专利名称：一种基于音频和视频的机动车违章鸣喇叭检测系统和方法
技术领域：
本发明涉及环境噪声检测领域，具体涉及一种基于音频和视频的机动车违章鸣喇叭检测系统和方法。
背景技术：
随着近代工业的发展，环境污染也随着产生，噪声污染是环境污染的一种。根据最近世界卫生组织对欧洲国家的流行病学研究，噪声污染已成为影响生活质量和人体健康的重要环境因素，与水污染、大气污染被看成是世界范围内三个主要环境问题。过度暴露在噪声污染中，不仅会严重影响心理健康，也会增加心血管等疾病的风险。在中国大多数城市，环境噪声投诉占环境投诉的40% 50%，已位居环境投诉的首位，而且有继续增加的趋势。在世界卫生组织和欧盟合作研究中心最近公开的一份关于噪声对健康影响的报告《噪声污染导致的疾病负担》中指出，在欧洲地区，噪声污染导致的疾病负担程度仅次于空气污染。为此，WHO呼吁世界各国积极采取有效措施降低或减少噪声污染。噪声是发生体做无规则振动时发出的声音，以波的形式在一定的介质(如固体、液体、气体)中进行传播。一般情况下，人耳可听到的声波频率为20 20000Hz，称为可听声；低于20Hz，称为次声波；高于20000Hz，称为超声波。所听到声音的音调的高低取决于声波的频率，高频声听起来尖锐，而低频声给人的感觉较为沉闷。声音的大小由声音的强弱决定，从物理学的观点来看，噪音是由各种不同频率、不同强度的声音杂乱、无规律的组合而成。判断一个声音是否属于噪音，仅从物理学角度判断是不够的，主观上的因素往往起着决定性的作用，即使同一种声音，当人处于不同状态、不同心情时，对声音也会产生不同的主观判断，此时声音可能成为噪音或乐音。从生理学观点来看，凡是干扰人们休息、学习和工作的声音，即不需要的声音，统称为噪声，当噪声对人及周围环境造成不良影响时，就形成噪声污染。产业革命以来，各种机械设备的创造和使用，给人类带来了繁荣和进步，但同时也产生了越来越多而且越来越强的噪声。为降低城市环境噪声污染，我国绝大多数城市已实行禁鸣。但随着城市机动车数量的快速增加，城市地面道路越来越拥挤，司机违章鸣喇叭现象还是比较突出，局部地方甚至有所反弹，严重干扰周围居民正常生活和工作，特别居民夜间休息和睡眠，公众要求交通管理部门加强对机动车违章鸣喇叭监管的呼声一直不断。由于缺乏机动车违章鸣喇叭自动检测系统和方法，交警只能通过人海战术，对违章鸣喇叭突出路段派人现场监管，通过人工识别查处违章鸣喇叭机动车，有时被查处司机不承认违章，由于无法提供客观证据，管理部门面临事实违章却无法查处的尴尬境地，这与对机动车超速、闯红灯等违章行为的自动有效监管及查处形成鲜明对比。
相关文献和专利检索表明，国内外未见有机动车违章鸣喇叭自动检测系统和方法的报道。
发明内容
本发明提供了一种基于音频和视频的机动车违章鸣喇叭检测系统和检测方法，可以实现对城市机动车违章鸣喇叭的自动监控和查处。一种基于音频和视频的机动车违章鸣喇叭检测系统，包括音频采集单元，用于采集指定区域的声音信号；视频采集单元，用于采集所述指定区域的视频信号；主控单元，用于接收所述声音信号，当声音信号超过设定值时触发所述视频采集单元，并在所采集视频信号中标识声源位置； 存储单元，用于通过所述主控单元接收并存储所述声音信号和视频信号。所述存储单元可以采用内置或外置的储存介质，并通过适宜的接口与所述主控单元连接，主控单元可以采用单片机或微型计算机等具有信号接收、处理和输出功能的装置。所述视频采集单元可以采用数字摄像头(或摄像机)等视频图像采集设备。所述音频采集单元为声音传感器。声音传感器采集的一般是模拟信号，需要通过模数转换转为主控单元可识别的形式，因此设有连接在所述声音传感器和所述主控单元之间的声卡，所述声卡可起到模数转换或预处理的作用，所述声卡可以采用内置或外置的形式。为了对多处指定区域采集声音信号，或对同一指定区域进行多点采样，所述声音传感器为多个，即采用声音传感器阵列形式。