基于圖像處理的聲相云圖評價方法研究

張 沫, 鄭慧峰, 朱勤豐

(中國計量大學 計量測試工程學院, 浙江 杭州 310018)

1 引 言

噪聲是一類引起人們煩躁或音量過強而危害人體健康的聲音。由于噪聲的危害巨大,目前主要是采用聲源定位方法進行噪聲源識別定位,然后采取針對性手段進行降噪[1]?；趥髀暺麝嚵械穆曣嚵屑夹g(shù)是應(yīng)用最為廣泛的噪聲源定位技術(shù)[2]。

1996年,Silverman和Brandstein率先使用了麥克風陣列對聲源實現(xiàn)定位[3]；Asano F等利用麥克風所組成的大型陣列定位了波音777在跑道上滑行時發(fā)出的噪聲點,實現(xiàn)了運動物體的噪聲實時監(jiān)測和分析[4]；李加慶等利用傳聲器陣列研制了聲場可視化系統(tǒng),實現(xiàn)了聲信號的采集和處理,以及定位聲信號的來源[5]。上述幾種方法雖然都能夠?qū)崿F(xiàn)聲源定位,但不能直觀顯示聲場分布與真實世界物體的空間映射。在聲陣列技術(shù)的基礎(chǔ)上,聲相儀(聲學照相機)通過結(jié)合數(shù)碼相機技術(shù)以云圖的方式實現(xiàn)了聲源定位,同時顯示真實場景中的聲源。Seok-Hyung Bae等發(fā)明的手持式聲學照相機,使聲音形成可視化的色彩輪廓[6]。

為了對基于傳聲器陣列的聲源定位系統(tǒng)作進一步研究,Oerlemans S和Sijtsma P研究了線性不相干單極子聲源對聲源定位系統(tǒng)絕對聲壓級的影響[7]；Barsikow B等使用傳聲器分別構(gòu)成水平線性、垂直線性、十字和X形等多種陣列,對比了各種形狀陣列下噪聲源的識別結(jié)果,同時以分析頻率段的不同對傳聲器間距進行了相應(yīng)調(diào)整,達到了最佳分析效果[8]；而目前對傳聲器的校準方法是采用標準活塞式聲源對每個傳聲器進行幅值校準[9]。

上述的幾種方法僅僅是從聲源定位系統(tǒng)的聲學特性和傳聲器及其陣列方面對聲源定位系統(tǒng)開展了相關(guān)研究,對于聲源定位系統(tǒng)而言,客觀評價聲源定位結(jié)果的準確與否才具有真正的實際意義?！堵曉醋R別定位系統(tǒng)(波束形成法)校準規(guī)范》[10]初步為聲源定位系統(tǒng)的定量評價提供了技術(shù)標準,但是只適用于基于波束形成算法的聲源定位系統(tǒng)。聲相儀作為聲源定位系統(tǒng)的分支,其聲源定位結(jié)果是空間聲場分布云圖與真實場景圖的結(jié)合,然而目前大部分的聲相儀僅被視為測量工具,雖然能提供定量數(shù)據(jù),但缺乏統(tǒng)一的方法直接對其聲學圖像與光學圖像結(jié)合的結(jié)果進行綜合評價說明,因此需要一種方法對聲相云圖的聲源定位結(jié)果直接進行客觀評價。

為此,本文提出了一種基于圖像處理的聲相云圖評價方法,分析了聲相儀的成像原理,提出將聲源定位結(jié)果的方位角誤差和俯仰角誤差作為聲相云圖聲源定位誤差的評價指標。利用差影法去除背景干擾,提取聲相云圖的聲源定位成像區(qū)域,經(jīng)過灰度二值化、腐蝕膨脹和加權(quán)平均計算之后,通過圖像標定將計算所得的成像區(qū)域中心像素坐標轉(zhuǎn)換為實際物理空間位置坐標,并與所定位的聲源實際位置坐標相比較,計算得到方位角誤差和俯仰角誤差。

