CN111323753A - 定位汽车内语音源的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种定位汽车内语音源的方法，包括：识别语音源发出的语音，以提取唤醒识别语音；计算唤醒识别语音的波前分别到达不同麦克风阵列的第一时间差；以及至少基于第一时间差和不同麦克风阵列的位置来确定用户所在的位置。其不仅能够准确地进行语音源定位，还能够对驾驶员语音提供更高级别的智能响应，从而确保行车安全。
Description
技术领域
本发明涉及声音检测技术领域，更具体地说，涉及一种定位汽车内语音源的方法。
背景技术
声源定位，即SSL技术，是确定一个声源在空间的位置的方法。常规的SSL方法可采用麦克风阵列来实现，但在应用到车载场景时，会面临很多问题，例如：首先车内有限空间很难实现大量集中式麦克阵列的布局，另外，由于车载环境背景噪音、引擎噪声及风噪等干扰，对声源定位的准确性都带来了诸多困难。
另一方面，关键词唤醒，是用于判断用户语音是否为预定关键词并进而唤醒智能装置或其功能性，通常可作为语音识别的入口，提供后续语音明确的交互意图。关键词唤醒的应用领域比较广泛，例如，机器人、手机、可穿戴设备、智能家居、车载等。带有语音识别功能的智能设备通常都会需要应用关键词唤醒技术作为人和机器互动的一个开始。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种定位汽车内语音源的方法。
为实现上述目的，本发明提供一种技术方案如下：一种定位汽车内语音源的方法，包括：识别语音源发出的语音，以提取唤醒识别语音；计算唤醒识别语音的波前分别到达不同麦克风阵列的第一时间差；以及至少基于第一时间差和不同麦克风阵列的位置来确定用户所在的位置。
可选地，该方法还包括：用户装置基于用户所在的位置对用户语音进行响应。
可选地，该方法还包括：计算唤醒识别语音的波前分别到达不同麦克风阵列的第二时间差；基于第一时间差、第二时间差和不同麦克风阵列的位置来确定用户所在的位置。
可选地，第一时间差为唤醒识别语音的波前分别到达第一麦克风与第二麦克风的时间间隔的统计值，第二时间差为唤醒识别语音的波前分别到达第三麦克风与第四麦克风的时间间隔的统计值。
可选地，计算唤醒识别语音的波前分别到达不同麦克风阵列的第一时间差包括：将唤醒识别语音的波前到达第一麦克风和第二麦克风的第一时域信号和第二时域信号分别转换为第一频域信号和第二频域信号；对第一频域信号和第二频域信号进行交叉频谱计算，以确定第一时间差。
可选地，唤醒识别包括：提取语音源发出的语音的FBANK特征；计算语音的每一帧的后验概率；以及利用有限状态转换机来构成状态跳转结构，来确定是否存在唤醒识别语音。
可选地，基于用户所在的位置对用户语音进行响应包括：对驾驶员发出的语音的响应级别高于对乘员发出的语音的响应级别。
可选地，该方法还包括：对语音源发出的语音进行前端增强处理以去除回声消息和噪声信息。
本发明另外提供一种车内声源定位装置，包括：唤醒识别单元，识别语音源发出的语音以提取唤醒识别语音；时间差计算单元，与唤醒识别单元耦合，用于计算唤醒识别语音的波前分别到达不同麦克风阵列的第一时间差；以及位置判定单元，至少基于第一时间差和不同麦克风阵列的位置来确定用户所在的位置。
本发明提供的定位汽车内语音源的方法能够准确确定用户所在的车内位置，判明用户的意图，还可以据此进行智能响应，对驾驶员语音提供更高级别的智能响应，这有利于确保驾驶员不受干扰，从而提高了行车安全性。此外，车内声源定位装置同样能够实现上述效果。
附图说明
图1示出根据本发明第一实施例的定位汽车内语音源的方法的流程示意图。
图2示出波前到达麦克风阵列的声场示意图。
图3示出根据本发明第二实施例的智能用户装置的模块结构图。
具体实施方式
