CN112261361A - 一种麦克风阵列与球机联动的异常声源监控方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种麦克风阵列与球机联动的异常声源监控方法和系统，方法包括：建立麦克风阵列的世界坐标系；采集音频信号并得到声源方位，麦克风阵列板获取到异常声音频数据后，经过算法降噪后，根据水平方位角、俯仰角和距离可以计算得到声源相对麦克风阵列的位置，将声源转换到世界坐标系下；计算球机联动需要转动的水平旋转角和俯仰角；调用相机SDK转动球机到相应位置，球机水平旋转、俯仰旋转后，声源即处于视频画面中央。本发明通过改进麦克风阵列与球机联动技术，大大降低了部署时的工作量，由以前需要大量采集数据去拟合，变成仅需采集3个参考点的坐标及阵列与相机的相对位置即可，工作量减少的同时，还提高了联动精度。

Description

一种麦克风阵列与球机联动的异常声源监控方法和系统
技术领域
本发明涉及智能监控技术领域，尤其涉及一种麦克风阵列与球机联动的异常声源监控方法和系统。
背景技术
在学校、地铁站、监狱等场景下，突发事件通常伴随着异常声出现，而单纯依靠麦克风阵列或摄像头，难以做到事件准确定位、及时告警、证据保存。麦克风阵列通过采集音频信号后经过音频算法处理后，可以对异常声分类，并准确定位出声源位置，摄像头再根据定位出的声源位置进行联动，向相关部门发出告警并保存证据。
现有的麦克风阵列与摄像机联动技术大多采用相机预置点的方案，将麦克风阵列安装到现场后，在阵列周围选择不同地点用音箱等播放设备发出音频，转动摄像机到音箱位于视频画面正中时设置预置点，记录预置点位置和音频信号，采集20组左右的数据后可以进行数据拟合，当异常声再发生时就可由拟合得到的函数关系计算出转动的预置点位置，从而实现麦克风阵列与摄像机的联动。
麦克风阵列可以对20m-50m范围内的水平平面进行检测，按照传统联动方案，需要在20m-50m区域内采集多组数据并设置大量预置点，实施过程中严重浪费人力物力；另一方面根据数据拟合得到的函数关系式存在误差，包括测量误差、系统误差等，导致最终根据音频联动的摄像机定位不准确，在实际应用中效果不佳。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种麦克风阵列与球机联动的异常声源监控方法和系统，解决麦克风阵列引导球机联动时流程复杂、定位不准确的问题，采用音频定位结合摄像机自标定技术，实现麦克风阵列的精确联动。
为实现上述目的，本发明提供了一种麦克风阵列与球机联动的异常声源监控方法，包括以下步骤：
步骤1、建立麦克风阵列的世界坐标系，测量麦克风阵列与球机在空间中的相对位置，其中以球机CMOS的正下方与地面交点为原点建立世界坐标系，正北方向为x轴，正东方向为y轴，垂直地面正上方为z轴，进而计算得到麦克风阵列在该世界坐标系下的坐标；
步骤2、采集音频信号并得到声源方位，麦克风阵列板获取到异常声音频数据后，经过算法降噪后，得到声源在麦克风阵列板的水平方位角、俯仰角以及距离，根据水平方位角、俯仰角和距离可以计算得到声源相对麦克风阵列的位置，将声源转换到世界坐标系下，声源坐标系为（x1, y1, z1）；
步骤3、计算球机联动需要转动的水平旋转角和俯仰角，包括：
计算相机联动需要转动的旋转角和俯仰角，对球机设置一个预置点，通过SDK获取相机在该预置点处的P、T、Z的值P_0、T_0、Z_0；
标定相机在所述预置点处的位置姿态，包括镜头距离地面的垂直高度h、镜头与正北方向夹角beta、镜头俯仰角theta；
结合步骤2得出的声源坐标系为（x1, y1, z1），计算球机需要转动的水平偏转角P_t、垂直偏转角T_t，具体为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure 157030DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤4、调用相机SDK转动球机到相应位置，球机水平旋转P_t度，俯仰旋转T_t度后，声源即处于视频画面中央。
