CN111157952B - 一种基于移动麦克风阵列的房间边界估计方法 - Google Patents

一种基于移动麦克风阵列的房间边界估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于移动麦克风阵列的房间边界估计方法。本方法为：1)利用麦克风阵列采集设定房间中声源的声场信号；2)对房间中的直达声和反射声位置进行估计，得到声场的空间指向图；3)相对麦克风阵列一目标方向的空间位置，将空间指向图在该目标方向的能量大小作为该空间位置的能量估计；4)将麦克风阵列围绕声源运动，重复2)～3)；估计房间的声场能量分布；5)根据声场能量分布搜索能量分布峰值点，估计真实声源位置和镜像声源位置；6)根据声源位置进行阵列波束形成，提取并计算直达声信号和反射声信号之间的时间差进行镜像声源位置修正；7)利用真实声源位置和修正后的镜像声源位置信息对反射边界进行估计，得到该房间结构。

Description

一种基于移动麦克风阵列的房间边界估计方法
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，具体涉及声学场景重建方法，尤其涉及一种基于移动麦克风阵列的房间结构感知方法。
背景技术
声学场景重建是对环境中反射边界进行估计和重构的过程，进而实现房间几何形状的推断。声学场景重构结果可以应用于混响环境下声源定位，信号增强，以及波场重现等领域，并能对结果带来较大提升，因此近年来该方法得到了较为广泛的研究。
近年来，声学场景重建研究方向主要分为两类方法，其中一大类方法是基于房间冲击响应(RIRs)的测量，其中包括可以利用RIRs计算一次反射到达时间(TOA)来估计房间物理结构；具体实现可以基于固定麦克风和移动声源获取声源到达时间(TOAs)进行环境重构，此时声源位置信息已知，根据不同位置声源到达麦克风冲激响应的直达信号峰值和反射信号峰值信息，能够计算得到信号从声源到反射点再到麦克风阵列的路径长短，进而可以绘制出所有反射点所在的椭圆。利用不同声源位置得到的不同房间冲激响应，能够绘制多个反射点椭圆，椭圆的公切线即为实际房间边界。为了解决房间中多个边界估计结果之间混淆问题，可以利用霍夫变换算法该方法进行了扩展，来提高算法的抗噪声鲁棒性。与上述方法不同，基于房间冲击响应的方法还包括波场外推法来估计房间几何参数，这种算法多用于地质结构检测以及海底检测，具有较高的精度，但对阵列尺度要求较高。
以上介绍的方法都需要在房间边界估计之前测量房间的脉冲响应(RIR)，这给实际应用带来了不便。研究者也提出了一类不考虑源信号类型的反射面估计方法，其中包括基于声多径传播问题的逆映射方法。然而，由于该方法将互相关作为主要的信息来源，因此鲁棒性较差。基于DOA估计的房间几何推断方法同样不需要已知冲击响应，对中等混响房间具有较高的精度。当前该方法的缺点是需要提前预知声源位置和麦克风阵列位置信息，并需要将声源置于房间多个位置，以实现对多个边界的位置估计，实用性较差。
发明内容
基于现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于移动球形麦克风阵列的房间几何结构估计方法。通过球形麦克风阵列的移动，将不同位置的麦克风阵列定位结果进行整合，来得到空间能量分布。根据能量分布结果和到达时差(TDOA)信息，可以实现对镜像声源和实际声源的位置估计。
具体而言，当房间中声源发声时候，利用麦克风阵列对声场信号进行记录。利用基于高阶Ambisonic(HOA)信号的频域平滑定位方法，对房间中直达声和反射声位置进行估计，得到声场的空间指向图。对于相对麦克风阵列某一方向的空间中特定位置，将声场的空间指向图在该方向的能量大小作为这一位置的能量估计，将麦克风阵列围绕声源进行运动，对各个墙面附件声场进行感知，整合麦克风阵列移动过程中不同麦克风位置得到的空间指向图，实现声场能量分布估计。根据声场能量分布搜索能量分布峰值点，即为实声源位置和镜像声源位置估计。由于直达声信号能量较大而镜像声源衰减较大，因此能够较为准确定位实声源位置，而镜像声源位置估计存在误差。因此根据初步估计的镜像声源位置和实声源位置，进行阵列波束形成，提取直达声信号和反射声信号，利用直达声和反射声时间差信息进行镜像声源位置修正。进一步根据镜面反射原理，利用实声源和镜像声源位置信息对反射边界进行估计，进而实现房间结构的估计。
本发明的技术方案为：
一种基于移动麦克风阵列的房间边界估计方法，其步骤包括：
1)利用麦克风阵列采集设定房间中声源的声场信号；
2)利用频域平滑定位方法对该房间中的直达声和反射声位置进行估计，得到声场的空间指向图；
3)相对麦克风阵列一目标方向的空间位置，将所述空间指向图在该目标方向的能量大小作为该空间位置的能量估计；
4)将麦克风阵列围绕所述声源进行运动，重复步骤2)～3)；然后整合麦克风阵列移动过程中不同麦克风位置得到的空间指向图，估计该房间的声场能量分布；