在以下描述中提出具体细节，以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域的技术人员将清楚地知道，即使没有这些具体细节也可实施本发明的实施例。在本发明中，可进行具体的数字引用，例如“第一元件”、“第二装置”等。但是，具体数字引用不应当被理解为必须服从于其字面顺序，而是应被理解为“第一元件”与“第二元件”不同。
本发明所提出的具体细节只是示范性的，具体细节可以变化，但仍然落入本发明的精神和范围之内。术语“耦合”定义为表示直接连接到组件或者经由另一个组件而间接连接到组件。
以下通过参照附图来描述适于实现本发明的方法、系统和装置的优选实施例。虽然各实施例是针对元件的单个组合来描述，但是应理解，本发明包括所公开元件的所有可能组合。因此，如果一个实施例包括元件A、B和C，而第二实施例包括元件B和D，则本发明也应被认为包括A、B、C或D的其他剩余组合，即使没有明确公开。
如图1所示，本发明第一实施例提供一种定位汽车内语音源的方法，其至少包括步骤S10-S12-S14。
步骤S10：识别语音源发出的语音，以提取唤醒识别语音。
在该步骤中，对获取的语音数据提取FBANK特征，并通过神经网络计算每一帧语音的后验概率，利用有限状态转换机FST构成状态跳转结构来确定语音中是否存在唤醒识别语音，若存在，将进而唤醒智能用户装置、或该装置(或车载主控单元)的语音定位(或智能响应)功能，否则，智能用户装置继续处于唤醒检测状态或低功率运行状态。
在唤醒过程中记录包括唤醒关键词的语音的开始及结束点，将开始点与结束点之间的语音数据交由以下步骤S12(或声源定位模块)处理。同时，唤醒识别过程中可以叠加每个关键字的得分以获得唤醒的置信分，唤醒的信息越明确，置信分越高。作为示例，唤醒关键词为“Hello,小诺”，在该步骤中所提取的唤醒识别语音即对应于用户说出“Hello,小诺”的语音。备选情况下，唤醒识别语音还可以包括在智能用户装置或车载主控单元被唤醒之后，在一段时间内(例如，5秒)捕获的用户语音，这部分语音可以在以后用来确定用户意图。即使不作为唤醒识别语音，这部分在唤醒之后采集的语音也能够用来确定用户的意图，以便于智能装置进行应答式响应。
优选情况下，对语音源发出的语音进行适当的前端增强处理，以去除回声信息和噪声信息，从而使得唤醒识别功能以及声源定位功能免受回音、背景噪音、引擎噪声及风噪等干扰。
步骤S12：计算唤醒识别语音的波前分别到达不同麦克风阵列的第一时间差。
车载麦克阵列系统采用时延估计(Time-Delay estimator)技术来实现声源定位。图2示出波前到达麦克风阵列的声场，其中以双麦克阵列为例，当目标声源S为点状声源时，将发出球状波前(Wave Front)并分别于时间t1～t2到达麦克风y1和y2。其中，同一球状波进入麦克风y1和y2的到达时间差(Time Difference OfArrival，简称TDOA)为(t2-t1)。当声速为c时，则麦克风y1和目标声源S与麦克风y2至目标声源S的距离差为c(t2-t1)。
本发明中，并不是直接求取波前到达不同麦克风阵列之间的时间间隔，而是经频域转换、交叉频谱计算来确定信号间互相关值，并将最大互相关值对应的时间索引来作为TDOA估计值。
当麦克风y1和y2分别接收到时域信号T(1)和T(2)后，经由快速傅利叶转换(FastFourier Transform，FFT)将时域信号转换为频域信号，然后根据频域信号进行交叉频谱(Cross Spectrum)计算，以得声源S的波前到达麦克风y2与声源S的波前到达麦克风y1之间的到达时间差(t2-t1)，并根据到达时间差(t2-t1)、麦克风y1和y2的所在位置距离及声速c来决定目标声源S的位置。以下，用数学公式表示车载麦克风阵列接收到的声音信号F(t)为：
F(n)＝[f1(n)f2(n)f3(n)f4(n)]T
再对以上的时域声音信号进行快速傅利叶转换，将其转换为频域信号：
其中：w(n)为窗函数，m为窗函数每次移动的点数，N为帧长。
对于两个麦克风阵列接收到的信号y1、y2，傅立叶变换后结果为Y1、Y2，分别做交叉频谱计算。各频点舍弃幅度值仅保留相位信息，加权操作后做傅立叶逆变换，得到信号间互相关值Ry1y2(n):
