TWI735986B - 收音裝置及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明包含一種收音裝置，包含：空氣傳導收音電路、骨傳導收音電路、適應性濾波器、交越頻率控制電路及合成電路。空氣傳導收音電路產生空氣傳導音訊。骨傳導收音電路產生骨傳導音訊。適應性濾波器即時根據誤差函數的最小值計算產生轉換濾波函數來對骨傳導音訊進行濾波產生轉換後骨傳導音訊，其中誤差函數為空氣傳導音訊以及轉換後骨傳導音訊間之誤差。交越頻率控制電路根據轉換濾波函數在頻域上之最大能量頻率點決定交越頻率。合成電路將空氣傳導音訊高於交越頻率之部分以及轉換後骨傳導音訊低於交越頻率之部分合成為合成音訊。

Description

收音裝置及方法
本發明是關於音訊處理技術，尤其是關於一種收音裝置及方法。
當使用頭戴或入耳式耳機進行通話時，收音裝置通常是裝置於耳機之中的麥克風。為了對抗外界的背景噪音，耳機可以同時裝置骨傳導麥克風（bone conduction microphone），收集在使用者說話時透過骨頭和皮膚振動的訊號。由於外界的噪音不易透過震動傳達到骨傳導麥克風，因此骨傳導麥克風能夠輸出高信噪比的語音。
然而骨傳導麥克風也具有缺點。骨傳導訊號通常在高頻有嚴重的衰減，此外在極低頻的部分會有很大的雜訊（例如受地心引力影響）。僅設置骨傳導麥克風，將無法獲得最佳的語音品質。
鑑於先前技術的問題，本發明之一目的在於提供一種收音裝置及方法，以改善先前技術。
本發明之一目的在於提供一種收音裝置及方法，動態地調整區分頻域的交越頻率，結合不同頻域特性的收音電路的收音結果，達到適應性強且最佳的收音效果。
本發明包含一種收音裝置，包含：空氣傳導收音電路、骨傳導收音電路、適應性濾波器、交越頻率控制電路以及合成電路。空氣傳導收音電路配置以根據聲音產生空氣傳導音訊。骨傳導收音電路配置以根據聲音產生骨傳導音訊。適應性濾波器配置以即時根據誤差函數的最小值計算產生轉換濾波函數，以根據轉換濾波函數對骨傳導音訊進行濾波產生轉換後骨傳導音訊，其中誤差函數為空氣傳導音訊以及轉換後骨傳導音訊之間的誤差。交越頻率控制電路配置以根據轉換濾波函數在頻域上之最大能量頻率點決定交越頻率。合成電路配置以將空氣傳導音訊高於交越頻率之部分以及轉換後骨傳導音訊低於交越頻率之部分合成為合成音訊。
本發明另包含一種收音方法，應用於收音裝置中，包含：使空氣傳導收音電路根據聲音產生空氣傳導音訊；使骨傳導收音電路根據聲音產生骨傳導音訊；使適應性濾波器即時根據誤差函數的最小值計算產生轉換濾波函數，以根據轉換濾波函數對骨傳導音訊進行濾波產生轉換後骨傳導音訊，其中誤差函數為空氣傳導音訊以及轉換後骨傳導音訊之間的誤差；使交越頻率控制電路根據轉換濾波函數在頻域上之最大能量頻率點決定交越頻率；以及使合成電路將空氣傳導音訊高於交越頻率之部分以及轉換後骨傳導音訊低於交越頻率之部分合成為合成音訊。
有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作較佳實施例詳細說明如下。
本發明之一目的在於提供一種收音裝置及方法，動態地調整區分頻域的交越頻率，結合不同頻域特性的收音電路的收音結果，達到適應性強且最佳的收音效果。
請參照圖1A。圖1A為本發明之一實施例中，一種收音裝置100的方塊圖。收音裝置100包含：空氣傳導收音電路110、骨傳導收音電路120、適應性濾波器130、交越頻率控制電路140以及合成電路150。
空氣傳導收音電路110配置以根據聲音SS產生空氣傳導音訊AS。於一實施例中，空氣傳導收音電路110為根據例如，但不限於聲音SS在空氣中的振動產生空氣傳導音訊AS的麥克風。
骨傳導收音電路120配置以根據聲音SS產生骨傳導音訊BS。於一實施例中，骨傳導收音電路120為重力加速度感測器，並配置以接觸使用者的身體，例如但不限於頭部，以根據聲音造成骨頭的振動進行感測產生骨傳導音訊BS。
