CN107452394A - 一种基于频率特性降低噪音的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于频率特性降低噪音的方法和系统，所述方法包括：S10：采集声音信号；S20：过滤所述声音信号得到过滤信号，并将所述过滤信号分解成声音频域信号；S30：获取用户所需要的声音频域；S40：对所述用户所需要的声音频域信号作增强处理，对其他频域信号作弱化处理，得到播放频域信号；S50：还原所述播放频域信号，并播放声音。本发明依据声音的自然属性降低噪声，易于实现，适用范围广，可自由选择语音方案，语音传递更直观有效，用户感知更清晰，语音更容易辨识。
Description
技术领域
本发明涉及数据通信技术，尤其涉及一种基于频率特性降低噪音的方法和系统。
背景技术
沟通是人与人之间、人与群体之间思想与感情的传递和反馈的过程，是人类进步发展的基础。几百年前，人们利用书信实现较远距离的沟通，随着科技的发展，几百年后的今天人们可以通过声音、文字、图像或者动作的数据通信来进行远距离沟通交流。
语音传递是当今社会使用最普遍的一种远距离沟通方法，人们随时随地可以通过电话，通过社交软件的语音传递功能先录音后传递等实现信息传递，但现实生活中如果我们在周边环境相对嘈杂的情况下(如车站、机场等)传递语音信息，那么嘈杂的语音会随我们需要传递的语音一并传递给接收者，接收者的接收设备对这种现象又不处理的话，这次语音传递就相当于传递失败，这就会降低人们的沟通质量和效率，所以需要对语音进行降噪处理。
现有的语音降噪的方案通常如下：其一是麦克风阵列，它假定噪声是来自环境的均匀背景，而有效的声音(需要传递的声音)来自特定方向(用户)，消除每一个麦克风都采集到的背景音后，即可获得有效输入；其二是DSP信号处理单元，它假定噪音具有特定的频率-时间特征，如回声具有时间上的重复，或背景噪声长时间发生于一个特定的频段，通过DSP消除这些频率特征即可提升通话质量。实际生活中，噪音经常不是均匀本底，比如通话时身边有汽车经过，通过麦克风阵列并不能消除这种噪音，同时麦克风阵列产品的结构、外形与其消噪效果密切关联，要获得良好的效果，需要反复的调整设计，即使这样，在实际场合中，随着场景变化，具体实现效果不如预期；DSP处理因频率-时间信息本身具有相似性，也难以避免会把有效的成份也消除导致信号缺失。
如公开号为CN103366758B的专利文献公开了“一种移动通信设备的语音降噪方法和装置”，首先收集输入的音频信号，并存储音频信号；将输入的音频信号与信号样本库中的音频信号元素进行比对，识别出输入的音频信号中的语音信号和噪音信号，输入的音频信号中无法识别的信号作为非语音信号；对语音信号、噪音信号和非语音信号进行分离处理；保留语音信号，去除噪音信号，保留非语音信号，形成非噪音信号；对非噪音信号进行还原并存储。此设计从输入端入手，将噪音信号和非语言信号抛弃，保持了音质的高保真。但是通过比对样本库这样的方式来识别语音信号和噪音信号，从而去除噪音信号，会导致样本库中没有的但是接收者可能需要的信号也去除了，使得传递缺失，实用性不强。
又如公开号为CN105704276A的专利文献公开了“一种语音通话噪音过滤的方法和装置”，终端录取使用者声音频率并储存至存储器；使用者拨通电话并选噪音过滤选项；控制器判断声音频率是否是存储器中已储存的声音频率；若是，则传输声音，若不是，则过滤声音。通过通话者提前将声音录入手机中，手机会识别发音者声音的频率，将手机设置为在此声音频段内通话时，其他频率的声音就会全部过滤掉，从而来增强通话的质量，但是当通话者本身音量较小时，接收者接收到的音量也较小，同时，当电话一头的通话者有两个，他们的语音信号可能会产生交叠，会使得信息传递不清晰。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种能够降低噪声使语音传递更有效，使用户感知更清晰，可自由选择语音方案的基于频率特性降低噪音的方法和系统。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于频率特性降低噪音的方法，所述方法包括：
