DE102015201223A1

DE102015201223A1 - Method for operating a microphone array

Info

Publication number: DE102015201223A1
Application number: DE102015201223.9A
Authority: DE
Inventors: Gregor Zielinsky; Shanshan Fu
Original assignee: Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2016-07-28

Abstract

Somit wird ein Verfahren zum Betreiben eines Mikrofon-Arrays (100) mit einer Mehrzahl von Mikrofonen (110) und einer Steuereinheit (120) vorgesehen. Eine Mehrzahl von Beams (B1–B8) und Parameter der Mehrzahl der Beams (B1–B8) wird bei einer Konfiguration des Mikrofon-Arrays (100) berechnet oder bestimmt. Falls die gewünschte Position einer Audioquelle oder eines Audiosignals sich zwischen benachbarten Beams (B1–B8) befindet, erfolgt ein Faden oder Überblenden zwischen benachbarten Beams (B1–B8).Thus, a method for operating a microphone array (100) having a plurality of microphones (110) and a control unit (120) is provided. A plurality of beams (B1-B8) and parameters of the plurality of beams (B1-B8) are calculated or determined in a configuration of the microphone array (100). If the desired position of an audio source or an audio signal is between adjacent beams (B1-B8), a thread or crossfading occurs between adjacent beams (B1-B8).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Mikrofon-Arrays.The present invention relates to a method for operating a microphone array.

Verfahren zur Erfassung von Audiosignalen sind hinreichend bekannt. Typischerweise wird eine Mehrzahl von Mikrofonen vorgesehen, um z.B. ein Konzert oder dergleichen aufzuzeichnen. Typischerweise wird hierbei jedem Sänger und jedem Instrument ein Mikrofon zugeordnet. Die Ausgangssignale der jeweiligen Mikrofone werden erfasst und können gegebenenfalls einer Audiosignalverarbeitung zugeführt werden.Methods for detecting audio signals are well known. Typically, a plurality of microphones are provided, e.g. to record a concert or the like. Typically, a microphone is assigned to each singer and each instrument. The output signals of the respective microphones are detected and can optionally be supplied to audio signal processing.

Es sind ebenfalls Mikrofon-Arrays bekannt, welche auch zur Erfassung von Audiosignalen verwendet werden. Ein Mikrofon-Array weist typischerweise eine Mehrzahl von Mikrofonen auf, die räumlich voneinander getrennt sind. Aufgrund einer festen physikalischen und räumlichen Beziehung zwischen den verschiedenen Mikrofonen kann mittels einer Steuereinheit oder eines Computers eine digitale Signalverarbeitung der Ausgangssignale der jeweiligen Mikrofone durchgeführt werden, um mindestens ein virtuelles Mikrofon zu erhalten. Mittels der digitalen Signalverarbeitung kann die Richtcharakteristik der virtuellen Mikrofone beeinflusst werden. Mit einem Mikrofon-Array kann eine gewünschte Richtcharakteristik eingestellt. Die spezielle Richtcharakteristik eines Mikrofon-Arrays kann als Beam bezeichnet werden.There are also known microphone arrays, which are also used for the detection of audio signals. A microphone array typically has a plurality of microphones that are spatially separated. Due to a fixed physical and spatial relationship between the various microphones, digital signal processing of the output signals of the respective microphones can be performed by means of a control unit or a computer in order to obtain at least one virtual microphone. By means of digital signal processing, the directional characteristics of the virtual microphones can be influenced. With a microphone array can set a desired directional characteristics. The specific directional characteristic of a microphone array can be referred to as a beam.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Erfassen von Audiosignalen vorzusehen, welches ein Mikrofon-Array verwendet und eine verbesserte Einstellmöglichkeit während des Betriebs (im Aufnahmemodus) des Mikrofon-Arrays ermöglicht.It is an object of the present invention to provide a method of detecting audio signals that uses a microphone array and allows for improved adjustment during operation (in the capture mode) of the microphone array.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a method according to claim 1.

