CN106028227A - 分布式麦克风阵列及其适用的声源定位*** - Google Patents

分布式麦克风阵列及其适用的声源定位*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种分布式麦克风阵列，该阵列包含：分布设置的若干个麦克风阵列节点，每个麦克风阵列节点设有一个或若干个麦克风音频采集模块；麦克风阵列节点通过无线网络通信连接外接的信号处理单元，将未经处理或在阵列节点经过简单信号处理的音频信号上传至信号处理单元。本发明无线网中布设的所有无线麦克风阵列节点即构成一个大型麦克风阵列，由于在无线麦克风阵列中，麦克风信号采集传输基于无线方式，麦克风分布设置不再受限于物理尺寸或缆线连接，因此可以实现数目可观的麦克风布设，并且可以大大增大麦克风间距和麦克风阵列的覆盖范围。

Description

分布式麦克风阵列及其适用的声源定位***
技术领域
本发明涉及一种麦克风阵列技术，具体涉及分布式麦克风阵列及其适用的声源定位***。
背景技术
麦克风阵列技术，在语音信号处理领域有着重要且广泛的应用。在需要进行语音信号采集的空间范围内，在不同位置布置多个麦克风，即构成麦克风阵列。
相比于传统的单麦克风语音信号采集，麦克风阵列的拾音范围大大扩展，视麦克风阵列规模，其拾音范围从传统单麦克风拾音的小于0.5米，扩展至数米,甚至数十米；利用多个麦克风收集到的信号，可以在噪声环境中，将特定声音信号有效增强，达到很好的抑制噪声的效果；同时可以实现定向拾音，针对特定方向的语音信号源进行语音采集；并且可以方便的进行声源定位。
目前市场上的主流麦克风阵列产品有：小尺寸有线阵列式麦克风、小尺寸无线阵列式麦克风（主要采用Wi-Fi接入）、以及悬挂式麦克风阵列。
如图1所示，小尺寸阵列式麦克风，多为桌面放置式，混音器101与多个麦克风102和Wi-Fi设备集成在一起，其物理尺寸一般小于0.3米，麦克风102之间距离较小，语音信号处理的空间分集增益有限；混音器101输出可通过无线或有线的方式连接终端设备，如音响设备103等。
由于语音信号波长较长，麦克风间距适当增大，可以提供更高的空间分集增益，以及更好地定向拾音效果。
如图2所示，悬挂式麦克风阵列，即为一种提供大麦克风间距的麦克风阵列产品，其悬挂在空间（例如大型会场）顶部201的麦克风202采集到空间内特定的语音信号，通过特定的缆线输入混音器203进行信号处理，再通过有线或无线的方式，将混音器203通过信号线204输出信号传输至扬声器205，由扬声器205将采集到的语音信号输出。
以上列举的主流产品，其麦克风与混音器之间的连接皆为有线。小尺寸集成方式大大限制了麦克风阵列的物理尺寸，进而限制了其拾音范围和空间分集增益；而大间距悬挂式麦克风阵列的缆线连接方式，为麦克风的实地布设增大了难度，而且混频器的输入端口数限制，也限制了麦克风的布设数量，局限了实际应用中该阵列的物理覆盖范围。
发明内容
本发明提供一种分布式麦克风阵列及其适用的声源定位***，拾音范围覆盖跨度大、提供更大的空间分集增益和更精确的三维空间声源定位，实现多声源定向采集。
为实现上述目的，本发明提供一种分布式麦克风阵列，其特点是，该阵列包含：分布设置的若干个麦克风阵列节点，每个麦克风阵列节点设有一个或若干个麦克风音频采集模块；麦克风阵列节点通过无线网络通信连接外接的信号处理单元，将未经处理或在阵列节点经过简单信号处理的音频信号直接上传至信号处理单元。
上述无线网络采用802.11无线通信、或蓝牙通信、或Zigbee通信、或任意无线网络传输模式。
上述麦克风阵列节点还包含任意应用功能的无线设备或物联网设备。
上述麦克风阵列节点还包含：
无线传输和控制模块，其输入端通信连接麦克风音频采集模块，与信号处理单元通过无线网络通信连接；
功能模块，其通信连接无线传输和控制模块，该功能模块为任意应用功能设备。
