CN101685153A - 麦克风间距测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种麦克风间距的测量方法，具体地，选择多个音源参考点，方法包括：分别测量相邻麦克风接收到音源参考点发出的信号的时延差；根据测得的时延差以及声音传播速率C计算音源参考点到相邻麦克风的距离差；获取各音源参考点与其中一个麦克风的连线以及各麦克风之间连线的夹角；根据各音源参考点与相邻麦克风的位置关系的公式、夹角以及距离差计算相邻麦克风的间距。本发明实施例还提供了一种用于测量麦克风间距的装置，使用本发明实施例提供的方法和装置，提高了声源定位的精度。

Description

麦克风间距测量方法和装置

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种麦克风间距测量方法和装置。

背景技术

传统的拾音工具为单个孤立的麦克风，处于拾音范围内的任何声音，包括感兴趣的信号和不希望的噪音，都会被麦克风接收。在真实环境的语音通信应用中，例如，语音识别与编码、助听器、远程电视会议和免提车载电话等，单个麦克风接收的信号是由环境噪声和多个声音信源发出的声音组成的混合信号。但是，人们常常只对这些信源中的一个或多个感兴趣。同时，音源参考点可能在室内小范围走动，并且室内存在各种多径反射和混响等干扰。这些会导致单个麦克风接收的信号的信噪比降低，从而导致语音通信质量严重恶化，使得感兴趣的音源参考点的声音难以被听清。在噪声处理上，传统的麦克风一般采用在频谱域进行功率谱抵消(SpectralSubtraction)和滤波等技术来抑制噪声。然而，这些接收到的语音信号和噪声在时间和频谱上常常是相互重叠的。因此，要分离出不同的声音并有效抑制噪声相当困难，而且无法使麦克风自适应地对准并跟踪感兴趣的音源参考点。现有技术方法中的基于麦克风阵列的语音处理技术虽然能解决上述问题，但该方法受麦克风相位和灵敏度的不一致性、麦克风间距的不准确性影响较大。

发明内容

本发明实施例提供一种麦克风间距测量方法和装置，以提高语音通信质量。

一方面，本发明实施例提供一种麦克风间距测量方法，选择多个音源参考点，该方法包括：分别测量相邻麦克风接收到所述音源参考点发出的信号的时延差；根据所述时延差以及声音传播速率C计算所述音源参考点到相邻麦克风的距离差；获取所述各音源参考点与其中一个麦克风的连线以及各麦克风之间连线的夹角；根据各音源参考点与所述相邻麦克风的位置关系的公式、所述夹角以及所述距离差计算相邻麦克风的间距。

另一方面，本发明实施例还提供一种麦克风间距测量装置，该装置包括：时延测量模块，用于测量相邻麦克风接收到的音源参考点发出的信号的时延差；距离差计算模块，用于根据所述时延测量模块测量到的时延差以及声音传播速率C计算音源参考点到相邻麦克风的距离差；角度计算模块，用于获取所述各音源参考点与其中一个麦克风的连线以及各麦克风之间连线的夹角；和间距计算模块，用于根据音源参考点与所述相邻麦克风的位置关系、所述夹角以及所述距离差计算模块获取的距离差计算相邻麦克风的间距。

本发明实施例提供的方法和装置可以提高声源定位的精度，更好的抑制噪声。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种麦克风的摆放方法示意图；

图2是本发明实施例提供的一种麦克风间距测量的方法示意图；

图3是本发明实施例提供的一种麦克风间距测量的方法示意图；

图4是本发明实施例提供的一种麦克风间距测量的方法示意图；

图5是本发明实施例提供的另一种麦克风的摆放方法示意图；

图6是本发明实施例提供的校正模块的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明实施例进一步详细说明。

麦克风阵列容易受麦克风相位和灵敏度不一致性、麦克风间距不准确性影响的主要原因是麦克风的间距一般较小，如果空间上将麦克风分离得较开，则麦克风之间的距离测量很麻烦，而且将多个麦克风放在一个设备上，对设备的大小也有特别要求，商用化程度不高。针对这个问题，本发明实施例提供了一种麦克风间距测量方法，使得麦克风的摆放更加方便，降低麦克风阵列受麦克风相位和灵敏度不一致性、麦克风间距不准确性的影响，从而提高语音质量。

