DE19812697A1 - Verfahren und Einrichtung zum Betrieb einer Mikrofonanordnung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zum Betrieb einer Mikrofonanordnung, insbesondere bei einem Kraftfahrzeug, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6. DOLLAR A Um bei einem Verfahren sowie einer Einrichtung dieser Art die Aufnahmequalität des in das System eingegebenen Sprachsignals grundsätzlich zu verbessern, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zur Nachführung eines virtuellen, zur Position einer beweglichen Sprachquelle optimierten Mikrofonortes, der Sprachschall an mehreren räumlich verteilten Orten erfaßt und aus der Bewertung der Variablen, wie Laufzeit und/oder Phase und/oder Amplitude, die einzelnen Mikrofonorte virtuell gewichtet werden und die Audiosignale der Mikrofone entsprechend aufaddiert oder anderweitig kombiniert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zum Betrieb einer Mikro­ fonanordnung, insbesondere bei einem Kraftfahrzeug, gemäß Oberbegriff der Pa­ tentansprüche 1 und 6.

Mikrofone bzw. Mikrofonanordnungen werden in Kraftfahrzeugen insbesondere zum Betrieb der sogenannten Freisprechanlage, darüber hinaus jedoch auch bei Sprachverstärkungs- und -übertragungsanlagen und bei Anlagen zur aktiven Geräusch­ unterdrückung benötigt.

Dabei ist es wichtig, daß der Schall in unmittelbarer Kopfnähe des Fahrzeuginsassen bzw. des Fahrzeugführers aufgenommen wird, bzw. aufgenommen werden kann. Hierzu werden meistens Mikrofone in dem Bereich der Armaturentafel oder im Bereich der Dacharmatur oder am Innenspiegel angeordnet. Bei ansonsten einfachen Freisprecheinrichtungen bei Autotelefonanlagen oder aber auch bei sprachgesteuerten Eingabeschnittstellen an elektronischen Geräten stellen einfache Mikrofone oder Mikrofonanordnungen oftmals ein Problem dar. Die Sprachnachrichten werden dabei von Fahrgeräuschen überlagert, was nicht nur bei Freisprechtelefonanlagen sondern auch bei sprachgesteuerten Eingabeeinheiten problematisch wird.

Aus der DE 196 08 869 A1 ist eine Sprachbedieneinrichtung für Komponenten in Kraftfahrzeugen bekannt, bei welcher die Betätigung der Bedieneinrichtung durch die Bedieneinrichtung den sprachgesteuerten Befehl richtig entgegengenommen hat. Eine Sprachbedieneinrichtung dieser Art konzentriert sich auch hinsichtlich ihrer Mikrofonausgestaltung lediglich auf eine herkömmlich Mikrofonausbildung bzw. Mikrofonanordnung.

Aus der DE 195 33 541 C1 ist ein sprachgesteuertes Bedienverfahren ähnlicher Art bekannt. Hierbei wird jedoch die Sprachsteuerung als solches behandelt. Um hierbei eine sichere Bedienung zu erreichen, wird ein sehr aufwendiges Spracherkennungsverfahren eingesetzt, bei welchem die Aspekte Geräuschreduktion, Echokompensation, Merkmalsextraktion, Syntax- und Semantikprüfung voneinander separat behandelt werden. Dabei geht es lediglich darum, die verfügbaren Sprachsignale in einer bestmöglichen Art und Weise nachzubearbeiten. Eine Verbesserung der Sprachqualität als solches bzw. eine Verbesserung der Sprachsignalaufnahme, bleibt hierbei außer Betracht.

Aus der EP 0721178 A2 ist ein Multikanal-Kommunikationssystem mit mehreren Mi­ krofonen und mehreren Lautsprechern bekannt. Die gesamte Anlage ist dabei ausgelegt für mindestens zwei sprechende Personen, die in Sende-/Empfangsbetrieb zueinander geschaltet sind. Die Übertragungsmittel selektieren die Sprachnachricht aus einer Gesamtgeräuschkulisse. Bei einer Anwendung für Kraftfahrzeuge wird ein sogenanntes Fehler- oder Vergleichsmikrofon über den Sicherheitsgurt sehr nahe an die sprechende Person gebracht. Der Mikrofonort ist auch hierbei festgelegt. Im übrigen ist die Ausführung gemäß dieser Schrift auf den Sende-/Empfangsbetrieb zweier oder mehrerer Personen ausgelegt.

