CN113050035B - 一种二维定向拾音方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种二维定向拾音方法，包括：获取麦克风阵列接收到的时域的目标信号；对时域的目标信号进行傅里叶变换，得到时频域的目标信号；通过二维DOA估计，得到每帧的时频域的目标信号中的俯仰角和方位角；通过超指向空间波束形成权值，将每帧的目标信号在频域进行加权求和，得到初步增强的目标方位语音信号；将麦克风阵列中的相邻通道的时频域的目标信号通过延迟求和空间波束形成权值在频域进行加权相减，得到多通道噪声信号，并进行滤波后得到目标方向语音信号的时频域形式；当俯仰角偏差大于角度偏差阈值，或者方位角偏差大于方位角的角度偏差阈值，更新滤波器权值；将目标方向语音信号的时频域形式进行短时傅里叶逆变换，得到最终目标信号。

Description

一种二维定向拾音方法及装置
技术领域
本发明涉及数据处理技术领域，尤其涉及一种二维定向拾音方法及装置。
背景技术
现有技术中，可以根据麦克风阵列定位得到目标声音的角度信息，基于此，使麦克风阵列形成指向实际方向的波束，但是，其只能进行一维定位，角度信息不准确，拾取的语音中干扰残留角度，效果较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种二维定向拾音方法及装置，以解决现有技术中存在的问题。
为解决上述问题，第一方面，本发明提供了一种二维定向拾音方法，所述二维定向拾音方法包括：
获取麦克风阵列接收到的时域的目标信号；
对所述时域的目标信号进行傅里叶变换，得到时频域的目标信号；
将所述时频域的目标信号通过二维DOA估计，得到每帧的所述时频域的目标信号中的俯仰角和方位角；
通过超指向空间波束形成权值，将每帧的所述时频域的目标信号在频域进行加权求和，得到初步增强的目标方位语音信号；
将所述麦克风阵列中的相邻通道的时频域的目标信号通过延迟求和空间波束形成权值在频域进行加权相减，得到多通道噪声信号；
计算所述目标信号中的俯仰角与目标方位的俯仰角偏差，以及所述目标信号中的方位角与目标方位的方位角偏差；
将所述初步增强的目标方位语音信号和所述多通道噪声信号通过自适应滤波算法进行滤波，得到目标方向语音信号的时频域形式；
当所述俯仰角偏差大于所述角度偏差阈值，或者所述方位角偏差大于所述方位角的角度偏差阈值，更新滤波器权值；
将所述目标方向语音信号的时频域形式进行短时傅里叶逆变换，得到最终目标信号。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
当所述俯仰角偏差不大于所述角度偏差阈值，以及所述方位角偏差不大于所述方位角的角度偏差阈值，不更新滤波器权值。
在一种可能的实现方式中，所述方法之前还包括：
设置超指向空间波束形成权值，所述超指向空间波束的主瓣方向为目标信号。
在一种可能的实现方式中，所述方法之前还包括：
设置延迟求和空间波束形成权值，所述延迟求和空间波束形成权值主瓣方向为目标信号。
在一种可能的实现方式中，所述自适应滤波算法为最小均方算法LMS、NLMS算法、最小二乘法RLS中的任意一种。
第二方面，本发明提供了一种二维定向拾音装置，所述二维定向拾音装置包括：
获取单元，所述获取单元用于获取麦克风阵列接收到的时域的目标信号；
变换单元，所述变换单元用于对所述时域的目标信号进行傅里叶变换，得到时频域的目标信号；
估计单元，所述估计单元用于将所述时频域的目标信号通过二维DOA估计，得到每帧的所述时频域的目标信号中的俯仰角和方位角；
加权单元，所述加权单元用于通过超指向空间波束形成权值，将每帧的所述时频域的目标信号在频域进行加权求和，得到初步增强的目标方位语音信号；
所述加权单元还用于，将所述麦克风阵列中的相邻通道的时频域的目标信号通过延迟求和空间波束形成权值在频域进行加权相减，得到多通道噪声信号；
计算单元，所述计算单元用于计算所述目标信号中的俯仰角与目标方位的俯仰角偏差，以及所述目标信号中的方位角与目标方位的方位角偏差；
滤波单元，所述滤波单元用于将所述初步增强的目标方位语音信号和所述多通道噪声信号通过自适应滤波算法进行滤波，得到目标方向语音信号的时频域形式；
更新单元，所述更新单元用于当所述俯仰角偏差大于所述角度偏差阈值，或者所述方位角偏差大于所述方位角的角度偏差阈值，更新滤波器权值；
所述变换单元还用于将所述目标方向语音信号的时频域形式进行短时傅里叶逆变换，得到最终目标信号。
