CN111479204B - 适用于人工耳蜗的增益调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于人工耳蜗的增益调节方法，其包括如下步骤：(A)对输入音频信号进行指标采样；(B)慢速增益处理：首先压缩超出慢速阈值的部分能量，然后施加慢速时滞并进行慢速平滑处理，得到最终慢速增益；快速增益处理：首先选取快速阈值，其次压缩超出该快速阈值的部分能量，最后施加快速时滞并进行快速平滑处理，得到最终快速增益；(C)在该最终慢速增益与该最终快速增益中选择绝对值大者作为最终施加增益。该增益调节方法通过双回路增益调节，可根据输入音频信号自动动态施加增益，在信号不失真的情况下有效地将输出声音信号调节至较为舒适的大小，增强了使用者的聆听效果。

Description

适用于人工耳蜗的增益调节方法
技术领域
本发明涉及一种增益调节方法，尤其涉及一种适用于人工耳蜗的增益调节方法。
背景技术
人工耳蜗是目前世界公认的能使双侧重度或极重度感音神经性耳聋患者恢复听觉的唯一有效方法及装置。现有的人工耳蜗运作流程为：声音先由麦克风采集转换为电信号，经过特殊的数字化处理，再按照一定的策略编码，通过载在耳后的发射线圈传送到体内，植入体的接收线圈感应到信号后，经过解码芯片解码，使植入体的刺激电极产生电流，从而刺激听神经产生听觉。由于使用环境的限制，声音中必然掺杂着环境噪声，需要对声音信号进行一定的优化处理，以达到最佳的听觉效果。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于人工耳蜗的增益调节方法，其能自动动态施加增益。
为实现上述目的，本发明提供了一种适用于人工耳蜗的增益调节方法，其包括如下步骤：(A)对输入音频信号进行指标采样，其中，该输入音频信号为外界声音信号在系统采样频率下的数字信号，该指标包括快速指标，慢速低通滤波指标，及其斜率指标，该快速指标为使用均方根计算该输入音频信号的能量而得到的短时间能量，该慢速低通滤波指标为在该快速指标的基础上通过50Hz巴特沃斯滤波器取得的平均能量，该斜率指标为该慢速低通滤波指标的斜率大小；(B)慢速增益处理：首先，在该慢速低通滤波指标的基础上，压缩超出慢速阈值的部分能量，得到初始慢速增益；然后，在该初始慢速增益上施加慢速时滞并进行慢速平滑处理，得到最终慢速增益；快速增益处理：首先，根据当前背景噪声选取快速阈值，当该斜率指标超过斜率阈值且该输入音频信号能量超过该快速阈值时开启快速增益计算，同时，将该慢速计时器调至零；其次，在该慢速低通滤波指标的基础上，压缩超出该快速阈值的部分能量，得到初始快速增益；最后，在该初始快速增益上施加快速时滞并进行快速平滑处理，得到最终快速增益，该快速时滞的快速计时器初始值为不为零的设定值；其中，压缩该初始慢速增益采用的压缩比例小于压缩该初始快速增益采用的压缩比例，该慢速平滑处理采用的响应时间、恢复时间均大于该快速平滑处理采用的响应时间、恢复时间；(C)在该最终慢速增益与该最终快速增益中选择绝对值大者作为最终施加增益。
在步骤B的慢速增益处理中，该慢速时滞的慢速计时器初始值为零，当该输入音频信号能量上升时，该慢速计时器开始上升，实时输出该最终慢速增益，当该输入音频信号能量下降时，该慢速计时器开始下降，该最终慢速增益保持不变，当该慢速计时器降至零时，重新实时输出该最终慢速增益。进一步，当该慢速计时器上升至设定的最大值时，该慢速计时器不再上升，但仍实时输出该最终慢速增益。
在步骤B的慢速增益处理中，该慢速平滑处理采用一阶无限长脉冲响应低通滤波器。
在步骤B的慢速增益处理中，该慢速阈值取63dB,压缩比例取3。
在步骤B的快速增益处理中，该快速阈值随着背景噪音的提高而提高。