上述麦克风音频采集模块和功能模块通过数据接口通信连接无线传输和控制模块；该数据接口采用UART、或SPI、或I2S、或USB、或SDIO、或I2C、或任意标准接口。
一种声源定位***，其特点是，该定位***包含：
如上述的分布式麦克风阵列，其对单声源或多声源进行定向采集；
信号处理单元，其通过无线网络通信连接分布式麦克风阵列，接收分布式麦克风阵列上传的未经处理的音频信号，进行混音、或抑噪、或消回声、或三维空间声源定位的音频信号处理。
上述定位***包含连接在无线网络中的一个或若干个信号处理单元。
上述信号处理单元为无线网络中的独立设备或与无线网络接入点集成。
上述定位***还包含光学监控设备。
本发明分布式麦克风阵列及其适用的声源定位***和现有技术的麦克风阵列技术相比，其优点在于，本发明无线网中布设的所有无线麦克风阵列节点即构成一个大型麦克风阵列，由于在无线麦克风阵列中，麦克风信号采集传输基于无线方式，麦克风分布设置不再受限于物理尺寸或缆线连接，因此可以实现数目可观的麦克风布设，并且可以大大增大麦克风间距和麦克风阵列的覆盖范围；
本发明中无线麦克风阵列节点布设简单灵活，可以实现麦克风大间距布设和大数量布设，同时空间位置更加多样，因此该无线麦克风阵列的拾音范围覆盖跨度大，信号样本采集丰富，从而可以在信号处理单元中实现更好的回声和噪声抑制，提供更大的空间分集增益和更精确的三维空间声源定位，可以实现多声源定向采集；
本发明的麦克风音频采集模块可以很方便的与已有网络设备集成，所以实际应用中多采用在采集空间中已有网络设备上附加麦克风音频采集模块的方式，使麦克风的布设更加方便灵活，没有线缆，成本更低，语音信号采集空间位置不止局限于同一平面，更丰富；
本发明的信号处理单元在无线网络中可以根据实际应用，布设强大的处理单元，以提供更强的信号处理能力，配合其他监控设备，如摄像头等，能够实现复杂的多声源动态语音视频定位监控采集的应用。
附图说明
图1为现有技术小尺寸阵列式麦克风的结构示意图；
图2为现有技术悬挂式麦克风阵列的结构示意图；
图3为本发明无线麦克风阵列节点结构示意图；
图4为本发明中基于分布式麦克风阵列的声源定位***的实施例一的***图；
图5为本发明中基于分布式麦克风阵列的声源定位***的实施例二的***图。
具体实施方式
以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。
本发明公开了一种无线接入的大规模、分布式麦克风阵列，该阵列包含：分布设置在空间、以及无线网络中的若干个麦克风阵列节点，每个麦克风阵列节点设有一个或若干个麦克风音频采集模块。麦克风阵列节点通过无线网络通信连接外接的信号处理单元，将未经处理或在阵列节点经过简单信号处理的音频信号直接上传至信号处理单元，以进行混音及其他语音信号处理。
其中，麦克风阵列节点通过麦克风音频采集模块采集音频信号，并将采集到的音频信号无线传输给信号处理单元，麦克风阵列节点不对采集到的音频信号进行进一步处理。
每一个无线麦克风阵列节点通过无线传输模块链接到无线网络中的一个或多个信号处理单元。信号处理单元可以为无线网络中的独立设备，也可以与网络中其他设备功能集成，如在Wi-Fi无线网络中的接入点（AP）与信号处理单元集成。
进一步的，麦克风阵列节点所处的无线网络可以为802.11无线通信（例如，Wi-Fi无线通信、或Wi-Fi物联网）、或蓝牙无线通信、或Zigbee无线通信、或任意无线网络传输模式。目前，802.11 Wi-Fi无线通信标准是应用范围最广的无线接入技术标准之一。在物联网领域，Wi-Fi 物联网接入方式更是应用最广，成本最低，可扩展性最好的物联网接入方式之一。本发明中主要以Wi-Fi网络为例。
进一步的，麦克风阵列节点还包含任意应用功能的无线设备或物联网设备。无线麦克风阵列节点可以由任意的支持其他应用功能的无线设备、物联网设备等加上麦克风音频采集模块构成，如Wi-Fi灯组设备附加麦克风模块、Wi-Fi家用物联网设备附加麦克风模块等，也可以为仅具有音频信号采集功能的无线麦克风阵列节点。
