一种背景噪声自适应的异常声音检测方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种背景噪声自适应的异常声音检测方法及系统。该系统，包括通用模块，还包括能量陡升检测模块，能量陡升检测模块包括背景噪声超时未更新检测模块；背景噪声判定模块；更新背景噪声能量模块；异常声音信号能量模块；能量陡升判决模块；陡升连续帧判决模块；输出能量陡升报警信号模块，还包括背景噪声陡降检测模块。本发明专利技术全部处理过程在时域，相比频域处理，运算量小，复杂度低；独创性的提出了能量陡升检测方法，将背景噪声和声音信号能量简单分离，运用了声音信号能量和背景噪声能量差值检测，异常声音报警门限可以根据背景噪声能量的变化而自动调整，有效避免硬门限的局限性，从而实现了背景噪声能量自适应的异常声音检测功能。

【技术实现步骤摘要】
（一）
本专利技术涉及声音信号处理领域，具体涉及一种背景噪声自适应的异常声音检测方法及系统。（二）
技术介绍
在日常生活中，各种突发事件会产生异常声音，对其进行检测分析可以推送报警信息给用户，可有效预防异常事件。例如仓库被盗时异常波动的声音信号、ATM自助银行内用户被抢劫时的喊叫打斗声、工厂机器停转导致的声音异常降低等，均可通过异常声音检测获取报警信息，降低用户人身安全威胁和财产损失。一种典型异常声音检测方法及装置CN201410850883.5，其采用声谱图构造识别特征矩阵的方法，相对时域运算具有较高复杂度，在有限资源的嵌入式设备中集成难度较大，且实时性不能保证；且该专利技术需要提前训练异常声音样本库，在安防监控领域各种异常声音不可预测，样本库也无法覆盖所有异常声音类型，例如在封闭金库等场景下，只要有声音信号的波动需立即报警，此时需要检测的是声音信号的异常波动，而不是异常声音的分类情况，因此基于分类的异常声音检测有可能失效。异常声音检测方法及系统CN201410765322.5，其采用时域能量与过零率为运算基础，但是其没有考虑背景噪声情况，麦克风拾取到的声音信号主要包括目标声音与背景噪声，例如在ATM自助银行拾取的声音可能会有街道噪声、下雨声、风声等，如果不通过一定算法将此类声音去除，会造成异常声音检测的误报率很高。（三）
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足之处，提供一种背景噪声自适应的异常声音检测方法及系统，该方法及系统，在能量陡升检测中，将声音信号和背景噪声区分开，避免由于噪声信号波动造成的误报警；同时提出了一种背景噪声陡降检测方法，可以有效监控工厂机器运转、麦克风被蒙蔽、麦克风损坏等情况。本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种背景噪声自适应的异常声音检测系统，包括通用模块，该通用模块包括：分帧模块：对声音信号s(n)进行分帧；帧信号RMS能量模块：计算一帧信号RMS值，记为frame_energy，其特殊之处在于：还包括能量陡升检测模块，其中，能量陡升检测模块包括：背景噪声超时未更新检测模块：设置计时器，若超过一定时间timeout_th还未更新背景噪声，则强制把当前帧信号RMS能量更新为背景噪声能量；背景噪声判定模块：通过计算背景噪声缓冲区均值估计背景噪声，通过当前帧信号RMS能量与估计的背景噪声做差，差值大于一定门限则认为当前帧为异常声音信号帧；否则为背景噪声帧；更新背景噪声能量模块：当前帧为背景噪声帧，则将当前帧信号RMS能量更新到背景噪声缓冲区中；异常声音信号能量模块：当前帧为异常声音信号帧时，则将当前帧信号RMS能量更新为异常声音信号能量，即signal_energy=frame_energy；能量陡升判决模块：此模块主要有硬门限判决和差值门限判决共同作用，具体为：signal_energy>energy_th或signal_energy-bg_energy_avg>energy_diff_th，则t_count=t_count+1,否则t_count=0，其中，bg_energy_avg为背景噪声缓冲区均值，bg_update_th为背景噪声更新门限，energy_th为硬门限，energy_diff_th为差值门限，反应了能量和背景噪声的差值，t_count为陡升连续帧计数器，用于陡升连续帧判决；陡升连续帧判决模块：若t_count>t_count_th，则有连续t_count帧的信号为能量陡升信号，判断有能量陡升情况；输出能量陡升报警信号模块：输出能量陡升信号。所述的背景噪声自适应的异常声音检测系统，还包括背景噪声陡降检测模块，所述背景噪声陡降检测模块包括：更新历史背景噪声能量模块：历史背景噪声定义为从当前帧开始，往前一段时间的背景噪声；背景噪声陡降判别模块：若历史背景噪声与当前背景噪声缓冲区均值的差值超过一定门限，则判别为背景噪声陡降；输出背景噪声陡降报警信号模块：输出背景噪声陡降报警信号。