CN102164336B - 头戴式受话器系统及声学处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种头戴式受话器系统2，包括声音处理器20，所述声音处理器根据来自内部麦克风12和外部麦克风14的信号计算环境的性质。具体地，可以根据当用户说话时从内部和外部麦克风接收的信号来计算所述环境的脉冲响应。

Description

头戴式受话器系统及声学处理方法

技术领域

本发明涉及一种提取环境声学响应测量的系统以及一种提取所述声学响应的方法。

背景技术

听觉显示是通过声音向用户提供信息的人-机界面。这些特别适用于其中用户不被允许或者不能够看显示器的应用。一个示例是基于头戴受话器（headphone）的导航系统，所述基于头戴受话器的导航系统传递可听的导航指令。所述指令看起来像是来自适当的物理位置或方向，例如商业上可以看起来像是来自于具体的商店。这种系统适用于帮助盲人。

头戴受话器系统是众所周知的。在典型的系统中，将一对扩音器（loudspeaker）安装到带子上以便将扩音器戴到用户耳朵附近。封闭式头戴受话器系统通过在每一个用户耳朵周围提供封闭式罩来设法减小环境噪声，并且通常用于喧闹的环境或者噪音抵消系统中。开放式头戴受话器不包括这种罩子。在本申请中使用的术语“头戴受话器”包括耳机系统，在所述耳机系统中将扩音器与用户的耳朵紧密相关，例如将其安装到用户的耳朵上或耳朵中。

已经建议使用头戴式受话器来产生虚拟或者合成的声学环境。在对声音进行虚拟化使得收听者将这些声音感知为如同来自于实际环境的情况下，可以将所述系统称作增音逼真音频（ARA）系统。

在产生这种虚拟或合成环境的系统中，头戴式受话器不会简单地再现声音源的声音，而是利用例如自然环境的回响（reverberation）、回音和其他特征产生合成的环境。这可以使用户感知到形象化的声音，因此用于按照自然方式感知声音，并且不会感知到所述声音发源于用户的头部内部。具体地，回响在头戴式受话器上播放虚拟声音源的形象化时起到相当重要的作用。在其中实际和虚拟源的声学性质必须非常类似的ARA系统中，环境的精确再现特别重要。

在

等人于2003年3月22日至25日在阿姆斯特丹，AES114^th会议中提出的“Techniques and applications of wearable augmentedreality audio”提供了对于这种概念的发展。这里提出了多种选项的有益看法。具体地，所述文献提出了产生与用户实际存在的环境相对应的环境。这可以在播放期间增加了真实感。

然而，仍然需要可以传递这种音频环境的方便、实际便携的系统。

另外，这种系统需要与所产生的音频环境有关的数据。用于获得与室内声学有关数据的传统方式是在扩音器上回放已知的信号，并且测量所接收到的信号。通过参考信号对测量信号的去卷积给出了室内脉冲响应。

已经试图在不产生声音的情况下对来自已记录数据的回响时间进行估计，但是这些并不是特别精确，并且不会产生诸如室内脉冲响应之类的附加数据。

发明内容

根据本发明，提出了一种根据权利要求1所述的头戴式受话器系统和根据权利要求9所述的方法。

发明人已经认识到提供实际音频环境的特别难点在于获得与用户所占据的音频环境有关的数据。可以在非常广泛的音频环境中使用头戴式受话器系统。

根据本发明的系统避免了需要用测试信号来驱动扩音器以产生用于确定环境的脉冲响应的合适声音的需要。相反，将用户的语音用作参考信号。然后可以将来自一对麦克风（一个外部一个内部）的信号用于计算所述室内脉冲响应。

可以使用归一化的最小均方自适应滤波器来进行这种计算。

所述系统可以包括双耳定位单元，所述双耳定位单元包括声音输入，用于接受输入声音信号，并且用于利用处理过的立体声信号驱动所述扩音器，其中根据所述输入声音信号和环境的声学响应导出所述处理过的声音信号。

