CN108713323B - 估计到达方向的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及估计到达方向的方法和装置。所述方法包括：从两个或多个传感器采集信号；当确定所述信号包括语音和噪声时根据采集到的信号的至少一部分获取第一到达方向；获取存储的用于噪声的第二到达方向；根据所述信号的至少一部分获取用于当前估计的SNR；且基于第二到达方向和当前估计的SNR修改第一到达方向，去除第一到达方向中由噪声引起的偏差，获取去除偏差的到达方向。

Description

估计到达方向的方法和装置

技术领域

本发明涉及麦克风信号处理，且更特别地涉及估计到达方向的方法和装置。

背景技术

在麦克风阵列的音频信号处理的技术领域中，通过利用声场的空间特征可以处理进入的声音信号，以使得仅从特定角度或角度范围入射的声波被保留，而来自其他方向的声波被过滤掉。

实现这种空间滤波的一种方法是使用称为波束成形的一系列算法。

在处理来自传感器阵列的信号的许多应用中，事先不知道感兴趣声源(称为“理想声源”或“有价值源”)相对于阵列定位的角度。在这些应用中，主要挑战之一是要从音频数据(或信号)自身确定有价值源的角度。这是称为DOA(到达方向)估计的问题。这经常通过利用数个波束成形器指向不同方向，并以某种方式分析波束成形器的输出的方法而完成。然而，这是计算昂贵的方法。

DOA估计的另一方法依赖的事实是，麦克风阵列的声波入射角度直接相关于阵列中的一对(或多对)麦克风捕获的声音信号之间观察到的相位差。这种方法比波束形成方法计算量少。对于给定的麦克风阵列几何结构和给定假设的入射声音的波前形状(虽然并非绝对的，但是在大多数情况下假设为平面波)，可以导出分析公式以用于声源位置的角度和麦克风之间的观察相位差之间的关系。因此，通过分析捕获到的音频数据的相位信息且通过利用以上提及的入射角度和相位差之间的关系，能够推测声源定位的角度。

从观测的相位差估计理想源的DOA的挑战在于，除了有价值的声音信号，声学背景噪声和电测量噪声也影响观测的相位。因此，基于这些相位测量值估计理想源的DOA可能产生错误的结果，尤其是在来自噪声源的影响太大的情况下。

发明内容

本发明的一个目的在于提供估计到达方向的新的解决方案。

根据本发明的第一方面，提供估计到达方向的方法，包括：从两个或多个传感器采集信号；当确定该信号包括有价值信号和噪声时，根据采集到的信号的至少一部分获取第一到达方向；获取用于噪声的存储的第二到达方向；根据所述信号的至少一部分获取用于当前估计的SNR；且基于第二到达方向和当前估计的SNR修改第一到达方向，去除第一到达方向中由噪声引起的偏差，获取去除偏差的到达方向。

根据本发明的第二方面，提供估计到达方向的装置，包括：采集信号的两个或多个传感器；SNR模块，根据信号的至少一部分获取用于当前估计的SNR；DOA模块，其在确定信号包括有价值信号和噪声时根据采集到的信号的至少一部分获取第一到达方向；和去偏差DOA模块，获取存储的用于噪声的第二到达方向，且基于第二到达方向和当前估计的SNR修改第一到达方向，去除第一到达方向中由噪声引起的偏差，获取去除偏差的到达方向。

根据本公开的实施方式，本发明可以提高估计到达方向的准确性。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是示出理想情形下由两个麦克风捕获的相位差和频率之间的关系的图表。

图2是示出在非理想情形下由两个麦克风捕获的相位差和频率之间的关系的图表。

图3是示出在非理想情形下由两个麦克风捕获的相位差和频率之间的关系的最佳拟合线的图表。

图4示出根据一实施方式的估计到达方向的方法的流程图。

图5示出根据另一实施方式的估计到达方向的装置的简图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

注意到相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本领域技术人员应该理解到，本文以示意性方式描述了一些特定示例且绝非为了限制本发明的范围。在本篇说明书的教导下，本领域技术人员能够设想到同样被权利要求覆盖的其他示例或实施方式。

