CN114596874A - 一种基于多麦克风的风噪抑制方法与装置 - Google Patents

一种基于多麦克风的风噪抑制方法与装置 Download PDF

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CN114596874A CN202210203571.XA CN202210203571A CN114596874A CN 114596874 A CN114596874 A CN 114596874A CN 202210203571 A CN202210203571 A CN 202210203571A CN 114596874 A CN114596874 A CN 114596874A
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Abstract

本发明公开了一种基于多麦克风的风噪抑制方法及装置，所述方法包括如下步骤：步骤S1，根据各麦克风的低频能量大小选择输出麦克风信号；步骤S2，根据所述输出麦克风信号与其他麦克风信号每个频点的能量大小关系对所述输出麦克风信号的风噪频点进行抑制；步骤S3，将主麦克风与其他麦克风信号进行差分，取低频信号进行风噪检测与风噪大小估计，结合风噪连续性特点进行风噪抑制。

Description

一种基于多麦克风的风噪抑制方法与装置
技术领域
本发明涉及音频信号处理技术领域，特别是涉及一种基于多麦克风的风噪抑制方法与装置。
背景技术
通信设备或者录音设备在户外使用时，不可避免的会受到风噪的影响，降低声音拾取的清晰度。风噪抑制一般分为主动和被动两种方法：被动风噪抑制是在麦克风外覆盖防风罩以减小进入到麦克风的风速，从而降低麦克风采集到的风噪能量；主动风噪抑制是在麦克风采集到的数字信号上对风噪声进行检测、估计和抑制。通常而言，主动风噪抑制相较于被动风噪抑制更容易引起目标音频信号的损失，被动风噪抑制则容易受限于设备大小和几何形状。本发明讨论的则是主动风噪抑制。
主动风噪抑制算法按麦克风数量可划分为单麦克的风噪抑制和多麦克的风噪抑制，其中，单麦克的风噪抑制是利用风噪的特征(频谱平坦度、高低频能量比、质心位置等)进行检测，估计和抑制，因为风噪通常相较目标信号而言能量较大，同时又是极不平稳的，所以仅凭一个麦克风信号很难兼顾风噪的抑制量和目标信号的保留量；多麦克的风噪抑制在单麦克的基础上，能够利用麦克风信号之间的相关信息，为风噪的抑制效果提供了保障。
多麦克风之间的风噪信号和其余音频信号具有很大的区别：因为风噪产生于气体流动对麦克风膜的直接推动，对于不同的麦克风，一般不会在同一时刻产生风噪，即便同一时刻出现风噪，多个风噪声的振幅和相位等信息也很难一致，对此，多麦克风之间的风噪抑制有两种方法：一可利用麦克风之间的相关性进行风噪的检测和抑制，但是相关性会用到较多的乘法操作和除法操作，计算量相对较大，且相关性会用到平滑操作，导致对于风噪的估计不够及时而影响检测和抑制效果；二、也可将多个麦克风置于不同的方向，如此风噪同时出现在所有麦克风的概率较小，可选择风噪较小的麦克风作为算法输出，该方法既可以减小风噪的影响，又可以几乎不损失目标信号，缺点是随着麦克风数量减少，风噪抑制效果会变差，且对于麦克风方向的要求限制了该方法的使用，且频繁的切换输出麦克信号必然影响听感。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种基于多麦克风的风噪抑制方法与装置，以在保证多麦克风的风噪抑制效果的前提下，使得其计算量也相对较小。
为达上述及其它目的，本发明提出一种基于多麦克风的风噪抑制方法，包括如下步骤：
步骤S1，根据各麦克风的低频能量大小选择输出麦克风信号；
步骤S2，根据所述输出麦克风信号与其他麦克风信号每个频点的能量大小关系对所述输出麦克风信号的风噪频点进行抑制。
优选地，步骤S1进一步包括：
步骤S100，对各麦克风信号进行分帧与时频变换，得到频域信号，取频域信号低频区间内的值计算低频幅值和或低频平均幅值；
步骤S101，比较各麦克风信号的低频幅值和或低频平均幅值，选择能量小的频域信号切换为输出麦克风信号。
优选地，在切换之后的规定时间内，不再做二次切换。
优选地，步骤S101中，进行麦克风切换时，在切换的前若干帧内先进行权重的平滑然后再进行完全的切换。
优选地，步骤S2进一步包括：
步骤S200，计算所述输出麦克风信号与其他麦克风信号的频域幅值向量；
步骤S201，比较所述输出麦克风信号与其他麦克风信号频域幅值向量的每一个频点大小，根据比较结果计算所述输出麦克风信号各频点的增益因子；
步骤S202，对每个频点选择最小的增益因子，利用增益因子对所述输出麦克风信号的频域信号进行抑制处理。
优选地，步骤S2包括：
步骤S2a，所述输出麦克风信号的麦克风作为主麦克风，选择一副麦克风，计算所述主麦克风信号与该副麦克风信号的频域幅值向量；
步骤S2b，比较所述主麦克风与该副麦克风信号频域幅值向量的每一个频点大小，根据比较结果计算所述主麦克风信号各频点的增益因子；
