CN110441737A - 一种采用鱼眼镜头的声源定位方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及声源定位技术领域，具体来说是一种采用鱼眼镜头的声源定位方法及其设备，所述的方法结合鱼眼镜头，通过声波的入射直线或入射角实现对声源的定位。本发明所提供的采用鱼眼镜头的声源定位方法及其设备的优点包括但不限于：本发明所提供的采用鱼眼镜头的声源定位方法及其设备，采用利用鱼眼镜头的特征，采用角度定位而非采用位置定位，一般情况下无需通过公式计算的方式计算出声源的具体坐标，使得声学相机能够做到大范围大角度的声源定位，且通过此种算法能够降低麦克风的数量从而使声学相机小型化，同时成本也能够大大降低，极大地增大了声学相机的普及性。

Description

一种采用鱼眼镜头的声源定位方法及其设备

技术领域

本发明涉及声源定位技术领域，具体来说是一种采用鱼眼镜头的声源定位方法及其设备。

背景技术

目前传统的声学相机通过双耳麦克风进行定位，采用的是波束形成法，对声源位置进行定位，其存在一定的局限性，在麦克风阵列的极限位置上，比如在阵列的最右端或者最左端乃至最上和最下，以及超过这个范围内的声源会产生鬼影（即真是声源的位置与拍照所得的声源位置完全不一致），因此，目前传统声学相机存在着拍摄范围窄，无法覆盖大角度的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种采用鱼眼镜头的声源定位方法及其设备，新颖且有效，有助于通过鱼眼镜头便捷地实现声源定位。

为了实现上述目的，设计一种采用鱼眼镜头的声源定位方法，所述的方法结合鱼眼镜头，通过声波的入射直线或入射角实现对声源的定位。

本发明具有如下优选的技术方案：

所述的方法包括如下步骤：步骤a.建立声波的入射角和声源与鱼眼镜头之间的距离，与声源距离差之间的对应关系，具体包括：设置一个鱼眼镜头和至少两个麦克风，以两个麦克风构成一对麦克风组，且任意两对麦克风组包含的两个麦克风不完全相同，计算不同的声波的入射角和声源与鱼眼镜头之间的距离所对应的每对麦克风组的声源距离差，所述的声源距离差是指声源与每对麦克风组中每个麦克风之间的距离的差的绝对值；步骤b.通过所述的对应关系实现对声源的定位，并通过鱼眼镜头进行成像显示，具体包括：通过测得的麦克风组的声源距离差，得到麦克风组的声源距离差所对应的声波的入射角及声源与鱼眼镜头之间的距离，并在鱼眼镜头的成像画面中显示对声源的定位位置。

所述的方法具体包括：设置至少三个麦克风，从而获得至少一条声波的入射直线或者至少两个不相平行且重合的声波入射面。

所述的方法以两个麦克风构成一对麦克风组，且任意两对麦克风组包含的两个麦克风不完全相同，计算至少两对麦克风组的声源距离差，并通过任意一对麦克风组的声源距离差求得声波相对于所述的麦克风组的声波入射面，任意两对麦克风组的声波入射面的交线即为一条声波入射直线，所述的声源距离差是指声源与每对麦克风组中的两个麦克风之间的距离的差的绝对值。

所述的方法通过至少一条声波的入射直线，求得所述的声波的入射直线在任意的两个不相平行且重合的平面上相对于鱼眼镜头的入射角，或者通过至少两个声波的入射面，求得声波在两个不相平行且重合的平面上相对于鱼眼镜头的入射角，从而在鱼眼镜头的成像画面中显示对声源的定位位置。

