TW201707471A - 自動控制指向性喇叭及其燈具 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種自動控制指向性喇叭及其燈具，包含一揚聲器、一影像擷取器、一演算器、一方位控制馬達及一振幅控制單元。影像擷取器供以偵測周遭環境並形成一影像資訊，演算器電信連接影像擷取器，供以針對影像資訊進行分析判斷是否存在至少一人臉資訊，方位控制馬達連接該揚聲器，以根據人臉資訊控制揚聲器輸出聲音方位，振幅控制單元電信連接揚聲器，以依據人臉資訊控制揚聲器輸出聲音大小。且自動控制指向性喇叭係可與燈具結合以形成兼具播音與照明之LED燈具。藉此本發明係可供移動中之使用者保持於最佳聆聽狀態，以及防止於播音時影響他人，並可提升生活中使用之便利性。

Description

自動控制指向性喇叭及其燈具

本發明係關於播音裝置，尤其是一種可自動進行人臉辨識以使聲音可朝向特定人士播放，並可與燈具進行結合提升生活便利性之自動控制指向性喇叭及其燈具。

揚聲器係為目前相當廣泛及普遍被運用之裝置，其係將電流頻率轉化為聲音，供以播放各式聲音檔案，而揚聲器亦可相互結合組裝形成音箱等播放裝置。

揚聲器之音場係受限於其擺放位置，亦即使用者可清晰聆聽到來自揚聲器發出之聲音係僅限於某一範圍內。人類對於聲音之感受取決於腦部聽覺處理後之分析結果，並可對聲音之方向、遠近及大小等要素作出判斷與感受。例如，於室內欲聆聽音響或收音機時，由於揚聲器之擺放位置係為固定，因此當使用者移動時，其所聽到的聲音則會隨移動產生變化，如隨使用者遠離揚聲器，其所聽到之聲音係會受距離增大或角度偏差等因素漸趨轉小及不清晰。因此，若需供使用者獲得全方位之聲音感受，必須採用於室內各處設置多個揚聲器，或選用費用高昂具立體環繞音場效果之揚聲器等方式，然無論是設置多個揚聲器，或是少數之具環繞音場效果之揚聲器，皆須耗費大量設置成本。

又，當多人位於同一空間時，若採用揚聲器播放聲音恐會對 他人造成影響，因揚聲器之音場範圍無法被控制以僅被特定人士聆聽，故於多人空間或大眾場所等，習用之揚聲器仍無法達到僅供特定人士聆聽之功效。或為解決此種問題，可利用人為遙控方式控制揚聲器之播放方向，惟此種方式需要不斷依據聆聽對象之移動狀態而手動控制揚聲器，並且藉由控制揚聲器方向僅可達到供聆聽對象聽到聲音此一效果，並無法調整聆聽對象所聽到之聲音效果，且當聆聽對象周遭仍有他人存在時，亦會影響到他人，故此非屬優選之解決方案。

此外，除揚聲器外，燈具亦為目前不可或缺之電子裝置，自早期之白熾燈至現今被大量使用之LED燈具，無論於室內外皆可見安裝有各種類燈具以供照明。照明燈具係透過連接市電以獲得啟動電力，並可經由控制電路進一步調整照明燈具之發光狀態。揚聲器與照明燈具雖皆屬電子裝置，但一般皆係採分別設置，故對於空間之所占率亦相對提升，係降低民眾可使用之空間。

於科技發展快速的現今，使用者係更為要求生活品質，故本發明人為可進一步地提升揚聲器之使用效能與實用性，並且減縮其所占空間，同時提供使用者更為便利之設計，係構思一種自動控制指向性喇叭及其燈具，希冀可有效解決上述缺失。

本發明之一目的，旨在提供一種自動控制指向性喇叭，其係可偵測並辨識環境中是否有人存在，並自動導向至指定之人進行播音。

本發明之另一目的，旨在提供一種LED燈具，其係結合自動控制指向性喇叭，而使LED燈具同時具有自動朝指定之人播音與照明之 功效。

為達上述目的，本發明之一種自動控制指向性喇叭，包含：一揚聲器；一影像擷取器，供以即時偵測周遭環境狀態而形成至少一影像資訊；一演算器，電信連接該影像擷取器，供以針對該影像資訊判斷是否存在至少一人臉資訊；一方位控制馬達，連接該揚聲器，並根據該人臉資訊控制該揚聲器輸出聲音方位；及一振幅控制單元，電信連接該揚聲器，並根據該人臉資訊控制該揚聲器輸出聲音大小。此外，較佳者，該演算器係採用模糊演算法進行分析。

