TWI779561B - 三維空間聲音定位方法、電子裝置及電腦可讀儲存媒體 - Google Patents

三維空間聲音定位方法、電子裝置及電腦可讀儲存媒體 Download PDF

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Abstract

一種三維空間聲音定位方法，包括下列步驟：區分一目標物所在之一象限；根據多個麥克風的空間座標評估該目標物的多個仰角與多個方位角；設定該目標物與各個麥克風的距離變數之一搜尋間隔；根據該多個仰角、該多個方位角與該距離變數的搜尋間隔產生多個測試點；計算該每個測試點之一適應度；取得每個測試點之一適應度值，並比對該每個測試點的該適應度值；根據該每個測試點的適應度值判斷是否達到一收斂條件；及若達到該收斂條件，則產生該目標物之一定位結果。

Description

三維空間聲音定位方法、電子裝置及電腦可讀儲存媒體
本發明係有關於定位方法，且特別有關於一種三維空間聲音定位方法、電子裝置及電腦可讀儲存媒體。
在語音相關技術的發展上，若能有更加清晰的語音輸入品質，將提高後續分析的準確度及處理效率。針對語音品質的提升，首要的條件的一便是定位聲源的位置。
現今對於聲源定位的方法很多，但聲波在實際空間中傳遞的方式屬於非線性關係。因此，若遇定位聲源座標，必須解析非線性模型，解析運動需要很高的計算量，成為即時回饋的障礙。
有鑑於此，本發明提供了一種三維空間聲音定位方法、電子裝置及電腦可讀儲存媒體，在低計算量與高準確度間的權衡，以線性化的方式來達到有效降低計算量的目的，再基於部分微調空間作搜尋，進一步來補償線性化模型可能造成的失真，追求快速且準確的定位效能。
本發明實施例提供一種三維空間聲音定位方法，評估一目標物到至少一組微型立體麥克風間的差別距離，其中，該一組微型立體麥克風包括至少3個麥克風；區分該目標物所在之一象限；根據該各個麥克風的空間座標評估該目標物的多個仰角；根據該各個麥克風的空間座標評估該目標物的多個方位角；設定該目標物與各個麥克風的距離變數之一搜尋間隔；根據該多個仰角、該多個方位角與該距離變數的搜尋間隔產生多個測試點；計算該每個測試點之一適應度；取得每個測試點之一適應度值，並比對該每個測試點的該適應度值；根據該每個測試點的適應度值判斷是否達到一收斂條件；及若達到該收斂條件，則產生該目標物之一定位結果。
本發明實施例還提供一種電子裝置，包括一距離評估模組、一三維空間聲音角度評估模組與一三維空間聲音定位評估模組。該距離評估模組用於評估一目標物到至少一組微型立體麥克風間的差別距離，其中，一組微型立體麥克風包括至少3個麥克風。該三維空間聲音角度評估模組用於區分該目標物所在之一象限，根據該各個麥克風的空間座標評估該目標物的多個仰角，及根據該各個麥克風的空間座標評估該目標物的多個方位角。該三維空間聲音定位評估模組用於設定該目標物與各個麥克風的距離變數之一搜尋間隔，根據該多個仰角、該多個方位角與該距離變數的搜尋間隔產生多個測試點，計算該每個測試點之一適應度，取得每個測試點之一適應度值，並比對每個測試點的適應度值，根據該每個測試點的適應度值判斷是否達到一收斂條件，及若達到該收斂條件，則產生該目標物之一定位結果。
本發明實施例還提供一種電腦可讀儲存媒體，該電腦可讀儲存媒體上儲存有電腦程式，該電腦程式被執行時實現如前述的三維空間聲音定位方法的步驟。
以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。
200:電子裝置
210:處理器
220:記憶體
230:三維空間聲音定位系統
310:距離評估模組
320:三維空間聲音角度評估模組
330:三維空間聲音定位評估模組
圖1是本發明實施例的三維空間聲音定位方法的步驟流程圖。
圖2是本發明實施例的電子裝置的硬體架構示意圖。
圖3是本發明實施例的電子裝置的功能方塊圖。
圖4是本發明實施例的三維空間聲音定位的應用示意圖。
圖5是本發明實施例的搜尋測試點的上下界的示意圖。
圖6是本發明實施例的產生測試點的示意圖。
圖7是本發明實施例在不同距離下目標物的方位角的模擬結果示意圖。
圖8是本發明實施例在不同距離下目標物的仰角的模擬結果示意圖。
圖9是本發明實的目標物的三維空間的模擬結果示意圖。
為了能夠更清楚地理解本發明的上述目的、特徵和優點，下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述。需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。
在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明 中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在於限制本發明。