S10：采集声音信号；
S20：过滤所述声音信号得到过滤信号，并将所述过滤信号分解成声音频域信号；
S30：获取用户所需要的声音频域；
S40：对所述用户所需要的声音频域信号作增强处理，对其他频域信号作弱化处理，得到播放频域信号；
S50：还原所述播放频域信号，并播放声音。
进一步地，所述步骤S30中包括步骤：
S31：判断是否自动选取用户所需要的频域；
S32：若是，则自动选取用户所需要的频域，若不是，则由用户手动选取所需要的频域。
进一步地，所述步骤S32中包括步骤：
S321：显示频域选项，所述频域选项内容由所述声音频域信号中出现的频率组成。
进一步地，所述步骤S20中包括步骤：
S21：采用回声消除技术过滤掉所述声音信号中的回声信号得到过滤信号；
S22：将所述过滤信号分解成声音频域信号；
S23：存储所述声音频域信号。
进一步地，所述步骤S40中包括步骤：
S41：增大所述用户所需要的声音频域信号的频宽，压缩其他频域信号的频宽；
S42：将所述用户所需要的声音频域信号的音强与预设音强比对，判断是否需要调节音强；
S43：若是，则增强所述用户所需要的声音频域信号的音强，减弱其他频域信号的音强。
一种基于频率特性降低噪音的系统，所述系统包括：
采集模块，用于采集声音信号；
过滤分解模块，用于过滤所述声音信号得到过滤信号，并将所述过滤信号分解成声音频域信号；
获取模块，用于获取用户所需要的频域；
调节模块，用于对所述用户所需要的声音频域信号作增强处理，对其他频域信号作弱化处理，得到播放频域信号；
还原模块，用于还原所述播放频域信号，并播放声音。
进一步地，所述获取模块包括：第一判断单元，用于判断是否自动选取用户所需要的频域。
进一步地，所述获取模块还包括：显示单元，用于显示频域选项，所述频域选项内容由所述声音频域信号中出现的频率组成。
进一步地，所述过滤分解模块包括：
过滤单元，用于采用回声消除技术过滤掉所述声音信号中回声信号得到过滤信号；
分解单元，用于将所述过滤信号分解成声音频域信号；
存储单元，用于存储所述声音频域信号。
进一步地，所述调节模块包括：
频宽增缩单元，用于增大所述用户所需要的声音频域信号的频宽，压缩其他频域信号的频宽；
第二判断单元，用于将所述用户所需要的声音频域信号的音强与预设音强比对，判断是否需要调节音强；
音强增减单元，用于判断需要调节音强后，增强所述用户所需要的声音频域信号的音强，减弱其他频域信号的音强。
采用上述技术方案后，本发明的有益效果是：通过将声音分解成频域的信号，展开成相位谱和幅度谱，更有针对性的处理声音参数，从而使用户辨识更简单清晰；通过频域自动选取和手动选取的选项设置，增加交互乐趣的同时使声音传递更符合用户自定义需求，提升了用户的主观能动性；通过存储声音频谱信号方便数据保存和再次调用；通过增大所需声音频域信号的频宽，压缩其他频域信号的频宽，可自然消除回声和啸叫，降低部分噪声的同时更突显真正所需的声音，从而使用户听得更清晰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术的技术方案，附图如下：
图1为本发明实施例1中一种基于频率特性降低噪音的方法流程图；
图2为本发明实施例2中一种基于频率特性降低噪音的方法流程图；
图3为本发明实施例3中一种基于频率特性降低噪音的方法流程图；
图4为本发明实施例4中一种基于频率特性降低噪音的系统结构图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
