CN103414988B - 一种室内扩声录音设备及语音追踪调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内扩声录音设备及语音追踪调整方法，方法包括以下步骤：一、通过拾音器阵列采集室内的声音信号，经过智能采集模块后输入音频分析模块，通过智能筛选的方式寻找出有效信号输入源和参考信号输入源；二、通过智能混音的方式处理有效输入信号；三、通过比较的方式将有效输入信号中的环境音过滤；过滤后的信号输入录音模块；四：根据选定的有效输入拾音器对可控输出矩阵进行动态调整；五：调整的结果通过扬声器阵列输出。本方法具有固定安装带来的成本和管理上的优势，又无需外接复杂的跟踪系统，自身能够完成语音追踪功能，能够根据教师的活动动态调整，实现很好的扩声、录播效果，适用于教室、会场等室内场合。

Description

一种室内扩声录音设备及语音追踪调整方法

技术领域

本发明涉及声音处理放大领域，尤其是涉及一种应用于教室、会场等环境的室内扩声录音设备即语音追踪调整方法。

背景技术

老师在教室授课过程是动态的，授课范围是活动的，传统的固定安装的扩声或录播系统无法动态追踪老师的活动，固定的拾音器拾取的声音会根据老师的活动范围的变化而变化，导致拾音效果非常的差，直接影响了现场的扩音效果和后期音频课件的制作，为了避免上述问题，往往要在教师里安装复杂的红外感应系统捕捉老师的活动状态，这既影响了教室的环境，而且2套系统的互联互通也非常复杂，需要专人定期维护；为了避免类似的问题随着无线技术的发展最新的无线便携拾音器也广泛的应用在教室扩声、录播领域，不过这又带来了管理的麻烦：便携设备需要专人管理，上课借出，下课归还，定期充电；且随身携带的拾音器也非常容易因为人为的原因损坏；考虑到电池的寿命和设备的使用情况一般的便携拾音器使用寿命只有2年，也就是每2年就要更换一次设备，这也造成了很大的浪费。

中华人民共和国国家知识产权局于2011年06月01日公开了公布号为CN102082989A的专利文献，名称是一种基于ZigBee协议的教学用全数字无线扩声装置，其包括发送端和接收端；所述发送端包括麦克风以及与麦克风连接的ZigBee发送模块；所述接收端包括Zigbee接收模块、音频解码电路、音频放大电路和喇叭，ZigBee接收模块依次经音频解码电路、音频放大电路后与喇叭连接；所述ZigBee发送模块与ZigBee接收模块无线连接。此方案荣国无线的方式连接拾音器和放大电路，仍然存在管理不便、容易损坏、使用寿命有限等不足。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的拾音效果差、管理不便、容易损坏、使用寿命有限等的技术问题，提供一种拾音效果好、设置完成后无需额外的管理和维护、不易损坏、使用寿命长的室内扩声录音设备及语音追踪调整方法。

本发明针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种室内扩声录音设备语音追踪调整方法，包括以下步骤：

步骤一、通过拾音器阵列采集室内的声音信号，经过智能采集模块后输入音频分析模块，通过智能筛选的方式寻找出距离声源最近的2只拾音器作为有效信号输入源，寻找出距离声源最远的1只拾音器作为参考信号输入源；

步骤二、通过智能混音的方式处理有效输入信号；

步骤三、通过比较的方式将有效输入信号中的环境音过滤；过滤后的信号作为有效音源输入录音模块；录音模块将声音信号录制保存，可以用于录播、自习、复习等；

步骤四：根据选定的有效输入拾音器对可控输出矩阵进行动态调整；

步骤五：调整的结果通过扬声器阵列输出。

作为优选，所述智能筛选的方式就是通过音量比较的方式选出采集到直达声最大的2只拾音器作为有效信号输入源，直达声最小的1只拾音器作为参考信号输入源。

直达声为讲课的教师发出的讲解声音。

作为优选，所述智能混音的方式就是根据音量大小对2只拾音器做加权求和，如A拾音器拾到的音量为A，B拾音器拾到的音量为B，那么总音量为A*A/（A+B）+B*B/（A+B）。

A和B的单位为分贝（dB）。

作为优选，所述环境音过滤具体实现办法为：假设有效信号输入源采集的信号包括老师的直达声A、喇叭的直达声b、现场的环境音C1，而参考信号输入源采集的信号包括直达声a、喇叭的直达声B、现场的环境音C2，其中A和a、B和b，C1和C2都是具有相关性的，通过建立数学模型，并不断地修改滤波器的系数，使得A和a、B和b，C1和C2更加相近；然后，将效信号输入源采集的信号中减去b和C1，并对A做增强从而达到环境音过滤的目的。

滤波器DSP实现包括高通滤波（大于5KHz）、低通滤波（小于100Hz）和动态滤波（噪声过滤），动态滤波（不断修改滤波器系数）就是对固定频率的白噪声进行过滤，基于粉红噪声的滤波算法采用标准的二元近似算法。

