用於依據空間功率密度定位麥克風的裝置和方法

2023-10-09 18:22:04

用於依據空間功率密度定位麥克風的裝置和方法
【專利摘要】提供一種定位麥克風的裝置。此裝置包含空間功率分布確定器(10)和空間信息估計器(20)。空間功率分布確定器(10)適合於依據聲源信息(表示位於環境中的一個或多個聲源的一個或多個功率值和一個或多個位置值)來確定空間功率密度(表示環境中的多個場地的功率值)。空間信息估計器(20)適合於依據空間功率密度來估計聲學空間信息。
【專利說明】用於依據空間功率密度定位麥克風的裝置和方法

【技術領域】
[0001] 本發明是有關於音頻信號處理，且特別是有關於一種自動定位麥克風的裝置和方 法。

【背景技術】
[0002] 音頻信號處理變得越來越重要。特別是，空聞聲音錄製被應用於多種應用中。空 間聲音錄製著眼於利用多重麥克風的幫助來擷取聲場，以便在重現側使聆聽者察覺到如在 錄音場地（location) -樣的聲音影像。
[0003] 空間聲音錄製的標準方法通常涉及到隔闊的全向麥克風（例如實AB立體音 響），一致指向性麥克風（例如，在強度立體音響中），或例如在高保真立體聲響複製 (Ambisonics)中的更多先進麥克風（例如B-J格式麥克風），例如，請參考文獻：
[0004] [l]Michael A. Gerzon.多聲道廣播和視頻中的高保真立體聲響複製（Ambisonics in multichannel broadcasting and video)。了·音頻工程學會，33(11) :859-871, 1985 年。
[0005] -種空間麥克風（譬如指向性麥克風、麥克風陣列等）能夠錄製空間聲。專業術 語"空間麥克風"表示定向地選擇性獲得空間聲的任何裝置（例如指向性麥克風、麥克風陣 列等）。
[0006] 對聲音重現而言，現有的非參數方法直接從錄製的麥克風信號推導出期望的音頻 回放信號。這些方法的一項主要缺點是錄製的空間影像總是相對於在所使用的空間麥克 風。
[0007] 在多數應用中，將空間麥克風置放在期望位置（舉例而言，其可以是靠近一個或 多個聲源的位置）中是不可能或不可行的。在此情況下，將多重空間麥克風置放在更進一 步遠離有源聲源且仍然能夠依期望擷取聲音場景將是更有利的。
[0008] 某些應用採用兩個以上的真實空間麥克風。應注意到專業術語"真實空間麥克風" 表不實體上存在的期望的麥克風型式或麥克風組合（例如指向性麥克風，如使用於共同立 體聲麥克風中的一對指向性麥克風，但亦是麥克風陣列）。
[0009] 對每個真實空間麥克風而言，到達方向（D0A)可在時頻域中被估計。通過使用自 真實空間麥克風所搜集的信息、與它們的相對位置的知識一起，其可以計算出實際上被置 於環境中的任意位置（隨意）的空間麥克風的輸出信號。在下文中，這種空間麥克風被稱 為"虛擬空間麥克風"。
[0010] 在這種應用中，需要手動輸入一個或多個虛擬麥克風的位置和取向。然而，如果一 個或多個虛擬麥克風的最佳位置和/或取向將被自動確定的話，則那是可讚賞的。
[0011] 如果裝置和方法將是可用的以確定何處放置虛擬麥克風、何處放置物理麥克風或 確定最佳聆聽位置，則這將是有利的。此外，如何將麥克風置放在最佳取向中將是有利的。 專業術語"定位麥克風"和"定位信息"涉及如何確定麥克風或聆聽者的適當位置以及如何 確定麥克風或聆聽者的適當取向。


【發明內容】

[0012] 本發明的目的用以提供關於麥克風定位的改善構思。本發明的目的通過依據權利 要求1所述的裝置，通過依據權利要求17所述的方法以及通過依據權利要求18所述的計 算機程序來實現。
[0013] 提供一種用於確定最佳麥克風或聆聽位置的裝置。此裝置包括空間功率分布確定 器和空間信息估計器。空間功率分布確定器適合於依據聲源信息（表示位於環境中的一 個或多個聲源的一個或多個功率值和一個或多個位置值）來確定空間功率密度（表示環 境的多個場地的功率值）。空間信息估計器適合於依據空間功率密度來估計聲學空間信息 (acoustic spatial information)〇
