[发明专利]一种基于立体视觉和波束形成的移动声源的三维定位方法

权利要求书

1.一种基于立体视觉和波束形成的移动声源的三维定位方法，其特征在于：首先把传声器阵列和立体相机安置在需要监测的运行机构的一侧，通过直流稳压电源同时触发传声器阵列、立体相机；相机每次曝光期间，通过传声器阵列拾取机构运行时声压频谱信号，并同步通过立体相机内置的立体视觉算法拾取对应的环境深度图像；将立体相机拾取的环境深度图像导入计算机；在计算机中将得到的环境深度图像通过图像分割技术将被测的运行机构从运行环境中提取出来，获得运行机构深度图像；通过空间匹配将运行机构深度图像转化为声阵列空间坐标系下的空间三维点云，将这些点作为波束形成的声压重建点，并在这些点上重建运行机构表面的声场，将最大声场输出所对应的声压重建点作为声源的三维定位结果。

2.根据权利要求1所述的基于立体视觉和波束形成的移动声源的三维定位方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：

S1、首先把传声器阵列和立体相机安置在需要监测的运行机构的一侧，通过直流稳压电源同时触发传声器阵列、立体相机；其中，传声器阵列为M个传声器组成的阵列，传声器m在声阵列空间坐标系中的空间坐标为(x_m,y_m,z_m)，选择1号传声器为参考通道；

S2、相机每次曝光期间，通过传声器阵列拾取机构运行时声压频谱信号P_m(ω)，并同步通过立体相机内置的立体视觉算法拾取对应的环境深度图像；其中m＝1,2,3…,M，P_m(ω)为第m个传声器采集到的声压频谱信号；

S3、将立体相机拾取的环境深度图像导入计算机；在计算机中将得到的环境深度图像通过图像分割技术将被测的运行机构从运行环境中提取出来，获得运行机构深度图像；

S4、通过空间匹配将运行机构深度图像转化为声阵列空间坐标系下的空间三维点云，将这些点作为波束形成的声压重建点f；其中，f＝1,2,...F，F表示重建点的总数；

S5、对各声压重建点f到达各传声器m相对于参考传声器的延时时间计算：τ_m(f)＝|r_1f|-|r_mf|/c；其中，r_1f为参考传声器1到重建点f的位置向量，r_mf为第m号传声器到重建点f的位置向量，|·|是矢量取模，c为声速；

S6、通过S5步骤中得到的延时时间，对各传声器信号进行延迟补偿后求和，并根据传声器总数M，进行归一化，得到各声压重建点f的声场输出B(f,ω)；将各声压重建点f的声场输出B(f,ω)共同组成声成像图；其中，w_m是第m号传声器的加权系数，e为自然常数，j为虚数单位；

S7、声成像图中的最大声场输出所对应的声压重建点作为声源的三维定位结果。

3.根据权利要求1或2所述的基于立体视觉和波束形成的移动声源的三维定位方法，其特征在于：所述相机的每次曝光间隔取值为

4.根据权利要求1或2所述的基于立体视觉和波束形成的移动声源的三维定位方法，其特征在于：所述图像分割技术采用阈值法。

5.根据权利要求2所述的基于立体视觉和波束形成的移动声源的三维定位方法，其特征在于：所述S4步骤具体如下：

S4.1、运行机构深度图像作为平面图像，是各像素的深度组成的矩阵图像化的结果，根据成像原理，运行机构深度图像的每个像素点(x,y)及像素点的深度l，能够建立像素坐标与相机空间坐标系的空间变换关系，三维点(x₁,y₁,l)为深度图像的像素点(x,y)在相机空间坐标系中的空间坐标；

其中，U为运行机构深度图像的水平分辨率，V为运行机构深度图像的垂直分辨率，α₀为相机的水平广角，β₀为相机的垂直广角；

S4.2、相机空间坐标系和声阵列空间坐标系为不同的空间坐标系，使用波束形成重构声场需在声阵列空间坐标系中进行，根据两坐标系的位置关系，建立公式：

式中，u为相机空间坐标系的水平坐标轴，v为相机空间坐标系的垂直坐标轴，w为相机指向测量面的深度坐标轴；M_R为三维旋转矩阵，能够使相机空间坐标系绕w轴旋转θ，绕v轴旋转β，绕u轴旋转α，实现两空间坐标系互相平行；[x_u,y_v,z_w]^T为两坐标系原点间在x,y,z方向的平移量，[x_f,y_f,z_f]^T为空间变换后在声阵列空间坐标系中的用于波束形成计算的点，即声压重建点的坐标；