CN103634476A - 一种基于手机的录音装置的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于手机的录音装置的定位方法，所述录音装置包含至少三个麦克风，分别为第一麦克风、第二麦克风和第三麦克风，所述定位方法包括以下步骤：测量步骤；时间差获取步骤，获取所述第一麦克风与所述第三麦克风获取声源的时间差，作为第一时间差，获取所述第二麦克风与所述第三麦克风获取声源的时间差，作为第二时间差；声源位置计算步骤，获得所述声源与所述第一麦克风之间的距离，获得所述声源与所述第二麦克风之间的距离，然后利用海伦公式计算，从而确定所述声源的位置。本发明通过使用手机的录音装置的至少三个麦克风，经过时间差获取步骤和声源位置计算步骤，可以实现更加方便、高效和精确的定位。

Description

一种基于手机的录音装置的定位方法

技术领域

本发明涉及手机技术领域，尤其涉及一种基于手机的录音装置的定位方法。

背景技术

人耳之所以能分辨声音的位置，是因为声源和双耳之间的存在角度差，这个角度差使得声音到达左右两个耳朵有时间差，因此人的耳朵能够捕捉到这个时间差，从而定位到声源的位置。同时，声音到达两个耳朵的强度也是有区别的，这个也是确定声源位置的一个重要来源。通过时间差和强度差别，人们可以准确的知道声源的位置，同样的原理也适用于手机。

手机已经逐渐成为具有强大计算能力的移动工具，越来越多的传感器被安放在手机的手机录音装置上，提供各种感知的功能，尤其在手机上，为了更好的支持声音的处理和消除噪音，手机录音装置的麦克风的数量在逐渐增多，例如现在的苹果公司的手机，就具有三个麦克风，即可通过手机声音到达不同位置的麦克风的时间差进行定位，这样可以更好的获取多个方向的声音，并且在通话过程中消除背景噪音。

最近的技术发展推动着手机的发展，比如，使用波束成形（beam-forming）的通用信号处理技术挖掘了手机的两个或者多个位于不同位置的定位能力，但是现有技术没有对于声源位置进行高效和精确定位的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于手机的录音装置的定位方法，能够对声源位置实现高效和精准的定位。

为达此目的，本发明实施例提供了一种手机的录音装置对声源进行定位的方法，所述录音装置包含至少三个麦克风，分别为处于位置M₁的第一麦克风、处于位置M₂的第二麦克风和处于位置M₃的第三麦克风，并且所述声源处于位置K，其特征在于，所述定位方法包括以下步骤：

测量步骤，测量所述第一麦克风与所述第二麦克风之间的距离，为第一距离d₁，测量所述第二麦克风与所述第三麦克风之间的距离，为第二距离d₂，测量所述第一麦克风和所述第三麦克风之间的距离，为第三距离d₃；

时间差获取步骤，获取所述第一麦克风与所述第三麦克风采集所述声源的声音的时间差，作为第一时间差，表示为T₁，获取所述第二麦克风与所述第三麦克风采集所述声源的声音的时间差，作为第二时间差，表示为T₂；

声源位置计算步骤，

$d_1^{\′}=d-T_1{V}_s$ 公式1，

$d_2^{\′}=d-T_2{V}_s$ 公式2，

其中，V_s为声音在空气中的速度，d为所述声源与所述第二麦克风之间的距离，

通过公式1获得所述声源与所述第一麦克风之间的距离d₁′，通过公式2获得所述声源与所述第二麦克风之间的距离d₂′，然后通过已知的d₁、d₂、d₃，以及d₁′、d₂′和d之间的关系计算出d值，从而确定所述声源的位置。

优选地，通过已知的d₁、d₂、d₃，以及d₁′、d₂′和d之间的关系计算出d值包含：

通过已知的d₁、d₂、d₃，以及d₁′、d₂′和d之间的关系，根据海伦公式，列出三角形KM₁M₂的面积加上三角形KM₂M₃的面积等于三角形KM₁M₃的面积加上三角形M₁M₂M₃的面积的等式，计算出d值。

优选地，所述第一麦克风位于手机的前部。

优选地，所述第二麦克风位于手机的后部。

优选地，所述第三麦克风位于手机的底部。

优选地，所述第一时间差和所述第二时间差通过互相关信号处理方法获取。

本发明通过使用手机的录音装置的至少三个麦克风，经过时间差获取步骤和声源位置计算步骤，可以实现更加方便、高效和精确的定位。

附图说明

图1是本发明实施例的基于手机的录音装置的定位方法的示意图；

图2是本发明实施例的基于手机的录音装置的第一麦克风和第二麦克风获取的声音序列的对比图；

图3是本发明实施例的基于手机的语音装置的第一麦克风和第二麦克风获取的声音序列的互相关结果图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

