Bài viết trình bày một số kết quả nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA, trong trường hợp loại nguồn âm cần định vị được xác định trước. Trong đó đề xuất giải pháp cải thiện chất lượng ước tính hiệu thời gian đến dựa trên thuật toán GCC-PHAT-
Nghiên cứu khoa học công nghệ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ƯỚC LƯỢNG HIỆU THỜI GIAN ĐẾN TRONG BÀI TOÁN ĐỊNH VỊ NGUỒN ÂM THEO NGUN LÝ TDOA Trần Cơng Thìn1*, Bùi Ngọc Mỹ2, Nguyễn Huy Hồng3, Phạm Văn Hịa1 Tóm tắt: Bài báo trình bày số kết nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA, trường hợp loại nguồn âm cần định vị xác định trước Trong đề xuất giải pháp cải thiện chất lượng ước tính hiệu thời gian đến dựa thuật tốn GCC-PHAT-𝛽 với hệ số 𝛽 thích nghi theo tín hiệu đưa vào ước tính Trên sở phân tích lý thuyết tiến hành mô Monte-Carlo Matlab, kết hợp với liệu thu thập điều kiện thực tế báo đánh giá hiệu giải pháp đề xuất, qua cho phép nâng cao chất lượng định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA Từ khóa: Định vị nguồn âm; TDOA; GCC-PHAT; GCC-PHAT- β MỞ ĐẦU Trong hệ thống định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA (Time Differences of Arrival) ước lượng hiệu thời gian đến bước quan trọng nhất, định chất lượng hệ thống định vị nguồn âm [4] Đặc biệt, với hệ thống định vị nguồn âm trời, khoảng cách định vị xa, nhiễu tạp âm tác động lớn tới độ xác số ước lượng hiệu thời gian đến, qua làm giảm độ xác định vị nguồn âm [5] Hiện nay, việc ước tính trễ thời gian đến phần lớn dựa thuật toán sử dụng thuật tốn tương quan chéo tổng qt, hiệu phương pháp ước tính dựa phương pháp biến đổi pha GCC-PHAT (Generalized Cross Correlation - Phase Transform) Trong điều kiện tỉ số tín hiệu tạp âm (SNR - Singal to Noise Ratio) lớn, phương pháp GCC-PHAT mang lại hiệu cao, nhiên, SNR giảm sai số phương pháp GCC-PHAT tương đối lớn [9] Bài báo trình bày số kết nghiên cứu cải thiện hiệu phương pháp GCC-PHAT điều kiện SNR nhỏ cách sử dụng biến thể GCC-PHAT-𝛽, đó, hệ số 𝛽 tính tốn thích nghi theo tín hiệu thu cảm biến Hiệu giải pháp góp phần nâng cao chất lượng định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA ƯỚC LƯỢNG HIỆU THỜI GIAN ĐẾN 2.1 Định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA Phương pháp định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA xây dựng sở ước tính hiệu thời gian đến τij tín hiệu âm thu cảm biến ij i j (1) Trong đó: τi τj thời gian tín hiệu truyền từ nguồn âm tới cảm biến thứ i j Triển khai công thức hiệu thời gian đến theo khoảng cách ri, rj từ nguồn âm tới cảm biến vận tốc lan truyền âm khơng khí v, thu phương trình biểu diễn hyperboloid không gian chiều: ri rj ‖ x s mi‖ ‖ x s m j‖ (2) v v v Với xs = [xs, ys, zs]T, mi =[xi, yi, zi]T, mj =[xj, yj, zj]T tọa độ nguồn âm tọa độ hai cảm biến thứ i, thứ j không gian Để xác định tọa độ nguồn âm xs không gian chiều, cần giao hội hyperboloid, tương ứng cần cảm biến âm (từ - 4) để tạo thành cặp cảm biến độc lập Khi đó, tọa độ xs nguồn âm nghiệm hệ phương trình [1, 2]: ij Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san HNKH dành cho NCS CBNC trẻ, 11 - 2021 15 Kỹ thuật Điện tử - Tự động hóa v 12 v 13 v 14 x1 xS x1 xS x1 xS y1 zS z1 zS x2 xS y2 y S z z S 2 y1 zS z1 zS x3 xS y3 yS z3 z S 2 2 2 (3) y1 zS z1 zS ( x4 xS )2 ( y4 yS ) ( z4 z S ) 2 Như vậy, để định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA, có hai bước quan trọng cần