在步骤B的快速增益处理中，压缩比例取30，当处于安静模式时，该快速阈值取65dB，当背景噪音小于35dB时，该快速阈值取70B，当背景噪音大于等于35dB时，该快速阈值取80dB。
在步骤B的快速增益处理中，该快速平滑处理采用一阶无限长脉冲响应低通滤波器。
在步骤C中，将该最终施加增益转换为线性并拓展一定倍数后施加在该输入音频信号上，其中，拓展倍数由该快速指标的均方根样点数确定。
本发明适用于人工耳蜗的增益调节方法通过双回路增益调节，可根据输入音频信号自动动态施加增益，在信号不失真的情况下有效地将输出声音信号调节至较为舒适的大小，增强了使用者的聆听效果，同时，当出现短暂的大声音时，可以实时将其压缩至使用者可接受的的舒适范围，从而减小短暂且高强度的大声音对于使用者的影响。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明适用于人工耳蜗的增益调节方法的简单流程图。
图2是本发明适用于人工耳蜗的增益调节方法的详细流程图
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种适用于人工耳蜗的增益调节方法，其包括指标采样，双回路增益处理，及其增益施加三个步骤。
如图2所示，指标采样：对输入音频信号进行指标采样，其中，该输入音频信号为外界声音信号在系统采样频率下的数字信号，该指标包括快速指标，慢速低通滤波指标，及其斜率指标，该快速指标为使用均方根计算该输入音频信号的能量而得到的短时间能量，其作用类似于低通滤波，去除原始数据的高频振荡，同时得到实时变化，该慢速低通滤波指标为在该快速指标的基础上通过50Hz巴特沃斯滤波器取得的平均能量，该斜率指标为该慢速低通滤波指标的斜率大小，用来实时监测该输入音频信号的变化速率，得出突发大声音。
双回路增益处理：包括慢速增益处理和快速增益处理，两者同步进行，其中，该快速增益处理主要用于减少短暂突然大声音的输入对于使用者的影响，相较于该慢速增益处理，其对该输入音频信号的压缩更大，且响应更快。
慢速增益处理：首先，在该慢速低通滤波指标的基础上，压缩超出慢速阈值的部分能量，得到初始慢速增益；然后，在该初始慢速增益上施加慢速时滞并进行慢速平滑处理，得到最终慢速增益，该慢速时滞的慢速计时器初始值为零，当该输入音频信号能量上升时，该慢速计时器开始上升，实时输出该最终慢速增益，当该慢速计时器上升至设定的最大值时，该慢速计时器不再上升，但仍实时输出该最终慢速增益，当该输入音频信号能量下降时，该慢速计时器开始下降，该最终慢速增益保持不变，当该慢速计时器降至零时，重新实时输出该最终慢速增益，该慢速时滞可以避免由于该输入音频信号的短暂间隔，如正常说话语句间的暂停，带来输出信号的不稳定性，当该输入音频信号能量减小时，该慢速时滞可以使该最终慢速增益维持在一较小值而无法与该输入音频信号一起变化直到该慢速计时器降至零，从而有效延长该输入音频信号的恢复时间，该慢速平滑处理采用一阶无限长脉冲响应低通滤波器，使该最终慢速增益更加自然。
快速增益处理：首先，根据当前背景噪声选取快速阈值，若背景噪声较低，则取对应的低值，若背景噪音较高，则取对应的高值，即，该快速阈值随着背景噪音的提高而提高，当该斜率指标超过斜率阈值且该输入音频信号能量超过该快速阈值时开启快速增益计算，同时，将该慢速计时器调至零；其次，在该慢速低通滤波指标的基础上，压缩超出该快速阈值的部分能量，得到初始快速增益；最后，在该初始快速增益上施加快速时滞并进行快速平滑处理，得到最终快速增益，该快速时滞的快速计时器初始值为不为零的设定值，比如0.1秒，该快速计时器开始下降，实时输出该最终快速增益，直至该快速计时器降至零，该快速平滑处理采用一阶无限长脉冲响应低通滤波器。
