CN101154382A

CN101154382A - 检测风噪声的方法及其系统

Info

Publication number: CN101154382A
Application number: CNA2006101414635A
Authority: CN
Inventors: 陈莹珊
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2008-04-02
Also published as: US20090306937A1; US8065115B2; JP2010505283A; WO2008041730A1

Abstract

一种检测风噪声的方法及其系统，适用于判断从多个收音单元所采集的多个音频中的其中两个音频是否包括风噪声，该方法包含下列步骤：(a)将该两个音频转换为其对应含多个音频帧的数字化音频。(b)计算该两个数字化音频间该各个音频帧的相关系数。(c)将该两个数字化音频之一减去另一个数字化音频，再将所得转换至频率域。(d)在该频率域中为该各个音频帧选择频率段作为频率界限，并依据该频率界限计算出该各个音频帧的响度差、低频能量衰减度以及低频波动数。(e)决定该音频帧是否符合预设判断基准，如果是，则该两个音频中包括风噪声。

Description

检测风噪声的方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种处理风噪声的方法及其系统，特别是指一种检测风噪声的方法及其系统。

背景技术

对于听障人士而言，使用助听器可以放大外界的声音，以有效协助他们听清楚外界的声音，这对于其生活及学习上都有相当大的帮助。然而，现代的助听器虽然体积轻巧且携带方便，助听器对声音的处理仍然无法如人耳般的精密，可以过滤掉恼人的噪声，例如由风势所造成的风噪声(WindNoise)。一般而言，当风吹袭到助听器时，助听器会按照其功能将风声放大，而产生极大的嘈杂声，此种突如其来的嘈杂声通常导致使用者感到不适。因此，三种现有技术被应用于减少风噪声的问题。

于是，如美国专利申请公开号US20040161120A1“DEVICE ANDMETHOD FOR DETECTING WIND NOISE”所示，其揭示了一种可避免上述问题的方法。该公开申请揭示了将两个输入信号输入低通滤波器，且接着比较该多个滤波后的信号的交叉相关函数(Cross CorrelationFunction)及自动相关函数(Auto Correlation Function)的计算结果来检测风噪声的存在。然而，上述公开申请的方法是用以检测在固定低频分布中的信号是否为低相关的(Low-Correlated)，并不只针对风噪声，效果不甚理想。因为还有许多其它的噪声属于在固定低频分布中的低相关信号，例如：交谈时的气音(Non-Voice Speech)及密闭房间中的环境噪声(AmbientNoise)。

另外，如美国专利No.US6741714B2“HEARING AID WITHADAPTIVE MATCHING OF INPUT TRANSDUCERS”所示，其揭示一种包括多个输入转换器(Input Transducer)的助听器装置，其中该输入转换器在平常时为方向性特性(Directional Characteristic)。但其中输入转换器接收到风噪声时，该输入转换器将转换为全向性特性(Omni-directionalCharacteristic)，藉以减低风噪声的影响。其中检测风噪声是否存在的方法是：计算同一时间点所有多个输入转换器信号是否同号，然后累计在一个时间区段内的每一时间点的结果为异号的数目，如果此数目大于一个门限值则判定为风信号。此方法以多个输入转换器信号是否同号作为判断风噪声的依据，但因为风噪声的特性并非绝对如此，因此结果并不准确。

再者，如美国专利No.US6882736B2“METHOD FOR OPERATING AHEARING AID OR HEARING AID SYSTEM，AND A HEARING AID ANDHEARING AID SYSTEM”所示，其揭示另一种可检测风噪声的方法。该美国专利的设计为计算多个输入信号的相关性(Correlation)，其方式为将其中一个输入信号减去另外一个输入信号。该多个信号的相关性越高，相减后的结果的平均值就越小。如果该平均值大于一个门限值，则表示有风噪声的存在。由于该美国专利以简单的计算判断该多个输入信号的相关性，因此也无法准确地检测风噪声。

