Brevet FR3044509A1 — publié le 20170602

Procédé et dispositif pour estimer la réverbération acoustique. DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention est relative aux procédés et dispositifs pour estimer la réverbération acoustique. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION L'estimation de la réverbération acoustique d'un 10 milieu est essentielle pour capter des signaux acoustiques tels que la parole dans un milieu réverbérant tel que par exemple une pièce dans un bâtiment. Lorsqu'un son est émis puis capté par un microphone dans un milieu réverbérant, le microphone capte non 15 seulement le signal reçu directement, mais également des signaux réverbérés dans le milieu. Cette réverbération est reflétée par la réponse impulsionnelle du milieu, dont découlent divers paramètres connus, notamment le temps de réverbération. La réponse 20 impulsionnelle est mesurable directement en émettant une impulsion acoustique dans le milieu, mais cette méthode est lourde et difficilement envisageable pour effectuer des mesures répétées pendant qu'un ou des locuteurs parlent dans la pièce. 25 Le temps de réverbération peut être estimé à l'aveugle, par exemple pendant qu'un ou des locuteurs parlent. Le paramètre le plus couramment utilisé pour représenter le temps de réverbération est le temps de réverbération à 60 dB RT6o. 30 A titre d'exemple, le document US2014169575 décrit un procédé d'estimation à l'aveugle du temps de réverbération dans une pièce. Toutefois, le temps de réverbération n'est pas 3044509 2 représentatif de la distance entre l'émetteur et le microphone, qui pourtant a un impact important sur le niveau de réverbération. Les procédés connus du type susmentionnés ne permettent donc pas de traiter les signaux 5 acoustiques captés de façon satisfaisante. OBJETS ET RESUME DE L'INVENTION La présente invention a donc pour objet de proposer un procédé pour estimer la réverbération acoustique, qui permette d'éviter cet inconvénient. A cet effet, l'invention propose un procédé pour estimer la réverbération acoustique dans un milieu, comprenant les étapes suivantes : (a) une étape de mesure dans laquelle on capte au moins un signal acoustique dans le milieu, (b) une étape d'observation au cours de laquelle on détermine une distribution de taux de décroissance d'énergie acoustique à partir du signal acoustique capté à l'étape (a) et on détermine la fonction caractéristique de la distribution de taux de décroissance d'énergie acoustique, (c) une étape d'estimation au cours de laquelle on estime un temps de réverbération caractéristique et un niveau de réverbération caractéristique du son dans le milieu à partir de données représentatives de la distribution de taux de décroissance d'énergie acoustique déterminée à l'étape (b), la régression étant faite en référence à : des fonctions caractéristiques de référence représentatives respectivement de plusieurs distributions de taux de décroissance d'énergie acoustique, - des temps de réverbération caractéristiques de référence correspondant auxdites fonctions caractéristiques de référence, - et des niveaux de réverbération caractéristiques de 3044509 3 référence correspondant auxdites fonctions caractéristiques de référence. Grâce à ces dispositions, et notamment grâce au fait que l'on applique la méthode d'estimation à la distribution de taux de décroissance d'énergie acoustique, on peut déterminer à la fois un temps de réverbération 5 caractéristique et un niveau de réverbération caractéristique du son dans le milieu, de façon fiable. Ces deux paramètres permettent de traiter de façon satisfaisante les signaux sonores captés. Dans divers modes de réalisation du procédé selon 10 l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - au cours de l'étape d'estimation (c), on utilise un estimateur à fonction noyau et on détermine simultanément le temps de réverbération caractéristique et le niveau de réverbération caractéristique ; - au cours de l'étape d'estimation (c), on utilise un estimateur de Nadaraya-Watson ; - au cours de l'étape d'estimation (c), le niveau de réverbération caractéristique du son dans le milieu (7) est choisi parmi l'indice de clarté C, et l'indice de définition D, ; - au cours de l'étape