[0014] 以下，專業術語"虛擬麥克風"一般將表示任何型式的麥克風。更特別是，專業術 語"虛擬麥克風"涉及用以確定定位信息的虛擬空間或非空間麥克風兩者，以及涉及用以確 定定位信息的實體上存在的空間或非空間麥克風。
[0015] 空間信息估計器適合於依據由空間功率分布確定器所確定的空間功率密度來確 定環境中的最佳虛擬麥克風位置或最佳虛擬麥克風取向。空間功率密度依據聲源的功率值 和對應的位置信息而由空間功率分布確定器所確定。
[0016] 提供一種確定用以描述聲音場景的一個或多個麥克風（譬如一個或多個虛擬麥 克風）的最佳位置和/或取向的自動方式。
[0017] 在某些實施例中，空間功率分布確定器可以適合於利用由有效度量標準 (signficance metric)所提供的可選信息，有效度量標準譬如表示關於ESS位置的估計的 可靠度的度量。
[0018] 例如，在某些實施例中，聲音的擴散Psi可被用作有效度量標準。那麼在計算空間 功率分布的同時項（1-Psi)可簡單地乘以源（source)功率值，以使在空間功率分布的確定 上擴散聲音的貢獻將少於直達聲音。
[0019] 所提出的構思的一項重要優點在於它們可獨立於房間條件被應用，且並不需要任 何關於講話者和/或物理聲源的數目或位置的先驗信息（priori information)。藉此，此 系統是自立更生的，且可以適合於通過只使用聲音分析的任何種類的情景。依據現有技術， 先驗信息必須是可得到的，用以確定一個或多個麥克風的最佳位置和/或取向。這要麼限 制此應用、要麼必須利用預估方式進行，如此將限制其精確度。通過採用上述的實施例，這 是不必要的。虛擬麥克風（或多個虛擬麥克風）的位置通過進行半盲場景分析（semi-blind scene analysis)、然後依據目標應用的需求改變它而被計算出。
[0020] 不像用以估計虛擬麥克風的最佳位置和/或取向的其他方法，提議的方法並不需 要考慮幾何場景的任何信息。例如，不需要關於有效聲源的數目（例如，學術研討會中的參 與者的數目）的先驗信息，也不需要關於有效聲源的相對位置（例如，學術研討會房間中的 參與者的配置）的任何信息。有關聲音的信息只從有效聲源的特性推導出，其被稱為描述 聲音場景的"有效聲源"(ESS)。ESS仿效空間聲音場景，其乃因為一個或多個ESS在某個時 間瞬間或在某個時頻點（time-frequency bin)中是有效的。以下，專業術語"物理源"用於 描述來自聲音場景的真實來源（例如講話者），而專業術語有效聲源（ESS)(亦被稱為"聲 源"）用於描述在單一時間或時頻點中是有效的聲音事件。每個ESS以位置和以功率為其 特徵。這種信息允許建構空間功率分布（例如空間功率密度），其允許確定虛擬麥克風的最 佳位置或取向。
[0021] ESS的參數可譬如通過採用針對用以產生在可配置的虛擬位置的虛擬麥克風的音 頻輸出信號的裝置而描述於下的概念來被獲得。聲音事件位置估計針對用以產生虛擬麥克 風的音頻輸出信號的裝置而被描述於下，更特別是參考圖15-17被描述。那裡所描述的概 念可被採用以確定有效聲源的位置。傳播補償針對用以產生虛擬麥克風的音頻輸出信號的 裝置而描述於下，更特別是參考圖17-20被描述。那裡所描述的概念可被採用以確定有效 聲源的功率。
[0022] 依據一實施例，空間信息估計器可包括聲音場景中心估計器，用以估計環境中的 聲音場景的中心的位置。空間信息估計器可還包括麥克風位置計算器，用以依據聲音場景 的中心的位置計算出麥克風的位置以作為聲學空間信息。
[0023] 在另一實施例中，麥克風位置計算器可以適合於計算麥克風的位置，其中麥克風 為虛擬麥克風。
