CN108966086A - 基于目标位置变化的自适应定向音频系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种基于目标位置变化的自适应定向音频系统及其控制方法。图像识别器检测目标位置坐标以及目标在移动过程中的坐标变化。波束形成器基于所检测到的位置坐标计算换能器阵列产生的声音主波束图案的波束宽度以及声音主波束图案偏离阵列中心的角度。阵列处理器接收计算的波束宽度以及波束偏离角度，并且处理一条声音信号的每个通道以产生一组音频信号，该组音频信号驱动换能器阵列的每个单元以生成具有所计算的波束宽度以及波束偏离角度的声音波束。本发明可以根据舞蹈人群所在区域以及舞蹈人群的位置变化改变输出声音的范围以及角度，既避免了对周边居民造成干扰，又能满足舞蹈者“音随舞动”的实际需求，具有较强的实用意义。

Description

基于目标位置变化的自适应定向音频系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及音频系统技术领域，具体涉及一种基于目标位置变化的自适应定向音频系统及其控制方法。

背景技术

广场舞给人们带来了健身益处和精神享受，常以人群密度较高的居民区附近小广场为广场舞的舞场，对周围环境影响大。传统的广场舞音乐节奏主要以大功率音响作为声源，这种音响不但体积庞大，搭建困难，而且为了满足参舞者的需要，组织人员通常会以高分贝的方式输出舞蹈音乐。因此，给周围住户带来了严重的噪声干扰，由此引发的社会矛盾冲突也时常发生。

更为先进的，有使用定向音频系统播放音乐的形式减小对周边居民的干扰，但是现有的定向音频系统不具有自适应功能，音频覆盖区域不能随舞蹈者位置变化进行调整，舞蹈者跳舞过程中不断移动，容易脱离定向音频系统的覆盖范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于目标位置变化的自适应定向音频系统及其控制方法。

为实现上述发明目的之一，本发明采用如下技术方案：

一种基于目标位置变化的自适应定向音频系统，包括：图像识别器、图像拾取装置、波束形成器和换能器阵列、阵列处理器；

所述图像识别器与图像拾取装置通信连接，用于检测目标位置坐标以及目标在移动过程中的坐标变化；

所述波束形成器与所述图像识别器通信连接，以接收目标位置坐标和目标位置在移动过程中的坐标变化，计算换能器阵列产生的主波束图案的开角宽度以及主波束图案偏离阵列中心的角度；

阵列处理器，所述阵列处理器与所述波束形成器、换能器阵列通信连接，用于驱动换能器阵列发射具有所计算的波束宽度以及波束偏离角度的声音波束。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述图像拾取装置为相机、摄像机中的至少一种。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述通信连接包括有线通信连接和无线通信连接。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述换能器阵列包括至少一个换能器单元。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述换能器单元为超声波压电换能器或者动圈式电声扬声器中的至少一种。

为实现上述另一发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于目标位置变化的自适应定向音频系统的控制方法，包括：使用与图像拾取装置通信连接的图像识别器，检测目标位置坐标以及目标在移动过程中的坐标变化；

使用与图像识别器通信连接的波束形成器，接收目标位置坐标和目标位置在移动过程中的坐标变化，计算换能器阵列产生的主波束图案的开角宽度以及主波束图案偏离阵列中心的角度；

使用与波束形成器、换能器阵列通信连接的阵列处理器，驱动换能器阵列发射具有所计算的波束宽度以及波束偏离角度的声音波束。

作为本发明进一步改进的技术方案，计算换能器阵列产生的主波束图案的开角宽度用以完成声音主波束宽度覆盖目标所处的位置区域。

作为本发明进一步改进的技术方案，计算换能器阵列产生的主波束图案偏离阵列中心的角度用以完成声音主波束跟随目标位置的变化而变化。

作为本发明进一步改进的技术方案，驱动换能器阵列发射具有所计算的波束宽度以及波束偏离角度的声音波束包括：

基于所计算的一个或多个波束宽度以及一个或多个波束偏角来输出一个或多个波束图案。

相对于现有技术，本发明的技术效果在于：

本发明可以根据舞蹈人群所在区域以及舞蹈人群的位置变化改变输出声音的范围以及角度，既避免了对周边居民造成干扰，又能满足舞蹈者“音随舞动”的实际需求，具有较强的实用意义。

