TWI609193B - 基於調頻聲波的空間擾動偵測方法與裝置 - Google Patents

Description

基於調頻聲波的空間擾動偵測方法與裝置

本揭露內容是有關於一種空間狀態偵測裝置，且特別是有關於一種基於調頻聲波的空間擾動偵測方法與裝置。

由於科技的日新月異，再加上人們對於生活水準的要求不斷提高，智慧家庭成為近年來的發展趨勢。在現有智慧家庭的應用中，以居家保全及安全照護為例，可透過感測網路與感測資訊分析來判斷空間中可能發生的事件，以達成安全監控的功能。

一般而言，安全監控系統中的硬體裝置成本通常所費不貲，而採購成本更是一般使用者選購時的重要考量之一。因此，如何降低安全監控/偵測裝置的硬體成本，已成為相關領域技術發展的重要課題之一。

此外，由於真實環境中充斥著環境噪音(例如寬頻、隨時間變化的聲音訊號)，利用聲波建立起始空間模型的空間擾動偵測技術可能需要花費時間，並且可能因為量測訊號混雜背景噪音使得偵測結果受到影響，因此環境噪音的干擾也成為考量的要素之一。

本揭露內容提供一種基於調頻聲波的空間擾動偵測方法與裝置，可降低偵測裝置的成本，可減少信號死角與信號收發指向性的問題，且可降低空間響應聲波與背景噪音的相關性。

本揭露內容的實施例的基於調頻聲波的空間擾動偵測方法包括下列步驟。分別在不同的多個時間點上將多個調頻聲波的其中之一發送於空間中。依序接收這些調頻聲波於空間中變化後的多個聲波以產生多個空間響應聲波訊號，並依據這些空間響應聲波訊號取得空間的多個空間狀態特徵參數。通過比對這些空間狀態特徵參數的其中之二來偵測空間狀態的變化。

本揭露內容的實施例的基於調頻聲波的空間擾動偵測裝置包括接收裝置、處理單元與決策單元。接收裝置用以依序接收多個調頻聲波在空間中變化後的多個聲波以產生多個空間響應聲波訊號，其中這些調頻聲波中的每一個分別在不同的多個時間點上被發送於空間中。處理單元耦接接收裝置以接收這些空間響應聲波訊號，並依據這些空間響應聲波訊號計算空間的多個空間狀態特徵參數。決策單元耦接處理單元以接收這些空間狀態特徵參數，並通過比對這些空間狀態特徵參數的其中之二來偵測空間狀態的變化。

基於上述，本揭露內容提出一種基於調頻聲波的空間擾動偵測方法與裝置。藉由在不同的多個時間點上依序發送調頻聲波於空間中，再依序接收這些調頻聲波於空間中變化後的多個聲波以產生多個空間響應聲波訊號，並依據這些空間響應聲波訊號取得空間的多個空間狀態特徵參數。通過比對這些空間狀態特徵參數的其中之二來偵測空間狀態的變化。由於本揭露內容是以聲音當作感測媒介，因此可使用一般全頻揚聲器(喇叭)和麥克風來做為聲音的傳送與接收裝置。如此一來，可以降低偵測裝置的成本，而且由於聲波可在空間中(特別是室內空間)經過多次反射而被接收，因此也可減少信號死角與信號收發指向性的問題。除此之外，本揭露內容是比較在不同時間點所接收到的空間響應聲波的空間狀態特徵參數，無須建模時間啟動後即可偵測，並且可有效降低空間響應聲波與背景噪音的相關性。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

現將詳細參考本揭露內容之示範性實施例，在附圖中說明所述示範性實施例之實例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件代表相同或類似部分。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。

圖1繪示本揭露內容一實施例的基於調頻聲波的空間擾動偵測裝置的方塊示意圖。請參考圖1，基於調頻聲波的空間擾動偵測裝置100用以偵測空間中的狀態變化，例如人員在此空間中移動或進出。在本實施例中，空間擾動偵測裝置100包括接收裝置110、處理單元120、決策單元130、儲存單元140以及發送裝置150。發送裝置150用以分別在多個不同的時間點上重複發送調頻聲波ACS於一空間(未繪示)中，上述時間點的發送間隔時間可以是一個定值或是一個變化值，例如發送裝置150可以週期性或隨機性地發送調頻聲波ACS，本揭露內容對此並不加以限制。接收裝置110則用以依序接收先後被發送的調頻聲波ACS於上述空間中變化後的聲波ARW（以下稱為空間響應聲波ARW），並將每個接收到的空間響應聲波ARW逐一轉換為空間響應聲波訊號ARS，上述空間中的變化例如是調頻聲波ACS在空間中被反射。處理單元120耦接接收裝置110以接收這些空間響應聲波訊號ARS，並且依據這些空間響應聲波訊號ARS計算空間的多個空間狀態特徵參數SCP，決策單元130則耦接處理單元120以接收這些空間狀態特徵參數SCP，並且通過比對這些空間狀態特徵參數SCP的其中之二來偵測空間狀態的變化，例如決策單元130可以通過比對連續取得的二個空間狀態特徵參數SCP來偵測空間狀態的變化，也就是說決策單元130可以通過比對目前收到的空間狀態特徵參數SCP與下一個或前一個收到的空間狀態特徵參數SCP來偵測空間狀態的變化。儲存單元140儲存多個調頻音訊資料ACD，並且耦接處理單元120。

