TWI441525B - 室內收音系統及室內收音方法 - Google Patents

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TWI441525B
TWI441525B TW098137336A TW98137336A TWI441525B TW I441525 B TWI441525 B TW I441525B TW 098137336 A TW098137336 A TW 098137336A TW 98137336 A TW98137336 A TW 98137336A TW I441525 B TWI441525 B TW I441525B
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Description

室內收音系統及室內收音方法
本發明是有關於一種收音系統及收音方法，且特別是有關於一種室內收音系統及室內收音方法。
在現今多媒體的環境裡，人類所要求的通信媒介已呈現多元化，包括語音、影像，圖形、文字等，皆是必備的要件，特別是視覺與聽覺的接觸，而此衍生出應用於室內空間的產品如視訊會議系統或音訊會議系統。不論是視訊會議系統或音訊會議系統，聲音絕對是會議中最重要的一部份。不管是否能清晰的聽到對方的話語或是對方能否清晰聽見自己的聲音，都會深深地影響會議是否能正常進行。
目前產品中對於收音這方面多是採用固定型式的指向性麥克風搭配一般降噪演算法消除固定方位的噪音，而無法適應性的針對空間中各個方位指向收音，因此大大降低了收音的靈活性與便利性。
本發明係有關於一種室內收音系統及室內收音方法。
根據本發明之一方面，提出一種室內收音系統。室內收音系統包括麥克風陣列、路徑函數資料庫、聽音辨位單元、路徑函數選取單元及訊號處理單元。麥克風陣列包括數個麥克風，且麥克風分別設置於室內空間中之數個區域，前述數個麥克風感測至少一主聲源以輸出數個麥克風感測訊號。路徑函數資料庫儲存數組路徑函數，數組路徑函數分別對應至前述數個區域。聽音辨位單元根據數個麥克風感測訊號於數個區域之中找出主聲源所在區域做為一主聲源區域。路徑函數選取單元於數組路徑函數之中選擇與主聲源區域相對應之一組路徑函數做為一組主聲源路徑函數。訊號處理單元根據此組主聲源路徑函數及數個麥克風感測訊號進行音訊強化運算以輸出強化後語音訊號。
根據本發明之另一方面，提出一種室內收音方法。室內收音方法係應用於室內收音系統，室內收音系統包括一麥克風陣列，麥克風陣列包括數個麥克風。麥克風係分別設置於室內空間之數個區域。室內收音方法至少包括如下步驟：首先藉由麥克風陣列之數個麥克風感測至少一主聲源以輸出數個麥克風感測訊號。接著根據數個麥克風感測訊號於室內空間之數個區域之中找出主聲源所在區域做為一主聲源區域。跟著於數組路徑函數之中選擇與主聲源區域相對應之一組路徑函數做為一組主聲源路徑函數。數組路徑函數分別對應至數個區域。最後根據此組主聲源路徑函數及數個麥克風感測訊號進行音訊強化運算以輸出強化後語音訊號。
為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
下述實施例揭露一種室內收音系統及室內收音方法方法。室內收音系統包括麥克風陣列、路徑函數資料庫、聽音辨位單元、路徑函數選取單元及訊號處理單元。麥克風陣列包括數個麥克風，且麥克風分別設置於室內空間中之數個區域，前述數個麥克風感測至少一主聲源以輸出數個麥克風感測訊號。路徑函數資料庫儲存數組路徑函數，數組路徑函數分別對應至前述數個區域。聽音辨位單元根據數個麥克風感測訊號於數個區域之中找出主聲源所在區域做為一主聲源區域。路徑函數選取單元於數組路徑函數之中選擇與主聲源區域相對應之一組路徑函數做為一組主聲源路徑函數。訊號處理單元根據此組主聲源路徑函數及數個麥克風感測訊號進行音訊強化運算以輸出強化後語音訊號。
室內收音方法係應用於室內收音系統，且至少包括如下步驟：首先藉由麥克風陣列之數個麥克風感測至少一主聲源以輸出數個麥克風感測訊號。接著根據數個麥克風感測訊號於室內空間之數個區域之中找出主聲源所在區域做為一主聲源區域。跟著於數組路徑函數之中選擇與主聲源區域相對應之一組路徑函數做為一組主聲源路徑函數。數組路徑函數分別對應至數個區域。最後根據此組主聲源路徑函數及數個麥克風感測訊號進行音訊強化運算以輸出強化後語音訊號。