其中，該影像擷取器具有一紅外線對焦裝置或一超音波對焦裝置，且該人臉資訊包括一相對人臉距離與一相對人臉方位，該相對人臉距離與該相對人臉方位係由該紅外線對焦裝置或該超音波對焦裝置所判斷。藉此以進一步判斷人與該自動控制指向性喇叭之相對距離與方位，以利該揚聲器進行更為精準地播音動作。

此外，本發明更包含一LED輔助燈，其係鄰設於該影像擷取器側邊，以提供足夠亮度予周遭環境，使該影像資訊更為清晰。

為了提升該影像擷取器之該影像資訊涵蓋更為廣闊之視野影像內容，係使該影像擷取器具有一廣角攝像鏡頭，亦可使該影像擷取器裝設於一樞轉件上，供該影像擷取器可透過該樞轉件上下左右調整攝像角度與範圍。

此外，本發明更包含一活動式波導結構，係設置於該揚聲器之出音處，且該活動式波導結構具有一入音口、一出音口以及夾設於該入音口與該出音口之一聲音通道；其中該入音口與該出音口可分別調整相對 口徑大小，藉此係可更進一步調整該揚聲器之輸出聲音大小，以提供更佳之聆聽效果。

於另一實施例，本發明係更進一步揭示一種具有上述之該自動控制指向性喇叭之LED燈具，其特徵在於該LED燈具整體係為一球泡燈或一崁燈，且其內之該演算器亦採模糊演算法進行分析。藉此，本發明亦可結合於燈具，以使燈具於照明同時兼具播音功能，且可自動針對特定人士進行播放。

故本發明係可藉由偵測並判斷周遭環境是否有人存在，且自動調整出音予指定之人及區域，以供使用者即使於移動狀態亦可隨時具有極佳之聆聽感受，並可透過設定以僅供特定人士聆聽，同時防止聲音影響至他人。此外，本發明亦可與燈具結合而形成一LED燈具，使照明同時亦可播放聲音，依循自動偵測辨識人臉之效能，使LED燈具亦能朝向指定人士播音，提升生活上之便利性。

1‧‧‧自動控制指向性喇叭

10‧‧‧揚聲器

11‧‧‧影像擷取器

111‧‧‧紅外線對焦裝置

12‧‧‧演算器

13‧‧‧方位控制馬達

14‧‧‧振幅控制單元

15‧‧‧LED輔助燈

16‧‧‧樞接件

17‧‧‧活動式波導結構

171‧‧‧入音口

172‧‧‧出音口

173‧‧‧聲音通道

2‧‧‧聆聽者

3‧‧‧LED照明燈具

第1圖，為本發明第一實施例之方塊模組示意圖。

第2圖，為本發明第一實施例之立體示意圖。

第3圖，為本發明第一實施例之應用示意圖(一)。

第4A圖，為本發明第一實施例之應用示意圖(二)。

第4B圖，為本發明第一實施例之應用示意圖(三)。

第5圖，為本發明第一實施例另一實施態樣之立體示意圖。

第6圖，為本發明第二實施例之立體示意圖。

第7圖，為本發明第二實施例另一實施態樣之立體示意圖。

為使 貴審查委員能清楚了解本發明之內容，謹以下列說明搭配圖式，敬請參閱。

請參閱第1、2、3、4A及4B圖，其係為本發明第一實施例之方塊模組示意圖、立體示意圖及應用示意圖(一)~(三)。本發明之一種自動控制指向性喇叭1，係包含一揚聲器10、一影像擷取器11、一演算器12、一方位控制馬達13及一振幅控制單元14。

