CN103856871B - 麦克风阵列采集多声道声音的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种麦克风阵列采集多声道声音的装置及其方法。该麦克风阵列采集多声道声音的方法包括：采集M个输入信号，并对M个输入信号进行回声抑制处理；通过第n路时延调整模块对M个输入信号进行时延调整，以形成M个第n路输出信号；通过第n路自适应波束形成模块对M个第n路输出信号进行波速形成，以得到第n路信号；通过第n路处理模块对第n路信号进行处理得到第n声道信号。通过上述方式，本发明能够应用到家庭娱乐设备等非专业环境的多声道声音采集，并且能够灵活调整声像宽度以及拾取距离远近。

Description

麦克风阵列采集多声道声音的装置及其方法

技术领域

本发明涉及采集多声道声音领域，特别是涉及一种麦克风阵列采集多声道声音的装置及其方法。

背景技术

现有的立体声的拾音方法包括XY制、大小AB制、NOS制或ORTF制，以上拾音方法具有一个共同点：均使用了“对传声器”，即2支参数指标一致的话筒摆成预设的间隔和角度，以用来拾取临场的声音。其中，传声器对各个方向的声音的灵敏度不同，成为立体声拾音声级差的基础，例如，传声器的间距的大小控制拾音的时间差。但是以上拾音方法应用于专业录音，对于设备和录音环境的要求都非常高。在非专业录音环境，传声器在拾取语音信号的同时，传输媒介引入的噪声、通信设备内部的电噪声、房间混响乃至其他人的话音干扰都无法避免，导致声音拾取的效果大打折扣，因此现有的立体声的拾音方法无法应用到家庭娱乐设备等非专业环境的多声道声音采集。此外，现有的立体声的拾音方法无法灵活地调整声像宽度和拾取距离远近的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种麦克风阵列采集多声道声音的装置及其方法，以解决无法应用到家庭娱乐设备等非专业环境的多声道声音采集和无法灵活调整声像宽度以及拾取距离远近的问题。

第一方面提供一种麦克风阵列采集多声道声音的方法，其包括以下步骤：采集M个输入信号，并对M个输入信号进行回声抑制处理；通过第n路时延调整模块对M个输入信号进行时延调整，以形成M个第n路输出信号；通过第n路自适应波束形成模块对M个第n路输出信号进行波束形成，以得到第n路信号；通过第n路处理模块对第n路信号进行处理得到第n声道信号；其中，n为小于或等于N的正整数，M为麦克风阵列中麦克风阵元的数量，N为用户设置麦克风阵列采集多声道的声道数量。

结合第一方面的实现方式，在第一种可能的实现方式中，采集M个输入信号的步骤之前还包括：根据用户设置的声场方向和声音拾取距离，以确定麦克风阵列声场采集的范围。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，通过第n路时延调整模块对M个输入信号进行时延调整包括：通过波束方向调整模块根据声场方向和声音拾取距离获取第n路时延调整模块的时延调整参数；通过第n路时延调整模块根据时延调整参数对M个输入信号进行时延调整。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，通过第n路时延调整模块对M个输入信号进行时延调整包括：通过第n路时延调整模块根据声场方向和声音拾取距离获取第n路时延调整模块的时延调整参数；通过第n路时延调整模块根据时延调整参数对M个输入信号进行时延调整。

结合第一方面的实现方式，在第四种可能的实现方式中，第n路自适应波束形成模块为广义旁瓣抵消自适应波束形成模块。

结合第一方面的实现方式，在第五种可能的实现方式中，通过第n路处理模块对第n路信号进行处理得到第n声道信号包括：通过第n路处理模块对第n路信号进行噪声抑制、非线性回声抑制以及自适应增益控制的处理。

第二方面提供一种麦克风阵列采集多声道声音的装置，其包括：声音采集模块，声音采集模块包括麦克风阵列，麦克风阵列采集M个输入信号；回声抑制模块，用于对M个输入信号进行回声抑制处理；N个通路，每个通路包括：第n路时延调整模块，用于对M个输入信号进行时延调整，以形成M个第n路输出信号；第n路自适应波束形成模块，用于对M个第n路输出信号进行波束形成，以得到第n路信号；第n路处理模块，用于对第n路信号进行处理得到第n声道信号；其中，n为小于或等于N的正整数，M为麦克风阵列中麦克风阵元的数量，N为用户设置麦克风阵列采集多声道的声道数量。

结合第二方面的实现方式，在第一种可能的实现方式中，装置还包括设定模块，用户通过设定模块设置声场方向和声音拾取距离，以确定麦克风阵列声场采集的范围。

结合第二方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，装置还包括波束方向调整模块，波束方向调整模块根据声场方向和声音拾取距离获取第n路时延调整模块的时延调整参数，第n路时延调整模块根据时延调整参数对M个输入信号进行时延调整。

结合第二方面的第一种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，第n路时延调整模块根据声场方向和声音拾取距离获取第n路时延调整模块的时延调整参数，并且根据时延调整参数对M个输入信号进行时延调整。

结合第二方面的实现方式，在第四种可能的实现方式中，第n路自适应波束形成模块为广义旁瓣抵消自适应波束形成模块。

结合第二方面的实现方式，在第五种可能的实现方式中，第n路处理模块对第n路信号进行噪声抑制、非线性回声抑制以及自适应增益控制的处理。

第三方面提供一种麦克风阵列采集多声道声音的方法，其包括以下步骤：采集M个输入信号；通过第n路时延调整模块对M个输入信号进行时延调整，以形成M个第n路输出信号；通过第n路自适应波束形成模块对M个第n路输出信号进行波束形成，以得到第n路信号；通过处理模块对N个第n路信号进行处理，以得到N个声道信号；其中，n为小于或等于N的正整数，M为麦克风阵列中麦克风阵元的数量，N为用户设置麦克风阵列采集多声道的声道数量。