附图说明

图1示出了一种基于目标位置变化的自适应定向音频系统的结构示意图；

图2A示出了一种换能器阵列的结构示意图；

图2B示出了另一种换能器阵列的结构示意图；

图3示出了图像拾取装置、图像识别器、波束形成器的连接结构示意图；

图4示出了换能器阵列跟随舞者位置移动改变波束辐射方向的示意图；

图5示出了一种基于目标位置变化的自适应定向音频系统的框图示意图；

图6A示出了换能器阵列生成的波束偏角为0°的声波辐射指向性图案；

图6B示出了换能器阵列生成的波束偏角为30°的声波辐射指向性图案；

图6C示出了换能器阵列生成的波束偏角为‐30°的声波辐射指向性图案。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

请参见图1，一种基于目标位置变化的自适应定向音频系统1，通过图像识别器3识别舞蹈人群5在舞场4中的坐标位置，调整换能器阵列2发射声音的波束图案宽度，使波束主瓣宽度仅覆盖舞蹈人群5；该基于目标位置变化的自适应定向音频系统1通过图像识别器3识别舞蹈人群5在舞蹈过程中的坐标变化，调整换能器阵列2发射声音波束图案的偏角，使波束能够跟随舞蹈人群5的移动而移动。基于此，基于目标位置变化的自适应定向音频系统1能够避免对舞者以外人群造成噪声干扰。

基于目标位置变化的自适应定向音频系统1包括一个或多个换能器阵列2用于将声音输出到舞蹈人群5所在区域中。图2A示出了具有容纳在单个机壳7中的多个换能器单元8的一个换能器阵列2。在该实例中，196个换能器单元8以圆形的方式排列在机壳7中。在其他实施例中，换能器单元8可使用其他数量、间隔或形状的排列组合方式构成换能器阵列2。例如，如图2B所示，7个换能器单元8以均匀间隔的声柱样式构成的换能器阵列2。

换能器单元8可为超声波压电换能器或者动圈式电声扬声器以及二者的组合。换能器单元8中的单个换能器可使用轻质膜片或锥形振膜。虽然在上文中描述为具有容纳在单个机壳7中的多个换能器单元8，但在其他实施例中，换能器阵列2可包括容纳在机壳7中的单个换能器单元8。在这些实施例中，换能器阵列2是独立的声音辐射器。

每个换能器单元8可被单独且分开地驱动以响应于单独且分立的音频信号来产生声音。通过允许根据不同参数(波束宽度和波束偏角)单独且分开地驱动换能器阵列2中的换能器单元8，换能器阵列2可产生指定波束宽度以及偏角的声音波束。

如图2A和2B所示，换能器阵列2可通过导线9连接到阵列处理器10。在其他实施例中，换能器阵列2也可以使用无线协议耦接到阵列处理器10，使得换能器阵列2和阵列处理器10不被物理接合，但维持无线通信连接。例如，换能器阵列2可包括蓝牙接收器，用于接收阵列处理器10中的相应蓝牙发射器发出的音频信号。

在一些实施例中，换能器阵列2还可包括数模转换器以及功率放大器，数模转换器用于将阵列处理器10输出的数字信号转换为模拟信号，功率放大器对数模转换器输出的模拟音频信号进行放大以驱动换能器单元8。

基于目标位置变化的自适应定向音频系统1可包括通过无线或有线连接来耦接到阵列处理器10的任何数量的换能器阵列2。下文中，基于目标位置变化的自适应定向音频系统1将被描述为包括单个换能器阵列2。然而，如上所述，应当理解，基于目标位置变化的自适应定向音频系统1可包括多个换能器阵列2。

基于目标位置变化的自适应定向音频系统1包括图像识别器3。图3示出了图像拾取装置6、图像识别器3、波束形成器12的连接结构，图像拾取装置6记录舞蹈人群5所在区域的视频或一组静态图像，将图像信号经导线9输入到图像识别器3，图像识别器3计算舞蹈人群5所在位置的坐标并馈入到波束形成器12计算换能器阵列2所要生成声音图案的波束宽度以及波束偏角。