步骤S2c，利用增益因子对所述主麦克风信号的频域信号进行抑制处理；
步骤S2d，返回步骤S2a选择另一副麦克风，直至选择完所有副麦克风。
优选地，比较两个麦克风频域幅值的每一个频点大小，若满足
ampD1(k)>ampD2(k)*thr2
其中，k表示当前帧频点索引，thr2表示第k频点主麦克风与副麦克风幅值比阈值，则该频点的增益因子gain1(k)为：
gain1(k)＝ampD2(k)/ampD1(k)
否则，该频点的增益因子为1。
优选地，所述方法还包括：
步骤S3，对主麦克风与其他麦克风的频域信号进行差分，对风噪帧进行检测以及对风噪大小进行估计并抑制。
优选地，步骤S3进一步包括：
步骤S300，对主麦克风与其他麦克风的频域信号进行差分，得到差分信号diffD，并计算差分信号diffD的低频能量均值diffDM，并根据低频能量均值diffDM值的大小判定是否为风噪帧；
步骤S301，若当前帧判定为风噪帧，则不更新音频平均频域幅值smoothD，根据低频能量均值diffDM值的大小和smoothD大小估计风噪大小，否则更新音频平均频域幅值smoothD；
步骤S303，根据估计的风噪幅值计算风噪抑制因子，将风噪抑制因子作用于需输出的频谱上。
为达到上述目的，本发明还提供一种基于多麦克风的风噪抑制装置，包括：
输出麦克风信号选择单元，用于根据各麦克风的低频能量大小选择输出麦克风信号；
第一风噪抑制单元，用于根据所述输出麦克风信号与其他麦克风信号每个频点的能量大小关系对所述输出麦克风信号的风噪频点进行抑制。
与现有技术相比，本发明一种基于多麦克风的风噪抑制方法及装置，通过交换输出麦克风，取最小能量频点作为输出，并根据输出麦克风信号与其他麦克风信号每个频点的能量大小关系对输出麦克风信号的风噪频点进行抑制，而且利用麦克风信号差分结果进行风噪估计，不仅能够抑制绝大部分场景下的风噪声，也能降低算法的计算复杂度，具有较高的实用性。
附图说明
图1为本发明一种基于多麦克风的风噪抑制方法的步骤流程图；
图2为本发明一种基于多麦克风的风噪抑制装置的系统结构图；
图3为本发明第一实施例中第一风噪抑制单元的结构图；
图4为本发明第二实施例中第一风噪抑制单元的结构图；
图5为本发明实施例中基于多麦克风的风噪抑制方法的流程图；
图6为本发明实施例中步骤一的细部流程图。
图7为本发明实施例中步骤二的细部流程图；
图8为本发明实施例中步骤三的细部流程图；
图9为本发明实施例中基于多麦克风的风噪抑制装置的结构图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1为本发明一种基于多麦克风的风噪抑制方法的步骤流程图。如图1所示，本发明一种基于多麦克风的风噪抑制方法，包括如下步骤：
步骤S1，根据各麦克风的低频能量大小选择输出麦克风信号。
在本发明中，步骤S1进一步包括：
步骤S100，对各麦克风信号进行分帧与时频变换，得到频域信号D，取频域信号D低频区间内的值计算低频幅值和或低频平均幅值。
具体地，假设有n个麦克风，对各麦克风，将其时域信号d,进行分帧和离散傅里叶变换(DFT)，得到频域信号D,，并取频域信号D低频区间内的值计算低频幅值和或低频平均幅值EM。
在本发明一实施例中，选择一个低频截止频率点K，计算各麦克风信号频域信号D截止频率以下的低频幅值和M：
Figure BDA0003530552580000051
在本发明另一实施例中，选择一个低频截止频率点K，计算各麦克风信号频域信号D截止频率以下的低频平均幅值EM：
Figure BDA0003530552580000052
其中，EM表示各麦克风的低频平均幅值，k表示频点下标，abs表示求模操作。
步骤S101，比较各麦克风信号的低频幅值和或低频平均幅值，选择能量小的频域信号作为输出麦克风信号，将其对应的麦克风定义为主麦克风。
在本发明具体实施例中，以比较低频平均幅值为例说明，先选择一个麦克风作为主麦克风，选择一麦克风作为副麦克风，经过上述步骤S100，已将主麦克风的时域信号d1,进行分帧和离散傅里叶变换(DFT)，得到频域信号D1,，并取频域信号D1低频区间内的值得到低频平均幅值EM1，并将副麦克风时域信号d2进行分帧和离散傅里叶变换(DFT)，得到频域信号D2，取频域信号D2低频区间内的值得到低频平均幅值EM2，低频平均幅值EM1与EM2具体如下：
Figure BDA0003530552580000061
Figure BDA0003530552580000062
在两个麦克风一致性不是很差的情况下，若其中一个麦克风中有风噪，则该麦克风对应的低频能量相对较大，因此，本发明中选择低频能量较小的麦克风作为输出麦克风。
具体地，在本步骤中，比较主麦克风信号的低频平均幅值EM1与副麦克风信号的低频平均幅值EM2，如若两个麦克风低频幅值均值满足如下关系：
EM1>EM2*thr1 (3)
说明主麦克风低频能量大于副麦克风低频能量，主麦克风中有风噪的概率较大，则进行主麦克风和副麦克风的切换，其中thr1表示主麦能量与副麦幅值比的阈值。
