专利名称：：音频波束形成的制作方法
技术领域：
：本发明涉及音频波束形成，且特别地但不排他地涉及使用明显小于被施以波束形成的音频信号的波长的麦克风阵列的音频波束形成。
背景技术：
：对音频信号的先进的处理在许多领域中已变得日益重要，这些领域例如包括电信、内容分发等。举例而言，在诸如免提式通信和语音控制系统之类的一些应用中，对来自多个麦克风的输入的复杂处理已被用来为包括这些麦克风的麦克风阵列提供可配置的方向敏感性。具体地，对来自麦克风阵列的信号的处理可以产生具有一定方向的音频波束，其中可以简单地通过改变各个麦克风信号的组合的特性来改变该方向。典型地，波束形成算法设法衰减干扰源(interfere!·)并同时为期望的声源提供高增益。例如，可以控制波束形成算法以在从主干扰源接收的信号的方向上提供强衰减(优选为零)。由于实际的原因，所期望的是麦克风阵列相对较小。但是，当感兴趣声音的波长比阵列的大小大得多时，诸如加法式延迟叠加(delay-and-sum)波束形成算法之类的许多波束形成算法并不能提供足够的方向性，这是因为波束宽度对于这类波长而言会大幅度恶化。一种用于实现改进的方向性的方法是应用所谓的超方向性波束形成技术。这类超方向性波束形成技术基于具有不对称滤波器系数的滤波器，并且该方法基本上对应于信号减法或确定声压场的空间导数。然而，尽管这可以改进方向性，但也已知的是，这是以鲁棒性为代价来实现的，例如对白(传感器)噪声的增强的敏感性以及对麦克风特性中的失配的增强的敏感性。^tR.Μ.M.Derkx^JC$"OptimalAzimuthalSteeringofaFirst-orderSuperdirectionalMicrophoneResponse，，(InternationalWorkshoponAcousticEchoandNoiseControl,2008年9月，西雅图)中分析了一种系统，该系统产生用于二维麦克风阵列的特征波束(Eigenbeam)。随后组合这些特征波束以最大化单点干扰源的衰减。特别地，在单点干扰源的方向上定位零点，同时保持针对期望的方向的适当的增益。然而，尽管这种方法在许多情境中提供了改进的性能，但是它在一些实践情境中提供非最优性能。此外，它倾向于需要相对复杂且资源要求高的处理。因此，一种用于音频波束形成的改进的方法将会是有利的，并且特别地，一种对于不同的操作情境而言允许对当前条件及音频环境的适应改进、灵活性增强、实现便利、性能改进和/或执行改进的方法将会是有利的。
发明内容据此，本发明设法优选地单独地或以任何组合方式减轻、缓解或消除一个或多个上述缺点。根据本发明的一个方面，提供了一种音频波束形成装置，其包括接收电路，用于从包括至少三个麦克风的至少二维的麦克风阵列接收信号；参考电路，用于根据麦克风信号产生至少三个参考波束；组合电路，用于通过响应于期望的声源的第一方向及干扰声源的方向估计组合所述参考波束来产生对应于期望的波束图的输出信号；估计电路，用于通过下述方式产生所述方向估计确定对应于在第一角区间内的该输出信号功率度量的局部最小值的第一角，确定对应于在第二角区间内的该输出信号功率度量的局部最小值的第二角，以及将所述方向估计确定为选自与该输出信号功率度量的多个局部最小值相对应的一组角中的角，这组角包括至少所述第一角和所述第二角；以及其中所述组合电路被设置成确定用于组合所述参考波束的组合参数，以提供在与所述方向估计相对应的角中的凹陷及方向性代价度量的最小化，该方向性代价度量指示第一方向上的增益与平均增益之间的比率。本发明可以允许改进的性能。特别地，可以实现针对当前音频环境的改进的和/或便利的适应。本发明可以允许一种波束形成方法，其在双向点干扰的消除和漫射噪声衰减方面均提供了高性能。