进一步的，所述标定相机在所述预置点处的位置姿态具体方法为：在视频画面中选择3个参考点，分别测量得到参考点相对于相机的位置，并建立世界坐标系，计算出3个参考点在世界坐标系下的坐标，利用相机成像原理将3个参考点世界坐标转换到像素坐标下，显示在画面中，当显示位置与物体实际位置重合时即完成相机标定，得到了相机预置点处的姿态，即高度h、正北夹角beta与俯仰角theta。
进一步的，还包括测量球机焦距，具体为，该过程可以通过视场角与焦距关系间接得到，具体关系为如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
Figure 265800DEST_PATH_IMAGE004
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 549276DEST_PATH_IMAGE006
分别是水平视场角和垂直视场角，W和H分别是CMOS的长度和宽度，f为焦距，W和H可以通过查摄像机参数得到，
Figure 186931DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 523234DEST_PATH_IMAGE006
也可以通过转动球机后相机光轴是否与目标重合来确定，从而得出焦距。
进一步的，所述球机基座保证水平。
一种麦克风阵列与球机联动的异常声源监控系统，包括声源定位模块、相机标定模块、相机控制模块，其中：
声源定位模块，用于采集音频信号并得到声源方位，具体为：麦克风阵列板获取到异常声音频数据后，经过算法降噪后，输入声源定位模块，得到声源在麦克风阵列板的水平方位角、俯仰角以及距离，根据水平方位角、俯仰角和距离可以计算得到声源相对麦克风阵列的位置，再结合麦克风阵列在世界坐标系下的坐标，将声源转换到世界坐标系下，声源坐标系为（x1, y1, z1）；
相机标定模块，计算球机联动需要转动的水平旋转角和俯仰角，包括：
计算相机联动需要转动的旋转角和俯仰角，对球机设置一个预置点，通过SDK获取相机在该预置点处的P、T、Z的值P_0、T_0、Z_0；
标定相机在所述预置点处的位置姿态，包括镜头距离地面的垂直高度h、镜头与正北方向夹角beta、镜头俯仰角theta；
结合步骤2得出的声源坐标系为（x1, y1, z1），计算球机需要转动的水平偏转角P_t、垂直偏转角T_t，具体为：
Figure 904537DEST_PATH_IMAGE001
Figure 275475DEST_PATH_IMAGE002
；
相机控制模块，用于调用相机SDK转动球机到相应位置，球机水平旋转P_t度，俯仰旋转T_t度后，声源即处于视频画面中央。
进一步的，所述相机标定模块标定相机在所述预置点处的位置姿态具体方法为：在视频画面中选择3个参考点，分别测量得到参考点相对于相机的位置，并建立世界坐标系，计算出3个参考点在世界坐标系下的坐标，利用相机成像原理将3个参考点世界坐标转换到像素坐标下，显示在画面中，当显示位置与物体实际位置重合时即完成相机标定，得到了相机预置点处的姿态，即高度h、正北夹角beta与俯仰角theta。
本发明的有益效果是：
本发明通过改进麦克风阵列与球机联动技术，大大降低了部署时的工作量，由以前需要大量采集数据去拟合，变成仅需采集3个参考点的坐标及阵列与相机的相对位置即可，工作量减少的同时，还提高了联动精度。原先由于拟合、测量带来的误差，经改进后通过声学定位算法精确定位声源位置、相机标定模块准确计算需要的水平偏转和俯仰角后，能够精准地控制球机转动到相应位置，使得联动后相机光轴中心与声源重合。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的麦克风阵列引导球机联动系统原理框图。
图2是本发明所述的世界坐标系示意图。
