，以及根據人類對聲音的響應特征或聽者的偏好，調整各個頻率范圍的最佳聲級，然后使用調整來生成驅動放大器的調整信號。
本發明提供了一種集成音頻處理系統，包括音頻源；響應于音頻源發出的音頻信號的中央處理單元；以及數字音量控制模塊，用于對音頻信號進行調整從而為音頻信號的所有音頻頻率提供等響度級。
本發明還提供了一種集成音頻處理系統，包括音頻源；響應于音頻源發出的音頻信號的中央處理單元；用于調整音頻信號的數字音量控制模塊；向數字音量控制模塊提供聽者位置信息的輸入裝置；以及多個基于處理過的音頻信號輸出音頻的揚聲器。所述數字音量控制模塊還可以響應于聽者位置信息對音頻信號進行調整。
本發明還提供了一種集成音頻處理系統，包括音頻源；響應于該音頻源發出的音頻信號的中央處理單元；以及與該中央處理單元相連的揚聲器。該揚聲器將性能特性發送到中央處理單元，中央處理單元將該性能特性用于處理音頻信號。
附圖簡述

圖1顯示了根據本發明的一個實施例的集成多媒體系統的示意性框圖；圖2顯示了PC結構的本發明的實施例的布局圖；圖3顯示了一種典型的音頻再現系統的示意性框圖；圖4顯示了根據本發明的一個實施例的數字分音(crossover)系統的示意性框圖；圖5顯示了PC開關電源(switching power)特性和一個示例性的聲音再現的功率消耗波形；圖6顯示了根據本發明的一個實施例的音頻再現系統的示意性框圖；圖7顯示了根據本發明的另一個實施例的音頻再現系統的示意性框圖；
圖8顯示了一個典型的數字分音系統的示意性框圖；圖9顯示了一個典型的電視機的示意性框圖；圖10顯示了一個示意性框圖，該圖描述了一個已知的具有典型的DVD播放器和顯示器的視頻系統的操作；圖11顯示了根據本發明的一個實施例的視頻再現系統的示意性框圖；圖12顯示了根據本發明的一個實施例的自動偏好控制系統的示意性框圖；圖13顯示了根據本發明的一個實施例的媒體數據庫文件共享系統的示意性框圖；圖14顯示了根據本發明的一個實施例的對來自視頻源的視頻信號進行的幀速率調整；圖15是用于實現根據本發明的一個實施例的集成多媒體系統中的智能揚聲器的方法的框圖；圖16是一個圖表，其顯示了聲音的整個可聽聲譜的在不同聲壓級的人類聽覺閾值響度級；圖17是一個方法的框圖，該方法用于在根據本發明的一個實施例的集成多媒體系統中基于給定的聲音頻率的響度級實現音量控制；圖18是一個圖表，其顯示了人類感知的不同頻率的聲壓級以及當聽者與音頻輸出的角度為0度和30度時的這種聲壓級；圖19是用于在根據本發明的一個實施例的集成多媒體系統中實現基于聽眾的位置控制音量的方法的框圖；圖20是一個數字音量控制模塊的框圖。
具體實施例方式
為了解決上述問題，本發明公開了一種可以消除實現典型家庭電子產品之間的接口兼容性所必需的數模轉換的系統和方法。本發明主要利用以數字格式記錄的音頻和視頻信號。但是，本發明并不限于此，還可以與傳統的模擬音頻/視頻源一起使用。
圖1顯示了本發明實施例的示意圖。集成音頻/視頻系統100包括用于從信號拾取設備103接收輸入信號的主處理器107，所述信號拾取設備103從源101(例如視頻源101a、音頻源101b或電視調諧器101c)獲取源信號。輸入信號最好是數字信號，但是也可以是任何類型的音頻/視頻信號，例如唱機輸出的模擬信號。
處理器根據用戶輸入108處理輸入信號。用戶輸入可以是實時的，例如調整音量或音調，也可以是預設的參數。這些預設參數可以由用戶存儲在系統中，或者可以由系統根據對用戶偏好進行的系統分析而產生，其中，對用戶偏好的系統分析是基于用戶所觀看或收聽的媒體而進行的。
來自處理器107的輸出信號最好也是數字信號。在本發明的實施例中，主要由軟件來處理信號，但是本發明并不限于此。如果需要，可以將例如專用芯片或圖形芯片這樣的外圍設備用于處理來自信號源的信號，以用于特定的目的，例如提升采樣(upsampling)來自音頻源的數據，或者用作視頻信號的數字濾波器。在這種情況下，主處理器107仍然通過數字信號與外圍設備進行通信。
主處理器的輸出信號被發送到輸出設備。例如，視頻信號被直接發送到視頻顯示器150。現代的視頻顯示器，例如液晶顯示器(LCD)、等離子顯示板(PDP)或者數字光處理(Digital Light ProcessingTM，DLP)投影儀可以完全利用主處理器輸出的數字信號。
音頻信號可以通過放大器109(AMP)(最好是數字放大器)，以便生成可以驅動揚聲器的電流。但是，可以由數字信號驅動而不由電流驅動的揚聲器能使得不再需要數字擴音器。
本發明的一個實施例可以采用個人計算機(PC)結構，如圖2中所示，并且使用通用中央處理單元(CPU)，例如Intel Pentium4處理器以及它的外圍設備，并且它們可以運行被廣泛使用的操作系統，例如Microsoft Windows或Linux。可以結合軟件或外圍硬件設備對音頻和視頻信號進行處理。該系統還可以包括存儲器，例如隨機訪問存儲器(RAM)或硬盤驅動器。但是，本發明并不限于此，并且可以使用其它類型的處理器、結構或操作系統。而且，本發明會導致對開發新的操作系統的需求，新的操作系統可以用于控制家庭娛樂系統并且提供其它特性，例如訪問因特網、文字處理以及其它的辦公或與工作相關的應用程序。
本發明的一個實施例將在多數PC中普遍使用的DVD驅動器101a用作源，或者可以將任何類型的光存儲器驅動設備或光媒介設備用作源，但是，該源還可以是模擬VCR源、電視調諧器、FM/AM無線電調諧器、USB端口、互聯網連接、電纜、衛星廣播、數字移動廣播(DMB)或者本領域技術人員所公知的其它的源。如圖2中所示，如在典型的PC結構中那樣，DVD驅動器和處理器可以位于同一個外殼中。另外，用于驅動揚聲器系統(多個揚聲器單元)的放大器也可以包括在該外殼中。而且，可以有多個放大器。這些放大器可以是模擬的和/或數字的。根據本發明的一個實施例，在這些放大器中至少有一個模擬放大器。
本發明的一個實施例可以包括作為顯示設備150的LCD、PDP或者DLPTM投影儀，任何其它能夠以數字模式工作的顯示設備也是適合的。但是，在某些情況下，也可以使用模擬顯示設備。
接下來將描述本發明的每個部件。
圖3是一個已知的音頻再現系統的示意圖。源播放器從各種源獲取源信號。為了便于說明，將當前最常使用的音樂源，即壓縮盤(CD)播放器201用作源。
在CD播放器中，激光拾取設備203讀取被編碼在CD 201上的音樂信號。激光拾取設備203所讀取的信號是數字編碼(“0”和“1”的組合)，并且由脈沖碼調制器(PCM)204對該數字編碼進行解碼，其中該數字編碼是模擬數據的數字表現形式。由處理器206將該數字編碼轉換為模擬信號，其中該處理器206被嵌入到播放器中或者可以與播放器分開。前置放大器208接收模擬信號并且通過調整它們的音量和音調對它們進行操作。既可以操作模擬信號，也可以操作數字信號。功率放大器210從前置放大器208接收輸出，并且生成可以驅動揚聲器212的電流。揚聲器212從功率放大器210接收輸出，并且使用內部分音邏輯分離信號。CD播放器201、前置放大器208和功率放大器210中的每一個都分別包含分離的電源207、209和211。在一種三路揚聲器系統中，分音邏輯214將信號分為高頻范圍、中頻范圍和低頻范圍。高頻范圍信號驅動高頻揚聲器216，中頻范圍信號驅動中頻范圍單元218，并且低頻范圍信號驅動低音單元220。
可以在源播放器/數據拾取設備203和處理器206之間加入提升采樣器205(upsampler)。提升采樣器205可以將傳統CD的采樣率從44.1KHz提升到98KHz或者更高。提升采樣可以提供更高質量的音頻聲音再現。