第一實施例
請同時參照第1圖至第3圖，第1圖繪示係為室內收音系統之示意圖，第2圖繪示係為室內收音方法之流程圖，第3圖繪示係為於多個區域中找出主聲源區域之示意圖(區域的個數主要是取決於聲源定位的精度，例如：x、y軸精度各為30度，所以各可表示6個方位，而形成的區域即為6*6=36個區域。而圖3是以24個區域為例)。室內收音方法係應用於室內收音系統10。室內收音系統10包括麥克風陣列110、路徑函數資料庫120、聽音辨位單元130、路徑函數選取單元140及訊號處理單元150。麥克風陣列110例如為二維陣列麥克風或三維陣列麥克風，且麥克風陣列110包括分別設置於室內空間之n個區域的麥克風110(1)至110(n)。麥克風110(1)至110(n)可以選擇比指向性麥克風便宜的全向性麥克風以大幅降低成本。麥克風110(1)至110(n)例如係設置於天花板、四周牆壁或會議桌上以呈二維排列或三維排列。路徑函數資料庫120用以儲存分別對應至上述n個區域的n組路徑函數。
室內收音方法包括如下步驟：首先，如步驟210所示，先將各區域之路徑函數儲存於路徑函數資料庫中；再來，如步驟220所示，麥克風110(1)至110(n)感測至少一主聲源以輸出數個第一麥克風感測訊號A(1)至A(n)。接著如步驟230所示，聽音辨位單元130根據數個第一麥克風感測訊號A(1)至A(n)於n個區域之中找出主聲源所在區域做為一主聲源區域。聽音辨位單元130例如係執行時域交相關(Time Domain Cross Correlation,TDCC)演算法或語者定位演算法(Speaker Localization Algorithm)找出主聲源區域。
時域交相關演算法係在時域上利用不同麥克風語音間的相關性求取時間延遲，也就是利用相關性的特性從麥克風間找出相關性最高的延遲點數。亦即先由兩顆麥克風接收麥克風感測訊號後，再由時域交相關演算法算出相關性最高的時間延遲，最後利用得到的時間延遲、麥克風間距以及聲速，即可得到聲源方位角。
語者定位演算法係先將麥克風所接收到的訊號經由快速傅利葉轉換(Fast Fouier Transform,FFT)後，計算各麥克風在頻域上的能量，然後在空間各方位下找出能量總合最高的那個方位即為聲源方位。
舉例來說，前述室內空間例如可分為區域310(1)至310(24)，且前述麥克風陣列例如為二維麥克風陣列。聽音辨位單元130根據x軸及y軸麥克風計算聲源入射角之交集。由於聲源入射角之交集落於區域310(14)，因此區域310(14)即為主聲源區域。
跟著如步驟240所示，路徑函數選取單元140於路徑函數資料庫120所儲存之n組路徑函數之中選擇與主聲源區域相對應之一組路徑函數做為一組主聲源路徑函數H(i)。最後如步驟250所示，訊號處理單元150根據路徑函數選取單元140所選出的那組主聲源路徑函數H(i)及第一麥克風感測訊號A(1)至A(n)進行音訊強化運算以輸出強化後語音訊號CS。如此一來，能讓報告者所傳遞的語音訊息能不失真、完整的讓遠端會議室的人接收到清晰的語音。
不僅如此，室內收音系統10是根據主聲源所在區域進行音訊強化，因此能依照使用者目前所在方位進行適應性的指向收音，即便是同方位下不同距離之多聲源也能夠被清楚地辨別。所以，使用者就算邊走動邊報告，也不會影響到收音的品質。
再者，室內收音系統10的麥克風不侷限於設置於會議桌上，而是視實際需要選擇設置於天花板或四周牆壁。所以不僅不佔空間且讓報告者不需手持麥克風，使用者更不需刻意增大自已的音量增強收音的效果。
請參照第4圖，第4圖繪示係為部份室內收音系統之細部方塊圖。路徑函數選取單元140所選出的那組主聲源路徑函數H(i)進一步包括路徑函數h(1)至h(n)。訊號處理單元150包括時間反轉(Time Reversal)器152(1)至152(n)、折積單元154(1)至154(n)、加法器156及時間反轉器158。時間反轉(Time Reversal)器152(1)至152(n)用以分別將第一麥克風感測訊號A(1)至A(n)進行時間反轉以輸出時間反轉訊號BA(1)至BA(n)。折積單元154(1)至154(n)分別根據時間反轉訊號BA(1)至BA(n)及路徑函數h(1)至h(n)輸出折積訊號C(1)至C(n)。加法器156相加折積訊號C(1)至C(n)以輸出疊加聚焦訊號SC。時間反轉器158將疊加聚焦訊號SC進行時間反轉後輸出強化後語音訊號CS。
