专利 | 带有噪声过滤功能的婴儿监视系统

科技   2024-12-20 18:30   江苏  




婴儿监视器是一种流行的电子产品,可以帮助监护人在远处监控婴儿的状态。传统的婴儿监视器通常包括一个摄像头单元和一个监视器单元,摄像头单元捕捉婴儿的图像和声音,并将加密的视频和音频数据传输给监护人。然而,现有的婴儿监视器在嘈杂环境中可能会受到环境噪声的干扰,导致婴儿的声音不清晰。

为解决上述问题,Kelvin Ka Fai Chan等发明人提出了一种带有噪声过滤功能的婴儿监视系统,并于2024年1月16日获得美国专利授权(US11875769B2)。


本发明的婴儿监视系统包括摄像头单元和监视器单元。摄像头单元包含语音检测模块,监视器单元包含带有环境噪声消除(ENC)模块的数字信号处理(DSP)处理器和滤波器。语音检测模块检测来自婴儿的目标信号和环境噪声信号,形成音频流数据,并以加密格式传输到监视器单元。监视器单元将音频流数据转换为模拟信号,并将其传递到DSP处理器的ENC模块输入端。ENC模块识别模拟信号中的噪声信号和目标信号,并激活滤波器根据噪声的频率带进行过滤,以衰减噪声并放大目标信号,从而提高目标声音的质量。

具体实施方式

1.实施例一

摄像头单元具有检测模块,监视器单元具有被动电阻-电容(RC)滤波器。RC滤波器集成在婴儿监视系统的电路设计中,包括有源高通滤波器电路。RC滤波器可以过滤掉低频噪声信号(如风扇、白噪声机、交通、空调等),并放大高频目标信号(如婴儿哭泣声),从而使用户能够更清晰地听到高质量的音频信号。


实施例一中的一阶有源高通滤波器的电路图实施例一中二阶有源高通滤波器的电路图


2.实施例二

利用数字信号处理(DSP)算法实现噪声过滤,可通过软件编程设计和改变带通滤波器特性。

实施例二中包括嵌入在监视单元内的DSP(数字信号处理)模块以及ENC(环境噪声消除)模块的婴儿监视器系统框图

DSP 处理器的 ENC 模块支持多种音频效果功能,如环绕耳机、声音扩展器、参数均衡器、动态低音、清晰音频和智能音量等。其中,环绕耳机和声音扩展器不能同时启用,其他功能可独立工作。


实施例二中音频效果功能的框图

当前婴儿监视器系统多为单麦克风拾音,为满足 ENC 模块对主、辅麦克风音频输入信号的要求,单麦克风输出需接入 ENC 模块的两个音频输入端口。ENC 模块中的静音检测器根据音频信号分类,执行相应的频谱减法或衰减过程。


为解决市场上婴儿监视器因环境噪声导致婴儿声音听不清的问题,在监视器单元硬件中添加音频 DSP,应用频谱减法技术去除环境静止噪声,其频谱减法算法包括多个处理步骤,如信号缓冲、分块、加窗、变换、滤波、后处理、逆变换等,同时采用特定的窗口和重叠操作来减少输出块端点的不连续性。


实施例二中具有音频DSP的婴儿监控系统结构的框图实施例二中音频数字信号处理器(DSP)详细结构的框图

3.实施例三

摄像头单元新增生成舒缓声音的功能,使婴儿情绪平静并入睡,同时在发送到监视器单元前对舒缓声音进行过滤,保证监护人听到清晰声音。


噪声过滤方法包括播放舒缓声音、记录混合声音、转换为声音特征、对比特征、去除匹配特征(采用自适应回声消除(AEC)方法)、提取和去除静止噪声特征、频域处理(转换信号、估计噪声频率、频谱减法)、输出无噪声声音。