需要說明的是，在本發明中涉及“第一”、“第二”等的描述僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示其相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特徵可以明示或者隱含地包括至少一個該特徵。另外，各個實施例之間的技術方案可以相互結合，但是必須是以本領域普通技術人員能夠實現為基礎，當技術方案的結合出現相互矛盾或無法實現時應當認為這種技術方案的結合不存在，也不在本發明要求的保護範圍之內。
本發明實施例的三維空間聲音定位方法主要利用陣列微型立體麥克風來達成聲音目標物定位的目的，計算出三維空間中，目標物於球坐標系統中入射麥克風陣列中心的角度，採用單極值快速收斂，根據前段角度運算的結果，沿著推估角度在三維空間中建立的可能立體區間進行搜尋，達到定位結果。
圖1是本發明實施例的三維空間聲音定位方法的步驟流程圖，應用於電子裝置中。根據不同的需求，該流程圖中步驟的順序可以改變，某些步驟可以省略。
步驟S1，評估目標物到至少一組微型立體麥克風間的差別距離，該目標物為待定位的人或物體。一組微型立體麥克風包括至少3個微型立體麥克風。本發明實施例使用6個麥克風，其空間座標分別為muc 1(R,0,0)、muc 2(-R,0,0)、mic 3(0,R,0)、mic 4(0,-R,0)、mic 5(0,0,R)與mic 6(0,0,-R)。
步驟S2，區分該目標物的象限，即判斷該目標物所在的象限。
步驟S3，通過公式(1)，並根據各個麥克風的空間座標評估該目標物的多個仰角(elevation θ)，誤差在正負5度間(θ estimated±05°)，如圖4所示，公式(1)如下所示：
Figure 110113657-A0305-02-0007-1
步驟S4，通過公式(2)，並根據各個麥克風的空間座標評估該目標物的多個方位角(azimuth
Figure 110113657-A0305-02-0007-17
)，誤差在正負5度間(
Figure 110113657-A0305-02-0007-16
)，如圖4所示，公式(2)如下所示：
Figure 110113657-A0305-02-0007-18
步驟S5，設定該目標物與各個麥克風的距離變數的搜尋間隔，例如，r：[1m 8m]。
步驟S6，通過公式(3)與公式(4)及根據該多個仰角、該多個方位角與該距離變數的搜尋間隔產生8個測試點，包括：(r 1,θ1,
Figure 110113657-A0305-02-0007-5
)、(r 1,θ1,
Figure 110113657-A0305-02-0007-6
)、(r 1,θ2,
Figure 110113657-A0305-02-0007-7
)、(r 1,θ2,
Figure 110113657-A0305-02-0007-8
)、(r 2,θ1,
Figure 110113657-A0305-02-0007-9
)、(r 2,θ1,
Figure 110113657-A0305-02-0007-10
)、(r 2,θ2,
Figure 110113657-A0305-02-0007-11
)與(r 2,θ2,
Figure 110113657-A0305-02-0007-12
)，如圖4與圖6所示，公式(3)與公式(4)如下所示：
Figure 110113657-A0305-02-0007-3
Figure 110113657-A0305-02-0007-4
 其中， t k 和
Figure 110113657-A0305-02-0007-13
為第k次搜尋時搜尋區間的下界和上界，
Figure 110113657-A0305-02-0007-14
和
Figure 110113657-A0305-02-0007-15
為第k次搜尋時搜尋區間內的測試點，如圖5所示。
步驟S7，通過公式(5)的適應性函數計算每個測試點的適應度，公式(5)如下所示：
Figure 110113657-A0305-02-0008-19
步驟S8，通過公式(6)取得每個測試點的適應度值(fitness value=min(f(x,y)))，並比對每個測試點的適應度值，公式(6)如下所示：f(x,y)=sum(abs(error))......(6)。
步驟S9，根據每個測試點的適應度值判斷是否達到收斂條件。若未達到收斂條件，則重複執行步驟S6~S8。
步驟S10，若達到收斂條件，則產生該目標物的定位結果。
