CN100571451C - 结合定位技术的麦克风阵列收音方法及其系统 - Google Patents

Abstract

一种结合定位技术的麦克风阵列收音方法及其系统，可放大一目标音源；该系统包括：多个以一第一距离相间隔排列的麦克风，一目标音源侦测单元，可测得该目标音源的方位及与其相距的一第二距离，并求得距离该目标音源最近及最远的一第一及第二麦克风，以获得该第一麦克风与该目标音源相距的一第三距离，以及该第二麦克风与该第一麦克风的间隔数s，及一信号处理单元，其可根据该第一距离及第三距离，求得该目标音源到达该第一麦克风及与该第一麦克风相邻麦克风的延迟时间Δt，以将所述各麦克风收到的声波信号延迟(s-i)×Δt后进行求和，其中i为所述各麦克风与该第一麦克风的间隔数，借此，将该目标音源予以放大。

Description

结合定位技术的麦克风阵列收音方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种结合定位技术的麦克风阵列收音方法及其系统，特别是涉及一种可在噪音环境下增强麦克风阵列录音品质的结合定位技术的麦克风阵列收音方法及其系统。

背景技术

传统的麦克风阵列主要包含多个以阵列方式相连接的麦克风，并处理由这些麦克风接收的音源信号，以得知音源信号的方向性，因此应用麦克风阵列可以提升信号信噪比(signal-to-noise ratio，简称SNR)，以增强来自一特定方向的信号并抑制其他不需要的噪音。

如图1所示，是现有技术一种称为”延迟后求和”(delay-and-sum)的麦克风阵列装置1，其包括n个等距(距离d)设置的麦克风11，n个与各麦克风对应连接的时间延迟单元12，以及一与各时间延迟单元12连接的加法器13。其方法为当这些麦克风11收到音源信号时，先由这些时间延迟单元12以多个不同的延迟时间Δt1、Δt2、Δt3等预估值，依序对该音源信号进行信号延迟，例如将进入第一麦克风m1的信号x1(t)延迟(n-1)×Δt1，对进入第二麦克风m2的信号x2(t)延迟(n-2)×Δt1…，依此类推，最后将经过这些时间延迟单元12延迟的信号送入加法器13进行求和，即可分别针对不同的时间差Δt1、Δt2、Δt3分别得到如下信号求和后的表示式：

$y_1\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k(t+(k-1)\×\mathrm{\Δt}1)$

$y_2\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k(t+(k-1)\×\mathrm{\Δt}2)$

$y_3\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k(t+(k-1)\×\mathrm{\Δt}3)$

然后，从这些求和后的信号y₁(t)~y₃(t)中找出具有一最大振幅的信号，即判定其为最大音源，而得知该最大音源的声波到达最接近的麦克风与到达邻近该最接近麦克风的麦克风之间的一延迟时间Δt，并根据式子：d×sinθ＝v×Δt，其中v为音速，即可求得该最大音源的方向及角度θ。求得延迟时间Δt之后，即令这些时间延迟单元12根据该延迟时间Δt去延迟由所述各麦克风收到的该最大音源信号，即可达到增强(放大)该最大音源并抑制来自其他方向音源的目的。

因此，由上述说明可知，现有技术的麦克风阵列装置1可以根据上述预估延迟时间的方法去找到最大音源方向，并针对该最大音源进行收音及信号放大。然而，也因为现有技术的麦克风阵列装置1利用上述估测延迟时间的方法，只能测知最大音源并针对最大音源进行放大，以致于在其收音环境中，当一噪音的声音强度大过于其所欲收音的目标音源时，该最大音源(即噪音)即会被加强，反而使得该目标音源受到抑制，而产生不佳的录音效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结合定位技术的麦克风阵列收音方法及其系统，其可针对特定音源(不一定是最大音源)进行收音及放大，以提升麦克风阵列在噪音环境下的录音品质。