請參照第5圖，第5圖繪示係為另一部份室內收音系統之細部方塊圖。室內收音系統10可以進一步更包括寬頻聲源撥放器160、參考麥克風170及路徑函數產生單元180。聲源撥放器160及參考麥克風170設置於n個區域其中之一。寬頻聲源撥放器160提供一寬頻聲源，使得麥克風陣列110感測寬頻聲源以輸出第二麥克風感測訊號d(1)至d(n)。參考麥克風170感測寬頻聲源以輸出參考訊號R。路徑函數產生單元180根據參考訊號R及第二麥克風感測訊號d(1)至d(n)產生與參考麥克風170及寬頻聲源撥放器160所在區域相對應之一組路徑函數。以此類推，聲源撥放器160及參考麥克風170可於n個區域依序設置，使得路徑函數產生單元180產生與n個區域對應之n組路徑函數。
請參照第6圖，第6圖繪示係為路徑函數產生單元之示意圖。路徑函數產生單元180包括適應性濾波器(Adaptive Filter)182及計算單元184。適應性濾波器182根據前述參考麥克風170輸出之參考訊號x(k)及誤差值e(k)執行最小均方(Least Mean Square,LMS)演算法、正規化最小均方(Normalized Least Mean Square,NLMS)演算法或遞迴最小平方演算法(Recursive Least Squares,RLS)演算法以輸出濾波器輸出訊號y(k)。
計算單元184例如為減法器，且計算單元184根據第二麥克風感測訊號d(k)、濾波器輸出訊號y(k)及噪音訊號n(k)輸出誤差值e(k)，其中k=1～n。當誤差值e(k)小於一預設閾值時，適應性濾波器182獲得與參考麥克風170及寬頻聲源撥放器160所在區域相對應之一組路徑函數。
本發明上述實施例所揭露之室內收音系統及室內收音方法，具有多項優點，以下僅列舉部分優點說明如下：
一、能夠辨識同方位不同距離之多聲源。
二、不需使用昂貴的指向性麥克風。
三、能讓報告者所傳遞的語音訊息能不失真、完整的讓遠端會議室的人接收到清晰的語音。
四、能適應性的指向收音，使報告者可邊走動邊報告。
五、麥克風不佔空間且讓報告者不需手持麥克風，使用者不需刻意增大自已的音量增強收音的效果。
綜上所述，雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10．．．室內收音系統
110．．．麥克風陣列
110(1)～110(n)．．．麥克風
120．．．路徑函數資料庫
130．．．聽音辨位單元
140．．．路徑函數選取單元
150．．．訊號處理單元
152(1)～152(n)、158．．．時間反轉器
154(1)~154(n)‧‧‧折積單元
156‧‧‧加法器
160‧‧‧寬頻聲源撥放器
170‧‧‧參考麥克風
180‧‧‧路徑函數產生單元
182‧‧‧適應性濾波器
184‧‧‧計算單元
210、220、230、240、250‧‧‧步驟
310(1)~310(24)‧‧‧區域
A(1)~A(n)‧‧‧第一麥克風感測訊號
BA(1)~BA(n)‧‧‧時間反轉訊號
C(1)~C(n)‧‧‧折積訊號
d(1)~d(n)、d(k)‧‧‧第二麥克風感測訊號
H(i)‧‧‧一組路徑函數
h(1)~h(n)‧‧‧路徑函數
CS‧‧‧強化後語音訊號
SC‧‧‧疊加聚焦訊號
x(k)‧‧‧參考訊號
y(k)‧‧‧濾波器輸出訊號
e(k)‧‧‧誤差值
n(k)‧‧‧噪音訊號
第1圖繪示係為室內收音系統之示意圖。
第2圖繪示係為室內收音方法之流程圖。
第3圖繪示係為於多個區域中找出主聲源區域之示意圖。(此圖以24個區域為例)
第4圖繪示係為部份室內收音系統之細部方塊圖。
第5圖繪示係為另一部份室內收音系統之細部方塊圖。
第6圖繪示係為路徑函數產生單元之示意圖。
210、220、230、240、250．．．步驟

Claims (22)