主控单元中可以安装软件系统协调各单元之间的工作，所述软件系统用于声音信号和视频信号的自动采集、贮存、更新以及对声音信号进行处理，识别出鸣喇叭点位置。本发明机动车违章鸣喇叭检测系统可以固定在需要监控的违章鸣喇叭区，也可以安装在流动检测车上。本发明中声音传感器阵列通过信号连接线与声卡音频输入端口相连；作为优选，所述声音传感器阵列中的各个声音传感器呈直线形排列。与机动车道垂直或平行布置，可横跨道路布置于各车道上方，也可安装在机动车道与慢车道交界处。为了保证采集效果，所述声音传感器阵列中声音传感器应具有较好的耐候性，个数不少于三个，在满足各类机动车通行所需净高情况下，高度大于6m为宜。所述数字摄像头(或摄像机)的分辨率大于800*600，和微型计算机可通过USB或其他端口相连；声卡采样位数为16位及以上，采样率44. Ik及以上；外置声卡或外置储存介质可以额外配置外接电源。在微型计算机的CPU主频(远大于声卡采样频率)较高情况下，可以通过分时实现各路声音传感器对声音信号的同步采样。本发明还提供了一种检测方法，利用动态采样和记录的音频和视频信号，检测机动车违章鸣喇叭事件，识别违章鸣喇叭车辆所在位置，并保存满足举证所需最小音频和视频材料。一种基于音频和视频的机动车违章鸣喇叭检测方法，包括如下步骤(I)在指定区域内布置多个(一般至少两个)采样点，采集声音信号，每个采样点可以认为是一个声音传感器。采样时一般为等间隔采样，采样间隔取决于声卡采样频率，由于声音传感器采集的是模拟信号，因此声卡将模拟信号转换为二进制格式的数字信号，连同采样时间以声波文件(*.wav)的格式作为临时文件保存。
(2)利用预设的校准值计算所述声音信号的实际声压级。声音信号的强弱是通过对应的电压值体现的，因此首先将所述声音信号对应的电压值Vu转换为客观声压值PU，根据客观声压值Pu计算实际声压级Lu，Lij = 201g(PiJ/Po)，其中Po为基准声压。各下标中，i为不同路声音信号的编号；j为同一路声音信号中，不同米样值的编号；例如第5路声音信号中的第8个声音信号电压值为V58，对应的客观声压值p58对应的实际声压级L58。(3)如果某一路声音信号中，当前采样值与上一个采样值对应的实际声压级之差大于预设值(下称触发条件)时，认为当前采样值中含有突发声音，并开始采集指定区域的视频信号；同时，以其中一个采样点为基准采样点，计算所述突发声音传播到各个采样点与·传播至基准采样点的实际时间差。例如第i路声音传感器处Lij-Li^1) >预设值(该预设值根据系统反应所需灵敏感度可调，一般取8dB及以上为宜)，则启动视频采集装置，等间隔采样并记录视频画面(按帧保存画面)，每帧画面时间间隔< 0. ls，连续保存至少3帧。同时根据微机CPU时钟信号，提取距开始采集视频信号所在时刻最近，且满足所述触发条件的各路声音传感器采样值所在时刻ti(i = 1，2，...n，i为不同路声音信号的编号)，这里，可以以任意一个声音传感器作为第I路，即基准采样点，计算出突发声音(例如鸣喇叭等突发声)传播至各路声音传感器和第I路声音传感器的实际时间差Atp1 =为突发声音传播到第I路声音传感器(即基准采样点)的时间；&为突发声音传播到各路声音传感器(即各个米样点)的时间。(4)对符合步骤(3)中判断条件的当前采样值，对其实际声压级扣除背景值，得到修正后的声压级，修正后的声压级I,= 10lg(1001^ -IOl^0)
O(5)将指定区域分割为若干网格，根据所述修正后的声压级，利用网格法计算各网格点处声源声功率级的标准差；计算所有网格点处声音信号传播至各个采样点与传播至基准采样点的理论时间差。将指定区域网格化分割(小于ImX Im方形网格为宜)，根据第i路信号对应的修
正后的声压级Li,，将鸣喇叭等突发噪声视为在网格点处发声的点声源，按半自由空间中辐
射的无指向性模型= lWlk —20 lgr_8 (式中r为网格点k至i路传感器间的距离)，
已知Li,和r情况下，可反演计算网格点k(k为网格点的索引号，例如=1，2，...M，其中M
W.