当然，利用两个麦克风的低频幅值和用于能量比的计算，从而选择能量小的频域信号作为输出麦克风信号的方式与之相同，在此不予赘述。
经过上述过程，已于两个麦克风之间确定了输出麦克风信号，并将其对应的麦克风作为主麦克风，在麦克风个数超过2个时，则将该主麦克风的低频幅值和或低频平均幅值一一与其他麦克风的低频幅值和或低频平均幅值进行比较，选择能量小的频域信号作为输出麦克风信号，最终选择能量最小的频域信号作为输出麦克风信号。
优选地，在计算低频幅值均值或是幅值和时，也可做时域的平滑，以计算低频幅值均值为例，其具体方法为：
Figure BDA0003530552580000063
Figure BDA0003530552580000071
其中gamma为0-1之间的数，表示平滑因子。
优选地，为了避免麦克风切换过于频繁而影响听感，在切换之后的规定时间内(该规定时间例如可设置为1S)，不再做二次切换。
优选地，为了避免麦克风切换时引起的波形失真，在切换的前几帧内可做权重的平滑。具体地说，在将副麦克风信号切换成主麦克风信号进行输出时，可能会存在信号不连续而引起失真的问题，为避免该问题的产生，本发明切换时先不完全直接切换到副麦克风信号，而是在切换的前几帧内进行权重的平滑，例如副麦克风信号占比0.5，主麦克风信号占比0.5，待几帧后才完全切换到副麦克风信号作为输出。
可见，经过以上麦克风切换操作以后，主麦克风中的风噪能量相比于副麦克风中的风噪能量在一般情况下更小，但是其仍会存在两个问题：1)由于切换之后的一段时间内不能再次切换，在不能切换的这段时间内，主麦克风的风噪能量有可能比副麦的风噪能量更大；2)如果两个麦克风同一时间内均含有风噪，则切换麦克风的做法效果会受到限制。因此，还需进一步进行处理。
步骤S2，根据所述输出麦克风信号与其他麦克风信号每个频点的能量大小关系对所述输出麦克风信号的风噪频点进行抑制。
在本发明一实施例中，步骤S2进一步包括：
步骤S200，计算所述输出麦克风信号与其他麦克风信号的频域幅值向量。
在本发明具体实施例中，经过步骤S1确定的输出麦克风信号对应的麦克风定义为主麦克风，假设其为频域信号D1的麦克风，其他麦克风为频域信号D2的麦克风，计算两个麦克风的频域幅值向量ampD1,ampD2
ampD1＝abs(D1) (6)
ampD2＝abs(D2) (7)
其中abs表示求模操作。
步骤S201，比较所述输出麦克风信号与其他麦克风信号频域幅值向量的每一个频点大小，根据比较结果计算所述输出麦克风信号各频点的增益因子。
具体地，对于频域信号D1的主麦克风与频域信号D2的副麦克风,比较两个麦克风频域幅值的每一个频点大小，若满足
ampD1(k)>ampD2(k)*thr2 (8)
其中，k表示当前帧频点索引，thr2表示第k频点主麦克风与副麦克风幅值比阈值(thr2可以是一个定值，也可以是随着频点变化的值)，则说明当前帧主麦克风信号的第k个频点存在风噪的概率较大，则需进行风噪抑制，此时该频点的增益因子gain1(k)为：
gain1(k)＝ampD2(k)/ampD1(k) (9)
否则，该频点的增益因子为1。
在存在多个副麦克风的情况下，所述输出麦克风信号每个频点存在多个增益因子。
步骤S202，对每个频点选择最小的增益因子，利用增益因子对所述输出麦克风信号的频域信号进行抑制处理。
在本发明中，通过步骤S1，输出麦克风信号对应的麦克风作为主麦克风，利用所选择的增益因子乘以该主麦克风的频域信号D1作为输出，具体如下：
D1(k)＝D1(k)*gain1(k) (10)
根据上述公式(9)和公式(10)可知，如果判断出主麦克风第k个频点存在风噪，则将主麦克风第k个频点幅值抑制到与副麦克风相同，这样做的好处是既能确保最后主麦输出风噪在每个频点都是最小的，也能确保语音最大限度不损失。
在本发明另一实施例中，步骤S2进一步包括：
步骤S2a，选择一副麦克风，计算所述输出麦克风信号与该副麦克风信号的频域幅值向量。
在本发明具体实施例中，经过步骤S1确定的输出麦克风信号对应的麦克风定义为主麦克风，假设其为频域信号D1的麦克风，选择一频域信号D2的副麦克风，计算两个麦克风的频域幅值向量ampD1,ampD2
ampD1＝abs(D1)
ampD2＝abs(D2)
其中abs表示求模操作。
步骤S2b，比较所述输出麦克风信号与该麦克风信号频域幅值向量的每一个频点大小，根据比较结果计算所述输出麦克风信号各频点的增益因子。
具体地，对于频域信号D1的主麦克风与频域信号D2的副麦克风,比较两个麦克风频域幅值的每一个频点大小，若满足
ampD1(k)>ampD2(k)*thr2
其中，k表示当前帧频点索引，thr2表示第k频点主麦克风与副麦克风幅值比阈值(thr2可以是一个定值，也可以是随着频点变化的值)，则说明当前帧主麦克风信号的第k个频点存在风噪的概率较大，则需进行风噪抑制，此时该频点的增益因子gain1(k)为：
gain1(k)＝ampD2(k)/ampD1(k)
否则，该频点的增益因子为1。
在存在多个副麦克风的情况下，所述输出麦克风信号每个频点存在多个增益因子。
