CN1766992A - 从多声道音频信号去除噪声的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种从周围噪声被混合于其中的多个声道音频信号去除噪声的方法和设备。所述方法包括：通过平均多个声道输入信号在帧单元中检测噪声的存在并估计检测的噪声帧的噪声信号；和从多个声道输入信号的每一个减去所估计的噪声信号。

Description

多声道音频信号去除噪声的方法和设备
本申请要求于2004年10月26日在韩国知识产权局提交的第2004-85805号韩国专利申请的优先权，该申请完全公开于此以资参考。
                        技术领域
本发明的总体构思涉及音频录音机和回放装置，更具体地讲，涉及一种从周围噪声被混合于其中的多声道音频信号去除噪声的方法和设备。
                        背景技术
当使用便携式摄像机记录运动画面时，噪声通常由变焦电机和/或鼓形电机产生。这种噪声通过麦克风与音频信号一起被记录。因此，当再现所述音频信号时，记录的噪声降低声音质量。
因此，用于去除在周围环境中产生的噪声的噪声去除技术是必需的。通常，为了去除背景噪声，频谱噪声去除设备使用谱减方法。现在将参照图1描述这种方法。图1示出传统噪声去除设备。
通过麦克风(未示出)输入的单声道模拟信号被转换成数字信号。转换的数字信号在时域被划分成帧。为了减少帧之间的信息截断和失真，帧信号被加窗。快速傅立叶变换器(FFT)110通过对加窗的信号执行快速傅立叶变换将加窗的信号变换成频谱信息。
所述频谱信息包括幅度频谱信息和相位频谱信息。这里，所述幅度频谱信息被用于谱减，所述相位频谱信息被用于快速傅立叶逆变换。
噪声检测器120确定由FFT 110进行快速傅立叶变换的当前帧信号是仅噪声帧信号(即，仅包括背景噪声)还是噪声和音频信号被混合于其中的帧信号。
如果噪声检测器120确定所述当前帧信号是仅噪声帧信号，则噪声频谱单元130存储所述仅噪声帧信号的频谱特性曲线。
频谱减法器140从音频和噪声信号被混合于其中的幅度频谱减去基于存储的仅噪声帧的频谱特性曲线估计的噪声频谱。
在常规的噪声特性下，所述估计的噪声频谱接近地近似实际的噪声分量频谱。因此，通过执行谱减获得的输出幅度频谱接近地近似已经从其去除了噪声信号的仅音频幅度频谱。
然后，逆FFT(IFFT)150通过对包括输出幅度频谱信息和相位频谱信息的音频频谱执行快速傅立叶逆变换将音频频谱恢复成时域的原始信号。
在传统的噪声去除技术中，具体地讲，图1的传统噪声去除设备，需要大量计算的部件是FFT 110和IFFT 150，所述FFT 110用于将时域的信号变换成频域的信号，所述IFFT 150用于将频域的信号恢复成时域的信号。所述FFT 110和所述IFFT 150的计算量可被用于近似于总计算量。
所述传统噪声去除设备可从单声道音频信号去除噪声。因此，从多声道音频信号去除噪声的传统噪声去除设备必须使用多个单声道的传统噪声去除设备。因此，在传统多声道噪声去除系统中，FFT和IFFT的数量根据将被处理的声道的数量而增加，从而增加计算量。
                        发明内容
本发明总体构思提供一种从多声道音频信号去除噪声的方法，在该方法中，不管被处理的声道数量的增加，在时域和频域之间变换信号的计算量被保持为恒定水平。对于周围噪声被混合于其中的多声道音频信号，噪声处理单元被共享。
本发明总体构思还提供一种执行从多声道音频信号去除噪声的方法的噪声去除设备。