5)根据所述声场能量分布搜索能量分布峰值点，估计真实声源位置和镜像声源位置；
6)根据估计的镜像声源位置和真实声源位置，进行阵列波束形成，提取直达声信号和反射声信号，利用直达声信号和反射声信号之间的时间差进行镜像声源位置修正；
7)根据镜面反射原理，利用真实声源位置和步骤6)修正后的镜像声源位置信息对反射边界进行估计，得到该房间结构。
进一步的，步骤2)中，对于目标方向的空间位置P，该空间位置P的能量估计
Figure BDA0002356935350000021
其中ΩmP是当麦克风阵列位于位置m时的P点相对于阵列的目标方向，
Figure BDA0002356935350000022
为麦克风阵列位于m位置时在ΩmP方向的能量大小。
进一步的，步骤6)中，镜像声源位置修正方法为：针对镜像声源j，当麦克风阵列最接近镜像声源j的估计位置时，利用与估计得到的镜像声源方向误差最小的DOA方向作为新的镜像声源方向，表示为
Figure BDA0002356935350000031
然后对实声源方向和镜像声源j的方向
Figure BDA0002356935350000032
分别进行波束形成，得到直达声信号ks和镜像声源信号
Figure BDA0002356935350000033
然后计算信号ks和信号
Figure BDA0002356935350000034
的互相关值
Figure BDA0002356935350000035
互相关值
Figure BDA0002356935350000036
达到最大的时延信息代表了镜像声源信号与直达声信号时间差
Figure BDA0002356935350000037
然后根据时间差
Figure BDA0002356935350000038
计算镜像声源j与麦克风阵列的距离
Figure BDA0002356935350000039
进一步的，互相关值
Figure BDA00023569353500000310
其中，L为提取的信号长度，λj为直达声信号与镜像声源信号之间的时延，l为采样点。
进一步的，时间差
Figure BDA00023569353500000311
式中fs为采样率。
进一步的，房间的边界采用平面上一点和平面法向量所定义的边界平面描述。
进一步的，步骤7)中，对反射边界进行估计得到该房间结构的方法为：根据实声源位置PS和一阶镜像声源j的位置
Figure BDA00023569353500000312
将镜像声源j所对应的边界上一点
Figure BDA00023569353500000313
以及边界的法向量
Figure BDA00023569353500000314
表示为：
Figure BDA00023569353500000315
与镜像声源j对应的边界可以表示为
Figure BDA00023569353500000316
然后根据各镜像声源的边界得到该房间的几何结构。
进一步的，对所述空间指向图进行优化：首先对所述空间指向图中声源峰值方向进行提取，再通过高斯窗进行平滑，将各个峰值所得到的高斯窗相加，得到优化后的空间指向图。
进一步的，所述频域平滑定位方法为基于高阶HOA信号的频域平滑定位方法。
本发明的技术方案主要分为以下三步：
1、空间指向图估计
首先用高阶Ambisonic(HOA)信号对声源到达方向(DOA)进行估计。在球谐函数域进行信号处理的一个优点是信号的方向矢量与频率无关，因此该方法在混响信号的定位中具有良好的性能。根据麦克风阵列记录信号，通过球谐函数变换，得到N阶HOA信号，可表示成如下形式：
Figure BDA00023569353500000317
式中
Figure BDA00023569353500000318
为n阶m次HOA信号，k为波数。a是采样球的半径。HOA信号的功率谱密度(PSD)矩阵估计为R(ka)＝E[B(ka)BH(ka)]
基于HOA信号方向矢量的频率无关特性，得到频率平滑的PSD矩阵为
Figure BDA0002356935350000041
其中Q为频带数。使用MVDR方法对DOA信息进行估计，代价函数可以表示为
Figure BDA0002356935350000042
WH(k)P(Ωl)＝1
其中W为波束形成的权向量，P(Ωl)为方向Ωl的方向向量，根据上式能够得到权值向量的最优估计W*，Ωl方向的输出功率谱可表示为：
Figure BDA0002356935350000043
对空间各个方向输出功率谱进行扫描，最终可以得到空间指向图(DP)
DPm(Ωl)＝Z(Ωl)
其中m代表当前麦克风阵列的位置。空间指向图峰值方向代表了声源方向。为了提升空间能量分布结果估计的分辨率，本发明首先利用声源方向信息对空间指向图进行优化。当麦克风阵列的位置为m，根据空间指向图估计得到第i个声源的声源方向为
