TW200916813A - Voice direction recognizer using rectangular microphone-array - Google Patents

Description

200916813 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係提供-種使祕轉克風_之音财位辨識器， 尤雜-種使用_雑麥克風_所構成的矩形_，用:降 低環境雜訊影響，提高聲音接收品s與聽覺纽辨識率。 【先前技術】 按，移動體（例如機器人）的聽覺功能多利用取音褒置（如 麥克風）接受聲波後，轉換成電塵來進行語音及語意之辨識，這 如同人類的耳雜㈣聲音，轉換成峨繼大腦一般。 聲波主要透過空氣進行傳遞，而在—個密閉的環境下(例如： 展覽館、辦公室等),，空氣中同時有其他的雜訊(例如：灰塵的折 射、空間的反射等)’在游離，這些干擾會嚴重降低語音辨識的效 能。習知麟f提㈣賴絲克絲取倾絲立絲克風， 來解決因麥克風與語者距離較遠所產生雜訊接收關題。然而使 用頭戴式麥克風會造成語者的不便，且長細&戴也會有不舒適的 感覺’因此改用免持式麥克風陣列來取代有線式麥克風的語音辨 識系統，可克服環境噪音和回音對語音訊號的影響，還原出較乾 淨的語音。同時此-技術並非針對特定澡音環境，可適用於任何 澡音環境下’得到令人滿意的效果。因此_有許多研究機構投 入此一領域進行相關的研究。 人的眼睛位於頭部的前方，因此視覺系統是針對前方的物體 去做判斷，搭配上頸部的轉動可以看到一定範圍的物體。然而機 200916813 器人不可能不停的旋轉頸部，這樣在與人類的互動上，是不太禮 貌的表現。然而有部分研究提出使用全方位鏡頭搭配CCD攝影機 作為視覺纽的元件，賴可以克服可視範_問題，但是這樣 的設計跟人類眼睛的器官構造與功能是有所不同的本發明希望 能達到人類與機器人互動，有如兩個人在互動_樣自然。所以必 須配合聽聽統能夠全方位接收訊⑽特性，触到有語者與機 器人在互動溝通，藉由這些訊號進行分析與判斷，得到語者方位 與距離，再驅動機器人轉向到語者方向，面對面的溝通:是符合 人機互動的良好關係。 近幾年麥克風陣列的發展，可以分成立體式和平面式。立體 式的優點在柯以多村慮說財的方位，销_度可以更加 精確，是在計算部份，必須用到三維的快速傅力業轉換，增加 了運算上的複雜性與花費時間。 另外’習知相關之專利前案，諸如胡竹生等人所創作之「個 人電腦之麥克風陣列系統」創作第Ι2βδ477號及許天明所創作之 「結合定位技術之麥克風陣列收音方法及其系統」創作第㈣卿 號。該些專利前案揭示有相關之麥克風陣列相職術，在此併入 本文，以供參考。 【發明内容】 …本伽之目的储供-種使用矩形麥克風_之音訊方位辨 識益係使用線性（平面式)麥克風陣列，用以迅速的讓機器人做 出反應’減少域式麥克風_計算上的繁雜。 200916813 為達致上述目的，本發明之語音方位辨識器，包括：複數個 平面，每一平面設置有複數顆各相距一定距離的麥克風，以形成 方形陣列；一個二階放大電路，用以接收前述麥克風之聲音訊號 後，將訊號進行放大；一帶通濾波器，把前述經二階放大電路放 大後之訊號，而將不必要的頻率雜訊給濾除掉。藉此，有效降低 系統複雜性，用以迅速的讓機器人做出反應，減少立體式麥克風 陣列計算上的繁雜。 為了讓本發明之上述目的、特徵、優點能更明顯，下文特舉 本發明較佳實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下。 【實施方式】 請參閱第-圖，其係根據本發明實施例所綠製之麥克風電路 圖。包括有：-麥克風部份2;—㈣路4，與該麥克風部份2 電性^接；及-電源部份6，用以提供前述配置動作所需之能源。 立明參閱第―®，其係根據本發明實施例崎製之麥克風陣列 丁忍圖包括有複數個平面，每一平面8設置有複數顆（例如四 顆）各她-定距離（例如5cm)的麥克風1〇，以形成方形陣列 (最好疋正方料列）的擺放方式，肋魏不同四個面的 作判定。 本發明實施靖_之料麥姐1G，細電容式麥克風來 現，由於電容式麥克風具有諸多優點（例如 成電能訊號、魏『肛* a h。日直接轉換 原曰重現』的特性及具有極為寬廣的頻率響 …，轉容式麥克朗對於聲音的反應極為靈敏，以致，也同 200916813 時把細微雜訊也接收進來，並且輸出電壓也很小，不容易去觀察 聲音的變化與判斷此音段為有聲段(speech segment)還是無聲段 (silence segment)或雜訊(noise)。因此在電路設計方面，前述 之麥克風10在接收到聲音訊號之後，係經過一個二階放大電路12 (如第三圖所示），用以先將訊號進行放大。由於訊號經放大後， 雜訊也一同放大，因此，本發明實施例以一高通濾波器（Hight Pass Filter ’ HPF)與一低通遽波器（Low Pass Filter，LPF)戶斤構成 的帶通濾波器14(如第四圖所示），以把不必要的頻率雜訊給濾除 掉。本發明實施例經試驗後，認為麥克風前置二級放大迴路增益 (Gain)之範圍應介於1〇~1〇〇〇〇之間為宜，如公式(一)及(二)式所計 算，本發明實施例經過實驗測試與調整後，將增益值設定為1〇〇。

