CN109545237B - 一种计算机可读存储介质和应用该介质的语音交互音箱 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及智能音箱技术领域,特别涉及一种计算机可读存储介质和应用该介质的语音交互音箱,该介质内存有计算机程序,该计算机程序可被语音交互音箱的处理器执行。该语音交互音箱,能够通过设置参考信号来修正音箱不同放音音量下的回音误差,得到的主控制器直接输出的实际音频信号与麦克风阵列采集的外部回音的对应关系更为准确,从而更准确地获取人声,使得音箱能够根据收到的更准确的人声来识别唤醒命令,提高音箱的唤醒率。
Description
技术领域
本发明涉及智能音箱技术领域,特别涉及一种计算机可读存储介质和应用该介质的语音交互音箱,该介质内存有计算机程序,该计算机程序可被语音交互音箱的处理器执行。
背景技术
随着人工智能及语音交互技术的飞速发展,智能音箱已然成为一个市场的新热点,以谷歌、亚马逊、苹果为代表的海外巨头及小米、喜马拉雅、百度、腾讯等国内公司都积极布局智能音箱产品。在国内,因为价格的激烈竞争,智能音箱的硬件设计受成本所限逐渐简化,音频处理的硬件结构简陋导致很多低成本的语音交互类音箱拾音效果很差,往往因为无法彻底消除麦克风收到的回音信号,使得音箱识别到的人声唤醒命令误差较大,降低了音箱被唤醒的几率。
发明内容
如图1所示,现有的语音交互音箱主要包括麦克风阵列、主控制器、功放控制单元、音频输出单元和声音采集单元。其中,麦克风阵列用于收集人声及环境噪音、音箱自身的回音等,一般语音交互音箱最少包含2个麦克风,有些音箱可能有多达6个或者7个;主控制器用于进行麦克风的信号收集、回音消除处理、降噪处理、语音识别、合成等;功放控制单元用于通过主控制器进行开关控制及音量大小调整、EQ调节等;音频输出单元则主要是指扬声器或喇叭单元等音频播出设备。声音采集单元主要用在硬件结构较为完整的语音交互音箱中,其将播放输出的信号进行回采,反馈给主控制器,从而进行回音消除,很多廉价音箱主要通过软件算法来进行回音消除,会将该部分硬件电路舍弃掉。
发明人发现,在硬件电路的回音消除方面,是简单的将麦克风阵列收到的人声+外部回音 (图1中信号2)直接抵消掉硬件电路内部的声音采集单元采集的音频信号(图1中信号3) 得出人声;在纯软件回音消除算法方面,则是简单的将麦克风阵列收到的人声+外部回音(图 1中信号2)抵消掉实际音频信号(图1中信号1)来得出人声。然而,主控制器直接输出的实际音频信号(图1中信号1)通过功放控制单元、音频输出单元及音箱壳体材料、网布等一系列途径传输后,播放出去的音频信号作为外部回音(图1中信号2)和人声一起被远端的麦克风阵列采集,这时采集到的外部回音的音频信号已经受到众多干扰,特别是在音箱自身播放音频声音较大的情况下,与实际音频信号仅仅是近似,而不可能相等,这是回音消除不彻底的主要原因。
发明人想到,如果能够获取主控制器直接输出的实际音频信号与麦克风阵列采集的外部回音的对应关系,在回音消除时,就可以通过上述关系把实际音频信号直接变换为外部回音 (图1中信号2),然后在麦克风阵列收到的人声+外部回音(图1中信号2)中直接抵消掉外部回音(图1中信号2),得到准确的人声信号。但是在实际测试中,这种回音消除方式还是存在较大的误差。发明人发现,上述误差主要出现在音箱自身放音音量较大的时候,以及放音音量变化较为频繁的时候,由此,发明人想到根据音箱放音音量的不同采用不同的回音消除方式,把音箱各个音量下的回音单独进行消除,从而更准确地获取人声。
本发明的目的在于使语音交互音箱在存在自身放音干扰的情况下能准确获取人声。
为实现上述目的,提供一种计算机可读存储介质,其存储有用于在存在音箱自身放音干扰的情况下能准确获取人声的计算机程序,该程序被处理器执行时实现以下步骤:
音量扫频步骤,其以音箱的不同放音音量播放标准音频信号,并记录在不同放音音量下音箱麦克风阵列接收的回音信号;
