專利名稱：一種基于音頻和視頻的機(jī)動(dòng)車違章鳴喇叭檢測(cè)系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及環(huán)境噪聲檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種基于音頻和視頻的機(jī)動(dòng)車違章鳴喇叭檢測(cè)系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
隨著近代工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境污染也隨著產(chǎn)生，噪聲污染是環(huán)境污染的一種。根據(jù)最近世界衛(wèi)生組織對(duì)歐洲國(guó)家的流行病學(xué)研究，噪聲污染已成為影響生活質(zhì)量和人體健康的重要環(huán)境因素，與水污染、大氣污染被看成是世界范圍內(nèi)三個(gè)主要環(huán)境問題。過(guò)度暴露在噪聲污染中，不僅會(huì)嚴(yán)重影響心理健康，也會(huì)增加心血管等疾病的風(fēng)險(xiǎn)。在中國(guó)大多數(shù)城市，環(huán)境噪聲投訴占環(huán)境投訴的40% 50%，已位居環(huán)境投訴的首位，而且有繼續(xù)增加的趨勢(shì)。在世界衛(wèi)生組織和歐盟合作研究中心最近公開的一份關(guān)于噪聲對(duì)健康影響的報(bào)告《噪聲污染導(dǎo)致的疾病負(fù)擔(dān)》中指出，在歐洲地區(qū)，噪聲污染導(dǎo)致的疾病負(fù)擔(dān)程度僅次于空氣污染。為此，WHO呼吁世界各國(guó)積極采取有效措施降低或減少噪聲污染。噪聲是發(fā)生體做無(wú)規(guī)則振動(dòng)時(shí)發(fā)出的聲音，以波的形式在一定的介質(zhì)(如固體、液體、氣體)中進(jìn)行傳播。一般情況下，人耳可聽到的聲波頻率為20 20000Hz，稱為可聽聲；低于20Hz，稱為次聲波；高于20000Hz，稱為超聲波。所聽到聲音的音調(diào)的高低取決于聲波的頻率，高頻聲聽起來(lái)尖銳，而低頻聲給人的感覺較為沉悶。聲音的大小由聲音的強(qiáng)弱決定，從物理學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，噪音是由各種不同頻率、不同強(qiáng)度的聲音雜亂、無(wú)規(guī)律的組合而成。判斷一個(gè)聲音是否屬于噪音，僅從物理學(xué)角度判斷是不夠的，主觀上的因素往往起著決定性的作用，即使同一種聲音，當(dāng)人處于不同狀態(tài)、不同心情時(shí)，對(duì)聲音也會(huì)產(chǎn)生不同的主觀判斷，此時(shí)聲音可能成為噪音或樂音。從生理學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，凡是干擾人們休息、學(xué)習(xí)和工作的聲音，即不需要的聲音，統(tǒng)稱為噪聲，當(dāng)噪聲對(duì)人及周圍環(huán)境造成不良影響時(shí)，就形成噪聲污染。產(chǎn)業(yè)革命以來(lái)，各種機(jī)械設(shè)備的創(chuàng)造和使用，給人類帶來(lái)了繁榮和進(jìn)步，但同時(shí)也產(chǎn)生了越來(lái)越多而且越來(lái)越強(qiáng)的噪聲。為降低城市環(huán)境噪聲污染，我國(guó)絕大多數(shù)城市已實(shí)行禁鳴。但隨著城市機(jī)動(dòng)車數(shù)量的快速增加，城市地面道路越來(lái)越擁擠，司機(jī)違章鳴喇叭現(xiàn)象還是比較突出，局部地方甚至有所反彈，嚴(yán)重干擾周圍居民正常生活和工作，特別居民夜間休息和睡眠，公眾要求交通管理部門加強(qiáng)對(duì)機(jī)動(dòng)車違章鳴喇叭監(jiān)管的呼聲一直不斷。由于缺乏機(jī)動(dòng)車違章鳴喇叭自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)和方法，交警只能通過(guò)人海戰(zhàn)術(shù)，對(duì)違章鳴喇叭突出路段派人現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管，通過(guò)人工識(shí)別查處違章鳴喇叭機(jī)動(dòng)車，有時(shí)被查處司機(jī)不承認(rèn)違章，由于無(wú)法提供客觀證據(jù)，管理部門面臨事實(shí)違章卻無(wú)法查處的尷尬境地，這與對(duì)機(jī)動(dòng)車超速、闖紅燈等違章行為的自動(dòng)有效監(jiān)管及查處形成鮮明對(duì)比。
