CN110544486A - 基于麦克风阵列的语音增强方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于麦克风阵列的语音增强方法及系统，根据视频图像校准各个麦克风之间的相对传递函数，通过声压分布图获得监视范围内的噪声分布情况并对应采用语音增强算法或噪声抑制算法对麦克风阵列采集到的信号进行合并处理，最后利用基于最小p范数算法的均衡器处理得到增强后的语音信号。能够进行多通道的麦克风语音增强和降噪的同时可脱离计算机单独运行，便于实施伪装。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种语音处理领域的技术，具体是一种基于麦克风阵列的语音增强方法 及系统。
背景技术
现有的语音增强方案大多是基于少量麦克风实现的。常见的如基于唤醒词的智能音箱， 这类应用的使用场合较为固定，且环境噪声较小。而在侦听领域中，侦听对象距离较远，语音 信号信噪比迅速降低，再考虑到环境噪声及混响等因素，采用普通的麦克风阵列语音处理技术 通过波束成形等方式进行远场语音增强的性能并不理想。
一些改进技术通过对GSC的固定波束通路增加一个自适应处理器改善信号通道的信噪 比，借助频域时延估计来补偿各通道时延，以使得波束对准声源方向。但这类技术的增强效果 将在部分语音信号成分泄漏到参考噪声通路时受到大幅度影响。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于麦克风阵列的语音增强方法及系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于麦克风阵列的语音增强方法，根据视频图像校准各个麦克风之间的 相对传递函数(RTF)，通过声压分布图获得监视范围内的噪声分布情况并对应采用语音增强算 法或噪声抑制算法对麦克风阵列采集到的信号进行合并处理，最后利用基于最小p范数算法的 均衡器处理得到增强后的语音信号。
所述的相对传递函数包括各个麦克风之间的相位误差以及由当前系统工作环境所引入 的相位误差。
所述的合并处理是指：将经语音增强或噪声抑制算法后各个麦克风采集到的信号降为单 通道信号后采用均衡器滤波以得到听感优化的最终语音信号。
本发明涉及实现上述方法的系统，包括：用于采集场景中的音频及视频信号的语音信号 音视频采集模块、用于搜寻场景中噪声来源的声源定位模块、用于对采集到的音频信号进行噪 声抑制和语音增强的语音增强与抑制模块、用于对语音增强后的信号进行频域均衡以提高语音 信号清晰度的均衡器。
所述的系统进一步设有通过有线网络或无线网络的方式传输数据或信号处理结果的数 据传输模块以及用于数据保存的数据存储模块。
所述的系统进一步设有用于将语音增强与抑制模块处理后的结果进行播放的声音播放 模块。
所述的系统进一步设有用于控制本系统的电池充放电及电量监测的电源管理模块。
所述的声源定位模块包括：声源定位单元、声源分布累加单元、重置累加单元及判决单 元，其中：声源定位单元通过波束成型的算法将波束成型的结果传输至声源分布累加单元，声 源分布累加单元再未收到重置命令前不断累加声源定位单元发送来的结果，重置累加单元通过 声源分布累加单元当前累加的声压的分布情况输出至判决单元，判决单元根据判据通知语音增 强与抑制模块使用增强算法或使用噪声抑制算法。
所述的判据为：当声压分布情况显示只有一个声源，且声压最大值与最小值的差大于 6dB，则优选噪声抑制算法；反之，当声压分布情况显示无明显的声源且声源最大值与最小值 差小于6dB，则优选语音增强算法。
