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CN111787609A - 基于人体声纹特征和麦克风基站的人员定位系统及方法 - Google Patents

基于人体声纹特征和麦克风基站的人员定位系统及方法 Download PDF

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CN111787609A
CN111787609A CN202010654665.XA CN202010654665A CN111787609A CN 111787609 A CN111787609 A CN 111787609A CN 202010654665 A CN202010654665 A CN 202010654665A CN 111787609 A CN111787609 A CN 111787609A
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罗远哲
刘瑞景
陆立军
薛瑞亭
罗晓婷
李冠蕊
郑玉洁
赵爱民
罗晓萌
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Beijing China Super Industry Information Security Technology Ltd By Share Ltd
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Beijing China Super Industry Information Security Technology Ltd By Share Ltd
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Abstract

本发明涉及一种基于人体声纹特征和麦克风基站的人员定位系统及方法。该定位系统包括前期采集人体声纹特征的采集设备以及后期安装在室内用于定位的麦克风基站和用于处理数据并获得人员定位结果的服务器;通过采集设备采集待定位人员的声音特征,并存储到服务器;麦克风基站在时钟同步的基础上,同时采集声音信息,并经过提取匹配后,根据声音到达各自基站的时间差进行位置解算,确定待定位人员的当前位置。采用本发明能够在大的定位范围内对待定位人员精确定位,提高定位精度,降低系统能耗。

Description

基于人体声纹特征和麦克风基站的人员定位系统及方法
技术领域
本发明涉及声纹特征检测领域、声音信息采集领域和空间定位领域,特别是涉及一种基于人体声纹特征和麦克风基站的人员定位系统及方法。
背景技术
随着科学技术的不断进步,各种针对人员在室内的定位系统已经被广泛使用。但是目前人员定位的设备,大多数待定位人员需佩戴特制的传感器标签。携带无源标签的系统,多是利用射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术进行识别,因无源RFID的功率小,存在定位距离近、范围小的特点;携带有源标签的系统,像蓝牙标签、UWB标签,存在能耗高、需充电的问题,给使用和推广带来不便。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于人体声纹特征和麦克风基站的人员定位系统及方法,以解决现有的人员定位系统定位距离近、范围小以及能耗高的问题。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种基于人体声纹特征和麦克风基站的人员定位系统,包括:采集设备、多个麦克风基站以及服务器;
所述采集设备用于在多个所述麦克风基站时钟同步的情况下,采集多个待定位人员的第一声音特征,并提取所述第一声音特征中的第一声纹特征,将所述第一声纹特征以及所述第一声纹特征对应的待定位人员信息存储至所述服务器,形成声纹特征数据库;
所述麦克风基站用于采集处于所述麦克风基站区域内的待定位人员的第二声音特征,并根据所述第二声音特征提取第二声纹特征以及确定声波到达各个所述麦克风基站的到达时间;
所述服务器用于将所述第二声纹特征与所述声纹特征数据库进行匹配,确定待定位人员信息;还用于基于所述待定位人员信息,利用多个所述到达时间确定声波到达时间差,并根据所述声波达到时间差解算所述待定位人员的当前位置。
可选的,所述麦克风基站具体包括:控制模块、声音采集模块、电源模块以及网络通信模块;
所述声音采集模块、所述电源模块以及所述网络通信模块分别与所述控制模块相连接;所述声音采集模块,用于采集所述第二声音特征,并将所述第二声音特征转换成电信号;所述控制模块用于控制所述麦克风基站的运转,同时标记所述第二声音特征的到达时间;所述电源模块用于对人员定位系统进行供电;所述网络通信模块用于回传数据,并同步多个麦克风基站的时钟。
