CN105721066A - 基于声波的空间状态检测装置、系统与方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于声波的空间状态检测装置、系统与方法。检测装置包括发音单元、收音单元、信号处理单元与决策单元。发音单元用于向空间中发送声波。收音单元用于接收声波于空间中变化后的声波以做为声音感应信号。信号处理单元耦接到收音单元以接收声音感应信号，且根据声音感应信号的特征产生空间状态特征参数。决策单元耦接到信号处理单元以接收空间状态特征参数，且根据空间状态特征参数的比对来检测空间状态的变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间状态检测装置，且特别涉及一种基于声波的空间状态检测装置、系统与方法。
背景技术
由于科技的日新月异，再加上人们对于生活水平的要求不断提高，智能家庭成为近年来的发展趋势。在现有智能家庭的应用中，以居家安保系统及安全照护较为成熟与普遍，只要透过感应网络与感应信息分析，即可达成安全监控的功能。
一般而言，安全监控系统中的硬件装置成本通常费用不菲，而采购成本更是一般使用者选购时的重要考虑之一。因此，如何降低安全监控/检测装置的硬件成本，已成为相关领域技术发展的重要课题之一。
发明内容
本发明提供一种基于声波的空间状态检测装置、系统与方法，可降低检测装置的成本，且可减少信号死角与信号收发指向性的问题。
本发明的基于声波的空间状态检测装置包括发音单元、收音单元、信号处理单元以及决策单元。发音单元用于向空间中发送声波。收音单元用于接收声波于空间中的变化后的声波以作为声音感应信号。信号处理单元耦接到收音单元以接收声音感应信号，且根据声音感应信号产生空间状态特征参数。决策单元耦接到信号处理单元以接收空间状态特征参数，且根据空间状态特征参数来检测空间状态的变化。
本发明的基于声波的空间状态检测系统包括电子装置以及上述基于声波的空间状态检测装置。其中检测装置还包括网络单元。当检测装置检测到空间状态发生变化时，检测装置透过网络单元传送信息到电子装置。
本发明的基于声波的空间状态检测方法包括如下步骤。首先，向空间中发送声波，并接收声波于此空间中变化后的声波以做为声音感应信号。接着，基于声音感应信号取得空间状态特征参数。然后，透过空间状态特征参数来检测空间状态的变化。
基于上述，本发明的基于声波的空间状态检测装置、系统与方法可透过发音单元在空间中发送声波，并透过收音单元接收声波在此空间中变化后的声波以产生声音感应信号。之后再根据声音感应信号取得空间状态特征参数，并透过空间状态特征参数来检测空间状态是否发生变化。由于本发明是以声音当作感应媒介，因此可使用一般扬声器(喇叭)和麦克风来做为声音的传送与接收装置。如此一来，可以降低检测装置的成本。除此之外，由于声波可在空间中(特别是室内空间)经过多次反射而被接收，因此也可减少信号死角与信号收发指向性的问题。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
下面的所附图式是本发明说明书的一部分，描绘了本发明的示例实施例，所附图式与说明书的描述一起说明本发明的原理。
图1是依照本发明一实施例所描绘基于声波的空间状态检测装置的方块示意图。
图2A是依照本发明一实施例所描绘在小房间的室内脉冲响应图。
图2B是依照本发明一实施例所描绘在大房间的室内脉冲响应图。
图2C是依照本发明一实施例所描绘在不同房间大小的脉冲振幅分布的峰值比较图。
图2D是依照本发明一实施例所描绘在空旷房间的室内脉冲响应能量频谱图。
图2E是依照本发明一实施例所描绘在摆设物品房间的室内脉冲响应能量频谱图。
图3是依照本发明图1实施例所描绘在信号处理单元的方块示意图。
图4是依照本发明一实施例所描绘的空间脉冲响应信号撷取示意图。
图5是依照本发明一实施例所描绘的室内空间脉冲音的响应图。
图6是依照本发明图3实施例所描绘的信号撷取单元的方块示意图。
图7是依照本发明一实施例所描绘的空间脉冲音的响应图。
图8A是依照本发明一实施例所描绘的有效信号的频域特征示意图。
图8B是依照本发明一实施例所描绘的有效信号的时域特征示意图。
图9A～图9C是依照本发明一实施例所描绘的初始阶段的空间状态特征参数的流程示意图。
图10A～图10C是依照本发明一实施例所描绘的检测阶段的空间状态特征参数的流程示意图。
图11是依照本发明图1实施例所描绘的决策单元的方块示意图。
图12是依照本发明一实施例所描绘的空间状态比对结果直方图。