如图3所示，图像拾取装置6可通过导线9连接到图像识别器3。在其他实施例中，图像拾取装置6可以使用无线协议耦接到图像识别器3，使得图像拾取装置6和图像识别器3不被物理接合，但维持无线连接。

图像识别器3确定舞蹈人群5的位置坐标以及舞蹈人群5在舞蹈过程中的位置坐标的变化。图像识别器3将计算得到的舞蹈人群5坐标以及坐标变化馈入到波束形成器12，波束形成器12计算出换能器阵列2最终生成声音图案的波束宽度以及波束偏角。

图像识别器3可使用任何已知图像识别算法以确定舞蹈人群5的坐标以及舞蹈人群5在舞蹈过程中位置变化。在一个实施例中，相机作为图像拾取装置6安装在与换能器阵列2相同的方向上并指向舞场4。相机记录在换能器阵列2前方区域的视频或一组静态图像。基于这些记录，图像识别器3识别舞蹈人群5的面部或其他身体部位来确定人群分布范围，进而确定舞蹈人群5在舞场4中的位置坐标。进一步的，图像识别器3可基于这个面部/身体特征来跟踪舞蹈人群5从而确定舞蹈人群5偏离舞场4中心的偏离角度。在一个实施例中，相机周期性地跟踪舞蹈人群5的特征，使得人群范围以及人群移动时的偏角可被实时更新。

请参见图4，图中示出舞蹈人群5开始在舞场4的中心位置处，图像识别器3识别舞蹈人群5在舞场4中的位置坐标，波束形成器12根据舞蹈人群5坐标计算换能器阵列2发出声波的波束宽度θ。随着舞蹈人群5的移动，图像识别器3识别舞蹈人群5在舞蹈过程中的位置坐标变化，波束形成器12据此计算换能器阵列2最终辐射的声音图案的波束偏角β。

相机可使用有线或无线连接来耦接到图像识别器3。在一个实例中，相机使用一个或多个无线协议将所记录的视频或静态图像传输到图像识别器3。尽管描述和图示为单个相机，但也可采用多个相机用于面部/身体跟踪。

图像识别器3将识别的舞蹈人群5的坐标馈入到波束形成器12用于处理。波束形成器12根据舞蹈人群5的坐标计算换能器阵列2所要生成波束图案的波束宽度θ以及波束偏角β。

请参见图5，基于目标位置变化的自适应定向音频系统1可包括多个外部输入，外部输入用于使用电信号、无线信号从一个或多个外部音源接收声音信号的一个或多个通道。外部输入可为数字输入以及模拟输入。外部音源可包括个人电脑、移动电话、平板电脑、MP3音乐播放器或任何其他类似的音频输出设备。

在通过数字输入接收到数字音频信号以后，信号经过解码器将电信号或无线电信号解码成表示声音内容的一组音频通道。解码器可以解码包括任何编码技术(MP3,WAV,FLAC等)编码的音频信号。模拟输入接收到模拟信号以后，模拟音频信号需要通过模数转换器数字化以形成数字音频通道。

解码器以及模数转换器中的一者所传输的数字音频通道被输出到音频信号分配器中，音频信号分配器将输入的一路音频信号分配成多路音频信号进行输出。

阵列处理器10分别接收到音频信号分配器输出的多路音频信号以及波束形成器12输出的换能器阵列2辐射声波的波束宽度以及波束偏角。阵列处理器10将输入的音频通道处理以后产生一组经处理的音频通道。该处理可在时域或频域中使用诸如快速傅里叶变换(FFT)来操作。阵列处理器10可为专用处理器诸如数字信号处理器、现场可编程门电路、通用微处理器或一组硬件逻辑结构(例如，滤波器、算术逻辑单元)。阵列处理器10基于波束形成器12的输入来生成用于驱动换能器阵列2中的换能器单元8的一组信号。