为索引号最大值)处点声源声功率级，根据声功率级定义1& =101S^r (Wtl为基准声功率，取I(T12W)，计算出对应的声功率Wik (i为不同路声音信号的编号，一般可取1，2，...n，n
为编号的最大值)，计算每个网格点处Wik的标准差SDk ( SD, =)。将指定区域分割为若干网格后，需要计算所有网格点处声音信号传播至各个采样点与传播至基准采样点的理论时间差。为了便于表述，以下将采样点描述为实际应用中的声音传感器。根据各网格点至每路声音传感器的声程(即网格点至声音传感器的直线距离r)及声音在空声中传播速度c (取340m/s)，可计算得第k个网格点(即任意一个网格)处声音信号传播至任意一个声音传感器所需时间tik = r/c, (i为不同路声音信号的编号，即也对应了不同路的声音传感器，一般可取1，2，. . . n，n为编号的最大值)。以其中一个声音传感器为基准传感器，进一步可计算得第k个网格点声音信号传播至各个声音传感器和基准声音传感器所需理论时间差Ati^ = tik_tlk，tlk为第k个网格点声音信号传播至第I路声音传感器(即基准米样点)的时间；
tik为第k个网格点声音信号传播至各路声音传感器(即各个米样点)的时间；在网格点和声音传感器位置已确定情况下，理论时间差可事先计算并保存在微机内。(6)将每一个网格点的理论时间差对应的与所述突发声音的实际时间差作比较，计算差值平方和，选取差值平方和相对较小的3 5个网格点；所述差值平方和
权利要求
1.一种基于音频和视频的机动车违章鸣喇叭检测系统，其特征在于，包括 音频采集单元，用于采集指定区域的声音信号； 视频采集单元，用于采集所述指定区域的视频信号； 主控单元，用于接收所述声音信号，当声音信号超过设定值时触发所述视频采集单元，并在所采集视频信号中标识声源位置； 存储单元，用于通过所述主控单元接收并存储所述声音信号和视频信号。
2.如权利要求I所述的基于音频和视频的机动车违章鸣喇叭检测系统，其特征在于，所述音频采集单元为声音传感器。
3.如权利要求2所述的基于音频和视频的机动车违章鸣喇叭检测系统，其特征在于，所述声音传感器为多个，采用声音传感器阵列形式。
4.如权利要求3所述的基于音频和视频的机动车违章鸣喇叭检测系统，其特征在于，所述声音传感器阵列中的各个声音传感器呈直线形排列。
5.如权利要求4所述的基于音频和视频的机动车违章鸣喇叭检测系统，其特征在于，所述声音传感器阵列中声音传感器个数不少于三个。
6.一种基于音频和视频的机动车违章鸣喇叭检测方法，其特征在于，包括如下步骤 (1)在指定区域内布置多个采样点，采集声音信号； (2)利用预设的校准值计算所述声音信号的实际声压级； (3)如果某一路声音信号中，当前采样值与上一个采样值对应的实际声压级之差大于预设值时，认为当前采样值中含有突发声音，并开始采集指定区域的视频信号；同时，以其中一个采样点为基准采样点，计算所述突发声音传播到各个采样点与传播至基准采样点的实际时间差； (4)对符合步骤(3)中判断条件的当前采样值，对其实际声压级扣除背景值，得到修正后的声压级； (5)将指定区域分割为若干网格，根据所述修正后的声压级，利用网格法计算各网格点处声源声功率级的标准差；计算所有网格点处声音信号传播至各个采样点与传播至基准采样点的理论时间差； (6)将每一个网格点的理论时间差对应的与所述突发声音的实际时间差作比较，计算差值平方和，选取差值平方和相对较小的3 5个网格点； (7)选取步骤(5)中所述声源声功率级的标准差相对较小的3 5个网格点，取这些网格点与步骤(6)中所选网格点的交集，按与交集中各个网格点距离之和最小原则，利用最小二乘法计算识别出鸣喇叭点对应的网格位置，根据该网格位置在所述步骤(3)采集的视频信号中标注鸣喇叭点位置。
7.如权利要求6所述的基于音频和视频的机动车违章鸣喇叭检测方法，其特征在于，只保存符合所述步骤(3)中判断条件的声音信号。
8.如权利要求7所述的基于音频和视频的机动车违章鸣喇叭检测方法，其特征在于，所述被保存的声音信号起点为开始采集指定区域的视频信号前3秒，被保存的声音信号的终点为开始采集指定区域的视频信号后10秒。
全文摘要
本发明公开了一种基于音频和视频的机动车违章鸣喇叭检测系统和方法，其中检测系统包括音频采集单元、视频采集单元、主控单元以及存储单元；检测方法包括采样指定区域的声音信号；计算所述声音信号的实际声压级；若当前采样值与上一个采样值对应的实际声压级之差大于预设值，开始采集指定区域的视频信号并计算该当前采样值修正后的声压级；根据所述修正后的声压级，计算各网格声源声功率级的标准差；计算声音传感器接受到突发声音的实际时间差和各网格点声音传播至声音传感器的理论时间差差值的平方和；根据差值的平方和及标准差识别出鸣喇叭点对应的网格位置。本发明具有较强的实用性，操作方便，定位准确，便于协助管理人员确定违章车辆。
文档编号G08G1/01GK102722983SQ20121019432
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月13日 优先权日2012年6月13日
发明者翟国庆, 谢辉 申请人:浙江大学