上述音頻再現系統將原始音頻數字信號轉換為模擬信號用于進一步處理。但是，數字處理可以提供對聲音更精確的控制以及更好地減少噪音。因此，高端音頻設備通常對信號進行數字化的處理，并且在這種情況下，從數字源編碼轉換得到的模擬信號再次被轉換為數字格式。在功率放大器和前置放大器中，可能還需要進行額外的信號轉換。反復進行的從模擬信號到數字信號的轉換以及從數字信號到模擬信號的轉換會導致數據丟失或畸變。
本發明通過激光拾取設備讀取數字信號，并且通過一個強大的主處理器進行必要的信號處理從而解決了上述問題，其中該主處理器用于生成功率放大器的揚聲器驅動信號。在一個實施例中，功率放大器可以是數字放大器、模擬放大器或者兩者的組合。
參考圖4，集成音頻/視頻系統100可以包括數字分音器123，其可以被實現為軟件模塊115。使用該分音模塊，主處理器107可以將處理過的音頻信號分為驅動不同頻率范圍的揚聲器信號，并且直接將分離的揚聲器驅動信號發送到放大器109的各個數字放大器單元109a，并且這些數字放大器單元109a依次驅動對應于所提供的揚聲器驅動信號的頻率范圍的虛擬揚聲器140(dummy speaker)的揚聲器單元142、144和146。例如，數字放大器109可以使用脈沖寬度調制(PWM)以生成驅動揚聲器的適當的電流。
而且，放大器109可以是包括模擬放大器單元和數字放大器單元的混合放大器。模擬放大器更適合于驅動高頻揚聲器單元，例如高頻揚聲器142，而數字放大器更適用于驅動高功率低頻揚聲器單元，例如低頻揚聲器146。
通過使用數字分音器可以容易地獲得具有精確分音點控制的高質量的音頻。每個數字驅動電流根據來自數字分音模塊的各自的揚聲器驅動信號提供揚聲器驅動電流。因為可以由軟件模塊對分音器進行數字化控制，所以可以動態地重構各種信號特性。
此外，使用主處理器對數字音頻信號進行集中式處理使得例如，僅通過添加一個軟件模塊就可以進行數字音量控制、提升采樣以及數字濾波。使用連接到主處理器的能夠對數字信號進行處理的外圍硬件也可以實現這些處理功能。
數字濾波可以模擬輸出的音頻的聲學特性以滿足每個聽者的音樂愛好，例如再現來自電子管放大器或唱機的音頻的特性。基于軟件的分音邏輯可以以更低的成本提供更精確的頻率分音控制。它還可以實現對分音頻率的動態配置，再結合控制其它聲學特性的模塊，就可以實現對音頻輸出的最佳控制。
本發明可以使用圖2中所示的PC結構。已經開發出了一種使用數字功率放大器的新方法，從而可以將數字功率放大器用于現有的PC結構中。因此，具有典型的擋板162的單個外殼160中具有例如DVD播放器101a的源、具有例如風扇107a的冷卻元件和散熱模塊107b的處理器107(processor)、系統存儲器164、硬盤驅動器166(HDD)或其它海量存儲設備、電源112(PSU)和冷卻風扇112a，以及擴展槽170。可以將其它硬件和軟件包含到PC結構中，例如電視調諧器101c、數字和/或模擬放大器109(AMP)、數字視頻輸出卡以及多種PC接口(例如通用串行總線(USB)、火線(IEEE 1394)、網絡接口卡)，多種軟件控制模塊115以及常用的PC操作系統，例如Windows、Linux或Mac OS等等。
但是，參見圖5，如果PC達到特定的電流功率閾值電平，如10A，那么通常它就會關機。但是，在典型的家庭娛樂系統中，當放大器生成高功率驅動電流(例如高功率低音頻率的驅動電流)時，該系統的電流電平可能會短暫地超出PC的閾值。因此，如果將PC結構用于實現集成多媒體處理系統，那么根據本發明的系統必須可以超出PC電流閾值電平。因此，該系統可以具有一個連接到電源112的功率池(power tank)，以便管理電流的峰值，從而防止當需要驅動高功率信號時系統停止工作。
參見圖1，信號拾取設備103從源101拾取信號。一旦拾取了信號，那么就通過處理器107對信號進行計算或處理，并且最終的輸出是數字信號或來自數字放大器109的驅動電流。如果信號來自模擬源，那么就通過例如PCM方法將該信號轉換為數字信號，以便可以在整個系統中對該信號進行數字化處理。可以由主處理器107執行該轉換。來自源101的輸入音頻信號被發送到主處理器107，該主處理器107進行必要的計算以控制音量或音調(即低音或高音)，或者利用模塊115通過軟件模擬來執行例如提升采樣或其它數字補償的功能。然后，信號到達數字放大器109，并且該放大器根據處理過的音頻信號提供驅動適當頻率范圍的揚聲器單元142、144、146所需的電流。
或者，可以通過數字連接(例如USB電纜或火線連接，或者任何其它合適的數字連接)將處理過的數字揚聲器驅動信號發送到位于虛擬揚聲器140內的數字放大器。其內部有用于生成驅動揚聲器單元142、144、146的電流的數字放大器單元。
本發明的一個特征是可以在處理器內部實現將音頻信號濾波為不同頻率范圍的分音網絡，從而不再需要包括位于揚聲器內的一組線圈、電容、電阻的典型模擬系統中的分音網絡。模擬分音網絡不能提供與由圖6中所示的主處理器107使用軟件123執行的數字分音所提供的頻率分離同樣精確的頻率分離。或者，如圖7所示，可以由與主處理器107進行通信的外圍設備138來執行數字分音。如果要達到與數字分音相近精確度，那就要求使用非常昂貴的模擬部件用于模擬分音。此外，可以容易地調整數字分音網絡所提供的頻率范圍，從而可以將包括最佳頻率范圍的揚聲器驅動信號發送到給定的揚聲器單元。另外，當正在播放音頻源(例如音樂)時，可以動態地調整頻率范圍。因此，揚聲器系統可以不需要分音邏輯。作為替代，主處理器107通過各個放大器單元109發送出兩種、三種或者多種不同的揚聲器驅動信號，所述放大器單元可以直接連接到揚聲器的高頻單元、中頻單元或低頻單元。
揚聲器140也可以是具有存儲設備的“智能”揚聲器，例如集成電路，所述存儲設備中包含揚聲器的性能特性。可以在典型的家庭娛樂系統中實現這種裝置。可以通過主動或被動方法將性能特性發送到處理器107以用于音頻信號處理。在主動發送方法中，揚聲器的電路將把性能特性發送到處理器107。而在被動方法中，處理器107將詢問揚聲器以得到它的性能特性。
這些性能特性可以包括在可聽聲譜上的每個單元的最佳頻率范圍再現特性；額定輸出功率；推薦的放大功率；輸入阻抗；揚聲器外殼尺寸；靈敏度；分音頻率或者副揚聲器部件的數量。或者，揚聲器140可以僅包括向系統100告知它是何種揚聲器的標識符信息，處理器107將從與該處理器相關的表或數據庫中查找所標識的揚聲器的性能特性。
處理器107可以使用這些性能特性來確定與系統的每個揚聲器單元142、144、146相匹配的頻率范圍。這些特性還有助于進行音量控制，因為系統100可以確定例如揚聲器對音量變化的靈敏度以及音頻輸出發生畸變之前的最大揚聲器驅動電流。
此外，這些性能特性還有助于布置揚聲器。對于新手用戶來說，系統可以對揚聲器進行分析以及推薦這種揚聲器的最佳位置和功能。例如，將具有低放大功率的小揚聲器作為后方衛星揚聲器(rearsatellite speaker)是較理想的。如果低音揚聲器單元對50Hz到300Hz之間的頻率范圍最靈敏，但是對300Hz到600Hz之間的頻率范圍靈敏度較低，那么系統可以在50Hz到300Hz之間調整其低音范圍，并使用不同的揚聲器單元來生成300Hz到600Hz之間的頻率。這樣就可以不使用那些可以再現較寬頻譜的昂貴的揚聲器。例如，使用分別對50Hz到300Hz的頻率范圍以及300Hz到600Hz的頻率范圍最靈敏的兩個五元的揚聲器單元，就可以輕易替代一個能夠再現50Hz到600Hz頻率范圍的一百元的揚聲器單元。還可以將其它因素輸入到系統中，例如揚聲器的數量、房間大小以及期望的聽覺體驗(與典型的家庭影院接收機中預設的環繞設置非常類似)等等。隨后可以在顯示設備上顯示這些推薦。
對于高級用戶來說，例如高保真音響愛好者，他可以觀看屏幕上所顯示的這些特性，并且根據他的品味計劃最佳揚聲器配置。基于PC的結構在提供可使用的用戶接口方面賦予了系統極大的靈活性，以便由新入門用戶或高保真音響愛好者對系統進行調整。
