Hình 3 .15 Cấu trúc cụm trung tâm
1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng định vị nguồn âm sử dụng
thường phải trải qua hai bước. Bước thứ nhất cần ước tính khác biệt thời gian đến τij của sự kiện âm thanh trên ít nhất 3 cặp cảm biến, bước thứ hai dựa trên thông tin τij để thiết lập và giải hệ phương trình phi tuyến, nghiệm tìm được là tọa độ của nguồn âm trong không gian.
1.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng định vị nguồn âm sử dụngnguyên lý TDOA nguyên lý TDOA
1.3.1. Các bước thực hiện định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA
Như đã trình bày, để định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA cần thực hiện hai bước bao gồm, ước lượng khác biệt thời gian đến và tính tốn vị trí
nguồn âm. Tuy vậy với hệ thống trong đó âm thanh cần định vị được xác định trước, việc phát hiện chính xác sự kiện âm thanh là yêu cầu kiên quyết, cần phải thực hiện trước quá trình định vị nguồn âm, là cơ sở cho các tính tốn phía sau. Mặt khác tín hiệu âm thanh cần định vị ngoài việc chịu ảnh hưởng của tạp âm nền cịn chịu tác động của nhiều âm thanh mơi trường khác nhau, do đó cần thiết phải sử dụng những thuật tốn tiền xử lý tín hiệu phù hợp nhằm tách tín hiệu cần định vị khỏi nhiễu và tạp âm, qua đó nâng cao khả năng phát hiện sự kiện âm thanh và độ chính xác ước lượng khác biệt thời gian đến.
Trên hình 1.9 thể hiện sơ đồ khối các bước thực hiện của một hệ thống định vị nguồn âm thanh với tín hiệu cần định vị được xác định trước.
Hình 1.9. Sơ đồ khối chức năng hệ thống định vị nguồn âm
Trước hết tín hiệu từ các cảm biến âm thanh được tiếp nhận, đánh số hiệu tương ứng với từng vị trí cảm biến, tiếp theo được tiền xử lý bằng những bộ lọc phù hợp cho từng trường hợp. Tiền xử lý tín hiệu âm thanh là một bước có vai trị quan trọng, tiền xử lý hiệu quả giúp nâng cao khả năng phát hiện chính xác sự kiện âm thanh qua đó nâng cao chất lượng ước lượng khác biệt thời gian đến. Tiếp theo tín hiệu được đưa qua khối phát hiện sự kiện âm thanh, tùy vào các đặc tính của tín hiệu cần định vị mà các bộ lọc phát hiện sự kiện âm thanh được thiết kế theo các đặc trưng của âm thanh như biên độ hoặc tần số... Phát hiện sự kiện âm thanh là bước khởi đầu của quá trình định vị, khi phát hiện tín hiệu âm thanh cần định vị q trình trích xuất cửa sổ, ước tính vị trí nguồn âm mới được tiến hành nhằm tìm ra vị trí nguồn âm. Ngược lại khi khối phát hiện sự kiện âm thanh hoạt động khơng chính xác sẽ khơng có nguồn âm nào được định vị, hoặc định vị nguồn âm khơng mong muốn. Do đó, bước phát hiện sự
kiện âm thanh đóng vai trị quyết định trong việc giảm định vị sai mục tiêu cũng như bỏ sót mục tiêu cần định vị, nâng cao năng lực phát hiện sự kiện âm thanh là một phương pháp hiệu quả nâng cao chất lượng định vị nguồn âm.
Sau khi sự kiện âm thanh được phát hiện, tín hiệu chứa sự kiện đó sẽ được trích xuất theo những cửa sổ đồng bộ trên tồn bộ các cảm biến. Các cặp cửa sổ tín hiệu này được đưa vào so sánh để tìm khác biệt thời gian đến τij,
dựa trên bộ số τij đã tìm được thiết lập hệ phương trình định vị nguồn âm theo cơng thức (1.8) để tính tốn vị trí nguồn âm thanh trong khơng gian.
1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA
Để đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng định vị nguồn âm, trước hết phải làm rõ chất lượng định vị nguồn âm bao gồm những tham số nào. Một cách tự nhiên, một hệ thống định vị nguồn âm cần giải quyết hai vấn đề chính, bao gồm:
•Xác định chính xác loại âm thanh cần định vị.
•Xác định chính xác vị trí nguồn âm.
Trước hết, việc xác định chính xác loại âm thanh cần định vị là nhiệm vụ của quá trình phát hiện sự kiện âm thanh. Đây có thể được coi là khởi đầu của q trình định vị nguồn âm, việc xác định chính xác sự kiện âm thanh là tiền đề cho việc trích xuất chính xác cửa sổ tính hiệu, là cơ sở cho việc ước tính chính xác khác biệt thời gian đến, đồng thời tránh việc định vị các nguồn âm khác không phải là mục tiêu định vị của hệ thống.