结合第三方面的实现方式，在第一种可能的实现方式中，采集M个输入信号的步骤之前还包括：根据用户设置的声场方向和声音拾取距离，以确定麦克风阵列声场采集的范围。

结合第三方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实施方式中，通过第n路时延调整模块对M个输入信号进行时延调整包括：通过波束方向调整模块根据声场方向和声音拾取距离获取第n路时延调整模块的时延调整参数；通过第n路时延调整模块根据时延调整参数对M个输入信号进行时延调整。

结合第三方面的第一种可能的实现方式，在第三种可能的实施方式中，通过第n路时延调整模块对M个输入信号进行时延调整包括：通过第n路时延调整模块根据声场方向和声音拾取距离获取第n路时延调整模块的时延调整参数；通过第n路时延调整模块根据时延调整参数对M个输入信号进行时延调整。

结合第三方面的实现方式，在第四种可能的实现方式中，第n路自适应波束形成模块为广义旁瓣抵消自适应波束形成模块。

第四方面提供一种麦克风阵列采集多声道声音的装置，其包括：声音采集模块，声音采集模块包括麦克风阵列，麦克风阵列采集M个输入信号；N个通路，每个通路包括：第n路时延调整模块，用于对M个输入信号进行时延调整，以形成M个第n路输出信号；第n路自适应波束形成模块，用于对M个第n路输出信号进行波束形成，以得到第n路信号；处理模块，用于对N个第n路信号进行处理，以得到N个声道信号；其中，n为小于或等于N的正整数，M为麦克风阵列中麦克风阵元的数量，N为用户设置麦克风阵列采集多声道的声道数量。

结合，第四方面的实现方式，在第一种可能的实现方式中，装置还包括设定模块，用户通过设定模块设置声场方向和声音拾取距离，以确定麦克风阵列声场采集的范围。

结合第四方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，装置还包括波束方向调整模块，波束方向调整模块根据声场方向和声音拾取距离获取第n路时延调整模块的时延调整参数，第n路时延调整模块根据时延调整参数对M个输入信号进行时延调整。

结合第四方面的第一种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，第n路时延调整模块根据声场方向和声音拾取距离获取第n路时延调整模块的时延调整参数，并且根据时延调整参数对M个输入信号进行时延调整。

结合第四方面的实现方式，在第四种可能的实现方式中，第n路自适应波束形成模块为广义旁瓣抵消自适应波束形成模块。

通过上述方案，本发明的有益效果是：本发明通过采集M个输入信号，对M个输入信号进行回声抑制处理，并通过第n路时延调整模块、第n路自适应波束形成模块以及第n路处理模块得到第n声道信号，能够应用到家庭娱乐设备等非专业环境的多声道声音采集，并且能够灵活调整声像宽度以及拾取距离远近。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是本发明第一实施例的麦克风阵采集多声道声音的装置的示意框图；

图2是本发明第二实施例的麦克风阵采集多声道声音的装置的示意框图；

图3是图2中设定模块设置声场方向的角度示意图；

图4是图2中麦克风阵列为均匀线阵的示意图；

图5是图2中麦克风阵列为均匀圆阵的示意图；

图6是图2中自适应波束形成模块的结构示意图；

图7是本发明第三实施例的麦克风阵采集多声道声音的装置的示意框图；

图8是本发明第一实施例的麦克风阵列采集多声道声音的方法的流程图；

图9是本发明第四实施例的麦克风阵列采集多声道声音的装置的示意框图；

图10是本发明第五实施例的麦克风阵列采集多声道声音的装置的示意框图；

图11是本发明第六实施例的麦克风阵列采集多声道声音的装置的示意框图；

图12是本发明第二实施例的麦克风阵列采集多声道声音的方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1，图1是本发明第一实施例的麦克风阵列采集多声道声音的装置的示意框图。如图1所示，本实施例所揭示的麦克风阵列采集多声道声音的装置10包括：声音采集模块101、回声抑制模块102以及N个通路103。

在本实施例中，声音采集模块101包括麦克风阵列1024，麦克风阵列1024采集M个输入信号。在本实施例中，M为麦克风阵列1024的麦克风阵元的数量，即麦克风阵列1024包括M个麦克风阵元。其中，麦克风阵列1024包括均匀线阵或均匀圆阵。在其他实施例中，本领域的技术人员完全可以将麦克风阵列1024设置为其他阵列。

回声抑制模块102用于根据回放参考信号对M个输入信号进行回声抑制处理。其中，回声抑制模块102以麦克风阵列1024采集到的第m(m＝1,2，......，M)个信号作为近端输入信号，并且以回放参考信号为远端参考信号，进行回声抑制处理。优选地，回声抑制模块102的数量为M。回声抑制模块102进行回声抑制处理的方法包括自适应滤波器的方法、非线性回声抑制的处理方法或自适应滤波器与非线性回声抑制处理相结合的方法，以使M个输入信号能够达到回声抑制的效果。此外，回放参考信号由麦克风阵列采集多声道声音的装置10提供。