图1是本发明实施例的基于手机的录音装置的定位方法的示意图。如图1所示，本发明实施例提供了一种手机的录音装置对声源进行定位的方法，所述录音装置包含至少三个麦克风，分别为处于位置M₁的第一麦克风、处于位置M₂的第二麦克风和处于位置M₃的第三麦克风，并且所述声源处于位置K，其特征在于，所述定位方法包括以下步骤：

S210、测量步骤，测量所述第一麦克风与所述第二麦克风之间的距离，为第一距离d₁，测量所述第二麦克风与所述第三麦克风之间的距离，为第二距离d₂，测量所述第一麦克风和所述第三麦克风之间的距离，为第三距离d₃。

S220、时间差获取步骤，获取所述第一麦克风与所述第二麦克风获取声源的声音的时间差，作为第一时间差，表示为T₁，获取所述第二麦克风与所述第三麦克风获取声源的声音的时间差，作为第二时间差，表示为T₂。

在该步骤中，可以通过下列方法计算第一麦克风与第二麦克风获取声源的声音的时间差T₁以及第二麦克风和第三麦克风获取声源的声音的时间差T₂。图2是本发明实施例的基于手机的录音装置的第一麦克风和第二麦克风获取的声音序列的对比图。如图2所示，以第一麦克风mic1与第二麦克风mic2获取声源的声音的时间差T₁为例，假设通过第一麦克风采集第一声音序列，通过第二麦克风采集第二声音序列，其中第一麦克风采集的第一声音序列中的声音的强度的最高时刻是t₁,第二麦克风采集的第二声音序列中声音的强度的最高时刻是t₂。在实际情况下由于麦克风在记录音源的过程中采样率不高的关系，无法完整记录音源，导致|t₁–t₂|可能不是确切地表示同一个音源发出的声音到达第一麦克风和第二麦克风这两个麦克风的时间差T₁。

优选地，本发明实施例可以通过归一化的互相关（cross-correlation）的方法来确定同一个音源发出的声音到达两个不同位置的麦克风（例如第一麦克风和第二麦克风）的时间差。归一化的互相关方法是在两个已知信号之间寻找最佳匹配位置的标准信号处理方法，在互相关的结果中，峰值最高的信号时间段就是最佳匹配位置，针对本发明实施例，声音强度最高的时间段为最佳匹配位置，如图2中所示，SW表示声音序列的强度最高的时间段，那么该声音时间段为最佳匹配位置。这个时间段具有该声音序列种的声音强度的最高时刻，例如第一麦克风采集的第一声音序列中的声音强度的最高时刻t₁,第二麦克风采集的第二声音序列中声音强度的最高时刻t₂。

具体地，分别选取第一声音序列和第二声音序列的两个声音序列的声音强度最高的时间段，通常可选取声音强度的最高时刻的前后2秒的时间段，则得到第一麦克风的第一声音子序列X(t)和第二麦克风的第二声音子序列Y(t)。第一声音子序列X(t)和第二声音子序列Y(t)为经过离散化后获得的声音的强度与时间t的声音序列值，假设采样率为K，则序列长度L为4*K。图3是本发明实施例的基于手机的语音装置的第一麦克风和第二麦克风获取的声音序列的互相关结果图。如图3所示，将得到的两个子序列进行归一化互相关计算，可以得到最佳匹配位置t_M，即两个子序列的相对位置为t_M时，进行归一化互相关的结果CC(t₀)数值最大。于是，两个麦克风采集的音源的声音的时间差为T 1，T1=|t1-t2+t_M/K|。

归一化的互相关方法的计算公式如下所示：

$\mathrm{CC}\left(t_0\right)=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{t_x\∈W}[X\left(t_x\right)-\stackrel{\‾}{X\left(t\right)}][Y(t_x-t_0)-\stackrel{\‾}{Y\left(t\right)}]}{\sqrt{{\mathrm{\Σ}}_{t\∈W_0}{[X\left(t\right)-\stackrel{\‾}{X\left(t\right)}]}^2{\mathrm{\Σ}}_{t\∈W_0}{[Y\left(t\right)-\stackrel{\‾}{Y\left(t\right)}]}^2}}$

其中，L是第一声音子序列X(t)和第二声音子序列Y(t)的序列长度，通常为4*K，根据互相关计算公式，其中一个序列为模版序列，另一个是待匹配序列。假设X(t)为模版序列，Y(t)为待匹配序列，t₀表示待匹配序列Y(t)相对模版序列X(t)的相对时间差，取值范围是t₀∈[1-L,2L-1]。t_x为待匹配序列Y(t)与模版序列X(t)的实际匹配的时间值，其取值范围是t_x∈W=[max{0,t₀},min{t₀+L-1,L-1}]。

其中，t为第一声音子序列X(t)和第二声音子序列Y(t)序列的离散化的时间坐标值，取值范围是t∈W₀=[0，L-1]。X(t)序列的音强平均值为

Y(t)序列的音强平均值为

根据此方法，可获取所述第一麦克风与所述第二麦克风采集所述声源的第一时间差T₁，同样的原理，可以获取所述第二麦克风与所述第三麦克风采集所述声源的声音的第二时间差T₂。