图3是本发明的麦克风阵列引导球机联动系统布置示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种麦克风阵列与球机联动的异常声源监控方法，包括以下步骤：
步骤1、建立麦克风阵列的世界坐标系，测量麦克风阵列与球机在空间中的相对位置，其中以球机CMOS的正下方与地面交点为原点建立世界坐标系，正北方向为x轴，正东方向为y轴，垂直地面正上方为z轴，进而计算得到麦克风阵列在该世界坐标系下的坐标；如图3所示，球机CMOS的正下方与地面交点为原点建立世界坐标系计为（0,0,0），麦克风阵列在球机上方距离为L，球机CMOS的正下方与地面距离为h，则球机在空间中的坐标为（0,0,h），则麦克风阵列在空间中的坐标为（0,0,h+L）。
步骤2、采集音频信号并得到声源方位，麦克风阵列板获取到异常声音频数据后，经过算法降噪后，得到声源在麦克风阵列板的水平方位角、俯仰角以及距离，根据水平方位角、俯仰角和距离可以计算得到声源相对麦克风阵列的位置，将声源转换到世界坐标系下，声源坐标系为（x1, y1, z1）；这一点很好理解，因为步骤1已经计算出了麦克风阵列在空间中的坐标为（0,0,h+L），这里又计算出声源相对麦克风阵列的位置，因此可以得出声源坐标系为（x1, y1, z1）。
步骤3、计算球机联动需要转动的水平旋转角和俯仰角，包括：
计算相机联动需要转动的旋转角和俯仰角，对球机设置一个预置点，通过SDK获取相机在该预置点处的P、T、Z的值P_0、T_0、Z_0，需要将进制转换为角度；
标定相机在预置点处的位置姿态，包括镜头距离地面的垂直高度h、镜头与正北方向夹角beta、镜头俯仰角theta；
结合步骤2得出的声源坐标系为（x1, y1, z1），计算球机需要转动的水平偏转角P_t、垂直偏转角T_t，具体为：
Figure 21715DEST_PATH_IMAGE001
Figure 158165DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤4、调用相机SDK转动球机到相应位置，球机水平旋转P_t度，俯仰旋转T_t度后，声源即处于视频画面中央。需要注意P_t的值应大于0且小于360，T_t的值应大于0小于90，相较于利用预置点进行联动，使用P、T、Z来控制球机使定位更加准确。
本实施例中，标定相机在预置点处的位置姿态具体方法为：在视频画面中选择3个参考点，分别测量得到参考点相对于相机的位置，并建立世界坐标系，计算出3个参考点在世界坐标系下的坐标，利用相机成像原理将3个参考点世界坐标转换到像素坐标下，显示在画面中，当显示位置与物体实际位置重合时即完成相机标定，得到了相机预置点处的姿态，即高度h、正北夹角beta与俯仰角theta。根据相机成像原理，标定出球机的外参，包括旋转角（与正北夹角）beta、俯仰角theta、倾斜角alpha，具体示意图如图2所示。相机坐标系是由世界坐标系向上平移h后得到的，参考点世界坐标转相机坐标、相机坐标系转图像物理坐标系、图像物理坐标系转像素坐标系的转换，就可以映射在视频画面中，根据映射位置来调整旋转角、俯仰角和倾斜角，当参考点和映射位置一致时，即说明beta、theta和alpha调整到正确的值。
本实施例中，还包括测量球机焦距，具体为，该过程可以通过视场角与焦距关系间接得到，具体关系为如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
Figure 812000DEST_PATH_IMAGE004
其中
Figure 834183DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 751323DEST_PATH_IMAGE006
分别是水平视场角和垂直视场角，W和H分别是CMOS的长度和宽度，f为焦距，W和H可以通过查摄像机参数得到，
Figure 327798DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 552368DEST_PATH_IMAGE006
