聲源定位技術(shù)新應(yīng)用：鳴笛抓拍系統(tǒng)原理詳解

為更高效查處各種交通違法違規(guī)行為，交管部門不斷加大信息化建設(shè)，積極引入各種創(chuàng)新治理方式。

近年來(lái)，“聲吶電子警察”——違法鳴笛抓拍系統(tǒng)從無(wú)到有，對(duì)亂鳴喇叭不文明行為起到了很大的威懾作用。其高自主研發(fā)的鳴笛抓拍系統(tǒng)覆蓋了全國(guó)上百個(gè)城市，無(wú)疑成為了備受關(guān)注的產(chǎn)品之一。?

其高鳴笛抓拍系統(tǒng)（又稱鳴號(hào)抓拍）可以把鳴笛過(guò)程完完整整地記錄下來(lái)了，音視頻全再現(xiàn)，違法亂鳴喇叭的司機(jī)想抵賴都不好意思。

由于鳴笛抓拍系統(tǒng)太過(guò)于神奇，相關(guān)的亂按喇叭就抓拍的產(chǎn)品一在社會(huì)上亮相就“問(wèn)題不斷”，例如：其高鳴笛抓拍系統(tǒng)是如何做到精準(zhǔn)抓拍的？?jī)绍嚥⑴虐ぶ鴷?huì)不會(huì)抓錯(cuò)？短按一下，喇叭聲也能被抓拍嗎？會(huì)不會(huì)因剎車聲被誤抓？下雨也能抓嗎？……

其實(shí)，上面這些都不是“問(wèn)題”。其高專注于聲學(xué)技術(shù)與聲音定位研發(fā)十多年，這種“問(wèn)題”見多了，已經(jīng)發(fā)布了可大量使用復(fù)制的鳴笛抓拍系統(tǒng)產(chǎn)品，亂鳴喇叭抓拍系統(tǒng)在全國(guó)一百多個(gè)城市長(zhǎng)期穩(wěn)定使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)亂鳴笛車輛的即時(shí)精準(zhǔn)抓拍。

其高鳴笛抓拍系統(tǒng)為何能夠在嘈雜的環(huán)境中，精準(zhǔn)識(shí)別出亂鳴喇叭的車輛？本文將詳細(xì)闡述其高鳴笛抓拍系統(tǒng)的底層工作原理。?

聲源定位技術(shù)

介紹原理之前，我們先來(lái)簡(jiǎn)單了解一下聲源定位技術(shù)。

聲學(xué)技術(shù)的應(yīng)用有很多細(xì)分領(lǐng)域，如語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音增強(qiáng)、智能音箱、降噪耳機(jī)等。其高科技則深耕聲源定位應(yīng)用十多年，解決聲音從哪里來(lái)的問(wèn)題。聲源定位一般應(yīng)用在工業(yè)和軍工領(lǐng)域的故障診斷和聲品質(zhì)提升，例如汽車、家電產(chǎn)品等的異響定位、故障定位、潛艇的噪聲傳遞路徑、飛機(jī)起飛噪聲分布等。其高科技在麥克風(fēng)陣列、聲學(xué)相機(jī)、聲吶的技術(shù)上擁有從軟件、硬件到算法的全部自主研發(fā)能力。

聲吶技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用于潛艇在水下對(duì)敵方艦船的定位。所謂聲吶，即是由多個(gè)水聽器組成的設(shè)備，水聽器在水下可以接收到艦船航行的聲音。聲吶定位的原理和麥克風(fēng)陣列（又稱聲學(xué)照相機(jī)）一樣，也是根據(jù)各個(gè)水聽器收到信號(hào)的時(shí)間差來(lái)反推水聲來(lái)源方向。

鳴笛抓拍系統(tǒng)是聲吶定位技術(shù)在交通管理領(lǐng)域的成功應(yīng)用典范，其高KeyVES系列鳴笛抓拍產(chǎn)品是市場(chǎng)上第一款真正可以穩(wěn)定使用的鳴笛抓拍產(chǎn)品， 在實(shí)際道路場(chǎng)景下達(dá)到95%以上的準(zhǔn)確率。

其高自主研發(fā)用于鳴笛抓拍的麥克風(fēng)陣列

鳴笛抓拍系統(tǒng)工作原理?

