CN103219012A - 一种基于声源距离的双麦克风噪声消除方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于声源距离的双麦克风噪声消除方法及装置，其特征在于：基于声源距离的双麦克风噪声消除装置包括两个麦克风，一信号处理模块，一噪声消除模块，一信号输出模块；基于声源距离的双麦克风噪声消除方法包括两所述麦克风将所采集的声音信号通过导线传输给信号处理模块，经所述信号处理模块的滤波和幅度调整及模数转换后变成电信号发送给噪声消除模块，所述噪声消除模块将经数字化处理后的电信号进行噪声消除处理，噪声消除后的以目标语音为主的时间-频率分帧单元序列合成为时域音频信号后发送给信号输出模块，通过所述信号输出模块进行放音或者通讯传输。本发明可以广泛应用于耳麦、手机等需要麦克风的设备中。

Description

一种基于声源距离的双麦克风噪声消除方法及装置

技术领域

本发明涉及一种麦克风噪声消除方法及装置，特别是关于一种基于声源距离的双麦克风噪声消除方法及装置。

背景技术

随着社会的发展及科技的不断进步，广泛应用的大型机械设备和飞机、火车等交通工具以及人类社会生活中产生的各种喧闹声，使得人们所处的工作及生活环境变得十分嘈杂。尽管人们一般采用近讲麦克风，通过缩短麦克风与嘴的距离来获取尽可能纯净的语音信号，但是在机场、车站等强噪声环境下，获得高信噪比的语音信号还是很困难的。

传统基于统计的单通道噪声消除方法，如谱减法、维纳滤波法、最小均方误差法、子空间法等对强噪声环境下复杂多变的随机性噪声、多点噪声、密闭空间中回响声的消除效果非常有限，存在噪声残留，损伤目标语音的问题。随着电子器件功能的不断增强、微小型化的迅速进步，双麦克风噪声消除装置逐渐成为可能。在专利CN102074245B,CN101976565中利用两个麦克风，采用波束形成技术，可接收来自特定方向的声音信号，同时抑制来自其它方向的噪声信号，进行一次消噪，而后再通过传统单麦克风技术中的维纳滤波等技术进行二次噪声抑制，以增强语音质量。该波束形成的噪声消除方法同样出现在专利CN101763858A,CN102347028,CN101828335A中；专利CN102347027中则将一个麦克风作为主信号源，另一个麦克风作为参考信号源，通过参考信号源的信号对主信号源的滤波器参数进行调节和噪声消除处理，专利CN101916567B中直接采用两路麦克风采集信号的互相关特性生成滤波器参数，对噪声进行消除，这两种技术的核心还是基于统计的单通道噪声消除方法。上述专利中采用的波束形成技术具有方向性，无法消除出现在同一方向上的噪声；同时，若目标信号的方向有变动，信号将也可能被消弱。而基于统计的单通道噪声消除方法，对随机噪声处理效果有限，存在噪声残留和语音损伤的不足。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于声源与两个麦克风在空间上的距离，而与声源所在方向、噪声是否平稳、噪声数量级类型等因素无关的双麦克风噪声消除方法及装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于声源距离的双麦克风噪声消除方法，其包括以下步骤：1）设置一包括两个麦克风、一信号处理模块、一噪声消除模块和一信号输出模块的噪声消除装置；2）所述两个麦克风将采集的声音信号通过导线分别传输给所述信号处理模块；3）所述信号处理模块将声音信号依次经过滤波、幅度调整和模数转换后转换为电信号发送给噪声消除模块；4）所述噪声消除模块中的信号时频分解模块将所述两个麦克风所采集的电信号时频分解为若干个时间-频率单元，并通过能量计算方法得到该电信号的时间-频率分帧单元能量；5）将靠近声源的麦克风的各时间-频率分帧单元的能量除以相应远离声源的麦克风的各时间-频率分帧单元的能量，得到各时间-频率分帧单元能量的比值，将该能量的比值作为两个麦克风的各时间-频率分帧单元的能量比；6）当一个时间-频率分帧单元能量的比值较前一个时间-频率分帧单元能量的比值变小时，对时间-频率分帧单元能量的比值较小的相应时间-频率分帧单元的能量比进行平滑处理，得到平滑后的若干时间-频率分帧单元能量的比值；7）根据噪声声源、目标语音声源与两麦克风的距离关系设定噪声分离阈值，将步骤6）得到的若干时间-频率分帧单元能量的比值与所述噪声分离阈值进行比较，并根据比较结果，确定噪声分帧单元，同时将噪声分帧单元的时间、频率编号记录下来，即噪声分帧单元的时间、频率编号的集合生成噪声分离模板；8）采用所述噪声分离模板对靠近声源的麦克风的时间-频率分帧单元能量进行噪声去除处理；9）将噪声消去除后的以目标语音为主的时间-频率分帧单元序列合成为时域音频信号；10）所述信号输出模块将时域音频信号输出得到目标语音，将目标语音用于放音或者通讯传输。

