CN110335618B - 一种改善非线性回声抑制的方法及计算机设备 - Google Patents

一种改善非线性回声抑制的方法及计算机设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种改善非线性回声抑制的方法，获取经延时校准后的远端信号和近端信号，并傅立叶变换到频域；计算远端信号、近端信号的相关性和近端信号、误差信号的相关性，分别和对应的阈值相比较，从而确定远端信号的状态值和近端信号的状态值；将远端信号经过线性滤波器生成估计的线性回声，将估计的线性回声的频谱能量值与估计的远端噪声相比，得到估计的线性回声的信噪比，将信噪比与阈值相比较，得到信噪比的状态值；根据远端信号的状态值、近端信号的状态值以及信噪比的状态值获取对应的过载值；通过过载值计算得到抑制因子；之后采用抑制因子对近端信号的回声进行抑制；本发明还提供一种计算机设备，能够改善由过载值过高导致的语音不平稳现象。

Description

一种改善非线性回声抑制的方法及计算机设备
技术领域
本发明涉及一种改善非线性回声抑制的方法及计算机设备。
背景技术
现有的技术缺点是通话过程中，双讲效果差；双讲、甚至单讲状态，一方的语音会被抑制。双讲检测不准确以及过载值的影响是其中的两个原因。算法中的双讲检测是基于信号间的相关性，但是通话过程中的单讲、双讲状态往往很难通过信号的相关性进行区分，甚至部分在没有回声的场景下，信号间的相关性也会产生波动，此时虽然提高非线性抑制因子的过载值幅值，可以控制非线性回声抑制的激进程度，减小回声泄漏的风险，但是过载值越高，算法对信号间相关性的波动越敏感，导致语音变得不稳定，语音被抑制。
《用于实现声学回声消除的非线性后期处理》公开(公告)号：CN103718538A，披露了一种可实现声学回声消除的音频信号非线性后期处理方法和系统。该系统包括一个非线性处理器(NLP)(104)，用于接收下述信号，并将至少两个信号作为输入：即将发出的远端信号和多个捕获端信号；NLP(104)首先针对每个频带，计算接收到的信号之间的一个或多个相干性测量，并基于一个或多个相干性测量，得出每个频带相应的抑制因子，其仅仅是针对于有回声和无回声两种状态进行的处理，。
如图1所示，现有的Webrtc回声消除算法包含了延时校准101、线性滤波102、双讲检测103、非线性抑制104四个部分；如图2所示，现有的线性滤波算法是远端信号201经过线性滤波器202得到估计回声信号203，将近端信号204减去估计回声信号得到误差信号205，误差信号即消除完回声的近端信号，接着误差信号传递到非线性抑制模块抑制非线性回声，同时误差信号作为反馈信号，对线性滤波器进行更新。。
线性滤波作用是消除线性回声，从远端信号x(k)经过线性滤波器得到线性回声的估计x`(k)，接着将近端信号d(k)减去估计的回声后得到误差信号e(k)，误差信号就是消完线性回声的近端信号。
其中非线性抑制部分作用是抑制非线性回声：回声路径、麦克风频响等产生的非线性回声。非线性抑制算法公式如下：
Figure GDA0002998617160000021
其中，
Figure GDA0002998617160000022
是时域信号的频域表示，
Figure GDA0002998617160000023
是当前计算得到的时域信号的频域表示，k是频域频点索引值，αk为非线性抑制因子，0≤αk≤1。
非线性因子的计算依赖于信号间的相关性：近端、远端信号的相关性，近端、误差信号的相关性。其中前者可以表征近端信号有无包含回声，后者可以表征近端信号有无包含有用信号(即近端语音)。
对于非线性抑制因子，使用过载值进行适当过载，以达到在某些场景中能够尽可能消除回声。其表达式可以是下列形式：
Figure GDA0002998617160000024
其中θk为过载值，α′k指的是经过过载值作用后的非线性抑制因子，过载的作用是在原来非线性抑制因子的基础上，进一步减小非线性因子的值，从而增强非线性抑制强度。
该公式是过载值作用于非线性因子的一个实施例，计算结果为最终的非线性因子(0～1)，该因子的大小表征信号中含有回声的大小，因子越大，回声越小，将频域的信号乘以该因子可以抑制信号中包含的回声信号。