本发明实施例提供一种计算麦克风的间距的方法如图2所示，图中第一个麦克风和第二个麦克风之间的距离为L1，第二个麦克风和第三个麦克风之间的距离为L2，假设音源参考点S1在第一个麦克风的正前方，S1到第一、第二、第三个麦克风之间的距离分别为d11、d12、d13，音源参考点S2在第二个麦克风的正前方，S2到第一、第二、第三个麦克风之间的距离分别为d21、d22、d23。下面以S1发言为例对计算麦克风间距的方法进行具体说明，第一、第二、第三个麦克风都能够检测到S1的发言，声速为C，则从S1发出声音到三个麦克风接收到其声音的时延分别为：

${\mathrm{\τ}}_{11}=\frac{d_{11}}{C}$

${\mathrm{\τ}}_{12}=\frac{d_{12}}{C}---\left(1\right)$

${\mathrm{\τ}}_{13}=\frac{d_{13}}{C}$

采用现有的音频信号处理技术，可以检测出麦克风接收到的信号之间的时间差，即可以求出τ₁₂-τ₁₁和τ₁₃-τ₁₂，令

D₁₁＝d₁₂-d₁₁

                       (2)

D₁₂＝d₁₃-d₁₂

则可求出：

D₁₁＝C*(τ₁₂-τ₁₁)

                       (3)

D₁₂＝C*(τ₁₃-τ₁₂)

令：

D₂₁＝d₂₂-d₂₁

                      (4)

D₂₂＝d₂₃-d₂₂

同样可求出：

D₂₁＝C*(τ₂₂-τ₂₁)

                      (5)

D₂₂＝C*(τ₂₃-τ₂₂)

根据三角公式有：

$d_{11}^2+{l_1}^2=d_{12}^2$

$d_{11}^2+{(l_1+l_2)}^2=d_{13}^2---\left(6\right)$

结合公式(2)可求得：

$\frac{{(l_1+l_2)}^2}{D_{11}+D_{12}}-\frac{{l_1}^2}{D_{11}}=D_{12}---\left(7\right)$

同样根据三角公式有：

$d_{22}^2+{l_1}^2=d_{21}^2$

$d_{22}^2+{l_2}^2=d_{23}^2---\left(8\right)$

结合公式(4)可求得：

$\frac{{l_1}^2}{D_{21}}+\frac{{l_2}^2}{D_{22}}=D_{21}+D_{22}---\left(9\right)$

公式(7)和公式(9)只有两个未知变量，因此联合这两个公式可求得L1和L2。

本发明实施例中，音源参考点S1、S2不一定需要在第一、第二麦克风正前方，在任意两个麦克风的正前方都可以求得L1、L2。

在上述求解过程中，变量数和方程式数相等，都为8个，因此可以求解出L1、L2。实际上如果麦克风数目增多，例如四个，此时有L1个变量，12个方程式，同样可以求出麦克风之间的距离。但麦克风数量减少时，例如只有两个，此时变量数目(麦克风间距)为5个，但方程只有4个，解不出L1，可以让音源参考点S1、S2站在离麦克风同样远的地方，即使得d11＝d22，此时变量只有4个，可以求解出L1。当音源参考点个数增加时，方程式个数增加，而变量数目不变，可以求出麦克风间距。

本发明实施例提供的测量麦克风间距的方法，方便了麦克风的放置，同时降低了麦克风阵列算法受麦克风相位和灵敏度的不一致性、麦克风间距的不准确性的影响，进一步提高了语音通信质量。

上述方案要求音源参考点正对麦克风，在使用上不是很方便。当音源参考点与其中一个麦克风的连线以及多个麦克风连线成斜角时，需要计算该斜角的角度，此时可以将麦克风集成在具有成像功能的实体上，例如摄像机，在目前的高端视频会议系统中，经常有多个摄像机，其摆放方式通常是多个摄像机并排摆放，覆盖整个会议室。针对这种应用场合，本发明实施例一提供一种麦克风间距测量方法，如图2所示，以三个摄像机为例进行说明，在每个摄像机上集成一个麦克风，所有这些麦克风组成一个麦克风阵列，采用该方案时，使用本发明实施例二提出的另一种麦克风间距测量方法计算麦克风间距，具体如图3所示，此时，S1、S2不在麦克风的正前方，S1和麦克风之间的连线的夹角为θ₁，S2和麦克风之间的连线的夹角为θ₂，其中，θ₁、θ₂都小于90度。要求出麦克风之间的距离L1、L2，需要先计算θ₁和θ₂，下面以θ₁为例进行说明。

