淺談聲音檢測技術的「風口」(下)

2020-12-17 聯豐迅聲

雷軍說,「站在風口上,連豬都可以飛起來。」而如今真正牛逼的人,早已在風口起來之前,就已經站在了風裡。

上一篇文章我們著重講了聲音檢測技術在醫療衛生、製造業的一些實際應用場景(淺談聲音檢測技術的「風口」(上))。

今天我們再來看看,聲音檢測技術還能在哪些領域大有作為。

安防——安全保護經常採用智能監控方式,按照地點可分為公共場所監控和私密場所監控兩種。公共場所包括:公園、車站、廣場、商場、街道、學校、電影院、劇場等地點,經常人員密集,對其進行有效的安防智能監控來維護社會安全是最主要的應用。

目前公共場所的監控系統主要都基於視頻,但是視線被遮擋時存在盲區,而且容易受到光線、惡劣天氣等因素的影響。異常事件通常會伴隨異常聲音的發生,異常聲音本身即能有效地反應重大事故和危急情況的發生,且具有複雜度低、易獲取、不受空間限制等優勢。

對公共場所及私密場所進行音頻監控的技術框架相同,區別在於可能發生的異常聲音種類不同。異常聲音是指正常聲音比如開門聲、關門聲、電話鈴聲、腳步聲、談話聲、音樂聲、車輛行駛聲等之外的在特情況下才發出的聲音。

研究較多的公共場合異常聲音種類通常有槍聲、爆炸聲 、玻璃破碎聲 、亂扔垃圾聲等。

私密場合研究較多的異常聲音種類通常有摔門聲 、跑步聲、玻璃破碎聲、人的尖叫聲、嬰兒或小孩的哭聲、老人摔倒聲、呼救聲、漏水聲等注意這種劃分並不是絕對的,只是按照發生的可能性進行的粗略分類,有時也會交叉。比如人的尖叫聲除了可能發生在家庭吵架場合,也會發生在廣場恐怖事件這樣比較少數的場合,這些都可以通過聲音來監測並通過後臺出發報警。

交通運輸、倉儲

鐵路運輸業——已有發明的地鐵故障檢測裝置,一旦發現異常情況,則會觸發報警模塊,記錄當前時刻,並顯示列車故障點的位置,及時檢修,保障乘客安全。

車型及車距識別——車型自動識別廣泛應用於收費系統、交通數據統計等相關工作中。傳統方法是在公路上埋設電纜線及感應線圈,通過攝像頭抓拍進入視線的車輛照片進行車型識別。此外,還有超聲波檢測法、微波檢測法、紅外線檢測法等。但對路段有破壞性,設備後期維護要求高,受雨霧等天氣狀況影響大,不適合沿道路大量鋪設。基於音頻信號的識別技術具有非接觸性、維護簡單、價格低等特點,在很大程度上彌補傳統車輛檢測設備易損壞、破壞路面、受環境影響明顯、價格昂貴等不足,具有非常重要的現實意義。

交通事故識別——在重大交通事故發生時,車輛運行狀態與正常行駛狀態相比發生了很大變化,伴隨有劇烈碰撞的聲音,而且與周圍的噪聲存在較大的差別。因此,可以通過聲音傳感器實時採集並分析車輛周圍的聲音,判別車輛的運行情況,一旦有事故發生,可立即提取碰撞聲並識別,並及時向後臺救護系統發出報警信號。聲音採集裝置成本低廉,體積小,安裝方便,可靠性強,不易損壞,維護容易。聲音檢測系統的計算方法相對簡單,信號處理量小,既可實時處理又可遠程傳輸,快速準確,不易受雨雪天氣和交通條件的影響,可以全天候工作。在事故發生後,報警信號應該將包括事故地理位置在內的信息儘快地傳遞到指揮中心,可用無線網絡來傳輸數據。建立一個快速、高效的應急救援系統,能提高交通事故檢測的實時性和準確度。

交通流量檢測——現有交通流量數據採集設備造價高,採集精度不夠,後期分析困難.發明一種道路擁堵檢測方法。將一定時間內採集到的道路聲音進行採集分析,擁堵與暢通兩種狀態下的頻域能量譜有明顯區別。擁堵時怠速頻率處將有明顯尖峰,將尖峰陡峭程度轉換成係數k,基於k值進行道路狀況評判。