相關(guān)文獻(xiàn)和專利檢索表明，國(guó)內(nèi)外未見有機(jī)動(dòng)車違章鳴喇叭自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)和方法的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于音頻和視頻的機(jī)動(dòng)車違章鳴喇叭檢測(cè)系統(tǒng)和檢測(cè)方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)城市機(jī)動(dòng)車違章鳴喇叭的自動(dòng)監(jiān)控和查處。一種基于音頻和視頻的機(jī)動(dòng)車違章鳴喇叭檢測(cè)系統(tǒng)，包括音頻采集單元，用于采集指定區(qū)域的聲音信號(hào)；視頻采集單元，用于采集所述指定區(qū)域的視頻信號(hào)；主控單元，用于接收所述聲音信號(hào)，當(dāng)聲音信號(hào)超過(guò)設(shè)定值時(shí)觸發(fā)所述視頻采集單元，并在所采集視頻信號(hào)中標(biāo)識(shí)聲源位置； 存儲(chǔ)單元，用于通過(guò)所述主控單元接收并存儲(chǔ)所述聲音信號(hào)和視頻信號(hào)。所述存儲(chǔ)單元可以采用內(nèi)置或外置的儲(chǔ)存介質(zhì)，并通過(guò)適宜的接口與所述主控單元連接，主控單元可以采用單片機(jī)或微型計(jì)算機(jī)等具有信號(hào)接收、處理和輸出功能的裝置。所述視頻采集單元可以采用數(shù)字?jǐn)z像頭(或攝像機(jī))等視頻圖像采集設(shè)備。所述音頻采集單元為聲音傳感器。聲音傳感器采集的一般是模擬信號(hào)，需要通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)為主控單元可識(shí)別的形式，因此設(shè)有連接在所述聲音傳感器和所述主控單元之間的聲卡，所述聲卡可起到模數(shù)轉(zhuǎn)換或預(yù)處理的作用，所述聲卡可以采用內(nèi)置或外置的形式。為了對(duì)多處指定區(qū)域采集聲音信號(hào)，或?qū)ν恢付▍^(qū)域進(jìn)行多點(diǎn)采樣，所述聲音傳感器為多個(gè)，即采用聲音傳感器陣列形式。主控單元中可以安裝軟件系統(tǒng)協(xié)調(diào)各單元之間的工作，所述軟件系統(tǒng)用于聲音信號(hào)和視頻信號(hào)的自動(dòng)采集、貯存、更新以及對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行處理，識(shí)別出鳴喇叭點(diǎn)位置。本發(fā)明機(jī)動(dòng)車違章鳴喇叭檢測(cè)系統(tǒng)可以固定在需要監(jiān)控的違章鳴喇叭區(qū)，也可以安裝在流動(dòng)檢測(cè)車上。本發(fā)明中聲音傳感器陣列通過(guò)信號(hào)連接線與聲卡音頻輸入端口相連；作為優(yōu)選，所述聲音傳感器陣列中的各個(gè)聲音傳感器呈直線形排列。與機(jī)動(dòng)車道垂直或平行布置，可橫跨道路布置于各車道上方，也可安裝在機(jī)動(dòng)車道與慢車道交界處。為了保證采集效果，所述聲音傳感器陣列中聲音傳感器應(yīng)具有較好的耐候性，個(gè)數(shù)不少于三個(gè)，在滿足各類機(jī)動(dòng)車通行所需凈高情況下，高度大于6m為宜。所述數(shù)字?jǐn)z像頭(或攝像機(jī))的分辨率大于800*600，和微型計(jì)算機(jī)可通過(guò)USB或其他端口相連；聲卡采樣位數(shù)為16位及以上，采樣率44. Ik及以上；外置聲卡或外置儲(chǔ)存介質(zhì)可以額外配置外接電源。在微型計(jì)算機(jī)的CPU主頻(遠(yuǎn)大于聲卡采樣頻率)較高情況下，可以通過(guò)分時(shí)實(shí)現(xiàn)各路聲音傳感器對(duì)聲音信號(hào)的同步采樣。本發(fā)明還提供了一種檢測(cè)方法，利用動(dòng)態(tài)采樣和記錄的音頻和視頻信號(hào)，檢測(cè)機(jī)動(dòng)車違章鳴喇叭事件，識(shí)別違章鳴喇叭車輛所在位置，并保存滿足舉證所需最小音頻和視頻材料。一種基于音頻和視頻的機(jī)動(dòng)車違章鳴喇叭檢測(cè)方法，包括如下步驟(I)在指定區(qū)域內(nèi)布置多個(gè)(一般至少兩個(gè))采樣點(diǎn)，采集聲音信號(hào)，每個(gè)采樣點(diǎn)可以認(rèn)為是一個(gè)聲音傳感器。采樣時(shí)一般為等間隔采樣，采樣間隔取決于聲卡采樣頻率，由于聲音傳感器采集的是模擬信號(hào)，因此聲卡將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制格式的數(shù)字信號(hào)，連同采樣時(shí)間以聲波文件(*.wav)的格式作為臨時(shí)文件保存。
