專利名稱：估計(jì)聲音波達(dá)方向的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲音方向探測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
與申請?zhí)枮?PCT/AU2007/000764 (W02007/1 37364)禾口 PCT/ AU2009/001566 (W02010/051606)的國際專利申請說明書中的信息以引用方式并入本文。一種用于在頭部可佩戴設(shè)備的波達(dá)方向系統(tǒng)采用的技術(shù)是將來自頭部左側(cè)和右側(cè)的麥克風(fēng)輸出信號結(jié)合以確定麥克風(fēng)輸出信號中的聲音延遲。當(dāng)聲音從佩戴者的中間(前或后)區(qū)域發(fā)出時(shí)，麥克風(fēng)輸出信號之間的延遲很小。 但是，當(dāng)聲音從頭部的一側(cè)發(fā)出時(shí)，延遲最大。該延遲從中間區(qū)域到任意一側(cè)區(qū)域單調(diào)遞增。參照兩耳間的中線位置，這種單調(diào)遞增可被轉(zhuǎn)化為聲音的波達(dá)方向。另一技術(shù)依賴于人類頭部的遮蔽效應(yīng)。頭部對來自兩側(cè)的聲音產(chǎn)生遮蔽效應(yīng)。由于該遮蔽效應(yīng)，麥克風(fēng)輸出信號之間會有大于20dB的聲級差。隨著聲音從側(cè)面移動至兩耳間的中線位置，該聲級差也單調(diào)遞減。這兩種基本機(jī)制已用于基于可佩戴聽覺設(shè)備的波達(dá)方向算法。已嘗試多種技術(shù)來對比左邊和右邊的麥克風(fēng)輸出信號，得到波達(dá)方向的估計(jì)。這些技術(shù)包括關(guān)聯(lián)法，最大似然法(協(xié)方差最小化)，多信號分類法(MUSIC)，采用旋轉(zhuǎn)不變性技術(shù)的信號參量估計(jì)(ESPRIT)或特征分解法，以及采用陣列流形或三角測量的矩陣束法。但是，這些技術(shù)僅能在相對安靜的環(huán)境中順利地運(yùn)行。例如，波達(dá)方向的常見技術(shù)依賴于傳感麥克風(fēng)陣列，其中計(jì)算麥克風(fēng)輸出信號之間的互相關(guān)性以確定最大輸出功率或峰值處的延遲。存在多重聲源時(shí)，這些系統(tǒng)不能持續(xù)和精確地估計(jì)出現(xiàn)在環(huán)境中的目標(biāo)聲音的波達(dá)方向。取而代之，此估計(jì)反映了主導(dǎo)聲音的波達(dá)方向。但是由于不同聲源的時(shí)間波動特征，主導(dǎo)聲音通常隨時(shí)改變，使估計(jì)含糊不清。這是一個(gè)特定的應(yīng)用問題，其中要求對空間中出現(xiàn)在任意空間位置的目標(biāo)聲源進(jìn)行持續(xù)和精確的探測。例如，諸如助聽器和聽力防護(hù)器之類的頭部可佩戴設(shè)備可結(jié)合雙側(cè)波束形成器技術(shù)以提高收聽者可獲得的信噪(S/N)比，且在該過程中去除本地信號。在這樣的系統(tǒng)中，會需要所期望的目標(biāo)聲音的波達(dá)方向來重現(xiàn)本地信號。在這樣的系統(tǒng)中，所期望的目標(biāo)聲音的波達(dá)方向可能會用于重構(gòu)本地信號以供收聽者使用，例如，虛擬聽覺空間重構(gòu)技術(shù)。在此仍然存在對改進(jìn)的波達(dá)方向技術(shù)的需求。

發(fā)明內(nèi)容
第一方面，本發(fā)明提供了一種估計(jì)聲音波達(dá)方向的方法，該方法包括以下步驟生成參考信號；采用兩個(gè)或多個(gè)空間分離的、定向或空間分離定向的麥克風(fēng)探測聲音，以生成兩個(gè)或多個(gè)輸出信號；計(jì)算兩個(gè)或多個(gè)的輸出信號中的每一個(gè)與參考信號之間的關(guān)系；以及基于該關(guān)系的差異估計(jì)波達(dá)方向。