圖2係顯示本發明實施例的行動電子裝置的硬體架構示意圖。電子裝置200，但不僅限於，可通過系統匯流排相互通信連接處理器210、記憶體220以及三維空間聲音定位系統230，圖2僅示出了具有元件210-230的電子裝置200，但是應理解的是，並不要求實施所有示出的元件，可以替代的實施更多或者更少的元件。
該記憶體220至少包括一種類型的可讀存儲介質，該可讀存儲介質包括快閃記憶體、硬碟、多媒體卡、卡型記憶體(例如，SD或DX記憶體等)、隨機訪問記憶體(RAM)、靜態隨機訪問記憶體(SRAM)、唯讀記憶體(ROM)、電可擦除可程式設計唯讀記憶體(EEPROM)、可程式設計唯讀記憶體(PROM)、磁性記憶體、磁片、光碟等。在一些實施例中，該記憶體220可以是該電子裝置10的內部存儲單元，例如電子裝置200的硬碟或記憶體。在另一些實施例中，該記憶體也可以是該電子裝置200的外部存放裝置，例如該電子裝置200上配備的插接式硬碟，智慧存儲卡(Smart Media Card，SMC)，安全數位(Secure Digital，SD)卡，快閃記憶體卡(Flash Card)等。當然，該記憶體220還可以既包括該電子裝置200的內部存儲單元也包括其外部存放裝置。本實施例中，該記憶體220通常用於存儲安裝於該電子裝置200的作業系統和各類應用軟體，例如三維空間 聲音定位系統230的程式碼等。此外，該記憶體220還可以用於暫時地存儲已經輸出或者將要輸出的各類資料。
該處理器210在一些實施例中可以是中央處理器(Central Processing Unit，CPU)、控制器、微控制器、微處理器、或其他資料處理晶片。該處理器210通常用於控制該電子裝置200的總體操作。本實施例中，該處理器210用於運行該記憶體220中存儲的程式碼或者處理資料，例如，運行三維空間聲音定位系統230等。
需要說明的是，圖2僅為舉例說明電子裝置200。在其他實施例中，電子裝置200也可以包括更多或者更少的元件，或者具有不同的元件配置。
圖3係顯示本發明實施例的電子裝置的功能方塊圖，其用於執行三維空間聲音定位方法。本發明實施例的三維空間聲音定位方法可由儲存媒體中的電腦程式來實現，例如，電子裝置200中的記憶體220。當實現本發明方法的電腦程式由處理器210載入到記憶體220時，驅動電子裝置200的處理器210執行本發明實施例的三維空間聲音定位方法。
本發明實施例的電子裝置200包括距離評估模組310、三維空間聲音角度評估模組320與三維空間聲音定位評估模組330。三維空間聲音角度評估模組320採用線性化模組計算出三維空間中，目標物於球坐標系統中入射麥克風陣列中心的角度。三維空間聲音定位評估模組330採用單極值快速收斂的演算法，根據前段角度運算的結果，沿著推估角度在三維空間中建立的可能立體區間進行搜尋，達到最小運算消耗的定位結果。
距離評估模組310評估目標物到至少一組微型立體麥克風間的差別距離，該目標物為待定位的人或物體。一組微型立體麥克風包括至少3個微型立 體麥克風。本發明實施例使用6個麥克風，其空間座標分別為mic 1(R,0,0)、mic 2(-R,0,0)、mic 3(0,R,0)、mic 4(0,-R,0)、mic 5(0,0,R)與mic 6(0,0,-R)。
三維空間聲音角度評估模組320區分該目標物的象限，即判斷該目標物所在的象限，並通過公式(1)，並根據各個麥克風的空間座標評估該目標物的多個仰角(elevation θ)，誤差在正負5度間(θ estimated±05°)，如圖4所示，公式(1)如下所示：
Figure 110113657-A0305-02-0010-20
三維空間聲音角度評估模組320通過公式(2)，並根據各個麥克風的空間座標評估該目標物的多個方位角(azimuth
Figure 110113657-A0305-02-0010-22
)，誤差在正負5度間(
Figure 110113657-A0305-02-0010-23
)，如圖4所示，公式(2)如下所示：
Figure 110113657-A0305-02-0010-24
三維空間聲音定位評估模組330設定該目標物與各個麥克風的距離變數的搜尋間隔，例如，r：[1m 8m]。
三維空間聲音定位評估模組330通過公式(3)與公式(4)及根據該多個仰角、該多個方位角與該距離變數的搜尋間隔產生8個測試點，包括：(r 1,θ1,
Figure 110113657-A0305-02-0010-31
)、(r 1,θ1,
Figure 110113657-A0305-02-0010-25
)、(r 1,θ2,
Figure 110113657-A0305-02-0010-26
)、(r 1,θ2,
Figure 110113657-A0305-02-0010-27
)、(r 2,θ1,