如上所述的三种现有技术，皆无法准确地检测风噪声，还可能将其它种类的噪声视为风噪声，而进行不正确的处理。因此，有必要寻求解决的方案。

发明内容

因此，本发明之目的是提供一种检测风噪声的方法。

因此，本发明检测风噪声的方法，适用于判断从多个收音单元所采集的多个音频中的其中两个音频是否包括风噪声，该方法包含下列步骤：首先，将该两个音频转换为其对应含有多个音帧的数字化音频。接着，计算该两个数字化音频间各该音帧的相关系数。接着，将该两个数字化音频之一减去另一个数字化音频，再将所得的相减信号转换至频率域。接着，在该频率域中为该各个音帧选择一个频率段作为频率界限，并依据该频率界限计算出该各个音频帧的响度差、低频能量衰减度以及低频波动数。然后，决定该等音频帧的相关系数、响度差、低频能量衰减度及低频波动数是否符合预设的判断基准，如果是，则该两个音频中包括风噪声。

本发明的另一个目的是提供一种检测风噪声的系统。

于是，本发明检测风噪声的系统，适用于判断从多个收音单元所采集的多个音频中的其中两个音频是否包括风噪声，该系统包含：音频转换单元、相关系数计算单元、音频分离单元、频谱处理单元，及判断单元。

该音频转换单元将该两个音频转换为其对应含多个音帧的数字化音频。该相关系数计算单元用以计算该两个数字化音频间该各个音频帧的相关系数。该音频分离单元用以将该两个数字化音频之一减去另一个数字化音频，再将所得的相减信号转换至频率域。该频谱处理单元用以在该频率域中为该各个音频帧选择频率段作为频率界限，并依据该频率界限计算出该各个音频帧的响度差、低频能量衰减度以及低频波动数，该频谱处理单元包括频率界限决定模块、响度差计算模块、能量衰减度计算模块以及波动数计算模块。该判断单元用以根据该相关系数、响度差、低频能量衰减度及低频波动数是否满足预设的判断基准，来判断该两个音频是否包括风噪声。

本发明的功效在于可以准确地检测风噪声，有效协助助听器材决定需要过滤的音频，并且不影响执行的效率。

附图说明

图1是说明本发明的检测风噪声的系统的优选实施例的系统方框图；

图2是说明该优选实施例中计算频率界限的方法的直方图；

图3是说明该优选实施例中计算响度差的方法的类似图2的视图；

图4是说明该优选实施例中计算低频能量衰减度的方法的类似图2的视图；

图5是说明该优选实施例中计算低频波动数的方法的类似图2的视图；及

图6是说明本发明检测风噪声的方法的优选实施例的流程图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。

参阅图1，本发明的检测风噪声的系统的优选实施例，适用于判断从多个收音单元1所采集的多个音频中的其中两个音频是否包括风噪声，在本优选实施例中，设定该收音单元1的数量为二，所以将采集出两个音频。该系统包含音频转换单元2、相关系数计算单元3、音频分离单元4、频谱处理单元5，及判断单元6。

该音频转换单元2电连接该收音单元1，接收这两个音频，并将其转换为其对应含多个音频帧的数字化音频。

该相关系数计算单元3电连接该音频转换单元2。该相关系数计算单元3的目的在于计算该两个数字化音频间每一个音频帧的相关系数，相关系数的值越小，代表可能是风噪声的程度越高，该相关系数计算单元3计算的方法如表达式(1)所示：

r = \frac{Σ_{i = 1}^{N} (x_{i} - \overset{&OverBar;}{x}) \times (y_{i} - \overset{&OverBar;}{y})}{\sqrt{Σ_{i = 1}^{N} {(x_{i} - \overset{&OverBar;}{x})}^{2}} \times \sqrt{Σ_{i = 1}^{N} {(y_{i} - \overset{&OverBar;}{y})}^{2}}} - - - (1)

其中，r代表相关系数，N为该各个音频帧的时间片段数，在本优选实施例中为N＝1024，而x及y分别代表该两个数字化音频，而

及

分别代表该两个数字化音频的平均值。

该音频分离单元4电连接该音频转换单元2并接收该两个数字化音频。该音频分离单元4的目的在于将该两个数字化音频之一减去另一个数字化音频，再将所得到的相减信号以快速傅利叶转换(Fast FourierTransform，FFT)将所得的相减信号转换至频率域。转换成频率域后将有助于后续解析该两个数字化音频。

