CN107543569A - 基于调频声波的空间扰动检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于调频声波的空间扰动检测方法与装置。此检测方法包括下列步骤：分别在不同的多个时间点上将多个调频声波的其中之一发送于空间中；依序接收这些调频声波于空间中变化后的多个声波以产生多个空间响应声波信号，并依据这些空间响应声波信号取得空间的多个空间状态特征参数；通过比对这些空间状态特征参数的其中之二来检测空间状态的变化。本发明以声音当作检测媒介，具有较低的成本，而且由于声波可在空间中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，并且本发明无须建模时间启动后即可检测，还可有效降低空间响应声波与背景噪音的相关性。

Description

基于调频声波的空间扰动检测方法与装置

技术领域

本发明涉及空间状态检测领域，特别涉及一种基于调频声波的空间扰动检测方法与装置。

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，智慧家庭成为近年来的发展趋势。在现有智慧家庭的应用中，以居家保全及安全照护为例，可透过检测网络与检测信息分析来判断空间中可能发生的事件，以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较高，而采购成本更是一般使用者选购时的重要考量之一。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。

此外，由于真实环境中充斥着环境噪音(例如宽带、随时间变化的声音信号)，利用声波建立起始空间模型的空间扰动检测技术可能需要花费时间，并且可能因为量测信号混杂背景噪音使得检测结果受到影响，因此环境噪音的干扰也成为考量的要素之一。

发明内容

本发明内容提供一种基于调频声波的空间扰动检测方法与装置，可降低检测装置的成本，可减少信号死角与信号收发指向性的问题，且可降低空间响应声波与背景噪音的相关性。

为了解决上述技术问题，本发明目的在于提供一种基于调频声波的空间扰动检测方法，其中包括：

分别在不同的多个时间点上将多个调频声波的其中之一发送于空间中；

依序接收该些调频声波于该空间中变化后的多个声波以产生多个空间响应声波信号，并依据该些空间响应声波信号取得该空间的多个空间状态特征参数；以及

通过比对该些空间状态特征参数的其中之二来检测该空间状态的变化。

该基于调频声波的空间扰动检测方法，其中该些空间状态特征参数的其中之二是对应于该些调频声波中相邻的二个调频声波的二个空间状态特征参数。

该基于调频声波的空间扰动检测方法，其中所述依据该些空间响应声波信号取得该空间的该些空间状态特征参数步骤包括：

采集该些空间响应声波信号中的多个有效信号；以及

根据该些有效信号来产生该些空间状态特征参数。

该基于调频声波的空间扰动检测方法，其中所述采集该些空间响应声波信号中的该些有效信号的步骤包括：

对该些空间响应声波信号进行滤波并分别切割成多个音框；

计算该些音框的多个特征数据，各该些特征数据包括该些音框中所对应的音框的能量；以及

通过分析该些特征数据来采集该些有效信号。

该基于调频声波的空间扰动检测方法，其中所述通过分析该些特征数据来采集该些有效信号的步骤包括：

根据该些特征数据的一个比较结果与该些调频声波的发送间隔时间从该些空间响应声波信号来采集多个响应样本区段，其中各该些响应样本区段包括直达声区段以及反射声区段，其中该些时间点的发送间隔时间是一定值或一变化值。