thực hiện: Ước tính hiệu thời gian đến τij kiện âm cặp cảm biến; Giải hệ phương trình (3) để xác định tọa độ nguồn âm Trong hai bước ước tính hiệu thời gian đến có vai trị quan trọng, thiết lập hệ số phương trình định vị nguồn âm, định độ xác định vị [4] 2.2 Ước tính hiệu thời gian đến Để ước tính hiệu thời gian đến tín hiệu thu hai cảm biến, nghiên cứu năm gần phương pháp sử dụng tương quan chéo tổng quát mang lại hiệu cao [3-5] Trong phương pháp này, hiệu thời gian đến ước tính theo cơng thức [5]: ˆij arg max rxi x j ( ) (4) Với rxi x j hàm tương quan chéo tổng quát [5]: rx1x2 ( ) x x ( f ) x x ( f )ei 2 f df 1 i j i j ( f )S xi x j ( f )ei 2 f df (5) Trong đó: S xi x j ( f ) E[Xi ( f )X*j ( f )] hàm Cross Spectrum; Φ(f ) hàm trọng số miền tần số Có nhiều cách lựa chọn hàm trọng số Φ(f) khác nhau, tương ứng với phương pháp tính tốn hiệu thời gian đến khác như, tương quan chéo kinh điển (CCC – Classiscal Cross Correlation), biến đổi làm trơn tín hiệu (SCOT – Smoothed Coherence Transform), biến đổi pha (PHAT – Phase Transform) Hình Giá trị hàm GCC-PHAT với mức SNR khác 16 T C Thìn, …, P V Hòa, “Nâng cao chất lượng … định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Trong phương pháp nêu GCC-PHAT phương pháp có hiệu cao nhất, hoạt động hiệu có độ xác cao [6] Trong phương pháp hàm trọng số miên tần số tính theo cơng thức [6]: ( f ) S xi x j ( f ) X i ( f ) X j ( f ) (6) * Với hàm trọng số tính tốn theo cơng thức tồn thành phần biên độ loại bỏ, việc ước lượng hiệu thời gian đến phụ thuộc hoàn toàn vào pha tín hiệu Tuy nhiên, phương pháp GCC-PHAT dùng để ước tính hiệu thời gian đến tín hiệu có dải tần rộng, tạp âm mạnh chiếm ưu phần lớn băng tần tín hiệu khiến cho hiệu suất phương pháp suy giảm [9] Trên hình thể giá trị hàm GCC-PHAT tương ứng giá trị SNR khác nhau, nhận thấy SNR lớn đỉnh hàm rxi x j bật nhiễu, nhiên, SNR suy giảm, đỉnh hòa lẫn nhiễu lớn, gây khó khăn áp dụng cơng thức (4) Điều dẫn tới sai số lớn ước tính hiệu thời gian đến, đặc biệt ước tính hiệu thời gian đến hệ thống định vị nguồn âm trời, khoảng cách định vị xa, SNR cảm biến âm nhỏ Do đó, lớp ứng dụng này, địi hỏi phải có phương pháp phù hợp nâng cao độ xác ước tính hiệu thời gian đến NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ƯỚC TÍNH HIỆU THỜI GIA ĐẾN 3.1 Ước tính hiệu thời gian đến dựa thuật toán GCC-PHAT-β Để nâng cao chất lượng ước tính hiệu thời gian đến SNR nhỏ, vài nghiên cứu đề xuất thuật toán GCC-PHAT- β, biến thể GCC-PHAT [7] Trong thuật tốn này, hiệu thời gian đến ước tính theo công thức [7]; ˆij arg max * X i ( f ) X j ( f ) 1 X ( f ) X ( f ) * i j (7) Hình Mơ ước tính hiệu thời gian đến Thuật toán GCC-PHAT-β kiểm soát mức độ loại bỏ thành phần biên độ hàm trương quan chéo tổng qt thơng qua hệ số β, β=1 tồn thành phần biên độ bị loại bỏ, việc ước lượng sử dụng pha tín hiệu tương đương với thuật tốn GCC-PHAT [7] Khi β=0, tồn thành phần biên độ giữ lại tương đương với phương pháp tương quan chéo kinh điển Việc Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san HNKH dành cho NCS CBNC trẻ, 11 - 2021 17 Kỹ thuật Điện tử - Tự động hóa lựa chọn giá trị tham số β tối ưu phụ thuộc vào nhiều yếu tố thân loại tín hiệu cần định vị, SNR tín hiệu thu cảm biến Để đánh giá ảnh hưởng tham số β tới sai số ước tính hiệu thời gian đến, chương trình mơ xây dựng Matlab Trên hình thể sơ đồ khối bước thực chương trình mơ Trước hết tín hiệu có