实施例三中用于滤除噪声的方法的框图

摄像头单元实现方式有两种,一种是通过外部可扩展支架,包含麦克风、微控制器(MCU)和扬声器等,可存储舒缓声音,支架麦克风记录声音后由其 MCU 去除噪声并将处理后的声音流输出到相机单元 MCU;另一种是一体化硬件实现,相机单元包含两个 MCU,第一个 MCU 去除噪声后将声音发送给第二个 MCU。


实施例三中具有可扩展支架的相机单元结构框图,用于滤除白噪声。实施例三中作为一体式硬件实现的相机单元结构框图,用于滤除白噪声。


应用前景

这项专利的技术可以应用于各种类型的婴儿监视器产品,无论是无线还是有线、视频或音频类型,以及任何产品尺寸,以实现噪声的取消、减少、改善和增强,从而提高产品的音频性能。同时还有被应用到其他领域的潜力,包括但不限于以下几个方面:

1.通用音频监测领域
  • 原理通用性:专利中所采用的噪声过滤技术,如基于 DSP 处理器的音频处理算法、滤波器设计等,其原理具有一定的通用性。这些技术可应用于其他需要音频监测且对声音质量有要求的场景,比如医院病房内对病人声音的监测,通过过滤环境噪声,医护人员能更清晰地听到病人的异常声音(如咳嗽、呼喊等),以便及时提供医疗护理。
  • 功能扩展性:舒缓声音生成与噪声过滤相结合的功能也可在其他领域拓展。例如,在一些需要营造安静环境同时给予特定声音安抚的场所,如养老院、心理咨询室等,通过播放舒缓声音帮助放松情绪,同时确保环境声音的清晰监测,及时发现可能的异常情况。


2.安防监控领域

  • 音频增强功能借鉴:该婴儿监视器系统在复杂环境下提高音频清晰度的技术手段,可被借鉴到安防监控系统中。特别是在一些对声音监测要求较高的安防场景,如银行、博物馆等重要场所的监控,过滤掉周围环境噪声,更精准地捕捉如异常声音(如玻璃破碎声、打斗声等),提升安防监控系统的有效性和可靠性。
  • 系统集成思路应用:摄像头单元与监视器单元之间的协同工作模式及数据传输处理方式,对于安防监控系统中多个设备之间的集成和信息交互具有参考价值,有助于优化整个安防监控系统的架构和功能。


3.智能家居领域

  • 智能设备音频优化:随着智能家居的发展,各类智能设备(如智能音箱、智能摄像头等)对音频质量的要求也在提高。该专利中的音频处理技术可用于优化这些智能设备的音频性能,例如在家庭环境中,智能音箱在播放音乐或语音交互时,通过类似的噪声过滤技术,减少周围环境噪声干扰,提升用户体验;智能摄像头在监测家庭安全时,更清晰地捕捉声音信息,实现更好的家庭安防和环境监测功能。
  • 多设备协同音频处理:专利中多模块协同处理音频的思路可应用于智能家居系统中不同设备之间的音频协作。比如,在一个智能家居场景下,多个房间的音频设备(如婴儿监视器、智能音箱等)可以共享音频处理技术,实现全屋音频的统一管理和优化,提供更加智能、舒适的家庭音频环境。


4.工业环境监测领域

  • 特殊环境声音监测:在一些工业生产环境中,需要对特定设备的声音进行监测以判断设备运行状态或是否存在故障隐患。该专利的技术可以应用于工业环境监测设备,过滤掉工业环境中的嘈杂背景噪声(如机器运转声、通风设备声等),更准确地提取目标设备的声音特征,实现对工业设备的远程实时监测和故障预警。
  • 人机交互声音优化:对于工业环境中存在人机交互的场景(如操作人员与自动化设备的语音指令交互),该技术可优化交互过程中的音频质量,确保语音指令清晰传递,提高工业生产的安全性和效率。


结语
本发明的婴儿监视系统通过使用DSP和ENC技术,提供了一种有效的噪声过滤解决方案,使监护人在嘈杂环境中也能清晰地听到婴儿的声音,从而提高了产品的音频质量性能。该发明具有较高的实用价值,也为其他类似音频监控系统的设计提供了新的思路。


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