Gain{min)

Gain(max) R2 R7(mix) 100K 10K 10K χϊοκ ' 〜min) 100^ 1½ x 丁

10 100000 (二) 在真實的系統上，做出理想的低通濾波器是不易實現的，一 個真實的低通濾波器，其頻率響應在截止頻率處通常會有衰減。 另外，帶通濾波器的設計上也相當複雜，因此，本發明實施例之 200916813 ;慮波器為_低通;慮波器與南通滤波器結合而成，取樣頻率會比 信號最大的頻寬的兩倍再多一點，一般是再多出約1〇%，本發明 實施例所設定的取樣頻率為16kHz，如公式(三)及(四)計算。 高通濾波器之截止頻率為 hp 2nR3Cx 2s-x80xl〇〇//F= 2〇Hz (二) 低通濾波器之截止頻率為 fl广 (四) 另外，為了整合音訊接㈣制電源部份，本發明實施例以 -電源整合電路16，來分配給四㈣路雜（即配置前述之方形 麥克風陣列）所需的電力（如第五圖所示），這樣的設計可以減少 線材的耗費财雜’可叫低過多配、_起的電磁波干擾與線 阻的損失，也讓本纽在整理收納的時候比較方便。 常用來接收音賴元件為麥克風，市面上搭配麥克風來搁取 音訊的農置’通常都是使用音效卡，但是傳統的音效卡只有一個 輸入頻道，_高_音效卡也不過賴四個舰的接收，而且 價格非常的昂貴。本系統之麥克風陣列是由十六個電容式麥克風 所組成’為了分別接收這十六個類比訊號進入_做運算，資料 200916813 的P刀在實施上係選用由Advantech研華公司所生產的 11負料榻取|置。由於考量到要達成即時處理並且運算分 析出使用者的方向，因此選用擷取速度更快可達纟】_ kS/s的 =SB2.0界φ裝置。除了提供十六個類比輸人頻道，另外此系統也 提供了一侧比輸出親，可用來軸馬達哺速控制機器人 朝向使用者所在的方向。另外各有八個數位輸入與輸出的頻道， 方便於日後在此系統上更多功能的與開發。 本發明實施細提出的使舰形麥克風陣狀音訊方位辨識 器，其結合了線性麥克風_、二階訊號放大難帶通渡波器， 在肩配放大贿濾、波$之間的最佳化之後，讓資料擷取系統得到 的訊號可以代表最多語者方向的條件。因為使用環境的因素本 發明選㈣積小同時也絲顧各方位聲音訊號的線性麥克風陣 列，捨棄體積大成本高的環狀麥克風陣列系統，與需要經過複雜 運算來達到三維空間聲音定位的3D麥克風陣列系統。在資料掏取 系統部分，免去傳統音效卡只能支援少數通道的訊號接收，使用 多通道轉換迅速的資料擷取器，不僅可以配合本發明十六通道的 訊號接收’也能提高系統的反應速度。 本發明所使用之線性(平面式)麥克風陣列，可以迅速的讓機器 人做出反應，減少立體式麥克風陣列計算上的繁雜。亦設計麥克 風陣列應使用的最佳麥克風數，以及麥克風間的擺放適當距離的 最佳方式係在單一平面由四顆電容式麥克風各相距5cm的麥克風 陣列，以四面也就是正方形擺放方式，來接收四個面的聲音作判 200916813 定為最佳方式。麥克風陣列接收訊號後經過一個二階放大電路， 先將訊號進行放大之後，再、㈣-辦通舰肋^必要的頻率 雜訊給遽除掉。本創作在實耻更以―低通濾波器搭配一高通遽 波器，截止頻率在20Ηζ〜16ΚΗζ之間，有效降録統複雜性。 