Khi sự kiện âm thanh được phát hiện chính xác, q trình định vị nguồn âm được khởi động, khi đó sai số định vị của hệ thống hoàn toàn phụ thuộc vào q trình ước tính khác biệt thời gian đến và tính tốn vị trí nguồn âm. Ngược lại nếu khơng phát hiện được sự kiện âm thanh khi nó xảy ra, q trình định vị nguồn âm khơng được khởi động, hệ thống định vị nguồn âm sẽ bỏ qua một
mục tiêu cần định vị. Mặt khác khi khơng có sự kiện âm thanh xảy ra, nếu khối phát hiện sự kiện âm thanh phát ra cảnh báo sai, hệ thống sẽ định vị một mục tiêu khơng cần thiết. Có thể nói phát hiện sự kiện âm thanh là một bước quan trọng ảnh hưởng trực tiếp tới tính tin cậy của hệ thống định vị nguồn âm. Quá trình phát hiện sự kiện âm thanh có thể được đánh giá thông qua tham số xác suất phát hiện chính xác sự kiện âm thanh, tham số này có thể được đo lường dựa trên tỉ lệ giữa các sự kiện âm thanh được phát hiện đúng trên tổng số các sự kiện âm thanh. Việc nâng cao xác suất phát hiện chính xác sự kiện âm thanh là một trong những phương pháp nhằm nâng cao chất lượng định vị nguồn âm.
Khi đã xác định được đúng loại sự kiện âm thanh, q trình định vị, tính tốn vị trí nguồn âm được tiến hành. Chất lượng định nguồn âm lúc này có thể được xác định thơng qua sai số vị trí giữa nguồn âm thực tế và nguồn âm ước tính được. Việc giảm sai số định vị là một phương thức nâng cao chất lượng định vị nguồn âm.
Đối với các hệ thống định vị nguồn âm sử dụng nguyên lý TDOA, có nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng tới sai số định vị của hệ thống. Có thể kể tới các yếu tố thuộc về kết cấu vật lý của hệ thống như tính chính xác của vị trí cảm biến trong khơng gian, hay độ nhạy của các cảm biến ...Tuy nhiên đó có thể coi là các yếu tố khách quan phụ thuộc vào quá trình thiết kế hệ thống cụ thể, ở đây đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thuật tốn xử lý tín hiệu tới độ chính xác định vị của hệ thống.
Trong khi phát hiện sự kiện âm thanh là bước khởi đầu quá trình định vị nguồn âm, thì ước lượng khác biệt thời gian đến giữa các cảm biến có thể coi là bước trọng tâm, quan trọng nhất của kỹ thuật định vị theo nguyên lý TDOA. Ước lượng chính xác khác biệt thời gian đến cho phép xây dựng một hệ phương trình định vị đúng là cơ sở của việc tính tốn vị trí nguồn âm thanh. Nâng cao độ chính xác ước tính khác biệt thời gian đến chính là một cách nâng cao độ chính
xác định vị. Trong các hệ thống số, khi tín hiệu âm thanh trên các cảm biến được số hóa, khác biệt thời gian đến được ước lượng với đơn vị là số nguyên lần của thời gian lấy mẫu. Khi đó, lựa chọn tần số lấy mẫu cao là một trong những cơ sở của việc ước tính chính xác khác biệt thời gian đến.
Tính tốn vị trí nguồn âm là bước cuối cùng, hiện thực hóa các bước trước đó thành vị trí của nguồn âm trong khơng gian. Tính tốn vị trí nguồn âm được xây dựng trên cơ sở các hệ số của phương trình định vị (1.8) được xây dựng từ khác biệt thời gian đến của các cảm biến, vận tốc âm thanh và vị trí các cảm biến trong khơng gian. Để đảm bảo độ chính xác định vị nguồn âm, các hệ số của phương trình như vận tốc âm thanh trong khơng khí cũng như vị trí các cảm biến phải được đưa vào tính tốn một cách chính xác. Như đã nói, vị trí của các cảm biến trong khơng gian là yếu tố khách quan, phụ thuộc vào kết cấu và tính chính xác về hướng của hệ thống cơ khí, tuy nhiên đây cũng là một yếu tố không thể bỏ qua, cần phải được quan tâm tinh chỉnh trong quá trình xây dựng hệ thống định vị nguồn âm thanh. Với vận tốc âm thanh trong khơng khí, ở các điều kiện môi trường khác nhau vận tốc âm thanh không phải là một hằng số cố định, việc đưa vào hệ số phương trình chính xác vận tốc âm thanh ở đúng thời điểm xảy ra sự kiện âm thanh không phải là việc dễ dàng.
Sau khi xác định được các hệ số của phương trình định vị nguồn âm, bằng một phương pháp giải hợp lý và hiệu quả, độ chính xác định vị sẽ được cải thiện.