该方法特别适合于音频信号的波长可能明显大于麦克风阵列大小的系统并且可以为此类系统提供特别有利的性能。本发明可以允许低复杂度的实现方式和/或操作。该方法可以适合于提供改进的方向性且特别地可以适合于麦克风阵列的大小比感兴趣波长小得多的情境。在许多实施例和情境中，该方法可以实现将零点指向单点干扰，并同时大幅度降低漫射噪声。特别地，该方法在许多情境中可以允许与现有技术中的许多干扰降低技术对应的或比这些技术更好的单点干扰降低，同时提供改进的漫射噪声。该方法在许多情境中可以基于低复杂度的并行局部最小值提取允许低复杂度但却非常高效且有利的波束操控。在许多实施例中，该方法可以确保至少一个所识别的局部最小值也是全局最小值，并且因此可以允许对干扰角的高效的估计。参考波束可以是非适应性的并且可以是独立于捕获的信号和/或音频条件的。参考波束可以是恒定的并且可以由来自所述至少三个麦克风的信号的恒定/非适应性的组合产生。参考波束可以具体地为特征波束或正交波束。第一角区间和第二角区间可以是不相交的区间并且可以是相邻的区间。第一和第二角区间可以一起覆盖整个360°的区间。干扰声源可以是假设的干扰声源。可以独立于声源是否存在而产生声源的方向估计。因此，即使没有检测到干扰点源，估计电路也可以在干扰声源存在的假设下根据麦克风信号产生方向估计。根据本发明的可选特征，估计电路被设置成响应于作为针对分隔第一角区间和第二角区间的角的方向估计的函数的输出信号的功率度量的梯度，将所述方向估计选择为第一角禾口第一角之一。这可以提供特别高效且低复杂度的方向估计的确定。所述角可以是第一角区间和第二角区间之间的任何角，其包括这两个角区间的其一或两者的端点。根据本发明的可选特征，第一角区间包括从0至π的角以及第二角区间包括从π至231的角。这可以提供特别有利的性能并且可以特别地允许对干扰声源的所有可能的方向的适应。根据本发明的可选特征，估计电路被设置成响应于作为针对π角的方向估计的函数的输出信号的功率度量的梯度，将所述方向估计选择为第一角和第二角之一。这可以提供特别高效且低复杂度的方向估计的确定。根据本发明的可选特征，组合电路包括旁瓣消除器。这可以提供特别有利的性能和/或实用的实现方式。根据本发明的可选特征，旁瓣消除器被设置成将输出信号生成为至少主信号、第一噪声参考信号及第二噪声参考信号的加权的组合。这可以提供特别有利的性能和/或实用的实现方式。主信号可以对应于适于在期望的声源的方向上的波束，并且每个参考信号可以对应于适于消除/降低噪声的波束。这些噪声参考信号可以具体地在期望的声源的方向上具有凹陷。根据本发明的可选特征，组合电路被设置成响应于所述方向估计和方向性代价度量的最小化来计算第一和第二噪声参考信号的权重。这可以提供特别有利的性能和/或低复杂度的实现方式。特别地，所述权重可以作为所述方向估计的函数来确定，其中该函数被选择成使所述方向性代价度量最小化。根据本发明的可选特征，估计电路被设置成通过应用于与组合电路的旁瓣消除器相对应且具有角输入变量的旁瓣消除器的梯度搜索来确定所述第一和第二角中的至少一个。这可以提供特别有利的性能和/或低复杂度的实现方式。特别地，梯度搜索可以提供用于识别潜在最小值的非常高效的方法，其可以优化波束形成操作。可以实现波束形成的高效且低复杂度的适应，其既可以降低漫射噪声又可以降低/消除单点干扰。在许多实施例中，通过梯度搜索确定单个的第一角。可以使用旁瓣消除器操作来执行该梯度搜索，该操作与被用来产生输出信号的旁瓣消除器操作相同，但却具有可以不同于被用来产生输出信号的相位值(所述方向估计)的角输入变量值(因此其可以独立地改变)。在一些实施例中，可以使用具有独立的角输入变量的并行旁瓣消除器操作来在两个角区间中并行地应用梯度搜索。