CN116489552B - 麦克风阵列防风噪优化方法、装置及计算机可读存储介质 - Google Patents

麦克风阵列防风噪优化方法、装置及计算机可读存储介质

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Abstract

本发明涉及一种麦克风阵列防风噪优化方法、装置及计算机可读存储介质,防风噪优化方法包括在麦克风阵列上设置参考麦克风,并在参考麦克风上设置物理防风噪器件;参考麦克风和各个主麦克风同时采集环境音频信号;计算主麦克风采集的信号相对于参考麦克风采集的信号的均方误差;根据均方误差计算主麦克风的权重系数;根据权重系数和参考麦克风采集的信号对各个主麦克风采集的信号同步进行防风噪优化。本发明中,通过在参考麦克风上设置物理防风噪器件,可以使参考麦克风在有风情况下为降噪算法提供更加稳定的参考信号;另外,根据均方误差计算主麦克风的权重系数,可以进一步提升麦克风阵列降噪效果,有效降低或消除风噪。

Description

麦克风阵列防风噪优化方法、装置及计算机可读存储介质
技术领域
本发明属于麦克风阵列防风噪技术领域,涉及一种麦克风阵列防风噪优化方法、装置及计算机可读存储介质。
背景技术
在当今社会麦克风阵列已经在语音识别、语音指令、语音通信等领域得到了广泛应用,但麦克风阵列安装在有风扇或空调出风口的环境中时,麦克风阵列面临着风噪干扰的问题,从而会降低语音信号的质量,影响语音处理系统的性能和用户体验。传统方法一般通过在麦克风阵列上整体增加防风绒以包裹所有的麦克风来解决这一问题,但这会显著增加设备成本,因此,有必要寻找更经济且有效的解决方案。
发明内容
针对上述现有技术的不足,本发明所要解决的技术问题是:提供一种麦克风阵列防风噪优化方法、装置及计算机可读存储介质。
为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种麦克风阵列防风噪优化方法,包括以下步骤:
S100、在麦克风阵列上设置参考麦克风,并在参考麦克风上设置物理防风噪器件;
S200、将麦克风阵列中参考麦克风以外的麦克风定义为主麦克风,参考麦克风和各个主麦克风同时采集环境音频信号;
S300、计算各个主麦克风采集的信号相对于参考麦克风采集的信号的均方误差;
S400、根据均方误差计算各个主麦克风的权重系数;
S500、根据主麦克风的权重系数和参考麦克风采集的信号分别对各个主麦克风采集的信号同步进行防风噪优化。
进一步的,在所述S100步骤中,设置参考麦克风的方法为:
在麦克风阵列中指定一个麦克风作为参考麦克风,或单独设置一个麦克风作为参考麦克风。
进一步的,在所述S100步骤中,所述物理防风噪器件包括防风绒和/或防风罩。
进一步的,在执行S200步骤之后,还执行以下步骤:
S210、将参考麦克风和各个主麦克风采集到的音频信号数据存储为时域信号序列;
S220、对所述时域信号序列进行去噪、滤波和放大处理,得到预处理音频数据;
S230、从预处理音频数据中提取时域特征或时频域特征,采用提取的特征来表征麦克风采集的信号。
进一步的,在所述S400步骤中,根据均方误差计算各个主麦克风的权重系数包括以下子步骤:
S410、对各个主麦克风的均方误差进行归一化处理,得到各个主麦克风的归一化权重;
S420、根据各个主麦克风的归一化权重分别计算其初始权重;
S430、对各个主麦克风的初始权重进行等比例调整,得到各个主麦克风的权重系数。
进一步的,在所述S410骤中,进行归一化处理的公式如下:
其中,i表示主麦克风的序号;d_norm[i]表示第i个主麦克风的归一化权重;d_mse[i]表示第i个主麦克风的均方误差;d_min表示所有主麦克风中均方误差的最小值;d_max表示所有主麦克风中均方误差的最大值;
