CN111239688B - 一种基于校准源的分布式多麦克风阵列的映射校准方法 - Google Patents

一种基于校准源的分布式多麦克风阵列的映射校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于校准源的分布式多麦克风阵列的映射校准方法，所述方法对于每个校准声源，在获取映射点的粗定位坐标后，以该点为中心构造8个候选的精细定位坐标，再依声学能量最大原则更新映射点坐标，然后通过迭代计算直至分辨精度满足预定要求。所述方法可用于分布式多麦克风阵列的高精度快速校准。

Description

一种基于校准源的分布式多麦克风阵列的映射校准方法
技术领域
本发明属于分布式多麦克风阵列技术领域，应用于分布式多麦克风阵列的映射校准方法，具体涉及一种基于校准源的分布式多麦克风阵列的映射校准方法。
背景技术
分布式麦克风阵列在声源的定位、跟踪和分离方面有着广阔的发展前景。分布式麦克风阵列系统可以获得更大的空间覆盖范围和更高的声学稳定性，且分布式麦克风阵列系统的各个麦克风阵列单元，在同步工作时，拥有并发的计算和处理能力。专利201811257101.1公开了一种基于双麦克风阵列的声源定位方法，该方法根据时延差计算出声源的位置信。但该方法并未考虑到双麦克风阵列的数据融合问题，因此，在综合各阵列独立计算的定位时，需要相对准确的阵列间相对位置和方向数据，即阵列校准信息。
现有技术中，对于分布式麦克风阵列的校准，通常使用归一化八点算法。首先建立麦克风阵列映射模型，作用是将空间中的点映射到平面上。假设在声场中存在一个校准源S以及两个基于麦克风阵列映射模型的麦克风阵列A1和A2，假设p＝(x，y)T和q＝(x＇，y＇)T是两个图像映射平面的一对校准源映射点对，假设在两个图像映射平面中存在i对校准源映射点对，分别称为pi和qi，则所有校准源映射点对都满足以下图像映射关系：
Figure BDA0002375005290000011
将其中的矩阵F称为基本矩阵，矩阵包含了两个图像映射平面的图像映射关系，也即是两个麦克风阵列的校准信息；具体可见文献：HARTLEY R,ZISSERMAN A.Multiple viewgeometry in computer vision[M].New York:Cambridge University Press,2003:279-308.
在获取校准源映射点对的过程中，由于计算复杂度以及计算误差的限制，提出了图像映射，也即是建立有l个预置位置点的映射平面。假设在远场环境下有一个校准源S，假设麦克风阵列中有K个麦克风，由校准源S发出的音频声波的离散序列被麦克风阵列中k个麦克风mick接收采样后获得离散序列xk(n)，使用延时求和法，在第l个预置位置点Pl上叠加的音频声波离散序列为
Figure BDA0002375005290000021
在Pl方向的声学能量为
Figure BDA0002375005290000022
对每一个预置位置点计算声学能量，校准源映射点为最大值(El)max对应的预置位置点。获取校准源映射点对后，将其中的pi和qi校准源映射点对齐次化为三维空间坐标，通过归一化八点算法求解得到基本矩阵F，在得到基本矩阵后，对基本矩阵进行奇异值分解，得到旋转矩阵R和平移向量t，即得到了两个图像映射平面的校准结果。
假设空间中存在两部基于声学相机的麦克风阵列A1和A2，A1相对于A2的实际旋转矩阵为Rtrue，实际平移向量为ttrue，校准结果R与t相对于实际值存在一定误差，对应指标如下
Figure BDA0002375005290000023
εt＝arccos(tT ttrue)
其中，tr(RTRtrue)为矩阵的迹，标量εR为旋转矩阵R与Rtrue的误差，标量εt为平移向量t与ttrue之间的误差。具体可见文献：REDONDI A,TAGLIASACCHI M,ANTONACCI F,etal.Geometric calibration of distributed microphone arrays[C]//IEEEInternational Workshop on Multimedia Signal Processing.2009:1-5.