图13是依照本发明一实施例所描绘的基于声波的空间状态检测系统的方块示意图。
图14是依照本发明一实施例所描绘的基于声波的空间状态检测方法的步骤流程图。
其中附图标记为：
100：检测系统
1000：检测装置
1200：发音单元
1400：收音单元
1600：信号处理单元
1800：决策单元
1900：网络单元
9000：电子装置
2620：信号撷取单元
2640：第一计算单元
3622：振幅计算单元
3624：音波滤除单元
401、402、403：区段
501、502、503：区域
5820：设定单元
5840：判断单元
ADVS1：第一绝对差值信号
ADVS2：第二绝对差值信号
AMP：平均振幅数值
AS、AS1、AS2、AS3：声音感应信号
ASC：音频频谱质心
ASE：音频频谱包络
AS_R：声波变化(脉冲音响应信号)
AS_T：声波
CP：特征参数
DS：直达音区段
DVS1：第一差值信号
DVS2：第二差值信号
L1、L2：虚线
MSG：信息
RS：反射音区段
RT：残响时间
S600、S620、S640：步骤
SSCP：空间状态特征参数
T：预定时间
TH：门坎值
t0、t1、t2：时间
VS：有效信号
具体实施方式
现将详细参考本发明的示范性实施例，在附图中说明所述示范性实施例的实例。另外，凡可能之处，在图式及实施方式中使用相同标号的组件/构件代表相同或类似部分。
以下请参照图1，图1是依照本发明一实施例所描绘的基于声波的空间状态检测装置1000的方块示意图。基于声波的空间状态检测装置1000包括发音单元1200、收音单元1400、信号处理单元1600以及决策单元1800。发音单元1200用于发送声波AS_T于一空间(未描绘)中。收音单元1400用于接收声波AS_T于上述空间中的声波变化AS_R以做为对应的声音感应信号AS。信号处理单元1600对应于收音单元1400所接收到的声音感应信号AS，根据此声音感应信号AS产生空间状态特征参数SSCP。决策单元1800接收信号处理单元1600所传出的空间状态特征参数SSCP，且根据空间状态特征参数SSCP来检测空间状态于不同时间之间的变化。
在本实施例中，发音单元1200可以是扬声器(Speaker)，而收音单元1400可以是麦克风(Microphone)，然而本发明并不以此为限。任何可以发出声音以及接收声音的组件都可以分别用来做为本发明实施例中的发音单元1200及收音单元1400。
在本实施例中，信号处理单元1600与决策单元1800可以是硬件、韧体(firmware，固件)或储存在内存而由处理器或微处理器所加载执行的软件或机器可执行程序代码。而若是采用硬件或是电路，则每个单元可以是由个别电路芯片所完成，也可以部分或全部由单一整合电路芯片所达成，但并非以此为限制。而上述内存媒介可以是例如光盘、随机存取内存、只读存储器、闪存、软盘、硬盘或磁性光学碟，或可于网络下载原先被储存于远程记录媒介或非暂存式机器可读取媒介且将储存于区域的记录媒介。上述硬件可以使用例如一般用途的计算机、特殊功能集成电路(ASIC)或可程序化逻辑门阵列(FPGA)来实现。当上述硬件存取以及执行上述软件或机器可执行程序代码时，上述硬件可包括内存组件。此内存组件例如是随机存取内存、只读存储器、闪存、拇指碟(U盘)等等，可用以储存或接收上述软件或机器可执行程序代码。
除此之外，在本发明的一实施例中，检测装置1000所配置的空间可以是室内空间，发音单元1200所发出的声波AS_T可以是一脉冲音(Impulse)，而收音单元1400所接收的声波变化AS_R可以是脉冲音响应于上述空间的脉冲音响应信号(ImpulseResponse)。但本发明并不以此为限。在此值得一提的是，发音单元1200所发出的声波AS_T可以是可闻声波，其中可闻声波的频率范围约为20Hz～20kHz。但本发明并不以此为限。在另一实施例中，发音单元1200所发出的声波AS_T可以是超过20kHz的超声波或是低于20Hz的次声波。
另外，在本发明的一实施例中，发音单元1200可周期性地或非周期性地(例如随机性地)发送声波AS_T于空间中，且信号处理单元1600可据此产生对应的空间状态特征参数SSCP。