2 聲相云圖聲源定位誤差結(jié)果評價

聲相儀是通過傳聲器陣列測量一定空間內(nèi)的聲波到達各傳聲器的信號相位差異,依據(jù)相控陣原理確定聲源的位置,測量聲源的幅值,并以圖像的方式顯示所測空間的聲壓分布情況即聲學圖像(聲源定位成像區(qū)域),其中以圖像的顏色和亮度代表聲音的強弱。聲學圖像和安裝在陣列上的攝像頭捕獲的視頻圖像被透明地堆疊,以形成被測對象的可視可分析噪聲狀態(tài),稱為聲相云圖[11]。如圖1所示為聲相儀定位原理示意圖。

圖1 聲相儀定位原理及誤差示意圖Fig.1 Positioning principle of sound imaging instrument and error diagram

在聲相儀系統(tǒng)的設(shè)計中,定位的主要目的是使聲源定位結(jié)果能夠?qū)仕ヅ牡穆曉碵12]。然而在使用聲相儀的過程中,聲相云圖在不同抓拍距離平面內(nèi)其單位像素與實際物理空間的尺寸對應(yīng)關(guān)系是不同的。針對聲相儀有效抓拍范圍有限和遠距離抓拍時聲源定位結(jié)果較難評價的問題,在分析聲相儀定位成像原理的基礎(chǔ)上,提出了以方位角誤差和俯仰角誤差作為聲相云圖聲源定位誤差的評價指標。由于這兩個評價指標在不同抓拍距離平面內(nèi)不受單位像素與實際物理空間的尺寸對應(yīng)關(guān)系的影響,因此,在聲相儀聲源定位結(jié)果評價工作中,其方位角和俯仰角的準確與否,可以代表著定位返回的結(jié)果能否對準所抓拍的聲源。

如圖1所示,以聲相云圖圖像中心O點為原點建立坐標系,假設(shè)P(x0,y0)為聲源實際位置二維坐標點,Q(xi,yi)為聲相云圖中聲源定位成像區(qū)域中心對應(yīng)的二維坐標點,傳聲器陣列平面與聲相片平面的距離為d,將P點與Q點的坐標投影到x方向和y方向,即可計算出相對應(yīng)的方位角和俯仰角,則聲相儀聲源定位結(jié)果的方位角定義為：

(1)

俯仰角定義為：

(2)

則方位角誤差為：

err(φ)=|φi-φ0|

(3)

俯仰角誤差為：

err(θ)=|θi-θ0|

(4)

式(1)、式(2)中的參數(shù)xi、yi屬于聲相云圖中Q點的像素點坐標,需通過對聲相云圖進行標定之后將其換算為實際物理空間中的位置坐標進行計算。式(3)、式(4)中的φ0和θ0分別為聲源實際物理空間位置坐標P(x0,y0)計算出的實際方位角和俯仰角。

3 聲源位置的獲取

3.1 聲相云圖聲源定位中心位置坐標的獲取

為了求得聲相云圖聲源定位成像區(qū)域中心位置的像素點坐標,本文運用圖像處理技術(shù)對聲相云圖進行了處理,整個圖像處理過程如圖2所示。首先利用差影法[13～15]將圖2(a)所示的聲相云圖中含有聲源定位成像結(jié)果的圖片(原圖)與未含聲源定位成像結(jié)果的背景圖片進行相減,提取到聲源定位成像區(qū)域圖像即圖2(b)。然后進行濾波處理,提高圖像質(zhì)量,使目標輪廓清晰,邊界灰度變化明顯。通過設(shè)置閾值進行灰度二值化處理得到圖2(c)后,再進行腐蝕膨脹得到圖2(d)所示的結(jié)果。

圖2 圖像處理過程Fig.2 Procedure of image processing

最后采用加權(quán)平均的方法將圖2(d)中灰度值為255(白色)的像素橫縱位置累加求均值得到中心坐標,即聲相云圖中聲源定位成像區(qū)域中心的像素坐標。由于求得的坐標是以像素點坐標形式表示的,需通過圖像標定得到圖像像素點位置與實際物理空間點坐標的關(guān)系,進而求得聲源定位成像區(qū)域中心在實際物理空間上的位置坐標。整個圖像處理的流程如圖3所示。

