回声消除应用平台
回聲消除應(yīng)用平臺
- 基于DSP等平臺的回聲消除技術(shù)
- 基于windows等非實時平臺的回聲消除技術(shù)
基于DSP平臺的回聲消除技術(shù)
回音抵消的核心就是一個采用自適應(yīng)算法的濾波器，雖然以前自適應(yīng)信號理論發(fā)展迅速，但由于受到硬件的限制而難以實現(xiàn)，一直到上世紀(jì)70年代末80年代初，隨著世界上第一片單片可編程DSP芯片的誕生，才將理論廣泛地應(yīng)用到低成本的實際系統(tǒng)中，從而推動了新理論和應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。
DSP芯片是以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)的，具有數(shù)字信號處理全部優(yōu)點：改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有深達(dá)6級流水線的結(jié)構(gòu)，專用的硬件乘法器，速度快，精度高，穩(wěn)定性好，接口方便簡單，集成度高，可重復(fù)性好，保密性好，最重要的是具有一些特殊的指令結(jié)構(gòu)，如MAX，MIN，FIRS，LMS等指令。其中指令LMS為自適應(yīng)濾波器的實現(xiàn)自適應(yīng)算法提供了最大的方便。所以用DSP芯片實現(xiàn)回音抵消具有很大優(yōu)勢。
回聲消除技術(shù)傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域是各種嵌入式設(shè)備
- 電信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備
- 交換機(jī)
- 網(wǎng)關(guān)
- 終端設(shè)備
- 移動電話終端
- 視頻會議終端
這種嵌入式設(shè)備都是采用各種型號的DSP芯片作為回聲消除的載體。一個有效的回聲消除算法需要持續(xù)的在一顆DSP芯片上面運行，都要面對實時性與高效性兩大問題。
因為DSP芯片資源有限。雖然自從二十世紀(jì)七十年代DSP應(yīng)用以來，日新月異的硬件芯片技術(shù)使許多沉睡在教科書上的信號處理理論算法大規(guī)模應(yīng)用，但是回聲消除算法需要的資源還是大得驚人。以視頻會議系統(tǒng)，大規(guī)模的會議室可以產(chǎn)生超過512ms的回音，要消除這么長延時的回音，即使按照8k赫茲采樣率計算，自適應(yīng)濾波器W(n)的長度都會達(dá)到4096個點，這樣一方面需要非常大的存儲空間來存儲權(quán)重W(n)，另一方面，W(n)的更新需要的計算量也是成倍增長，同時，W(n)的收斂難度也在加大，傳統(tǒng)自適應(yīng)濾波器的效率很難保證。對于電信設(shè)備中的應(yīng)用，雖然回聲消除不需要這么長的延時，但是在交換機(jī)等設(shè)備中，成本和效率就是生命，所有的處理算法都是按路或按線計算的，對算法的優(yōu)化效率提出了無止境的要求。相對而言，只有像車載免提這種應(yīng)用對效率要求不那么高，因為車內(nèi)空間小，回音延時有限，又不要求多路應(yīng)用。
算法級DSP軟件解決方案(也是解決嵌入式設(shè)備回音問題的一種途徑)，對用戶也有一定的靈活性，用戶只需要把回聲消除模塊集成到自己的DSP軟件中，再簡單調(diào)整幾個相關(guān)參數(shù)，就能達(dá)到較好的回聲消除效果。
目前基于DSP的回聲消除算法已經(jīng)比較成熟，市場上也有一批專門的算法/芯片公司的能夠?qū)ν馓峁┮呀?jīng)優(yōu)化好的基于DSP的軟件回聲消除模塊，如：俄羅斯Spririt DSP、加拿大Octastic Semiconductor、瑞典GIPS、國內(nèi)科萊特斯科技Conatus Technologies、美國Adaptive Digital、和GAO Research、英國CSR、美國Fortemedia、Acoustic Technologies和日本OKI等可以提供專用的回聲消除DSP芯片。性能較好的有Octastic、Conatus、和Spririt這三家，Octastic可以提供完整的從專用芯片、板卡到DSP算法的完整方案，而Conatus和Spririt的回聲消除效果更好，Conatus公司是目前市面上唯一提供針對專業(yè)視訊會議應(yīng)用寬帶回聲消除模塊的公司，其音頻采樣率可以達(dá)到48k赫茲。
基于Windows平臺的回聲消除技術(shù)