已经进行回声抑制处理的M个输入信号通过N个通路103转换成N个声道信号，其中，N为用户设置麦克风阵列1024采集多声道的声道数量。例如，用户设置麦克风阵列1024采集的多声道为立体声道，立体声道的声道数量为2，则N为2；用户设置麦克风阵列1024采集的多声道为5.1声道信号，5.1声道信号的主声道数量为5，则N为5。值得注意的是，5.1声道信号，除了5个主声道之外还包含一个低音声道，这个低音声道可以作为一个独立的声道进行处理，也可以复用中央通道的处理结果，当低音声道为一个独立的声道时，则声道数量会变为6，即N为6。

在本实施例中，当n＝1时，第一个通路105包括第一路时延调整模块106、第一路自适应波束形成模块107以及第一路处理模块108，第一路时延调整模块106对M输入信号进行时延调整，以形成M个第一路输出信号，M个第一路输出信号通过第一路自适应波束形成模块107进行波束形成得到第一路信号，第一路信号通过第一路处理模块108得到第一声道信号。当n＝2时，第二个通路109包括第二路时延调整模块110、第二路自适应波束形成模块111以及第二路处理模块112，第二路时延调整模块110对M输入信号进行时延调整，以形成M个第二路输出信号，M个第二路输出信号通过第二路自适应波束形成模块111进行波束形成得到第二路信号，第二路信号通过第二路处理模块112处理得到第二声道信号。第n个通路113包括第n路时延调整模块114、第n路自适应波束形成模块115以及第n路处理模块116，第n路时延调整模块114对M输入信号进行时延调整，以形成M个第n路输出信号，M个第n路输出信号通过第n路自适应波束形成模块115进行波束形成得到第n路信号，第n路信号通过第n路处理模块116处理得到第n声道信号，其中，n为小于或等于N的正整数。

区别于现有技术，本实施例所揭示的麦克风阵列采集多声道声音的装置10通过声音采集模块101、回声抑制模块102以及N个通路103得到第n声道信号，能够应用到家庭娱乐设备等非专业环境的多声道声音采集。

本发明还提供第二实施例的麦克风阵列采集多声道声音的装置，其在第一实施例所揭示的麦克风阵列采集多声道声音的装置10的基础上进行详细描述。本实施所揭示的麦克风阵列采集多声道声音的装置还包括设定模块104，如图2所示。用户通过设定模块104设置声场方向和声音拾取距离，声音采集模块101从设定模块104获取声场方向和声音拾取距离，并根据声场方向和声音拾取距离，以确定麦克风阵列1024声场采集的范围。其中，用户可以通过多种方式在设定模块104上设置声场方向和声音拾取距离，例如，设定模块104上设置有旋钮，用户通过旋转旋钮的方式设置声场方向和声音拾取距离；设定模块104上设置有触摸屏，用户通过触摸屏设置声场方向和声音拾取距离；设定模块104上设置有摄像头，用户通过摄像头的联动方式设置声场方向和声音拾取距离。

在本实施例中，第n路时延调整模块114根据用户设置的声场方向和声音拾取距离获取M个输入信号对应的时延调整参数，并且根据时延调整参数对M个输入信号进行时延调整。以下详细说明第n路时延调整模块114如何根据声场方向和声音拾取距离获取M个输入信号对应的时延调整参数，并根据时延调整参数对M个输入信号进行时延调整。如图3所示，假设麦克风阵列采集多声道声音的装置采集立体声，用户通过设定模块104设置声场方向的角度范围为(φ₁，φ₂)，其中，φ₁和φ₂分别为声场边界方向与水平线方向的夹角。声音拾取距离为r_s，则对应的两个波束方向分别为：

${\mathrm{\θ}}_1={\mathrm{\φ}}_1-\frac{\mathrm{\π}}{2},{\mathrm{\θ}}_2={\mathrm{\φ}}_2-\frac{\mathrm{\π}}{2}.---\left(1\right)$

假设麦克风阵列采集多声道声音的装置采集5.1声道信号，用户通过设定模块104设定声场的角度为(φ₁，φ₂，φ₃，φ₄，φ₅)，声音拾取距离为r_s。则对应的五个波束方向分别为：

当5.1声道信号的低音声道为一个独立的声道时，则用户通过设定模块104设定声场的角度为(φ₁，φ₂，φ₃，φ₄，φ₅，φ₆)，声音拾取距离为r_s。则对应的六个波束方向分别为：

因此，麦克风阵列采集多声道声音的装置需要通过第n路时延调整模块114将声场方向的角度转换成波速方向，即将声场方向的角度转换成声场方向与麦克风阵列1024的法线方向的夹角。

请参见图4所示，麦克风阵列1024为M个阵元的均匀线阵。其中，阵元之间的距离为d，波束方向为θ_n，声音拾取距离与麦克风阵列1024的中心位置1022的距离为r_s，麦克风阵列1024采集信号的采样频率为f，声速为c。则，第m(m＝1,2，......，M)个阵元与麦克风阵列1024的中心位置1022的距离d_m为：

$d_m=\left|m-\frac{M+1}{2}\right|\×d---\left(4\right)$

假设声源S位于麦克风阵列1024声场采集的范围内。则声源S距离麦克风阵列1024的第m个阵元的距离r_m为：

$r_m=\sqrt{{\left(r_s{\mathrm{cos\θ}}_n\right)}^2+{(r_s{\mathrm{sin\θ}}_n-d_m)}^2}---\left(5\right)$