该基于调频声波的空间扰动检测方法，其中所述通过分析该些特征数据来采集该些有效信号的步骤还包括：

滤除各该些响应样本区段的该直达声区段或噪声以取得该些有效信号，

其中，滤除各该些响应样本区段的该直达声区段的步骤包括：

滤除各该些响应样本区段的开头小于一段预定时间之内的区段。

该基于调频声波的空间扰动检测方法，其中所述根据该些有效信号来产生该些空间状态特征参数的步骤包括：

根据该些有效信号与对应于该些调频声波的至少一个调频音频数据之间的多个比对结果来产生该些空间状态特征参数。

该基于调频声波的空间扰动检测方法，其中所述通过比对该些空间状态特征参数的其中之二来检测该空间状态的变化的步骤包括：

根据该些空间状态特征参数的其中之二之间的差值数据来计算差异参数；以及

根据该差异参数与门槛值来检测该空间状态是否发生变化。

该基于调频声波的空间扰动检测方法，其中该些调频声波的频率在频带区间的频带下界到频带上界的范围内随时间作连续变化。

该基于调频声波的空间扰动检测方法，其中在频带区间内，该些调频声波的频率由该频带区间的频带下界单调上升到频带上界。

该基于调频声波的空间扰动检测方法，其中在频带区间内，该些调频声波的频率由该频带区间的频带上界单调下降到频带下界。

该基于调频声波的空间扰动检测方法，其中该些调频声波是多个频带组合而成的复合调频声波。

该基于调频声波的空间扰动检测方法，其中该些调频声波的频率是落在9千赫兹到1万8千赫兹的范围内。

该基于调频声波的空间扰动检测方法，其中该空间是室内空间，该些调频声波是可闻声波。

本发明还提供了一种基于调频声波的空间扰动检测装置，其中包括：

接收装置，用以依序接收多个调频声波在空间中变化后的多个声波以产生多个空间响应声波信号，其中各该些调频声波分别在不同的多个时间点上被发送于该空间中；

处理单元，连接该接收装置以接收该些空间响应声波信号，并依据该些空间响应声波信号计算该空间的多个空间状态特征参数；以及

决策单元，连接该处理单元以接收该些空间状态特征参数，并通过比对该些空间状态特征参数的其中之二来检测该空间状态的变化。

该基于调频声波的空间扰动检测装置，其中该决策单元所比对的该些空间状态特征参数的其中之二是对应于该些调频声波中相邻的二个调频声波的二个空间状态特征参数。

该基于调频声波的空间扰动检测装置，其中该处理单元包括：

信号采集单元，用以采集该些空间响应声波信号中的多个有效信号；以及

计算单元，连接该信号采集单元以接收该些有效信号，并且根据该些有效信号来产生该些空间状态特征参数。

该基于调频声波的空间扰动检测装置，其中该信号采集单元包括：

滤波单元，连接该接收装置以接收该些空间响应声波信号，并且对该些空间响应声波信号进行滤波；以及

第一采集单元，连接该滤波单元以接收经过滤波的该些空间响应声波信号，然后将该些空间响应声波信号分别分割成多个音框，并且计算该些音框的多个特征数据，以及通过分析该些特征数据来采集该些有效信号，

其中各该些特征数据包括该些音框中所对应的音框的能量。

该基于调频声波的空间扰动检测装置，其中该第一采集单元滤除多个响应样本区段中每一个的直达声区段或噪声以取得该些有效信号，

其中该些响应样本区段是根据该些特征数据的一个比较结果及该些调频声波的发送间隔时间从该些空间响应声波信号来采集，其中各该些响应样本区段包括该直达声区段以及反射声区段，其中该些时间点的发送间隔时间是一定值或一变化值，

其中该第一采集单元滤除该直达声区段是滤除各该些响应样本区段的开头小于一段预定时间之内的区段。

该基于调频声波的空间扰动检测装置，其中还包括：

存储单元，连接该处理单元，该存储单元存储对应于该些调频声波的多个调频音频数据。

该基于调频声波的空间扰动检测装置，其中还包括：

发送装置，连接该存储单元以接收该些调频音频数据的至少其中之一，并且依据该调频音频数据发送该些调频声波于该空间之中。

该基于调频声波的空间扰动检测装置，其中该计算单元从该存储单元接收对应于该些调频声波的该调频音频数据，并且根据该些有效信号与对应于该些调频声波的该调频音频数据之间的多个比对结果来产生该些空间状态特征参数。

该基于调频声波的空间扰动检测方法，其中该发送装置发送的该些调频声波的频率是落在9千赫兹到1万8千赫兹的范围内。

该基于调频声波的空间扰动检测方法，其中该发送装置从该存储单元接收该些调频音频数据的至少其中之一是该些调频音频数据的至少其中之二，以组合成复合调频音频数据，并且依据该复合调频音频数据发送该些调频声波于该空间之中。

该基于调频声波的空间扰动检测装置，其中该决策单元根据该些空间状态特征参数的其中之二之间的差值数据来计算差异参数，并且根据该差异参数与门槛值来检测该空间状态是否发生变化。

基于上述，本发明内容提出一种基于调频声波的空间扰动检测方法与装置。通过在不同的多个时间点上依序发送调频声波于空间中，再依序接收这些调频声波于空间中变化后的多个声波以产生多个空间响应声波信号，并依据这些空间响应声波信号取得空间的多个空间状态特征参数。通过比对这些空间状态特征参数的其中之二来检测空间状态的变化。由于本发明内容是以声音当作检测媒介，因此可使用一般全频扬声器(喇叭)和传声器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，而且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。除此之外，本发明内容是比较在不同时间点所接收到的空间响应声波的空间状态特征参数，无须建模时间启动后即可检测，并且可有效降低空间响应声波与背景噪音的相关性。

