CN107093429B - 主动降噪方法、系统及汽车 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种主动降噪方法及系统，该方法包括：设置用于同步接收声音信号的多个麦克风、以及用于产生反向信号的扬声器，所述多个麦克风包括参考麦克风、光学麦克风和误差麦克风；分别确定参考麦克风与光学麦克风、误差麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系；利用声音信号传递关系得到参考噪声信号和实际噪声信号，确定参考麦克风的噪声滤波系数矩阵；根据所述噪声滤波系数矩阵控制扬声器产生与所述参考噪声信号幅度相同、方向相反的反向信号，对误差麦克风采集的信号进行降噪。本发明还提供一种具有上述主动降噪系统的汽车，可以消除车内噪声对用户交互的影响，提高用户交互体验。

Description

主动降噪方法、系统及汽车
技术领域
本发明涉及语音降噪领域，具体涉及一种主动降噪方法、系统及汽车。
背景技术
主动降噪技术是指，在人耳的附近产生一个与该处噪声信号大小相等、方向相反的信号，使得其与噪声信号相互抵消，达到降噪的目的。目前该技术已广泛用于生产和生活中，如家庭影院、车辆等。然而在主动降噪的过程中，对噪音得到消除的同时，一些有效声音也同样被去除，如在车辆场景下，利用主动降噪技术进行车内降噪，不仅去除了发动机、空调等噪声，还将车内的人声进行了去除，导致车内人声失真，影响乘客在车内的交流沟通，降低用户体验。
以车辆降噪为例，现有的主动降噪主要是针对发动机噪声的降噪，其多是通过在发动机附近布局麦克风(或阵列)获取发动机噪声，再在人耳附近产生与发动机噪声声波大小相等、相位相反的抵消声源，进而达到发动机噪声主动降噪的效果。
由于车内噪声并不只局限于发动机噪声，还存在各种像空调噪声、外界等相对平稳的噪声，因而如果想要较好的去除车内噪声，需要在车内布局麦克风收集噪声信号，完成主动降噪，然而车内麦克风收集的声音信息并不只有噪声信号，其中还夹杂有效人声语音，如果将麦克风收集的声音信号笼统作为抵消声源产生的依据，则存在将有效人声语音消减的问题，从而使得人声失真，影响用户交互体验。
发明内容
本发明实施例一方面提供一种主动降噪方法及系统，以解决现有主动降噪方案中将有效人声语音消减导致人声失真，影响用户语音交互体验的问题。
本发明实施例另一方面提供一种具有主动降噪系统的汽车，可以有效避免车内噪声对用户交互的影响，提高用户交互体验。
为此，本发明提供如下技术方案：
一种主动降噪方法，所述方法包括：
设置用于同步接收声音信号的多个麦克风、以及用于产生反向信号的扬声器，所述多个麦克风包括参考麦克风、光学麦克风和误差麦克风；
分别确定参考麦克风与光学麦克风、误差麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系；
利用参考麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系，得到参考噪声信号n(n)，所述参考噪声信号为去除人声语音信号的参考麦克风采集信号中的噪声信号；
利用误差麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系，得到实际噪声信号e1(n)，所述实际噪声信号为去除人声语音信号的误差麦克风采集信号中的噪声信号；
根据所述参考噪声信号n(n)和所述实际噪声信号e1(n)，确定参考麦克风的噪声滤波系数矩阵；
根据所述参考麦克风的噪声滤波系数矩阵控制所述扬声器产生与所述参考噪声信号幅度相同、方向相反的反向信号，对误差麦克风采集的信号进行降噪。
优选地，所述确定参考麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系包括：
在安静环境下，分别利用参考麦克风和光学麦克风获得干净语音信号；
根据所述干净语音信号得到参考麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系。
优选地，所述确定参考麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系包括：
在噪声环境下，利用参考麦克风和光学麦克风分别采集声音信号和干净语音信号；
通过语音滤波系数矩阵训练确定参考麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递系数矩阵。
优选地，所述确定误差麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系包括：
在噪声环境下，利用误差麦克风和光学麦克风分别采集残留信号和干净语音信号；
通过语音滤波系数矩阵训练确定误差麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递系数矩阵。