Somit wird ein Verfahren zum Betreiben eines Mikrofon-Arrays mit einer Mehrzahl von Mikrofonen und einer Steuereinheit vorgesehen. Eine Mehrzahl von Beams und Parameter der Mehrzahl der Beams wird bei einer Konfiguration des Mikrofon-Arrays berechnet oder bestimmt. Falls die gewünschte Position einer Audioquelle oder eines Audiosignals sich zwischen benachbarten Beams befindet, erfolgt ein Faden oder Überblenden zwischen benachbarten Beams.Thus, a method for operating a microphone array with a plurality of microphones and a control unit is provided. A plurality of beams and parameters of the plurality of beams are calculated or determined in a microphone array configuration. If the desired position of an audio source or an audio signal is between adjacent beams, a thread or fading occurs between adjacent beams.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Mikrofone des Mikrofon-Arrays ein ein- oder zweidimensionales Feld ausbilden.According to one aspect of the present invention, the microphones of the microphone array can form a one- or two-dimensional field.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist mindestens ein Mikrofon des Mikrofon-Arrays derart ausgestaltet, dass es eine veränderbare bzw. steuerbare Richtcharakteristik aufweist. Die steuerbare Richtcharakteristik des Mikrofons kann durch die Steuereinheit verändert bzw. gesteuert werden.According to a further embodiment of the invention, at least one microphone of the microphone array is designed such that it has a variable or controllable directional characteristic. The controllable directional characteristic of the microphone can be changed or controlled by the control unit.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Signale des Mikrofon-Arrays zu mindestens einem Stereobild zusammengefügt werden oder mindestens ein Kanal als Ausgangssignal zur weiteren Verarbeitung an mindestens ein Multikanalsystem ausgegeben werden.According to a further aspect of the present invention, the signals of the microphone array can be combined to form at least one stereo image or at least one channel can be output as output signal for further processing to at least one multi-channel system.

Die Erfindung betrifft den Gedanken eine störungsfreie und latenzfreie Steuerung und Änderung des Beams oder der Beams eines Mikrofon-Arrays zu ermöglichen. Hierbei sollen die Richtung des Beams, der Öffnungswinkel des Beams und die Positionen von Multibeams einstellbar sein.The invention relates to the idea of allowing a trouble-free and latency-free control and modification of the beam or the beams of a microphone array. Here, the direction of the beam, the opening angle of the beam and the positions of multibeams should be adjustable.

Während einer Aufnahme besteht oft der Wunsch, zwischen mehreren verschiedenen Beams zu wechseln, beispielsweise um den Höreindruck des Raumes zu verändern, Beams auf einzelne Künstler (Solisten) auszurichten oder Störgeräusche auszublenden oder zu mindern. Schaltet man zu diesem Zweck zwischen verschiedenen Beams um oder rechnet gar neue Richtcharakteristiken, so kommt es typischerweise zu störenden Klangveränderungen. Nimmt man die hierfür nötigen Berechnung während des Betriebs des Mikrofon-Arrays vor, so kommt es durch die Neubelegung der Filterkoeffizienten in der Regel zu unschönen Effekten wie geschwindigkeitsabhängigen oder -unabhängigen Latenzen, Klangveränderungen oder Klicken und Knacksgeräuschen. Diese sind hörbar und werden bei hochwertigen Tonaufnahmen als Störungen wahrgenommen. Aus diesem Grund müssen sie unbedingt vermieden werden. Selbst wenn man durch geschickte Algorithmen beim Ändern der Filterkoeffizienten ein Knacken oder Klicken vermeiden kann, kommt es doch durch Ändern der Filterkoeffizienten während aktiven Gebrauchs zu starken Nichtlinearitäten, die durchaus als störend wahrgenommen werden können.During a recording, there is often a desire to switch between several different beams, for example, to change the sound impression of the room, to align beams to individual artists (soloists) or to hide or reduce noise. If you switch between different beams for this purpose or even expect new directional characteristics, it usually leads to disturbing sound changes. If one takes the necessary calculation during the operation of the microphone array, the new filter coefficients generally lead to unsightly effects such as speed-dependent or independent latencies, sound changes or clicks and clicks. These are audible and are perceived as disturbances in high-quality sound recordings. For this reason, they absolutely must be avoided. Even if clever algorithms avoid cracking or clicking when changing the filter coefficients, changing the filter coefficients during active use results in strong nonlinearities that can be quite annoying.

Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, eine Veränderung der Parameter eines Beams nicht während der Benutzung zwecks Tonaufnahme zu berechnen, sondern in einer vorher stattfindenden Konfigurationsphase. Hierzu wird vorab eine Anzahl von Beams berechnet und wenn diese berechneten Beams nicht ausreichen, dann können Pegel benachbarter Beams weich ineinander übergeblendet werden. Dies kann durch Crossover-Kurven, durch einen Übergabepunkt oder durch Anzahl der gleichzeitig im Feld verwendeten Beams gesteuert werden.According to the invention, it is proposed not to calculate a change in the parameters of a beam during use for the purpose of sound recording, but rather in a configuration phase which precedes it. For this purpose, a number of beams is calculated in advance and if these calculated beams are not sufficient, then levels of adjacent beams can be soft blended into each other. This can be controlled by crossover curves, by a transfer point or by the number of beams used in the field simultaneously.

Eine Überblendung kann dabei je nach angestrebtem akustischem Effekt durch unterschiedliche Methoden erfolgen. So kann beispielsweise die zeitliche Funktion, nach der die Intensität des einen Beams ausgeblendet und gleichzeitig die eines anderen eingeblendet wird, verschieden ausgeführt sein. Die zeitliche Überblendung erfolgt typischerweise nach sogenannten „Crossover-Kurven“, diese können beispielsweise linear, logarithmisch oder als S-Kurve ausgeführt sein. Mit einer logarithmischen Funktion kann man z.B. eine „Equalpower-Kurve“ erreichen, die ein Absinken der subjektiv empfundenen Lautstärke während des Überblendens vermeidet.A crossfade can be done by different methods depending on the desired acoustic effect. For example, the temporal function, according to which the intensity of one beam is hidden and at the same time the one of another is displayed, be executed differently. The temporal blending is typically done according to so-called "crossover curves", these can be performed, for example, linear, logarithmic or S-curve. With a logarithmic function one can eg achieve an "Equalpower curve", which avoids a decrease of the subjectively perceived volume during the crossfading.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Das Mikrofon-Array kann aus einer eindimensionalen Anordnung bestehen, d.h. alle Mikrofone sind entlang einer Linie angeordnet. Eine solche Anordnung lässt eine sehr präzise Ausrichtung der Beams in Richtung dieser Linie zu. Ist die Ausrichtung z.B. horizontal angebracht, so dass sich mehrere Mikrofone auf einer gedachten Zeile befinden, kann eine sehr feine horizontale Auflösung der „Hörrichtung“ durch die Beams erzielt werden.The microphone array may consist of a one-dimensional array, i. all microphones are arranged along a line. Such an arrangement allows a very precise alignment of the beams in the direction of this line. If the alignment is e.g. mounted horizontally, so that several microphones are on an imaginary line, a very fine horizontal resolution of the "listening direction" can be achieved by the Beams.

Werden die Mikrofone dagegen in einem zweidimensionalen Array angeordnet, lässt sich die Auflösung in horizontaler und vertikaler Richtung steuern.If the microphones are arranged in a two-dimensional array, the resolution can be controlled in horizontal and vertical direction.

Es sind derzeit von verschiedenen Herstellern Einzelmikrofone erhältlich, bei denen sich die Richtcharakteristik umstellen lässt. Selbstverständlich lässt sich ein Mikrofon-Array auch aus solchen Einzelmikrofonen zusammenstellen. Dabei kann es ggf. sinnvoll sein, zur einfacheren Bedienung oder zum Erzielen besonderer Effekte die Richtcharakteristik der Einzelmikrofone ebenfalls von der Steuereinheit aus fernzusteuern, von der aus auch die Steuerung der Beams erfolgt.Single microphones are currently available from various manufacturers, where the directional characteristics can be changed. Of course, a microphone array can also be composed of such single microphones. It may be useful, for easier operation or to achieve special effects, the directional characteristics of the individual microphones also remotely controlled by the control unit, from which also takes place the control of the beams.

Vorteil und Ausführungsbeispiel der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.Advantage and embodiment of the invention are explained below with reference to the drawings.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Mikrofon-Arrays mit einer Mehrzahl von Beams. 1 shows a schematic representation of a microphone array with a plurality of beams.

