CN110322892A - 一种基于麦克风阵列的语音拾取系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于麦克风阵列的语音拾取系统和方法,该语言拾取系统包括:由至少四个麦克风构成的麦克风阵列,用于对指定跟踪区域中的语音源方向进行跟踪,并对指定跟踪区域外的屏蔽噪声区域中的噪声进行抑制,输出至少四路音频信号;预处理模块,用于对至少四路音频信号进行基于样本的噪声消除处理,得到第一音频信号;空间滤波器,用于基于所述指定跟踪区域和屏蔽噪声区域的音频信息,进行频谱分析,得到调制频谱信号;时间‑频率映射引擎,用于根据所述调制频谱信号,对所述第一音频信号进行线性处理和非线性处理,得到第二音频信号;并将第二音频信号转换回时域信号,作为干净的语音输出。本发明旨在提供一种长距离多向降噪的拾音设备。
Description
技术领域
本发明属于拾音技术领域,尤其涉及一种基于麦克风阵列的语音拾取系统和方法。
背景技术
目前,在传统的会商指挥场景中采用麦克风多为鹅颈式麦克风,由声音的振动传到麦克风的振膜上,推动里边的磁铁形成变化的电流,这样变化的电流送到后面的声音处理电路进行放大处理,需要说明的是,传统的鹅颈式麦克风最长采用的是单指向型,对于来自麦克风前方的声音有最佳的收音效果,而来自其他方向的声音则会被衰减,多指向在于容易收到四周环境的噪音,且拾音距离较短。
可见,传统的鹅颈式麦克风虽然单向型音质较好,但范围有限不可调节,多向型的滤噪能力差,且拾音距离较短、安装不便,无法满足特殊场合一体化嵌入安装的要求。
发明内容
本发明的技术解决问题:克服现有技术的不足,提供一种基于麦克风阵列的语音拾取系统和方法,旨在提供一种长距离多向降噪的拾音设备。
为了解决上述技术问题,本发明公开了一种基于麦克风阵列的语音拾取系统,包括:
由至少四个麦克风构成的麦克风阵列,用于对指定跟踪区域中的语音源方向进行跟踪,并对所述指定跟踪区域外的屏蔽噪声区域中的噪声进行抑制,输出至少四路音频信号;
预处理模块,用于对所述至少四路音频信号进行基于样本的噪声消除处理,得到第一音频信号;
空间滤波器,用于基于所述指定跟踪区域和屏蔽噪声区域的音频信息,进行频谱分析,得到调制频谱信号;
时间-频率映射引擎,用于根据所述调制频谱信号,对所述第一音频信号进行线性处理和非线性处理,得到第二音频信号;并将第二音频信号转换回时域信号,作为干净的语音输出。
在上述基于麦克风阵列的语音拾取系统中,还包括:
后处理器,用于对所述时间-频率映射引擎输出的语音进行幅值计算,将计算得到的幅值结果与预设阈值进行比较;当计算得到的幅值结果小于所述预设阈值时,对所述时间-频率映射引擎输出的语音进行增益后输出。
在上述基于麦克风阵列的语音拾取系统中,所述指定跟踪区域通过所述至少四个麦克风的拾音距离确定。
在上述基于麦克风阵列的语音拾取系统中,所述至少四个麦克风按照一定间隔、设置在同一直线上。
在上述基于麦克风阵列的语音拾取系统中,所述指定跟踪区域的角度可调节,角度调节范围为:0°~360°。
在上述基于麦克风阵列的语音拾取系统中,预处理模块在对所述至少四路音频信号进行基于样本的噪声消除处理时,包括:
通过麦克风对环境噪声进行取样;
将取样得到的环境噪声作为信号处理电路的输入,信号处理电路中产生反向信号;
通过信号处理电路中产生的反向信号对所述至少四路音频信号进行噪声消除处理。
在上述基于麦克风阵列的语音拾取系统中,预处理模块,还用于对所述至少四路音频信号进行延时处理;其中,延时Tm的计算公式如下:
其中,r表示声源到第一个麦克风的距离,d表示各麦克风之间的间距,θ表示声源与第一个麦克风的连线与垂直轴之间的夹角,c表示声速,m表示第m个麦克风,m≥4。
在上述基于麦克风阵列的语音拾取系统中,空间滤波器,用于:
通过至少四个麦克风的空间定位和拾音距离,确定指定跟踪区域和屏蔽噪声区域;
分别获取指定跟踪区域和屏蔽噪声区域的音频;
将获取的屏蔽噪声区域的音频作为噪声基准,计算出相差180°的频谱,并与获取的指定跟踪区域的音频进行叠加,得到回声消除和噪声抑制后的调制频谱信号。
在上述基于麦克风阵列的语音拾取系统中,
线性处理,包括:指定增益比例的线性函数;
非线性处理,包括:Volterra滤波处理。
本发明还公开了一种基于麦克风阵列的语音拾取方法,包括:
选择至少四个麦克风,构成麦克风阵列;
通过所述麦克风阵列对指定跟踪区域中的语音源方向进行跟踪,并对所述指定跟踪区域外的屏蔽噪声区域中的噪声进行抑制,输出至少四路音频信号;
通过预处理模块,对所述至少四路音频信号进行基于样本的噪声消除处理,得到第一音频信号;