附图说明

图1为本发明一实施例的基于调频声波的空间扰动检测装置的模块示意图；

图2A为本发明一实施例的调频声波的时频图；

图2B为本发明一实施例的复合调频声波的时频图；

图3A为依照本发明一实施例所为的空旷房间的室内空间响应声波的时频图；

图3B为本发明一实施例的房间内具有摆设物品或为人员的室内空间响应声波的时频图；

图4为本发明图1实施例的处理单元的模块示意图；

图5A为本发明一实施例的空间响应声波的能量分布图；

图5B为对应图5A实施例的空间响应声波；

图6为对应图5B实施例的响应样本区段；

图7为本发明一实施例的调频音频数据与有效信号的时频图；

图8为本发明另一实施例的调频音频数据与有效信号的时频图；

图9为本发明一实施例的比对依序取得的空间状态特征参数的示意图；

图10为本发明一实施例的空间状态比对结果直方图；

图11为本发明一实施例的基于调频声波的空间扰动检测方法的步骤流程图；

图12为本发明另一实施例的基于调频声波的空间扰动检测方法的步骤流程图。

符号说明：

100：空间扰动检测装置； 110：接收装置；

120：处理单元； 130：决策单元；

140：存储单元； 150：发送装置

202、204、206：频带区间； 210：信号采集单元；

212：滤波单元； 214：第一采集单元；

220：计算单元； 501、502、503、50N：音框；

610：直达声区段； 620：第一反射声区段

630：多次反射声区段； 640：背景噪音；

650：有效区段； 720、760：有效信号时频数据；

ACS：调频声波； ACD：调频音频数据；

ARW：空间响应声波； ARS：空间响应声波信号；

ARS’：滤波后的空间响应声波信号； ES：有效信号；

SCP：空间状态特征参数； S1、S2与S3：差异参数；

ST：门槛值；

710、730、732、734：调频音频时频数据；

722、724、726、72N、752、754、756、75N：时频区块；

910、920、930、940：空间状态特征参数；

S1120、S1140、S1160、S1210、S1212、S1214、S1216、S1218、S1220、S1222、S1224、S1226、S1228、S1230：步骤。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和效果能阐述的更明确易懂，下文特举实施例，并配合说明书附图作详细说明如下。在说明书下文中，凡可能之处，在图式及实施方式中使用相同标号的元件/构件代表相同或类似部分。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

请参考图1，基于调频声波的空间扰动检测装置100用以检测空间中的状态变化，例如人员在此空间中移动或进出。在本实施例中，空间扰动检测装置100包括接收装置110、处理单元120、决策单元130、存储单元140以及发送装置150。发送装置150用以分别在多个不同的时间点上重复发送调频声波ACS于一空间(未绘示)中，上述时间点的发送间隔时间可以是一个定值或是一个变化值，例如发送装置150可以周期性或随机性地发送调频声波ACS，本发明内容对此并不加以限制。接收装置110则用以依序接收先后被发送的调频声波ACS于上述空间中变化后的声波ARW(以下称为空间响应声波ARW)，并将每个接收到的空间响应声波ARW逐一转换为空间响应声波信号ARS，上述空间中的变化例如是调频声波ACS在空间中被反射。处理单元120连接接收装置110以接收这些空间响应声波信号ARS，并且依据这些空间响应声波信号ARS计算空间的多个空间状态特征参数SCP，决策单元130则连接处理单元120以接收这些空间状态特征参数SCP，并且通过比对这些空间状态特征参数SCP的其中之二来检测空间状态的变化，例如决策单元130可以通过比对连续取得的二个空间状态特征参数SCP来检测空间状态的变化，也就是说决策单元130可以通过比对目前收到的空间状态特征参数SCP与下一个或前一个收到的空间状态特征参数SCP来检测空间状态的变化。存储单元140存储多个调频音频数据ACD，并且连接处理单元120。

需说明的是，在其他实施例中，空间扰动检测装置100可以不包括存储单元140以及/或是发送装置150，本领域技术人员可依实际需求或设计作适当选择，本发明内容对此并不限制。

在本实施例中，发送装置150可以是扬声器(Speaker)，例如全频喇叭，而非特殊规格的高音喇叭，此外，发送装置150例如可以连接存储单元140。存储单元140存储多个调频音频数据ACD，因此发送装置150可以依据存储单元140中调频音频数据ACD的至少其中之一来发送多个调频声波ACS于空间中。接收装置110可以是传声器(Microphone)，例如全向型的传声器设备，然而本发明内容对此并不限制。任何可以发出声音以及接收声音的元件都可以分别用来做为本发明内容实施例中的接收装置110及发送装置150。除此之外，接收装置110与发送装置150可以是配置在同一个设备内，或是分离式的配置在不同位置上，本发明内容对此并不限制。

在此实施例中，本发明内容可使用一般家用或电子装置配置的喇叭(扬声器)和传声器做为脉冲音的传送和接收装置，而可以有效减少装置成本。此外，由于声波可在室内空间中经多次反射而被接收，因此也减少了信号死角与信号收发指向性的问题。

在本实施例中，处理单元120与决策单元130可以是硬件、软件或存储在存储器而由处理器或微处理器所载入执行的软件或机器可执行程序码。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。而上述存储器可以是例如光盘、随机存取存储器、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存储于远端记录媒介或非暂存式机器可读取媒介且将存储于区域的记录媒介。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)或可程序化逻辑闸阵列(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码时，上述硬件可包括存储器元件。此存储器元件例如是随机存取存储器、只读存储器、闪存、拇指碟等等，可用以存储或接收上述软件或机器可执行程序码。