[0024] 此外，依據另一實施例，聲音場景中心估計器可以適合於計算空間功率密度的重 心，用以估計聲音場景的中心。
[0025] 在更進一步的實施例中，聲音場景中心估計器可以配置成用以依據空間功率密度 來確定功率延遲分布，並依據環境中的多個場地的每一個場地的功率延遲分布來確定均方 根延遲。聲音場景中心估計器可以配置成用以將多個場地中的一個場地的位置確定為聲音 場景的中心，其具有多個場地的均方根延遲中的最小均方根延遲。
[0026] 在另一實施例中，聲音場景中心估計器可以適合於實施圓積分，用以估計聲音場 景的中心，其中，當環境為二維環境時，聲音場景中心估計器可以適合於通過應用譬如下述 公式而以圓對空間功率密度卷積來實施圓積分
[0027] g(x,y) = Γ (x,y)*C(r；0) (x, y)
[0028] 其中Γ (x，y)為空間功率密度，且其中C(,，。）（x，y)表示圓，用以確定環境的多個 場地的每一個場地的圓積分值。
[0029] 或者，當環境為三維環境時，聲音場景中心估計器可以適合於通過應用例如下述 公式而通過以球體對空間功率密度卷積來實施圓積分
[0030] g (x, y, z) = Γ (χ, y, ζ) *C (r； 0) (x, y, z)
[0031] 其中，r (x，y，z)為空間功率密度，且其中C(M) (x，y，z)表示球體，用以確定環境 的多個場地的每一個場地的圓積分值。
[0032] 此外，依據一實施例，聲音場景中心估計器可以適合於確定環境的多個場地的每 一個場地的圓積分值的最大值，用以估計聲音場景的中心。
[0033] 在更進一步的實施例中，麥克風位置計算器可以適合於確定經由環境中的聲音場 景的中心的多條線中的寬度最寬的線。經由聲音場景的中心的多條線的每一條線可具有能 量寬度，其中寬度最寬的線可以是經由聲音場景的中心的多條線中的具有最大能量寬度的 線。
[0034] 依據一實施例，多條線的被考慮的線的能量寬度可以表示在被考慮的線上的段的 最大長度，以使得限制此段的此段的第一點以及限制此段的此段的不同的第二點兩者都具 有由空間功率密度所表示的功率值（可以大於或等於預定功率值）。麥克風位置計算器可 以適合於確定麥克風的位置，以使得穿過聲音場景的中心與麥克風的位置的第二線可以垂 直於寬度最寬的線。
[0035] 在一實施例中，麥克風位置計算器可以配置成用以將奇異值分解應用至具有多個 列的矩陣。此矩陣的這些列表示在環境中的場地相對於聲音場景的中心的位置。此外，此 矩陣的這些列只表示由空間功率密度所表示的多個功率值大於預定閾值的這些場地的位 置，或此矩陣的這些列只表示由空間功率密度所表示的多個功率值大於或等於預定閾值的 這些場地的位置。
[0036] 依據另一實施例，空間信息估計器可包括取向確定器，用以依據空間功率密度來 確定麥克風的取向。取向確定器可以適合於確定麥克風的取向，以使得麥克風朝向聲音場 景的中心而取向。取向確定器可以配置成用以通過應用下述公式來確定多個方向

【權利要求】
1. 一種定位麥克風的裝置，包括： 空間功率分布確定器（10 ;21)，用以依據聲源信息來確定表不環境中的多個場地的功 率值的空間功率密度，所述聲源信息指位於所述環境中的一個或多個聲源的一個或多個功 率值和一個或多個位置值，以及 空間信息估計器（20 ;22)，用以依據所述空間功率密度來估計聲學空間信息。
2. 如權利要求1所述的裝置，其中，所述空間信息估計器（20 ;22)包括聲音場景中心 估計器（41)，所述聲音場景中心估計器（41)用以估計所述環境中的聲音場景的中心的位 置，以及 其中，所述空間信息估計器（20 ;22)還包括麥克風位置計算器（42 ;44)，所述麥克風位 置計算器（42 ;44)用以依據所述聲音場景的所述中心的所述位置計算出麥克風的位置以 作為所述聲學空間信息。