需說明的是，在其他實施例中，空間擾動偵測裝置100可以不包括儲存單元140以及/或是發送裝置150，本領域具有通常知識者可依實際需求或設計作適當選擇，本揭露內容對此並不限制。

在本實施例中，發送裝置150可以是揚聲器(Speaker)，例如全頻喇叭，而非特殊規格的高音喇叭，此外，發送裝置150例如可以耦接儲存單元140。儲存單元140儲存多個調頻音訊資料ACD，因此發送裝置150可以依據儲存單元140中調頻音訊資料ACD的至少其中之一來發送多個調頻聲波ACS於空間中。接收裝置110可以是麥克風(Microphone)，例如全向型的麥克風設備，然而本揭露內容對此並不限制。任何可以發出聲音以及接收聲音的元件都可以分別用來做為本揭露內容實施例中的接收裝置110及發送裝置150。除此之外，接收裝置110與發送裝置150可以是配置在同一個設備內，或是分離式的配置在不同位置上，本揭露內容對此並不限制。

在此實施例中，本揭露內容可使用一般家用或電子裝置配置的喇叭（揚聲器）和麥克風做為脈衝音的傳送和接收裝置，而可以有效減少裝置成本。此外，由於聲波可在室內空間中經多次反射而被接收，因此也減少了信號死角與信號收發指向性的問題。

在本實施例中，處理單元120與決策單元130可以是硬體、韌體或儲存在記憶體而由處理器或微處理器所載入執行的軟體或機器可執行程式碼。而若是採用硬體或是電路，則每個單元可以是由個別電路晶片所完成，也可以部分或全部由單一整合電路晶片所達成，但並非以此為限制。而上述記憶體可以是例如光碟、隨機存取記憶體、唯讀記憶體、快閃記憶體、軟碟、硬碟或磁性光學碟，或可於網路下載原先被儲存於遠端記錄媒介或非暫存式機器可讀取媒介且將儲存於區域的記錄媒介。上述硬體可以使用例如一般用途的電腦、特殊功能積體電路(ASIC)或可程式化邏輯閘陣列(FPGA)來實現。當上述硬體存取以及執行上述軟體或機器可執行程式碼時，上述硬體可包括記憶體元件。此記憶體元件例如是隨機存取記憶體、唯讀記憶體、快閃記憶體、拇指碟等等，可用以儲存或接收上述軟體或機器可執行程式碼。

請參照圖2A，圖2A繪示本揭露內容一實施例的調頻聲波的時頻圖。在本實施例中，發送裝置150所發出的調頻聲波ACS可以是一脈衝音(Impulse)，持續時間(duration)例如是7.5毫秒(ms)，值得一提的是，調頻聲波ACS可以是可聞聲波，其中可聞聲波的頻率範圍約為20Hz~20kHz，在一實施例中，調頻聲波ACS的頻率是落在9千赫茲(9kHz)到1萬8千赫茲(18kHz)的範圍內。調頻聲波ACS的頻帶區間202其中頻率最大值稱為頻帶上界，頻率的最小值稱為頻帶下界，調頻聲波ACS的頻率在頻帶上界與頻帶下界的範圍內隨時間作連續變化，如圖2A所示。在其他實施例中，調頻聲波ACS的頻率在頻帶區間202內也可以是由頻帶下界單調上升到頻帶上界，或是由頻帶上界單調下降到頻帶下界。除此之外，調頻聲波ACS也可以是多個頻帶組合而成的複合調頻聲波，請參照圖2B的實施例，圖2B繪示本揭露內容一實施例的複合調頻聲波的時頻圖。調頻聲波ACS是由頻帶204與頻帶206疊加組合的複合調頻聲波。本揭露內容對此並不加以限制。

在此實施例中，本揭露內容採用了較高頻、且較窄頻(9kHz-18kHz)的激發訊號，可以較低的音壓作為激發源，並且藉由提高頻率、較窄的頻帶，透過增加激發音源在短時間內的變化，提升空間響應聲波的變化性，可有效減少空間響應聲波與背景噪音的相關性。