回聲消除技術(shù)最新的應(yīng)用領(lǐng)域是基于Windows平臺的各種VoIP應(yīng)用，比如軟件視頻會議，VoIP軟件電話等。當(dāng)回聲消除算法應(yīng)用到Windows平臺，相對于傳統(tǒng)的DSP平臺，既帶來優(yōu)勢，也帶來了新的難點。高效性在Windows平臺已經(jīng)不是問題，現(xiàn)在的pc機(jī)，擁有豐富的cpu資源和海量的內(nèi)存資源，再復(fù)雜的回聲消除算法都可以運行自如。但是，在Window平臺運行會增加延時。
Windows平臺是一個非實時的平臺，音頻的采集和播放對回聲消除算法而言，也是非實時的。和DSP平臺不一樣，DSP平臺可以直接控制AD/DA芯片的采集播放，獲得實時的音頻流（不存在同步問題），但是Windows平臺下，應(yīng)用程序很難在底層直接控制聲卡的采集播放，獲得的是非實時的音頻流，從而帶來了采集和播放音頻流的同步問題。
????? 實際應(yīng)用時，傳給回聲消除算法的兩個聲音信號（采集的回音信號near和播放的參考信號far），必須同步得非常的好。就是說，
本地接收到遠(yuǎn)端說的話以后，要把這些話音數(shù)據(jù)傳給回聲消除算法做參考，這是一個算法需要的輸入信號；然后再傳給聲卡，聲卡放出來后經(jīng)過回音路徑，這時，本地再采集，然后傳給回聲消除算法，這是算法需要的另一個輸入信號。這里的同步是指：兩個信號雖然存在延時，但這個延時必須固定，在時序上要保持連貫，不能一個信號多來幾個幀，另外一個信號少來幾個幀。如果傳給回聲消除算法的兩個信號同步得不好，即兩個信號發(fā)生幀錯位，就沒有辦法進(jìn)行消除了。因為這時系統(tǒng)會變成了非因果系統(tǒng)，比如期望信號收到了，參考信號還沒來，時間上都沒有因果關(guān)系，肯定是沒有辦法消除的。
????? 實際情況是，在一般的VoIP軟件中，接收對方的聲音并傳到聲卡中播放是在一個線程中進(jìn)行的，而采集本地的聲音并傳送到對方又是在另一個線程中進(jìn)行的，而聲學(xué)回聲消除算法在對采集到的聲音進(jìn)行回聲消除的同時，還需要播放線程中的數(shù)據(jù)作為參考，而要同步這兩個線程中的數(shù)據(jù)是非常重要的，因為稍稍有些不同步，聲學(xué)回聲消除算法中的自適應(yīng)濾波器就會發(fā)散，不但消除不了回音，還會破壞原始采集到的聲音，使聲音難以分辨。
目前公認(rèn)音質(zhì)做得比較好的國外軟件是Skype，記得幾年前Skype一直是在用瑞典一家叫GIPS(Global IP Sound)公司的語音引擎技術(shù)。GIPS是最早介入PC平臺語音通訊領(lǐng)域的廠商之一，在改領(lǐng)域具有一定的權(quán)威性，其主要優(yōu)勢表現(xiàn)在對IP網(wǎng)絡(luò)的延時、抖動和丟包等處理較好，基于Windows平臺的回音消除也做得不錯，不過最近的新版本Skype上已經(jīng)看不到GIPS的標(biāo)志了，據(jù)說是因為Skype自己研發(fā)了一套新的更好的語音引擎的緣故。 目前大家接觸最多的采用了GIPS語音引擎技術(shù)的通訊軟件就是騰訊QQ了，其超級語音的效果普遍評價都還不錯。另外微軟經(jīng)過多年的研發(fā)，其最新版本的MSN語音特別是回音消除效果終于有了質(zhì)的提升，目前網(wǎng)上評價也還不錯。另外還有一些專業(yè)廠商也對外提供包含回音消除功能的語音引擎，如俄羅斯的Spirit DSP、美國的GH Innovation和國內(nèi)的科萊特斯科技（Conatus Technologies）以及賽聲科技（Soft? Acoustic）等等。除此之外，網(wǎng)絡(luò)上還可以下載到一個很好的開源的語音軟件Speex也提供了回音消除功能。為了進(jìn)一步了解目前PC Windows平臺回音消除技術(shù)的業(yè)界水平，筆者對各家的回音消除技術(shù)做一個詳細(xì)的橫向?qū)Ρ葴y試（所有測試都是免提狀態(tài)）
為了對比，各家語音引擎的版本信息列舉如下：
國外廠商：
國內(nèi)廠商：
開源算法：
Speex（V1.2RC1 自己寫了測試軟件）
測試結(jié)果：
| 測試項目 | Skype | MSN | | Conatus | Spirit | Speex | SoftAcoustic | GH I |
| 筆記本免提模式，外接麥克風(fēng)和音箱應(yīng)用模式的適應(yīng)性 | 兩種模式都無回音 | 筆記本免提模式有時一直有較小回音 | 筆記本免提模式偶爾有較小回音 | 兩種模式都無回音 | 筆記本免提模式有時一直有較小回音 | 兩種模式都有一直較小回音 | 兩種模式有時都會出現(xiàn)較大回音 | 筆記本免提模式一直有很小回音 |
| 單方講話效果 | 無回音，效果很好 | 基本無回音，效果好 | 基本無回音，效果好 | 無回音，效果很好 | 基本無回音，效果好 | 一直有較小回音，效果差 | 有時有很大回音，效果差 | 基本無回音，效果好 |