上式中，ζy1，ζy2为信号Y1、Y2频点对应加权值，在这里采用的权重函数为:
上式中，ε为避免互频谱模值过小导致结果溢出而设置的微小常数。信号取得最大互相关值时对应的时间索引就是信号到达时差估计值。因此，取Ry1y2(n)最大值对应的n值为第一时间差，即TDOA估计：
Ty1，y2＝argmax[Ry1y2(n)]
步骤S14：至少基于第一时间差和不同麦克风阵列的位置来确定用户所在的位置。
结合步骤S12中获得的第一时间差和不同麦克风阵列(麦克风y1和y2)的位置，能够确定用户所在的位置。以普通家用车为例，车内大致可以分为四个位置：驾驶员位、副驾驶位、左后乘员位、右后乘员位。从每个位置发出的语音到达位于不同的固定位置处的麦克风y1和y2的时间差都会是不同的，据此，通过第一时间差能够粗略判断出发出语音的用户所在的位置。
为了更准确地确定用户所在的位置，可以采用多组麦克风阵列来执行基于时延估计的声源定位。具体来说，麦克风阵列可包括第一组麦克风阵列和第二组麦克风阵列，第一组麦克风阵列包括第一麦克风阵列和第二麦克风阵列，其中每个又可以由一个或多个麦克风组成。通过第一组麦克风阵列，能够计算出唤醒识别语音的波前分别到达第一麦克风阵列和第二麦克风阵列之间的时延，即，第一时间差。类似地，第二组麦克风阵列包括第三麦克风阵列和第四麦克风阵列，通过第二组麦克风阵列，能够计算出唤醒识别语音的波前分别到达第三麦克风阵列和第四麦克风阵列之间的时延，即，第二时间差。多次计算所得的不同时间差能够用来确定一种时间差统计值，进而结合麦克风阵列的物理位置可以用来确定发出语音的用户所在的位置。应理解，还可以在车内设置更多组麦克风阵列，其中每组阵列由两个或更多个不同位置的麦克风阵列组成，以用于综合地确定多组时间差，以便经统计或过滤来更准确地确定用户所在的位置。
就麦克风阵列的位置而言，为了确定波前到达不同麦克风阵列的时间差，有必要将同一组阵列内的不同麦克风阵列置于不同的位置。作为示例，第一麦克风阵列设置于汽车内第一位置，第二麦克风阵列设置于汽车内第二位置，第一位置远离第二位置。它们对应的(唤醒识别语音)波前到达时间可用来确定第一时间差。另外，第三麦克风阵列设置于汽车内第三位置，第四麦克风阵列设置于汽车内第四位置，第三位置远离第四位置，同时，第三位置靠近第一位置，第四位置靠近第二位置。作为示例，第一位置和第三位置位于车顶的前侧，相对靠近驾驶员头顶位置，第二和第四位置位于B柱左侧，相对靠近驾驶员左后方。
基于第一时间差、第二时间差和麦克风阵列的位置可以更准确地确定用户所在的位置，第一时间差、第二时间差的组合分别对应车内四个位置的信息。具体来说，根据第一、第二时间差的正负取值，有四种组合：++、+-、-+、--，它们分别对应主驾驶位，左后乘员位、副驾驶位、右后乘员位。备选地，对于一个语音帧而言，可得到基于4路麦克风阵列的四个位置打分结果score1、score2、score3、score4。在进行车内声源定位决策时，可以保存一段时间内(例如500ms)的历史数据；当TDOA估计结果可靠时，定位决策以TDOA估计结果为主；在TDOA估计不准确情况下，利用打分结果来辅助定位，从而提升声源定位准确度。
作为对上述第一实施例的改进，上述方法还包括基于用户所在的位置对用户语音进行响应的步骤。这种响应可以由所唤醒的智能用户装置来进行，以可以由车载主控单元来执行。备选地，响应也可以由智能用户装置和车载主控单元联合执行。
在智能用户装置被唤醒之后的一段时间内所捕获的用户语音可以用来确定用户的控制意图，例如，用户说出“有点冷”，智能用户装置可识别出语音并能够确定用户的意图是：关闭或调低车内空调的制冷模式。智能用户装置可通知车载主控单元对用户意图进行响应，即，关闭制冷模式或调低空调风速。
