CN101668243A - 一种麦克风阵列及麦克风阵列校准的方法和模块 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种麦克风阵列校准的方法，所述方法包括：获取输入各个声道的音频信号中的噪声信号；计算所述输入各个声道的音频信号中的噪声信号的声学相关度；当确定所述声学相关度超过设置的相关度阈值时，获取所述各个声道的增益平均值；根据所述增益平均值调整所述各个声道的增益。本发明实施例还提供相应的麦克风阵列及麦克风阵列校准模块。本发明技术方案由于采用环境中的噪声信号作为校准参考声源，不需要固定的校准声源，可以随时、随地利用环境中的噪声进行校准，并支持开机校准，非常方便用户使用。

Description

一种麦克风阵列及麦克风阵列校准的方法和模块

技术领域

本发明涉及麦克风技术领域，具体涉及一种麦克风阵列及麦克风阵列校准的方法和模块。

背景技术

目前，采用阵列式的麦克风逐渐增多，产生了各种类型的麦克风阵列，例如：悬挂式麦克风阵列、圆盘式麦克风阵列、矩阵式麦克风阵列，这些种类的阵列式麦克风一般采用排成一定规则的位置的多个麦克风进行声音采集，并输入到内部进行数字信号处理(DSP，Digital Signal Processing)，用于实现声源定位、声场检测、消除本底噪声、检测各方向声源是否达到立体声或者多声道的功能等等。但是，由于阵列式麦克风中的每一单个麦克风都存在一定的差异，这种差异不论大小，是绝对存在的，而后续的DSP处理又希望每个麦克风的电声特性是完全一致的，这样便于后续的DSP处理。为了使得每个麦克风的电声特性尽量一致，需要对各个阵列中的麦克风进行声音校准。

目前，采用的一种声音校准方法是固定参考声源检定法，一般是由一个特殊声源在一个特定位置发出声音进行检定和自动校准，下面以对圆盘式麦克风阵列的检定和校准进行说明：

参照图1，为现有技术中麦克风阵列校准原理示意示意图，该麦克风校准阵列为圆盘式麦克风阵列，圆盘式麦克风阵列13包括MIC1、MIC2、MIC3。一般校准设备为一个声学圆桶11，该桶的桶壁全部填满厚度均匀的吸声材料12。在圆盘式麦克阵列13拾音方向侧的中心线14的上方位置放置一个点声源(喇叭)15，使得该点声源到各个麦克风的距离和声通路一致，然后从各个麦克风接到的同一声源进行校准。

但是，在对现有技术的研究和实践过程中，本发明的发明人发现，上述方法需要放置一个特殊装置进行校准，并且由于需要特殊装置(例如图1所示的校准用声学圆桶)，一般较为庞大和笨重而不便于携带，因此不能作为麦克风阵列的一个附件。通常只能用于出厂或验收校准，不能进行实时校准，而一旦某个麦克风随时间、温度、振动、静电等相关因素产生较大的漂移影响的话，所进行的上述校准就失效了。

发明内容

本发明实施例提供一种麦克风阵列及麦克风阵列校准的方法和模块，用于麦克风阵列的自动校准。

本发明实施例提供了一种麦克风阵列校准的方法，该方法包括：

获取输入各个声道的音频信号中的噪声信号；

计算所述输入各个声道的音频信号中的噪声信号的声学相关度；

当确定所述声学相关度超过设置的相关度阈值时，获取所述各个声道的增益平均值；

根据所述增益平均值调整所述各个声道的增益。

一种麦克风阵列校准的模块，该模块包括：噪声信号捕捉器、相关度计算器、增益调节器，其中：

噪声信号捕捉器，用于获取输入各个声道的音频信号中的噪声信号；

相关度计算器，用于计算所述噪声信号捕捉器获取的所述噪声信号的声学相关度；

增益调节器，用于当所述相关度计算器计算得出的所述声学相关度超过设置的相关度阈值时，获取所述各个声道的增益平均值，并根据所述增益平均值调整所述各个声道的增益。

本发明实施例还提供了一种麦克风阵列，该麦克风阵列包括麦克风阵列校准模块，所述模块包括：噪声信号捕捉器、相关度计算器、增益调节器，其中：

噪声信号捕捉器，用于获取输入各个声道的音频信号中的噪声信号；

相关度计算器，用于计算所述噪声信号捕捉器获取的所述噪声信号的声学相关度；

增益调节器，用于当所述相关度计算器计算得出的所述声学相关度超过设置的相关度阈值时，获取所述各个声道的增益平均值，并根据所述增益平均值调整所述各个声道的增益。

本发明实施例采用计算所获取的各个声道的音频信号中的噪声信号的声学相关度，并在确定所述声学相关度超过设置的相关度阈值时，获取所述各个声道的增益平均值，并根据所述增益平均值调整各个声道的增益，从而实现麦克风阵列的自动校准。可以看出，该技术方案采用环境中的噪声信号作为校准参考声源，不需要固定的校准声源，因此可以随时、随地利用环境中的噪声进行校准，并支持开机校准，非常方便用户使用。