So ist des weiteren aus der EP 0773531 A2 ein frequenzselektives Konrollsystem für akustische Anlagen bekannt. Hierbei steht die Verhinderung der Übersteuerung im Vordergrund. Eine Verbesserung der Empfangsqualität der Sprachnachricht bleibt hierbei außer acht. Ein System ähnlicher Art ist auch aus der EP 0721179 A2 bekannt. Das dort offenbarte adaptive tonale Kontrollsystem zur Eliminierung von Stabilitätsproblemen behandelt vordergründig ebenfalls die Verhinderung der bereits erwähnten Übersteuerung.

Grundsätzlich zeigt dieser Querschnitt aus dem Stand der Technik, daß man sich grundsätzlich mit der Verbesserung des bereits empfangenen Sprachsignales beschäftigt. Eine Verbesserung der Aufnahmequalität am Ort der Spracherzeugung wird jedoch vielfach, wenn nicht sogar grundsätzlich vernachlässigt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiter zu entwickeln, daß die Aufnahmequalität des in das System eingegebenen Sprachsignales grundsätzlich verbessert wird.

Die gestellte Aufgabe ist bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Hinsichtlich einer Einrichtung der gattungsgemäßen Art ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 6 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben, und weitergehende Ausgestaltungen hinsichtlich der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in den übrigen Patentansprüchen 7 bis 10 angegeben.

Zentralpunkt bei der Erfindung sowohl in verfahrensgemäßer, als auch in einrichtungsgemäßer Hinsicht, ist die Festlegung eines virtuellen optimierten Mikrofonortes. Dieser wird bestimmungsgemäß dort virtuell festgelegt, wo die Sprach­ quelle ist, d. h., am Ort des Kopfes der sprechenden Person. Diese sogenannte räumliche Geräusch- oder Sprachquellenerkennung kann z. B. mittels Laufzeitmessung vorgenommen werden. Bei einer Mehrfachanordnung von Mikrofonen führt dies dazu, daß während des Sprechvorganges mittels einer Laufzeitmessung die Sprachquelle in ihrer räumlichen Position erkannt werden kann. Die Mikrofone werden nach Betrag und Phase so aufaddiert, daß die Nutzsignale aufaddiert und verstärkt werden, die zum Nutzsignal nicht korrelierten Störsignale aber optimal ausgeblendet werden. Damit haben alle Mikrofone eine unterstützende Funktion und gehen in die Bewertung mit ein. Es handelt sich nicht um ein Nachbehandeln des Mikrofonsignales sondern um eine Verbesserung des in die Übertragungskette eingespeisten Sprachsignales.

Besonders vorteilhaft ist der sowohl verfahrensgemäße als auch einrichtungsgemäße Grundgedanke der Erfindung dadurch, daß ein auf diese Weise selektiviertes Mikrofon bzw. die hier zugrunde liegende Laufzeitmessung mit einer Positionsbestimmung des Kopfes der sprechenden Person kombiniert werden kann.

Aus der US 5366241 sind zwar Mittel zur Ermittlung der Kopfposition bekannt, die zur Airbagsteuerung dienen. Dabei wird die Kopfposition jedoch mit generierten Schallwellen ermittelt. Eine Kombination mit einem sprachbetriebenen Mikrofon ist dabei nicht erwähnt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung können dann die so über die Sprachquel­ lenerkennung bzw. die sogenannte virtuelle Mikrofonortbestimmung Kopfpositionsdaten erzeugt werden, über welche die Sicherheitssysteme qualifiziert ansteuerbar sind. D.h., parallel zum üblichen Sprechbetrieb bei Autotelefonen oder Spracheingabeeinheiten wird zusätzlich die Kopfposition ermittelt, ohne dabei zusätzliche weitergehende Mittel zur Verfügung stellen zu müssen. D.h., befindet sich der Kopf zum Airbagsystem in einer ungünstigen Position, so kann im Bedarfsfalle das Sicherheitssystem so angesteuert werden, daß eine Airbagauslösung unterbleibt.