步骤S2c，利用增益因子对所述输出麦克风信号的频域信号进行抑制处理。
在本发明中，通过步骤S1，输出麦克风信号对应的麦克风作为主麦克风，利用所选择的增益因子乘以该主麦克风的频域信号D1作为输出，具体如下：
D1(k)＝D1(k)*gain1(k)
根据上述公式可知，如果判断出主麦克风第k个频点存在风噪，则将主麦克风第k个频点幅值抑制到与副麦克风相同，这样做的好处是既能确保最后主麦输出风噪在每个频点都是最小的，也能确保语音最大限度不损失。
步骤S2d，返回步骤S2a选择另一副麦克风，直至选择完所有副麦克风。
经过上述步骤，可以确保最后的输出在每个频点都是风噪最小的，但可能仍存在一个问题：假如两个麦克风在同一时刻均具有较大的风噪，那么即使输出的是两个麦克风中每个频点都是最小的风噪，该风噪的能量仍然会比较大。因此，优选地，在步骤S2之后，本发明之基于多麦克风的风噪抑制方法，还包括：
步骤S3，对主麦克风与其他麦克风的频域信号进行差分，对风噪帧进行检测以及对风噪大小进行估计并抑制。
具体地，步骤S3进一步包括：
步骤S300，对主麦克风与其他麦克风的频域信号进行差分，得到差分信号diffD，并计算差分信号diffD的低频能量均值diffDM，并根据低频能量均值diffDM值的大小判定是否为风噪帧。
具体地，假设主麦克风的频域信号D1，其他麦克风的频域信号D2，对两个麦克风的频域信号D1与D2进行差分，两个麦克风频域信号D1和D2的差值如下：
diffD＝D1-D2 (11)
差值信号diffD具有的特点是：若两个麦克风相距不远(例如<0.1m)，在低频段，语音及其他有源声音的能量一定是很小的。频域信号D1和D2具有实部成分和虚部成分，可转化为极坐标形式的幅值和相位，在声音的波长远大于麦克风距离的情况下，两个频域信号D1和D2的幅值和相位应该是接近相等的，于是做差分后的diffD信号接近于0。因为风噪是在两个麦克风膜上独立产生的，幅值和相位均具有独立性，则不满足做差分后diffD接近于0，且由于风噪主要分布在低频，于是diffD信号低频部分在有风噪和无风噪情况下将形成很大的能量反差，可据此作为风噪检测依据，因此，计算差分信号diffD的低频能量均值diffDM：
Figure BDA0003530552580000101
其中，K2为低频段的频点取值上限。
对于差分信号diffD的低频能量均值diffDM，若满足
diffDM>thr3 (13)
则判定当前帧为风噪帧，需进行额外的风噪抑制，其中thr3为风噪帧检测阈值。
优选地，若存在多个低频能量均值diffDM，则对该多个低频能量均值diffDM计算均值后，根据均值后的低频能量均值diffDM判断当前帧是否为风噪帧。具体地说，当存在多个副麦克风时，则主麦克风与各副麦克风分别差分，得到一系列的低频能量均值diffDM，则需对该多个低频能量均值diffDM计算均值。
这里的判定方法实质仍是利用了两个麦克风信号低频的相关性，只不过相比于具体的相关性计算方法，该方法计算量会小很多，且无延迟。除了该方法判定风噪帧外，还可以结合高低频能量比，质心位置等方法进行联合判断。
步骤S301，若当前帧判定为风噪帧，则不更新音频平均频域幅值smoothD，根据低频能量均值diffDM值的大小和smoothD大小估计风噪大小，否则更新输出麦克风信号的音频平均频域幅值smoothD。
因为差分信号diffD的低频部分是风噪，所以低频能量均值diffDM本身可作为风噪大小估计的参考。若当前帧判断为非风噪时，更新非风噪的频谱幅值向量smoothD：
smoothD＝delta*smoothD+(1-delta)*ampD1 (14)
其中，ampD1为主麦克风当前帧频谱幅值，delta为平滑因子，值在0～1之间，smoothD表示无风噪时音频信号的平均频谱幅值。
若当前帧判定为风噪帧，则停止更新smoothD值，并利用非风噪的频谱幅值向量smoothD和低频能量均值diffDM进行风噪大小的估计：
windAmp1＝ampD1-smoothD (15)
windAmp＝min(diffDM,windAmp1) (16)
其中，公式(15)表示用风噪帧的频域幅值减去非风噪帧的平均幅值作为风噪幅值谱的初步估计，式(16)表示用初步估计的风噪幅值谱的每一个频点与步骤S300得到的低频风噪大小估计值(diffDM为低频能量均值，在有风噪的时候也是风噪大小的初步估计值)进行对比，取最小值作为最终的风噪估计值。
步骤S303，根据估计的风噪幅值计算风噪抑制因子，将风噪抑制因子作用于需输出的频谱上。
具体地，步骤S303进一步包括：
步骤S303a，依据风噪声频谱的连续性，对风噪所在频段进行判定。
因为风噪主要集中在低频，所以在判定为风噪帧时，还需要对风噪所在频段有一个估计。方法是依据风噪声频谱的连续性，即风噪能量从低频到高频是逐次递减的，先将风噪帧幅度谱划分为几个频段ampD11，ampD12，…ampD1N，若满足
ampD1n<ampD1n+1(17)
则可判定n+1频段及以上频段均非风噪频点，则对n频段及以下的频段进行风噪抑制。
