一种弧形可佩戴式麦克风阵列系统的设计和实现 许勇一种弧形可佩戴式麦克风阵列系统的设计和实现 许勇
一种弧形可佩戴式麦克风阵列系统的设计和实现
*+许勇 陈建峰
(*中国科学院声学研究所，+新加坡技术研究局资讯通信研究所)
An Arc-shape Wearable Microphone Array for Near Field Speech Enhancement
*+Xu Yong, Chen Jianfeng
(*Institute of Acoustic, Chinese Academy of Sciences, +Institute for ...
一种弧形可佩戴式麦克风阵列系统的设计和实现 许勇
一种弧形可佩戴式麦克风阵列系统的设计和实现
*+许勇 陈建峰
(*中国科学院声学研究所，+新加坡技术研究局资讯通信研究所)
An Arc-shape Wearable Microphone Array for Near Field Speech Enhancement
*+Xu Yong, Chen Jianfeng
(*Institute of Acoustic, Chinese Academy of Sciences, +Institute for Infocomm Research, Singapore)
1引言
近年来，可穿戴式计算机(Wearable Computer)逐渐成为国内外研究领域的热点，人机界面的研究，是可穿戴计算机研究中的一个重要分支。除去传统的功能要求外，可穿戴计算机人机界面还应满足以下两点:第一，以人为本，人机交互应让计算机来适应人，而不是人去适应机器;第二，人机界面的输入输出设备，应该尽量做到小巧隐蔽，既便于携带，又不能影响使用者的外观形象[1]。
语音，作为传统输入方式(键盘、鼠标等)的补充和替代，成为可穿戴计算机的重要输入方式，用户可以通过语音，发布命令操作计算机和进行信息的输入工作。传统麦克风，使用时必须靠近说话人嘴部，将影响用户的正常外观形象;喉麦以发声时咽喉振颤作为输入信号，隐蔽性好，但是舒适度差，不适合日常长时间佩带[2]。本文介绍一种弧形麦克风阵列系统的设计实现，系统具有抑制噪音，增强信噪比的功能，能满足可穿戴式计算机的输入需要;此外系统结构简单，无须占用计算机的软硬件资源，工作稳定，鲁棒性强;同时可以完全隐藏在用户衣服中，对日常生活没有影响。
本文第二部分，介绍系统的设计和实现，第三部分描述了系统的测试方法以及测试结果，最后给出结论。
2系统设计、实现和测试
系统使用多个麦克风达到增强输入信噪比的目的。如果对多个麦克风的输入进行简单叠加，信号和噪声的能量同时增加，信噪比不会得到明显改善，我们通过调整各个麦克风放置位置的方法解决这个问题。
麦克风
放大电路
图2.1 系统组成示意图 图2.2 系统能量空间响应图
系统设计如图2.1所示，将多个麦克风呈弧线分布放置，弧心位置为信号源，在本系统中信号源即为说话人嘴。各个麦克风的输出信号，通过模拟电路实现相加，放大后作为最终输出。这时，信号源与各个麦克风距离相同，声音传播延时相同，此前提下多个麦克风输出相加，信号可以得到最大的叠加放大效果。而从其他方向输入的噪声到达各个麦克风的延时不同，累积结果受到抑制，因此系统输出信噪比得到增强。图2.2中，深色曲线是本系统的能量空间响应，浅色曲线是单个指向性麦克风的能量响应。图中可见，系统特性相当于一个指向性麦克风，与单个麦克风相比，系统的指向性更强，同时对于反方向声音的抑制效果更好。
与其他可佩戴式麦克风阵列系统相比，本系统具有多种优点:在未使用复杂度较高的近场算法和时间补偿算法的前提下，取得抑制噪声增强语音的效果;多个麦克风信号累加使用模拟电路实现，实时工作，
无需占用额外的运算和存储资源;系统输出没有影响信号时频特性，因此可以直接应用于现有语音识别算法，算法无需做任何修改;系统实际工作时稳定性强，当麦克风放置偏离准确位置，或者阵列中个别麦克风出现故障时，仍能正常工作，性能几乎不受影响。
在设计基础上，我们搭建了原型系统，由8个双向(bi-directional)麦克风组成，弧形半径设定为30厘米。
3系统测试
我们在实际环境中对原型系统进行了测试。试验在一间长7米宽5米的空旷室内进行，信号源为一扩音器，放置在麦克风阵列的弧形圆心处，即实际使用时的人嘴位置，播放语音信号;噪声源为另一扩音器，放置在弧形平面前方1米处，播放噪音信号。同时使用单个指向性麦克风的输入作为参考信号，将弧形阵列和单个麦克风的输入信号分别输入计算机，得到各自的信噪比，并且进行比较，得出差值。
为模拟实际使用中噪音源方向不同的情况，我们以1米为半径，分别沿水平方向和垂直方向连续移动噪声源，得出相应的信噪比的差值曲线，如图3.1所示。
10 10 0: 9 9 8 8 0 7 7 : 6 6 180: 0: 90: 5 5 4 4 SNR Improvement (dB)SNR Improvement (dB)3 3 2 2 1 1 180: 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Vertical Angle(Deg.) Horizontal Angle(Deg.)
(a) (b) (c) (d)
图3.1 系统测试设置演示及SNR提高差值曲线
图3.1(a)，3.1(c)中，横坐标为噪声源方向，纵坐标为信噪比差值。与单个指向性麦克风相比，使用弧形阵列系统，可以显著提高输入信号信噪比。尤其当噪声源位于说话人前方，以及噪声源高度与说话人高度相仿时，信噪比提高可以达到7dB。为模拟个别麦克风故障，切断系统中任意1~2个麦克风的输入信号，系统整体信造比改善性能没有明显下降。测试证明，系统性能达到设计预期效果，能够满足实际使用需要。
4结论
弧形可佩戴式麦克风阵列系统，能够在实际环境中抑制噪音增强语音信号，同时具有结构简单，无需占用计算机系统额外的运算资源和存储资源的特点。工作时，稳定性强，阵列中个别麦克风出现故障或着麦克风位置发生变化时，系统性能不会明显下降。同时，系统可以隐藏在衣物中，既解放了使用者的双手，又不会影响使用者的正常外观，是可穿戴计算机系统的理想输入设备。同时，作为独立的输入模块，弧形可佩戴式麦克风系统还可以应用于其他日常使用的便携式电子设备(例如手机、PDA等)，具有广阔的应用前景。
参考文献
[1] The PC goes ready-to-wear: Cover story IEEE spectrum, Oct 2000
[2] Yong Xu, Mingjiang Yang, Yanxin Yan and Jianfeng Chen “Wearable Microphone Array as User Interface” Fifth Australasian User Interface Conference (January) pp. 123-126
作者简介:许勇～1973出生～2000年硕士毕业于清华大学电子工程系～1997年本科毕业于清华大学电子工程系。现在中国科学院声学研究所工作～副研究员～主要研究方向为通信声学、声音阵列信号处理等。
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