组合电路的输出信号可以被选择为对应于第一和第二角中的所选择的角的并行旁瓣消除器的信号。在一些实施例中，可以使用对应于组合电路的旁瓣消除器的旁瓣消除器来确定针对给定角(具体地为η)的输出信号的功率度量的梯度，并且在第一和第二角之间的选择可以响应于该梯度。根据本发明的可选特征，依据用于角输入变量的当前相位值的旁瓣消除器的输出信号以及用于该当前相位值的旁瓣消除器的第一和第二噪声参考信号来确定角输入变量的更新值。这可以提供特别有利的性能和/或便利的实现方式和/或操作。根据本发明的可选特征，依据所述当前相位值来对所述第一和第二噪声参考信号进行加权。这可以提供特别有利的性能和/或便利的实现方式或操作。根据本发明的可选特征，估计电路被设置成确定所述第一和第二噪声参考信号中的至少一个的功率估计并依据该功率估计来执行对所述更新值的归一化。这可以提供特别有利的性能和/或便利的实现方式和/或操作。根据本发明的可选特征，所述至少二维的麦克风阵列包括至少四个麦克风，并且所述装置包括在产生所述参考波束之前用于组合来自所述至少四个麦克风的至少两个的信号的电路。这可以提供特别有利的性能和/或便利的实现方式和/或操作。特别地，它可以在许多情境中提供改进的噪声性能。根据本发明的可选特征，所述装置进一步包括所述至少二维的麦克风阵列，所述至少二维的麦克风阵列包括在所述至少二维的麦克风阵列的周界向外的方向上具有最大响应的方向性麦克风。这可以提供特别有利的性能和/或便利的实现方式和/或操作。根据本发明的一个方面，提供了一种音频波束形成方法，其包括从包括至少三个麦克风的至少二维的麦克风阵列接收信号；根据麦克风信号产生至少三个参考波束；通过响应于期望的声源的第一方向及干扰声源的方向估计组合所述参考波束来产生对应于期望的波束图的输出信号；通过下述方式产生所述方向估计确定对应于在第一角区间内的该输出信号的功率度量的局部最小值的第一角，确定对应于在第二角区间内的该输出信号的功率度量的局部最小值的第二角，以及将所述方向估计确定为选自与该输出信号的功率度量的多个局部最小值相对应的一组角中的角，其中该组角包括至少所述第一角和所述第二角；以及其中组合所述参考波束包括确定用于组合所述参考波束的组合参数，以提供在与所述方向估计相对应的角中的凹陷及方向性代价度量的最小化，该方向性代价度量指示在第一方向上的增益与能量平均增益之间的比率。本发明的这些和其它方面、特征及优点将根据下文中所描述的一个或多个实施例而清楚明白并且参照这些实施例而被阐明。将参照附图且仅通过举例来描述本发明的实施例，其中图1示出了根据本发明的一些实施例的用于捕获具有可适应的(adaptable)方向特性的音频的系统的实例；图2示出了用于麦克风阵列的麦克风配置的实例；图3示出了由图1的系统产生的特征波束的实例；图4示出了在图1的系统中使用的旁瓣消除器的实例；图5示出了用于调适图1的系统的代价函数的实例；图6示出了图5的代价函数的局部最小值的实例；以及图7示出了图5的代价函数的局部最大值的实例；图8示出了根据本发明的一些实施例的用于捕获具有可适应的方向特性的音频的方法的实例。具体实施例方式图1示出了用于捕获具有可适应的方向特性的音频的系统的实例。该系统处理来自多个麦克风的信号以产生适当的、期望的波束图。该处理被具体地调适以使得所产生的输出信号具有明显改进的噪声和干扰特性。该系统提供在单点干扰和漫射噪声性能两方面的联合的改进。此外，该系统还适合于在以下情境中使用在该情境中，信号的波长明显长于麦克风阵列的尺寸，即长于麦克风之间的距离。该系统处理接收到的麦克风信号以产生一组恒定的不可适应的参考波束。而后对这些参考波束进行适应性组合以产生期望的波束图。