本发明总体构思的另外方面和优点将在下面的描述中被部分地阐述，并且部分地根据描述将变得清楚，或者可以通过实施本发明总体构思而被了解。
本发明总体构思的前述的和/或其它方面及优点可通过提供一种从多个声道音频信号去除噪声的方法而被实现，该方法包括：通过平均多个声道输入信号在一个和多个帧单元中检测噪声的存在并估计检测的噪声帧的噪声信号，和从多个声道输入信号的每一个减去估计的噪声信号。
本发明总体构思的前述的和/或其它方面及优点还可通过提供一种从多个声道音频信号去除噪声的噪声去除设备而被实现，该设备包括：噪声处理单元，通过平均多个声道输入信号在一个或多个帧单元中检测噪声的存在并估计检测的噪声帧的噪声信号；多个减法器，从多个声道输入信号中的每一个减去估计的噪声信号。
噪声处理单元可包括：加法器，将多个声道输入信号相加；平均单元，将相加的多个声道输入信号的电平平均；快速傅立叶变换(FFT)单元，在一个或多个帧单元中将从平均单元输出的信号变换成频谱；噪声帧检测器，对于所述频谱在所述一个或多个帧单元中确定噪声的存在；噪声频谱单元，当确定当前帧是包含仅噪声内容的帧时估计并存储当前帧的仅噪声频谱；和快速傅立叶逆变换(IFFT)单元，通过执行仅噪声频谱的快速傅立叶逆变换将仅噪声频谱变换成时域中的估计噪声信号。
                        附图说明
通过结合附图对实施例的以下描述中，本发明总体构思的这些和/或其它方面及优点将会变得清楚，并且更易于理解，其中：
图1是示出从音频信号去除噪声的传统设备的方框图；
图2是示出根据本发明总体构思的实施例的从多声道音频信号去除噪声的噪声去除设备的方框图；和
图3A至3H是示出根据本发明总体构思的实施例的从多声道音频信号去除噪声的方法的波形图。
                      具体实施方式
现在将详细描述本发明整体构思的实施例，其示例在附图中示出，其中，相同的标号始终表示相同的部件。下面通过参照附图来描述这些实施例以解释本发明总体构思。
图2是示出根据本发明整体构思的实施例的从多声道音频信号去除噪声的噪声去除设备的方框图。
参照图2，所述噪声去除设备包括第一延迟单元220、第二延迟单元230、噪声处理单元210、第一减法器240和第二减法器250。噪声处理单元210包括加法器211、平均单元213、快速傅立叶变换(FFT)单元214、噪声帧检测器215、噪声频谱单元216和逆FFT(IFFT)单元217。
现在将参照图3中示出的波形图来描述图2中示出的噪声去除设备。
输入多声道信号。这里，假定噪声内容和音频内容在每个声道中都被混合。如图3A所示，第一噪声信号310和第一音频信号320在第一声道信号中被混合。类似地，如图3B所示，第二噪声信号330和第二音频信号340在第二声道信号中被混合。
噪声处理单元210通过平均第一声道和第二声道的信号电平在帧单元中检测噪声的存在，并估计检测的噪声帧的噪声信号。
现在将详细描述噪声处理单元210。
加法器211将图3A示出的第一声道信号(a)和图3B示出的第二声道信号(b)相加。
平均单元213将由加法器211所加的信号的电平取平均。
FFT单元214将图3C中示出的平均的信号(c)划分成多个帧单元，在每个帧中对划分的信号进行加窗，并且通过对所述划分的信号执行快速傅立叶变换将划分成帧单元的信号变换成频谱信息。加窗可使用Hamming窗方法和Hanning窗方法而被执行。
噪声帧检测器215确定当前帧信号是仅噪声帧信号(即，仅包括噪声信号)还是噪声和音频信号被混合于其中的帧信号。多种方法可用来确定所述当前帧信号是否是仅噪声帧信号。例如，如果当前帧信号的能量小于阈值，则所述当前帧信号可被确定为仅噪声帧信号。
