TWI402531B - 音源辨位方法與應用此音源辨位方法之音源辨位系統和電腦程式產品 - Google Patents

Description

音源辨位方法與應用此音源辨位方法之音源辨位系統和電腦程式產品

本發明是有關於一種音源辨位方法與應用此音源辨位方法之音源辨位系統和電腦程式產品，特別是一種應用於遠場音源辨位之音源辨位方法、音源辨位系統和電腦程式產品。

隨著科技的進步與經濟的發達，人們對電子產品的功能需求也越來越多，因此許多電子產品，例如：玩具、會議設備以及機器人等，開始配備有音源辨位系統來滿足人們的需求。

習知的音源辨位系統大多應用於近場辨識。然而，隨著音源與辨位系統之間的距離變大，辨識效果就會越來越差。目前音源辨位系統的辨識距離約在1至2公尺左右，因此習知音源辨位系統的並不能滿足人們對音源辨位系統的要求。

因此，本發明之一態樣是在提供一種音源辨位方法。此音源辨位方法可增加音辨位的距離至5公尺範圍。在此音源辨位方法中，首先利用第一接收器和第二接收器來接收一聲音訊號，其中第二接收器與第一接收器之間具有第一中心點且相距一預設距離。然後，進行取樣步驟，以根據取樣頻率來對聲音訊號取樣，以獲得對應至第一接收器之第一取樣聲音訊號和對應至第二接收器之第二取樣聲音訊號，其中第一取樣聲音訊號包含複數個第一取樣聲音強度值，第二取樣聲音訊號包含複數個第二取樣聲音強度值。接著，提供基礎平移量和複數個參考平移次數。然後，進行時間平移量計算步驟，以根據基礎平移量和參考平移次數來計算第一取樣聲音訊號和第二取樣聲音訊號於時域上同相所需之時間平移量。接著，根據時間平移量和聲音訊號之速度來決定音源與第一接收器和第二接收器間之音源距離差值。然後，根據音源距離差值和預設距離來利用雙曲線原理計算音源相對於第一中心點之方位，其中雙曲線原理係如下式：

其中θ為前述之第一方位，a為前述之音源距離差值之一半，而c為前述之預設距離之一半。

本發明之另一態樣是在提供一種音源辨位系統。當此電腦程式產品經電腦載入後，電腦可執行上述之音源辨位方法。

本發明之又一態樣是在提供一種音源辨位系統。此音源辨位系統可增加音辨位的距離至5公尺範圍。此音源辨位系統包含第一接收器、第二接收器、第一取樣模组、第一平均幅度差值函數和第一角度計算模組。第一接收器和第二接收器係用以接收聲音訊號，且第一接收器和第二接收器間具有第一中心點。第一取樣模组係電性連接至第一接收器和第二接收器，以取樣聲音訊號來獲得對應至第一接收器之第一取樣聲音訊號和對應至第二接收器之第二取樣聲音訊號。第一平均幅度差值函數(Average Magnitude Difference Function;AMDF)計算模組係電性連接至第一取樣模組，以計算第一取樣聲音訊號和該第二取樣聲音訊號於時域上同相所需之第一時間平移量。第一角度計算模組係電性連接至第一平均幅度差值函數計算模組，以根據第一時間平移量來計算音源相對於第一中心點之一第一方位。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，特提供數個較佳實施例來進一步說明。其中值得注意的是，為了方便描述起見，在以下實施例的圖式之中，相似的元件將以相似的圖式符號加以標示，然而這並不代表各圖式之間，存在有相對應的聯繫關係。

