CN103873977A - 基于多麦克风阵列波束成形的录音系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多麦克风阵列波束成形的录音系统及其实现方法，其中，所述基于多麦克风阵列波束成形的录音系统包括：若干个用于采集外部语音信号的麦克风、模数转换装置、音频数字信号处理装置和输出装置；所述麦克风、模数转换装置、音频数字信号处理装置和输出装置依次连接。可以实时改变录音方向。并且能够只录某个角度的声音，设置这个角度之外的其他人声以及背景噪音都有效地消除。同时，也不需要通过改变移动终端的位置和方向来刻意将移动终端离需要的声音距离近点，从而实现最多5米内的较佳录音的效果。

Description

基于多麦克风阵列波束成形的录音系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及移动终端录音技术领域，尤其涉及的是一种基于多麦克风阵列波束成形的录音系统及其实现方法。

背景技术

随着移动终端的快速普及，用户对于设备的功能以及智能化的要求越来越高，如何使移动终端更加智能化，专业化，多样化，以及更加高效的使用于日常生活中，已经成为了当前研究方向之一。

比如：基本上所有的移动终端都标配录音功能。然而，现有的移动终端上的录音的功能存在质量无法保障、功能单调等缺点，导致此功能相对于其他专用的录音设备来说完全成了鸡肋。

鉴于MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems 微机电系统)麦克风具有的更高的电气性能以及更高的音频性能，能够提升录音质量，其越来越多的使用在移动终端上。

现有技术中有使用四个全指向性麦克风的移动终端，通过对麦克风的位置进行设计同时利用音频协处理器对进入的环境噪音的计算分析，消除不需要的环境噪音，从而进一步提升录音质量。然而，上述方案仍然存在一定不足之处：当移动终端不移动的情况下，只想录所需要的某个人的声音或者某个角度内的声音时，就变得有些困难了。

目前有使用四个全指向性麦克风以及对他们的位置进行设计同时利用音频协处理器对进入的环境噪音的计算分析，并且消除不需要的环境噪音，可以进一步提升录音质量的解决方案。虽然这个方法已经开始普遍使用。但是在不移动手持设备的情况下，只想录自己所需要某个人的声音或者某个角度内的声音，就变得有些困难了。

有鉴于此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于多麦克风阵列波束成形的录音系统及其实现方法，解决现有技术中采用移动终端进行录音时，无法改变录音方向。并且只录某个角度的声音，从而给用户带来不便的问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种基于多麦克风阵列波束成形的录音系统，其中，包括：

若干个用于采集外部语音信号的麦克风；

用于将每一路麦克风输入的外部语音信号单独转化为相应的数字语音信号的模数转换装置；

用于将每一路数字语音信号与预先设置的根据波束成形算法建立的数字模型进行比对，筛选出相应的数字语音信号的音频数字信号处理装置；

用于输出筛选后的数字语音信号的输出装置；

所述麦克风、模数转换装置、音频数字信号处理装置和输出装置依次连接。

所述的基于多麦克风阵列波束成形的录音系统，其中，还包括一用于将筛选后的数字语音信号通过动态加强其相位和幅值来增加声音强度，并重新建立虚拟的数字空间域和时间域从而形成特定角度声音加强的增强装置。

所述的基于多麦克风阵列波束成形的录音系统，其中，所述音频数字信号处理装置中筛选出相应的数字语音信号具体包括：

将每一路数字语音信号与预先设置的根据波束成形算法建立的数字模型进行比对，辨别出数字语音信号的混合特性数据，并根据预先设定的角度阈值作为限制，对数字语音信号进行筛选，保留所述角度阈值范围内的数字语音信号，对所述角度阈值范围外的数字语音信号进行反波抑制和过滤。

所述的基于多麦克风阵列波束成形的录音系统，其中，所述麦克风的个数为4个，其包括：设置在移动终端正面的第一麦克风和第二麦克风，以及设置在移动终端背面的第三麦克风和第四麦克风；

其中，所述第一麦克风和第二麦克风之间的距离在100mm和150mm之间；所述第三麦克风和第四麦克风之间的距离在100mm和150mm之间；所述第一麦克风和第三麦克风之间的距离大于18mm；所述第二麦克风和第四麦克风之间的距离大于18mm。