当由噪声帧检测器215确定所述当前帧信号是仅噪声帧信号时，噪声频谱单元216存储所述当前帧信号的噪声频谱特性曲线。通常，通过平均噪声区的幅度频谱来估计声音区的噪声频谱特性曲线。
IFFT单元217通过对所存储的噪声频谱特性曲线执行快速傅立叶逆变换将存储在噪声频谱单元216中的噪声频谱特性曲线恢复成如图3D所示的时域中的原始噪声信号(d)。另外，当噪声帧检测器215确定所述当前帧信号不是仅噪声帧时，噪声频谱单元216从先前信号帧输出用于处理的噪声频谱特性曲线。换句话说，无论何时检测到仅噪声帧，噪声帧检测器215都将用于估计第一噪声信号310和第二噪声信号330的噪声频谱特性曲线更新。存储的噪声频谱特性曲线被用于处理直到另一个仅噪声帧被检测到为止，此时，存储的噪声频谱特性曲线被更新。
在图3A中示出的第一声道信号(a)由噪声处理单元210处理的同时，如图3E所示第一延迟单元220将所述第一声道信号(a)延迟，在所述第一声道信号(a)中，第一噪声信号310和第一音频信号320被混合。即，为了使所述第一声道信号(a)和由包括在噪声处理单元210中的FFT单元214和IFFT单元217延迟的噪声信号同步，第一延迟单元220将所述第一声道信号(a)延迟预定时间。具体地讲，由IFFT单元217输出的噪声信号和由第一延迟单元220输出的第一声道信号同步。
在图3B所示的第二声道信号(b)由噪声处理单元210处理的同时，如图3F所示第二延迟单元230将所述第二声道信号(b)延迟，在所述第二声道信号(b)中，第二噪声信号330和第二音频信号340被混合。即，为了使所述第二声道信号(b)和由包括在噪声处理单元210中的FFT单元214和IFFT单元217延迟的噪声信号同步，第二延迟单元230将所述第二声道信号(b)延迟预定时间。具体地讲，由IFFT单元217输出的噪声信号(d)和由第二延迟单元230输出的第二声道信号同步。
第一减法器240从延迟的第一声道信号(e)减去从IFFT单元217输出的噪声信号(d)，在所述延迟的第一声道信号(e)中，第一噪声信号310和第一音频信号320被混合。在图3G中示出被减的第一声道信号(g)。参照图3G，第一减法器240输出通过从延迟的第一声道信号(e)去除第一噪声信号310获得的第一音频信号320。
第二减法器250从延迟的第二声道信号(f)减去从IFFT单元217输出的噪声信号(d)，在所述延迟的第二声道信号(f)中，第二噪声信号330和第二音频信号340被混合。在图3H中示出被减的第二声道信号(h)。参照图3H，第二减法器250输出通过从延迟的第二声道信号(f)去除第二噪声信号330获得的第二音频信号340。
因此，不管系统中声道的数量，通过在多音频声道中共享噪声处理单元210，FFT和IFFT的计算量可被保持为常数。多音频声道通过从多音频声道的平均信号确定估计的噪声频谱来共享噪声处理单元210。由于背景噪声在多音频声道中趋于不变(即，背景噪声被相等地记录在多音频声道的信号中)，所以在每个多音频声道中的噪声使用从多音频信号的平均信号估计的噪声频谱可被精确地近似。
通过运行来自计算机可读介质的程序，本发明总体构思可在计算机中被实施，所述计算机可读介质包括但不限于比如磁存储介质(ROM、RAM、软盘、磁带等)、光学可读介质(CD-ROM、DVD等)和载波(经互联网传输)的存储介质。本发明总体构思可被实施为具有计算机可读程序代码的计算机可读介质以引起经网络连接的许多计算机系统实现分布式处理。