频谱曲线生成步骤,其获取播放的标准音频信号和收到的回音信号的幅值的偏差值,根据该偏差值与频率的关系得到不同放音音量下的频谱-偏差值关系曲线;
参考信号生成步骤,其根据不同放音音量下的频谱-偏差值关系曲线生成与放音音量对应的信号调整模型,不同放音音量下播放的实际音频信号经过与其放音音量对应的信号调整模型调整后得到参考信号;
回音消除步骤,其把麦克风阵列当前接收的回音信号抵消参考信号后得到的音频信号作为人声信号。
其中,根据预设的音量调节梯度把音箱的放音音量划分为多个音量区间,每个音量区间的最大音量作为该音量区间的放音音量,所述音量扫频步骤中,音箱的不同放音音量是指不同音量区间的放音音量。
其中,所述音量扫频步骤中,放音音量越大,则预设的音量调节梯度所包含的音量范围越小。
其中,所述音量扫频步骤中,在环境静音条件下播放标准音频信号并记录回音信号。
其中,所述频谱曲线生成步骤中,所述偏差值根据相同频率下标准音频信号和回音信号的幅值做差得到的值再乘以预设的偏差系数得到。
其中,所述偏差系数为音箱当前的放音音量与该音箱平均放音音量的差值百分比。
其中,所述频谱曲线生成步骤中包括偏差系数调整步骤,其根据音箱当前的放音音量除以该音箱最大放音音量得到音量校正系数,偏差系数乘以该音量校正系数得到调整后的偏差系数。
其中,所述回音消除步骤中,根据音箱的当前音效模式确认待抵消的参考信号的频率范围。
其中,所述音效模式包括音乐音效、电影音效和游戏音效。
还提供一种语音交互音箱,包括处理器和上述计算机可读存储介质,该计算机可读存储介质上的计算机程序可被处理器执行。
有益效果:该语音交互音箱,通过音量扫频步骤得到在不同放音音量下音箱麦克风阵列接收的回音信号,然后计算并获取播放的标准音频信号和收到的回音信号的幅值的偏差值,再根据该偏差值与频率的关系得到不同放音音量下的频谱-偏差值关系曲线,由上述不同放音音量下的频谱-偏差值关系曲线生成与放音音量对应的信号调整模型。在实际使用中,不同放音音量下播放的实际音频信号经过与其放音音量对应的信号调整模型调整后得到参考信号,主控制器把麦克风阵列当前接收的回音信号抵消参考信号后得到的音频信号作为人声信号。经过上述处理后得到的参考信号修正了不同放音音量下的误差,得到的主控制器直接输出的实际音频信号与麦克风阵列采集的外部回音的对应关系更为准确,从而更准确地获取人声,使得音箱能够根据收到的更准确的人声来识别唤醒命令,提高音箱的唤醒率。
附图说明
图1是传统的语音交互音箱的回音消除的信号传输示意图。
图2是该语音交互音箱的回音消除逻辑流程图。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明创造作进一步描述。
如图1 ~ 2 所示,本实施例的语音交互音箱通过如下步骤实现在音箱自身放音干扰的情况下减小回音消除误差,准确获取人声。
该语音交互音箱的放音音量的调节范围是0~100,根据预设的音量调节梯度5把放音音量划分为20个音量区间(具体的音量调节梯度和音量区间数量可以根据音箱的实际情况进行划分),每个音量区间的最大音量作为该音量区间的放音音量。其中,可以设计为放音音量越大,则预设的音量调节梯度所包含的音量范围越小,从而在放音音量较大时进行更精确的调节,比如:放音音量的调节范围为0~40,其音量调节梯度设为10;放音音量的调节范围为 41~70,其音量调节梯度设为5;放音音量的调节范围为71~100,其音量调节梯度设为3。
在音箱出厂前,在环境静音条件下对音箱进行回音测试来建立信号调整模型(在音箱实际使用阶段,则可以在实时使用环境下进行回音测试来建立与环境相适应的信号调整模型),然后在实际使用音箱时根据信号调整模型进行回音消除的调整,具体步骤如下。