參考信號通過采用專用的參考信號麥克風(fēng)探測聲音生成。參考信號通過波束形成器技術(shù)生成。基于關(guān)系之間差異的估計(jì)波達(dá)方向的步驟包括計(jì)算兩耳間時(shí)差的步驟。計(jì)算兩耳間時(shí)差的步驟可包括使用時(shí)間相關(guān)技術(shù)?；陉P(guān)系之間差異的估計(jì)波達(dá)方向的步驟包括計(jì)算兩耳間聲級差的步驟。計(jì)算兩耳聲級差的步驟可包括使用功率差測量。計(jì)算關(guān)系的步驟對多頻率通道執(zhí)行。上述方法可進(jìn)一步包括將基于高頻聲音的波達(dá)方向估計(jì)的分布與來源于低頻聲音的波達(dá)方向估計(jì)的分布相比較的步驟。第二方面，本發(fā)明提供了一種用來估計(jì)聲音波達(dá)方向的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括生成裝置，用于生成參考信號；探測裝置，用于采用兩個(gè)或多個(gè)空間分離的、定向或空間分離定向的麥克風(fēng)探測聲音，以生成兩個(gè)或多個(gè)輸出信號；計(jì)算裝置，用于計(jì)算兩個(gè)或多個(gè)輸出信號中的每一個(gè)與參考信號之間的關(guān)系；以及估計(jì)裝置，用于基于關(guān)系之間的差異估計(jì)波達(dá)方向。第三方面，本發(fā)明提供了一種估計(jì)聲音波達(dá)方向的方法，包括以下步驟采用兩個(gè)或多個(gè)空間分離的、定向或空間分離定向的麥克風(fēng)探測聲音，以生成兩個(gè)或多個(gè)輸出信號； 計(jì)算兩個(gè)或多個(gè)輸出信號之間的時(shí)差和聲級差；以及基于時(shí)差和聲級差的組合估計(jì)波達(dá)方向。計(jì)算時(shí)差和聲級差的步驟在可在多頻率通道中執(zhí)行。將時(shí)差和聲級差組合的步驟可包括時(shí)間延遲和聲級差測量的加權(quán)組合。計(jì)算聲級差的步驟主要對高頻聲音執(zhí)行。計(jì)算時(shí)差的步驟主要對低頻聲音執(zhí)行。該方法進(jìn)一步包括將基于高頻聲音的波達(dá)方向估計(jì)的分布和與來源于低頻聲音的波達(dá)方向估計(jì)的分布相比較的步驟。第四方面，本發(fā)明提供了一種用于估計(jì)聲音波達(dá)方向的系統(tǒng)，包括探測裝置，用于采用兩個(gè)或多個(gè)空間分離的、定向或空間分離定向的麥克風(fēng)探測聲音，以生成兩個(gè)或多個(gè)輸出信號；計(jì)算裝置，用于計(jì)算兩個(gè)或多個(gè)輸出信號之間的時(shí)差和聲級差；以及估計(jì)裝置，用于基于時(shí)差和聲級差的組合估計(jì)波達(dá)方向。第五方面本發(fā)明提供了一個(gè)計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括使計(jì)算機(jī)設(shè)備根據(jù)本發(fā)明第一至第四方面中的任意一項(xiàng)來執(zhí)行方法或?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的軟件指令。在眾所周知的聲源的聲跟蹤時(shí)，例如脈沖列或純音，通過使用模板可以任意地生成參考信號?？蛇x地，在例如脈沖列或純音的眾所周知的聲源的聲跟蹤過程中，可通過采用模板生成參考信號。當(dāng)通過雙邊波束形成器生成參考信號時(shí)，可在空間上將波束的瞄準(zhǔn)方向調(diào)整至預(yù)期方向，對波束的寬度而言，包括瞄準(zhǔn)方向附近的一系列方向?？蛇x地，多個(gè)并行雙邊波束形成器可運(yùn)行生成多個(gè)參考信號，多個(gè)參考信號中的每一個(gè)都能夠用于在給定的空間區(qū)域內(nèi)確定主導(dǎo)聲源的波達(dá)方向。當(dāng)參考信號由多個(gè)無線鏈路產(chǎn)生時(shí)，可產(chǎn)生多個(gè)參考信號，其中每一個(gè)都能夠用來確定在每個(gè)無線電通信電路可用的可用主導(dǎo)聲音的波達(dá)方向?？蛇x地，組合的步驟可通過在多個(gè)通道，對兩耳測量加權(quán)和連續(xù)求和來實(shí)現(xiàn)?？蛇x地，該計(jì)算可分別地對時(shí)差和聲級差進(jìn)行測量，并將結(jié)果加權(quán)和連續(xù)求和以便產(chǎn)生一個(gè)單輸出。所公開的方法可包括步驟采用波達(dá)方向估計(jì)將本地信號重新引入收聽者的步驟?？蛇x地，波達(dá)方向估計(jì)可用于控制外部設(shè)備，諸如監(jiān)視攝像機(jī)和機(jī)器人臂。


參照附圖，現(xiàn)僅通過舉例的方式說明本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的波達(dá)方向估計(jì)器的實(shí)施例的框圖；圖2示出著重于任意空間區(qū)域的定位響應(yīng)；圖3示出次級聲源存在時(shí)估計(jì)波達(dá)方向的任務(wù)；圖4是圖1的波達(dá)方向估計(jì)器的可選擴(kuò)展的框圖，進(jìn)一步地包括具有反饋的減噪濾波器；圖5是圖1的波達(dá)方向估計(jì)器的可選擴(kuò)展的框圖，進(jìn)一步地包括生成參考信號的無線電通信電路；圖6示出由兩耳間時(shí)差和聲級差測量的正交變換產(chǎn)生的圖；圖7示出為波達(dá)方向估計(jì)去除噪聲和冗余的空間濾波技術(shù)的圖；圖8示出在頭部可佩戴設(shè)備中作為空間增強(qiáng)算法的本發(fā)明的應(yīng)用。