在一种可能的实现方式中，所述更新单元还用于，
当所述俯仰角偏差不大于所述角度偏差阈值，以及所述方位角偏差不大于所述方位角的角度偏差阈值，不更新滤波器权值。
在一种可能的实现方式中，所述装置还包括设置单元；
方法之前还包括：
所述设置单元用于，设置超指向空间波束形成权值，所述超指向空间波束的主瓣方向为目标信号。
在一种可能的实现方式中，所述设置单元还用于，设置延迟求和空间波束形成权值，所述延迟求和空间波束形成权值主瓣方向为目标信号。
在一种可能的实现方式中，所述自适应滤波算法为最小均方算法LMS、NLMS算法、最小二乘法RLS中的任意一种。
第三方面，本发明提供了一种设备，包括存储器和处理器，存储器用于存储程序，处理器用于执行第一方面任一所述的方法。
第四方面，本发明提供了一种包含指令的计算机程序产品，当计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行如第一方面任一所述的方法。
第五方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如第一方面任一所述的方法。
通过应用本发明实施例提供的二维定向拾音方法，通过获取目标的二维角度信息，同时利用空间波束形成技术有效获取更为准确的语音信号和噪声信号，并在基础上结合了角度判断和自适应滤波技术，使得拾取的目标语音更为干净。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的二维定向拾音方法流程示意图；
图2为本发明实施例一提供的麦克风阵列示意图；
图3为本发明实施例二提供的二维定向拾音装置结构示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包括。例如包括了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
图1为本发明实施例一提供的二维定向拾音方法流程示意图，该方法的执行主体为终端、服务器等具有计算功能的设备。以下结合图1对本发明技术方案进行详述。
步骤110，获取麦克风阵列接收到的时域的目标信号。
参见图2的麦克风阵列，在步骤110之前，需要设置俯仰角的角度误差阈值和方位角的角度误差阈值，设置超指向空间波束形成权值，超指向空间波束的主瓣方向为目标信号。设置延迟求和空间波束形成权值，延迟求和空间波束形成权值主瓣方向为目标信号。目标信号方位的俯仰角θ，如30度方向，方位角
Figure BDA0002973138600000051
如60度方向。
步骤120，对时域的目标信号进行傅里叶变换，得到时频域的目标信号。
其中，麦克风阵列可以接收到时域的目标信号，由于语音信号具有短时平稳特征，一般都是变换到短时时频域进行分析处理，因此，将该目标信号进行短时傅里叶变化，得到时频域的目标信号。可以表示为x(t，k)，t表示帧数，k表示频率。
步骤130，将时频域的目标信号通过二维波达方位(direction of arrival,DOA)估计，得到每帧的时频域的目标信号中的俯仰角和方位角。
具体的，可以通过常用的方法，比如波束形成类算法、子空间类算法、解卷积算法中的任意一种进行DOA估计，从而实时的得到每帧信号的DOA估计值。其中，目标信号每一帧的俯仰角为
Figure BDA0002973138600000052
方位角为
Figure BDA0002973138600000053
步骤140，通过超指向空间波束形成权值，将每帧的时频域的目标信号在频域进行加权求和，得到初步增强的目标方位语音信号。
超指向空间波束会得到一系列权值w，然后与每帧的时频域的目标信号x点乘得到y，将每帧对应的y相加即为初步增强的目标方位语音信号。
步骤150，将麦克风阵列中的相邻通道的时频域的目标信号通过延迟求和空间波束形成权值在频域进行加权相减，得到多通道噪声信号。
具体的，麦克风阵列具有一定的通道数，比如4个麦克风接收到4通道，那么1和2通道就是相邻通道，2和3通道，此时，每一个通道都具有一个时频域的目标信号，将相邻通道的时目标信号进行加权相减，得到多通道噪声信号。
步骤160，计算目标信号中的俯仰角与目标方位的俯仰角偏差，以及目标信号中的方位角与目标方位的方位角偏差。
具体的，俯仰角偏差为
Figure BDA0002973138600000061
以及方位角偏差为
Figure BDA0002973138600000062