Figure BDA0002356935350000044
i＝1,2,…,I，I是根据空间指向图峰值点估计得到的声源个数，整合原始空间指向图在各个声源方向的功率大小并加上空间高斯窗进行平滑，来获得优化后空间指向图：
Figure BDA0002356935350000045
其中
Figure BDA0002356935350000046
是高斯窗函数，σ为高斯窗函数标准差，
Figure BDA0002356935350000047
为声源方向
Figure BDA0002356935350000048
上的波束形成输出功率，
Figure BDA0002356935350000049
为麦克风阵列位于m位置时Ωl方向能量估计，上式是通过对初始空间指向图中声源峰值方向进行提取，再通过高斯窗进行平滑，进而将各个峰值所得到的高斯窗相加，得到优化后的空间指向图，这种操作可以降低初始空间指向图中旁瓣噪声对进一步空间能量估计的影响，提升算法的准确性。
2、声源定位
结合麦克风阵列移动过程中获得的空间指向图信息，本发明可以计算出空间任意一点P处的空间能量分布估计(ED)值。
Figure BDA00023569353500000410
其中ΩmP是当麦克风阵列位于位置m时的P点相对于阵列的方向，
Figure BDA00023569353500000411
为阵列位于位置m时ΩmP方向能量大小。通过对空间所有采样点进行扫描，本发明可以得到全空间的声场能量分布估计。估计结果的峰值即对应于实声源位置PS和镜像声源j的位置
Figure BDA00023569353500000412
j＝1,2,…,J，J为一阶镜像声源的个数。
在实际应用中，实声源PS的位置可以通过检测最大能量点来精确估计。然而，由于能量分布估计的空间分辨率较差，其对镜像声源的定位不准确，因此本发明利用DOA信息以及直达信号和放射信号之间声达时间差(TDOA)对其定位结果进行修正。针对镜像声源j，当麦克风阵列最接近镜像声源j的估计位置时，利用与估计得到的镜像声源方向误差最小的DOA方向作为新的镜像声源方向，表示为
Figure BDA0002356935350000051
进一步，对实声源方向和镜像声源j的方向
Figure BDA0002356935350000052
分别进行波束形成，得到直达声信号ks和镜像声源信号
Figure BDA0002356935350000053
然后对这两个信号进行互相关计算，
Figure BDA0002356935350000054
式中L为提取的信号长度，ks[l+λj]为时域信号，其中l+λj为时间信息，λj为直达声信号与镜像声源信号之间的时延，l为采样点。使互相关函数
Figure BDA0002356935350000055
达到最大的时延信息代表了镜像声源信号与直达声信号时间差。
Figure BDA0002356935350000056
式中fs为采样率。因此镜像声源
Figure BDA0002356935350000057
位于麦克风阵列的
Figure BDA0002356935350000058
方向，与麦克风阵列的距离为
Figure BDA0002356935350000059
Figure BDA00023569353500000510
式中c为声速，
Figure BDA00023569353500000511
为实声源PS到麦克风阵列的距离。
3、边界参数估计
在本发明中，房间的边界可以用平面上一点和平面法向量所定义的边界平面来描述。
Λ(j):{Pj,nj}
上述已经估计得到实声源位置RS和一阶镜像声源j的位置
Figure BDA00023569353500000512
j＝1,2,…,J；那么镜像声源j所对应的边界上一点
Figure BDA00023569353500000513
以及边界的法向量
Figure BDA00023569353500000514
可表示为：
Figure BDA00023569353500000515
Figure BDA00023569353500000516
因此，与镜像声源j对应的边界可以表示为
Figure BDA00023569353500000517
对每个镜像声源进行上述计算，本发明可以最终得到房间的几何结构。
为了评估估计的房间边界的精确性，本发明使用了两个误差估计参数对结果进行估计。
第一个是计算估计边界到坐标系原点距离和实际边界到坐标系原点距离差
Figure BDA0002356935350000061
另外一个为估计边界和实际边界法向量夹角：
Figure BDA0002356935350000062
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