附图说明

图1为现有技术中麦克风阵列校准原理示意图；

图2为本发明实施例中麦克风阵列校准的方法实施例一流程图；

图3为本发明实施例中麦克风阵列校准的方法实施例二流程图；

图4为本发明实施例中麦克风阵列校准模块实施例一结构示意图；

图5为本发明实施例中麦克风阵列校准模块实施例二结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种麦克风阵列及麦克风阵列校准的方法和模块，为使本发明实施例的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下参照附图，分别进行详细说明：

发明人发现，在输入的各个声道的音频信号中，背景噪声可以分为远场噪声和近场噪声。远场噪声，是指远方传来的噪声，一般以中低频声音成分居多，并且通常不是通过声音通路直线到达(无直达声)，而是通过各种漫射、反射、衍射的声学传递方式到达。由于各个噪声源分别产生的声音会在传输介质(如空气)中的传播过程中产生一定的叠加和混合，经过一定的传播距离后，会形成一种声学特性较为稳定的混合声，在距离噪声源较远的一个较小的空间区域内测试时，这种混合声的音频特性几乎不会发生变化。换句话说，在这个较小空间区域内任何测试点记录下的该混合声的声学相关度几乎接近100％。而近场噪声，是指近处传来的声音，或远方声音通过直线传来的声音。一般均为直达声为主，其他漫射、反射、衍射的声学传递方式的声音为辅。近场噪声的声学特性的指向性和空间距离特性分界比较明显，一般在一定区域内不同的位置测试会得到几乎完全不同的声学特性。换句话说，在这个空间区域内任何不同测试点录下的该声音信号的声学相关度几乎接近0％。

本发明实施例通过计算所获取的各声道音频信号中的噪声信号的相关度，判断所获取的噪声是否为远场噪声，并在是远场噪声时，将该远场噪声作为各个声道的统一校准的参考源，并根据远场噪声下各个声道的增益平均值调整各个声道的增益。

参照图2，为本发明实施例中麦克风阵列校准的方法实施例一流程图，具体步骤如下：

S201、获取输入各个声道的音频信号中的噪声信号；

例如可以从音频信号中提取背景噪声。

S202、计算所述输入各个声道的音频信号中的噪声信号的声学相关度；

S203、确定所述声学相关度超过设置的相关度阈值时，获取所述各个声道的增益平均值；

例如可以通过计算的方式得到所述各个声道的增益平均值。

S204、根据所述增益平均值调整所述各个声道的增益。

在具体实施中，可以将所述各个声道的增益调整为所述增益平均值，也可以根据一定的策略在所述增益平均值的基础上进行微调。

例如，某麦克风声道增益高于该增益平均值2dB，则在该声道内减去增益2dB，如某麦克风增益小于该增益平均值1dB，则将该声道的增益增加1dB，这样就完成了各声道增益的统一化。

可见，本实施例采用计算获取输入各个声道的音频信号中的噪声信号的声学相关度，并在确定所述声学相关度超过设置的相关度阈值时，获取所述各个声道的增益平均值，并根据所述增益平均值调整所述各个声道的增益来实现麦克风阵列的自动校准，由于采用环境中的噪声信号作为校准声源，不需要固定的校准声源，可以随时、随地利用环境中的噪声进行校准，支持开机校准，因此非常方便用户使用。

参照图3，为本发明实施例中麦克风阵列校准的方法实施例二流程图，通过低通滤波或带通滤波获取输入各个声道的音频信号中的噪声信号，用户开机或者手工设定准备进行麦克风阵列校准程序后，就可以执行本发明实施例所述的麦克风阵列校准方法，具体步骤如下：