Figure 110113657-A0305-02-0010-28
)、(r 2,θ1,
Figure 110113657-A0305-02-0010-29
)、(r 2,θ2,
Figure 110113657-A0305-02-0010-30
)與(r 2,θ2,
Figure 110113657-A0305-02-0010-32
)，如圖4與圖6所示，公式(3)與公式(4)如下所示：
Figure 110113657-A0305-02-0010-33
Figure 110113657-A0305-02-0010-34
 其中， t k 和
Figure 110113657-A0305-02-0010-35
為第k次搜尋時搜尋區間的下界和上界，
Figure 110113657-A0305-02-0010-36
和
Figure 110113657-A0305-02-0010-37
為第k次搜尋時搜尋區間內的測試點，如圖5所示。
三維空間聲音定位評估模組330通過公式(5)的適應性函數計算每個測試點的適應度，公式(5)如下所示：
Figure 110113657-A0305-02-0011-38
三維空間聲音定位評估模組330通過公式(6)取得每個測試點的適應度值(fitness value=min(f(x,y)))，並比對每個測試點的適應度值，公式(6)如下所示：f(x,y)=sum(abs(error))......(6)。
三維空間聲音定位評估模組330根據每個測試點的適應度值判斷是否達到收斂條件，若達到收斂條件，則產生該目標物的定位結果。
該電子裝置200集成的模組/單元如果以軟體功能單元的形式實現並作為獨立的產品銷售或使用時，可以存儲在一個電腦可讀取存儲介質中。基於這樣的理解，本發明實現上述實施例方法中的全部或部分流程，也可以通過電腦程式來指令相關的硬體來完成，該的電腦程式可存儲於一電腦可讀存儲介質中，該電腦程式在被處理器執行時，可實現上述各個方法實施例的步驟。其中，該電腦程式包括電腦程式代碼，該電腦程式代碼可以為原始程式碼形式、物件代碼形式、可執行檔或某些中間形式等。該電腦可讀介質可以包括：能夠攜帶該電腦程式代碼的任何實體或裝置、記錄介質、U盤、移動硬碟、磁片、光碟、電腦記憶體、唯讀記憶體、隨機存取記憶體、電載波信號、電信信號以及軟體分發介質等。需要說明的是，該電腦可讀介質包含的內容可以根據司法管轄區內立法和專利實踐的要求進行適當的增減，例如在某些司法管轄區，根據立法和專利實踐，電腦可讀介質不包括電載波信號和電信信號。
本發明以MATLAB模擬目標物的定位結果，角度最大誤差量皆在0.8度以內，且98%定位誤差皆在10%以下。圖7為在不同距離下目標物的方位角 的模擬結果。圖8則為不同距離下目標物的仰角的模擬結果。圖9為目標物的三維空間的模擬結果，其中，在固定6公尺距離下，針對仰角0-90度，水平角0-180度進行定位。
為了驗證本發明的收斂速度以及定位精度，套用粒子群優化(Particle Swarm Optimization，PSO)演算法來模擬聲源定位。反覆運算(Iteration)次數設定為10次，PSO則為30次，每次更新的測試點數皆為7個。由於粒子數僅7個的關係，PSO演算法在30次反覆運算後尚未完成收斂，其每次的定位結果仍不斷變化且容易收斂在錯誤的座標點。相對來說，本發明僅需10次反覆運算便可以完成收斂，且準確率更高。模擬結果如表1所示。
Figure 110113657-A0305-02-0012-39
可以理解的是，以上所描述的模組劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實際實現時可以有另外的劃分方式。另外，在本申請各個實施例中的各功能模組可以集成在相同處理單元中，也可以是各個模組單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上模組集成在相同單元中。上述集成的模組既可以採用硬體的形式實現，也可以採用硬體加軟體功能模組的形式實現。
以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應該理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。

Claims (3)

  1. 一種三維空間聲音定位方法，應用於一電子裝置中，其特徵在於，該方法包括：評估一目標物到至少一組微型立體麥克風間的差別距離，其中，該一組微型立體麥克風包括至少3個麥克風；區分該目標物所在之一象限；根據該各個麥克風的空間座標評估該目標物的多個仰角；其中，通過公式(1)，並根據該各個麥克風的空間座標評估該目標物的該仰角，該仰角的誤差在正負5度間，該公式(1)如下所示：