所述的方法设置至少四个麦克风，从而获得至少两条声波的入射直线，任意两条声波的入射直线的交点即为声源所在的位置，从而能在鱼眼镜头的成像画面中显示对声源的定位位置。

所述的方法通过至少一条声波的入射直线，得到所述的声波的入射直线在任意的两个平面上相对于鱼眼镜头的入射角，从而得到声源在鱼眼镜头的成像画面中的位置；通过至少两条声波的入射直线所得到的声源所在的位置，求得声源距离鱼眼相机的距离，从而能根据声源距离鱼眼相机的距离在鱼眼镜头的成像画面中通过不同大小的标识显示对声源的定位位置。

所述的方法在计算声源距离差前，先对原始信号进行FIR滤波，然后再对信号进行两次求导。

本发明还提供一种用于所述的采用鱼眼镜头的声源定位方法的设备，包括固定设置的一个用于获取成像画面的鱼眼镜头、固定设置的至少两个用于采集声波数据的麦克风组、用于进行声源定位处理的处理器和用于显示声源定位结构的显示设备。

本发明再提供一种用于所述的采用鱼眼镜头的声源定位方法的设备，包括固定设置的一个用于获取成像画面的鱼眼镜头、固定设置的至少三个用于采集声波数据的麦克风组、用于进行声源定位处理的处理器和用于显示声源定位结构的显示设备。

发明的有益效果

本发明所提供的采用鱼眼镜头的声源定位方法及其设备的优点包括但不限于：本发明所提供的采用鱼眼镜头的声源定位方法及其设备，采用利用鱼眼镜头的特征，采用角度定位而非采用位置定位，一般情况下无需通过公式计算的方式计算出声源的具体坐标，使得声学相机能够做到大范围大角度的声源定位，且通过此种算法能够降低麦克风的数量从而使声学相机小型化，同时成本也能够大大降低，极大地增大了声学相机的普及性。

附图说明

图1是点A、B、C及鱼眼相机在水平方向上的位置示意图；

图2是图1通过鱼眼相机进行成像得到的水平位置示意图；

图3是点A、B、C及鱼眼相机在竖直方向上的位置示意图；

图4是图1通过鱼眼相机进行成像得到的竖直位置示意图；

图5是鱼眼相机的成像位置示意图；

图6是本发明的方法流程示意图；

图7是一实施例中本发明设备的结构示意图；

图中：1、鱼眼镜头 2、麦克风。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，这种方法及结构的原理对本专业的人来说是非常清楚的。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

鱼眼镜头是一种焦距为16mm或更短的并且视角接近或等于180°的镜头。 它是一种极端的广角镜头，“鱼眼镜头”是它的俗称。由于鱼眼镜头拍摄的角度范围是上下左右接近180度的一个圆圈，各以水平和竖直方向入射夹角所形成的弧线列出圆的坐标方程，其中两组坐标方程的夹角即是目标声源在鱼眼镜头成像中的准确位置。

在水平方向上，当声源出现在鱼眼镜头的最右端也就是0度时，这时声源位置在鱼眼镜头所拍摄的照片的最右端，当声源在正中心线的位置时，这是声源位置在鱼眼镜头所拍摄的照片的中心线位置上。如图1和图2所示，鱼眼摄像头位于中央位置，三个声源位于最右面0度位置的A、最左面的 180度位置的B以及与右面水平位置夹角30度的C，这三个位置在鱼眼摄像头拍摄的照片中的位置分别在最左面的A，最右面的B以及C，A与B相差180度，将AB之间划分180格，AC之间相差30度，照片中央直线为l，所有水平位置与A相差30度的位置都在以中央线l为弦过C点的弧上，别的角度也可按同样方法进行标定。

同样地，对于竖直方向，如图3和图4所示，在侧视图中最下端的A点为0度位置，最上端的B点为180度位置，离下端往右夹角 30度位置的声源C，A点在照片中的投影位置分别是以中线l为弦、以上半圆为弧的弧上，B点在以中线l为弦、下半圆为弧的弧上，A与B相差180度，因此将A与B之间以180格进行分割，声源C距离A点30度位置，因此以中线l为弦，距离A点三十格的一段弧上，其余定位角度以相同方式进行定位。