如图3所示，为麦克风阵列节点的一种实施例的结构示意图，该麦克风阵列节点包含：无线传输和控制模块301、两个麦克风音频采集模块302和功能模块303。
两个麦克风音频采集模块302用于采集音频信号数字化采集。
功能模块303为任意应用功能设备，如家电控制、照明控制、其他数据采集处理等。
无线传输和控制模块301通过控制信号与数据接口通信连接麦克风音频采集模块302和功能模块303，并与外接的信号处理单元通过无线网络通信连接。
每个无线麦克风阵列节点通过无线传输和控制模块301连接到无线网络中的一个或多个信号处理单元。
麦克风音频采集模块302和功能模块303通过数据接口通信连接无线传输和控制模块301。该数据接口可采用UART、或SPI、或I2S、或USB、或SDIO、或I2C、或任意标准接口，或任意非标准私有定义接口。
本发明还公开了一种适用于分布式麦克风阵列适用的声源定位***，该定位***包含：上述的分布式麦克风阵列和一个或若干个信号处理单元，分布式麦克风阵列和信号处理单元通过无线网络通信连接。
分布式麦克风阵列用于对单声源或多声源进行定向采集。
信号处理单元通过无线网络通信连接分布式麦克风阵列，接收分布式麦克风阵列上传的未经处理或在阵列节点经过简单信号处理的音频信号，进行混音、或抑噪、或消回声、或三维空间声源定位的音频信号处理。
信号处理单元可以为无线网络中的独立设备，也可以与网络中其他设备功能集成，如在Wi-Fi无线网络中的接入点（AP）与信号处理单元集成。
进一步的，可以根据实际应用，声源定位***还可以设置光学监控设备等其他监控设备，例如摄像头，能够实现复杂的多声源动态语音视频定位监控采集的应用。
如图4所示，为基于分布式麦克风阵列的声源定位***的实施例一，其中分布式麦克风阵列为一种简单的基于Wi-Fi的无线麦克风阵列。
该Wi-Fi无线麦克风阵列中包含四个无线麦克风阵列节点：第一节点401、第二节点402、第三节点403和第四节点404。
第一节点401和第二节点402为悬挂在空间顶部的悬挂式Wi-Fi照明灯组集成麦克风语音采集模块构成。第三节点403为桌面放置式Wi-Fi阵列式麦克风节点，内置两个麦克风语音采集模块。第四节点404为Wi-Fi投影仪集成麦克风语音采集模块。
集成的Wi-Fi接入点（AP）与信号处理单元405通过无线网络与第一节点401、第二节点402、第三节点403和第四节点40通信连接，用于完成对第一节点401、第二节点402、第三节点403和第四节点404上传的音频信号的混音功能。
Wi-Fi麦克风阵列节点采集到的音频信号流通过Wi-Fi无线链路传输至Wi-Fi接入点与信号处理单元405，经过信号处理单元进行回声、噪声抑制，信号增强等处理后，再传输至音响设备进行实时播放，或传输至数据库进行进一步的数据处理和存储。信号处理单元向音响设备或数据库传输处理后的音频数据，可以视具体应用情况通过Wi-Fi无线链路或有线链路进行传输。
如图5所示，为基于分布式麦克风阵列的声源定位***的实施例二，具体为一种基于Wi-Fi无线麦克风阵列的大型实时语音视频自动监控***。该***包含十个节点、分别无线通信十个节点的三个Wi-Fi接入点与信号处理单元，通信连接三个Wi-Fi接入点与信号处理单元的中央信号处理单元及监控***，和四个通信连接中央信号处理单元及监控***的摄像头。
本实施例所示***可布设于一个较大范围公共区域（如购物中心、超市开阔空间、火车站候车大厅等）。