对A增强的办法为：假设A增强后变为A1，则A1*A1=A*A+a*a。

作为优选，所述对可控输出矩阵进行动态调整包括对选定的有效输入拾音器距离近的扬声器的输出做衰减并对距离远的扬声器的输出做提升。

衰减和提升幅度根据预设模版来确定。

一种室内扩声录音设备，其特征在于，包括拾音器阵列、音频处理主机、扬声器阵列和录音模块，所述拾音器阵列、扬声器阵列和录音模块分别与所述音频处理主机连接，所述拾音器阵列安装在房间的顶部，所述扬声器阵列的覆盖范围与拾音器阵列的拾音范围互补。

作为优选，所述音频处理主机包括依次连接的可控输入矩阵、智能采集模块、音频分析模块、DSP处理模块和可控输出矩阵，所述可控输入矩阵与拾音器阵列连接，所述可控输出矩阵与扬声器阵列连接，录音模块连接DSP处理模块。

可控输入矩阵内置高速语音处理单元，两级动态降噪处理以及自动调节高强度声音和瞬间冲击音的AGC及DTS降噪信号微处理电路和能够彻底消除“嘶嘶”电子噪音的电子噪声动态闭环抑制电路，能够为后级单元模块提供清晰及高质量音频信号输出。

智能采集模块能够从可控输入矩阵输出的信号中采集到需要的参数单元输送到音频分析模块。

音频分析模块能够分析智能采集模块采集的信号并对信号做出分析，将分析结果输送到下DSP处理模块。

DSP处理模块根据音频分析模块分析的结果对可控输出矩阵的输出进行控制。

本发明带来的实质性效果是，既具有固定安装带来的成本和管理上的优势，又无需外接复杂的跟踪系统，自身能够完成语音追踪功能，能够根据教师的活动动态调整，实现很好的扩声、录播效果。

附图说明

图1是本发明的一种室内扩声录音设备结构示意图；

图2是本发明的一种室内扩声设备位置设置示意图；

图3是本发明的一种语音追踪调整方法流程图；

图中：1、拾音器阵列，2、音频处理主机，3、扬声器阵列，4、录音模块，21、可控输入矩阵，22、智能采集模块，23、音频分析模块，24、DSP处理模块，25、可控输出矩阵。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种室内扩声设备，如图1所示，包括拾音器阵列1、音频处理主机2、扬声器阵列3和录音模块4，所述拾音器阵列1、扬声器阵列3和录音模块4分别与所述音频处理主机2连接。音频处理主机2包括依次连接的可控输入矩阵21、智能采集模块22、音频分析模块23、DSP处理模块24和可控输出矩阵25，所述可控输入矩阵21与拾音器阵列1连接，所述可控输出矩阵25与扬声器阵列3连接，录音模块4连接DSP处理模块24。

拾音器阵列1安装在教室的顶部，扬声器阵列的覆盖范围与拾音器阵列的拾音范围。互补标准教室（教室的长/宽/高分别为：8.9/7.9/3.3M）进行测试，测试声音频频率分别为250、500、1000Hz，在教室讲台正前方1~8米和斜前方1~8米传播的衰减量大约为前3米5db/m，大于3米则为2db/m。普通人说话响度在45db~60db，正常人能舒服的倾听的响度下限在20~30db，则教室内老师直达声可以清晰传递的范围是以讲台为圆心半径3~5米的圆型面积，我们大这个范围定义为“直达声授课区域”。在这个范围以外的区域定义为“补声授课区域”。扬声器阵列和拾音器阵列的布设如图2所示，虚线框为教师授课区，圆形为拾音器设置位置，矩形为扬声器设置位置。在补声授课区域内设置由多个传声器组成扬声器阵列，为了不使局部声强过大，每个扬声器功率都控制在3~8W之间，保证每扬声器输出的响度在45db~50db，这样每个扬声器的有效覆盖范围都是个半径3米的圆型面积，可以根据教室的实际大小和外部环境按照上述原则配置扬声器。由于到任意最近的扬声器之间的距离小于3米所以即使同时被2个扬声器有效覆盖范围覆盖也不会觉得有回声的效果，声场保持均匀。同时拾音装置在出厂的时候对于有效拾音范围已经做出固化，大约是半径5米的圆型面积，正好可以覆盖直达声授课区域，配置扬声器的时候使声场不覆盖直达声授课区域，这样可以使直达声场和补声声场不重叠，提高整体声场环境。

在教师的主要授课区域上方的教室顶部安装高灵敏拾音器拾音范围覆盖直达声授课区域，在补声授课区域均匀的使用扬声器阵列，声场覆盖补声授课区域。即扬声器阵列的声场不覆盖传声器拾音范围保证扬声器发出的声音不会被2次采集并放大产生嚣叫，扬声器阵列的声场不覆盖教师直达声有效覆盖范围，避免声场重叠产生回声效果，扬声器阵列的声场均匀覆盖教师直达声有效覆盖范围以外的范围保证教室里所有的学生都可以清晰的听到老师的讲课内容。

一种语音追踪调整方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤一、通过拾音器阵列采集室内的声音信号，经过智能采集模块后输入音频分析模块，通过智能筛选的方式寻找出距离声源最近的2只拾音器作为有效信号输入源，寻找出距离声源最远的1只拾音器作为参考信号输入源；

