CN108538307A - 用于为音频信号去除干扰的方法和设备以及语音控制设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种干扰噪声抑制设备和方法。所述干扰噪声抑制设备包括：检测模块(55)，被设置为检测在至少一个工作状态中产生噪声的至少一个部件(11、12、13、14、21、22、23、24、25)的工作状态；控制模块(54)，被设置为根据所检测到的工作状态生成控制参数(540)；信号处理模块(53)，被设置为根据通过所述控制参数(540能够控制的处理方式来处理所提供的音频信号(510)，并且输出通过所述处理而获得的音频有用信号(530)。

Description

用于为音频信号去除干扰的方法和设备以及语音控制设备
技术领域
本发明涉及用于为音频信号去除干扰的方法和设备以及具有该去除干扰的仪器的语音控制。
背景技术
用于语音控制的方法，即，借助于口头语音命令来控制仪器的方法，例如在移动电话中或所谓的智能电话中。除此以外，例如在机动车电子装置的领域中，例如用于操作在车辆中运行的驾驶员信息系统以选择功能，以及用于在所选择的功能内进行进一步的操作，例如用于将目的地输入到车辆导航系统中。
在此，在受干扰的环境中，由于在麦克风信号中所包含的噪声分量，使得在设备侧解释通过麦克风所记录的语音命令变得困难。
从EP 0411360 A1中已知用于在机动车中对所记录的语音信号去除干扰的方法和装置，该语音信号被用于语音控制一个仪器。为此，一方面记录音频信号，该音频信号除了口头语音命令之外还包括来自车辆内部空间的噪声。此外，借助于单独的麦克风来记录干扰噪声源的噪声。音频信号和单独记录的噪声信号被馈送到包括自适应滤波器的信号处理部。信号处理的目的在于，把表示语音命令的语音信号从所记录的音频信号中分离，以将该语音信号用于控制仪器。利用信号处理所获得的在很大程度上无噪声的语音信号一方面与噪声信号进行比较，另一方面与音频信号进行比较，并且比较结果被用于控制自适应滤波器。
用于抑制在音频信号中所包含的干扰信号分量的这些方案和类似方案(也称为噪声消除系统)被设计为持续记录环境信号(即音频信号)并且然后滤除干扰信号。在此，环境信号被连续记录、处理和过滤。
发明内容
本发明的优点
本发明具有的优点是，改善和简化从音频信号中分离出音频有用信号，该音频信号除了音频有用信号还包含干扰信号分量。
本发明在此遵循的方案是，优选从关于操控这些部件或仪器的当前认知中，获取关于在运行中引起噪声的仪器或设备的工作状态的信息，并且在已经存在这种信息时，设定用于补偿所产生的干扰噪声的信号处理。从这种部件的开关位置中或从存在于数据总线上的用于操控这种部件的控制信号中，可以获取关于操控这种部件或仪器的认知。因此，例如可以基于部件或设备的预期噪声来预设该信号处理，并且只要识别到相关的控制信号或开关位置等，就开始该信号处理。由此，与针对已经存在的噪声进行适应的已知方案相比，可以对干扰噪声进行反应更快的和更有效的补偿。
结合在本发明的优选应用，即，对于在车辆中运行的仪器或设备进行的语音控制，本发明具有的优点是，对由使用者说出的用于操作这些仪器或设备的语音命令(也被称为语音指示)的识别进行改善、简化和加速。在此，本发明具有的进一步的优点是，自动进行对由车辆中的部件所产生的组合的、叠加的干扰噪声的识别，并且优化干扰噪声的滤波并由此优化分离作为有用信号的语音命令。
另外，根据本发明，为了在音频信号中进行干扰噪声抑制，检测在至少一个工作状态中产生噪声的至少一个部件的工作状态，根据所检测到的工作状态产生控制参数，根据处理方式将音频信号处理为音频有用信号，其中通过控制参数控制该处理方式，并且最后输出以这种方式所获得的音频有用信号。该方法在此可以有利地以计算机程序的形式或控制器的运行程序的模块的形式执行，通过控制器的处理器运行该计算机程序或该模块。
