基于聲源定位的信息傳輸異常點(diǎn)智能識別算法研究

柳秀山 蔡君 張琴 程駿

摘 ?要： 為了解決傳統(tǒng)方法識別聲音信息異常點(diǎn)時存在精確度低的問題，研究基于聲源定位的信息傳輸異常點(diǎn)智能識別算法，采用改進(jìn)模糊C均值聚類算法得到可能性C均值聚類算法，采用此聲源定位算法計算異常聲源聚類中心，當(dāng)聚類符合限制條件時，輸出的聚類中心為異常聲源定位結(jié)果;以該結(jié)果為前提，依據(jù)短時幅度與短時過動態(tài)門限率變量判斷聲音信息異常點(diǎn)的起始端與終止端，識別出聲音信息傳輸異常點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提算法對識別聲音信息傳輸異常點(diǎn)的丟包率誤差最大在3.45～3.7之間，說明所提算法對丟包率存在一定的抵抗能力。

關(guān)鍵詞： 聲源定位; 可能性C均值; 聚類算法; 信息傳輸; 異常點(diǎn)識別; 智能識別算法

中圖分類號： TN141.2?34; TP393 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）12?0033?04

Abstract： An information transmission abnormal point intelligent identification algorithm based on sound source localization is researched to solve the low accuracy problem existing during identification of sound information abnormal points by using traditional methods. The improved fuzzy C?means clustering algorithm is used to obtain the possibility C?means clustering algorithm. The sound source localization algorithm is adopted to calculate the clustering centers of abnormal sound sources. When the clustering meets the restriction conditions， the output clustering centers are considered as the localization results of abnormal sound sources. Taking the results as the prerequisites， the start terminal and end terminal of sound information abnormal points are judged according to the short?term amplitude and short?term over?dynamic threshold rate variables， so as to identify the abnormal points of sound information transmission. The experimental results show that the proposed algorithm′s maximum packet loss rate error for identification of sound information transmission abnormal points is between 3.45 and 3.7， which shows that the proposed algorithm has a certain resistance to packet loss rate.

Keywords： sound source localization; possibility C?means; clustering algorithm; information transmission; abnormal point identification; intelligent identification algorithm

0 ?引 ?言

公共場所中聲音包含大量關(guān)鍵性信息，往往比視頻信息更能傳遞直接內(nèi)容。近年來聲音信息研究廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，如視頻監(jiān)控、案件偵破等[1]。識別聲音信息傳輸異常點(diǎn)是利用聲音信息解決問題的關(guān)鍵。專家對聲音信息傳輸過程中的異常點(diǎn)的識別已有一定研究。采用高分辨率譜推斷聲音信息異常點(diǎn)的方法效果較好，但使用范圍有限，只適合窄帶寬平穩(wěn)聲音信號的異常識別[2];采用波束成形算法識別聲音信息異常點(diǎn)可以看成是對聲音信息進(jìn)行加權(quán)求和與修改權(quán)值的過程，該方法需要大量運(yùn)算步驟，以聲音傳輸?shù)脑肼曅畔榍疤岵拍塬@取有效的聲音異常點(diǎn)識別結(jié)果，執(zhí)行步驟繁瑣導(dǎo)致該方法可行性降低。本文針對聲音信息異常點(diǎn)識別的需求與現(xiàn)有方法的缺點(diǎn)，提出基于聲源定位的信息傳輸異常點(diǎn)識別算法。經(jīng)驗(yàn)證，本文算法識別聲音信息異常點(diǎn)的精確高、性能優(yōu)，為場所異常聲音信息識別提供有效手段。

1 ?信息傳輸異常點(diǎn)智能識別算法

首先采用聲源定位算法判斷場所中異常聲音信息位置[3]，其次標(biāo)記具體定位中異常聲音信息的端點(diǎn)，即可完成聲音信息傳輸異常點(diǎn)智能識別。

1.1 ?基于可能性C均值的聲源定位算法

1.1.1 ?可能性C均值聚類算法

詳細(xì)介紹可能性C均值聚類算法。針對模糊C均值聚類算法運(yùn)算過程中，限制隸屬度為1時對噪聲和野值點(diǎn)反應(yīng)敏感的情況[4]，改進(jìn)該算法，放寬隸屬度的限制條件，得到可能性C均值聚類算法。

式中：[aij∈0，1]表示聲音信息數(shù)據(jù)樣本[xj]劃分類[i]的可能性數(shù)值，且符合[0

定義聲音信息異常點(diǎn)監(jiān)測范圍內(nèi)的聲源數(shù)量為[D]，那么聚類中心數(shù)量為[D]，[C]值與[D]值相同，得出以下結(jié)果：[gk]表示第[k]個聚類中心位置;[xi]，[aik]分別表示第[i]個監(jiān)測點(diǎn)的位置、第[i]個監(jiān)測點(diǎn)劃分第[k]個聲源的可能性數(shù)值。迭代后得到可能性劃分值與聚類中心，第[i]個監(jiān)測點(diǎn)的位置公式為：

1.1.2 ?聲音信息傳輸異常點(diǎn)定位

當(dāng)[Bi]值與節(jié)點(diǎn)測量值成正比，說明此節(jié)點(diǎn)同被監(jiān)測聲源間的長度較小，那么理論上講該節(jié)點(diǎn)計算聚類中心的權(quán)重較大。