如图4所示，音源参考点S1在摄像机上所成的像为S1’，摄像机的焦距f1为已知，获取S1’在图像上的位置后，就可以知道S1’到图像中心的距离m1，则音源参考点S1和摄像机的夹角θ₁可按下式求出：

${\mathrm{\θ}}_1=\arctan \left(\frac{f1}{m1}\right)---\left(10\right)$

本实施例中，S1’在图像上的位置可以用现有的图像识别技术，如利用脸部的肤色以及嘴唇的运动等特征进行识别。本实施例中，由于需要利用摄像机的成像功能计算夹角，则此时麦克风摆放在具有成像功能的载体上。

本发明实施例一中获取的8个方程，即方程式(2)、(4)、(6)、(8)在本发明实施例二中，公式(2)、(4)不变，根据三角形的余玄定理，公式(6)和公式(8)分别改成如下的公式：

$d_{11}^2+{l_1}^2-2*d_{11}*l_1*\cos {\mathrm{\θ}}_1=d_{12}^2$

$d_{11}^2+{(l_1+l_2)}^2-2*d_{11}*(l_1+l_2)*\cos {\mathrm{\θ}}_1=d_{13}^2---\left(11\right)$

$d_{22}^2+{l_1}^2+2*d_{22}*l_1*\cos {\mathrm{\θ}}_2=d_{21}^2$

$d_{22}^2+{l_2}^2-2*d_{22}*l_2*{\cos \mathrm{\θ}}_2=d_{23}^2---\left(12\right)$

由于变量还是d11、d12、d13、d21、d22、d23、L1、L2，共8个，因此联合公式(2)、(4)、(11)、(12)中的八个方程，可以求得麦克风之间的距离L1、L2。

本实施例中，当只有两个麦克风时，也要求d11＝d22。

本实施例中，由于需要利用摄像机的成像功能计算夹角，因此在这种应用场景中，麦克风需要摆放在具有成像功能的载体上。

本发明实施例提供的测量麦克风间距的方法中，将多个麦克风放在具有成像功能的载体上，降低了麦克风阵列算法受麦克风相位和灵敏度的不一致性、麦克风间距的不准确性的影响，进一步提高了语音通信质量，而且音源参考点不需要在开视频会议前站在摄像机正前方去测试摄像机之间的距离，而可以在开会过程中自动去计算摄像机之间的距离，使用更加方便。

以上本发明实施例的方案中，一个摄像机上都只安装一个麦克风，如图5所示，本发明实施例三提出另一种麦克风间距测量方法，部分或所有摄像机上集成了多个麦克风，每个摄像机上集成的麦克风个数可以相同或者不同，此时可以计算相邻摄像机上任意两个麦克风之间的距离，在本方案中，除了计算不同麦克风之间的距离，还需要对同一个摄像机上的多个麦克风的灵敏度和相位进行校正，从而更准确地估计声源方位和抑制噪声。

采用如图6所示的校正模块对同一个摄像机的多个麦克风的灵敏度和相位进行校正，本实施例以一个摄像机集成两个麦克风为例进行说明。同一个摄像机上的两个麦克风采集的多路音频流输入到第一音频方位估计模块601，该模块采用现有的音频处理技术估计出音源的方位，计算出的方位是相对于所设置的参考点的，例如，如果将该摄像机的其中一个麦克风作为参考点，则音源方位就是相当于该麦克风的方位。摄像机上的摄像头采集的一路视频流输入到音源图像位置获取模块602，该模块采用图像识别技术估计出音源在图像中的位置，并将获取的音源图像位置输入第二音源方位估计模块603，模块根据音源在图像中的位置，以及摄像头的焦距，可以计算出音源的方位，该音源方位是以镜头为参考点的。采用音频技术计算出来的音源方位和采用图像技术计算出来的音源方位各自输入到音源方位偏差计算模块604，在计算两个方位的偏差之前，需要先判断二者的参考点是否重合，即判断采用音频技术计算音源方位和采用图像技术计算音源方位时采用的麦克风参考点是否相同，如果相同，则可以直接计算音源方位偏差，否则将二者的参考点调整成一致之后，再计算音源方位偏差。在实际应用中，由于两个参考点在同一个摄像机上，距离很近，而音源参考点到摄像机的距离远大于两个参考点之间的距离，可以认为两个参考点是相同的，此时误差较小。在计算出音源方位偏差之后，将该偏差输入灵敏度和相位校正模块605，该模块基于音源的方位偏差对麦克风的相位和灵敏度进行校正，使得方位偏差尽量变小。