更进一步来说，检测装置1000可配置于室内空间。于初始阶段时，检测装置1000可设定发音单元1200在此室内空间中发送脉冲音AS_T。接着，收音单元1400接收在此室内空间内的脉冲音响应信号AS_R以做为声音感应信号AS。然后，信号处理单元即可根据声音感应信号AS的特征产生初始阶段的空间状态特征参数SSCP。而在检测阶段时，检测装置1000可设定发音单元1200在此室内空间内周期性地或非周期性地(例如随机性地)发送脉冲音AS_T，然而本发明并不限制于此。发音单元1200也可以利用其他感应机制来触发以发送脉冲音AS_T(声波)，例如可使用红外线的方式来触发。收音单元1400可接收对应的脉冲音响应信号AS_R以做为声音感应信号AS。信号处理单元可根据对应的声音感应信号AS产生对应的空间状态特征参数SSCP。而决策单元1800可将对应的空间状态特征参数SSCP与初始阶段的空间状态特征参数SSCP进行比对，以检测上述空间的空间状态于初始阶段与检测阶段之间是否发生变化。
需特别注意的是，脉冲音在室内空间中的脉冲响应会随着室内空间大小以及摆设的不同而改变。例如图2A～图2E所示。图2A是依照本发明一实施例所描绘的小房间的室内脉冲响应图。图2B是依照本发明一实施例所描绘的大房间的室内脉冲响应图。图2C是依照本发明一实施例所描绘的不同房间大小的脉冲振幅分布的峰值比较图。图2D是依照本发明一实施例所描绘的空旷房间的室内脉冲响应能量频谱图。图2E是依照本发明一实施例所描绘的摆设物品房间的室内脉冲响应能量频谱图。由图2A～图2E可看出，脉冲音在室内空间中的脉冲响应会随着室内空间大小以及摆设的变化而有明显差异。因此，当检测装置1000被重新配置于另一室内空间时，检测装置1000需重新取得此室内空间的初始阶段的空间状态特征参数SSCP，以避免检测装置1000在检测阶段时可能会产生误判。
值得一提的是，收音单元1400所接收到的声波变化AS_R可以用模型表示，此模型可以是发音单元1200所发送的声波AS_T在上述室内空间中的转换。换句话说，收音单元1400所接收到的声波的变化可以表示为如下公式(1)：
y[n]＝T{x[n]}……………………………………公式(1)
其中，x[n]为发音单元1200所发送的声波AS_T，而y[n]为收音单元1400所接收到的声波变化AS_R。若以线性非时变系统来描述上述室内空间的转换，则上述公式(1)可以表示为如下公式(2)：
y[n]＝T{x[n]}＝h[n]＊x[n]………………………公式(2)
其中，h[n]为上述室内空间在时域上的响应，而＊表示旋积运算(Convolution)。将上述公式(2)进行傅利叶转换(FourierTransform)可得到如下公式(3)：
Y(ω)＝H(ω)×X(ω)…………………………………公式(3)
其中ω代表频率。当x[n]为脉冲音时(即δ[n])，其频率响应X(ω)等于1，因此公式(3)可以如下公式(4)所示：
Y(ω)＝H(ω)×X(ω)＝H(ω)…………………………公式(4)
也就是说，收音单元1400所接收到的声波变化AS_R的频率响应Y(ω)即为上述室内空间的频率响应H(ω)。换句话说，此时收音单元1400所接收到的声波变化AS_R即为该室内空间的特性。
虽然上述实施例是将检测装置1000配置于室内空间，发音单元1200是配置以发送脉冲音，且收音单元1400是配置以接收在室内空间内的脉冲音响应信号AS_R以做为声音感应信号AS，然而本发明并不限于此。换句话说，检测装置1000也可配置于室外空间，发音单元1200可配置以发送任何型式的声波AS_T，收音单元1400可配置以接收上述声波AS_T于室外空间的声波变化AS_R以做为声音感应信号AS。也就是说，检测装置1000的配置方式可视实际设计/应用需求而决定。
以下请参照图3，图3是依照本发明图1实施例所描绘的信号处理单元1600的方块示意图。信号处理单元1600包括信号撷取单元2620以及第一计算单元2640。信号撷取单元2620接收声音感应信号AS并撷取声音感应信号AS中的有效信号VS。第一计算单元2640接收信号撷取单元2620的有效信号VS，并根据有效信号VS来计算空间状态特征参数SSCP。
在一实施例中，为了降低第一计算单元2640的信号处理量，信号撷取单元2620可仅撷取声音感应信号AS中具有声波变化的区段。为了便于说明，以下将以室内空间的脉冲音响应为范例来说明，然而本发明并不以此为限。以下请同时参照图1、图3与图4，图4是依照本发明一实施例所描绘的空间脉冲响应信号撷取示意图。如图4所示，信号处理单元1600于6秒钟内接收到3笔声音感应信号AS1、AS2、AS3。然而此3笔声音感应信号AS1、AS2、AS3中具有声波变化的区段401、402、403仅各维持25毫秒。因此，信号撷取单元2620在一实施例中可以仅撷取区段401、402、403中的声音感应信号，并将区段401、402、403中的声音感应信号提供至第一计算单元2640以计算空间状态特征参数SSCP。如此一来，便可降低第一计算单元2640的信号处理量。