本实施例中的无线Wi-Fi麦克风阵列包括10个节点。这10个节点皆由悬挂式Wi-Fi照明灯组集成麦克风语音采集模块组成，并且10个节点被分为3个节点组（第一节点组501、第二节点组502、第三节点组503），分别对应3个集成了信号处理单元的Wi-Fi接入点（第一Wi-Fi接入点与信号处理单元504、第二Wi-Fi接入点与信号处理单元505、第三Wi-Fi接入点与信号处理单元506）。其中，第一节点组501、第二节点组502、第三节点组503相互重叠，使两个Wi-Fi麦克风阵列节点分别处于两个节点组，这是为了丰富信号源输入，方便信号处理单元进行数据处理，在麦克风阵列分组边界处提供更稳定的语音采集覆盖。
第一Wi-Fi接入点与信号处理单元504、第二Wi-Fi接入点与信号处理单元505、第三Wi-Fi接入点与信号处理单元506仅进行简单的信号处理，如语音噪声抑制，信号定向提取，简单声源定位等。
更高级的信号处理和监控单元位于中央信号处理单元及监控***507。三个接入点集成的信号处理单元的输出信号输入该中央信号处理单元及监控***507，该***可以进行诸如多声源识别提取，精准三维定位，语音识别，敏感信息提取，声源视频信号流监控，并对特定声源在大范围内进行追踪。
其中声源视频信号流监控，指监控***模块根据中央信号处理单元的处理的音频信息，对某一个或多个特定声源进行进一步的视频监控，调动在该声源定位位置附近的摄像头508，对声源进行锁定、放大，并可以在大范围内对其进行追踪监视。
如上所述，在该***监控的大面积区域中，中央信号处理单元及监控***507可以方便的进行多声源动态监控。即，通过麦克风阵列和摄像头群采集识别到的信息，对在该范围内存在的声源进行语音和视频信息动态采集，生成动态的监控信息流，其中可包括：
{音频流1，定位1，视频流1；
音频流2，定位2，视频流2；
…...
音频流n，定位n，视频n}.
上述动态监控信息流的内容，可根据处理单元的具体算法，进行动态采集更新，以实现对该区域的实时全方位监控。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种分布式麦克风阵列，其特征在于，该阵列包含：分布设置的若干个麦克风阵列节点，每个麦克风阵列节点设有一个或若干个麦克风音频采集模块；麦克风阵列节点通过无线网络通信连接外接的信号处理单元，将未经处理或在阵列节点经过简单信号处理的音频信号直接上传至信号处理单元。
2.如权利要求1所述的分布式麦克风阵列，其特征在于，所述无线网络采用802.11无线通信、或蓝牙通信、或Zigbee通信、或任意无线网络传输模式。
3.如权利要求1所述的分布式麦克风阵列，其特征在于，所述麦克风阵列节点还包含任意应用功能的无线设备或物联网设备。
4.如权利要求1所述的分布式麦克风阵列，其特征在于，所述麦克风阵列节点还包含：
无线传输和控制模块，其输入端通信连接麦克风音频采集模块，与信号处理单元通过无线网络通信连接；
功能模块，其通信连接无线传输和控制模块，该功能模块为任意应用功能设备。
5.如权利要求4所述的分布式麦克风阵列，其特征在于，所述麦克风音频采集模块和功能模块通过数据接口通信连接无线传输和控制模块；该数据接口采用UART、或SPI、或I2S、或USB、或SDIO、或I2C、或任意标准接口。
6.一种声源定位***，其特征在于，该定位***包含：
如权利要求1至5中任意一项权利要求所述的分布式麦克风阵列，其对单声源或多声源进行定向采集；
信号处理单元，其通过无线网络通信连接分布式麦克风阵列，接收分布式麦克风阵列上传的未经处理的音频信号，进行混音、或抑噪、或消回声、或三维空间声源定位的音频信号处理。
7.如权利要求6所述的声源定位***，其特征在于，所述定位***包含连接在无线网络中的一个或若干个信号处理单元。
8.如权利要求6所述的声源定位***，其特征在于，所述信号处理单元为无线网络中的独立设备或与无线网络接入点集成。
9.如权利要求6所述的声源定位***，其特征在于，所述定位***还包含光学监控设备。
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