該影像擷取器11係供以即時偵測周遭環境狀態而形成至少一影像資訊，該演算器12係電信連接該影像擷取器11，以針對該影像擷取器11形成之該影像資訊判斷是否存在至少一人臉資訊。較佳者，該影像擷取器11具有一紅外線對焦裝置111或一超音波對焦裝置，以運用紅外線原理或超音波原理針對環境狀態進行感測，獲取該影像資訊。而該人臉資訊係進一步包括一相對人臉距離及一相對人臉方位，該相對人臉距離與該相對人臉方位係由該紅外線對焦裝置111或該超音波對焦裝置所判斷，於本實施例中係以該影像擷取器11具有該紅外線對焦裝置111為例說明。

該方位控制馬達13係連接該揚聲器10，並根據該人臉資訊中之該相對人臉方位控制該揚聲器10輸出聲音方位。該振幅控制單元14係電信連接該揚聲器10，並根據該人臉資訊中之該相對人臉距離控制該揚聲器10輸出聲音大小。藉此，本發明係透過該影像擷取器11先行針對該自動控制指向性喇叭1之周遭環境進行偵測，並透過該演算器12將偵測後之該影像資訊進行分析以得知是否存在該人臉資訊，當具有該人臉資訊時， 再進一步判斷得知該相對人臉方位與該相對人臉距離以使該方位控制馬達13及該振幅控制單元14操控該揚聲器10，使該揚聲器10可準確地朝向人所在之位置撥放聲音，並更因應人與該揚聲器10之距離而調整其輸出聲音大小。又為使該影像擷取器11偵測之該影像資訊涵蓋更為廣闊之視野影像內容，該影像擷取器11可具有一廣角攝像鏡頭，以對寬廣空間亦可達到精準偵測形成該影像資訊之目的。

如前述，本發明係藉由該影像擷取器11擷取之該影像資訊，經由該演算器12分析該影像資訊內是否包含該人臉資訊。人臉偵測簡言之係為於影像中透過特徵擷取等方式，以得知影像中是否有人臉存在，並可進一步標定人臉之位置及數量等資訊。人臉偵測係可區分為兩大類演算方式，其一為以特徵為基礎，其二為以學習為基礎。以特徵為基礎之方式，若進一步可細分如以下幾種，第一為利用構成典型人臉的知識條件進行編碼，並可將人臉之特徵局部化，如利用人臉圖形之幾何性質進行人臉區域標定，例如利用橢圓形作為人臉之判斷圖形依據，亦即於影像中透過邊緣偵測方式抓取屬橢圓形之區域再進一步判斷是否為人臉。第二為利用人臉特徵如人臉結構組織、膚色、人臉對稱性及人臉特徵位置的分布等特徵作為判斷依據而撰寫之演算法。第三種為板模匹配方式，亦即將輸入影像與已存有之複數人臉樣本圖樣進行比對，以計算影像與人臉樣本之關聯性進而推斷影像中是否存有人臉影像，同樣屬利用人臉特徵進行判定之方式。而以上所提及之各特徵大都不會單獨地被使用，通常會統合一個以上的方法以進行人臉偵測，如選用膚色的方式來偵測人臉，常因背景的干擾因此需要其他特徵合併判斷以提升準確率。

以學習為基礎之方式，即屬利用學習的方式，如將人臉的分布透過類神經網路擷取大量訓練影像之臉部外觀變化以進行學習並形成眾多模型，再用固定大小的範圍比對整張影像以找出人臉的位置。而此種方式較不易因為某些特徵不明顯而導致偵測失敗。

舉例說明之，假使透過膚色作為主要影像人臉偵測之判斷要件，並以人臉圖形特徵作為輔助判斷要件，其方式為針對輸入之影像利用顏色分割進行人臉膚色之色彩資訊分析，接著可透過形態學演算法加以處理並分離出可能有人臉存在之區域，最後再搭配圖像幾何形狀辨識例如利用人臉輪廓之橢圓外型結合長寬比排除可能不屬於人臉之區域，以進行人臉位置標定。上述方式係採結合數個演算法與邏輯計算以判定人臉位置，若想更進一步排除外在環境因素之影響，如影像之色彩資訊，可能會受光線顏色或影像擷取設備的色彩偏差等因素而導致整體影像資訊與理想值有所差距，係可再根據需求調整演算邏輯內容或輔作其餘處理。為了提升判讀準確度，並可再結合連通區域技術進一步於影像中分離出多個人臉區域位置。綜上所述，結合多重演算法及複數特徵即可於數位影像中分離判斷出人臉位置區域，並可因應如人臉受光線或角度影響而易產生之差距，於演算法中對於該些變異條件進行設定與排除。

