CN102204281A

CN102204281A - 用于产生定向输出信号的系统和方法

Info

Publication number: CN102204281A
Application number: CN200980144004.4A
Authority: CN
Inventors: 乔治·P·梅吉亚; 哈维·A·狄龙
Original assignee: HEAR IO Pty Ltd
Current assignee: HEAR IO Pty Ltd; Hear Ip Pty Ltd
Priority date: 2008-11-05
Filing date: 2009-12-01
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2029-12-01
Also published as: CN102204281B; US8953817B2; WO2010051606A1; JP2013512588A; EP2347603A1; AU2009311276B2; EP2347603B1; AU2009311276A1; DK2347603T3; EP2347603A4; JP5617133B2; US20110293108A1

Abstract

本发明提供了一种产生定向输出信号的系统和方法，包括以下步骤：检测人的头部的左侧和右侧处的声音，以产生左侧信号和右侧信号；确定左侧信号和右侧信号的相似度；基于左侧信号和右侧信号的相似度来调整这些信号；以及合并经调整的左侧信号和右侧信号，以产生输出信号。

Description

用于产生定向输出信号的系统和方法

技术领域

本申请涉及对声音信号的处理，特别涉及适宜双耳辅助性收听设备，如，助听器、护耳(earmuff)和耳蜗植入装置(cochlear implants)等的双向波束形成策略。

背景技术

当来自头部的每一侧的至少一个麦克风信号有效时，可以优化地合并麦克风输出以产生超级定向响应(super-directional response)。大多数已知的获得定向响应的双耳定向处理器是基于宽边天线阵(broadside array)配置、自适应最小平方(Least Minimum Square，LMS)或者更复杂的盲源分离(Blind Source Separation，BSS)策略。

当声源的波长相对大于麦克风之间的间隔时，宽边天线阵配置产生有效的定向响应。结果，当在双耳阵列配置中使用时，宽边天线阵技术只对于声音的低频率分量有效。

与宽边天线阵设计不同，最小平方(LMS)系统独立于频率或麦克风之间间隔，有效地产生定向性，在这样的系统中，需要话音有源检测器(Voice Active Detector，VAD)以在信号等级与噪声等级之比相对较大的那些时刻捕捉期望信号。这种被捕捉的期望信号，典型地被称为估计期望信号，因此与来自麦克风的滤波输出相比较，会产生估计误差信号。LMS的目的是通过迭代地改善施加给麦克风输出信号的滤波器权重，使估计误差信号的平方最小化。然而，估计期望信号不可能完整地反映真实的期望信号，因此，滤波器权重的自适应不可能总是使系统的真正误差最小化。这种优化很大程度上依赖于所采用的VAD的效率。不幸的是，大多数VAD在相对高的信噪比的环境中工作良好，而它们的性能随着信噪比的降低而显著恶化。

盲源分离(BSS)方案通过有效地计算在声源存在的所有空间位置上产生定向响应的一组相位消除滤波器来工作。结果，该系统产生的输出与所存在的不是专门以形成期望声源为目的的声源一样多。BSS方案还需要后置滤波(post-filtering)算法，以便选择具有期望目标信号的输出。使用BSS方案的问题在于：为了有效地计算相位消除滤波器需要过多的计算负荷，滤波器对于混响和源或收听者的微小移动的依赖，以及对一个输出的识别是与目标信号有关的，而这在大多数情况下是未知的，并且需要预先识别环境中存在的声源数量，以保证声源之间的分离。

目前仍需要提供改进的或可替代的用于产生定向输出信号的方法和系统。

发明内容

一种获得双耳波束形成器设计的可替代方法是，以利用头部的自然空间声学(natural spatial acoustics)，直接使用耳间时间和等级差来产生定向响应。耳间时间差，是由头部两侧的麦克风之间的间隔(从18至28cm的范围内)引起的，可被用于消除如在宽边天线阵配置中的取决于到达方向的频率相对低的声音。另一方面，头部遮蔽提供了对于对侧声音(即，从头部的每一侧呈现的声音)的自然等级抑制，通常导致一只耳朵上的信噪比比另一只耳朵上大得多。结果，耳间等级差(从0至18dB的范围内)，可被用于消除取决于它们在加权求和的配置中的到达方向的高频率声音。这种低通和高通的双耳波束形成器拓扑要优于单独的常规宽边天线阵和依赖于VAD的LMS系统，并且比大多数BSS技术所要求的计算量更少。此外，由于设计新颖，双耳波束形成器工作在，例如，低信噪比的复杂的收听环境中，并且提供对于诸如风噪声等的复杂的不想要的声音的舍弃。