步骤S303b，对确定的风噪所在频段的风噪帧，根据当前帧的频谱幅值和估计的风噪幅值计算出风噪抑制因子，将风噪抑制因子作用于需输出的频谱上。
假设根据式(17)判断出第K3频点以下的频点k均是风噪存在的频点，则对于1～K3的频点，有
gain2(k)＝(ampD1(k)-windAmp(k))/ampD1(k) (18)
D1(k)＝D1(k)*gain2(k) (19)
即先根据当前帧的频谱幅值ampD1(k)和估计的风噪幅值windAmp(k)计算出风噪抑制因子gain2，然后将风噪抑制因子gain2作用于需要输出的频谱上，即将其乘以步骤S2的频域输出信号D1。
图2为本发明一种基于多麦克风的风噪抑制装置的结构示意图。如图2所示，本发明一种基于多麦克风的风噪抑制装置，包括：
输出麦克风信号选择单元20，用于根据各麦克风的低频能量大小选择输出麦克风信号。
在本发明中，输出麦克风信号选择单元20进一步包括：
时频转换及低频能量计算单元201，用于对各麦克风信号进行分帧与时频变换，得到频域信号D，取频域信号D低频区间内的值计算低频幅值和或低频平均幅值。
具体地，假设有n个麦克风，对各麦克风，将其时域信号d,进行分帧和离散傅里叶变换(DFT)，得到频域信号D,，并取频域信号D低频区间内的值计算低频幅值和或低频平均幅值EM。
在本发明一实施例中，选择一个低频截止频率点K，计算各麦克风信号频域信号D截止频率以下的低频幅值和M：
Figure BDA0003530552580000131
在本发明另一实施例中，选择一个低频截止频率点K，计算各麦克风信号频域信号D截止频率以下的低频平均幅值EM：
Figure BDA0003530552580000132
其中，EM表示各麦克风的低频平均幅值，k表示频点下标，abs表示求模操作。
输出麦克风切换单元202，用于比较各麦克风信号的低频幅值和或低频平均幅值，选择能量小的频域信号作为输出麦克风信号，将其对应的麦克风定义为主麦克风。
在本发明具体实施例中，以比较低频平均幅值为例说明，先选择一个麦克风作为主麦克风，选择一麦克风作为副麦克风，经过时频转换及低频能量计算单元201，已将主麦克风的时域信号d1,进行分帧和离散傅里叶变换(DFT)，得到频域信号D1,，并取频域信号D1低频区间内的值得到低频平均幅值EM1，并将副麦克风时域信号d2进行分帧和离散傅里叶变换(DFT)，得到频域信号D2，取频域信号D2低频区间内的值得到低频平均幅值EM2，低频平均幅值EM1与EM2具体如下：
Figure BDA0003530552580000141
Figure BDA0003530552580000142
在两个麦克风一致性不是很差的情况下，若其中一个麦克风中有风噪，则该麦克风对应的低频能量相对较大，因此，本发明中选择低频能量较小的麦克风作为输出麦克风。
具体地，输出麦克风切换单元202比较主麦克风信号的低频平均幅值EM1与副麦克风信号的低频平均幅值EM2，如若两个麦克风低频幅值均值满足如下关系：
EM1>EM2*thr1
说明主麦克风低频能量大于副麦克风低频能量，主麦克风中有风噪的概率较大，则进行主麦克风和副麦克风的切换，其中thr1表示主麦能量与副麦幅值比的阈值。
当然，利用两个麦克风的低频幅值和用于能量比的计算，从而选择能量小的频域信号作为输出麦克风信号的方式与之相同，在此不予赘述。
经过上述过程，已于两个麦克风之间确定了输出麦克风信号，并将其对应的麦克风作为主麦克风，在麦克风个数超过2个时，则将该主麦克风的低频幅值和或低频平均幅值一一与其他麦克风的低频幅值和或低频平均幅值进行比较，选择能量小的频域信号作为输出麦克风信号，最终选择能量最小的频域信号作为输出麦克风信号。
优选地，在计算低频幅值均值或是幅值和时，也可做时域的平滑，以计算低频幅值均值为例，其具体方法为：
Figure BDA0003530552580000143
Figure BDA0003530552580000151
其中gamma为0-1之间的数，表示平滑因子。
优选地，为了避免麦克风切换过于频繁而影响听感，在切换之后的规定时间内(该规定时间例如可设置为1S)，不再做二次切换。
优选地，为了避免切换时引起的波形失真，在切换的前几帧内可做权重的平滑。
可见，经过以上麦克风切换操作以后，主麦克风中的风噪能量相比于副麦克风中的风噪能量在一般情况下更小，但是其仍会存在两个问题：1)由于切换之后的一段时间内不能再次切换，在不能切换的这段时间内，主麦克风的风噪能量有可能比副麦的风噪能量更大；2)如果两个麦克风同一时间内均含有风噪，则切换麦克风的做法效果会受到限制。因此，还需进一步进行处理。
第一风噪抑制单元21，用于根据所述输出麦克风信号与其他麦克风信号每个频点的能量大小关系对所述输出麦克风信号的风噪频点进行抑制。
在本发明一实施例中，如图3所示，第一风噪抑制单元21进一步包括：
频域幅值向量计算单元210，用于计算所述输出麦克风信号与其他麦克风信号的频域幅值向量。
在本发明具体实施例中，经过输出麦克风信号选择单元20确定的输出麦克风信号对应的麦克风定义为主麦克风，假设其为频域信号D1的麦克风，其他麦克风为频域信号D2的麦克风，计算两个麦克风的频域幅值向量ampD1,ampD2