步骤170，将初步增强的目标方位语音信号和多通道噪声信号通过自适应滤波算法进行滤波，得到目标方向语音信号的时频域形式。
具体的，通过自适应滤波算法以消除残余噪声，得到目标方向语音信号的时频域形式，该目标方向语音信号的时频域形式属于进一步增强的信号。其中，自适应滤波算法可以为最小均方(Least Mean Square LMS)算法LMS、归一化(normalized LMS，NLMS)算法、最小二乘法(ordinary least squares，RLS)中的任意一种。
步骤180，当俯仰角偏差大于角度偏差阈值，或者方位角偏差大于方位角的角度偏差阈值，更新滤波器权值。
具体的，θerror(t，k)＞∈θ或者
Figure BDA0002973138600000063
则更新滤波器权值，否则不更新滤波器权重；其中，俯仰角的角度误差阈值∈θ为一预设值，方位角的角度误差阈值
Figure BDA0002973138600000064
也为一预设值，可以根据经验进行设定。
步骤190，将目标方向语音信号的时频域形式进行短时傅里叶逆变换，得到最终目标信号。
具体的，对目标方向语音信号的时频域形式进行短时傅里叶逆变换，可以得到时域形式的目标方向语音信号，该目标方向语音信号为最终增强的语音信号。
通过应用本发明实施例提供的二维定向拾音方法，通过获取目标的二维角度信息，同时利用空间波束形成技术有效获取更为准确的语音信号和噪声信号，并在基础上结合了角度判断和自适应滤波技术，使得拾取的目标语音更为干净。
图3为本发明实施例二提供的二维定向拾音装置结构示意图，该二维定向拾音装置应用在二维定向拾音中，该二维定向拾音装置包括获取单元310，变换单元320，估计单元330，加权单元340，计算单元350，滤波单元360和更新单元370。
获取单元310用于获取麦克风阵列接收到的时域的目标信号；
变换单元320用于对时域的目标信号进行傅里叶变换，得到时频域的目标信号；
估计单元330用于将时频域的目标信号通过二维波达方位DOA估计，得到每帧的时频域的目标信号中的俯仰角和方位角；
加权单元340用于通过超指向空间波束形成权值，将每帧的时频域的目标信号在频域进行加权求和，得到初步增强的目标方位语音信号；
加权单元340还用于，将麦克风阵列中的相邻通道的时频域的目标信号通过延迟求和空间波束形成权值在频域进行加权相减，得到多通道噪声信号；
计算单元350用于计算目标信号中的俯仰角与目标方位的俯仰角偏差，以及目标信号中的方位角与目标方位的方位角偏差；
滤波单元360用于将初步增强的目标方位语音信号和多通道噪声信号通过自适应滤波算法进行滤波，得到目标方向语音信号的时频域形式；
更新单元370用于当俯仰角偏差大于角度偏差阈值，或者方位角偏差大于方位角的角度偏差阈值，更新滤波器权值；
变换单元320还用于将目标方向语音信号的时频域形式进行短时傅里叶逆变换，得到最终目标信号。
进一步的，更新单元370还用于，
当俯仰角偏差不大于角度偏差阈值，以及方位角偏差不大于方位角的角度偏差阈值，不更新滤波器权值。
进一步的，装置还包括设置单元380，设置单元用于，设置超指向空间波束形成权值，超指向空间波束的主瓣方向为目标信号。
进一步的，设置单元还用于，设置延迟求和空间波束形成权值，延迟求和空间波束形成权值主瓣方向为目标信号。
进一步的，自适应滤波算法为最小均方算法LMS、归一化NLMS算法、最小二乘法RLS中的任意一种。
通过应用本发明实施例提供的二维定向拾音装置，通过获取目标的二维角度信息，同时利用空间波束形成技术有效获取更为准确的语音信号和噪声信号，并在基础上结合了角度判断和自适应滤波技术，使得拾取的目标语音更为干净。
发明实施例三提供了一种设备，包括存储器和处理器，存储器用于存储程序，存储器可通过总线与处理器连接。存储器可以是非易失存储器，例如硬盘驱动器和闪存，存储器中存储有软件程序和设备驱动程序。软件程序能够执行本发明实施例提供的上述方法的各种功能；设备驱动程序可以是网络和接口驱动程序。处理器用于执行软件程序，该软件程序被执行时，能够实现本发明实施例一提供的方法。
本发明实施例四提供了一种包含指令的计算机程序产品，当计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行本发明实施例一提供的方法。
