Xác định hướng nguồn âm trong cảnh báo đột nhập

Bài viết trình bày về mô hình thiết bị xác định hướng của nguồn âm bước chân ứng dụng trong phát hiện và cảnh báo đột nhập. Mô hình sử dụng 3 điểm thu âm từ đó tính toán, xác định ra hướng, vị trí của nguồn âm trong không gian thông qua hàm tương quan chéo và các tính toán trong hình học không gian.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Xác định hướng nguồn âm trong cảnh báo đột nhậpKỹ thuật điều khiển & Điện tử XÁC ĐỊNH HƯỚNG NGUỒN ÂM TRONG CẢNH BÁO ĐỘT NHẬP Lương Công Duẩn1*, Trần Vũ Kiên2, Nguyễn Ngọc Minh1 Tóm tắt: Bài báo trình bày về mô hình thiết bị xác định hướng của nguồn âm bước chân ứng dụng trong phát hiện và cảnh báo đột nhập. Mô hình sử dụng 3 điểm thu âm từ đó tính toán, xác định ra hướng, vị trí của nguồn âm trong không gian thông qua hàm tương quan chéo và các tính toán trong hình học không gian. Chương trình phần mềm cho mô hình được phát triển dựa trên 5 bước chính sau: Khôi phục mẫu nén sau khi nhận, Biến đổi FFT xác định cường độ âm thanh trong vùng tần số 200-500Hz[1], Lọc IIR để lọc bỏ các thành phần tần số ngoài vùng âm thanh bước chân, xác định độ lệch pha âm thanh thông qua hàm tương quan chéo, xác định vị trí nguồn âm trong không gian.Từ khóa: DSP; Xử lý âm thanh; Xác định vị trí nguồn âm; TDOA; ITD. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Bài toán xác định hướng của nguồn âm là bài toán đang nhận được nhiều sự quan tâmtrong đó có thể kể đến các ứng dụng như: Hỗ trợ Robot tương tác với người thông quagiọng nói; điều khiển camera tự động trong họp trực tuyến... Đã có nhiều nghiên cứu [2]-[5] về bài toán này tuy nhiên hầu hết các thiết kế này đều sử dụng đến mảng microphonegồm rất nhiều các microphone tích hợp. Với số lượng các microphone lớn có thể giúp xácđịnh được vị trí của nguồn âm với độ chính xác cao đặc biệt trong mô hình không gian 3D.Với thiết kế có độ phức tạp cao nên cũng yêu cầu thiết bị cần có các bộ xử lý và cấu hìnhtốt, do vậy chi phí để sản xuất các thiết bị này cũng rất cao. Chính vì thế hiện nay các thiếtbị này chưa thực sự phổ biến. Ở bài báo này, nhóm tác giả tập trung nghiên cứu thiết kế thiết bị ứng dụng trong bàitoán xác định nguồn âm và đưa ra cảnh báo đột nhập. Hiện nay, các hệ thống camera anninh hoạt chủ yếu hoạt động theo phương pháp quét dò để có thể thu được góc quét rộng,vì vậy vẫn có những khoảng “thời gian chết”. Hơn nữa, trong thời gian về đêm việc nhậndiện các đối tượng cũng trở nên khó khăn. Chính vì những vấn đề trên tác giả định hướngxây dựng thêm một thiết bị phụ trợ hỗ trợ các hệ thống camera an ninh cũng như các hệthống cảnh báo đột nhập khác dựa trên phân tích, xác định vị trí của âm thanh bước chân.Hơn nữa, trong hướng ứng dụng này nguồn âm xuất hiện ở 1 bề mặt tương đối phẳng vàkhông thay đổi nên có thể quy về tính toán và xử lý tương đương trong không gian 2D.Điều này giúp tiết kiệm rất nhiều về chi phí thiết bị và nâng cao được tốc độ tính toán củathiết bị. Với mục tiêu chính là xác định hướng của nguồn âm với độ chính xác về khoảngcách yêu cầu không quá khắt khe giúp cho mô hình có thiết kế đơn giản và có thể tiếnhành xử lý trên các nền tảng vi xử lý, DSP cấu hình thấp, dễ dàng áp dụng trên các thiết bịdân dụng. Bài báo được phân tích theo các phần chính như sau: Phân tích lý thuyết và xây dựng mô hình hệ thống. Xây dựng chương trình mô phỏng. Thử nghiệm, đánh giá và đề xuất. 2. PHÂN TÍCH LÝ THUYẾT VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG 2.1. Phân tích lý thuyết Thiết kế của mô hình được dựa trên sự sai khác về thời gian giữa các điểm nhận tínhiệu âm TDOA (Time Differences Of Arrival) [6], [7] hoặc ITD (Interaural TimeDifference)[8]. Với các khoảng cách khác nhau âm thanh nhận được đến các microphone90 L. C. Duẩn, T. V. Kiên, N. N. Minh, “Xác định hướng nguồn âm trong cảnh báo đột nhập.”Nghiên cứu khoa học công nghệsẽ có độ trễ khác nhau. Khoảng thời gian chênh lệch được tính toán thông qua hàm tươngquan chéo [7]. Hình 1. Nguyên lý tính toán dựa trên TDOA. Với tối thiểu 3 nguồn thu âm có thể tính toán được vị trí của nguồn âm trong khônggian bằng các tính toán hình học cơ bản. Vị trí của các microphone có thể đặt tùy ý tuynhiên ở đây để dễ dàng cho thiết kế và tính toán tác giả sử dụng 3 microphone ở các vị trítạo thành 1 đường thẳng và có khoảng cách giữa MIC1 và MIC3 đến MIC2 là đều nhau vàchọn MIC2 là vị trí để tham chiếu. MIC2 được coi là vị trí tham chiếu nên quy định MIC2có tọa độ là (0,0) từ đó suy ra MIC1 có tọa độ là (-d,0) và MIC3 có tọa độ là (d,0). Ngoàira, do xác định được khoảng thời gian chênh lệch của tín hiệu âm thanh giữa MIC1 vàMIC2, MIC3 và MIC2 nên có giá trị a và b. Hình 2. Vị trí lắp đặt các nguồn thu âm. Từ đó, có thể tính toán được tọa độ của nguồn âm thông qua hệ phương trình:  2 2 (x  d )  y  D  a     2 2   x y D  ...