d'observation (b), on détermine les taux de décroissance d'énergie en calculant l'énergie Em du signal acoustique sur des trames 15 successives m de signal, puis en calculant un rapport logarithmique entre l'énergie de deux trames successives : p (m) = log(- -i)(5) ; - le procédé comporte en outre une phase préliminaire de calibrage comprenant les étapes suivantes : (a') au moins une étape initiale de détermination de signaux de référence dans laquelle on détermine une 3044509 4 pluralité de signaux acoustiques de référence correspondant auxdits temps de réverbération caractéristiques de référence et auxdits niveaux de réverbération caractéristiques de référence, (b') au moins une étape initiale d'observation au cours de laquelle, pour chaque signal acoustique de référence, on détermine une distribution de taux de décroissance d'énergie acoustique et la fonction caractéristique de référence ; - au cours de ladite étape de détermination de signaux de référence, on détermine par calcul au moins une partie des signaux acoustiques de référence et les temps de réverbération caractéristiques et niveaux de réverbération caractéristiques de référence correspondant auxdits signaux acoustiques de référence, à partir d'un ensemble prédéterminé de réponses impulsionnelles ; - au cours de ladite étape de détermination de signaux de référence, on détermine par mesure au moins une partie des signaux acoustiques de référence, les temps de réverbération caractéristiques et les niveaux de réverbération caractéristiques de référence correspondant auxdits signaux acoustiques de référence. Par ailleurs, l'invention a également pour objet un dispositif pour estimer la réverbération acoustique dans un milieu, comprenant : (a) des moyens de mesure pour capter au moins un signal 5 acoustique émis dans le milieu, (b) des moyens pour déterminer une distribution de taux de décroissance d'énergie acoustique à partir du signal acoustique capté par les moyens de mesure, et pour déterminer la fonction caractéristique de la distribution 10 de taux de décroissance d'énergie acoustique, (c) des moyens pour estimer un temps de réverbération 3044509 5 caractéristique et un niveau de réverbération caractéristique du son dans le milieu à partir de données représentatives de la distribution de taux de décroissance d'énergie acoustique, la régression étant faite en référence à : des fonctions caractéristiques de référence représentatives respectivement de plusieurs distributions de taux de décroissance d'énergie acoustique, - des temps de réverbération caractéristiques de référence correspondant auxdites fonctions caractéristiques de référence, - et des niveaux de réverbération caractéristiques de référence correspondant auxdites fonctions caractéristiques de référence. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante d'un de ses modes de réalisation, donné à titre 5 d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints. Sur les dessins : - la figure 1 est une vue schématique illustrant la réverbération du son dans une pièce lorsqu'un sujet parle de façon que ses paroles soient captées par un 10 dispositif selon une forme de réalisation de l'invention, - la figure 2 est un schéma de principe du dispositif de la figure 1. DESCRIPTION PLUS DETAILLEE Sur les différentes figures, les mêmes références 15 désignent des éléments identiques ou similaires. L'invention a pour but d'estimer la réverbération acoustique d'un milieu 7, par exemple une pièce dans un bâtiment telle que schématisée sur la figure 1, de façon à traiter les signaux acoustiques captés par un dispositif 3044509 6 électronique 1 pourvu d'un microphone 2. Le dispositif électronique 1 peut être par exemple un téléphone dans l'exemple représenté, ou un ordinateur ou autre. Lorsqu'un son est émis dans le milieu 7, par 5 exemple par une personne 3, ce son se propage jusqu'au microphone 2 selon divers trajets 4, soit directs, soit après réflexion sur une ou plusieurs parois 5, 6 du milieu 7. Comme représenté sur la figure 2, le dispositif 10 électronique 1 peut comporter par exemple une unité centrale électronique 8 telle qu'un processeur ou autre, reliée au microphone 2 et à divers autre éléments, incluant par exemple un haut-parleur 9, un clavier 10, un