基于音频的灯光控制系统及方法与流程

本发明涉及照明控制领域，特别是一种基于音频的灯光控制系统及方法。

背景技术：

在照明领域中，为提升用户对灯光氛围的体验，往往不再局限于灯光的亮度和色彩的调节，要让灯光随音频的音色、音调、响度的变化而发生亮度、颜色的变化，让音频和灯光一起烘托氛围。

目前现有的灯光与音频的控制比较单一，场景比较单一，只是实现了音频的节奏与灯光的亮度和颜色同步变化，但没有根据音频的音色、音调、响度进行灯光的分层控制，譬如：钢琴曲、吉他曲、小提琴曲等不同的音色呈现不同灯光主色调，不同音色的音调和响度呈现不同的灯光颜色和亮度，因此，现有的音频与灯光的律动方式不能体现更丰富的律动效果，给用户的体验较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于音频的灯光控制系统及方法，以解决音频与灯光的律动效果单一、场景不丰富及用户体验差的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于音频的灯光控制系统，其特征在于，包括：

音频信号输入单元1，用于输入音频模拟信号；

音频信号均衡单元2，接收音频模拟信号并转换成音频数字信号；所述音频信号均衡单元2的输入端与所述音频信号输入单元1的输出端连接；

音色数据解析单元3，读取音频数字信号，以及将所述音频数字信号解析为音色数据；所述音色数据解析单元3的输入端与所述音频信号均衡单元2的输出端连接；

音调数据解析单元4，实时读取音频数字信号，以及将所述音频数字信号解析为音调数据；所述音调数据解析单元4的输入端与所述音频信号均衡单元2的输出端连接；

响度数据解析单元5，实时读取音频数字信号，以及将所述音频数字信号解析为响度数据；所述响度数据解析单元5的输入端与所述音频信号均衡单元2的输出端连接；

灯光模式单元6，将所述音色数据转换成灯光主色调信号，将所述音调数据转换成灯光局部色调信号，将所述响度数据转换成灯光总体亮度信号；所述灯光模式单元6的输入端与所述音色数据解析单元3、音调数据解析单元4和响度数据解析单元5的输出端连接；

所述灯光控制系统通过所述音色数据、音调数据和响度数据对灯光进行分层控制；所述音色数据用于控制灯光主色调；所述音调数据用于控制灯光局部色调；所述响度数据用于控制灯光总体亮度。

在一些实施例中，所述音频信号均衡单元2对接收到的所述音频模拟信号进行带通滤波、信号放大限幅和信号分频，以及通过内部AD将所述音频模拟信号转换成音频数字信号，同时转换成8字节的数字信号存放在8个不同地址单元中。

在一些实施例中，所述音色数据解析单元3包括幅值数据读取及更新模块、音频频宽判断模块和音色数据定义模块，通过所述幅值数据读取及更新模块、音频频宽判断模块和音色数据定义模块将所述音频数字信号解析为音色数据。

在一些实施例中，所述灯光模式单元4包括音色对应的灯光模式、音调对应的灯光模式和响度对应的灯光模式。

在一些实施例中，所述音色数据解析单元3、音调数据解析单元4和响度数据解析单元5通过I2C总线与所述音频信号均衡单元2进行串行通讯；所述音色数据解析单元3、音调数据解析单元4和响度数据解析单元5通过SPI通讯模拟NRZ信号与所述灯光模式单元6进行单总线串行通讯。

本发明还提供一种基于音频的灯光控制方法，包括如下步骤：

S1：接收音频模拟信号并转换成音频数字信号；

S2：读取音频数字信号；

S3：将不同频率的音频数字信号解析为N种音色数据；将不同频率的音频数字信号解析为N种音调数据；将不同频率的音频数字信号解析为响度数据；

S4：将所述N种音色数据转换成N种灯光主色调信号；将所述N种音调数据转换成N种灯光局部色调信号；将所述响度数据转换成灯光总体亮度信号；

其中N是大于1的自然数。

在一些实施例中，步骤S1中，对所述音频模拟信号进行带通滤波、信号放大限幅和信号分频后，再将所述音频模拟信号转换成音频数字信号，同时将所述音频数字信号转换成7个不同频率音频的幅值数据和1个总体频率平均幅值数据的8字节的数字信号，并存放在8个不同地址单元中。

在一些实施例中，步骤S2中，所述读取音频数字信号的时间大于64us，以间隔100us的刷新率来读取。

在一些实施例中，步骤S3中，将不同频率的音频数字信号解析为N种音色数据的步骤为：

S301：读取幅值数据及更新

拾取10秒钟以上音源信号，用7字节的数组一从左到右分别缓存从低频到高频7个频率点的幅值数据，每隔50ms查看，如果新读取的幅值数据与当前缓存的幅值数据相比浮动达到10％，则对所述当前缓存的幅值数据进行更新；

S302：判断出音频频宽

分别计算所述数组一的每个地址单元缓存的幅值数据更新的次数，用1字节数据通过宏来定义预先设定的次数作为判断阀值，当所述数组一的每个地址单元缓存的幅值数据从左到右依次判断更新的次数大于所述预先设定的次数时，为音频数字信号的低频频点；当所述数组一的每个地址单元缓存的幅值数据从右到左依次判断更新的次数大于所述预先设定的次数时，为音频数字信号的高频频点，音频数字信号的频宽为低频频点至高频频点之间的数值；