波束形成器12将波束宽度θ以及波束偏角β馈入到阵列处理器10，阵列处理器10可使用任意的波束形成算法，例如：延时叠加法(DAS)、最小二乘法(LS)、最小方差无失真法(MVDR)、声能量对比度算法(ACC)以及线性约束最小方差法(LCMV)等，来生成一组音频信号。该组音频信号驱动换能器阵列2的各个换能器单元8以产生具有波束宽度θ以及波束偏角β的波束图案。

在一个实施例中，阵列处理器10基于波束形成器12馈入的波束宽度以及波束偏角计算输出一组音频信号。信号被传递到多个数模转换器以产生多个通道的模拟音频信号。由数模转换器产生的模拟信号被输入到功率放大器以驱动换能器阵列2的每一个换能器单元8。

图6A至图6C示出了具有固定波束宽度不同波束偏角的波束图案。图6A是换能器阵列2辐射波束偏角为0°的波束图案，其对应舞蹈人群5开始舞蹈时换能器阵列2辐射的波束图案，图6B为波束偏角为30°的波束图案，其代表舞蹈人群5移动以后换能器阵列2辐射波束跟踪舞蹈人群5移动后的波束图案，图6C的图案代表舞蹈人群5移动至‐30°以后换能器阵列2辐射的波束图案。

相对于现有技术，本发明的技术效果在于：

本发明可以根据舞蹈人群所在区域以及舞蹈人群的位置变化改变输出声音的范围以及角度，既避免了对周边居民造成干扰，又能满足舞蹈者“音随舞动”的实际需求，具有较强的实用意义。

最后应说明的是：以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式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方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分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方式技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于目标位置变化的自适应定向音频系统，其特征在于，包括：图像识别器、图像拾取装置、波束形成器和换能器阵列、阵列处理器；

所述图像识别器与图像拾取装置通信连接，用于检测目标位置坐标以及目标在移动过程中的坐标变化；

所述波束形成器与所述图像识别器通信连接，以接收目标位置坐标和目标位置在移动过程中的坐标变化，计算换能器阵列产生的主波束图案的开角宽度以及主波束图案偏离阵列中心的角度；

阵列处理器，所述阵列处理器与所述波束形成器、换能器阵列通信连接，用于驱动换能器阵列发射具有所计算的波束宽度以及波束偏离角度的声音波束。

2.根据权利要求1所述的一种基于目标位置变化的自适应定向音频系统，其特征在于，所述图像拾取装置为相机、摄像机中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的一种基于目标位置变化的自适应定向音频系统，其特征在于，所述通信连接包括有线通信连接和无线通信连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于目标位置变化的自适应定向音频系统，其特征在于，所述换能器阵列包括至少一个换能器单元。

5.根据权利要求4所述的一种基于目标位置变化的自适应定向音频系统，其特征在于，所述换能器单元为超声波压电换能器或者动圈式电声扬声器中的至少一种。

6.一种基于目标位置变化的自适应定向音频系统的控制方法，其特征在于，包括：使用与图像拾取装置通信连接的图像识别器，检测目标位置坐标以及目标在移动过程中的坐标变化；

使用与图像识别器通信连接的波束形成器，接收目标位置坐标和目标位置在移动过程中的坐标变化，计算换能器阵列产生的主波束图案的开角宽度以及主波束图案偏离阵列中心的角度；

使用与波束形成器、换能器阵列通信连接的阵列处理器，驱动换能器阵列发射具有所计算的波束宽度以及波束偏离角度的声音波束。

7.根据权利要求6所述的一种基于目标位置变化的自适应定向音频系统的控制方法，其特征在于，计算换能器阵列产生的主波束图案的开角宽度用以完成声音主波束宽度覆盖目标所处的位置区域。

8.根据权利要求6所述的一种基于目标位置变化的自适应定向音频系统的控制方法，其特征在于，计算换能器阵列产生的主波束图案偏离阵列中心的角度用以完成声音主波束跟随目标位置的变化而变化。

9.根据权利要求6所述的一种基于目标位置变化的自适应定向音频系统的控制方法，其特征在于，驱动换能器阵列发射具有所计算的波束宽度以及波束偏离角度的声音波束包括：

基于所计算的一个或多个波束宽度以及一个或多个波束偏角来输出一个或多个波束图案。