也可以通过转动球机后相机光轴是否与目标重合来确定，从而得出焦距。
本实施例中，球机基座保证水平，有利于减少水平转动带来的误差，以实现球机得到精确控制。
本发明还提供一种麦克风阵列与球机联动的异常声源监控系统，包括声源定位模块、相机标定模块、相机控制模块，其中：
声源定位模块，用于采集音频信号并得到声源方位，具体为：麦克风阵列板获取到异常声音频数据后，经过算法降噪后，输入声源定位模块，得到声源在麦克风阵列板的水平方位角、俯仰角以及距离，根据水平方位角、俯仰角和距离可以计算得到声源相对麦克风阵列的位置，再结合麦克风阵列在世界坐标系下的坐标，将声源转换到世界坐标系下，声源坐标系为（x1, y1, z1）；
相机标定模块，计算球机联动需要转动的水平旋转角和俯仰角，包括：
计算相机联动需要转动的旋转角和俯仰角，对球机设置一个预置点，通过SDK获取相机在该预置点处的P、T、Z的值P_0、T_0、Z_0；
标定相机在预置点处的位置姿态，包括镜头距离地面的垂直高度h、镜头与正北方向夹角beta、镜头俯仰角theta；此过程需要的相机焦距、CMOS尺寸可以通过查阅相机出厂参数以及自标定获得；
结合步骤2得出的声源坐标系为（x1, y1, z1），计算球机需要转动的水平偏转角P_t、垂直偏转角T_t，具体为：
Figure 366741DEST_PATH_IMAGE001
Figure 782678DEST_PATH_IMAGE002
；
相机控制模块，用于调用相机SDK转动球机到相应位置，球机水平旋转P_t度，俯仰旋转T_t度后，声源即处于视频画面中央。需要注意P_t的值应大于0且小于360，T_t的值应大于0小于90，相较于利用预置点进行联动，使用P、T、Z来控制球机使定位更加准确。
本实施例中，相机标定模块标定相机在预置点处的位置姿态具体方法为：在视频画面中选择3个参考点，分别测量得到参考点相对于相机的位置，并建立世界坐标系，计算出3个参考点在世界坐标系下的坐标，利用相机成像原理将3个参考点世界坐标转换到像素坐标下，显示在画面中，当显示位置与物体实际位置重合时即完成相机标定，得到了相机预置点处的姿态，即高度h、正北夹角beta与俯仰角theta。
综上所述，本发明通过改进麦克风阵列与球机联动技术，大大降低了部署时的工作量，由以前需要大量采集数据去拟合，变成仅需采集3个参考点的坐标及阵列与相机的相对位置即可，工作量减少的同时，还提高了联动精度。原先由于拟合、测量带来的误差，经改进后通过声学定位算法精确定位声源位置、相机标定模块准确计算需要的水平偏转和俯仰角后，能够精准地控制球机转动到相应位置，使得联动后相机光轴中心与声源重合。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种麦克风阵列与球机联动的异常声源监控方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、建立麦克风阵列的世界坐标系，测量麦克风阵列与球机在空间中的相对位置，其中以球机CMOS的正下方与地面交点为原点建立世界坐标系，正北方向为x轴，正东方向为y轴，垂直地面正上方为z轴，进而计算得到麦克风阵列在该世界坐标系下的坐标；
步骤2、采集音频信号并得到声源方位，麦克风阵列板获取到异常声音频数据后，经过算法降噪后，得到声源在麦克风阵列板的水平方位角、俯仰角以及距离，根据水平方位角、俯仰角和距离可以计算得到声源相对麦克风阵列的位置，将声源转换到世界坐标系下，声源坐标系为（x1, y1, z1）；
步骤3、计算球机联动需要转动的水平旋转角和俯仰角，包括：
计算相机联动需要转动的旋转角和俯仰角，对球机设置一个预置点，通过SDK获取相机在该预置点处的P、T、Z的值P_0、T_0、Z_0；
标定相机在所述预置点处的位置姿态，包括镜头距离地面的垂直高度h、镜头与正北方向夹角beta、镜头俯仰角theta；
结合步骤2得出的声源坐标系为（x1, y1, z1），计算球机需要转动的水平偏转角P_t、垂直偏转角T_t，具体为：
