CN105307093A - 一种自适应的听力补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应的听力补偿方法，本发明包括以下步骤：首先利用gammatone滤波器组对输入信号进行多通道分解，然后根据通道内信号的动态范围以及听损患者的听觉范围确定补偿方法，若通道信号经线性增益处理后仍在患者的听觉范围内则使用线性放大进行听力补偿以减小畸变，否则使用动态范围压缩进行补偿以增加可听度。另外，为减小动态范围压缩带来的信号畸变，提高噪声环境下输出信号的信噪比，采用自适应压缩方法进行听力补偿，使压缩比尽量接近于1。本发明相比已有的听力补偿方法，本发明补偿后的语音可懂度更高，具有很强的实用性。

Description

一种自适应的听力补偿方法

技术领域

本发明属于语音信号处理领域，具体涉及一种自适应的听力补偿方法。

背景技术

听力补偿是助听器信号处理算法中的关键算法之一，算法的优劣直接影响着助听器的性能。听力补偿即对输入的声音信号进行放大，使听损患者感受到的响度和正常听力者感受到的响度相同。早期的助听器皆采用线性放大技术对信号进行放大，线性放大对不同声压级的信号使用同样的增益，若输出声压级超过不适阈，则通过削峰来限制最大输出。常用的线性放大公式有Berger法则、POGO、Libby步骤、NAL-R等。线性放大的优点是对于中等声压级的输入信号，线性放大可以提供合适的增益，信号无畸变，语音质量好，可懂度高。线性放大的缺点是对于低声压级输入信号，线性放大可以提供的增益不足；但是对于高声压级输入信号，由于线性放大提供了过多的增益，患者常觉得不适。当今，几乎所有的助听器皆采用非线性放大技术即宽动态范围压缩(widedynamicrangecompression,WDRC)对声音信号进行放大，WDRC技术对低声压级输入信号使用较大的增益使得听损患者能够听到声音，对高声压级输入信号使用较小的增益以避免患者感觉不适。常用的非线性放大公式有FIG.6、IHAFF、DSL、NAL-NL1等。WDRC的优点是对于不同声压级的输入信号给予不同的增益，使得低声压级信号可听，高声压级信号不吵。但WDRC技术使得信号可听的同时也带来了信号的畸变，从而影响了语音的可懂度。

在本发明之前，国内外针对自适应听力补偿的的研究较少，2005年，PeterJ.Blamey提出了自适应动态范围优化方法，该方法利用统计分析选择通道内输入信号信息最丰富的部分，然后利用模糊规则控制通道内的增益。该研究仍然是在非线性放大的基础上进行自适应调整增益，存在语音畸变现象。此后，该课题组成员对该算法进一步研究，将其用于助听器、人工耳蜗，研究结果显示在噪声环境下该方法没有取得令人满意的效果。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的缺陷，设计一种自适应的听力补偿方法，在保证信号可听的条件下增加其可懂度。

本发明的技术方案是：

一种自适应的听力补偿方法，所述方法包括以下步骤：

S1：对输入语音信号进行预处理；

S2：对预处理的语音进行判决，以确定补偿方法；

S3：根据判决结果进行听力补偿；

进一步的，所述步骤S1中对输入语音信号进行预处理通过如下步骤完成：

(a)将语音信号通过gammatone滤波器组，得到分解后的通道信号；

(b)利用希尔伯特变换求取通道信号的包络；

进一步的，所述步骤S2的对预处理的语音进行判决通过如下步骤完成：

(a)求解第5-10通道信号的最大声压级MaxSPL、最小声压级MinSPL以及平均声压级AveSPL；

$AveSPL=20\×\lg \left(\frac{\frac{1}{N}\sqrt{\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{\left|x_i\left(n\right)\right|}^2}}{p_0}\right)$

$MaxSPL=20\×\lg \left(\frac{\left(\underset{1\≤n\≤N}{\max }{\left|x_i\left(n\right)\right|}^2\right)}{p_0}\right)$

$MinSPL=20\×\lg \left(\frac{\left(\underset{1\≤n\≤N}{\min }{\left|x_i\left(n\right)\right|}^2\right)}{p_0}\right)$

其中，x_i(n)表示第i个通道信号的包络，i＝5,6,......,10，N为通道内信号长度，p₀为基准声压值，p₀＝20μPa。

(b)对第5-10通道的最大声压级MaxSPL、平均声压级MinSPL分别乘以线性放大所对应的通道内增益g_i，若补偿后的声压级在患者的听阈范围内，即

$\left\{\begin{array}{c}{g}_{i}MaxSPL\≤DCL\\ g_{i}MinSPL\≥HT\end{array}\right.$

则使用线性放大对信号进行补偿；否则使用宽动态范围压缩对信号进行补偿。其中，5≤i≤10，DCL表示患者的不适阈，HT表示患者的听阈。选择第5-10通道的信号进行判决是由于该频带所对应的语音信号占语音可懂度的70％。