請參照第1圖，其係繪示根據本發明一實施例之音源辨位系統100的功能方塊示意圖。音源辨位系統100包含接收器110a、接收器110b、取樣模組120、平均幅度差值函數(Average Magnitude Difference Function;AMDF)計算模組130和角度計算模組140，其中接收器110a和110b之間具有第一預設距離。接收器110a和110b係用以接收音源115所發出的聲音訊號將其傳送至取樣模組120。取樣模組120係根據預設取樣頻率來取樣此聲音訊號，以獲得對應至接收器110a之第一取樣聲音訊號和對應至接收器110b之第二取樣聲音訊號，其中第一取樣聲音訊號包含複數個第一取樣聲音強度值，第二取樣聲音訊號包含複數個第二取樣聲音強度值。平均幅度差值函數計算模組130係用以計算第一取樣聲音訊號和第二取樣聲音訊號於時域上同相所需之時間平移量。角度計算模組140係用以根據時間平移量來計算音源之相對接收器間中心點之方位。以下將介紹音源辨位系統100所應用之音源辨位方法200。

請參照第2圖，其係繪示根據本發明一實施例之音源辨位方法200的流程示意圖。在音源辨位方法200中，首先進行接收步驟210，以利用接收器110a和110b來分別接收音源所發出之聲音訊號。接著，進行取樣步驟220，以對接收器110a和110b所接收之聲音訊號進行取樣來獲得第一取樣聲音訊號和第一取樣聲音訊號。然後，進行參數提供步驟230，以提供基礎平移量和參考平移次數。接著，進行時間平移量計算步驟240，以根據基礎平移量和參考平移次數來計算第一取樣聲音訊號和第二取樣聲音訊號於時域上同相所需之時間平移量。在本實施例中，為避免時間平移量計算步驟240過於繁雜，因此在進行時間平移量計算步驟240之前，先提供基礎平移量和參考平移次數，然後在時間平移量計算步驟240中，以基礎平移量為基準單位來平移第二取樣聲音訊號，平移的最大次數則限定為參考平移次數，如此可大幅少時間平移量計算步驟240的計算繁雜度。在時間平移量計算步驟240後，接著進行音源距離差值計算步驟250，以根據時間平移量和聲音訊號之速度來決定音源與該接收器110a和該接收器110b間之一音源距離差值，此處之音源距離差值係代表音源和接收器110a之距離與音源和接收器110b之距離的差值。然後，進行方位決定步驟260，以根據音源距離差值和預設距離來利用雙曲線原理計算音源相對音源辨位系統100之方位。

請參照第3圖，其係繪示根據本發明一實施例之方位決定步驟260所使用之雙曲線310的曲線示意圖，其中接收器110a和110b為雙曲線310之焦點，a為雙曲線310頂點至中心點的距離。根據雙曲線原理，雙曲線上任一點至兩焦點的距離差為2倍的a(頂點至中心點距離)，因此音源距離差值等於2a。又，接收器110a和110b之間的第一預設距離為2倍的c(焦點至頂點距離)，因此可由公式(1)推得夾角θ的值：

另外，根據接收器110a和110b所接收到的聲音強度可判別音源115位於雙曲線310的左半部或右半部，因此當夾角θ計算得之後，音源115相對於雙曲線310中心點的方位便可得知。

請參照第4圖，其係繪示根據本發明一實施例之參數提供步驟230的流程示意圖。在參數提供步驟230中，首先進行基礎平移量計算步驟232，以根據取樣頻率來決定基礎平移量。在本實施例中，係以取樣時間(取樣頻率的倒數)為基礎平移量，但在其他的實施例中，也可以取樣時間的倍數來做為基礎平移量。接著，進行參考平移次數計算步驟234，以根據公式(2)來決定參考平移次數s：

其中d為接收器110a和110b間之接收距離；v為音速；fs為取樣頻率，值得注意的是，本實施例係以取樣時間做為基礎平移量，因此套用取樣頻率來求得參考平移次數s。在本發明其他實施例中，若取用取樣時間的倍數來當作基礎頻移量，則後續之參考平移次數計算步驟則必須套用取樣頻率的倍數來進行計算。

請同時參照第5圖和第6圖，第5圖係繪示根據本發明一實施例之時間平移量計算步驟240的流程示意圖，第6圖係繪示根據本發明一實施例之第一取樣聲音訊號P1和第二取樣聲音訊號P₂ 的波形示意圖，其中第一取樣聲音訊號P1和第二取樣聲音訊號P₂ 係以三角波來表示，但本發明之取樣聲音訊號亦可為方波或弦波等其他種類之聲音波形。