所述的基于多麦克风阵列波束成形的录音系统，其中，所述移动终端为手机。

一种基于多麦克风阵列波束成形的录音方法，其中，所述方法包括以下步骤：

S1、通过若干个麦克风采集外部语音信号；

S2、将每一路麦克风输入的外部语音信号单独转化为相应的数字语音信号；

S3、令每一路数字语音信号与预先设置的根据波束成形算法建立的数字模型进行比对，筛选出相应的数字语音信号；

S4、输出筛选后的数字语音信号。

所述的基于多麦克风阵列波束成形的录音方法，其中，在所述步骤S3之后，步骤S4之前还包括步骤S31、将筛选后的数字语音信号通过动态加强其相位和幅值来增加声音强度，并重新建立虚拟的数字空间域和时间域从而形成特定角度声音加强的增强装置。

所述的基于多麦克风阵列波束成形的录音方法，其中，所述步骤S2中筛选出相应的数字语音信号具体包括：

将每一路数字语音信号与预先设置的根据波束成形算法建立的数字模型进行比对，辨别出数字语音信号的混合特性数据，并根据预先设定的角度阈值作为限制，对数字语音信号进行筛选，保留所述角度阈值范围内的数字语音信号，对所述角度阈值范围外的数字语音信号进行反波抑制和过滤。

所述的基于多麦克风阵列波束成形的录音方法，其中，所述麦克风的个数为4个，其包括：设置在移动终端正面的第一麦克风和第二麦克风，以及设置在移动终端背面的第三麦克风和第四麦克风；

其中，所述第一麦克风和第二麦克风之间的距离在100mm和150mm之间；所述第三麦克风和第四麦克风之间的距离在100mm和150mm之间；所述第一麦克风和第三麦克风之间的距离大于18mm；所述第二麦克风和第四麦克风之间的距离大于18mm。

所述的基于多麦克风阵列波束成形的录音方法，其中，所述移动终端为手机。

相较于现有技术，本发明提供的基于多麦克风阵列波束成形的录音系统及其实现方法，可以实时改变录音方向。并且能够只录某个角度的声音，设置这个角度之外的其他人声以及背景噪音都有效地消除。同时，也不需要通过改变移动终端的位置和方向来刻意将移动终端离需要的声音距离近点，从而实现最多5米内的较佳录音的效果。

附图说明

图1是本发明提供的基于多麦克风阵列波束成形的录音系统的结构框图。

图2a是本发明提供的基于多麦克风阵列波束成形的录音系统的第一实施例中消除干扰的声音和对特定角度声音进行加强的效果示意图。

图2b是本发明提供的基于多麦克风阵列波束成形的录音系统的第二实施例中消除干扰的声音和对特定角度声音进行加强的效果示意图。

图3a是本发明提供的基于多麦克风阵列波束成形的录音系统的实施例中第一麦克风和第二麦克风的示意图。

图3b是本发明提供的基于多麦克风阵列波束成形的录音系统的实施例中第三麦克风和第四麦克风的示意图。

图4是本发明提供的基于多麦克风阵列波束成形的录音方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种基于多麦克风阵列波束成形的录音系统及其实现方法。为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

首先，介绍一下多麦克风阵列波束成形技术（也称Beam forming 技术）。其基本原理如下：单独调节多麦克风阵列中每个单元所接收信号的相位与波幅，使联合输出上可以获得某个方向上的最大信噪比，类似于采用带通滤波的方式，在频域中提取所需信号。但对麦克风阵列的波束成形，工作是在发生在空间域中的，通常是可以配置成各个方向。由于每个人对不同距离和方向所接收声音左耳和右耳脉冲相应静态测量值的傅里叶变化，双耳声级差和双耳时间差都有差异，从而会导致人在辨识光束形成的区域的范围以及方位的区分会有差异。从而通过对于这些差异性数据进行采集和分类的办法，而建立的一个新的数字模型，避免了头部运动或者人头形态以及器官位置的差异造成的影响。

请参阅图1，其是本发明提供的基于多麦克风阵列波束成形的录音系统的结构框图。如图所示，所述基于多麦克风阵列波束成形的录音系统包括：若干个麦克风100、模数转换装置200、音频数字信号处理装置300和输出装置400；所述麦克风100、模数转换装置200、音频数字信号处理装置300和输出装置400依次连接。