见图5所示，声源入射的水平角度为α的弧，与声源入射的垂直角度为β的弧相交的点，即声源入射角度在鱼眼镜头上投影的点。这些点的集合通过计算机计算生成云图，能直观展示声源的位置和声场的情况。本实施方式中是以说平面和竖直面为例进行说明，而实际上，将任意两个不重合的平面上的入射角相结合后，就能够将入射角度位置在鱼眼镜头的照片上进行定位。

因此，参见图6，本实施方式基于鱼眼镜头的成像原理，提供一种采用鱼眼镜头的声源定位方法，结合鱼眼镜头，通过声波的入射直线或入射角实现对声源的定位。其主要包括如下步骤：

步骤a.求得声波的入射角或入射直线；

步骤b.结合鱼眼镜头，通过声波的入射角或入射直线实现对声源的定位。

其中，入射角和入射直线在实质上其实是相同的，因为当入射角确定时，入射直线也就确定了；而得到了一条确定的入射直线时，自然可以通过入射直线获得入射角。而声源角度入射的测量可以通过数个或者数十个麦克风对完成，通过增加麦克风的采样点数，能够使用互相关函数计算得出的声源到达一对麦克风之间的时间差更为准确。以下通过几个具体的实施例对本技术方案进行进一步的说明。

实施例1

本实施例首先提供一种数据库扫描法，其比较适用于麦克风数量较多的阵列包括球型阵列中，主要思路是事先计算出所有相关空间位置到达阵列每对麦克风的声源距离差并建立数据库，如果扫描数据库，发现数个声源距离差和数据库内的值相符合，就能够对当前的入射角度进行确定。并且，由于本实施例中采用的方法是通过计算声波的入射方向来进行定位，如此则用到了鱼眼镜头，鱼眼镜头的优势在于能够上下左右进行180度进行定位。而当确定声源到达两个麦克风的声源距离差是一个确定的值时，则该声源的所有可能位置都处于一条直线上，这条直线则可以对其进行定向。

因此，在本实施例中，所述的步骤a是指尽可能多地求得声源在不同的位置时的入射直线或入射角，并建立声波的入射角和声源与鱼眼镜头之间的距离，与声源距离差之间的对应关系。其可以通过如下步骤实现，首先设置一个鱼眼镜头和至少两个麦克风，以两个麦克风构成一对麦克风组，且任意两对麦克风组包含的两个麦克风不完全相同，鱼眼镜头和所有麦克风设置后其相对位置坐标则固定不再变动，并记录下鱼眼镜头和所有麦克风的固定坐标值，该数据库的数据均是基于该麦克风和鱼眼镜头的坐标值而标定的，后续使用该数据库时鱼眼镜头和麦克风之间的相对数据位置均需与该记录的固定坐标值相同。而后计算不同的声波的入射角和声源与鱼眼镜头之间的距离所对应的每对麦克风组的声源距离差，所述的声源距离差是指声源与每对麦克风组中每个麦克风之间的距离的差的绝对值。

具体而言，首先需要对当前所定义的麦克风阵列进行相关位置的声源距离差计算以建立相关数据库，麦克风阵列由若干麦克风构成，阵列形状自由定义，可以是平面可以是立体，当需要观测的范围较窄时可以采用平面，当需要观测范围较广面积较大则可以采用立体（比如球型阵列）。但是所有麦克风在空间中的坐标位置都是固定的，鱼眼镜头的位置在空间坐标的位置也都是固定的。以水平面为例，设坐标原点为鱼眼镜头的位置，逐个计算声波的入射角从0度到180度时的扫描位置，例如，首先计算当入射角为0度时，声源与鱼眼镜头之间的距离为r时，所有的麦克风族的声源距离差，然后计算距离为2r、3r…直到边界点位置时所有麦克风族的声源距离差；而后依次计算当入射角为0+na（a为角度增量，n为正数）时，分别距离鱼眼镜头r，2r，3r…等等直到边界点时所有麦克风族的距离差，从而将整个半面扫描完毕。而后在竖直平面内同样进行操作，从而得到在不同的声波的入射角及声源与鱼眼镜头之间的距离时，所对应的麦克风组的声源距离差，并获得一个完整的数据库，在这个数据库中存在着空间范围内所有点的麦克风组的声源距离差信息。有了这些详细数据，就能够在测试过程中进行对比，比如，当声源入射角度在56度，距离中心位置为3r时，这时在数据库中就有相应的数据进行匹配，如果没有找到相关数据，则声源并非从此方向入射进麦克风，很可能是从鱼眼镜头的背后射入。