虽然已经显示并描述了本发明总体构思的一些实施例，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求及其等同物限定其范围的总体构思的原则和精神的情况下，可以对这些实施例进行改变。

Claims (24)

1、一种从多个声道音频信号去除噪声的方法，该方法包括：
通过平均多个声道输入信号在一个和多个帧单元中检测噪声的存在并估计检测的噪声帧的噪声信号；和
从多个声道输入信号中的每一个减去估计的噪声信号。
2、如权利要求1所述的方法，其中，所述检测噪声的存在和估计噪声信号的步骤包括：
将所述多个声道输入信号相加并将相加的多个声道输入信号平均；
将平均的多个声道输入信号转换成频谱；
关于所述频谱，确定噪声的存在；
当确定所述频谱包括仅噪声内容时存储仅噪声频谱；和
将所述仅噪声频谱转换成时域中的所述估计的噪声信号。
3、如权利要求1所述的方法，其中，所述检测噪声存在的步骤包括根据当前帧信号的能量是否小于预定阈值的确定来确定所述当前帧信号是否是仅噪声帧信号。
4、如权利要求1所述的方法，其中，所述减去估计的噪声信号的步骤包括：
在输入信号被噪声处理、噪声的存在被检测并且噪声信号被估计的同时将所述多个声道输入信号延迟；和
从延迟的多个声道输入信号减去所述估计的噪声信号。
5、一种从至少两个声道去除噪声的方法，该方法包括：
至少接收第一声道信号和第二声道信号；
将所述第一声道信号和所述第二声道信号结合；
根据结合的信号估计噪声信号；和
从所述第一声道信号和所述第二声道信号中的每一个减去估计的噪声信号。
6、如权利要求5所述的方法，其中，所述将所述第一声道信号和所述第二声道信号结合的步骤包括将所述第一声道信号和所述第二声道信号的信号电平平均。
7、如权利要求5所述的方法，其中，所述估计噪声信号的步骤包括将所述结合信号的帧的频谱信息存储为估计的噪声信号，所述结合的信号被确定为仅包含噪声。
8、如权利要求7所述的方法，其中，所述存储所述频谱信息的步骤包括当随后的帧被确定仅包含噪声时将所述估计的噪声信号更新。
9、如权利要求5所述的方法，其中，所述估计噪声信号的步骤包括：
确定所述结合的信号的当前帧是否是仅包含噪声内容的帧或者所述结合的信号的所述当前帧是否是包含音频和噪声内容的帧；
当所述当前帧被确定仅包含噪声内容时，将所述结合的信号的当前帧的频谱信息存储为所述估计的噪声信号；和
当所述当前帧被确定包含音频和噪声内容时，将所述结合的信号的先前帧的先前存储的频谱信息恢复为所述估计噪声信号，其中，所述结合的信号的当前帧仅包含噪声内容。
10、如权利要求5所述的方法，其中，所述减去估计的噪声信号的步骤包括：
在估计所述噪声信号的同时将所述第一声道信号和所述第二声道信号中的每一个延迟以使所述第一声道信号和所述第二声道信号与估计的噪声信号同步；和
从所述第一声道信号和所述第二声道信号中的每一个减去所述估计的噪声信号。
11、如权利要求5所述的方法，其中，所述估计噪声信号的步骤包括：
将具有一个或多个帧的所述结合的信号从时域转换到频域；
处理所述结合的信号中的噪声以确定所述估计的噪声信号的频谱信息；和
将所述估计的噪声信号的频谱信息转换回时域以获得所述估计的噪声信号。
12、一种从多个声道音频信号去除噪声的噪声去除设备，该设备包括：
噪声处理单元，通过平均多个声道输入信号来检测在一个或多个帧单元中噪声的存在并估计检测的噪声帧的噪声信号；和
多个减法器，用于从所述多个声道输入信号的每一个减去所估计的噪声。
13、如权利要求12所述的设备，其中，所述噪声处理单元包括：
加法器，用于将多个声道输入信号相加；
平均单元，用于将相加的多个声道输入信号的电平平均；
快速傅立叶变换单元，在一个或多个帧单元中将从所述平均单元输出的信号变换成频谱；