则，M个输入信号对应的时延调整参数T为：

$T=\[T_1,T_2,...,T_M\]=\[\frac{r_1-r_s}{c}f,\frac{r_2-r_s}{c}f,...,\frac{r_M-r_s}{c}f\]---\left(6\right)$

假设经过回声抑制处理的M个输入信号为Y，Y＝[y₁(k),y₂(k),...,y_M(k)]，第n路时延调整模块114根据时延调整参数T对M个输入信号Y进行时延调整，则时延调整后的M个第n路输出信号Z_n(k)为：

Z_n(k)＝[z₁(k),z₂(k),...,z_M(k)]＝[y₁(k-T₁),y₂(k-T₂),...,y_M(k-T_M)] (7)

当麦克风阵列采集多声道声音的装置采集立体声时，即N＝2，此时，将式(1)的式(4)、式(5)以及式(6)代入式(7)，得到第1路输出信号Z₁(k)。将式(1)的式(4)、式(5)以及式(6)代入式(7)，得到第2路输出信号Z₂(k)。

当麦克风阵列采集多声道声音的装置采集5.1声道信号时，即N＝5，此时，将式(2)的式(4)、式(5)以及式(6)代入式(7)，得到第1路输出信号Z₁(k)。将式(2)的式(4)、式(5)以及式(6)代入式(7)，得到第2路输出信号Z₂(k)。将式(2)的式(4)、式(5)以及式(6)代入式(7)，得到第3路输出信号Z₃(k)。将式(2)的式(4)、式(5)以及式(6)代入式(7)，得到第4路输出信号Z₄(k)。将式(2)的式(4)、式(5)以及式(6)代入式(7)，得到第5路输出信号Z₅(k)。

当5.1声道信号的低音声道为一个独立的声道时，则还需将式(4)、式(5)以及式(6)代入式(7)，得到第6路输出信号Z₆(k)。

如图5所示，当麦克风阵列1024为M个阵元的均匀圆阵。其中，麦克风阵列1024的半径为b，波束方向为θ_n，声音拾取距离与麦克风阵列1024的中心位置1023的距离为r_s，麦克风阵列1024采集信号的采样频率为f，声速为c。麦克风阵列1024根据用户设置的声场方向和声音拾取距离，可以确定感兴趣的声源S的位置，其中声源S位于麦克风阵列1024声场采集的范围内。声源S在麦克风阵列1024所在的平面上的投影为S’，S’与第一个阵元之间的夹角为水平角α₁。那么，第m个阵元的水平角α_m为：

${\mathrm{\α}}_m={\mathrm{\α}}_1+\frac{2\mathrm{\π}(m-1)}{M}---\left(8\right)$

则声源S与麦克风阵列1024的第m个阵元的距离r_m为：

$r_m=\sqrt{{\left|{\mathrm{SS}}^{\′}\right|}^2+{\left|{\mathrm{mS}}^{\′}\right|}^2}=\sqrt{r_s^2+b^2-2{\mathrm{br}}_s{\mathrm{sin\θ}}_n{\mathrm{cos\α}}_m}---\left(9\right)$

可得出，M个输入信号对应的时延调整参数T为：

$T=\[T_1,T_2,...,T_M\]=\[\frac{r_1-r_s}{c}f,\frac{r_2-r_s}{c}f,...,\frac{r_M-r_s}{c}f\]---\left(10\right)$

其中，经过回声抑制处理的M个输入信号为Y，Y＝[y₁(k),y₂(k),...,y_M(k)]，第n路时延调整模块114根据时延调整参数T对M个输入信号Y进行时延调整，则时延调整后的M个第n路输出信号Z_n(k)为：

Z_n(k)＝[z₁(k),z₂(k),...,z_M(k)]＝[y₁(k-T₁),y2(k-T₂),...,y_M(k-T_M)] (11)

将波束方向θ_n、式(8)、(9)以及(10)代入式(11)，得出时延调整后的M个第n路输出信号Z_n(k)。

当时延参数以相位差的形式表示出来，则均匀线阵和均匀圆阵的时延调整参数ψ为：

$\mathrm{\ψ}=\[{\mathrm{\ψ}}_1,{\mathrm{\ψ}}_2,...,{\mathrm{\ψ}}_M\]=\[e^{-j\frac{2\mathrm{\π}f(r_1-r_s)}{c}},e^{-j\frac{2\mathrm{\π}f(r_2-r_s)}{c}},...,e^{-j\frac{2\mathrm{\π}f(r_M-r_s)}{c}}\]---\left(12\right)$

则时延调整后的M个第n路输出信号Z为：

Z_n(k)＝[Z₁(k),Z₂(k),...,Z_M(k)]＝[Y₁(k)ψ₁,Y₂(k)ψ₂,...,Y_M(k)ψ_M] (13)

然后，M个第n路输出信号Z_n(k)通过第n路自适应波束形成模块115进行波束形成得到第n路信号。在本实施例中，第n路自适应波束形成模块115优选为广义旁瓣抵消自适应波束形成模块。

如图6所示，第n路自适应波束形成模块115包括固定波束形成单元117、拥塞矩阵单元118以及多输入抵消单元119。其中，多输入抵消单元119包括滤波器120以及滤波器系数更新单元121。时延调整后的M个第n路输出信号Z_n(k)，其包括z₁(k)，z₂(k)，......，z_M(k)，M个第n路输出信号Z_n(k)首先经过固定波束形成单元117形成固定波束形成的信号D(k)，M个第n路输出信号Z同时经过拥塞矩阵单元118形成参考干扰信号U₁(k)，U₂(k)，......，U_M-1(k)，最后，固定波束形成的信号D(k)和相应的参考干扰信号U_j(k)经过多输入抵消单元119获得第n路信号ABF(k)。此外，第n路信号ABF(k)还可以用于滤波器系数更新单元121，以更新系数H₁，H₂，.....，H_M-1。其中：