ampD1＝abs(D1)
ampD2＝abs(D2)
其中abs表示求模操作。
增益因子计算单元211，用于比较所述输出麦克风信号与其他麦克风信号频域幅值向量的每一个频点大小，根据比较结果计算所述输出麦克风信号各频点的增益因子。
具体地，对于频域信号D1的主麦克风与频域信号D2的副麦克风,比较两个麦克风频域幅值的每一个频点大小，若满足
ampD1(k)>ampD2(k)*thr2
其中，k表示当前帧频点索引，thr2表示第k频点主麦克风与副麦克风幅值比阈值(thr2可以是一个定值，也可以是随着频点变化的值)，则说明当前帧主麦克风信号的第k个频点存在风噪的概率较大，则需进行风噪抑制，此时该频点的增益因子gain1(k)为：
gain1(k)＝ampD2(k)/ampD1(k)
否则，该频点的增益因子为1。
在存在多个副麦克风的情况下，所述输出麦克风信号每个频点存在多个增益因子。
抑制处理单元212，用于对每个频点选择最小的增益因子，利用增益因子对所述输出麦克风信号的频域信号进行抑制处理。
在本发明中，输出麦克风信号对应的麦克风作为主麦克风，利用所选择的增益因子乘以该主麦克风的频域信号D1作为输出，具体如下：
D1(k)＝D1(k)*gain1(k)
根据上述公式可知，如果判断出主麦克风第k个频点存在风噪，则将主麦克风第k个频点幅值抑制到与副麦克风相同，这样做的好处是既能确保最后主麦输出风噪在每个频点都是最小的，也能确保语音最大限度不损失。
在本发明另一实施例中，如图4所示，第一风噪抑制单元21进一步包括：
频域幅值向量计算单元21a，选择一副麦克风，计算所述输出麦克风信号与该副麦克风信号的频域幅值向量。
在本发明具体实施例中，输出麦克风信号对应的麦克风定义为主麦克风，假设其为频域信号D1的麦克风，选择一频域信号D2的副麦克风，计算两个麦克风的频域幅值向量ampD1,ampD2
ampD1＝abs(D1)
ampD2＝abs(D2)
其中abs表示求模操作。
增益因子计算单元21b，用于比较所述输出麦克风信号与该麦克风信号频域幅值向量的每一个频点大小，根据比较结果计算所述输出麦克风信号各频点的增益因子。
具体地，对于频域信号D1的主麦克风与频域信号D2的副麦克风,比较两个麦克风频域幅值的每一个频点大小，若满足
ampD1(k)>ampD2(k)*thr2
其中，k表示当前帧频点索引，thr2表示第k频点主麦克风与副麦克风幅值比阈值(thr2可以是一个定值，也可以是随着频点变化的值)，则说明当前帧主麦克风信号的第k个频点存在风噪的概率较大，则需进行风噪抑制，此时该频点的增益因子gain1(k)为：
gain1(k)＝ampD2(k)/ampD1(k)
否则，该频点的增益因子为1。
在存在多个副麦克风的情况下，所述输出麦克风信号每个频点存在多个增益因子。
抑制处理单元21c，用于利用增益因子对所述输出麦克风信号的频域信号进行抑制处理。
在本发明中，输出麦克风信号对应的麦克风作为主麦克风，利用所选择的增益因子乘以该主麦克风的频域信号D1作为输出，具体如下：
D1(k)＝D1(k)*gain1(k)
根据上述公式可知，如果判断出主麦克风第k个频点存在风噪，则将主麦克风第k个频点幅值抑制到与副麦克风相同，这样做的好处是既能确保最后主麦输出风噪在每个频点都是最小的，也能确保语音最大限度不损失。
遍历处理单元21d，返回频域幅值向量计算单元21a选择另一副麦克风，直至选择完所有副麦克风。
经过上述过程，可以确保最后的输出在每个频点都是风噪最小的，但可能仍存在一个问题：假如两个麦克风在同一时刻均具有较大的风噪，那么即使输出的是两个麦克风中每个频点都是最小的风噪，该风噪的能量仍然会比较大。
因此，优选地，本发明之基于多麦克风的风噪抑制装置，还包括：
第二风噪抑制单元22，用于对主麦克风与其他麦克风的频域信号进行差分，对风噪帧进行检测以及对风噪大小进行估计并抑制。
具体地，第二风噪抑制单元22进一步包括：
差分单元220，用于对主麦克风与其他麦克风的频域信号进行差分，得到差分信号diffD，并计算差分信号diffD的低频能量均值diffDM。
风噪帧判断单元221，用于根据低频能量均值diffDM值的大小判定是否为风噪帧。
具体地，假设主麦克风的频域信号D1，其他麦克风的频域信号D2，对两个麦克风的频域信号D1与D2进行差分，两个麦克风频域信号D1和D2的差值如下：
diffD＝D1-D2
差值信号diffD具有的特点是：若两个麦克风相距不远(例如<0.1m)，在低频段，语音及其他有源声音的能量一定是很小的。频域信号D1和D2具有实部成分和虚部成分，可转化为极坐标形式的幅值和相位，在声音的波长远大于麦克风距离的情况下，两个频域信号D1和D2的幅值和相位应该是接近相等的，于是做差分后的diffD信号接近于0。因为风噪是在两个麦克风膜上独立产生的，幅值和相位均具有独立性，则不满足做差分后diffD接近于0，且由于风噪主要分布在低频，于是diffD信号低频部分在有风噪和无风噪情况下将形成很大的能量反差，可据此作为风噪检测依据，因此，计算差分信号diffD的低频能量均值diffDM：