Das System ist damit insgesamt multifunktional, wobei im wesentlichen jedoch die Erhöhung der Sprachqualität am Erfassungsort gegeben ist. Dies führt zu einer ver­ ständlicheren Übertragung während des Sprechbetriebes bei einer Autotelefonanlage. Darüber hinaus werden bei spracheingabegesteuerten Einheiten im Kraftfahrzeug die Sprachkommandos sicherer erkannt und umgesetzt.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 Grundsätzlicher Aufbau in Systemübersicht.

Fig. 2 Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen elektronischen Aufbau.

In der Fig. 1 ist der Aufbau der grundsätzlichen Elemente sowie die funktionalen Verbindung derselben untereinander dargestellt. Dabei wird auf detaillierte Darstellungen verzichtet und lediglich eine Systemübersicht gezeigt.

Eine Mehrzahl von Mikrofonen 1, 2, 3, ist innerhalb des Kraftfahrzeuges räumlich verteilt angeordnet. Dabei kann bei einer entsprechenden günstig gewählten Positionierung auch eine Anordnung mit zwei Mikrofonen genügen. Darüber hinaus kann es durchaus vorteilhaft sein, sogar noch mehr als drei Mikrofone anzuordnen. Die Wahl der Mikrofonorte ist dabei beliebig und können somit entweder in Armaturen fest installiert sein, oder mittels weiterer Befestigungselemente räumlich im Kraftfahrzeug verteilt sein.

Grundsätzlich bleibt jedoch die Tatsache daß pro Platz mehrere Mikrofone benötigt werden. Für eine exakte 3-D-Lokalisierung werden aber 3 Mikrofone benötigt. Dabei müssen die Mikrofonorte einen 3-dimensionalen Raum aufspannen und dürfen nicht in einer Ebene liegen. Sind dagegen die Mikrofone zu weit entfernt voneinander, so ist die Laufzeit- bzw. Korrelationsmessung nicht ausreichend genau.

Sämtliche Mikrofone liefern dabei ein entsprechendes Signal, welches zu einer Signalauswertung 10 zusammengeführt wird. Wird nun im Fahrzeug eine Sprachnachricht aufgegeben, so wird diese von allen Mikrofonen empfangen. Da diese jedoch räumlich verteilt sind, ist zum einen die Qualität des empfangenen Signals unterschiedlich, und zum anderen entstehen bei genauester Auswertung Laufzeitunterschiede, die durch die begrenzte Schallgeschwindigkeit erzeugt werden. So wird innerhalb der Signalauswertung 10 dann eine Laufzeitermittlung durchgeführt, und aus der Korrelation aller Mikrofonsignale der Ort der Geräusch- bzw. Spracherzeugung bestimmt. Die so ermittelten räumlichen Koordinaten für die Sprach-quelle lassen sodann eine elektronische Ermittlung des sogenannten virtuellen Mikrofonortes zu. Mit anderen Worten heißt dies, daß die Mehrzahl der Mikrofonsignale aus den verteilt angeordneten Mikrofonen durch Korrelation aller Signale den besagten virtuellen Mikrofonort ergeben, welcher die günstigste Position zum Kopf der sprechenden Person nachbildet. Verändert sich nun die Lage des Kopfes, so wird dies wiederum von der Mehrfachanordnung der Mikrofone entsprechend registriert und mittels besagter Laufzeitmessung der virtuelle Mikrofonort durch eine Verschiebung der Wichtung der Mikrofonsignale quasi nachgeführt. Da die Bewertung auf elektronische Weise erfolgt, läuft die gesamte Verfahrensweise nahezu unverzüglich, d. h., ohne nennenswerte merkbare Zeitverzögerung, ab.

Eine weitere Verfahrensweise kann jedoch auch darin bestehen, daß grundsätzlich immer alle Mikrofonsignale bewertet werden, und mittels einer Plausibilitätsprüfung durch Vergleich der einzelnen Mikrofonsignale die Sprachnachricht kontinuierlich verifiziert werden kann.

Unabhängig von der nun tatsächlich vorliegenden Verfahrensweise ist die Signal­ auswertung 10 in einer Ausgestaltung der Erfindung bidirektional signal-technisch mit einer nachfolgenden Mikrofonortbestimmungseinheit 20 verbunden. Innerhalb dieser Mikrofonortbestimmungseinheit kann dann entweder eine Empfangskeulenbestimmung und eine entsprechende Berechnung vorgenommen werden oder die Auswahl des momentanen Hauptmikrofones festgelegt werden.