发明内容
发明目的：针对上述现有技术中，在映射点获取过程中，映射平面映射分辨率导致的分辨精度较低的问题，提出了一种基于校准源的分布式多麦克风阵列的映射校准方法；该方法可以在分布式多麦克风阵列校准计算过程中逐步提高校准精度，所述方法可用于分布式多麦克风阵列的高精度快速校准。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于校准源的分布式多麦克风阵列的映射校准方法，所述方法对于每个校准声源，在获取映射点的粗定位坐标后，以该点为中心构造8个候选的精细定位坐标，再依声学能量最大原则更新映射点坐标，然后通过迭代计算直至分辨精度满足预定要求。具体步骤包括：
S1、设置预定分辨精度U，设置映射分辨率L，计算映射平面中预置位置点的声学能量值，选择其中最大值对应的预置位置点作为粗定位点；
S2、更新映射点坐标，具体包括：
S21、以粗定位点为中心，在周围构造8个候选的精细定位点，与粗定位点合并为9个映射点；
S22、计算9个映射点的声学能量，依声源声学能量最大原则更新映射点坐标，更新映射分辨率；
S23、更新映射分辨率；
S24、参考校准源真实坐标计算映射的分辨精度μ和预定精度U，依此精度决定是否迭代更新映射点坐标。
如S1所述的设置分辨率L，该初始值为所述预置位置点与相邻预置位置点间距离。如S21所述的构造8个候选的精细定位点，指以粗定位点为中心，构造一个边长为L的正方形，取正方形的4个顶点以及4条边的中点作为候选精细定位点。
如S23所述的重新设置映射分辨率L，指迭代更新后映射分辨率为更新前的一半。
如S24所述的分辨精度和预定精度，指分辨精度μ为校准源真实点和映射点的直线距离，计算公式为μ＝|Ptrue-P0|，Ptrue指校准源真实点坐标，P0指映射点坐标，其中预定精度U预先配置。
如S24所述的迭代更新映射点坐标，指若μ≤U，结束计算；若μ＞U，重复执行S2。
声学能量定义为，指利用延时求和法计算映射面的预置位置点的信号能量。
有益效果：本发明提供的一种基于校准源的分布式多麦克风阵列的映射校准方法，与现有技术相比，具有以下优势：所述方法在获取声源的粗定位坐标后，以该点为中心构造映射平面上8个候选的精细定位点，与粗定位点构成9个点，获取精细定位点声学能量值后，依声源声学能量最大原则更新映射点坐标。计算分辨精度，若分辨精度满足预定要求，则结束所述方法；否则，重复构造候选精细定位点，更新映射点坐标并进行分辨精度判断。与现有技术相比，本发明可以迭代构造精细点，逐步提高分辨精度，所述方法可用于分布式多麦克风阵列的高精度快速校准。
附图说明
图1是本发明实施例中候选精细映射点构造示意图。
图2是本发明实施例中映射点更新流程示意图。
图3是本发明实施例中校准源真实点位置示意图。
图4是本发明实施例中第一次构造精细点的示意图。
图5是本发明实施例中第二次构造精细点的示意图。
图6是本发明实施例中两次更新映射点后旋转矩阵误差降低值图。
图7是本发明实施例中两次更新映射点后平移向量误差降低值图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施中的附图，对本发明事实例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
在本发明实施例中，提供了一种基于校准源的分布式多麦克风阵列的映射校准方法，所述方法对于每个校准声源，在获取映射点的粗定位坐标后，以该点为中心构造8个候选的精细定位坐标，再依声学能量最大原则更新映射点坐标，然后通过迭代计算直至分辨精度满足预定要求。具体步骤包括：