於一實施例中，為使其他收音裝置100中的元件方便運作，收音裝置100更包含第一時域至頻域轉換電路160A（在圖1A標示為TF1）、第二時域至頻域轉換電路160B（在圖1A標示為TF2）以及前置高通濾波器170（在圖1A標示為HPF1）。
第一時域至頻域轉換電路160A配置以對空氣傳導收音電路110所接收的空氣傳導音訊AS進行時域至頻域的轉換，以產生位於頻域的空氣傳導音訊ASF。類似地，第二時域至頻域轉換電路160B配置以對骨傳導收音電路120所接收的骨傳導音訊BS進行時域至頻域的轉換，以產生位於頻域的骨傳導音訊BSF。
於一實施例中，由於骨傳導收音電路120較容易在低頻範圍受到雜訊的干擾，因此可藉由設置前置高通濾波器170，對骨傳導音訊BS進行高通濾波成為骨傳導音訊BSP。第二時域至頻域轉換電路160B實際上對骨傳導音訊BSP進行上述的轉換。於一實施例中，前置高通濾波器170主要是將骨傳導音訊BS中，特定頻率X赫茲以下的訊號濾除（亦即0~X赫茲），且X可為例如但不限於50赫茲至90赫茲的範圍內的頻率。
適應性濾波器130配置以即時（real time）根據一個誤差函數的最小值計算產生轉換濾波函數Hinv(n,f)，以根據轉換濾波函數Hinv(n,f)對骨傳導音訊BSF進行濾波產生轉換後骨傳導音訊BSFH。藉由轉換濾波函數Hinv(n,f)的轉換，轉換後骨傳導音訊BSFH的振幅與相位可與空氣傳導音訊ASF的振幅與相位近似，以在進行兩者的結合時獲得最佳的合成結果。
於一實施例中，誤差函數為空氣傳導音訊ASF以及轉換後骨傳導音訊BSFH間之誤差E(n,f)。由於轉換後骨傳導音訊BSFH為骨傳導音訊BSF與轉換濾波函數Hinv(n,f)的乘積，在空氣傳導音訊ASF與骨傳導音訊BSF均以時間及頻率的函數ASF(n,f)、BSF(n,f)表示時，誤差E(n,f)可由下式表示：
E(n,f)=ASF(n,f)-Hinv(n,f) ×BSF(n,f) （式1）
其中，n為時間點，f為頻率，且n為大於或等於0的正整數，f為大於或等於0的正數。
在一實施例中，誤差函數為誤差E(n,f)的最小平方誤差函數，可由下式表示：
E[|E(n,f)| 2]=E[|ASF(n,f)-Hinv(n,f)×BSF(n,f)| 2] （式2）
於一實施例中，求取使（式2）具有最小值的轉換濾波函數Hinv(n,f)，可藉由例如，但不限於正規化最小均方（normalized least mean square；NLMS）演算法計算產生。所產生的Hinv(n,f)可由下式表示：
Hinv(n,f)=Hinv(n-1,f)+(μ/|BSF(n-1,f)| 2)×BSF(n-1,f)×E*(n-1,f)
其中，μ為決定收斂速度的可調變參數，E*(n,f)為誤差E(n,f)取共軛的結果。
需注意的是，上述的誤差函數以及利用誤差函數的最小值求取轉換濾波函數的方法僅為一範例。在其他實施例中，可用其他的函數來表示誤差，且轉換濾波函數亦可採用其他的計算方式進行求取。
交越頻率控制電路140配置以根據轉換濾波函數Hinv(n,f)在頻域上之最大能量頻率點決定交越頻率FC。
於一實施例中，交越頻率控制電路140是根據下式找尋轉換濾波函數Hinv(n,f)在頻域上之最大能量頻率點：
peak(n)=argmax{|Hinv(n,f)| 2} （式3）
於一實施例中，由於最大能量頻率點的頻率不一定是最合適的交越頻率FC，因此交越頻率控制電路140可例如，但不限於使最大能量頻率點的頻率經由至少一調整函數及/或平均函數的運算來決定交越頻率FC。
以調整函數ps(n)為例，交越頻率控制電路140可藉由調整微調參數進行運算：
ps(n)=peak(n)×a+b （式4）
其中，a以及b分別為整數或非整數的微調參數。
以平均函數的運算為例，交越頻率控制電路140可將上述的調整函數ps(n)與先前的交越頻率FC進行運算，以在時間點n決定當下的交越頻率FC(n)：
FC(n)=FC(n-1)×α+ps(n)×(1-α) （式5）