Dem nachfolgend ist die Mikrofonortbestimmungseinheit 20 wiederum signaltechnisch mit einer Berechnungseinheit 30 verbunden, mit deren Hilfe aus den ermittelten Daten bzw. Signalen eine Lagebestimmung des Kopfes durchführt wird. Hierbei kann nun die weitergehende Berechnung, beispielsweise in einem Vergleich mit Mustern, liegen. Der Vergleich mit Mustern kann dabei die Rechenzeit erheblich verkürzen, weil dann nicht jedes Mal ab initio gerechnet werden muß. Die sogenannten "out of Position" - Positionen des Kopfes der sprechenden Person, im Hinblick auf eine Airbag-Auslösung, können unmittelbar erkannt werden. Somit ist die Berechnungseinheit 30 nachfolgend mit der Signalerzeugung für die Sicherheitssysteme 40 wie Airbag, Gurtstraffer und dergleichen mehr, verbunden.

Die bidirektionale Verbindung SB zwischen der Signalauswertung 10 und der Mikro­ fonortbestimmungseinheit 20 ermöglicht die hierbei im Mittelpunkt stehende Ansteuerung der Mikrofone, abhängig von der Position des Kopfes der sprechenden Person.

Bewegt sich nun der Kopf der entsprechenden Person während des Sprechbetriebes, so findet durch die Erfindung sozusagen eine Nachführung eines virtuellen Mikrofonortes statt. D.h., beginnt der Sprechbetrieb bei einem lagemäßig optimierten Mikrofon X 1 und verändert sich die Position während des Sprechbetriebes, so findet eine Nachführung des optimalen Mikrofonortes während des Sprechbetriebes beispielsweise durch eine Verlagerung auf das Mikrofon X 2 als quasi dominantes Mikrofon statt. D.h., der einmal als optimal ermittelte virtuelle Mikrofonort verändert sich natürlich dann, wenn sich die Lage des Kopfes der sprechenden Person verändert. Dies ist im Wesen der Erfindung erfaßt und hier auf vorteilhaft einfache Weise gelöst. Es ist ein Sonderfall wenn der virtuelle Mikrofonort mit einem der tatsächlichen Mikrofone zusammenfällt. In der Hauptsache findet jedoch eine kollektive Mikrofonsignalbewertung statt, bei welcher die Richtcharakteristik durch entsprechende Verschiebung der quasi Rangordnung in der Bewertung der einzelnen Mikrofonsignale an die geänderte Lage des Kopfes angepaßt wird.

Die Mikrofonorte der verteilt angeordneten Mikrofone sind abhängig von der Fahrzeugkonfiguration. Grundsätzlich vorteilhaft ist somit die Anordnung von mindestens 2 Mikrofonen pro Person. Es kann auch so sein, daß eine ungradzahlige Anzahl von Mikrofonen verwendet wird, wobei dann eins oder mehrere Mikrofone mehreren Personen zugeordnet ist bzw. sind.

Fig. 2 zeigt eine einfache prinzipielle Schaltungsanordnung zur Realisierung der in Fig. 1 lediglich systematisch dargestellten Funktionsweise.

Die Mikrofone 1, 2, 3 sind jeweils mit einem einstellbaren Verstärker 4, 5, 6 verbunden. Gesteuert werden diese einstellbaren Verstärker über die Bewertungseinrichtung 7. Zwei der einstellbaren Verstärker können steuerseitig auch gekoppelt bzw. korrelierend gekoppelt sein. Des weiteren werden die einzelnen Verstärkerausgangssignale ebenfalls auf die besagte Bewertungseinrichtung 7 gegeben. Parallel dazu werden die verstärkten Mikrofonsignale auf einen Addierer 8 geschaltet, der ausgangsseitig mit der Einrichtung 9 zur Übertragung der Audiosignale verschaltet ist.

Claims (10)

1. Verfahren zum Betrieb einer Mikrofonanordnung, insbesondere bei einem Kraft­ fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß zur Nachführung eines virtuellen, zur Position einer beweglichen Sprachquelle optimierten Mikrofonortes, der Sprachschall an mehreren räumlich verteilten Orten erfaßt und aus der Bewertung der Variablen, wie Laufzeit und/oder Phase und/oder Amplitude, die einzelnen Mikrofonorte gewichtet werden und die Audiosignale der Mikrofone entsprechend aufaddiert oder anderweitig kombiniert werden.