请参照图2A，在本实施例中，发送装置150所发出的调频声波ACS可以是一脉冲音(Impulse)，持续时间(duration)例如是7.5毫秒(ms)，值得一提的是，调频声波ACS可以是可闻声波，其中可闻声波的频率范围约为20Hz～20kHz，在一实施例中，调频声波ACS的频率是落在9千赫兹(9kHz)到1万8千赫兹(18kHz)的范围内。调频声波ACS的频带区间202其中频率最大值称为频带上界，频率的最小值称为频带下界，调频声波ACS的频率在频带上界与频带下界的范围内随时间作连续变化，如图2A所示。在其他实施例中，调频声波ACS的频率在频带区间202内也可以是由频带下界单调上升到频带上界，或是由频带上界单调下降到频带下界。除此之外，调频声波ACS也可以是多个频带组合而成的复合调频声波，请参照图2B的实施例。调频声波ACS是由频带204与频带206叠加组合的复合调频声波。本发明内容对此并不加以限制。

在此实施例中，本发明内容采用了较高频、且较窄频(9kHz-18kHz)的激发信号，可以较低的音压作为激发源，并且通过提高频率、较窄的频带，透过增加激发音源在短时间内的变化，提升空间响应声波的变化性，可有效减少空间响应声波与背景噪音的相关性。

另外，空间扰动检测装置100所配置的空间可以是室内空间，而接收装置110所接收的空间响应声波ARW可以是脉冲音回应于上述空间的脉冲音响应声波(ImpulseResponse)，举例来说是透过声波的在空间中的反射与空间中物体、地面、墙面与屋顶等作用产生对应的混响(reverberation)声波，但本发明内容对空间中的变化并不限制。需注意的是，空间响应声波ARW会随着室内空间大小以及摆设的不同而改变。例如图3A～图3B所示。图3A是依照本发明内容一实施例所绘示的空旷房间的室内空间响应声波的时频图。图3B绘示本发明内容一实施例的房间内具有摆设物品或是人员的室内空间响应声波的时频图。由图3A～图3B可看出，脉冲音于室内空间中的脉冲响应会随着室内空间大小以及空间内的物品或人员的变化而有差异。因此空间响应声波ARW的特征可反应出室内空间的状态特性，而空间响应声波信号ARS则是空间响应声波ARW转换后的电子信号。

在一实施例中，环境背景噪音为宽带且随时间缓慢变化，因此相近时间点的混响差异值不大，但是当人员在空间中进行移动或是发生其他事件导致空间状态产生剧烈改变，相近时间点的混响样本差异值会远大于环境背景噪音造成的混响差异值，因此本发明内容一实施例通过比对对应于不同时间点的这些空间状态特征参数SCP的其中之二来检测空间状态的变化，可对抗外部环境中的全频噪音，有效降低背景噪音与空间响应声波的相关性，而且反应时间快，无须花费建模时间启动后即可检测，提升使用效率。

图4是依照本发明内容图1的实施例所绘示的处理单元的方块示意图。处理单元120包括信号采集单元210与计算单元220。信号采集单元210从接收装置110接收空间响应声波信号ARS，并且采集空间响应声波信号ARS中的有效信号ES。计算单元220连接信号采集单元210以接收有效信号ES，并且根据有效信号ES来产生对应的空间状态特征参数SCP。

在一实施例中，为了提升计算单元220的计算效率，信号采集单元210可仅采集空间响应声波信号ARS中的有效信号ES。信号采集单元210包括滤波单元212与第一采集单元214。滤波单元212连接接收装置110以接收空间响应声波信号ARS，并且对空间响应声波信号ARS进行滤波。滤波单元212例如是带通滤波器(bandpassfilter)，或是其他具有滤波功能的类似元件，本领域技术人员可依据所需作适当变化，本发明内容对此并不加此限制。第一采集单元214连接滤波单元212，接收滤波后的空间响应声波信号ARS’，然后从滤波后的空间响应声波信号ARS’采集有效信号ES。

为了便于说明，以下本发明内容以一实施例的空间响应声波为范例，说明从滤波后的空间响应声波信号ARS’采集有效信号ES的实施方式。请搭配图1参照图5A与图5B，图5A是依照本发明内容一实施例所绘示的空间响应声波的能量分布图，图5B是对应图5A的实施例所绘示的空间响应声波。

第一采集单元214先将滤波后的空间响应声波信号ARS’分割成多个音框(takingframes)并且计算采集这些音框的特征数据，其中特征数据包括每个音框的能量值分布，能量的计算可以是音频框内所有信号振幅的平方值总合，如图5A所示，接收装置120依时间先后陆续接收到数个空间响应声波信号ARS，对应至音框501、502、503到50N，根据这些音框(音框501、502、503到50N)中的能量分布数据，例如可以透过局部能量最大值寻找的方法来决定这些音框每一个的起始点，也就是说比较不同时间点所接收到的能量大小，以对应于最大能量值的时间点作为各音框中的起始点。需说明的是本发明内容对起始点的决定标准或是筛选方式并不加以限制。