在所述S420骤中,计算初始权重的公式如下:
其中,w[i]表示第i个主麦克风的初始权重;N表示主麦克风的总数;
在所述S430骤中,对初始权重进行等比例调整的公式如下:
其中,w[i]'表示第i个主麦克风的权重系数。
进一步的,在所述S500步骤中,对主麦克风采集的信号进行防风噪优化的公式为:
y[i]=(1-w[i]')×x[i]+w[i]'×x_ref_processed
其中,y[i]表示第i个主麦克风进行防风噪优化后得到的信号;x[i]表示第i个主麦克风采集的信号;x_ref_processed表示参考麦克风采集的信号。
一种麦克风阵列防风噪优化装置,包括
麦克风阵列,用于采集环境音频信号,所述麦克风阵列包括参考麦克风和多个主麦克风,所述参考麦克风设置有物理防风噪器件;
均方误差计算模块,用于计算各个主麦克风采集的信号相对于参考麦克风采集的信号的均方误差;
权重计算模块,用于根据均方误差计算各个主麦克风的权重系数;以及
防风噪优化模块,用于根据主麦克风的权重系数和参考麦克风采集的信号对主麦克风的采集的信号进行防风噪优化。
进一步的,还包括预处理模块,所述预处理模块用于对参考麦克风和各个主麦克风采集到的音频信号进行去噪、滤波和放大处理后,再提取其时域特征或时频域特征,采用提取的特征来表征麦克风采集的信号。
一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,当所述计算机程序被处理器加载并执行时,实现麦克风阵列防风噪优化方法。
本发明中,通过在参考麦克风上设置物理防风噪器件,可以使参考麦克风可以在有风情况下为降噪算法提供更加稳定的参考信号,对麦克风阵列的降噪效果产生积极效果。另外,通过对权重系数计算方法和降噪算法的改进,可以进一步提升麦克风阵列的降噪效果,有效减少或消除麦克风阵列中因风吹引起的风噪,提升采集的音频信号的质量。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解,构成本申请的一部分,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。在附图中:
图1为本发明麦克风阵列防风噪优化方法一实施方式的流程图。
图2为对麦克风采集到的音频信号进行处理的流程图。
图3为根据均方误差计算权重系数的流程图。
图4为本发明麦克风阵列防风噪优化装置一实施方式的结构框图。
图5为权重计算模块的结构框图。
附图中各标号的含义为:
麦克风阵列-100;均方误差计算模块-200;权重计算模块-300;归一化处理单元-310;初始权重计算单元-320;权重调整单元-330;防风噪优化模块-400;预处理模块-500。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1,图1为本发明一种麦克风阵列防风噪优化方法一实施方式的流程图。本实施方式麦克风阵列防风噪优化方法包括以下步骤:
S100、在麦克风阵列上设置参考麦克风,并在参考麦克风上设置物理防风噪器件。设置参考麦克风时,可以在麦克风阵列中任意指定一个麦克风作为参考麦克风,也可以在麦克风阵列中再增加设置一个麦克风作为参考麦克风。所述物理防风噪器件可以是包裹在参考麦克风外围的防风绒以及环绕防风绒设置的防风罩。防风绒是一种常用于麦克风阵列的降噪处理方法,其最大的好处是可以有效减少或消除麦克风因风吹引起的风噪,从而提升语音信号的质量。当然,所述物理防风噪器件也可以采用其他可以降低风噪对麦克风影响的器件。
S200、将麦克风阵列中参考麦克风以外的麦克风定义为主麦克风,参考麦克风和各个主麦克风同时采集环境音频信号。由于后续需要对主麦克风采集的信号和参考麦克风采集的信号进行比较来计算均方误差,以及进行归一化处理,要求主麦克风采集的信号和参考麦克风采集的信号必须在时间轴上对齐。参考麦克风和各个主麦克风采集环境音频信号后,还可以对麦克风采集到的音频信号进行处理以初步去除噪声,提高信号质量。