音量扫频步骤,以音箱的不同放音音量播放标准音频信号,记录在不同放音音量下音箱麦克风阵列接收的回音信号,建立每个放音音量下的回音信号的扫描信号文件,提取扫描信号文件中主要频率下的幅值。该标准音频信号的频率在20Hz~20000Hz的频率范围内,主要频率包括:50Hz、100Hz、500Hz、1KHz、2KHz、5KHz、8KHz、10KHz、20KHz。频率范围和主要频率可以根据音箱的实际测试要求进行选择,比如选取该音箱的主要音效模式所涵盖的主要频率范围。
频谱曲线生成步骤,针对每一个音量区间的放音音量,获取其主要频率下的播放的标准音频信号和收到的回音信号这两者幅值的偏差值A,其中,偏差值A根据相同频率下标准音频信号的幅值M和回音信号的幅值N做差得到的值再乘以预设的偏差系数B得到,即A=(M-N)*B。偏差系数B为音箱当前的放音音量Ln与该音箱平均放音音量Lavg的差值百分比,即这两者之差的绝对值与这两者平均值的百分比,B=(|Ln-Lavg|)/((Ln+Lavg) /2)*100%。音箱当前的放音音量Ln越接近该音箱平均放音音量Lavg,则偏差系数B越接近0,反之,音箱当前的放音音量Ln越偏离该音箱平均放音音量Lavg,则偏差系数B增大,从而在较大或较小的放音音量下实现较多的调整,而在较为平均的音量小更少调整,使得对回音的校正更准确。进一步的,可以用音箱当前的放音音量Ln除以该音箱最大放音音量 Lmax得到音量校正系数C,偏差系数B乘以音量校正系数C得到调整后的偏差系数B,这样可以减少在较小放音音量下的调整。其中,第一音量区间的各个主要频率对应的偏差值A 分别记为A11、A12、……、A18、A19,第一主要频率的各个放音音量对应的偏差值A分别记为A11、A21、……、A191、A201,由此得到如下表所示的各音量下的不同频率参数对照表。
音量 | 50HZ | 100Hz | 500Hz | 1KHz | 2KHz | 5KHz | 8KHz | 10KHz | 20KHz |
1 | A11 | A12 | A13 | A14 | A15 | A16 | A17 | A18 | A19 |
2 | A21 | A22 | A23 | A24 | A25 | A26 | A27 | A28 | A2 |
… | … | … | … | … | … | … | … | … | … |
19 | A191 | A19 | A193 | A194 | A195 | A196 | A197 | A198 | A199 |
20 | A201 | A20 | A203 | A204 | A205 | A206 | A207 | A208 | A209 |
根据上表每行数据中偏差值A与频率的关系得到该行数据对应的放音音量下的频谱-偏差值关系曲线。
参考信号生成步骤,根据不同放音音量下的频谱-偏差值关系曲线生成与放音音量对应的信号调整模型,信号调整模型存储在主控制器中,在实际使用音箱进行放音和语音交互控制时,主控制器把不同放音音量下播放的实际音频信号经过与其放音音量对应的信号调整模型调整后得到参考信号,该参考信号作为该放音音量下播放的实际音频信号的外部回音。参考信号生成步骤也可以在实际使用中执行,则主控制器无需存储多个信号调整模型。
回音消除步骤,其把麦克风阵列当前接收的回音信号抵消作为外部回音的参考信号后得到的音频信号作为人声信号。其中,根据音箱的当前音效模式确认待抵消的参考信号的频率范围,音效模式包括音乐音效、电影音效和游戏音效。具体的,音乐音效的频率覆盖广,参考信号的频率范围不作调整;电影音效的频率主要为300Hz-2KHz,参考信号的频率范围可以调整为300Hz-2KHz;游戏音效的频率主要为500Hz以下的低频,参考信号的频率范围可以调整为0-500Hz。根据音效模式可以有针对性地调整参考信号的频率范围,加快回音消除的处理速度。