écran 11. L'unité centrale électronique 8 peut communiquer avec un 15 réseau externe 12, par exemple un réseau téléphonique. L'invention permet au dispositif électronique 1 de mesurer à l'aveugle, deux paramètres caractéristiques de la réverbération du milieu 7 : - un temps de réverbération caractéristique, par 20 exemple le temps de réverbération à 60 dB RT60, - et un niveau de réverbération caractéristique (par exemple indice de clarté ou de définition, ou indice de signal direct sur signal réverbéré). Ces paramètres peuvent être utilisés pour supprimer 25 les effets d'échos ou plus généralement pour optimiser les signaux sonores captés par le microphone 2. Les paramètres en question sont estimés de façon répétitive, de façon que le dispositif 1 s'adapte par exemple à des changements de locuteurs 3, à des déplacements de locuteurs 3, à des 30 déplacements du dispositif 1 ou d'autres objets dans le milieu 7. Le temps de réverbération à 60dB RT60 peut être défini par la méthode d'intégration inverse de Manfred R. 3044509 7 Schroeder (New Method of Measuring Reverberation Time, The Journal of the Acoustical Society of Ameri.ca, 37(3) :409, 1965) par la courbe de décroissance d'énergie (Energy Decay Curve) EDC : 5 EDC(n) = Enn h(k)2 (1) Où : - h est la réponse impulsionnelle du milieu de longueur Nh, - n est un indice temporel, par exemple un nombre d'échantillons obtenus par un échantillonnage de pas 10 temporel constant, n étant compris entre 1 et Nh. RT60 est le temps à l'indice temporel n requis pour que EDC(n) diminue de 60 dB. Bien que le temps de réverbération RT60 soit le plus couramment utilisé, on pourrait estimer un autre temps de 15 réverbération caractéristique du milieu 7. Le niveau de réverbération est le plus couramment représenté par l'indice de clarté : Cr = iologio (z,,,, Nt+1h2(2) , el° h2 (n) ) dB (2) ou par l'indice de définition : 20 111 h (n)) dB, DT = 10logn (n,,,,, 0 h2 (n) (3) où : - Ar.' est le nombre d'échantillons à pas temporels constant correspondant au temps 'r, généralement compris entre 0.1 ms et 1 s, - n est un indice temporel compris entre 1 et et NT, représentatif d'un nombre d'échantillons de pas temporel constant, - h(n) est la réponse impulsionnelle du milieu 7. Ces indices ont été décrits notamment par P. A. Naylor et N. D. Gaubitch (Speech Dereverberation, Springer, eds edition, 2010). 3044509 8 Les deux valeurs les plus couramment utilisées de T sont 50 ms et 80 ms, notamment 50 ms (indices C50 et D50), mais d'autres durées sont possibles et plus généralement d'autres indices reflétant le rapport du son direct au son 5 réverbéré pourraient être estimés dans le procédé selon l'invention, mis en oeuvre par exemple par l'unité centrale électronique 8 susmentionnée. Ce procédé comporte les étapes suivantes : (a) une étape de mesure de signal acoustique, 10 (b) une étape d'observation au cours de laquelle on détermine une distribution de taux de décroissance d'énergie acoustique à partir des signaux acoustiques mesurés à l'étape (a), (c) une étape d'estimation au cours de laquelle on estime, par régression à partir de la distribution de taux de décroissance d'énergie acoustique déterminée à l'étape (b), un temps de réverbération caractéristique et un niveau de réverbération caractéristique du son dans le milieu 7. (a)Etape de mesure : 15 Au cours de cette étape, le microphone 2 capte « à l'aveugle » (c'est-à-dire sans connaissance préalable des signaux émis), un signal acoustique diffusé dans le milieu 7, par exemple lorsque le locuteur 3 parle. Ce signal est échantillonné et stocké dans le processeur 8 ou une mémoire 20 annexe (non représentée). (b)Etape d'observation : Au cours de cette étape, on détermine une distribution de taux de décroissance d'énergie acoustique à partir du signal acoustique mesuré à l'étape (a). 