Simulação da Prótese Auditiva Inteligente

Transcrição

1 Simuação da Prótese Auditiva Inteigente João Pauo Carvaho Lustosa da Costa, Sauo Benigno Puttini 2 e Ricardo Zeenovsky 3 Universidade de Brasíia, CEP , Brasíia, Brasi, ustosa@kn.ene.unb.br 2 Universidade de Brasíia, CEP , Brasíia, Brasi, sauouttini@yahoo.com.br 3 Universidade de Brasíia, CEP , Brasíia, Brasi, zee@unb.br Resumo Uma das formas rimárias de tratamento da erda auditiva é a seeção e a adatação de uma rótese auditiva. A rótese auditiva é um sistema eetrônico miniaturizado que cata e amifica todos os sons do meio ambiente. A imitação de tais róteses está no fato deas amificarem indiscriminadamente todos esses sinais ambientes. [] A roosta da Prótese Auditiva Inteigente (PAI) é ermitir a seeção esacia da fonte sonora que o ortador de deficiência auditiva deseja escutar e, em conseqüência, a rejeição dos sinais sonoros interferentes. Para iustrar a eficiência desta roosta, aresenta-se uma equena simuação que comara o desemenho das róteses atuais com o das róteses inteigentes.. Introdução Estudos em genética indicam que em três de cada dois mi nascimentos ocorre uma significante erda auditiva e que em aroximadamente um de cada mi e seiscentos nascimentos ocorre uma erda moderada a rofunda devido a fatores genéticos. [2] A artir da informação anterior, faz-se uma estimativa mundia das essoas que nascem com aguma erda auditiva. É ossíve concuir que existem no mundo, eo menos nove mihões e quinhentas mi essoas com uma erda auditiva significante e eo menos quatro mihões de essoas com uma surdez rofunda. Obviamente, o número mundia de deficientes auditivos é bem maior, ois a surdez também advém de outros fatores, como or exemo, a exosição ao ruído e a idade. De forma simiar, fazendo uma estimativa no Brasi, deduz-se que existem eo menos duzentas e sessenta mi essoas com erda auditiva. Considerando que aroximadamente metade da ouação do Brasi tem menos do que vinte anos e sabendo que existem somente cinqüenta mi crianças deficientes nas escoas, constata-se que a maioria dos jovens brasieiros com erda auditiva não comarece às auas. Verifica-se que Existem diversas razões ara isto, como: fata de aoio da famíia, baixas condições financeiras ara comrar róteses auditivas e quando consegue comrá-as, são de baixa quaidade. Observando o contexto do brasieiro, roõe-se o resente rojeto no intuito de beneficiar o aís com róteses auditivas inteigentes e a um custo reativamente baixo. A PAI é na verdade um arranjo de microfones com um rocessamento nas saídas. Este arranjo de microfones ode ter quaquer forma geométrica e ossui diversas vantagens que são: ganho de sina, rejeição de interferência, diversidade esacia e eficiência de otência. O ganho de sina é dado ea combinação dos diversos ganhos obtidos em cada microfone. A rejeição de sina é ossíve devido a conformação do feixe de microfones (beamforming, do ingês) que ossibiita inserir um zero em quaquer direção, inibindo assim a interferência. A diversidade esacia é a ossibiidade de reaizar a mutiicidade de acesso or divisão no esaço (SDMA, do ingês). A eficiência de otência é reaizada conformando os feixes numa única direção ossibiitando que se atinja uma distância maior. No resente artigo foi considerado um arranjo de microfones inear e uniforme (ULA, do ingês) na estimação da direção de chegada (DOA, do ingês) de sinais emitidos or fontes sonoras. As fontes de sinais foram caracterizadas or diferentes ânguos de chegada. O agoritmo emregado ara detecção dos sinais das diversas fontes foi o EM ara modeagem deterministica dos sinais incidentes também denominado de EMD [3]. A vantagem deste agoritmo está na busca e reconstrução simutânea dos diversos sinais em cada iteração. Entretanto, verifica-se que ara a aicação deste agoritmo em rocessamento em temo rea seria necessário antes um estudo anaisando o desemenho dos agoritmos e dos rocessadores de sinais digitais (DSP). A rincia contribuição deste trabaho é uma aicação de técnicas de antenas inteigentes ara o caso de sinais sonoros. Aém disso, outra imortante contribuição é a demonstração da eficiência da PAI. O artigo está dividido em 5 seções. Na seção 2 é feita uma descrição do arranjo de microfones, do tio de sina incidente e da modeagem destes sinais na saída do arranjo. Na seção 3 é descrita a soução roosta ara o robema modeado. Resutados e comentários de simuações feitas com o método roosto ara a soução do robema são aresentados na seção 4. Na seção 5 são feitas concusões sobre o emrego do método no caso de sinais sonoros.