圖15是一個框圖，舉例說明了使用這種智能揚聲器對分音點進行調整的方法。
首先，系統檢查是否有的新揚聲器。接下來，一旦檢測到新的揚聲器，系統就請求獲得揚聲器特性，或者請求獲得揚聲器標識符并查找對應于該標識符的性能特性。系統可以將這些特性顯示在顯示設備上。然后，系統根據揚聲器特性自動地調整分音點，或者響應于用戶輸入調整分音。然后，系統可以通過該調整以生成用于驅動揚聲器單元的最佳頻率范圍的驅動信號及電流。如果需要，用戶可以購買一套不同的揚聲器或者另外的揚聲器，以便充分利用該系統。系統可以根據系統分析或聽眾的偏好，推薦產生最佳聽覺體驗所需的揚聲器單元。
圖6說明了根據本發明的一個實施例的音頻系統，它包括音頻源101(例如CD播放器)、連接到處理器107的軟件模塊115、放大器109以及不具有分音邏輯的虛擬揚聲器140。所述軟件模塊可以包括音量控制模塊117、分音模塊123、PCM模塊126、提升采樣模塊129、PCM/頻率轉換器131、數字濾波器121、頻率/PCM轉換器135以及通信驅動模塊137。分音模塊123可以將濾波后的數字音頻信號分離為不同的頻率范圍，然后將這些不同頻率范圍的信號發送到用于各個范圍的各自的頻率/PCM模塊135。可以由通信驅動模塊137對信號進行轉換，或者將信號直接發送到數字放大器109。放大器109包括多個放大器單元109a，并且這些放大器單元分別對應于虛擬揚聲器140的揚聲器單元142、144的給定頻率范圍。
圖7類似于前述音頻系統，但是圖中顯示部分音頻處理功能可以由外圍硬件設備(例如連接到處理器107的濾波器136和分音器138)替代執行。
音量控制模塊117通過解決相同分貝(dB)級別下對不同頻率聲音的感覺差異來對音頻信號進行進一步的微調，從而為處理過的數字音頻信號中的所有頻率提供相同的響度級別。
如圖16中所示，不同頻率的聲音在相同的dB級別具有不同級別的“響度”。人類對聲音的敏感度取決于特定聲音的頻率級別。通常，對于人耳來說，相比于高頻聲音或高音，低音更加安靜。在2000Hz到6000Hz之間，聽覺閾值接近于0dB，而在125Hz聽覺閾值為20dB。因此，系統對音頻信號進行調整，從而揚聲器單元142、144、146輸出“響度”基本相同的所有不同頻率的聲音。可以在分音之前進行這種音量控制操作，但并不是必須的。
音量控制模塊117可以包括并入了圖16的圖形所包括的數據的邏輯以提供等響度調整。例如，如果用戶要求音量級別等于40方(phon)，那么音量控制模塊117和處理器107就會基于該圖表中的數據對音頻信號進行調整，從而以大約60dB輸出125Hz的低音，以大約45dB輸出6000Hz的高音調聲音。當執行了這種調整之后，聽眾就會聽到等響度的兩種聲音。
另外，如果將音量從40phon增加到50phon，那么125Hz的低音應該僅增加大約8dB，而6000Hz的高音調聲音應該增加大約10dB。因此，在整個頻率范圍內增加聲壓級別(dB)的這種典型方法并不能提供對于聲音的相同響度的聽覺體驗。本發明可以容易地進行調整，以解決人耳對不同頻率聲音的響度變化的敏感度有差異這一問題。
圖17顯示了以這種方式調整音量的方法的框圖。
處理器從音頻源接收音頻信號，并且根據所要求的音量控制級別對音頻信號進行處理。然后，將音頻信號分離為不同的頻率范圍。然后，音量控制模塊為對應于所要求的音量級別的每個頻率確定適合的dB級別。也可以根據用戶偏好對這種邏輯進行修改，以便修改音量調整，例如，用戶喜歡聽到響度更高的特定頻率的聲音。音量控制模塊執行音頻信號調整，以提供相等的響度級別或用戶規定的響度級別。可以對調整后的音頻信號進一步進行處理，從而生成用于音頻輸出的驅動信號或揚聲器驅動電流。
也可以根據用戶偏好對這些“響度”級進行修改，以便特定類型的聲音可以聽起來更響亮。例如，如果聽眾喜好更強的低音，那么可以修改邏輯，以便當要求40方的音量級時，以大約65dB而不是60dB輸出125Hz。可以按照任何一種聽眾選擇的方式修改這些值。
另外，依賴于聽眾所處的角度，相同dB級的音頻可能聽起來會不同。
參看圖18，在30度位置處的dB級與0度位置處的dB級有顯著區別，特別是在人類聽覺是最靈敏的2000Hz到10000Hz范圍內。因此，音量控制模塊也可以根據聽眾的位置進行調整。
圖1顯示了輸入設備105，該設備可以是圖像捕獲設備(例如照相機)和/或音頻輸入設備(例如麥克風)。該輸入設備可以向處理器107和音量控制模塊117提供關于用戶位置的信息。可以通過輸入設備獲取揚聲器140在房間中的位置信息，或者可以手工地將該位置信息輸入到系統100。隨后，可以確定聽眾和各個揚聲器之間的角度。已經存儲了包含各種角度的數據(例如圖18中所示的30度的數據)的邏輯的音量控制模塊117將會對音頻信號進行調整，以便無論聽眾處于什么位置，都可以體驗到基本上相同的響度。水平角度(即墻到墻)和垂直角度(即地板到屋頂)都會被確定，以便無論揚聲器處于什么位置，音量控制模塊117都可以進行最佳調整，其中揚聲器的位置包括在墻上、在屋頂、在地軸架上或是在升高的架子上，但不限于這些位置。
圖19是一個框圖，說明了這種根據聽眾相對于揚聲器的角度對音量進行調整的方法。
該方法類似于圖17中所描述的方法。但是，在分離頻率之后，音量控制模塊根據例如圖18中所包含的信息，確定由于用戶相對于各個揚聲器的角度而導致的任何聲壓級(dB)的損耗或增益。與前面所述相同，為了突出特定類型的音頻輸出，用戶可以修改特定頻率的dB增益或損耗。然后，音量控制模塊可以根據人類在某個角度位置處對聲音的敏感度或用戶偏好，為各個頻率范圍進行調整。同樣，可以對調整過的音頻信號進行進一步的處理，以生成用于音頻輸出的揚聲器驅動信號或揚聲器驅動電流。
此外，輸入設備105還可以確定用戶與各個揚聲器的距離。因此，音量控制模塊117還可以根據聽眾與各個揚聲器的距離來調整各個揚聲器140的音量。
圖20說明了根據本發明實施例的數字音量控制模塊的操作。音頻信號可以被發送到頻率分離模塊。此時，可選擇的，參考數據模塊可以分析輸入的音頻信號并且提供關于該音頻信號應該被分離為多少個頻率范圍的信息。然后，頻率分離模塊將音頻信號分離為多個頻率。然后，參考數據模塊提供對應于各個頻率范圍的適當的參考數據(例如基于頻率范圍或與聲音源之間的角度的人類敏感度)。然后，信號調整模塊根據所提供的參考數據對分離后的頻率范圍進行調整。接下來，將調整后的頻率范圍進行組合以生成調整后的音頻信號，然后繼續傳遞該音頻信號以便進行另外的處理以生成音頻輸出。
系統提供對音頻信號的額外的數字控制，從而允許將定制的揚聲器驅動信號發送到虛擬揚聲器。
可以按照類似于Lego的模塊化方式對根據本發明實施例的這些虛擬揚聲器進行修改，因為它們并不受到通常包含在典型揚聲器中的固定分音頻率范圍邏輯的限制。因此，用戶可以根據用戶偏好或者用戶所收聽的媒體的類型來關閉單個揚聲器子單元以獲得最佳聽覺體驗。
本發明通過將所有處理和計算集成到一個主處理器中，從而還提供了另一個優點。例如，通過使用數字濾波器，本發明可以提供電子管放大器或唱機的特性以及柔和、溫暖的感覺。另外，本發明可以容易地提供均衡器、放大器(upscaler)或數字分音網絡的功能。
當前，數字分音網絡被作為單獨的部件來出售，并且圖8中顯示了這種設備的一個設計，稱作“有源”揚聲器312。該設備只是多個分離的數字信號處理器(DSP)303和多個分離的數字放大器307的組合。也就是說，使用四個或五個不同的DSP將來自源301(例如CD播放器)的數字信號分離。每個DSP 303向相應的數字放大器307提供不同頻率范圍的信號，其中各個數字放大器307生成各個揚聲器單元310的驅動電流。在不需要添加昂貴設備的情況下，本發明可以在內部具有PC結構的一個處理器中實現這些功能。此外，通過采用這種結構，本發明可以動態地調整頻率級別。也就是說，本發明使得用戶僅僅通過傳統的輸入設備輸入范圍，就可以在任何時候將頻率級別調整到他(或她)所希望的任何級別，或者按照預先編程的那樣自動地進行這種調整。而典型的數字分音網絡并不提供這些特征和使用的便利性。
