CN101166017B - 用于声音产生设备的自动杂音补偿方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于声音产生设备的自动杂音补偿方法及装置。该方法包含：(a)搜集每一混合声音信号，该混合声音信号包括声音产生设备发出的设备声音及背景杂音；(b)去除该混合声音信号中的设备声音，以获得其伴随的背景杂音；(c)判断待测混合声音信号中是否包括重要声音；及(d)根据环境中是否产生重要声音以及该待测混合声音信号中背景杂音的大小来调整声音产生设备的音量，使其满足预设的补偿条件。
Description
技术领域
本发明涉及一种自动杂音补偿方法及装置，特别是指一种可提醒使用者其周围已产生重要声音(Significant Sound)的用于声音产生设备的自动杂音补偿方法及装置。
背景技术
当人们处于具有持续不断的大音量杂音或声响的空间中时，就无法清楚地听到原来想听的声音。例如，客厅中由空调机所导致的噪音或来自户外的噪音常常会干扰到人们想听的声音。
此种人们想听的声音可能是由娱乐或多媒体设备所产生，如电视机或收音机。而聆听者所能接收到的音量为噪音的函数，当噪音越大时，聆听者所能接收到的音量会越小。如果聆听者想把所接收到的音量的质量维持在固定标准时，其必须根据周围噪音的大小来调整音量。
美国专利No.US5,907,622题为“AUTOMATIC NOISE COMPENSATIONSYSTEM FOR AUDIO REPRODUCTION EQUIPMENT”的美国专利No.US5,907,622揭示了一种聆听空间中产生声音的***。该***包含数个组件可用以产生所想要的音量信号及代表聆听空间中环境杂音状况的杂音信号。该***还包含用于根据增益控制信号来放大该声音信号的可变增益放大器，以及用于根据音量控制信号来产生增益控制信号的装置。该音量控制信号是根据杂音以及所想要的音量信号而产生的，因此音量控制信号会随着杂音信号的变大而变大。
如上所述，美国专利US5,907,622中揭示了根据周围声音的能量来提高该声音信号的增益，因而可避免想听到的声音被周围声音所掩盖。然而，该专利具有如下缺点：由于该专利中是根据周围声音的音量大小来改变增益，因此即使周围声音中具有某些重要声音(Signifi cant Sound)，这些重要声音会被因为周围声音变大而提高增益的声音信号所覆盖。在此种情况下，人们根本不会注意到这些重要声音。
例如，题为“ELECTRONIC APPARATUS THAT ALLOWS SPEAKER VOLUMECONTROL BASED ON SURROUNDING SOUND VOLUME AND METHOD OF SPEAKERVOLUME CONTROL”的美国专利公开US20050069154A1揭示了当电源开启时，扬声器音量控制部会通过一个麦克风取得环境声音的音量，来决定扬声器的输出音量。该扬声器音量控制部分接着将决定出的扬声器的输出音量值显示在液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)上。然后，该扬声器音量控制部分监测扬声器的音量是否被使用者改变。如果使用者在预设时间区间内没有改变扬声器的音量，该扬声器音量控制部分将决定出的扬声器音量通知声音控制器。反之，如果使用者改变扬声器的音量，该扬声器音量控制部分则将使用者所指定的音量通知该声音控制器。
如上所述，美国专利公开US20050069154是设计来补偿聆听声音时所产生的杂音，且是使用决定单元根据麦克风所收到的声音的音量来决定扬声器的音量输出值。然而，该专利公开的缺点在于，在将该增益用于要聆听信号后，麦克风会接收到包括已被放大的欲聆听信号的周围声音。于是，在该现有技术中，由于麦克风所接收到的声音音量会随着要聆听声音音量的增大而增大，而判定需再度放大要聆听的信号。因此，该现有技术并无法提供用于放大要聆听声音信号的正确增益。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于声音产生设备的自动杂音补偿方法，可根据环境中是否产生重要声音以及背景杂音的大小来自动调整声音产生设备的音量，并可提醒使用者其周围已产生重要声音。