此外，在计算每对麦克风对的距离差时，还可以先对原始信号进行FIR滤波，然后再对信号进行两次求导，如此一来，两组信号的所有细节都会进行同等权重的比较，使得信号的相关性更为稳定，提高其鲁棒性。

而所述的步骤b则是指通过所述的对应关系实现对声源的定位，并通过鱼眼镜头进行成像显示，具体包括：通过测得的麦克风组的声源距离差，得到麦克风组的声源距离差所对应的声波的入射角及声源与鱼眼镜头之间的距离，并在鱼眼镜头的成像画面中显示对声源的定位位置。

在此种方式下，通过数据库扫描法，根据麦克风组的声源距离差即可得到其相对应的声波的入射角及声源与鱼眼镜头之间的距离，而通过声波的入射角及声源与鱼眼镜头之间的距离，即能根据鱼眼镜头对声源进行定位。而所设置的麦克风越多，则更易于通过数理统计的方法对数据进行处理如去除异常数据等并得到一个较为精确的结果，从而使最后的定位更加精确。

实施例2

本实施例提供了本技术方案的另一种实现方式，为直接计算的方法，其不需要事前设置数据库并对相关数据进行标定，用在数量较少的麦克风上非常经济，当麦克风数量只有几个（至少3个）时，就能通过此方法对单个声源进行定位。

在本实施例中，所述的步骤a是指获得声波的入射直线或者说入射角。具体而言，即是设置至少三个麦克风，以其中任意两个麦克风构成一对麦克风组，且任意两对麦克风组包含的两个麦克风不完全相同，计算至少两对麦克风组的声源距离差，并通过任意一对麦克风组的声源距离差求得声波相对于所述的麦克风组的声波入射面，任意两对麦克风组的声波入射面的交线即为一条声波入射直线，从而就获得了至少一条声波的入射直线。其中，所述的声源距离差是指声源与每对麦克风组中的两个麦克风之间的距离的差的绝对值。

对于同一平面内的两个麦克风，通过两个麦克风之间的声源距离差即能求得声源在所述的平面内的入射直线，声源到达数个麦克风之间的声源距离差是可以通过信号的互相关函数进行计算分析并获得的。并且，在计算两个麦克风之间的声源距离差时，需要先对原始信号进行FIR滤波，然后再对信号进行两次求导，如此一来，两组信号的所有细节都会进行同等权重的比较，使得信号的相关性更为稳定，提高其鲁棒性。

此时，所述的步骤b则具体包括通过至少一条声波的入射直线，求得所述的声波的入射直线在任意的两个平面上相对于鱼眼镜头的入射角，鱼眼镜头成像的原理前述已经提及，因此当求得了声波在任意的两个平面上相对于鱼眼镜头的入射角时，即能在鱼眼镜头的成像画面中确定声源的定位位置，并进而在成像画面中显示对声源的定位位置。而所述的入射直线在任意的两个不相平行且重合的平面上相对于鱼眼镜头的入射角，即是指获得该入射直线在任意的两个不相平行且重合的平面上的投影，从而将立体空间内的入射直线，转化为两个平面内的入射直线，并得到两个平面内的入射角。优选地，这两个平面可以选择为竖直面和水平面，或者其他的任意两个相互垂直的平面。