本实施例中，由于需要利用摄像机的成像功能计算方位偏差，因此在这种应用场景中，麦克风需要摆放在具有成像功能的载体上。

本发明实施例提供的计算麦克风间距的方法中，将组成麦克风矩阵的多个麦克风放在独立的、可自由调节距离的摄像机上，方便了设备的放置，同时降低了麦克风阵列算法受麦克风相位和灵敏度的不一致性、麦克风间距的不准确性的影响，进一步提高了语音通信质量。

本发明实施例提供的麦克风间距的测量方法中，也可以不采用三角形相关的公式计算相邻麦克风的间距，只要可以根据时延差、夹角以及位置关系的公式计算出麦克风间距就可以。

如图7所示，本发明实施例还提供一种用于测量麦克风间距的装置，该装置包括：时延测量模块701、

时延测量模块701，用于测量相邻麦克风接收到的音源参考点发出的信号的时延差τ；

距离差计算模块702，用于根据时延测量模块701测量到的时延差以及声音传播速率C计算音源参考点到相邻麦克风的距离差D；

角度计算模块703，用于获取所述各音源参考点与其中一个麦克风的连线以及各麦克风之间连线的夹角；

间距计算模块704，用于根据音源参考点与所述相邻麦克风的位置关系、距离差计算模块702获取的距离差D以及角度计算模块703获取的夹角计算相邻麦克风的间距。

具体地，当每个摄像机上都集成了一个麦克风时，时延测量模块701采用现有的音频信号处理技术即可以测量出相邻麦克风接收到的同一音源参考点发出的信号的时延差；距离差计算模块702根据声音速率C，以及公式：D＝时延差*C计算分别计算各音源参考点到相邻麦克风的距离差D；间距计算模块704根据距离差D以及各音源参考点与所述相邻麦克风组成的三角形的三角公式，假设其中一个音源参考点到两个相邻麦克风的距离分别d1和d2，该相邻麦克风的间距为L，当三角形是直角三角形，其中d1和L为直角边，d2为斜边，则根据三角公式d1²+L²＝d2²，分别列出各音源参考点对应的公式，结合公知的方程式变换方法计算相邻麦克风的间距；当三角形是斜三角形，角度计算模块703，具体用于根据音源参考点在摄像机上的成像到图像中心的距离、摄像机的焦距，以及反正切公式计算得到斜角的角度θ，间距计算模块704再根据斜角公式：d1²+L²-2*d1*L*cosθ＝d2²，其中，d1、L为短边，d2为长边，分别列出各音源参考点对应的公式，结合公知的方程式变换方法计算相邻麦克风的间距。当只有两个麦克风时，要求音源参考点到两个麦克风的距离相等。

当每个摄像机上都集成了多个麦克风时，该装置还包括校正模块705，用于对同一个摄像机上的多个麦克风的灵敏度和相位进行校正，具体地，该校正模块705包括如图4所示的各模块，具体校正方法在上述实施例已经进行了详细的描述，在此不再赘述，在校正后具体的测量麦克风间距的方法同一个摄像机上只有一个麦克风的测量方法相同，此时麦克风间距为每个摄像机上任意一个麦克风到相邻摄像机上任意一个麦克风的距离。

本发明实施例提供的测量麦克风间距的装置，降低了麦克风阵列算法受麦克风相位和灵敏度的不一致性、麦克风间距的不准确性的影响，进一步提高了语音通信质量。

本发明实施例应用了具体的实施例对本发明实施例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实施例的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，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实施例的限制。

Claims (13)

1、一种麦克风间距测量方法，选择多个音源参考点，其特征在于，该方法包括：

分别测量相邻麦克风接收到所述音源参考点发出的信号的时延差；

根据所述时延差以及声音传播速率C计算所述音源参考点到相邻麦克风的距离差；

获取所述各音源参考点与其中一个麦克风的连线以及各麦克风之间连线的夹角；

根据各音源参考点与所述相邻麦克风的位置关系的公式、所述夹角以及所述距离差计算相邻麦克风的间距。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个麦克风集成在并排摆放的具有成像功能的实体上。

