CN111970612B - 一种骨传导耳机的串声消除方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种骨传导耳机的串声消除方法及系统，方法包括：获取用户佩戴骨传导耳机时的骨传导传递矩阵；获取形状因子的阻带频率范围；得到滤波后的近似串声消除矩阵；利用近似串声消除矩阵对输入到骨传导耳机的双耳信号进行串声消除；得到消除串声的声音信号；播放消除串声的声音信号，得到用户双耳听到的声音信号；根据骨传导传递矩阵、近似串声消除矩阵和用户双耳听到的声音信号确定最终的串声消除矩阵；根据所述最终的串声消除矩阵对输入到骨传导耳机的双耳信号进行串声消除。本发明根据骨传导传递矩阵、近似串声消除矩阵和用户双耳听到的声音信来调整获得合适的串声消除矩阵，可获得最佳的串声消除效果。
Description
技术领域
本发明涉及串声消除技术领域，特别是涉及一种骨传导耳机的串声消除方法及系统。
背景技术
在正常情况下，声波通过空气传导、骨传导两条路径传入内耳，然后由内耳的内、外淋巴液产生振动，螺旋器完成感音过程，随后听神经产生神经冲动，呈递给听觉中枢，大脑皮层综合分析后，最终“听到”声音。
根据声波传输路径的不同分为气传导耳机和骨传导耳机。佩戴气传导耳机时，其播放的双耳声信号容易保证左右声道信号的分离性，几乎没有串扰问题。然而佩戴骨传导耳机时，则会存在因双耳隔离度不高而导致较严重的串声干扰现象，即任何一侧骨导耳机的振动都会传播到对侧耳蜗形成串声。串声的存在会导致声音的空间信息畸变，会严重影响佩戴者的声源定位能力及空间听感。
发明内容
本发明的目的是提供一种骨传导耳机的串声消除方法及系统，串声消除效果好。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种骨传导耳机的串声消除方法，包括：
获取用户佩戴骨传导耳机时的骨传导传递矩阵；
根据用户双耳两侧个性化骨传导传递函数的奇异值出现的频率范围，获取形状因子的阻带频率范围；
根据所述骨传导传递矩阵、所述形状因子的阻带频率范围和滤波时的滤波器阶数，得到滤波后的近似串声消除矩阵；
利用所述近似串声消除矩阵对输入到骨传导耳机的双耳信号进行串声消除，得到消除串声的声音信号；所述双耳信号为包含声源位置信息的信号；
播放所述消除串声的声音信号，得到用户双耳听到的声音信号；
根据所述骨传导传递矩阵、所述近似串声消除矩阵和所述用户双耳听到的声音信号确定最终的串声消除矩阵；
根据所述最终的串声消除矩阵对输入到骨传导耳机的双耳信号进行串声消除。
可选的，所述获取用户佩戴骨传导耳机时的骨传导传递矩阵，具体为：
利用骨传导扫频音来诱发刺激频率耳声发射信号；
根据扫频刺激信号和刺激频率耳声发射信号求出骨传导耳机到用户双侧内耳之间的骨传导传递函数；
根据所述骨传导传递函数得到骨传导传递矩阵。
可选的，所述根据所述骨传导传递矩阵、所述形状因子的阻带频率范围和滤波时的滤波器阶数，得到滤波后的近似串声消除矩阵，具体为：根据所述骨传导传递矩阵、所述形状因子的阻带频率范围和滤波时的滤波器阶数，利用频域快速解卷积法得到滤波后的近似串声消除矩阵。
可选的，所述根据所述骨传导传递矩阵、所述近似串声消除矩阵和所述用户双耳听到的声音信号确定最终的串声消除矩阵，具体为：
根据所述骨传导传递矩阵和所述近似串声消除矩阵计算通道分离度；
根据所述用户双耳听到的声音信号和期望信号计算性能误差；
根据所述通道分离度和所述性能误差确定最终的串声消除矩阵。
可选的，所述双耳信号是根据包含声源位置信息的头相关传输函数对单路信号进行合成得到的。
可选的，所述单路信号为1.5秒的最大长度伪随机序列信号，所述单路信号的采样率为44.1kHz。
一种骨传导耳机的串声消除系统，包括：
传递矩阵获取模块，用于获取用户佩戴骨传导耳机时的骨传导传递矩阵；
形状因子阻带频率范围获取模块，用于根据用户双耳两侧个性化骨传导传递函数的奇异值出现的频率范围，获取形状因子的阻带频率范围；
串声消除矩阵获取模块，用于根据所述骨传导传递矩阵、所述形状因子的阻带频率范围和滤波时的滤波器阶数，得到滤波后的近似串声消除矩阵；