优选地，所述根据所述参考噪声信号n(n)和所述实际噪声信号e1(n)，确定参考麦克风的噪声滤波系数矩阵包括：
根据所述参考噪声信号n(n)和所述实际噪声信号e1(n)计算残留噪声信号e2(n)＝e1(n)-wr*n(n)，wr为所述参考麦克风的噪声滤波系数矩阵；
通过残留噪声信号的最小均方进行噪声滤波系数矩阵更新，得到所述参考麦克风的噪声滤波系数矩阵。
一种主动降噪系统，所述系统包括：用于同步接收声音信号的多个麦克风、用于产生反向信号的扬声器、以及信号处理器；所述多个麦克风包括参考麦克风、光学麦克风和误差麦克风，各麦克风与所述信号处理器的不同输入端相连，并将采集的声音信号传送给所述信号处理器；所述扬声器与所述信号处理器的输出端相连；
所述信号处理器用于根据所述声音信号确定参考麦克风与光学麦克风、误差麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系，利用所述声音信号传递关系得到参考噪声信号n(n)和实际噪声信号e1(n)，所述参考噪声信号为去除人声语音信号的参考麦克风采集信号中的噪声信号，所述实际噪声信号为去除人声语音信号的误差麦克风采集信号中的噪声信号；根据所述参考噪声信号n(n)和所述实际噪声信号e1(n)，确定参考麦克风的噪声滤波系数矩阵；根据所述参考麦克风的噪声滤波系数矩阵控制所述扬声器产生与所述参考噪声信号幅度相同、方向相反的反向信号，对误差麦克风采集的信号进行降噪。
优选地，在安静环境下，所述参考麦克风和所述光学麦克风分别采集干净语音信号；所述信号处理器根据所述干净语音信号得到参考麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系。
优选地，在噪声环境下，所述参考麦克风和所述光学麦克风分别采集声音信号和干净语音信号；所述信号处理器通过语音滤波系数矩阵训练确定参考麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递系数矩阵。
优选地，在噪声环境下，所述误差麦克风和所述光学麦克风分别采集残留信号和干净语音信号；所述信号处理器通过语音滤波系数矩阵训练确定误差麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递系数矩阵。
优选地，所述信号处理器按以下方式确定参考麦克风的噪声滤波系数矩阵：
根据所述参考噪声信号n(n)和所述实际噪声信号e1(n)计算残留噪声信号e2(n)＝e1(n)-wr*n(n)，wr为所述参考麦克风的噪声滤波系数矩阵；
通过残留噪声信号的最小均方进行噪声滤波系数矩阵更新，得到所述参考麦克风的噪声滤波系数矩阵。
一种汽车，具有上述主动降噪系统，其中，所述参考麦克风放置在车内，所述误差麦克风放置在车内座椅靠背附近，所述光学麦克风放置在车前部可照到人脸的位置处。
本发明实施例提供的主动降噪方法及系统，通过光学麦克风或阵列获取有效人声语音信号，并在主动降噪过程中去除有效人声语音信号的影响，进而达到保留有效人声语音信号的同时去除噪声的效果，解决了传统主动降噪方案存在的人声失真、交互体验降低等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例主动降噪方法的流程图；
图2是本发明实施例中语音滤波系数矩阵更新的示意图；
图3是本发明实施例中噪声滤波系数矩阵更新的示意图；
图4是本发明实施例主动降噪方法的原理图；
图5是本发明实施例主动降噪系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。
针对现有技术主动降噪的方案在降噪时同时消减了其中的有效人声语音的问题，本发明提供一种主动降噪方法，借助于光学麦克风获取干净语言信号，从而将采集的噪声信号中的有效人声语音信号去除，进而达到保留有效人声语音信号的同时去除噪声的效果。
如图1所示，是本发明实施例主动降噪方法的流程图，包括以下步骤：
步骤101，设置用于同步接收声音信号的多个麦克风、以及用于产生反向信号的扬声器，所述多个麦克风包括参考麦克风、光学麦克风和误差麦克风。
所述光学麦克风是利用光学原理，能捕捉到通话者发音部位的振动并将其转变为用于传输的电信号，这样就可以绕过无处不在的环境噪音，只把通话人的语音传送给接听电话的人。在本发明实施例中，所述光学麦克风主要是采集干净语音信号。所述参考麦克风主要是采集噪声信号，而所述误差麦克风主要是为了在噪声环境下能够采集到主动去噪后的语音信号，为了描述方便，将该信号称为残留信号。
在实际应用中，上述不同麦克风可以根据其作用在实际应用环境中进行布局，比如，以车辆主动降噪为例，可以将参考麦克风放置在车内，将误差麦克风放置在座椅靠背附近，将光学麦克风放置在车前部可照到人脸的位置处。另外，需要说明的是，无论是参考麦克风、光学麦克风还是误差麦克风，都可以是麦克风阵列。为了便于描述，在本发明实施例中，以单麦克为例进行说明。