在本发明的第一方面中，提供了一种产生定向输出信号的方法，包括以下步骤：检测人的头部的左侧和右侧处的声音，以产生左侧信号和右侧信号；确定左侧信号和右侧信号的相似度；基于左侧信号和右侧信号的相似度来调整这些信号；以及合并经调整的左侧信号和右侧信号，以产生输出信号。

可以通过衰减和/或时间位移来调整左侧信号和右侧信号。

衰减和/或时间可以是频率特定的。

衰减和/或时间位移可以通过滤波器模块来执行，并且滤波器模块的滤波器权重是基于左侧信号和右侧信号的相似度。

确定左侧信号和右侧信号的相似度的步骤可以包括，比较它们的互功率和自功率，或者比较它们的互相关和自相关的步骤。

比较步骤可以包括，将互功率与自功率相加，并且用互功率除以相加的结果的步骤。

比较步骤可以包括，将互相关与自相关相加，并且用互相关除以相加的结果的步骤。

本方法可进一步包括在确定左侧信号和右侧信号的相似度之前，处理右侧信号和左侧信号，从而控制定向输出信号的方向的步骤。

处理步骤可以包括，应用与头部相关的传递函数或者与头部相关的传递函数的逆函数的步骤。

检测人的头部的左侧和右侧处的声音的步骤可以使用定向麦克风或定向麦克风阵列来执行。

左侧和右侧的定向麦克风或者麦克风阵列的方向可以从头部的侧向平面指向外侧。

在调整步骤期间发生的调整的程度可以随着时间而变平滑。

调整步骤可以进一步包括，进一步增强左侧信号和右侧信号之间的相似度的步骤。

在本发明的第二方面中，提供了一种用于产生定向输出信号的系统，包括：检测设备，用于检测在人的头部的左侧和右侧处的声音，以产生左侧信号和右侧信号；确定设备，用于确定左侧信号和右侧信号的相似度；调整设备，用于根据左侧信号和右侧信号的相似度来调整这些信号；以及合并设备，用于合并经调整的左侧信号和右侧信号，以产生输出信号。

每个检测设备可以包括至少一个麦克风。

确定设备可以包括计算设备。

调整设备可以包括滤波器模块。

合并设备可以包括加法模块。

本系统可进一步包括处理设备，其用于产生左侧或右侧信号，并且其中，处理设备被布置成应用一个或多个与头部相关的传递函数或者与头部相关的传递函数的逆函数。

本发明利用了空间上分离的声源的耳间时间和等级差。该系统工作在低频率中时作为最佳宽边波束形成器，本领域技术人员熟知的一种技术。在高频率中，该系统作为最佳的加权求和配置工作，其中权重是基于头部周围的声音的相对布置来选择的。在本发明的实施例中，通过检查来自头部相反侧的麦克风输出信号的互相关(cross-correlation)与来自该头部相同侧的麦克风输出信号的自相关(auto-correlation)之比来计算最佳滤波器权重。这样，在任意频率，当互相关等于自相关输出时，声源非常可能是相等地存在于头部的两侧，因此位于相对于收听者头部的中间平面的附近或接近于收听者头部中间平面。另一方面，当任意一个自相关高于互相关输出时，声源非常可能是位于头部的一侧。也就是说，相对于收听者的头部在侧面放置。本发明涉及将这些相关函数合并成估计定向滤波器权重的新颖且有效的方法。

依据本发明的电路被用于声学系统中，该系统具有：位于头部每一侧的产生麦克风输出信号的至少一个麦克风、产生输出信号的信号处理路径，以及将该输出信号呈现给听觉系统的可选装置。优选地，该信号处理路径包括：多信道处理模块，用于高效地计算在不同频率波段上的最佳滤波器权重；加法模块，用于合并左侧和右侧麦克风的滤波后的输出；以及后置滤波器模块，用于产生输出信号。

本发明发现了用于增强声音清晰度的方法和系统中，例如，可应用于国际专利申请号为PCT/AU2007/00764(WO2007/137364)的申请中描述的那些系统和方法中，其内容通过引用结合在本文中。