所述步骤6）中对时间-频率分帧单元能量的比值较小的相应时间-频率分帧单元的能量比进行平滑处理，所用平滑处理公式为：

DMED(t,f)＝α×DMED(t-1,f)+(1-α)×DMED(t,f)

式中，DMED为距主要目标声源近的麦克风与距主要目标声源远的麦克风的时间-频率分帧单元能量的比值，t,f分别为时间-频率分帧单元的时间和子带中心频率的编号，α＝e^-1/5为平滑因子，用于控制分帧单元能量比值变化的斜率。

所述步骤9）将噪声去除后的以目标语音为主的时间-频率分帧单元序列合成为时域音频信号，采用快速傅里叶变换逆变换、加权叠加反变换和伽马语调耳蜗综合滤波器中的一种。

所述噪声消除方法采用通用芯片或专用数字信号处理器通过编程设计消噪算法实现。

实现所述方法的一种基于声源距离的双麦克风噪声消除装置，其特征在于：它包括两个麦克风、一信号处理模块、一噪声消除模块、一信号输出模块，其中一所述麦克风靠近声源，另一所述麦克风远离声源；所述信号输出模块内设置有电声转换模块，所述电声转换模块的输出端连接播音器或通讯传输设备；两所述麦克风将所采集的声音信号通过导线传输给所述信号处理模块，经所述信号处理模块滤波和幅度调整及模数转换后转换成电信号发送给所述噪声消除模块，所述噪声消除模块将所述电信号进行噪声消除处理，并将经噪声消除处理后的以目标语音为主的时间-频率分帧单元序列合成为时域音频信号后发送给所述信号输出模块，通过所述信号输出模块将所述时域音频信号输出。

所述噪声消除模块内设置有信号时频分解模块、分帧单元能量计算模块、分帧单元能量比模块、分帧单元能量比值平滑模块、噪声分离模板、去除噪声模块和合成目标语音模块；所述信号时频分解模块对经所述信号处理模块处理后的电信号通过信号时频分解算法进行多子带时频分解；所述分帧单元能量计算模块采用能量计算方法计算得到所述两个麦克风采集信号的时间-频率分帧单元能量；所述分帧单元能量比模块将距目标声源近的所述麦克风的时间-频率分帧单元的能量除以距目标声源远的麦克风对应的时间-频率分帧单元的能量，得到各个时间-频率分帧单元能量的比值；所述分帧单元能量比值平滑模块对时间-频率分帧单元能量的比值较小的相应时间-频率分帧单元的能量比进行平滑处理，得到平滑后的若干时间-频率分帧单元能量的比值；所述噪声分离模板即所述噪声分帧单元的时间、频率编号的集合；所述去除噪声模块采用所述噪声分离模板对靠近声源的麦克风的时间-频率分帧单元的能量进行噪声去除处理；所述合成目标语音模块将噪声去除后的以目标语音为主的时间-频率分帧单元序列合成为时域音频信号。