第一串声消除模块，用于利用所述近似串声消除矩阵对输入到骨传导耳机的双耳信号进行串声消除；得到消除串声的声音信号；所述双耳信号为包含声源位置信息的双耳信号；
声音信号获取模块，用于播放所述消除串声的声音信号，得到用户双耳听到的声音信号；
串声消除矩阵确定模块，用于根据所述骨传导传递矩阵、所述近似串声消除矩阵和所述用户双耳听到的声音信号确定最终的串声消除矩阵；
第二串声消除模块，用于根据所述最终的串声消除矩阵对输入到骨传导耳机的双耳信号进行串声消除。
可选的，所述传递矩阵获取模块包括：
发射信号单元，用于利用骨传导扫频音来诱发刺激频率耳声发射信号；
骨传导传递函数计算单元，用于根据扫频刺激信号和刺激频率耳声发射信号求出骨传导耳机到用户双侧内耳之间的骨传导传递函数；
骨传导传递矩阵获取单元，用于根据所述骨传导传递函数得到骨传导传递矩阵。
可选的，所述串声消除矩阵确定模块包括：
通道分离度计算单元，用于根据所述骨传导传递矩阵和所述近似串声消除矩阵计算通道分离度；
性能误差计算单元，用于根据所述用户双耳听到的声音信号和期望信号计算性能误差；
确定单元，用于根据所述通道分离度和所述性能误差确定最终的串声消除矩阵。
可选的，所述第一串声消除模块包括合成单元，用于根据包含声源位置信息的头相关传输函数对单路信号进行合成得到所述双耳信号
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种骨传导耳机的串声消除方法及系统，方法包括：获取用户佩戴骨传导耳机时的骨传导传递矩阵；获取形状因子的阻带频率范围；根据骨传导传递矩阵、形状因子的阻带频率范围和滤波时的滤波器阶数，得到滤波后的近似串声消除矩阵；利用近似串声消除矩阵对输入到骨传导耳机的双耳信号进行串声消除；得到消除串声的声音信号；播放消除串声的声音信号，得到用户双耳听到的声音信号；根据骨传导传递矩阵、近似串声消除矩阵和用户双耳听到的声音信号确定最终的串声消除矩阵；根据所述最终的串声消除矩阵对输入到骨传导耳机的双耳信号进行串声消除。本发明根据骨传导传递矩阵、近似串声消除矩阵和用户双耳听到的声音信号来调整获得合适的串声消除矩阵，可获得最佳的串声消除效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种骨传导耳机的串声消除方法流程图；
图2为本发明实施例提供的设备连接图；
图3为本发明实施例提供的频域快速解卷积法过程图；
图4为本发明实施例提供的双耳骨传导声的串声消除算法框图；
图5为本发明实施例提供的左耳通道分离度示意图；
图6为本发明实施例提供的右耳通道分离度示意图；
图7为本发明实施例提供的性能误差示意图；
图8为本发明实施例提供的一种骨传导耳机的串声消除系统的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种骨传导耳机的串声消除方法及系统，串声消除效果好。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
图1为本发明实施例提供的一种骨传导耳机的串声消除方法流程图。如图1所示，方法包括：
步骤101：获取用户佩戴骨传导耳机时的骨传导传递矩阵。在本实施例中具体为：利用骨传导扫频音来诱发刺激频率耳声发射信号，根据扫频刺激信号和刺激频率耳声发射信号求出骨传导耳机到用户双侧内耳之间的骨传导传递函数，根据所述骨传导传递函数得到骨传导传递矩阵。
步骤102：根据用户双耳两侧个性化骨传导传递函数的奇异值出现的频率范围，获取形状因子的阻带频率范围。
步骤103：根据所述骨传导传递矩阵、所述形状因子的阻带频率范围和滤波时的滤波器阶数，得到滤波后的近似串声消除矩阵。在本实施例中具体为：根据所述骨传导传递矩阵、所述形状因子的阻带频率范围和滤波时的滤波器阶数，利用频域快速解卷积法得到滤波后的近似串声消除矩阵。
步骤104：利用所述近似串声消除矩阵对输入到骨传导耳机的双耳信号进行串声消除，得到消除串声的声音信号，所述双耳信号为包含声源位置信息的信号。在本实施例中双耳信号是根据包含声源位置信息的头相关传输函数(Head-Related TransferFunction,HRTF)对单路信号进行合成得到的。其中所述单路信号为1.5秒的最大长度伪随机序列信号，所述单路信号的采样率为44.1kHz。
