音頻可視化在車輛外燈系統(tǒng)燈光秀的應用研究

郝鵬飛

（上海禾騁科技有限公司，上海 200436）

1 引言

車輛外燈系統(tǒng)燈光秀是近幾年興起的全新應用場景，結合聲、光、電實現效果，順應了年輕人對車輛個性化功能的追求。燈光秀由外放音樂和燈光效果共同組成，功能激活時燈光會隨著音樂的節(jié)奏舞動。實現音樂外放有兩種方式：一種是采用內置揚聲器，在進行燈光秀的時候將車窗降下，音樂從車內傳播到車外；另外一種是利用外置揚聲器直接播放音樂。燈光效果則由使用了LED光源的燈具實現，決定效果的兩個關鍵因素是可獨立控制的LED顆數以及LED光源的布置形式。目前車輛外燈系統(tǒng)燈光秀是通過存儲效果腳本（按照時間順序定義不同LED點亮狀態(tài)的信號）的方式實現，由于避開了音頻實時處理的限制，腳本可以實現很好的燈光秀效果。但缺點是制作腳本需要投入很大的成本，更新升級周期長，腳本占用空間大。另外，如果存儲腳本，則需要前照燈控制器有較大的存儲空間，才能實現多種效果；如果不儲存在前照燈控制器內，就需要對腳本打包進行傳輸后才能實現效果，延時問題就很難解決。因此，想要擴展燈光秀的多種效果，實現快速更新升級，就必須找到一種全新的實現方案。

2 音頻可視化

外燈系統(tǒng)燈光秀的設計，實際上是音頻可視化的一種設計方案，在對音頻的特征提取之后映射成燈光相應的可視化效果，如圖1所示。

圖1 音頻與燈光效果的對應關系

其中，提取音頻的頻率信息映射到燈光系統(tǒng)的LED點亮位置，音頻的強度信息映射收到燈光系統(tǒng)LED的亮度，將燈光效果映射定義完成之后，按照音樂節(jié)奏將每一節(jié)拍的效果連續(xù)起來便實現了音頻燈光的可視化效果。

2.1 音頻特征提取

音頻可視化過程中，提取音頻強度、音頻頻率較為容易，因為在多媒體設備中，音頻信號一般是PCM編碼的音樂信號，屬于離散數字信號。目前對自然音頻（如wave、wma、mp3等格式的音頻）的內容分析和特征提取可實現的方法有不少，如FFT、Wavelet、固定窗口等，本文通過FFT（快速傅里葉變換）方式提取所需的音頻強度和頻率信息關系如下，其中，頻率分級數量的可根據燈光系統(tǒng)LED分組的數量進行設計，如圖2～圖4所示，圖3提取的音頻頻率數量是圖2的2倍，圖4提取的音頻頻率數量是圖2的4倍。

圖2 音頻特征提取信息（1）

圖3 音頻特征提取信息（2）

圖4 音頻特征提取信息（3）

2.2 音頻節(jié)拍檢測

音樂節(jié)奏與燈光的點亮時序匹配好才能保證燈光效果的品質，可以通過音頻的節(jié)拍與燈光LED的點亮時序映射實現。目前，對于PCM編碼的音樂文件，實現的方法也較多，并且檢測效果也能夠滿足要求，但對于整車集成的需求來說，兼顧檢測效果的同時，還要求節(jié)拍算法盡量簡單、占用資源盡量少。滿足要求的有以下兩類算法。

一類是金文燦等人采用的比較音樂短時能量的方式來判斷節(jié)奏點，即通過判斷短時能量的極值點來確定節(jié)拍點。提取時間的間隔采用了50ms，理論上滿足節(jié)拍間隔的要求（一般情況下，節(jié)拍周期在0.33～1.33s之間）。極端情況下，即使每50ms有一個節(jié)拍，燈光LED每50ms變化一次，對于人眼的感知來說，變化已經夠流暢了，節(jié)奏太快已經失去意義（視覺暫留時間在科學上通常被認為是0.1～0.4s）。

另外一類是楊潔等人采用的方法，考慮到人耳對音樂節(jié)拍的感知情況（每分鐘音樂節(jié)拍出現的個數在45～180之間），采用降采樣率的方式、將音頻采樣率從44.1kHz降到630Hz，實現了準確的節(jié)拍檢測并通過算法處理降低了算法的資源占用率。

3 燈具效果設計

傳統(tǒng)的燈具一般分布在車身的左右兩側，要實現燈光秀效果會有一個致命的缺陷，那就是中間部分效果無法連貫。因此、要實現燈光秀功能，應盡量采用貫穿式的LED燈具設計。