更进一步的，根据所述步骤S3的判决结果对信号进行补偿，使用线性放大或非线性放大的方法对信号进行补偿，在非线性放大的过程中，为降低信号的畸变，采用自适应的非线性放大方法对信号进行补偿。

本发明公开了一种自适应的听力补偿方法，本发明包括以下步骤：首先利用gammatone滤波器对输入信号进行多通道分解，然后根据通道内信号的动态范围以及听损患者的听觉范围确定补偿方法，若通道信号经线性增益处理后仍在患者的听觉范围内则使用线性放大进行听力补偿以减小畸变，否则使用动态范围压缩进行补偿以增加可听度。另外，为减小动态范围压缩带来的信号畸变，提高噪声环境下输出信号的信噪比，采用自适应压缩方法进行听力补偿，该方法根据输出信号的动态范围以及患者的听阈自适应调整压缩比，若输出信号的最大声压级小于不适阈，则增加高拐点处增益；若输出信号的最小声压级大于听阈，则降低低拐点处的增益，使压缩比尽量接近于1。本发明相比已有的听力补偿方法，本发明补偿后的语音可懂度更高，质量更好，具有很强的实用性。

本发明的优点和效果在于：

1.与现有技术相比，本发明采用的自适应听力补偿技术，优先选择线性补偿方案，减小了信号的畸变；

2.与现有技术相比，本发明采用的自适应听力补偿技术，若线性补偿后的信号不在患者听阈范围内，则采用非线性听力补偿方法，以增加信号的可听度；

3.本发明提出的自适应听力补偿方法，若对信号采用非线性听力补偿，系统能够根据患者的听阈自适应地调整压缩比，以进一步降低信号的畸变，并且在噪声环境下，与WDRC方法相比本发明提出的方法可改善输出信号的信噪比。

附图说明

图1为本发明算法基本流程图；

图2为本发明中16通道Gammatone滤波器组的频率响应；

图3为宽动态范围压缩I/O曲线；

图4为自适应宽动态范围压缩I/O曲线；

图5为被试患者听力图；

图6为不同方法补偿后的语音信号时域波形比较图；

图7为不同方法补偿后的语音可懂度比较图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例，对本发明所述的技术方案作进一步的阐述。

图1所示为依照本发明一种实施方式的自适应听力补偿方法流程图。从图1可以看出，该方法包括以下步骤：

S1：对输入语音信号进行预处理；

将语音信号通过gammatone滤波器组，得到分解后的通道信号；利用希尔伯特变换求取通道信号的包络。本发明采用的16通道gammaton滤波器组的频率响应如图2所示。选择gammatone滤波器组对输入信号进行通道分解，原因如下：1)人耳对经gammatone滤波器组分解后在各通道内信号的感知到的响度是相同的；2)滤波器组的延时低，尤其适用于助听器；3)滤波器组的计算量低，每个滤波器都可利用一个四阶IIR滤波器实现。

S2：对预处理的语音进行判决，以确定补偿方法；

求解第5-10通道信号的最大声压级MaxSPL、最小声压级MinSPL以及平均声压级AveSPL。对第5-10通道的最大声压级MaxSPL、平均声压级MinSPL分别乘以线性放大所对应的通道内增益g_i，若补偿后的声压级在患者的听阈范围内，则使用线性放大对信号进行补偿；否则使用WDRC对信号进行补偿。

S3：根据判决结果进行听力补偿；

本发明根据步骤S2的判决结果来确定是采用线性放大还是WDRC的方法来进行听力补偿。若采用线性放大，则直接根据线性放大的处方增益进行响度补偿，若采用WDRC方法，则根据非线性放大的公式进行响度补偿。一个通道的WDRC输入输出曲线如图3所示，曲线由三部分组成，1)线性增益部分，若输入声压级在低拐点(lowerkneepoint，LK)之下使用线性增益；2)宽动态范围压缩部分，若输入声压级位于LK和高拐点(higherkneepoint，HK)之间，则使用宽动态范围压缩，压缩比为CR:1，即输入每增加1dB，输出增加1/CRdB；3)限幅压缩部分，若输入声压级高于HK，则使用限幅压缩。

为减小信号的畸变，提高噪声环境下输出信号的信噪比，本发明采用线性和自适应宽动态范围压缩相结合的方法对信号进行听力补偿。补偿I/O曲线如图4所示，本发明根据输出的最大声压级和最小声压级调整压缩比，调整规则如下：1)降低压缩比若输出的最大声压级小于输出声压上限DCL且最小值大于听阈(Hearingthreshold，HT)，则降低LKG，同时增加HKG，除非CR值已经为1。2)舒适度规则若输出最大声压级超过DCL，则降低HKG，除非HKG和处方值相等。3)可听度规则若输出最小声压级低于HT，则增加LKG，除非LKG和处方值相等。根据以上三条规则，自适应动态范围压缩的压缩曲线调整范围如图4所示阴影部分。