另外，空間擾動偵測裝置100所配置的空間可以是室內空間，而接收裝置110所接收的空間響應聲波ARW可以是脈衝音回應於上述空間的脈衝音響應聲波(Impulse Response)，舉例來說是透過聲波的在空間中的反射與空間中物體、地面、牆面與屋頂等作用產生對應的殘響(reverberation)聲波，但本揭露內容對空間中的變化並不限制。需注意的是，空間響應聲波ARW會隨著室內空間大小以及擺設的不同而改變。例如圖3A~圖3B所示。圖3A是依照本揭露內容一實施例所繪示的空曠房間的室內空間響應聲波的時頻圖。圖3B繪示本揭露內容一實施例的房間內具有擺設物品或是人員的室內空間響應聲波的時頻圖。由圖3A~圖3B可看出，脈衝音於室內空間中的脈衝響應會隨著室內空間大小以及空間內的物品或人員的變化而有差異。因此空間響應聲波ARW的特徵可反應出室內空間的狀態特性，而空間響應聲波訊號ARS則是空間響應聲波ARW轉換後的電子訊號。

在一實施例中，環境背景噪音為寬頻且隨時間緩慢變化，因此相近時間點的殘響差異值不大，但是當人員在空間中進行移動或是發生其他事件導致空間狀態產生劇烈改變，相近時間點的殘響樣本差異值會遠大於環境背景噪音造成的殘響差異值，因此本揭露內容一實施例通過比對對應於不同時間點的這些空間狀態特徵參數SCP的其中之二來偵測空間狀態的變化，可對抗外部環境中的全頻噪音，有效降低背景噪音與空間響應聲波的相關性，而且反應時間快，無須花費建模時間啟動後即可偵測，提升使用效率。

圖4是依照本揭露內容圖1的實施例所繪示的處理單元的方塊示意圖。處理單元120包括訊號擷取單元210與計算單元220。訊號擷取單元210從接收裝置110接收空間響應聲波訊號ARS，並且擷取空間響應聲波訊號ARS中的有效訊號ES。計算單元220耦接訊號擷取單元210以接收有效訊號ES，並且根據有效訊號ES來產生對應的空間狀態特徵參數SCP。

在一實施例中，為了提升計算單元220的計算效率，訊號擷取單元210可僅擷取空間響應聲波訊號ARS中的有效訊號ES。訊號擷取單元210包括濾波單元212與第一擷取單元214。濾波單元212耦接接收裝置110以接收空間響應聲波訊號ARS，並且對空間響應聲波訊號ARS進行濾波。濾波單元212例如是帶通濾波器（bandpass filter），或是其他具有濾波功能的類似元件，本領域具有通常知識者可依據所需作適當變化，本揭露內容對此並不加此限制。第一擷取單元214耦接濾波單元212，接收濾波後的空間響應聲波訊號ARS’，然後從濾波後的空間響應聲波訊號ARS’擷取有效訊號ES。

為了便於說明，以下本揭露內容以一實施例的空間響應聲波為範例，說明從濾波後的空間響應聲波訊號ARS’擷取有效訊號ES的實施方式。請搭配圖1參照圖5A與圖5B，圖5A是依照本揭露內容一實施例所繪示的空間響應聲波的能量分佈圖，圖5B是對應圖5A的實施例所繪示的空間響應聲波。

第一擷取單元214先將濾波後的空間響應聲波訊號ARS’分割成多個音框(frame)並且計算這些音框的特徵資料，其中特徵資料包括每個音框的能量值分佈，能量的計算可以是音訊框內所有訊號振幅的平方值總合，如圖5A所示，接收裝置120依時間先後陸續接收到數個空間響應聲波訊號ARS，對應至音框501、502、503到50N，根據這些音框（音框501、502、503到50N）中的能量分布資料，例如可以透過局部能量最大值尋找的方法來決定這些音框每一個的起始點，也就是說比較不同時間點所接收到的能量大小，以對應於最大能量值的時間點作為各音框中的起始點。需說明的是本揭露內容對起始點的決定標準或是篩選方式並不加以限制。

第一擷取單元214可根據這些特徵資料的比較結果(例如能量大小比對結果)及調頻聲波ACS的發送間隔時間從濾波後的空間響應聲波訊號ARS’來擷取所需的響應樣本區段。請參照圖5B。以音框501為例，在本實施例中，對應於音框501的調頻聲波ACS與對應於下一個音框502的調頻聲波ACS之間的發送時間間隔若是0.5秒，第一擷取單元214以音框501中的能量最大値作為起始點，向後擷取0.5秒內的訊號（也就是上述發送時間間隔）作為音框501的響應樣本區段。在另一實施例中，訊號擷取單元210可以不包括濾波單元212，由第一擷取單元214先將空間響應聲波訊號ARS分割成多個音框(frame)並且計算這些音框的特徵資料，再根據這些特徵資料的比較結果(例如能量大小比對結果)及調頻聲波ACS的發送間隔時間從空間響應聲波訊號ARS來擷取所需的響應樣本區段。

進一步說明請參照圖6，圖6是對應圖5B的實施例所繪示的響應樣本區段。響應樣本區段包括直達音(Direct sound)區段610，反射音(Reflection)區段620與630（第一反射音(Early Reflections)區段620以及多次反射音(late reflection)區段630），以及背景噪音640。其中直達音表示未經空間反射的訊號，能量的損耗最小，因而具有較大的振幅，而反射音表示經過一次反射或是多次反射的訊號。在一實施例中，第一擷取單元214會濾除響應樣本區段的直達音區段610或是雜訊來取得有效訊號ES。