在時間平移量計算步驟240中，首先進行平移步驟242，以根據參考平移次數和基礎平移量Δt來沿著平移方向D_s 平移第二取樣聲音訊號P₂ ，以得到複數個平移聲音訊號，其中每一平移聲音訊號包含複數個平移聲音強度值。在本實施例中，基礎平移量Δt為取樣一次之時間(取樣頻率之倒數)，而第二取樣聲音訊號P₂ 係依序向左平移一個基礎平移量Δt，來獲得此些平移聲音訊號。接著，進行比較步驟244以比較每一平移聲音訊號和第一取樣訊號P1之強度差值，並獲得複數個取樣訊號差值。

在比較步驟244中，首先進行強度差值計算步驟244a，以計算平移聲音訊號之一者的平移聲音強度值和第一取樣聲音訊號P₁ 的第一取樣聲音強度值的差值，以獲得複數個聲音強度差值，接著再進行平均步驟244b，以根據聲音強度差值來計算取樣訊號差值。在本實施例中，平均步驟244b係根據取樣的資料個數來平均這些聲音強度差值，但本發明並不受限於此。重複進行比較步驟244，即可得到前述之取樣訊號差值。接著，進行同相平移次數決定步驟246，以根據這些取樣訊號差值中的最小者來決定同相平移次數。同相平移次數即第一取樣聲音訊號與第二取樣聲音訊號同相所需的平次次數。由於取樣訊號差值中的最小者所對應的平移次數會使得第一取樣聲音訊號與第二取樣聲音訊號之相位最為相近，因此可利用取樣訊號差值中的最小者來決定同相平移次數。然後，進行平移次數轉換步驟248，以將平移次數轉換成時間平移量。由於之前已定義過基礎平移量，因此將平移次數和基礎平移量相乘即可得到第一取樣聲音訊號與第二取樣聲音訊號同相所需之時間平移量T。

在本實施例中，當第二取樣聲音訊號P₂ 向左平移兩次後，即會與第二取樣聲音訊號P₁ 同相，因此平移兩個基礎平移量Δt之平移取樣聲音訊號會與第一取樣聲音訊號具有最小之強度差值。當並決定出同相平移次數為2。接著，再將同相平移次數2乘上基礎平移量Δt即可得到同相時間平移量T。

另外，值得注意的是，步驟242~248可利用平均幅度差值函數來完成。平均幅度差值函數係如公式(3)：

其中MIC₁ [n]代表第一取樣聲音訊號之強度值；MIC₂ [n]代表第二取樣聲音訊號之強度值；X為平移次數所代表的平移量；N為取樣的資料個數。

由上述說明可知，音源辨位方法200係利用參考平移次數來定義出合理的平移次數後，再進行時間平移量計算步驟，因此大幅地減少了計算的繁雜度。再者，音源辨位方法200可利用平均幅度差值函數來計算出第一取樣聲音訊號和第二取樣聲音訊號同相所需之同相平移次數，因此音源辨位方法200可藉由簡單的邏輯閘設計來實現於現場可編程邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array;FPGA)上，減少實現音源辨位系統100所需的成本。

另外，音源辨位方法200可製成一種電腦程式產品，經電腦載入後，電腦便可進行音源辨位方法200。

請參照第7圖，其係繪示根據本發明一實施例之音源辨位系統500的功能方塊圖。音源辨位系統500包含音源辨位系統100、接收器510、取樣模組520、平均幅度差值函數計算模組530、角度計算模組540和座標計算模組550，其中接收器510和110b之間具有第二預設距離。音源辨位系統500係利用音源辨位系統100所得知之音源方位來近一步計算此音源之座標。在音源辨位系統500中，接收器510係用以接收音源115所發出的聲音訊號將其傳送至取樣模組520。取樣模組520係根據預設取樣頻率來取樣此聲音訊號，以獲得對應至接收器510之第三取樣聲音訊號。平均幅度差值函數計算模組530係用以計算取樣聲音訊號112a和取樣聲音訊號512於時域上同相所需之時間平移量。角度計算模組540係用以根據時間平移量來計算音源之相對接收器110a和510之中心點的方位。座標計算模組550則根據接收器110a和110b之中心點、接收器110a和510之中心點以及上述中心點與音源之方位關係來計算出音源115的位置。以下將介紹音源辨位系統500所應用之音源辨位方法600。