Figure BDA0003530552580000181
对于差分信号diffD的低频能量均值diffDM，若满足
diffDM>thr3
则判定当前帧为风噪帧，需进行额外的风噪抑制。
优选地，若存在多个低频能量均值diffDM，则对该多个低频能量均值diffDM计算均值后，根据均值后的低频能量均值diffDM判断当前帧是否为风噪帧。具体地说，当存在多个副麦克风时，则主麦克风与各副麦克风分别差分，得到一系列的低频能量均值diffDM，则需对该多个低频能量均值diffDM计算均值。
这里的判定方法实质仍是利用了两个麦克风信号低频的相关性，只不过相比于具体的相关性计算方法，该方法计算量会小很多，且无延迟。除了该方法判定风噪帧外，还可以结合高低频能量比，质心位置等方法进行联合判断。
风噪大小估计单元222，用于在判定当前帧为风噪帧时，不更新音频平均频域幅值smoothD，根据低频能量均值diffDM值的大小和smoothD大小估计风噪大小，否则更新音频平均频域幅值smoothD。
因为差分信号diffD的低频部分是风噪，所以低频能量均值diffDM本身可作为风噪大小估计的参考。若当前帧判断为非风噪时，更新非风噪的频谱幅值向量smoothD：
smoothD＝delta*smoothD+(1-delta)*ampD1
其中，ampD1为主麦克风当前帧频谱幅值，delta为平滑因子，值在0～1之间，smoothD表示无风噪时音频信号的平均频谱幅值。
若当前帧判定为风噪帧，则停止更新smoothD值，并利用非风噪的频谱幅值向量smoothD和低频能量均值diffDM进行风噪大小的估计，即用风噪帧的频域幅值减去非风噪帧的平均幅值作为风噪幅值谱的初步估计，然后用初步估计的风噪幅值谱的每一个频点与差分单元220得到的低频风噪大小估计值进行对比，取最小值作为最终的风噪估计值，具体如下：：
windAmp1＝ampD1-smoothD
windAmp＝min(diffDM,windAmp1)
风噪抑制单元223，用于根据估计的风噪幅值计算风噪抑制因子，将风噪抑制因子作用于需输出的频谱上。
具体地，风噪抑制单元223具体用于：
依据风噪声频谱的连续性，对风噪所在频段进行判定。
因为风噪主要集中在低频，所以在判定为风噪帧时，还需要对风噪所在频段有一个估计。方法是依据风噪声频谱的连续性，即风噪能量从低频到高频是逐次递减的，先将风噪帧幅度谱划分为几个频段ampD11，ampD12，…ampD1N，若满足
ampD1n<ampD1n+1
则可判定n+1频段及以上频段均非风噪频点，则对n频段及以下的频段进行风噪抑制。
对确定的风噪所在频段的风噪帧，根据当前帧的频谱幅值和估计的风噪幅值计算出风噪抑制因子，将风噪抑制因子作用于需输出的频谱上。
假设根据式(17)判断出第K3频点以下的频点k均是风噪存在的频点，则对于1～K3的频点，有
gain2(k)＝(ampD1(k)-windAmp(k))/ampD1(k)
D1(k)＝D1(k)*gain2(k)
即先根据当前帧的频谱幅值ampD1(k)和估计的风噪幅值windAmp(k)计算出风噪抑制因子gain2，然后将风噪抑制因子gain2作用于需要输出的频谱上，即将其乘以第一风噪抑制单元21的频域输出信号D1。
实施例1
在本实施例中，以双麦克风mic1和mic2为例，如图5所示，一种基于多麦克风的风噪抑制方法，其步骤如下：
步骤一，根据麦克风的低频能量大小选择输出麦克风信号。
如图6所示，步骤一包括：
A、假设mic1为主麦克风，对主麦克风信号进行分帧与时频变换，得到主麦克风的频域信号D1，取频域信号D1低频区间内的值计算低频平均幅值EM1。
B、类似步骤A，假设mic2为副麦克风，对副麦克风信号进行分帧与时频变换，得到副麦克风的频域信号D2,取频域信号D2低频区间内的值计算低频平均幅值EM2。
C、比较主麦克风信号的低频平均幅值EM1与副麦克风信号的低频平均幅值EM2，如果EM1大于EM2，则将副麦克风信号与主麦克风信号进行切换，也就是将能量小的频域信号作为该步骤的输出信号D1。
需要注意的是，步骤C中也可以比较低频能量的求和。在切换输出信号后一段时间内，不能再次切换。切换的前几帧信号可以是D1与D2的加权输出。
步骤二，根据两个麦克风信号的每个频点大小对输出信号进行初步抑制。
如图7所示，步骤二包括：
D、计算信号D1的频域幅值ampD1，计算信号D2的频域幅值ampD2。
E、比较ampD1和ampD2每个频点的大小关系，如果ampD1的频点幅值大于ampD2的频点幅值，则计算该频点的增益因子，否则增益因子为1。
F、用增益因子乘上频域信号D1作为输出。
上述步骤E中比较每个频点大小时可ampD1大于ampD2一定幅值时才计算增益因子，增益因子大小应位于0～1之间。
步骤三，将两个麦克风进行差分，对风噪帧进行检测和对风噪大小进行估计并抑制。
如图8所示，步骤三包括：
G、将信号D1与信号D2进行差分，得到信号diffD。