$D\left(k\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^M{Z}_i\left(k\right)/M---\left(14\right)$

U_j(k)＝Z_j(k)-Z_j+1(k)，j＝1,2，......，M-1 (15)

$ABF\left(k\right)=D\left(k\right)-\underset{j=1}{\overset{M-1}{\Σ}}{H}_j\left(k\right)U_j\left(k\right)---\left(16\right)$

H_j(k+1)＝H_j(k)+2αABF(k)U_j(k) (17)

最后，第n路信号ABF(k)通过第n通路113的第n路处理模块116处理得到第n声道信号。其中，第n路处理模块116用于对第n路信号ABF(k)进行处理，以得到第n声道信号。其中，第n路处理模块116对第n路信号ABF(k)进行噪声抑制、非线性回声抑制以及自适应增益控制的处理。第n路处理模块116对第n路信号ABF(k)进行噪声抑制处理的目的是进一步降低残留噪声对主观的听觉影响，可以通过自适应滤波的方法或传统的谱减的方法等单声道噪声抑制方法实现。第n路处理模块116对第n路信号ABF(k)进行非线性回声抑制处理的目的是进一步降低残留回声对主观听觉的影响，可以通过根据第n路信号ABF(k)和回放参考信号对残留回声进行回声检测，再根据检测结果使用噪声填充的方法对检测到的残留回声进行处理。第n路处理模块116对第n路信号ABF(k)进行自适应增益控制处理的目的是增强远距离拾音的音量，保证远距离声源的清晰度。

区别于现有技术的情况，本实施例所揭示的麦克风阵列采集多声道声音的装置10通过设定模块104、声音采集模块101、回声抑制模块102以及N个通路103，能够应用到家庭娱乐设备等非专业环境的多声道声音采集，并且能够灵活调整声像宽度以及拾取距离远近。

本发明还提供第三实施例的麦克风阵列采集多声道声音的装置，其与第二实施例所揭示的麦克风阵列采集多声道声音的装置不同在于：如图7所示，本实施例所揭示的麦克风阵列采集多声道声音的装置还包括波束方向调整模块222，波束方向调制模块222将用户通过设定模块204设置的声场方向的角度转换成波束方向，即波束方向调制模块222将声场方向的角度转换成声场方向与麦克风阵列2024的法线方向的夹角。当麦克风阵列采集多声道声音的装置采集立体声时，用户通过设定模块204设置声场方向的角度范围为(φ₁，φ₂)，声音拾取距离为r_s。其中，φ₁和φ₂分别为声场边界方向与水平线方向的夹角，则波束方向调整模块222得到两个波束方向分别为：当设麦克风阵列采集多声道声音的装置采集5.1声道信号时，用户通过设定模块204设定声场的角度为(φ₁，φ₂，φ₃，φ₄，φ₅)，声音拾取距离为r_s。则波束方向调整模块222得到五个波束方向分别为： 当5.1声道信号的低音声道为独立声道时，用户通过设定模块204设定声场的角度为(φ₁，φ₂，φ₃，φ₄，φ₅，φ₆)，声音拾取距离为r_s。则波束方向调整模块222得到六个波束方向分别为： 第n路时延调整模块214从波束方向调整模块222获取波束方向以计算时延调整参数。

本发明还提供第一实施例的麦克风阵列采集多声道声音的方法，其在前述第一实施例麦克风阵列采集多声道声音的装置10的基础上进行详细描述。如图8所示，本实施例所揭示的麦克风阵列采集多声道声音的方法包括以下步骤：

步骤801：麦克风阵列1024采集M个输入信号，并通过回声抑制模块102对M个输入信号进行回声抑制处理；

步骤802：第n路时延调整模块114对M个输入信号进行时延调整，以形成M个第n路输出信号；

步骤803：第n路自适应波束形成模块115对M个第n路输出信号进行波束形成，以得到第n路信号；

步骤804：第n路处理模块116对第n路信号进行处理得到第n声道信号。

在步骤801中，M为麦克风阵列1024的麦克风阵元的数量，即麦克风阵列1024包括M个麦克风阵元。其中，麦克风阵列1024包括均匀线阵或均匀圆阵。在其他实施例中，本领域的技术人员完全可以将麦克风阵列1024设置为其他阵列。回声抑制模块102以麦克风阵列1024采集到的第m(m＝1,2，......，M)个信号作为近端输入信号，并且以回放参考信号为远端参考信号，进行回声抑制处理。此外，回放参考信号由麦克风阵列采集多声道声音的装置10提供。

区别于现有技术的情况，本实施例所揭示的麦克风阵列采集多声道声音的方法通过麦克风阵列1024采集M个输入信号，并通过回声抑制模块102对M个输入信号进行回声抑制处理，并通过第n路时延调整模块、第n路自适应波束形成模块以及第n路处理模块得到第n声道信号，能够应用到家庭娱乐设备等非专业环境的多声道声音采集。

本发明还提供第四实施例的麦克风阵列采集多声道声音的装置。如图9所示，本实施例所揭示的麦克风阵列采集多声道声音的装置30包括：声音采集模块301、N个通路302以及处理模块303。