S1、设置预定分辨精度U，设置映射分辨率L，计算映射平面中预置位置点的声学能量值，选择其中最大值对应的预置位置点作为粗定位点；
S2、更新映射点坐标，具体包括：
S21、以粗定位点为中心，在周围构造8个候选的精细定位点，与粗定位点合并为9个映射点；
S22、计算9个映射点的声学能量，依声源声学能量最大原则更新映射点坐标，更新映射分辨率；
S23、更新映射分辨率；
S24、参考校准源真实坐标计算映射的分辨精度μ和预定精度U，依此精度决定是否迭代更新映射点坐标。
如S1所述的设置分辨率L，该初始值为所述粗定位点与相邻粗定位点之间距离。如S21所述的构造8个候选的精细定位点，指以粗定位点为中心，构造一个边长为L的正方形，取正方形的4个顶点以及4条边的中点作为候选精细定位点。
如S23所述的重新设置映射分辨率L，指迭代更新后映射分辨率为更新前的一半。
如S24所述的分辨精度和预定精度，指分辨精度μ为校准源真实点和映射点的直线距离，计算公式为μ＝|Ptrue-P0|，Ptrue指校准源真实点坐标，P0指映射点坐标，预定精度U预先配置。
如S24所述的迭代更新映射点坐标，指若μ≤U，结束计算；若μ＞U，重复执行S2。
声学能量定义为，指利用延时求和法计算映射面的预置位置点的信号能量。
实施例
在分布式多麦克风阵列进行映射校准前，确定36×36个预置位置点坐标，然后设置映射分辨率为L。结合图1，在本实施例中，P1～P8为映射平面预置位置点，P0代表粗定位点，Q1～Q8为构造的精细定位点，且任意两个相邻的新映射点之间距离相等；特别的，L＝0.0556；根据分辨率L在P0周围构造8个候选精细定位点。
参阅图2，本发明实施例中，在分布式多麦克风阵列映射校准过程中，U表示预定分辨精度，用μ表示当前分辨精度，μ＝|Ptrue-P0|，μ>U表示当前分辨精度未达预定分辨精度，μ≤U表示当前分辨精度满足预定分辨精度。因此，可以通过设置预定分辨精度来控制构造候选精细定位点的迭代次数；映射更新过程具体为：
202表示设置预定分辨精度U，具体值根据需求确定。
204表示获取映射点粗定位坐标。计算映射平面中预定映射点的声学能量值，选择其中最大值对应的映射点作为粗定位点。
206表示在粗定位点周围构造8个候选精细定位点，根据映射分辨率L确定候选精细定位点坐标。
208表示根据精细定位点Q1～Q8以及P0的声学能量值，依声源声学能量最大原则更新映射点坐标，即P0更新为最大声学能量值对应点的坐标，更新映射分辨率。
210表示计算当前分辨精度μ，也就是μ＝|Ptrue-P0|。
若212处满足μ≤U，判断当前分辨精度满足预定分辨精度，结束计算。若不满足μ≤U，重复执行206。
在本发明的另一实施例中，基于上述对于本发明方法的描述，为了证明本方法的有效性，进行实际实验验证，以下所有数据单位为米。
特别的，20个校准声源分布在正方体的空间内，具体坐标如下
Figure BDA0002375005290000061
针对每一个校准声源做映射点更新，参阅图3，校准源真实坐标为Ptrue，坐标为(0.0834，0.6822)。设置预定分辨精度U＝0.005，P0～P8为粗定位点以及其周围的8个粗映射点，此时L＝0.0556，粗定位点P0坐标为(0.0834，0.6672)，基于粗定位坐标，在P0周围构造Q1-Q8精细定位点，坐标如下
Figure BDA0002375005290000062
比较Q1～Q8和P0的声学能量值，最大值对应的点为Q2，则更新映射点坐标，也即是P0＝(0.0834，0.695)，并更新L为0.0278，此时μ＝0.0128，可知μ＞U，判断当前分辨精度不满足预定分辨精度要求，则进行迭代构造，具体：
