CN107809596A - 基于麦克风阵列的视频会议跟踪系统及方法 - Google Patents

基于麦克风阵列的视频会议跟踪系统及方法 Download PDF

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利节
张俊林
陈国荣
杜晓霞
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Abstract

本发明提供一种基于麦克风阵列的视频会议跟踪系统及方法，其特征在于：系统包括用于获取视频会议图像信息的摄像头，该摄像头安装在一个由电机驱动的转动台上，所述电机由控制器控制，在该控制器上连接有用于实现声源定位的麦克风阵列，所述控制器根据所述麦克风阵列获取说话人的位置并控制所述电机带动摄像头旋转实现说话人的跟踪。其效果是：采用麦克风阵列进行声源定位，通过获取说话人的方向和距离，并结合摄像头自身的焦距调节功能，充分实现了摄像头方向和焦距的自动调节，系统结构简单，控制方便，响应迅速，满足了视频会议应用场景中说话人的跟踪需求。

Description

基于麦克风阵列的视频会议跟踪系统及方法
技术领域
本发明涉及视频会议信息处理技术，具体涉及一种基于基于麦克风阵列的视频会议跟踪系统及方法。
背景技术
在现代的商业活动中，企业需要经常与合作伙伴、供应商、投资者以及客户进行交谈。由于商业环境朝着全国化的发展，合作多方能在同一个会议室谈业务的机会越来越少。视频会议的出现以及发展很好的解决了这一问题，视频会议因其信息传递快、节约成本、可以消除时空差距、缓解人们工作出差频率等优点在商业中的应用也越来越广泛。但当多个人公用一个摄像头时，摄像头不能实时转动来捕捉发言人的画面，人为的改变摄像头的位置又很麻烦。
发明内容
为了解决上述问题，本发明天提出一种基于麦克风阵列的视频会议跟踪系统及方法，通过设置麦克风阵列实现声源定位，配合步进电机改变摄像头的拍摄方向，从而实现发言人声音捕捉并实时获取其视频图像，满足视频会议信息传输要求。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术如下：
首先，本发明提出一种基于麦克风阵列的视频会议跟踪系统，其特征在于：
一种基于麦克风阵列的视频会议跟踪系统，其关键在于：包括用于获取视频会议图像信息的摄像头，该摄像头安装在一个由电机驱动的转动台上，所述电机由控制器控制，在该控制器上连接有用于实现声源定位的麦克风阵列，所述控制器根据所述麦克风阵列获取说话人的位置并控制所述电机带动摄像头旋转实现说话人的跟踪。
进一步地，所述麦克风阵列由四个麦克风组成并按四面体的4个顶点位置设置。
作为优选，所述麦克风阵列由四个麦克风组成并按正四面体的4个顶点位置设置。
进一步地，所述控制器还与摄像头连接并根据摄像头获取的说话人的人脸图像，控制器根据所述麦克风阵列获取说话人的位置并控制所述电机粗调摄像头方向，然后通过面部识别技术获取说话人的面部区域，通过微调转动台使得说话人人脸区域位于视频图像中的预设位置。
作为优选，所述预设位置为图像中央靠上2/3区域。
进一步地，所述转动台包括第一电机带动的水平旋转方位角调整机构以及第二电机带动的俯仰角调整机构。
进一步地，所述控制器还与摄像头连接并根据麦克风阵列获取说话人的距离，控制器根据说话人的距离对摄像头的焦距进行粗调，然后采用基于PDAF相位对焦模式进行焦距细调。
在提出上述系统的同时，本发明还提出了一种基于麦克风阵列的视频会议跟踪方法，主要按照以下步骤进行：
S1：利用麦克风阵列获取说话人的方向以及与摄像头的距离；
S2：根据麦克风阵列获取的说话人方向粗调摄像头的方向；
S3：控制器根据麦克风阵列获取的说话人距离对摄像头的焦距进行粗调；
S4：根据面部识别技术获取说话人的面部区域，通过微调摄像头方向使得说话人人脸区域位于视频图像中的预设位置；
S5：采用基于PDAF相位对焦模式进行焦距细调。
进一步地，所述麦克风阵列由四个麦克风组成并按正四面体的4个顶点位置设置。
进一步地，所述摄像头安装在转动台上，该转动台包括第一电机带动的水平旋转方位角调整机构以及第二电机带动的俯仰角调整机构。
本发明的有益效果：