压缩该初始慢速增益采用的压缩比例小于压缩该初始快速增益采用的压缩比例，该慢速平滑处理采用的响应时间、恢复时间均大于该快速平滑处理采用的响应时间、恢复时间。
增益施加：首先，在该最终慢速增益与该最终快速增益中选择绝对值大者作为最终施加增益，然后，将该最终施加增益转换为线性并拓展一定倍数后施加在该输入音频信号上，其中，拓展倍数由该快速指标的均方根样点数确定。
下面进一步说明该适用于人工耳蜗的增益调节方法。
指标采样：
取0.0005秒8个采样点为一组数据计算该快速指标xrms：
Figure BDA0002449915390000041
其中，N为采样点个数，xn为该输入音频信号；
对该快速指标施加50Hz巴特沃夫滤波器，得到该慢速低通滤波指标xslow[n]：
xslow[n]＝b0*xrms[n]+b1*xrms[n-1]-a1*xslow[n-1]；
将信号换算成dB能量后计算该斜率指标SlowSlope[n]：
Figure BDA0002449915390000042
其中，xdB[n]＝20*log10(abs(xslow[n]))。
慢速增益处理：
利用映射计算慢速能量xslowmapping[n]：
Figure BDA0002449915390000043
其中，Ts为该慢速阈值，可取63dB,Rs为压缩比例，可取3；
其对应的初始慢速增益gains[n]：
gains[n]＝xslowmapping[n]-xdB[n]；
当该输入音频信号能量上升时，该慢速计时器开始上升并进行该慢速平滑处理，输出该最终慢速增益gs[n]：
Figure BDA0002449915390000044
其中，αs为慢速启动时间系数，βs为慢速恢复时间系数，参数αs和βs的计算公式如下：
Figure BDA0002449915390000051
其中，τAs为慢速响应时间，可取0.3秒，τBs为慢速恢复时间，可取0.8秒，fs为该输入音频信号的频率；
该慢速计时器THslow[n+1]：
Figure BDA0002449915390000052
其中，Maxslow为该慢速计时器设定的最大值，可取0.5秒，
当该输入音频信号能量下降时，该慢速计时器开始下降，此时该最终慢速增益维持不变：
gs[n+1]＝gs[n]，
Figure BDA0002449915390000053
当该慢速计时器降至零，该最终慢速增益回复正常计算。
快速增益处理：
根据当前背景噪声选取该快速阈值Tf：
Figure BDA0002449915390000054
其中，安静模式需手动选取，另两个可自动选取，
当该输入音频信号能量大于该快速阈值，且该斜率指标也超过斜率阈值时开启快速增益计算，其中，该斜率阈值可为1，
利用映射计算快速能量xfastmapping[n]：
Figure BDA0002449915390000055
其中，Tf为该快速阈值，Rf为压缩比例，可取30；
其对应的初始快速增益gainf[n]：
gainf[n]＝xfastmapping[n]-xdB[n]；
该快速计时器开始下降并进行该快速平滑处理，输出该最终快速增益gf[n]，其中，该快速计时器的初始值可为0.05秒：
Figure BDA0002449915390000061
其中，αf为快速启动时间系数，βf为快速恢复时间系数，参数αf和βf的计算公式如下：
Figure BDA0002449915390000062
其中，τAf为快速响应时间，可取0.005秒，τBf为快速恢复时间，可取0.05秒，fs为该输入音频信号的频率；
该快速计时器THfast[n+1]：
Figure BDA0002449915390000063
当该快速计时器降至零，该最终快速增益停止计算。
增益施加：