所述双耳定位单元可以配置用于通过将所述输入声音系统与室内脉冲响应进行卷积来产生所述处理过的声音信号。

在实施例中，所述输入声音信号是立体声声音信号，并且所述处理过的声音信号也是立体声声音信号。

可以通过将输入声音系统与所述室内脉冲响应进行卷积来计算所述处理过的声音，来执行所述处理。这样，将所述输入声音处理为匹配用户环境的听觉性质。

附图说明

为了更好的理解本发明，现在将参考附图只作为示例描述本发明的实施例，其中：

图1示出了本发明实施例的示意图；

图2示出了自适应滤波器；

图3示出了在本发明实施例中使用的自适应滤波器；以及

图4示出了在本发明的替代实施例中使用的自适应滤波器。

具体实施方式

参考图1，头戴式受话器2具有将左接听单元6与右接听单元8连接的中心头带4。这些接听单元的每一个均具有围绕所述用户耳朵的罩子10，因此该实施例中的头戴式受话器2是封闭式头戴式受话器。将内部麦克风12和外部麦克风14分别设置在所述罩子10的内部和外部。还提供扩音器16来产生声音。

提供声音处理器20，包括回响提取单元22、24和双耳定位单元26。

每一个接听单元6、8与相应的回响提取单元22、24相连。如下面将详细解释的，回响提取单元均从相应接听单元的内部麦克风12和外部麦克风14获得信号，并且配置用于向所述双耳定位单元26输出环境响应的测量。

所述双耳定位单元26配置用于从所述回响提取单元22、24获得输入声音信号28、信息30以与环境响应有关的信息。然后，所述双耳定位单元基于所述环境响应的测量产生输出声音信号32，以修改输入声音信号并且将所述输出声音信号输出至扩音器16。

在所述具体实施例中，回响提取单元22、24提取所述环境脉冲响应作为所述环境响应的测量。这需要输入信号或测试信号。在这种情况下，将用户的语音用作所述测试信号，这避免了对于专用测试信号的需要。

这是通过使用归一化最小均方自适应滤波器利用所述麦克风输入来实现的。将来自内部麦克风12的信号用作输入信号，并且将来自外部麦克风14的信号用作所需信号。

现在将非常详细地描述用于计算室内脉冲响应的技术。

考虑将用户产生的参考语音信号称作x。当在回响环境中时，通过所述室内脉冲响应对所述语音信号进行滤波，并且所述语音信号到达外部麦克风（信号Mic_e）。同时，内部麦克风通过皮肤和骨头传导捕获所述语音信号（信号Mic_i）。H_e和H_i是参考语音信号与分别用外部和内部麦克风记录的信号之间的传递函数。H_e是所需的室内脉冲响应，而H_i是从咽喉到耳道的骨头和皮肤传导的结果。典型地，H_i与用户所处的环境无关。因此可以离线测量H_i，并将其用作可选的均衡滤波器。

基于麦克风输入信号信号Mic_i和Mic_e识别室内脉冲响应H_e的多种可能技术之一是使用最小均方（LMS）算法的自适应滤波器。图2示出了这种自适应滤波方案。x[n]是输入信号，所述自适应滤波器试图只使用x[n]、d[n]、e[n]作为可观察信号来修改滤波器

使其尽可能接近未知性能指标（unknown plant）w[n]。

在本发明中，如图3所示，通过两个不同的路径h_e[n]和h_i[n]对输入信号x[n]滤波，h_e[n]和h_i[n]分别是传递函数He和Hi的脉冲响应。所述自适应滤波器将查找

以便按照最小均方方式使

最小化，其中*表示卷积运算。所得到的滤波器

是Mic_i和Mic_e之间的所需室内脉冲响应，并且便于符号表示在频域进行表达时，可以得到：

在另外的实施例中，可以使用如上所述相同的过程在消声环境中校准所述系统。在这种情况下，所得到的滤波器

在频域可以表达为：

H_i是对于内部麦克风的室内独立路径，H_e-消声是在消声条件下从嘴到外部麦克风的路径。由于将麦克风放置到嘴后边而不是嘴前边，其包括了滤波效应。在第一实施例中忽略了这种效应，但是当可以进行消声条件校准时可以对其进行补偿。在该文献的其余部分，将从嘴到外部麦克风的路径H_e分为两个路径：H_e-消声和H_e-室内，其中H_e-室内是所需的室内响应，使得