步骤102，分别确定参考麦克风与光学麦克风、误差麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系。
对于误差麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系的确定，可以在实际噪声环境下，利用误差麦克风和光学麦克风分别采集残留信号e(n)和干净语音信号s(n)；再通过语音滤波系数矩阵训练确定误差麦克风和光学麦克风之间的声音信号传递关系。
误差麦克风采集到的残留信号e(n)中的噪声信号e1(n)可以表示为下述公式(1)，为了描述方便，后续将该噪声信号e1(n)称为实际噪声信号：
e1(n)＝e(n)-ws*s(n) (1)
其中，s(n)为光学麦克风采集的信号，ws表示语音滤波系数矩阵，即为光学麦克风到误差麦克风之间的声音信号传递系数矩阵，其值的确定过程即为语音滤波的优化过程。
语音滤波系数矩阵ws更新的依据是误差麦克风采集信号中的实际噪声信号e1(n)最小，语音滤波系数矩阵的优化更新原理如图2所示，可以通过噪声信号的最小均方(LMS)来进行系数矩阵更新，更新公式如下：
ws(n+1)＝ws(n)+e1(n)*s(n) (2)
需要说明的是，在系数矩阵更新时需要根据光学麦克风采集的信号s(n)判断语音信号是否存在，如果语音信号存在，则更新语音滤波系数矩阵ws，否则不更新。
对于参考麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系的确定，考虑实际应用的便捷性，可以将参考麦克风与光学麦克风布局尽量靠近，使得两者之间的传递关系受外界影响较小，从而可根据特定环境确定传递关系，具体实现如下：
在安静环境下，利用参考麦克风和光学麦克风分别获得干净的语音信号x′(n)、s(n)，从而得到光学麦克风到参考麦克风之间的传递系数矩阵r＝x′(n)/s(n)。
当然，也可以在实际噪声环境下，利用参考麦克风和光学麦克风分别采集声音信号和干净语音信号，通过语音滤波器训练确定参考麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递系数矩阵，具体过程与上述误差麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系的确定类似，在此不再详细描述。
步骤103，利用参考麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系，得到参考噪声信号n(n)，所述参考噪声信号n(n)为去除人声语音信号的参考麦克风采集信号中的噪声信号。
所述参考噪声信号为：n(n)＝x(n)-rs(n)。 (3)
其中，x(n)为参考麦克风采集的声音信号，s(n)为光学麦克风采集的干净的语音信号。
步骤104，利用误差麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系，得到实际噪声信号，所述实际噪声信号为去除人声语音信号的误差麦克风采集信号中的噪声信号。
所述实际噪声信号即为前面提到的e1(n)，其计算公式见前面公式(1)。
步骤105，根据所述参考噪声信号n(n)和所述实际噪声信号e1(n)，确定参考麦克风的噪声滤波系数矩阵。
假设参考麦克风的噪声滤波系数矩阵为wr，则根据所述参考噪声信号n(n)和所述实际噪声信号e1(n)得到的残留噪声信号e2(n)可以表示如下：
e2(n)＝e1(n)-wr*n(n) (4)
参考麦克风的噪声滤波系数矩阵wr的确定过程即为噪声滤波的优化过程。噪声滤波系数矩阵wr更新的依据是残留噪声信号e2(n)最小，噪声滤波系数矩阵的优化更新原理如图3所示，可以通过残留噪声信号的最小均方(LMS)来进行系数矩阵更新，更新公式如下：
wr(n+1)＝wr(n)+e2(n)*n(n) (5)
在语音滤波系数矩阵和噪声滤波系数矩阵都更新到稳定状态时，残留噪声信号e2(n)最终接近于0。
步骤106，根据所述参考麦克风的噪声滤波系数矩阵控制扬声器产生与所述参考噪声信号幅度相同、方向相反的反向信号，对误差麦克风采集的信号进行降噪。
如图4所示，是本发明实施例主动降噪方法的原理图，其中，r(z)表示光学麦克风到参考麦克风之间的传递系数矩阵，P(z)表示参考麦克风到误差麦克风之间的传递系数矩阵。扬声器发出的声音信号y(n)即为与参考噪声信号n(n)幅度相同、方向相反的反向信号，由于该信号中已去除了有效人声语音，因此，避免了所述误差麦克风接收的信号人声失真的问题。
需要说明的是，在实际应用中，上述参考麦克风、光学麦克风和误差麦克风均可为麦克风阵列。
本发明实施例提供的主动降噪方法，通过光学麦克风或阵列获取有效人声语音信号，并在主动降噪过程中去除有效人声语音信号的影响，进而达到保留有效人声语音信号的同时去除噪声的效果，避免了人声失真，提高了交互体验。