按照音頻可視化的映射規(guī)則，分別將音頻頻率、音頻強度與燈光LED分組數量、亮度等級一一對應，如圖5所示。

圖5 基于音頻可視化的燈光效果

其中，在音頻強度與LED亮度的對應關系中，亮度100%為晝間行駛燈的亮度，而10%大致相當于位置燈的亮度，為了弱化亮度從10%直接變化到100%的跳變，使得效果過渡更柔和，中間增加了50%的亮度值，在實際的設計中也可以不考慮這一亮度等級。同樣，與亮度對應的音頻強度分級范圍也可以根據實際情況作相應調整。

在頻率與LED點亮位置的對應關系中，頻率的帶寬及整體范圍，需要根據燈具設計中LED的排布、數量以及最終呈現的效果作相應處理。

將燈光效果映射定義完成之后，按照音樂節(jié)奏將每一節(jié)拍的效果連續(xù)起來，便實現了音頻燈光的可視化效果，如圖6所示。

圖6 基于節(jié)拍點的燈光連續(xù)效果

4 動畫效果制作

在實際的開發(fā)過程中，燈光秀的造型渲染動畫與底層的功能實現之間，存在著巨大的空白區(qū)域，溝通成本非常高。為了解決這一難題，基于前文所述的可視化原理，選取目標音頻后，對音頻強度、音頻頻率進行提取并檢測音頻節(jié)拍，按照映射關系就可以完成造型動畫的制作。如果沒有條件利用軟件算法檢測音頻節(jié)拍，也可以利用音樂的曲譜信息——音符和拍速計算節(jié)拍，然后進行動畫效果的制作。如“四分音符=120”，表示每分鐘演奏120個四分音符。四分音符表示1拍的時間是：60/120≈0.5s。

需要注意的是，音頻特征的提取與燈具LED的布置要相互匹配，才能實現較好的渲染動畫效果。某車型燈光秀的渲染效果（貫穿燈部分）如圖7所示。

圖7 某車型燈光秀的渲染效果（貫穿燈部分）

5 架構設計

車輛外燈系統(tǒng)燈光秀需要中控屏界面、信息娛樂主機或計算平臺、車身控制單元、外燈控制器、外部燈具、功放、車門控制器、車窗、揚聲器（內置或外置）等模塊共同參與實現。用戶可在中控屏設置燈光秀開啟、選擇效果等操作；信息娛樂主機將燈光秀信息發(fā)送給車身控制單元，由車身控制單元進行進一步的處理，同時信息娛樂主機控制多媒體輸出，由功放控制揚聲器實現音頻的播放；車身控制器實現燈光秀功能的條件判斷與邏輯處理，當僅有內置揚聲器時，需要控制車門控制器實現車窗的升降；外燈控制器實現最終的燈光效果。系統(tǒng)方案如圖8所示。

圖8 燈光秀架構方案

其中，核心的音頻處理部署在信息娛樂主機或計算平臺內部，對多媒體的音頻進行特征提取以及節(jié)拍檢測，并將音頻特征、節(jié)拍點信息與燈光LED位置、亮度、時序融合處理后，形成信號流輸入給外燈控制器。

6 結束語

燈具的造型（尤其是貫穿式前后燈）以及燈具電子控制的快速發(fā)展，使得車輛燈具也快速地融入了汽車智能化的浪潮之中，一些新的使用場景應運而生，燈光秀就是其中之一。

目前燈光秀是通過基于時間順序制作燈光效果腳本，前照燈控制器接收腳本后進行解碼并控制燈光LED的不同位置、不同時間的亮/滅，從而實現相應的動態(tài)效果。

本文通過對音頻可視化技術的篩選，將其中的部分技術（如音頻特征提取、音頻節(jié)拍檢測）與車輛燈光系統(tǒng)燈光秀結合，實現了基于功能邏輯的燈光秀效果渲染，為造型效果與工程實現起到了很好的橋梁作用，極大程度降低了造型師與工程師的溝通成本，有利于燈光秀效果渲染的快速更新與評審。同時，由于音頻可視化領域，音頻特征提取、節(jié)拍算法都有較成熟的技術，本文應用這些成熟的技術，對燈光秀功能進行了架構設計，可實現基于音頻的實時燈光秀效果。

當然，也可以看到，由于燈光秀效果受主觀因素影響較大，即使在理論上與臺架驗證完成，在實際車型開發(fā)過程中依然需要重新優(yōu)化。綜合看來，有以下幾個主要影響因素：燈具造型LED布局與音頻特征中頻率分級的匹配；信息娛樂主機（計算平臺）的算力情況；信號流的傳輸速率。

這些影響因素都需要在開發(fā)過程中考慮，結合期望的燈光秀效果予以取舍平衡。期待本文的研究能夠為同行提供一些參考方向，對燈光秀這一新興應用場景推陳出新。