使用麥克風陣列於聽覺系統是近年來主要的研發議題，雖然 環型麥克風_可以將聲音減晝分最詳細，每顆麥克風所得到' 的訊號資訊也㈣更確實，但是環性麥克風陣列必須考量圓形系 統與聲波(假設為平行波)的切面問題，使得王袁型系統相當複雜，陣 列也相當龐大。雖立_麥姐_突破了聲音源高度的問題， 使得聲音接收為三維空間更加全面’但是三維富立雜換的運算 相當複雜’若要使用關狀或監控纟鱗即時性工作，將降低 便利性與反應速度。 本發明之線性麥克風_，使用四職容式麥克風增加接收 訊號資訊的範圍，在組合成矩形_四方接收訊號更全面。工作 電路部份整合-麥克風接收電路、二階放大電路與帶通遽波器， 每個頻道（Channel)尺寸已縮小（約只有⑽啦），突破了過去 其他系統體積龐大_題。且在選紅作IC部分也多方#試得到 效能最理想敝合，崎紐A電路誠波器可能造成的訊號衰 減。 如前所述，本發明之線性(平面式)麥克贿列有下列之優點： (i)適用於任何環境。 (11)測試者事先不需要經過訓練即可使用 200916813 (iii) 體積小方便運用於機器人等設備上。 (iv) 系統元件成本低。 古W方便搭配聲音定位系統或是語者辨識系統，系統相容性 同。適用於各類聲音，不受限於任意發聲元件。 故本發明之提出，確實已可改善前逑習知之諸多缺失，應符 合專利產業上雖然前述 的描述及圖式已揭示本發明之較佳實細，惟此乃健實施例之 呈現，舉凡各種增添、修改和取代可能使用於本創作較佳實施例， 仍應屬落入本發明之申請專利範圍所界定之範圍内。因此，本文 於此所揭不的實施例所有觀點，應被視為用以說明本發明，而非 用以限制本發明。本發明之範圍應由後附之申請專利範圍所界 疋，並涵蓋其合法均等物，並不限於先前之描述。 11 200916813 【圖式簡單說明】 第一圖係本發明實施例之麥克風電路圖。 第二圖為本發明實施例之麥克風陣列示意圖。 第三圖係本發明實施例之麥克風陣列二階放大電路圖。 第四圖係本發明實施例HPF與LPF構成的帶通濾波器。 第五圖係本發明實施例之電源整合電路圖。 【主要元件符號說明】 2 麥克風部份 4 RC電路 6 電源部份 8 平面 10 麥克風 12 二階放大電路 14 帶通濾、波器 16 電源整合電路 12

Claims (1)

1. 200916813 十、申請專利範圍： 1. 一種使用矩形麥克風陣列之音訊方位辨識器，包括： 複數個平面，每一平面設置有複數顆各相距一定距離的麥克 風，以形成方形陣列； 一個二階放大電路，用以接收前述麥克風之聲音訊號後，將 訊號進行放大； 一帶通濾波器’把前述經二階放大電路放大後之訊號，而將 不必要的頻率雜訊給濾除掉。 ^ 2.如申請專利範圍第1項所述之使用矩形麥克風陣列之音訊方 位辨識器，其中，每一平面設置有四顆麥克風。 3.如申請專利範圍第1或第2項所述之使用矩形麥克風陣列之音 訊方位辨識器，其中，該麥克風為電容式麥克風。 4·如申請專利範圍第1項所述之使用矩形麥克風陣列之音訊方 位辨識器，其中，每一麥克風間之距離約5cm。 “ 5.如申請專利範園第1項所述之使用矩形麥克風陣列之音訊方 位辨識器，其中，該帶通濾波器包含有一個低通濾波器與—個高通 濾波器。 6.如申請專利範圍第1項所述之使用矩形麥克風陣列之音訊方 位辨識器，其中，該麥克風陣列之擺設方式係以正方形擺玫方式。 13