估计声源相对于麦克风阵列定位的角度能够例如通过如下方式完成：分析麦克风阵列中的一组麦克风之间的观察相位的差异。图1示出对于任何给定的麦克风阵列中的一对麦克风，相位如何能够相关于入射角度的理想简单示例。在图1中，y-轴线代表由两个麦克风捕获的声音信号产生的相位差，且x-轴线代表声音信号的频率。图1中的点代表相位差和频率的关系。从图1能够看出，在理想情形下，图中的点呈现直线且直线斜率直接相关于入射声波的方向。

图1中描绘的情形是高度理想化的。在理想情形下，声源被假设为宽带的且包含在许多频率处的能量，入射声波被假设为完全平面的(相当于假设声源距离麦克风无限远)，且背景噪声被假设为不存在。

然而，在现实中，这是不可能的。任何背离这些理想假设的情形将干扰两个麦克风观测的相位差。图2描绘了这种非理想情形。在图2中，由于以上提及的干扰，点是散乱的且相位差曲线的斜率不再完全明显。相位差的斜率不明显，因为由麦克风捕获的声波是许多平面波的组合。

在如图2中示出的情形下，可以通过采用“最佳拟合”到相位差点的线的斜率来估计DOA。例如可以通过所谓最小均方误差规则来选择最佳拟合线。任何其他拟合算法也是可行的且可以产生同样好的结果。图3描绘了最佳拟合线A(虚线)的这种情形，最佳拟合线A是直线且拟合分散在它周围的相位差点。这种最佳拟合线A的斜率将用于估计DOA。

一般而言，由麦克风阵列观察的声场包括：有价值(理想)声音信号，我们想要估计该有价值声音信号的角度；背景噪声，背景噪声是环境中的声音且其角度是我们想要过滤掉的；和测量噪声，测量噪声是麦克风阵列或测量硬件固有的电子噪声，该电子噪声与任何物理声音到达角度不相关。这三种成分都影响音频通道中观察的相位信息。实际上，来自噪声的影响使DOA结果出现偏差。在现有技术的DOA估计方法中，这种偏差被下述事实体现：最佳拟合线被拟到到包含来自价值源以及噪声成分的影响的一组数据点(诸如，图3中的点)。

因为有关于测量噪声的成分相对低且能够经由硬件改进在一定程度上被控制，所以认为测量噪声的量可忽略且因此不在这里考虑。

本领域技术人员应该理解的是，虽然能够通过麦克风阵列估计DOA，但是也可以使用其他类型的传感器阵列，只要其能够捕获方向信息。例如，两个加速度计设置成阵列且由两个加速度计捕获的信号的顺序可以给出源的方向。其他传感器可以产生类似结果。

图4示出根据一实施方式的估计到达方向的方法的流程图。

如图4所示，在步骤S1100处，从两个或多个传感器采集信号。

在步骤S1200处，当确定所述信号包括有价值信号和噪声时，根据采集到的信号的至少一部分获取第一到达方向。例如，有价值信号可以是语音信号。

在步骤S1300处，获取存储的用于噪声的第二到达方向。

在步骤S1400处，根据信号的至少一部分获取用于当前估计的SNR。

在步骤S1500处，基于第二到达方向和当前估计的SNR修改第一到达方向，以去除第一到达方向中由噪声引起的偏差，获取去除偏差的到达方向。

第一到达方向是理想源被估计定位的角度，其中，这个理想源的估计由于噪声产生偏差。第二到达方向是噪声源被估计定位的角度。第一到达方向被去除偏差，以去除由噪声的第二方向引起的偏差，从而接近真实到达方向。

在这种方法中，到达方向被校准以去除由噪声引起的偏差。因为在包括语音和噪声的当前信号中很难估计噪声，所以在校准中使用存储的对应噪声的到达方向。而且，在去除偏差中，当前SNR用于确定应该去除的噪声的量。这将提高去除噪声偏差的性能。到达方向可以是入射声波的到达角度。