其中，α是可調的參數，隨著例如但不限於訊號的強度或是轉換濾波函數Hinv(n,f)的特性改變。此外，於一實施例中，由於骨傳導收音電路120本身的有效頻寬以及通道的特性，亦可對交越頻率FC(n)設定500赫茲至2千赫茲的上下限，在交越頻率FC(n)上調或下調至上下限時，即不再繼續往上或往下調整。
需注意的是，上述交越頻率控制電路140對於交越頻率FC的決定方式僅為一範例。於其他實施例中，交越頻率控制電路140可藉由其他調整函數來對最大能量頻率點進行調整，或是與其他函數來對前後時間點的交越頻率FC進行平均。本發明不為上述實施方式所限。
合成電路150配置以將空氣傳導音訊ASF高於交越頻率FC之部分以及轉換後骨傳導音訊BSFH低於交越頻率FC之部分合成為合成音訊CST。
於一實施例中，合成電路150包含高通濾波器180A、低通濾波器180B以及疊加電路180C。
請同時參照圖1B。圖1B為本發明一實施例中，高通濾波器180A以及低通濾波器180B的頻率響應的示意圖。其中，橫軸表示頻率，縱軸表示響應強度。
高通濾波器180A配置以根據高於交越頻率FC的頻帶HB對空氣傳導音訊ASF進行高通濾波，以產生第一濾波結果ASTH。低通濾波器180B配置以根據低於交越頻率FC的頻帶LB對轉換後骨傳導音訊BSFH進行低通濾波產生第二濾波結果BSTL。
實作上，高通濾波器180A以及低通濾波器180B雖將各自的截止頻率設定為交越頻率FC，但兩者允許訊號通過的頻帶HB與LB間可有某種程度的重疊，且兩者響應頻帶HB與LB的相加愈趨近平坦愈佳。更詳細地說，頻帶HB與LB的疊加愈接近全通過（all-past）頻帶愈理想。
進一步地，疊加電路180C配置以將第一濾波結果ASTH以及第二濾波結果BSTL疊加為合成音訊CST。
在一實施例中，收音裝置100更包含第一頻域至時域轉換電路190A（在圖1A中標示為FT1）及第二頻域至時域轉換電路190B（在圖1A中標示為FT2）。
第一頻域至時域轉換電路190A配置以對轉換至頻域後的空氣傳導音訊ASF進行頻域至時域的轉換產生空氣傳導音訊AST，再由高通濾波器180A進行濾波處理。第二頻域至時域轉換電路190B配置以對轉換後骨傳導音訊BSFH進行頻域至時域的轉換產生轉換後骨傳導音訊BSTH，再由低通濾波器180B進行濾波處理。在這樣的狀況下，合成電路150是在時域上運作，所產生的合成音訊CST亦是在時域上。
請參照圖2。圖2為本發明一實施例中，一種收音裝置200的方塊圖。
收音裝置200包含的元件實際上與圖1A中的收音裝置100大同小異，包括空氣傳導收音電路110、骨傳導收音電路120、適應性濾波器130、交越頻率控制電路140以及合成電路150。
然而於本實施例中，合成電路150中的高通濾波器180A以及低通濾波器180B是直接接收頻域上的空氣傳導音訊ASF以及轉換後骨傳導音訊BSFH進行濾波，並經由疊加電路180C疊加為合成音訊CSF。
收音裝置200更包含頻域至時域轉換電路210（在圖2中標示為FT）。頻域至時域轉換電路210配置以對頻域上的合成音訊CSF進行頻域至時域的轉換再予以輸出為時域上的合成音訊CST。在這樣的狀況下，合成電路150是在頻域上運作。
於其他實施例中，收音裝置100亦可將頻域至時域轉換電路設置於合成電路150的高通濾波器180A與疊加電路180C間以及低通濾波器180B與疊加電路180C間。在這樣的狀況下，合成電路150的高通濾波器180A以及低通濾波器180B是在頻域上運作，而疊加電路180C則是在時域上運作。
因此，本發明的收音裝置100可結合空氣傳導收音電路110的高頻收音結果與骨傳導收音電路120的低頻收音結果合成為合成音訊CST，結合不同收音電路的特性達到最佳的收音效果。並且，用以區分高頻與低頻的交越頻率FC可動態地調整，即時地適應不同使用者的不同傳導特性與配戴方式。
請參照圖3。圖3為本發明一實施例中，一種收音方法300的流程圖。
除前述裝置外，本發明另揭露一種收音方法300，應用於例如，但不限於圖1A的收音裝置100或圖2的收音裝置200中。以下將以圖1A的收音裝置100為例對收音方法300進行說明。收音方法300之一實施例如圖3所示，包含下列步驟：