S303：定义音色数据

根据所述频宽将音频数字信号定义为N种音色数据，不同的频宽对应不同的音色数据，每种音色数据用1字节数据进行编号分类；

步骤S3中，用所述数组二的第1-7字节数据从左到右分别缓存从低频到高频7个频率点的幅值数据，所述7个频率点的幅值数据为7种述音调数据；

步骤S3中，用所述数组二的第8字节数据缓存总体频率平均幅值数据，所述总体频率平均幅值数据为所述响度数据。

在一些实施例中，所述音色数据包括低音音色数据、中低音音色数据，中高音音色数据、高音音色数据，用4字节数据分别缓存所述低音音色数据、中低音音色数据，中高音音色数据、高音音色数据。

本发明还提供一种基于音频的灯光控制系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上任一所述方法的步骤。

本发明与现有技术对比的有益效果包括：本发明通过读取音频数字信号，根据不同频率的音频数字信号计算并转换成N种音色数据，再将N种音色数据转换成N种灯光主色调信号，实现灯光主色调渲染；灯光局部根据不同频率的音调数据呈现不同的灯光颜色，实现局部灯光多种颜色的同步变化；将总体频率平均幅值数据转换成总体亮度信号，实现整体亮度调节。本发明可实现灯光随音频的音色、音调、响度的变化而发生亮度、颜色的变化，体现更丰富的律动效果，提升用户体验。

附图说明

图1是本发明的实施例的基于音频的灯光控制系统的结构示意图。

图2是本发明的实施例的基于音频的灯光控制系统的音色数据解析单元的逻辑结构图。

图3是本发明的实施例的基于音频的灯光控制方法的流程图。

图4是本发明的实施例的基于音频的灯光控制方法的步骤S301-S303的流程图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语，仅是互为相对概念，或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

本实施例的基于音频的灯光控制系统，如图1所示，包括音频信号输入单元1、音频信号均衡单元2、音色数据解析单元3、音调数据解析单元4、响度数据解析单元5、灯光模式单元6和电源单元7。

音频信号输入单元1用于输入音频模拟信号，音频模拟信号包括AUX外部输入音频信号、MIC音频信号和蓝牙音频信号。

音频信号均衡单元2用于对接收到的音频模拟信号进行带通滤波、信号放大限幅和信号分频，以及通过内部AD将音频模拟信号转换成音频数字信号，同时转换成7个不同频率音频的幅值数据和1个总体频率平均幅值数据的8字节的数字信号存放在8个不同地址单元中；音频信号均衡单元2的输入端与音频信号输入单元1的输出端连接。

音色数据解析单元3利用I2C总线与音频信号均衡单元2进行串行通讯，音色数据单元3用于读取音频数字信号，以及将音频数字信号解析为音色数据；音色数据解析单元3的输入端与音频信号均衡单元2的输出端连接。音色数据解析单元3包括幅值数据读取及更新模块、音频频宽判断模块和音色数据定义模块，通过幅值数据读取及更新模块、音频频宽判断模块和音色数据定义模块将音频数字信号解析为音色数据。幅值数据读取及更新模块包括数组缓存器，数组缓存器缓存读取的幅值数据；音频频宽判断模块包括：更新次数缓存器和阀值缓存器，更新次数缓存器计算所述幅值数据的更新次数；阀值缓存器预先设定次数作为判断阀值。

如图2所示，音色数据解析单元3的幅值数据读取及更新模块读取音频信号均衡单元2数据，拾取10秒钟以上音源信号，数组缓存器用7字节的数组一从左到右格式分别缓存从低频到高频7个频率点的幅值数据，每隔50ms查看，如果新读取的幅值数据与当前缓存的幅值数据相比浮动达到10％，则对所述当前缓存的幅值数据进行更新；更新次数缓存器再分别计算所述数组一的每个地址单元缓存的幅值数据更新的次数，阀值缓存器用1字节数据通过宏来定义预先设定的次数作为判断阀值，当数组一的每个地址单元缓存的幅值数据从左到右依次判断更新的次数大于预先设定的次数时，音频频宽判断模块判断为音频数字信号的低频频点；当数组一的每个地址单元缓存的幅值数据从右到左依次判断更新的次数大于预先设定的次数时，音频频宽判断模块判断为音频数字信号的高频频点，音频数字信号的频宽为低频频点至高频频点之间的数值，譬如：低频为100HZ，高频为5KHZ，此时音频的频宽就是100HZ-5KHZ。音色数据定义模块根据频宽定义为N种音色数据，不同的频宽对应不同的音色数据，譬如40HZ-200HZ一般对应低音鼓，150HZ-1KHZ一般对应吉他音色等，每种音色数据用1字节数据进行编号分类。当前分为低音音色、中低音音色，中高音音色、高音音色，用4字节缓存音色数据。