如上文说明的，虽然其他传感器能够类似地用于获取到达方向，本文中的传感器优选是麦克风阵列中的麦克风，麦克风阵列包括至少两个麦克风，且采集来自麦克风阵列的麦克风的声音信号。

在本公开的教导下，用于获取第二到达方向的许多方法是可行的。例如，第二到达方向可以通过由传感器先前采集的信号中的噪声成分获取。

在这个实施方式中，并非仅估计噪声的等级，环境声学背景噪声的等级和位置都被估计且都被用于做出正确(即，去除偏差)的DOA(第一到达方向)估计。

可选择地，当确定信号仅包括噪声时，可以根据信号的至少一部分获取第二到达方向。然后，存储噪声的第二到达方向且停止本次估计(即，获取第二方向)。这种方法可以提高电子设备的功率效率，因为噪声的估计操作对于重复性类似噪声将停止且不会一直运行。设计者能够设定用于第二到达方向的估计操作的时机，例如定期或当检测到噪声等级改变时。存储的第二到达方向将后续用于校准第一到达方向。本文中，可以将第二到达方向的初始值设定为诸如“0”的预设值。

这种方法简单高效，因为第一到达方向的计算和第二到达方向的计算可以分享相同的实施硬件和/或软件。而且，这种方法的有效性也在于使用当前估计的SNR来估计第一到达方向。本文中，背景噪声的等级能够被SNR代表，且背景噪声的方向能够被估计为噪声-DOA(第二到达方向)，在非活动时期期间、即当确定信号仅包括噪声时估计噪声-DOA。

在本公开的教导下，许多方法用于确定信号仅包含噪声。例如，用户在他说话时可以按压电子装置上的按钮。当检测到按钮释放时确定信号仅包含噪声。

可选择地，能够通过语音活动检测执行所述确定。对采集信号的至少一部分执行的语音活动检测以确定信号是否包括语音。如果确定信号包括语音，则确定对应于信号的声源是活动的(即确定对应于信号的声源处于语音活动状态)。如果确定信号不包括语音，则确定对应于信号的声源是非活动的(即确定对应于信号的声源处于非语音活动状态)。本文中，当语音活动检测确定声源是非活动的时获取第二到达方向，且当语音活动检测确定声源是活动的时获取第一到达方向。

例如，传感器可以包括加速度计，和/或麦克风阵列中的麦克风，且可以从麦克风阵列或/和加速度计采集信号。可以基于由麦克风阵列或加速度计、或两者一起采集的信号执行语音活动检测。

去除偏差的到达方向能够表达为DOA_de-biased，且可以通过以下关系获取：

DOA_de-biased＝f(DOA_estimated，SNR_estimated，DOA_noise)

其中，DOA_noise是第二到达方向，DOA_estimated是第一到达方向，SNR_estimated是当前SNR，且f()是用于修改第一到达方向的函数。

例如，f()是下述内容的线性运算：差值和DOA_noise之间的线性运算，差值是指DOA_estimated乘以系数与DOA_noise乘以系数之间的差值，且系数是当前SNR的函数。在一示例中，乘以DOA_estimated的系数与乘以DOA_noise的系数相同。

系数可以是技术员根据他的经验或实验选出的任何合适的函数。当前SNR的函数输出应该随着噪声等级增加而增加。然而，SNR与噪声等级成反比，即，如果噪声等级增加，则SNR减少。因此，如果我们想要将当前SNR的函数输出为当噪声越高时越高，则系数应该是随着SNR_estimated的减小返回值(return values)单调增加的自定义函数。以这种方式，系数可以更好地补偿由噪声引起的损失。