附图说明

现在将仅通过举例的方式，参考附图对本发明的实施例进行描述，其中：

图1是依据本发明的一个实施例的用于产生定向输出信号的系统的框图；

图2是对声源的空间表现的示图；

图3是本发明的一个实施例的应用实例；

图4是由本发明的一个实施例产生的二维测量的定向响应；

图5是对基于头部的左侧和右侧之间的无线连接的本发明的一个实施例的示图；以及

图6是对基于指向远离头部中心或在自由空间中任意指向的定向麦克风的本发明的一个实施例的示图。

具体实施方式

以下参考所有附图来讨论本发明的优选实施例。然而，本领域技术人员将会理解，在此给出的关于所有附图的详细描述是为了解释性的目的，本发明保护范围并不限于所公开的有限的实施例。

双耳波束形成器被用来在复杂声学环境中工作。参考图1，电路100包括：至少一个以麦克风101、102的形式位于头部每一侧的检测设备、以处理模块107、108的形式的用来计算定向滤波器权重的确定设备、以滤波器模块111、112形式的用于对麦克风输出进行滤波的调整设备、以加法模块115形式的用于合并经滤波的麦克风输出的合并设备，和将经合并的输出呈现给听觉系统的呈现装置117、116。

使用快速傅立叶变换(FFT)解析103、104将麦克风输出x_l，x_r变换到频域。然后这两个信号X_L，X_R经过以转向矢量模块105、106形式的处理设备的处理，产生经转向的信号

如等式1中所示。转向矢量模块包括与头部相关的传递函数(HRTF)的反函数，被记为

对应于来自与优选地位于头部周围的麦克风输入端口等效的期望点源位置的符号化的或被预先记录的脉冲响应测量值，如图2中的200进一步指示的。

{\hat{X}}_{L} (k) = X_{L} (k) \cdot {H_{dL}}^{- 1} (k)

...等式1

{\hat{X}}_{R} (k) = X_{R} (k) \cdot {H_{dR}}^{- 1} (k)

...等式2

经转向的信号被合并107，108，以计算最佳的定向滤波器权重组W_L，W_R。对滤波器权重的计算需要估计随着时间变化的互功率(cross-power)(等式3)和自功率(auto-power)(等式4-5)，此处E{ }指示累加运算。对于本领域技术人员显而易见的是，累加功率谱估计值之比等价于时间相关性估计值之比，因此，这些可替代运算得到相同的结果。

E {{\hat{X}}_{L} (k) \cdot {\hat{X}}_{R} (k)} = Σ_{m = k - N}^{k} {\hat{X}}_{L} (k, m) \cdot {\hat{X}}_{R}^{*} (k, m)

...等式3

E {{\hat{X}}_{R} (k) \cdot {\hat{X}}_{R} (k)} = Σ_{m = k - N}^{k} {\hat{X}}_{R} (k, m) \cdot {\hat{X}}_{R}^{*} (k, m)

...等式4

E {{\hat{X}}_{L} (k) \cdot {\hat{X}}_{L} (k)} = Σ_{m = k - N}^{k} {\hat{X}}_{L} (k, m) \cdot {\hat{X}}_{L}^{*} (k, m)

...等式5

其中，在N帧上执行累加，并且*指示复共轭。

通过计算在头部的每一侧上的互功率和自功率估计之比，产生定向滤波器权重，如等式6和等式7所给出的那样。

W_{L} (k) = \frac{{| E {{\hat{X}}_{L} (k) \cdot {\hat{X}}_{R} (k)} |}^{g}}{{| E {{\hat{X}}_{L} (k) \cdot {\hat{X}}_{R} (k)} |}^{g} + {| E {{\hat{X}}_{L} (k) \cdot {\hat{X}}_{L}^{*} (k)} |}^{g}}

...等式6

W_{R} (k) = \frac{{| E {{\hat{X}}_{L} (k) \cdot {\hat{X}}_{R} (k)} |}^{g}}{{| E {{\hat{X}}_{L} (k) \cdot {\hat{X}}_{R} (k)} |}^{g} + {| E {{\hat{X}}_{R} (k) \cdot {\hat{X}}_{R}^{*} (k)} |}^{g}}