第一采集单元214可根据这些特征数据的比较结果(例如能量大小比对结果)及调频声波ACS的发送间隔时间从滤波后的空间响应声波信号ARS’来采集所需的响应样本区段。请参照图5B。以音框501为例，在本实施例中，对应于音框501的调频声波ACS与对应于下一个音框502的调频声波ACS之间的发送时间间隔若是0.5秒，第一采集单元214以音框501中的能量最大值作为起始点，向后采集0.5秒内的信号(也就是上述发送时间间隔)作为音框501的响应样本区段。在另一实施例中，信号采集单元210可以不包括滤波单元212，由第一采集单元214先将空间响应声波信号ARS分割成多个音框(frame)并且计算这些音框的特征数据，再根据这些特征数据的比较结果(例如能量大小比对结果)及调频声波ACS的发送间隔时间从空间响应声波信号ARS来采集所需的响应样本区段。

进一步说明请参照图6，图6是对应图5B的实施例所绘示的响应样本区段。响应样本区段包括直达声(Directsound)区段610，反射声(Reflection)区段620与630(第一反射声(EarlyReflections)区段620以及多次反射声(late reflection)区段630)，以及背景噪音640。其中直达声表示未经空间反射的信号，能量的损耗最小，因而具有较大的振幅，而反射声表示经过一次反射或是多次反射的信号。在一实施例中，第一采集单元214会滤除响应样本区段的直达声区段610或是噪声来取得有效信号ES。

当接收装置110与发送装置150的位置是已知，可以推算出调频声波ACS从发送装置150到接收装置110所需的时间，作为预定时间T，在一实施例中，第一采集单元214滤除此响应样本区段的开头小于预定时间T之内的区段以滤除直达声区段610。在其他实施例中，第一采集单元214也可以根据判断响应样本区段的振幅数值的绝对值是否持续小于响应样本区段的平均振幅数值或第一设定振幅数值达第一预定时间T1，将在此第一预定时间T1之前的信号认定为直达声区段610，并且将其移除。本发明内容对于直达声区段的认定方式并不加以限制，端视实际设计/应用需求而决定。

在本实施例中，第一采集单元214还可以进一步滤除响应样本区段的背景噪音640或是部分多次反射声区段630，以降低计算单元220的运算负担。举例来说，第一采集单元214可以依据调频声波ACS的持续时间(duration)，例如是7.5毫秒，将响应样本区段7.5毫秒(或加上一缓冲时间)后的信号滤除，或者是第一采集单元214可以根据判断响应样本区段的振幅数值的绝对值是否持续小于响应样本区段的平均振幅数值或第二设定振幅数值达第二预定时间T2，将第二预定时间T2之后的声音检测信号滤除，本发明内容对于滤除背景噪音640或是部分多次反射声区段630的筛选条件并不加以限制，端视实际设计/应用需求而决定。

在本实施例中，第一采集单元214滤除直达声区段610、背景噪音640以及/或是部分多次反射声区段630后，所采集的有效区段650就是有效信号ES。在另一实施例中，第一采集单元214滤除直达声区段610后即为有效信号ES；在另一实施例中，第一采集单元214滤除直达声区段610、背景噪音640后为有效信号ES。然而本发明并不以此为限，端视实际设计/应用需求而决定滤除响应样本区段的哪些区段。

请再参照图1与图4，在此实施例中，计算单元220从存储单元140接收对应于有效信号ES的调频音频数据ACD，其中有效信号ES是从调频声波ACS于空间中变化后的空间响应声波信号ARS所采集，而且此调频声波ACS是根据上述调频音频数据ACD由发送装置150所发送。计算单元220可以依据调频音频数据ACD获得所对应的调频声波ACS转换到时频域(temporal-spectraldomain)后的时频(spectogram)数据；在一实施例中，计算单元220可从存储单元140接收音频数据ACD并将音频数据ACD转换到时频域后得到时频数据，例如图2A与图2B所示。计算单元220从第一采集单元214接收有效信号ES，并将有效信号ES转换成时频数据。调频声波ACS与有效信号ES可以通过傅利叶转换(Fouriertransform)(例如2维快速傅利叶转换(FFT，fastFouriertransform))来得到时频数据。

接下来请参照图7，图7是依照本发明内容一实施例所绘示的调频音频数据与有效信号的时频图。在本实施例中，调频音频时频数据710是对应于调频声波ACS的时频数据，例如是对应的音频数据ACD转换到时频域后的时频数据或是从对应于调频音频数据ACD的调频声波ACS转换到时频域的时频数据，有效信号时频数据720是有效信号ES转换到时频域后的结果，计算单元220可以先将有效信号时频数据720与调频音频时频数据710进行比对，进而从有效信号时频数据720采集与调频音频时频数据710对应的时频区块作为比对结果，例如时频区块722、724、726或72N，再将上述时频区块与调频音频时频数据710进行匹配(matching)，计算出两者之间的相似量值，可以作为空间状态特征参数SCP，换句话说，计算单元220将时频区块722、724、726或72N与调频音频时频数据710进行卷积(convolution)运算，所得的结果就是空间状态特征参数SCP。

