CN117692842A - 一种鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置及方法，其设置包括一耳机本体，以及在耳机本体上设置的一第一麦克风，以及在所述耳机本体内设置的控制电路；设置包括一可拆卸的延长杆件，在所述杆件端部设置有第二麦克风；以及控制电路，设置采用两种工作状态：第一工作状态为所述延长杆件未连接的状态，通过所述第一麦克风进行单麦语音降噪；第二工作状态为所述延长杆件连接的状态，通过所述第一麦克风和第二麦克风进行双麦语音降噪。发明鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置及方法由于采用了在耳机上设置的可拆卸的耳机杆件，方便了对耳机不同背景噪音环境使用方式的切换，兼顾了耳机的佩戴舒适度和降噪适应性。
Description
技术领域
本发明涉及一种耳机装置，尤其涉及的是一种利用鲁棒特性增强耳机通话降噪效果的耳机装置及其实现方法。
背景技术
现有耳机通话，一个典型的场景使用者处在坐席环境中，而且周边背景噪音与需要识别的本人语音属于同类音频，即都是人声，因而非常难于进行目标语音和干扰语音区分并降噪；而在环境嘈杂度不同的情况下，现有耳机的降噪算法并无区别，导致语音降噪程度不够，输出语音容易受到其他坐席语音的影响，而且耳机佩戴容易疲劳。
目前耳机通话降噪的装置可分为两种：一种是麦克风位于耳机本体，也就是无延长杆耳机；另一种是带有延长杆，将麦克风置于更接近人嘴位置，也就是有延长杆耳机。
由于有延长杆耳机可以将麦克风放置于更接近人嘴的位置，因此可以更好地拾取到佩戴者的声音，从而使得通话降噪效果更好；但尽管带有延长杆装置的耳机可以拾取到更高质量的佩戴者声音信号，但依然会拾取到背景其他话务人员的干扰噪声，尤其在声学环境复杂的场景下，常常会严重影响通话质量。现有技术解决此问题的惯常做法是增加一颗辅助麦克风，辅助麦克风位于远离目标人嘴的位置，如常见的部分话务耳机会使用带有延长杆的双麦通话降噪，通过辅助麦克风拾取的音频作为背景噪声来消除主麦克风拾取音频中的背景噪声，而佩戴者的音频因到达辅助麦克风与主麦克风之间的时延可以确定其模式，因此可以被有效识别出来。
上述带延长杆的双麦装置可以通过佩戴者与干扰者到达两麦的幅度差来区分声音来自佩戴者还是干扰者，如图1所示，佩戴者耳机上的第一麦克风101与佩戴者嘴部的距离远大于延长杆上第二麦克风102距离佩戴者嘴部103距离，因此第一麦克风收到的语音幅度远大于第一麦克风，而对于干扰者嘴部104到达第一麦克风101和第二麦克风102的距离是接近的，其音频幅度差异不大，因此即可识别两者之间的差异，进而通过信号处理算法后，可以分离出高质量的佩戴者声音。
但是，由于无延长杆的耳机，相比有延长杆的耳机麦克风位置离佩戴者嘴巴更远，获取到的佩戴者语音信号质量会差，导致无延长杆的耳机在大噪声环境无法通过算法处理出高质量的语音数据。
而对于有延长杆耳机，通常可以获得更高质量的佩戴者声音，进而通过算法可在大噪声环境下处理出高质量的声音；但延长杆也带来了缺陷：一方面，延长杆会降低佩戴者的舒适性；另一方面，延长杆对于耳机美观度也带来很大负面影响，对佩戴者操作的方便度也下降。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置及方法，针对现有技术的耳机语音降噪与佩戴舒适度不佳的情况，提供方便针对不同噪声环境的耳机降噪方案。
本发明的技术方案如下：
一种鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置，其设置包括一耳机本体，以及在耳机本体上设置的一第一麦克风，以及在所述耳机本体内设置的控制电路；其中，设置包括一可拆卸的延长杆件，在所述杆件端部设置有第二麦克风；以及控制电路，设置采用两种工作状态：第一工作状态为所述延长杆件未连接的状态，通过所述第一麦克风进行单麦语音降噪；第二工作状态为所述延长杆件连接的状态，通过所述第一麦克风和第二麦克风进行双麦语音降噪。
所述的鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置，其中，所述杆件与所述耳机本体采用吸附方式进行连接，对应在所述杆件端部上设置由于匹配接头，以及在连接端面上设置有数个接触点。
一种所述的鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置实现方法，其中，包括以下步骤：在所述控制电路中设置对所述杆件是否连接的判断逻辑，并采用对应不同工作状态的降噪处理算法。