请参阅图2,对麦克风采集到的音频信号进行处理的步骤如下:
S210、将参考麦克风和各个主麦克风采集到的音频信号数据存储为时域信号序列。
S220、对所述时域信号序列进行预处理得到预处理音频数据;预处理的过程包括去噪、滤波和放大等。可以使用常见的数字信号处理技术进行预处理,例如小波去噪、陷波滤波和自适应滤波等,以提高信噪比并减少环境噪声的影响。
S230、从预处理音频数据中提取特征来表征麦克风采集的信号,以用于后续的防风噪优化算法。提取的特征可以是时域特征、时频域特征等特征。
S300、基于提取的特征,计算各个主麦克风采集的信号相对于参考麦克风采集的信号的均方误差。假设麦克风阵列包含的主麦克风数量为N,第i个主麦克风采集的信号为x[i];参考麦克风经过防风绒、防风罩的处理后采集得到的信号为x_ref_processed。则第i个主麦克风采集的信号相对于参考麦克风采集的信号的均方误差的计算公式为:
d_mse[i]=MSE(x[i],x_ref_processed)
其中,i表示主麦克风的序号;d_mse[i]表示第i个主麦克风的均方误差;MSE()为均方误差函数。
S400、根据均方误差计算各个主麦克风的权重系数。
请参阅图3,本步骤具体可包括以下子步骤:
S410、对各个主麦克风的均方误差进行归一化处理,得到各个主麦克风的归一化权重。进行归一化处理的公式如下:
其中,d_norm[i]表示第i个主麦克风的归一化权重;d_min表示所有主麦克风中均方误差的最小值;d_max表示所有主麦克风中均方误差的最大值。通过归一化处理可以确保所有主麦克风的归一化权重都在[0,1]范围内,归一化权重越小的主麦克风在麦克风阵列的最终输出中所占的比重越大。
S420、根据各个主麦克风的归一化权重分别计算其初始权重。计算初始权重的公式如下:
其中,w[i]表示第i个主麦克风的初始权重;N表示主麦克风的总数。
S430、对各个主麦克风的初始权重进行等比例调整,得到各个主麦克风的权重系数。调整后使得所有主麦克风的权重系数之和为“1”,以便于简化后续的防风噪优化算法。对主麦克风的初始权重进行等比例调整的公式如下:
其中,w[i]'表示第i个主麦克风的权重系数。
S500、根据主麦克风的权重系数和参考麦克风采集的信号分别对各个主麦克风采集的信号同步进行防风噪优化。在进行防风噪优化时,需要确保参考麦克风与各个主麦克风在相同的时间窗口内进行处理,以保持同步性。对主麦克风采集的信号进行防风噪优化的公式为:
y[i]=(1-w[i]')×x[i]+w[i]'×x_ref_processed
其中,y[i]表示第i个主麦克风进行防风噪优化后得到的信号。计算出各个主麦克风进行防风噪优化的输出后,对所有主麦克风的输出进行求和即得到麦克风阵列进行防风噪优化后的输出。
本实施例中,在麦克风阵列中选取参考麦克风后,在参考麦克风上加装了防风绒等防风器件,使参考麦克风可以在有风情况下更好地保持相对稳定的输出信号,从而为降噪算法提供更加稳定的参考信号,对麦克风阵列的降噪效果产生积极影响。另外,通过对权重系数计算方法和降噪算法的改进,可以进一步提升麦克风阵列的降噪效果,有效减少或消除麦克风阵列中因风吹引起的风噪,提升采集的音频信号的质量。
请参阅图4,为本发明一种麦克风阵列防风噪优化装置一实施方式的结构框图。本实施方式麦克风阵列防风噪优化装置包括麦克风阵列100、均方误差计算模块200、权重计算模块300和防风噪优化模块400。当然,为了提高麦克风采集的信号的信噪比,更好地去除噪声,所述麦克风阵列防风噪优化装置还可以包括预处理模块500。