于是，本发明结合定位技术的麦克风阵列收音方法，可针对一目标音源进行音源收音及放大，其中该麦克风阵列包括多个呈阵列方式排列的麦克风，两两麦克风相距一第一距离。该方法包括：(a)使用一目标音源侦测单元侦测该目标音源的方位及与该目标音源相距的一第二距离，(b)根据该目标音源侦测单元与这些麦克风之间的已知距离，求得距离该目标音源最近及最远的一第一麦克风及一第二麦克风，以获得该第一麦克风与该目标音源相距的一第三距离，以及该第二麦克风与该第一麦克风的间隔数s，(c)根据该第一距离及第三距离，求得该目标音源发出的一声波到达该第一麦克风及到达另一与该第一麦克风相邻的麦克风的一延迟时间Δt，及(d)在所述各麦克风收到一声波信号后，将所述各声波信号延迟(s-i)×Δt后进行求和，其中i为所述各麦克风与该第一麦克风的间隔数；借此，增强来自该目标音源的声音信号。

此外，本发明用以实现上述方法的结合定位技术的麦克风阵列收音系统，可针对一目标音源进行音源收音及放大。该系统包括n个麦克风，一目标音源侦测单元及一信号处理单元。这些麦克风是以阵列方式排列，且两两麦克风之间间隔一第一距离。该目标音源侦测单元用以测得该目标音源的方位及与该目标音源相距的一第二距离，并根据与这些麦克风之间的已知距离，求得距离该目标音源最近及最远的一第一麦克风及一第二麦克风，以获得该第一麦克风与该目标音源相距的一第三距离，以及该第二麦克风与该第一麦克风的间隔数s。该信号处理单元与这些麦克风电连接，并根据该第一距离及第三距离，求得该目标音源发出的声波信号到达该第一麦克风及到达另一与该第一麦克风相邻的麦克风的一延迟时间Δt，以在所述各麦克风收到该声波信号后，依序将所述各声波信号延迟(s-i)×Δt后进行求和，其中i为所述各麦克风与该第一麦克风的间隔数，借此将该目标音源予以放大。

附图说明

下面通过最佳实施例及附图对本发明结合定位技术的麦克风阵列收音方法及其系统进行详细说明，附图中：

图1是现有技术的一种麦克风阵列装置的电路方块及其工作原理示意图。

图2是本发明结合定位技术的麦克风阵列收音方法及其系统的一实施例的电路方块图。

图3是本实施例的流程图。

图4是本实施例的时间延迟元件的功能说明图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一实施例的详细说明中，将可清楚地明白。

参见图2所示，并配合图3的流程所示，是本发明结合定位技术的麦克风阵列收音方法及其系统的一实施例，本实施例的结合定位技术的麦克风阵列收音系统2，可针对一目标音源3进行音源收音及放大。系统2包括n个(本实施例以4个为例)麦克风m1~m4，一目标音源侦测单元21及一信号处理单元22。

这些麦克风m1~m4是以阵列(本实施例以一唯阵列为例)方式排列，且两两麦克风之间等距间隔一第一距离d1。

且如图3的步骤a所示，目标音源侦测单元21，用以测得目标音源3的方位及距离，在本实施例中，目标音源侦测单元21是使用一现有技术的人脸侦测技术来实现，其主要包括一数码摄像机211及一第一处理器212。假设麦克风阵列是欲针对”人”所发出的声音进行收音，则如图2所示，当在一录音环境中同时存在一人(即目标音源3)及一动物4时，数码摄像机211是用以取得包含目标音源(人)3及动物4在内的一图像画面，然后将该图像画面送至第一处理器212进行处理。又如图3的步骤b所示，第一处理器212可根据人脸侦测原理(因属现有技术且并非本案讨论重点，在此不予详述)判断出画面中何者为人的图像，并根据该人(即目标音源3)在画面中的位置及成像大小，求得数码摄像机211与目标音源3相距的一第二距离d2。此外，如图3的步骤c所示，第一处理器212根据数码摄像机211与这些麦克风m1~m4间的已知距离，可以得知距离目标音源3最近及最远的一第一麦克风(即第二个麦克风m2)及第二麦克风(即第四个麦克风m4)，并求得第一麦克风m2与目标音源3相距的一第三距离d3，以及第一麦克风m2与第二麦克风m4之间的间隔数s(s＝2)(亦即间隔几个第一距离d1)。

当然，上述的目标音源侦测单元21亦可使用其他，例如活氧(Oxygen)计划中开发的”Cricket”室内定位系统，无线网路室内定位系统，或全球卫星定位系统(GPS)等来实现，而同样能够获得上述的结果。