图8是依照本发明内容另一实施例所绘示的调频音频数据与有效信号的时频图。其实施方法与原理与图7的实施例类似，在此不再多加赘述，图8的实施例中，调频声波ACS是根据复合调频音频数据所发送，调频音频时频数据730由两组调频音频时频数据732与734所组合而成。计算单元220可以分别将有效信号时频数据760与调频音频时频数据732、734进行比对，进而从有效信号时频数据760采集与调频音频时频数据732对应的时频区块742、744、746或74N，以及与调频音频时频数据734对应的时频区块752、754、756或75N作为比对结果，并且执行匹配动作，计算出空间状态特征参数SCP。

请参照图1与图9，图9是依照本发明内容一实施例所绘示的比对依序取得的空间状态特征参数的示意图。在本实施例中，接收装置110在四个不同但邻近的时间点分别接收空间响应声波信号ARS，然后由处理单元120计算出对应的空间状态特征参数910、920、930、940。空间状态特征参数910、920、930、940分别代表先后4个不同但连续的时间点所量测的空间状态，其中空间状态特征参数910、920、930、940在正向横轴与负向横轴的结果分别绘示成左右两张图，此图9所示的空间状态特征参数910、920、930、940仅作为示例，并不用以限定本发明内容。决策单元130从处理单元120接收空间状态特征参数910、920、930、940，并且计算与前一次或后一次的空间状态特征参数之间的差值数据，再根据此差值数据计算差异参数S1、S2与S3。具体实施如下，空间状态特征参数920减去上一个接收到的空间状态特征参数910而得到差值数据，此差值数据可以是阵列数据，接着根据此差值数据计算出差异参数S1；在空间状态特征参数920之后所接收到的下一个空间状态特征参数930减去空间状态特征参数920而得到差值数据，接着根据此差值数据计算出差异参数S2；空间状态特征参数940减去在空间状态特征参数940之前所接收到的空间状态特征参数930而得到差值数据，接着根据此差值数据计算出差异参数S3。根据差值数据计算出差异参数的方法例如通过2范数(2-norm)运算或是其他运算方法，本发明内容对于计算差异参数的方法不加以限制。

请参照图10。决策单元130可以根据计算出来的差异参数(例如图9实施例的差异参数S1、S2与S3)与门槛值(阈值)ST来检测空间状态是否发生变化。门槛值ST可以是预设值或是根据之前的空间状态或是依据其他条件而决定，本发明内容对此并不限制。决策单元130将差异参数与门槛值ST进行比较，当差异参数大于门槛值ST，则可表示空间状态发生变化，反之，则表示为正常状态，检测的空间中并未发生扰动事件，例如是否有人进出或移动。

因此在本实施例中，通过接收被周期性地或随机性地发送的调频声波于空间中变化后之空间响应声波，并依据此空间响应声波取得此空间的空间状态特征参数，通过比对在不同时间点所接收到的空间响应声波的空间状态特征参数来检测空间状态的变化，可有效降低空间响应声波与背景噪音的相关性，进而可在背景噪音下区分居家环境噪音与空间中扰动事件(例如人员进出)的差异。

以下请参照图11，图11是依照本发明内容一实施例所绘示的基于调频声波的空间扰动检测方法的步骤流程图。本实施例的基于调频声波的空间扰动检测方法适用于图1至图10的任一实施例，本方法包括如下步骤。首先，在步骤S1120中，分别在不同的多个时间点上将多个调频声波的其中之一发送于空间中，其中这些时间点的发送间隔时间可以是定值或变化值。接着，在步骤S1140中，依序接收这些调频声波于空间中变化后的多个声波以产生多个空间响应声波信号，并依据这些空间响应声波信号取得空间的多个空间状态特征参数。之后，在步骤S1160中，通过比对这些空间状态特征参数的其中之二来检测空间状态的变化。另外，本实施例的基于调频声波的空间扰动检测方法可以由图1至图10实施例的叙述中获致足够的教示、建议与实施说明，因此不再赘述。