可选的,所述网络通信模块为的通信方式为无线通信方式或有线通信方式;
若所述通信方式为所述有线通信方式,所述网络通信模块作为电源模块,为人员定位系统进行供电。
可选的,所述麦克风基站的个数为3个或4个。
可选的,所述服务器用于基于TDOA算法,采用二维解算方式或三维解算方式解算所述待定位人员的当前位置。
可选的,若所述麦克风基站的个数为3个:
利用公式
Figure BDA0002576288830000021
建立TDOA方程组,解算所述待定位人员的当前位置;其中,(Xa,Ya)为麦克风基站A的坐标,(Xb,Yb)为麦克风基站B的坐标,(Xc,Yc)为麦克风基站C的坐标,Tba为所述第二声音特征到达所述麦克风基站B和所述麦克风基站A的时间差,Tca为所述第二声音特征到达所述麦克风基站C和所述麦克风基站A的时间差,V为声音的传播速度,(x,y)为待定位人员的当前位置。
可选的,若所述麦克风基站的个数为4个:
利用公式
Figure BDA0002576288830000031
建立TDOA方程组,解算所述待定位人员的当前位置;其中,(Xa,Ya)为麦克风基站A的坐标,(Xb,Yb)为麦克风基站B的坐标,(Xc,Yc)为麦克风基站C的坐标,(Xd,Yd)为麦克风基站D的坐标,Tba为所述第二声音特征到达所述麦克风基站B和所述麦克风基站A的时间差,Tca为所述第二声音特征到达所述麦克风基站C和所述麦克风基站A的时间差,Tda为所述第二声音特征到达所述麦克风基站D和所述麦克风基站A的时间差,V为声音的传播速度,(x,y)为待定位人员的当前位置。
一种基于人体声纹特征和麦克风基站的人员定位方法,包括:
在多个所述麦克风基站时钟同步的情况下,采集多个待定位人员的第一声音特征,并提取所述第一声音特征中的第一声纹特征,将所述第一声纹特征以及所述第一声纹特征对应的待定位人员信息存储至所述服务器,形成声纹特征数据库;
采集处于所述麦克风基站区域内的待定位人员的第二声音特征,并根据所述第二声音特征提取第二声纹特征以及确定声波到达各个所述麦克风基站的到达时间;
将所述第二声纹特征与所述声纹特征数据库进行匹配,确定待定位人员信息;
基于所述待定位人员信息,利用多个所述到达时间确定声波到达时间差,并根据所述声波达到时间差解算所述待定位人员的当前位置。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:本发明提供了一种基于人体声纹特征和麦克风基站的人员定位系统及方法,利用处于所述麦克风基站区域内的待定位人员的人体声纹特征与声纹特征数据库相匹配,确定待定位人员信息,基于所述待定位人员信息,利用多个所述到达时间确定声波到达时间差,并根据所述声波达到时间差解算所述待定位人员的当前位置;本发明使用声波的到达时间差进行定位,既待定位人员不用携带传感器,又具有定位精度高,成本低廉、易于操作的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的基于人体声纹特征和麦克风基站的人员定位系统结构图;
图2为本发明所提供的麦克风基站结构示意图;
图3为本发明所提供的工作流程总图;
图4为本发明所提供的定位工作流程图;
图5为本发明所提供的基于人体声纹特征和麦克风基站的人员定位方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于人体声纹特征和麦克风基站的人员定位系统及方法,能够在大的定位范围内对待定位人员精确定位,提高定位精度,降低系统能耗。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的基于人体声纹特征和麦克风基站的人员定位系统结构图,如图1所示,一种基于人体声纹特征和麦克风基站的人员定位系统,包括:采集设备1、多个麦克风基站2以及服务器3;所述采集设备1用于在多个所述麦克风基站2时钟同步的情况下,采集多个待定位人员的第一声音特征,并提取所述第一声音特征中的第一声纹特征,将所述第一声纹特征以及所述第一声纹特征对应的待定位人员信息存储至所述服务器3,形成声纹特征数据库;所述麦克风基站2用于采集处于所述麦克风基站2区域内的待定位人员的第二声音特征,并根据所述第二声音特征提取第二声纹特征以及确定声波到达各个所述麦克风基站2的到达时间;所述服务器3用于将所述第二声纹特征与所述声纹特征数据库进行匹配,确定待定位人员信息;还用于基于所述待定位人员信息,利用多个所述到达时间确定声波到达时间差,并根据所述声波达到时间差解算所述待定位人员的当前位置。
所述服务器3,将处理前期的人员声纹信息,并获取特征存储到数据库中;后期定位时根据人体声纹信息,匹配到人,并根据麦克风基站2的数据解算位置。