所述的鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置实现方法，其中，在第一工作状态，所述控制电路采用单麦降噪算法以实现音频降噪。
所述的鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置实现方法，其中，所述单麦降噪算法采用谱减法，并包括以下步骤：
S1、将麦克风信号进行短时傅立叶变换，得出频域语音谱spec；
S2、对频域语音谱spec 取幅度谱abs处理，得到原始幅度谱mag；
S3、得到预测的噪声幅度谱est_noise_mag；
S4、通过原始幅度谱mag减去噪声幅度谱，得出降噪后幅度谱est_mag；
S5、对频域语音谱spec求相位angle处理，得到原始相位 ori_angle；
S6、由前述步骤得到的降噪后幅度谱est_mag 和原始相位ori_angle 合成降噪后语音谱；
S7、对前述得到的降噪后语音谱做短时逆傅立叶变换，得到降噪后的语音输出。
所述的鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置实现方法，其中，所述步骤S3还包括：对原始幅度谱mag逐频点跟踪最小值，将最小值视为环境底噪，由此得到预测的噪声幅度谱est_noise_mag。
所述的鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置实现方法，其中，所述步骤S4还包括：对降噪后幅度谱est_mag做约束，对est_mag＜0 的频点置为 0。
所述的鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置实现方法，其中，在第二工作状态，所述控制电路采用双麦降噪算法以实现音频降噪。
所述的鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置实现方法，其中，所述双麦降噪算法采用功率谱差异算法，并包括以下步骤：
T1、将第一麦克风和第二麦克风得到的音频数据分别做短时傅立叶变化，分别得到第一频域语音谱spec1和第二频域语音谱spec2；
T2、分别对第一频域语音谱spec1和第二频域语音谱spec2求功率谱abs处理，对应得到第一功率谱pow1和第二功率谱pow2；
T3、由比值公式ratio=pow2/pow1得到比值ratio，并根据阈值threshold将比值ratio归一化为0/1掩码mask；
T4、将所述T1步骤中得到的第二频域语音谱spec2和前述步骤中得到的掩码mask进行相乘，得到降噪后的语音谱；
T5、对前述步骤得到的降噪后语音谱进行短时逆傅立叶变换，得到降噪后语音，并输出。
所述的鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置实现方法，其中，所述步骤T3中的归化过程还包括：比值ratio>= threshold时归化为1，比值ratio<threshold时归化为0，其中阈值threshold通过采集干扰人语音经过前述步骤求出的噪音比值ratio_n和采集目标人语音经过前述步骤求出的目标比值ratio_s 来得到，且满足阈值threshold<= ratio_s 且threshod>= ratio_n。
本发明所提供的一种鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置及方法，由于采用了在耳机上设置的可拆卸的耳机杆件，以在单麦和双麦的不同工作状态之间进行切换，方便了对话务耳机不同背景噪音环境使用方式的切换，兼顾了耳机的佩戴舒适度和降噪适应性。
附图说明
图1为现有技术的话务耳机使用环境示意图。
图2为本发明所述鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置及方法较佳实施例工作状态的选择示意图。
图3为本发明所述鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置较佳实施例外形示意图。
图4为本发明所述鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置及方法较佳实施例第一工作状态的单麦降噪处理流程示意图。
图5为本发明所述鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置及方法较佳实施例第二工作状态的双麦降噪处理流程示意图。