信号处理单元22包括一第二处理器221，n(n＝4)个分别与所述各麦克风对应连接的时间延迟元件D1~D4以及一加法器222。第二处理器221与上述第一处理器212连接，且如图2及图3的步骤d所示，其可根据第一距离d1及第三距离d3，以及目标音源3至第一麦克风m2与目标音源3至第一麦克风m2的相邻麦克风m3之间的夹角θ，以及公式d4＝d1×sinθ＝v×Δt，求得目标音源3发出的声波到达第一麦克风m2及其相邻麦克风m1或m3的一延迟时间Δt。

这些时间延迟元件D1~D4分别与第一处理器212及第二处理器221连接，以由第一处理器212得知第一麦克风m2的位置及间隔数s，并由第二处理器221得知延迟时间Δt，因此，如图3的步骤e所示，当所述各麦克风m1~m4分别收到来自各个方向的声波信号时，其会根据本身与第一麦克风m2的间隔数i(即间隔几个第一距离d1)，将收到的声波信号x(t)延迟(s-i)×Δt后，分别送至后端的加法器222进行求和，可得到一求和后的声波信号y(t)＝x_m1(t+Δt)+x_m2(t+2Δt)+x_m3(t+Δt)+x_m4(t)，其中，如图2及图4所示，x_m1(t+Δt)是由第一时间延迟元件D1将声波x_m1(t)延迟Δt所产生，x_m2(t+2Δt)是由第二时间延迟元件D2将声波x_m2(t)延迟2Δt所产生，x_m3(t+Δt)是由第三时间延迟元件D3将声波x_m3(t)延迟Δt所产生，而x_m4(t)则是由第四时间延迟元件D4不经时间延迟直接输出。借此，当这些信号被求和后，将使得声波信号y(t)中的目标音源3的振幅被大大地提升，并相对抑制其他音源，而增强(放大)了目标音源3的声音信号。

由上述说明可知，本发明与现有技术的麦克风阵列装置1最大不同之处在于，现有技术的麦克风阵列装置1是以延迟时间推算出最大音源的方向，亦即尝试用不同的延迟时间去延迟声音信号，以获得一最大音源的方向及一适用的延迟时间，再令麦克风阵列以该延迟时间对该最大音源进行适当延迟后求和，以增强该最大音源，因此无法针对一特定音源进行信号增强。

而本发明则是先测得预设目标音源方位，再由目标音源推算出延迟时间，亦即先以目标音源侦测单元21测知所欲收音的目标音源3的方位，以及目标音源3与麦克风阵列中最接近的麦克风的距离，然后，由信号处理单元22中的第二处理器221根据目标音源3与最接近的麦克风的距离，以及最接近的麦克风与其相邻麦克风的距离，得出目标音源3的声波到达最接近的麦克风以及到达与最接近的麦克风相邻的麦克风的延迟时间，再使所述各麦克风的时间延迟元件根据该延迟时间对收到的声音信号进行延迟后求和，即可针对声音信号中的目标音源予以加强。

因此，本发明借由定位技术的辅助，使麦克风阵列能够针对一预设的特定目标音源(不一定是最大音源)收音并增强其信号，相较于现有技术在噪音声音强度大过其目标音源的收音环境中，该噪音即被加强而反使目标音源受抑制的缺点，本发明具有可针对特定目标精确收音的明显功效，而可借此提升麦克风阵列的录音品质。

Claims (14)

1、一种结合定位技术的麦克风阵列收音方法，可针对一目标音源进行音源收音及放大，其中该麦克风阵列包括多个呈阵列方式排列的麦克风，两两麦克风相距一第一距离；其特征在于：

该方法包括：

(a)使用一目标音源侦测单元侦测该目标音源的方位及与该目标音源相距的一第二距离；

(b)根据该目标音源侦测单元与这些麦克风之间的已知距离，求得距离该目标音源最近及最远的一第一麦克风及一第二麦克风，以获得该第一麦克风与该目标音源相距的一第三距离，以及该第二麦克风与该第一麦克风的间隔数s；

(c)根据该第一距离及第三距离，求得该目标音源发出的一声波到达该第一麦克风及到达另一与该第一麦克风相邻的麦克风的一延迟时间Δt；及

(d)在所述各麦克风收到一声波信号后，将所述各声波信号延迟(s-i)×Δt后进行求和，其中i为所述各麦克风与该第一麦克风的间隔数；借此，增强来自该目标音源的声音信号。