例如，可以在存储于存储器中的查找表中定义该系数。

在这个实施方式中，到达方向并非仅基于噪声的值或SNR的值被去除偏差。到达方向通过存储的用于噪声的到达方向和当前SNR的结合来去除偏差。以这种方式，第一DOA的去除偏差将基于噪声的等级和位置而并非仅噪声值，且施加到第一DOA的去除偏差的量将依据确定的SNR的量。SNR可以从当前信号中估计且将用于改变去除偏差的量。例如，DOA可以被到达角度代表，且可以使用到达角度的向量操作来去除由噪声DOA引起的偏差。

在这个实施方式中，获取声源所在位置的更准确的估计，以去除偏差DOA，以消除由外部噪声添加的″失真″。

在DOA估计之前的处理诸如低通滤波可以是本领域中已知的处理，因此省略对其详细描述。

一般而言，背景噪声成分给DOA估计结果添加变化的偏差量。发明人的经验显示，偏差取决于噪声的等级和噪声DOA。噪声DOA相关于估计DOA被偏差的方向，且噪声的等级相关于添加到估计DOA的偏差量。本文中，噪声源的实际位置无关紧要，重要的是噪声源被估计定位的角度。例如，对于从许多方向到达的扩散噪声，DOA估计方法会估计噪声DOA大约为零。本领域技术人员应该理解的是，依据设置方式、使用的DOA算法和坐标系统的定义，扩散噪声的估计噪声角度也可以是一些其他的值。

在这个实施方式中，使用存储的噪声DOA。它可以例如在理想声源是非活动时在先前的DOA处理中获取。当存储的噪声DOA与当前SNR一起使用时是有效且高效的。存储的噪声DOA的初始值可以在电子设备通电时设定为零或设计者选定的任何其他度数，且存储的噪声DOA能够在非活动期间更新。

语音DOA的计算和噪声DOA的计算能够共享相同的硬件和/或软件构件。当声源是非活动的时，构件的输出能够存储为噪声DOA，或当声源是活动的时，构件的输出能够存储为声源的估计DOA。

图5示出根据另一实施方式的估计到达方向的装置的简图。

图5中示出的装置500可以是电子设备的一部分，其需要到达方向的信息。例如，所述装置可以使用这种信息以执行噪声消除。图5中的装置500能够用于实施上述方法且因此将省略重复性描述。

如图5所示，估计到达方向的装置500包括：两个或多个传感器101-1，101-2，...101-n；DOA模块201；SNR模块202；和去偏差DOA模块301。

两个或更多个传感器101-1、101-2、...101-n采集信号。

SNR模块202根据信号的至少一部分获取用于当前估计的SNR(信噪比)。如图5所示，SNR模块202将来自麦克风阵列的一个信号或一组信号当做其输入，且提供估计的SNR作为其输出。

DOA模块201在确定信号包括语音和噪声时根据采集到的信号的至少一部分获取第一到达方向。可选择地，DOA模块201可以使用现有技术中已知的算法。本公开并非旨在DOA的特定算法且因此不对此说明。DOA模块从诸如麦克风的传感器接收信号且输出指示声源被估计定位的角度的信息。

去偏差DOA模块301获取存储的用于噪声的第二到达方向且基于第二到达方向和当前估计的SNR修改第一到达方向，以去除第一到达方向中由噪声引起的偏差，从而获取去除偏差的到达方向。

这个实施方式中的装置500还包括存储器(未示出)。存储器存储存储的对应噪声的第二估计到达方向。DOA模块201在确定信号仅包括噪声时根据所述信号的至少一部分获取第二到达方向，且将第二到达方向存储在存储器中作为存储的对应噪声的第二估计到达方向。去偏差DOA模块301从存储器获取第二估计到达方向以修改第一到达方向。

替换性地，装置500还可以包括VAD(语音活动检测器)模块203。VAD模块203执行语音活动检测以确定信号是否包括语音。如果VAD模块203确定信号包括语音，则确定对应于信号的声源是活动的(即确定对应于信号的声源处于语音活动状态)。如果VAD模块203确定信号不包括语音，则确定对应于信号的声源是非活动的(即确定对应于信号的声源处于非语音活动状态)。DOA模块201在VAD模块203确定理想声源是非活动的时获取第二估计到达方向，且在VAD模块203确定理想声源是活动的时获取第一到达方向。