接下來將描述視頻顯示器，并且當前應用最為廣泛的視頻源是模擬電視、DVD以及數字電視。
圖9顯示了一種典型模擬電視顯示器的示意框圖，并且圖10顯示了一種公知的DVD顯示器結構的示意框圖。通過調諧器401選擇信號，其中該信號是一種復合信號并且通過例如三維梳狀濾波器405這樣的濾波器來生成一種亮度信號(Y信號)和一種色彩信號(C信號)。合成信號也可以來自另一種視頻源(例如VTR)的合成輸入402。Y信號和C信號還通過第二濾波器409以便減少鬼影和噪聲。然后，C信號通過色彩分離濾波器413以生成藍色信號(U信號)和紅色信號(V信號)。在轉換濾波器417中，U信號和V信號與Y信號一起形成包含YUV數據的合成信號。使用根據YUV數據得到的RGB信號顯示圖像。
如果使用了S視頻輸入410，那么信號既不必通過梳狀濾波器405也不必通過第二濾波器409，這是因為Y信號和C信號是分離的。
DVD可以包含720×480格式的YUV數據。數字電視廣播使用MPEG 2協議編碼的YUV數據。數字電視可以具有不同格式，例如1080i、720p和480p。數字視頻源也可以提供不同的接口協議，例如部件視頻(YPbPr)、高分辨率多媒體接口(HDMI)以及數字視頻接口(DVI)。部件視頻接口414保持Y信號、U信號和V信號相互分離，從而視頻信號可以被直接發送到轉換濾波器417。可以將來自例如DVI或HDMI 418的數字接口的用于數字顯示器440的輸出源信號直接輸入到解交織器/縮放器419，而不需要通過模擬顯示器430所需的任何濾波器。因此，即使原始源是數字的，例如DVD或數字電視，數字顯示器440也僅需要進行額外的信號濾波以便與模擬接口兼容。
例如，在圖10中所示的典型的DVD播放系統中，有DVD播放器420和顯示器440。DVD播放器420包括用于處理視頻信號的拾取設備421、解復用器422、視頻解碼器423、視頻縮放器和增強器425、視頻編碼器427。DVD播放器420還包括用于提供音頻信號的音頻解碼器424和數字/模擬轉換器426，以及用于提供數字音頻信號的SPDIF驅動器428。顯示設備440包括用于顯示視頻信號的調諧器441、視頻解碼器442、解交織器445、縮放器447、顯示驅動器449以及顯示裝置450。此外，顯示設備440包括用于提供音頻的音頻解碼器444、放大器448以及揚聲器451。DVD播放器420和顯示設備440包括各自的電源429和452。對于本領域技術人員來說很明顯的是，DVD播放器420和顯示設備440中存在許多冗余功能，出現這些冗余功能的部分原因是由于需要將音頻/視頻信號進行轉換從而可以在這些部件之間進行信號通信。
另外，盡管DVD播放器420可能具有例如DVI或HDMI的數字接口，但是在顯示設備440中仍然需要有額外的處理部件，這是因為DVD播放器不能動態地適應顯示器的分辨率，并且顯示器必須與多種非數字接口兼容。
而且，為了適應各種格式和接口，許多顯示設備提供至少三種不同的接口端子。在某些情況下，顯示設備提供五種不同的端子。視頻源播放器通常也提供多種不同的端子。這些接口有些是模擬的，有些是數字的。
因此，每個視頻源播放器和每個視頻顯示器都具有其各自的轉換器，并且可以利用這些轉換器將來自不同接口的信號轉換為YUV數據。而且，顯示器可以包括多種如上所述的圖像濾波器，以便對來自多種不同接口的模擬信號進行處理以產生用于顯示的YUV數據。根據本發明，可以容易地去除這些額外的并且有時是冗余的部件。
另外，數字視頻顯示器需要進行用于圖像顯示的額外的處理步驟。現代的視頻顯示器(例如LCD、PDP或DLPTM投影儀)有固有的分辨率，例如1920×1080、1280×720或者865×480。當顯示器被制造出來時，這些分辨率就是固定的，因為它們具有最大數量的線和最大數量的每條線上的象素。
因此，一旦數字顯示設備接收到視頻源信號，它就必須使用解交織器/縮放器419調整或縮放信號以使信號適合面板尺寸。
但是，圖11顯示了本發明還可以使用連接到軟件模塊115的主處理器107進行這種調整。在主處理器中還可以對視頻信號進行其它補償和操作，該主處理器連接到多種軟件模塊，包括解復用器116、視頻解碼器124、解交織器125、縮放器和增強器127、音頻解碼器120以及音頻濾波器或處理器121。這里，主處理器107使用軟件模塊115對來自源101的信號進行處理，該信號可以是模擬的，也可以是數字的。但是，也可以由連接到主處理器107的外圍硬件設備進行信號處理。
處理過的音頻/視頻信號被發送到DVI發送器111和放大器109的多個放大器單元。如果放大器是模擬的，或者是數字/模擬混合型的，那么可以由音頻處理器121進行數字信號轉換，或者在放大器109自身當中進行數字信號轉換。處理過的視頻信號被發送到虛擬顯示器150，其中該虛擬顯示器僅包括顯示驅動器151、電源153以及數字顯示設備155。按照與上述類似的方法，將放大的音頻信號發送到虛擬揚聲器140。
因此，由于利用了全數字信號路徑并且僅在處理器中進行了一次縮放，因而可以提供高質量的音頻和視頻。此外，通過添加新的軟件插件可以容易地對顯示器進行升級，從而增強顯示質量和功能。
因此，通過將不包括任何用于對視頻信號進行處理或轉換的設備的虛擬顯示設備(dummy display)連接到集成主處理器機箱，可以顯著降低顯示器的造價。作為替代，可以使用僅具有驅動器部分的簡單LCD/PDP面板，其能夠以極大降低了的造價提供高分辨率的顯示器。因為CPU(例如Intel Pentium4)可以提供處理能力，所以主處理器107可以執行多數傳統電視的功能，例如調諧、濾波、信號選擇、解交織以及調整大小。
即使信號來自模擬電視源，一旦從RF信號中選出了合成信號，那么本發明就可以使用嵌入到主處理器107中的軟件模塊或者與主處理器相連的外圍設備，數字化地獲取該合成信號并且執行所有濾波操作，以生成用于顯示器的YUV/RGB信號。因此，甚至是對于典型的模擬電視信號來說，通過對其進行數字化地處理，可以免除使用多數模擬部件，從而極大地降低了由信號轉換所引起的信號損耗和畸變。
本發明的實施例可以在一個中心位置進行這些信號的多數轉換。它還可以探測接收到的電視信號是模擬的還是數字的。它可以探測連接到系統的顯示設備的特性和屬性。可以使用軟件模塊115在主處理器107內完成所有對數字數據的操作。但是，如果必要，主處理器可以包括多個物理芯片。它可以包括另一個CPU或其它外圍芯片。本發明的一個好處在于可以減少或消除不必要的從數字到模擬或者從模擬到數字的轉換。
因此，系統可以控制視頻屬性，例如亮度、對比度、暖色度(colorwarmth)以及顯示分辨率。用戶可以通過手動方式或者使用優化參數自動地控制這些屬性。可以由用戶自己生成這些參數，或者從其它用戶或內容提供者獲取這些參數。而且，如上所述，處理器可以調整顯示信號，以便顯示信號與顯示器分辨率相適應。但是，很難在較大的屏幕上觀看較低分辨率的信號，這是因為很容易在較大的屏幕上看出這些低分辨率信號中的缺陷。當在目前在許多家庭影院系統中使用的72英寸(6英尺)或更大的屏幕上使用頭頂DLPTM投影儀時，上述問題尤為嚴重。對于大尺寸平板顯示器，例如102英寸PDP或80英寸LCD來說，情況也是如此。因此，處理器可以對這些低分辨率信號進行調整，以便可以在大屏幕上更清楚地顯示這些信號。通過這樣一種安排，將使許多家庭影院用戶可以在他們的系統上觀看標準清晰度(definition)節目以及高清晰度節目。