In 1 ist ein Mikrofon-Array 100 mit einer Mehrzahl Mikrofonen 110 und einer Steuereinheit 120 gezeigt. Die Steuereinheit 120 erfasst die Ausgangssignale der Mehrzahl der Mikrofone 110 und fügt diese zusammen. Da die Abstände zwischen den jeweiligen Mikrofonen 110 bekannt sind, kann die Steuereinheit 120 aus diesen Signalen ein oder mehrere virtuelle Mikrofone ausbilden. Hierbei kann u.a. die Richtwirkung des Mikrofons bzw. der Mikrofone (und damit die Ausgestaltung eines Beams) eingestellt werden. In 1 sind acht verschiedene Beams B1–B8 gezeigt. Die Richtwirkung jedes der Beams bzw. die Ausgestaltung des Beams ist durch die Steuereinheit 120 einstellbar. Ein Beam kann denjenigen Bereich darstellen, in welchem das Mikrofon oder das virtuelle Mikrofon Audiosignale erfassen kann.In 1 is a microphone array 100 with a plurality of microphones 110 and a control unit 120 shown. The control unit 120 detects the output signals of the majority of microphones 110 and put them together. Because the distances between the respective microphones 110 are known, the control unit 120 from these signals form one or more virtual microphones. Here, inter alia, the directivity of the microphone or the microphones (and thus the design of a beam) can be adjusted. In 1 Eight different Beams B1-B8 are shown. The directivity of each beam or the design of the beam is by the control unit 120 adjustable. A beam can represent the area in which the microphone or the virtual microphone can detect audio signals.

Gemäß der Erfindung wird eine vorab festgelegte oder beim Setup bestimmbare Anzahl von Beams B1–B8 während der Inbetriebnahme der Audioanlage berechnet. Falls der gewünschte Aufnahmepunkt sich nicht innerhalb einer der Beams befindet, dann wird nicht während der Aufnahme ein weiterer entsprechender Beam berechnet, sondern es erfolgt ein Faden (Überblenden) zwischen zwei (oder mehr) Beams, d.h. die Ausgestaltung der Beams kann verändert werden, um einen Übergangspunkt TP zu erhalten. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel können somit Pegel benachbarter Beams ineinander übergeblendet werden. Dies kann durch Crossover-Kurven (linear, Equalpower, S-Curve), durch einen Übergabepunkt TP oder durch eine Anzahl der gleichzeitig im Feld verwendeten Beams erfolgen.According to the invention, a predetermined number of beams B1-B8 determinable during setup is calculated during the start-up of the audio system. If the desired pick-up point is not within one of the beams, then another corresponding beam is not calculated during pick-up, but a thread (blending) between two (or more) beams, i. the design of the beams can be changed to obtain a transition point TP. Thus, according to the first embodiment, levels of adjacent beams can be blended into each other. This can be done by crossover curves (linear, equal power, S-curve), by a transfer point TP or by a number of beams used simultaneously in the field.

Gemäß der Erfindung können die verwendeten Beams in ein Stereobild reingerechnet werden. Hierbei können sich die Positionen der einzelnen Beams im Stereobild wiederfinden. Gemäß der Erfindung kann eine Veränderung des Beamwinkels und der Beamposition erfolgen.According to the invention, the beams used can be converted into a stereo image. Here, the positions of the individual beams in the stereo image can be found. According to the invention, a change of the beam angle and the beam position can take place.

In den letzten Jahren sind Übertragungsverfahren für akustische Signale mit mehr als zwei Kanälen (Stereo, mit nur einem Links- und Rechtskanal) üblich geworden. Diese finden inzwischen nicht nur in Tonstudios und Kinos Anwendung, sondern haben sich auch bereits ein weites Anwendungsfeld im Heimbereich erobert. Selbstverständlich eignet sich eine erfindungsgemäße Anlage auch zur Erfassung von Audiosignalen für Mehrkanalanlagen mit mehr als zwei Kanälen bzw. auch zur Ausgabe von mehreren unterschiedlichen Stereosignalen gleichzeitig.In recent years, transmission methods for acoustic signals having more than two channels (stereo, with only one left and right channel) have become commonplace. These are now not only used in recording studios and cinemas, but have also already conquered a wide field of application in the home. Of course, a system according to the invention is also suitable for the detection of audio signals for multi-channel systems with more than two channels or for the output of several different stereo signals simultaneously.