基于韦伯定律和韦伯-费希纳定律，我们可以知道，人能感觉到得差异是来自外界信息量的比率值，而非增加量。表现在声音上，声音频率比率值至少达到1.06倍(也就是半音阶)，人才能听出其中的差异。
麦克风等声音采集设备，可以精确的采集并分析出每一频点的信息，通过调整特定频点的语音参量，同时抑制其它频点的语音参量，使信号的语音参量特征更符合人的接收特征，从而可以有效的提升用户感知。
声音在录制、传递以及播放过程中，每个环节的处理都可以对声音的正确还原，按需还原具有重大影响，所以合理利用处理方法至关重要。
本发明利用上述发明构思，设计让声音基于其频率特性上的改变，来降低噪音和提高语音清晰度。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种基于频率特性降低噪音的方法，所述方法包括以下步骤：
S10：采集声音信号；
本步骤中，常规的采集设备为麦克风，而且仅需一个即可。
S20：过滤所述声音信号得到过滤信号，并将所述过滤信号分解成声音频域信号；
本步骤中，采用过滤技术，过滤一部分明显无规则的噪声，而不是过滤所有的背景噪声，得到过滤信号，再由DSP处理设备将过滤信号展开分解成声音频域信号，所谓频域，是信号在频率方面的特性时，用到的一种坐标系，横坐标为频率，纵坐标可以是振幅也可以是相位；由此坐标可以分析信号和频率的有关部分以及了解到各信号之间的相互关系。
S30：获取用户所需要的声音频域；
本步骤中可由用户点选操作，选择出一个或多个希望听到的声音所对应的声音频域等待后续处理，点选选项由系统分配，例如：系统分配选项并在显示界面显示为人声1(300Hz)，人声2(440Hz)，环境音(420Hz)，点选人声1(300Hz)则最终仅播放该频率声音，点选人声1(300Hz)和人声2(440Hz)则最终播放两段综合的声音，用户通过这种自定义的方式实现了个人定制。
S40：对所述用户所需要的声音频域信号作增强处理，对其他频域信号作弱化处理，得到播放频域信号；
步骤30确定用户所需的声音频域后，本步骤中可由DSP对该频域信号作增强处理，对其他频域信号作弱化处理，体现在坐标系参数上可以是在振幅上，也可以是在相位上，例如，假设用户选择了频率为440Hz的声音，DSP对该频域信号作增强处理方法如下：保持440Hz的频域不变，将440±30Hz的频域空出，如有需要可将440Hz声音的音强(在坐标中的体现为幅度)做放大处理。本步骤中，考虑人的差异感知能力，我们对信号进行了重整形，从而增大差异突显出用户真正所需的频域信号。
S50：还原所述播放频域信号，并播放声音。
之前步骤处理好信号的各种语音参量后，通过发声设备最终还原播放出该信号。
通过以上对本方法的详细描述中，可见本方法是从声音的录制环节出发到播放环节都采取了相应的信号处理措施，通过将声音分解成频域的信号，展开成相位谱和幅度谱，更有针对性的增大和压缩相应的声音参数，最终产生使用户辨识起来更简单清晰的信号；信号的整体处理上没有牺牲任何一部分的信号，只是将用户定义为需要的信号增强处理，不需要的弱化处理，从而突显出声音差，使用户听着更清晰。
实施例2
如图2所示，本实施例与之前实施例的区别在于，本实施例提供一种更加详细的获取用户所需频域的方法，所述步骤S30中包括：
S31：判断是否自动选取用户所需要的频域；
本步骤中，系统可以预先设置自动选取用户所需要的频域的触发条件，比如显示自动选取和手动选取选项界面作为触发条件，由用户决定；又比如根据应用环境区分触发，如果是即时通话的语音环境则自动选取用户所需要的频域，如果是软件的语音录制或发送则由用户手动选取所需要的频域。
S32：若是，则自动选取用户所需要的频域，若不是，则由用户手动选取所需要的频域。
本步骤中，自动选取用户所需要的频域的方案可以是预存使用者以及使用者周边人员相应的声音信号作为用户所需声音对应的频域，考虑上述预存的局限性，也可以是分析信号的频域特性后根据振幅以及相位的规律自由选取，如果本步骤中自动选取失败，则默认采用手动选择。