S301、拾音；

麦克风阵列中的各个麦克风分别进行拾音，并且可以根据自身的硬件电路进行放大，以便于后续进行模拟/数字(A/D，Analog to Digital)转换。

例如，麦克风1、2、3组成的麦克风阵列对同一个远场噪声进行拾音后进行相关放大，分别得到30dB、31dB、29dB的模拟音频信号。

S302、A/D转换；

对各麦克风传来的声音分别根据预先设置的规格进行采样，即进行A/D转换，例如：采样率可以为16bit、48k等，变成数字音频信号，便于后续对数字音频信号进行处理。

步骤S301所得到的30dB、31dB、29dB的模拟音频信号经过A/D转换后三个通道的音量基本不变，变为30dB、31dB、29dB的数字音频信号。

S303、进行滤波；

例如可采用500Hz以下的低通滤波器，或者采用100～600Hz的带通滤波器进行滤波，用于后续远场噪声声学相关度的计算。

经过数字的低通或带通滤波后，各个声道的音量分别降低了5dB，变为：25dB、26dB、24dB。

S304、计算各个声道的声学相关度；

发明人发现，远/近场噪声判断原理如下：远场的声音传送到各个麦克风通常是通过反射、漫射、衍射等传递方式到达的，所以音量和方向角大体一致，声学相关度较高；而近处的噪声传递到某个特定的麦克风可能有较为主要的直达声，和别的麦克风存在较大的不相关度。

声道的声学相关度计算方法很多，不能尽述，下面举例说明一种常用的声学相关度计算方法：

在同一个麦克风阵列中的两个不同位置的麦克风分别拾音录入一段时间(例如：10秒或更长的时间)后，得到两个不同声音数字化文件，分别称为x声源文件和Y声源文件，因数字化的音频文件大部分是脉冲编码调制(PCM，Pulse code modulation)格式文件，可以将它们理解为一对数字信号x[n]和y[n]上的能量文件，为了测定它们之间的相关度，可以将其表达为如下r_xy[l]互相关函数：

$r_{\mathrm{xy}}\left[l\right]=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}x\left[n\right]y[n-l],$ 1＝0，±1，±2，...(式1)

其中参数1称为时延，表明这一对信号之间的时移。如l为正，则说时间序列y[n]相对于参考序列x[n]右移了1个样本，如果l为负，则说y[n]相对于参考序列x[n]左移了1个样本。下标中的xy的顺序表示了x[n]是参考序列，它在时间上保持固定，则y[n]相对于x[n]做平移。

另外互相关也可采用卷积的方式表达为：

$r_{\mathrm{xy}}\left[l\right]=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}x\left[n\right]y[-(l-n)]=x\left[l\right]\⊗y[-l],$ (式2)

上面结果表明了y[n]相对于参考声源x[n]的互相关，可以通过求解冲激响应为y[-n]的线性时不变离散时间系统对x[n]的响应来得到。则归一化后的公式为：

$p_{\mathrm{xy}}\left[l\right]=\frac{r_{\mathrm{xy}}\left[l\right]}{\sqrt{r_{\mathrm{xx}}\left[0\right]r_{\mathrm{yy}}\left[0\right]}}$ (式3)

其中：即信号x[n]的能量，同理也可算r_yy[0]。另外最终的互相关函数的值|p_xy[l]|≤1，且与x[n]和y[n]的值无关。

则x[n]和y[n]可以根据如上归一化的绝对值结果，可以得出一个(0～1)之间的数值结果，可乘以100％转化为百分比，由此可以互相关的特性了。例如接近100％，则两个声源信号几乎完全一致或互相关，接近0％的，则两个声源信号完全不一致或不相关。可以通过实验数据设定一个相关度的阈值。

以上以两个声源文件互相关度计算举例说明，可以理解的是，该方法也适用于三个及三个以上的声道的情况。

S305、确定各个声道的声学相关度是否超过设置的相关度阈值，如果是，则执行S306；如果否，则执行S308；

可以通过反复实验来确定相关度阈值，相关度高于所设置的相关度阈值则认为是远场噪声，否则认为是近场噪声，不可以作为校准噪声参考源。

所设置的相关度阈值越高，则相关度计算的准确度越高，后续增益调整越符合实际，校准越精确。但是，所设置的相关度阈值越高，则符合远场噪声的条件要求越高，旁边的近场越不能有任何的声音干扰，因此这样可能会导致超过设置的相关度阈值的可能性太小，不易实现，需要反复测试，影响客户体验，因此可以通过反复实验来得出并选定一个合适的相关度阈值，既尽量保证后续的校准的准确度，又容易实现。