该组合被调适以使得所得的波束形式适于消除或大幅度衰减假设的单点干扰源，并同时最小化或降低漫射噪声的影响。该系统提供高效的、适应性的波束形成，其中可以朝着期望的声源的方向操控主瓣，同时调适方向性图，以使得来自另一个角度的点干扰源被有效地抵制，并且实现对漫射(各向同性的)噪声的基本最优的抵制。图1的系统具体包括具有多个梯度估计的适应性零点操控方案，用于调节方向性图以使得这种对噪声和干扰的有效抵制能够自动地实现。图1的系统包括麦克风阵列101，该阵列是二维的麦克风阵列。麦克风阵列101包括未设置在单个一维线上的至少三个麦克风。在大多数实施例中，从一个麦克风到贯穿两个其他麦克风的线的最短距离至少是这两个麦克风间距的五分之一。在该具体实例中，麦克风阵列101包括如图2所示的圆周上的均勻间隔的三个麦克风。因此，在该实例中使用在平面几何中至少三个(全向或单向)传感器的圆形阵列。应当理解的是在其他实施例中可以使用麦克风的其他设置。还应当理解的是对于使用了多于三个的麦克风的实施例，这些麦克风可能可以被设置成非平面几何形状，即该麦克风阵列可以是三维的麦克风阵列。然而，下文的描述将集中于设置在方位角平面中的三个等间距的麦克风的圆形阵列。麦克风阵列101耦合至接收麦克风信号的接收电路103。在图1的实例中，正如本领域技术人员所熟知的那样，接收电路103被设置成放大、过滤以及数字化该麦克风信号。接收电路103耦合至参考处理器105，该处理器被设置成根据麦克风信号产生至少三个参考波束。所述参考波束是未经调适的恒定波束，而所述参考波束通过对来自接收电路103的数字化麦克风信号进行固定组合而产生。在图1的实例中，由参考处理器105产生三个正交特征波束。在该实例中，麦克风阵列的三个麦克风是方向性麦克风且具体是单向心型麦克风，其被设置成使得主要增益从由通过连接这些麦克风的位置而形成的周界向外地(且因此在该具体实例中从圆形阵列的圆周向外地)指向。单向心型麦克风的使用提供的优点在于大大地降低了对传感器噪声及传感器失配的敏感性。然而，应当理解的是在其他情境中可以使用其他麦克风类型，例如全向麦克风。将三个心型麦克风的响应分别表示为El、_B和S〗-,并且忽略任何不相关的传感器噪声，那么第广个心型麦克风的响应理想地由下式给出权利要求1.一种音频波束形成装置，包括接收电路(103)，用于从包括至少三个麦克风的至少二维的麦克风阵列(101)接收信号；参考电路(105)，用于根据麦克风信号产生至少三个参考波束；组合电路(107)，用于通过响应于期望的声源的第一方向及干扰声源的方向估计组合所述参考波束来产生对应于期望的波束图的输出信号；估计电路(109)，用于通过下述方式产生所述方向估计确定对应于在第一角区间内的该输出信号的功率度量的局部最小值的第一角，确定对应于在第二角区间内的该输出信号的功率度量的局部最小值的第二角，以及将所述方向估计确定为选自与该输出信号功率度量的多个局部最小值相对应的一组角中的角，其中这组角至少包括所述第一角和所述第二角；以及其中所述组合电路(107)被设置成确定用于组合所述参考波束的组合参数，以提供在与所述方向估计相对应的角中的凹陷及方向性代价度量的最小化，该方向性代价度量指示在第一方向上的增益与平均增益之间的比率。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述估计电路(109)被设置成响应于作为对分隔所述第一角区间和所述第二角区间的角的方向估计的函数的、输出信号的功率度量梯度，将所述方向估计选择为所述第一角和所述第二角之一。3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一角区间包括从0至π的角以及所述第二角区间包括从η至2π的角。