1.2 Mơ hình hệ thống định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA
1.2.1 Phân loại các kỹ thuật định vị nguồn âm
Với khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều mục đích đa dạng, có nhiều giải pháp kỹ thuật khác nhau được nghiên cứu phát triển để giải bài toán định vị nguồn âm thanh. Các giải pháp định vị nguồn âm được phát triển dựa trên một hệ thống gồm nhiều cảm biến âm thanh, trong đó sự khác biệt về đặc tính tín hiệu thu được tại các cảm biến có vị trí khác nhau là cơ sở cho những tính tốn định vị nguồn âm. Trên cơ sở đó, có thể phân chia các các phương pháp định vị nguồn âm thanh dựa trên đặc tính thời gian (TBL-Time Based Localization) và đặc tính năng lượng của tín hiệu (EBL-Energy Based Localization) [22] [21].
Trên hình 1.7 trình bày các phương pháp định vị nguồn âm thanh chính, trong đó có 3 phương pháp định vị nguồn âm thanh dựa trên đặc tính thời gian, bao gồm phương pháp thời gian đến (Time of Arrival -ToA), phương pháp sai lệch thời gian đến (Time Difference of Arrival - TDOA), và phương pháp định hướng phản hồi năng lượng (Steered Response Power - SRP) [21]. Tương tự có hai phương pháp định vị nguồn âm thanh dựa trên yếu tố cường độ tín hiệu gồm đánh giá tỉ lệ năng lượng (Energy Ratio - ER) và phương pháp xác định hướng đến của tín hiệu (Direction of Arrival - DoA) [22] [21].
Hình 1.7. Phân loại các phương pháp định vị nguồn âm thanh
Phương pháp định vị nguồn âm ER được xây dựng trên cơ sở đánh giá tỉ lệ năng lượng thu được trên từng cặp cảm biến. Tỉ lệ năng lượng này được liên hệ với khoảng cách từ nguồn âm tới các cảm biến, dựa trên mối quan hệ này các mặt cầu có khả năng chứa vị trí nguồn âm được xây dựng, qua đó vị trí nguồn âm là giao điểm của các mặt cầu [37]. Phương pháp ER đơn giản, dễ tính tốn và triển khai, tuy nhiên sai số định vị lớn do cường độ tín hiệu thu được tại các cảm biến chịu ảnh hưởng mạnh bởi nhiễu, tạp âm cũng như các điều kiện của môi trường truyền [12].
Phương pháp định vị nguồn âm dựa trên nguyên lý DoA được xây dựng thông qua việc triển khai một hệ thống định vị gồm nhiều cụm cảm biến, trong đó mỗi cụm cảm biến có khả năng ước lượng hướng đến của âm thanh. Sử dụng
thơng tin định hướng từ ít nhất 2 cụm cảm biến khác nhau để tìm được vị trí của nguồn âm. Với sự phát triển của kỹ thuật xử lý mảng và công nghệ sản xuất cảm biến, rất nhiều kỹ thuật khác nhau đã được nghiên cứu trong cả định hướng và xác định vị trí nguồn âm [8] [47] [44]. Hiện nay phương pháp DoA đang được áp dụng cho nhiều mục đích, phổ biến là các hệ thống Sensor Network phục vụ các ứng dụng nhà thông minh [21].
Phương pháp định vị nguồn âm dựa trên nguyên lý ToA dựa trên việc đo lường khoảng thời gian τi khi âm thanh lan truyền từ nguồn âm tới các cảm biến. Trên cơ sở đó xác định được mặt cầu có tâm là vị trí cảm biến, mặt cầu là các vị trí có khả năng xuất hiện nguồn âm [20]. Với thông tin từ nhiều cặp cảm biến, các mặt cầu khác nhau được xây dựng, xác định được điểm giao cắt giữa các mặt cầu là vị trí nguồn âm. Phương pháp ToA tương đối hiệu quả trong các ứng dụng mà nguồn phát được đồng bộ thời gian với các cảm biến, tuy nhiên số lượng các ứng dụng như vậy là không nhiều, phần lớn âm thanh cần định vị xảy ra ngẫu nhiên [22].
Phương pháp định vị nguồn âm dựa trên nguyên lý SRP hay còn gọi là phương pháp GCF (Global Coherence Field) được xây dựng trên cơ sở thiết lập một bản đồ toàn cục đánh giá xác suất vị trí của nguồn âm. Bản đồ tồn cục hình thành dựa trên bộ lọc tổng định hướng, trong đó kết hợp thơng tin về năng lượng nhận được trên các cảm biến và thiết lập các giả định sai khác thời gian đến tương ứng với vị trí nguồn âm [19] [23]. Phương pháp SRP cho kết quả định vị tương đối chính xác, ngay cả trong các điều kiện có ảnh hưởng của nhiễu và tạp âm, tuy nhiên phương pháp này địi hỏi năng lực tính tốn của hệ thống phải rất mạnh. Mặt khác, việc xây dựng bản đồ vị trí xác suất nguồn âm dẫn tới độ phân giải định vị nguồn âm là hữu hạn, kết quả định vị về ngun tắc sẽ ln ln có sai số [21].
Cùng với phương pháp định vị nguồn âm dựa trên nguyên lý TDOA sẽ được phân tích trong phần sau của luận án, các phương pháp nêu trên là các giải
pháp cơ bản đã được nghiên cứu và ứng dụng trong bài tốn định vị nguồn âm, ngồi ra cịn có một số giải pháp mở rộng hoặc kết hợp của các phương pháp cơ bản.