具体来说，麦克风100用于采集外部语音信号，其中，外部语音信号包括：人声以及噪音（其中，所述噪音包括：回声、混响以及需要过滤的低频噪音等）。所述模数转换装置200用于将每一路麦克风输入的外部语音信号单独转化为相应的数字语音信号，这里需要注意地是，模数转换装置是对每一路外部语音信号进行单独采样处理（模拟信号转数字信号的采样）。音频数字信号处理装置300用于将每一路数字语音信号与预先设置的根据波束成形算法建立的数字模型进行比对，筛选出相应的数字语音信号。由于每个数字语音信号信号都有时间域和空间域。每一路数字语音信号都需要跟算法中提供的数字模型进行比对，辨别出声音的大致方向，位置，响度，背景，品质，远近，音调等大部分的混合特性的数据。关于所述波束成形算法在前面已经介绍过技术原理了。所述输出装置400用于输出筛选后的数字语音信号。

进一步地，还可以包括一用于将筛选后的数字语音信号通过动态加强其相位和幅值来增加声音强度，并重新建立虚拟的数字空间域和时间域从而形成特定角度声音加强的增强装置。

通过本发明的基于多麦克风阵列波束成形的录音系统能够只录某个角度的声音，设置这个角度之外的其他人声以及背景噪音都有效地消除。输出从听者来说能够更容易辨识所支持的角度内的声音，过滤了不支持的角度的人声和环境噪音。从而形成特定角度声音加强的效果，从而实现较远距离的在自己设置的角度内的声音加强。

下面通过图示来说明是如何进行消除干扰的声音和对特定角度声音进行加强的。如图2a所示，设置需要录取的声音在0度，干扰者的声音在50度。则圆形图以及花瓣形形状表示可以支持的强化语音的角度以及实时声音的升压强度：-30度到30度，以及60度到120度，-150度到150度以及-60度到-120度。这个区域内的对象声音会进行放大，除此之外的角度声音会进行过滤删除。所以实现某个或者多个方向的特定区域的选择性录音。如图2b所示，设置需要录取的声音在0度，干扰者的声音在950度。则圆形图以及花瓣形状，代表支持强化录音所支持的角度-60度到60度以及-120度到120度，同理这个角度的声音会通过对相位和幅值的处理从而放大录音，其它区域需要过滤或者屏蔽掉干扰音，从花瓣形状可以看出：支持角度得到了有效的放大。其它的角度声压值比较小。

更进一步地，在本实施例中，当所述所述麦克风的个数为4个，其包括：设置在移动终端1（在本实施例中，所述移动终端为手机）正面的第一麦克风10和第二麦克风20，以及设置在移动终端背面的第三麦克风30和第四麦克风40；如图3a和3b所示。

通过实验表明：所述第一麦克风10和第二麦克风20之间的距离在100mm和150mm之间；所述第三麦克风30和第四麦克风40之间的距离在100mm和150mm之间；所述第一麦克风10和第三麦克风30之间的距离大于18mm；所述第二麦克风20和第四麦克风40之间的距离大于18mm时效果最佳。

本发明还提供了一种基于多麦克风阵列波束成形的录音方法，如图4所示，所述方法包括以下步骤：

S1、通过若干个麦克风采集外部语音信号；

S2、将每一路麦克风输入的外部语音信号单独转化为相应的数字语音信号；

S3、令每一路数字语音信号与预先设置的根据波束成形算法建立的数字模型进行比对，筛选出相应的数字语音信号；

S4、输出筛选后的数字语音信号。

进一步地，在所述步骤S3之后，步骤S4之前还包括步骤S31、将筛选后的数字语音信号通过动态加强其相位和幅值来增加声音强度，并重新建立虚拟的数字空间域和时间域从而形成特定角度声音加强的增强装置。

进一步地，所述步骤S2中筛选出相应的数字语音信号具体包括：

将每一路数字语音信号与预先设置的根据波束成形算法建立的数字模型进行比对，辨别出数字语音信号的混合特性数据，并根据预先设定的角度阈值作为限制，对数字语音信号进行筛选，保留所述角度阈值范围内的数字语音信号，对所述角度阈值范围外的数字语音信号进行反波抑制和过滤。

进一步地，所述麦克风的个数为4个，其包括：设置在移动终端正面的第一麦克风和第二麦克风，以及设置在移动终端背面的第三麦克风和第四麦克风；其中，所述第一麦克风和第二麦克风之间的距离在100mm和150mm之间；所述第三麦克风和第四麦克风之间的距离在100mm和150mm之间；所述第一麦克风和第三麦克风之间的距离大于18mm；所述第二麦克风和第四麦克风之间的距离大于18mm。