具体实施方式
以下对本发明的较佳实施例加以详细说明。
本发明所提供的一种鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置及方法较佳实施例，主要提供在话务耳机上。话务耳机一般佩戴在使用者头上，两个耳朵采用耳塞或耳罩方式实现监听和播放功能，并具有至少一个麦克风用于拾音。话务员坐席一般是在一个空间内设置的多个坐席，每一个话务员分别接受外部进入电话的咨询和解答。在本发明的改进技术实施例方案中，如图3所示，可以设置一佩戴模块本体200，采用挂耳方式，挂接在一侧或两侧耳朵上，并具有一延伸杆件300。
在话务耳机本体200上设置有第一麦克风201，所述话务耳机本体可以具有各种不同的形状，但一般都在耳朵到嘴巴之间的区域内具有一朝向外侧的侧面，在侧面上设置有麦克风开口，对应在其中设置有第一麦克风201的容纳槽，以及对应的连接线等，以连接到本体内部的控制电路中。
在所述杆件300的端部设置有一第二麦克风202，所述第二麦克风202与耳机本体200可拆卸设置，例如采用磁性吸附连接结构，但不限于上述结构还可以有其他连接方式，例如螺接或卡扣连接方式，具体连接结构可以有很多种，如图3所示的，在所述耳机本体200下侧位置设置有用于与杆件300进行电性连接的电源触头203，可以设置在一凹窝中，并对应在所述杆件300上，与所述第二麦克风相反的一端端部设置为对应的杆件电源触头301。在所述耳机本体200的另一侧面设置为插入耳道的入耳耳塞凸起204，当然在另外的实施例中，也可以采用罩耳式结构。
在周边环境嘈杂度较小的情况下，例如非集中处理高峰期，较少接入电话的情况，本发明装置及方法实施例中可仅采用耳机本体上的第一麦克风201工作即可实现拾音处理，即第一工作状态。在嘈杂度较高的情况下，例如话务交流高峰期，可以将杆状第二麦克风202直接吸附到耳机本体上，将预先设置的插接头进行对接，从而形成双麦克风工作方式；并且根据第二麦克风的拾取音量（声音幅度值比较）大小，对话务员的声音频谱进行降噪，第二麦克风与第一麦克风的频谱和幅度进行比较，以便识别话务员的声音幅度差值是否符合要求，如果是则进行加强，否则予以减弱，从而实现双麦克风降噪功能，即第二工作状态。
本发明所述鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置及方法较佳实施例的耳机装置中，在嘈杂环境通话时可以连接延长杆，组成双麦并利用双麦克风降噪算法，提升通话质量，相比无延长杆耳机通话质量更优。在非嘈杂环境通话时可以不连接延长杆，使用耳机本体上的第一麦克风进行单麦通话降噪处理，兼顾舒适性和美观度。在非通话场景，如听音乐时，可以移除延长杆，兼顾舒适性和美观度。在使用连接延长杆时复用耳机本体上的第一麦克风组成双麦结构，可以应用效果更好的双麦通话降噪，降低结构复杂度，同时降低硬件成本。
本发明所述可拆卸延长杆的实现方式包括但不限于，可拆卸延长杆可通过卡扣、磁吸等方式来实现可拆卸，同时在延长杆与耳机本体接触位置设置电源触头以及信号接触点，以便电路判断当前是否有连接延长杆，进而在控制电路中切换使用不同的降噪算法。
如图2所示，本发明所述鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置及方法较佳实施例中通话时根据延长杆的连接状态来选择通话降噪算法：如果未连接延长杆，仅获取第一麦克风数据，进而调用单麦降噪算法，输出降噪后语音；如果已连接延长杆，则同时获取第一麦克风和第二麦克风的拾音音频数据，进而调用双麦降噪算法，输出降噪后语音。
在通话时，本发明所述鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置及方法较佳实施例中，延长杆在连接与未连接时分别调用双麦降噪算法与单麦降噪算法进行处理，根据延长杆靠近佩戴者嘴部处放置的第二麦克风，而耳机本体远离佩戴者嘴部设置的第一麦克风，通过两个麦克风之间的音频识别幅度和相位差进行识别判断佩戴者的语音，从而可以方便使用者的佩戴舒适度以及降噪精准度。
本发明较佳实施例的鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置及方法中，当取下杆件及第二麦克风时，仅使用耳机本体上的第一麦克风进行降噪处理，采用的是单麦降噪算法，单麦降噪算法可以使用谱减法、维纳滤波、深度学习等算法实现。以下以谱减法为例阐述实现方式，谱减法具有简单快速处理的好处：
谱减法的处理步骤如图4所示，主要如下步骤：
S1、将麦克风信号进行短时傅立叶变换，得出频域语音谱spec；