根据本发明的干扰噪声抑制设备包括：检测模块，被设置成检测在至少一个工作状态中产生噪声的至少一个部件的工作状态；控制模块，被设置成根据所检测到的工作状态生成控制参数；以及信号处理模块，被设置为根据通过控制参数能够控制的处理方式来处理所提供的音频信号，并且输出通过处理获得的音频有用信号。所提到的模块可以至少部分地，优选地以由控制器的处理器运行的计算机程序或计算机程序模块的形式来实现。
干扰噪声抑制设备可以有利地与语音控制，即，以口头语音命令能够操作的仪器或设备一起使用。通过将语音信号从利用待操作的仪器或设备的声转换器所记录的音频信号分离，改善和加速了语音信号在设备侧的识别。由此可以减少或完全避免错误识别，该错误识别会触发仪器或设备的错误解释并由此触发错误操作或使得需要重复输入。
尤其有利地，根据本发明的干扰噪声抑制因此可以应用在受干扰的环境中，诸如在受语音操作的多媒体中或在机动车中的驾驶员信息系统中，例如用于选择仪器功能和/或用于在所选择的功能内进一步操作，该功能例如是地址的语音输入，该地址随后作为目的地而用于路线计算和从当前位置到目标位置的目的地引导。
有利地，干扰噪声抑制设备具有存储器，在该存储器中为至少一个部件的多个工作状态分配控制参数。控制模块在此被构造成：根据所检测到的工作状态来读取在存储器中的所对应的控制参数，并且将控制参数提供给信号处理模块。
有利地，信号处理模块还被设置成：从音频信号中分离出干扰噪声分量，并且输出表征该干扰噪声分量的干扰噪声参数，并且控制模块被设置成：根据干扰噪声参数来匹配被存储在存储器中的控制参数。
以这种方式和方法，使得控制参数(控制参数是对在信号处理中对特定噪声源的干扰噪声进行建模或模拟的基础)适应影响噪声特性的实际情况，如车辆内部空间的占用或装载。作为结果，这得到对干扰噪声的更精确的建模，并且由此使得对信号处理中的音频有用信号的更精确的分离。
由从存储器中读取的控制参数来综合用于音频信号的干扰噪声分量的干扰噪声模拟或干扰噪声模型，在最简单的情况中通过从所记录的音频信号中减去所建模的干扰噪声，实现了音频有用信号从音频信号中的尤其简单的分离。作为结果，这也得到从所记录的音频信号中对音频有用信号的特别精确的分离，并且由此得到对语音命令的特别精确的分离。
有利地，信号处理模块具有用于处理音频信号的滤波器模块，并且控制参数包括用于滤波器模块的滤波器参数。在此优选地，滤波器模块以自适应滤波器的形式实现并且被构造成利用滤波器参数开始处理音频信号，该滤波器参数是由控制模块根据所检测到的工作状态从存储器中读取的。以这种方式，显著缩短了将自适应算法锁定到干扰噪声分量上的持续时间。另外，也能够操纵滤波器对音频信号中的多个可能的干扰信号分量中的一个特定的干扰信号分量的适配。在音频信号的信号处理的进一步过程中，自适应滤波器的自适应算法可以自动地进一步匹配用于初始化自适应滤波器的起始滤波器参数。
附图说明
在附图中展示并且在下文中更加详细地说明本发明的实施例。
图1示出了根据本发明的用于干扰抑制的设备的本发明主要部分的框图。
具体实施方式
在图1中示出了用于在所记录的音频信号中进行干扰抑制的设备5的框图。
在被屏蔽的噪声环境中(例如在乘用车(Pkw)的客舱1中)，在车辆中运行的特定的仪器和车辆部件引起噪声，该噪声会使得通过借助于语音控制待操作的仪器4来识别和转换由车辆乘客例如车辆司机3所说出的语音命令31变得困难。