所述麦克风阵列100用于采集环境音频信号,所述麦克风阵列100由按照特定的几何布局排列的多个麦克风组成。将所述麦克风阵列100中一个麦克风指定为参考麦克风,并在参考麦克风上设置物理防风噪器件;将麦克风阵列100去除参考麦克风后的其余麦克风均定义为主麦克风。
所述预处理模块500用于对参考麦克风和各个主麦克风采集到的音频信号进行去噪、滤波和放大处理后,再提取其时域特征或时频域特征,采用提取的特征来表征麦克风采集的信号。所述预处理模块200将参考麦克风和各个主麦克风采集到的音频信号数据存储为时域信号序列,并对所述时域信号序列进行去噪、滤波和放大等处理得到预处理音频数据以提高信噪比并减少环境噪声的影响;以及从预处理音频数据中提取时域特征、时频域特征等特征来表征麦克风采集的信号,以用于后续的防风噪优化算法。
所述均方误差计算模块200用于计算各个主麦克风采集的信号相对于参考麦克风采集的信号的均方误差。均方误差d_mse[i]的计算公式为:
d_mse[i]=MSE(x[i],x_ref_processed)
所述权重计算模块300用于根据均方误差计算各个主麦克风的权重系数。可以先对各个主麦克风的均方误差进行归一化处理,得到各个主麦克风的归一化权重;然后根据各个主麦克风的归一化权重分别计算其初始权重;最后对各个主麦克风的初5,所述权重计算模块300可以包括归一化处理单元310、初始权重计算单元320和权重调整单元330。
所述归一化处理单元310用于对各个主麦克风的均方误差进行归一化处理,得到各个主麦克风的归一化权重。进行归一化处理的公式如下:
所述初始权重计算单元320用于根据各个主麦克风的归一化权重分别计算其初始权重。计算初始权重的公式如下:
所述权重调整单元330用于对各个主麦克风的初始权重进行等比例调整,得到各个主麦克风的权重系数。调整后使得所有主麦克风的权重系数之和为“1”,以便于简化后续的防风噪优化算法。对主麦克风的初始权重进行等比例调整的公式如下:
所述防风噪优化模块400用于根据主麦克风的权重系数和参考麦克风采集的信号对主麦克风的采集的信号进行防风噪优化。对主麦克风采集的信号进行防风噪优化的公式为:
y[i]=(1-w[i]')×x[i]+w[i]'×x_ref_processed
本实施例中,在参考麦克风上加装了防风绒等防风器件,使参考麦克风可以在有风情况下为降噪算法提供更加稳定的参考信号,提高麦克风阵列100的降噪效果。另外,通过对权重系数计算方法和降噪算法的改进,可以进一步提升麦克风阵列100的降噪效果,有效减少或消除麦克风阵列100中因风吹引起的风噪,提升采集的音频信号的质量。
本发明还公开了一种计算机可读存储介质,本发明计算机可读存储介质的一个优选实施例存储有计算机程序,当所述计算机程序被处理器加载并执行时,全部或部分实现上述实施例的麦克风阵列防风噪优化方法。本实施例中,存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现。计算机程序被处理器加载并执行时所实现方法的内容详见前述实施例,在此不作赘述。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种麦克风阵列防风噪优化方法,其特征在于,包括以下步骤:
S100、在麦克风阵列上设置参考麦克风,并在参考麦克风上设置物理防风噪器件;
S200、将麦克风阵列中参考麦克风以外的麦克风定义为主麦克风,参考麦克风和各个主麦克风同时采集环境音频信号;
S300、计算各个主麦克风采集的信号相对于参考麦克风采集的信号的均方误差;
S400、根据均方误差计算各个主麦克风的权重系数;
S500、根据主麦克风的权重系数和参考麦克风采集的信号分别对各个主麦克风采集的信号同步进行防风噪优化;
在所述S400步骤中,根据均方误差计算各个主麦克风的权重系数包括以下子步骤:
S410、对各个主麦克风的均方误差进行归一化处理,得到各个主麦克风的归一化权重;