所述的语音增强与抑制模块，包括：判决接收单元、分数延迟滤波器设计单元、噪声抑 制滤波器设计单元、滤波单元、叠加单元及输出单元，判决接收单元接收声源定位模块的判决； 当判决接收单元选择语音增强算法则从分数延迟滤波器设计单元中选取每一路信号对应的分 数延迟滤波器系数，当判决接收单元选择噪声抑制算法，则噪声抑制滤波器设计单元根据当前 需要抑制的位置设计出每个通道的滤波器系数；通过分数延迟滤波器设计单元或噪声抑制滤波 器设计单元设计的滤波器将采集的信号通过滤波单元进行滤波，并通过叠加单元将所有滤波后 的信号相加发送至输出单元，输出单元将处理的结果发送至均衡器。
技术效果
与现有技术相比，本发明能够进行多通道的麦克风语音增强和降噪的同时可脱离计算机 单独运行，便于实施伪装。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为麦克风阵列的麦克风分布图；
图3a和图3b为两种环境下的波数成型结果；
图4为实施例网格划分及编号的示意图；
图5和图6分别为实施例延迟为12.1时，滤波器的群延迟和幅度相应；
图7为实施例中利用最小p范数算法设计均衡器的频响；
图8为实施例系统结构示意图；
图9a和图9b为实施例效果示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例涉及一种语音信号增强方法，包括以下步骤：
S1：通过摄像头校准各个麦克风之间的相对传递函数(RTF)，具体步骤包括：
S1.1分别在距离阵列1米处，摄像头画面范围内20个不同位置设置信号源并发出频率 范围200～4000Hz的chirp信号为期1秒，记录每次发生位置在图像中的像素点。
S1.2通过声源位置所在的像素点计算出声源和阵列的角度。
S1.3通过麦克风阵列上每个麦克风的坐标位置及声源的夹角计算出每个麦克风相对参 考麦克风的理论传递函数。
如图2为麦克风的分布图，左上角麦克风为参考麦克风。
S1.4根据采集到的信号计算出每个麦克风相对参考麦克风的实际传递函数，通过理论传 递函数和实际传递函数可得到20组校准值。
S1.5通过对20组校准值做最小二乘拟合，得到最终校准相对传递函数。
S2：对监视范围内的噪声源进行声源定位得到其分布情况，具体步骤包括：
S2.1采用基于球面波的除自谱的波束成型算法，通过麦克风采集到的声压信号计算得到 监视范围内的噪声分布，生成每一帧对应的声压分布图，具体为：其中：V(k,w)为波数成型的均方值，k为聚焦方向，w为 角频率，M为传感器数量，Cnm为m号传声器接收声压信号相对于n号传声器接收声压信号的 互谱，rm为m号传声器的坐标向量，rn为n号传声器的坐标向量。
S2.2对步骤2.1得到的波束成型结果累加，通常累加时间约10秒左右内所对应的所有 声压分布图；将累加后的波束成型结果叠加得到声压分布图。
优选地，叠加后的帧率与波束成型的帧率保持一致。
如图3所示，为两种环境下的波束成型结果，图像的结果以dB的方式予以显示。图3a 表示环境噪声分布较为均匀，其最大值与最小值的差仅为4dB；图3b表示环境中存在明显的 干扰源，其最大值与最小值差为12dB。
S3：根据声压分布图中的噪声源分布情况选择对应的语音增强算法，具体为：当声压分 布情况显示只有一个声源，且声压最大值与最小值的差大于等于6dB，则优选噪声抑制算法； 当声压分布情况显示无明显的声源且声源最大值与最小值差小于6dB，则优选语音增强算法。
如图3a中场景的情况则选择语音增强算法；图3b中场景的情况，则选择噪声抑制算法。
所述的语音增强算法的具体步骤包括：
S3.1.1如图4所示，将语音增强的区域划分为40×30个网格并给予每个网格编号，每 个网格对应一组分数延迟的滤波器系数。
S3.1.2根据每个网格点到达麦克风坐标的时间差，计算出每一路数据需要延迟的时间。
优选地，计算时间差时设定声源距离阵列的距离为1米。
S3.1.3通过拉格朗日插值算法设计分数延迟的滤波器系数，即求解滤波器系数其中：延时量D包括整数部分Z和小数部分p，n＝0,1,…,N。
如图5所示，为延迟为12.1时，滤波器的群延迟和幅度相应。
S3.1.4设置并预存1200组滤波器系数，根据选择的增强区域调取对应的滤波器系数， 将各个麦克风采集到的信号通过对应滤波器后全部叠加得到单通道信号。