当然，由于在鱼眼镜头成像画面的定位中，最少只需要两个平面上的入射直线即可实现定位，那么在前述的步骤a中，其实也可以只求得至少两个不相平行且重合的声波入射面即可，通过声波入射面在与声波入射面相垂直的平面上的投影，即可获得在两个平面上的入射直线和入射角，并进而实现在鱼眼镜头的成像画面中的声源定位。

例如，我们以水平方向和竖直方向的两个平面为例进行说明，假设通过测量和相关信号的计算得出声源到达麦克风1和麦克风2的距离差为d，且麦克风1距离声源较近，我们假定鱼眼镜头的坐标位置为（0，0），首先对水平方向角度进行计算（竖直方向角度计算采用相同方法），以r1为半径、麦克风1为圆心画弧，以r2=r1+d为半径、麦克风2为圆心画弧，此两个弧线的交点即为声源在当前平面内的入射直线上的一点A，再以r11（r11>r1）为半径、麦克风1为圆心画弧，并以r22（r22=r11+d）为半径、麦克风2为圆心画弧，两个弧线的交点B即为声源在当前平面内的入射直线上的一点B，A、B两点的连线所在的直线即为声源在当前平面内的入射直线，而与当前平面相垂直且经过该入射直线的面即为声源的一个入射面，在获得入射直线后也自然就能获得入射角。这种方法计算速度较快，需要的麦克风数量少，因此对计算机要求不高，大大降低了声学照相机的入门门槛。

实施例3

本实施例是基于实施例2的改进，因此大部分内容均与实施例2相同，其区别仅在于本实施例设置有至少四个麦克风，通过至少四个麦克风，可以至少获得两条声波的入射直线，任意两条声波的入射直线的最接近处或者交点就是声源的位置，由此可以得到声源距离鱼眼相机的远近。通过实施例2的示例能够获得声源在鱼眼相机的成像画面中的位置，即成像画面中的一个点，而由于成像画面中的一个点实质上代表着三维空间中的一条线，因此，通过本实施例的方法，设置至少四个麦克风，在得到声源位于成像图片中的位置的同时还能得到声源距离鱼眼相机的远近，从而能根据声源距离鱼眼相机的距离在鱼眼镜头的成像画面中通过不同大小的标识显示对声源的定位位置，从而能更准确地实现对声源的定位。

实施例4

对于用于本发明的声源定位方法的设备，其主要包括麦克风阵列、鱼眼镜头、处理器和显示设备，其中，麦克风阵列用于采集声源的声波信号，并将相关数据传输给处理器，通过处理器的进行本发明方法的定位处理，而显示设备则用于呈现鱼眼镜头所采集到的画面，并根据处理器的处理结果在显示出的鱼眼镜头的成像画面中标识出声源定位的结构。

其中，麦克风阵列由若干麦克风构成，阵列形状自由定义，可以是平面可以是立体，当需要观测的范围较窄时可以采用平面，当需要观测范围较广面积较大则可以采用立体（比如球型阵列）。但是所有麦克风在空间中的坐标位置都是固定的，鱼眼镜头的位置在空间坐标的位置也都是固定的。区别在于采用实施例1的方法时最少需要设置两个麦克风，采用实施例2的方法时最少需要设置3个麦克风，而采用实施例3的方法时则最少需要设置4个麦克风。本实施例即提供了一种包括四个麦克风的装置，参见图7，其包括设备本体和显示设备，设备本体上表面设有中部固定设有鱼眼镜头，设备本体的四角固定设置有四个麦克风，鱼眼镜头和四个麦克风通过线路与设备本体内设有的处理器及电源灯部件电连接，且处理器和显示设备之间通过有线或无线的方式信号相连。使用时处理器鱼眼镜头为原点建立坐标系，并通过本实施方式所提供的各种定位方法实现声源定位并通过显示设备进行显示。

Claims (10)