该频谱处理单元5与该音频分离单元4电连接，该频谱处理单元5包括频率界限决定模块51、响度差计算模块52、能量衰减度计算模块53以及波动数计算模块54。其中，该频率界限决定模块51首先被执行。

参阅图1、2，该频率界限决定模块51的目的在于寻找每一个音频帧的频率界限。首先，依据每一个音频帧中最大能量(如箭头731所示)及最小能量(如箭头732所示)的频率段定义能量参考值，该能量参考值可定义为：(每一音频帧中最大能量的频率段的能量一每一音频帧中最小能量的频率段的能量)/10，再加上该最小能量的频率段的能量，即可得到箭头734所示的线段。接着，该频率界限决定模块51再于每一音频帧的所有频率段中，从最低频率的频率段向最高频率的频率段开始判断，选择第一个能量低于该能量参考值的频率段，如箭头733所示，作为该频率界限。

参阅图1，该频谱处理单元5的响度差计算模块52、能量衰减度计算模块53，及波动数计算模块54皆连接该频率界限决定模块51，并可同时执行。

参阅图1、3，该频谱处理单元5的响度差计算模块52依据每一音频帧中的频率界限计算出响度差。该响度差可定义为：(频率低于该频率界限的所有频率段中具有最大能量者的能量(如箭头741所示)一频率高于该频率界限的5个最近频率段中具有最大能量者的能量(如箭头742所示))。

参阅图1、4，该频谱处理单元5的能量衰减度计算模块53依据每一音频帧中的频率界限计算出低频能量衰减度。该低频能量衰减度可定义为：(频率低于该频率界限且最接近频率界限的频率段的能量一频率界限的能量)(如箭头751所示)-(频率低于该频率界限的频率段中具有最大能量者的能量-频率低于该频率界限的所有频率段中具最小能量者的能量)/2(如箭头752所示的差值减半，得到如箭头753所示的值)。

参阅图1、5，该频谱处理单元5的波动数计算模块54依据每一音频帧中的频率界限计算出低频波动数。该低频波动数可定义为：(低于该频率界限的任何两个相邻的频率段的能量差)＞(频率低于该频率界限的所有频率段中具有最大能量者的能量-频率低于该频率界限的所有频率段中具有最小能量者的能量)/100的次数。以图5所示的音频帧为例，如箭头761所示，代表该音频帧中波动明显，且可得知该波动数为3。

该判断单元6用以根据该相关系数、响度差、低频能量衰减度及低频波动数是否满足预设判断基准，来判断该两个音频是否包括风噪声。在本实施例中，该预设判断基准就是该相关系数小于0.9、该响度差大于17.4分贝、该低频衰减度为负数，及该波动数为0，经实验显示，该预设判断基准如此设定最可有效提升检测风噪声的能力。

参阅图1、6，本发明的检测风噪声的方法，包含下列步骤：

首先，如步骤701所示，由该等收音单元1采集该两个音频。

接着，如步骤702所示，利用该音频转换单元2将该两个音频转换为其对应含该音频帧的数字化音频。

接着，如步骤703所示，由该相关系数计算单元3执行，利用上述表达式(1)所示的计算公式，计算该两个数字化音频间每一音频帧的相关系数。

然后，如步骤704所示，该音频分离单元4将该两个数字化音频之一减去另一个数字化音频，再如步骤705所示，利用快速傅利叶转换将所得的相减信号转换至频率域。

接着，如步骤706所示，该频谱处理单元5的频率界限决定模块51在该频率域中为每一个音频帧选择一个频率段做为该频率界限，其中，选择该频率界限的方式包括下列子步骤：

首先，找出每一音频帧中最大能量及最小能量的频率段，定义能量参考值，该能量参考值定义为：(每一音频帧中最大能量的频率段的能量一每一音频帧中最小能量之频率段的能量)/10+该最小能量的频率段的能量。

