Le beamforming ou comment focaliser la captation
Le beamforming (ou formation de voies) exploite plusieurs microphones et le traitement du signal pour renforcer les sons provenant d'une direction donnée tout en atténuant les bruits, réflexions et sources parasites provenant des autres directions.
Capter la voix dans le bruit ou isoler le locuteur
Le locuteur est éloigné du microphone
En salle de réunion ou en visioconférence, la distance entre le locuteur et les microphones dégrade rapidement la captation. La voix utile devient plus faible, tandis que le bruit ambiant et la réverbération prennent davantage de poids dans le signal. La difficulté est de conserver une bonne intelligibilité, quelle que soit la position du locuteur dans la pièce.
Le niveau de bruit ambiant est élevé
Dans une cabine de conduite, un engin ou un environnement industriel, le microphone capte simultanément la voix de l'opérateur et les bruits environnants : moteur, ventilation, équipements ou sources extérieures. Le rapport signal sur bruit peut alors devenir insuffisant pour assurer une communication claire et robuste.
La commande vocale doit fonctionner à distance
Pour une interface ou un objet commandé à la voix, les performances se dégradent lorsque l'utilisateur s'éloigne du microphone. La voix arrive plus faible et peut être perturbée par le bruit, la réverbération ou d'autres sources sonores présentes dans l'environnement. L'enjeu est de maintenir une captation exploitable pour la reconnaissance vocale, même à plusieurs mètres du système.
Concevoir le système de captation complet
Nous disposons des briques algorithmiques et des compétences nécessaires pour concevoir un système de beamforming adapté au produit et à son environnement d'usage.
Le travail ne se limite pas au choix d'un algorithme. Nous définissons l'architecture complète : nombre et position des microphones, géométrie du réseau, bande fréquentielle utile, directivité recherchée, stratégie de pointage, contraintes de latence et ressources de calcul disponibles.
Selon le besoin, nous intégrons des briques de formation de voie fixe, de réduction de bruit et de post-traitement de la parole.
Ces briques sont ensuite dimensionnées, combinées et optimisées pour la plateforme cible. Nous pouvons aller jusqu'au prototypage, à l'implémentation embarquée et à la validation acoustique du système final.
L'objectif est de construire une chaîne de captation cohérente avec le produit, plutôt que d'ajouter un traitement générique en aval d'un réseau de microphones existant.
Schéma de principe · faisceau orienté vers l'orateurDu besoin au système intégré
Partir de la scène réelle
Nous caractérisons l'usage : position et déplacement des locuteurs, distances de captation, niveau de bruit, réverbération, géométrie disponible et contraintes d'intégration.
Dimensionner le réseau de microphones
Nombre de microphones, espacement, géométrie et bande fréquentielle utile sont définis en fonction des performances recherchées, de l'espace disponible dans le produit, des conditions de bruit et de la réponse acoustique du lieu.
Concevoir le traitement
Nous sélectionnons et combinons les briques adaptées : beamforming fixe, réduction de bruit et traitements complémentaires.
Les choix sont faits en tenant compte de la directivité visée, de la robustesse, de la latence et des ressources de calcul disponibles.Porter et valider sur le système final
Les algorithmes sont implémentés sur la plateforme cible : DSP, microcontrôleur, SoC ou processeur embarqué.
Le système est ensuite réglé et validé dans son environnement réel afin de vérifier les performances de captation, la robustesse et le fonctionnement en conditions d'usage.
Le beamforming en clair
Beamforming ou formation de voies ?
C'est le même traitement. "Formation de voies" est le terme consacré en français, complètement équivalent à "beamforming". Il désigne une catégorie très large de traitements multicapteurs dont l'objectif est de privilégier la captation dans une zone de l'espace, pour atténuer les sources situées ailleurs.
Il existe une autre catégorie de traitements d'antenne microphonique, qui ne sélectionne pas explicitement une direction : le traitement adaptatif "en aveugle".
Est-ce que ça remplace un microphone directionnel ?
Cela dépend des applications. Dans les kits mains libres et les téléphones, le beamforming simule justement des microphones directifs, avec une directivité fixe. Dans d'autres cas, la directivité du réseau se règle par le calcul, dans les limites que lui laissent sa forme et son ouverture.
Le beamforming permet-il de limiter l'effet de la réverbération ?
Oui. Le beamforming permet d'atténuer les échos et les réflexions qui proviennent de directions différentes de celle de focalisation. Ce traitement peut donc atténuer la réverbération et améliorer ainsi l'intelligibilité de la parole.
Ouvrir les explications techniques
Comment fonctionne la formation d'un faisceau ?
La méthode la plus simple procède par retards et sommation (delay-and-sum). Une onde qui vient de la droite atteint le microphone de droite avant celui de gauche. En champ lointain, cet écart de temps dépend de la direction d'arrivée, de la géométrie du réseau et de la célérité du son. En champ proche, la distance de la source compte aussi.
En compensant les retards relatifs avant de sommer les voies, les contributions venues de la direction visée s'alignent et se renforcent. Celles venues d'ailleurs se somment moins efficacement : leur atténuation dépend de la fréquence et du diagramme de directivité. Changer la direction d'écoute revient à ajuster les retards et les pondérations, donc à modifier un calcul, sans déplacer le réseau.
Ce principe ne vaut que pour cette méthode. D'autres techniques, comme le beamforming différentiel, reposent sur des principes très différents.
Qu'est-ce qui décide de la performance ?
La directivité dépend d'abord des dimensions du réseau par rapport à la longueur d'onde. Avec une méthode par retards et sommation, un réseau compact reste peu directif dans les basses fréquences, car les écarts de phase entre microphones deviennent trop faibles. À l'inverse, un espacement excessif aux hautes fréquences crée des lobes de réseau, c'est-à-dire des directions indésirables auxquelles le système devient également sensible. Le nombre de microphones, leur espacement et leur géométrie sont donc définis à partir de la bande de fréquences utile.
Le traitement est ensuite adapté à l'application. La méthode par retards et sommation (delay-and-sum) est simple, robuste et peu coûteuse en calcul. Le beamforming différentiel tient une directivité constante dans un très faible encombrement, au prix d'un rapport signal sur bruit plus faible.
Où se place le beamforming dans la chaîne ?
Dans un système mains libres, le beamforming est conçu conjointement avec l'annulation d'écho. Son positionnement dans la chaîne n'est pas figé : une AEC appliquée sur chaque microphone avant le beamforming offre davantage de robustesse, mais augmente le coût de calcul. À l'inverse, former d'abord le faisceau puis appliquer une AEC unique simplifie l'implémentation, notamment lorsque le faisceau et la géométrie sont fixes.
L'architecture est donc définie pour chaque projet selon le nombre de microphones, la latence et les ressources disponibles sur la plateforme du client, selon notre démarche audio embarqué.