H_e=H_e-消声·H_e-室内（2）

如图4所示，可以将

用作校正滤波器：

如图4所示，用于从室内脉冲响应中抑制了从嘴到误差麦克风的路径H_i以及由于麦克风的定位导致的那部分H_e（即H_消声），并且只保留H_e-室内作为最终结果。

实际上，根据图4获得的滤波器

在频域表达为：

$\hat{W}=H_e/(H_i\·H_c)---\left(4\right)$

从（1）和（3）显然可以得到：

$\hat{W}=(H_e\·H_i)/(H_i\·H_{e-\mathrm{anechoic}})---\left(5\right)$

根据（2）划分H_e，最终得到：

$\hat{W}=H_{e-\mathrm{room}}.$

使用消声测量作为校正滤波器实际上允许抑制了要识别处的与室内传递函数无关的所有贡献。

然后通过执行输入声音信号与室内脉冲响应的直接卷积，将所述环境脉冲响应用于处理所述输入声音信号28。

优选地，所述输入声音信号28是无修饰的消声声音信号，并且具体地可以是立体声信号。

作为卷积的替代，可以将环境脉冲响应用于识别所述环境的性质，并且这可以用于选择合适的处理。

当在室内使用时，所述环境脉冲响应可以是室内脉冲响应。然而，本发明不局限于在室内和其他环境中使用，例如也可以建模室外。为此，已经使用了术语“环境脉冲响应”。

应该注意的是，本领域普通技术人员能够实现上述现有方法的替代。例如，所述环境脉冲响应不是唯一的听觉环境测量措施，并且可以替换地或者附加地计算诸如回响时间之类的替代方法。

本发明也可以应用于其他形式的头戴式受话器，包括诸如外耳内听筒或耳道内听筒之类的耳机。在这种情况下，可以将内部麦克风设置在面对所述用户内耳的接听单元内部，并且将所述外部麦克风设置在面对外部的所述接听单元的外部。

还应该注意的是可以或者硬件或者软件地实现声音处理器20。然而，考虑到回响提取单元22、24的复杂性和必要的计算速度，特别地可以在数字信号处理器（DSP）中实现这些部件。

尽管已经参考本发明的典型实施例，具体示出和描述了本发明，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行形式和细节上的多种改变。

本申请包括噪声消除头戴式受话器和听觉显示设备。

Claims (15)

1.一种用于用户的头戴式受话器系统，包括：

头戴式受送话器（2），包括：至少一个接听单元（6、8）；扩音器（16），用于产生声音；内部麦克风（12），位于所述接听单元（6、8）的内部，用于产生内部声音信号；以及外部麦克风（14），位于所述接听单元（6、8）的外部，用于产生外部声音信号；

至少一个回响提取单元（22、24），与一对麦克风相连，配置用于当用户说话时从记录的内部声音信号和来自用户语音的外部声音信号中提取所述头戴式受话器系统的环境的声学脉冲响应；以及

处理装置，用于根据所述环境的声学脉冲响应来修改输入声音信号，并将输出声音信号输出到所述扩音器，由此处理输入声音信号以便与用户环境的声学性质相匹配。

2.根据权利要求1所述的头戴式受话器系统，其中通过所述回响提取单元（22、24）计算的所述环境的声学响应是使用归一化最小均方自适应滤波器计算的环境脉冲响应。

3.根据权利要求1或2所述的头戴式受话器系统，其中所述回响提取单元（22、24）中的自适应滤波器配置用于搜索

以便使最小化，其中Mic_e是在所述外部麦克风（14）上记录的外部声音信号，Mic_i[n]是在所述内部麦克风上记录的内部声音信号，[n]是时间索引，按照最小平方方式执行所述最小化，其中*表示卷积运算。