在本发明的图4实施例中，信号处理单元1600于6秒钟内接收到3笔声音感应信号AS1、AS2、AS3，且此3笔声音感应信号AS1、AS2、AS3中具有声波变化的区段401、402、403各维持25毫秒，然而本发明并不以此为限。也就是说，每一笔声音感应信号(例如AS1)中具有声波变化的区段可以维持得更短，也可以维持到接收到下一笔声音感应信号(例如AS2)的时候。每一笔声音感应信号中具有声波变化的区段长短可能因检测装置1000所配置的空间而不同。而信号处理单元1600接收到每一笔声音感应信号的间隔(也为发音单元1200发送每一笔声波的间隔)端视实际设计需求而定。
在本发明的一实施例中，信号撷取单元2620所接收的声音感应信号AS可包括直达音(Directsound)区段以及反射音(Reflection)区段。其中直达音表示未经空间反射的信号，而反射音可包括一次反射音(EarlyReflections)与多次反射音(Reverberation)。为了便于说明，以下将以室内空间脉冲音的响应为范例来说明，然而本发明并不以此为限。以下请参照图5，图5是依照本发明一实施例所描绘的室内空间脉冲音的响应图。其中区域501中的响应信号可视为未经室内空间反射的直达脉冲音，其具有最大的声压。区域502可视为经室内空间一次反射的脉冲音，由于脉冲音于反射时会造成能量的损耗，因此其声压将较直达脉冲音为小。而区域503为经室内空间多次反射的脉冲音，其声压将随着时间而降至更低。
由于直达音是未经空间反射的信号，因此直达音通常不具有空间状态的信息。在本发明的一实施例中，信号撷取单元2620可将声音感应信号AS中的直达音滤除，然而本发明并不以此为限。在本发明的其他实施例中，信号撷取单元2620也可将声音感应信号AS中的反射音滤除，端视实际设计/应用需求而决定。
以下请参照图6，图6是依照本发明图3实施例所描绘的信号撷取单元2620的方块示意图。其中信号撷取单元2620包括振幅计算单元3622以及音波滤除单元3624。振幅计算单元3622接收声音感应信号AS以计算声音感应信号AS的平均振幅，并输出平均振幅数值AMP。音波滤除单元3624接收声音感应信号AS，耦接到振幅计算单元3622以接收平均振幅数值AMP，且根据平均振幅数值AMP来对声音感应信号AS进行滤波以产生有效信号VS。
在本发明图6所示的实施例中，音波滤除单元3624可用以滤除声音感应信号AS中的直达音区段。其中，音波滤除单元3624判断声音感应信号AS的振幅是否持续小于平均振幅数值AMP达一段预定时间T，若判断结果为是，可将预定时间T之后的声音感应信号输出以做为有效信号VS，否则可将预定时间T之前的声音感应信号滤除。然而本发明并不限制于此。也就是说，音波滤除单元3624也可用以滤除声音感应信号AS中的反射音区段。其中，音波滤除单元3624可判断声音感应信号AS的振幅是否持续小于平均振幅数值AMP达一段预定时间T，若判断结果为是，可将预定时间T之后的声音感应信号滤除，否则可输出预定时间T之前的声音感应信号以做为有效信号VS。
进一步说明如下。为了便于说明，以下将以室内空间脉冲音的响应为范例来说明，然而本发明并不以此为限。以下请同时参照图6与图7。图7是依照本发明一实施例所描绘的空间脉冲音的响应图。振幅计算单元3622用以计算所接收的声音感应信号AS的平均振幅数值AMP，如图7所示的虚线L1、L2，其中虚线L1代表平均振幅数值AMP为正值，而虚线L2代表平均振幅数值AMP为负值。由于时间t0到t1之间的声音感应信号AS的振幅数值的绝对值大于平均振幅数值AMP，因此音波滤除单元3624可认定此时间区间的声音感应信号AS属于直达音区段DS。在时间t1之后，声音感应信号AS的振幅数值的绝对值开始持续小于平均振幅数值AMP。直到时间t2之后，声音感应信号AS的振幅数值的绝对值已持续小于平均振幅数值AMP达一预定时间T，因此音波滤除单元3624可认定时间t2之后的声音感应信号属于反射音区段RS，且可认定时间t2之前的声音感应信号属于直达音区段DS。如此一来，音波滤除单元3624便可根据实际设计/应用需求来决定输出直达音区段DS或反射音区段RS以做为有效信号VS。