步骤105：播放所述消除串声的声音信号，得到用户双耳听到的声音信号。在本实施例中，进行双耳的骨传导声重放时，两个骨传导耳机的佩戴位置应该和该受试者测量BCTF时的头部位置相同，误差不应太大。佩戴位置为两侧耳朵后的乳突处。
步骤106：根据所述骨传导传递矩阵、所述近似串声消除矩阵和所述用户双耳听到的声音信号确定最终的串声消除矩阵。在本实施例中，具体为：根据所述骨传导传递矩阵和所述近似串声消除矩阵计算通道分离度，根据所述用户双耳听到的声音信号和期望信号计算性能误差，根据所述通道分离度和所述性能误差确定最终的串声消除矩阵。
步骤107：根据所述最终的串声消除矩阵对输入到骨传导耳机的双耳信号进行串声消除。
实施例2
选择一名听力正常且无外耳或中耳病史的受试者(24岁)，首先利用骨传导扫频音来诱发刺激频率耳声发射信号，后续提取出纯净的扫频刺激频率耳声发射信号，通过与扫频刺激信号做互相关运算求得骨传导脉冲响应信号，再经过傅里叶变换便可估计出骨传导耳机到此受试者双侧内耳之间的骨传导传递函数，便可获得对应的骨传导传输矩阵。受试者坐在隔音室中进行听音实验，设备连接如图2所示。
首先根据此受试者两侧的个性化BCTF(骨传导传输函数)的奇异值出现的频率范围，来设置形状因子B(z)的阻带频率范围，用来抑制病态现象，本发明根据此受试者的数据设置的B(z)阻带频率范围为0.55～7.5kHz。
通过频域快速解卷积算法求得一组因果的有限脉冲响应滤波器H(z)，使得H(z)与C(z)的乘积近似为单位矩阵I，便可满足到达双耳的信号近似等于输入的双耳信号XL和XR。图3为本发明实施例提供的频域快速解卷积法过程图，如图3所示，X(z)为输入的双耳信号，H(z)为串声消除滤波器，v(z)为骨导耳机输入信号，w(z)为估计信号，d(z)为期望信号，e(z)为误差信号，A(z)为目标函数，z-m表示目标延时m个采样点。串声消除滤波器的设计可以等效为最小化代价函数的问题，代价函数为：
J＝E+β1V＝eH(z)e(z)+β1vH(z)v(z) (1)
其中，上标H表示共轭转置运算符，eH(z)e(z)为性能误差项，β1vH(z)v(z)为代价项，其中β1为正则化参数，表示频率计权函数的权重，常用于限制串声消除系统的滤波增益和矩阵可逆，该参数可为常数或与频率相关。为了便于控制各频点的增益，考虑加入与频率相关的形状因子B(z)，即将β1分解为正则化常量增益因子β和形状因子B(z)。由J最小化的条件，可求解得串声消除矩阵H的近似解为：
H(z)＝(CH(z)C(z)+βBH(z)B(z))-1CH(z)z-m (2)
其中，C表示受试者包含骨导振子传输特性的骨传导传递函数，z-m用来保证串声消除滤波的因果性，本实施例的m取3.125ms，β为正则化常量增益因子，0＜β≤1，形状因子B(z)为Z域滤波器用来限定选定频段的滤波器增益，防止出现病态现象。在式(2)的基础上进行数字采样，便可获得相应的离散频点的系数，如下式所示：
H(z)＝[CH(k)C(k)+βBH(k)B(k)]-1CH(k)exp{[-j2π(k-1)m]/N} (3)
其中，k＝1…N，N为滤波器的阶数。
本实施例中，正则化常量增益因子β分别取10-2、10-4、10-6和10-8，来观察不同的β对串声消除系统(Crosstalk Cancellation System，CCS)性能的影响，并通过通道分离度(Channel Separation，CS)和性能误差(Performance Error，PE)来选择最佳的β值。滤波器阶数为2048阶。
通过CS和PE来对串声消除系统的性能进行调整。
CS表示串声和直达声之间的幅度比，单位用dB表示，值越小表示通道分离度越好，反之越差。左右耳的通道分离度计算公式为：
其中，骨传导传输矩阵C和串声消除矩阵H分别为
PE表示频域上系统的输出与期望信号的比值，单位用dB表示，值越接近0dB表示性能误差越小，反之误差越大。性能误差计算公式为：