在本实施例中，声音采集模块301包括麦克风阵列3021，麦克风阵列3021采集M个输入信号。在本实施例中，M为麦克风阵列3021的麦克风阵元的数量，即麦克风阵列3021包括M个麦克风阵元。其中，麦克风阵列3021包括均匀线阵或均匀圆阵。

M个输入信号通过N个通路303转换成N个第n路信号，其中，N为用户设置麦克风阵列3021采集多声道的声道数量。例如，用户设置麦克风阵列3021采集的多声道为立体声道，立体声道的声道数量为2，则N为2；用户设置麦克风阵列3021采集的多声道为5.1声道信号，5.1声道信号的声道数量为5，则N为5。当5.1声道信号的低音声道为一个独立的声道时，则声道数量会变为6，即N为6。

在本实施例中，当n＝1时，第一通路305包括第一路时延调整模块306以及第一路自适应波束形成模块307，第一路时延调整模块306对M个输入信号进行时延调整，形成M个第一路输出信号，M个第一路输出信号通过第一路自适应波束形成模块307进行波束形成得到第一路信号。当n＝2时，第二通路308包括第二路时延调整模块309以及第二路自适应波束形成模块310，第二路时延调整模块309对M个输入信号进行时延调整，形成M个第二路输出信号，M个第二路输出信号通过第二路自适应波束形成模块310进行波束形成得到第二路信号。当n为小于或等于N的正整数时，第n通路311包括第n路时延调整模块312以及第n路自适应波束形成模块313，第n路时延调整模块312对M个输入信号进行时延调整，形成M个第n路输出信号，M个第n路输出信号通过第n路自适应波束形成模块313进行波束形成得到第n路信号。

在本实施例中，处理模块303用于对N个第n路信号进行处理，以得到N个声道信号。

本发明还提供第五实施例的麦克风阵列采集多声道声音的装置，其在第四实施例所揭示的麦克风阵列采集多声道声音的装置30的基础上进行详细描述。本实施例所揭示的麦克风阵列采集多声道声音的装置还包括设定模块304，如图10所示。用户通过设定模块304设置声场方向和声音拾取距离，麦克风阵列3021从设定模块304获取声场方向和声音拾取距离，并根据声场方向和声音拾取距离，以确定麦克风阵列3021声场采集的范围。其中，用户可以通过多种方式在设定模块304上设置声场方向和声音拾取距离，例如，设定模块304上设置有旋钮，用户通过旋转旋钮的方式设置声场方向和声音拾取距离；设定模块304上设置有触摸屏，用户通过触摸屏设置声场方向和声音拾取距离；设定模块304上设置有摄像头，用户通过摄像头的联动方式设置声场方向和声音拾取距离。

本实施例的第n路时延调整模块312和第n路自适应波束形成模块313分别与本发明第一实施例所揭示的第n路时延调整模块114和第n路自适应波束形成模块115完全相同，在此不再赘述。因此，M个第n输出信号Z通过第n路自适应波束形成模块313进行波束形成得到第n路信号ABF(k)。

在本实施例中，处理模块303用于对N个第n路信号ABF(k)进行噪声抑制、回声抑制以及自适应增益控制的处理，以得到N个声道信号。其中，处理模块303优选为多通道联合音频增强处理器。处理模块303对N路信号进行噪声抑制处理的目的是进一步降低残留噪声对主观的听觉影响；处理模块303对N路信号进行回声抑制处理的目的是降低回声对主观听觉的影响；处理模块303对N路信号进行自适应增益控制处理的目的是增强远距离拾音的音量，保证远距离声源的清晰度。此外，处理模块303利用N路信号之间的相关性，对各个声道信号进行调整，以解决各个声道信号独立处理造成的声像漂移问题。

区别于现有技术的情况，本实施例所揭示的麦克风阵列采集多声道声音的装置30通过声音采集模块301根据用户设置的声场方向和声音拾取距离，以确定麦克风阵列3021声场采集的范围，并且麦克风阵列3021采集M个输入信号，M个输入信号通过N个通路302转换成N个第n路信号，处理模块304用于对N个第n路信号进行多通道联合音频增强处理，以得到N个声道信号，进而能够应用到家庭娱乐设备等非专业环境的多声道声音采集，并且能够灵活调整声像宽度以及拾取距离远近，以及能够解决各个声道信号独立处理造成的声像漂移问题。

本发明还提供第六实施例的麦克风阵列采集多声道声音的装置，其与第五实施例所揭示的麦克风阵列采集多声道声音的装置不同在于：如图11所示，本实施例所揭示的麦克风阵列采集多声道声音的装置还包括波束方向调整模块422，波束方向调制模块422将用户通过设定模块404设置的声场方向的角度转换成波束方向，即波束方向调制模块422将声场方向的角度转换成声场方向与麦克风阵列4021的法线方向的夹角。当麦克风阵列采集多声道声音的装置采集立体声时，用户通过设定模块404设置声场方向的角度范围为(φ₁，φ₂)，声音拾取距离为r_s。其中，φ₁和φ₂分别为声场边界方向与水平线方向的夹角，则波束方向调整模块422得到两个波束方向分别为：当设麦克风阵列采集多声道声音的装置采集5.1声道信号时，用户通过设定模块404设定声场的角度为(φ₁，φ₂，φ₃，φ₄，φ₅)，声音拾取距离为r_s。则波束方向调整模块422得到五个波束方向分别为： 当5.1声道信号的低音声道为一个独立的声道时，则用户通过设定模块404设定声场的角度为(φ₁，φ₂，φ₃，φ₄，φ₅，φ₆)，声音拾取距离为r_s，则波束方向调整模块422得到六个波束方向分别为： 第n路时延调整模块412从波束方向调整模块422获取波束方向以计算时延调整参数。