上述各个步骤的具体技术细节都已经在上述系统中进行了详细介绍，这里就不再冗述了。

综上所述，本发明提供的基于多麦克风阵列波束成形的录音系统及其实现方法，其中，所述基于多麦克风阵列波束成形的录音系统包括：若干个用于采集外部语音信号的麦克风、模数转换装置、音频数字信号处理装置和输出装置；所述麦克风、模数转换装置、音频数字信号处理装置和输出装置依次连接。可以实时改变录音方向。并且能够只录某个角度的声音，设置这个角度之外的其他人声以及背景噪音都有效地消除。同时，也不需要通过改变移动终端的位置和方向来刻意将移动终端离需要的声音距离近点，从而实现最多5米内的较佳录音的效果。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于多麦克风阵列波束成形的录音系统，其特征在于，包括：

若干个用于采集外部语音信号的麦克风；

用于将每一路麦克风输入的外部语音信号单独转化为相应的数字语音信号的模数转换装置；

用于将每一路数字语音信号与预先设置的根据波束成形算法建立的数字模型进行比对，筛选出相应的数字语音信号的音频数字信号处理装置；

用于输出筛选后的数字语音信号的输出装置；

所述麦克风、模数转换装置、音频数字信号处理装置和输出装置依次连接。

2.根据权利要求1所述的基于多麦克风阵列波束成形的录音系统，其特征在于，还包括一用于将筛选后的数字语音信号通过动态加强其相位和幅值来增加声音强度，并重新建立虚拟的数字空间域和时间域从而形成特定角度声音加强的增强装置。

3.根据权利要求1或2所述的基于多麦克风阵列波束成形的录音系统，其特征在于，所述音频数字信号处理装置中筛选出相应的数字语音信号具体包括：

将每一路数字语音信号与预先设置的根据波束成形算法建立的数字模型进行比对，辨别出数字语音信号的混合特性数据，并根据预先设定的角度阈值作为限制，对数字语音信号进行筛选，保留所述角度阈值范围内的数字语音信号，对所述角度阈值范围外的数字语音信号进行反波抑制和过滤。

4.根据权利要求1所述的基于多麦克风阵列波束成形的录音系统，其特征在于，所述麦克风的个数为4个，其包括：设置在移动终端正面的第一麦克风和第二麦克风，以及设置在移动终端背面的第三麦克风和第四麦克风；

其中，所述第一麦克风和第二麦克风之间的距离在100mm和150mm之间；所述第三麦克风和第四麦克风之间的距离在100mm和150mm之间；所述第一麦克风和第三麦克风之间的距离大于18mm；所述第二麦克风和第四麦克风之间的距离大于18mm。

5.根据权利要求4所述的基于多麦克风阵列波束成形的录音系统，其特征在于，所述移动终端为手机。

6.一种基于多麦克风阵列波束成形的录音方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、通过若干个麦克风采集外部语音信号；

S2、将每一路麦克风输入的外部语音信号单独转化为相应的数字语音信号；

S3、令每一路数字语音信号与预先设置的根据波束成形算法建立的数字模型进行比对，筛选出相应的数字语音信号；

S4、输出筛选后的数字语音信号。

7.根据权利要求6所述的基于多麦克风阵列波束成形的录音方法，其特征在于，在所述步骤S3之后，步骤S4之前还包括步骤S31、将筛选后的数字语音信号通过动态加强其相位和幅值来增加声音强度，并重新建立虚拟的数字空间域和时间域从而形成特定角度声音加强的增强装置。

8.根据权利要求6所述的基于多麦克风阵列波束成形的录音方法，其特征在于，所述步骤S2中筛选出相应的数字语音信号具体包括：

将每一路数字语音信号与预先设置的根据波束成形算法建立的数字模型进行比对，辨别出数字语音信号的混合特性数据，并根据预先设定的角度阈值作为限制，对数字语音信号进行筛选，保留所述角度阈值范围内的数字语音信号，对所述角度阈值范围外的数字语音信号进行反波抑制和过滤。

9.根据权利要求6所述的基于多麦克风阵列波束成形的录音方法，其特征在于，所述麦克风的个数为4个，其包括：设置在移动终端正面的第一麦克风和第二麦克风，以及设置在移动终端背面的第三麦克风和第四麦克风；

其中，所述第一麦克风和第二麦克风之间的距离在100mm和150mm之间；所述第三麦克风和第四麦克风之间的距离在100mm和150mm之间；所述第一麦克风和第三麦克风之间的距离大于18mm；所述第二麦克风和第四麦克风之间的距离大于18mm。

10.根据权利要求9所述的基于多麦克风阵列波束成形的录音方法，其特征在于，所述移动终端为手机。

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