于是，本发明用于声音产生设备的自动杂音补偿方法包含以下步骤。(a)搜集每一个混合声音信号，其中该混合声音信号包括声音产生设备所发出的设备声音以及背景杂音。(b)根据该声音产生设备所传来的设备声音，去除该混合声音信号中的设备声音，以获得其伴随的背景杂音。(c)判断待测混合声音信号中是否包括重要声音。(d)如果该(c)步骤的判断结果为是，则进一步判定该待测混合声音信号中的背景杂音的能量大于还是小于该重要声音的能量，如果该背景杂音的能量小于该重要声音的能量，则根据该重要声音及该背景杂音的能量，调整该声音产生设备的音量，使其满足第一补偿条件，如果该背景杂音的能量大于或等于该重要声音的能量，则显示视觉信息供使用者观看，由此提醒该使用者其周围已产生该重要声音。(e)如果该(c)步骤的判断结果为否，则根据该待测混合声音信号中的背景杂音的能量，调整该声音产生设备的音量，使其满足第二补偿条件。
本发明的另一个目的是提供一种用于声音产生设备的自动杂音补偿装置，可根据环境中是否产生重要声音以及背景杂音的大小来自动调整声音产生设备的音量，并可提醒使用者其周围已产生重要声音。
于是，本发明用于声音产生设备的自动杂音补偿装置适用于使用者在具有背景杂音的聆听空间聆听声音产生设备所发出的设备声音时，可清楚地察觉出可能发生的重要声音。该装置包含多个麦克风、声音分离单元、能量计算单元、视觉信息显示单元及音量控制单元。所述多个麦克风用于搜集每一个混合声音信号，其中该混合声音信号包括设备声音以及背景杂音。该声音分离单元用于根据该声音产生设备所传来的设备声音，去除该混合声音信号中的设备声音，以获得其伴随的背景杂音，并用于判断待测混合声音信号中是否包括重要声音。当该声音分离单元判断出该待测混合声音信号中包括重要声音时，该能量计算单元用以计算该设备声音、其背景杂音及该重要声音三者的能量，并判定其大小关系。当该背景杂音的能量大于或等于该重要声音的能量时，该视觉信息显示单元用于显示视觉信息供该使用者观看，由此提醒该使用者其周围已产生该重要声音。当该背景杂音的能量小于重要声音的能量时，该音量控制单元根据该重要声音及该待测混合声音信号中的背景杂音的能量，调整该声音产生设备的音量，使其满足预设的补偿条件。
附图说明
图1是说明本发明用于声音产生设备的自动杂音补偿装置的优选实施例的功能方块图；及
图2是说明本发明用于声音产生设备的自动杂音补偿方法的优选实施例的流程图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。
参见图1，本发明用于声音产生设备的自动杂音补偿装置的优选实施例适用于使用者在具有背景杂音的聆听空间聆听声音产生设备(图中未示出，如电视机、收音机或DVD播放机等)所发出的设备声音时，可清楚地察觉出可能发生的重要声音。该自动杂音补偿装置包含多个麦克风11、声音分离单元12、能量计算单元13、视觉信息显示单元14、音量控制单元15以及时间计数单元16。
该多个麦克风11用以搜集每一个混合声音信号，其中该混合声音信号包括声音产生设备所发出的设备声音以及背景杂音。
该声音分离单元12用于根据该声音产生设备所传来的设备声音，去除该混合声音信号中的设备声音，以获得其伴随的背景杂音，并用以判断待测混合声音信号中是否包括重要声音。该声音分离单元12包括声音检测器121、特征解析器122、分类器123以及声音数据库124。
该声音检测器121用以针对不含任何重要声音的背景杂音，计算其在第一时间区间内的频谱与对应能量的平均值及标准差，去除该待测混合声音信号中的设备声音，以获得其伴随的背景杂音，并判断该背景杂音的能量是否大于该平均值与标准差的总和。如果是，则进一步从该背景杂音的频谱中减去该计算所得到的频谱，以获得分离信号，其中该第一时间区间例如可为数百毫秒至1秒。该声音检测器121从该多个麦克风11接收该待测混合声音信号之后，可进一步转换成在适当频率或空间范围处理该混合声音信号。例如，在该优选实施例中，可先使用带通滤波器(Band PassFilter)，然后再利用频域独立组件分析(Frequency-Domain IndependentComponent Analysis，FDICA)或指向性接收(Directivity Reception)等技术来从该待测混合声音信号中去除该背景杂音，以获得该分离信号。