具體實(shí)施例方式圖1中示出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例100。該系統(tǒng)以數(shù)字信號處理方案中的功能塊的示意圖形式顯示。每個(gè)功能塊表示運(yùn)算或數(shù)據(jù)操作步驟。系統(tǒng)100包括探測裝置，該探測裝置以全方向或定向的麥克風(fēng)或麥克風(fēng)陣列101 和102的方式探測聲音。系統(tǒng)100還包括用于生成參考信號Y的生成裝置103。運(yùn)算和估計(jì)裝置包含在計(jì)算機(jī)硬件中，由軟件指令控制。適當(dāng)?shù)挠糜趯?shí)施此處描述的方法的硬件是現(xiàn)有的，且可由熟練DSP技術(shù)的合適的人員指定。用于實(shí)現(xiàn)此處描述的方法的軟件可由技術(shù)人員基于此處描述的教導(dǎo)和數(shù)學(xué)函數(shù)準(zhǔn)備。參照圖1，來自左麥克風(fēng)101和右麥克風(fēng)102的輸出被轉(zhuǎn)換為多通道信號，例如采用傅立葉變換技術(shù)(FFT)。優(yōu)選實(shí)施例隨后的分析將假定這些多通道信號左\，右Xk，以及參考信號Y是可獲得的。但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明確，該過程可由復(fù)合濾波器組在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行?？蛇x地，運(yùn)算可在寬帶信號上進(jìn)行。在圖1中，100，左&信號和右\信號分別與參考信號Y組合，輸入到104和105， 從而以輔助左信號\和輔助右信號&的形式，計(jì)算&信號和右\與參考信號Y之間的關(guān)系。根據(jù)式1計(jì)算該組合過程?？蛇x地，可通過在時(shí)域?qū)⒆蠛陀倚盘柵c參考信號相關(guān)聯(lián)來計(jì)算該組合過程，從而產(chǎn)生左和右輔助信號。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明確在FFT空間的乘法等同于時(shí)域中的卷積，因此該運(yùn)算是可互換的。Zl (k) = Xl (k) · Y (k) / I Xl (k) · XL* (k)...(式 1)
Ze (k) = Xe (k) · Y (k) / I Xe (k) · X； (k)其中k表示帶寬為Δ Ω的頻率窗口，I I表示絕對值，以及*表示復(fù)共軛。兩耳間的時(shí)間延遲估計(jì)過程106，可采用廣義的相變函數(shù)實(shí)施。該計(jì)算提供與主導(dǎo)聲源位置相對應(yīng)的兩耳間的時(shí)間延遲τ (秒)的估計(jì)。對于給定時(shí)間延遲步長，可得到兩耳間的時(shí)間延遲。在式2中定義該步長。
權(quán)利要求
1.一種估計(jì)聲音波達(dá)方向的方法，包括以下步驟生成參考信號；采用兩個(gè)或多個(gè)空間分離、定向或空間分離定向的麥克風(fēng)探測聲音，以生成兩個(gè)或兩個(gè)以上的輸出信號；計(jì)算所述兩個(gè)或多個(gè)輸出信號中的每一個(gè)與參考信號之間的關(guān)系；以及基于關(guān)系的差異估計(jì)波達(dá)方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中參考信號通過采用專用的參考信號麥克風(fēng)探測聲音而生成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中參考信號通過波束形成器技術(shù)生成。
4.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中基于關(guān)系之間的差異估計(jì)波達(dá)方向的步驟包括計(jì)算兩耳間時(shí)差的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中計(jì)算兩耳間時(shí)差的步驟包括時(shí)間相關(guān)技術(shù)的使用。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中基于關(guān)系之間的差異估計(jì)波達(dá)方向的步驟包括計(jì)算兩耳間聲級差的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中計(jì)算兩耳間聲級差的步驟包括功率差測量的使用。