25 Pour cela, on détermine d'abord l'enveloppe d'énergie du signal réverbéré dx(n) telle que décrit notamment par Wen et al. (J.Y.C. Wen, E.A.P. Habets, and P.A. Naylor, Blind estimation of reverberation time based 3044509 9 on the distribution of signal decay rates, Acoustics, Speech. and Signal Processing, 2008, ICASSP 2008, IEEE International Conference pages 329-332, Mars 2008). En faisant un calcul sur des trames de 1\4', 5 échantillons de signal séparées par des sauts de R échantillons de signal, on peut calculer une énergie totale de la trame m par la formule : Nc'- i Ern = Ei=o d, (mR + i) et ensuite estimer le taux de décroissance d'énergie en 10 calculant le rapport logarithmique entre deux trames successives : 4 p(m) = (5) En effet, l'enveloppe d'énergie dx(n) peut être exprimée par la formule : cvn) = {(e2-hn -e2-sn)/(4 -4) si Âh # 4 15 (6) neÂhns si Âh = 4 où ) and 4 sont respectivement le taux de décroissance d'énergie du signal anéchoïque émis et du milieu 7 (le signal capté est une convolution du signal anéchoïque émis (parole) avec la réponse impulsionnelle du milieu entre le 20 locuteur 3 et le microphone 2, n étant l'indice temporel défini précédemment). Comme la somme est dominée par le terme exponentiel correspondant à la plus grande valeur de 4 le taux de décroissance d'énergie du signal réverbéré 4 peut être 25 approximé par : 4 max[4,Âs] (7), ce qui justifie la formule (5) ci-dessus. Le calcul de p(m) peut typiquement être fait sur un nombre M de trames d'au moins 2000, correspondant à au 30 moins 1 mn de signal selon les paramètres d'analyse choisis. Les trames peuvent avoir une durée individuelle de (4) 3044509 10 10 à 100 ms, notamment de l'ordre de 32 ms. Les trames peuvent se recouvrir mutuellement, par exemple avec un taux de recouvrement de l'ordre de 50 % entre trames successives. 5 On obtient ainsi différentes valeurs du taux de décroissance d'énergie p(m), qui présentent une certaine distribution statistique (nombre de réalisations ou probabilité de réalisation en fonction du taux de décroissance d'énergie p(m), comme explicité par exemple 10 dans l'article de Wen et al. ci-dessus). On détermine ensuite la fonction caractéristique de la distribution de taux de décroissance d'énergie, par la formule suivante (voir Audrey Feuerverger et Roman A. Mureika [The empirical characteristic fonction and its 15 applications, Ann. Statist., 5(1):88-97, 01 1977]): 'Px(f) = f e'fxdFx(x) = E[e'fx] (8) où X représente ici le taux de décroissance d'énergie p(m) susmentionné estimé pour diverses valeurs de m (formule (5)), Fx la distribution cumulée de X et f est une variable 20 sans dimension généralement appelée fréquence angulaire. La fonction caractéristique peut être calculée pour des fréquences angulaires f allant par exemple de 0 à 0,4, par incrément de 0,001. (c) Etape d'estimation : 25 On part de la fonction caractéristique (inp(m)(f), calculée pour p/2 fréquences f (p étant un entier naturel pair), la gamme de fréquences f et leur échantillonnage étant prévus pour que 1(1)p (rn) ( f ) 1 soit compris préférentiellement entre 0.1 et 1. 30 Typiquement, p peut être compris par exemple entre 256 et 2048. 3044509 11 La fonction caractéristique étant un nombre complexe, elle peut être représentée par un vecteur de X appartenant à RP, constituant le vecteur d'entrée aléatoire x de l'estimateur utilisé. Le vecteur de sortie 5 aléatoire y de l'estimateur, appartenant à R2, a pour composante les deux paramètres estimés, par exemple (RT60,C50) ou (RT60,D5o). L'estimateur utilisé peut être avantageusement un estimateur à fonction noyau, par exemple un estimateur de 10 Nadaraya-Watson. Un tel estimateur présente l'avantage de déterminer simultanément le temps de réverbération caractéristique et le niveau de réverbération caractéristique. L'estimateur en question peut être déterminé 15 préalablement dans une phase initiale de calibrage, où on met en oeuvre au moins une étape initiale de détermination de signaux de référence (a') et au moins une étape initiale d'observation (b'). Au cours de l'étape initiale de détermination de 20 signaux de référence, on détermine une pluralité de signaux acoustiques de référence et des temps de réverbération caractéristiques de référence et niveaux de réverbération caractéristiques de référence correspondants. Au cours de l'étape initiale d'observation, on 25 détermine la distribution de taux de décroissance d'énergie acoustique et la fonction caractéristique de référence pour chaque signal acoustique de référence, de façon identique ou similaire à l'étape de d'observation (b) susmentionnée. Les signaux acoustiques de référence sont des signaux 30 généralement vocaux au nombre de N et correspondent à N cas de figures différents (locuteurs différents, positions différentes, milieux 7 différents). N peut être de plusieurs centaines, voire plusieurs milliers. 