音调数据解析单元4实时读取音频信号均衡单元2数据，用8字节的数组二的第1-7字节数据从左到右格式分别缓存从低频到高频7个频率点的幅值数据，该数据就是7个不同频率的音调所对应音频信号强度大小。

响度数据解析单元5实时读取音频信号均衡单元2数据，用8字节的数组二的第8字节数据缓存总体频率平均幅值数据作为总体的响度大小。

音色数据解析单元3、音调数据解析单元4和响度数据解析单元5利用SPI通讯模拟NRZ信号与灯光模式单元6进行单总线串行通讯，灯光模式单元6用于将4字节的音色数据转换成4种灯光主色调信号实现灯光主色调渲染，将7字节的音调数据转换成7种灯光局部色调信号，实现灯光局部7种颜色灯光的实时同步变化，将1字节的响度数据转换成灯光总体亮度信号实现整体亮度调节；灯光模式单元6的输入端与音色数据解析单元3、音调数据解析单元4和响度数据解析单元5的输出端连接。灯光模式单元6包括音色对应的灯光模式、音调对应的灯光模式和响度对应的灯光模式。

电源单元7与音频信号均衡单元2、音色数据解析单元3、音调数据解析单元4、响度数据解析单元5和灯光模式单元6分别连接，用于提供5V和3.3V电源。

本实施例的基于音频的灯光控制系统通过音色数据、音调数据和响度数据对灯光进行分层控制；音色数据用于控制灯光主色调；音调数据用于控制灯光局部色调；响度数据用于控制灯光总体亮度。

如图3、图4所示的本实施例的基于音频的灯光控制方法，包括如下步骤：

S1：接收音频模拟信号并转换成音频数字信号。音频信号均衡单元2接收音频信号输入单元1的音频信号，经过内部带通滤波、信号放大限幅、信号分频后，利用内部AD将20HZ-20KHZ音频模拟信号量化，同时转换成7个不同频率音频的幅值数据和1个总体频率平均幅值数据的8字节的数字信号，存放在8个不同地址单元中。

S2：读取音频数字信号。音色数据解析单元3、音调数据解析单元4和响度数据解析单元5选用高速模式1Mbit/s的传输速率，读取音频信号均衡单元2存储的8字节的数字信号时间大于64us，以间隔100us的刷新率来读取，根据奈奎斯特采样定理Fs＞2FN，可满足5KHZ以内的音频频谱信号，涵盖90％的音色种类能实现超低延时同步。

S3：将不同频率的音频数字信号解析为N种音色数据；将不同频率的音频数字信号解析为N种音调数据；将不同频率的音频数字信号解析为响度数据。其中将不同频率的音频数字信号解析为N种音色数据的步骤为：

S301：读取幅值数据及更新。音色数据解析单元3读取音频信号均衡单元2数据，拾取10秒钟以上音源信号，用7字节的数组一从左到右格式分别缓存从低频到高频7个频率点的幅值数据，每隔50ms查看，如果新读取的幅值数据与当前缓存的幅值数据相比浮动达到10％，则对所述当前缓存的幅值数据进行更新。

S302：判断出音频频宽。分别计算数组一的每个地址单元缓存的幅值数据更新的次数，并用1字节数据通过宏来定义预先设定的次数作为判断阀值，程序实时调取宏定义的值来做比较，当数组一的每个地址单元缓存的幅值数据从左到右依次判断更新的次数大于预先设定的次数时，此时就作为音频的低频频点；当数组一的每个地址单元缓存的幅值数据从右到左依次判断更新的次数大于预先设定的次数时，此时就作为音频的高频频点，根据判断所得出的低频频点和高频频点就能得出频宽，音频数字信号的频宽为低频频点至高频频点之间的数值，譬如：低频为100HZ，高频为5KHZ，此时音频的频宽就是100HZ-5KHZ。

S303：定义音色数据。根据频宽就可以定义为N种音色数据，不同的频宽对应不同的音色数据，譬如40HZ-200HZ一般对应低音鼓，150HZ-1KHZ一般对应吉他音色等，每种音色数据用1字节数据进行编号分类。当前分为低音音色、中低音音色，中高音音色、高音音色，用4字节缓存音色数据。

将不同频率的音频数字信号解析为N种音调数据的方法为：音调数据解析单元4实时读取音频信号均衡单元2数据，用8字节的数组二的第1-7字节数据从左到右格式分别缓存从低频到高频7个频率点的幅值数据，7个频率点的幅值数据就是7个不同频率的音调所对应音频信号强度大小。

将不同频率的音频数字信号解析为响度数据的方法为：响度数据解析单元5实时读取音频信号均衡单元2数据，用8字节的数组二的第8字节数据缓存总体频率平均幅值数据作为响度数据。

S4：将N种音色数据转换成N种灯光主色调信号；将N种音调数据转换成N种灯光局部色调信号；将响度数据转换成灯光总体亮度信号。灯光模式单元6将4字节的音色数据转换成4种灯光主色调信号实现灯光主色调渲染，将7字节的音调数据转换成7种色调信号实现局部7种颜色灯光的实时同步变化，将1字节的响度数据转换成总体亮度信号实现整体亮度调节。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。