以下请参照图12，图12是依照本发明内容另一实施例所绘示的基于调频声波的空间扰动检测方法的步骤流程图。本实施例的基于调频声波的空间扰动检测方法适用于图1至图10的任一实施例，包括如下步骤。首先，在步骤S1210中，分别在不同的多个时间点上将多个调频声波的其中之一发送于空间中。例如于第一时间点发送第一调频声波，于第二时间点发送第二调频声波，以此类推。接着，在步骤S1212中，依序接收这些调频声波于空间中变化后的多个声波以产生多个空间响应声波信号。例如接收第一调频声波于空间中变化后的声波以产生第一空间响应声波信号；接收第二调频声波于空间中变化后的声波以产生第二空间响应声波信号，以此类推。在步骤S1214中，从每个空间响应声波信号采集对应的响应样本区段。例如从第一空间响应声波信号采集对应的第一响应样本区段；从第二空间响应声波信号采集对应的第二响应样本区段，以此类推。在步骤S1216中，滤除响应样本区段的直达声区段或噪声以取得有效信号。例如滤除第一响应样本区段的直达声区段或噪声以取得第一有效信号；滤除第二响应样本区段的直达声区段或噪声以取得第二有效信号，以此类推。在步骤S1218中，比对有效信号与对应于调频声波的调频音频数据。例如比对第一有效信号与对应于第一调频声波的第一调频音频数据；比对第二有效信号与对应于第二调频声波的第二调频音频数据，以此类推，其中第一调频音频数据与第二调频音频数据例如是相同的调频音频数据。在步骤S1220中，根据比对结果来产生空间状态特征参数，例如根据第一有效信号与第一调频音频数据的比对结果产生第一空间状态特征参数；根据第二有效信号与第二调频音频数据的比对结果产生第二空间状态特征参数；以此类推。在步骤S1222中，判断是否取得对应于不同时间点的多个空间状态特征参数，例如判断是否取得对应于与第一空间状态特征参数不同时间点的第二空间状态特征参数，当结果为是的话进行步骤S1224，当结果为否时，则重回步骤S1212以获得另一个空间响应声波信号，举例来说，第二空间状态参数可以是在第一空间状态参数之后所得到的下一个空间状态参数。接着，在步骤S1224中，根据对应于不同时间点的多个空间状态特征参数的其中之二之间的差值数据计算差异参数，例如根据第一空间状态特征参数与第二空间状态特征参数之间的差值数据计算差异参数。在步骤S1226中，判断差异参数是否大于门槛值，此门槛值可以是预设或是依照不同状况而浮动，当差异参数大于门槛值时，进入步骤S1228中，判断空间状态发生变化，当差异参数小于门槛值时，进入步骤S1230，判断空间状态维持不变。

另外，本实施例的基于调频声波的空间扰动检测方法可以由图1至图10实施例之叙述中获致足够的教示、建议与实施说明，因此不再赘述。

综上所述，本发明内容提出一种基于调频声波的空间扰动检测方法与装置。分别在不同的多个时间点上将多个调频声波的其中之一发送于空间中，之后，依序接收这些调频声波于空间中变化后的多个声波以产生多个空间响应声波信号，并依据这些空间响应声波信号取得空间的多个空间状态特征参数。通过比对这些空间状态特征参数的其中之二来检测空间状态的变化。由于本发明内容是以调频声波当作检测媒介，因此可使用一般全频扬声器(喇叭)和传声器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，而且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。本发明内容使用调频音，因此激发音源在短时间内变化，提升反射声的变化性。除此之外，本发明内容是比较在不同时间点所接收到的空间响应声波的空间状态特征参数，无须建模时间启动后即可检测，并且可有效降低空间响应声波与背景噪音的相关性，提升使用效率。

虽然本发明以上述实施例公开，但具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，任何本技术领域技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内，可作一些的变更和完善，故本发明的权利保护范围以权利要求书为准。

Claims (25)

1.一种基于调频声波的空间扰动检测方法，其特征在于，包括：

分别在不同的多个时间点上将多个调频声波的其中之一发送于空间中；

依序接收该调频声波于该空间中变化后的多个声波以产生多个空间响应声波信号，并依据该空间响应声波信号取得该空间的多个空间状态特征参数；以及

通过比对该空间状态特征参数的其中之二来检测该空间状态的变化。

2.如权利要求1所述的基于调频声波的空间扰动检测方法，其特征在于，该空间状态特征参数的其中之二是对应于该调频声波中相邻的二个调频声波的二个空间状态特征参数。

3.如权利要求1所述的基于调频声波的空间扰动检测方法，其特征在于，所述依据该空间响应声波信号取得该空间的该空间状态特征参数步骤包括：

采集该空间响应声波信号中的多个有效信号；以及

根据该有效信号来产生该空间状态特征参数。

4.如权利要求3所述的基于调频声波的空间扰动检测方法，其特征在于，所述采集该空间响应声波信号中的该有效信号的步骤包括：

对该空间响应声波信号进行滤波并分别切割成多个音框；

计算该音框的多个特征数据，各该特征数据包括该音框中所对应的音框的能量；以及

通过分析该特征数据来采集该有效信号。

5.如权利要求4所述的基于调频声波的空间扰动检测方法，其特征在于，所述通过分析该特征数据来采集该有效信号的步骤包括：

根据该特征数据的一个比较结果与该调频声波的发送间隔时间从该空间响应声波信号来采集多个响应样本区段，其中各该响应样本区段包括直达声区段以及反射声区段，其中该时间点的发送间隔时间是一定值或一变化值。

6.如权利要求5所述的基于调频声波的空间扰动检测方法，其特征在于，所述通过分析该特征数据来采集该有效信号的步骤还包括：

滤除各该响应样本区段的该直达声区段或噪声以取得该有效信号，

其中，滤除各该响应样本区段的该直达声区段的步骤包括：

滤除各该响应样本区段的开头小于一段预定时间之内的区段。

7.如权利要求3所述的基于调频声波的空间扰动检测方法，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：