VAD模块203可以基于来自加速度计的信号执行语音活动检测。

VAD模块203可以检测理想声源是否在给定的信号区段中是活动的。VAD模块可以将来自麦克风阵列或可选择地(诸如加速度计的)其他传感器的一个信号或一组信号当做其输入，且基于是否在一个或多个输入信号中检测到理想声源的影响或理想声源是否产生声音而提供是或否的决定，作为其输出。

图5中示出的传感器101-1、101-2、...101-n可以包括麦克风阵列中的麦克风或/和加速度计。麦克风阵列或/和加速度计采集信号。

虽然图5示出两个或更多个传感器101-1、101-2、...101-n的输出分别连接到DOA模块201、SNR模块202和VAD模块203的输入，这些模块可以仅接收输出中的一些。例如，传感器包括麦克风阵列中的麦克风和加速度计。在这种情况下，DOA模块201从麦克风中的至少两个接收信号，SNR模块202从两个或多个麦克风接收信号，且VAD模块203从加速度计接收信号。

在一示例中，去偏差DOA模块301通过以下关系获取去除偏差的到达方向DOA_de-biased：

DOA_de-biased＝f(DOA_estimated，SNR_estimated，DOA_noise)

其中，DOA_noise是用于噪声的第二估计到达方向，DOA_estimated是用于理想声源的第一到达方向，SNR_estimated是估计SNR，且f()是用于修改第一到达方向的函数。f()可以是下述内容的线性运算：差值与DOA_noise之间的线性运算，差值是指DOA_estimated乘以系数与DOA_noise乘以系数之间的差值，且系数是当前SNR的函数。

优选地，系数是随着SNR_estimated减小返回值单调增加的自定义函数。

图5中示出的传感器101-1、101-2、...101-n可以是麦克风阵列中的麦克风，且麦克风阵列包括至少两个麦克风。所述至少两个麦克风采集声音信号。

例如，SNR模块、DOA模块、VAD模块和去偏差DOA模块中的至少之一在离散器件、DSP、可编程装置、ASIC和处理器与存储器的结合中的至少之一中实施。

本领域技术人员应该理解的是，本公开并非旨在改进SNR模块、DOA模块和VAD模块本身且它们可以采用现有技术中的算法实施它们的功能。所以省略对它们的详细描述。

本领域技术人员应该理解的是，除了一些诸如扬声器、麦克风等的机械构件之外，软件等同于硬件。在这方面，在本公开的教导下，本领域技术人员可以设想到，DOA模块201、SNR模块202、VAD模块203和去偏差DOA模块301中的任何模块的处理都能够通过硬件方式、软件方式和/或二者的结合执行。例如，能够通过离散器件、ASIC、诸如PLD、DSP、FPGA的可编程装置执行处理。替换性地，能够在诸如CPU或MPU的计算装置和存储器的结合中实施处理，其中，指令存储在存储器中且用于在耳机运行期间控制计算装置执行对应操作。在这方面，本公开将不限制处理的实施方式。本领域技术人员可以在本公开的教导下考虑到成本、市场供应等而选择实施方式。

虽然已经通过示例详细阐述本发明的一些特定实施例，但是本领域技术人员将理解到上述示例仅旨在是示意性的而非限制本发明的范围。

Claims (16)

1.一种估计到达方向的方法，包括：

从至少两个传感器采集信号；

当确定所述信号包括语音和噪声时根据采集到的信号的至少一部分获取第一到达方向；

获取存储的用于噪声的第二到达方向；

根据所述信号的至少一部分获取用于当前估计的SNR；且

基于第二到达方向和当前估计的SNR修改第一到达方向，去除第一到达方向中由噪声引起的偏差，获取去除偏差的到达方向。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