| 雙方同時講話效果 | 雙方交流流暢無回音，對方聲音偶爾有輕微斷續(xù) | 雙方交流流暢，但對方聲音中會夾雜著輕微回音 | 雙方交流流暢，但對方聲音中會夾雜著一些回音 | 雙方交流流暢無回音，對方聲音偶爾有輕微斷續(xù) | 雙方交流流暢，但對方聲音中間會夾雜著一些回音 | 雙方交流比較流暢，但一直聽到一個較小的回音 | 雙方交流不流暢，對方聲音經(jīng)常會斷續(xù) | 雙方交流無回音，但對方聲音很小很難聽清楚 |
| 麥克風(fēng)和揚聲器相對的位置改變等 | 收斂比較快，基本沒有回音出現(xiàn)。 | 收斂比較快，基本沒有回音出現(xiàn)。 | 收斂比較快，基本沒有回音出現(xiàn)。 | 收斂比較快，基本沒有回音出現(xiàn)。 | 收斂比較快，基本沒有回音出現(xiàn)。 | 收斂速度慢，有好幾句回音 | 收斂速度慢，有好幾句回音 | 收斂比較快，基本沒有回音出現(xiàn)。 |
| CPU重載（CPU負(fù)載達(dá)到100%）時效果 | XP和Vista下聲音都流暢，基本不會出現(xiàn)回音和聲音斷續(xù)現(xiàn)象 | XP和Vista下聲音都流暢，基本不會出現(xiàn)回音和聲音斷續(xù)現(xiàn)象 | XP下聲音流暢，基本不會出現(xiàn)回音；Vista下聲音斷續(xù)，偶爾會出現(xiàn)回音 | XP和Vista下聲音都流暢，基本不會出現(xiàn)回音和聲音斷續(xù)現(xiàn)象 | XP下聲音流暢，基本不會出現(xiàn)回音；Vista下聲音斷續(xù)，偶爾會出現(xiàn)回音 | 此項未測 | XP下聲音流暢，基本不會出現(xiàn)回音；Vista下聲音斷續(xù)，偶爾會出現(xiàn)回音 | XP下聲音流暢，基本不會出現(xiàn)回音；Vista下不加負(fù)載聲音都是斷續(xù)的 |
| PC和聲卡適應(yīng)性 | 穩(wěn)定，基本都能消除回音 | 穩(wěn)定，基本都能消除回音 | 比較穩(wěn)定，偶爾有些筆記本免提時有回音 | 穩(wěn)定，基本都能消除回音 | 穩(wěn)定，基本都能消除回音 | 不穩(wěn)定，有時無法消除回音 | 不穩(wěn)定，經(jīng)常無法消除回音 | 穩(wěn)定，基本都能消除回音 |
| 噪聲抑制 | 噪聲抑制效果弱 | 噪聲抑制效果一般 | 噪聲抑制效果弱 | 噪聲抑制效果強(qiáng) | 噪聲抑制效果一般 | 噪聲抑制效果強(qiáng) | 噪聲抑制效果強(qiáng) | 噪聲抑制效果強(qiáng) |
| 自動硬件增益控制和免提時能達(dá)到的最大播放音量 | 支持，音量較大 | 支持，音量較小 | 支持，音量適中 | 支持，音量適中 | 支持，音量較小 | 不支持 | 支持，音量較小 | 支持，音量非常小 |
| 整體效果評價（0-10分評分） | 很好，基本沒有回音，雙方交流很順暢，9分 | 較好，有的筆記本免提時偶爾有回音且音量較小，雙方交流比較順暢，7.5分 | 較好，有的筆記本免提時偶爾有回音，雙方交流順暢，8分 | 很好，基本沒有回音，音量比skype略小，雙方交流很順暢， 8.5分 | 較好，有的筆記本免提效果稍差且音量比較小，vista效果稍差，7分 | 不好，一直有個較小的殘余回音，雙方交流困難，3分 | 不好，經(jīng)常有完整的回音，感覺不穩(wěn)定，雙方交流比較困難，5分 | 一般，沒有回音，但是音量太小，雙方交流困難，且VISTA下聲音斷續(xù)，5.5分 |
| 測試項目 | Skype | MSN | | Conatus | Spirit | Speex | SoftAcoustic | GH I |
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可以看出，Skype、 Conatus和 QQ(GIPS)的效果最好， MSN和Spirit的效果還不錯，而GH Innovation、Soft Acoustic效果一般，Speex的效果較差。
五、總結(jié)
????? 回聲消除已經(jīng)成為語音通訊中提供全雙工音頻的標(biāo)準(zhǔn)方法。聲學(xué)回聲消除是通過消除或者移除本地話筒中拾取到的遠(yuǎn)端的音頻信號來阻止遠(yuǎn)端的聲音返回去的一種處理方法。這種音頻的移除都是通過數(shù)字信號處理來完成的。回聲消除技術(shù)是數(shù)字信號處理的典型應(yīng)用之一。
參考
回聲消除技術(shù)——整理篇
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總結(jié)
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