本发明实施例提供的主动降噪方法，可以应用于多种场景，如家庭影院、车辆等，而且，相应的麦克风及场声器可以根据实际应用环境进行布置，比如，在车辆场景下，可以将所述参考麦克风放置在车内，所述误差麦克风放置在车内座椅靠背附近，所述光学麦克风放置在车前部可照到人脸的位置处。
相应地，本发明实施例还提供一种主动降噪系统，如图5所示，是该系统的一种结构示意图。
在该实施例中，所述系统包括：用于同步接收声音信号的多个麦克风、用于产生反向信号的扬声器、以及信号处理器；所述多个麦克风包括参考麦克风、光学麦克风和误差麦克风，各麦克风与所述信号处理器的不同输入端相连，并将采集的声音信号传送给所述信号处理器；所述扬声器与所述信号处理器的输出端相连。
其中，所述信号处理器用于根据所述声音信号确定参考麦克风与光学麦克风、误差麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系，利用所述声音信号传递关系得到参考噪声信号n(n)和实际噪声信号e1(n)，所述参考噪声信号为去除人声语音信号的参考麦克风采集信号中的噪声信号，所述实际噪声信号为去除人声语音信号的误差麦克风采集信号中的噪声信号；根据所述参考噪声信号n(n)和所述实际噪声信号e1(n)，确定参考麦克风的噪声滤波系数矩阵；根据所述参考麦克风的噪声滤波系数矩阵控制所述扬声器产生与所述参考噪声信号幅度相同、方向相反的反向信号，对误差麦克风采集的信号进行降噪。
在实际应用中，所述信号处理器在确定参考麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系时，可以根据安静环境下参考麦克风和光学麦克风各自采集的干净语音信号来确定，也可以根据实际噪声环境下参考麦克风和光学麦克风分别采集的声音信号和干净语音信号来确定，具体过程可参照前面本发明方法实施例中的描述，在此不再赘述。
所述信号处理器在确定误差麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系时，需要在实际噪声环境下误差麦克风和光学麦克风分别采集的残留信号和干净语音信号来确定，具体过程可参照前面本发明方法实施例中的描述，在此不再赘述。
另外，所述信号处理器可以按以下方式确定参考麦克风的噪声滤波系数矩阵：根据所述参考噪声信号n(n)和所述实际噪声信号e1(n)计算残留噪声信号e2(n)＝e1(n)-wr*n(n)，wr为所述参考麦克风的噪声滤波系数矩阵；通过残留噪声信号的最小均方进行噪声滤波系数矩阵更新，得到所述参考麦克风的噪声滤波系数矩阵。
本发明实施例提供的主动降噪系统，通过光学麦克风或阵列获取有效人声语音信号，并在主动降噪过程中去除有效人声语音信号的影响，进而达到保留有效人声语音信号的同时去除噪声的效果，避免了人声失真，提高了交互体验。
本发明实施例的系统可以应用于多种场景，如家庭影院、车辆等，而且，相应的麦克风及场声器可以根据实际应用环境进行布置，比如，在车辆场景下，可以将所述参考麦克风放置在车内，所述误差麦克风放置在车内座椅靠背附近，所述光学麦克风放置在车前部可照到人脸的位置处。
相应地，本发明实施例还提供一种具有上述主动降噪系统的汽车，其中，所述参考麦克风放置在车内，所述误差麦克风放置在车内座椅靠背附近，所述光学麦克风放置在车前部可照到人脸的位置处。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及系统；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，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的限制。

Claims (11)

1.一种主动降噪方法，其特征在于，所述方法包括：
设置用于同步接收声音信号的多个麦克风、以及用于产生反向信号的扬声器，所述多个麦克风包括参考麦克风、光学麦克风和误差麦克风；其中所述误差麦克风用于采集降噪后的残留信号；
分别确定参考麦克风与光学麦克风、误差麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系；
利用参考麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系，得到参考噪声信号n(n)，所述参考噪声信号为去除人声语音信号的参考麦克风采集信号中的噪声信号；
利用误差麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系，得到实际噪声信号e1(n)，所述实际噪声信号为去除人声语音信号的误差麦克风采集信号中的噪声信号；
根据所述参考噪声信号n(n)和所述实际噪声信号e1(n)，确定参考麦克风的噪声滤波系数矩阵；
根据所述参考麦克风的噪声滤波系数矩阵控制所述扬声器产生与所述参考噪声信号幅度相同、方向相反的反向信号，对误差麦克风采集的信号进行降噪。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定参考麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系包括：