S230、声源位置计算步骤，

$d_1^{\′}=d-T_1{V}_s$ 公式1，

$d_2^{\′}=d-T_2{V}_s$ 公式2，

其中，Vs为声音在空气中的速度，d为所述声源与所述第二麦克风之间的距离，

通过公式1获得所述声源与所述第一麦克风之间的距离d₁′，通过公式2获得所述声源与所述第二麦克风之间的距离d₂′，然后通过已知的d₁、d₂、d₃，以及d₁′、d₂′和d之间的关系计算出d值，从而确定所述声源的位置。

具体地，假设声源位于K，三个麦克风位于M₁、M₂和M₃，定义距离

KM₂=d，M₁M₃=d₁，M₂M₃=d₂。通过声音到各个麦克风的时间差，可以得到公式，

$\frac{{\mathrm{KM}}_2}{V_s}-\frac{{\mathrm{KM}}_1}{V_s}=\frac{d}{V_s}-\frac{d_1^{\′}}{V_s}=T_1$

推导则得到，

$d_1^{\′}=d-T_1{V}_s$ 公式1

同样原理可得到，

$d_2^{\′}=d-T_2{V}_s$ 公式2，

由于知道手机的结构，所以d₁、d₂、d₃都已知，然后通过d₁′、d2′和d之间的关系，在四边形中KM₁M₂M₃中，根据海伦公式列出三角形KM₁M₂的面积加上三角形KM₂M₃的面积等于三角形KM₁M₃的面积加上三角形M₁M₂M₃的面积的等式，计算出d值，这样可以得到d₁′和d₂′的值，从而确定该声源的位置。

其中，以三角形KM₁M₂为例（其他三角形的面积的计算方法与三角形KM₁M₂的算法一致），假设三角形KM₁M₂的面积为S，通过海伦公式得出S如下：

$S=\sqrt{p(p-\mathrm{KM}1)(p-\mathrm{KM}2)(p-M1M2)}$

$p=\frac{\mathrm{KM}1+\mathrm{KM}2+M1M2}{2}$

优选地，该录音装置具有三个麦克风，其中，所述第一麦克风可以位于手机的前部；所述第二麦克风可以位于手机的后部；所述第三麦克风可以位于手机的底部。

本发明实施例的基于手机的录音装置的定位方法，能够通过单个手机就能定位出来声声源，在火灾、地震等突发灾害的救援过程中有非常重要的作用；该定位方法通过简单的计算就能得到相应的位置，可以直接在手机上运行，更加高效；而且该定位方法还可以实现更加精确的定位，可以到达厘米精度。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种手机的录音装置对声源进行定位的方法，所述录音装置包含至少三个麦克风，分别为处于位置M₁的第一麦克风、处于位置M₂的第二麦克风和处于位置M₃的第三麦克风，并且所述声源处于位置K，其特征在于，所述定位方法包括以下步骤：

测量步骤，测量所述第一麦克风与所述第二麦克风之间的距离，为第一距离d₁，测量所述第二麦克风与所述第三麦克风之间的距离，为第二距离d₂，测量所述第一麦克风和所述第三麦克风之间的距离，为第三距离d₃；

时间差获取步骤，获取所述第一麦克风与所述第二麦克风采集所述声源的声音的时间差，作为第一时间差，表示为T₁，获取所述第二麦克风与所述第三麦克风采集所述声源的声音的时间差，作为第二时间差，表示为T₂；

声源位置计算步骤，

$d_1^{\′}=d-T_1{V}_s$ 公式1，

$d_2^{\′}=d-T_2{V}_s$ 公式2，

其中，V_s为声音在空气中的速度，d为所述声源与所述第二麦克风之间的距离，

通过公式1获得所述声源与所述第一麦克风之间的距离d₁′，通过公式2获得所述声源与所述第二麦克风之间的距离d₂′，然后通过已知的d₁、d₂、d₃，以及d₁′、d₂′和d之间的关系计算出d值，从而确定所述声源的位置。

2.根据权利要求1所述的手机录音装置的定位方法，其特征在于，通过已知的d₁、d₂、d₃，以及d₁′、d₂′和d之间的关系计算出d值包含：

通过已知的d₁、d₂、d₃，以及d₁′、d₂′和d之间的关系，根据海伦公式，列出三角形KM₁M₂的面积加上三角形KM₂M₃的面积等于三角形KM₁M₃的面积加上三角形M₁M₂M₃的面积的等式，计算出d值。

3.根据权利要求1所述的手机录音装置的定位方法，其特征在于，所述第一麦克风位于手机的前部。

4.根据权利要求1所述的手机的录音装置的定位方法，其特征在于，所述第二麦克风位于手机的后部。

5.根据权利要求1所述的手机的录音装置的定位方法，其特征在于，所述第三麦克风位于手机的底部。

6.根据权利要求1所述的手机的录音装置的定位方法，其特征在于，所述第一时间差和所述第二时间差通过互相关信号处理方法获取。

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