一种声信号分离方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种声信号分离方法和系统，通过获取声信号，并根据声信号建立第一分离模型，从第一分离模型中获取第一代价函数，并对第一代价函数进行正交性约束，对第一代价函数进行改进并获得第二代价函数，第二代价函数的最小值的情况下获得辅助函数，辅助函数对第一分离模型中的变量进行更新，从而获得第二分离模型；由于在代价函数中加入了正交约束项，从而增加聚类效果，并可以调节算法重构误差大小，因此提高了分离性能，对声信号的分离更加准确。准确。准确。

【技术实现步骤摘要】
一种声信号分离方法和系统


[0001]本专利技术属于音频处理领域，尤其涉及一种声信号分离方法和系统。

技术介绍

[0002]声信号识别与定位在军事、工业与农业等领域发挥着举足轻重的作用并受 到了广泛的研究，由于识别和定位需要我们能够精确获取目标的位置信息，因 此从复杂环境中进行声信号分离显得尤为重要。但是现有的声信号分离方法分 离效果较差。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供了一种声信号分离方法和系统，以解决现有技术中对于声信号 分离效果较差的问题。
[0004]一种声信号分离方法和系统，包括步骤：
[0005]获取声信号，根据所述声信号建立第一分离模型；
[0006]根据所述第一分离模型获取第一代价函数，对所述第一代价函数进行正交 性约束，获得第二代价函数；
[0007]对所述第二代价函数进行最小化处理，根据最小化的第二代价函数建立第 二分离模型；
[0008]基于所述第二分离模型对声信号进行分离。
[0009]可选地，根据所述第一分离模型中获取第一代价函数的步骤包括：
[0010]根据所述第一分离模型获得实际观测的空间相关矩阵X
il
、估算的空间相关 矩阵实际观测的空间相关矩阵X
il
和所述估算的空间相关矩阵的数学表 达式为：
[0011][0012][0013]其中，为声信号的信号向量，为信号向量的共轭转置向量，t
ik
为所述 估算的空间相关矩阵的列向量，v
kl<br/>为所述估算的空间相关矩阵的行向量； H
ip
为空间特性目标矩阵；z
pk
为权重；
[0014]获取列向量的矩阵T、行向量的矩阵V、空间特性目标矩阵H、权重的矩 阵Z，并采用多通道距离来定义所述实际观测的空间相关矩阵X
il
与所述估算的 空间相关矩阵之间的近似程度，数学表达式为：
[0015][0016]其中，T为列向量t
ik
的矩阵，V为行向量v
kl
的矩阵，H为空间特性目标矩阵 H
ip
，Z为
权重z
pk
的矩阵；
[0017]对所述数学表达式(3)采用IS散度来度量，获得所述第一代价函数；所 述第一代价函数的数学表达式为：
[0018][0019]其中M为所述声信号传播的通道数量，为实际观测的空间相关矩 阵的逆矩阵；为估算的空间相关矩阵的逆矩阵；表示实际观 测的空间相关矩阵与估算的空间相关矩阵的逆矩阵相乘的矩阵的对角元 素的和；表示信号向量的平均值；为一个多元复高斯分布， 该分布如下数学表达式：detX
il
为实际观测的空间相关矩阵X
il
的行列式， 为估算的空间相关矩阵的行列式；
[0020][0021]可选地，对所述第一代价函数进行正交性约束，获得第二代价函数的步骤 包括：
[0022]对所述第一代价函数中的所述矩阵T、所述矩阵V加入正交性约束，得到 所述第二代价函数，所述第二代价函数的数学表达式为：
[0023][0024]数学表达式(6)中正则化参数λ1≥0，正则化参数λ2≥0，I为单位阵。
[0025]可选地，对所述第二代价函数进行最小化处理，根据最小化的第二代价函 数建立第二分离模型的步骤包括：
[0026]获取预设的辅助函数f
+
(T,V,H,Z,R,U)，对所述第二代价函数进行最小化处 理；
[0027]使所述辅助函数f
+
(T,V,H,Z,R,U)与最小化的第二代价函数f(T,V,H,Z)相 等，获得最小化的辅助函数f
+
(T,V,H,Z,R,U)；
[0028]根据最小化的辅助函数获得所述第二分离模型。
[0029]可选地，所述辅助函数的数学表达式为：
[0030][0031]数学表达式(7)中，R
ilp
和U
il
是满足正定性的辅助变量,Hip
‑1为空间特性 目标矩阵的逆矩阵；T
T
为矩阵T的转置矩阵；V
T
为矩阵V的转置矩阵；
[0032]所述辅助函数f
+
(T,V,H,Z,R,U)满足如下两个性质；
[0033]f(T,V,H,Z)≤f
+
(T,V,H,Z,R,U)；
[0034]f(T,V,H,Z)＝min
R,U f
+
(T,V,H,Z,R,U)；
[0035]其中R为辅助变量R
ilp
的矩阵，U为辅助变量U
il
的矩阵，为辅助变量矩 阵R的共轭转置矩阵；detU
il
为辅助变量矩阵U的行列式；
[0036]当时f(T,V,H,Z)＝f
+
(T,V,H,Z,R,U)时，辅助变量R
ilp
和辅助变量U
il
满足：
[0037][0038]可选地，根据最小化的辅助函数获得所述第二分离模型的步骤包括：
[0039]计算辅助函数f
+
(T,V,H,Z,R,U)的偏导数，并令偏导数为0，计算式为：
[0040][0041][0042][0043][0044]根据计算式(9)
‑
(12)的计算结果得到正交约束多通道非负矩阵分解的 更新规则如下：