现有的可以分为两档，有回音和无回音，可以从表1体现，状态的判断是先计算信号间的相关性(该值范围0～1)，再和阈值相比得出的状态值(阈值是经验值，1、0是布尔值，1表示有，0表示无)。原始的过载值调整只有两种选择。两种选择分别对应远端有回声和无回声。
在近端有语音时，远端无语音时，调整过载值为低；
在近端有语音时，远端有语音时，调整过载值为高；
在近端无语音时，远端无语音时，调整过载值为低；
在近端无语音时，远端有语音时，调整过载值为高。
表1
远端信号的状态值 近端信号的状态值 过载值
1 0 0 低
2 0 1 低
3 1 0 高
4 1 1 高
上述情况在音频通话，尤其是免提会议通话系统中，通话容易受到环境干扰：非稳态噪声、回声路径，影响实际通话体验。
针对由于过载值的影响而导致的语音不平稳现象，亟需改善语音不平稳现象。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种改善非线性回声抑制的方法及计算机设备，能够改善由过载值过高导致的语音不平稳现象。
本发明之一是这样实现的：一种改善非线性回声抑制的方法，包括：
获取经延时校准后的远端信号和近端信号，并傅立叶变换到频域；
计算远端信号、近端信号的相关性和近端信号、误差信号的相关性，分别和对应的阈值相比较，从而确定远端信号的状态值和近端信号的状态值；
将远端信号经过线性滤波器生成估计的线性回声，将估计的线性回声的频谱能量值与估计的远端噪声相比，得到估计的线性回声的信噪比，将该信噪比与阈值相比较，得到信噪比的状态值；
根据远端信号的状态值、近端信号的状态值以及信噪比的状态值获取对应的过载值；
通过所述过载值计算得到抑制因子；之后采用抑制因子对近端信号的回声进行抑制。
进一步地，所述信噪比的状态值计算公式为：
Figure GDA0002998617160000031
其中S_1表征的是当前的回声信噪比的状态值，
Figure GDA0002998617160000032
为估计的远端噪声的频谱能量，PY估计的线性回声的频谱能量，ξ是阈值。
进一步地，所述根据远端信号的状态值、近端信号的状态值以及信噪比的状态值获取对应的过载值进一步具体为：
回声信噪比为0时，在近端有语音时，远端无语音时，调整过载值为第一限定值；
回声信噪比为0时，在近端有语音时，远端有语音时，调整过载值为第一限定值；
回声信噪比为0时，在近端无语音时，远端无语音时，调整过载值为第二限定值；
回声信噪比为0时，在近端无语音时，远端有语音时，调整过载值为第二限定值；
回声信噪比为1时，在近端有语音时，远端无语音时，调整过载值为第三限定值；
回声信噪比为1时，在近端有语音时，远端有语音时，调整过载值为第三限定值；
回声信噪比为1时，在近端无语音时，远端无语音时，调整过载值为第一限定值；
回声信噪比为1时，在近端无语音时，远端有语音时，调整过载值为第一限定值。
本发明之二是这样实现的：一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
获取经延时校准后的远端信号和近端信号，并傅立叶变换到频域；
计算远端信号、近端信号的相关性和近端信号、误差信号的相关性，分别和对应的阈值相比较，从而确定远端信号的状态值和近端信号的状态值；
将远端信号经过线性滤波器生成估计的线性回声，将估计的线性回声的频谱能量值与估计的远端噪声相比，得到估计的线性回声的信噪比，将该信噪比与阈值相比较，得到信噪比的状态值；
根据远端信号的状态值、近端信号的状态值以及信噪比的状态值获取对应的过载值；
通过所述过载值计算得到抑制因子；之后采用抑制因子对近端信号的回声进行抑制。
进一步地，所述信噪比的状态值计算公式为：
Figure GDA0002998617160000051
其中S_1表征的是当前的回声信噪比的状态值，
Figure GDA0002998617160000052
为估计的远端噪声的频谱能量，PY估计的线性回声的频谱能量，ξ是阈值。
进一步地，所述根据远端信号的状态值、近端信号的状态值以及信噪比的状态值获取对应的过载值进一步具体为：
回声信噪比为0时，在近端有语音时，远端无语音时，调整过载值为第一限定值；
回声信噪比为0时，在近端有语音时，远端有语音时，调整过载值为第一限定值；
回声信噪比为0时，在近端无语音时，远端无语音时，调整过载值为第二限定值；