如上述之各種演算法設定，其各判斷步驟皆屬準確地之結果，簡言之，此種系統係為應用傳統集合論演算法之系統，在傳統集合論中，論域中的單一元素與一個集合間的關係，不是屬於即為非屬於二種關係而已，換言之，單一元素對於一個集合的隸屬程度是二元的，非「0」即「1」。因此採用該些演算法構築之人臉辨識系統，無論是影像之分割拆解， 以及利用人臉特徵進行判斷等，其結果係屬單純之「有」、「無」、「是」及「否」等二元論。

相對於傳統集合論並可作為其延伸推廣計算之演算法係稱之為模糊演算法，其係隸屬於模糊集合論。模糊集合論係將傳統集合論的特徵函數從非「0」即「1」的二元選擇，推廣為模糊集合的歸屬函數可從0至1之間的任何值做選擇，亦即允許模糊集合中的元素，對此集合的隸屬程度可介於0到1之間，而使模糊集合中可因應條件及因子而具有無限多種的隸屬函數。因此，在基於模糊集合之演算法下，元素對集合的關係不再是二元，而是依照元素與集合類似的程度給予隸屬程度值，對於大量資訊或欲使各元素歸類至範圍屬模糊不明確之叢集計算時，模糊演算法係為一有效且快速之演算機制。而本發明之該演算器12則係採用模糊演算法針對該影像擷取器11擷取之該影像資訊進一步判定是否具有該人臉資訊。

本發明之該演算器12係可將輸入之該影像資訊進行解析形成複數個元素，並應用人類經驗法則建立各相關之模糊集合，並得到每一元素相對該些模糊集合之隸屬程度值，再結合該些隸屬程度值進而推得該影像資訊內是否具有該人臉資訊。例如，理論上之認定，人臉普遍係由一近似橢圓形之外輪廓、五官以及膚色等特徵構成，因此該演算器12接收該影像資訊後，即可透過模糊演算法解析該影像資訊中之各元素相對上述人臉特徵之隸屬程度值，進而判斷出該影像資訊中是否具有該人臉資訊。

又，根據該自動控制指向性喇叭1設置之空間環境與欲播音之條件設定差異，本發明並可藉由條件設定之差異而具有多種模式以達最佳之播音效果，一般常見之分類依據係為距離、角度方位以及人數多寡等， 以下並針對各分類依據可對應執行之模式進行說明。針對距離因素，假設該自動控制指向性喇叭1係可具有遠、中等與近之三種播音模式，使用者可自行設定需使該自動控制指向性喇叭1針對何種距離內之至少一聆聽者2進行播音。由於遠、中等或近之距離範圍定義或許無法使該自動控制指向性喇叭1在獲得該相對人臉距離後，快速判斷得知人與該影像擷取器10之距離係落於何範圍內，因此同樣可藉由模糊演算法透過經驗法則進一步導出對應之該人臉資訊係隸屬於何種距離範圍內。如圖3及4A所示，該影像擷取器11係自動偵測周遭環境並形成該影像資訊，當該演算器12解析該影像資訊後，並確認其係包括該人臉資訊，亦即該自動控制指向性喇叭1所處環境內有人存在，接著透過該紅外線對焦裝置111或該超音波對焦裝置判斷該人臉資訊中之該相對人臉距離與該相對人臉方位。若該自動控制指向性喇叭1之選取模式為針對近距離之該聆聽者2進行播音，接著透過模糊演算法判定該相對人臉距離對應遠、中等及近距離各模糊集合之隸屬程度值，進一步得知包含該相對人臉距離之該人臉資訊是否屬於較近距離之該聆聽者2，若是則可驅動該揚聲器10，使該揚聲器10可依據選取之近距離播放模式針對該聆聽者2進行播音，藉此提供該自動控制指向性喇叭1更為多元與精準地播音效果。此外，該自動控制指向性喇叭1亦可依據距離模式透過該振幅控制單元14調整該揚聲器10之輸出振幅大小。