  1. 一種室內收音系統，包括：一麥克風陣列，包括：複數個麥克風，係分別設置於一室內空間中之複數個區域，該些麥克風感測至少一主聲源以輸出複數個第一麥克風感測訊號；一路徑函數資料庫，用以儲存複數組路徑函數，該些組路徑函數分別對應至該些區域；一聽音辨位單元，用以根據該些第一麥克風感測訊號於該些區域之中找出該主聲源所在區域做為一主聲源區域；一路徑函數選取單元，用以於該些組路徑函數之中選擇與該主聲源區域相對應之一組路徑函數做為一組主聲源路徑函數；一訊號處理單元，用以根據該組主聲源路徑函數及該些第一麥克風感測訊號進行一音訊強化運算以輸出一強化後語音訊號；一寬頻聲源撥放器，用以提供一寬頻聲源，使得該麥克風陣列感測該寬頻聲源以輸出複數個第二麥克風感測訊號；一參考麥克風，係與該寬頻聲源撥放器設置於該些區域其中之一，並用以感測該寬頻聲源以輸出一參考訊號；以及一路徑函數產生單元，用以根據該參考訊號及該些第二麥克風感測訊號產生與該參考麥克風及該寬頻聲源撥 放器所在區域相對應之一組路徑函數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之室內收音系統，其中該訊號處理單元包括：複數個第一時間反轉(Time Reversal)器，用以分別將該些第一麥克風感測訊號進行時間反轉以輸出複數個時間反轉訊號；複數個折積單元，用以分別根據該些時間反轉訊號及該組主聲源路徑函數輸出複數個折積訊號；一加法器，用以相加該些折積訊號以輸出該疊加聚焦訊號；以及一第二時間反轉器，用以將該疊加聚焦訊號進行時間反轉後輸出該強化後語音訊號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之室內收音系統，其中該路徑函數產生單元包括：一適應性濾波器(Adaptive Filter)，用以根據該參考訊號輸出一濾波器輸出訊號；以及一計算單元，用以根據該些麥克風感測訊號及該濾波器輸出訊號輸出一誤差值，當該誤差值小於一預設閾值，該適應性濾波器獲得與該參考麥克風及該寬頻聲源撥放器所在區域相對應之該組路徑函數。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之室內收音系統，其中該適應性濾波器係根據該參考訊號及該誤差值執行最小均方(Least Mean Square,LMS)演算法以獲得與該參考麥克風及該寬頻聲源撥放器所在區域相對應之該組路徑函數。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之室內收音系統，其中該適應性濾波器係根據該參考訊號及該誤差值執行正規化最小均方(Normalized Least Mean Square,NLMS)演算法以獲得與該參考麥克風及該寬頻聲源撥放器所在區域相對應之該組路徑函數。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之室內收音系統，其中該適應性濾波器係根據該參考訊號及該誤差值執行遞迴最小平方演算法(Recursive Least Squares,RLS)演算法以獲得與該參考麥克風及該寬頻聲源撥放器所在區域相對應之該組路徑函數。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之室內收音系統，其中該麥克風陣列係二維陣列麥克風。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之室內收音系統，其中該麥克風陣列係三維陣列麥克風。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之室內收音系統，其中該些麥克風係為全向性麥克風。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之室內收音系統，其中該聽音辨位單元係根據該些第一麥克風感測訊號執行時域交相關(Time Domain Cross Correlation,TDCC)演算法找出該主聲源區域。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之室內收音系統，其中該聽音辨位單元係根據該些第一麥克風感測訊號執行語者定位演算法(Speaker Localization Algorithm)找出該主聲源區域。