3044509 12 L'étape initiale de détermination de signaux de référence peut être effectuée : - avec des mesures réelles nouvelles effectuées par exemple avec un dispositif électronique 1 d'un modèle 5 déterminé (dans ce cas, le temps de réverbération caractéristique et le niveau de réverbération caractéristique peuvent être également mesurés) ; - et / ou avec des signaux acoustiques synthétiques. 10 Dans le cas des mesures réelles, celles-ci-ne seront généralement pas faites dans le milieu 7 particulier ou le dispositif électronique 1 sera utilisé, bien que ce cas de figure puisse être envisagé. Les signaux acoustiques synthétiques susmentionnés 15 peuvent être calculés en convoluant des réponses impulsionnelles préenregistrées avec des signaux anéchoïques de parole également préenregistrés provenant de locuteurs différents. Les réponses impulsionnelles préenregistrées peuvent par exemple provenir de bases de 20 données de réponses impulsionnelles, par exemple provenant de bases de données en accès libre telles que les bases de données Aachen Impulse Response (http://www.openairlib.net/auralization .db), MARDY (Wen et al., Evaluation of speech dereverberation algorithme 25 using the Mardy database, Sept. IWAENC 2006, Paris), QueenMary (R. Stewart and M. Sandler, Database of omnidirectional and b-format room impulse responses, In Acoustics Speech and Signal Processing (ICASSP). 2010 IEEE International Conference on., pages 165-168, March 2010), 30 par exemple avec des temps de réverbération RT60 allant de 0.3 s à 8 s and des indices de clarté C50 from -10 dB à 25 dB. Les signaux anéchoïques de parole peuvent être des signaux enregistrés à partir de locuteurs divers, par 3044509 13 exemple d'âges et sexes différents, avec par exemple des durées d'enregistrement par exemple de quelques minutes, par exemple de l'ordre de 5 minutes. Les distributions de taux de décroissance d'énergie 5 peuvent par exemple être calculées sur des trames de 10 à 100 ms, notamment de l'ordre de 32 ms. Les trames peuvent se recouvrir mutuellement, par exemple avec un taux de recouvrement de l'ordre de 50 % entre trames successives. Les fonctions caractéristiques peuvent être calculées pour 10 des fréquences angulaires allant par exemple de 0 à 0,4, par incrément de 0,001. On obtient ainsi N réalisations des vecteurs x et y susmentionnés, et l'estimateur de Nadaraya-Watson peut alors être déterminé par la formule : 15 f(x) = Eiv=1 y iK À(x ,x i) EN K Àfx ,x i) où : - xi, yi, i = 1 à N, sont les N réalisations des vecteurs x, y utilisées pour l'étape de calibration, - K2,(x, xi) est une fonction noyau (kernel) de fenêtre À (À 20 est une constante également appelée paramètre de lissage), - x est le vecteur d'entrée inconnu (mesure effectuée à l'étape de mesure (a) en vue d'estimer le vecteur y par la formule y =f(x)) . La fonction noyau K2,(x, xi) est une fonction de x et xi 25 telle que définie notamment par Scholkopf et al. (B. Scholkpf eand A. J. Smola, Learning with Kernels, MIT Press, Cambridge, MA, 2001). On peut notamment utiliser un noyau gaussien, par exemple avec une fenêtre de À. = 5.10-4 (exemple non 30 limitatif) : 1 -11x-xe KÂ(x, xi) = e Les tests effectués montrent que le procédé de (9) 3044509 14 l'invention est plus précis que les procédés de l'art antérieur pour la détermination du temps de réverbération, et il permet en outre de déterminer le niveau de réverbération en même temps que le temps de réverbération, 5 ce qui est un gain important. REVENDICATIONS1. Procédé pour estimer la réverbération acoustique 5 dans un milieu (7), comprenant les étapes suivantes : (a) une étape de mesure dans laquelle on capte au moins un signal acoustique émis dans le milieu (7), (b) une étape d'observation au cours de laquelle on détermine une distribution de taux de décroissance 10 d'énergie acoustique à partir du signal acoustique mesuré à l'étape (a) et on détermine la fonction caractéristique de la distribution de taux de décroissance d'énergie acoustique, (c) une étape d'estimation au cours de