本发明还提供第二实施例的麦克风阵列采集多声道声音的方法，其在前述第四实施例麦克风阵列采集多声道声音的装置30的基础上进行详细描述。如图12所示，本实施例所揭示的麦克风阵列采集多声道声音的方法包括以下步骤：

步骤901：麦克风阵列3021采集M个输入信号；

步骤902：第n路时延调整模块312对M个输入信号进行时延调整，以形成M个第n路输出信号；

步骤903：第n路自适应波束形成模块313对M个第n路输出信号进行波束形成，以得到第n路信号；

步骤904：处理模块303对N个第n路信号进行处理，以得到N个声道信号。

在步骤904中，处理模块303优选为多通道联合音频增强处理器。处理模块303对N路信号进行噪声抑制处理的目的是进一步降低残留噪声对主观的听觉影响；处理模块303对N路信号进行回声抑制处理的目的是降低回声对主观听觉的影响；处理模块303对N路信号进行自适应增益控制处理的目的是增强远距离拾音的音量，保证远距离声源的清晰度。此外，处理模块303利用N路信号之间的相关性，对各个声道信号进行调整，以解决各个声道信号独立处理造成的声像漂移问题。

区别于现有技术的情况，本发明通过采集M个输入信号，对M个输入信号进行回声抑制处理，并通过第n路时延调整模块、第n路自适应波束形成模块以及第n路处理模块得到第n声道信号，能够应用到家庭娱乐设备等非专业环境的多声道声音采集，并且能够灵活调整声像宽度以及拾取距离远近。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (22)

1.一种麦克风阵列采集多声道声音的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

采集M个输入信号，并对所述M个输入信号进行回声抑制处理；

通过第n路时延调整模块对所述M个输入信号进行时延调整，以形成M个第n路输出信号；

通过第n路自适应波束形成模块对所述M个第n路输出信号进行波束形成，以得到第n路信号；

通过第n路处理模块对所述第n路信号进行处理得到第n声道信号；

其中，每路所述自适应波束形成模块包括固定波束形成单元、拥塞矩阵单元以及多输入抵消单元，所述M个第n路输出信号经过所述固定波束形成单元形成固定波束形成的信号；所述M个第n路输出信号同时经过所述拥塞矩阵单元形成参考干扰信号，所述固定波束形成的信号和相应的所述参考干扰信号经过所述多输入抵消单元获得所述第n路信号；

所述多输入抵消单元根据以下公式获得所述第n路信号：

$ABF\left(k\right)=D\left(k\right)-\underset{j=1}{\overset{M-1}{\Σ}}{H}_j\left(k\right)U_j\left(k\right)$

ABF(k)为所述第n路信号；D(k)为所述固定波束形成的信号；H_j(k)为更新系数；U_j(k)为所述参考干扰信号；

n为小于或等于N的正整数，M为所述麦克风阵列中麦克风阵元的数量，N为用户设置所述麦克风阵列采集多声道的声道数量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采集M个输入信号的步骤之前还包括：

根据用户设置的声场方向和声音拾取距离，以确定所述麦克风阵列声场采集的范围。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通过第n路时延调整模块对所述M个输入信号进行时延调整包括：

通过波束方向调整模块根据所述声场方向和声音拾取距离获取所述第n路时延调整模块的时延调整参数；

通过所述第n路时延调整模块根据所述时延调整参数对所述M个输入信号进行时延调整。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通过第n路时延调整模块对所述M个输入信号进行时延调整包括：

通过所述第n路时延调整模块根据所述声场方向和声音拾取距离获取所述第n路时延调整模块的时延调整参数；

通过所述第n路时延调整模块根据所述时延调整参数对所述M个输入信号进行时延调整。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第n路自适应波束形成模块为广义旁瓣抵消自适应波束形成模块。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过第n路处理模块对所述第n路信号进行处理得到第n声道信号包括：

通过第n路处理模块对所述第n路信号进行噪声抑制、非线性回声抑制以及自适应增益控制的处理。

7.一种麦克风阵列采集多声道声音的装置，其特征在于，所述装置包括：

声音采集模块，所述声音采集模块包括麦克风阵列，所述麦克风阵列采集M个输入信号；

回声抑制模块，用于对所述M个输入信号进行回声抑制处理；

N个通路，每个通路包括：

第n路时延调整模块，用于对所述M个输入信号进行时延调整，以形成M个第n路输出信号；

第n路自适应波束形成模块，用于对所述M个第n路输出信号进行波束形成，以得到第n路信号；

第n路处理模块，用于对所述第n路信号进行处理得到第n声道信号；

其中，每路所述自适应波束形成模块包括固定波束形成单元、拥塞矩阵单元以及多输入抵消单元，所述M个第n路输出信号经过所述固定波束形成单元形成固定波束形成的信号；所述M个第n路输出信号同时经过所述拥塞矩阵单元形成参考干扰信号，所述固定波束形成的信号和相应的所述参考干扰信号经过所述多输入抵消单元获得所述第n路信号；

所述多输入抵消单元根据以下公式获得所述第n路信号：

$ABF\left(k\right)=D\left(k\right)-\underset{j=1}{\overset{M-1}{\Σ}}{H}_j\left(k\right)U_j\left(k\right)$

