聲吶鳴笛抓拍系統(tǒng)原理詳解

　　為更高效查處各種交通違法違規(guī)行為，交管部門(mén)不斷加大信息化建設(shè)，積極引入各種創(chuàng)新治理方式。

　　近年來(lái)，“聲吶電子警察”——違法鳴笛抓拍系統(tǒng)從無(wú)到有，對(duì)亂鳴喇叭不文明行為起到了很大的威懾作用。其高自主研發(fā)的鳴笛抓拍系統(tǒng)覆蓋了全國(guó)上百個(gè)城市，無(wú)疑成為了備受關(guān)注的產(chǎn)品之一。‍

　　其高鳴笛抓拍系統(tǒng)可以把鳴笛過(guò)程完完整整地記錄下來(lái)了，音視頻全再現(xiàn)，違法亂鳴喇叭的司機(jī)想抵賴(lài)都不好意思。

　　由于鳴笛抓拍系統(tǒng)太過(guò)于神奇，鳴笛抓拍產(chǎn)品一在社會(huì)上亮相就“問(wèn)題不斷”，例如：其高鳴笛抓拍系統(tǒng)是如何做到精準(zhǔn)抓拍的?兩車(chē)并排挨著會(huì)不會(huì)抓錯(cuò)?短按一下也能抓拍嗎?用慘叫雞或嘴巴喊是不是才不會(huì)被抓拍? 會(huì)不會(huì)因剎車(chē)聲被誤抓?下雨也能抓嗎?……

　　小編告訴你，上面這些都不是“問(wèn)題”。其高專(zhuān)注于聲學(xué)技術(shù)研發(fā)十多年，這種“問(wèn)題”見(jiàn)多了，已經(jīng)發(fā)布了可大量使用復(fù)制的鳴笛抓拍系統(tǒng)產(chǎn)品，在全國(guó)一百多個(gè)城市長(zhǎng)期穩(wěn)定使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)亂鳴喇叭車(chē)輛的即時(shí)精準(zhǔn)抓拍。

　　其高鳴笛抓拍系統(tǒng)為何能夠在嘈雜的環(huán)境中，精準(zhǔn)識(shí)別出亂鳴喇叭的車(chē)輛?本文將詳細(xì)闡述其高鳴笛抓拍系統(tǒng)的底層工作原理。‍

　　鳴笛抓拍系統(tǒng)工作原理‍

　　如圖1所示，基于麥克風(fēng)陣列的鳴笛抓拍系統(tǒng)主要由鳴笛聲識(shí)別和鳴笛聲定位兩部分組成。

　　圖1 鳴笛抓拍系統(tǒng)框圖

　　“麥克風(fēng)陣列”模塊是硬件，由幾十個(gè)麥克風(fēng)同時(shí)采集聲音信號(hào)。

　　“鳴笛聲識(shí)別”模塊解決“聽(tīng)準(zhǔn)”的問(wèn)題，也就是確保鳴笛抓拍系統(tǒng)抓拍結(jié)果是依據(jù)鳴笛聲的定位，而不是因?yàn)槠渌曇舳ヅ摹C(jī)動(dòng)車(chē)在禁鳴區(qū)域發(fā)出鳴笛聲，抓拍系統(tǒng)可以取證并由交管部門(mén)進(jìn)行處罰。但是，機(jī)動(dòng)車(chē)發(fā)出其他聲音，聲音再大，目前也沒(méi)有相關(guān)法規(guī)可以依據(jù)進(jìn)行處罰，抓拍系統(tǒng)不應(yīng)實(shí)施抓拍取證，例如，大貨車(chē)的剎車(chē)聲也擾民，但不能因?yàn)樗l(fā)出剎車(chē)聲而對(duì)其進(jìn)行處罰。

　　“鳴笛聲定位”模塊解決“定準(zhǔn)”的問(wèn)題，也就是通過(guò)聲源定位算法確定按喇叭車(chē)輛。抓拍系統(tǒng)定位誤差必須足夠小，不能因A車(chē)?guó)Q笛，結(jié)果對(duì)B車(chē)進(jìn)行抓拍。

　　鳴笛聲識(shí)別

　　通過(guò)分析鳴笛聲與環(huán)境噪聲的能量比、鳴笛聲的持續(xù)時(shí)間及鳴笛聲頻域特征，可以將鳴笛聲與其他非鳴笛噪聲區(qū)分開(kāi)來(lái)。

　　典型鳴笛聲聲紋特征

　　鳴笛聲是一種通過(guò)多個(gè)正弦信號(hào)調(diào)制、具有豐富諧波的信號(hào)。

　　圖2是麥克風(fēng)陣列單個(gè)通道采集的一個(gè)包含噪聲與鳴笛聲的時(shí)域信號(hào)。

　　圖3是該時(shí)域波形的短時(shí)能量，從該圖可知鳴笛時(shí)的能量遠(yuǎn)大于噪聲能量。不僅如此，從該短時(shí)能量圖上可以看出，鳴笛聲的其持續(xù)時(shí)間一般要大于200毫秒。

　　圖4是該時(shí)域波形的中分別截取0.2秒的鳴笛信號(hào)和噪聲信號(hào)的功率譜比對(duì)圖，從該圖可知鳴笛信號(hào)具有豐富的譜線(xiàn)，且各個(gè)譜線(xiàn)之前呈類(lèi)似諧波的特征。