圖3 圖像處理流程圖Fig.3 Flow chart of image processing

3.2 聲相云圖的標定

為了確定聲相儀系統(tǒng)所采集的圖像中單位像素相對應(yīng)的實物尺寸的大小,需要對聲相云圖進行標定。在聲源與聲相儀傳聲器陣列正對的平面內(nèi),根據(jù)張氏標定原理,選用一個已知實際尺寸L0×H0的標準棋盤格,對聲相云圖的橫向和縱向進行標定,計算出圖像的橫向尺寸當量η1=L0/L1和縱向尺寸當量η2=H0/H1,其中L1、H1分別為所采集的該標準棋盤格的橫向尺寸與縱向尺寸,以像素點的個數(shù)表示。

標定完畢后,即可根據(jù)聲相云圖的橫向尺寸當量η1和縱向尺寸當量η2,求得圖像中聲源定位成像區(qū)域中心在實際物理空間上的位置坐標,因此聲相儀聲源定位結(jié)果的方位角為：

(5)

聲源定位結(jié)果的俯仰角為：

(6)

4 實驗測量過程與結(jié)果

在全消聲室內(nèi),利用聲相儀進行聲源定位抓拍實驗的系統(tǒng)如圖4(a)、(b)所示,主要包括聲源(喇叭)、聲相儀、功率放大器、信號發(fā)生裝置和計算機。信號發(fā)生裝置發(fā)射單頻正弦波連續(xù)信號,經(jīng)過功率放大器放大后驅(qū)動聲源工作。聲相儀對單頻正弦波信號激勵的聲源進行實時定位,并將聲源定位結(jié)果保存于計算機內(nèi)。

圖4 聲源定位實驗系統(tǒng)Fig.4 Sound source positioning experiment system

如圖4(c)所示,在聲源與聲相儀傳聲器陣列中心相距固定距離(1 m、2 m、3 m)的正對平面內(nèi),利用聲相儀對聲源進行定位成像。實驗過程中,以聲相云圖圖像中心為坐標原點,規(guī)定坐標系的x軸方向為圖像的水平方向,y軸方向為圖像的垂直方向。當測量聲相儀系統(tǒng)聲源定位結(jié)果的方位角誤差時,在聲相儀攝像頭視場范圍內(nèi),從水平方向x軸的負方向到正方向等間距地改變安裝于水平導軌上的聲源的位置,聲源移動的范圍達到聲相儀攝像頭水平方向的最大視野范圍(-21°～21°),且在每個位置點利用信號發(fā)生裝置發(fā)射信號,經(jīng)過功率放大器放大后驅(qū)動聲源工作,聲相儀實時對聲源進行抓拍。同理,當測量聲相儀系統(tǒng)聲源定位結(jié)果的俯仰角誤差時,從垂直方向y軸的負方向到正方向等間距地改變安裝于垂直導軌上的聲源的位置,聲源移動的范圍達到聲相儀攝像頭垂直方向的最大視野范圍(-18°～18°),聲相儀實時對每個位置上聲源發(fā)聲進行抓拍。

運用本文提出的方法對聲相云圖進行圖像處理獲得聲相云圖的聲源定位成像區(qū)域中心像素坐標后,通過標定獲得聲源定位成像區(qū)域中心的實際物理位置坐標,并計算得到聲源定位結(jié)果的方位角和俯仰角,將其與聲源實際位置坐標計算得到的真實值比較,則各個距離平面上本文方法所得的方位角和俯仰角結(jié)果與真實值結(jié)果的對比曲線如圖5所示。

圖5 本文方法與真實值對比Fig.5 Comparison of the method and the true value

由圖5可得,兩者的對比曲線差異較小,趨勢相同,因此本文運用圖像處理技術(shù)對聲相云圖進行處理得到聲源的位置是準確的,且在聲源處于x、y方向上的零位置點(圖像中心)附近所得的結(jié)果,相比較于聲源處于x、y方向上遠離零位置點所得的結(jié)果,更接近于真實值。將圖5中兩條曲線作誤差計算,則各個距離平面上的方位角誤差和x俯仰角誤差的結(jié)果如圖6所示。