S310：使空氣傳導收音電路110根據聲音SS產生空氣傳導音訊AS。
S320：使骨傳導收音電路120根據聲音SS產生骨傳導音訊BS。
於一實施例中，空氣傳導音訊AS以及骨傳導音訊BS可分別經由第一時域至頻域轉換電路160A以及第二時域至頻域轉換電路160B處理以產生頻域上的空氣傳導音訊ASF以及骨傳導音訊BSF。
S330：使適應性濾波器130即時根據誤差函數的最小值計算產生轉換濾波函數Hinv(n,f)，以根據轉換濾波函數Hinv(n,f)對骨傳導音訊BSF進行濾波產生轉換後骨傳導音訊BSFH，其中誤差函數為空氣傳導音訊ASF以及轉換後骨傳導音訊BSFH之間的誤差。
S340：使交越頻率控制電路140根據轉換濾波函數Hinv(n,f)在頻域上之最大能量頻率點決定交越頻率FC。
於一實施例中，空氣傳導音訊ASF以及骨傳導音訊BSF可分別經由第一頻域至時域轉換電路190A以及第二頻域至時域轉換電路190B處理以產生時域上的空氣傳導音訊AST以及轉換後骨傳導音訊BSTH。
S350：使合成電路150將空氣傳導音訊AST高於交越頻率FC之部分以及轉換後骨傳導音訊BSTH低於交越頻率FC之部分合成為合成音訊CST。
需注意的是，上述的實施方式僅為一範例。於其他實施例中，本領域的通常知識者當可在不違背本發明的精神下進行更動。
綜合上述，本發明中的收音裝置及方法可動態地調整區分頻域的交越頻率，結合不同頻域特性的收音電路的收音結果，達到適應性強且最佳的收音效果。
雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。
100  收音裝置 110  空氣傳導收音電路 120  骨傳導收音電路 130  適應性濾波器 140  交越頻率控制電路 150  合成電路 160A  第一時域至頻域轉換電路 160B  第二時域至頻域轉換電路 170  前置高通濾波器 180A  高通濾波器 180B  低通濾波器 180C  疊加電路 190A  第一頻域至時域轉換電路 190B  第二頻域至時域轉換電路 200  收音裝置 210  頻域至時域轉換電路 300  收音方法 S310~S350  步驟 AS、ASF、AST  空氣傳導音訊 ASFH、ASTH  第一濾波結果 BS、BSF、BSP  骨傳導音訊 BSFH、BSTH  轉換後骨傳導音訊 BSFL、BSTL  第二濾波結果 CST、CSF  合成音訊 FC  交越頻率 SS  聲音
［圖1A］顯示本發明之一實施例中，一種收音裝置的方塊圖； ［圖1B］顯示本發明之一實施例中，高通濾波器以及低通濾波器的頻率響應的示意圖； ［圖2］顯示本發明之一實施例中，一種收音裝置的方塊圖；以及 ［圖3］顯示本發明之一實施例中，一種收音方法的流程圖。
100  收音裝置 110  空氣傳導收音電路 120  骨傳導收音電路 130  適應性濾波器 140  交越頻率控制電路 150  合成電路 160A  第一時域至頻域轉換電路 160B  第二時域至頻域轉換電路 170  前置高通濾波器 180A  高通濾波器 180B  低通濾波器 180C  疊加電路 190A  第一頻域至時域轉換電路 190B  第二頻域至時域轉換電路 AS、ASF、AST  空氣傳導音訊 ASTH  第一濾波結果 BS、BSF、BSP  骨傳導音訊 BSFH、BSTH  轉換後骨傳導音訊 BSTL  第二濾波結果 CST  合成音訊 FC  交越頻率 SS  聲音

Claims (10)

