CN101193460A - 检测声音的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种检测声音之装置及方法。该装置包含多个麦克风、声音检测单元、方向估测单元、背景杂音去除单元及警示单元。麦克风用于搜集使用者周围的声音。该声音检测单元用于计算背景杂音在预设时间区间的特征值，并判断所搜集到的最新声音是否符合预设条件。该方向估测单元在该预设条件符合时，用于估测该最新声音的发生方向，并判断该发生方向是否在该使用者后方的预设范围内。该背景杂音去除单元在该预设范围符合时，用于去除该最新声音中的背景杂音，以获得检测声音。该警示单元用于将警示信息告知该使用者。

Description

检测声音的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种检测声音的装置及方法，特别是指一种用于检测来自使用者后方的声音的装置及方法。
背景技术
参阅图1，美国专利US 6,782,106B1中揭示一种声音传送装置14。该声音传送装置14包括外部声音接收器20(如麦克风)、音量控制器22以及混合器28。该外部声音接收器20用于接收外部声音(周围声音)。该音量控制器22用于在必要时控制输入声音。该混合器28用于混合来自声音产生装置的再生声音信号以及来自音量控制器22的外部声音信号，以提供输出。该音量控制器22仅输出音量大于默认值的重生及外部声音信号。换句话说，小音量的外部或再生声音不会被传送给使用者。
当行人行走于街道上时，可利用具有如该US 6,782,106B1专利所述的声音传送装置14的音乐播放器来聆听音乐。因此，当街道上有任何大音量的声音发生时，该音乐播放器便能用于警告行人。
然而，大音量的声音并不就是行人必须注意的代表危险的声音。当行人可借助其它方式(如视觉)了解大音量声音的种类以及来自何处时，便可不需听到该大音量声音。
亦即，当行人的双耳挂戴耳机聆听音乐时，其可通过视觉来察觉到来自前方的异常音或代表紧急情况的声音，而不需利用前述US6,782,106B1专利的声音传送装置14把来自前方的声音输出给行人听到。但是，来自行人后方的异常音或代表紧急情况的声音则有必要通过耳机输出给行人听到。因此，有必要寻求一种解决方法，使得挂戴耳机聆听音乐的行人不会通过耳机听到前方的声音，但却能从耳机中听到来自后方的异常音。
发明内容
本发明的目的是提供一种检测声音的装置，可用于让使用者仅会从本发明装置中听到来自后方的声音，但却不会听到来自前方的声音，因而可提高使用者行走于道路时的安全性，而又不会让前方的声音对使用者所聆听的音乐造成不必要的干扰。
于是，本发明检测声音的装置适用于挂戴于使用者的双耳，以检测该使用者后方的声音，其中该声音包括背景杂音。该装置包含多个麦克风、声音检测单元、方向估测单元、背景杂音去除单元及警示单元。该多个麦克风用于搜集该使用者周围的声音。该声音检测单元用于计算该背景杂音在预设时间区间的特征值，并判断所搜集到的最新声音是否符合预设条件。该方向估测单元，在该预设条件符合时，用于估测该最新声音的发生方向，并判断该发生方向是否在该使用者后方的预设范围内。该背景杂音去除单元在该预设范围符合时，用于去除该最新声音中的背景杂音，以获得检测声音。该警示单元用于将警示信息告知该使用者。
本发明的另一个目的是提供一种检测声音方法，可用于让使用者仅会从上述本发明装置中听到来自后方的声音，但却不会听到来自前方的声音，因而可提高使用者行走于道路时的安全性，而又不会让前方的声音对使用者所聆听的音乐造成不必要的干扰。
于是，本发明检测声音的方法包含下列步骤。首先，搜集使用者周围的声音，其中该声音包括背景杂音。接着，计算该背景杂音在预设时间区间的特征值，并判断所搜集到的最新声音是否符合预设条件。接着，在符合该预设条件时，估测该最新声音的发生方向，并判断该发生方向是否在该使用者后方的预设范围内。接着，在符合该预设范围时，去除该最新声音中的背景杂音，以获得检测声音。然后，以警示信息告知该使用者。