2 2. Modeagem do robema θ d Sina que chega Num arranjo de microfones, os sinais catados eos mesmos em um dado instante de temo t são ordenados x x... xm ( ), com M 0 ( t na forma [ ] sendo a quantidade de microfones (c.f., Figura ). Disondo de tais sinais, o interesse neste trabaho está na obtenção de um sina sonoro de mehor quaidade rejeitando os sinais das outras direções. De forma genérica, os sinais são caracterizados a artir da direção de chegada, dada eo ânguo θ que este forma com a erendicuar do arranjo. Considera-se que a fonte de sinais esteja a uma distância grande o suficiente de forma que as frentes de ondas incidentes ossam ser consideras anas quando comaradas com o tamanho do arranjo de microfones. A incidência do sina em cada microfone do arranjo acontece com um atraso suosto fixo. Por esta razão ode-se reresentar este sina tomando como base os atrasos de temo que são traduzidos em atraso de fase com a equação aresentada a seguir onde se vê a reação entre DOA: 2π. d.senθ ϕ = λ Microfone 0 Microfone Microfone 2 Microfone M- Fig.. Reresentação do arranjo e sina x 0 ( x ( x 2 ( x M- ( () Da eq. (), tem-se que d é a distância entre duas antenas consecutivas, θ é a DOA e λ é o comrimento de onda do sina incidente. Chega-se então a seguinte equação: x x xm 0... = ) e e jϕ... n0 n. s(... nm ( t j( M ) ϕ ( t ) A eq. (2) ode ainda ser reresentada na seguinte forma: X, N = AM,( θ ) S, N N M, N M (2) (3) com X, sendo o vetor reresentando as N amostras M N de sinais catadas eos M microfones do arranjo, A ( M, θ ) é o vetor de atrasos referente a cada direção de chegada (θ ), S, N é o sina que foi emitido ea fonte sonora e N, é o ruído gaussiano inerente ao meio. M N 3. Método ara estimação de DOA O agoritmo EM utiizado emrega uma modeagem determinística ara o sina incidente no arranjo [3]. Considerando T sinais z ( incidentes no arranjo sendo, verifica-se que a saída x( é, na verdade, um maeamento de T variáveis z ( em uma variáve x ( na saída de cada antena do arranjo: x( = T = z Portanto a função de verossimihança conjunta na forma cometa fica: O agoritmo EM ossui uma estrutura iterativa que rocura reaizar a estimação conjunta de arâmetros [4], que no caso são s ( e θ. Ee é dividido em dois assos: o asso E de estimação e o asso M de maximização. Para o asso E, tem-se: z K T ( A θ ), S( x( ) = [ x( A( θ ) s ( )] = a( θ ). s t T O asso M é obtido maximizando a eq. (), ficando: arg max a( θ ) C xa( θ ) θ a( θ ) a( θ ) θ s Pea eq. (6), verifica-se que a cada estimação é retirada a informação obtida anteriormente. (4) 2 ( z a( θ A S t X ) s ( θ ), ( ) t= = = (7) C x a( θ ) z = a( θ ) a( θ ) = N K t= z 4. Simuações Nesta simuação, arte-se de uma situação hiotética [5], com um ortador de deficiência auditiva resente z (5) (6) (8) (9)