噪声帧检测器，对于所述频谱在所述一个或多个帧单元中确定噪声的存在；
噪声频谱单元，当确定当前帧为仅包含噪声内容的帧时，估计并存储当前帧的仅噪声频谱；和
快速傅立叶逆变换单元，通过执行所述仅噪声频谱的快速傅立叶逆变换将所述仅噪声频谱变换成时域中的所述估计的噪声信号。
14、如权利要求12所述的设备，还包括：
多个延迟单元，在由所述噪声处理单元处理所述多个声道输入信号的同时，将噪声和音频信号被混合于其中的所述多个声道输入信号的每一个输入信号延迟。
15、一种从至少两个声道去除噪声的设备，包括：
结合单元，将至少第一声道信号和第二声道信号结合成结合的信号；
噪声估计单元，根据所述结合的信号估计噪声信号；和
相减单元，从所述第一声道信号和所述第二声道信号中的每一个减去所述估计的噪声信号。
16、如权利要求15所述的设备，其中，所述结合单元包括用于将所述第一声道信号和所述第二声道信号的电平信号平均的平均单元。
17、如权利要求15所述的设备，其中，所述噪声估计单元包括用于将所述结合的信号的帧的频谱信息存储为所述估计的噪声信号的噪声频谱单元，所述结合的信号被确定为仅包含噪声。
18、如权利要求17所述的设备，其中，当所述结合的信号的随后帧被确定仅包含噪声时所述噪声频谱单元将所述估计的噪声信号更新。
19、如权利要求15所述的设备，其中，所述噪声估计单元包括：
噪声帧检测器，用于确定所述结合的信号的当前帧是否是仅包含噪声内容的帧或者所述结合的信号的所述当前帧是否是包含音频和噪声内容的帧；和
噪声频谱单元，当所述当前帧被确定为仅包含噪声内容时将所述结合的信号的所述当前帧的频谱信息存储为所述估计的噪声信号，并且当所述当前帧被确定包含音频和噪声内容时将所述结合的信号的先前帧的先前存储的频谱信息恢复为所述估计的噪声信号，其中，所述结合的信号仅包含噪声内容。
20、如权利要求15所述的设备，其中，所述相减单元包括：
第一延迟单元和第二延迟单元，在所述噪声估计单元估计所述噪声信号的同时将所述第一声道信号和所述第二声道信号延迟以使所述第一声道信号和所述第二声道信号与所述估计的噪声信号同步；和
第一减法器和第二减法器，用于从延迟的第一声道信号和延迟的第二声道信号中的每一个减去所述估计的噪声信号。
21、如权利要求15所述的设备，其中，所述噪声估计单元包括：
频率转换单元，用于将具有多个帧的所述结合的信号从时域转换到频域；
噪声处理器，用于处理在所述结合的信号中的噪声以确定所述估计的噪声信号的频谱信息；和
时间转换单元，用于将所述估计的噪声信号的频谱信息转换回时域以获得所述估计的噪声信号。
22、一种从多个声道信号去除噪声的设备，包括：
共享噪声处理器，用于接收多个声道信号并处理所述多个声道信号的噪声；
多个旁路信号路径，在其上所述多个声道信号被携带以绕过所述共享噪声处理器；和
相减单元，用于从绕过所述共享噪声处理器的所述多个声道信号减去由所述共享噪声处理器处理的噪声。
23、如权利要求22所述的设备，其中，所述共享噪声处理器包括单个频域转换单元和单个时域转换单元。
24、一种包含用于从至少两个声道去除噪声的可执行代码的计算机可读介质，所述介质包括：
第一可执行代码，用于至少接收第一声道信号和第二声道信号；
第二可执行代码，用于将所述第一声道信号和所述第二声道信号结合；
第三可执行代码，用于根据结合的信号估计噪声信号；和
第四可执行代码，用于从所述第一声道信号和所述第二声道信号的每一个减去所估计的噪声信号。
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