设备5包括至少一个声音记录器51，优选为麦克风，声音记录器布置在车辆内部空间中并且用于记录由使用者3(例如驾驶员)所说出的语音指示或语音命令31。在这里描述的优选实施方式中，设置至少两个麦克风51和52。这些麦克风在这里布置在车辆司机头部前方的车辆内部空间的顶篷中，其中假设车辆司机是用于语音控制所述受语音控制的仪器或设备的主使用者。声音记录器51和52的其它，又或者使用另外的附加的声音记录器也是可行的，并且分别按照所基于的应用场景是有意义的。第一麦克风51产生第一音频信号510，第二麦克风52产生第二音频信号520。
除了口头语音命令31或语音指示之外，声音记录器51或者说在本文中的麦克风51和52也记录其它的存在于车辆内部空间1中的噪声29。这些存在于车辆内部空间1中的噪声29是由其它部件在其运行中产生的。
在运行中或在特定的工作状态产生噪声(这里也称为干扰噪声29)的这样的仪器或车辆部件(简称为部件)例如(但不限于这些示例)是：
-玻璃雨刷器11，其中从中产生的噪声也根据工作级别(即，例如间歇工作、缓慢持续工作、快速持续工作)而不同，
-电车窗升降器12，其电动机动式的驱动器分别按照车窗的运动方向而经受不同负荷，并且因此也产生不同噪声，
-通风或空调设备13，其由于通过空气管道和空气出口的空气流而产生流动噪声，其中噪声取决于通风级别，此外也取决于空气出口的调整，
-行驶方向指示器14，也被称为转向灯，或者为了显示运行中的转向过程而综合地产生的并且在车辆中表现出的咔咔噪声，以及
-电动机动式的和/或电动气动式的座椅调节和座椅匹配。
在运行中产生噪声的其它这样的仪器或部件例如是
-警告系统，诸如：停车辅助21，在接近阻碍物时该警告系统产生警告信号；或安全带警报器22，在接通了车辆点火或在车辆确定行驶并且同时车辆司机或车辆乘客没有系安全带时，该安全带警报器产生警告信号，
-音频设备23，音频设备按照规定通过布置在车辆中的扬声器231、232、233、234声学地再现在无线电信号中或在数据载体上存在的娱乐内容或信息内容，然而该娱乐内容或信息内容对于语音控制表现为干扰信号，
-车辆导航系统24，其在即将进行的用于遵循行驶路线的驾驶操作的情况下，通过布置在车辆中的扬声器以声学方式进行目的地引导提示，以及
-免提设备25，其通过车辆扬声器输出会话参与者的语音信号。
这些仪器或部件11、12、13、14、21、22、23、24、25在本发明的意义中表现为潜在的干扰噪声源。
因此，由声音记录器51产生的音频信号510或由声音记录器51和52记录的音频信号510和520表现为混合信号，该混合信号包括：从使用者3或车辆乘客所说出的语音指示或语音命令31，作为音频有用信号；以及附加地由所提到的部件11、12、13、14、21、22、23、24、25产生的不希望的信号分量29，即干扰信号分量形成。
只要没有另外提到，在下文为了简化说明，以声音记录器51的音频信号510为出发点。
该音频信号510被提供给信号处理模块53。信号处理模块53的任务在于，根据处理方式处理被提供给信号处理模块的音频信号510，其具有的目标是，从所提供的音频信号510中分离出音频有用信号530，即包含在其中的、由系统的使用者3所说出的口头语音命令31或语音指示并且提供该音频有用信号用于进一步处理。
在此，进一步处理特别是可以存在于在车辆中运行的仪器4或系统(诸如驾驶员信息系统或车辆多媒体系统)的语音控制中，该进一步处理把所分离的音频有用信号530或被包含在其里面的语音命令31或语音指示转换成用于仪器或系统的控制指令。例如，音频有用信号530可以被转换成控制指令，用于选择仪器功能(例如导航目的地输入)。此外，音频有用信号530分别按照内容例如也可以用于在所选择的功能内进行进一步操作，诸如语音输入地址，该地址随后被转换为目的地以用于路线计算以及从当前位置到目标位置的目的地引导。