laquelle on estime, par régression un temps de réverbération caractéristique et un niveau de réverbération caractéristique du son dans le milieu (7) à partir de ladite fonction caractéristique déterminée à l'étape (b), la régression étant faite en référence à : des fonctions caractéristiques de référence représentatives respectivement de plusieurs distributions de taux de décroissance d'énergie acoustique, - des temps de réverbération caractéristiques de référence correspondant auxdites fonctions caractéristiques de référence, - et des niveaux de réverbération caractéristiques de référence correspondant auxdites fonctions caractéristiques de référence. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, au cours de l'étape d'estimation (c), on utilise un estimateur à fonction noyau et on détermine simultanément le temps de réverbération caractéristique et le niveau de réverbération caractéristique. 3044509 16 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel, au cours de l'étape d'estimation (c), on utilise un estimateur de Nadaraya-Watson. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, au cours de l'étape d'estimation (c), le niveau de réverbération caractéristique du son dans le milieu (7) est choisi parmi l'indice de clarté C, et l'indice de définition D,. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au cours de l'étape d'observation (b), on détermine les taux de décroissance d'énergie en calculant l'énergie Em du signal acoustique sur des trames successives m de signal, puis en calculant un rapport logarithmique entre l'énergie de deux trames successives : p (m) = log(- -i)(5). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant en outre une phase 10 préliminaire de calibrage comprenant les étapes suivantes : (a') au moins une étape initiale de détermination de signaux de référence dans laquelle on détermine une pluralité de signaux acoustiques de référence correspondant auxdits temps de réverbération caractéristiques de référence et auxdits niveaux de réverbération caractéristiques de référence, (b') au moins une étape initiale d'observation au cours de laquelle, pour chaque signal acoustique de référence, on détermine une distribution de taux de décroissance d'énergie acoustique et la fonction caractéristique de 15 référence. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel au cours de ladite étape de détermination de signaux de référence, on détermine par calcul au moins une partie des signaux acoustiques de référence et les temps de 3044509 17 réverbération caractéristiques et niveaux de réverbération caractéristiques de référence correspondant auxdits signaux acoustiques de référence, à partir d'un ensemble prédéterminé de réponses impulsionnelles. 8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel au cours de ladite étape de détermination de signaux de référence, on détermine par mesure au moins une partie des signaux acoustiques de référence, les temps de réverbération caractéristiques et les niveaux de réverbération caractéristiques de référence correspondant auxdits signaux acoustiques de référence. 9. Dispositif pour estimer la réverbération acoustique dans un milieu (7), comprenant : (a) des moyens de mesure (2) pour capter au moins un signal acoustique émis dans le milieu (7), 5 (b) des moyens (8) pour déterminer une distribution de taux de décroissance d'énergie acoustique à partir du signal acoustique capté par les moyens de mesure, et pour déterminer la fonction caractéristique de la distribution de taux de décroissance d'énergie acoustique, (c) des moyens (8) pour estimer un temps de réverbération caractéristique et un niveau de réverbération caractéristique du son dans le milieu à partir de données représentatives de la distribution de taux de décroissance d'énergie acoustique, la régression étant faite en référence à : des fonctions caractéristiques de référence représentatives respectivement de plusieurs distributions de taux de décroissance d'énergie acoustique, - des temps de réverbération caractéristiques de référence correspondant auxdites fonctions caractéristiques de référence, 3044509 18 et des niveaux de réverbération caractéristiques de référence correspondant auxdites fonctions caractéristiques de référence.