所述的声音采集设备1性能优于麦克风基站2,但可多个待定位人员在同一台设备上输入声音信息。本发明把麦克风基站2设备安装在待定位区域,每个区域根据定位需求安装3-4个;所述的麦克风基站2,在同一区域内的,应保持时钟同步,共同采集声音信息。所述声音信息将用于提取声纹特征和计算到达时间。
所述麦克风基站2具体包括:控制模块、声音采集模块、电源模块以及网络通信模块;所述声音采集模块、所述电源模块以及所述网络通信模块分别与所述控制模块相连接;所述声音采集模块,用于采集所述第二声音特征,并将所述第二声音特征转换成电信号;所述控制模块用于控制所述麦克风基站2的运转,同时标记所述第二声音特征的到达时间;所述电源模块用于对人员定位系统进行供电;所述网络通信模块用于回传数据,并同步多个麦克风基站2的时钟。
所述网络通信模块为的通信方式为无线通信方式或有线通信方式;若所述通信方式为所述有线通信方式,所述网络通信模块作为电源模块,为人员定位系统进行供电。所述的网络通信模块可以是以太网有线通信模块或无线通信模块。
参照图1,该基于人体声纹特征和麦克风基站的人员定位系统包括前期采集人体声纹特征的采集设备1和后期安装在室内用于定位的麦克风基站2,以及用于处理、存储数据并获得人员定位结果的服务器3。
采集设备1用于前期采集人员的声音信息,性能优于麦克风基站2,但可多个待定位人员在同一台设备上输入声音信息,最终所有的采集数据将传输给服务器3;麦克风基站2安装在待定位区域,每个区域根据定位需求安装3-4个;所述服务器3,将处理前期的人员声纹信息,并获取特征存储到数据库中;后期定位时根据人体声纹信息,匹配到人,并根据麦克风基站2的数据解算位置。
图2为本发明所提供的麦克风基站结构示意图,参照图2,本发明的麦克风基站2由声音采集模块21、控制模块22、电源模块23、网络通信模块24组成;声音采集模块21,用于采集声音信息,拥有将声音信号转换成电信号的能力;控制模块22,用于控制麦克风基站2的运转,同时会对采集到的声音信息,标记到达时间;所述电源模块23,用于供电,可根据需求选择有线供电和电池供电等;所述网络通信模块24,用于回传数据,可以选用无线传感器蓝牙、WiFi和有线以太网等装置;所述网络通信模块24,也用于多个麦克风基站2的时钟同步;所述电源模块23、网络通信模块24,若网络通信选择有线的通信方式,电源模块可以与之合并,使用POE供电。
本发明的工作流程为:
图3为本发明所提供的工作流程总图,参照图3,包括初始化声纹特征提取和定位;初始化声纹特征提取步骤是使用采集设备1采集待定位人员的声音信息,并传输到服务器3提取第一声纹特征。
定位步骤是根据第一声纹特征和麦克风基站2的回传数据,进行计算待定位人员位置。
图4为本发明所提供的定位工作流程图,参照图4,包括时钟同步、声音采集、声音特征提取、位置解算。
①所述时钟同步,是同一区域的基站设备,通过网络通信模块进行时钟同步。即,现有基站A、B、C3个,基站A通过网络通信模块向基站B、C广播当前A的时钟ta,当基站B、C收到A时钟的信息后,可在ta的基础上增加设备的天线延时和传输延时后,作为自己的当前时间,实现基站的同步。
天线延时为信号通过整个硬件设备,包括电路、芯片等带来的固有延时,可以提前测试得到。
传输延时因电磁波传输速度远大于声速,可忽略不计。
②所述的声音采集,是在时钟同步的基础上,采集周围的声音信息,并标记该声音的到达时间。
③所述的声音特征提取,是提取当前的第二声音特征,并与数据库中数据进行匹配,获得当前声音对应的待定位人员。
④所述位置确定,是根据声音到达3个不同基站的时间差,建立TDOA方程组,进行计算位置。
Figure BDA0002576288830000071
Figure BDA0002576288830000072
其中,Xa,Ya,Xb,Yb,Xc,Yc,为基站ABC的坐标,Tba为声音到达基站B、A的时间差,Tca为声音到达基站C、A的时间差,V是声音的传播速度,x、y是最后的解算结果,即人员位置。
也可以使用4个基站进行3维位置的解算,将在上述方程组中增加Z轴信息。
Figure BDA0002576288830000073
Figure BDA0002576288830000074
Figure BDA0002576288830000075
图5为本发明所提供的基于人体声纹特征和麦克风基站的人员定位方法流程图,如图5所示,一种基于人体声纹特征和麦克风基站的人员定位方法,包括:
步骤501:在多个所述麦克风基站2时钟同步的情况下,采集多个待定位人员的第一声音特征,并提取所述第一声音特征中的第一声纹特征,将所述第一声纹特征以及所述第一声纹特征对应的待定位人员信息存储至所述服务器3,形成声纹特征数据库;
步骤502:采集处于所述麦克风基站2区域内的待定位人员的第二声音特征,并根据所述第二声音特征提取第二声纹特征以及确定声波到达各个所述麦克风基站2的到达时间;
