一种声场可视化系统中声像平面的空间角度标定方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种声场可视化系统中声像平面的空间角度标定方法，属于噪声分析 与控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 噪声问题是现代社会中影响人们生活品质的主要因素之一。若要对噪声进行针对 性的处理，则首先需要对声源及声场进行准确的识别和定位。在众多的噪声识别方法中， 声场可视化技术可W使声源和声场的识别及定位更加直观，可W为噪声治理提供可靠的依 据。
[0003] 传统的声场可视化技术中，通常是将摄像机固定于传声器阵列中屯、，摄像机拍摄 角度及范围受限。若将摄像机与传声器阵列分离，则可灵活调整摄像机的拍摄角度和范围， 并且可W将多个摄像机组成摄像机阵列对目标声源进行视觉定位与测速。然而，当二者分 离时，其空间位置和角度的关系均会造成声场重建平面与摄像机拍摄平面不重合，影响声 源定位的精确性。对于空间位置关系，可W用传统的测量工具进行精确测量，而对于空间角 度关系，则没有传统的方法可W进行精确测量。
【发明内容】
[0004] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种使声源能够进行精确定位的声场可视化 系统中声像平面的空间角度标定方法，不仅能够消减声源成像位置的系统性偏差，而且能 够输出识别效果更加准确的声场可视化图像。
[0005] 为实现上述目的，本发明采取W下技术方案；一种声场可视化系统中声像平面的 空间角度标定方法，包括W下步骤：
[0006] 1)根据测试需要架设传声器阵列和摄像机，定义摄像机坐标系OeXeY品和传声 器阵列坐标系，并测量摄像机坐标系原点在传声器阵列坐标系的空间位置Tt= (ty，ty，〇T，假设摄像机坐标系相对于传声器坐标系的初始空间旋转矩阵为氏。=化0, 0)T.
[0007] 2)对摄像机进行标定，获取摄像机镜头内部参数；其中，摄像机镜头内部参数 包括摄像机主点像素坐标（U。，V。)，镜头焦距的像素尺寸ftuXfu，摄像机镜头崎变系数 (X，k2，k3，p^P2);
[000引扣距离摄像机2。=d处设置一粘贴有标志点的声源，并缓慢移动声源，传声器阵 列获取移动声源的声压信号，同时摄像机摄取移动声源的若干帖实景图像；
[0009] 4)采用声源重建方法对声压信号进行重建，得到移动声源所在平面的声压色谱 图，获取传声器阵列重建声源像素位置Xp。；
[0010] 5)根据镜头崎变的非线性模型，利用摄像机镜头内部参数，对摄像机所摄取的实 景图像进行崎变校正，得到无崎变实景图像，并获取摄像机摄取的声源像素位置Xp.;
[0011] 6)将无崎变实景图像与相应的声压色谱图进行得叠加匹配，根据传声器阵列重建 声源像素位置Xp。和摄像机摄取的校正后声源像素位置Xpj勺差异，构建使二者差异最小的 目标函数，并采用单目标最优化算法求解出声源的重建声平面与实景像平面的空间角度关 系，即声像平面的空间角度关系。
[0012] 所述步骤5)中镜头崎变的非线性模型的数学表达式为：
【主权项】
1. 一种声场可视化系统中声像平面的空间角度标定方法，包括以下步骤： 1) 根据测试需要架设传声器阵列和摄像机，定义摄像机坐标系和传声器阵列 坐标系OwXwYwZw，并测量摄像机坐标系原点在传声器阵列坐标系的空间位置T。= (t x, ty, tz) τ，假设摄像机坐标系相对于传声器坐标系的初始空间旋转矩阵为R。。= (〇,〇,〇) τ; 2) 对摄像机进行标定，获取摄像机镜头内部参数；其中，摄像机镜头内部参数包 括摄像机主点像素坐标㈨，Vtl)，镜头焦距的像素尺寸LXt v，摄像机镜头畸变系数 (k1； k2, k3, P1, p2)； 3) 距离摄像机Zc= d处设置一粘贴有标志点的声源，并缓慢移动声源，传声器阵列获 取移动声源的声压信号，同时摄像机摄取移动声源的若干帧实景图像； 4) 采用声源重建方法对声压信号进行重建，得到移动声源所在平面的声压色谱图，获 取传声器阵列重建声源像素位置Xp。