该特征解析器122用以接收该声音检测器121所传来的分离信号，再计算该分离信号的特征值，其中该特征值例如可为过零率(Zero CrossingRate，ZCR)、音高(Pitch)、快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)系数或梅尔倒频谱参数(Mel-Frequency Cepstral Coefficient，MFCC)等。
该声音数据库124用于储存多个预设重要声音的声音模板(即其特征值)，如电话铃声或门铃声等。
该分类器123用于接收该特征解析器122传来的分离信号的特征值，并根据该声音数据库124中的该多个声音模板，来量测该分离信号与每一个声音模板间的相似度，由此判定该分离信号是否符合其中一个声音模板。如果是，则该分离信号即为需提醒使用者的重要声音。为此，用以量测相似度的技术例如可以是欧几里得距离(Eucli dian Distance)、马氏距离(Mahalanobis Distance)或隐藏式马可夫模式(Hidden Markov Model，HMM)等。
针对该能量计算单元13而言，当该声音分离单元12判断出该待测混合声音信号中包括重要声音时，该能量计算单元13用以计算该设备声音、其背景杂音及该重要声音三者的能量，并判定其大小关系。另外，当该声音分离单元12判断出该待测混合声音信号中不包括重要声音时，则该能量计算单元13还用以判断是否需提高设备声音的音量。如果需提高设备声音的音量，则该能量计算单元13预先判断设备声音音量提高后是否会让使用者感觉到不舒服。
对该视觉信息显示单元14而言，当该能量计算单元13判断出该待测混合声音信号中的背景杂音的能量大于或等于该重要声音的能量时，该视觉信息显示单元14用以显示视觉信息供该使用者观看，由此提醒该使用者其周围已产生该重要声音。
对于该音量控制单元15，当该能量计算单元13判断出该待测混合声音信号中的背景杂音的能量小于重要声音的能量时，该音量控制单元15自动降低声音产生设备所发出的设备声音的音量。另外，当该能量计算单元13判断出设备音量提高后并不会让使用者感觉到不舒服时，则该音量控制单元15自动提高声音产生设备所发出的设备声音的音量。
针对该时间计数单元16，当该音量控制单元15自动将该设备声音的音量降低或提高后，该时间计数单元16可被激活，而暂停该能量计算单元13的能量计算与判定机能达第二时间区间，以维持其调整后音量的稳定性，其中该第二时间区间须大于该设备声音的音量自动降低或提高所需的时间，例如可以是2秒。
参见图1、2，本发明用于声音产生设备的自动杂音补偿方法的优选实施例包含以下步骤。首先，如步骤20所示，利用该多个麦克风11来搜集聆听空间中的混合声音信号。
接下来，如步骤21所示，利用该声音检测器121来针对不含任何重要声音的背景杂音，计算其在第一时间区间内的频谱与对应能量的平均值及标准差，去除该待测混合声音信号中的设备声音，以获得其伴随的背景杂音，再判断该背景杂音的能量是否大于该平均值与标准差的总和。如果是，则进一步从该背景杂音的频谱中减去该计算所得到的频谱，以获得分离信号。
然后，如步骤22所示，利用该特征解析器122、分类器123及声音数据库124三个组件的配合操作，可判定该分离信号是否符合声音数据库124中的其中一个声音模板。如果是，则表示该分离信号即为某一应提醒使用者注意的重要声音，例如电话铃声或门铃声等，并接着如步骤23所示，利用该能量计算单元13来判断该待测混合声音信号中的背景杂音是否会盖掉重要声音。就是说，利用该能量计算单元13来判断该背景杂音的能量是否大于或等于重要声音的能量。
如果步骤23的判断结果为是，则如步骤24所示，该视觉信息显示单元14自动显示视觉信息供使用者观看，以此提醒使用者其周围已产生重要声音，例如可将该视觉信息显示在电视机的屏幕上或通过闪烁收音机或DVD播放机的控制面板上的LED来实现此目的。
反之，如果步骤23的判断结果为否，则如步骤25所示，该音量控制单元15自动根据该重要声音及该背景杂音的能量，调整该声音产生设备的音量，使其满足补偿条件，其中该补偿条件可以是：该重要声音对于该声音产生设备的音量与该估测背景杂音总和的信噪比须大于或等于第一预定值，且该第一预定值可为10至20分贝。然后，如步骤29所示，利用该时间计数单元16来暂停能量计算单元13的能量计算与判定机能，直到经过该第二时间区间后，再关闭时间计数单元16的计时功能，并重新激活能量计算单元13的能量计算与判定机能，由此来维持其调整后音量的稳定性。