Figure 608692DEST_PATH_IMAGE001
Figure 936905DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤4、调用相机SDK转动球机到相应位置，球机水平旋转P_t度，俯仰旋转T_t度后，声源即处于视频画面中央。
2.如权利要求1所述的一种麦克风阵列与球机联动的异常声源监控方法，其特征在于，所述标定相机在所述预置点处的位置姿态具体方法为：在视频画面中选择3个参考点，分别测量得到参考点相对于相机的位置，并建立世界坐标系，计算出3个参考点在世界坐标系下的坐标，利用相机成像原理将3个参考点世界坐标转换到像素坐标下，显示在画面中，当显示位置与物体实际位置重合时即完成相机标定，得到了相机预置点处的姿态，即高度h、正北夹角beta与俯仰角theta。
3.如权利要求1所述的一种麦克风阵列与球机联动的异常声源监控方法，其特征在于，还包括测量球机焦距，具体为，该过程可以通过视场角与焦距关系间接得到，具体关系为如下：
Figure 811320DEST_PATH_IMAGE003
Figure 805385DEST_PATH_IMAGE004
其中
Figure 347224DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 580760DEST_PATH_IMAGE006
分别是水平视场角和垂直视场角，W和H分别是CMOS的长度和宽度，f为焦距，W和H可以通过查摄像机参数得到，
Figure 208050DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 450813DEST_PATH_IMAGE006
也可以通过转动球机后相机光轴是否与目标重合来确定，从而得出焦距。
4.如权利要求1所述的一种麦克风阵列与球机联动的异常声源监控方法，其特征在于：所述球机基座保证水平。
5.一种麦克风阵列与球机联动的异常声源监控系统，其特征在于，包括声源定位模块、相机标定模块、相机控制模块，其中：
声源定位模块，用于采集音频信号并得到声源方位，具体为：麦克风阵列板获取到异常声音频数据后，经过算法降噪后，输入声源定位模块，得到声源在麦克风阵列板的水平方位角、俯仰角以及距离，根据水平方位角、俯仰角和距离可以计算得到声源相对麦克风阵列的位置，再结合麦克风阵列在世界坐标系下的坐标，将声源转换到世界坐标系下，声源坐标系为（x1, y1, z1）；
相机标定模块，计算球机联动需要转动的水平旋转角和俯仰角，包括：
计算相机联动需要转动的旋转角和俯仰角，对球机设置一个预置点，通过SDK获取相机在该预置点处的P、T、Z的值P_0、T_0、Z_0；
标定相机在所述预置点处的位置姿态，包括镜头距离地面的垂直高度h、镜头与正北方向夹角beta、镜头俯仰角theta；
结合步骤2得出的声源坐标系为（x1, y1, z1），计算球机需要转动的水平偏转角P_t、垂直偏转角T_t，具体为：
Figure 643897DEST_PATH_IMAGE001
Figure 313912DEST_PATH_IMAGE002
；
相机控制模块，用于调用相机SDK转动球机到相应位置，球机水平旋转P_t度，俯仰旋转T_t度后，声源即处于视频画面中央。
6.如权利要求5所述的一种麦克风阵列与球机联动的异常声源监控系统，其特征在于：所述相机标定模块标定相机在所述预置点处的位置姿态具体方法为：在视频画面中选择3个参考点，分别测量得到参考点相对于相机的位置，并建立世界坐标系，计算出3个参考点在世界坐标系下的坐标，利用相机成像原理将3个参考点世界坐标转换到像素坐标下，显示在画面中，当显示位置与物体实际位置重合时即完成相机标定，得到了相机预置点处的姿态，即高度h、正北夹角beta与俯仰角theta。
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