tồn kiện âm cảm biến thứ i j tạo từ tín hiệu gốc, đó, hiệu thời gian đến τij thiết lập Tín hiệu sau bổ xung thành phần tạp âm hệ số suy giảm theo công thức (1) Để ước tính hiệu thời gian đến tín hiệu hai cảm biến trước hết cần biến đổi tín hiệu sang miền tần số thuật toán FFT (Fast Fourier Transform), sau tính tương quan phổ lượng, bổ xung hàm trọng số miền tần số theo công thức (7) Biến đổi giá trị thu miền thời gian theo thuật toán IFFT (Inverse Fast Fourier Transform), xác định trễ thời gian đến ij hai tín hiệu theo cơng thức (4) Cuối thực tính tốn sai trễ thời gian đến theo công thức: ij ij (8) Tiến hành mô với SNR khác nằm khoảng [-5.5÷0] dB, bước nhảy 0.2 dB, với giá trị SNR thực 1000 mẫu thử, tín hiệu âm đưa vào mô tiếng nổ đầu nòng súng AK47 lấy mẫu với tần số f=20 kHz, kết thu sau đưa vào đánh giá sai số Kết hình thể sai số trễ thời gian đến điều kiện SNR khác với hệ số β Có thể nhận thấy sai số hiệu thời gian đến không phụ thuộc vào tỉ số SNR mà phụ thuộc vào hệ số β, thời điểm với giá trị SNR định tồn giá trị hệ số β tối ưu Việc lựa chọn hệ số trước dựa vào kinh nghiệm, hệ số thường cố định với mức SNR khác không tối ưu thời điểm Do đó, tốn lựa chọn giá trị β tối ưu đưa nhằm ước tính xác giá trị β thay đổi để sai số ước tính hiệu thời gian đến nhỏ cải thiện so với trường hợp sử dụng thuật tốn GCC-PHAT Hình Sai số ước tính trễ thời gian đến với hệ số β 3.2 Giải pháp lựa chọn hệ số β thích nghi theo tín hiệu thu cảm biến Như trình bày, việc lựa chọn hệ số β lựa chọn tỉ lệ thành phần biên độ bị loại bỏ việc ước tính hiệu thời gian đến Để xác định hệ số β thích hợp khơng phải việc dễ 18 T C Thìn, …, P V Hòa, “Nâng cao chất lượng … định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA.” Nghiên cứu khoa học công nghệ dàng, thân hệ số phụ thuộc vào SNR mà phụ thuộc vào thân tín hiệu cần định vị Tuy nhiên, tốn định vị nguồn âm, đó, nguồn âm cần định vị xác định trước ví dụ định vị tiếng nổ đầu nòng súng, pháo, việc lựa chọn hệ số β thực thơng qua hệ số tương quan tín hiệu thu cảm biến tín hiệu mẫu Hệ số tương quan, ký hiệu r sử dụng để đo lương mức độ phụ thuộc tuyến tính hai biến ngẫu nhiêu, đây, hai biến ngẫu nhiên bao gồm tín hiệu thu cảm biến Xi tín hiệu mẫu Xs, đó, hàm tương quan có dạng [8]: X N r ( m) n 1 N (X n 1 s S ( n) X S X i ( n) X i ( n) X s ) (9) N ( X ( n) X ) n 1 i i Trong đó, X S X i giá trị trung bình tín hiệu mẫu tín hiệu cảm biến thứ i Dựa công thức (9) giá trị tương quan cực trị xác định theo công thức [8]: r arg max{r (m)} m (10) Hệ số tương quan r tính tốn có gia trị nằm khoảng [0,1], r tín hiệu thu cảm biến có tính tương quan cao với tín hiệu mẫu, từ đưa kết luận tỉ lệ SNR lớn, mặt khác r tín hiệu thu có tính tương quan thấp với tín hiệu mẫu tương ứng với SNR nhỏ Qua sử dụng cơng thức tính tốn hệ số β theo công thức: r r (11) is js Trong đó, ris rjs giá trị tương quan tín hiệu thu cảm biến thứ i j với tín hiệu mẫu Hình Sai số ước tính trễ thời gian đến với hệ số β thích nghi Trên hình thể kết mô với tỉ lệ SNR khác phương pháp GCCPHAT phương pháp GCC-PHAT- β với giá trị hệ số β ước tính theo tương quan Với phương pháp GCC-PHAT tỉ số SNR > -2.5 dB sai số ετ ≈ 0, nhiên, tỉ số SNR < -2.5 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san HNKH dành cho NCS CBNC trẻ, 11 - 2021 19 Kỹ thuật Điện tử - Tự động hóa dB, sai số hiệu thời gian đến ετ tăng nhanh So sánh với phương pháp GCC-PHAT