步骤二、通过智能混音的方式处理有效输入信号；

步骤三、通过比较的方式将有效输入信号中的环境音过滤；过滤后的信号作为有效音源输入录音模块；

步骤四：根据选定的有效输入拾音器对可控输出矩阵进行动态调整；

步骤五：调整的结果通过扬声器阵列输出。

智能筛选的方式就是通过音量比较的方式选出采集到直达声最大的2只拾音器作为有效信号输入源，直达声最小的1只拾音器作为参考信号输入源。

直达声为讲课的教师发出的讲解声音。

智能混音的方式就是根据音量大小对2只拾音器做加权求和，如A拾音器拾到的音量为A，B拾音器拾到的音量为B，那么总音量为A*A/（A+B）+B*B/（A+B）。

A和B的单位为分贝（dB）。

环境音过滤具体实现办法为：假设有效信号输入源采集的信号包括老师的直达声A、喇叭的直达声b、现场的环境音C1，而参考信号输入源采集的信号包括直达声a、喇叭的直达声B、现场的环境音C2，其中A和a、B和b，C1和C2都是具有相关性的，通过建立数学模型，并不断地修改滤波器的系数，使得A和a、B和b，C1和C2更加相近；然后，将效信号输入源采集的信号中减去b和C1，并对A做增强从而达到环境音过滤的目的。

滤波器DSP实现包括高通滤波（大于5KHz）、低通滤波（小于100Hz）和动态滤波（噪声过滤），动态滤波（不断修改滤波器系数）就是对固定频率的白噪声进行过滤，基于粉红噪声的滤波算法采用标准的二元近似算法。

对A增强的办法为：假设A增强后变为A1，则A1*A1=A*A+a*a。

对可控输出矩阵进行动态调整包括对选定的有效输入拾音器距离近的扬声器的输出做衰减并对距离远的扬声器的输出做提升。

衰减和提升幅度根据预设模版来确定。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了拾音器阵列、混音、筛选等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (3)

1.一种室内扩声录音设备语音追踪调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、通过拾音器阵列采集室内的声音信号，经过智能采集模块后输入音频分析模块，通过智能筛选的方式寻找出距离声源最近的2只拾音器作为有效信号输入源，寻找出距离声源最远的1只拾音器作为参考信号输入源；

步骤二、通过智能混音的方式处理有效输入信号；

步骤三、通过比较的方式将有效输入信号中的环境音过滤；过滤后的信号作为有效音源输入录音模块；

步骤四：根据选定的有效输入拾音器对可控输出矩阵进行动态调整；

步骤五：调整的结果通过扬声器阵列输出；

所述智能筛选的方式就是通过音量比较的方式选出采集到直达声最大的2只拾音器作为有效信号输入源，直达声最小的1只拾音器作为参考信号输入源；

所述智能混音的方式就是根据音量大小对2只拾音器做加权求和，当A拾音器拾到的音量为A，B拾音器拾到的音量为B，那么总音量为A*A/（A+B）+B*B/（A+B）；

所述环境音过滤具体实现办法为：假设有效信号输入源采集的信号包括老师的直达声A、喇叭的直达声b、现场的环境音C1，而参考信号输入源采集的信号包括直达声a、喇叭的直达声B、现场的环境音C2，其中A和a、B和b，C1和C2都是具有相关性的，通过建立数学模型，并不断地修改滤波器的系数，使得A和a、B和b，C1和C2更加相象；然后，将有效信号输入源采集的信号中减去b和C1，并对A做增强从而达到环境音过滤的目的。

2.根据权利要求1所述的一种室内扩声录音设备语音追踪调整方法，其特征在于，所述对可控输出矩阵进行动态调整包括对选定的有效输入拾音器距离近的扬声器的输出做衰减并对距离远的扬声器的输出做提升。

3.一种室内扩声录音设备，其特征在于，包括拾音器阵列、音频处理主机、扬声器阵列和录音模块，所述拾音器阵列、扬声器阵列和录音模块分别与所述音频处理主机连接，所述拾音器阵列安装在房间的顶部，所述扬声器阵列的覆盖范围与拾音器阵列的拾音范围互补；

所述音频处理主机包括依次连接的可控输入矩阵、智能采集模块、音频分析模块、DSP处理模块和可控输出矩阵，所述可控输入矩阵与拾音器阵列连接，所述可控输出矩阵与扬声器阵列连接，录音模块连接DSP处理模块；

可控输入矩阵内置高速语音处理单元，两级动态降噪处理以及自动调节高强度声音和瞬间冲击音的AGC及DTS降噪信号微处理电路和能够彻底消除“嘶嘶”电子噪音的电子噪声动态闭环抑制电路，为后级单元模块提供清晰及高质量音频信号输出；

智能采集模块从可控输入矩阵输出的信号中采集到需要的参数单元输送到音频分析模块；

音频分析模块分析智能采集模块采集的信号并对信号做出分析，将分析结果输送到下DSP处理模块；

DSP处理模块根据音频分析模块分析的结果对可控输出矩阵的输出进行控制。