(2)利用預(yù)設(shè)的校準(zhǔn)值計(jì)算所述聲音信號(hào)的實(shí)際聲壓級(jí)。聲音信號(hào)的強(qiáng)弱是通過(guò)對(duì)應(yīng)的電壓值體現(xiàn)的，因此首先將所述聲音信號(hào)對(duì)應(yīng)的電壓值Vu轉(zhuǎn)換為客觀聲壓值PU，根據(jù)客觀聲壓值Pu計(jì)算實(shí)際聲壓級(jí)Lu，Lij = 201g(PiJ/Po)，其中Po為基準(zhǔn)聲壓。各下標(biāo)中，i為不同路聲音信號(hào)的編號(hào)；j為同一路聲音信號(hào)中，不同米樣值的編號(hào)；例如第5路聲音信號(hào)中的第8個(gè)聲音信號(hào)電壓值為V58，對(duì)應(yīng)的客觀聲壓值p58對(duì)應(yīng)的實(shí)際聲壓級(jí)L58。(3)如果某一路聲音信號(hào)中，當(dāng)前采樣值與上一個(gè)采樣值對(duì)應(yīng)的實(shí)際聲壓級(jí)之差大于預(yù)設(shè)值(下稱觸發(fā)條件)時(shí)，認(rèn)為當(dāng)前采樣值中含有突發(fā)聲音，并開始采集指定區(qū)域的視頻信號(hào)；同時(shí)，以其中一個(gè)采樣點(diǎn)為基準(zhǔn)采樣點(diǎn)，計(jì)算所述突發(fā)聲音傳播到各個(gè)采樣點(diǎn)與·傳播至基準(zhǔn)采樣點(diǎn)的實(shí)際時(shí)間差。例如第i路聲音傳感器處Lij-Li^1) >預(yù)設(shè)值(該預(yù)設(shè)值根據(jù)系統(tǒng)反應(yīng)所需靈敏感度可調(diào)，一般取8dB及以上為宜)，則啟動(dòng)視頻采集裝置，等間隔采樣并記錄視頻畫面(按幀保存畫面)，每幀畫面時(shí)間間隔< 0. ls，連續(xù)保存至少3幀。同時(shí)根據(jù)微機(jī)CPU時(shí)鐘信號(hào)，提取距開始采集視頻信號(hào)所在時(shí)刻最近，且滿足所述觸發(fā)條件的各路聲音傳感器采樣值所在時(shí)刻ti(i = 1，2，...n，i為不同路聲音信號(hào)的編號(hào))，這里，可以以任意一個(gè)聲音傳感器作為第I路，即基準(zhǔn)采樣點(diǎn)，計(jì)算出突發(fā)聲音(例如鳴喇叭等突發(fā)聲)傳播至各路聲音傳感器和第I路聲音傳感器的實(shí)際時(shí)間差A(yù)tp1 =為突發(fā)聲音傳播到第I路聲音傳感器(即基準(zhǔn)采樣點(diǎn))的時(shí)間；&為突發(fā)聲音傳播到各路聲音傳感器(即各個(gè)米樣點(diǎn))的時(shí)間。(4)對(duì)符合步驟(3)中判斷條件的當(dāng)前采樣值，對(duì)其實(shí)際聲壓級(jí)扣除背景值，得到修正后的聲壓級(jí)，修正后的聲壓級(jí)I,= 10lg(1001^ -IOl^0)
O(5)將指定區(qū)域分割為若干網(wǎng)格，根據(jù)所述修正后的聲壓級(jí)，利用網(wǎng)格法計(jì)算各網(wǎng)格點(diǎn)處聲源聲功率級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)差；計(jì)算所有網(wǎng)格點(diǎn)處聲音信號(hào)傳播至各個(gè)采樣點(diǎn)與傳播至基準(zhǔn)采樣點(diǎn)的理論時(shí)間差。將指定區(qū)域網(wǎng)格化分割(小于ImX Im方形網(wǎng)格為宜)，根據(jù)第i路信號(hào)對(duì)應(yīng)的修
正后的聲壓級(jí)Li,，將鳴喇叭等突發(fā)噪聲視為在網(wǎng)格點(diǎn)處發(fā)聲的點(diǎn)聲源，按半自由空間中輻
射的無(wú)指向性模型= lWlk —20 lgr_8 (式中r為網(wǎng)格點(diǎn)k至i路傳感器間的距離)，
已知Li,和r情況下，可反演計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)k(k為網(wǎng)格點(diǎn)的索引號(hào)，例如=1，2，...M，其中M
W.