另外，如果步骤22的判断结果为否，则如步骤26所示，该能量计算单元13再判断是否需提高设备声音的音量。就是说，该能量计算单元13判断设备声音的能量与该背景杂音的能量是否满足另一补偿条件，其中该补偿条件可以是：该声音产生设备的音量对于该背景杂音的信噪比须大于或等于第二预定值，且该第二预定值可为10至20分贝。如果是，则如步骤27所示，该能量计算单元13判断设备声音音量提高后是否会让使用者的耳朵感觉到不舒服。就是说，该能量计算单元13预先计算该声音产生设备调整后的音量与该背景杂音的总和是否会大于预设痛阈值，其中该预设痛阈值可为100分贝。
如果步骤27的判断结果为是，该音量控制单元15则不需要调整设备声音的音量。反之，如果步骤27的判断结果为否，则如步骤28所示，该音量控制单元15自动根据该背景杂音的能量，调整该声音产生设备的音量，使其满足对应的补偿条件。然后，如步骤29所示，利用该时间计数单元16来暂停能量计算单元13的能量计算与判定机能，直到经过该第二时间区间后，再关闭时间计数单元16的计时功能，并重新激活能量计算单元13的能量计算与判定机能，由此来维持其调整后音量的稳定性。
综上所述，本发明用于声音产生设备的自动杂音补偿方法及装置是利用声音分离单元12来去除麦克风11所收到的混合声音信号中的设备声音，并分离出背景杂音与重要声音，再利用能量计算单元13来比较设备声音、背景杂音及重要声音三者的能量大小，以判定是否需以视觉信息显示单元14来提醒使用者其周围已产生重要声音，或是利用音量控制单元15及时间计数单元16来调控设备声音的音量。
以上所说明的仅是本发明的优选实施例，而不能以此限定本发明实施的范围，本领域技术人员在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下对本发明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆属于本发明涵盖的范围。
Claims (22)
1.一种用于声音产生设备的自动杂音补偿方法，包含以下步骤：
(a)搜集每一个混合声音信号，其中所述混合声音信号包括声音产生设备所发出的设备声音及背景杂音；
(b)根据所述声音产生设备所传来的设备声音，去除所述混合声音信号中的设备声音，以获得所述混合声音信号伴随的背景杂音；
(c)判断待测混合声音信号中是否包括重要声音，如果判断结果为是，跳到步骤(d)，如果判断结果为否，跳到步骤(e)；
(d)当伴随的背景杂音的能量小于重要声音的能量时，根据重要声音及背景杂音的能量，调整所述声音产生设备的音量，使其满足第一补偿条件，而当所述背景杂音的能量不小于所述重要声音的能量时，显示视觉信息供使用者观看，由此提醒所述使用者其周围已产生所述重要声音；及
(e)根据伴随的背景杂音的能量，调整所述声音产生设备的音量，使其满足第二补偿条件。
2.根据权利要求1所述的用于声音产生设备的自动杂音补偿方法，其中，所述(c)步骤包括以下子步骤：
(c1)针对步骤(b)中所获得的背景杂音，且不含任何重要声音的条件下，计算所述背景杂音在第一时间区间内的频谱与对应能量的平均值及标准差；
(c2)判断所述待测混合声音信号中的背景杂音的能量是否大于所述平均值与标准差的总和，如果是，则进一步从所述背景杂音的频谱中减去(c1)步骤中所得到的频谱，以获得分离信号；及
(c3)判定所述分离信号是否符合声音数据库中的其中一个声音模板，如果是，则所述分离信号为所述重要声音。
3.根据权利要求1所述的用于声音产生设备的自动杂音补偿方法，其中所述(d)步骤中的第一补偿条件为：所述重要声音对于所述声音产生设备的音量与所述背景杂音总和的信噪比需大于或等于第一预定值。
4.根据权利要求3所述的用于声音产生设备的自动杂音补偿方法，其中所述第一预定值介于10至20分贝。
5.根据权利要求1所述的用于声音产生设备的自动杂音补偿方法，其中在所述(d)步骤中，当所述声音产生设备所发出的设备声音的音量自动调整后，则暂停进行所述(d)步骤达第二时间区间，以维持调整后音量稳定性。
6.根据权利要求5所述的用于声音产生设备的自动杂音补偿方法，其中所述第二时间区间需大于所述设备声音的音量自动调整所需的时间。
