Mikrofónové polia

Prepis

1 Technická univerzita v Košiciach Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra elektroniky a multimediálnych telekomunikácií Metódy a algoritmy spracovania signálu z mikrofónových polí Študijný program: Infoelektronika Typ záverečnej práce: Diplomová práca Meno vedúceho a konzultanta: prof. Ing. Jozef Juhár, CSc. Meno študenta: Tomáš Sučik

2 Metódy a algoritmy spracovania signálu z mikrofónových polí 1. Na základe poskytnutej odbornej literatúry a dostupných informačných zdrojov preštudujte problematiku metód a algoritmov lokalizácie akustických zdrojov pomocou mikrofónových polí a spracujte prehľad problematiky. 2. Implementujte vybrané algoritmy pomocou Matlabu a porovnajte/vyhodnoťte ich vlastnosti. 3. Vypracujte dokumentáciu v požadovanom rozsahu.

3 Zoznam úloh riešených v zimnom semestri Naštudovanie používaných metód a konkrétnych algoritmov spracovania signálu z mikrofónového poľa Realizácia vlastného mikrofónového poľa a následné spracovanie zaznamenaného signálu Naprogramovanie vlastného algoritmu v prostredí MATLAB a jeho otestovanie

4 Čo sú mikrofónové polia a na čo sa Systémy zložené z viacerých mikrofónov Používajú sa ako súčasť systémov slúžiacich na lokalizáciu akustického zdroja resp. skvalitnenie snímania zvuku v rušivom resp. dozvukovom prostredí, diaľkové snímanie akustickej scény a pod. Podobný princíp ako polia antén, seizmometrov či hydrofónov používajú?

5 Prehľad algoritmov 01. Algoritmy založené na časovom oneskorení (TDOA): -pre jeden mikrofónový pár(krížová korelácia medzi dvojicou mikrofónov) -kombinácia mikrofónových párov (krížová korelácia medzi vybranými pármi mikrofónov v mikrofónovom poli) 02. Algoritmy založené na intenzite predpokladanej odpovede (SRP): -konvenčné algoritmy -váhové algoritmy -algoritmy maximálnej pravdepodobnosti (ML Maximum Likelihood) -tzv. MUSIC algoritmus (Multiple Signal Classification) - algoritmy založené na kombinovaní bin-ov -najpoužívanejšie typy: TDE (Time Delay Elevation) interpolácia, TDE estimácia, SRP PHAT (Phase Transform), SRP MLR, SRP ML, SRP MUSIC -časticové filtre

6 Najjednoduchšie mikrofónové pole Princíp metódy TDOA (Time Delay Of Arrival)

7 Zakreslenie môjho pracoviska

8 Analýza záznamov Program Cool Edit Pro pre prácu so zvukovými stopami Hladiny akustickej intenzity Minimálny RMS výkon Maximálny RMS výkon Priemerný RMS výkon Celkový RMS výkon

9 Princíp vyhodnocovania záznamov

10 Môj script pre postspracovanie % Tomáš Sučik Diplomova Praca close all; clear all; %Naèítanie zvukového súboru [n1,fvz1,nbits1] = wavread('mikrofon1.wav'); n1 = n1'; %transponovanie vektora str1 = mean(n1); %stredná (priemerná) hodnota signálu n_bez_js1 = n1 - str1; %signál bez js zložky N1 = length(n_bez_js1); %poèet vzoriek signálu Lram1 = 240; %dåžka vzoriek jedného rámca Nram1 = floor(n1/lram1); %výpoèet a zaokrúhlenie poètu rámcov n_novy1 = n_bez_js1(1:lram1*nram1); %orezanie pôvodného vektora signálu matica1 = reshape(n_novy1,lram1,nram1); %rozdelenie signálu na rámce %Naèítanie zvukového súboru [n2,fvz2,nbits2] = wavread('mikrofon2.wav'); n2 = n2'; %transponovanie vektora str2 = mean(n2); %stredná (priemerná) hodnota signálu n_bez_js2 = n2 - str2; %signál bez js zložky N2 = length(n_bez_js2); %poèet vzoriek signálu Lram2 = 240; %dåžka vzoriek jedného rámca Nram2 = floor(n2/lram2); %výpoèet a zaokrúhlenie poètu rámcov n_novy2 = n_bez_js2(1:lram2*nram2); %orezanie pôvodného vektora signálu matica2 = reshape(n_novy2,lram2,nram2); %rozdelenie signálu na rámce matica1auto = xcorr(matica1); %autokorelaèná funkcia matice signálu z mikrofónu è.1 matica2auto = xcorr(matica2); %autokorelaèná funkcia matice signálu z mikrofónu è.2 matica = xcorr2(matica1,matica2); %crosskorelaèná funkcia matíc signálov z mikrofónov è. 1 a 2