[0045][0046][0047][0048]通过数学表达式(13)
‑
(15)获得更新后的列向量t
ik
、行向量v
kl
和 权重z
pk
；
[0049]对所述空间特性目标矩阵H
ip
求解黎卡提方程，求解式为：
[0050]H
ip
AH
ip
＝B
ꢀꢀꢀ
(16)
[0051][0052][0053]其中H
i
'
p
为更新前的空间特性目标矩阵，通过求解式(16)
‑
(18) 获得更新后的空间特性目标矩阵H
ip
；
[0054]将更新后的列向量t
ik
、行向量v
kl
、权重z
pk
和空间特性目标矩阵H
ip
带入 至如数学表达式(2)所述估算的空间相关矩阵中，根据更新后的估算 的空间相关矩阵获得所述第二分离模型。
[0055]可选地，基于所述第二分离模型对声信号进行分离的步骤包括：
[0056]基于所述第二分离模型通过维纳滤波对声信号进行分离，如果为单 通道维纳滤波，分离的声信号的数学表达式为：
[0057][0058]如果为多通道维纳滤波，分离的声信号的数学表达式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种声信号分离方法，其特征在于，包括步骤：获取声信号，根据所述声信号建立第一分离模型；根据所述第一分离模型获取第一代价函数，对所述第一代价函数进行正交性约束，获得第二代价函数；对所述第二代价函数进行最小化处理，根据最小化的第二代价函数建立第二分离模型；基于所述第二分离模型对声信号进行分离。2.根据权利要求1所述的一种声信号分离方法和系统，其特征在于，根据所述第一分离模型中获取第一代价函数的步骤包括：根据所述第一分离模型获得实际观测的空间相关矩阵X
il
、估算的空间相关矩阵实际观测的空间相关矩阵X
il
和所述估算的空间相关矩阵的数学表达式为：的数学表达式为：其中，为声信号的信号向量，为信号向量的共轭转置向量，t
ik
为所述估算的空间相关矩阵的列向量，v
kl
为所述估算的空间相关矩阵的行向量；H
ip
为空间特性目标矩阵；z
pk
为权重；获取列向量的矩阵T、行向量的矩阵V、空间特性目标矩阵H、权重的矩阵Z，并采用多通道距离来定义所述实际观测的空间相关矩阵X
il
与所述估算的空间相关矩阵之间的近似程度，数学表达式为：其中，T为列向量t
ik
的矩阵，V为行向量v
kl
的矩阵，H为空间特性目标矩阵H
ip
，Z为权重z
pk
的矩阵；对所述数学表达式(3)采用IS散度来度量，获得所述第一代价函数；所述第一代价函数的数学表达式为：其中M为所述声信号传播的通道数量，为实际观测的空间相关矩阵的逆矩阵；为估算的空间相关矩阵的逆矩阵；表示实际观测的空间相关矩阵与估算的空间相关矩阵的逆矩阵相乘的矩阵的对角元素的和；表示信号向量的平均值；为一个多元复高斯分布，该分布如下数学表达式：detX
il
为实际观测的空间相关矩阵X
il
的
行列式，为估算的空间相关矩阵的行列式；3.根据权利要求2所述的一种声信号分离方法，其特征在于，对所述第一代价函数进行正交性约束，获得第二代价函数的步骤包括：对所述第一代价函数中的所述矩阵T、所述矩阵V加入正交性约束，得到所述第二代价函数，所述第二代价函数的数学表达式为：数学表达式(6)中正则化参数λ1≥0，正则化参数λ2≥0，I为单位阵。4.根据权利要求3所述的一种声信号分离方法，其特征在于，对所述第二代价函数进行最小化处理，根据最小化的第二代价函数建立第二分离模型的步骤包括：获取预设的辅助函数f
+
(T,V,H,Z,R,U)，对所述第二代价函数进行最小化处理；使所述辅助函数f
+
(T,V,H,Z,R,U)与最小化的第二代价函数f(T,V,H,Z)相等，获得最小化的辅助函数f
+
(T,V,H,Z,R,U)；根据最小化的辅助函数获得所述第二分离模型。5.根据权利要求4所述的一种声信号分离方法，其特征在于，所述辅助函数的数学表达式为：数学表达式(7)中，R
ilp
和U
il
是满足正定性的辅助变量,Hip
‑1为空间特性目标矩阵的逆矩阵；T
T
为矩阵T的转置矩阵；V
T
为矩阵V的转置矩阵；所述辅助函数f
+
(T,V,H,Z,R,U)满足如下两个性质；f(T,V,H,Z)≤f
+
(T,V,H,Z,R,U)；f(T,V,H,Z)＝min
R,U
f
+
(T,V,H,Z,R,U)；其中R为辅助变量R
ilp
的矩阵，U为辅助变量U
il
的矩阵，为辅助变量矩阵R的共轭转置矩阵；detU
il
为辅助变量矩阵U的行列式；当时f(T,V,H,Z)＝f
+
(T,V,H,Z,R,U)时，辅助变量R
ilp
和辅助变量U
il
满足：6.根据权利要求5所述的一种声信号分离方法，其特征在于，根据最小化的辅助函数获得所述第二分离模型的步骤包括：计算辅助函数f
+
(T,V,H,Z,R,U)的偏导数，并令偏导数为0，计算式为：
根据计算式(9)
‑
(12)的计算结果得到正交约束多通道非负矩阵分解的更新规则如下：(12)的计算结果得到正交约束多通道非负矩阵分解的更新规则如下：(12)的计算结果得到正交约束多通道非负矩阵分解的更新规则如下：通过数学表达式(13)
‑
(15)获得更新后的列向量t
ik
、行向量v
kl
和权重z
pk...

【专利技术属性】
技术研发人员：章雯，鲍明，许耀华，陈志菲，王翊，蒋芳，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：