本发明采用麦克风阵列进行声源定位，通过获取说话人的方向和距离，并结合摄像头自身的焦距调节功能，充分实现了摄像头方向和焦距的自动调节，系统结构简单，控制方便，响应迅速，满足了视频会议应用场景中说话人的跟踪需求。
附图说明
图1为本发明的安装结构示意图；
图2为具体实施例中正四面体麦克风阵列声源定位模型；
图3为声程差模型；
图4为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面将对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
如图1所示，本实施例公开一种基于麦克风阵列的视频会议跟踪系统，包括用于获取视频会议图像信息的摄像头1，该摄像头1安装在一个由电机驱动的转动台2上，所述电机由控制器控制，在该控制器上连接有用于实现声源定位的麦克风3阵列，所述控制器根据所述麦克风3阵列获取说话人的位置并控制所述电机带动摄像头旋转实现说话人的跟踪。
在本实施例中，所述转动台2包括第一电机带动的水平旋转方位角调整机构21以及第二电机带动的俯仰角调整22机构，从图中可以看出，转动台2通常设置在三角支撑架4上，第一电机和第二电极都采用步进电机，可以根据角度需求，精准的调节摄像头的方向。
基于麦克风阵列的声源定位主要通过测量声源发出的同一声波抵达各麦克风传感器的声程差，并利用所测参数和麦克风阵列的几何关系进行定位。麦克风阵列的通常有线阵、面阵和立体阵，本发明使用具有更加优越的空间定位能力的立体阵。在具体实施时，为了计算方便，所述麦克风阵列由四个麦克风组成并按正四面体的4个顶点位置设置。
设阵列的阵元是Si(i＝1,2,3,4)，S1是正四面体的顶点，位于Z轴上，其它三点位于XOY面内，S2位于X轴上，设S2到原点距离为D则，四个传声器坐标分别是S2(D,0,0), 设声源在点P(xS',yS',zS)，P与原点O之间的距离为r，直线MO与XOY面的夹角θ为目标的俯仰角，直线OP在XOY面上的投影OP'与X轴夹角为目标的方位角，定位模型如图2所示。
空间任意四元阵测向算法，阵元Si的坐标为(xi，yi，zi)，i＝1,2,3,4。利用图3所示的声程差模型建立方程，声波从P点以球面波形式传播，到各阵元的距离为di，i＝1,2,3,4，选取模型中的S1作为参考点，则P到其他阵元与S1之间的声程差的di1及时延量τi1，并有di1＝c·τi1，其中c为声速，τi1为麦克风传感器阵测到时延差。
可以建立方程：
将每个方程的括号项展开，并用第一个方程分别减去后三个方程，可以得到三个新方程：
其中ri 2＝xi 2+yi 2+zi 2是每个传声器到原点的距离。令：
方程(2)可变形为：
AX＝Bd1+C (3)
只考虑矩阵A可逆的情况(可以通过合理布阵做到)，(3)可变形为：
X＝A-1Bd1+A-1C (4)
令F＝A-1B,H＝A-1C，则(4)可写为：
X＝Fd1+H (5)
写成方程组的形式为：
将(6)代入(1)中的第一个方程得到：
(f1 2+f2 2+f3 2-1)d1 2+2(f1h1+f2h2+f3h3-f1x1-f2y1-f3z1)d1
+r1 2+(h1 2+h2 2+h3 2)-2(h1x1+h2y1+h3z1)＝0 (7)
记R＝[x1y1z1]T，(7)可变为：
(FTF-1)d1 2+2(FTH-FTR)d1+RTR+HTH-2HTR＝0 (8)
令L＝FTF-1,M＝2(FTH-FTR),N＝RTR+HTH-2HTR，则上式的解为：
将d1代入方程组(6)即可求得声源位置。显然d1有两个解，考虑到目标的距离是非负参数，所以可以容易去除错误解。因此可以求出声源的方位角和俯仰角：
综上所述，只要测出声波到达四个麦克风传感器之间的时延参数，就可以解算声源的距离、方位和俯仰信息。
在具体实施时，也不排除按照其他形式的四面体设置麦克风阵列进行几何推导，均能满足立体定位的需求。
在具体实施过程中，控制器还与摄像头连接并根据摄像头获取的说话人的人脸图像，控制器根据所述麦克风阵列获取说话人的位置并控制所述电机粗调摄像头方向，然后通过面部识别技术获取说话人的面部区域，通过微调转动台使得说话人人脸区域位于视频图像中的预设位置，这里的预设位置通常为图像中央靠上2/3区域，使其在视频会议过程中起到突出发言人的作用。