S420、根据各个主麦克风的归一化权重分别计算其初始权重;计算初始权重的公式如下:
其中,i表示主麦克风的序号;w[i]表示第i个主麦克风的初始权重;d_norm[i]表示第i个主麦克风的归一化权重;N表示主麦克风的总数;
S430、对各个主麦克风的初始权重进行等比例调整,得到各个主麦克风的权重系数;对初始权重进行等比例调整的公式如下:
其中,w[i]'表示第i个主麦克风的权重系数。
2.根据权利要求1所述的麦克风阵列防风噪优化方法,其特征在于,在所述S100步骤中,设置参考麦克风的方法为:
在麦克风阵列中指定一个麦克风作为参考麦克风,或单独设置一个麦克风作为参考麦克风。
3.根据权利要求1所述的麦克风阵列防风噪优化方法,其特征在于:在所述S100步骤中,所述物理防风噪器件包括防风绒和/或防风罩。
4.根据权利要求1所述的麦克风阵列防风噪优化方法,其特征在于,在执行S200步骤之后,还执行以下步骤:
S210、将参考麦克风和各个主麦克风采集到的音频信号数据存储为时域信号序列;
S220、对所述时域信号序列进行去噪、滤波和放大处理,得到预处理音频数据;
S230、从预处理音频数据中提取时域特征或时频域特征,采用提取的特征来表征麦克风采集的信号。
5.根据权利要求1~4任一项所述的麦克风阵列防风噪优化方法,其特征在于,在所述S410步骤中,进行归一化处理的公式如下:
其中,d_mse[i]表示第i个主麦克风的均方误差;d_min表示所有主麦克风中均方误差的最小值;d_max表示所有主麦克风中均方误差的最大值。
6.根据权利要求1~4任一项所述的麦克风阵列防风噪优化方法,其特征在于,在所述S500步骤中,对主麦克风采集的信号进行防风噪优化的公式为:
y[i]=(1-w[i]')×x[i]+w[i]'×x_ref_processed
其中,y[i]表示第i个主麦克风进行防风噪优化后得到的信号;x[i]表示第i个主麦克风采集的信号;x_ref_processed表示参考麦克风采集的信号。
7.一种麦克风阵列防风噪优化装置,其特征在于:包括
麦克风阵列,用于采集环境音频信号,所述麦克风阵列包括参考麦克风和多个主麦克风,所述参考麦克风设置有物理防风噪器件;
均方误差计算模块,用于计算各个主麦克风采集的信号相对于参考麦克风采集的信号的均方误差;
权重计算模块,用于根据均方误差计算各个主麦克风的权重系数;以及
防风噪优化模块,用于根据主麦克风的权重系数和参考麦克风采集的信号对主麦克风的采集的信号进行防风噪优化;
权重计算模块根据均方误差计算各个主麦克风的权重系数的方法包括以下子步骤:
S410、对各个主麦克风的均方误差进行归一化处理,得到各个主麦克风的归一化权重;
S420、根据各个主麦克风的归一化权重分别计算其初始权重;计算初始权重的公式如下:
其中,i表示主麦克风的序号;w[i]表示第i个主麦克风的初始权重;d_norm[i]表示第i个主麦克风的归一化权重;N表示主麦克风的总数;
S430、对各个主麦克风的初始权重进行等比例调整,得到各个主麦克风的权重系数;对初始权重进行等比例调整的公式如下:
其中,w[i]'表示第i个主麦克风的权重系数。
8.根据权利要求7所述的麦克风阵列防风噪优化装置,其特征在于:还包括预处理模块,所述预处理模块用于对参考麦克风和各个主麦克风采集到的音频信号进行去噪、滤波和放大处理后,再提取其时域特征或时频域特征,采用提取的特征来表征麦克风采集的信号。
9.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于:当所述计算机程序被处理器加载并执行时,实现如权利要求1~6任一项所述的麦克风阵列防风噪优化方法。
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