回声信噪比为0时，在近端无语音时，远端有语音时，调整过载值为第二限定值；
回声信噪比为1时，在近端有语音时，远端无语音时，调整过载值为第三限定值；
回声信噪比为1时，在近端有语音时，远端有语音时，调整过载值为第三限定值；
回声信噪比为1时，在近端无语音时，远端无语音时，调整过载值为第一限定值；
回声信噪比为1时，在近端无语音时，远端有语音时，调整过载值为第一限定值。
本发明具有如下优点：
1、改善双讲和单讲检测的准确性，通过添加预估回声的信噪比特征，可以增加双讲和单讲的检测精度。
2、改善部分由于过载值设置过高导致的语音不平稳现象：增加过载值可以增强回声消除效果，但是过载值越高对信号相关性的波动越敏感，任何偏离正常水平的波动，都强化非线性抑制强度，导致部分语音会出现忽大忽小的不平稳现象，本发明提出的改善方法，能够改善由过载值过高导致的语音不平稳现象。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1是现有的webrtc回声消除算法方块图。
图2是现有的线性滤波算法流程图。
图3为本发明方法执行流程图。
具体实施方式
如图3所示，本发明改善非线性回声抑制的方法，包括：
获取经延时校准后的远端信号和近端信号，并傅立叶变换到频域；
计算远端信号、近端信号的相关性和近端信号、误差信号的相关性，分别和对应的阈值相比较，从而确定远端信号的状态值和近端信号的状态值；
将远端信号经过线性滤波器生成估计的线性回声，将估计的线性回声的频谱能量值与估计的远端噪声相比，得到估计的线性回声的信噪比，将该信噪比与阈值相比较，得到信噪比的状态值；
根据远端信号的状态值、近端信号的状态值以及信噪比的状态值获取对应的过载值；
通过所述过载值计算得到抑制因子；之后采用抑制因子对近端信号的回声进行抑制。
所述信噪比的状态值计算公式为：
Figure GDA0002998617160000071
其中S_1表征的是当前的回声信噪比的状态值，
Figure GDA0002998617160000072
为估计的远端噪声的频谱能量，PY估计的线性回声的频谱能量，ξ是阈值。
所述根据远端信号的状态值、近端信号的状态值以及信噪比的状态值获取对应的过载值进一步具体为：
回声信噪比为0时，在近端有语音时，远端无语音时，调整过载值为第一限定值；
回声信噪比为0时，在近端有语音时，远端有语音时，调整过载值为第一限定值；
回声信噪比为0时，在近端无语音时，远端无语音时，调整过载值为第二限定值；
回声信噪比为0时，在近端无语音时，远端有语音时，调整过载值为第二限定值；
回声信噪比为1时，在近端有语音时，远端无语音时，调整过载值为第三限定值；
回声信噪比为1时，在近端有语音时，远端有语音时，调整过载值为第三限定值；
回声信噪比为1时，在近端无语音时，远端无语音时，调整过载值为第一限定值；
回声信噪比为1时，在近端无语音时，远端有语音时，调整过载值为第一限定值。
本发明计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
获取经延时校准后的远端信号和近端信号，并傅立叶变换到频域；
计算远端信号、近端信号的相关性和近端信号、误差信号的相关性，分别和对应的阈值相比较，从而确定远端信号的状态值和近端信号的状态值；
将远端信号经过线性滤波器生成估计的线性回声，将估计的线性回声的频谱能量值与估计的远端噪声相比，得到估计的线性回声的信噪比，将该信噪比与阈值相比较，得到信噪比的状态值；
根据远端信号的状态值、近端信号的状态值以及信噪比的状态值获取对应的过载值；
通过所述过载值计算得到抑制因子；之后采用抑制因子对近端信号的回声进行抑制。
所述信噪比的状态值计算公式为：
Figure GDA0002998617160000081
其中S_1表征的是当前的回声信噪比的状态值，
Figure GDA0002998617160000082
为估计的远端噪声的频谱能量，PY估计的线性回声的频谱能量，ξ是阈值。
所述根据远端信号的状态值、近端信号的状态值以及信噪比的状态值获取对应的过载值进一步具体为：
回声信噪比为0时，在近端有语音时，远端无语音时，调整过载值为第一限定值；
回声信噪比为0时，在近端有语音时，远端有语音时，调整过载值为第一限定值；