例如，所经过反复实验设置80％为相关度阈值，而上述计算三个声道25dB、26dB、24dB的数字音频信号的相关度为85％，超过设置的相关度阈值，执行S206。

S306、计算出各个声道的增益平均值；

计算上述三个声道25dB、26dB、24dB的增益平均值为25dB。

S307、将各个声道的增益调整为所述增益平均值；

由于计算得到的增益平均值为25dB，则麦克风1对应的声道增益增加0dB，麦克风2对应声道的增益增加-1dB，麦克风3对应声道的增益增加+1dB，因此，调整后各个麦克风声道的增益均稳定在25dB。

增益调整完毕后，可以向系统控制中心汇报校准完成，通知用户校准过程已经结束，麦克风阵列可以正常使用了。

校准完成后，可以将A/D转换后的音频信号传递到后续DSP或者CPU进行信号处理。

S308、通知用户关闭或移除直达噪声声源。

可以通知系统控制中心进行告警，提示用户关闭或移除直达噪声源，然后重新获取各个声道的噪声信号，并计算其相关度。

可以看出，由于远场传递来的声音信号主要以中低频为主，尤其是低频部分绝大多数采用各种漫射、反射、衍射的声学传递方式，富含的能量较大，声学相关度较好，而中频部分容易受到周围近场声源的干扰，声学相关度不太稳定。因此，本实施例利用低通滤波或带通滤波滤出环境噪声中最容易出现的低频噪声作为参考噪声源，作为后续声学相关度判断的参考源，可以进一步提高相关度判断的准确度。

该实施例采用对A/D转换后的数字音频信号进行低通滤波或带通滤波的方式来获得各个声道的噪声信号，可以理解的是，也可以先采用模拟滤波器获得各个声道的模拟噪声信号，然后对换取的模拟噪声信号进行A/D转换，从而将输入各个声道的模拟音频信号转换为数字音频信号，此处不再详细说明。

以上对本发明实施例所采用的麦克风阵列校准方法进行了详细的介绍，为使本领域技术人员更好地理解和实现本发明实施例，下面对上述方法所采用的麦克风阵列校准模块进行对应说明：

参照图4，为本发明实施例中麦克风阵列校准模块实施例一结构示意图，该模块包括：噪声信号捕捉器41、相关度计算器42、增益调节器43，其中：

噪声信号捕捉器41，用于获取输入各个声道的音频信号中的噪声信号；

相关度计算器42，用于计算所述噪声信号捕捉器41所获取的噪声信号的声学相关度；

增益调节器43，用于所述相关度计算器42计算得出的噪声信号的声学相关度超过设置的相关度阈值时，获取所述各个声道的增益平均值，并根据所述增益平均值调整所述各个声道的增益调整。

在具体实施中，噪声信号捕捉器41可以提取各个声道音频信号的背景噪声作为噪声信号。

所述增益调节器43可以通过计算得到所述各个声道的增益平均值。

在具体实施中，增益调节器43可以将所述各个声道的增益调整为所述增益平均值，也可以根据一定的策略在所述增益平均值的基础上进行微调。

由于通常远场噪声传递来的信号以中低频为主，尤其是低频部分绝大多数采用各种漫射、反射、衍射的声学传递方式，声学相关度较好，而中频部分由于容易受到周围近场声源的干扰，因此声学相关度不稳定。噪声捕捉器41采用低通滤波器或带通滤波器滤出环境噪声中最容易出现的低频噪声作为校准的噪声参考源，可以进一步提高校准的准确度。

可以看出，该麦克风阵列校准模块采用环境中的噪声信号作为校准参考声源，不需要固定的校准声源，因此可以随时、随地利用环境中的噪声进行校准，故非常方便用户使用。

参照图5，为本发明实施例中麦克风阵列校准模块实施例二结构示意图，与上一麦克风校准模块实施例的不同之处在于，在上一实施例基础上，扩展了告警器51，用于相关度计算器42计算得出的各个声道的声学相关度超过设置的相关度阈值时，通知用户关闭或移除直达噪声声源；扩展滤波器52对输入各个声道的音频信号进行滤波并输入到所述噪声捕捉器41作为各个声道音频信号中的噪声信号。

滤波器52具体可以通过低通滤波或带通滤波滤出环境噪声中最容易出现的低频噪声作为参考噪声源，作为后续声学相关度判断的参考源，这样可以进一步提高声学相关度判断的准确性。