与之前人们所提出的方法相比，本文提出的基于移动麦克风阵列的房间边界估计方法，不涉及RIRs的测量，也不需要预知声源位置信息。通过空间能量分布估计方法，整合麦克风阵列运动过程中声源定向结果，并通过计算直达声信号和反射声信号时间差信息，实现镜像声源位置的修正，使该方法具有较好的环境适用性和准确性。
附图说明
图1是房间混响传播示意图；
图2是本发明方法流程图；
图3是仿真环境示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对本发明进一步说明，但不构成对本发明的任何限制。
本发明在一个近似鞋盒形状的房间里进行了仿真实验。房间混响传播示意图如图1所示，房间平面尺寸及相关实验设置如图3所示。声源位置是用使用笛卡尔坐标系来表示，单位为m。房间的左下角为坐标系原点。混响房间的T60约为800ms，房间高度为3m。实验设置了两个不同位置声源，分别进行边界参数的估计。来验证模型在不同环境下的适用性能。使用刚性球形麦克风阵列进行声场测量，其半径为0.042m，由32个均匀分布在球面上的全向麦克风组成。麦克风阵列位于声源的同一水平面上，沿着声源垂直方向移动，围绕声源移动一个圆。在实验中，阵列到声源的距离设置为1m。采用高斯白噪声作为声源信号，信噪比设置为30dB，本发明的方法流程如图2所示。
一、对麦克风阵列信号进行球谐域变换，得到声场HOA信号
Figure BDA0002356935350000063
二、计算HOA信号的功率谱密度(PSD)
R(ka)＝E[B(ka)BH(ka)]
三、基于HOA信号方向矢量的频率无关特性，得到频率平滑的PSD矩阵为
Figure BDA0002356935350000071
四、使用MVDR方法对波束形成空间指向图信息进行估计，代价函数可以表示为
Figure BDA0002356935350000072
WH(k)P(Ωl)＝1
其中W为真实声源的波束形成的权向量，P(Ωl)为方向Ωl的方向向量，根据上式能够得到权值向量的最优估计W*，Ωl方向的输出功率谱可表示为：
Figure BDA0002356935350000073
五、对空间各个方向输出功率谱进行扫描，最终可以得到空间指向图(DP)
DPm(Ωl)＝Z(Ωl)
其中m代表当前麦克风阵列的位置。空间指向图峰值方向代表了实声源和镜像声源方向。
六、提升空间能量分布结果估计的分辨率，利用声源方向信息对空间指向图进行优化。当麦克风位置为m，根据空间指向图估计得到的声源方向为
Figure BDA0002356935350000074
i＝1,2,…,I，I是估计声源个数，此时空间指向图可以表示为
Figure BDA0002356935350000075
其中
Figure BDA0002356935350000076
是高斯窗函数。
七、结合麦克风阵列移动过程中获得的空间指向图信息，本发明可以计算出点P处的空间能量分布(ED)值。
Figure BDA0002356935350000077
其中ΩmP是当麦克风阵列位于位置m时刻的方向P。通过对空间所有采样点进行扫描，本发明可以得到全空间的声场能量分布估计。估计结果的峰值即对应于实声源PS和镜像声源的
Figure BDA0002356935350000078
j＝1,2,…,J的位置，J为一阶镜像声源的个数。
八、针对镜像源j，当麦克风阵列最接近图像源j的估计位置时，利用与估计得到的镜像声源方向误差最小的DOA方向作为新的镜像声源方向，表示为
Figure BDA0002356935350000079
进一步，对实声源方向和镜像声源方向分别进行波束形成，得到直达声信号和反射声信号。对两个信号进行互相关计算，
Figure BDA0002356935350000081
式中L为提取信号长度，λj为时延，l为采样点。
九、使最大互相关函数的时延信息代表了反射声j与直达声时间差。
Figure BDA0002356935350000082
式中fs为采样率。
十、完成镜像声源位置纠正。镜像声源j的位于麦克风阵列
Figure BDA0002356935350000083
方向，与麦克风阵列距离为
Figure BDA0002356935350000084
Figure BDA0002356935350000085
十一、对各个镜像声源重复步骤八至十，完成各个一阶镜像声源位置修正。
对于镜像声源j，计算其所对应的边界上一点和边界法向量：
Figure BDA0002356935350000086
Figure BDA0002356935350000087
因此，与镜像声源j对应的边界可以表示为
Figure BDA0002356935350000088
十二、对每个镜像声源进行上述计算，本发明可以最终得到房间的几何结构。
为了评估估计的房间边界的精确性，本发明使用了两个误差估计参数对结果进行估计，评估结果如表1。
表1为不同声源位置情况下房间估计误差，声源位置分别为a(2.5,2.5,1)和b(2.5,2,1)