請參照第8圖，其係繪示根據本發明一實施例之音源辨位方法600的流程示意圖。在音源辨位方法600中，首先進行音源辨位方法100，以獲得音源115相對於接收器110a和110b之中心點的方位關係。然後，進行接收步驟610，以利用接收器510來接收音源所發出之聲音訊號。接著，進行取樣步驟620，以對接收器510所接收之聲音訊號進行取樣來獲得第三取樣聲音訊號。然後，進行參數提供步驟630，以提供基礎平移量和參考平移次數。接著，進行時間平移量計算步驟640，以根據基礎平移量和參考平移次數來計算第一取樣聲音訊號和第三取樣聲音訊號於時域上同相所需之時間平移量。在時間平移量計算步驟640中，係以基礎平移量為基準單位來平移第三取樣聲音訊號，平移的最大次數則限定為參考平移次數，如此可大幅少時間平移量計算步驟640的計算繁雜度。接著，進行音源距離差值計算步驟650，以根據時間平移量和聲音訊號之速度來決定音源與接收器110a和接收器510間之音源距離差值，此處之音源距離差值係代表音源和接收器110a之距離與音源和接收器510之距離的差值。然後，進行方位決定步驟660，以根據音源距離差值和預設距離來利用雙曲線原理計算音源相對接收器110a和510之中心點的方位。接著，進行音源座標計算步驟670，以根據接收器110a和110b之中心點、接收器110a和510之中心點以及上述中心點與音源之方位關係來計算出音源115的位置。在音源座標計算步驟670中，當接收器110a和110b之中心點相對於音源115之方位已得知，因此可得到接收器110a和110b之中心點與音源115所建立之直線方程式。類似地，當接收器110a和510之中心點相對於音源115之方位已得知，即可得到接收器110a和510之中心點與音源115所建立之直線方程式。計算上述兩條直線方程式之交點，即可得知音源115的座標。

值得一提的是，取樣模組520、平均幅度差值函數計算模組530和角度計算模組540亦可分別整合入取樣模組120、平均幅度差值函數計算模組130和角度計算模組140中。

由上述說明可知，音源辨位系統500所應用之音源辨位方法600係利用音源辨位方法200來進行2次音源辨位步驟，來獲得兩條直線方程式，藉此找出音源115的位置。由於音源辨位方法600係以音源辨位方法200為基礎來進行音源定位，因此音源辨位方法600也可藉由簡單的邏輯閘設計來實現於現場可編程邏輯閘陣列，減少實現音源辨位系統500所需的成本。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．音源辨位系統

110a．．．接收器

110b．．．接收器

115．．．音源

120．．．取樣模組

130．．．AMDF計算模組

140．．．角度計算模組

200．．．音源辨位方法

210．．．接收步驟

220．．．取樣步驟

230．．．參數提供步驟

232．．．基礎平移量計算步驟

234．．．參考平移次數計算步驟

240．．．時間平移量計算步驟

242．．．平移步驟

244．．．比較步驟

244a．．．強度差值計算步驟

244b．．．平均步驟

246．．．同相平移次數決定步驟

248．．．平移次數轉換步驟

250．．．音源距離差值計算步驟

260．．．方位決定步驟

310．．．雙曲線

a．．．頂點至中心點距離

c．．．焦點至頂點距離

θ．．．夾角

P₁ ．．．第一取樣聲音訊號

P₂ ．．．第二取樣聲音訊號

Δt．．．基礎時間平移量

T．．．同相時間平移量

D_s ．．．平移方向

500．．．音源辨位系統

510．．．接收器

520．．．取樣模組

530．．．AMDF計算模組

540．．．角度計算模組

550．．．座標計算模組

600．．．音源辨位方法

610．．．接收步驟

620．．．取樣步驟

630．．．參數提供步驟

640．．．時間平移量計算步驟

650．．．音源距離差值計算步驟

660．．．方位決定步驟

670．．．音源座標計算步驟

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，上文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