3 numa saa de aua, onde existem um asirador de ó, uma janea ea qua chega ruído do tráfego de uma via úbica e um rofessor ministrando aua. O estudante com o emrego da PAI ode riviegiar o sina do rofessor e rejeitar os demais sons interferidores. Para faciitar esta oeração, revê-se que a PAI deva trabahar em modo manua ou automático. No modo manua seria ossíve a seeção da voz do rofessor mesmo que no ambiente a reação sina ruído esteja em 40dB, orém o estudante recisa indicar ara a PAI a direção do faante. No caso digita, ode-se usar um tecado ara indicar essa direção ou no caso anaógico, girar um botão. Durante uma das simuações no modo manua foi considerado caso do estudante cometer uma faha de 0º ao aontar ara o faante. No modo automático o estudante detectará os três sons no ambiente e oderá seecionar em um tecado qua dees deseja escutar. O modo automático não consegue detectar sinais com reação sina ruído muito baixa, sua detecção é aceitáve até róximo de 6dB. automático, no qua ao ressionar de teca do auno, o agoritmo EM vai satando de entre as direções de chegada onde estão os icos de otência. Logo, no modo automático o auno não recisa se reocuar em indicar nenhuma direção de chegada. No subitem 4.. será aresentada uma simuação do funcionamento do modo automático. O segundo modo de funcionamento é o manua, neste caso o auno utiizando um otenciômetro ou então um botão digita vai aterando a direção de chegada ouco a ouco até encontrar a direção em que o sina tem uma mehor audibiidade. São aresentadas simuações do modo manua nos subitens 4..2 e Os dois modos ossibiitam que seja feito o acomanhamento do sina, quando o auno ressiona uma outra teca ara travar no sina de uma certa direção. 4.. Aroximação da voz como sina senoida Fig. 4. Aroximação senoida da voz do rofessor 60º -20º -50º Fig. 2. Situação hiotética em saa de aua 4... Caso de modo automático ara SNR de 0 db A seeção é feita eo modo estação de rádio. Os sons de maior otência são mostrados ara o auno e ee escohe de forma crescente ou decrescente de otência qua dees deseja escutar. Pode coocar a ordem de seeção em sentido horário ou anti-horário à direção de chegada. Verifica-se que ara SNR inferior a -6db, a busca automática não consegue encontrar o sina, ogo seria necessário coocar no modo manua ara encontrar o sina. Asirador de ó Professor Auno com erda auditiva Rodovia Asirador de ó Fig. 3. Legenda da fig. 2 Potência normaizada Via úbica Professor As simuações aresentadas a seguir aresentam dois modos de oeração da PAI. O rimeiro modo que é o Ânguo em graus Fig. 5. Esectro esacia de otência dos sinais incidentes

4 4.2. Simuação emregando sina de voz rea Fig. 6. Sina escutado or uma rótese norma a esquerda e ea PAI a direita Caso de modo manua ara SNR de 20 db com erro de 0º Potência normaizada Asirador de ó Via úbica Professor Na fig. 0 tem-se um sina sonoro gerado eo rimeiro autor deste artigo dizendo a frase direção de chegada. O sina origina ossuía amostras e conseqüentemente o temo de rocessamento era ato. Por esta razão, uma técnica de decimação foi aicada diminuindo a quantidade de amostras ara 5000 e o sina sonoro ermaneceu com uma quaidade muito róxima do origina. Em outras aavras, foi aicada uma comressão com erdas ara se diminuir o temo de rocessamento. Percebe-se que o níve de ruído da fig. é evemente ercetíve, enquanto que na fig. 2 com a PAI, o ruído ainda não é ercetíve graficamente e audivemente. Amitude Ânguo em graus Fig. 7. Esectro esacia de otência dos sinais incidentes Fig. 0. Sina sonoro Fig. 8. Sina escutado or uma rótese norma a esquerda e ea PAI a direita Amitude Caso de modo manua ara SNR de 40 db Fig.. Sina escutado or uma rótese norma com SNR de 40 db Fig. 9. Sina escutado or uma rótese norma a esquerda e ea PAI a direita Percebe-se que o níve de ruído da fig. 3 já é facimente ercetíve e interfere na audibiidade, enquanto que na fig. 4 com a PAI, o ruído ainda não é ercetíve comarando com a fig. 0. O gráfico de otência do subitem 4..3 é arecido com o do subitem 4..2 e or esta razão foi surimido.