附图说明
图1是说明现有技术的声音传送装置的方块图；
图2是说明本发明检测声音的装置的优选实施例的方块图；
图3是说明本发明检测声音的方法的优选实施例的流程图；
图4是说明本发明检测声音的装置设在立体耳机的示意图；及
图5是说明在该优选实施例中所检测出的声音为“安全”及“危险”的情况的示意图。
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，在以下配合参考附图的优选实施例的详细说明中，将可清楚地呈现。
参阅图2、4，本发明检测声音的装置30的一个优选实施例适用于挂戴于使用者的双耳。例如，本发明的装置30可设置成为立体耳机3的一部分。当使用者挂戴具有该装置30的立体耳机3聆听音乐等声音行走于街道上时，该装置30可用于检测来自使用者后方的声音，其中该声音例如可为警车、救护车或消防车等的汽笛声、车辆的喇叭声，或机车的行驶引擎声等。
如图2所示，该装置30包含多个麦克风31、模拟/数字转换器32、声音检测单元33、方向估测单元34、背景杂音去除单元37、声音分类单元38及警示单元39。
如图4所示，在该优选实施例中，麦克风31的数量可以是两个，且分别设在该立体耳机3的本体两侧，但是本发明并不限于此，只要该两个麦克风31的间距大到足以用来检测出声音的方向，则在其它实施例中，该两个麦克风31可设在该立体耳机3的本体同一侧，而仍能使该装置30发挥应有的声音检测功能。
如图2所示，该麦克风31用于搜集该使用者周围的声音，其中除了在使用者周围可能发生的各种声音外，该声音还包括背景杂音。该模拟/数字转换器32用于将麦克风31所搜集到的声音的模拟信号转换成为数字信号。
该声音检测单元33用于计算该背景杂音在预设时间区间的特征值，并判断所搜集到的最新声音是否符合预设条件。在该优选实施例中，该声音检测单元33计算该背景杂音的能量频谱在该预设时间区间的平均值以及标准差以作为该特征值，其中该预设时间区间例如可为20帧(Frame)＝20×0.064秒/帧＝1.28秒。亦即，每隔该预设时间区间，该声音检测单元33会更新背景杂音的能量频谱的平均值及标准差。此外，该预设条件例如可以是，该所搜集到的最新声音的能量的该平均值与该标准差的总和。当所搜集到的最新声音的能量大于该平均值与标准差的总和时，即表示该最新声音中可能包括警车、救护车或消防车等之汽笛声、车辆之喇叭声，或机车的行驶引擎声等代表危险的声音。
参阅图2、5，该方向估测单元34是在该预设条件符合时，用于估测该最新声音的发生方向，并判断该发生方向是否在该使用者后方的预设范围θ内。在该优选实施例中，该方向估测单元34是利用到达方向(Direction Of Arrival，DOA)技术来估测符合该预设条件的最新声音的发生方向，其中该到达方向技术例如可为多重信号分类(MUltipleSIgnal Classification，MUSIC)法。此外，在该优选实施例中，是以该使用者左耳为0度，该使用者右耳为180度，而该预设范围θ是大于等于30度且小于等于150度。当该最新声音的发生方向被判断出是在该使用者后方的预设范围θ内时，则该方向估测单元34将该最新声音传送至该背景杂音去除单元37。
该背景杂音去除单元37包括方向控制模块371以及频谱相减模块372，且是在该预设范围θ符合时，用于去除该最新声音中的背景杂音，以获得检测声音。该方向控制模块371用于去除符合该预设条件的最新声音中不在该预设范围θ内的背景杂音。在该优选实施例中，该方向控制模块371通过调整空间滤波的方向来控制加权向量(Weight Vector)，以去除符合该预设条件的最新声音中不在该预设范围内的背景杂音。该频谱相减模块372用于去除符合该预设条件的最新声音中在该预设范围θ内的背景杂音。在该优选实施例中，该频谱相减模块372先解析出符合该预设条件的最新声音中在预设范围θ内能量频谱，再减去该背景杂音的能量频谱的平均值，以获得该检测声音。