Z. B. beim Setup des Mikrofon-Arrays kann ein maximaler Öffnungswinkel des Mikrofon-Arrays bestimmt werden. Hierzu wird die räumlich äußerste Ausdehnung (linke/rechte äußerste Ausdehnung) bestimmt. Dies kann durch Steuerung des Beams mittels einer Eingabeeinheit (wie beispielsweise einem Joystick) erfolgen. Mittels der Eingabeeinheit werden die äußersten Positionen festgelegt. Aus diesen Positionen und einem Abstand zu dem Schallfeld kann die Steuereinheit die notwendigen Positionen und/oder die Anzahl der benötigten Beams ermitteln. Beim dem Setup können ebenfalls weitere Parameterwerte wie beispielsweise die Position der jeweiligen Beams und der Öffnungswinkel der jeweiligen Beams festgelegt und gespeichert werden.For example, when setting up the microphone array, a maximum aperture angle of the microphone array can be determined. For this purpose, the outermost extent (left / right outermost extent) is determined. This can be done by controlling the beam by means of an input unit (such as a joystick). By means of the input unit the outermost positions are determined. From these positions and a distance to the sound field, the control unit can determine the necessary positions and / or the number of required beams. In the setup, other parameter values such as the position of the respective beams and the opening angle of the respective beams can also be set and stored.

In 1 sind zwei Übergabepunkte TP1, TP2 gezeigt. An diesen Übergabepunkten soll jeweils ein Crossfade durchgeführt werden. Die beiden Fades, die in 1 dargestellt sind, können auf einem Equalpower-Fade beruhen. Hierbei werden die Pegel für das Faden nicht linear, sondern logarithmisch berechnet. Dies ermöglicht einen nicht hörbaren Übergang zwischen benachbarten Beams. Die Verwendung einer logarithmischen Berechnung der Pegel gegenüber einer linearen Berechnung der Pegel ist vorteilhaft, da bei einer linearen Berechnung bzw. einem linearen Faden eine oft als störend empfundene Pegelabsenkung in der Mitte des Fades geschehen kann.In 1 two transfer points TP1, TP2 are shown. At these transfer points a crossfade should be carried out. The two fades in 1 can be based on an equal power fade. Here, the levels for the thread are not calculated linearly, but logarithmically. This allows for an inaudible transition between adjacent beams. The use of a logarithmic calculation of the levels compared to a linear calculation of the levels is advantageous since, in a linear calculation or a linear thread, an often perceived as disturbing level reduction in the middle of the fade can be done.

Der erste Übergabepunkt TP1 ist zwischen dem dritten und vierten Beam B3, B4 vorgesehen und weist einen relativ hohen Pegelbereich auf. Hierbei kann die Breite des Beams durch partielle Addition der jeweils benachbarten Beams breiter sein als die Breite des jeweils einzelnen Beams.The first transfer point TP1 is provided between the third and fourth beams B3, B4 and has a relatively high level range. In this case, the width of the beam can be wider by partial addition of the respective adjacent beams than the width of the respective individual beam.

Bei dem zweiten Übergabepunkt TP2 ist der Pegel dieses Übergabepunktes niedriger als der Pegel des ersten Übergabepunktes TP1. Dies hat zur Folge, dass die Breite des Beams schmaler ist als die Breite des Beams am ersten Übergabepunkt TP1.At the second transfer point TP2, the level of this transfer point is lower than the level of the first transfer point TP1. This has the consequence that the width of the beam is narrower than the width of the beam at the first transfer point TP1.

Claims

Method for operating a microphone array ( 100 ) with a plurality of microphones ( 110 ) and a control unit ( 120 ) for acquiring at least one audio signal, comprising the steps of: calculating or determining a plurality of beams (B1-B8) and parameters of the plurality of beams (B1-B8), in particular in a configuration of the microphone array ( 100 ), and thread or blending adjacent beams (B1-B8) by means of the control unit ( 120 ) if the desired position of an audio source or the audio signal is not within one of the beams (B1-B8).

Method according to claim 1, wherein the arrangement of the microphone array ( 100 ) with the plurality of microphones ( 110 ) forms a one-dimensional or two-dimensional field.

Method according to claim 1 or 2, wherein at least one of the microphones ( 110 ) of the microphone array ( 100 ) is designed so that it has a variable directional characteristic, wherein the directional characteristic of the microphone ( 110 ) by the control unit ( 120 ) is changed.

The method of claim 1 to 3, wherein the signals of the microphone array ( 100 ) are combined to form at least one stereo image or at least one channel is output as an output signal for further processing at least one multi-channel system.