而通过告警器51提示用户关闭或移除直达噪声源，使用户排除所述干扰噪声，进而可以重新获取各个声道的噪声信号，并计算其相关度，从而使麦克风阵列达到需要的校准精度。

通知用户关闭或者移除直达噪声声源后，可以重新进行开机或者手工进行校准。

可以理解的是，上述实施例所介绍的麦克风阵列校准模块可内置于麦克风阵列中，包含有上述麦克风阵列校准模块的麦克风阵列也在本发明实施例的保护范围内，该麦克风阵列中的麦克风阵列校准模块的功能和实现方式与上述实施例所述的麦克风阵列校准模块相同，可以采用硬件的方式来实现，也可以采用软件的方式来实现，而且可以应用到流媒体、终端、广电、手机产品等诸多有麦克风阵列应用需要的技术领域。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

以上对本发明实施例所提供的麦克风阵列及麦克风阵列校准的方法和模块进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (13)

1、一种麦克风阵列校准的方法，其特征在于，包括：

获取输入各个声道的音频信号中的噪声信号；

计算所述输入各个声道的音频信号中的噪声信号的声学相关度；

当确定所述声学相关度超过设置的相关度阈值时，获取所述各个声道的增益平均值；

根据所述增益平均值调整所述各个声道的增益。

2、根据权利要求1所述的麦克风阵列校准的方法，其特征在于：所述获取输入各个声道的音频信号中的噪声信号为：

对所述输入各个声道的音频信号进行滤波获取所述输入各个声道的音频信号中的噪声信号；

或者，从所述输入各个声道的音频信号中提取背景噪声作为输入各个声道的音频信号中的噪声信号。

3、根据权利要求2所述的麦克风阵列校准的方法，其特征在于，所述进行低通滤波或带通滤波为：

采用500Hz以下的低通滤波方法进行低通滤波或采用100～600Hz的带通滤波方法进行带通滤波。

4、根据权利要求2或3所述的麦克风阵列校准的方法，其特征在于，在对输入各个声道的音频信号进行滤波前或者滤波后对所述音频信号进行模拟数字转换。

5、根据权利要求1或2所述的麦克风阵列校准的方法，其特征在于，当确定所述声学相关度超过设置的相关度阈值时，进一步包括：

通知用户关闭或移除直达噪声声源。

6、根据权利要求4所述的麦克风阵列校准的方法，其特征在于，在调整所述各个声道的增益后进一步包括：

将所述各个声道的数字音频信号输入到数字信号处理器进行信号处理。

7、根据权利要求1或2所述的麦克风阵列校准的方法，其特征在于，还包括：根据用户需要调整所述设置的相关度阈值。

8、一种麦克风阵列校准模块，其特征在于，包括：噪声信号捕捉器、相关度计算器、增益调节器，其中：

噪声信号捕捉器，用于获取输入各个声道的音频信号中的噪声信号；

相关度计算器，用于计算所述噪声信号捕捉器获取的所述噪声信号的声学相关度；

增益调节器，用于当所述相关度计算器计算得出的所述声学相关度超过设置的相关度阈值时，获取所述各个声道的增益平均值，并根据所述增益平均值调整所述各个声道的增益。

9、根据权利要求8所述的麦克风阵列校准模块，其特征在于，还包括：滤波器，用于对输入各个声道的音频信号进行滤波得到输入各个声道的音频信号中的噪声信号。

10、根据权利要求8或9所述的麦克风阵列校准模块，其特征在于：还包括：告警器，用于当相关度计算器计算得出的各个声道的声学相关度超过设置的相关度阈值时，通知用户关闭或移除直达噪声声源。

11、一种麦克风阵列，其特征在于，包括麦克风阵列校准模块，所述模块包括：噪声信号捕捉器、相关度计算器、增益调节器，其中：

噪声信号捕捉器，用于获取输入各个声道的音频信号中的噪声信号；

相关度计算器，用于计算所述噪声信号捕捉器获取的所述噪声信号的声学相关度；

增益调节器，用于当所述相关度计算器计算得出的所述声学相关度超过设置的相关度阈值时，获取所述各个声道的增益平均值，并根据所述增益平均值调整所述各个声道的增益。

12、根据权利要求11所述的麦克风阵列，其特征在于，所述麦克风阵列校准模块还包括：滤波器，用于对输入各个声道的音频信号进行滤波得到输入各个声道的音频信号中的噪声信号。

13、根据权利要求11或12所述的麦克风阵列，其特征在于：所述麦克风阵列校准模块还包括：告警器，用于相关度计算器计算得出的各个声道的声学相关度超过设置的相关度阈值时，通知用户关闭或移除直达噪声声源。

Images