為索引號(hào)最大值)處點(diǎn)聲源聲功率級(jí)，根據(jù)聲功率級(jí)定義1& =101S^r (Wtl為基準(zhǔn)聲功率，取I(T12W)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的聲功率Wik (i為不同路聲音信號(hào)的編號(hào)，一般可取1，2，...n，n
為編號(hào)的最大值)，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)處Wik的標(biāo)準(zhǔn)差SDk ( SD, =)。將指定區(qū)域分割為若干網(wǎng)格后，需要計(jì)算所有網(wǎng)格點(diǎn)處聲音信號(hào)傳播至各個(gè)采樣點(diǎn)與傳播至基準(zhǔn)采樣點(diǎn)的理論時(shí)間差。為了便于表述，以下將采樣點(diǎn)描述為實(shí)際應(yīng)用中的聲音傳感器。根據(jù)各網(wǎng)格點(diǎn)至每路聲音傳感器的聲程(即網(wǎng)格點(diǎn)至聲音傳感器的直線距離r)及聲音在空聲中傳播速度c (取340m/s)，可計(jì)算得第k個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)(即任意一個(gè)網(wǎng)格)處聲音信號(hào)傳播至任意一個(gè)聲音傳感器所需時(shí)間tik = r/c, (i為不同路聲音信號(hào)的編號(hào)，即也對(duì)應(yīng)了不同路的聲音傳感器，一般可取1，2，. . . n，n為編號(hào)的最大值)。以其中一個(gè)聲音傳感器為基準(zhǔn)傳感器，進(jìn)一步可計(jì)算得第k個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)聲音信號(hào)傳播至各個(gè)聲音傳感器和基準(zhǔn)聲音傳感器所需理論時(shí)間差A(yù)ti^ = tik_tlk，tlk為第k個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)聲音信號(hào)傳播至第I路聲音傳感器(即基準(zhǔn)米樣點(diǎn))的時(shí)間；
tik為第k個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)聲音信號(hào)傳播至各路聲音傳感器(即各個(gè)米樣點(diǎn))的時(shí)間；在網(wǎng)格點(diǎn)和聲音傳感器位置已確定情況下，理論時(shí)間差可事先計(jì)算并保存在微機(jī)內(nèi)。(6)將每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的理論時(shí)間差對(duì)應(yīng)的與所述突發(fā)聲音的實(shí)際時(shí)間差作比較，計(jì)算差值平方和，選取差值平方和相對(duì)較小的3 5個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)；所述差值平方和
權(quán)利要求
1.一種基于音頻和視頻的機(jī)動(dòng)車違章鳴喇叭檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括 音頻采集單元，用于采集指定區(qū)域的聲音信號(hào)； 視頻采集單元，用于采集所述指定區(qū)域的視頻信號(hào)； 主控單元，用于接收所述聲音信號(hào)，當(dāng)聲音信號(hào)超過(guò)設(shè)定值時(shí)觸發(fā)所述視頻采集單元，并在所采集視頻信號(hào)中標(biāo)識(shí)聲源位置； 存儲(chǔ)單元，用于通過(guò)所述主控單元接收并存儲(chǔ)所述聲音信號(hào)和視頻信號(hào)。
2.如權(quán)利要求I所述的基于音頻和視頻的機(jī)動(dòng)車違章鳴喇叭檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述音頻采集單元為聲音傳感器。
3.如權(quán)利要求2所述的基于音頻和視頻的機(jī)動(dòng)車違章鳴喇叭檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述聲音傳感器為多個(gè)，采用聲音傳感器陣列形式。
4.如權(quán)利要求3所述的基于音頻和視頻的機(jī)動(dòng)車違章鳴喇叭檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述聲音傳感器陣列中的各個(gè)聲音傳感器呈直線形排列。
5.如權(quán)利要求4所述的基于音頻和視頻的機(jī)動(dòng)車違章鳴喇叭檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述聲音傳感器陣列中聲音傳感器個(gè)數(shù)不少于三個(gè)。