當接收裝置110與發送裝置150的位置是已知，可以推算出調頻聲波ACS從發送裝置150到接收裝置110所需的時間，作為預定時間T，在一實施例中，第一擷取單元214濾除此響應樣本區段的開頭小於預定時間T之內的區段以濾除直達音區段610。在其他實施例中，第一擷取單元214也可以根據判斷響應樣本區段的振幅數值的絕對值是否持續小於響應樣本區段的平均振幅數值或第一設定振幅數值達第一預定時間T1，將在此第一預定時間T1之前的訊號認定為直達音區段610，並且將之移除。本揭露內容對於直達音區段的認定方式並不加以限制，端視實際設計/應用需求而決定。

在本實施例中，第一擷取單元214還可以進一步濾除響應樣本區段的背景噪音640或是部分多次反射音區段630，以降低計算單元220的運算負擔。舉例來說，第一擷取單元214可以依據調頻聲波ACS的持續時間(duration)，例如是7.5毫秒，將響應樣本區段7.5毫秒(或加上一緩衝時間)後的訊號濾除，或者是第一擷取單元214可以根據判斷響應樣本區段的振幅數值的絕對值是否持續小於響應樣本區段的平均振幅數值或第二設定振幅數值達第二預定時間T2，將第二預定時間T2之後的聲音感測訊號濾除，本揭露內容對於濾除背景噪音640或是部分多次反射音區段630的篩選條件並不加以限制，端視實際設計/應用需求而決定。

在本實施例中，第一擷取單元214濾除直達音區段610、背景噪音640以及/或是部分多次反射音區段630後，所擷取的有效區段650就是有效訊號ES。在另一實施例中，第一擷取單元214濾除直達音區段610後即為有效訊號ES；在另一實施例中，第一擷取單元214濾除直達音區段610、背景噪音640後為有效訊號ES。然而本揭露並不以此為限，端視實際設計/應用需求而決定濾除響應樣本區段的哪些區段。

請再參照圖1與圖4，在此實施例中，計算單元220從儲存單元140接收對應於有效訊號ES的調頻音訊資料ACD，其中有效訊號ES是從調頻聲波ACS於空間中變化後的空間響應聲波訊號ARS所擷取，而且此調頻聲波ACS是根據上述調頻音訊資料ACD由發送裝置150所發送。計算單元220可以依據調頻音訊資料ACD獲得所對應的調頻聲波ACS轉換到時頻域(temporal-spectral domain)後的時頻(spectogram)資料；在一實施例中，計算單元220可從儲存單元140接收音訊資料ACD並將音訊資料ACD轉換到時頻域後得到時頻資料，例如圖2A與圖2B所示。計算單元220從第一擷取單元214接收有效訊號ES，並將有效訊號ES轉換成時頻資料。調頻聲波ACS與有效訊號ES可以通過傅利葉轉換(Fourier transform)(例如2維快速傅利葉轉換(FFT，fast Fourier transform))來得到時頻資料。

接下來請參照圖7，圖7是依照本揭露內容一實施例所繪示的調頻音訊資料與有效訊號的時頻圖。在本實施例中，調頻音訊時頻資料710是對應於調頻聲波ACS的時頻資料，例如是對應的音訊資料ACD轉換到時頻域後的時頻資料或是從對應於調頻音訊資料ACD的調頻聲波ACS轉換到時頻域的時頻資料，有效訊號時頻資料720是有效訊號ES轉換到時頻域後的結果，計算單元220可以先將有效訊號時頻資料720與調頻音訊時頻資料710進行比對，進而從有效訊號時頻資料720擷取與調頻音訊時頻資料710對應的時頻區塊作為比對結果，例如時頻區塊722、724、726或72N，再將上述時頻區塊與調頻音訊時頻資料710進行匹配(matching)，計算出兩者之間的相似量值，可以作為空間狀態特徵參數SCP，換句話說，計算單元220將時頻區塊722、724、726或72N與調頻音訊時頻資料710進行旋積(convolution)運算，所得的結果就是空間狀態特徵參數SCP。

圖8是依照本揭露內容另一實施例所繪示的調頻音訊資料與有效訊號的時頻圖。其實施方法與原理與圖7的實施例類似，在此不再多加贅述，圖8的實施例中，調頻聲波ACS是根據複合調頻音訊資料所發送，調頻音訊時頻資料730由兩組調頻音訊時頻資料732與734所組合而成。計算單元220可以分別將有效訊號時頻資料760與調頻音訊時頻資料732、734進行比對，進而從有效訊號時頻資料760擷取與調頻音訊時頻資料732對應的時頻區塊742、744、746或74N，以及與調頻音訊時頻資料734對應的時頻區塊752、754、756或75N作為比對結果，並且執行匹配動作，計算出空間狀態特徵參數SCP。