　　圖2 典型鳴笛聲時(shí)域波形

　　圖3 典型鳴笛聲短時(shí)能量

　　圖4 典型鳴笛聲音與噪聲頻譜

　　非鳴笛噪聲排除

　　鳴笛聲的頻譜聲紋特征很明顯，但也不是100%獨(dú)有，很多環(huán)境噪聲也會(huì)有類(lèi)似的特征，例如剎車(chē)聲、雨滴聲、鳥(niǎo)叫聲、蟬鳴聲等等都有可能被誤認(rèn)為是鳴笛聲。

　　其高鳴笛抓拍系統(tǒng)采用深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別鳴笛聲，通過(guò)上百萬(wàn)筆各種道路狀況下的鳴笛聲訓(xùn)練，形成魯棒的模型，能夠排除各種非鳴笛噪聲的干擾，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位抓拍。

　　以下是幾種典型非鳴笛噪聲信號(hào)的特征分析。

　　普通剎車(chē)

　　普通剎車(chē)是指小轎車(chē)的剎車(chē)聲。

　　圖5為典型的剎車(chē)信號(hào);圖6為剎車(chē)信號(hào)的頻譜圖。通過(guò)該頻譜特征可以有效識(shí)別為非鳴笛聲。

　　圖5 剎車(chē)信號(hào)的時(shí)域波形

　　圖6 剎車(chē)信號(hào)的頻譜

　　氣剎聲

　　氣剎聲是指由大貨車(chē)發(fā)出的剎車(chē)聲。

　　圖7為典型的氣剎信號(hào);圖8為氣剎信號(hào)的頻譜圖。

　　該頻譜結(jié)比普通剎車(chē)聲具有更加豐富的諧波，但與鳴笛聲的頻譜特征還是有差別。

　　圖7 氣剎信號(hào)的時(shí)域波形

　　圖8 氣剎信號(hào)的頻譜

　　雨滴聲

　　雨滴直接敲擊鳴笛抓拍系統(tǒng)的麥克風(fēng)陣列，可以產(chǎn)生很大聲壓級(jí)的噪聲。

　　圖9為一典型小雨情況下的雨滴聲時(shí)域波形。

　　圖10和圖11分別是該信號(hào)的短時(shí)能量和頻譜，通過(guò)短時(shí)能量發(fā)現(xiàn)雨滴聲持續(xù)的時(shí)間遠(yuǎn)小于鳴笛聲，且頻譜也與鳴笛聲不同，故可以排除該類(lèi)噪聲。

　　圖9 雨滴信號(hào)的時(shí)域波形

　　圖10 雨滴信號(hào)的時(shí)域波形

　　圖11 雨滴信號(hào)的頻譜

　　鳴笛聲定位算法

　　主要的聲源定位方法可分為以下三類(lèi)：

　　1.基于時(shí)間到達(dá)差的方法：該方法原理簡(jiǎn)單，使用麥克風(fēng)數(shù)量少，計(jì)算量小，易于實(shí)現(xiàn)。但其主要核心為計(jì)算聲源到達(dá)各個(gè)麥克風(fēng)的時(shí)間差，這要求系統(tǒng)的采樣率足夠高;此外，該方法在通過(guò)互相關(guān)或廣義互相關(guān)的方法對(duì)周期性信號(hào)的計(jì)算結(jié)果存在較大誤差，而鳴笛聲信號(hào)就可以認(rèn)為是一類(lèi)準(zhǔn)周期信號(hào)。

　　2.基于高分辨率譜估計(jì)的方法：該方法需要首先獲得接收信號(hào)的空間相關(guān)矩陣，這在實(shí)際中是比較困難。該方法對(duì)定位模型的誤差十分敏感，魯棒性較差。該方法常常用于窄帶的信號(hào)的定位，雖然可以將鳴笛信號(hào)分解成多個(gè)窄帶進(jìn)行定位，但由此帶來(lái)的計(jì)算量成倍增長(zhǎng)。

　　3.基于波束形成的方法：該方法通過(guò)將陣列中各個(gè)傳感器所采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波、加權(quán)疊加后形成波束，掃描整個(gè)接收空間。波束最大的點(diǎn)即為目標(biāo)聲源，該方法可以同時(shí)定位多個(gè)聲源。更為重要的是該方法魯棒性較強(qiáng)，不需要先驗(yàn)知識(shí)。

　　其高鳴笛抓拍系統(tǒng)采用波束形成算法來(lái)實(shí)現(xiàn)鳴笛聲的精準(zhǔn)定位。

　　將圖2采集到的一組鳴笛信號(hào)進(jìn)行波束形成，定位結(jié)果如圖12所示。

　　圖13是與畫(huà)面信息疊加后的結(jié)果，可見(jiàn)定位結(jié)果與車(chē)輛真實(shí)位置一致。

　　圖12 鳴笛聲定位結(jié)果

　　圖13 鳴笛聲定位結(jié)果

　　鳴笛抓拍系統(tǒng)應(yīng)用

　　基于上述方法，其高自主研發(fā)出了多款基于克風(fēng)陣列的鳴笛抓拍產(chǎn)品，可以實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位汽車(chē)?guó)Q笛聲，系統(tǒng)作為輔助執(zhí)法手段已在全國(guó)各大城市得到了應(yīng)用和推廣。

　　其高自主研發(fā)的32通道和64通道麥克風(fēng)陣列

　　基于麥克風(fēng)陣列的汽車(chē)?guó)Q笛聲系統(tǒng)應(yīng)用

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