接着，在每一音频帧的所有频率段中，从最低频率的频率段向最高频率的频率段开始判断，选择第一个能量低于该能量参考值的频率段作为该频率界限。

接着，该响度差、该低频能量衰减度及该低频波动数都必须依据该频率界限才能找出。

如步骤707所示，该频谱处理单元5的响度差计算模块52依据每一音频帧中的频率界限计算出该响度差。如步骤708所示，该频谱处理单元5能量衰减度计算模块53依据每一音频帧中的频率界限计算出该低频能量衰减度。如步骤709所示，该频谱处理单元5的频率界限决定模块51依据每一音频帧中的频率界限计算出该低频波动数。

最后，由该判断单元6决定这些音频帧的相关系数、响度差、低频能量衰减度及低频波动数是否符合该预设判断基准，该预设判断基准包括该相关系数小于0.9、该响度差大于17.4分贝、该低频衰减度为负数，及该波动数为0。若符合该预设判断基准，则该两个音频中包括风噪声。

综上所述，利用本发明的系统及方法可以准确的检测风噪声，将本发明的优选实施例和美国专利No.US6741714B2及US6882736B2所实作的助听器比较，得到如表1所示之结果。其中，粗体者代表在三者中拥有最佳的风噪声检测效能。

表1

是否有风噪声	测试声音样本	US6741714案	US6882736案	本发明
是否有风噪声	测试声音样本	US6741714案	US6882736案	本发明	有	地铁1	28.04％	18.627％	47.091％
有	地铁2	61.275％	28.396％	81.842％	有	地铁1	28.04％	18.627％	47.091％
有	地铁2	61.275％	28.396％	81.842％	有	地铁3	2.682％	0.056％	5.245％
有	冷气机	0.00582％	0.031％	0.017％	有	地铁3	2.682％	0.056％	5.245％
有	冷气机	0.00582％	0.031％	0.017％	无	演奏会大厅	0.103％	0.097％	0％
无	百货公司入口	0％	0％	0％	无	演奏会大厅	0.103％	0.097％	0％
无	百货公司入口	0％	0％	0％	有	入口	12.806％	6.506％	7.786％
无	喷泉广场	0.056％	0％	0％	有	入口	12.806％	6.506％	7.786％
无	喷泉广场	0.056％	0％	0％	无	会议室	1.363％	0％	0.578％
无	餐厅	0.135％	0％	0.135％	无	会议室	1.363％	0％	0.578％
无	餐厅	0.135％	0％	0.135％	有	马路	1.01％	0.307％	2.302％
有	车站	1％	1.164％	2.456％	有	马路	1.01％	0.307％	2.302％
有	车站	1％	1.164％	2.456％	无	录音室	22.1755％	0.06％	0.36％
无	超级市场	0％	0％	0.073％	无	录音室	22.1755％	0.06％	0.36％
无	超级市场	0％	0％	0.073％	无	地下商店街	0.061％	0％	0％
无	商店	0.173％	0％	0％	无	地下商店街	0.061％	0％	0％

由表1可以观察出，在有风噪声的情况下，本发明能检测到风噪声的机率最大，在没有风噪声的情况下，本发明检测到风噪声的机率亦相当低，显示的确有优选的检测效果。

以上所说明的仅是本发明的优选实施例，而不能以此限定本发明实施的范围，本领域技术人员在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下对本发明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆属于本发明涵盖的范围。