该语音交互音箱,在实际使用中,如果自身没有播放音频,则说明无回响影响,正常拾音;如果检测到自身正在播放音频,就获取音箱系统当前的放音音量,将播放的实际音频信号经过与该放音音量对应的信号调整模型得到参考信号,最后配合降噪及回音消除算法,进行麦克风拾音信号处理,得到人声。通过设置参考信号来修正音箱不同放音音量下的回音误差,得到的主控制器直接输出的实际音频信号与麦克风阵列采集的外部回音的对应关系更为准确,从而更准确地获取人声,使得音箱能够根据收到的更准确的人声来识别唤醒命令,提高音箱的唤醒率。
Claims (10)
1.一种计算机可读存储介质,其存储有用于在存在音箱自身放音干扰的情况下能准确获取人声的计算机程序,其特征在于,该程序被处理器执行时实现以下步骤:
音量扫频步骤,其以音箱的不同放音音量播放标准音频信号,并记录在不同放音音量下音箱麦克风阵列接收的回音信号;
频谱曲线生成步骤,其获取播放的标准音频信号和收到的回音信号的幅值的偏差值,根据该偏差值与频率的关系得到不同放音音量下的频谱-偏差值关系曲线;
参考信号生成步骤,其根据不同放音音量下的频谱-偏差值关系曲线生成与放音音量对应的信号调整模型,不同放音音量下播放的实际音频信号经过与其放音音量对应的信号调整模型调整后得到参考信号;
回音消除步骤,其把麦克风阵列当前接收的回音信号抵消参考信号后得到的音频信号作为人声信号。
2.根据权利要求1所述的一种计算机可读存储介质,其特征在于,根据预设的音量调节梯度把音箱的放音音量划分为多个音量区间,每个音量区间的最大音量作为该音量区间的放音音量,所述音量扫频步骤中,音箱的不同放音音量是指不同音量区间的放音音量。
3.根据权利要求2所述的一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述音量扫频步骤中,放音音量越大,则预设的音量调节梯度所包含的音量范围越小。
4.根据权利要求1所述的一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述音量扫频步骤中,在环境静音条件下播放标准音频信号并记录回音信号。
5.根据权利要求1所述的一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述频谱曲线生成步骤中,所述偏差值根据相同频率下标准音频信号和回音信号的幅值做差得到的值再乘以预设的偏差系数得到。
6.根据权利要求5所述的一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述偏差系数为音箱当前的放音音量与该音箱平均放音音量的差值百分比。
7.根据权利要求6所述的一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述频谱曲线生成步骤中包括偏差系数调整步骤,其根据音箱当前的放音音量除以该音箱最大放音音量得到音量校正系数,偏差系数乘以该音量校正系数得到调整后的偏差系数。
8.根据权利要求1所述的一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述回音消除步骤中,根据音箱的当前音效模式确认待抵消的参考信号的频率范围。
9.根据权利要求8所述的一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述音效模式包括音乐音效、电影音效和游戏音效。
10.语音交互音箱,包括处理器,其特征在于,还包括如权利要求1~9中任一项所述计算机可读存储介质,该计算机可读存储介质上的计算机程序可被处理器执行。
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- 2018-10-24 CN CN201811242842.2A patent/CN109545237B/zh active Active
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