...等式7

其中，功率g为数值，典型地被设置为1，但它也可以是大于或小于1的任意值。

本领域技术人员将会认识到，如果处理模块105包括响应H_dL而非

并且处理模块106包括响应H_dR而非则

相对于

的值将不变，并且因此W_L(k)和W_R(k)的值将不变。

可提供后置滤波级(未示出)，由此，依据等式8至等式10，使得滤波器权重W_L，W_R被增强。

Δ(k)＝η|W_R(k)-W_L(k)|...等式8

W_{R}^{new} (k) = κ \cdot \frac{W_{R} (k)}{1 + Δ {(k)}^{q}}

...等式9

W_{L}^{new} (k) = κ \cdot \frac{W_{L} (k)}{1 + Δ {(k)}^{q}}

...等式10

其中η为数值，典型地在从1至100的范围内；q为数值，典型地在从1至10的范围内；并且k为数值，典型地被设置为2.0。

使用快速傅立叶逆变换模块(IFFT)分析109、110，将最佳定向滤波权重

变换回时域w_L，w_R。优选地，FFT变换包括零填充(zero padding)和余弦时间窗，并且IFFT操作进一步包括重叠和相加操作。对于本领域技术人员显而易见的是，FFT和IFFT仅是可用于执行多信道分析的许多不同技术中的一种。

计算出的滤波器权重w_L，w_R可通过如等式11和等式12给出的平滑函数而被更新111，112。在优选实施例中，平滑系数α被选择作为指数平均因子。可选地，可基于从估计的SNR或统计测量得到的价值函数准则(cost function criterion)来动态地选择平滑系数α。

W_{L} (n) = α \cdot w_{L}^{old} (n) + (1 - α) \cdot w_{L}^{new} (n)

...等式11

W_{R} (n) = α \cdot w_{R}^{old} (n) + (1 - α) \cdot w_{R}^{new} (n)

...等式12

定向滤波器被111，112直接应用于麦克风输出，如等式13和等式14中给出的。可选地，可以应用方向滤波器，来延迟麦克风输出信号。可选地，延迟模块113、114可使用零延迟。可选地，延迟模块113和114可使用相同的大于零的延迟。可选地，延迟模块113和114可具有不同的延迟，以解决麦克风在头部两侧的不对称布置的问题。可选地，定向滤波器可被应用于来自工作在头部的每一侧的定向麦克风阵列的定向麦克风输出信号。可选地，定向滤波器可被应用于来自工作在头部的每一侧的定向麦克风阵列的经延迟的定向麦克风输出信号。

y_{L} (n) = x_{L} (n - pL) &CircleTimes; w_{L} (n)

...等式13

y_{R} (n) = x_{R} (n - pR) &CircleTimes; w_{R} (n)

...等式14

其中，pL和pR是引入的延迟，典型地被设置为0。

经滤波的输出被合并115，以产生如等式15中给出的双耳定向响应。

z(n)＝y_R(n)+y_L(n)...等式15

现参考图2，200，该图示出了从位于中间平面的点源(S)202到位于收听者头部201的每一侧的麦克风输入端口的HRTF响应。该图还示出了位于收听者的一侧的竞争声源(N)203。

参考图2，在位于头部两侧的麦克风处检测从两个声源S和N发出的声音。可见，当声源N正在产生声音时，右侧的麦克风记录的来自源N的响应将比左侧麦克风更强，而两个麦克风记录的来自源S的响应将是类似的。其结果是在右侧麦克风处测量的自功率值将比在左侧麦克风处测量的自功率值更高。这样，为右侧麦克风计算的滤波器权重比左侧麦克风的更低。通过优先使用从左侧麦克风采集的信息，最终获得了更可靠的声源S的重现。该系统可以被看作是提供了模拟的“更好的耳朵”的优点。

现参考图3，300，该图示出了当与独自工作在头部的每一侧并具有前向心形响应的2阶定向麦克风阵列合并时，由新颖的双耳波束形成器方案产生的定向响应。该图示出了当转向矢量被设置为0°方位角(实线)和65°方位角(虚线)时产生的响应。

现参考图4，400，该图示出了二维方向性指标(2xDI(ω))，这里被定义为指向前方θ＝0°的声学波束的功率的分贝值除以在舍弃区域(rejection region)θ≠0°中产生的平均功率，如在等式16中示出的，为频率的函数。该图示出了基于包括头部的每一侧处的全向麦克风(虚线)和端射式(End-Fire)麦克风(实线)的电路的双耳波束形成器响应。当采用端射式天线阵时，在1kHz以上的频率上，系统提供10dB以上的2xDI(ω)增益。在低频中，2xDI(ω)增益降低到平均值为8dB。