Claims

1.一种检测风噪声的方法，适用于判断从多个收音单元所采集的多个音频中的其中两个音频是否包括风噪声，该方法包含下列步骤：

(a)将该两个音频转换为其对应含多个音频帧的数字化音频；

(b)计算该两个数字化音频间该各个音频帧的相关系数；

(c)将该两个数字化音频之一减去另一个数字化音频，再将所得到的相减信号转换至频率域；

(d)在该频率域中为该各个音频帧选择频率段作为频率界限，并依据该频率界限计算出该各个音频帧的响度差、低频能量衰减度以及低频波动数；及

(e)决定这些音频帧的相关系数、响度差、低频能量衰减度及低频波动数是否符合预设判断基准，如果是，则该两个音频中包括风噪声。

2.根据权利要求1所述的检测风噪声的方法，其中在该(b)步骤中，该相关系数是依下式计算，且在该(e)步骤中，该预设判断基准包括该相关系数小于0.8至1.0：

r = \frac{Σ_{i = 1}^{N} (x_{i} - \overset{&OverBar;}{x}) \times (y_{i} - \overset{&OverBar;}{y})}{\sqrt{Σ_{i = 1}^{N} {(x_{i} - \overset{&OverBar;}{x})}^{2}} \times \sqrt{Σ_{i = 1}^{N} {(y_{i} - \overset{&OverBar;}{y})}^{2}}}

其中，r代表相关系数，N为该各个音频帧的时间片段数，而x及y分别代表该两个数字化音频，而

及

分别代表该两个数字化音频的平均值。

3.根据权利要求2所述的检测风噪声的方法，其中该时间片段数为1024。

4.根据权利要求1所述的检测风噪声的方法，其中在该(c)步骤中，是以快速傅利叶转换将所得到的相减信号转换至频率域。

5.依据申请专利范围第1项所述之检测风噪声之方法，其中在该(d)步骤中，选择该频率界限的方式包括下列子步骤：

(d-1)依据该各个音频帧中最大能量及最小能量的频率段，定义能量参考值；及

(d-2)在该各个音频帧的所有频率段中，从最低频率的频率段向最高频率的频率段开始判断，选择第一个能量低于该能量参考值的频率段作为该频率界限。

6.根据权利要求5所述的检测风噪声的方法，其中在该(d-1)步骤中，该能量参考值可定义为：(该各个音频帧中最大能量的频率段的能量-该各个音频帧中最小能量的频率段的能量)/10+该最小能量的频率段的能量。

7.根据权利要求1所述的检测风噪声的方法，其中在该(d)步骤中，依据该各个音频帧中的频率界限计算出该响度差，且在该(e)步骤中，该预设判断基准包括该响度差大于一个默认值。

8.根据权利要求7所述的检测风噪声的方法，其中在该(d)步骤中，该响度差可定义为：(频率低于该频率界限的所有频率段中具最大能量者的能量-频率高于该频率界限的多个最近频率段中具最大能量者的能量)，且该默认值介于15至20分贝。

9.根据权利要求8所述的检测风噪声的方法，其中该最近频率段为高于该频率界限的3至10频率段。

10.根据权利要求1所述的检测风噪声的方法，其中在该(d)步骤中，依据该各个音频帧中的频率界限计算出该低频能量衰减度，且在该(e)步骤中，该预设判断基准包括该低频能量衰减度满足第一预设条件。

11.根据权利要求10所述的检测风噪声的方法，其中在该(d)步骤中，该低频能量衰减度可定义为：(频率低于该频率界限且最接近频率界限的频率段的能量-频率界限的能量)-(频率低于该频率界限的频率段中具有最大能量者的能量-频率低于该频率界限的所有频率段中具有最小能量者的能量)/2，且该第一预设条件为：该低频能量衰减度为负数。

12.根据权利要求1所述的检测风噪声的方法，其中在该(d)步骤中，依据该各个音频帧中的频率界限计算出该低频波动数，且在该(e)步骤中，该预设判断基准包括该低频波动数满足第二预设条件。

13.根据权利要求12所述的检测风噪声的方法，其中在该(d)步骤中，该低频波动数可定义为：(低于该频率界限任何两个相邻的频率段的能量差)＞(频率低于该频率界限的所有频率段中具有最大能量者的能量-频率低于该频率界限的所有频率段中具有最小能量者的能量)/100的次数，且该第二预设条件为：该低频波动数为0。