2、如权利要求1所述结合定位技术的麦克风阵列收音方法，其特征在于：在步骤(b)中，该间隔数是指两麦克风之间的第一距离的数目。

3、如权利要求1所述结合定位技术的麦克风阵列收音方法，其特征在于：在步骤(a)中，该目标音源侦测单元是一人脸侦测装置，其包含一数码摄影机及一第一处理器，该数码摄影机用以取得包含该目标音源在内的一画面，并借由该第一处理器判断在该画面中该目标音源的大小及方位，而求得该第二距离。

4、如权利要求1所述结合定位技术的麦克风阵列收音方法，其特征在于：步骤(c)是根据该第一距离及第三距离，以及该目标音源至该第一麦克风与该目标音源至该第一麦克风的相邻麦克风之间的夹角，求得该延迟时间Δt。

5、如权利要求1所述结合定位技术的麦克风阵列收音方法，其特征在于：步骤(a)中的该目标音源侦测单元是一室内定位系统。

6、如权利要求1所述结合定位技术的麦克风阵列收音方法，其特征在于：步骤(a)中的该目标音源侦测单元是一无线网路室内定位系统。

7、如权利要求1所述结合定位技术的麦克风阵列收音方法，其特征在于：步骤(a)中的该目标音源侦测单元是一全球卫星定位系统。

8、一种结合定位技术的麦克风阵列收音系统，可针对一目标音源进行音源收音及放大，该系统包括多个以阵列方式排列的麦克风、一目标音源侦测单元及一信号处理单元，其特征在于：

这些麦克风之间两两间隔一第一距离；

该目标音源侦测单元用以测得该目标音源的方位及与该目标音源相距的一第二距离，并根据与这些麦克风之间的已知距离，求得距离该目标音源最近及最远的一第一麦克风及一第二麦克风，以获得该第一麦克风与该目标音源相距的一第三距离，以及该第二麦克风与该第一麦克风的间隔数s；及

该信号处理单元与这些麦克风电连接，并根据该第一距离及第三距离，求得该目标音源发出的一声波信号到达该第一麦克风及到达另一与该第一麦克风相邻的麦克风的一延迟时间Δt，以在所述各麦克风收到该声波信号后，将各自收到的该声波信号延迟(s-i)×Δt后进行求和，其中i为所述各麦克风与该第一麦克风的间隔数，而将该目标音源予以放大。

9、如权利要求8所述结合定位技术的麦克风阵列收音系统，其特征在于：该间隔数i是指所述各麦克风与该第一麦克风之间的第一距离的数目。

10、如权利要求8所述结合定位技术的麦克风阵列收音系统，其特征在于：该目标音源侦测单元是一人脸侦测装置，其包含一数码摄影机及一第一处理器，该数码摄影机用以取得包含该目标音源在内的一画面，并借由该第一处理器判断在该画面中的该目标音源的大小及方位，而求得该第二距离。

11、如权利要求8所述结合定位技术的麦克风阵列收音系统，其特征在于：该信号处理单元包括一第二处理器，多个与所述各麦克风对应连接的时间延迟元件及一加法器，该第二处理器与该音源侦测单元连接，并根据该第一距离及第三距离，以及该目标音源至该第一麦克风与该目标音源至该第一麦克风的相邻麦克风之间的夹角，求得该延迟时间Δt；这些时间延迟元件分别与该音源侦测单元及该第二处理器连接，并根据间隔数s，延迟时间Δt以及所述各麦克风与第一麦克风的间隔数i，将所述各麦克风收到的声波信号延迟(s-i)×Δt之后，分别送至该加法器进行求和，而增强声波信号中的目标音源信号。

12、如权利要求8所述结合定位技术的麦克风阵列收音系统，其特征在于：该目标音源侦测单元是一室内定位系统。

13、如权利要求8所述结合定位技术的麦克风阵列收音系统，其特征在于：该目标音源侦测单元是一无线网路室内定位系统。

14、如权利要求8所述结合定位技术的麦克风阵列收音系统，其特征在于：该目标音源侦测单元是一全球卫星定位系统。

Images