3. 如權利要求2所述的裝置，其中，所述麥克風位置計算器（42 ;44)適合於計算所述 麥克風的所述位置，其中所述麥克風為虛擬空間麥克風。
4. 如權利要求2或3所述的裝置，其中，所述聲音場景中心估計器（41)適合於計算所 述空間功率密度的重心，用以估計所述聲音場景的所述中心。
5. 如權利要求2或3所述的裝置， 其中，所述聲音場景中心估計器（41)被配置成：用以依據所述空間功率密度來確定功 率延遲分布，並且用以依據關於所述環境中的多個場地中的每一個場地的所述功率延遲分 布來確定均方根延遲，以及 其中，所述聲音場景中心估計器（41)被配置成：用以將所述多個場地中的場地確定為 所述聲音場景的所述中心，所述多個場地中的該場地具有所述多個場地的所述均方根延遲 中的最小均方根延遲。
6. 如權利要求2或3所述的裝置，其中，所述聲音場景中心估計器（41)適合於進行圓 積分，用以估計所述聲音場景的所述中心，其中，當所述環境為二維環境時，所述聲音場景 中心估計器（41)適合於通過應用下面的公式而以圓對所述空間功率密度卷積來進行所述 圓積分 g(x，y) = Γ (x，y)*C(r，。)(x，y), 其中Γ (x，y)為所述空間功率密度，且其中CQ。）（x，y)表示圓，用以確定所述環境的 所述多個場地的每一個場地的圓積分值，或者 其中，當所述環境為三維環境時，所述聲音場景中心估計器（41)適合於通過應用下面 的公式而以球體對所述空間功率密度卷積來進行所述圓積分 g (x, y, z) = Γ (χ, y, ζ) *C (r； 0) (x, y, z), 其中，Γ (x，y，z)為所述空間功率密度，且其中CL。）（x，y，z)表示球體，用以確定所述 環境的所述多個場地的每一個場地的圓積分值。
7. 如權利要求6所述的裝置，其中，所述聲音場景中心估計器（41)適合於確定所述環 境的所述多個場地的每一個場地的所述圓積分值的最大值，用以估計所述聲音場景的所述 中心。
8. 如權利要求2至7中的任一項所述的裝置， 其中，所述麥克風位置計算器（42 ;44)適合於確定經由所述環境中的所述聲音場景的 所述中心的多條線中的寬度最寬的線， 其中，經由所述聲音場景的所述中心的所述多條線中的每一條線與能量寬度相關聯， 以及其中，所述寬度最寬的線被定義為經由所述聲音場景的所述中心的所述多條線中的具 有最大能量寬度的線， 其中，所述麥克風位置計算器（42 ;44)適合於：確定所述麥克風的位置，以使得穿過所 述聲音場景的所述中心與所述麥克風的所述位置的第二線垂直於所述寬度最寬的線。
9. 如權利要求8所述的裝置，其中，所述多條線中的被考慮的線的能量寬度指在所述 被考慮的線上的段的最大寬度，以使得限制所述段的所述段的第一點、以及以使得限制所 述段的所述段的不同的第二點兩者都具有由所述空間功率密度所表示的功率值，所述空間 功率密度所表示的該功率值大於或等於預定功率值。
10. 如權利要求2至7中的任一項所述的裝置，其中，所述麥克風位置計算器（42 ;44) 被配置成用以將奇異值分解應用至具有多列的矩陣， 其中，所述矩陣的所述列表示所述環境中的場地相對於所述聲音場景的所述中心的位 置，以及 其中，所述矩陣的所述列只表示由所述空間功率密度所表示的功率值大於預定閾值的 所述場地的位置，或所述矩陣的所述列只表示由所述空間功率密度所表示的功率值大於或 等於預定閾值的所述場地的位置。
11. 如權利要求2至10中的任一項所述的裝置，其中，所述空間信息估計器（20 ;22)包 括取向確定器（45)，所述取向確定器（45)用以確定所述麥克風的取向。
12. 如權利要求11所述的裝置，其中，所述取向確定器（45)適合於依據所述空間功率 密度確定所述麥克風的所述取向。
13. 如權利要求11或12所述的裝置，其中，所述取向確定器（45)適合於依據所述空間 功率密度來確定所述麥克風的所述取向，以及其中，所述取向確定器（45)適合於確定所述 麥克風的所述取向，以使得所述麥克風朝向所述聲音場景的所述中心而取向。