所述的噪声抑制算法，在频域通过线性约束最小方差法设定约束方程并求解得到滤波器 系数，并以该滤波器系数抑制噪声源，其具体步骤包括：
S3.2.1根据每个噪声抑制点到每一个麦克风的时间差△t和需要抑制的频率范围200-4000Hz，计算频率范围内每个频点f的的旋转因子C＝e-i2πf·Δt。
S3.2.2设定约束条件：F＝[f0,f1…,fk-1]T，其中：f0＝1,fk＝0，k＝1,…K-1，即 增强点为1，抑制点为0，K表示非抑制点与抑制点的个数总和，求解约束方程CTw＝F，其 中：w为滤波器的频域幅度响应，200-4000Hz以外的w设为0。
S3.2.3对滤波器系数w进行反傅里叶变化获得滤波器系数h。
S3.2.4对各个麦克风采集到的信号分别使用S3.2.3求得的滤波器进行滤波后全部叠加 得到单通道信号。
S4如图6所示，利用最小p范数算法设计均衡器的频响，将S3获得的单通道信号通过 该均衡器，得到清晰度增强后的语音信号。
如图8所示，为本实施例涉及一种实现上述方法的语音信号增强系统，包括：音视频采 集模块、数据传输模块、声源定位模块、语音增强与抑制模块、均衡器、数据存储模块、声音 播放模块及电源管理模块，其中：音视频采集模块将采集的音视频数据同时送往声源定位模块、 语音增强模块与抑制模块和数据存储模块，通过声源定位模块寻找监视范围内的噪声分布情况 并输出至语音增强与抑制模块，语音增强与抑制模块进行基于麦克风阵列的语音增强输出单通 道信号至均衡器模块，均衡器模块对语音增强后的信号进行频域均衡，提高语音信号的清晰度.
本实施例中：
用于采集多通道的语音信号和视频信号音视频采集模块由96个麦克风以及设置于其中 间的摄像头组成。
数据传输模块通过有线网络或无线网络的方式将数据传输至声源定位模块或将信号处 理结果传输至声音播放模块。
优选地，本实施例中的音视频采集模块将采集的数据发送至数据存储模块，由数据存储 模块控制数据的存储以便在脱离计算机的情况下将数据保存至设备SD卡或U盘中，电源管理 模块单独控制系统的电池充放电及电量监测。
经过具体实际实验，在办公室环境下，放置两个同等大小的语音声源，声源距离阵列5 米，采用噪声抑制算法对某一个声源进行侦听。图9a为未采用本算法前单个麦克风采集到的 信号，图9b为采用本系统处理后的信号，从中可明显看出信噪比发生的明显的提升，实际听 感效果显著。与现有单一麦克风无法从多个声源发出的语音信号中选取某个声源的场景下，本 系统通过噪声抑制实现了抑制干扰声源的，侦听有效声源的效果。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式 对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围 内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (8)
1.一种基于麦克风阵列的语音增强方法，其特征在于，根据视频图像校准各个麦克风之间的相对传递函数，通过声压分布图获得监视范围内的噪声分布情况并对应采用语音增强算法或噪声抑制算法对麦克风阵列采集到的信号进行合并处理，最后利用基于最小p范数算法的均衡器处理得到增强后的语音信号；
所述的相对传递函数包括各个麦克风之间的相位误差以及由当前系统工作环境所引入的相位误差；
所述的合并处理是指：将经语音增强或噪声抑制算法将各个麦克风采集到的信号降为单通道信号后采用均衡器滤波以得到听感优化的最终语音信号。
2.一种实现上述任一权利要求所述方法的系统，其特征在于，包括：用于采集场景中的音频及视频信号的语音信号音视频采集模块、用于搜寻场景中噪声来源的声源定位模块、用于对采集到的音频信号进行噪声抑制和语音增强的语音增强与抑制模块、用于对语音增强后的信号进行频域均衡以提高语音信号清晰度的均衡器；