通过空间滤波器,基于所述指定跟踪区域和屏蔽噪声区域的音频信息,进行频谱分析,得到调制频谱信号;
通过时间-频率映射引擎,根据所述调制频谱信号,对所述第一音频信号进行线性处理和非线性处理,得到第二音频信号;并将第二音频信号转换回时域信号,作为干净的语音输出。
本发明具有以下优点:
本发明公开了一种基于麦克风阵列的语音拾取系统和方法,可以将麦克风阵列拾取到的多路音频信号耦合为一个信号,并利用麦克风接收到声波的相位之间的差异对声波进行过滤,能最大限度将环境背景声音滤掉,增强了拾音的范围和距离,具备嵌入安装的结构和拾音效果。其次,本发明利用时频处理技术,结合语音音调和声音位置(到达方向)信息,能够很好地将目标语音与背景回声和干扰分开。
附图说明
图1是本发明实施例中一种基于麦克风阵列的语音拾取系统的结构框图;
图2是本发明实施例中一种麦克风阵列的布局示意图;
图3是本发明实施例中一种延时解算示意图;
图4是本发明实施例中一种语音接口和系统设置示意图;
图5是本发明实施例中一种普通鹅颈麦克风长距离拾音频谱效果示意图;
图6是本发明实施例中一种麦克风阵列的语音拾取系统的拾音频谱效果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
如图1,在本实施例中,该基于麦克风阵列的语音拾取系统,包括:
麦克风阵列101,用于对指定跟踪区域中的语音源方向进行跟踪,并对所述指定跟踪区域外的屏蔽噪声区域中的噪声进行抑制,输出至少四路音频信号。
在本实施例中,如图2,麦克风阵列可以由至少四个麦克风构成。其中,所述至少四个麦克风可以按照一定间隔、设置在同一直线上。麦克风阵列作为还语音拾取系统的声音采集设备,使用多个麦克风采集来自于不同空间方向的声音(音频),声音可以从不同的方向传达到麦克风,麦克风的前面/后面/侧面,麦克风将会根据自身的指向性来获取声音。
进一步的,由所述至少四个麦克风的位置和拾音距离可以确定如图2所示的指定跟踪区域和屏蔽噪声区域。其中,指定跟踪区域的角度可调节,角度调节范围为:0°~360°。
预处理模块102,用于对所述至少四路音频信号进行基于样本的噪声消除处理,得到第一音频信号。
在本实施例中,预处理模块在对所述至少四路音频信号进行基于样本的噪声消除处理时,具体可以包括:通过麦克风对环境噪声进行取样;将取样得到的环境噪声作为信号处理电路的输入,信号处理电路中产生反向信号;通过信号处理电路中产生的反向信号对所述至少四路音频信号进行噪声消除处理。
优选的,该预处理模块还可以用于:对所述至少四路音频信号进行延时处理。其中,延时Tm的计算公式如下:
在本实施例中,如图3所示,
进而,可知:
其中,r表示声源到第一个麦克风的距离,s表示声源到第m个麦克风的距离,d表示各麦克风之间的间距,θ表示声源与第一个麦克风的连线与垂直轴之间的夹角,c表示声速,x和y为r的两轴坐标,m≥4。
空间滤波器103,用于基于所述指定跟踪区域和屏蔽噪声区域的音频信息,进行频谱分析,得到调制频谱信号。
在本实施例中,空间滤波器,具体可以用于:通过至少四个麦克风的空间定位和拾音距离,确定指定跟踪区域和屏蔽噪声区域;分别获取指定跟踪区域和屏蔽噪声区域的音频;将获取的屏蔽噪声区域的音频作为噪声基准,计算出相差180°的频谱,并与获取的指定跟踪区域的音频进行叠加,得到回声消除和噪声抑制后的调制频谱信号。
时间-频率映射引擎104,用于根据所述调制频谱信号,对所述第一音频信号进行线性处理和非线性处理,得到第二音频信号;并将第二音频信号转换回时域信号,作为干净的语音输出。
在本实施例中,线性处理可以采用:指定增益比例的线性函数;非线性处理可采用:Volterra滤波处理。
在本发明的一优选实施例中,该基于麦克风阵列的语音拾取系统,还可以包括:
后处理器105,用于对所述时间-频率映射引擎输出的语音进行幅值计算,将计算得到的幅值结果与预设阈值进行比较;当计算得到的幅值结果小于所述预设阈值时,对所述时间-频率映射引擎输出的语音进行增益后输出。
在本实施例中,结合所述基于麦克风阵列的语音拾取系统的具体部署为例进行说明。从HW数据端口输入数据,然后将其分配给mic-in/line-in/aux-in。如果需要,数据通过混频器和SRC,最后输入到DSP内核进程。然后,处理后的数据在必要时发送到混频器和SRC,最后输出到分配的HW数据端口,语音接口及系统设置示意图如图4所示。
在本实施例中,图5,示出了本发明实施例中一种普通鹅颈麦克风长距离拾音频谱效果示意图;图6,示出了本发明实施例中一种麦克风阵列的语音拾取系统的拾音频谱效果示意图。其中,纵轴表示音频幅值,横轴表示拾音时间,通过比较可以看出使用麦克风阵列可实现大角度长距离拾音且拾音效果较好。本发明所述的基于麦克风阵列的语音拾取系统,物化的形式为模块化电路板形式,可嵌入电子沙盘设备。