該系統還可以對顯示幀速率進行調整，以充分利用現代數字顯示設備的顯示能力。例如，記錄在DVD上的電影的幀速率為每秒24幀(fps)，并且NTSC DVD規格要求大約為30fps的刷新速率。但是現代數字顯示器的刷新頻率可以大于72Hz，也就是相當于36fps或者更高。因此，系統可以根據對相鄰兩幀的分析從而生成中間幀，以增加在具有較高刷新速率的數字顯示器上每秒鐘顯示的幀的數量。系統還可以基于根據視頻源顯示的場景中的運動進行調整，并且據此做出調整，包括更高的幀速率。
例如，在高速全景場景中，32英寸顯示器上的一英寸對應于大約120英寸顯示器上的四英寸。因此，用戶可能會注意到120英寸顯示器上出現的中斷，而用戶在32英寸顯示器上可能就不會注意到該中斷。
為了解決這些問題，本發明可以提供一種解決方案。當在可以實現大于72Hz的顯示刷新速率的現代數字顯示器上按照次序播放記錄在DVD上的具有24fps幀速率的傳統電影時，典型的方法是為附加的幀顯示重復的場景。
如圖14中所示，具有72Hz刷新速率的顯示器除了顯示24fps電影的原始幀之外，還可以顯示附加的兩幀。
傳統的方法在第n′幀和第n″幀上顯示同樣的第n個場景。同樣，第(n+1)′幀和第(n+1)″幀上顯示同樣的第(n+1)個場景。
但是，本發明可以為每個附加的幀分配權重。例如，第n′幀可以是將65％的第n幀和35％的第(n+1)幀合成后得到的。第n″幀可以是將35％的第n幀和65％的第(n+1)幀合成后得到的。
可以類似地調整第(n+1)個幀組。第(n+1)′幀包括65％的第(n+1)幀和35％的第(n+2)幀。第(n+1)″幀包括35％的第(n+1)幀和65％的第(n+2)幀。
這些幀調整可以總結如下n′＝n*0.65+(n+1)*0.35n″＝n*0.35+(n+1)*0.65通過為每個附加的幀應用權重，觀眾可以欣賞具有更好質量的視頻顯示。這里所顯示的權重，例如65％和35％，僅是任意的用來進行說明的數字，并且可以根據下述目的而變化幀速率補償、場景特性、觀眾的品味、觀看環境以及其它因素，并且并不限于上述這些因素。
參考圖11，如果源101是從RF信號拾取特定信道的RF調諧器，那么通過解調制器(未示出)可以立即使這些合成信號數字化，其中該解調制器可以是軟件模塊115或者連接到處理器107的外圍設備，并且在不通過濾波器或其它放大器的情況下，由CPU對轉換后的數字信號進行處理。因此，最終的輸出信號是可以輸入到例如PDP、LCD或DLP屏幕顯示器這樣的數字顯示設備150的數字RGB信號。
而且，在系統內還可以執行機頂盒功能，例如對有線、衛星或天線信號進行的調諧和解碼。可以將信號源直接連接到系統，隨后系統執行必要的功能從而發送適當的信號進行處理，以便觀看或收聽這些信號。
本發明提供的對多媒體信號的集中式處理通過消除冗余處理和不必要的信號轉換使得每種設備的硬件結構得到簡化，由此降低了造價。集中式處理還可以提供從源到最末端的對信號的數字化處理，并且提供了可以進行高級控制的高質量的圖像和音頻信號。
本發明提供了對音頻信號、視頻信號以及其它信息信號的集成式和集中式處理，并且通過對傳統部件進行功能分解從而消除了在不同的部件之間發送信號時進行的不必要的信號轉換。
參考圖10，一種典型的DVD包含使用MGEG 2壓縮的YUV數據，并且該DVD具有480i×60的場格式(field format)。傳統的DVD播放器首先對激光拾取設備讀取的信號進行解壓縮。然后，根據將要使用的顯示器對解壓縮的YUV數據進行處理。這樣的處理可以包括但不限于到用于模擬電視或VTR的合成信號的轉換；為非交織顯示設備進行解交織；為適當的屏幕分辨率進行調整；以及色彩增強。這些處理的細節在本領域中是公知的，并且本領域的技術人員知道顯示不同視頻信號所需的信號轉換的類型和方法。
本發明可以在處理器107中執行所有這些處理。因此，本發明的優選實施例通過除去每種部件(電視、VTR和DVD播放器)中的信號處理設備從而顯著降低了產品造價。同時，通過使用比在單個電視或DVD播放器中使用的傳統部件更強大的處理器來進行信號處理，也提高了整體性能。通過使用數字化編碼的視頻和音頻源以及可以對逐個象素進行數字化操作的顯示器，可以更好地實現本發明的這些優點。
下面將描述關于根據本發明的DVD播放器的操作的更多細節。DVD包含使用MPEG-2解碼協議的視頻信號，并且格式是480i×60場每秒。因此，為30場顯示240條奇數線信號，而為另外30場顯示240條偶數線信號。交替顯示奇數線和偶數線從而形成整個圖像。
但是，高清晰度顯示設備可以提供優于DVD固有分辨率的分辨率。存在可以提高或增強DVD輸出信號的特定方法。一種方法是從源拾取設備拾取480i信號并且對這些信號進行解交織。然后，使掃描線數量加倍并且將480p×60場的信號發送到顯示設備。這就是我們通常所說的逐行掃描，也就是說同時顯示全部480條線。HD-QDVD則比這更多。它將480線信號調整為720線信號，然后進行逐行掃描。可以在視頻源播放器中(例如DVD播放器)或在顯示器自身當中完成這種調整和逐行掃描。
但是，本發明使得可以在主處理器107中實現例如解交織和調整大小(即，縮放)的功能。可以在主處理器107中實現所有這些由不同的部件執行的功能。這就防止了對不同部件的重復投資并且通過節省這些資源，可以使用相同或更少的資源實現更高質量或者更多提高的顯示性能。
也就是說，從視頻源獲得了原始數字數據信號之后，本發明首先對這些信號進行處理，然后將它們輸出到數字顯示設備，例如LCD、PDP或DLPTM投影電視。這對于不需要進行轉換以驅動輸出設備的視頻來說尤其有利，這是因為來自處理器的最終輸出是由數字顯示設備可以直接使用的數字信號。通過這樣做，一旦獲得了數字信號就可以消除模擬-數字轉換。這使得通過一種廉價的方式顯著降低了發生信號畸變和出現噪聲的可能性。不僅如此，如在上述音頻設備或電視中的操作那樣，本發明通過除去冗余轉換設備可以降低終端部件(例如數字源拾取設備和數字輸出設備)的生產成本。本發明還可以提供非常靈活的結構，這是因為可以使用軟件來執行信號補償、調整大小或轉換等處理中的大多數處理。因此，如果出現了新版本或新協議，那么僅通過升級軟件就可以容易地更新設備。
此外，本發明提供了靈活的結構，使得系統可以有效地適合于附加到處理器機箱的部件。通常，一旦視頻源信號被解碼并且輸出到視頻顯示器，視頻顯示器就必須根據顯示設備的固有分辨率來轉換信號。
例如，即使視頻源輸出1920×1080格式的高分辨率信號，如果顯示器的固有分辨率并不符合這種高分辨率，那么視頻顯示器就需要對將該高分辨率信號調整到1280×720或865×480格式，以便根據顯示器的分辨率顯示該信號。這需要額外的不必要的信號轉換，而這會導致信號質量下降，因此導致圖像質量下降。
本發明通過利用它的靈活結構，通過主處理器107將信號轉換為完全與顯示器的固有分辨率相匹配的格式，可以解決上述這些問題。系統通過用戶輸入或通過與其連接的顯示器之間的通信，可以檢測顯示器的尺寸、分辨率或其它特性。在后一種情況下，顯示器可以響應于請求將它的顯示器特性發送到系統的主處理器。
如果與其連接的顯示器可以支持這種高分辨率，那么主處理器107可以輸出1920×1080的高分辨率信號。如果與其連接的顯示器所支持的分辨率最大為865×480，那么主處理器107可以容易地將視頻信號轉換為這種格式并且將轉換后的信號發送到顯示器。因此，本發明可以提供與任意給定的顯示設備完全匹配的信號，這是因為由主處理器使用軟件對所有輸出信號進行處理，而不是利用物理上分離的專用的轉換芯片或電路。
處理器可以進行其它類型的轉換，以便解決顯示器中的異常。例如，顯示設備可能需要高端光學元件，例如透鏡、光源、反射鏡、前玻璃板以及傳感器，以便提供真正的高清晰度顯示。否則，這些元件中的異常會使輸出圖像的質量下降。美國專利申請公開2004/076336描述了一種用于“彎曲(warping)”圖像的方法，以便可以產生用于克服圖像捕獲或圖像顯示設備中出現的異常的校正效果。在捕獲設備或顯示設備自身當中使用了一種處理器。