智能装置或主控单元对驾驶员和乘员发出的语音都可进行响应，这种响应例如包括：播放音乐，查询天气、路况信息，控制车窗升降，调节空调等。但是，优选情况下，对驾驶员发出的语音的响应级别高于对乘员发出的语音的响应级别。作为示例，切换驾驶模式、启动智能巡航、打开导航功能、控制车窗升降可以仅由驾驶员来控制，因此，包括以上关键词的驾驶员语音将得到智能装置或主控单元的响应，而包括以上关键词的乘员语音将不会得到响应。另外，关于播放音乐、查询天气的乘员语音和驾驶员语音都能够得到响应。因此，智能装置或主控单元会以更高的响应级别来响应驾驶员语音。
本发明第二实施例提供一种车内声源定位装置20，其包括唤醒识别单元201、时间差计算单元203以及位置判定单元205，以及可选的多个麦克风阵列202，如图3所示。
具体来说，唤醒识别单元201识别语音源发出的语音以提取唤醒识别语音，唤醒识别语音可以包括唤醒关键词对应的语音以及在唤醒之后一定时间内捕获的语音。
时间差计算单元203与唤醒识别单元201耦合，其用于计算唤醒识别语音的波前到达第一组麦克风阵列(包括第一麦克风阵列和第二麦克风阵列)的第一时间差，还可以计算波前到达第二组麦克风阵列(包括第三麦克风阵列和第四麦克风阵列)的第二时间差。为了简便起见，图3中仅示出一个麦克风阵列202。
位置判定单元205与时间差计算单元203耦合，以基于第一时间差和麦克风阵列202的位置来确定发出语音的用户所在的车内位置。更优选地，位置判定单元205结合第一时间差、第二时间差以及两组不同麦克风阵列的位置来综合判定用户所在的位置。
麦克风阵列202可以作为声源定位装置20的一部分设置于其内，这时，麦克风阵列202可直接采集用户发出的语音并传送给唤醒识别单元201。备选地，麦克风阵列202独立于声源定位装置20，但能够与其相集成来实现声源定位功能。
作为示例，麦克风阵列为四个独立阵列，包括设置于汽车内第一位置的第一麦克风阵列、设置于汽车内第二位置的第二麦克风阵列、设置于汽车内第三位置的第三麦克风阵列、以及，设置于汽车内第四位置的第四麦克风阵列。第一位置和第三位置可位于驾驶员左后侧，第二和第二位置可以位于驾驶员头顶的汽车顶棚。
根据本发明一些实施例，还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有一批机器可执行指令，这些机器可执行指令在由处理器执行时，可实现上述第一实施例提供的定位汽车内语音源的方法。
根据本发明又一些实施例，提供一种车载智能系统，其配置成对用户语音进行响应，该系统中包括由上述第二实施例提供的声源定位装置。
这种车载智能系统不仅能够基于用户语音被唤醒，以及确定发出语音的用户所在的位置，还能够以更高响应级别来响应驾驶员发出的语音，而以较低响应级别来响应乘员发出的语音。这增加了行车安全，避免驾驶员在驾驶中受到干扰。
在本发明的一些实施例中，系统的至少一部分可采用通信网络所连接的一组分布式计算装置来实现，或，基于“云”来实现。在这种系统中，多个计算装置共同操作，以通过使用其共享资源来提供服务。
本领域的技术人员将会理解，结合本文中所公开的方面所描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了表明硬件和软件间的可互换性，各种说明性部件、块、模块、电路和步骤在上文根据其功能性总体地进行了描述。这样的功能性是实现为硬件还是软件将取决于特定应用以及对总体系统所施加的设计限制。技术人员可以针对具体的特定应用、按照变化的方式来实现所描述的功能性，但是，这样的实现方式决策不应当被理解为引起与本发明范围的背离。
上述说明仅针对于本发明的优选实施例，并不在于限制本发明的保护范围。本领域技术人员可能作出各种变形设计，而不脱离本发明的思想及附随的权利要求。
Claims (15)
1.一种定位汽车内语音源的方法，包括：
识别语音源发出的语音，以提取唤醒识别语音；
计算所述唤醒识别语音的波前分别到达不同麦克风阵列的第一时间差；以及
至少基于所述第一时间差和所述不同麦克风阵列的位置来确定用户所在的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