两所述麦克风均采用全向麦克风。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于充分利用了现有盔体、麦克风及手机等近讲设备的麦克风和结构，因此仅需在距离嘴部较远处安装另一个麦克风，即可组成双麦克风噪声消除装置。2、本发明由于是基于声源到两个麦克风的距离关系，鲁棒性好，因此能有效的去除远离声源的麦克风的噪声信号，它具有噪声类型及方向不敏感的特点，适用面广。3、本发明由于所涉及到的算法简单，没有复杂的噪声估计和迭代过程，实时性好，因此适合嵌入式系统的应用。基于上述优点，本发明可以广泛应用于耳麦、手机等需要麦克风的设备中。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图

图2是本发明的方法流程示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括两个麦克风1,2、一信号处理模块3、一噪声消除模块4、一信号输出模块5。噪声消除模块4包括信号时频分解模块41,42、分帧单元能量计算模块43,44、分帧单元能量比模块45、分帧单元能量比值平滑模块46、噪声分离模板47、去除噪声模块48、合成目标语音模块49。

本发明的麦克风2作为靠近声源的麦克风，配置于近嘴处；麦克风1可放置于头盔侧面、耳麦的耳机处或是手机中远离嘴部的顶部等区域。两个麦克风可根据载体设备的结构灵活放置，但需麦克风2距主要目标声源近，而麦克风1距主要目标声源远。两个麦克风1,2通过导线与信号处理模块3连接，完成对两个麦克风所采集信号的滤波、幅度调整及模数转化，从而生成16bit,16kHz以上品质的数字化电信号。信号处理模块3将经数字化处理后的电信号输入噪声消除模块4进行噪声消除，噪声消除后的电信号通过信号输出模块5进行放音，或者进行通讯传输。

如图2所示，噪声消除模块4是通过采用具有一定运算能力的通用芯片或具有语音信号处理能力的专用DSP（数字信号处理器），编程设计消噪算法来实现的。本发明的噪声消除方法包括以下步骤：

1、两个麦克风1,2采集声音信号，并进行处理

两个麦克风1,2采集到的声音信号，分别通过信号处理模块3进行滤波和幅度调整的信号调理及模数转换后，分别被发送给噪声消除模块4。

2、信号时频分解模块41,42对经处理后的电信号进行时频分解

噪声消除模块4对经信号处理模块3处理后的电信号通过信号时频分解算法进行多子带时频分解，即以20ms为一帧，对时域信号进行分帧，再采用FFT（快速傅里叶变换）、WOLA（加权叠加）滤波，通过时频变换得到该帧在每个频点上的不同单元，即时间-频率分帧单元；也可以直接采用时域内的多子带滤波器组如gammatone（伽马语调）耳蜗滤波器组，对时域信号进行三十二个频率子带滤波处理，形成三十二个不同频率子带的时域信号，之后按20ms的时间长度对时域信号进行分帧，得到时间-频率分帧单元，时间-频率分帧单元根据其所在的时间段和频率子带进行唯一编号。

3、分帧单元能量计算模块43,44计算分帧单元能量

采用能量计算方法计算每个时间-频率分帧单元中信号的能量，分别得到两个麦克风采集信号的时间-频率分帧单元能量。

4、分帧单元能量比值平滑模块46对分帧单元能量的比值进行平滑处理

将麦克风2的时间-频率分帧单元的能量除以麦克风1对应的时间-频率分帧单元的能量，得到各个时间-频率分帧单元能量的比值。由于听觉感知的掩蔽效应，时间-频率分帧单元能量比值大的时间-频率分帧单元对噪声的容忍程度较高。随着时间的变化，当一个时间-频率分帧单元能量的比值较前一个时间-频率分帧单元的能量的比值变小时，需要采用以下公式对该时间-频率分帧单元能量的比值进行平滑处理：

DMED(t,f)＝α×DMED(t-1,f)+(1-α)×DMED(t,f)