采用可能性C均值聚類聲源定位算法識別聲音信息傳輸異常點(diǎn)的過程如下：

1） 還原參數(shù)，聚類數(shù)量[C=D]，還原迭代次數(shù)與迭代次數(shù)最大值分別為[a=1]，[amax]，聚類終止的閾值為0.01。另外，還原[aik]與[gk]，計算[?i]。

2） 采用式（4）與式（1）計算聚類中心與目標(biāo)函數(shù)值，且[a=a+1]。

3） 當(dāng)聚類符合[Jt-Jt-1<γ]，[a>amax]條件之一時，終止運(yùn)算;相反情況，循環(huán)執(zhí)行過程2）與過程4）。

4） 得到的聚類中心[G=g1，g2，…，gD]，即異常聲音信息點(diǎn)的聲源定位結(jié)果。

1.2 ?異常聲音信息的端點(diǎn)檢測

根據(jù)異常聲音信息傳輸定位結(jié)果，進(jìn)一步檢測異常聲音信息的端點(diǎn)[6]，標(biāo)記異常聲音信息的起始端與終止端，得到聲音信息傳輸異常點(diǎn)。

聲音信息的異常點(diǎn)相比正常聲音信息而言，具有能量大、聲強(qiáng)高的特點(diǎn)[7]，因此，檢測聲音信息傳輸異常點(diǎn)需依據(jù)短時幅度與短時過動態(tài)門限率兩個變量實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)勢為[8]：

1） 短時幅度變量運(yùn)算簡單，簡化聲音信息識別過程[9];

2） 短時過動態(tài)門限率可降低噪聲對異常點(diǎn)識別的干擾。

計算短時幅度的方法為：

歸納聲音信息端點(diǎn)檢測算法的流程為：

1） 預(yù)加重聲音信息后，采用漢明窗實(shí)施分幀操作[10]，獲取音頻幀，表示為[xin]，其中，音頻幀序號與幀中采樣點(diǎn)序號分別為[i]，[n]。

2） 標(biāo)定短時幅度閾值[Ath]，基于監(jiān)測設(shè)備采集的初始聲音信息的無效性[11]，將1～150幀聲音信息作為短時幅度計算對象，定義獲取的均值為[Aave]，計算聲音信息與[Aave]的乘積，即[Ath]的值。

3） 標(biāo)定短時過動態(tài)門限率[ZCRth]，同理，將151～300幀聲音信息作為短時過動態(tài)門限率計算對象[12]，獲取均值表示成[ZCRave]，計算聲音信息與[ZCRave]的乘積，即為[ZCRth]值。

2 ?實(shí)驗(yàn)分析

2.1 ?實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置

為驗(yàn)證本文基于聲源定位的聲音信息傳輸異常點(diǎn)智能識別算法的有效性，展開仿真測試。實(shí)驗(yàn)設(shè)置情況為：選取120 m×120 m的區(qū)域，并布置聲音信息監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置K個聲源。表1為實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置。

表1 ?實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置情況

2.2 ?端點(diǎn)檢測結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置數(shù)段鳴笛聲，截取其中兩端時間結(jié)果進(jìn)行分析，圖1為兩段鳴笛聲的數(shù)字信號，本文算法檢測聲音信息端點(diǎn)的結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖1 ?聲音數(shù)字信號

分析圖2與圖3中的聲音信息檢測結(jié)果可知，每段鳴笛聲音信息兩端具有明顯的虛線進(jìn)行分割標(biāo)記，劃分出目標(biāo)聲音段，說明本文算法能夠獲取有效的聲音信息端點(diǎn)，獲取精準(zhǔn)的聲音信息異常點(diǎn)。

2.3 ?丟包率與誤差的關(guān)系分析

理想化情況下得到下述結(jié)論，聲音信息實(shí)際傳輸過程中容易受到節(jié)點(diǎn)故障、信道擁擠等因素干擾，出現(xiàn)丟包情況。為此，實(shí)驗(yàn)研究本文算法識別誤差與丟包率間的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。

圖2 ?聲音信息短時幅度

圖3 ?聲音信息短時過門限率

圖4 ?本文算法的丟包率與識別誤差的關(guān)系

分析圖4能夠看出：聲音信息噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為0.8時，隨著丟包率的增加，本文算法識別聲音信息傳輸異常點(diǎn)的均方根誤差表現(xiàn)平穩(wěn)，保持在0.025～0.04之間;聲音信息噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為1.6時，本文算法識別聲音信息傳輸異常點(diǎn)的均方根誤差表現(xiàn)仍然平穩(wěn)，但是誤差值有所增加，在2.3～2.45之間;聲音信息噪聲標(biāo)準(zhǔn)差增加至2.4時，本文算法識別均方根誤差增加至3.45～3.7。說明本文算法對丟包率存在一定的抵抗能力，在識別聲音信息傳輸異常點(diǎn)過程中基本不受丟包率的影響。

3 ?結(jié) ?語

本文基于聲源定位算法智能識別聲音信息傳輸異常點(diǎn)，首先采用基于可能性C均值的聲源定位算法獲取異常聲音信息的位置，其次檢測異常聲音信息端點(diǎn)，識別出聲音信息傳輸?shù)漠惓｜c(diǎn)。經(jīng)驗(yàn)證，本文算法識別精度較高，其優(yōu)勢在于獲取異常聲音位置后進(jìn)行異常聲音端點(diǎn)識別，此做法一方面減少對無用聲音信息的運(yùn)算，另一方面提升聲音信息異常點(diǎn)識別精度，本文算法的提出為聲音信息異常點(diǎn)識別提供了嶄新手段。

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