  1. 一種收音裝置，包含： 一空氣傳導收音電路，配置以根據一聲音產生一空氣傳導音訊； 一骨傳導收音電路，配置以根據該聲音產生一骨傳導音訊； 一適應性濾波器，配置以即時根據一誤差函數的一最小值計算產生一轉換濾波函數，以根據該轉換濾波函數對該骨傳導音訊進行濾波產生一轉換後骨傳導音訊，其中該誤差函數為該空氣傳導音訊以及該轉換後骨傳導音訊之間的誤差； 一交越頻率控制電路，配置以根據該轉換濾波函數在頻域上之一最大能量頻率點決定一交越頻率；以及 一合成電路，配置以將該空氣傳導音訊高於該交越頻率之部分以及該轉換後骨傳導音訊低於該交越頻率之部分合成為一合成音訊。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之收音裝置，其中該合成電路包含： 一高通濾波器，配置以根據高於該交越頻率的頻帶對該空氣傳導音訊進行高通濾波，以產生一第一濾波結果； 一低通濾波器，配置以根據低於該交越頻率的頻帶對該轉換後骨傳導音訊進行低通濾波產生一第二濾波結果；以及 一疊加電路，配置以將該第一濾波結果以及該第二濾波結果疊加為該合成音訊。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之收音裝置，其中該誤差函數為一最小平方誤差函數，該轉換濾波函數是由一正規化最小均方（normalized least mean square；NLMS）演算法計算產生。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之收音裝置，其中該交越頻率控制電路使該最大能量頻率點的頻率經由至少一調整函數及/或一平均函數的運算決定該交越頻率。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之收音裝置，更包含： 一第一時域至頻域轉換電路，配置以對該空氣傳導收音電路所接收的該空氣傳導音訊進行時域至頻域的轉換；以及 一第二時域至頻域轉換電路，配置以對該骨傳導收音電路所接收的該骨傳導音訊進行時域至頻域的轉換； 其中該適應性濾波器以及該交越頻率控制電路在頻域上運作。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之裝置，更包含一前置高通濾波器，配置以對該骨傳導收音電路所接收的該骨傳導音訊進行高通濾波，再由該第二時域至頻域轉換電路進行轉換。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之收音裝置，更包含： 一第一頻域至時域轉換電路，配置以對轉換至頻域後的該空氣傳導音訊進行頻域至時域的轉換；以及 一第二頻域至時域轉換電路，配置以對該轉換後骨傳導音訊進行頻域至時域的轉換； 其中該合成電路在時域上運作。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之收音裝置，更包含： 一頻域至時域轉換電路，配置以對該合成音訊進行頻域至時域的轉換，其中該合成電路在頻域上運作。
  9. 一種收音方法，應用於一收音裝置中，包含： 使一空氣傳導收音電路根據一聲音產生一空氣傳導音訊； 使一骨傳導收音電路根據該聲音產生一骨傳導音訊； 使一適應性濾波器即時根據一誤差函數的一最小值計算產生一轉換濾波函數，以根據該轉換濾波函數對該骨傳導音訊進行濾波產生一轉換後骨傳導音訊，其中該誤差函數為該空氣傳導音訊以及該轉換後骨傳導音訊之間的誤差； 使一交越頻率控制電路根據該轉換濾波函數在頻域上之一最大能量頻率點決定一交越頻率；以及 使一合成電路將該空氣傳導音訊高於該交越頻率之部分以及該轉換後骨傳導音訊低於該交越頻率之部分合成為一合成音訊。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之收音方法，其中合成該合成音訊之步驟更包含： 使該合成電路之一高通濾波器根據高於該交越頻率的頻帶對該空氣傳導音訊進行高通濾波，以產生一第一濾波結果； 該合成電路之一低通濾波器根據低於該交越頻率的頻帶對該轉換後骨傳導音訊進行低通濾波產生一第二濾波結果；以及 該合成電路之一疊加電路將該第一濾波結果以及該第二濾波結果疊加為該合成音訊。
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