[0001] Verfahren zur Erzeugung von Stereosignalen für getrennte Quellen und entsprechendes
Akustiksystem
[0002] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Stereosignalen
jeweils für mindestens zwei Schallquellen. Darüber hinaus betrifft die vorliegende
Erfindung ein entsprechendes Akustiksystem zur Erzeugung von Stereosignalen. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung Hörgeräte bzw. Hörhilfegeräte.
[0003] Ein Verfahren zur Erzeugung jeweils eines Monosignals beim Empfang mehrerer Schallquellen
für jede von ihnen ist aus dem Aufsatz J. Benesty, Y. Huang: Adaptive Signal Processing:
Applications in Real-World Problems, Springer-Verlag: Berlin, New York, Seiten 195-223,
2003 bekannt. Die dort vorgestellten BSS-Verfahren (Blind Source Separation = Blinde
Quellentrennung) können räumlich getrennte aber zeitlich überlagerte Quellen trennen
und einzeln wiedergeben. Ein derartiges BSS-Verfahren kann beispielsweise bei binauraler
Versorgung oder speziell bei einem binauralen Richtmikrofon Verwendung finden, wobei
je ein Mikrofonsignal vom rechten und linken Hörgerät genutzt wird.
[0004] Ein bislang noch ungelöstes Problem besteht darin, dass das BSS-Verfahren für jede
der getrennten Quellen nur ein Monosignal zur Verfügung stellt. Böte man dem Hörgeräteträger
dieses Signal auf beiden Hörgeräten identisch an, könnte er die Quellen zwar sehr
gut getrennt wahrnehmen, allerdings wäre deren räumliche Lokalisation nicht möglich.
Hierzu müssten sich nämlich die rechts und links dargebotenen Signale durch die für
natürliche Signale üblichen, interauralen Pegel- und Laufzeitdifferenzen unterscheiden.
[0005] Alternative Verfahren neben den BSS-Verfahren zur binauralen Richtmikrofonie zeigen
eine sehr eingeschränkte Leistungsfähigkeit und kommen deshalb und auch wegen der
bisher nicht vorhandenen, drahtlosen Verbindung zwischen Hörgeräten nicht zum Einsatz.
[0006] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren zur besseren
Wahrnehmbarkeit von getrennten Schallquellen vorzuschlagen. Darüber hinaus soll ein
entsprechendes Akustiksystem angegeben werden.
[0007] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Erzeugung von Stereosignalen
jeweils für mindestens zwei abgetrennte Schallquellen, durch Ausführen einer Blinden
Quellentrennung von mindestens zwei Mikrofonsignalen zur Gewinnung von Übertragungsfunktionen
von Filtern einer ersten Filtereinrichtung, Ermitteln von Übertragungsfunktionen von
Filtern einer zweiten Filtereinrichtung mit Hilfe der Übertragungsfunktionen der Filter
der ersten Filtereinrichtung, wobei deren Übertragungsfunktionen jeweils dem Quotienten
aus einem Leistungsdichtespektralanteil der jeweiligen Schallquelle und dem Gesamtleistungsdichtespektrum
des jeweiligen Mikrofonsignals entsprechen, und Filtern der mindestens zwei Mikrofonsignale
jeweils mit mindestens zwei Filtern der zweiten Filtereinrichtung, so dass für jedes
Mikrofonsignal zwei Stereosignale gewonnen werden.
[0008] Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen ein Verfahren zur Erzeugung von Stereosignalen
jeweils für mindestens zwei abgetrennte Schallquellen, durch Ausführen einer Blinden
Quellentrennung von mindestens zwei Mikrofonsignalen mit Hilfe einer ersten Filtereinrichtung
zur Gewinnung zweier Monoausgangssignale und Filtern jedes der Monoausgangssignale
jeweils mit mindestens zwei zweiten Filtern einer zweiten Filtereinrichtung, deren
Übertragungsfunktionen aus den Übertragungsfunktionen der Filter der ersten Filtereinrichtung
berechnet werden, so dass für jedes Monoausgangssignal zwei Stereosignale gewonnen
werden. Dabei können die Übertragungsfunktionen von den Schallquellen zu den Mikrofonen
berechnet und mit den Monoausgangssignalen multipliziert werden, woraus sich die Übertragungsfunktionen
der zweiten Filter gewinnen lassen.
[0009] Darüber hinaus ist erfindungsgemäß vorgesehen ein Akustiksystem zur Erzeugung von
Stereosignalen jeweils für mindestens zwei getrennte Schallquellen, mit einer Mikrofoneinrichtung