式中，DMED为麦克风2与麦克风1时间-频率分帧单元能量的比值，t,f分别分别为时间-频率分帧单元的时间段和子带中心频率的编号，平滑因子α＝e^-1/5（e=2.71828…）用于控制时间-频率分帧单元能量比值变化的斜率，以达到尽可能保留目标语音，又不残留过多噪声的目的。

5、生成噪声分离模板47

本发明的消噪算法中，噪声分离阈值的设定是生成噪声分离模板算法的关键。根据两个麦克风的配置，麦克风2靠近目标语音，麦克风1远离目标语音；与此同时，两个麦克风1,2均远离环境中噪声。根据噪声声源、目标语音声源与两个麦克风的距离关系，设定一个噪声分离阈值，并分别比较各时间-频率分帧单元能量的比值与该阈值的大小，以确定每个时间-频率分帧单元属于噪声还是目标语音。本发明中，设定噪声分离阈值为2，分别将每个时间-频率分帧单元能量的比值与2进行比较，1）当时间-频率分帧单元能量的比值大于2时，麦克风2中该时间-频率分帧单元中的信号为目标语音信号；2）当时间-频率分帧单元能量的比值小于2时，麦克风2中该时间-频率分帧单元中信号为噪声信号，相应的该时间-频率分帧单元为噪声分帧单元。将噪声分帧单元所对应的时间-频率分帧单元的时间、频率编号记录下来，即形成噪声分帧单元的时间、频率编号的集合，从而生成噪声分离模板。

6、去除噪声模块48对噪声进行消除处理，得到以目标语音为主的分帧单元

利用噪声分离模板47对麦克风2采集到的信号所生成的时间-频率分帧单元的信号进行消噪分离处理，就可以将噪声分帧单元除去，得到噪声去除后的以目标语音为主的时间-频率分帧单元序列。

7、合成目标语音模块49将分帧单元合成并还原为时域音频信号

将噪声去除后的以目标语音为主的时间-频率分帧单元序列可以通过IFFT（快速傅里叶变换逆变换）、WOLA（加权叠加）反变换或gammatone（伽马语调）耳蜗综合滤波器合成为时域音频信号，并发送给信号输出模块5。

8、信号输出模块5将时域音频信号输出得到目标语音，可以将目标语音进行放音或者通讯传输。

上述各实施例仅用于说明本发明，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种基于声源距离的双麦克风噪声消除方法，其包括以下步骤：

1）设置一包括两个麦克风、一信号处理模块、一噪声消除模块和一信号输出模块的噪声消除装置；

2）所述两个麦克风将采集的声音信号通过导线分别传输给所述信号处理模块；

3）所述信号处理模块将声音信号依次经过滤波、幅度调整和模数转换后转换为电信号发送给噪声消除模块；

4）所述噪声消除模块中的信号时频分解模块将所述两个麦克风所采集的电信号时频分解为若干个时间-频率单元，并通过能量计算方法得到该电信号的时间-频率分帧单元能量；

5）将靠近声源的麦克风的各时间-频率分帧单元的能量除以相应远离声源的麦克风的各时间-频率分帧单元的能量，得到各时间-频率分帧单元能量的比值，将该能量的比值作为两个麦克风的各时间-频率分帧单元的能量比；

6）当一个时间-频率分帧单元能量的比值较前一个时间-频率分帧单元能量的比值变小时，对时间-频率分帧单元能量的比值较小的相应时间-频率分帧单元的能量比进行平滑处理，得到平滑后的若干时间-频率分帧单元能量的比值；

7）根据噪声声源、目标语音声源与两麦克风的距离关系设定噪声分离阈值，将步骤6）得到的若干时间-频率分帧单元能量的比值与所述噪声分离阈值进行比较，并根据比较结果，确定噪声分帧单元，同时将噪声分帧单元的时间、频率编号记录下来，即噪声分帧单元的时间、频率编号的集合生成噪声分离模板；