步骤503:将所述第二声纹特征与所述声纹特征数据库进行匹配,确定待定位人员信息;
步骤504:基于所述待定位人员信息,利用多个所述到达时间确定声波到达时间差,并根据所述声波达到时间差解算所述待定位人员的当前位置。
本发明利用人体声纹特征匹配人员,使用声波的到达时间差进行定位。既待定位人员不用携带传感器,又具有定位精度高,成本低廉、易于操作的特点。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于人体声纹特征和麦克风基站的人员定位系统,其特征在于,包括:采集设备、多个麦克风基站以及服务器;
所述采集设备用于在多个所述麦克风基站时钟同步的情况下,采集多个待定位人员的第一声音特征,并提取所述第一声音特征中的第一声纹特征,将所述第一声纹特征以及所述第一声纹特征对应的待定位人员信息存储至所述服务器,形成声纹特征数据库;
所述麦克风基站用于采集处于所述麦克风基站区域内的待定位人员的第二声音特征,并根据所述第二声音特征提取第二声纹特征以及确定声波到达各个所述麦克风基站的到达时间;
所述服务器用于将所述第二声纹特征与所述声纹特征数据库进行匹配,确定待定位人员信息;还用于基于所述待定位人员信息,利用多个所述到达时间确定声波到达时间差,并根据所述声波达到时间差解算所述待定位人员的当前位置。
2.根据权利要求1所述的基于人体声纹特征和麦克风基站的人员定位系统,其特征在于,所述麦克风基站具体包括:控制模块、声音采集模块、电源模块以及网络通信模块;
所述声音采集模块、所述电源模块以及所述网络通信模块分别与所述控制模块相连接;所述声音采集模块,用于采集所述第二声音特征,并将所述第二声音特征转换成电信号;所述控制模块用于控制所述麦克风基站的运转,同时标记所述第二声音特征的到达时间;所述电源模块用于对人员定位系统进行供电;所述网络通信模块用于回传数据,并同步多个麦克风基站的时钟。
3.根据权利要求2所述的基于人体声纹特征和麦克风基站的人员定位系统,其特征在于,所述网络通信模块为的通信方式为无线通信方式或有线通信方式;
若所述通信方式为所述有线通信方式,所述网络通信模块作为电源模块,为人员定位系统进行供电。
4.根据权利要求2所述的基于人体声纹特征和麦克风基站的人员定位系统,其特征在于,所述麦克风基站的个数为3个或4个。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于人体声纹特征和麦克风基站的人员定位系统,其特征在于,所述服务器用于基于TDOA算法,采用二维解算方式或三维解算方式解算所述待定位人员的当前位置。
6.根据权利要求5所述的基于人体声纹特征和麦克风基站的人员定位系统,其特征在于,若所述麦克风基站的个数为3个:
利用公式
Figure FDA0002576288820000021
建立TDOA方程组,解算所述待定位人员的当前位置;其中,(Xa,Ya)为麦克风基站A的坐标,(Xb,Yb)为麦克风基站B的坐标,(Xc,Yc)为麦克风基站C的坐标,Tba为所述第二声音特征到达所述麦克风基站B和所述麦克风基站A的时间差,Tca为所述第二声音特征到达所述麦克风基站C和所述麦克风基站A的时间差,V为声音的传播速度,(x,y)为待定位人员的当前位置。
7.根据权利要求5所述的基于人体声纹特征和麦克风基站的人员定位系统,其特征在于,若所述麦克风基站的个数为4个:
利用公式
Figure FDA0002576288820000022
建立TDOA方程组,解算所述待定位人员的当前位置;其中,(Xa,Ya)为麦克风基站A的坐标,(Xb,Yb)为麦克风基站B的坐标,(Xc,Yc)为麦克风基站C的坐标,(Xd,Yd)为麦克风基站D的坐标,Tba为所述第二声音特征到达所述麦克风基站B和所述麦克风基站A的时间差,Tca为所述第二声音特征到达所述麦克风基站C和所述麦克风基站A的时间差,Tda为所述第二声音特征到达所述麦克风基站D和所述麦克风基站A的时间差,V为声音的传播速度,(x,y)为待定位人员的当前位置。
8.一种基于人体声纹特征和麦克风基站的人员定位方法,其特征在于,包括:
在多个所述麦克风基站时钟同步的情况下,采集多个待定位人员的第一声音特征,并提取所述第一声音特征中的第一声纹特征,将所述第一声纹特征以及所述第一声纹特征对应的待定位人员信息存储至所述服务器,形成声纹特征数据库;
采集处于所述麦克风基站区域内的待定位人员的第二声音特征,并根据所述第二声音特征提取第二声纹特征以及确定声波到达各个所述麦克风基站的到达时间;
将所述第二声纹特征与所述声纹特征数据库进行匹配,确定待定位人员信息;
基于所述待定位人员信息,利用多个所述到达时间确定声波到达时间差,并根据所述声波达到时间差解算所述待定位人员的当前位置。
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