Figure BDA0002356935350000089
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种基于移动麦克风阵列的房间边界估计方法，其步骤包括：
1)利用麦克风阵列采集设定房间中声源的声场信号；
2)利用频域平滑定位方法对该房间中的直达声和反射声位置进行估计，得到声场的空间指向图；
3)相对麦克风阵列一目标方向的空间位置，将所述空间指向图在该目标方向的能量大小作为该空间位置的能量估计；
4)将麦克风阵列围绕所述声源进行运动，重复步骤2)～3)；然后整合麦克风阵列移动过程中不同麦克风位置得到的空间指向图，估计该房间的声场能量分布；
5)根据所述声场能量分布搜索能量分布峰值点，估计真实声源位置和镜像声源位置；
6)根据估计的镜像声源位置和真实声源位置，进行阵列波束形成，提取直达声信号和反射声信号，利用直达声信号和反射声信号之间的时间差进行镜像声源位置修正；
7)根据镜面反射原理，利用真实声源位置和步骤6)修正后的镜像声源位置信息对反射边界进行估计，得到该房间结构。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中，对于目标方向的空间位置P，该空间位置P的能量估计
Figure FDA0003335817580000011
其中ΩmP是当麦克风阵列位于位置m时的P点相对于阵列的目标方向，
Figure FDA0003335817580000012
为麦克风阵列位于m位置时在ΩmP方向的能量大小。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤6)中，镜像声源位置修正方法为：针对镜像声源j，当麦克风阵列最接近镜像声源j的估计位置时，利用与估计得到的镜像声源方向误差最小的DOA方向作为新的镜像声源方向，表示为
Figure FDA0003335817580000013
然后对实声源方向和镜像声源j的方向
Figure FDA0003335817580000014
分别进行波束形成，得到直达声信号ks和镜像声源信号
Figure FDA0003335817580000015
然后计算信号ks和信号
Figure FDA0003335817580000016
的互相关值
Figure FDA0003335817580000017
互相关值
Figure FDA0003335817580000018
达到最大的时延信息代表了镜像声源信号与直达声信号时间差
Figure FDA0003335817580000019
然后根据时间差
Figure FDA00033358175800000110
计算镜像声源j与麦克风阵列的距离
Figure FDA00033358175800000111
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，互相关值
Figure FDA00033358175800000112
其中，L为提取的信号长度，λj为直达声信号与镜像声源信号之间的时延，l为采样点。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，时间差
Figure FDA00033358175800000113
式中fs为采样率。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，房间的边界采用平面上一点和平面法向量所定义的边界平面描述。
7.如权利要求1或6所述的方法，其特征在于，步骤7)中，对反射边界进行估计得到该房间结构的方法为：根据实声源位置PS和一阶镜像声源j的位置
Figure FDA0003335817580000021
将镜像声源j所对应的边界上一点
Figure FDA0003335817580000022
以及边界的法向量
Figure FDA0003335817580000023
表示为：
Figure FDA0003335817580000024
与镜像声源j对应的边界可以表示为
Figure FDA0003335817580000025
然后根据各镜像声源的边界得到该房间的几何结构。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述空间指向图进行优化：首先对所述空间指向图中声源峰值方向进行提取，再通过高斯窗进行平滑，将各个峰值所得到的高斯窗相加，得到优化后的空间指向图。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频域平滑定位方法为基于高阶HOA信号的频域平滑定位方法。
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