S2、对频域语音谱spec 取幅度谱abs（取绝对值）处理，得到原始幅度谱mag；
S3、对原始幅度谱mag逐频点跟踪最小值，由于跟踪的是最小值，最小值可以视为环境底噪（因为有语音存在时能量会变大），由此得到预测的噪声幅度谱 est_noise_mag；
S4、通过原始幅度谱mag减去噪声幅度谱，即mag-est_noise_mag，得出降噪后幅度谱est_mag，通常地，需要对降噪后幅度谱est_mag做约束，例如对est_mag＜0 的频点置为0，公式为est_mag = max(est_mag, 0)。原因在于依照物理含义理解，幅度不可能为负值。
S5、另外，对频域语音谱spec求相位angle处理，得到原始相位 ori_angle；
S6、由前述步骤得到的降噪后幅度谱est_mag 和原始相位ori_angle 合成降噪后语音谱；这个合并过程是指，麦克风所获取的音频信号中带有幅度和相位两种参数，在本发明较佳实施例的处理过程中，仅是针对幅度进行信号处理，而保留其原始相位；在降噪复原过程中，将降噪后的幅度信号对应的相位进行合并复原，即可得到降噪后的语音谱。
S7、对前述得到的降噪后语音谱做短时逆傅立叶变换，得到降噪后的语音输出，即为所述第一麦克风获取的语音音频。
本发明所述鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置及方法较佳实施例中，当在环境噪音处于较嘈杂的情况下，例如存在众多的坐席在附近一同进行语音咨询交流时，单麦算法就没有办法区分其他同是人声的背景噪音，此时，将杆件可以吸附连接到系统中，并同时由第一麦克风和第二麦克风进行工作，并在耳机控制电路中自动启动双麦降噪算法。所述双麦降噪算法的实现方式包括以下主要步骤：
双麦降噪可以使用功率谱差异算法(power level difference，PLD) 、深度学习等算法实现，以下如图5所示，以 PLD 为例阐述本发明较佳实施例的实现步骤：
T1、将第一麦克风和第二麦克风得到的音频数据分别做短时傅立叶变化，分别得到第一频域语音谱spec1和第二频域语音谱spec2；
T2、分别对第一频域语音谱spec1和第二频域语音谱spec2求功率谱处理，对应得到第一功率谱pow1和第二功率谱pow2；
T3、由比值公式ratio=pow2/pow1得到比值ratio，并根据阈值threshold将比值ratio归一化为0/1掩码mask，即比值ratio>= threshold-->1，比值ratio<threshold -->0，其中阈值threshold通过采集干扰人语音经过前述步骤求出的噪音比值ratio_n和采集目标人语音经过前述步骤求出的目标比值ratio_s 来得到，需满足阈值threshold<=ratio_s 且 threshod>= ratio_n；所述噪音比值ratio_n和所述目标比值ratio_s的取得可以在产品的设计过程中预先进行处理和设置取得。
更进一步的实施例中，还可以设置采用将所述噪音比值和目标比值设置成在耳机开机后的一个初始化过程，也即设置两段预处理程序，由使用者控制开始，例如其中一段时间内，如1-15分钟时间，提示仅有目标人进行足够的语音阅读记录和处理，并进行前述目标比值的计算处理；而在另一段时间内，如另外的1-15分钟时间内，提示目标人保持沉默，而将周边环境的正常噪音进行记录和处理，由此得到噪音比值数值。这两个比值数值分别记入系统的配置参数并锁定。
在进一步的实施例中，还可以设置环境更换或背景噪音变化以及目标人变化的情况下，上述噪音比值和目标比值可以通过由使用者控制再次启动，进行初始化更新，以便获取匹配当前目标人和背景噪音的降噪处理配置参数。
T4、将所述T1步骤中得到的第二频域语音谱spec2和前述步骤中得到的掩码mask进行相乘，得到降噪后的语音谱；
T5、对前述步骤得到的降噪后语音谱进行短时逆傅立叶变换，得到降噪后语音，并输出。
本发明上述鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置及方法较佳实施例中，可以根据不同的背景噪音情况下，选择将第二麦克风是否加入进行更精准的降噪处理，本发明较佳实施例通过在两种不同工作状态下的切换工作，实现了耳机舒适度与降噪处理的平衡使用。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置，其设置包括一耳机本体，以及在耳机本体上设置的一第一麦克风，以及在所述耳机本体内设置的控制电路；其特征在于，设置包括一可拆卸的延长杆件，在所述杆件端部设置有第二麦克风；以及控制电路，设置采用两种工作状态：第一工作状态为所述延长杆件未连接的状态，通过所述第一麦克风进行单麦语音降噪；第二工作状态为所述延长杆件连接的状态，通过所述第一麦克风和第二麦克风进行双麦语音降噪。