其中，通过计算帧信号frame(n)的RMS激励平均值，在量化位数上归一化，并且取对数，得到帧信号RMS能量。背景噪声判定模块：判定当前帧是背景噪声还是异常声音信号时，若frame_energy-bg_energy_avg>bg_update_th，则bg_flag=0，表示当前帧信号不是背景噪声，否则bg_flag=1，表示当前帧信号为背景噪声。背景噪声自适应的异常声音检测方法，包括以下步骤：S101：获取音频流数据s(n)；S102：对声音信号s(n)进行分帧，分帧后信号为frame(n)；S103：帧信号RMS能量，计算一帧信号RMS值，通过计算帧信号frame(n)的RMS激励平均值，在量化位数上归一化，并且取对数，即可得到帧信号RMS能量，记为frame_energy；S104：设置计时器，若超过一定时间timeout_th还未更新背景噪声，则强制把当前帧信号RMS能量更新为背景噪声能量；S105：背景噪声判定，通过计算背景噪声缓冲区均值估计背景噪声，通过当前帧信号RMS能量与估计的背景噪声做差，差值大于一定门限则认为当前帧为异常声音信号帧，否则为背景噪声帧，当前帧信号不是背景噪声，执行S106；当前帧信号为背景噪声，执行S110；S110：更新背景噪声能量、更新历史背景噪声能量，a.更新背景噪声能量：如果当前帧信号为背景噪声，则将当前帧信号RMS能量更新到背景噪声缓冲区中；b.更新历史背景噪声能量：历史背景噪声为从当前帧开始，往前一段时间的背景噪声，并且随着时间推移，历史背景噪声不断更新，下一步跳转至S111；S106：如果当前帧信号不是背景噪声，则将当前帧信号RMS能量更新为异常声音信号能量，即signal_energy=frame_energy；S107：能量陡升判决，此模块通过有硬门限判决和差值门限判决共同作用，具体为：signal_energy>energy_th或signal_energy-bg_energy_avg>energy_diff_th，则t_count=t_count+1,下一步执行S108；否则t_count=0跳转至S113；S108：陡升连续帧判决，若t_count>t_count_th，则认为已经有连续t_count帧的信号为能量陡升信号，可以判断有能量陡升情况，执行S109，否则执行S113；S109：输出能量陡升报警信号，下一步执行S113；S111：背景噪声陡降判别，若历史背景噪声与当前背景噪声缓冲区均值的差值超过一定门限，即bg_energy_bf–bg_energy_avg>bg_energy_drop_th，则判别为背景噪声陡降，执行S112，否则跳转到S113；S112：输出背景噪声陡降报警信号，下一步执行S113。S113：结束，当前帧信号处理结束，转至处理下一帧。其中，步骤S102中，对声音信号s(n)进行分帧时，分帧采用10-30ms作为帧长，帧移为0，步骤S103中，量化位数dig_bit=8-32，步骤S104中，若超过timeout_th=1-1000还未更新背景噪声，则强制把当前帧信号RMS能量更新为背景噪声，步骤S105中，bg_update_th=0.1-20（db本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种背景噪声自适应的异常声音检测系统，包括通用模块，该通用模块包括：分帧模块：对声音信号s(n)进行分帧；帧信号RMS能量模块：计算一帧信号RMS值，记为frame_energy，其特征在于：还包括能量陡升检测模块，其中，能量陡升检测模块包括：背景噪声超时未更新检测模块：设置计时器，若超过一定时间timeout_th还未更新背景噪声，则强制把当前帧信号RMS能量更新为背景噪声能量；背景噪声判定模块：通过计算背景噪声缓冲区均值估计背景噪声，通过当前帧信号RMS能量与估计的背景噪声做差，差值大于一定门限则认为当前帧为异常声音信号帧；否则为背景噪声帧；更新背景噪声能量模块：当前帧为背景噪声帧，则将当前帧信号RMS能量更新到背景噪声缓冲区中；异常声音信号能量模块：当前帧为异常声音信号帧时，则将当前帧信号RMS能量更新为异常声音信号能量，即signal_energy=frame_energy；能量陡升判决模块：此模块主要有硬门限判决和差值门限判决共同作用，具体为：signal_energy>energy_th或signal_energy ‑ bg_energy_avg>energy_diff_th，则t_count=t_count+1,否则t_count=0，其中，bg_energy_avg为背景噪声缓冲区均值，bg_update_th为背景噪声更新门限，energy_th为硬门限，energy_diff_th为差值门限，反应了能量和背景噪声的差值，t_count为陡升连续帧计数器，用于陡升连续帧判决；陡升连续帧判决模块：若t_count > t_count_th，则有连续t_count帧的信号为能量陡升信号，判断有能量陡升情况；输出能量陡升报警信号模块：输出能量陡升信号。...