如圖1所示，基于麥克風(fēng)陣列的鳴笛抓拍系統(tǒng)主要由鳴笛聲識(shí)別和鳴笛聲定位兩部分組成。

圖1 鳴笛抓拍系統(tǒng)框圖

“麥克風(fēng)陣列”模塊是硬件，由幾十個(gè)麥克風(fēng)同時(shí)采集聲音信號(hào)，也稱為聲學(xué)照相機(jī)，可分辨噪聲源位置。

“鳴笛聲識(shí)別”模塊解決“聽準(zhǔn)”的問(wèn)題，也就是確保鳴笛抓拍系統(tǒng)抓拍結(jié)果是依據(jù)鳴笛聲的定位，而不是因?yàn)槠渌曇舳ヅ摹C(jī)動(dòng)車在禁鳴區(qū)域發(fā)出鳴笛聲，抓拍系統(tǒng)可以取證并由交管部門進(jìn)行處罰。但是，機(jī)動(dòng)車發(fā)出其他聲音，聲音再大，目前也沒(méi)有相關(guān)法規(guī)可以依據(jù)進(jìn)行處罰，抓拍系統(tǒng)不應(yīng)實(shí)施抓拍取證，例如，大貨車的剎車聲也擾民，但不能因?yàn)樗l(fā)出剎車聲而對(duì)其進(jìn)行處罰。

“鳴笛聲定位”模塊解決“定準(zhǔn)”的問(wèn)題，也就是通過(guò)聲源定位算法確定按喇叭車輛。抓拍系統(tǒng)定位誤差必須足夠小，不能因A車?guó)Q笛，結(jié)果對(duì)B車進(jìn)行抓拍。

鳴笛聲識(shí)別

通過(guò)分析鳴笛聲與環(huán)境噪聲的能量比、鳴笛聲的持續(xù)時(shí)間及鳴笛聲頻域特征，可以將鳴笛聲與其他非鳴笛聲，比如道路噪聲、人聲、環(huán)境聲、風(fēng)雨聲、鳥叫聲等區(qū)分開來(lái)。

典型鳴笛聲聲紋特征

鳴笛聲是一種通過(guò)多個(gè)正弦信號(hào)調(diào)制、具有豐富諧波的信號(hào)。

圖2是麥克風(fēng)陣列單個(gè)通道采集的一個(gè)包含噪聲與鳴笛聲的時(shí)域信號(hào)。

圖3是該時(shí)域波形的短時(shí)能量，從該圖可知鳴笛時(shí)的能量遠(yuǎn)大于噪聲能量。不僅如此，從該短時(shí)能量圖上可以看出，鳴笛聲的其持續(xù)時(shí)間一般要大于200毫秒。

圖4是該時(shí)域波形的中分別截取0.2秒的鳴笛信號(hào)和噪聲信號(hào)的功率譜比對(duì)圖，從該圖可知鳴笛信號(hào)具有豐富的譜線，且各個(gè)譜線之前呈類似諧波的特征。

圖2 典型鳴笛聲時(shí)域波形

圖3 典型鳴笛聲短時(shí)能量

圖4 典型鳴笛聲音與噪聲頻譜

非鳴笛噪聲排除

鳴笛聲的頻譜聲紋特征很明顯，但也不是100%獨(dú)有，很多環(huán)境噪聲也會(huì)有類似的特征，例如剎車聲、雨滴聲、鳥叫聲、蟬鳴聲等等都有可能被誤認(rèn)為是鳴笛聲。

其高鳴笛抓拍系統(tǒng)采用深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別鳴笛聲，通過(guò)上千萬(wàn)筆各種道路狀況下的鳴笛聲訓(xùn)練，形成魯棒的模型，能夠排除各種非鳴笛噪聲的干擾，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位抓拍。

以下是幾種典型非鳴笛噪聲信號(hào)的特征分析。

普通剎車

普通剎車是指小轎車的剎車聲。

圖5為典型的剎車信號(hào)；圖6為剎車信號(hào)的頻譜圖。通過(guò)該頻譜特征可以有效識(shí)別為非鳴笛聲。

圖5 剎車信號(hào)的時(shí)域波形

圖6 剎車信號(hào)的頻譜

氣剎聲

氣剎聲是指由大貨車發(fā)出的剎車聲。

圖7為典型的氣剎信號(hào)；圖8為氣剎信號(hào)的頻譜圖。

該頻譜結(jié)比普通剎車聲具有更加豐富的諧波，但與鳴笛聲的頻譜特征還是有差別。

圖7 氣剎信號(hào)的時(shí)域波形

圖8 氣剎信號(hào)的頻譜

雨滴聲

雨滴直接敲擊鳴笛抓拍系統(tǒng)的麥克風(fēng)陣列，可以產(chǎn)生很大聲壓級(jí)的噪聲。

圖9為一典型小雨情況下的雨滴聲時(shí)域波形。

圖10和圖11分別是該信號(hào)的短時(shí)能量和頻譜，通過(guò)短時(shí)能量發(fā)現(xiàn)雨滴聲持續(xù)的時(shí)間遠(yuǎn)小于鳴笛聲，且頻譜也與鳴笛聲不同，故可以排除該類噪聲。