2.根据权利要求1所述的鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置，其特征在于，所述杆件与所述耳机本体采用吸附方式进行连接，对应在所述杆件端部上设置由于匹配接头，以及在连接端面上设置有数个接触点。
3.一种如权利要求1或2所述的鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置实现方法，其特征在于，包括以下步骤：在所述控制电路中设置对所述杆件是否连接的判断逻辑，并采用对应不同工作状态的降噪处理算法。
4.根据权利要求3所述的鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置实现方法，其特征在于，在第一工作状态，所述控制电路采用单麦降噪算法以实现语音降噪。
5.根据权利要求4所述的鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置实现方法，其特征在于，所述单麦降噪算法采用谱减法，并包括以下步骤：
S1、将麦克风信号进行短时傅立叶变换，得出频域语音谱spec；
S2、对频域语音谱spec 取幅度谱abs处理，得到原始幅度谱mag；
S3、得到预测的噪声幅度谱est_noise_mag；
S4、通过原始幅度谱mag减去噪声幅度谱，得出降噪后幅度谱est_mag；
S5、对频域语音谱spec求相位angle处理，得到原始相位 ori_angle；
S6、由前述步骤得到的降噪后幅度谱est_mag 和原始相位ori_angle 合成降噪后语音谱；
S7、对前述得到的降噪后语音谱做短时逆傅立叶变换，得到降噪后的语音输出。
6.根据权利要求5所述的鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置实现方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：对原始幅度谱mag逐频点跟踪最小值，将最小值视为环境底噪，由此得到预测的噪声幅度谱 est_noise_mag。
7.根据权利要求6所述的鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置实现方法，其特征在于，所述步骤S4还包括：对降噪后幅度谱est_mag做约束，对est_mag＜0 的频点置为 0。
8.根据权利要求3所述的鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置实现方法，其特征在于，在第二工作状态，所述控制电路采用双麦降噪算法以实现音频降噪。
9.根据权利要求8所述的鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置实现方法，其特征在于，所述双麦降噪算法采用功率谱差异算法，并包括以下步骤：
T1、将第一麦克风和第二麦克风得到的音频数据分别做短时傅立叶变化，分别得到第一频域语音谱spec1和第二频域语音谱spec2；
T2、分别对第一频域语音谱spec1和第二频域语音谱spec2求功率谱pow处理，对应得到第一功率谱pow1和第二功率谱pow2；
T3、由比值公式ratio=pow2/pow1得到比值ratio，并根据阈值threshold将比值ratio归一化为0/1掩码mask；
T4、将所述T1步骤中得到的第二频域语音谱spec2和前述步骤中得到的掩码mask进行相乘，得到降噪后的语音谱；
T5、对前述步骤得到的降噪后语音谱进行短时逆傅立叶变换，得到降噪后语音，并输出。
10.根据权利要求9所述的鲁棒增强耳机通话降噪效果的装置实现方法，其特征在于，所述步骤T3中的归化过程还包括：比值ratio >= threshold时归化为1，比值ratio <threshold时归化为0，其中阈值threshold通过采集干扰人语音经过前述步骤求出的噪音比值ratio_n和采集目标人语音经过前述步骤求出的目标比值ratio_s 来得到，且满足阈值threshold <= ratio_s 且 threshod > ratio_n。
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