8.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中計(jì)算關(guān)系的步驟在多頻率通道中進(jìn)行。
9.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，還包括將基于高頻聲音的波達(dá)方向估計(jì)分布與來源于低頻聲音的波達(dá)方向估計(jì)分布相比較的步驟。
10.一種用于估計(jì)聲音波達(dá)方向的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括生成裝置，用于生成參考信號；探測裝置，用于采用兩個(gè)或多個(gè)空間分離、定向或空間分離定向的麥克風(fēng)探測聲音，以生成兩個(gè)或多個(gè)輸出信號；計(jì)算裝置，用于計(jì)算兩個(gè)或多個(gè)輸出信號中的每一個(gè)與參考信號之間的關(guān)系；以及估計(jì)裝置，用于基于關(guān)系的差異估計(jì)波達(dá)方向。
11.一種估計(jì)聲音波達(dá)方向的方法，包括以下步驟采用兩個(gè)或多個(gè)空間分離、定向或空間分離定向的麥克風(fēng)探測聲音，以生成兩個(gè)或多個(gè)輸出信號；計(jì)算兩個(gè)或多個(gè)輸出信號之間的時(shí)差和聲級差；以及基于時(shí)差和聲級差的組合聲音的波達(dá)方向。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中計(jì)算時(shí)差和聲級差的步驟在多頻率通道中進(jìn)行。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，其中將時(shí)差和聲級差組合的步驟包括時(shí)間延遲和聲級差測量的加權(quán)組合。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中任意一項(xiàng)所述的方法，其中計(jì)算聲級差的步驟主要對高頻聲音執(zhí)行。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至14中任意一項(xiàng)所述的方法，其中計(jì)算時(shí)差的步驟主要對低頻聲音執(zhí)行。
16.根據(jù)權(quán)利要求11至15中任意一項(xiàng)所述的方法，還包括將基于高頻聲音的波達(dá)方向估計(jì)分布與來源于低頻聲音的波達(dá)方向估計(jì)分布相比較的步驟。
17.一種用于估計(jì)聲音波達(dá)方向的系統(tǒng)，包括探測裝置，用于采用兩個(gè)或多個(gè)空間分離、定向或空間分離定向的麥克風(fēng)探測聲音，以生成兩個(gè)或多個(gè)輸出信號；計(jì)算裝置，用于計(jì)算兩個(gè)或多個(gè)輸出信號之間的時(shí)差和聲級差；以及估計(jì)裝置，用于估計(jì)基于時(shí)差和聲級差的組合的聲音的所述波達(dá)方向。
18. 一個(gè)計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括根據(jù)任一前述的權(quán)利要求使計(jì)算設(shè)備執(zhí)行方法或?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的軟件指令。
全文摘要
公開了用于估計(jì)聲音波達(dá)方向的系統(tǒng)和方法，一種方法包括以下步驟生成參考信號；采用兩個(gè)或多個(gè)空間分離、定向或空間分離定向的麥克風(fēng)探測聲音，以生成兩個(gè)或多個(gè)輸出信號；計(jì)算兩個(gè)或多個(gè)輸出信號中的每一個(gè)與參考信號之間的關(guān)系；以及基于該關(guān)系的差異估計(jì)波達(dá)方向。
文檔編號H04R25/00GK102428717SQ201080021993
公開日2012年4月25日 申請日期2010年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月11日
發(fā)明者喬治·梅希亞 申請人:賀爾知識產(chǎn)權(quán)公司