zur Bereitstellung von mindestens zwei Mikrofonsignalen, einer ersten Filtereinrichtung
zur Blinden Quellentrennung der mindestens zwei Mikrofonsignale unter Gewinnung der
Übertragungsfunktionen von Filtern der ersten Filtereinrichtung, einer zweiten Filtereinrichtung
zum Filtern jedes der Mikrofonsignalen, so dass für jedes Mikrofonsignal zwei Stereosignale
erzeugbar sind, und einer Recheneinrichtung zum Ermitteln der Übertragungsfunktionen
von Filtern der zweiten Filtereinrichtung mit Hilfe der Übertragungsfunktionen der
Filter der ersten Filtereinrichtung, wobei deren Übertragungsfunktionen jeweils dem
Quotienten aus einem Leistungsdichtespektralanteil der jeweiligen Schallquelle und
dem Gesamtleistungsdichtespektrum des jeweiligen Mikrofonsignals entsprechen.
[0010] Schließlich ist auch vorgesehen ein Akustiksystem zur Erzeugung von Stereosignalen
jeweils für mindestens zwei getrennte Schallquellen, mit einer Mikrofoneinrichtung
zur Bereitstellung von mindestens zwei Mikrofonsignalen, einer ersten Filtereinrichtung
zur Blinden Quellentrennung der mindestens zwei Mikrofonsignale unter Gewinnung der
Übertragungsfunktionen von Filtern der ersten Filtereinrichtung und zur Gewinnung
zweier Monoausgangssignale, einer zweiten Filtereinrichtung zum Filtern jedes der
Monoausgangssignale, so dass für jedes Monoausgangssignal zwei Stereosignale erzeugbar
sind, und einer Recheneinrichtung zum Ermitteln der Übertragungsfunktionen von Filtern
der zweiten Filtereinrichtung mit Hilfe der Übertragungsfunktionen der Filter der
ersten Filtereinrichtung.
[0011] In vorteilhafter Weise wird durch das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße
Akustiksystem die Schätzung der zu trennenden Signale zum Beispiel für jedes Hörgerät,
Head-Set oder dergleichen möglich.
[0012] Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Filter durch Wiener-Filter realisiert. Diese
können adaptiv gestaltet sein.
[0013] Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert,
in denen zeigen:
- FIG 1
- ein Signalmodell und BSS-Verfahren gemäß dem Stand der Technik;
- FIG 2
- ein erfindungsgemäßes Verarbeitungsschema entsprechend einer ersten Ausführungsform
zur Bereitstellung einer binauralen Ausgabe bzw. Stereoausgabe und
- FIG 3
- ein erfindungsgemäßes Verarbeitungsschema entsprechend einer zweiten Ausführungsform
zur Bereitstellung einer binauralen Ausgabe bzw. Stereoausgabe.
[0014] Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dar.
[0015] Zur Realisierung eines binauralen Richtmikrofons mit Stereo- bzw. binauraler Wiedergabe
wird ein BSS-Verfahren verwendet. Allgemein können BSS-Verfahren anhand von FIG 1
erläutert werden. Hierzu wird nochmals auf den Aufsatz von J. Benesty und Y. Huang
hingewiesen. Dementsprechend wird die Signalübertragung von zwei Signalquellen zu
zwei Mikrofonen durch das Signalmodell SIG beschrieben. Die weitere Verarbeitung von
den Mikrofonen zum Ausgang wird durch ein BSS-Modell BSS dargestellt.
[0016] Entsprechend dem Signalmodell SIG werden die Signale
s1(k) der ersten Signalquelle und die Signale
s2(k) der zweiten Signalquelle jeweils zu beiden Mikrofonen übertragen, wobei
k Abtastzeitpunkte darstellt. Die Übertragungsfunktionen im Spektralbereich für die
einzelnen Übertragungswege können durch Signalmodellfilter
Hij(Ω) symbolisiert werden. An den Mikrofonen werden die Signale der beiden Signalquellen
additiv zu den Mikrofonsignalen
x1(k) und
x2(k) überlagert.
[0017] Um nun die einzelnen Signalanteile wieder aufzutrennen, wird das BSS-Modell entsprechend
FIG 1 angewandt. Dabei wird mit Hilfe von adaptiven BSS-Filtern
Wij(Ω) aus den Mikrofonsignalen
x1(k) und
x2(k) für jede Quelle jeweils ein Monoausgangssignal
y1(k) und
y2(k) ermittelt. Auch hier liefert jedes der beiden Mikrofonsignale einen Beitrag zum jeweiligen
Ausgangssignal.
[0018] Für BSS gilt zunächst folgender Zusammenhang zwischen den Signalmodellfiltern
Hij(Ω) und den adaptiven BSS-Filtern
Wij(Ω
) :