本发明实施例五提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例一提供的方法。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种二维定向拾音方法，其特征在于，所述二维定向拾音方法包括：
获取麦克风阵列接收到的时域的目标信号；
对所述时域的目标信号进行傅里叶变换，得到时频域的目标信号；
将所述时频域的目标信号通过二维波达方位DOA估计，得到每帧的所述时频域的目标信号中的俯仰角和方位角；
通过超指向空间波束形成权值，将每帧的所述时频域的目标信号在频域进行加权求和，得到初步增强的目标方位语音信号；
将所述麦克风阵列中的相邻通道的时频域的目标信号通过延迟求和空间波束形成权值在频域进行加权相减，得到多通道噪声信号；
计算所述目标信号中的俯仰角与目标方位的俯仰角偏差，以及所述目标信号中的方位角与目标方位的方位角偏差；
将所述初步增强的目标方位语音信号和所述多通道噪声信号通过自适应滤波算法进行滤波，得到目标方向语音信号的时频域形式；
当所述俯仰角偏差大于角度偏差阈值，或者所述方位角偏差大于所述方位角的角度偏差阈值，更新滤波器权值；
将所述目标方向语音信号的时频域形式进行短时傅里叶逆变换，得到最终目标信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当所述俯仰角偏差不大于角度偏差阈值，以及所述方位角偏差不大于所述方位角的角度偏差阈值，不更新滤波器权值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法之前还包括：
设置超指向空间波束形成权值，所述超指向空间波束的主瓣方向为目标信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法之前还包括：
设置延迟求和空间波束形成权值，所述延迟求和空间波束形成权值主瓣方向为目标信号。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述自适应滤波算法为最小均方算法LMS、NLMS算法、最小二乘法RLS中的任意一种。
6.一种二维定向拾音装置，其特征在于，所述二维定向拾音装置包括：
获取单元，所述获取单元用于获取麦克风阵列接收到的时域的目标信号；
变换单元，所述变换单元用于对所述时域的目标信号进行傅里叶变换，得到时频域的目标信号；
估计单元，所述估计单元用于将所述时频域的目标信号通过二维DOA估计，得到每帧的所述时频域的目标信号中的俯仰角和方位角；
加权单元，所述加权单元用于通过超指向空间波束形成权值，将每帧的所述时频域的目标信号在频域进行加权求和，得到初步增强的目标方位语音信号；
所述加权单元还用于，将所述麦克风阵列中的相邻通道的时频域的目标信号通过延迟求和空间波束形成权值在频域进行加权相减，得到多通道噪声信号；
计算单元，所述计算单元用于计算所述目标信号中的俯仰角与目标方位的俯仰角偏差，以及所述目标信号中的方位角与目标方位的方位角偏差；
滤波单元，所述滤波单元用于将所述初步增强的目标方位语音信号和所述多通道噪声信号通过自适应滤波算法进行滤波，得到目标方向语音信号的时频域形式；
更新单元，所述更新单元用于当所述俯仰角偏差大于角度偏差阈值，或者所述方位角偏差大于所述方位角的角度偏差阈值，更新滤波器权值；
所述变换单元还用于将所述目标方向语音信号的时频域形式进行短时傅里叶逆变换，得到最终目标信号。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述更新单元还用于，
当所述俯仰角偏差不大于角度偏差阈值，以及所述方位角偏差不大于所述方位角的角度偏差阈值，不更新滤波器权值。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括设置单元；方法之前还包括：
所述设置单元用于，设置超指向空间波束形成权值，所述超指向空间波束的主瓣方向为目标信号。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述设置单元还用于，设置延迟求和空间波束形成权值，所述延迟求和空间波束形成权值主瓣方向为目标信号。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述自适应滤波算法为最小均方算法LMS、NLMS算法、最小二乘法RLS中的任意一种。
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