11 figure(1); subplot(3,1,1) plot(matica1auto), grid on; title('zobrazenie autokorelaènej funkcie matice è. 1'); subplot(3,1,2) plot(matica2auto), grid on; title('zobrazenie autokorelaènej funkcie matíce è. 2'); subplot(3,1,3) plot(matica1auto), grid on; title('zobrazenie crosskorelaènej funkcie matíc è. 1 a 2'); [max_matica, imax] = max(abs(matica(:))); [ypeak, xpeak] = ind2sub(size(matica),imax(1)); corr_offset = [ (ypeak-size(matica2,1)) (xpeak-size(matica2,2)) ]; [max_matica1, imax1] = max(abs(matica1(:))); [ypeak1, xpeak1] = ind2sub(size(matica1),imax(1)); [max_matica2, imax2] = max(abs(matica2(:))); [ypeak2, xpeak2] = ind2sub(size(matica2),imax(1)); t_vzorky = 1/Fvz1; %èas medzi dvoma vzorkami t = abs(ypeak-size(matica2,1))/(fvz1); %oneskorenie medzi signálmi z mikrofónov vzdialenost = t*340; % vzdialenos od vzdialenejšieho mikrofónu k bodu, kam zvuk dorazil pre oba mikrofóny v rovnakom èase uhol_alfa = acos(vzdialenost)* ; % vynásobenie konštantou ( ) kvôli prepoètu radiánov na stupne string = ['Uhol natoèenia k zdroju zvuku = ',mat2str(uhol_alfa),' (stupòov)']; disp(string); if (ypeak-size(matica2,1))<0 fprintf('zdroj sa nachádza v sektore prislúchajúcom mikrofónu è.1.'); elseif (ypeak-size(matica2,1))>0 fprintf('zdroj sa nachádza v sektore prislúchajúcom mikrofónu è.2.'); else fprintf('zdroj sa nachádza na rozhraní sektorov prislúchajúcich mikrofónom'); end

12 Moja momentálna práca na diplomovej práci Hĺbková analýza konvenčných metód a algoritmov postspracovania audio resp. rečových signálov Programovanie a testovanie algoritmov (SRP PHAT, MUSIC...)na signáloch z uskutočneného merania pomocou dvojprvkového lineárneho mikrofónového poľa Príprava nového štvorprvkového lineárneho mikrofónového poľa pre ďalšie merania, podľa možností aj v reálnom čase

13 Zoznam plánovaných úloh pre letný semester Testovanie v súčasnosti používaných algoritmov spracovania signálov z mikrofónového poľa (TDE, SRP BF, SRP PHAT, SRP MLR, SRP ML, SRP MUSIC) Porovnanie výsledkov konvenčných metód a algoritmov spracovania signálu z mikrofónového poľa Porovnanie výsledkov spracovania pomocou vlastného algoritmu a zaužívaných algoritmov

14 Zoznam použitej literatúry [1] TASHEV, Ivan: Sound Capture and Processing. John Wiley and Sons, s. ISBN [2] ELKO, George: Superdirective microphone arrays, in Acoustic Signal Processing for Telecommunications. Norwell, MA: Kluwer Academic, s [3] TASHEV, Ivan - MALVAR, Henrich: A new beamformer design algorithm for microphone arrays. Philadelphia, PA: Proceedings of International Conference of Acoustic, Speech and Signal Processing ICASSP, s [4] ER, Martin: A robust formulation for an optimum beamformer subject to amplitude and phase perturbations. California: Signal processing, s [5] DOCLO, Sean - MOONEN, Matthew: Superdirective beamforming robust against microphone mismatch. California: IEEE Transactions on Audio, Speech, and Language Processing, s

15 Ďakujem za pozornosť!