根据该有效信号与对应于该调频声波的至少一个调频音频数据之间的多个比对结果来产生该空间状态特征参数。

8.如权利要求1所述的基于调频声波的空间扰动检测方法，其特征在于，所述通过比对该空间状态特征参数的其中之二来检测该空间状态的变化的步骤包括：

根据该空间状态特征参数的其中之二之间的差值数据来计算差异参数；以及

根据该差异参数与门槛值来检测该空间状态是否发生变化。

9.如权利要求1所述的基于调频声波的空间扰动检测方法，其特征在于，该调频声波的频率在频带区间的频带下界到频带上界的范围内随时间作连续变化。

10.如权利要求1所述的基于调频声波的空间扰动检测方法，其特征在于，在频带区间内，该调频声波的频率由该频带区间的频带下界单调上升到频带上界。

11.如权利要求1所述的基于调频声波的空间扰动检测方法，其特征在于，在频带区间内，该调频声波的频率由该频带区间的频带上界单调下降到频带下界。

12.如权利要求1所述的基于调频声波的空间扰动检测方法，其特征在于，该调频声波是多个频带组合而成的复合调频声波。

13.如权利要求1所述的基于调频声波的空间扰动检测方法，其特征在于，该调频声波的频率是落在9千赫兹到1万8千赫兹的范围内。

14.如权利要求1所述的基于调频声波的空间扰动检测方法，其特征在于，该空间是室内空间，该调频声波是可闻声波。

15.一种基于调频声波的空间扰动检测装置，其特征在于，包括：

接收装置，用以依序接收多个调频声波在空间中变化后的多个声波以产生多个空间响应声波信号，其中各该调频声波分别在不同的多个时间点上被发送于该空间中；

处理单元，连接该接收装置以接收该空间响应声波信号，并依据该空间响应声波信号计算该空间的多个空间状态特征参数；以及

决策单元，连接该处理单元以接收该空间状态特征参数，并通过比对该空间状态特征参数的其中之二来检测该空间状态的变化。

16.如权利要求15所述的基于调频声波的空间扰动检测装置，其特征在于，该决策单元所比对的该空间状态特征参数的其中之二是对应于该调频声波中相邻的二个调频声波的二个空间状态特征参数。

17.如权利要求15所述的基于调频声波的空间扰动检测装置，其特征在于，该处理单元包括：

信号采集单元，用以采集该空间响应声波信号中的多个有效信号；以及

计算单元，连接该信号采集单元以接收该有效信号，并且根据该有效信号来产生该空间状态特征参数。

18.如权利要求17所述的基于调频声波的空间扰动检测装置，其特征在于，该信号采集单元包括：

滤波单元，连接该接收装置以接收该空间响应声波信号，并且对该空间响应声波信号进行滤波；以及

第一采集单元，连接该滤波单元以接收经过滤波的该空间响应声波信号，然后将该空间响应声波信号分别分割成多个音框，并且计算该音框的多个特征数据，以及通过分析该特征数据来采集该有效信号，

其中各该特征数据包括该音框中所对应的音框的能量。

19.如权利要求18所述的基于调频声波的空间扰动检测装置，其特征在于，该第一采集单元滤除多个响应样本区段中每一个的直达声区段或噪声以取得该有效信号，

其中该响应样本区段是根据该特征数据的一个比较结果及该调频声波的发送间隔时间从该空间响应声波信号来采集，其中各该响应样本区段包括该直达声区段以及反射声区段，其中该时间点的发送间隔时间是一定值或一变化值，

其中该第一采集单元滤除该直达声区段是滤除各该响应样本区段的开头小于一段预定时间之内的区段。

20.如权利要求15所述的基于调频声波的空间扰动检测装置，其特征在于，还包括：

存储单元，连接该处理单元，该存储单元存储对应于该调频声波的多个调频音频数据。

21.如权利要求20所述的基于调频声波的空间扰动检测装置，其特征在于，还包括：

发送装置，连接该存储单元以接收该调频音频数据的至少其中之一，并且依据该调频音频数据发送该调频声波于该空间之中。

22.如权利要求21所述的基于调频声波的空间扰动检测装置，其特征在于，该计算单元从该存储单元接收对应于该调频声波的该调频音频数据，并且根据该有效信号与对应于该调频声波的该调频音频数据之间的多个比对结果来产生该空间状态特征参数。

23.如权利要求21所述的基于调频声波的空间扰动检测装置，其特征在于，该发送装置发送的该调频声波的频率是落在9千赫兹到1万8千赫兹的范围内。

24.如权利要求21所述的基于调频声波的空间扰动检测装置，其特征在于，该发送装置从该存储单元接收该调频音频数据的至少其中之一是该调频音频数据的至少其中之二，以组合成复合调频音频数据，并且依据该复合调频音频数据发送该调频声波于该空间之中。

25.如权利要求15所述的基于调频声波的空间扰动检测装置，其特征在于，该决策单元根据该空间状态特征参数的其中之二之间的差值数据来计算差异参数，并且根据该差异参数与门槛值来检测该空间状态是否发生变化。