    Figure 110113657-A0305-02-0014-40
    ，其中，m>0且n>0；根據該各個麥克風的空間座標評估該目標物的多個方位角；其中，通過公式(2)，並根據該各個麥克風的空間座標評估該目標物的該多個方位角，該多個方位角的誤差在正負5度間，該公式(2)如下所示：
    Figure 110113657-A0305-02-0014-41
    ，其中，m>0且n>0；設定該目標物與各個麥克風的距離變數之一搜尋間隔；根據該多個仰角、該多個方位角與該距離變數的搜尋間隔產生多個測試點；其中，通過公式(3)與公式(4)及根據該多個仰角、該多個方位角與該距離變數的搜尋間隔產生該些多個測試點，該公式(3)與該公式(4)如下所示：
    Figure 110113657-A0305-02-0014-42
    Figure 110113657-A0305-02-0014-43
     其中， t k 和
    Figure 110113657-A0305-02-0014-44
    為第k次搜尋時搜尋區間的下界和上界，
    Figure 110113657-A0305-02-0014-45
    和
    Figure 110113657-A0305-02-0014-46
    為第k次搜尋時搜尋區間內的測試點；計算該每個測試點之一適應度；其中，通過公式(5)計算該每個測試點的適應度，該公式(5)如下所示：
    Figure 110113657-A0305-02-0015-47
     取得每個測試點之一適應度值，並比對該每個測試點的該適應度值；其中，f(x,y)=sum(abs(error))......(6)；根據該每個測試點的適應度值判斷是否達到一收斂條件；及若達到該收斂條件，則產生該目標物之一定位結果。
  2. 一種電子裝置，包括：一距離評估模組，用於評估一目標物到至少一組微型立體麥克風間的差別距離，其中，一組微型立體麥克風包括至少3個麥克風；一三維空間聲音角度評估模組，用於區分該目標物所在之一象限，根據該各個麥克風的空間座標評估該目標物的多個仰角，及根據該各個麥克風的空間座標評估該目標物的多個方位角；其中，通過公式(1)，並根據該各個麥克風的空間座標評估該目標物的該仰角，該仰角的誤差在正負5度間，該公式(1)如下所示：
    Figure 110113657-A0305-02-0015-49
    ，其中，m>0且n>0；其中，通過公式(2)，並根據該各個麥克風的空間座標評估該目標物的該多個方位角，該多個方位角的誤差在正負5度間，該公式(2)如下所示：
    Figure 110113657-A0305-02-0015-50
    ，其中，m>0且n>0；以及一三維空間聲音定位評估模組，用於設定該目標物與各個麥克風的距離變數之一搜尋間隔，根據該多個仰角、該多個方位角與該距離變數的搜尋間隔產生多個測試點，計算該每個測試點之一適應度，取得每個測試點之一適應度值，並比對每個測試點的適應度值，根據該每個測試點的適應度值判斷是否達到一收斂條件，及若達到該收斂條件，則產生該目標物之一定位結果；其中，通過公式(3)與公式(4)及根據該多個仰角、該多個方位角與該距離變數的搜尋間隔產生該些多個測試點，該公式(3)與該公式(4)如下所示：
    Figure 110113657-A0305-02-0015-51
    Figure 110113657-A0305-02-0016-52
     其中， t k 和
    Figure 110113657-A0305-02-0016-53
    為第k次搜尋時搜尋區間的下界和上界，
    Figure 110113657-A0305-02-0016-54
    和
    Figure 110113657-A0305-02-0016-55
    為第k次搜尋時搜尋區間內的測試點；其中，通過公式(5)計算該每個測試點的適應度，該公式(5)如下所示：
    Figure 110113657-A0305-02-0016-56
    ；以及 其中，f(x,y)=sum(abs(error))......(6)。
  3. 一種電腦可讀儲存媒體，包括記憶體、處理器以及存儲在記憶體上並可在處理器上運行的電腦程式，其中，該處理器執行該電腦程式時實現請求項1之三維空間聲音定位方法的步驟。
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Citations (4)

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