该声音分类单元38用于接收该背景杂音去除单元37所传来的检测声音，并包括警示信息声音数据库381，其中该警示信息声音数据库381包括各种警示声音的声音模板，例如机车引擎声、消防车汽笛声、车辆喇叭声等。此外，该声音分类单元38更可用于从该警示信息声音数据库381中辨识出该检测声音所对应的警示信息，然后将该警示信息传送至该警示单元39。于是，当使用者挂戴设置该装置30的立体耳机3聆听音乐等声音行走于街道上时，该警示单元39(例如为立体耳机3的扬声器)可将该警示信息发出给使用者，以提醒使用者需注意后方所发生的状况。
参阅图2至5，本发明检测声音的方法之优选实施例包含以下步骤。首先，如步骤50所示，利用该多个麦克风31搜集使用者周围的声音。接着，如步骤51所示，利用模拟/数字转换器32将所搜集到的声音的模拟信号转换成数字信号。
接着，如步骤52所示，利用该声音检测单元33计算背景杂音在该预设时间区间的特征值。在该优选实施例中，此步骤52计算该背景杂音的能量频谱在该预设时间区间的平均值以及标准差以作为该特征值。
接着，如步骤53所示，该声音检测单元33判断所搜集到的最新声音是否符合该预设条件。如上所述，在该优选实施例中，该预设条件为所搜集到的最新声音的能量大于该平均值与该标准差的总和。若步骤53的判断结果为是，则表示所搜集到的最新声音中符合该预设条件，且进一步进行步骤54。反之，如果步骤53的判断结果为否，则表示所搜集到的最新声音中不包含能量较大的声音，且不对该最新声音做进一步处理，而持续以麦克风31搜集使用者周围的声音。
如步骤54所示，当步骤53的判断结果为是时，表示所搜集到的最新声音中包含能量较大的声音，然后方向估测单元34估测该最新声音的发生方向。如前所述，该步骤54例如可以到达方向技术中的多重信号分类法来进行。
接着，如步骤55所示，该方向估测单元34继续判断该发生方向是否在该使用者后方的预设范围θ内。如前所述对图5的说明，在该优选实施例中，该预设范围θ可以是在使用者后方大于等于30度且小于等于150度的范围。如果步骤55的判断结果为是，则继续进行步骤56。
反之，如果步骤55的判断结果为否，则表示该最新声音发生在该预设范围θ以外。亦即，该最新声音可能发生在使用者前方，也可能发生在使用者后方的范围α或β内。当步骤55利用方向估测单元34判断出该最新声音的发生方向为使用者的前方或是使用者后方的范围α或β时，表示该最新声音发生在安全区域内，因此不论该最新声音是代表安全或危险的声音，本发明的方法及装置都不会再对该最新声音进行后续处理，亦即不会针对发生在安全区域内的代表危险的最新声音，发出警示信息告知使用者。例如在图5中，虽然使用者后方的范围α内发生了消防车汽笛声，但由于该范围α属于安全区域，因此不需针对该范围α内的消防车汽笛声发出警示信息告知使用者。同理，虽然使用者后方的范围β内发生了机车引擎声，但由于该范围β属于安全区域，因此不需针对该范围β内的机车引擎声发出警示信息告知使用者。
如步骤56所示，当该最新声音发生于使用者后方的预设范围θ时，接着以背景杂音去除单元37来去除不在预设范围θ内的背景杂音，以获得该检测声音。如前所述，该步骤56是先去除符合该预设条件的最新声音中不在该预设范围θ内的背景杂音，然后再去除符合该预设条件的最新声音中在该预设范围θ内的背景杂音。如前所述，该优选实施例中是利用该背景杂音去除单元37的方向控制模块371来调整空间滤波的方向控制的加权向量，以去除符合该预设条件的最新声音中不在该预设范围θ内的背景杂音，接着再利用频谱相减模块372先解析出符合该预设条件的最新声音中在预设范围θ内的能量频谱，再减去该背景杂音的能量频谱的平均值，以获得该检测声音。