7.根据权利要求1所述的用于声音产生设备的自动杂音补偿方法，其中所述(e)步骤中的第二补偿条件为：所述声音产生设备的音量对于所述背景杂音的信噪比需大于或等于第二预定值，且所述声音产生设备调整后的音量与所述背景杂音的总和需不大于预设痛阈值。
8.根据权利要求7所述的用于声音产生设备的自动杂音补偿方法，其中所述第二预定值介于10至20分贝。
9.根据权利要求7所述的用于声音产生设备的自动杂音补偿方法，其中所述预设痛阈值为100分贝。
10.根据权利要求1所述的用于声音产生设备的自动杂音补偿方法，其中在所述(e)步骤中，当所述声音产生设备所发出的设备声音的音量自动调整后，则暂停进行所述(e)步骤达第二时间区间，以维持调整后音量的稳定性。
11.根据权利要求10所述的用于声音产生设备的自动杂音补偿方法，其中所述第二时间区间需大于所述设备声音的音量自动调整所需的时间。
12.一种用于声音产生设备的自动杂音补偿装置，包括：
多个麦克风，搜集每一个混合声音信号，其中所述混合声音信号包括设备声音及背景杂音；
声音分离单元，去除所述混合声音信号中的设备声音，以获得所述背景杂音，并判断待测混合声音信号中是否包括重要声音；
能量计算单元，当所述声音分离单元判断出所述待测混合声音信号中包括重要声音时，计算所述设备声音、背景杂音及重要声音三者的能量，并判定其大小关系；
视觉信息显示单元，当所述背景杂音的能量不小于所述重要声音的能量时，显示视觉信息供使用者观看，以提醒所述使用者其周围已产生所述重要声音；及
音量控制单元，根据所述重要声音及背景杂音的能量，调整所述设备声音的音量，以满足预设的补偿条件。
13.根据权利要求12所述的用于声音产生设备的自动杂音补偿装置，其中，所述声音分离单元包括：
声音检测器，用于计算在不含任何重要声音的条件下所述背景杂音在第一时间区间内的频谱与对应能量的平均值及标准差，所述声音检测器判断所述待测混合声音信号中的背景杂音的能量是否大于所述平均值与标准差的总和，如果是，则从所述背景杂音的频谱中减去所述计算所得的频谱，以获得所述分离信号；
特征解析器，用于计算所述分离信号的特征值；
声音数据库，用于储存多个声音模板；及
分类器，用于接收所述特征解析器传来的分离信号，并根据所述声音数据库中的所述多个声音模板，来量测所述分离信号与每一个声音模板间的相似度，由此判定所述分离信号是否符合其中一个声音模板，如果是，则所述分离信号为重要声音。
14.根据权利要求12所述的用于声音产生设备的自动杂音补偿装置，其中所述预设的补偿条件为第一补偿条件，当所述待测混合声音信号中的背景杂音的能量小于重要声音的能量时，所述音量控制单元根据所述重要声音及所述背景杂音的能量，调整所述声音产生设备的音量，使其满足所述第一补偿条件。
15.根据权利要求14所述的用于声音产生设备的自动杂音补偿装置，其中所述第一补偿条件为：所述重要声音对于所述声音产生设备的音量与所述背景杂音总和的信噪比需大于或等于第一预定值。
16.根据权利要求15所述的用于声音产生设备的自动杂音补偿装置，其中所述第一预定值介于10至20分贝。
17.根据权利要求12所述的用于声音产生设备的自动杂音补偿装置，其中所述预设的补偿条件为第二补偿条件，当所述声音分离单元判断所述待测混合声音信号中不包括重要声音时，所述音量控制单元根据其背景杂音的能量，调整所述声音产生设备的音量，使其满足所述第二补偿条件。
18.根据权利要求17所述的用于声音产生设备的自动杂音补偿装置，其中所述第二补偿条件为：所述声音产生设备的音量对于所述背景杂音的信噪比需大于或等于第二预定值，且所述声音产生设备调整后的音量与所述背景杂音的总和需不大于预设痛阈值。
19.根据权利要求18所述的用于声音产生设备的自动杂音补偿装置，其中所述第二预定值介于10至20分贝。
20.根据权利要求18所述的用于声音产生设备的自动杂音补偿装置，其中所述预设痛阈值为100分贝。
21.根据权利要求12所述的用于声音产生设备的自动杂音补偿装置，还包括时间计数单元，当所述音量控制单元自动将所述设备声音的音量调整后，所述时间计数单元可被激活，而暂停所述能量计算单元的能量计算与判定机能达第二时间区间，以维持调整后音量的稳定性。
22.根据权利要求21所述的用于声音产生设备的自动杂音补偿装置，其中所述第二时间区间需大于所述设备声音的音量自动调整所需的时间。
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