[0019] BSS-Verfahren bestimmen nun die Filter-Werte
W11(Ω), W12(Ω), W21(Ω) und
W22(Ω). Unbekannt sind die Signalmodell-Filter
H11(Ω), H12(Ω), H21(Ω) und
H22(Ω) und die (komplexen) Gewichtungen
c1(Ω) und
c2(Ω) der Signale nach Trennung. Man kann die obige Matrix-Gleichung nun nach
H11(Ω), H12(Ω), H21(Ω) und
H22(Ω) auflösen. Daraus ergibt sich:

[0020] Ziel ist es, Stereosignale zu erhalten, die zum rechten und linken Hörgerät übertragen
werden und beim Hörgeräteträger eine räumliche Wahrnehmung erlauben.
[0021] Nachfolgend werden nun zwei Verfahren vorgestellt, mit denen es möglich ist, die
gewünschten binauralen Signale für beide getrennten Quellen zu berechnen.
1) Berechnung der Stereo- bzw. binauralen Signale mit Hilfe von Wiener-Filtern
[0022] Entsprechend der ersten Methode nach FIG 2 werden die Wiener-Filter für das BSS-Verfahren
berechnet. Die Ausgangssignale
y1(k) und
y2(k) des BSS-Verfahrens werden für die weitere Verarbeitung nicht mehr benötigt. Es werden
jedoch die Filter
Wij(Ω) der BSS mit i = 1,2 und j = 1,2 verwendet. Aus den Filterwerten
Wij(Ω) werden Nachbearbeitungsfilter
Gij(Ω) mit i=1,2 und j=1,2 berechnet, wie dies in FIG 2 durch den Pfeil vom Filter BSS zum
Filter G angedeutet ist.
[0023] Durch das Filter G werden nun das linke Mikrofonsignal
x1(k) und das rechte Mikrofonsignal x2(k) gefiltert, so dass sich die Stereoausgangssignale
z1links(k), z1rechts(k), z2links(k) und
z2rechts(k) für die binaurale Versorgung bzw. Stereoversorgung ergeben. Das linke Mikrofonsignal
x1(k) wird hierfür durch die Filtereinheiten
G11(Ω) und
G12(Ω) gefiltert. Dementsprechend wird das rechte Mikrofonsignal
x2(k) durch die Filtereinheiten
G21(Ω) und
G22(Ω) gefiltert, um die Stereosignale der einzelnen Schallquellen für den rechten Kanal
zu erhalten.
[0024] Nutzt man obige Gleichungen, können die Leistungsdichtespektren
Sx1x1(Ω) und
Sx2x2(Ω) der beiden Mikrofonsignale
x1(k) und
x2(k) folgendermaßen geschrieben werden:

[0025] Dabei bedeuten
Ss1s1(Ω) und
Ss2s2(Ω) die Leistungsdichtespektren der beiden Signalquellen.
[0026] Löst man diese Gleichungen nun nach den unbekannten Werten
Ss1s1(Ω)|
c1(Ω)|
2 und
Ss2s2 (Ω)|
c2(Ω)|
2 auf, ergibt sich:

[0028] Die vier Wiener-Filter zur Extraktion der Signalanteile von
S1(Ω) und
S2(Ω) aus den Mikrofonsignalen
X1(Ω) und
X2(Ω) ergeben sich somit zu:
- 1. Berechnung des Signalanteils von S1(Ω) im ersten Mikrofon: Applikation des folgenden Filters auf das Signal X1(Ω):

- 2. Berechnung des Signalanteils von S2(Ω) im ersten Mikrofon: Applikation des folgenden Filters auf das Signal X1(Ω):

- 3. Berechnung des Signalanteils von S1(Ω) im zweiten Mikrofon: Applikation des folgenden Filters auf das Signal X2(Ω) :

- 4. Berechnung des Signalanteils von S2(Ω) im zweiten Mikrofon: Applikation des folgenden Filters auf das Signal X2(Ω) :