所述的声源定位模块包括：声源定位单元、声源分布累加单元、重置累加单元及判决单元，其中：声源定位单元通过波束成型的算法将波束成型的结果传输至声源分布累加单元，声源分布累加单元再未收到重置命令前不断累加声源定位单元发送来的结果，重置累加单元通过声源分布累加单元当前累加的声压的分布情况输出至判决单元，判决单元根据判据通知语音增强与抑制模块使用增强算法或使用噪声抑制算法。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征是，所述的判据为：当声压分布情况显示只有一个声源，且声压最大值与最小值的差大于6dB，则优选噪声抑制算法；反之，当声压分布情况显示无明显的声源且声源最大值与最小值差小于6dB，则优选语音增强算法。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征是，所述的语音增强与抑制模块，包括：判决接收单元、分数延迟滤波器设计单元、噪声抑制滤波器设计单元、滤波单元、叠加单元及输出单元，判决接收单元接收声源定位模块的判决；当判决接收单元选择语音增强算法则从分数延迟滤波器设计单元中选取每一路信号对应的分数延迟滤波器系数，当判决接收单元选择噪声抑制算法，则噪声抑制滤波器设计单元根据当前需要抑制的位置设计出每个通道的滤波器系数；通过分数延迟滤波器设计单元或噪声抑制滤波器设计单元设计的滤波器将采集的信号通过滤波单元进行滤波，并通过叠加单元将所有滤波后的信号相加发送至输出单元，输出单元将处理的结果发送至均衡器。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征是，所述的声压的分布情况，即声压分布图，具体为：其中：V(k,w)为波数成型的均方值，k为聚焦方向，w为角频率，M为传感器数量，Cnm为m号传声器接收声压信号相对于n号传声器接收声压信号的互谱，rm为m号传声器的坐标向量，rn为n号传声器的坐标向量。
6.根据权利要求2所述的系统，其特征是，所述的滤波器系数，具体为通过拉格朗日插值算法设计分数延迟的滤波器系数，即求解滤波器系数其中：延时量D包括整数部分Z和小数部分p，n＝0,1,…,N。
7.根据上述任一权利要求所述的系统，其特征是，所述的语音增强算法的具体步骤包括：
S3.1.1 将语音增强的区域划分为40×30个网格并给予每个网格编号，每个网格对应一组分数延迟的滤波器系数；
S3.1.2 根据每个网格点到达麦克风坐标的时间差，计算出每一路数据需要延迟的时间；
S3.1.3 通过拉格朗日插值算法设计分数延迟的滤波器系数，即求解滤波器系数 其中：延时量D包括整数部分Z和小数部分p，n＝0,1,…,N；
S3.1.4 设置并预存1200组滤波器系数，根据选择的增强区域调取对应的滤波器系数，将各个麦克风采集到的信号通过对应滤波器后全部叠加得到单通道信号。
8.根据权利要求1～5中任一所述的系统，其特征是，所述的噪声抑制算法，在频域通过线性约束最小方差法设定约束方程并求解得到滤波器系数，并以该滤波器系数抑制噪声源，其具体步骤包括：
S3.2.1 根据每个噪声抑制点到每一个麦克风的时间差△t和需要抑制的频率范围200-4000Hz，计算频率范围内每个频点f的的旋转因子C＝e-i2πf·Δt；
S3.2.2 设定约束条件：F＝[f0,f1…,fk-1]T，其中：f0＝1,fk＝0，k＝1,…K-1，即增强点为1，抑制点为0，K表示非抑制点与抑制点的个数总和，求解约束方程CTw＝F，其中：w为滤波器的频域幅度响应，200-4000Hz以外的w设为0；
S3.2.3 对滤波器系数w进行反傅里叶变化获得滤波器系数h；
S3.2.4 对各个麦克风采集到的信号分别使用S3.2.3求得的滤波器进行滤波后全部叠加得到单通道信号。
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