4.根据权利要求1或2所述的头戴式受话器系统，其中所述回响提取单元（22、24）中的自适应滤波器配置用于搜索以便使 $e\left[n\right]=\hat{w}{\left[n\right]}^{*}{\mathrm{Mic}}_e\left[n\right]-h_c{\left[n\right]}^{*}{\mathrm{Mic}}_i\left[n\right]$ 最小化，其中Mic_e是在所述外部麦克风（14）上记录的外部声音信号，Mic_i[n]是在所述内部麦克风上记录的内部声音信号，[n]是时间索引，按照最小平方方式执行所述最小化，*表示卷积运算，以及h_c[n]是对室内脉冲响应中从嘴到内部麦克风的路径效应以及外部麦克风的定位效应进行抑制的校正。

5.根据权利要求1或2所述的头戴式受话器系统，包括：一对接听单元，一个接听单元用于所述用户的一个耳朵；以及一对回响提取单元（22、24），一个回响提取单元用于一个接听单元。

6.根据权利要求1或2所述的头戴式受话器系统，还包括双耳定位单元（26），所述双耳定位单元包括:声音输入(27)，用于接受输入声音信号；以及声音输出（29），用于输出处理过的立体声信号以驱动所述扩音器；

其中根据所述输入声音信号和环境的声学响应导出所述处理过的声音信号。

7.根据权利要求6所述的头戴式受话器系统，其中所述双耳定位单元（26）配置用于通过将所述声音信号和通过所述至少一个回响提取单元（22、24）确定的环境脉冲响应进行卷积来产生所述处理过的声音信号。

8.根据权利要求1或2所述的头戴式受话器系统，其中所述输入声音信号是立体声声音信号，并且所述处理过的声音信号也是立体声声音信号。

9.一种声学处理方法，包括：

向用户（18）提供头戴式受送话器（2），所述头戴式受送话器包括：至少一个接听单元；扩音器，用于产生声音；内部麦克风，位于所述接听单元的内部，用于产生内部声音信号；以及外部麦克风，位于所述接听单元的外部，用于产生外部声音信号；

在所述用户说话的同时，从所述内部麦克风（12）产生内部声音信号，以及从所述外部麦克风（14）产生外部声音信号；

记录内部声音信号和外部声音信号，并从所述内部声音信号和所述外部声音信号中提取所述头戴式受话器系统的环境的声学脉冲响应；以及

根据所述环境的声学脉冲响应来修改输入声音信号，并将输出声音信号输出到所述扩音器，由此处理输入声音信号以便与用户环境的声学性质相匹配。

10.根据权利要求9所述的方法，其中提取所述环境的声学响应的步骤包括使用归一化最小均方自适应滤波器计算环境脉冲响应。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述自适应滤波器搜索以使 $e\left[n\right]=\hat{w}{\left[n\right]}^{*}{\mathrm{Mic}}_e\left[n\right]-{\mathrm{Mic}}_i\left[n\right]$ 最小化，其中Mic_e是在所述外部麦克风（14）上记录的外部声音信号，Mic_i[n]是在所述内部麦克风上记录的内部声音信号，[n]是时间索引，按照最小平方方式执行所述最小化，其中*表示卷积运算。

12.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述自适应滤波器搜索

以便使 $e\left[n\right]=\hat{w}{\left[n\right]}^{*}{\mathrm{Mic}}_e\left[n\right]-h_c{\left[n\right]}^{*}{\mathrm{Mic}}_i\left[n\right]$ 最小化，其中Mic_e是在所述外部麦克风（14）上记录的外部声音信号，Mic_i[n]是在所述内部麦克风上记录的内部声音信号，[n]是时间索引，按照最小平方方式执行所述最小化，*表示卷积运算，以及h_c[n]是对室内脉冲响应中从嘴到内部麦克风的路径效应以及外部麦克风的定位效应进行抑制的校正。

13.根据权利要求9或10所述的方法，还包括：

处理输入立体声和所提取的声学响应，以产生处理过的声音信号；以及

使用所述处理过的声音信号驱动所述至少一个扩音器。

14.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述处理步骤包括将输入声音系统和室内脉冲响应进行卷积来计算所述处理过的声音信号。

15.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述输入声音信号是立体声声音信号，并且所述处理过的声音信号也是立体声声音信号。

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