[0029] Alle notwendigen Größen, d. h. die Filterwerte
Wij(Ω), aus denen die Werte
H̃ij(Ω) berechnet werden, sowie die Leistungsdichtespektren
Sx1x1(Ω) und
Sx2x2(Ω) stehen zu jedem Zeitpunkt zur Verfügung oder können instantan geschätzt werden.
[0030] Bei dieser Anwendung der Wiener-Filterung treten nicht die bekannten Artefakte auf,
wie sie von klassischen Geräuschreduktionsverfahren bekannt sind, da alle notwendigen
Leistungsdichtespektren instantan geschätzt werden können. Sie müssen nicht geglättet
geschätzt werden bzw. eine Aussetzung der Schätzung während bestimmter Zeitabschnitte
ist nicht nötig.
2) Direkte Berechnung der Stereo- bzw. binauralen Ausgangssignale basierend auf den
Monoausgangssignalen des BSS-Verfahrens und der geschätzten Filterwerte Wij(Ω)
[0031] Alternativ können nach FIG 3 die binauralen Signalanteile bzw. Stereosignalanteile
z1links(k) bzw.
z1rechts(k),
z21inks(k) und
z2rechts(k) auch folgendermaßen direkt mit Hilfe der Ausgangssignale des BSS-Verfahrens,
y1(k) und
y2(k), sowie der implizit beim BSS-Verfahren geschätzten Filterwerte
Wij(Ω) berechnet werden:
- 1. Berechnung des Signalanteils von S1(Ω) im ersten Mikrofon:

- 2. Berechnung des Signalanteils von S1(Ω) im zweiten Mikrofon:

- 3. Berechnung des Signalanteils von S2(Ω) im ersten Mikrofon:

- 4. Berechnung des Signalanteils von S2(Ω) im zweiten Mikrofon:

[0032] Somit werden die Ausgangssignale des BSS-Verfahrens
y1(k), y2(k) (Y1(Ω) und
Y2(Ω) im Spektralbereich) durch die Filtereinrichtung
H̃ weiterverarbeitet. Dies bedeutet, dass das Monoausgangssignal
y1(k) betreffend die Signalquelle
S1 durch die Filter
H̃11(Ω) und
H̃21(Ω) gefiltert wird, so dass sich die Stereosignale
z1links(k) und
z1rechts(k) für die Signalquelle
S1 ergeben. Analog wird das Monoausgangssignal
y2(k) durch die beiden Filter
H̃12(Ω
) und
H̃22(Ω
) gefiltert, so dass sich die Stereoausgangssignale
z21inks(k) und
z2rechts(k) für die Signalquelle
S2 ergeben.
[0033] Es werden also die beim BSS-Verfahren implizit geschätzten Filter
Wij(Ω) zur Berechnung der Filter
Hij(Ω) genutzt, die die Übertragungsfunktionen von den Quellen zu den Mikrofonen beschreiben.
Multipliziert man diese entsprechend den obigen Gleichungen mit den geschätzten Monosignalen
Y1(Ω) und
Y2(Ω), erhält man die gewünschten binauralen Signale. Diese Berechnung ist möglich, da
die zur Ermittlung der Filterwerte
Hij(Ω) und der Quellsignale
S1(Ω) und
S2(Ω) fehlenden Ausgleichsfaktoren
c1 und
c2 sich bei der Multiplikation gerade aufheben.
1. Verfahren zur Erzeugung von Stereosignalen jeweils für mindestens zwei abgetrennte
Schallquellen,
gekennzeichnet durch
- Ausführen einer Blinden Quellentrennung (BSS) von mindestens zwei Mikrofonsignalen
(x1(k), x2(k)) zur Gewinnung von Übertragungsfunktionen von Filtern einer ersten Filtereinrichtung
(W11(Ω), W12(Ω), W21(Ω), W22(Ω)),
- Ermitteln von Übertragungsfunktionen von Filtern einer zweiten Filtereinrichtung
(G11(Ω), G12(Ω), G21(Ω), G22(Ω)) mit Hilfe der Übertragungsfunktionen der Filter der ersten Filtereinrichtung (W11(Ω), W12(Ω), W21(Ω), W22(Ω)), wobei deren Übertragungsfunktionen jeweils dem Quotienten aus einem Leistungsdichtespektralanteil
(P11(Ω), P12(Ω), P21(Ω), P22(Ω)) der jeweiligen Schallquelle und dem Gesamtleistungsdichtespektrum (Sx1x1(Ω), Sx2x2(Ω)) des jeweiligen Mikrofonsignals (x1(k), x2(k)) entsprechen, und
- Filtern der mindestens zwei Mikrofonsignale (x1(k), x2(k)) jeweils mit mindestens zwei Filtern der zweiten Filtereinrichtung (G11(Ω), G12(Ω), G21(Ω), G22(Ω)), so dass für jedes Mikrofonsignal (x1(k), x2(k)) zwei Stereosignale (z1links(k), z1rechts(k), z21inks, z2rechts(k)) gewonnen werden.
2. Verfahren zur Erzeugung von Stereosignalen jeweils für mindestens zwei abgetrennte
Schallquellen,
gekennzeichnet durch
- Ausführen einer Blinden Quellentrennung (BSS) von mindestens zwei Mikrofonsignalen
(x1(k), x2(k)) mit Hilfe einer ersten Filtereinrichtung (W11(Ω), W12(Ω), W21(Ω), W22(Ω)) zur Gewinnung zweier Monoausgangssignale (y1(k), y2(k)) und
- Filtern jedes der Monoausgangssignale (y1(k), y2(k)) jeweils mit mindestens zwei zweiten Filtern einer zweiten Filtereinrichtung (H̃11(Ω), H̃12(Ω), H̃21(Ω), H̃22(Ω)), deren Übertragungsfunktionen aus den Übertragungsfunktionen der Filter der ersten
Filtereinrichtung (W11(Ω), W12(Ω), W21(Ω), W22(Ω)) berechnet werden, so dass für jedes Monoausgangssignal (y1(k), y2(k)) zwei Stereosignale (z1links(k), z1rechts(k), z21inks, z2rechts(k)) gewonnen werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten und/oder zweiten
Filter Wiener-Filter sind.
4. Akustiksystem zur Erzeugung von Stereosignalen jeweils für mindestens zwei getrennte
Schallquellen,
gekennzeichnet durch
- eine Mikrofoneinrichtung zur Bereitstellung von mindestens zwei Mikrofonsignalen
(x1(k), x2(k)),
- eine erste Filtereinrichtung (W11(Ω), W12(Ω), W21(Ω), W22(Ω)) zur Blinden Quellentrennung (BSS) der mindestens zwei Mikrofonsignale unter Gewinnung
der Übertragungsfunktionen von Filtern der ersten Filtereinrichtung (W11(Ω), W12(Ω), W21(Ω), W22(Ω)),
- eine zweite Filtereinrichtung (G11(Ω), G12(Ω), G21(Ω), G22(Ω)) zum Filtern jedes der Mikrofonsignalen (x1(k), x2(k)), so dass für jedes Mikrofonsignal (x1(k), x2(k)) zwei Stereosignale (z1links(k), z1rechts(k), z21inks, z2rechts(k)) erzeugbar sind und
- eine Recheneinrichtung zum Ermitteln der Übertragungsfunktionen von Filtern der
zweiten Filtereinrichtung (G11(Ω), G12(Ω), G21(Ω), G22(Ω)) mit Hilfe der Übertragungsfunktionen der Filter der ersten Filtereinrichtung (W11(Ω), W12(Ω), W21(Ω), W22(Ω)), wobei deren Übertragungsfunktionen jeweils dem Quotienten aus einem Leistungsdichtespektralanteil
(P11(Ω), P12(Ω), P21(Ω), P22(Ω)) der jeweiligen Schallquelle und dem Gesamtleistungsdichtespektrum (Sx1x1(Ω), Sx2x2(Ω)) des jeweiligen Mikrofonsignals (x1(k), x2(k)) entsprechen.
5. Akustiksystem zur Erzeugung von Stereosignalen jeweils für mindestens zwei getrennte
Schallquellen,
gekennzeichnet durch
- eine Mikrofoneinrichtung zur Bereitstellung von mindestens zwei Mikrofonsignalen
(x1(k), x2(k)),
- eine erste Filtereinrichtung (W11(Ω), W12(Ω), W21(Ω), W22(Ω)) zur Blinden Quellentrennung (BSS) der mindestens zwei Mikrofonsignale unter Gewinnung
der Übertragungsfunktionen von Filtern der ersten Filtereinrichtung (W11(Ω), W12(Ω), W21(Ω), W22(Ω)) und zur Gewinnung zweier Monoausgangssignale (y1(k), y2(k)),
- eine zweite Filtereinrichtung (H̃11(Ω), H̃12(Ω), H̃21(Ω), H̃22(Ω)) zum Filtern jedes der Monoausgangssignale (y1(k), y2(k)), so dass für jedes Monoausgangssignal (y1(k), y2(k)) zwei Stereosignale (z11inks(k), z1rechts(k), z21inks, z2rechts(k)) erzeugbar sind, und
- eine Recheneinrichtung zum Ermitteln der Übertragungsfunktionen von Filtern der
zweiten Filtereinrichtung (H̃11(Ω), H̃12(Ω), H̃21(Ω), H̃22(Ω)) mit Hilfe der Übertragungsfunktionen der Filter der ersten Filtereinrichtung (W11(Ω), W12(Ω), W21(Ω), W22(Ω)).
6. Akustiksystem nach Anspruch 4 oder 5, das als Hörgerät ausgestaltet ist.
7. Akustiksystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die ersten und/oder zweiten
Filter Wiener-Filter sind.