5 Amitude Fig. 2. Sina escutado ea PAI com SNR de 40 db Fig. 5. Sina escutado or uma rótese norma com SNR de 20 db Fig. 3. Sina escutado or uma rótese norma com SNR de 30 db Fig. 6. Sina escutado ea PAI com SNR de 20 db Amitude Amitude Amitude Amitude Amitude Fig. 4. Sina escutado ea PAI com SNR de 30 db Percebe-se que o níve de ruído da fig. 5 é eevado e existe dificudade em se escutar o sina sonoro, enquanto que na fig. 6 com a PAI, o ruído é quase imercetíve comarando com a fig. 2. Percebe-se que o níve de ruído da fig. 7 é bastante eevado e não é ossíve entender o sina sonoro, enquanto que na fig. 8 com a PAI, o ruído é evemente ercetíve comarando com a fig. 0. Fig. 7. Sina escutado or uma rótese norma com SNR de 0 db A artir de agora, o não será aresentado mais o gráfico do sina obtido com uma rótese norma, ois o mesmo se mantém semre arecido com o da fig. 7, ou seja, verifica-se aenas o ruído e não se consegue entender o sina sonoro. Esta fig. 20 é arecida com a fig. 5, ou seja, o sina escutado com uma rótese norma ara SNR de 20dB é

6 arecido com o sina escutado com uma PAI ara SNR de -0dB. Esta fig. 2 é arecida com a fig. 7, entretanto o sina escutado com uma rótese norma ara SNR de 0dB é ainda ior que o sina escutado com uma PAI ara SNR de -20dB. Amitude Amitude Fig. 2. Sina escutado ea PAI com SNR de -20 db Os gráficos seguintes não serão aresentados, ois ara SNR inferior a -20dB, até a PAI baseada no EMD não suorta. Amitude Fig. 8. Sina escutado ea PAI com SNR de 0 db 5. Concusões A artir das simuações aresentadas é ossíve verificar que a PAI ossui um desemenho bem suerior as róteses auditivas atuais. Enquanto as róteses atuais suortam uma reação sina ruído gaussiano direciona de no máximo 0dB, a PAI suorta até -20dB. Existem imitações que recisam ser sueradas como o temo de rocessamento, ois, or exemo, ara um sina sonoro de um segundo de duração demora-se um temo de oito minutos de rocessamento. Agumas sugestões ara aceerar é utiização da informação a riori da DOA ara estimar a osteriori, emrego de técnicas de reaimentação ara aceerar o cácuo da eq. (6) e or fim a aicação de rocessamento araeo. Amitude Fig. 9. Sina escutado ea PAI com SNR de 0 db Referências [] Munhoz, Raque A. e Torres, Ana M. V. L., Vez da Voz Audição e surdez, O que é a erda auditiva e como tratá-a, Serviço de Indicação e Adatação de Próteses Auditivas do Núceo de Audioogia e Próteses Auditivas Caminas Ltda Unitron. [2] htt:// Organização Beneficente Ingesa ara deficientes auditivos. [3] M. I. Mier e D. R. Fuhrmann. Maximun Likeihood Narrow-Band Direction Finding and the EM Agorithm. IEEE Trans. on Acoustics, Seech and Signa Processing, Vo. 38, Setembro, 990, [4] A.D. Demster, N.M. Laird, e D. B. Rubin. Maximum ikeihood from incomete data via the EM agorithm, J. Roy. Stat. Soc., vo. B-39,. -37, 977. [5] Oiticica, M. & Gomes, M., O estresse do rofessor acentuado ea recariedade das condições acústicas das saas de aua, XXIV Encontro Nac. de Eng. de Produção, Forianóois, SC, Brasi, Nov, Fig. 20. Sina escutado ea PAI com SNR de -0 db