五位轻度到中重度的感音性听损患者参加了测听实验，患者气导和骨导听阈差小于10dB，年龄位于53到74岁之间，2位女性，3位男性，平均年龄66岁，皆为对称性听损患者，两耳听阈差小于10dB。患者听力水平采用丹麦耳睿可听力设备进行测量，测试耳的听力情况如图5所示。

测试信号来自于江苏省人民医院制作的用于助听器验配测试语音库，信号长度为10s，采样频率为44.1kHz，在处理前先降采样为16kHz。图6为上述带噪语音经过线性补偿方法、宽动态范围压缩方法和本发明提出的自适应补偿方法后得到的结果，图6(a)为输入语音，图6(b)为线性补偿后的输出，图6(c)为WDRC补偿后的输出，图6(d)为自适应补偿后的输出。从图可以看出，由于线性补偿对不同输入声压级使用同样的增益，因此补偿后信号波形与输入波形比较相似，WDRC方法为了保证信号可听，对不同输入声压级的信号进行不同程度的放大，因此和输入波形相比，输出波形有变化。另外，由于WDRC对低声压级的噪声给予了更多的增益，所以从波形图上也可以看出WDRC补偿后输出信号的信噪比低于线性补偿。本发明使用了自适应的补偿方法，根据输出信号和患者残余的听觉动态范围自适应降低压缩比，在低声压的噪声段给予相对低的增益，提高了输出信号的信噪比。

表1给出了不同输入声压级、不同输入信噪比条件下，本发明提出的补偿方法相对于WDRC补偿方法的信噪比改善结果。从表1可以看出，本发明提出的方法都有不同程度的信噪比改善，输出信噪比至少提高了1.73dB。另外，可以发现当输入声压级增大时，信噪比的改善也提高；当输入信噪比降低时，输出信噪比的改善也降低。

表1改善的信噪比(dB)

图7给出了不同声压级、不同信噪比、不同处理方法得到的语音可懂度，可懂度为字的正确识别率。测试信号为从自于江苏省人民医院制作的句表1中随机抽取的5句话，语音信号的声压级调整为为55dB、65dB、75dB，分别代表日常生活中讲话的小声、中声、大声。噪声信号为Noisex-92噪声库的babble噪声，通过调整噪声强度形成两种不同信噪比的带噪信号，信噪比分别为15dB、5dB。每个句子包含有27种测试条件，3种声压级×3种处理方法×3种信噪比＝27种条件，激励信号由MATLAB程序线下产生。综合比较三种方法，由于本发明采用线性补偿和非线性补偿相结合的方法进行信号听力补偿，并采用自适应WDRC调整压缩比，在保证可听的前提下进一步减小谱畸变，使用本发明提出的方法补偿后的信号可懂度最高。另外，通过比较图7(a)、图7(b)可知，加入噪声后，语音的可懂度有所降低，平均降低3.3％；比较图7(b)、图7(c)可知，加入更多噪声，信噪比由15dB降至5dB，可懂度进一步降低并降低更多，平均降低6.2％，说明语音中混有的噪声越多，其对语音可懂度的影响越大。

为减小动态范围压缩带来的信号畸变，提高噪声环境下输出信号的信噪比，本发明采用自适应压缩方法进行听力补偿，该方法根据输出信号的动态范围以及患者的听阈自适应调整压缩比，若输出信号的最大声压级小于不适阈，则增加高拐点处增益；若输出信号的最小声压级大于听阈，则降低低拐点处的增益，使压缩比尽量接近于1。本发明相比已有的听力补偿方法，本发明补偿后的语音可懂度更高，具有很强的实用性。

Claims (4)

1.一种自适应的听力补偿方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：对输入语音信号进行预处理；

S2：对预处理的语音进行判决，以确定补偿方法；

S3：根据判决结果进行听力补偿。

2.如权利要求1所述的自适应听力补偿方法，其特征在于，所述步骤S1通过如下步骤完成：

(a)将语音信号通过gammatone滤波器组，得到分解后的通道信号；

(b)利用希尔伯特变换求取通道信号的包络。

3.如权利要求1所述的自适应听力补偿方法，其特征在于，所述步骤S2的对预处理的语音进行判决通过如下步骤完成：

(a)求解第5-10通道信号的最大声压级MaxSPL、最小声压级MinSPL以及平均声压级AveSPL；

其中，x_i(n)表示第i个通道信号的包络，i＝5,6,......,10，N为通道内信号长度，p₀为基准声压值，p₀＝20μPa。

(b)对第5-10通道的最大声压级MaxSPL、平均声压级MinSPL分别乘以线性放大所对应的通道内增益g_i，若补偿后的声压级在患者的听阈范围内，即

则使用线性放大对信号进行补偿；否则使用宽动态范围压缩对信号进行补偿；其中，5≤i≤10，DCL表示患者的不适阈，HT表示患者的听阈。

4.如权利要求1所述的自适应的听力补偿方法，其特征在于，所述步骤S3的根据判决结果对信号进行补偿，使用线性放大或非线性放大的方法进行信号补偿，在非线性放大的过程中，为降低信号的畸变，采用自适应的非线性放大方法进行补偿。