phương pháp GCC-PHAT-β thích nghi cho thấy điều kiện SNR khác nhau, phương pháp cải tiến có sai số nhỏ hơn, đặc biệt hiệu điều kiện SNR nhỏ 3.3 Một số kết thực nghiệm giải pháp Để đánh giá hiệu của thuật tốn GCC-PHAT- β thích nghi, hệ 08 cảm biến âm INMP401 hãng InvenSense sử dụng để thu nhận tín hiệu âm thanh, loại cảm biến vi tiên tiến có độ nhạy cao, kích thước nhỏ gọn Những cảm biến bố trí hai hình tứ diện lồng có độ dài cạnh m hình 5, việc bố trí cảm biến nằm tứ diện giúp tín hiệu thu đồng hướng tới [3] Hình Cụm cảm biến thu tín hiệu âm Tiến hành phát tín hiệu âm tạo giả tiếng nổ đầu nòng súng AK47 qua loa nén công suất 30 W cự ly khác điều kiện môi trường thực tế Tín hiệu thu đồng thời 08 cảm biến, tín hiệu số hóa lưu trữ với tần số lấy mẫu f_s=20 kHz làm sở cho bước xử lý tín hiệu định vị nguồn âm Hình Tín hiệu âm thu cự ly khác 20 T C Thìn, …, P V Hịa, “Nâng cao chất lượng … định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình thể dạng giản đồ spectrogram tín hiệu cảm biến cự ly khác Có thể nhận thấy ảnh hưởng tạp âm lên tín hiệu cự ly khác rõ ràng, cự ly nhỏ 300 m hình ảnh tín hiệu tương đối rõ ràng phân biệt với nền, mức độ lượng tương ứng với tần số âm nhận thấy tương đối rõ Tuy nhiên, cự ly lớn 300m việc phân biệt tín hiệu tạp âm tương đối khó khăn, phổ lượng tín hiệu bị hịa lẫn vào lượng tạp âm Kết ước tính hiệu thời gian đến liệu thu dựa thuật tốn GCCPHAT GCC-PHAT- β thích nghi thể bảng bảng Bảng Sai số hiệu thời gian đến cự ly 100 m ετ (ms) τ12 τ13 τ14 τ15 τ16 τ17 τ18 GCC-PHAT (ms) 0.023 0.025 0.021 0.023 0.016 0.018 0.016 GCC-PHAT-β-TN (ms) 0.012 0.0011 0.011 0.010 0.009 0.0010 0.009 Có thể nhận thấy, việc sử dụng thuật toán GCC-PHAT- β thích nghi cải thiện sai số hiệu thời gian đến trung bình so với thuật tốn GCC-PHAT truyền thống, đặc biệt cự ly tới nguồn âm xa điều thể rõ ràng Bảng Sai số hiệu thời gian đến cự ly 500 m ετ (ms) τ12 τ13 τ14 τ15 τ16 τ17 τ18 GCC-PHAT (ms) 0.526 0.438 0.481 0.541 0.45 0.585 0.471 GCC-PHAT-β-TN (ms) 0.024 0.022 0.016 0.028 0.024 0.021 0.027 Việc cải thiện sai số hiệu thời gian đến trung bình cho thấy độ xác ước lượng hiệu thời gian đến nâng cao, từ xây dựng hệ số xác cho hệ phương trình định vị nguồn âm 3, làm sở cho việc nâng cao độ xác định vị nguồn âm KẾT LUẬN Trên sở phân tích lý thuyết tiến hành mơ Matlab, cho thấy phương pháp sử dụng thuật tốn GCC-PHAT- β hệ số β tính tốn thích nghi theo giá trị tương quan tín hiệu thu cảm biến tín hiệu mẫu cho thấy tính hiệu việc nâng cao chất lượng ước tính hiệu thời gian đến, qua nâng cao chất lượng định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA Giải pháp chứng minh thông qua chương trình mơ Matlab, liệu tín hiệu âm thu cảm biến môi trường thực tế Tuy nhiên, giải pháp nêu áp dụng toán định vị nguồn âm có tồn tín hiệu mẫu, đồng nghĩa với âm cần định vị xác định trước Do đó, giải pháp đưa phù hợp với lớp ứng dụng định, với nguồn âm phức tạp biến đổi liên tục tiếng nói, nguồn tiếng ồn, giải pháp đưa chưa có khả ứng dụng hiệu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Văn Hòa, Nguyễn Văn Hiếu, Trần Quang Huy, Trần Cơng Thìn, “Xây dựng hệ thống phát định vị hỏa lực bắn tỉa theo ngun lý TDOA sóng âm”, Tạp chí nghiên cứu KHCN quân sự, số 10 (2015), tr 88-95 [2] Trần Công Thìn, Bùi Ngọc Mỹ, Nguyễn Huy Hồng, Phạm Văn Hịa, ''Xây dựng giải pháp định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA điều kiện vận