其中XW为用户双耳听到的信号，XD为期望信号。
图4为本发明实施例提供的双耳骨传导声的串声消除算法框图。在通过快速解卷积算法得到串声消除矩阵H后，通过将单路信号S通过HRTF滤波后得到双耳信号XL和XR，其中S为1.5秒的MLS信号，采样率为44.1kHz。在通过串声消除滤波器H滤波后得到左右骨导耳机的输入信号YL和YR，之后对此受试者按图2中所示进行主观听音实验，将YL和YR分别输送给佩戴在左右乳突上的骨导耳机。与此同时按照式(4)(5)(8)来计算CS和PE两个指标，根据计算结果来调整形状因子B(z)、正则化常量增益因子β和滤波器阶数N。
图5为本发明实施例提供的左耳通道分离度示意图，图6为本发明实施例提供的右耳通道分离度示意图。两幅图的曲线趋势比较相似，从图中可以看到正则化常量增益因子β越小，通道分离度越高，即串声消除效果越好。这是因为β越小，相应地降低了式(1)中代价项的比重，从而提高了误差逼近的性能，通道分离度也随之提高。当β≤10-4时，CS值基本在-50dB以下，当β＝10-2时，5kHz以上频率的CS值都在-50dB以上，并且四条曲线都在2kHz附近有一个较大谷底。图7为本发明实施例提供的性能误差示意图，当β≥10-4时的PE值较接近0dB，即性能误差较小，且在4kHz之前中低频范围内波动较大，随着频率增加，在9～10kHz附近性能误差变大；当β＜10-4时，性能误差在前5kHz很大，在此频率之后PE值接近0dB，这可能是由于形状因子的阻带范围未设置合适。根据此受试者的CS和PE指标，可以判断适合于她的最佳正则化常量增益因子取值范围为β≥10-4，实际最合适的参数值还需根据形状因子和滤波器阶数等参数的综合影响效果来选择。
实施例3
图8为本发明实施例提供的一种骨传导耳机的串声消除系统的结构框图，如图8所示，系统包括：
传递矩阵获取模块201，用于获取用户佩戴骨传导耳机时的骨传导传递矩阵。
在本实施例中，所述传递矩阵获取模块201包括：发射信号单元，用于利用骨传导扫频音来诱发刺激频率耳声发射信号；骨传导传递函数计算单元，用于根据扫频刺激信号和刺激频率耳声发射信号求出骨传导耳机到用户双侧内耳之间的骨传导传递函数；骨传导传递矩阵获取单元，用于根据所述骨传导传递函数得到骨传导传递矩阵。
形状因子阻带频率范围获取模块202，用于根据用户双耳两侧个性化骨传导传递函数的奇异值出现的频率范围，获取形状因子的阻带频率范围。
串声消除矩阵获取模块203，用于根据所述骨传导传递矩阵、所述形状因子的阻带频率范围和滤波时的滤波器阶数，得到滤波后的近似串声消除矩阵。
第一串声消除模块204，用于利用所述近似串声消除矩阵对输入到骨传导耳机的双耳信号进行串声消除，得到消除串声的声音信号；所述双耳信号为包含声源位置信息的信号。
在本实施例中，所述第一串声消除模块204包括合成单元，用于根据包含声源位置信息的头相关传输函数对单路信号进行合成得到所述双耳信号。
声音信号获取模块205，用于播放所述消除串声的声音信号，得到用户双耳听到的声音信号。
串声消除矩阵确定模块206，用于根据所述骨传导传递矩阵、所述近似串声消除矩阵和所述用户双耳听到的声音信号确定最终的串声消除矩阵。
在本实施例中，所述串声消除矩阵确定模块206包括：通道分离度计算单元，用于根据所述骨传导传递矩阵和所述近似串声消除矩阵计算通道分离度；性能误差计算单元，用于根据所述用户双耳听到的声音信号和期望信号计算性能误差；确定单元，用于根据所述通道分离度和所述性能误差确定最终的串声消除矩阵。
第二串声消除模块207，用于根据所述最终的串声消除矩阵对输入到骨传导耳机的双耳信号进行串声消除。
根据本发明的实施例，本发明公开了以下技术效果：
1、本发明根据不同受试者自身头部测得的双侧BCTF数据来研究双耳骨传导声重放中的串声消除，可以更好地提升双耳骨传导声重放效果。
2、本发明根据骨传导传递矩阵、近似串声消除矩阵和用户双耳听到的声音信来调整获得合适的串声消除矩阵，可获得最佳的串声消除效果。
3、应用的频域快速解卷积算法的计算量小，简单有效，实用性高。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种骨传导耳机的串声消除方法，其特征在于，包括：