3、如权利要求2所述的方法，其特征在于，每个所述具有成像功能的实体上集成一个麦克风。

4、如权利要求2所述的方法，其特征在于，部分或所有具有成像功能的实体上集成多个麦克风，所述相邻麦克风的间距为第一具有成像功能的实体上的任意一个麦克风和与所述第一具有成像功能的实体相邻的第二具有成像功能的实体上的任意一个麦克风之间的间距，所述方法还包括：对具有成像功能的实体上多个麦克风的灵敏度和相位分别进行校正。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，按照方法一对具有成像功能的实体上多个麦克风的灵敏度和相位分别进行校正；

所述方法一具体为：

根据具有成像功能的实体上的多个麦克风采集的发自所述音源参考点的多路音频流计算所述音源参考点相对于该具有成像功能的实体上任意麦克风的第一音源方位；

根据所述具有成像功能的实体采集的一路视频流计算所述音源参考点在图像中的位置；

根据所述音源参考点在图像中的位置以及所述具有成像功能的实体的焦距计算所述音源参考点相对于所述具有成像功能的实体镜头的第二音源方位；

根据所述第一音源方位以及所述第二音源方位计算音源参考点的方位偏差；

基于所述音源参考点的方位偏差校正所述具有成像功能的实体上多个麦克风的灵敏度和相位。

6、如权利要求1-5中任意权利要要求所述的方法，其特征在于，所述夹角为直角。

7、如权利要求2-5中任意权利要求所述的方法，其特征在于，所述夹角为斜角，所述方法还包括：

分别根据音源参考点在具有成像功能的实体上的成像到图像中心的距离、具有成像功能的实体的焦距以及反正切函数公式计算所述斜角的角度。

8、如权利要求1-7中任意权利要求所述的方法，其特征在于，当只有两个麦克风时，所述音源参考点到所述两个麦克风的距离相等。

9、如权利要求1-8所述的方法，其特征在于，所述各音源参考点与所述相邻麦克风的位置关系具体为三角形的公式。

10、一种麦克风间距测量装置，其特征在于，该装置包括：

时延测量模块，用于测量相邻麦克风接收到的音源参考点发出的信号的时延差；

距离差计算模块，用于根据所述时延测量模块测量到的时延差以及声音传播速率C计算音源参考点到相邻麦克风的距离差；

角度计算模块，用于获取所述各音源参考点与其中一个麦克风的连线以及各麦克风之间连线的夹角；和

间距计算模块，用于根据音源参考点与所述相邻麦克风的位置关系、所述夹角以及所述距离差计算模块获取的距离差计算相邻麦克风的间距。

11、如权利要求10所述的装置，其特征在于，当麦克风集成在具有成像功能的实体上，并且部分或全部具有成像功能的实体上集成多个麦克风时，该装置还包括：

校正模块，用于分别对同一个具有成像功能的实体上的多个麦克风的灵敏度和相位进行校正。

12、如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述校正模块具体包括：

第一音频方位估计模块，用于根据所述同一个具有成像功能的实体上的多个麦克风采集的多路音频流估计出音源参考点相对于具有成像功能的实体上任意麦克风的第一音源方位；

音源图像位置获取模块，用于根据所述同一个具有成像功能的实体上的多个麦克风采集的一路视频流估计出音源参考点在图像中的位置；

第二音频方位估计模块，用于根据所述音源图像位置获取模块获取的音源参考点在图像中的位置以及所述具有成像功能的实体的摄像头的焦距计算音源参考点相对于具有成像功能的实体镜头的第二音源方位；

音源方位偏差计算模块，用于根据所述第一音频方位估计模块获取的第一音源方位以及所述第二音频方位估计模块获取的第二音源方位计算音源参考点的方位偏差；和

灵敏度和相位校正模块，用于根据所述音源方位偏差计算模块获取的方位偏差对所述同一个具有成像功能的实体上的多个麦克风的灵敏度和相位进行校正。

13、如权利要求10-12中任意权利要求所述的装置，其特征在于，当音源参考点和一个麦克风的连线以及所述多个麦克风连线间成斜角时，所述角度计算模块，具体用于根据音源参考点在具有成像功能的实体上的成像到图像中心的距离、具有成像功能的实体的焦距计算所述斜角的角度。

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