請參照圖1與圖9，圖9是依照本揭露內容一實施例所繪示的比對依序取得的空間狀態特徵參數的示意圖。在本實施例中，接收裝置110在四個不同但鄰近的時間點分別接收空間響應聲波訊號ARS，然後由處理單元120計算出對應的空間狀態特徵參數910、920、930、940。空間狀態特徵參數910、920、930、940分別代表先後4個不同但連續的時間點所量測的空間狀態，其中空間狀態特徵參數910、920、930、940在正向橫軸與負向橫軸的結果分別繪示成左右兩張圖，此圖9所示的空間狀態特徵參數910、920、930、940僅作為示例，並不用以限定本揭露內容。決策單元130從處理單元120接收空間狀態特徵參數910、920、930、940，並且計算與前一次或後一次的空間狀態特徵參數之間的差值資料，再根據此差值資料計算差異參數S1、S2與S3。具體實施如下，空間狀態特徵參數920減去上一個接收到的空間狀態特徵參數910而得到差值資料，此差值資料可以是陣列資料，接著根據此差值資料計算出差異參數S1；在空間狀態特徵參數920之後所接收到的下一個空間狀態特徵參數930減去空間狀態特徵參數920而得到差值資料，接著根據此差值資料計算出差異參數S2；空間狀態特徵參數940減去在空間狀態特徵參數940之前所接收到的空間狀態特徵參數930而得到差值資料，接著根據此差值資料計算出差異參數S3。根據差值資料計算出差異參數的方法例如通過2範數(2-norm)運算或是其他運算方法，本揭露內容對於計算差異參數的方法不加以限制。

請參照圖10，圖10是依照本揭露內容一實施例所繪示的空間狀態比對結果直方圖。決策單元130可以根據計算出來的差異參數（例如圖9實施例的差異參數S1、S2與S3）與門檻值ST來偵測空間狀態是否發生變化。門檻值ST可以是預設值或是根據之前的空間狀態或是依據其他條件而決定，本揭露內容對此並不限制。決策單元130將差異參數與門檻值ST進行比較，當差異參數大於門檻值ST，則可表示空間狀態發生變化，反之，則表示為正常狀態，偵測的空間中並未發生擾動事件，例如是否有人進出或移動。

因此在本實施例中，藉由接收被週期性地或隨機性地發送的調頻聲波於空間中變化後之空間響應聲波，並依據此空間響應聲波取得此空間的空間狀態特徵參數，通過比對在不同時間點所接收到的空間響應聲波的空間狀態特徵參數來偵測空間狀態的變化，可有效降低空間響應聲波與背景噪音的相關性，進而可在背景噪音下區分居家環境噪音與空間中擾動事件(例如人員進出)的差異。

以下請參照圖11，圖11是依照本揭露內容一實施例所繪示的基於調頻聲波的空間擾動偵測方法的步驟流程圖。本實施例的基於調頻聲波的空間擾動偵測方法適用於圖1至圖10的任一實施例，本方法包括如下步驟。首先，在步驟S1120中，分別在不同的多個時間點上將多個調頻聲波的其中之一發送於空間中，其中這些時間點的發送間隔時間可以是定值或變化值。接著，在步驟S1140中，依序接收這些調頻聲波於空間中變化後的多個聲波以產生多個空間響應聲波訊號，並依據這些空間響應聲波訊號取得空間的多個空間狀態特徵參數。之後，在步驟S1160中，通過比對這些空間狀態特徵參數的其中之二來偵測空間狀態的變化。另外，本實施例的基於調頻聲波的空間擾動偵測方法可以由圖1至圖10實施例之敘述中獲致足夠的教示、建議與實施說明，因此不再贅述。