ABF(k)为所述第n路信号；D(k)为所述固定波束形成的信号；H_j(k)为更新系数；U_j(k)为所述参考干扰信号；

n为小于或等于N的正整数，M为所述麦克风阵列中麦克风阵元的数量，N为用户设置所述麦克风阵列采集多声道的声道数量。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括设定模块，用户通过所述设定模块设置所述声场方向和声音拾取距离，以确定所述麦克风阵列声场采集的范围。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括波束方向调整模块，所述波束方向调整模块根据所述声场方向和声音拾取距离获取所述第n路时延调整模块的时延调整参数，所述第n路时延调整模块根据所述时延调整参数对所述M个输入信号进行时延调整。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第n路时延调整模块根据所述声场方向和声音拾取距离获取所述第n路时延调整模块的时延调整参数，并且根据所述时延调整参数对所述M个输入信号进行时延调整。

11.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第n路自适应波束形成模块为广义旁瓣抵消自适应波束形成模块。

12.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第n路处理模块对所述第n路信号进行噪声抑制、非线性回声抑制以及自适应增益控制的处理。

13.一种麦克风阵列采集多声道声音的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

采集M个输入信号；

通过第n路时延调整模块对所述M个输入信号进行时延调整，以形成M个第n路输出信号；

通过第n路自适应波束形成模块对所述M个第n路输出信号进行波束形成，以得到第n路信号；

通过处理模块对N个所述第n路信号进行处理，以得到N个声道信号；

其中，每路所述自适应波束形成模块包括固定波束形成单元、拥塞矩阵单元以及多输入抵消单元，所述M个第n路输出信号经过所述固定波束形成单元形成固定波束形成的信号；所述M个第n路输出信号同时经过所述拥塞矩阵单元形成参考干扰信号，所述固定波束形成的信号和相应的所述参考干扰信号经过所述多输入抵消单元获得所述第n路信号；

所述多输入抵消单元根据以下公式获得所述第n路信号：

$ABF\left(k\right)=D\left(k\right)-\underset{j=1}{\overset{M-1}{\Σ}}{H}_j\left(k\right)U_j\left(k\right)$

ABF(k)为所述第n路信号；D(k)为所述固定波束形成的信号；H_j(k)为更新系数；U_j(k)为所述参考干扰信号；

n为小于或等于N的正整数，M为所述麦克风阵列中麦克风阵元的数量，N为用户设置所述麦克风阵列采集多声道的声道数量。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述采集M个输入信号的步骤之前还包括：

根据用户设置的声场方向和声音拾取距离，以确定所述麦克风阵列声场采集的范围。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述通过第n路时延调整模块对所述M个输入信号进行时延调整包括：

通过波束方向调整模块根据所述声场方向和声音拾取距离获取所述第n路时延调整模块的时延调整参数；

通过所述第n路时延调整模块根据所述时延调整参数对所述M个输入信号进行时延调整。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述通过第n路时延调整模块对所述M个输入信号进行时延调整包括：

通过所述第n路时延调整模块根据所述声场方向和声音拾取距离获取所述第n路时延调整模块的时延调整参数；

通过所述第n路时延调整模块根据所述时延调整参数对所述M个输入信号进行时延调整。

17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第n路自适应波束形成模块为广义旁瓣抵消自适应波束形成模块。

18.一种麦克风阵列采集多声道声音的装置，其特征在于，所述装置包括：

声音采集模块，所述声音采集模块包括麦克风阵列，所述麦克风阵列采集M个输入信号；

N个通路，每个通路包括：

第n路时延调整模块，用于对所述M个输入信号进行时延调整，以形成M个第n路输出信号；

第n路自适应波束形成模块，用于对所述M个第n路输出信号进行波束形成，以得到第n路信号；

处理模块，用于对N个所述第n路信号进行处理，以得到N个声道信号；

其中，每路所述自适应波束形成模块包括固定波束形成单元、拥塞矩阵单元以及多输入抵消单元，所述M个第n路输出信号经过所述固定波束形成单元形成固定波束形成的信号；所述M个第n路输出信号同时经过所述拥塞矩阵单元形成参考干扰信号，所述固定波束形成的信号和相应的所述参考干扰信号经过所述多输入抵消单元获得所述第n路信号；

所述多输入抵消单元根据以下公式获得所述第n路信号：

$ABF\left(k\right)=D\left(k\right)-\underset{j=1}{\overset{M-1}{\Σ}}{H}_j\left(k\right)U_j\left(k\right)$

ABF(k)为所述第n路信号；D(k)为所述固定波束形成的信号；H_j(k)为更新系数；U_j(k)为所述参考干扰信号；

n为小于或等于N的正整数，M为所述麦克风阵列中麦克风阵元的数量，N为用户设置所述麦克风阵列采集多声道的声道数量。

19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述装置还包括设定模块，用户通过所述设定模块设置所述声场方向和声音拾取距离，以确定所述麦克风阵列声场采集的范围。

20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述装置还包括波束方向调整模块，所述波束方向调整模块根据所述声场方向和声音拾取距离获取所述第n路时延调整模块的时延调整参数，所述第n路时延调整模块根据所述时延调整参数对所述M个输入信号进行时延调整。

21.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述第n路时延调整模块根据所述声场方向和声音拾取距离获取所述第n路时延调整模块的时延调整参数，并且根据所述时延调整参数对所述M个输入信号进行时延调整。

22.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述第n路自适应波束形成模块为广义旁瓣抵消自适应波束形成模块。