2. Verfahren zum Betrieb einer Mikrofonanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertung der Mikrofonsignale bzw. die virtuelle Mikrofonortbestimmung durch eine Schallaufzeitbewertung zu bzw. zwischen den einzelnen Mikrofonen erfolgt.

3. Verfahren zum Betrieb einer Mikrofonanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch simultane Bewertungen aller Mikrofonsignale die Richtcharakteristik der gesamten Mikrofonanordnung durch Verschiebung der Verstärkung oder der Phase oder der Laufzeit der einzelnen Mikrofonsignale der geänderten Lage der Sprachquelle nachgeführt wird.

4. Verfahren zum Betrieb einer Mikrofonanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus den ermittelten Variablen bzw. Parametern die Lage/Position des Kop­ fes/Sprachquelle ermittelt wird und diese als Entscheidungskriterium für die Aus­ lösung von Sicherheitssystemen, wie Airbag, herangezogen wird.

5. Einrichtung zum Betrieb einer Mikrofonanordnung, insbesondere in einem Kraft­ fahrzeug, bei welcher über die Mikrofonanordnung Sprachsignale in eine Audio- oder Telefonanlage oder in sprachgesteuerte Eingabeeinheiten von Geräten eingebbar ist, oder im Rahmen einer aktiven Geräuschkompensation, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrofonanordnung mindestens zwei räumlich verteilt angeordnete Mikrofone (1, 2, . . .) enthält, daß die Signale aller Mikrofone (1, 2, . . .) zu einer Signalauswertung (10) zusammenführbar sind, und daß diese Signalauswertung (10) nachfolgend mit Mitteln (20, 30) logisch derart verschaltet ist, daß aus der Gesamtheit der Mikrofonsignale ein zur Schall- bzw. Sprachquelle optimales Mikrofon oder eine kollektiv ermittelbare Richtcharakteristik temporär auswählbar/ansteuerbar ist.

6. Einrichtung zum Betrieb einer Mikrofonanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Mittel aus einer Mikrofonortbestimmungseinheit (20) und einer nachfolgenden weiteren Berechnungseinheit (30) bestehen.

7. Einrichtung zum Betrieb einer Mikrofonanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Mikrofonortbestimmungseinheit (20) aus der simultanen Be­ wertung aller Mikrofonsignale eine virtuelle Mikrofonortbestimmung durchführbar ist, die der beweglichen Position der Sprachquelle nachführbar ist.

8. Einrichtung zum Betrieb einer Mikrofonanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß die signaltechnische Verbindung zwischen Signalauswertung (10) und der Mikrofonortbestimmungseinheit (20) bidirektional ausgelegt ist, derart, daß über das in der Mikrofonortbestimmungseinheit (20) ermittelbare Ergebnis des virtuellen Mikrofonortes ein Rücksignal an die Signalauswertung (10) gebbar ist, um die Mikrofone (1, 2, 3) hernach gezielt anzusteuern bzw. abzurufen.

9. Einrichtung zum Betrieb einer Mikrofonanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungseinheit (30), in welcher aus den ermittelten Daten die jeweilige aktuelle Position der Schallquelle ermittelbar ist, eine Bewertung derart erfolgt, daß in entsprechend ungünstiger Position ein Blockiersignal auf die Sicherheitssysteme (40), wie Airbag, Gurtstraffer und dergleichen, gebbar ist.

10. Einrichtung zum Betrieb einer Mikrofonanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur bestimmungsgemäßen Bewertung der Mikrofonsignale die Mikrofone (1, 2, 3) ausgangsseitig mit jeweils einem einstellbaren Verstärker (4, 5, 6) verbunden sind welche jeweils einzeln oder gekoppelt über eine Bewertungseinrichtung (7) einstellbar sind, daß die Ausgänge der Verstärker (4, 5, 6) mit einem mit einer Einrichtung (9) zur Übertragung der Audiosignale verbundenen Addierer (8) verschaltet sind und die jeweiligen Ausgänge der Verstärker (4, 5, 6) parallel auch mit der Bewertungseinrichtung (7) informationsrückkoppelnd verschaltet sind.