以下請參照圖12，圖12是依照本揭露內容另一實施例所繪示的基於調頻聲波的空間擾動偵測方法的步驟流程圖。本實施例的基於調頻聲波的空間擾動偵測方法適用於圖1至圖10的任一實施例，包括如下步驟。首先，在步驟S1210中，分別在不同的多個時間點上將多個調頻聲波的其中之一發送於空間中。例如於第一時間點發送第一調頻聲波，於第二時間點發送第二調頻聲波，以此類推。接著，在步驟S1212中，依序接收這些調頻聲波於空間中變化後的多個聲波以產生多個空間響應聲波訊號。例如接收第一調頻聲波於空間中變化後的聲波以產生第一空間響應聲波訊號；接收第二調頻聲波於空間中變化後的聲波以產生第二空間響應聲波訊號，以此類推。在步驟S1214中，從每個空間響應聲波訊號擷取對應的響應樣本區段。例如從第一空間響應聲波訊號擷取對應的第一響應樣本區段；從第二空間響應聲波訊號擷取對應的第二響應樣本區段，以此類推。在步驟S1216中，濾除響應樣本區段的直達音區段或雜訊以取得有效訊號。例如濾除第一響應樣本區段的直達音區段或雜訊以取得第一有效訊號；濾除第二響應樣本區段的直達音區段或雜訊以取得第二有效訊號，以此類推。在步驟S1218中，比對有效訊號與對應於調頻聲波的調頻音訊資料。例如比對第一有效訊號與對應於第一調頻聲波的第一調頻音訊資料；比對第二有效訊號與對應於第二調頻聲波的第二調頻音訊資料，以此類推，其中第一調頻音訊資料與第二調頻音訊資料例如是相同的調頻音訊資料。在步驟S1220中，根據比對結果來產生空間狀態特徵參數，例如根據第一有效訊號與第一調頻音訊資料的比對結果產生第一空間狀態特徵參數；根據第二有效訊號與第二調頻音訊資料的比對結果產生第二空間狀態特徵參數；以此類推。在步驟S1222中，判斷是否取得對應於不同時間點的多個空間狀態特徵參數，例如判斷是否取得對應於與第一空間狀態特徵參數不同時間點的第二空間狀態特徵參數，當結果為是的話進行步驟S1224，當結果為否時，則重回步驟S1212以獲得另一個空間響應聲波訊號，舉例來說，第二空間狀態參數可以是在第一空間狀態參數之後所得到的下一個空間狀態參數。接著，在步驟S1224中，根據對應於不同時間點的多個空間狀態特徵參數的其中之二之間的差值資料計算差異參數，例如根據第一空間狀態特徵參數與第二空間狀態特徵參數之間的差值資料計算差異參數。在步驟S1226中，判斷差異參數是否大於門檻値，此門檻值可以是預設或是依照不同狀況而浮動，當差異參數大於門檻値時，進入步驟S1228中，判斷空間狀態發生變化，當差異參數小於門檻値時，進入步驟S1230，判斷空間狀態維持不變。

另外，本實施例的基於調頻聲波的空間擾動偵測方法可以由圖1至圖10實施例之敘述中獲致足夠的教示、建議與實施說明，因此不再贅述。

綜上所述，本揭露內容提出一種基於調頻聲波的空間擾動偵測方法與裝置。分別在不同的多個時間點上將多個調頻聲波的其中之一發送於空間中，之後，依序接收這些調頻聲波於空間中變化後的多個聲波以產生多個空間響應聲波訊號，並依據這些空間響應聲波訊號取得空間的多個空間狀態特徵參數。通過比對這些空間狀態特徵參數的其中之二來偵測空間狀態的變化。由於本揭露內容是以調頻聲波當作感測媒介，因此可使用一般全頻揚聲器(喇叭)和麥克風來做為聲音的傳送與接收裝置，如此一來，可以降低偵測裝置的成本，而且由於聲波可在空間中(特別是室內空間)經過多次反射而被接收，因此也可減少信號死角與信號收發指向性的問題。本揭露內容使用調頻音，因此激發音源在短時間內變化，提升反射音的變化性。除此之外，本揭露內容是比較在不同時間點所接收到的空間響應聲波的空間狀態特徵參數，無須建模時間啟動後即可偵測，並且可有效降低空間響應聲波與背景噪音的相關性，提升使用效率。

雖然本揭露內容已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧空間擾動偵測裝置
110‧‧‧接收裝置
120‧‧‧處理單元
130‧‧‧決策單元
140‧‧‧儲存單元
150‧‧‧發送裝置
202、204、206‧‧‧頻帶區間
210‧‧‧訊號擷取單元
212‧‧‧濾波單元
214‧‧‧第一擷取單元
220‧‧‧計算單元
501、502、503、50N‧‧‧音框
610‧‧‧直達音區段
620‧‧‧第一反射音區段
630‧‧‧多次反射音區段
640‧‧‧背景噪音
650‧‧‧有效區段
710、730、732、734‧‧‧調頻音訊時頻資料
720、760‧‧‧有效訊號時頻資料
722、724、726、72N、752、754、756、75N‧‧‧時頻區塊
910、920、930、940‧‧‧空間狀態特徵參數
ACS‧‧‧調頻聲波
ACD‧‧‧調頻音訊資料
ARW‧‧‧空間響應聲波
ARS‧‧‧空間響應聲波訊號
ARS’‧‧‧濾波後的空間響應聲波訊號
ES‧‧‧有效訊號
SCP‧‧‧空間狀態特徵參數
S1、S2與S3‧‧‧差異參數
ST‧‧‧門檻值
S1120、S1140、S1160、S1210、S1212、S1214、S1216、S1218、S1220、S1222、S1224、S1226、S1228、S1230‧‧‧步驟