同樣地，針對方位之切割亦可依循上述方式進行判斷，若採較簡易之區分，該方位控制馬達13係可使該揚聲器10依據該人臉資訊而朝上下左右四個方位作移動。若為較精準地區隔，則可進一步設定該方位控制馬達13係可操控該揚聲器10形成上下左右，以及左上、左下、右上及右 下等各方位之移動。而或上述對於方位角度切割之定義不甚明確，對於該方位控制馬達13而言也許無法藉由該紅外線對焦裝置111或該超音波對焦裝置判斷之該相對人臉方位內容，得知該聆聽者2屬於上述何方位中，此時同於距離判斷，亦可沿用模糊演算法進一步得知該相對人臉方位內容與上述各方位角度模糊集合之相對隸屬程度值，以利該方位控制馬達13驅動該揚聲器10調整至較佳位置進行播音。

此外，由於該自動控制指向性喇叭1之設置環境中，或許會同時偵測到多個該人臉資訊，亦即同時具有多人存在該環境，此時即可依據設定模式指定該自動控制指向性喇叭1係需朝向何人進行播音。例如，可以數量作為模式之設定，亦即可設定該自動控制指向性喇叭1係為朝向人數較多方位或人數較少方位進行播音。如圖4B所示，假設當該演算器分析後，環境內係具有多人，且呈群狀分散，其中一處人數多於另一處，此時該自動控制指向性喇叭1即可自動朝向人數較多或人數較少之方位進行播音，於圖4B中係以該自動控制指向性喇叭1朝向具有較多該等聆聽者2之區域進行播音為例說明。同時或有另種情況，即為該演算器12分析後，環境內具有多人存在，且分別相對該自動控制指向性喇叭1具有相異之該相對人臉距離，亦可結合前述之距離判斷方式進而針對特定距離之單一聆聽者2或多個聆聽者2進行播音動作。

請繼續參閱第5圖，其係為本發明較佳實施例另一實施態樣之立體示意圖。由於，該自動控制指向性喇叭1之安裝環境亮度或有可能屬較暗之狀態，為了避免該影像資訊內容亮度不足而難以分析判斷，本發明係更包括一LED輔助燈15，其係鄰設於該影像擷取器11側邊，以於上 述情況下可提供足夠光線予環境空間，使該影像擷取器11所擷取之該影像資訊具有足夠亮度與清晰度。且該影像擷取器11係可裝設於一樞轉件16上，以供該影像擷取器11可透過該樞轉件16上下左右調整攝像角度與範圍，藉此亦可達到提升該影像擷取器11之攝像廣度以使該影像資訊可具有更寬闊之影像內容。

其中，本發明並更包含一活動式波導結構17，其係設置於該揚聲器10之出音處，且該活動式波導結構17具有一入音口171、一出音口172及夾設於該入音口與該出音口之一聲音通道173，該入音口171與該出音口172可分別調整相對口徑大小。藉此，除可因應該相對人臉距離使該振幅控制單元14先行調整自該揚聲器輸出之聲音振幅，並可透過調整該入音口171與該出音口172之相對口徑大小，而可經由該活動式波導結構17進一步改變自該揚聲器10輸出之聲音振幅大小，使聆聽者具有更佳之聲音感受。

請繼續參閱第6圖，其係為本發明第二實施例之立體示意圖。承第一實施例，相同之元件及細部特徵於此即不再加以贅述。於本實施例中，係揭露一種具有前述之該自動控制指向性喇叭1之LED照明燈具2，且其特徵在於該LED照明燈具2整體係為一球泡燈。藉此，使該LED燈具2除可提供使用者照明功效外，亦可藉該影像擷取器11自動偵測該LED燈具2之周遭環境以形成該影像資訊，並進一步透過該演算器12分析以是否有該人臉資訊，亦即環境中是否有人存在，接著即可依據該人臉資訊控制該揚聲器10之輸出聲音方位與振幅大小，使特定人士可聆聽到該揚聲器10之輸出聲音，而可提升該LED燈具2之實用性。關於該自動控制指向性 喇叭1之細節描述係同於第一實施例，於此即不再贅述。