信号处理模块53的处理方式由控制模块54控制。为了对处理方式进行控制，控制模块54将控制参数540提供给信号处理模块。在此，信号处理模块53例如在本实施例中被构造为数字信号处理器(DSP)，数字信号处理器被设置成根据所提供的控制参数540来执行特定的滤波功能。
为了确定或求取控制参数540，控制模块54使用关于部件11、12、13、14、21、22、23、24、25的工作状态的信息，这些部件在运行中在车辆内部空间里产生可听到的噪声。这些工作状态由检测模块55检测，并且相应的工作状态数据被提供给控制模块54或由控制模块54从检测模块55调取。
为了检测产生噪声的部件11、12、13、14、21、22、23、24、25的工作状态，检测模块55可以直接连接到这些部件或连接到这些部件的控制元件，例如开关。此外，检测模块55还可以通过数据总线(例如在机动车领域中广泛使用的CAN总线)来调取工作状态数据，通过该数据总线可以控制与该数据总线连接的部件。此外，检测模块还可以连接到传感器，传感器被构造成成检测部件的工作状态。
在示例性提到的玻璃雨刷器11的情况中，例如在雨刷器开关处掌握玻璃雨刷器的工作状态(即，是否断开，或者例如在间歇工作、具有小的刮拭速度的持续工作或者具有大的刮拭速度的持续工作中)，通过该雨刷器开关设定玻璃雨刷器11的工作状态。
在通过车辆总线7(在这里是CAN总线)操控玻璃雨刷器11的情况下，也能够从车辆总线7掌握关于玻璃雨刷器11的工作状态的信息。
在可以通过雨传感器自动控制的玻璃雨刷器11的情况下，由玻璃雨刷器控制部一方面评估雨传感器的信号，以确定挡风窗板是否被雨水弄湿，以及必要时确定被雨水弄湿的程度。此外，玻璃雨刷器控制部评估雨刷器开关的控制信号，以确定雨刷器11的自动控制是否被激活。由此，玻璃雨刷器控制部产生用于雨刷器11的电动机动式的驱动器的操控信号，该操控信号经由车辆总线7传输。该信号包含关于速度的信息或在间歇运行的情况下的玻璃雨刷器偏转的频率的信息。可以从车辆总线的状态检测模块55获取该信息。
在电车窗升降器12的情况下，例如通过从属的操作元件检测或者在通过车辆总线控制时从车辆总线获取电车窗升降器的操纵和操纵方向(即未操纵、闭合窗和打开窗)。
类似地，这也适用于其它潜在的干扰噪声源，例如内部空间通风和/或空调设备13、行驶方向指示器14、电气座椅调节15以及其它未明确说明的干扰噪声源。
以类似的方式，另外的已经提到的在运行中至少暂时产生噪声的部件(例如产生警告信号的警告系统，例如停车辅助21或者安全带警报器22，具有娱乐内容或信息内容的声学再现的音频或多媒体设备23，具有目的地引导提示的声学输出的车辆导航系统24或具有声学语音信号输出的免提设备25)的工作状态也能够由检测模块55检测到。
控制模块54根据由检测模块55监测的部件11、12、13、14、21、22、23、24、25的所检测到的工作状态来设置控制参数540。
在优选的实施方式中，控制模块54另外访问存储器56，在存储器56中给部件11、12、13、14、21、22、23、24、25的可能的工作状态分别配属控制参数540。控制模块54根据所识别到的工作状态从存储器56中读取所配属的控制参数540，并且将该控制参数传送给信号处理模块53，根据所提供的控制参数540来控制信号处理模块53的用于音频信号510的处理方式。
下面将以作为干扰信号源的玻璃雨刷器11为例描述信号处理模块53的处理方式。
在这种情况下，向信号处理模块53传输信息，以作为控制参数540，该信息实现了在玻璃雨刷器11的当前工作状态中综合玻璃雨刷器11的运行噪声。该信息包括在间歇工作中的间隔持续时间和刮片的角速度或偏转速度。另外，这个信息包括一种样式，例如由刮片在挡风窗板上所产生的噪声的频率分布(只要在乘客舱1中可以察觉到该噪声)。