请重新参照图3，图3所示的第一计算单元2640可根据有效信号VS来产生至少一特征参数，并输出空间状态特征参数SSCP。其中，空间状态特征参数SSCP可包括上述至少一特征参数或上述至少一特征参数的统计量，但本发明并不以此为限。
在本发明的一实施例中，第一计算单元2640所产生的至少一特征参数可包括频域特征参数或时域特征参数。第一计算单元2640可计算频域特征参数的期望值或标准偏差，或是计算时域特征参数的期望值或标准偏差。第一计算单元2640可将频域特征参数的期望值或标准偏差或是时域特征参数的期望值或标准偏差做为上述至少一特征参数的统计量。第一计算单元2640也可合并频域特征参数的期望值与标准偏差以做为上述至少一特征参数的统计量。第一计算单元2640也可合并时域特征参数的期望值与标准偏差以做为上述至少一特征参数的统计量。或者是，第一计算单元2640也可合并时域特征参数的期望值与标准偏差以及频域特征参数的期望值与标准偏差以做为上述至少一特征参数的统计量。但本发明并不以此为限。
频域特征参数可使用多媒体内容描述接口7频谱描述参数(MPEG7SpectralDescriptors)来取得有效信号VS的频谱特征，例如图8A所示。图8A是依照本发明一实施例所描绘的有效信号VS的频域特征示意图。频谱特征可包括音频频谱包络(AudioSpectrumEnvelope，ASE)、音频频谱质心(Audiospectrumcentroid，ASC)、音频频谱离散度(Audiospectrumspread，ASS)、音频频谱平坦度(AudioSpectrumflatness，ASF)或音频频谱带宽。音频频谱包络是以对数频谱(log-frequency)来描绘出原始信号，可以降低原始数据量。音频频谱质心可表示功率频谱的形状，可用来判定功率频谱主要是由高频信号还是由低频信号所构成。音频频谱离散度可表示频谱之形状，可用来表示频谱在质心附近的分布。音频频谱离散度的数值低表示频谱集中在质心，若数值高则表示频谱较为分散。音频频谱平坦度可表示功率频谱平坦特性，可以用来判定信号是否为噪声所造成的干扰。若音频频谱平坦度的数值高可视为噪声，反之可视为谐波结构的信号。
时域特征参数可包括有效信号VS的振幅的局部能量、有效信号VS的振幅的峰值统计量或空间的残响时间(ReverberationTime，RT)，例如图8B所示。图8B是依照本发明一实施例所描绘的有效信号VS的时域特征示意图。图8B描绘有效信号VS的振幅的局部能量以及空间的残响时间RT，其中残响时间RT表示稳定声压衰减60dB所需的时间。时域特征参数可有效反应空间的容积以及墙壁反射距离等信息。
以下将针对初始阶段与检测阶段的空间状态特征参数SSCP的计算方式做更进一步的说明。
以下请同时参照图3与图9A～图9C，图9A～图9C是依照本发明一实施例所描绘的初始阶段的空间状态特征参数的流程示意图。首先，在初始阶段，第一计算单元2640接收有效信号VS，如图9A所示。有效信号VS可以是脉冲音响应信号，然而本发明并不以此为限。接着，第一计算单元2640计算有效信号VS的初始阶段的平均振幅值AMP_INI，并将有效信号VS的振幅减掉初始阶段的平均振幅值AMP_INI以产生如图9B所示的第一差值信号DVS1。然后，第一计算单元2640对第一差值信号DVS1取绝对值以产生第一绝对差值信号ADVS1，并将第一绝对差值信号ADVS1划分为多个音框(Frame)以计算每个音框的局部能量值，如图9C所示。最后，便可针对此些局部能量值进行运算以取得初始阶段的空间状态特征参数。
以下请同时参照图3与图10A～图10C，图10A～图10C是依照本发明一实施例所描绘的检测阶段的空间状态特征参数的流程示意图。首先，在检测阶段，第一计算单元2640接收有效信号VS，如图10A所示。有效信号VS可以是脉冲音响应信号，然而本发明并不以此为限。接着，第一计算单元2640将有效信号VS的振幅减掉初始阶段的平均振幅值AMP_INI以产生如图10B所示的第二差值信号DVS2。然后，第一计算单元2640对第二差值信号DVS2取绝对值以产生第二绝对差值信号ADVS2，并将第二绝对差值信号ADVS2划分为多个音框以计算每个音框的局部能量值，如图10C所示。最后，便可针对此些局部能量值进行运算以取得检测阶段的空间状态特征参数。