14. 如權利要求11至13中的任一項所述的裝置，其中，所述取向確定器（45)適合於依 據所述空間功率密度來確定所述麥克風的所述取向，其中所述取向確定器（45)被配置成 用以通過應用下面的公式來確定多個方卩
1的每一個方向的積分{I

其中rmax定義了距離所述麥克風的最大距離，
其中Γ (x，y)為所述空間功率密度， 以及其中所述取向確定器（45)被配置成用以依據確定的積分值 I定所述麥 克風的所述取向。
15. 如權利要求1至5中的任一項所述的裝置， 其中，當所述環境為二維環境時，所述空間功率分布確定器（10 ;21)適合於通過應用 下面的公式來確定所述空間功率密度
用以針對時頻點（k，η)計算出所述環境中的所述多個場地的功率值Γ (x，y，k，η)，其 中k表示頻率指數以及η表示時間指數，其中Ν表示所述聲源的數量，其中x、y表示所述多 個場地之一的坐標，其中power^k, η)表示位於時頻點（k, η)的第i個有效聲源的所述功率 值，其中xESSi、yESSi表示所述第i個聲源的坐標，其中L為標量值以及其中g為相關於X、 y、xESi、yEM、k、η以及γ i的函數，或者 其中，當所述環境為三維環境時，所述空間功率分布確定器（10 ;21)適合於通過應用 下面的公式來確定所述空間功率密度
用以針對時頻點（k，n)計算出所述環境中的所述多個場地的所述功率值 Γ (X，y, Z, k, η)，其中k表示頻率指數以及η表示時間指數，其中N表示所述聲源的數量，其 中X、y、ζ表示所述多個場地之一的坐標，其中poweriO^n)表示位於時頻點（k，n)的第i 個聲源的所述功率值，其中xESSi、yESSi、zESSi表示所述第i個聲源的坐標，其中Y i為標量值， 以及其中g為相關於X、y、z、xESSi、yESSi、zESSi、k、η和γ i的函數。
16. -種用以產生虛擬輸出信號的裝置（991)，包括： 如權利要求2至9中的任一項所述的定位麥克風的裝置（992)，其中所述定位麥克風的 裝置的所述麥克風位置計算器（993)被配置成用以計算麥克風的位置以作為計算出的麥 克風位置，以及 用以產生音頻輸出信號的裝置（994)，所述音頻輸出信號作為所述虛擬輸出信號，用以 仿真位於所述計算出的麥克風位置的虛擬麥克風的錄音，其中用以產生音頻輸出信號的所 述裝置包括： 聲音事件位置估計器（110)，用以估計聲源位置，所述聲源位置指聲源在所述環境中的 位置，所述聲源發出聲波，其中所述聲音事件位置估計器（110)適合於依據第一方向信息 以及依據第二方向信息來估計所述聲源位置，所述第一方向信息由位於環境中的第一真實 麥克風位置的第一真實空間麥克風所提供，所述第二方向信息由位於所述環境中的第二真 實麥克風位置的第二真實空間麥克風所提供；以及 信息計算模塊（120)，用以依據由所述第一真實空間麥克風所錄製的第一錄製的音頻 輸入信號、依據所述第一真實麥克風位置以及依據所述計算出的麥克風位置來產生所述音 頻輸出信號。
17. -種定位麥克風的方法，包括： 依據聲源信息來確定表示環境中的多個場地的功率值的空間功率密度，其中所述聲源 信息指位於所述環境中的一個或多個聲源的一個或多個功率值和一個或多個位置值，以及 依據所述空間功率密度來估計聲學空間信息。
18. -種用於執行如權利要求17所述的方法的電腦程式，其中所述電腦程式在計 算機或處理器上執行。
【文檔編號】H04R3/00GK104094613SQ201280067394
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2012年11月29日 優先權日:2011年12月2日
【發明者】喬瓦尼·戴爾·加爾多, 奧利弗·蒂爾加特, 費邊·庫赫, 伊曼紐爾·哈伯特, 亞歷山德拉·克拉瓊 申請人:弗勞恩霍弗促進應用研究註冊公司