结合图5，P0＝(0.0834，0.695)，Ptrue＝(0.0834，0.6822)，基于映射点P0，以及L＝0.0278，再次构造精细映射点，坐标分别如下
Figure BDA0002375005290000071
比较Q1～Q8和P0的声学能量值，最大值对应的点为Q7，则更新映射点坐标，也即是，P0＝(0.0834，0.6811)，并更新L为0.0139，此时μ＝0.0011，可知μ<U，则当前分辨精度满足系统预定要求，输出映射点P0坐标。
使用20个校准声源时，第一次更新映射点坐标后，旋转矩阵误差降低0.83°，平移矩阵误差降低0.4°；第二次更新映射点坐标后，旋转矩阵误差降低0.15°，平移矩阵误差降低0.41°。
在本发明实施例中，分别部署15，20，25，30，35，40，45，50个校准声源，对分布式多麦克风阵列进行校准，针对两次更新映射点坐标后校准误差的变化，在两次映射点坐标更新后，分布式多麦克风阵列校准误差都有一定下降。结合图6，对于不同数量的校准声源，进行一次更新映射点坐标后，旋转矩阵误差和平移向量误差均有一定下降；结合图7，第二次更新映射点坐标后，带来的旋转矩阵误差和平移向量误差的下降略低于第一次更新映射点坐标后。
本发明的基于校准源的分布式多麦克风阵列的映射更新方法，在获取了粗略映射点P0坐标后，根据分辨精度构造精细点Q1～Q8，通过对比Q1～Q8和P0的声学能量值的大小，依声源声学能量最大原则更新映射点坐标，判断精度是否达到系统要求，根据是否满足选择输出结果或者进行迭代更新映射点坐标，实现分布式多麦克风阵列的高精度快速校准。与现有技术相比，本发明可以在分布式麦克风阵列校准系统计算负载较低的情况下逐步提高校准精度，可用于分布式多麦克风阵列的高精度快速校准。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于校准源的分布式多麦克风阵列的映射校准方法，其特征在于，所述方法对于每个校准声源，在获取映射点的粗定位坐标后，以该点为中心构造8个候选的精细定位坐标，再依声学能量最大原则更新映射点坐标，然后通过迭代计算直至分辨精度满足预定要求；具体步骤包括：
S1、设置预定分辨精度U，设置映射分辨率L，计算映射平面中预置位置点的声学能量值，选择其中最大值对应的点作为粗定位点；
S2、更新映射点坐标，具体包括：
S21、以粗定位点为中心，在周围构造8个候选的精细定位点，与粗定位点合并为9个映射点；
S22、计算9个映射点的声学能量，依声源声学能量最大原则更新映射点坐标；
S23、重新设置映射分辨率L；
S24、参考校准源真实坐标计算映射的分辨精度μ，对比预定精度U，依此决定是否迭代更新映射点坐标；
其中，S1所述的设置分辨率为L，该值为所述预置位置点与相邻预置位置点之间距离；
S21所述的构造8个候选的精细定位点，指以粗定位点为中心，构造一个边长为L的正方形，取正方形的4个顶点以及4条边的中点作为候选精细定位点；
S23所述的重新设置映射分辨率L，指迭代更新后映射分辨率为更新前的一半。
2.如权利要求1所述的基于校准源的分布式多麦克风阵列的映射校准方法，其特征在于，S24所述的分辨精度和预定精度，指分辨精度μ为校准源真实点和映射点的直线距离；预定精度U预先配置。
3.如权利要求1所述的基于校准源的分布式多麦克风阵列的映射校准方法，其特征在于，S24所述的迭代更新映射点坐标，指若μ≤U，结束计算；若μ＞U，重复执行步骤S2。
4.如权利要求1所述的基于校准源的分布式多麦克风阵列的映射校准方法，其特征在于，所述映射点声学能量，指利用延时求和法计算映射面的预置位置点的信号能量。
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