以下请同时参照图1与图11，图11是依照本发明图1实施例所描绘的决策单元1800的方块示意图。检测装置1000可包括初始模式以及检测模式。决策单元1800包括设定单元5820以及判断单元5840。当检测装置1000操作于初始模式时，设定单元5820接收对应初始模式的空间状态特征参数SSCP，且根据空间状态特征参数SSCP来决定门坎值TH。判断单元5840耦接到设定单元5820以接收门坎值TH。当检测装置1000操作于检测模式时，判断单元5840接收对应检测模式的空间状态特征参数SSCP，且根据门坎值TH与对应检测模式的空间状态特征参数SSCP来判断空间状态是否发生变化，并产生一信息MSG。
举例来说，当检测装置1000操作于初始模式时(也为上述的初始阶段)，设定单元5820可计算第一绝对差值信号ADVS1的音框局部能量值的期望值与标准偏差，并将门坎值TH设定为例如是期望值与2倍标准偏差的和，上述期望值例如是音框局部能量值的平均值。而当检测装置1000操作于检测模式时(也为上述的检测阶段)，判断单元5840可计算第二绝对差值信号ADVS2的音框局部能量值的期望值，并将此期望值与门坎值TH进行比较。若第二绝对差值信号ADVS2的音框局部能量值的期望值大于门坎值TH，则可表示空间状态发生变化，否则可表示空间状态为正常状态。然而本发明并不以此为限。
除此之外，在本发明的多个实施例中，设定单元5820也可根据Z检定或欧氏距离(EuclideanDistance)来设定门坎值TH。值得一提的是，在本发明实施例的测试结果中，使用欧氏距离来设定门坎值TH可大幅降低检测装置1000的误判机率。
以下请同时参照图1与图12，图12是依照本发明一实施例所描绘的空间状态比对结果直方图。如图12所示，此空间状态比对结果共有28笔测试样本，其中测试样本1～8是将受测空间维持在初始阶段的状态，而测试样本9～28是在受测空间中加入其他对象。其中测试样本1～8的空间状态特征SSCP的数值皆小于门坎值TH，因此检测装置1000可判断测试样本1～8的空间状态为正常状态。而测试样本9～28的空间状态特征SSCP的数值皆大于门坎值TH，因此检测装置1000可判断测试样本9～28的空间状态为异常状态，并产生一信息MSG以进行后续的处置。
以下请参照图13，图13是依照本发明一实施例所描绘的基于声波的空间状态检测系统100的方块示意图。检测系统100包括电子装置9000以及如图1所示的基于声波的空间状态检测装置1000。其中检测装置1000更包括网络单元1900。当检测装置1000检测到空间状态发生变化时，检测装置1000可透过网络单元1900发送信息MSG到电子装置9000。
在本实施例中，网络单元1900可与电子装置9000进行通讯。举例来说，网络单元1900可支持通讯机制，例如蓝牙(bluetooth)、无线保真(Wi-Fi)、全球行动系统(globalsystemformobilecommunication，GSM)、分码多任务存取(codedivisionmultipleaccess，CDMA)、宽带分码多任务存取(widebandCDMA，WCDMA)、CDMA-2000、分时多任务存取(timedivisionmultipleaccess，TDMA)、全球微波互通(worldwideinteroperabilityformicrowaveaccess，WiMAX)、长期演进(longtermevolution，LTE)、无线局域网络(wirelesslocalareanetwork，WLAN)或超宽带(ultrawideband，UWB)。
在本实施例中，电子装置9000可以是多种计算机系统中的其中一种或是行动装置，例如个人计算机(desktop)、工作站(workstation)、超级行动计算机(ultramobilePC，UMPC，超便携移动计算机)、小笔电(net-book，上网本)、携带型计算机(portablecomputer)、平板计算机(tablet)、个人数字助理(PDA，掌上电脑)、无线电话(wirelessphone)、移动电话(mobilephone)、智能手机(smartphone)。
以下请参照图14，图14是依照本发明一实施例所描绘的基于声波的空间状态检测方法的步骤流程图。本范例实施例的基于声波的空间状态检测方法包括如下步骤。首先，在步骤S600中，发送一声波于一空间中，并接收此声波于此空间中变化后的声波以做为一声音感应信号。接着，在步骤S620中，基于此声音感应信号取得空间状态特征参数。之后，在步骤S640中，透过空间状态特征参数来检测空间状态的变化。
另外，本发明的实施例的基于声波的空间状态检测方法可以由图1至图12实施例的叙述中获取足够的启示、建议与实施说明，因此不再赘述。