H、计算信号diffD的低频能量均值diffDM。
I、根据diffDM值的大小判定是否为风噪帧。
J、如果步骤I判定为风噪帧，则不更新音频平均频域幅值smoothD。否则更新smoothD。
K、如果步骤I判定为风噪帧，则根据diffDM值得大小和smoothD大小估计风噪频谱的幅值。
L、如果步骤I判定为风噪帧，则根据估计的风噪幅值计算风噪抑制因子，将风噪抑制因子乘上步骤F的频域输出信号D1。
实施例2
在本实施例中，提供了基于多麦克风的风噪抑制装置，如图9所示，该装置包括：时频转换单元10、低频能量计算和对比单元11、输出麦克风信号切换单元12、主副麦频点能量对比单元13、风噪抑制1单元14、差分单元15、风噪帧判定单元16、风噪大小估计单元17、风噪抑制2单元18。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种基于多麦克风的风噪抑制方法，包括如下步骤：
步骤S1，根据各麦克风的低频能量大小选择输出麦克风信号；
步骤S2，根据所述输出麦克风信号与其他麦克风信号每个频点的能量大小关系对所述输出麦克风信号的风噪频点进行抑制。
2.如权利要求1所述的一种基于多麦克风的风噪抑制方法，其特征在于，步骤S1进一步包括：
步骤S100，对各麦克风信号进行分帧与时频变换，得到频域信号，取频域信号低频区间内的值计算低频幅值和或低频平均幅值；
步骤S101，比较各麦克风信号的低频幅值和或低频平均幅值，选择能量小的频域信号切换为输出麦克风信号。
3.如权利要求2所述的一种基于多麦克风的风噪抑制方法，其特征在于：在切换之后的规定时间内，不再做二次切换。
4.如权利要求2所述的一种基于多麦克风的风噪抑制方法，其特征在于：步骤S101中，进行麦克风切换时，在切换的前若干帧内先进行权重的平滑然后再进行完全的切换。
5.如权利要求2所述的一种基于多麦克风的风噪抑制方法，其特征在于，步骤S2进一步包括：
步骤S200，计算所述输出麦克风信号与其他麦克风信号的频域幅值向量；
步骤S201，比较所述输出麦克风信号与其他麦克风信号频域幅值向量的每一个频点大小，根据比较结果计算所述输出麦克风信号各频点的增益因子；
步骤S202，对每个频点选择最小的增益因子，利用增益因子对所述输出麦克风信号的频域信号进行抑制处理。
6.如权利要求2所述的一种基于多麦克风的风噪抑制方法，其特征在于，步骤S2包括：
步骤S2a，所述输出麦克风信号的麦克风作为主麦克风，选择一副麦克风，计算所述主麦克风信号与该副麦克风信号的频域幅值向量；
步骤S2b，比较所述主麦克风与该副麦克风信号频域幅值向量的每一个频点大小，根据比较结果计算所述主麦克风信号各频点的增益因子；
步骤S2c，利用增益因子对所述主麦克风信号的频域信号进行抑制处理；
步骤S2d，返回步骤S2a选择另一副麦克风，直至选择完所有副麦克风。
7.如权利要求5或6所述的一种基于多麦克风的风噪抑制方法，其特征在于,比较两个麦克风频域幅值的每一个频点大小，若满足
ampD1(k)>ampD2(k)*thr2
其中，k表示当前帧频点索引，thr2表示第k频点主麦克风与副麦克风幅值比阈值，则该频点的增益因子gain1(k)为：
gain1(k)＝ampD2(k)/ampD1(k)
否则，该频点的增益因子为1。
8.如权利要求2所述的一种基于多麦克风的风噪抑制方法，其特征在于，所述方法还包括：
步骤S3，对主麦克风与其他麦克风的频域信号进行差分，对风噪帧进行检测以及对风噪大小进行估计并抑制。
9.如权利要求8所述的一种基于多麦克风的风噪抑制方法，其特征在于，步骤S3进一步包括：
步骤S300，对主麦克风与其他麦克风的频域信号进行差分，得到差分信号diffD，并计算差分信号diffD的低频能量均值diffDM，并根据低频能量均值diffDM值的大小判定是否为风噪帧；
步骤S301，若当前帧判定为风噪帧，则不更新音频平均频域幅值smoothD，根据低频能量均值diffDM值的大小和smoothD大小估计风噪大小，否则更新音频平均频域幅值smoothD；
步骤S303，根据估计的风噪幅值计算风噪抑制因子，将风噪抑制因子作用于需输出的频谱上。
10.一种基于多麦克风的风噪抑制装置，包括：
输出麦克风信号选择单元，用于根据各麦克风的低频能量大小选择输出麦克风信号；
第一风噪抑制单元，用于根据所述输出麦克风信号与其他麦克风信号每个频点的能量大小关系对所述输出麦克风信号的风噪频点进行抑制。
第二风噪抑制单元，首先用主麦克风信号与其他麦克风进行差分，利用差分信号的低频信号进行风噪帧检测和风噪大小的初步估计，结合风噪极不平稳和频谱连续性等特点，对风噪进一步抑制。
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WO2024051521A1 (zh) * 2022-09-05 2024-03-14 维沃移动通信有限公司 音频信号处理方法、装置、电子设备及可读存储介质

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