然后，如步骤57所示，利用该声音分类单元38执行声音辨识工作。在优选实施例中，首先，该声音分类单元38先计算该检测声音的特征梅尔倒频谱参数(Mel-Frequency Cepstral Coefficient，MFCC)。然后，该声音分类单元38再根据该特征梅尔倒频谱参数计算出该检测声音与警示信息声音数据库381中各种警示声音的声音模板间的马氏距离(Mahalanobis Distance)。接着，该声音分类单元38通过选出最小马氏距离所对应的警示声音信息的声音模板而辨识出该检测声音的种类，并将该警示信息传送至该警示单元39。
然后，如步骤58所示，该警示单元39发出该警示信息告知使用者。因而，当使用者挂戴立体耳机3聆听音乐等声音行走于街道上时，本发明的检测声音的方法可用于发出该警示信息给使用者，以提醒使用者需注意后方所发生的状况。
如图5所示，当原来在该范围β(安全区域)内的机车进入预设范围θ时，本发明会对该机车所发出的引擎声等声响进一步进行图3步骤56至58，且由于该机车引擎声会经该声音分类单元38辨识为符合警示信息声音数据库381中的“机车引擎声”模板，因此该警示单元39会发出与该机车引擎声对应的警示信息告知使用者，例如以立体耳机3的扬声器发出“右后方有机车”等警示信息。然而，如果是在该预设范围θ内有行人正以手机与他人交谈，则由于警示信息声音数据库38中并无“手机交谈声”模板(表示“手机交谈声”不是代表危险的声音)，因此即使该手机交谈声是发生在该预设范围θ内，本发明的警示单元39也不会发出与该手机交谈声对应的警示信息给使用者。
归纳上述，当行人双耳挂戴本发明装置聆听音乐等声音时，本发明检测声音的装置及方法可用于让行人仅会从本发明装置中听到来自后方的声音，但却不会听到来自前方的声音，因而可提高行人行走于道路时的安全性，而又不会让前方的声音对行人所聆听的音乐造成不必要的干扰。
至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。

Claims (22)

1.一种检测声音的装置，适用于挂戴于使用者的双耳，以检测该使用者后方的声音，其中该声音包括背景杂音，该装置包括：
多个麦克风，用于搜集该使用者周围的声音；
声音检测单元，用于计算该背景杂音在预设时间区间的特征值，并判断所搜集到的最新声音是否符合预设条件；
方向估测单元，在符合该预设条件时，用于估测该最新声音的发生方向，并判断该发生方向是否在该使用者后方的预设范围内；
背景杂音去除单元，在该预设范围符合时，用于去除该最新声音中的背景杂音，以获得检测声音；及
警示单元，用于将警示信息告知该使用者。
2.根据权利要求1所述的检测声音装置，其中，该声音检测单元计算该背景杂音的能量频谱在该预设时间区间的平均值以及标准差以作为该特征值，且该预设条件为：该所搜集到的最新声音的能量大于该平均值与该标准差的总和。
3.根据权利要求2所述的检测声音装置，其中，该背景杂音去除单元还包括方向控制模块以及频谱相减模块，该方向控制模块用于去除符合该预设条件的最新声音中不在该预设范围内的背景杂音，该频谱相减模块用于去除符合该预设条件的最新声音中在该预设范围内的背景杂音。
4.根据权利要求3所述的检测声音装置，其中，该方向控制模块通过调整空间滤波的方向控制的加权向量，以去除符合该预设条件的最新声音中不在该预设范围内的背景杂音。
5.根据权利要求3所述的检测声音装置，其中，该频谱相减模块先解析出符合该预设条件的最新声音中在预设范围内的能量频谱，再减去该背景杂音的能量频谱的平均值，以获得该检测声音。