当确定信号仅包括噪声时根据信号的至少一部分获取第二到达方向；

存储噪声的第二到达方向；

停止本次第二到达方向的获取。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：

对采集到的信号的至少一部分执行语音活动检测，以确定信号是否包括语音，

其中，如果确定信号包括语音，则确定对应于信号的声源是活动的；如果确定信号不包括语音，则确定对应于信号的声源是非活动的，

其中，当语音活动检测确定声源是非活动的时获取第二到达方向；

当语音活动检测确定声源是活动的时获取第一到达方向。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其中，传感器包括麦克风阵列中的麦克风和/或加速度计，则从至少两个传感器采集信号包括：

从麦克风阵列和/或加速度计采集信号。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，去除偏差的到达方向DOA_de-biased通过以下关系获取：

DOA_de-biased＝f(DOA_estimated，SNR_estimated，DOA_noise)

其中，DOA_noise是第二到达方向，DOA_estimated是第一到达方向，SNR_estimated是当前SNR，且f()是用于修改第一到达方向的函数；

其中，f()是DOA_estimated乘以系数与DOA_noise乘以系数之间的差值和DOA_noise的线性运算，且系数是当前SNR的函数。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，系数是随着SNR_estimated的减小返回值单调增加的自定义函数。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，传感器是麦克风阵列中的麦克风，且麦克风阵列包括至少两个麦克风，

其中，从至少两个传感器采集信号包括：从麦克风阵列的麦克风采集声音信号。

8.一种估计到达方向的装置，包括：

采集信号的至少两个传感器；

SNR模块，根据信号的至少一部分获取用于当前估计的SNR；

DOA模块，当确定信号包括语音和噪声时根据采集到的信号的至少一部分获取第一到达方向；和

去偏差DOA模块，获取存储的用于噪声的第二到达方向，且基于第二到达方向和当前估计的SNR修改第一到达方向，去除第一到达方向中由噪声引起的偏差，获取去除偏差的到达方向。

9.根据权利要求8所述的装置，还包括：

存储器，存储所述存储的用于噪声的第二到达方向，

其中，DOA模块在确定信号仅包括噪声时根据信号的至少一部分获取第二到达方向，且将第二到达方向存储在存储器中作为存储的用于噪声的第二到达方向；且

其中，去偏差DOA模块从存储器获取第二到达方向以修改第一到达方向。

10.根据权利要求8或9所述的装置，还包括：

VAD模块，执行语音活动检测以确定信号是否包括语音，

其中，如果VAD模块确定信号包括语音，则确定对应于信号的声源是活动的；且如果VAD模块确定信号不包括语音，则确定对应于信号的声源是非活动的，

其中，DOA模块在VAD模块确定声源是非活动的时获取第二到达方向，且在VAD模块确定声源是活动的时获取第一到达方向。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，VAD模块基于来自加速度计的信号执行语音活动检测。

12.根据权利要求8或9所述的装置，其中，传感器包括麦克风阵列中的麦克风和/或加速度计，且麦克风阵列和/或加速度计采集信号。

13.根据权利要求8或9所述的装置，其中，去偏差DOA模块通过以下关系获取去除偏差的到达方向DOA_de-biased：

DOA_de-biased＝f(DOA_estimated，SNR_estimated，DOA_noise)

其中，DOA_noise是用于噪声的第二到达方向，DOA_estimated是用于理想声源的第一到达方向，SNR_estimated是估计SNR，且f()是用于修改第一到达方向的函数；

其中，f()是DOA_estimated乘以系数与DOA_noise乘以系数之间的差值和DOA_noise的线性运算，且系数是当前SNR的函数。

14.根据权利要求13所述的装置，其中，系数是随着SNR_estimated的减小返回值单调增加的自定义函数。

15.根据权利要求8所述的装置，其中，传感器是麦克风阵列中的麦克风，且麦克风阵列包括至少两个麦克风，

其中，所述至少两个麦克风采集声音信号。

16.根据权利要求8或9所述的装置，其中，SNR模块、DOA模块和去偏差DOA模块中的至少之一在处理器与存储器的结合、分立器件、DSP、可编程装置、ASIC中的至少之一中实施。