综上所述，本发明实施例的基于声波的空间状态检测装置、系统与方法可透过发音单元在空间中发送声波，并透过收音单元接收声波在此空间中变化后的声波以做为声音感应信号。之后再根据声音感应信号取得空间状态特征参数，并透过空间状态特征参数来检测空间状态是否发生变化。由于本发明的实施例是以声音(例如是脉冲音)当作感应媒介，因此可使用一般扬声器(喇叭)和麦克风做为声音的传送与接收装置。如此一来，可以降低检测装置的成本。除此之外，由于声波可在空间中(特别是室内空间)经过多次反射而被接收，因此也可减少信号死角与信号收发指向性的问题。
本发明还可有其他多种实施例，在不脱离本发明的精神和范围内，任何本领域的技术人员，可以在本发明的基础上做一些完善和更改，故本发明的保护范围当视权利要求书所界定的范围为准。
Claims (26)
1.一种基于声波的空间状态检测装置，包括：
发音单元，用于向空间中发送声波；
收音单元，用于接收该声波于该空间中变化后的声波以作为声音感应信号；
信号处理单元，耦接到该收音单元以接收该声音感应信号，且根据该声音感应信号产生空间状态特征参数；以及
决策单元，耦接到该信号处理单元以接收该空间状态特征参数，且根据该空间状态特征参数来检测该空间状态的变化。
2.如权利要求1所述的基于声波的空间状态检测装置，其特征在于，该信号处理单元包括：
信号撷取单元，接收该声音感应信号并撷取该声音感应信号中的有效信号；以及
第一计算单元，耦接到该信号撷取单元以接收该有效信号，并根据该有效信号来计算该空间状态特征参数。
3.如权利要求2所述的基于声波的空间状态检测装置，其特征在于，该声音感应信号包括直达音区段以及反射音区段。
4.如权利要求3所述的基于声波的空间状态检测装置，其特征在于，该信号撷取单元包括：
振幅计算单元，接收该声音感应信号以计算该声音感应信号的平均振幅，并输出平均振幅数值；以及
音波滤除单元，接收该声音感应信号，耦接到该振幅计算单元以接收该平均振幅数值，且根据该平均振幅数值来对该声音感应信号进行滤波以产生该有效信号。
5.如权利要求4所述的基于声波的空间状态检测装置，其特征在于，该音波滤除单元用以滤除该声音感应信号中的该直达音区段，
其中，该音波滤除单元判断该声音感应信号的振幅是否持续小于该平均振幅数值达一段预定时间，若判断结果为是，则将该预定时间之后的该声音感应信号输出以作为该有效信号，否则将该预定时间之前的该声音感应信号滤除。
6.如权利要求4所述的基于声波的空间状态检测装置，其特征在于，其中该音波滤除单元用于滤除该声音感应信号中的该反射音区段，
其中，该音波滤除单元判断该声音感应信号的振幅是否持续小于该平均振幅数值达一段预定时间，若判断结果为是，则将该预定时间之后的该声音感应信号滤除，否则将该预定时间之前的该声音感应信号输出以作为该有效信号。
7.如权利要求2所述的基于声波的空间状态检测装置，其特征在于，该第一计算单元根据该有效信号来产生至少一特征参数，并输出该空间状态特征参数，
其中，该空间状态特征参数包括该特征参数或该特征参数的统计量。
8.如权利要求7所述的基于声波的空间状态检测装置，其特征在于，该特征参数包括：
频域特征参数，包括音频频谱包络、音频频谱质心、音频频谱离散度或音频频谱平坦度；或是
时域特征参数，包括该有效信号的振幅的局部能量、该有效信号的该振幅的峰值统计量或该空间的残响时间。
9.如权利要求8所述的基于声波的空间状态检测装置，其特征在于，该第一计算单元产生该频域特征参数的期望值或标准偏差或是产生该时域特征参数的期望值或标准偏差，
其中，该第一计算单元输出该频域特征参数的期望值或标准偏差或是输出该时域特征参数的期望值或标准偏差以作为该特征参数的统计量；或是
该第一计算单元合并该时域特征参数的期望值与标准偏差或是合并该频域特征参数的期望值与标准偏差以作为该特征参数的统计量。
10.如权利要求1所述的基于声波的空间状态检测装置，其特征在于，该发音单元周期性地或随机性地向该空间中发送该声波且该信号处理单元产生对应的该空间状态特征参数。
11.如权利要求10所述的基于声波的空间状态检测装置，其特征在于，该检测装置包括初始模式以及检测模式，其中该决策单元包括：
设定单元，当该检测装置操作于该初始模式时，接收对应该初始模式的该空间状态特征参数，且根据对应该初始模式的该空间状态特征参数来决定门坎值；以及
判断单元，耦接到该设定单元以接收该门坎值，当该检测装置操作于该检测模式时，该判断单元接收对应该检测模式的该空间状态特征参数，且根据该门坎值与对应该检测模式的该空间状态特征参数来判断该空间状态是否发生变化。