步骤S32中包括：
S321：显示频域选项，所述频域选项内容由所述声音频域信号中出现的频率组成。
本步骤中当由用户手动选取所需要的频域时，才会显示频域选项，频域选项由系统总结归纳，设置信号强度临界点，选择出信号强度较强的多个频率并显示，还可以根据人声背景声信号分布范围的常规差别，方便提醒用户对应的声音类别。
所述步骤S20中包括步骤：
S21：采用回声消除技术过滤掉所述声音信号中的回声信号得到过滤信号；
S22：将所述过滤信号分解成声音频域信号；
S23：存储所述声音频域信号。通过存储声音频谱信号方便数据保存和再次调用。
过滤技术和方法的选取使用需要十分注意，过滤程度掌握失衡就会将有效的声音成分消除导致声音的缺失，回声消除技术是相对成熟的技术，能够将通话时产生的回声消除而不损害到声音有效成分的辨识。
综上所述，本方法中通过频域自动选取和手动选取的选项设置，增加交互乐趣的同时使声音传递更符合用户自定义需求，提升了用户的主观能动性。
实施例3
如图3所示，本实施例与实施例2的区别在于，本实施例提供一种增强用户所需频域信号和弱化其他频域信号的具体方法，所述步骤S40中包括以下步骤：
S41：增大所述用户所需要的声音频域信号的频宽，压缩其他频域信号的频宽；
S42：将所述用户所需要的声音频域信号的音强与预设音强比对，判断是否需要调节音强；
S43：若是，则增强所述用户所需要的声音频域信号的音强，减弱其他频域信号的音强。
具体的，假设环境中采集到的声音有3个，分别为400Hz、420Hz以及440Hz，且音量大小差不多，甚至是外环境声音盖过了用户对话的声音，如果这时采用原有方法如麦克风阵列，根本没法让用户听清对话；但使用本方案，假使420Hz是之前步骤中选取的用户所需要的声音频域，保留420Hz的频域不变，将420±50Hz的频域空出来，而400Hz则下移至350Hz，440Hz上移至490Hz，然后再判断420Hz对应的频域的音强(即声音的响度，一般由幅度决定且与之成正比)是否超过预设音强，若超过，则直接还原播放该信号，若未超过，则按照增强该频域的音强至预设音强，并对其他频域的音强做减弱处理。这样一来用户就能清晰的辨别自己所需声音，本方案中没有直接过滤掉用户不需要的声音信号，而只对其弱化处理后以不影响用户声音辨别的形式播放出来，保障了后期用户需要这些声音时的再处理还原。
本方法根据声音的自然属性降低噪声(此处噪声理解为用户不需要的声音)，不过分依赖过滤设备，不需要多个采集设备，实现简单，成本低，而且频宽的增大和压缩变化使信号产生频移，可自然消除回声和啸叫，降低部分噪声的同时更突显真正所需的声音，从而使用户听得更清晰。
实施例4
如图4所示，本实施例提供一种基于频率特性降低噪音的系统，所述系统包括：
采集模块100，用于采集声音信号；
过滤分解模块200，用于过滤所述声音信号得到过滤信号，并将所述过滤信号分解成声音频域信号；
获取模块300，用于获取用户所需要的频域；
调节模块400，用于对所述用户所需要的声音频域信号作增强处理，对其他频域信号作弱化处理，得到播放频域信号；
还原模块500，用于还原所述播放频域信号，并播放声音。
为了更好的获取和还原用户所需声音，所述获取模块300包括：第一判断单元310，用于判断是否自动选取用户所需要的频域。
可选地，所述获取模块300还包括：显示单元320，用于显示频域选项，所述频域选项内容由所述声音频域信号中出现的频率组成。
可选地，所述过滤分解模块200包括：
过滤单元210，用于采用回声消除技术过滤掉所述声音信号中回声信号得到过滤信号；
分解单元220，用于将所述过滤信号分解成声音频域信号；
存储单元230，用于存储所述声音频域信号。
可选地，所述调节模块400包括：
频宽增缩单元410，用于增大所述用户所需要的声音频域信号的频宽，压缩其他频域信号的频宽；