6.一種基于音頻和視頻的機(jī)動(dòng)車違章鳴喇叭檢測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)在指定區(qū)域內(nèi)布置多個(gè)采樣點(diǎn)，采集聲音信號(hào)； (2)利用預(yù)設(shè)的校準(zhǔn)值計(jì)算所述聲音信號(hào)的實(shí)際聲壓級(jí)； (3)如果某一路聲音信號(hào)中，當(dāng)前采樣值與上一個(gè)采樣值對(duì)應(yīng)的實(shí)際聲壓級(jí)之差大于預(yù)設(shè)值時(shí)，認(rèn)為當(dāng)前采樣值中含有突發(fā)聲音，并開始采集指定區(qū)域的視頻信號(hào)；同時(shí)，以其中一個(gè)采樣點(diǎn)為基準(zhǔn)采樣點(diǎn)，計(jì)算所述突發(fā)聲音傳播到各個(gè)采樣點(diǎn)與傳播至基準(zhǔn)采樣點(diǎn)的實(shí)際時(shí)間差； (4)對(duì)符合步驟(3)中判斷條件的當(dāng)前采樣值，對(duì)其實(shí)際聲壓級(jí)扣除背景值，得到修正后的聲壓級(jí)； (5)將指定區(qū)域分割為若干網(wǎng)格，根據(jù)所述修正后的聲壓級(jí)，利用網(wǎng)格法計(jì)算各網(wǎng)格點(diǎn)處聲源聲功率級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)差；計(jì)算所有網(wǎng)格點(diǎn)處聲音信號(hào)傳播至各個(gè)采樣點(diǎn)與傳播至基準(zhǔn)采樣點(diǎn)的理論時(shí)間差； (6)將每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的理論時(shí)間差對(duì)應(yīng)的與所述突發(fā)聲音的實(shí)際時(shí)間差作比較，計(jì)算差值平方和，選取差值平方和相對(duì)較小的3 5個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)； (7)選取步驟(5)中所述聲源聲功率級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)較小的3 5個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，取這些網(wǎng)格點(diǎn)與步驟(6)中所選網(wǎng)格點(diǎn)的交集，按與交集中各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)距離之和最小原則，利用最小二乘法計(jì)算識(shí)別出鳴喇叭點(diǎn)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格位置，根據(jù)該網(wǎng)格位置在所述步驟(3)采集的視頻信號(hào)中標(biāo)注鳴喇叭點(diǎn)位置。
7.如權(quán)利要求6所述的基于音頻和視頻的機(jī)動(dòng)車違章鳴喇叭檢測(cè)方法，其特征在于，只保存符合所述步驟(3)中判斷條件的聲音信號(hào)。
8.如權(quán)利要求7所述的基于音頻和視頻的機(jī)動(dòng)車違章鳴喇叭檢測(cè)方法，其特征在于，所述被保存的聲音信號(hào)起點(diǎn)為開始采集指定區(qū)域的視頻信號(hào)前3秒，被保存的聲音信號(hào)的終點(diǎn)為開始采集指定區(qū)域的視頻信號(hào)后10秒。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于音頻和視頻的機(jī)動(dòng)車違章鳴喇叭檢測(cè)系統(tǒng)和方法，其中檢測(cè)系統(tǒng)包括音頻采集單元、視頻采集單元、主控單元以及存儲(chǔ)單元；檢測(cè)方法包括采樣指定區(qū)域的聲音信號(hào)；計(jì)算所述聲音信號(hào)的實(shí)際聲壓級(jí)；若當(dāng)前采樣值與上一個(gè)采樣值對(duì)應(yīng)的實(shí)際聲壓級(jí)之差大于預(yù)設(shè)值，開始采集指定區(qū)域的視頻信號(hào)并計(jì)算該當(dāng)前采樣值修正后的聲壓級(jí)；根據(jù)所述修正后的聲壓級(jí)，計(jì)算各網(wǎng)格聲源聲功率級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)差；計(jì)算聲音傳感器接受到突發(fā)聲音的實(shí)際時(shí)間差和各網(wǎng)格點(diǎn)聲音傳播至聲音傳感器的理論時(shí)間差差值的平方和；根據(jù)差值的平方和及標(biāo)準(zhǔn)差識(shí)別出鳴喇叭點(diǎn)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格位置。本發(fā)明具有較強(qiáng)的實(shí)用性，操作方便，定位準(zhǔn)確，便于協(xié)助管理人員確定違章車輛。
文檔編號(hào)G08G1/01GK102722983SQ20121019432
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月13日
發(fā)明者翟國(guó)慶, 謝輝 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)