具体实施时，所述控制器还与摄像头连接并根据麦克风阵列获取说话人的距离，控制器根据说话人的距离对摄像头的焦距进行粗调，然后采用基于PDAF相位对焦模式进行焦距细调。
以往的摄像头在拍摄视频的时候，容易出现虚焦，过曝，和拍摄物体模糊的现象，这是由于硬件上的限制，例如COMS宽容度低，对焦马达不够先进等；或者是因为对焦算法太差。而我们的装置选用的摄像头采用先进的PDAF相位对焦模式，对焦速度更快。COMS的尺寸更大，拥有更高的宽容度，再通过我们优秀的算法，不易出现虚焦和过曝的情况。
如图4所示，基于上述系统，本实施例提出一种基于麦克风阵列的视频会议跟踪方法，按照以下步骤进行：
S1：利用麦克风阵列获取说话人的方向以及与摄像头的距离；
S2：根据麦克风阵列获取的说话人方向粗调摄像头的方向；
S3：控制器根据麦克风阵列获取的说话人距离对摄像头的焦距进行粗调；
S4：根据面部识别技术获取说话人的面部区域，通过微调摄像头方向使得说话人人脸区域位于视频图像中的预设位置；
S5：采用基于PDAF相位对焦模式进行焦距细调。
该方法基于麦克风阵列获取说话人的方向以及与摄像头的距离，先进行方向粗调，然后根据距离进行粗对焦，然后通过方向细调调整说话人在画面中的位置，最后再通过PDAF相位对焦模式进行细对焦，不仅能够实现视频会议中说话人的自动跟踪，还能根据说话人的位置实现快速对焦以及画面调节，在满足响应速度的同时，确保了视频会议的图像传输质量，同时还可以利用多个麦克风采集说话人语音信息，基于多通道信息融合技术，实现更加清晰的语音传输。
最后需要说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种基于麦克风阵列的视频会议跟踪系统，其特征在于：包括用于获取视频会议图像信息的摄像头，该摄像头安装在一个由电机驱动的转动台上，所述电机由控制器控制，在该控制器上连接有用于实现声源定位的麦克风阵列，所述控制器根据所述麦克风阵列获取说话人的位置并控制所述电机带动摄像头旋转实现说话人的跟踪。
2.根据权利要求1所述的基于麦克风阵列的视频会议跟踪系统，其特征在于：所述麦克风阵列由四个麦克风组成并按四面体的4个顶点位置设置。
3.根据权利要求1所述的基于麦克风阵列的视频会议跟踪系统，其特征在于：所述麦克风阵列由四个麦克风组成并按正四面体的4个顶点位置设置。
4.根据权利要求1所述的基于麦克风阵列的视频会议跟踪系统，其特征在于：所述控制器还与摄像头连接并根据摄像头获取的说话人的人脸图像，控制器根据所述麦克风阵列获取说话人的位置并控制所述电机粗调摄像头方向，然后通过面部识别技术获取说话人的面部区域，通过微调转动台使得说话人人脸区域位于视频图像中的预设位置。
5.根据权利要求4所述的基于麦克风阵列的视频会议跟踪系统，其特征在于：所述预设位置为图像中央靠上2/3区域。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的基于麦克风阵列的视频会议跟踪系统，其特征在于：所述转动台包括第一电机带动的水平旋转方位角调整机构以及第二电机带动的俯仰角调整机构。
7.根据权利要求6所述的基于麦克风阵列的视频会议跟踪系统，其特征在于：所述控制器还与摄像头连接并根据麦克风阵列获取说话人的距离，控制器根据说话人的距离对摄像头的焦距进行粗调，然后采用基于PDAF相位对焦模式进行焦距细调。
8.一种基于麦克风阵列的视频会议跟踪方法，其特征在于按照以下步骤进行：
S1：利用麦克风阵列获取说话人的方向以及与摄像头的距离；
S2：根据麦克风阵列获取的说话人方向粗调摄像头的方向；
S3：控制器根据麦克风阵列获取的说话人距离对摄像头的焦距进行粗调；
S4：根据面部识别技术获取说话人的面部区域，通过微调摄像头方向使得说话人人脸区域位于视频图像中的预设位置；
S5：采用基于PDAF相位对焦模式进行焦距细调。
9.根据权利要求8所述的基于麦克风阵列的视频会议跟踪方法，其特征在于：所述麦克风阵列由四个麦克风组成并按正四面体的4个顶点位置设置。
10.根据权利要求8所述的基于麦克风阵列的视频会议跟踪方法，其特征在于：所述摄像头安装在转动台上，该转动台包括第一电机带动的水平旋转方位角调整机构以及第二电机带动的俯仰角调整机构。
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