但是，在本發明的另一個實施例中，主處理器107可以用于對視頻信號進行上述校正調整。主處理器可以通過軟件執行這些調整，或者通過利用特殊外圍電路(例如Silicon Optix sxW1-LX芯片)執行這些調整。因此，不需要在顯示器中添加額外的處理電路，由此使得可以生產出具有較低價格的高質量的顯示器。
將DLPTM背投(rear projector)用作數字顯示器也會帶來特殊問題，因為與PDP和LCD顯示器不同，DLPTM背投不是平的，并且為了實現更大的顯示尺寸，需要占據較大空間。在背投DLPTM顯示器中，圖像投影儀將圖像投影到位于顯示器箱后部的反射鏡上，并且該反射鏡將圖像反射到屏幕上以供觀看。對于較大的屏幕尺寸來說，在屏幕和反射鏡之間必須有足夠的投影距離以便可以正確地顯示被反射的圖像。因此，DLPTM背投顯示器與其它類型的數字顯示器相比體積相對較大。為了減小這些顯示器的深度，使用了一種曲面反射鏡，以便降低實現較大的顯示器所需的投影距離。減少投影距離的另一種典型方法是通過多個反射鏡對圖像進行反射，可以以比觀看角度更廣的角度來放置反射鏡。但是，由這些可選擇性配置的DLPTM背投顯示器所顯示的圖像通常會發生畸變。
美國專利申請公開2003/0231261利用由DLPTM顯示器的結構引起的畸變，通過對圖像進行“預畸變”從而解決了上述這些問題以正確地顯示圖像。本發明不需要在顯示器自身當中提供這種預畸變。而是，可以由主處理器107執行這種預畸變，因而本發明的實施例可以使用配備了虛擬DLPTM背投顯示器的集成多媒體處理系統，其中，該虛擬DLPTM背投顯示器具有減小投影距離的需求。
可以由本發明實現的這種對圖像的預調整并不限于背投顯示器。對于普通的投影顯示器，本發明可以基于透鏡和其它光學設備的屬性和特性進行預調整以便正確顯示圖像。因此，為了實現高質量的圖像顯示，并不需要使用會極大增加顯示器造價的高端部件和透鏡。
可以將所有關于顯示器特性的信息存儲在顯示器中并且在需要時由系統的主處理器取得。
總而言之，本發明利用在數字音頻/視頻源和數字顯示設備方面的發展，最終將音頻、視頻、互聯網以及媒體存儲集成到一個功能設備中。到目前為止，已經對本發明的系統和方法進行了討論，該系統和方法利用數字音頻/視頻源和近來開發出的數字視頻顯示器提供了較高質量的音頻和視頻體驗。接下來將描述本發明有關互聯網和存儲功能的方面。
在本發明的另一個實施例中，集成多媒體處理系統可以包括存儲設備，從而便于根據音頻或視頻源對系統進行動態定制。通過分解家庭娛樂系統的典型部件的功能并且通過在一個處理器中實現這些功能，也可以使得通過一個簡單的控制接口就能控制相當復雜的多媒體系統。因此，本發明的另一個方面是關于一種集成多媒體控制系統，其中，音樂或視頻以及其它多媒體源存儲在一種海量存儲設備中。
圖12顯示了一個與系統100的主處理器107進行通信的海量存儲設備501。海量存儲設備可以從外部連接到集成音頻/視頻系統100或者集成到該系統內部，并且海量存儲設備包括用于存儲媒體特性的數據庫503。任選的，還可以包括信號識別模塊505，并且該模塊可以是連接到處理器107的軟件模塊。其它的軟件模塊115有存檔系統510，用于將內容存檔在存儲設備501中；信息采集系統515，用于結合存檔系統510來分析存儲的離線內容，或者用于結合信號識別模塊505來分析實時內容，以便在數據庫503中使用；以及信息提取系統520，用于從數據庫503檢索分析過的內容特性。
信號識別模塊505可以識別所播放的音頻的類型或所顯示的圖像的類型所特有的特定類型的信號。例如，特定的音頻信號特性可能與爵士音樂的最佳呈現相關，或者特定的視頻信號可能與動作電影中的動態場景的最佳顯示相關。接下來將詳細描述提供信號識別模塊或者其它類似的反饋及控制機制的優點。
典型的，由于用戶通常不對系統進行操作，除非例如用戶希望在某個時間聽音樂或看電影，所以家庭娛樂系統實時地輸出音頻和視頻信號。無論何時如果用戶想欣賞CD或DVD，那么為了進行實時播放，用戶必須將源(CD或DVD)放入播放器中。可以使用自動唱片點唱機將多種音樂源(CD或LP)和DVD集成到一起以便用戶選擇所希望的媒體。
但是，聚積音頻和視頻媒體的另一種方法是將它們存儲到海量存儲設備中，例如硬盤、閃存或者任何其它可能的海量存儲設備。這里，海量存儲設備501可以是包含在機箱中的存儲設備，例如PC中的硬盤，或者是外部設備或互聯網。海量存儲設備并不限于上述這些，并且可以使用將來新開發出的任意類型的海量存儲設備或它們的等效物。可以使用任何適當的通信方法連接海量存儲設備501，例如使用互聯網、USB或火線。
其它家庭娛樂系統部件也可以存儲音頻和視頻媒體，例如用于視頻的Tivo系統或用于音頻的Bose Lifestyle系統。但是，這些系統并不能提供本發明通過對部件進行功能分解所實現的音頻/視頻增強。
更重要的是，根據本發明的一個實施例，通過對這種媒體的在線分析或離線分析，可以采集關于存儲在海量存儲設備501中的媒體的大量的補充信息。接下來將描述如何使用這種補充信息。
例如，存儲設備501可以包含弦樂協奏曲媒體文件。例如，處理器107可以使用信息采集軟件對存儲于硬盤中的弦樂協奏曲進行離線分析。也就是說，當音樂未被播放時，計算機可以分析音頻源，并且將弦樂標記為高頻音頻源，而將聲樂標記為中頻音頻源，將打擊樂標記為低頻音頻源。當音樂未被播放時，可以由中處理器107或其它信息采集系統515結合存檔系統510來進行這種分析。一旦識別出音樂特性，就可以將這些音樂特性存儲到數據庫503中并且可以由信息提取系統520進行檢索以調整輸出信號，以便輸出信號與這些特性相適應。例如，為了強調小提琴的高頻音，處理器可以根據離線分析自動地將高頻范圍的分音從2KHz調整到1.7KHz。這可以通過增加小提琴的高頻范圍從而產生更好的聲音。使用海量存儲設備的典型家庭娛樂系統并不能提供這些自動的控制特性。通常，如果聽者希望將分音頻率從2KHz變為1.5KHz，那么為了實現這些改變他必須手動調整昂貴的數字分音網絡。這樣的操作需要人工介入并且取決于聽眾的判斷力。
但是，在本發明的一個實施例中，計算機可以通過分析聲波或數字代碼的組合從而對音樂進行分析。系統可以確定弦樂協奏曲產生了大量高頻音，并且可以調整分音網絡，該分音網絡對于特定的收聽環境來說是優化的。
此外，系統100可以分析收聽房間環境。可以提供一個輸入設備105，例如麥克風，來監控系統生成的聲音，并且該輸入設備根據收聽房間的聲音反射或吸收向系統提供反饋。根據該反饋，處理器可以做出改變以便對收聽環境特性進行補償。例如，在特定房間結構中，對低音頻率會產生不均衡的吸收。在這種情況下，處理器可以增加低音輸出以便補償被吸收的低音。另一方面，如果高頻聲音產生了過量的反射，那么處理器就會降低高頻輸出以便實現最佳收聽體驗。
也可以根據收聽環境的其它因素動態地調整音頻特性。例如，可以根據揚聲器互相之間的位置進行調整。因此，如果輸入設備105檢測到左前方的揚聲器所處的位置比右前方的揚聲器所處的位置遠，那么可以進行調整，通過增加左前方的揚聲器的音量來平衡聲音。也可以根據聽眾在房間中的位置進行調整。因此，例如，如果聽眾位于房間的后部，那么可以降低后方揚聲器的音量，而增加前方揚聲器的音量。還可以根據聽眾數量的多少進行調整。在上述這些情況下，輸入設備可以是一臺相機。
可以將同樣的調整特性用于調整視頻輸出。可以將電視節目記錄在海量存儲設備501上，例如Tivo或任意其它DVR。處理器通過在觀者收看所存儲的節目之前檢查該節目，可以檢測到廣告部分，然后可以跳過或刪除這些廣告。另一方面，根據這些廣告信息，用戶可以與賣主聯系以便購買在廣告中出現的產品。因此，本發明通過按照離線的方式對信息進行處理生成了額外的源信息，從而利用了海量存儲。