本发明还公开了一种基于麦克风阵列的语音拾取方法,包括:选择至少四个麦克风,构成麦克风阵列;通过所述麦克风阵列对指定跟踪区域中的语音源方向进行跟踪,并对所述指定跟踪区域外的屏蔽噪声区域中的噪声进行抑制,输出至少四路音频信号;通过预处理模块,对所述至少四路音频信号进行基于样本的噪声消除处理,得到第一音频信号;通过空间滤波器,基于所述指定跟踪区域和屏蔽噪声区域的音频信息,进行频谱分析,得到调制频谱信号;通过时间-频率映射引擎,根据所述调制频谱信号,对所述第一音频信号进行线性处理和非线性处理,得到第二音频信号;并将第二音频信号转换回时域信号,作为干净的语音输出。
对于方法实施例而言,由于其与系统实施例相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见系统实施例部分的说明即可。
本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述,仅为本发明最佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种基于麦克风阵列的语音拾取系统,其特征在于,包括:
由至少四个麦克风构成的麦克风阵列,用于对指定跟踪区域中的语音源方向进行跟踪,并对所述指定跟踪区域外的屏蔽噪声区域中的噪声进行抑制,输出至少四路音频信号;
预处理模块,用于对所述至少四路音频信号进行基于样本的噪声消除处理,得到第一音频信号;
空间滤波器,用于基于所述指定跟踪区域和屏蔽噪声区域的音频信息,进行频谱分析,得到调制频谱信号;
时间-频率映射引擎,用于根据所述调制频谱信号,对所述第一音频信号进行线性处理和非线性处理,得到第二音频信号;并将第二音频信号转换回时域信号,作为干净的语音输出。
2.根据权利要求1所述的基于麦克风阵列的语音拾取系统,其特征在于,还包括:
后处理器,用于对所述时间-频率映射引擎输出的语音进行幅值计算,将计算得到的幅值结果与预设阈值进行比较;当计算得到的幅值结果小于所述预设阈值时,对所述时间-频率映射引擎输出的语音进行增益后输出。
3.根据权利要求1所述的基于麦克风阵列的语音拾取系统,其特征在于,所述指定跟踪区域通过所述至少四个麦克风的拾音距离确定。
4.根据权利要求1所述的基于麦克风阵列的语音拾取系统,其特征在于,所述至少四个麦克风按照一定间隔、设置在同一直线上。
5.根据权利要求1所述的基于麦克风阵列的语音拾取系统,其特征在于,所述指定跟踪区域的角度可调节,角度调节范围为:0°~360°。
6.根据权利要求1所述的基于麦克风阵列的语音拾取系统,其特征在于,预处理模块在对所述至少四路音频信号进行基于样本的噪声消除处理时,包括:
通过麦克风对环境噪声进行取样;
将取样得到的环境噪声作为信号处理电路的输入,信号处理电路中产生反向信号;
通过信号处理电路中产生的反向信号对所述至少四路音频信号进行噪声消除处理。
7.根据权利要求1所述的基于麦克风阵列的语音拾取系统,其特征在于,预处理模块,还用于对所述至少四路音频信号进行延时处理;其中,延时Tm的计算公式如下:
其中,r表示声源到第一个麦克风的距离,d表示各麦克风之间的间距,θ表示声源与第一个麦克风的连线与垂直轴之间的夹角,c表示声速,m表示第m个麦克风,m≥4。
8.根据权利要求1所述的基于麦克风阵列的语音拾取系统,其特征在于,空间滤波器,用于:
通过至少四个麦克风的空间定位和拾音距离,确定指定跟踪区域和屏蔽噪声区域;
分别获取指定跟踪区域和屏蔽噪声区域的音频;
将获取的屏蔽噪声区域的音频作为噪声基准,计算出相差180°的频谱,并与获取的指定跟踪区域的音频进行叠加,得到回声消除和噪声抑制后的调制频谱信号。
9.根据权利要求1所述的基于麦克风阵列的语音拾取系统,其特征在于,
线性处理,包括:指定增益比例的线性函数;
非线性处理,包括:Volterra滤波处理。
10.一种基于麦克风阵列的语音拾取方法,其特征在于,包括:
选择至少四个麦克风,构成麦克风阵列;
通过所述麦克风阵列对指定跟踪区域中的语音源方向进行跟踪,并对所述指定跟踪区域外的屏蔽噪声区域中的噪声进行抑制,输出至少四路音频信号;
通过预处理模块,对所述至少四路音频信号进行基于样本的噪声消除处理,得到第一音频信号;
通过空间滤波器,基于所述指定跟踪区域和屏蔽噪声区域的音频信息,进行频谱分析,得到调制频谱信号;
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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