在安静环境下，分别利用参考麦克风和光学麦克风获得干净语音信号；
根据所述干净语音信号得到参考麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定参考麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系包括：
在噪声环境下，利用参考麦克风和光学麦克风分别采集声音信号和干净语音信号；
通过语音滤波系数矩阵训练确定参考麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递系数矩阵。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定误差麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系包括：
在噪声环境下，利用误差麦克风和光学麦克风分别采集残留信号和干净语音信号；
通过语音滤波系数矩阵训练确定误差麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递系数矩阵。
5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述参考噪声信号n(n)和所述实际噪声信号e1(n)，确定参考麦克风的噪声滤波系数矩阵包括：
根据所述参考噪声信号n(n)和所述实际噪声信号e1(n)计算残留噪声信号e2(n)＝e1(n)-wr*n(n)，wr为所述参考麦克风的噪声滤波系数矩阵；
通过残留噪声信号的最小均方进行噪声滤波系数矩阵更新，得到所述参考麦克风的噪声滤波系数矩阵。
6.一种主动降噪系统，其特征在于，所述系统包括：用于同步接收声音信号的多个麦克风、用于产生反向信号的扬声器、以及信号处理器；所述多个麦克风包括参考麦克风、光学麦克风和误差麦克风，各麦克风与所述信号处理器的不同输入端相连，并将采集的声音信号传送给所述信号处理器；所述扬声器与所述信号处理器的输出端相连；其中所述误差麦克风用于采集降噪后的残留信号；
所述信号处理器用于根据所述声音信号确定参考麦克风与光学麦克风、误差麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系，利用所述声音信号传递关系得到参考噪声信号n(n)和实际噪声信号e1(n)，所述参考噪声信号为去除人声语音信号的参考麦克风采集信号中的噪声信号，所述实际噪声信号为去除人声语音信号的误差麦克风采集信号中的噪声信号；根据所述参考噪声信号n(n)和所述实际噪声信号e1(n)，确定参考麦克风的噪声滤波系数矩阵；根据所述参考麦克风的噪声滤波系数矩阵控制所述扬声器产生与所述参考噪声信号幅度相同、方向相反的反向信号，对误差麦克风采集的信号进行降噪。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，在安静环境下，所述参考麦克风和所述光学麦克风分别采集干净语音信号；所述信号处理器根据所述干净语音信号得到参考麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递关系。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，在噪声环境下，所述参考麦克风和所述光学麦克风分别采集声音信号和干净语音信号；所述信号处理器通过语音滤波系数矩阵训练确定参考麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递系数矩阵。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，
在噪声环境下，所述误差麦克风和所述光学麦克风分别采集残留信号和干净语音信号；所述信号处理器通过语音滤波系数矩阵训练确定误差麦克风与光学麦克风之间的声音信号传递系数矩阵。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述信号处理器按以下方式确定参考麦克风的噪声滤波系数矩阵：
根据所述参考噪声信号n(n)和所述实际噪声信号e1(n)计算残留噪声信号e2(n)＝e1(n)-wr*n(n)，wr为所述参考麦克风的噪声滤波系数矩阵；
通过残留噪声信号的最小均方进行噪声滤波系数矩阵更新，得到所述参考麦克风的噪声滤波系数矩阵。
11.一种汽车，其特征在于，具有权利要求6至10任一项所述主动降噪系统，其中，所述参考麦克风放置在车内，所述误差麦克风放置在车内座椅靠背附近，所述光学麦克风放置在车前部可照到人脸的位置处。
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