此外，可以離線地對視頻剪輯進行分析，并且容易地供今后使用。例如，一個用戶可以對存儲的視頻媒體進行分析從而找出顯示了香蕉的場景。另一個用戶可以對該媒體進行分析從而找出具有10人以上的場景。通過分析這些視頻源，人們可以收集特定類型的圖像，例如風景、日出、日落、摩天大廈、人臉、降雪以及海景等。一旦系統在未使用時(即離線時)對存儲的視頻媒體進行了分析并且標記了場景，那么可以非常容易地找到這些被標記了的場景。這對于視頻編輯、組織數字相冊以及其它圖像相關的應用來說可能非常有用。
同樣，根據通過對視頻媒體進行離線處理而生成的信息，可以按照與調整音頻以提供最佳聽覺體驗相類似的方式調整視頻輸出信號以提供最佳視覺體驗。例如，如果視頻信號將要輸出一長串的藍色海洋的場景，那么本發明可以調整視頻信號的特定方面或者根據觀看環境(例如周圍的燈光)進行調整，從而使視頻信號對于所連接的視頻顯示器來說是最佳的。系統還可以根據觀眾與顯示器的距離調整圖像特性，例如色彩強度和亮度。系統可以“學習”不同類型圖像的最佳特性，并且將這些數據存儲到海量存儲設備501中。
也就是說，海量存儲和強大的集中式集成音頻/視頻處理器的組合可以實現對所存儲的音頻和視頻媒體進行離線處理，從而生成補充信息，并且以后可以將這些補充信息用于增強用戶的整體聽覺和視覺體驗。另外，由于提供了中央控制，音頻或視頻鑒賞家可以選擇通過手動方式操作音頻和視頻信號，并且可以將海量存儲設備501上的數據庫503用于存儲這些鑒賞家對特定類型媒體的優選設置，另外還可以存儲不同的用戶簡介(profile)以便進一步個性化系統。
因此，用戶可以將媒體內容存儲到海量存儲設備501上，并且信息采集系統515對海量存儲設備的內容進行分析并且構建內容特性的數據庫。信息提取系統520使用采集到的內容的特性信息，即補充信息，并且調整系統的參數。例如，信息提取系統520可以調整音頻信號的音量、濾波以及分音控制，并且可以控制視頻信號的縮放和色彩增強。使用該實施例，用戶就擺脫了當播放的媒體內容改變時控制收聽和觀看條件的麻煩。
參考圖13，可以在互聯網上共享這些補充信息以及個性化設置和特征概貌。這使得用戶在確定最佳音頻/視頻設置時不需要嘗試試驗方法和錯誤方法，因為在系統的用戶之間可以共享這些設置。可以生成這些信息并將其放在中央數據庫中以供出售，或者可以在網絡社區(cyber community)數據庫中的用戶之間共享這些信息。
因為本發明使用了PC結構，所以該系統在使用任何適當的設備以便提供互聯網連接方面具有很大的靈活性，其中這些互聯網連接例如以太網連接、無線802.11a/b/g連接、數字用戶線(digital subscriberline)調制解調器、線纜調制解調器(cable modem)或者普通電話調制解調器。還可以通過這種連接發送軟件模塊。而且，可以通過這種連接將個性化的媒體，例如電影、電視節目或者音樂發送到系統。可以根據用戶的要求發送這種媒體，或者根據用戶偏好自動地提供這種媒體，其中，用戶偏好是由主處理器對存儲在海量存儲設備501中的內容或已被觀看或收聽的媒體進行評估而確定的。
在圖13的媒體—數據庫共享系統中，媒體系統100還可以包括目標源101、可以包括在數據庫503中的管理器504以及可以包括在信息提取系統520中的導航器521。管理器504與社區服務器550進行通信，其中該社區服務器包括媒體數據庫552、關鍵字搜索模塊556、數據庫管理器560。社區服務器可以還包括更新請求模塊，用于對存儲在社區570中其他用戶的數據庫中的媒體信息或來自中央提供者的媒體信息進行訪問。管理器504根據用戶輸入108從目標媒體源101獲取媒體特性。導航器521可以根據用戶輸入108從管理器檢索這種信息以調整輸出信號。
另外，管理器504可以向社區服務器550查詢媒體信息。關鍵字搜索模塊556處理來自管理器504的請求。來自管理器504的請求可以是由直接用戶輸入108而導致，或者是自動發出的要求提供給定類型媒體的理想特性的請求。數據庫管理器560在媒體數據庫552中搜索關于目標媒體的信息。數據庫管理器也可以使用更新請求模塊564在社區570中查詢關于目標媒體源101的信息，其中該社區570可以是其它相連的用戶或者中央提供者。數據庫管理器560根據響應于社區查詢而接收到的信息對媒體數據庫552進行更新。搜索結果將被發回到管理器504并且被用于按照上述方式調整音頻輸出。社區服務器550可以向管理器504查詢數據庫503中的媒體信息，從而向社區570中的其他用戶提供這種信息。
存檔系統510可以按照多種方式組織檢索到的數據和存儲的數據。優選的，按照媒體類型(例如節目的格式或類型)組織媒體和顯示/收聽參數。例如，可以按照最佳顯示分辨率對媒體進行分組，這是因為它們的最佳顯示特性可能是類似的。還可以按照類型對媒體進行分組，從而用戶可以找到他們喜歡的媒體。例如，可以將電影分類為喜劇、戲劇、恐怖片、動作片以及科幻片等等。類似的，可以將音樂分類為爵士樂、古典音樂、R&B、big-band以及Top 40等等。用戶還可以根據他們自己的偏好進行種類設置。
可以由社區服務器(例如預付費或點播系統)提供包含了用于優化顯示或用于提供最佳聽覺體驗的參數的實際媒體。內容提供者可以向拷貝保護裝置提供媒體或參數本身，使得只有通過網絡連接將這些數據所發送到的系統才可以使用這些媒體和/或參數。這種拷貝保護技術可以包括限制媒體可被使用的次數、限制媒體可用的時間、在媒體中嵌入特定系統唯一具有的代碼，或者本領域的技術人員公知的其它技術。
因為本發明的集成系統具有靈活的結構，所以用于從社區服務器檢索媒體的用戶接口可以具有多種形式。可以提供一種基于web的接口，其中用戶可以選擇具有最適合于用戶品味的最佳顯示或收聽參數的媒體。例如，當選擇具有較暗的顯示特性的恐怖電影時，用戶可以選擇符合用戶品味的提供該電影的“較亮”版本的參數。另外，該用戶還可以選擇符合他的品味的音頻特性。在該恐怖電影的例子中，用戶可以決定選擇高低音(high-bass)音頻軌道以使得該電影更加刺激。通過這種用戶接口還可以實現對音頻媒體的類似選擇。
本發明的該實施例的用戶可以將他們的補充信息上傳到服務器或者從該服務器下載由其他用戶生成的其它補充信息。用戶之間還可以交換信息，而不需要使用服務器，例如在對等網絡中交換信息。現在，用戶可以更加容易和方便地找到正確操作他們的系統或創造滿足他們的品味的正確環境所需的信息。
此外，還可以提供其它的互聯網功能，例如IP語音(VoIP)電話服務、電話會議、視頻會議、電子郵件、文件共享、因特網瀏覽以及因特網通信等。此外，靈活的PC結構使得系統可以起到PC的作用，并且可以運行例如辦公應用程序的計算機程序，例如字處理、報表以及演示軟件等等。
PC結構再加上提高的音頻/視頻能力使得本發明的系統也適合作為游戲控制臺。可以將軟件模擬器用于模擬其它游戲系統或者開發一種專有系統。此外，如果存在互聯網連接，那么系統可以運行已經非常流行的網絡游戲，例如X-BoxLive或者EA SportsTMOnline。可以按照與上述共享系統控制設置信息的網絡社區類似的方式提供這種服務。還可以按照與音頻和視頻媒體類似的方式通過互聯網將游戲內容發送到系統。
盡管參考具體實施例詳細描述了本發明，但是本領域的技術人員可以理解，在不脫離由所附權利要求定義的本發明的精神和范圍的情況下，可以對本發明做出各種修改和替換。
權利要求
1.一種集成音頻處理系統，包括音頻源；中央處理單元，用于響應來自所述音頻源的音頻信號；以及數字音量控制模塊，用于調整所述音頻信號從而為所述音頻信號的所有音頻頻率提供等響度級。