第1圖係繪示根據本發明一實施例之音源辨位系統的功能方塊示意圖。

第2圖係繪示根據本發明一實施例之音源辨位方法的流程示意圖。

第3圖係繪示根據本發明一實施例之方位決定步驟所使用之雙曲線的曲線示意圖。

第4圖係繪示根據本發明一實施例之參數提供步驟的流程示意圖。

第5圖係繪示根據本發明一實施例之時間平移量計算步驟的流程示意圖。

第6圖係繪示根據本發明一實施例之第一取樣聲音訊號和第二取樣聲音訊號的波形示意圖。

第7圖係繪示根據本發明一實施例之音源辨位系統的功能方塊圖。

第8圖係繪示根據本發明一實施例之音源辨位方法的流程示意圖。

200．．．音源辨位方法

210．．．接收步驟

220．．．取樣步驟

230．．．參數提供步驟

240．．．時間平移量計算步驟

250．．．音源距離差值計算步驟

260．．．方位決定步驟

Claims (16)

1. 一種音源辨位方法，包含：利用一第一接收器和一第二接收器來接收一聲音訊號，其中該第二接收器與該第一接收器之間具有一第一中心點且相距一預設距離；進行一取樣步驟，以根據一取樣頻率來對該聲音訊號取樣，以獲得對應至該第一接收器之一第一取樣聲音訊號和對應至該第二接收器之一第二取樣聲音訊號，其中該第一取樣聲音訊號包含複數個第一取樣聲音強度值，該第二取樣聲音訊號包含複數個第二取樣聲音強度值；提供一基礎平移量和複數個參考平移次數；進行一時間平移量計算步驟，以利用平均幅度差值函數(Average Magnitude Difference Function；AMDF)來根據該基礎平移量和該些參考平移次數計算該第一取樣聲音訊號和該第二取樣聲音訊號於時域上同相所需之一時間平移量；根據該時間平移量和該聲音訊號之速度來決定該音源與該第一接收器和該第二接收器間之一音源距離差值；以及根據該音源距離差值和該預設距離來利用一雙曲線原理計算該音源相對於該第一中心點之一第一方位，其中該雙曲線原理係如下式： 其中θ為該第一方位，a為該音源距離差值之一半，而c為該預設距離之一半。
2. 如申請專利範圍第1項所述之音源辨位方法，其中該時間平移量計算步驟包含：根據該些參考平移次數和該基礎平移量來平移該第二取樣聲音訊號，以得到複數個平移聲音訊號，其中每一該些平移聲音訊號包含複數個平移聲音強度值；進行複數個比較步驟，以比較每一該些平移聲音訊號和該第一取樣訊號之強度差值，並獲得複數個取樣訊號差值，其中每一該些比較步驟包含：計算該些平移聲音強度值和該些第一取樣聲音強度值之差值，以獲得複數個聲音強度差值；以及根據該些聲音強度差值來計算該取樣訊號差值；根據該些取樣訊號差值之最小者來從該些平移次數決定一同相平移次數；以及根據該同相平移次數和該基礎平移量來計算獲得該時間平移量。
3. 如申請專利範圍第1項所述之音源辨位方法，其中該參數提供步驟係根據該預設距離和該聲音訊號之速度來決定該些參考平移次數和該基礎平移量。
4. 如申請專利範圍第1項所述之音源辨位方法，更包含： 提供一預設聲音強度閥值；決定該聲音訊號之強度值是否大於該預設聲音強度閥值，並提供一比較結果；以及當該比較結果為是時，進行該取樣步驟。
5. 如申請專利範圍第1項所述之音源辨位方法，更包含：提供一預設過零率閥值；決定該聲音訊號之過零率是否小於該預設過零率閥值，並提供一比較結果；以及當該比較結果為是時，進行該取樣步驟。