信号处理模块53被构造成从这些信息中产生由玻璃雨刷器11在其当前的间歇工作中产生的刮拭噪声的模拟。在信号处理模块53中，从所记录的音频信号510中减去这个被模拟的刮拭噪声。这个减法的结果是音频有用信号530。
通过将综合产生的模拟刮拭噪声与玻璃雨刷器11的实际噪声进行比较并且相应地匹配，实现进一步的改进。为此采用附加的自适应滤波器，通过该自适应滤波器，在从所记录的音频信号510中减去之前，进行综合的雨刷器噪声模拟。可以使用常用的算法，如LMS(＝最小均方；最小的误差平方)算法，从雨刷器噪声的模拟和减法结果即音频有用信号530中适应和优化这种自适应滤波器的滤波系数。结果是，这得到对综合的雨刷器噪声的经改善的建模，雨刷器噪声更准确地对应于玻璃雨刷器11的实际运行噪声，从而也使得音频有用信号530在很大程度上没有干扰信号分量，该干扰信号分量在这里是玻璃雨刷器11的运行噪声。
因此，自适应滤波器能够补偿经建模的雨刷器噪声与利用麦克风51和52所记录的实际雨刷器噪声的偏差，该偏差可能由乘客室的占用或负载或运行中的雨刷器的磨损而导致。
如此获得的自适应滤波器的传递函数还可以使用原始信息来综合玻璃雨刷器运行噪声的模拟，以匹配从属的控制参数540。这些被匹配的控制参数540可以被写入存储器56中，从而当玻璃雨刷器11接下来启动时，改进的或更精确的控制参数540准备就绪。
在下文，以音频设备23作为干扰信号源为例来描述信号处理模块53的处理方式。
音频设备23以声学形式通过扬声器再现娱乐内容或信息内容(以下简称为多媒体信号)。这些扬声器例如布置在左侧和右侧的A柱、驾驶员门和副驾驶门以及左侧和右侧的C柱以及左侧和右侧的后门，其中扬声器的主声音射出方向定向到车辆内部空间，也即客舱1上。
多媒体信号对麦克风51和52(其布置在在客舱1的顶篷内的车辆司机3的头部区域中)的入射方向不同于由车辆司机3为操作受语音控制的仪器4而说出的语音命令31的入射方向。
如果现在检测模块55示出音频设备23在运行中，则控制模块54从存储器56读出所配属的控制参数540，并且将该控制参数传递给信号处理模块53以控制其处理方式。
响应于所提供的控制参数540，信号处理模块在方向特性的意义中如此处理由麦克风51和52提供的音频信号510和511，使得来自车辆司机3头部方向上入射的信号分量相比于来自其它方向例如车门或A柱和C柱的信号分量被更重地加权。通过使用两个麦克风51和52进行立体记录并且因此通过比较信号运行时间来区分这些信号是可能的。
此外，信号处理模块530优选也由控制参数如此程度地控制，使得由音频信号设备23产生的多媒体信号直接与音频信号设备相关，并且从麦克风信号中或从由两个麦克风信号所产生的音频信号中减去该多媒体信号。优选地，在减法之前，多媒体信号还可以通过自适应滤波器，利用该自适应滤波器来再现从扬声器到麦克风51和52的传输路径，诸如由于通过反射造成的放大或加载而引起的频率选择性衰减。此措施还改善了从利用麦克风所呈现的音频信号中分离出音频有用信号530。
以这种方式所确定的自适应滤波器的滤波器系数可以作为控制参数540的一部分存储在存储器56中。在重新启动音频设备时，自适应滤波器或者更一般地说信号处理模块530的信号处理可以利用这些滤波器系数初始化，从而可以加速适应。
而且，可以通过本发明的实现方式来处理来自多个上述潜在干扰噪声源的干扰噪声的组合。这尤其通过状态检测或音频信号处理的处理方式的控制根据可能的干扰源的所检测到的工作状态被方便或者才根本实现。因此，从一开始在这里不被考虑为在信号处理中并非处于运行中的干扰源是，与纯粹基于所记录的音频信号的纯自适应方法相比，在干扰抑制的精度和速度方面得到明显更好结果的噪声源。