下面的所附圖式是本揭露之說明書的一部分，繪示了本揭露的示例實施例，所附圖式與說明書的描述一起說明本揭露的原理。 圖1繪示本揭露內容一實施例的基於調頻聲波的空間擾動偵測裝置的方塊示意圖。 圖2A繪示本揭露內容一實施例的調頻聲波的時頻圖。 圖2B繪示本揭露內容一實施例的複合調頻聲波的時頻圖。 圖3A是依照本揭露內容一實施例所繪示的空曠房間的室內空間響應聲波的時頻圖。 圖3B繪示本揭露內容一實施例的房間內具有擺設物品或是人員的室內空間響應聲波的時頻圖。 圖4是依照本揭露內容圖1的實施例所繪示的處理單元的方塊示意圖。 圖5A是依照本揭露內容一實施例所繪示的空間響應聲波的能量分佈圖。 圖5B是對應圖5A的實施例所繪示的空間響應聲波。 圖6是對應圖5B的實施例所繪示的響應樣本區段。 圖7是依照本揭露內容一實施例所繪示的調頻音訊資料與有效訊號的時頻圖。 圖8是依照本揭露內容另一實施例所繪示的調頻音訊資料與有效訊號的時頻圖。 圖9是依照本揭露內容一實施例所繪示的比對依序取得的空間狀態特徵參數的示意圖。 圖10是依照本揭露內容一實施例所繪示的空間狀態比對結果直方圖。 圖11是依照本揭露內容一實施例所繪示的基於調頻聲波的空間擾動偵測方法的步驟流程圖。 圖12是依照本揭露內容另一實施例所繪示的基於調頻聲波的空間擾動偵測方法的步驟流程圖。

S1120~S1160‧‧‧本發明一實施例之基於調頻聲波的空間擾動偵測方法的各步驟

Claims (25)