4.根据权利要求3所述的装置，其中所述估计电路(109)被设置成响应于作为对π角的方向估计的函数的、输出信号的功率度量梯度，将所述方向估计选择为所述第一角和所述第二角之一。5.根据权利要求1所述的装置，其中所述组合电路(107)包括旁瓣消除器。6.根据权利要求5所述的装置，其中所述旁瓣消除器被设置成将输出信号产生为至少主信号、第一噪声参考信号及第二噪声参考信号的加权的组合。7.根据权利要求6所述的装置，其中所述组合电路(107)被设置成响应于所述方向估计和所述方向性代价度量的最小化来计算所述第一和第二噪声参考信号的权重。8.根据权利要求5所述的装置，其中所述估计电路(109)被设置成通过应用于与组合电路的旁瓣消除器相对应且具有角输入变量的旁瓣消除器的梯度搜索来确定所述第一和第二角中的至少一个。9.根据权利要求8所述的装置，其中依据用于所述角输入变量的当前相位值的旁瓣消除器的输出信号以及用于该当前相位值的旁瓣消除器的第一和第二噪声参考信号来确定所述角输入变量的更新值。10.根据权利要求9所述的装置，其中依据所述当前相位值来对所述第一和第二噪声参考信号进行加权。11.根据权利要求9所述的装置，其中所述估计电路(109)被设置成确定所述第一和第二噪声参考信号中的至少一个的功率估计以及依据该功率估计来执行对所述更新值的归一化。12.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少二维的麦克风阵列包括至少四个麦克风，并且所述装置包括在产生所述参考波束之前用于组合来自所述至少四个麦克风中的至少两者的信号的电路。13.根据权利要求1所述的装置，进一步包括所述至少二维的麦克风阵列(101)，该至少二维的麦克风阵列(101)包括在此阵列周界向外的方向上具有最大应答的方向性麦克风。14.一种音频波束形成的方法，包括从包括至少三个麦克风的至少二维的麦克风阵列接收信号；根据麦克风信号产生至少三个参考波束；通过响应于期望的声源的第一方向及干扰声源的方向估计组合所述参考波束来产生对应于期望的波束图的输出信号；通过下述方式产生所述方向估计确定对应于在第一角区间内的该输出信号的功率度量的局部最小值的第一角，确定对应于在第二角区间内的该输出信号的功率度量的局部最小值的第二角，以及将所述方向估计确定为选自与该输出信号的功率度量的多个局部最小值相对应的一组角中的角，其中这组角至少包括所述第一角和所述第二角；以及其中组合所述参考波束包括确定用于组合所述参考波束的组合参数，以提供在与所述方向估计相对应的角中的凹陷以及方向性代价度量的最小化，该方向性代价度量指示在第一方向上的增益与能量平均增益之间的比率。15.一种包括使得处理器能够执行权利要求14所述的方法的计算机程序的计算机程序广品。全文摘要一种音频波束形成装置包括从至少二维的麦克风阵列(101)接收信号的接收电路(103)。参考电路(105)产生参考波束并且组合电路(107)通过组合参考波束产生对应于期望的波束图的输出信号。估计电路(109)通过确定分别对应于在至少第一角区间和第二角区间内的该输出信号的功率度量的局部最小值的角产生方向估计。该方向估计通过选择这些角之一而产生。组合电路(107)确定组合参数，以提供在对应于方向估计的角中的凹陷以及方向性代价度量的最小化，其中该方向性代价度量指示在第一方向上的增益与能量平均增益之间的比率。文档编号H04R3/00GK102474680SQ201080033006公开日2012年5月23日申请日期2010年7月22日优先权日2009年7月24日发明者M.M.德克斯R.申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司