12.如权利要求11所述的基于声波的空间状态检测装置，其特征在于，该设定单元根据Z检定或欧氏距离来设定该门坎值。
13.如权利要求1所述的基于声波的空间状态检测装置，其特征在于，该检测装置所处的该空间是一室内空间，该发音单元所发出的该声波是一脉冲音且该声音感应信号是一脉冲响应信号。
14.一种基于声波的空间状态检测系统，包括：
电子装置；
发音单元，用于向空间中发送声波；
收音单元，用于接收该声波于该空间中变化后的声波以作为声音感应信号；
信号处理单元，耦接到该收音单元以接收该声音感应信号，且根据该声音感应信号产生空间状态特征参数；以及
决策单元，耦接到该信号处理单元以接收该空间状态特征参数，且根据该空间状态特征参数来检测该空间状态的变化；
其中该检测装置还包括网络单元，当该检测装置检测到该空间状态发生变化时，该检测装置透过该网络单元传送一信息到该电子装置。
15.一种基于声波的空间状态检测方法，包括：
向空间中发送一声波，并接收该声波于该空间中变化后的声波以作为一声音感应信号；
基于该声音感应信号取得空间状态特征参数；以及
透过该空间状态特征参数来检测该空间状态的变化。
16.如权利要求15所述的基于声波的空间状态检测方法，其特征在于，所述取得该空间状态特征参数的步骤包括：
撷取该声音感应信号中的有效信号；以及
根据该有效信号来产生该空间状态特征参数。
17.如权利要求16所述的基于声波的空间状态检测方法，其特征在于，该声音感应信号包括直达音区段以及反射音区段。
18.如权利要求17所述的基于声波的空间状态检测方法，其特征在于，其中所述撷取该声音感应信号中的有效信号的步骤包括：
滤除该声音感应信号的该直达音区段或噪声以取得该有效信号，
其中，滤除该声音感应信号的该直达音区段的步骤包括：
计算该声音感应信号的平均振幅；以及
滤除该声音感应信号中，该声音感应信号振幅未持续小于该平均振幅达一段预定时间之前的区段。
19.如权利要求17所述的基于声波的空间状态检测方法，其特征在于，所述撷取该声音感应信号中的有效信号的步骤包括：
滤除该声音感应信号的该反射音区段或噪声以取得该有效信号，
其中，滤除该声音感应信号的该反射音区段的步骤包括：
计算该声音感应信号的平均振幅；以及
滤除该声音感应信号中，该声音感应信号振幅持续小于该平均振幅达一段预定时间之后的区段。
20.如权利要求16所述的基于声波的空间状态检测方法，其特征在于，所述根据该有效信号来产生该空间状态特征参数的步骤包括：
计算该有效信号的至少一特征参数；以及
根据该有效信号的该特征参数来产生该空间状态特征参数，
其中，该空间状态特征参数包括该特征参数或该特征参数的统计量。
21.如权利要求20所述的基于声波的空间状态检测方法，其特征在于，该有效信号的该特征参数包括：
频域特征参数，包括音频频谱包络、音频频谱质心、音频频谱离散度或音频频谱平坦度；或是
时域特征参数，包括该有效信号的振幅的局部能量、该有效信号的该振幅的峰值统计量或该空间的残响时间。
22.如权利要求21所述的基于声波的空间状态检测方法，其特征在于，所述产生该特征参数的统计量的步骤包括：
计算该频域特征参数的期望值或标准偏差或是该时域特征参数的期望值或标准偏差；以及
将该频域特征参数的期望值或标准偏差或是该时域特征参数的期望值或标准偏差作为该特征参数的统计量，或者是合并该时域特征参数的期望值与标准偏差或是合并该频域特征参数的期望值与标准偏差以作为该特征参数的统计量。
23.如权利要求15所述的基于声波的空间状态检测方法，其特征在于，所述向该空间中发送该声波的步骤包括周期性地或随机性地向该空间中发送该声波，且所述取得空间状态特征参数的步骤包括周期性地或随机性地取得对应的该空间状态特征参数。
24.如权利要求23所述的基于声波的空间状态检测方法，其特征在于，所述检测该空间状态的变化的步骤包括：
在初始模式下，根据对应该初始模式的该空间状态特征参数来决定门坎值；以及
在检测模式下，根据对应该检测模式的该空间状态特征参数与该门坎值来检测该空间状态是否发生变化。
25.如权利要求24所述的基于声波的空间状态检测方法，其特征在于，决定该门坎值的方法包括：
根据Z检定或欧氏距离来设定该门坎值。
26.如权利要求15所述的基于声波的空间状态检测方法，其特征在于，该空间是室内空间，所发出的该声波是脉冲音且该声音感应信号是脉冲响应信号。
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