【技术特征摘要】
1.一种背景噪声自适应的异常声音检测系统，包括通用模块，该通用模块包括：分帧模块：对声音信号s(n)进行分帧；帧信号RMS能量模块：计算一帧信号RMS值，记为frame_energy，其特征在于：还包括能量陡升检测模块，其中，能量陡升检测模块包括：背景噪声超时未更新检测模块：设置计时器，若超过一定时间timeout_th还未更新背景噪声，则强制把当前帧信号RMS能量更新为背景噪声能量；背景噪声判定模块：通过计算背景噪声缓冲区均值估计背景噪声，通过当前帧信号RMS能量与估计的背景噪声做差，差值大于一定门限则认为当前帧为异常声音信号帧；否则为背景噪声帧；更新背景噪声能量模块：当前帧为背景噪声帧，则将当前帧信号RMS能量更新到背景噪声缓冲区中；异常声音信号能量模块：当前帧为异常声音信号帧时，则将当前帧信号RMS能量更新为异常声音信号能量，即signal_energy=frame_energy；能量陡升判决模块：此模块主要有硬门限判决和差值门限判决共同作用，具体为：signal_energy>energy_th或signal_energy-bg_energy_avg>energy_diff_th，则t_count=t_count+1,否则t_count=0，其中，bg_energy_avg为背景噪声缓冲区均值，bg_update_th为背景噪声更新门限，energy_th为硬门限，energy_diff_th为差值门限，反应了能量和背景噪声的差值，t_count为陡升连续帧计数器，用于陡升连续帧判决；陡升连续帧判决模块：若t_count>t_count_th，则有连续t_count帧的信号为能量陡升信号，判断有能量陡升情况；输出能量陡升报警信号模块：输出能量陡升信号。2.根据权利要求1所述的背景噪声自适应的异常声音检测系统，其特征在于：还包括背景噪声陡降检测模块，所述背景噪声陡降检测模块包括：更新历史背景噪声能量模块：历史背景噪声定义为从当前帧开始，往前一段时间的背景噪声；背景噪声陡降判别模块：若历史背景噪声与当前背景噪声缓冲区均值的差值超过一定门限，则判别为背景噪声陡降；输出背景噪声陡降报警信号模块：输出背景噪声陡降报警信号。3.根据权利要求1或2所述的背景噪声自适应的异常声音检测系统，其特征在于：通过计算帧信号frame(n)的RMS激励平均值，在量化位数上归一化，并且取对数，得到帧信号RMS能量。4.根据权利要求3所述的背景噪声自适应的异常声音检测系统，其特征在于：背景噪声判定模块：判定当前帧是背景噪声还是异常声音信号时，若frame_energy-bg_energy_avg>bg_update_th，则bg_flag=0，表示当前帧信号不是背景噪声，否则bg_flag=1，表示当前帧信号为背景噪声。5.一种背景噪声自适应的异常声音检测方法，其特征在于：包括以下步骤：S101：获取音频流数据s(n)；S102：对声音信号s(n)进行分帧，分帧后信号为frame(n)；S103：帧信号RMS能量，计算一帧信号RMS值，通过计算帧信号frame(n)的RMS激励平均值，在量化位数上归一化，并且取对数，即可得到帧信号RMS能量，记为frame_energy；S104：设置计时器，若超过一定时间timeout_th还未更新背景噪声，则强制把当前帧信号RMS能量更新为背景噪声能量；S105：背景噪声判定，通过计算背景噪声缓冲区均值估计背景噪声，通过当前帧信号RMS能量与估计的背景噪声做差，差值大于一定门限则认为当前帧为异常声音信号帧，否则为背景噪声帧，当前帧信号不是背景噪声，执行S106；当前帧信号为背景噪声，执...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾永涛，周苗，刘琛，张明，
申请(专利权)人：济南中维世纪科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37