6. 如申請專利範圍第4項所述之音源辨位方法，其中該取樣步驟包含：提供一預設取樣數量；以及根據該預設取樣數量來取樣該聲音訊號。
7. 如申請專利範圍第6項所述之音源辨位方法，其中該預設取樣數量為768。
8. 如申請專利範圍第1項所述之音源辨位方法，其中該取樣步驟包含：提供一預設取樣數量；以該取樣頻率來取樣該聲音訊號，以獲得對應至該第二接收器之一原始取樣聲音訊號，其中該原始取樣聲音訊號包含複數個原始取樣聲音強度值； 決定該些原始取樣聲音強度值之一最大者，以獲得一取樣中心；以及以該取樣中心為中心並根據該預設取樣數量來從該些原始取樣聲音強度值取出該些第二取樣聲音強度值。
9. 如申請專利範圍第8項所述之音源辨位方法，其中該預設數量為257。
10. 如申請專利範圍第1項所述之音源辨位方法，更包含：利用一第三接收器來接收該聲音訊號，以獲得一第三取樣聲音訊號，其中該第三接收器與該第一接收器間具有一第二中心點；根據該第一取樣聲音訊號和該第三聲音取樣訊號來來計算該音源相對於該第二中心點之一第二方位；以及根據該第一方位和該第二方位來計算該音源之位置。
11. 一種電腦程式產品，經由一電腦載入該程式並執行後，該電腦可進行如申請專利範圍第1項所述之音源辨位方法。
12. 一種音源辨位系統，包含：一第一接收器，用以接收一聲音訊號；一第二接收器，用以接收該聲音訊號，其中該第二接收器與該第一接收器間具有一第一中心點；一第一取樣模组，電性連接至該第一接收器和該第 二接收器，以取樣該聲音訊號來獲得對應至該第一接收器之一第一取樣聲音訊號和對應至該第二接收器之一第二取樣聲音訊號；一第一平均幅度差值函數(Average Magnitude Difference Function；AMDF)計算模組，電性連接至該第一取樣模組，以計算該第一取樣聲音訊號和該第二取樣聲音訊號於時域上同相所需之一第一時間平移量；以及一第一角度計算模組，電性連接至該第一平均幅度差值函數計算模組，以根據該第一時間平移量來計算該音源相對於該第一中心點之一第一方位。
13. 如申請專利範圍第12項所述之音源辨位系統，更包含一噪音過濾模組，電性連接於該取樣模組和該些接收器之間。
14. 如申請專利範圍第13項所述之音源辨位系統，其中該噪音過濾模組係根據該聲音訊號之強度來決定該聲音訊號是否為雜訊。
15. 如申請專利範圍第13項所述之音源辨位系統，其中該噪音過濾模組係根據該聲音訊號之過零率來決定該聲音訊號是否為雜訊。
16. 如申請專利範圍第12項所述之音源辨位系統，更包含：一第三接收器，用以接收該聲音訊號，其中該第三 接收器與該第一接收器間具有一第二中心點；一第二取樣模组，電性連接至該第三接收器，以取樣該聲音訊號來獲得一第三取樣聲音訊號；一第二平均幅度差值函數計算模組，電性連接至該第二取樣模組，以計算該第一取樣聲音訊號和該第二取樣聲音訊號於時域上同相所需之一第二時間平移量；一第二角度計算模組，電性連接至該第二平均幅度差值函數計算模組，以根據該第二時間平移量來計算該音源相對於該第二中心點之一第二方位；以及一座標計算模組，電性連接至該第一角度計算模組和該第二角度計算模組，以根據該第一方位和該第二方位來計算該音源之座標值。