14.一种检测风噪声的系统，适用于判断从多个收音单元所采集的多个音频中的其中两个音频是否包括风噪声，该系统包含：

音频转换单元，将该两个音频转换为其对应含多个音频帧的数字化音频；

相关系数计算单元，用以计算该两个数字化音频间该各个音频帧的相关系数；

音频分离单元，用于将该两个数字化音频之一减去另一个数字化音频，再将所得的相减信号转换至频率域；

频谱处理单元，用于在该频率域中为该各个音频帧选择一个频率段作为频率界限，并依据该频率界限计算出该各个音频帧的响度差、低频能量衰减度以及低频波动数，该频谱处理单元包括频率界限决定模块、响度差计算模块、能量衰减度计算模块以及波动数计算模块；及

判断单元，用于根据该相关系数、响度差、低频能量衰减度及低频波动数是否满足预设判断基准，来判断该两个音频是否包括风噪声。

15.根据权利要求14所述的检测风噪声的系统，其中该相关系数计算单元是依下式计算，且该预设判断基准包括该相关系数小于0.8至1.0：

r = \frac{Σ_{i = 1}^{N} (x_{i} - \overset{&OverBar;}{x}) \times (y_{i} - \overset{&OverBar;}{y})}{\sqrt{Σ_{i = 1}^{N} {(x_{i} - \overset{&OverBar;}{x})}^{2}} \times \sqrt{Σ_{i = 1}^{N} {(y_{i} - \overset{&OverBar;}{y})}^{2}}}

及

分别代表该两个数字化音频的平均值。

16.根据权利要求15所述的检测风噪声的系统，其中该时间片段数为1024。

17.根据权利要求14所述的检测风噪声的系统，其中该音频分离单元以快速傅利叶转换将所得到的相减信号转换至频率域。

18.根据权利要求14所述的检测风噪声的系统，其中该频谱处理单元的频率界限决定模块先依据该各个音频帧中最大能量及最小能量的频率段定义能量参考值，再在该各个音频帧的所有频率段中，从最低频率的频率段向最高频率的频率段开始判断，选择第一个能量低于该能量参考值的频率段做为该频率界限。

19.根据权利要求18所述的检测风噪声的系统，其中该能量参考值可定义为：(该各个音频帧中最大能量的频率段的能量-该各个音频帧中最小能量的频率段的能量)/10+该最小能量的频率段的能量。

20.根据权利要求14所述的检测风噪声的系统，其中该频谱处理单元的响度差计算模块依据该各个音频帧中的频率界限计算出该响度差，且使该响度差大于该预设判断基准的默认值。

21.根据权利要求20所述的检测风噪声的系统，其中该响度差可定义为：(频率低于该频率界限的所有频率段中具有最大能量者的能量-频率高于该频率界限的多个最近频率段中具有最大能量者的能量)，且该默认值介于15至20分贝。

22.根据权利要求21所述的检测风噪声的系统，其中该最近频率段为高于该频率界限的3至10频率段。

23.根据权利要求14所述的检测风噪声的系统，其中，该频谱处理单元的能量衰减度计算模块依据该各个音频帧中的频率界限计算出该低频能量衰减度，且使该低频能量衰减度满足该预设判断基准的第一预设条件。

24.根据权利要求23所述的检测风噪声的系统，其中该低频能量衰减度可定义为：(频率低于该频率界限且最接近频率界限的频率段的能量-频率界限的能量)-(频率低于该频率界限的频率段中具有最大能量者的能量-频率低于该频率界限的所有频率段中具有最小能量者的能量)/2，且该第一预设条件为：该低频能量衰减度为负数。

25.根据权利要求14所述的检测风噪声的系统，其中，该频谱处理单元的波动数计算模块依据该各个音频帧中的频率界限计算出该低频波动数，且使该低频波动数满足该预设判断基准的第二预设条件。

26.根据权利要求25所述的检测风噪声的系统，其中该低频波动数可定义为：(低于该频率界限的任何两个相邻的频率段的能量差)＞(频率低于该频率界限的所有频率段中具有最大能量者的能量-频率低于该频率界限的所有频率段中具最小能量者的能量)/100的次数，且该第二预设条件为：该低频波动数为0。