1. 一種基於調頻聲波的空間擾動偵測方法，包括： 分別在不同的多個時間點上將多個調頻聲波的其中之一發送於一空間中； 依序接收該些調頻聲波於該空間中變化後的多個聲波以產生多個空間響應聲波訊號，並依據該些空間響應聲波訊號取得該空間的多個空間狀態特徵參數；以及 通過比對該些空間狀態特徵參數的其中之二來偵測該空間狀態的變化。
2. 如申請專利範圍第1項所述的基於調頻聲波的空間擾動偵測方法，其中該些空間狀態特徵參數的其中之二是對應於該些調頻聲波中相鄰的二個調頻聲波的二個空間狀態特徵參數。
3. 如申請專利範圍第1項所述的基於調頻聲波的空間擾動偵測方法，其中所述依據該些空間響應聲波訊號取得該空間的該些空間狀態特徵參數步驟包括： 擷取該些空間響應聲波訊號中的多個有效訊號；以及 根據該些有效訊號來產生該些空間狀態特徵參數。
4. 如申請專利範圍第3項所述的基於調頻聲波的空間擾動偵測方法，其中所述擷取該些空間響應聲波訊號中的該些有效訊號的步驟包括： 對該些空間響應聲波訊號進行濾波並分別切割成多個音框(frame)； 計算該些音框的多個特徵資料，各該些特徵資料包括該些音框中所對應的音框的能量；以及 通過分析該些特徵資料來擷取該些有效訊號。
5. 如申請專利範圍第4項所述的基於調頻聲波的空間擾動偵測方法，其中所述通過分析該些特徵資料來擷取該些有效訊號的步驟包括： 根據該些特徵資料的一比較結果與該些調頻聲波的發送間隔時間從該些空間響應聲波訊號來擷取多個響應樣本區段，其中各該些響應樣本區段包括一直達音區段以及一反射音區段，其中該些時間點的發送間隔時間是一定值或一變化值。
6. 如申請專利範圍第5項所述的基於調頻聲波的空間擾動偵測方法，其中所述通過分析該些特徵資料來擷取該些有效訊號的步驟還包括： 濾除各該些響應樣本區段的該直達音區段或雜訊以取得該些有效訊號， 其中，濾除各該些響應樣本區段的該直達音區段的步驟包括： 濾除各該些響應樣本區段的開頭小於一段預定時間之內的區段。
7. 如申請專利範圍第3項所述的基於調頻聲波的空間擾動偵測方法，其中所述根據該些有效訊號來產生該些空間狀態特徵參數的步驟包括： 根據該些有效訊號與對應於該些調頻聲波的至少一調頻音訊資料之間的多個比對結果來產生該些空間狀態特徵參數。
8. 如申請專利範圍第1項所述的基於調頻聲波的空間擾動偵測方法，其中所述通過比對該些空間狀態特徵參數的其中之二來偵測該空間狀態的變化的步驟包括： 根據該些空間狀態特徵參數的其中之二之間的差值資料來計算一差異參數；以及 根據該差異參數與一門檻値來偵測該空間狀態是否發生變化。
9. 如申請專利範圍第1項所述的基於調頻聲波的空間擾動偵測方法，其中該些調頻聲波的頻率在一頻帶區間的一頻帶下界到一頻帶上界的範圍內隨時間作連續變化。
10. 如申請專利範圍第1項所述的基於調頻聲波的空間擾動偵測方法，其中在一頻帶區間內，該些調頻聲波的頻率由該頻帶區間的一頻帶下界單調上升到一頻帶上界。
11. 如申請專利範圍第1項所述的基於調頻聲波的空間擾動偵測方法，其中在一頻帶區間內，該些調頻聲波的頻率由該頻帶區間的一頻帶上界單調下降到一頻帶下界。
12. 如申請專利範圍第1項所述的基於調頻聲波的空間擾動偵測方法，其中該些調頻聲波是多個頻帶組合而成的複合調頻聲波。
13. 如申請專利範圍第1項所述的基於調頻聲波的空間擾動偵測方法，其中該些調頻聲波的頻率是落在9千赫茲(9kHz)到1萬8千赫茲(18kHz)的範圍內。
14. 如申請專利範圍第1項所述的基於調頻聲波的空間擾動偵測方法，其中該空間是一室內空間，該些調頻聲波是可聞聲波。
15. 一種基於調頻聲波的空間擾動偵測裝置，包括： 一接收裝置，用以依序接收多個調頻聲波在一空間中變化後的多個聲波以產生多個空間響應聲波訊號，其中各該些調頻聲波分別在不同的多個時間點上被發送於該空間中； 一處理單元，耦接該接收裝置以接收該些空間響應聲波訊號，並依據該些空間響應聲波訊號計算該空間的多個空間狀態特徵參數；以及 一決策單元，耦接該處理單元以接收該些空間狀態特徵參數，並通過比對該些空間狀態特徵參數的其中之二來偵測該空間狀態的變化。
16. 如申請專利範圍第15項所述的基於調頻聲波的空間擾動偵測裝置，其中該決策單元所比對的該些空間狀態特徵參數的其中之二是對應於該些調頻聲波中相鄰的二個調頻聲波的二個空間狀態特徵參數。
17. 如申請專利範圍第15項所述的基於調頻聲波的空間擾動偵測裝置，其中該處理單元包括： 一訊號擷取單元，用以擷取該些空間響應聲波訊號中的多個有效訊號；以及 一計算單元，耦接該訊號擷取單元以接收該些有效訊號，並且根據該些有效訊號來產生該些空間狀態特徵參數。
18. 如申請專利範圍第17項所述的基於調頻聲波的空間擾動偵測裝置，其中該訊號擷取單元包括： 一濾波單元，耦接該接收裝置以接收該些空間響應聲波訊號，並且對該些空間響應聲波訊號進行濾波；以及 一第一擷取單元，耦接該濾波單元以接收經過濾波的該些空間響應聲波訊號，然後將該些空間響應聲波訊號分別分割成多個音框(frame)，並且計算該些音框的多個特徵資料，以及通過分析該些特徵資料來擷取該些有效訊號， 其中各該些特徵資料包括該些音框中所對應的音框的能量。
19. 如申請專利範圍第18項所述的基於調頻聲波的空間擾動偵測裝置，其中該第一擷取單元濾除多個響應樣本區段中每一個的一直達音區段或雜訊以取得該些有效訊號， 其中該些響應樣本區段是根據該些特徵資料的一比較結果及該些調頻聲波的發送間隔時間從該些空間響應聲波訊號來擷取，其中各該些響應樣本區段包括該直達音區段以及一反射音區段，其中該些時間點的發送間隔時間是一定值或一變化值， 其中該第一擷取單元濾除該直達音區段是濾除各該些響應樣本區段的開頭小於一段預定時間之內的區段。
20. 如申請專利範圍第15項所述的基於調頻聲波的空間擾動偵測裝置，還包括： 一儲存單元，耦接該處理單元，該儲存單元儲存對應於該些調頻聲波的多個調頻音訊資料。
21. 如申請專利範圍第20項所述的基於調頻聲波的空間擾動偵測裝置，還包括： 一發送裝置，耦接該儲存單元以接收該些調頻音訊資料的至少其中之一，並且依據該調頻音訊資料發送該些調頻聲波於該空間之中。
22. 如申請專利範圍第21項所述的基於調頻聲波的空間擾動偵測裝置，其中該計算單元從該儲存單元接收對應於該些調頻聲波的該調頻音訊資料，並且根據該些有效訊號與對應於該些調頻聲波的該調頻音訊資料之間的多個比對結果來產生該些空間狀態特徵參數。
23. 如申請專利範圍第21項所述的基於調頻聲波的空間擾動偵測方法，其中該發送裝置發送的該些調頻聲波的頻率是落在9千赫茲(9kHz)到1萬8千赫茲(18kHz)的範圍內。
24. 如申請專利範圍第21項所述的基於調頻聲波的空間擾動偵測方法，其中該發送裝置從該儲存單元接收該些調頻音訊資料的至少其中之一是該些調頻音訊資料的至少其中之二，以組合成一複合調頻音訊資料，並且依據該複合調頻音訊資料發送該些調頻聲波於該空間之中。
25. 如申請專利範圍第15項所述的基於調頻聲波的空間擾動偵測裝置，其中該決策單元根據該些空間狀態特徵參數的其中之二之間的差值資料來計算一差異參數，並且根據該差異參數與一門檻値來偵測該空間狀態是否發生變化。