选取绝对值大的增益作为最终增益：gdB[n]＝max{gs[n]|gf[n]}，
将该最终增益进行反对数计算，得出线性倍数：
Figure BDA0002449915390000064
由于最开始对该输入音频信号进行了8个采样点的均方根计算，因此需要拓展回原长度：glinExp[n]＝glinExp[n+1]＝…＝glinExp[n+7]＝glin[n]，
输出信号：yn＝xn*glinExp[n]。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种适用于人工耳蜗的增益调节方法，其包括如下步骤：(A)对输入音频信号进行指标采样，其中，该输入音频信号为外界声音信号在系统采样频率下的数字信号，该指标包括快速指标，慢速低通滤波指标，及其斜率指标，该快速指标为使用均方根计算该输入音频信号的能量而得到的短时间能量，该慢速低通滤波指标为在该快速指标的基础上通过50Hz巴特沃斯滤波器取得的平均能量，该斜率指标为该慢速低通滤波指标的斜率大小；(B)慢速增益处理：首先，在该慢速低通滤波指标的基础上，压缩超出慢速阈值的部分能量，得到初始慢速增益；然后，在该初始慢速增益上施加慢速时滞并进行慢速平滑处理，得到最终慢速增益，当该输入音频信号能量上升时，该慢速时滞的慢速计时器开始上升，实时输出该最终慢速增益，当该输入音频信号能量下降时，该慢速计时器开始下降，该最终慢速增益保持不变；快速增益处理：首先，根据当前背景噪声选取快速阈值，当该斜率指标超过斜率阈值且该输入音频信号能量超过该快速阈值时开启快速增益计算，同时，将该慢速计时器调至零；其次，在该慢速低通滤波指标的基础上，压缩超出该快速阈值的部分能量，得到初始快速增益；最后，在该初始快速增益上施加快速时滞并进行快速平滑处理，得到最终快速增益，该快速时滞的快速计时器初始值为不为零的设定值，该快速计时器开始下降，实时输出该最终快速增益，当该快速计时器降至零，该最终快速增益停止计算；其中，压缩该初始慢速增益采用的压缩比例小于压缩该初始快速增益采用的压缩比例，该慢速平滑处理采用的响应时间、恢复时间均大于该快速平滑处理采用的响应时间、恢复时间；(C)在该最终慢速增益与该最终快速增益中选择绝对值大者作为最终施加增益。
2.如权利要求1所述的增益调节方法，其特征在于：在步骤B的慢速增益处理中，该慢速计时器初始值为零，当该慢速计时器降至零时，重新实时输出该最终慢速增益。
3.如权利要求2所述的增益调节方法，其特征在于：当该慢速计时器上升至设定的最大值时，该慢速计时器不再上升，但仍实时输出该最终慢速增益。
4.如权利要求1所述的增益调节方法，其特征在于：在步骤B的慢速增益处理中，该慢速平滑处理采用一阶无限长脉冲响应低通滤波器。
5.如权利要求1所述的增益调节方法，其特征在于：在步骤B的慢速增益处理中，该慢速阈值取63dB,压缩比例取3。
6.如权利要求1所述的增益调节方法，其特征在于：在步骤B的快速增益处理中，该快速阈值随着背景噪音的提高而提高。
7.如权利要求1所述的增益调节方法，其特征在于：在步骤B的快速增益处理中，压缩比例取30，当处于安静模式时，该快速阈值取65dB，当背景噪音小于35dB时，该快速阈值取70B，当背景噪音大于等于35dB时，该快速阈值取80dB。
8.如权利要求1所述的增益调节方法，其特征在于：在步骤B的快速增益处理中，该快速平滑处理采用一阶无限长脉冲响应低通滤波器。
9.如权利要求1所述的增益调节方法，其特征在于：在步骤C中，将该最终施加增益转换为线性并拓展一定倍数后施加在该输入音频信号上，其中，拓展倍数由该快速指标的均方根样点数确定。
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