第二判断单元420，用于将所述用户所需要的声音频域信号的音强与预设音强比对，判断是否需要调节音强；
音强增减单元430，用于判断需要调节音强后，增强所述用户所需要的声音频域信号的音强，减弱其他频域信号的音强。
需要说明的是：本实施例中上述的功能模块划分基于方法实施例中方法，详细的实现过程可参照方法实施例，这里不再赘述。
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。
Claims (10)
1.一种基于频率特性降低噪音的方法，其特征在于，所述方法包括：
S10：采集声音信号；
S20：过滤所述声音信号得到过滤信号，并将所述过滤信号分解成声音频域信号；
S30：获取用户所需要的声音频域；
S40：对所述用户所需要的声音频域信号作增强处理，对其他频域信号作弱化处理，得到播放频域信号；
S50：还原所述播放频域信号，并播放声音。
2.根据权利要求1所述的一种基于频率特性降低噪音的方法，其特征在于，所述步骤S30中包括步骤：
S31：判断是否自动选取用户所需要的频域；
S32：若是，则自动选取用户所需要的频域，若不是，则由用户手动选取所需要的频域。
3.根据权利要求2所述的一种基于频率特性降低噪音的方法，其特征在于，所述步骤S32中包括步骤：
S321：显示频域选项，所述频域选项内容由所述声音频域信号中出现的频率组成。
4.根据权利要求1所述的一种基于频率特性降低噪音的方法，其特征在于，所述步骤S20中包括步骤：
S21：采用回声消除技术过滤掉所述声音信号中的回声信号得到过滤信号；
S22：将所述过滤信号分解成声音频域信号；
S23：存储所述声音频域信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于频率特性降低噪音的方法，其特征在于，所述步骤S40中包括步骤：
S41：增大所述用户所需要的声音频域信号的频宽，压缩其他频域信号的频宽；
S42：将所述用户所需要的声音频域信号的音强与预设音强比对，判断是否需要调节音强；
S43：若是，则增强所述用户所需要的声音频域信号的音强，减弱其他频域信号的音强。
6.一种基于频率特性降低噪音的系统，其特征在于，所述系统包括：
采集模块，用于采集声音信号；
过滤分解模块，用于过滤所述声音信号得到过滤信号，并将所述过滤信号分解成声音频域信号；
获取模块，用于获取用户所需要的频域；
调节模块，用于对所述用户所需要的声音频域信号作增强处理，对其他频域信号作弱化处理，得到播放频域信号；
还原模块，用于还原所述播放频域信号，并播放声音。
7.根据权利要求6所述的一种基于频率特性降低噪音的系统，其特征在于，所述获取模块包括：第一判断单元，用于判断是否自动选取用户所需要的频域。
8.根据权利要求7所述的一种基于频率特性降低噪音的系统，其特征在于，所述获取模块还包括：显示单元，用于显示频域选项，所述频域选项内容由所述声音频域信号中出现的频率组成。
9.根据权利要求6所述的一种基于频率特性降低噪音的系统，其特征在于，所述过滤分解模块包括：
过滤单元，用于采用回声消除技术过滤掉所述声音信号中回声信号得到过滤信号；
分解单元，用于将所述过滤信号分解成声音频域信号；
存储单元，用于存储所述声音频域信号。
10.根据权利要求6所述的一种基于频率特性降低噪音的系统，其特征在于，所述调节模块包括：
频宽增缩单元，用于增大所述用户所需要的声音频域信号的频宽，压缩其他频域信号的频宽；
第二判断单元，用于将所述用户所需要的声音频域信号的音强与预设音强比对，判断是否需要调节音强；
音强增减单元，用于判断需要调节音强后，增强所述用户所需要的声音频域信号的音强，减弱其他频域信号的音强。
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