1.一种采用鱼眼镜头的声源定位方法，其特征在于所述的方法结合鱼眼镜头，通过声波的入射直线或入射角实现对声源的定位。

2.如权利要求1所述的一种采用鱼眼镜头的声源定位方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤a.建立声波的入射角和声源与鱼眼镜头之间的距离，与声源距离差之间的对应关系，具体包括：

设置一个鱼眼镜头和至少两个麦克风，以两个麦克风构成一对麦克风组，且任意两对麦克风组包含的两个麦克风不完全相同，计算不同的声波的入射角和声源与鱼眼镜头之间的距离所对应的每对麦克风组的声源距离差，所述的声源距离差是指声源与每对麦克风组中每个麦克风之间的距离的差的绝对值；

步骤b.通过所述的对应关系实现对声源的定位，并通过鱼眼镜头进行成像显示，具体包括：

通过测得的麦克风组的声源距离差，得到麦克风组的声源距离差所对应的声波的入射角及声源与鱼眼镜头之间的距离，并在鱼眼镜头的成像画面中显示对声源的定位位置。

3.如权利要求1所述的一种采用鱼眼镜头的声源定位方法，其特征在于所述的方法具体包括：设置至少三个麦克风，从而获得至少一条声波的入射直线或者至少两个不相平行且重合的声波入射面。

4.如权利要求3所述的一种采用鱼眼镜头的声源定位方法，其特征在于以两个麦克风构成一对麦克风组，且任意两对麦克风组包含的两个麦克风不完全相同，计算至少两对麦克风组的声源距离差，并通过任意一对麦克风组的声源距离差求得声波相对于所述的麦克风组的声波入射面，任意两对麦克风组的声波入射面的交线即为一条声波入射直线，所述的声源距离差是指声源与每对麦克风组中的两个麦克风之间的距离的差的绝对值。

5.如权利要求3或4所述的一种采用鱼眼镜头的声源定位方法，其特征在于通过至少一条声波的入射直线，求得所述的声波的入射直线在任意的两个不相平行且重合的平面上相对于鱼眼镜头的入射角，或者通过至少两个声波的入射面，求得声波在两个不相平行且重合的平面上相对于鱼眼镜头的入射角，从而在鱼眼镜头的成像画面中显示对声源的定位位置。

6.如权利要求1所述的一种采用鱼眼镜头的声源定位方法，其特征在于设置至少四个麦克风，从而获得至少两条声波的入射直线，任意两条声波的入射直线的交点即为声源所在的位置，从而能在鱼眼镜头的成像画面中显示对声源的定位位置。

7.如权利要求6所述的一种采用鱼眼镜头的声源定位方法，其特征在于通过至少一条声波的入射直线，得到所述的声波的入射直线在任意的两个平面上相对于鱼眼镜头的入射角，从而得到声源在鱼眼镜头的成像画面中的位置；

通过至少两条声波的入射直线所得到的声源所在的位置，求得声源距离鱼眼相机的距离，从而能根据声源距离鱼眼相机的距离在鱼眼镜头的成像画面中通过不同大小的标识显示对声源的定位位置。

8.如权利要求2或4所述的一种采用鱼眼镜头的声源定位方法，其特征在于在计算声源距离差前，先对原始信号进行FIR滤波，然后再对信号进行两次求导。

9.一种用于如权利要求2所述的采用鱼眼镜头的声源定位方法的设备，其特征在于包括固定设置的一个用于获取成像画面的鱼眼镜头、固定设置的至少两个用于采集声波数据的麦克风组、用于进行声源定位处理的处理器和用于显示声源定位结构的显示设备。

10.一种用于如权利要求3所述的采用鱼眼镜头的声源定位方法的设备，其特征在于包括固定设置的一个用于获取成像画面的鱼眼镜头、固定设置的至少三个用于采集声波数据的麦克风组、用于进行声源定位处理的处理器和用于显示声源定位结构的显示设备。