； 5) 根据镜头畸变的非线性模型，利用摄像机镜头内部参数，对摄像机所摄取的实景图 像进行畸变校正，得到无畸变实景图像，并获取摄像机摄取的声源像素位置X p，； 6) 将无畸变实景图像与相应的声压色谱图进行得叠加匹配，根据传声器阵列重建声源 像素位置Xp。和摄像机摄取的校正后声源像素位置X p，的差异，构建使二者差异最小的目标 函数，并采用单目标最优化算法求解出声源的重建声平面与实景像平面的空间角度关系， 即声像平面的空间角度关系。
2. 如权利要求1所述的一种声场可视化系统中声像平面的空间角度标定方法，其特征 在于：所述步骤5)中镜头畸变的非线性模型的数学表达式为：
3. 如权利要求1所述的一种声场可视化系统中声像平面的空间角度标定方法，其特征 在于：所述步骤6)将无畸变实景图像与相应的声压色谱图进行得叠加匹配，根据传声器阵 列重建声源像素位置X p。和摄像机摄取的校正后声源像素位置X p，的差异，构建使二者差异 最小的目标函数，如下所示：
其中，α，β，Θ分别表示摄像机坐标系先后绕H0J。和〇又旋转的角度； M为摄像机的针孔映射矩阵，IT1为M的逆矩阵：
4. 如权利要求2所述的一种声场可视化系统中声像平面的空间角度标定方法，其特征 在于：所述步骤6)将无畸变实景图像与相应的声压色谱图进行得叠加匹配，根据传声器阵 列重建声源像素位置X p。和摄像机摄取的校正后声源像素位置X p，的差异，构建使二者差异 最小的目标函数，如下所示：
其中，α，β，Θ分别表示摄像机坐标系先后绕HOJ。和〇又旋转的角度； M为摄像机的针孔映射矩阵，IT1为M的逆矩阵：
5. 如权利要求1或2或3或4所述的一种声场可视化系统中声像平面的空间角度标定 方法，其特征在于：所述步骤6)中单目标最优化算法采用粒子群优化算法。
6. 如权利要求1或2或3或4所述的一种声场可视化系统中声像平面的空间角度标定 方法，其特征在于：所述步骤2)中对摄像机进行标定采用棋盘格标定板。
7. 如权利要求5所述的一种声场可视化系统中声像平面的空间角度标定方法，其特征 在于：所述步骤2)中对摄像机进行标定采用棋盘格标定板。
8. 如权利要求1~4、7任一项所述的一种声场可视化系统中声像平面的空间角度标定 方法，其特征在于：所述步骤4)中声场重建方法采用波束形成、声全息、波叠加和声达相差 中的一种。
9. 如权利要求5所述的一种声场可视化系统中声像平面的空间角度标定方法，其特征 在于：所述步骤4)中声场重建方法采用波束形成、声全息、波叠加和声达相差中的一种。
10. 如权利要求6所述的一种声场可视化系统中声像平面的空间角度标定方法，其特 征在于：所述步骤4)中声场重建方法采用波束形成、声全息、波叠加和声达相差中的一种。
【专利摘要】本发明涉及一种声场可视化系统中声像平面的空间角度标定方法，包括以下步骤：1)架设传声器阵列和摄像机，定义坐标系，并测量摄像机坐标系原点在传声器阵列坐标系的空间位置；2)对摄像机进行标定，获取内部参数；3)距离摄像机前d处设置声源，并缓慢移动声源，获取移动声源的声音信号和实景图像；4)对声音信号进行重建，得到移动声源的声压色谱图，获取传声器阵列重建声源像素位置；5)根据镜头畸变的非线性模型，利用摄像机镜头内部参数，对摄像机所摄取的实景图像进行畸变校正，并获取摄像机摄取的声源像素位置；6)将无畸变实景图像与相应的声压色谱图进行叠加匹配，采用单目标最优化算法求解出重建声平面与实景像平面的空间角度关系。本发明可以广泛应用于声场噪声的处理中。
【IPC分类】G01C25-00
【公开号】CN104748764
【申请号】CN201510151848
【发明人】杨殿阁, 连小珉, 温俊杰, 王子腾, 苗丰
【申请人】清华大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年4月1日