Claims (10)

1.一种干扰噪声抑制设备，包括：
检测模块(55)，被设置为检测至少一个部件(11、12、13、14、21、22、23、24、25)的工作状态，所述部件在至少一个工作状态中产生噪声，
控制模块(54)，被设置为根据所检测到的工作状态生成控制参数(540)，
信号处理模块(53)，被设置为根据通过所述控制参数(540)能够控制的处理方式来处理所提供的音频信号(510)，并且输出通过所述处理而获得的音频有用信号(530)。
2.根据权利要求1所述的干扰噪声抑制设备，还包括：
存储器(56)，在所述存储器中所述至少一个部件(11、12、13、14、21、22、23、24、25)的工作状态被分配有控制参数(540)，并且
其中所述控制模块(54)还被构造成：根据所检测到的工作状态来读取在所述存储器(56)中的所分配的控制参数(540)，并且将所述控制参数供应给所述信号处理模块(53)。
3.根据权利要求2所述的干扰噪声抑制设备，
其中所述信号处理模块(53)还被设置成：从所述音频信号(510)中分离干扰噪声分量并且输出表征所述干扰噪声分量的干扰噪声参数，并且
其中所述控制模块(54)被设置成：根据所述干扰噪声参数来调节存储在所述存储器(56)中的所述控制参数(540)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的干扰噪声抑制设备，
其中所述信号处理模块(53)具有用于处理所述音频信号(510)的滤波器模块，并且
其中所述控制参数(540)包括用于所述滤波器模块的滤波器参数。
5.根据权利要求4所述的干扰噪声抑制设备，
其中所述滤波器模块被构造为自适应滤波器的形式，
其中所述控制模块(54)被构造成：利用所述滤波器参数初始化所述滤波器，并且
其中所述滤波器模块被构造成：以预设的滤波器参数开始处理所述音频信号(510)，并且在所述音频信号(510)的进一步处理过程中自动适配所述滤波器参数。
6.根据前述权利要求中任一项所述的干扰噪声抑制设备，
其中所述信号处理模块(53)被设置成：从所述控制参数(540)中综合用于所述音频信号(510)的干扰噪声分量的干扰噪声模拟，并且提取所述干扰噪声模拟，以用于将所述音频有用信号(530)从所述音频信号(510)中分离。
7.一种语音控制设备，被设置成借助于口头语音命令(31)来控制仪器(4)，所述语音控制设备包括：
至少一个声音记录器(51、52)，用于记录至少一个口头语音命令(31)，
根据前述权利要求中任一项所述的干扰噪声抑制设备，包含所记录的语音命令(31)的音频信号(510)被提供给所述干扰噪声抑制设备，以及
命令转换模块，用于将所述音频有用信号(530)转换为用于控制所述仪器(4)的控制信号。
8.一种用于抑制音频信号中的干扰噪声的方法，
其中检测至少一个部件(11、12、13、14、21、22、23、24、25)的工作状态，所述部件在至少一个工作状态中产生噪声，
其中根据所检测到的工作状态产生控制参数(540)，
其中所述音频信号(510)根据处理方式被处理为音频有用信号(530)，其中所述处理过程通过所述控制参数(540)来控制，并且
其中输出所述音频有用信号(530)。
9.一种包括指令的计算机程序，所述指令使得根据权利要求1至6中任一项所述的干扰噪声抑制设备或根据权利要求7所述的语音控制设备执行根据权利要求8所述的方法步骤。
10.一种计算机可读的介质，在所述介质上存储有根据权利要求9所述的计算机程序。
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