2.如權利要求1所述的系統，其中，所述數字音量控制模塊根據對應于每個頻率的預設響度值調整所述音頻信號。
3.如權利要求1所述的系統，其中，所述數字音量控制模塊包括頻率分離模塊，用于將所述音頻信號分離為多個頻率范圍；參考數據模塊，用于提供參考數據；信號調整模塊，用于根據所述參考數據調整所述分離的音頻信號；以及頻率合成模塊，用于將所述調整過的音頻信號進行合成。
4.如權利要求3所述的系統，其中，所述頻率分離模塊根據所述參考數據分離所述音頻信號。
5.如權利要求3所述的系統，其中，中頻范圍中的調整大于低頻范圍中的調整。
6.如權利要求4所述的集成音頻處理系統，還包括輸入設備，用于向所述數字音量控制模塊提供聽眾位置信息；放大器，用于響應于多個揚聲器驅動信號以生成多個揚聲器驅動電流；以及多個虛擬揚聲器，由所述多個揚聲器驅動信號直接驅動所述多個虛擬揚聲器，其中，所述數字音量控制模塊響應于所述聽眾位置信息進一步調整所述音頻信號。
7.如權利要求6所述的集成音頻處理系統，其中，所述輸入設備是圖像捕獲設備。
8.如權利要求6所述的集成音頻處理系統，其中，所述聽眾位置信息是聽眾與所述多個虛擬揚聲器中的一個虛擬揚聲器之間的角度。
9.如權利要求6所述的集成音頻處理系統，其中，所述聽眾位置信息是聽眾與所述多個虛擬揚聲器中的一個虛擬揚聲器之間的距離。
10.一種集成音頻處理系統，包括音頻源；中央處理單元，用于響應來自所述音頻源的音頻信號；數字音量控制模塊，用于調整所述音頻信號；輸入設備，用于向所述數字音量控制模塊提供聽眾位置信息；以及多個揚聲器，用于根據所述處理過的音頻信號輸出音頻，其中，數字音量控制模塊響應于所述聽眾位置信息調整所述音頻信號。
11.如權利要求10所述的集成音頻處理系統，其中，所述輸入設備是圖像捕獲設備。
12.如權利要求10所述的集成音頻處理系統，其中，所述聽眾位置信息是聽眾與所述多個揚聲器中的一個揚聲器之間的角度。
13.如權利要求10所述的集成音頻處理系統，其中，所述聽眾位置信息是聽眾與所述多個揚聲器中的一個揚聲器之間的距離。
14.一種集成音頻處理系統，包括音頻源；中央處理單元，用于響應來自所述音頻源的音頻信號；以及與所述中央處理單元相連的揚聲器；其中，所述揚聲器將性能特性發送到所述中央處理單元，以及其中，所述中央處理單元響應于所述發送的性能特性處理所述音頻信號。
15.如權利要求14所述的集成音頻處理系統，其中，所述揚聲器響應于來自所述中央處理單元的查詢以發送所述性能特性。
16.如權利要求15所述的集成音頻處理系統，其中，所述揚聲器包括存儲設備，該存儲設備包含所述性能特性。
17.如權利要求14所述的集成音頻處理系統，其中，所述性能特性是在整個頻譜上的聲音再現能力；額定輸出功率；推薦的放大功率；輸入阻抗；揚聲器外殼尺寸；靈敏度；分音頻率；或者副揚聲器部件的數量。
18.一種用于控制聲音再現的響度的方法，包括接收音頻信號；獲取控制請求；將所述音頻信號分離為多個頻率范圍；根據所述獲取的控制請求調整所述多個頻率范圍中的每個頻率范圍內的音頻信號；以及將所述多個頻率范圍中的每個頻率范圍內的調整過的音頻信號進行合成，以便進一步處理以生成音頻輸出。
19.如權利要求18所述的方法，其中，所述參考數據是對應于每個頻率范圍的預設響度值。
20.如權利要求19所述的方法，其中，預設響度值基于人類對相應于每個頻率范圍的聲壓級的敏感度。
21.如權利要求20所述的方法，其中，根據用戶輸入對所述參考數據進行修改。
22.如權利要求18所述的方法，還包括確定用戶相對于聲音再現源的位置，其中，所述參考數據是關于人類對相應于每個頻率范圍的聲壓級的敏感度的信息。
23.如權利要求22所述的方法，其中，確定所述用戶的位置包括測量所述用戶與所述聲音再現源之間的角度。
24.如權利要求23所述的方法，其中，水平地測量所述用戶與所述聲音再現源之間的角度，以及垂直地測量所述用戶與所述聲音再現源之間的角度。
25.如權利要求18所述的方法，其中，所述參考數據對應于根據用戶輸入的用戶偏好。
26.如權利要求18所述的方法，其中，所述參考數據是聲音再現源特性。
27.如權利要求26所述的方法，其中，所述聲音再現源特性是在整個頻譜上的聲音再現能力；額定輸出功率；推薦的放大功率；輸入阻抗；揚聲器外殼尺寸；靈敏度；分音頻率；或者副揚聲器部件的數量。
28.如權利要求18所述的方法，其中，所述參考數據是純音的標準等響度級曲線。
29.一種用于調整音頻信號的方法，包括查詢聲音再現設備；從所述聲音再現設備獲取信息；響應于所述信息確定聲音再現設備性能特性；以及響應于所述聲音再現設備性能特性處理來自音頻源的音頻信號。
30.如權利要求29所述的方法，其中所述聲音再現設備性能特性是在整個頻譜上的聲音再現能力，以及處理所述音頻信號包括根據所述在整個頻譜上的聲音再現能力調整所述音頻信號的分音頻率。
31.如權利要求29所述的方法，還包括向用戶提供所述聲音再現設備性能特性；獲取用戶輸入以根據用戶偏好修改聲音再現設備性能特性。
32.如權利要求31所述的方法，其中，通過圖表將所述聲音再現設備性能特性提供給所述用戶。
33.如權利要求31所述的方法，其中，提供給所述用戶的所述聲音再現設備性能特性是推薦的分音頻率的最佳范圍。
34.如權利要求29所述的方法，其中，所述信息是聲音再現設備標識符。
35.如權利要求34所述的方法，還包括響應于所述聲音再現設備標識符查找所述聲音再現設備性能特性。
36.如權利要求29所述的方法，其中，所述信息是聲音再現設備揚聲器性能特性。
37.如權利要求29所述的方法，其中，所述性能特性是在整個頻譜上的聲音再現能力；額定輸出功率；推薦的放大功率；輸入阻抗；揚聲器外殼尺寸；靈敏度；分音頻率；或者副揚聲器部件的數量。
38.一種用于控制音頻信號的方法，包括接收音頻信號；獲取關于聲音接收的信息；將所述音頻信號分離為多個頻率范圍；檢查所述頻率范圍中的每一個頻率范圍的參考數據；根據所述參考數據和所述關于聲音接收的信息調整所述多個頻率范圍中的每個頻率范圍內的音頻信號；以及將所述多個頻率范圍中的每個頻率范圍內的調整過的音頻信號進行合成，以便進一步處理以生成音頻輸出。
39.如權利要求38所述的方法，其中，所述關于聲音接收的信息是聲音接收器相對于聲音源的位置。
40.如權利要求39所述的方法，其中，所述參考數據對應于所述聲音源的再現特性，所述聲音源的再現特性基于所述聲音接收體相對于所述聲音源的位置。
41.如權利要求40所述的方法，其中，所述參考數據對應于所述頻率范圍中的每個頻率范圍的聲壓級。
42.如權利要求41所述的方法，其中，所述聲壓級對應于所述聲音接收體與所述聲音源之間的角度。
43.如權利要求41所述的方法，其中，所述聲壓級對應于所述聲音接收體與所述聲音源之間的距離。
44.如權利要求40所述的方法，其中，所述聲音接收體是人類。
45.如權利要求40所述的方法，其中，所述聲音源是揚聲器單元。
全文摘要
對多媒體信號的集成式處理可以在不減少典型的家庭娛樂系統部件的功能的情況下消除不必要的信號處理器和轉換器。集成多媒體系統包括一種數字化地捕獲和處理信號的主播放器。該主播放器對音頻信號進行調整，通過補償人耳對不同頻率聲音的敏感度從而使音頻輸出中的所有頻率具有相同響度。該主播放器還可以通過檢測用戶的位置從而獲取聽者與揚聲器之間的角度，并且根據該角度做出相應調整從而補償人類感知的響度差別。本發明還提供了一種揚聲器，其中該揚聲器中具有性能特性或者標識符，并且通過這些性能特性和標識符，系統可以為特定的系統提供最佳揚聲器驅動電流，或者確定如何以最佳方式在集成系統中實現揚聲器。
文檔編號H04R1/20GK1822711SQ20051009707
公開日2006年8月23日 申請日期2005年12月30日 優先權日2004年12月30日
發明者哲·鐘 申請人:蒙多系統公司