8）采用所述噪声分离模板对靠近声源的麦克风的时间-频率分帧单元能量进行噪声去除处理；

9）将噪声消去除后的以目标语音为主的时间-频率分帧单元序列合成为时域音频信号；

10）所述信号输出模块将时域音频信号输出得到目标语音，将目标语音用于放音或者通讯传输。

2.如权利要求1所述的一种基于声源距离的双麦克风噪声消除方法，其特征在于：所述步骤6）中对时间-频率分帧单元能量的比值较小的相应时间-频率分帧单元的能量比进行平滑处理，采用平滑处理公式为：

DMED(t,f)＝α×DMED(t-1,f)+(1-α)×DMED(t,f)

式中，DMED为距主要目标声源近的麦克风与距主要目标声源远的麦克风的时间-频率分帧单元能量的比值，t,f分别为时间-频率分帧单元的时间和子带中心频率的编号，α＝e^-1/5为平滑因子，用于控制分帧单元能量比值变化的斜率。

3.如权利要求1所述的一种基于声源距离的双麦克风噪声消除方法，其特征在于：所述步骤9）将噪声去除后的以目标语音为主的时间-频率分帧单元序列合成为时域音频信号，采用快速傅里叶变换逆变换、加权叠加反变换和伽马语调耳蜗综合滤波器中的一种。

4.如权利要求2所述的一种基于声源距离的双麦克风噪声消除方法，其特征在于：所述步骤9）将噪声消除后的以目标语音为主的时间-频率分帧单元序列合成为时域音频信号，采用快速傅里叶变换逆变换、加权叠加反变换和伽马语调耳蜗综合滤波器中的一种。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种基于声源距离的双麦克风噪声消除方法，其特征在于：所述噪声消除方法采用通用芯片或专用数字信号处理器通过编程设计消噪算法实现。

6.实现如权利要求1～5任一项所述方法的一种基于声源距离的双麦克风噪声消除装置，其特征在于：它包括两个麦克风、一信号处理模块、一噪声消除模块、一信号输出模块，其中一所述麦克风靠近声源，另一所述麦克风远离声源；所述信号输出模块内设置有电声转换模块，所述电声转换模块的输出端连接播音器或通讯传输设备；两所述麦克风将所采集的声音信号通过导线传输给所述信号处理模块，经所述信号处理模块滤波和幅度调整及模数转换后转换成电信号发送给所述噪声消除模块，所述噪声消除模块将所述电信号进行噪声消除处理，并将经噪声消除处理后的以目标语音为主的时间-频率分帧单元序列合成为时域音频信号后发送给所述信号输出模块，通过所述信号输出模块将所述时域音频信号输出。

7.如权利要求6所述的一种基于声源距离的双麦克风噪声消除装置，其特征在于：所述噪声消除模块内设置有信号时频分解模块、分帧单元能量计算模块、分帧单元能量比模块、分帧单元能量比值平滑模块、噪声分离模板、去除噪声模块和合成目标语音模块；所述信号时频分解模块对经所述信号处理模块处理后的电信号通过信号时频分解算法进行多子带时频分解；所述分帧单元能量计算模块采用能量计算方法计算得到所述两个麦克风采集信号的时间-频率分帧单元能量；所述分帧单元能量比模块将距目标声源近的所述麦克风的时间-频率分帧单元的能量除以距目标声源远的麦克风对应的时间-频率分帧单元的能量，得到各个时间-频率分帧单元能量的比值；所述分帧单元能量比值平滑模块对时间-频率分帧单元能量的比值较小的相应时间-频率分帧单元的能量比进行平滑处理，得到平滑后的若干时间-频率分帧单元能量的比值；所述噪声分离模板即所述噪声分帧单元的时间、频率编号的集合；所述去除噪声模块采用所述噪声分离模板对靠近声源的麦克风的时间-频率分帧单元的能量进行噪声去除处理；所述合成目标语音模块将噪声去除后的以目标语音为主的时间-频率分帧单元序列合成为时域音频信号。

8.如权利要求6所述的一种基于声源距离的双麦克风噪声消除装置，其特征在于：两所述麦克风均采用全向麦克风。

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