tốc âm biến đổi'', Hội thảo Ứng dụng Công nghệ cao vào thực tiễn - 60 năm phát triển Viện KH-CN quân sự, 2020 [3] Antonio Canclini, “A robust and low-complexity source localization algorithm for asynchronous distributed microphone networks”, IEEE/ACM Transactions on Audio, Speech and Language Processing (TASLP), Vol 23, No.10 (2015), pp 1563–1575 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san HNKH dành cho NCS CBNC trẻ, 11 - 2021 21 Kỹ thuật Điện tử - Tự động hóa [4] Maximo Cobos, “A Survey of Sound Source Localization Methods in Wireless Acoustic Sensor Networks”, Wireless Communications and Mobile Computing, 2017, pp 1–24 [5] Yiteng Huang, Jacob Benesty, and Jingdong Chen, “Time Delay Estimation and Source Localization”, Springer Handbook of Speech Processing, Springer Berlin Heidelberg, 2008, pp 1043–1063 [6] C Knapp and G Carter, “The generalized correlation method for estimation of time delay”, IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Vol 24, No.4 (1976), pp 320–327 [7] Kevin D Donohue, Alvin Agrinsoni, and Jens Hannemann, “Audio signal delay estimation using partial whitening”, in: Proceedings 2007 IEEE SoutheastCon, 2007, pp 466–471 [8] Volodymyr KHARCHENKO and Maryna MUKHINA (2017), “Model of geophysical fields representation in problems of complex correlationextreme navigation”, Transport Problems, 10 (3), pp 35–41 [9] Cha Zhang, D Florencio, and Zhengyou Zhang, “Why does phat work well in lownoise, reverberative environments?”, 2008 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, pp 2565–2568, March 2008 ABSTRACT IMPROVING QUALITY OF TIME DELAY ESTIMATION IN SOUND SOURCE LOCALIZATION USING TDOA METHOD This paper presents several research results that enhance TDOA based sound localization accuracy with the priority of the source of interest The GCC-PHAT algorithm is used to evaluate the estimated localization error From that, we propose an adaptive method called GCC-PHAT-𝛽 to improve time differences estimated, where the parameter 𝛽 is adapted to the input parameters in TDOA method From analisys and discussions are made on that design and using Monte Carlo simulations with the data collected in real environment, the results show the efficiency of our proposed method in TDOA based localization (compared to conventional TDOA based localization) Keywords: Sound Source Localization; TDOA; GCC-PHAT; GCC-PHAT- β Nhận ngày 17 tháng năm 2021 Hoàn thiện ngày 20 tháng 10 năm 2021 Chấp nhận đăng ngày 28 tháng 10 năm 2021 Địa chỉ: 1Viện Điện tử/Viện Khoa học Cơng nghệ qn sự; Phịng Đào tạo, Viện Khoa học Công nghệ quân sự; Học viện Kỹ thuật quân * Email: thin.vdt@outlook.com 22 T C Thìn, …, P V Hòa, “Nâng cao chất lượng … định vị nguồn âm theo nguyên lý TDOA.” ... hợp nâng cao độ xác ước tính hiệu thời gian đến NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ƯỚC TÍNH HIỆU THỜI GIA ĐẾN 3.1 Ước tính hiệu thời gian đến dựa thuật toán GCC-PHAT-β Để nâng cao chất lượng ước tính hiệu thời. .. hai bước ước tính hiệu thời gian đến có vai trị quan trọng, thiết lập hệ số phương trình định vị nguồn âm, định độ xác định vị [4] 2.2 Ước tính hiệu thời gian đến Để ước tính hiệu thời gian đến. .. tính hiệu việc nâng cao chất lượng ước tính hiệu thời gian đến, qua nâng cao chất lượng định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA Giải pháp chứng minh thông qua chương trình mơ Matlab, liệu tín hiệu