6.根据权利要求1所述的检测声音装置，其中，该背景杂音去除单元还包含方向控制模块以及频谱相减模块，该方向控制模块用于去除符合该预设条件的最新声音中不在该预设范围内的背景杂音，该频谱相减模块用于去除符合该预设条件的最新声音中在该预设范围内的背景杂音。
7.根据权利要求6所述的检测声音装置，其中，该方向控制模块通过调整空间滤波方向控制加权向量，以去除符合该预设条件的最新声音中不在该预设范围内的背景杂音。
8.根据权利要求1所述的检测声音装置，还包含包括警示信息声音数据库声音分类单元，用于接收该背景杂音去除单元所传来的检测声音，再自该警示信息声音数据库中辨识出该检测声音所对应的警示信息，然后将该警示信息传送至该警示单元。
9.根据权利要求8所述的检测声音装置，其中，该声音分类单元先计算该检测声音的特征梅尔倒频谱参数，再根据该特征梅尔倒频谱参数计算该检测声音与该警示信息声音数据库中各种警示信息间的马氏距离，所算出的最小马氏距离所对应的警示信息即为该检测声音所对应的警示信息。
10.根据权利要求1所述的检测声音装置，其中，该方向估测单元是利用到达方向技术来估测符合该预设条件的最新声音的发生方向。
11.根据权利要求10所述的检测声音装置，其中该到达方向技术可为多重信号分类法。
12.一种检测声音的方法，包含下列步骤：
(a)搜集使用者周围的声音，其中该声音包括背景杂音；
(b)计算该背景杂音在预设时间区间之特征值，并判断所搜集到的最新声音是否符合预设条件；
(c)在该预设条件符合时，估测该最新声音的发生方向，并判断该发生方向是否在该使用者后方的预设范围内；
(d)在该预设范围符合时，去除该最新声音中的背景杂音，以获得检测声音；及
(e)以警示信息告知该使用者。
13.根据权利要求12所述的检测声音的方法，其中该(b)步骤是计算该背景杂音的能量频谱于该预设时间区间的平均值以及标准差以作为该特征值，且该预设条件为：该所搜集到的最新声音的能量大于该平均值与该标准差的总和。
14.根据权利要求13所述的检测声音的方法，其中该(d)步骤是先去除符合该预设条件的最新声音中不在该预设范围内的背景杂音，然后再去除符合该预设条件的最新声音中在该预设范围内的背景杂音。
15.根据权利要求14所述的检测声音的方法，其中该(d)步骤是通过调整空间滤波的方向控制的加权向量，以去除符合该预设条件的最新声音中不在该预设范围内的背景杂音。
16.根据权利要求14所述的检测声音的方法，其中该(d)步骤是先解析出符合该预设条件的最新声音中在预设范围内的能量频谱，再减去该背景杂音的能量频谱的平均值，以获得该检测声音。
17.根据权利要求12所述的检测声音的方法，其中该(d)步骤是先去除符合该预设条件的最新声音中不在该预设范围内背景杂音，然后再去除符合该预设条件的最新声音中在该预设范围内的背景杂音。
18.根据权利要求17所述的检测声音的方法，其中该(d)步骤是通过调整空间滤波方向控制加权向量，以去除符合该预设条件的最新声音中不在该预设范围内的背景杂音。
19.根据权利要求12所述的检测声音的方法，在该(d)与(e)步骤间，还包含步骤(f)，是针对该(d)步骤所获得的检测声音进行声音分类，以辨识出该检测声音所对应的警示信息，并将该警示信息传送至该步骤(e)。
20.根据权利要求19所述的检测声音的方法，其中该步骤(f)包括：先计算该检测声音的特征梅尔倒频谱参数，再根据该特征梅尔倒频谱参数计算该检测声音与各种警示信息间的马氏距离，所算出的最小马氏距离所对应的警示信息即为该检测声音所对应的警示信息。
21.根据权利要求12所述的检测声音的方法，其中该(c)步骤是利用到达方向技术来估测符合该预设条件的最新声音的发生方向。
22.根据权利要求21所述的检测声音的方法，其中该到达方向技术可为多重信号分类法。
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