获取用户佩戴骨传导耳机时的骨传导传递矩阵；
根据用户双耳两侧个性化骨传导传递函数的奇异值出现的频率范围，获取形状因子的阻带频率范围；
根据所述骨传导传递矩阵、所述形状因子的阻带频率范围和滤波时的滤波器阶数，得到滤波后的近似串声消除矩阵；
利用所述近似串声消除矩阵对输入到骨传导耳机的双耳信号进行串声消除，得到消除串声的声音信号；所述双耳信号为包含声源位置信息的信号；
播放所述消除串声的声音信号，得到用户双耳听到的声音信号；
根据所述骨传导传递矩阵、所述近似串声消除矩阵和所述用户双耳听到的声音信号确定最终的串声消除矩阵；
根据所述最终的串声消除矩阵对输入到骨传导耳机的双耳信号进行串声消除；
所述根据所述骨传导传递矩阵、所述近似串声消除矩阵和所述用户双耳听到的声音信号确定最终的串声消除矩阵，具体为：
根据所述骨传导传递矩阵和所述近似串声消除矩阵计算通道分离度；
根据所述用户双耳听到的声音信号和期望信号计算性能误差；
根据所述通道分离度和所述性能误差确定最终的串声消除矩阵。
2.根据权利要求1所述的串声消除方法，其特征在于，所述获取用户佩戴骨传导耳机时的骨传导传递矩阵，具体为：
利用骨传导扫频音来诱发刺激频率耳声发射信号；
根据扫频刺激信号和刺激频率耳声发射信号求出骨传导耳机到用户双侧内耳之间的骨传导传递函数；
根据所述骨传导传递函数得到骨传导传递矩阵。
3.根据权利要求1所述的串声消除方法，其特征在于，所述根据所述骨传导传递矩阵、所述形状因子的阻带频率范围和滤波时的滤波器阶数，得到滤波后的近似串声消除矩阵，具体为：根据所述骨传导传递矩阵、所述形状因子的阻带频率范围和滤波时的滤波器阶数，利用频域快速解卷积法得到滤波后的近似串声消除矩阵。
4.根据权利要求1所述的串声消除方法，其特征在于，所述双耳信号是根据包含声源位置信息的头相关传输函数对单路信号进行合成得到的。
5.根据权利要求4所述的串声消除方法，其特征在于，所述单路信号为1.5秒的最大长度伪随机序列信号，所述单路信号的采样率为44.1kHz。
6.一种骨传导耳机的串声消除系统，其特征在于，包括：
传递矩阵获取模块，用于获取用户佩戴骨传导耳机时的骨传导传递矩阵；
形状因子阻带频率范围获取模块，用于根据用户双耳两侧个性化骨传导传递函数的奇异值出现的频率范围，获取形状因子的阻带频率范围；
串声消除矩阵获取模块，用于根据所述骨传导传递矩阵、所述形状因子的阻带频率范围和滤波时的滤波器阶数，得到滤波后的近似串声消除矩阵；
第一串声消除模块，用于利用所述近似串声消除矩阵对输入到骨传导耳机的双耳信号进行串声消除；得到消除串声的声音信号；所述双耳信号为包含声源位置信息的双耳信号；
声音信号获取模块，用于播放所述消除串声的声音信号，得到用户双耳听到的声音信号；
串声消除矩阵确定模块，用于根据所述骨传导传递矩阵、所述近似串声消除矩阵和所述用户双耳听到的声音信号确定最终的串声消除矩阵；
第二串声消除模块，用于根据所述最终的串声消除矩阵对输入到骨传导耳机的双耳信号进行串声消除；
所述串声消除矩阵确定模块包括：
通道分离度计算单元，用于根据所述骨传导传递矩阵和所述近似串声消除矩阵计算通道分离度；
性能误差计算单元，用于根据所述用户双耳听到的声音信号和期望信号计算性能误差；
确定单元，用于根据所述通道分离度和所述性能误差确定最终的串声消除矩阵。
7.根据权利要求6所述的串声消除系统，其特征在于，所述传递矩阵获取模块包括：
发射信号单元，用于利用骨传导扫频音来诱发刺激频率耳声发射信号；
骨传导传递函数计算单元，用于根据扫频刺激信号和刺激频率耳声发射信号求出骨传导耳机到用户双侧内耳之间的骨传导传递函数；
骨传导传递矩阵获取单元，用于根据所述骨传导传递函数得到骨传导传递矩阵。
8.根据权利要求6所述的串声消除系统，其特征在于，所述第一串声消除模块包括合成单元，用于根据包含声源位置信息的头相关传输函数对单路信号进行合成得到所述双耳信号。
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