...等式16

现参考图5，500，该图示出了包括通过无线连接503，504相连的两个助听器501，502的一个应用。

现参考图6，600，该图示出了对上述实施例的可选的扩展，由此，在耳机602上远离头部一定距离处或在自由空间中放置麦克风。结果，头部不提供大的耳间等级差。为了解决这个问题，工作在头部每一侧的独立定向麦克风102和101被设计成具有远离头部中间区域的最大定向性。也就是说，向左和向右定向的麦克风或麦克风阵列的最大灵敏度方向分别指向正面方向的左侧和右侧，可选地，指向比由头部衍射和经物理对准的麦克风合成的角度更大的角度，使得连接它们的进声端口的轴在正面方向上。在等式1和等式2以及后续的等式中使用了来自这些麦克风装置(microphone arrangements)的输出，以产生定向滤波器。对于本领域技术人员应该显而易见的是，助听器、护耳、听力保护器和耳蜗植入装置只是应用领域的例子。

如上面所解释的，本发明的实施例产生被集中在期望方向的单信道输出信号。该单信道信号包括在左侧和右侧麦克风处检测到的声音。在重放用于呈现给用户的听觉系统的信号时，定向信号被用于准备左右信道，依据与头部相关的传递函数插入的定位提示，使用户能够感知声音的表观方向(apparent direction)。

由于本领域技术人员容易想到许多中修改和变化，所以本发明并不限于图示和描述的那样。因此，适当的改变和等价物应该被诉诸为落入了本发明的保护范围内。

本文包含的任何对现有技术的参考并不应被视为承认该信息是公知常识，除非以其它方式指出。

最后，应理解，对于先前描述的部分可做出各种更改或增加，而不会背离本发明的精神或范围。

Claims

1.一种产生定向输出信号的方法，包括以下步骤：

检测人的头部的左侧和右侧处的声音，以产生左侧信号和右侧信号；

确定所述左侧信号和右侧信号的相似度；

基于所述左侧信号和右侧信号的相似度来调整这些信号；以及

合并经调整的左侧信号和右侧信号，以产生输出信号。

2.如权利要求1所述的方法，其中通过衰减和/或时间位移来调整所述信号。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述衰减和/或时间位移是频率特定的。

4.如权利要求2或3所述的方法，其中所述衰减和/或时间位移是通过滤波器模块来执行的，并且所述滤波器模块的滤波器权重是基于所述左侧信号和右侧信号的相似度。

5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定所述左侧信号和右侧信号的相似度的步骤包括，比较它们的互功率和自功率，或者比较它们的互相关和自相关的步骤。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述比较步骤包括，将互功率与自功率相加，并且用互功率除以相加的结果的步骤。

7.如权利要求5所述的方法，其中所述比较步骤包括，将互相关与自相关相加，并且用互相关除以相加的结果的步骤。

8.如前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括，在确定所述左侧信号和右侧信号的相似度之前，处理所述右侧信号和左侧信号，从而控制所述定向输出信号的方向的步骤。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述处理步骤包括，应用与头部相关的传递函数或者与头部相关的传递函数的逆函数的步骤。

10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述检测人的头部的左侧和右侧处的声音的步骤是使用定向麦克风或定向麦克风阵列来执行的。

11.如权利要求10所述的方法，其中左侧和右侧的定向麦克风或者麦克风阵列的方向是从正面方向指向外侧的。

12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述调整步骤期间发生的调整的程度是随着时间而变平滑的。

13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述调整步骤进一步包括，进一步增强所述左侧信号和右侧信号之间的相似度的步骤。

14.一种用于产生定向输出信号的系统，包括：

检测设备，用于检测在人的头部的左侧和右侧处的声音，以产生左侧信号和右侧信号；

确定设备，用于确定所述左侧信号和右侧信号的相似度；

调整设备，用于根据所述左侧信号和右侧信号的相似度来调整这些信号；以及

合并设备，用于合并经调整的左侧信号和右侧信号，以产生输出信号。

15.如权利要求14所述的系统，其中每个检测设备包括至少一个麦克风。

16.如权利要求14或15所述的系统，其中所述确定设备包括计算设备。

17.如权利要求14至16中任一项所述的系统，其中所述调整设备包括滤波器模块。

18.如权利要求14至17中任一项所述的系统，其中所述合并设备包括加法模块。

19.如权利要求14至18中任一项所述的系统，进一步包括处理设备，其用于产生所述左侧信号或右侧信号，并且其中，所述处理设备被布置成应用一个或多个与头部相关的传递函数或者与头部相关的传递函数的逆函数。