圖6 聲源定位誤差評價Fig.6 Evaluationof Sound source positioning error

將圖6中各個距離平面內(nèi)方位角誤差和俯仰角誤差的最大值與最小值提取出來,則方位角誤差和俯仰角誤差最值情況如表1所示。

表1 不同距離平面方位角和俯仰角最值對比Tab.1 Comparison of maximum or minimum azimuth and pitch angle at different distances (°)

由圖6可得,在聲源與聲相儀陣列距離不同的正對平面內(nèi),在聲源實際方位角處于(-8°～8°)區(qū)間內(nèi)時,該款聲相儀聲源定位成像結(jié)果的方位角誤差分布在0.1°～0.4°之間,而區(qū)間外的方位角誤差分布在0.4°～0.7°之間,同理其俯仰角誤差在聲源實際俯仰角處于(-6°～6°)區(qū)間內(nèi)時也分布在0.1°～0.4°之間,區(qū)間外的俯仰角誤差分布在 0.4°～0.7°之間。實驗結(jié)果表明,該款聲相儀在其攝像頭水平方向的(-8°～8°)與垂直方向的 (-6°～6°)的公共視野范圍內(nèi)聲源定位誤差比其他范圍內(nèi)的誤差小,即聲相儀在攝像頭抓拍視野中心區(qū)域(正對傳聲器陣列中心)內(nèi)的聲源定位性能比視野邊緣的定位性能好。進一步地從不同抓拍距離平面來看,在聲相儀的有效作用距離內(nèi),抓拍距離為1 m、2 m、3 m的正對平面內(nèi)方位角誤差和俯仰角誤差的差異不大,由表1可得,不同抓拍距離平面的方位角誤差和俯仰角誤差的最值情況變化起伏不大,波動不超過0.05°,其聲源定位性能一致性保持良好。因此本文方法對聲相云圖聲源定位結(jié)果進行評價是有效的。

5 結(jié) 論

聲相儀用于定位聲源位置,利用傳聲器陣列測量一定范圍內(nèi)的聲場分布,并用云圖方式顯示出直觀的聲圖像,可以確定真實世界物體與聲圖像之間的空間映射。

針對目前聲相儀所拍攝的聲相云圖缺乏統(tǒng)一的評價方法,以及聲相儀抓拍距離較遠時,定位結(jié)果較難評價的問題,本文提出將聲源定位結(jié)果的方位角誤差和俯仰角誤差作為聲相云圖聲源定位誤差的評價指標。通過將聲相云圖的定位成像區(qū)域中心在實際物理空間上的位置坐標計算所得的方位角和俯仰角與實際真實值相比較,可得到聲源定位結(jié)果的方位角誤差和俯仰角誤差。

實驗結(jié)果表明,本文結(jié)合圖像處理技術(shù)對聲相云圖聲源定位成像區(qū)域進行提取,并根據(jù)成像區(qū)域中心位置坐標計算出方位角和俯仰角,與采用聲源實際物理空間位置坐標計算所得到的真實值相比,兩者差異較小,該款聲相儀在攝像頭抓拍視野中心區(qū)域(正對傳聲器陣列中心)內(nèi)的聲源定位性能比視野邊緣的定位性能好,且在系統(tǒng)有效作用距離條件下,不同抓拍距離平面的聲源定位性能一致性保持良好。因此本文方法能夠?qū)β曄鄡x聲相云圖空間聲場分布云圖與真實場景相結(jié)合的定位結(jié)果進行統(tǒng)一評價,便于對聲相儀的性能分析,且圖像處理過程操作簡單。

此外,本文實驗是在室內(nèi)消聲室環(huán)境下進行測試的,關(guān)于室外現(xiàn)場聲相儀聲源定位結(jié)果的研究今后將繼續(xù)推進,以便能夠更全面地對聲相儀的聲源定位誤差結(jié)果進行評價。