回声信噪比为0时，在近端无语音时，远端无语音时，调整过载值为第二限定值；
回声信噪比为0时，在近端无语音时，远端有语音时，调整过载值为第二限定值；
回声信噪比为1时，在近端有语音时，远端无语音时，调整过载值为第三限定值；
回声信噪比为1时，在近端有语音时，远端有语音时，调整过载值为第三限定值；
回声信噪比为1时，在近端无语音时，远端无语音时，调整过载值为第一限定值；
回声信噪比为1时，在近端无语音时，远端有语音时，调整过载值为第一限定值。
本发明一种具体实施方式：
本发明的改善主要分为两个部分：估计回声的信噪比以及过载值策略的优化。其中估计回声的信噪比主要体现在线性滤波中，过载值的策略优化体现在双讲检测和非线性抑制中。
估计回声的信噪比
如图2和图3所示，远端信号、近端信号首先经过延时校准进行延时校准，得到经校准后的远端信号201，远端信号首先会放入缓存中，缓存大小为125帧，近端信号是当前帧信号，所以，此处的远端信号实际上是当前远端帧以及124帧的历史帧数据，此处的近端信号是当前帧的近端信号。当前帧的远端信号和当前帧的近端信号往往不是一一对应的关系，存在延时差。所以需要在当前帧的远端信号以及124帧历史帧数据中找到最佳的匹配帧作为远端帧。这一步延时校准的目的是为了获取正确的匹配当前帧近端信号的远端信号。而近端信号是当前帧近端信号，是不变的。
远端信号201经过线性滤波器202生成估计的线性回声x′(k)，将x′(k)的频谱能量值(时域信号通过傅立叶变转换乘频域信号，频域信号是复数，这里的频谱能量计算方式是，复数的实部平方加上虚部平方)与估计的远端噪声n′(k)相比，得到估计的线性回声的信噪比301，将该信噪比301与阈值相比较，确定当前近端信号所含回声成分。一个具体的实施例可以如下所示：
Figure GDA0002998617160000091
其中S_1表征的是当前的回声信噪比的状态值，
Figure GDA0002998617160000092
为估计的远端噪声的频谱能量，PY估计的线性回声的频谱能量，ξ是阈值。
上述阈值可以是一个稍微大于1的数，稍微调高该阈值，可以改善语音不平稳现象，但是如果该值设置过高，会导致回声泄漏。
过载值的动态调整
得到回声信噪比301，再结合信号间的相关性302参数进行判断当前近端信号的状态：双讲、回声状态303。具体的一个实施例如表2所示，通过估计回声的信噪比来补充判断当前通话状态，使得过载值的设置304进一步细化，得到一个稳健的双讲检测算法。
上述的补充判断，指的是表征通话状态的特征：近端语音、远端回声，增加了估计回声的信噪比这个特征。
上面所述的进一步细化，指的是将过载值的设置，通过增加回声信噪比这个特征，从原来的两档扩增到三档，覆盖无回声、弱回声、强回声三个状态。
如表2所示，上述的三档具体是，增加过载值的幅值，强化回声消除能力，但是同时为了不让过高的过载影响语音的平稳性，选择动态调整，
回声信噪比为0时，在近端有语音时，远端无语音时，调整过载值为第一限定值；
回声信噪比为0时，在近端有语音时，远端有语音时，调整过载值为第一限定值；
回声信噪比为0时，在近端无语音时，远端无语音时，调整过载值为第二限定值；
回声信噪比为0时，在近端无语音时，远端有语音时，调整过载值为第二限定值；
回声信噪比为1时，在近端有语音时，远端无语音时，调整过载值为第三限定值；
回声信噪比为1时，在近端有语音时，远端有语音时，调整过载值为第三限定值；
回声信噪比为1时，在近端无语音时，远端无语音时，调整过载值为第一限定值；
回声信噪比为1时，在近端无语音时，远端有语音时，调整过载值为第一限定值。
其中，一种过载值幅值的设置：
根据实际测试的回声消除效果，可以得出高、低两个过载值，设置高过载值时，如28，回声几乎抑制的很干净，但是双讲语音状态平稳度差；设置低过载值时，如6，回声没有抑制干净，双讲效果好一些；中过载值的设置为：1/3×(高+低)
表2
Figure GDA0002998617160000111
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (6)

1.一种改善非线性回声抑制的方法，其特征在于：包括：
获取经延时校准后的远端信号和近端信号，并傅立叶变换到频域；