基于用户所在的位置对用户语音进行响应。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：
计算所述唤醒识别语音的波前分别到达所述不同麦克风阵列的第二时间差；
基于所述第一时间差、所述第二时间差和所述不同麦克风阵列的位置来确定用户所在的位置。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述麦克风阵列包括：
设置于汽车内第一位置的第一麦克风阵列；
设置于汽车内第二位置的第二麦克风阵列；
设置于汽车内第三位置的第三麦克风阵列；
设置于汽车内第四位置的第四麦克风阵列；
其中，所述第二位置远离所述第一位置，所述第三位置靠近所述第一位置，所述第四位置靠近所述第二位置。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一时间差为所述唤醒识别语音的波前分别到达所述第一麦克风与所述第二麦克风的时间间隔的统计值，所述第二时间差为所述唤醒识别语音的波前分别到达所述第三麦克风与所述第四麦克风的时间间隔的统计值。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，计算所述唤醒识别语音的波前分别到达不同麦克风阵列的第一时间差包括：
将所述唤醒识别语音的波前到达所述第一麦克风和第二麦克风的第一时域信号和第二时域信号分别转换为第一频域信号和第二频域信号；
对所述第一频域信号和第二频域信号进行交叉频谱计算，以确定所述第一时间差。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述唤醒识别包括：
提取所述语音源发出的语音的FBANK特征；
计算所述语音的每一帧的后验概率；以及
利用有限状态转换机来构成状态跳转结构，来确定是否存在所述唤醒识别语音。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于用户所在的位置对用户语音进行响应包括：
对驾驶员发出的语音的响应级别高于对乘员发出的语音的响应级别。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，还包括：
对所述语音源发出的语音进行前端增强处理以去除回声消息和噪声信息。
10.一种车内声源定位装置，包括：
唤醒识别单元，识别语音源发出的语音以提取唤醒识别语音；
时间差计算单元，与所述唤醒识别单元耦合，用于计算所述唤醒识别语音的波前分别到达不同麦克风阵列的第一时间差；以及
位置判定单元，至少基于所述第一时间差和所述不同麦克风阵列的位置来确定用户所在的位置。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述装置进一步配置成：
计算所述唤醒识别语音的波前分别到达所述不同麦克风阵列的第二时间差；
基于所述第一时间差、所述第二时间差和所述不同麦克风阵列的位置来确定用户所在的位置。
12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述麦克风阵列包括：
设置于汽车内第一位置的第一麦克风阵列；
设置于汽车内第二位置的第二麦克风阵列；
设置于汽车内第三位置的第三麦克风阵列；
设置于汽车内第四位置的第四麦克风阵列；
其中，所述第二位置远离所述第一位置，所述第三位置靠近所述第一位置，所述第四位置靠近所述第二位置。
13.一种计算机可读存储介质，其上存储有一批机器可执行指令，所述机器可执行指令在由处理器执行时，实现权利要求1-9中任一项所述的方法。
14.一种车载智能系统，配置成对用户语音进行响应，所述系统包括如权利要求10-12中任一项所述的声源定位装置。
15.根据权利要求14所述的系统，配置成：
与针对乘员发出的语音的响应级别相比，以更高响应级别来响应驾驶员发出的语音。
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