  12. 一種室內收音方法，係應用一室內收音系統，該 室內收音系統包括一麥克風陣列，該麥克風陣列包括複數個麥克風，該些麥克風係分別設置於一室內空間之複數個區域，該室內收音方法包括：藉由該些麥克風感測至少一主聲源以輸出複數個第一麥克風感測訊號；根據該些第一麥克風感測訊號於該些區域之中找出該主聲源所在區域做為一主聲源區域；於複數組路徑函數之中選擇與該主聲源區域相對應之一組路徑函數做為一組主聲源路徑函數，該些組路徑函數分別對應至該些區域；根據該組主聲源路徑函數及該些第一麥克風感測訊號進行一音訊強化運算以輸出一強化後語音訊號；提供一寬頻聲源，使得該麥克風陣列感測該寬頻聲源以輸出複數個第二麥克風感測訊號；提供一參考麥克風感測該寬頻聲源以輸出一參考訊號，該參考麥克風與該寬頻聲源撥放器設置於該些區域其中之一；以及根據該參考訊號及該些第二麥克風感測訊號產生與該參考麥克風及該寬頻聲源撥放器所在區域相對應之一組路徑函數。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之室內收音方法，其中輸出一強化後語音訊號之該步驟包括：分別將該些第一麥克風感測訊號進行時間反轉以輸出複數個時間反轉訊號；分別根據該些時間反轉訊號及該組主聲源路徑函數 輸出複數個折積訊號；相加該些折積訊號以輸出該疊加聚焦訊號；以及將該疊加聚焦訊號進行時間反轉後輸出該強化後語音訊號。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之室內收音方法，其中於產生與該參考麥克風及該寬頻聲源撥放器所在區域相對應之一組路徑函數之該步驟包括：提供一適應性濾波器(Adaptive Filter)根據該參考訊號輸出一濾波器輸出訊號；以及根據該些第二麥克風感測訊號及該濾波器輸出訊號輸出一誤差值，當該誤差值小於一預設閾值，該適應性濾波器獲得與該參考麥克風及該寬頻聲源撥放器所在區域相對應之該組路徑函數。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之室內收音方法，其中該適應性濾波器係根據該參考訊號及該誤差值執行最小均方(Least Mean Square,LMS)演算法以獲得與該參考麥克風及該寬頻聲源撥放器所在區域相對應之該組路徑函數。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之室內收音方法，其中該適應性濾波器係根據該參考訊號及該誤差值執行正規化最小均方(Normalized Least Mean Square,NLMS)演算法以獲得與該參考麥克風及該寬頻聲源撥放器所在區域相對應之該組路徑函數。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之室內收音方法，其中該適應性濾波器係根據該參考訊號及該誤差值執行 遞迴最小平方演算法(Recursive Least Squares,RLS)演算法以獲得與該參考麥克風及該寬頻聲源撥放器所在區域相對應之該組路徑函數。
  18. 如申請專利範圍第12項所述之室內收音方法，其中該麥克風陣列係二維陣列麥克風。
  19. 如申請專利範圍第12項所述之室內收音方法，其中該麥克風陣列係三維陣列麥克風。
  20. 如申請專利範圍第12項所述之室內收音方法，其中該些麥克風係為全向性麥克風。
  21. 如申請專利範圍第12項所述之室內收音方法，其中於找出該主聲源所在區域做為一主聲源區域之該步驟係根據該些第一麥克風感測訊號執行時域交相關(Time Domain Cross Correlation,TDCC)演算法找出該主聲源區域。
  22. 如申請專利範圍第12項所述之室內收音方法，其中於找出該主聲源所在區域做為一主聲源區域之該步驟係根據該些第一麥克風感測訊號執行語者定位演算法(Speaker Localization Algorithm)找出該主聲源區域。
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