圖9 雨滴信號(hào)的時(shí)域波形

圖10 雨滴信號(hào)的時(shí)域波形

圖11 雨滴信號(hào)的頻譜

鳴笛聲定位算法

主要的聲源定位方法可分為以下三類：

1.基于時(shí)間到達(dá)差的方法：該方法原理簡(jiǎn)單，使用麥克風(fēng)數(shù)量少，計(jì)算量小，易于實(shí)現(xiàn)。但其主要核心為計(jì)算聲源到達(dá)各個(gè)麥克風(fēng)的時(shí)間差，這要求系統(tǒng)的采樣率足夠高；此外，該方法在通過(guò)互相關(guān)或廣義互相關(guān)的方法對(duì)周期性信號(hào)的計(jì)算結(jié)果存在較大誤差，而鳴笛聲信號(hào)就可以認(rèn)為是一類準(zhǔn)周期信號(hào)。

2.基于高分辨率譜估計(jì)的方法：該方法需要首先獲得接收信號(hào)的空間相關(guān)矩陣，這在實(shí)際中是比較困難。該方法對(duì)定位模型的誤差十分敏感，魯棒性較差。該方法常常用于窄帶的信號(hào)的定位，雖然可以將鳴笛信號(hào)分解成多個(gè)窄帶進(jìn)行定位，但由此帶來(lái)的計(jì)算量成倍增長(zhǎng)。

3.基于波束形成的方法：該方法通過(guò)將陣列中各個(gè)傳感器所采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波、加權(quán)疊加后形成波束，掃描整個(gè)接收空間。波束最大的點(diǎn)即為目標(biāo)聲源，該方法可以同時(shí)定位多個(gè)聲源。更為重要的是該方法魯棒性較強(qiáng)，不需要先驗(yàn)知識(shí)。

其高KeyVES鳴笛抓拍系統(tǒng)采用波束形成算法來(lái)實(shí)現(xiàn)鳴笛聲的精準(zhǔn)定位。

將圖2采集到的一組鳴笛信號(hào)進(jìn)行波束形成，定位結(jié)果如圖12所示。

圖13是與畫面信息疊加后的結(jié)果，可見定位結(jié)果與車輛真實(shí)位置一致。

圖12 鳴笛聲定位結(jié)果

圖13 鳴笛聲定位結(jié)果

違法鳴笛抓拍系統(tǒng)應(yīng)用

基于上述方法，其高自主研發(fā)出的鳴笛抓拍產(chǎn)品，能夠?qū)崟r(shí)精準(zhǔn)定位汽車?guó)Q笛聲，生成符合GAT832-2014《道路交通安全違法行為圖像取證技術(shù)規(guī)范》要求的處罰依據(jù)圖片，以及生成2s的“聲音視頻“，為違法鳴笛抓拍取證提供權(quán)威依據(jù)。鳴笛抓拍系統(tǒng)作為違法亂鳴笛抓拍的輔助執(zhí)法手段已在全國(guó)各大城市得到了應(yīng)用和推廣。

其高科技可為用戶提供多款自主研發(fā)，成熟可靠的鳴笛抓拍產(chǎn)品， 包括固定式鳴笛抓拍系統(tǒng)，便攜式鳴笛抓拍儀和車載式鳴笛抓拍系統(tǒng)，該系列產(chǎn)品通過(guò)公安部、計(jì)量院等權(quán)威機(jī)構(gòu)的多項(xiàng)專業(yè)認(rèn)證。

1、 固定式鳴笛抓拍系統(tǒng)：行業(yè)內(nèi)應(yīng)用廣泛,成熟可靠的一款產(chǎn)品,可根據(jù)需求安裝于不同路段，1根現(xiàn)有電警桿即可安裝完成。目前已在全國(guó)100多個(gè)城市應(yīng)用，且開始實(shí)施非現(xiàn)場(chǎng)處罰。

2、 車載式鳴笛抓拍系統(tǒng)：了兼顧移動(dòng)性和實(shí)用性的鳴笛抓拍設(shè)備，可彌補(bǔ)固定式鳴笛抓拍無(wú)法迅速改變部署位置的不足， 便于交警隨時(shí)隨地進(jìn)行違法鳴笛監(jiān)管，

3、 便攜式鳴笛抓拍儀：一體式鳴笛抓拍系統(tǒng)，攜帶方便，重量不超過(guò)5kg，可架設(shè)于三腳架上，立于路邊，即開即用，無(wú)需復(fù)雜的安裝調(diào)試工作，即可對(duì)過(guò)往機(jī)動(dòng)車的違法鳴笛行為進(jìn)行抓拍取證。

其高科技自主研發(fā)的多款違法鳴笛抓拍系統(tǒng)