计算远端信号、近端信号的相关性和近端信号、误差信号的相关性，分别和对应的阈值相比较，从而确定远端信号的状态值和近端信号的状态值；
将远端信号经过线性滤波器生成估计的线性回声，将估计的线性回声的频谱能量值与估计的远端噪声相比，得到估计的线性回声的信噪比，将该信噪比与阈值相比较，得到信噪比的状态值；
根据远端信号的状态值、近端信号的状态值以及信噪比的状态值获取对应的过载值；
通过所述过载值计算得到抑制因子；之后采用抑制因子对近端信号的回声进行抑制；抑制因子计算公式如下：
Figure FDA0002998617150000011
其中θk为过载值，α′k指的是经过过载值作用后的非线性抑制因子，αk为非线性抑制因子，0≤αk≤1。
2.根据权利要求1所述的一种改善非线性回声抑制的方法，其特征在于：所述信噪比的状态值计算公式为：
Figure FDA0002998617150000012
其中S_1表征的是当前的回声信噪比的状态值，
Figure FDA0002998617150000013
为估计的远端噪声的频谱能量，PY估计的线性回声的频谱能量，ξ是阈值。
3.根据权利要求1所述的一种改善非线性回声抑制的方法，其特征在于：所述根据远端信号的状态值、近端信号的状态值以及信噪比的状态值获取对应的过载值进一步具体为：
回声信噪比为0时，在近端有语音时，远端无语音时，调整过载值为第一限定值；
回声信噪比为0时，在近端有语音时，远端有语音时，调整过载值为第一限定值；
回声信噪比为0时，在近端无语音时，远端无语音时，调整过载值为第二限定值；
回声信噪比为0时，在近端无语音时，远端有语音时，调整过载值为第二限定值；
回声信噪比为1时，在近端有语音时，远端无语音时，调整过载值为第三限定值；
回声信噪比为1时，在近端有语音时，远端有语音时，调整过载值为第三限定值；
回声信噪比为1时，在近端无语音时，远端无语音时，调整过载值为第一限定值；
回声信噪比为1时，在近端无语音时，远端有语音时，调整过载值为第一限定值。
4.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
获取经延时校准后的远端信号和近端信号，并傅立叶变换到频域；
计算远端信号、近端信号的相关性和近端信号、误差信号的相关性，分别和对应的阈值相比较，从而确定远端信号的状态值和近端信号的状态值；
将远端信号经过线性滤波器生成估计的线性回声，将估计的线性回声的频谱能量值与估计的远端噪声相比，得到估计的线性回声的信噪比，将该信噪比与阈值相比较，得到信噪比的状态值；
根据远端信号的状态值、近端信号的状态值以及信噪比的状态值获取对应的过载值；
通过所述过载值计算得到抑制因子；之后采用抑制因子对近端信号的回声进行抑制；抑制因子计算公式如下：
Figure FDA0002998617150000021
其中θk为过载值，α′k指的是经过过载值作用后的非线性抑制因子，αk为非线性抑制因子，0≤αk≤1。
5.根据权利要求4所述的一种计算机设备，其特征在于：所述信噪比的状态值计算公式为：
Figure FDA0002998617150000031
其中S_1表征的是当前的回声信噪比的状态值，
Figure FDA0002998617150000032
为估计的远端噪声的频谱能量，PY估计的线性回声的频谱能量，ξ是阈值。
6.根据权利要求4所述的一种计算机设备，其特征在于：所述根据远端信号的状态值、近端信号的状态值以及信噪比的状态值获取对应的过载值进一步具体为：
回声信噪比为0时，在近端有语音时，远端无语音时，调整过载值为第一限定值；
回声信噪比为0时，在近端有语音时，远端有语音时，调整过载值为第一限定值；
回声信噪比为0时，在近端无语音时，远端无语音时，调整过载值为第二限定值；
回声信噪比为0时，在近端无语音时，远端有语音时，调整过载值为第二限定值；
回声信噪比为1时，在近端有语音时，远端无语音时，调整过载值为第三限定值；
回声信噪比为1时，在近端有语音时，远端有语音时，调整过载值为第三限定值；
回声信噪比为1时，在近端无语音时，远端无语音时，调整过载值为第一限定值；
回声信噪比为1时，在近端无语音时，远端有语音时，调整过载值为第一限定值。
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