請再繼續參閱第7圖，其係為本發明第二實施例另一實施態樣之立體示意圖。於本實施態樣中，該LED燈具2係為一崁燈，以裝設於室內天花板處，透過該自動控制指向性喇叭1即可於提供室內照明同時，亦藉該自動控制指向性喇叭1藉由人臉偵測方式使該揚聲器10可自動朝向特定人士播音，提升該LED燈具2之實用性。

綜上所述，本發明之該自動控制指向性喇叭係可透過人臉偵測以判斷周遭環境中是否有人存在，並使其自動轉向人所在之區域進行播音動作，達到自動導向播音之功效。藉由該影像擷取器11偵測並擷取周遭環境以形成該影像資訊，接著並透過該演算器12進行人臉辨識分析，以獲得該人臉資訊，同時結合該紅外線對焦裝置111或該超音波對焦裝置，進一步判斷該人臉資訊中之該相對人臉距離與該相對人臉方位，以利於控制該揚聲器10之輸出聲音方向與輸出振幅大小。藉此本發明消除了習用喇叭在距離與播音效果等使用上之不便性，供使用者隨時皆可具有最佳之聆聽感受。同時，本發明亦可因應設置環境或使用者需求而可具有多種播音模式，以使該自動控制指向性喇叭1可更為精準並適於需求地進行播音動作。此外，本發明亦可與燈具結合為一體使用，使該LED燈具2於提供照明同時，亦可自動搜尋人士以對其播放聲音，而兼具聲光效果。

惟，以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明實施之範圍；故在不脫離本發明之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，皆應涵蓋於本發明之專利範圍內。

1‧‧‧自動控制指向性喇叭

10‧‧‧揚聲器

11‧‧‧影像擷取器

111‧‧‧紅外線對焦裝置

12‧‧‧演算器

13‧‧‧方位控制馬達

14‧‧‧振幅控制單元

Claims (12)

1. 一種自動控制指向性喇叭，包含：一揚聲器；一影像擷取器，供以即時偵測周遭環境狀態而形成至少一影像資訊；一演算器，電信連接該影像擷取器，供以針對該影像資訊判斷是否存在至少一人臉資訊；一方位控制馬達，連接該揚聲器，並根據該人臉資訊控制該揚聲器輸出聲音方位；及一振幅控制單元，電信連接該揚聲器，並根據該人臉資訊控制該揚聲器輸出聲音大小。
2. 如申請專利範圍第1項所述之自動控制指向性喇叭，其中，該影像擷取器具有一紅外線對焦裝置或一超音波對焦裝置。
3. 如申請專利範圍第2項所述之自動控制指向性喇叭，其中，該人臉資訊包括一相對人臉距離與一相對人臉方位；且該相對人臉距離與該相對人臉方位係由該紅外線對焦裝置或該超音波對焦裝置所判斷。
4. 如申請專利範圍第3項所述之自動控制指向性喇叭，更包含：一LED輔助燈，鄰設於該影像擷取器側邊。
5. 如申請專利範圍第3項所述之自動控制指向性喇叭，其中，該影像擷取器具有一廣角攝像鏡頭。
6. 如申請專利範圍第3項所述之自動控制指向性喇叭，其中，該影像擷取器裝設於一樞轉件上，供該影像擷取器可透過該樞轉件上下左右調整攝像角度與範圍。
7. 如申請專利範圍第3項所述之自動控制指向性喇叭，更包含：一活動式波導結構，係設置於該揚聲器之出音處，且該活動式波導結構具有一入音口、一出音口以及夾設於該入音口與該出音口之一聲音通道；其中該入音口與該出音口可分別調整相對口徑大小。
8. 如申請專利範圍第1至7項其中任一項所述之自動控制指向性喇叭，其中，該演算器係採用模糊演算法進行分析。
9. 一種具有如申請專利範圍第1至7項其中任一項所述之自動控制指向性喇叭之LED照明燈具，其特徵在於：該LED照明燈具整體係為一球泡燈。
10. 如申請專利範圍第9項所述之LED照明燈具，其中，該演算器係採用模糊演算法進行分析。
11. 一種具有如申請專利範圍第1至7項其中任一項所述之自動控制指向性喇叭之LED照明燈具，其特徵在於：該LED照明燈具整體係為一崁燈。
12. 如申請專利範圍第11項所述之LED照明燈具，其中，該演算器係採用模糊演算法進行分析。