基於聲信號判斷是否有汽車到來,尤其適用於車流量稀少、基礎設施比較差的區域以及智能公路的前期建設階段,同時對路燈進行智能控制,環保節能。

道路質量檢測——汽車行駛產生的道路噪聲與不同類型、不同磨損狀況的路面直接相關。基於正常車輛行駛下獲得的輪胎聲音,音頻分類器,能夠正確預測3種路面類型及其磨損情況。該技術可自動識別對車輛行駛道路噪聲帶來強烈影響的路段,估計道路宏觀紋理。對於土木工程部門、道路基礎設施運營商以及高級駕駛員輔助系統都有很大好處。

水上運輸業——CA在江河海洋領域主要用於水聲目標識別、船舶定位、安全監控等。利用被動聲吶(Passive sonar),如安裝在海床上的單水聽器來檢測船舶和自主水下航行器的活動,是對海洋保護區和受限水域進行遠程監測的一種有效方法。比起傳統方法利用水聲數據分析所產生的時間延遲來說,大大減少了誤差,從而獲取更精確的數據。

航空飛行器識別——早在1985年,就提出一種用聲信號識別飛機類型和飛行模式的方法。使用判別分析,通過檢測直升機聲信號來識別機型。同樣通過聲信號檢測旋翼飛行器,實現對於直徑範圍為40~60cm的旋翼飛行器的短距離檢測和預警。

航空飛行數據分析——黑匣子於1953年由澳大利亞的載維·沃倫博士發明,是做為飛機上的記錄儀器。

一種是飛行數據記錄儀記錄飛機的高度、速度、航向、爬升率、下降率、加速情況、耗油量、起落架放收、格林威治時間、系統工作狀況、發動機工作參數等飛行參數。

另一種是座艙話音記錄儀,實際上就是一個無線電通話記錄器,分4條音軌分別記錄駕駛艙內所有的聲音,包括飛行員與地面管制人員的通話、組員間的對話、機長、空中小姐對乘客的講話、威脅、爆炸、發動機聲音異常以及駕駛艙內各種聲音如開關手柄的聲音、機組座位的移動聲、風擋玻璃刮水器的馬達聲等。可以向人們提供飛機失事瞬間和失事前一段時間裡飛機的飛行狀況、機上設備的工作情況等,幫助人們根據機上人員的各種對話分析事故原因,以便對事故作出正確的結論。

管道運輸業——在各種管道傳輸中,可能會發生因人為損壞或自然因素造成的洩漏事故。如輸水管道的漏水、油氣輸送管道的第三方破壞等。此外,在傳輸管道中頻繁使用的閥門也會出現洩漏現象。管道和閥門的洩露現象不易檢測。傳統的方式是人工監聽,需要有豐富的經驗,容易造成誤判.基於洩漏聲音的自動檢測是一類很有希望的方法。

聲音傳感器採集聲信號,識別異常聲音,及時發現閥門洩漏並報警,以做及時處理。

倉儲業——制煉廠中產生的聲音可以用來檢測在容器內發生反應的進展,或檢測生產線內的流體流動。聲音通過安裝在容器外部的傳感器來接收。該技術是非侵入性(Non-invasive)的,不需要對過程流體進行採樣,避免了汙染等潛在風險。

農林牧漁業

農業——現在更崇尚綠色健康原則,農作物噴灑農藥也成了一項大問題,因此判斷農作物是否有害蟲,從而判斷是否需要噴灑農藥,成為了解決這一問題的關鍵所在。

於是CA技術便可以解決這類問題,基於頻譜圖模板進行害蟲的匹配識別,在確定存在害蟲後,為避免噴灑農藥量過多或不足,需根據病蟲害的實際情況和分布種類混藥進行變量式噴霧,並根據識別的病蟲害種類及分布情況進行自動在線混藥。

小麥、大米等最佳成熟期判斷,主要是硬度適中;水果,西瓜、榴槤這樣的水果,無法判斷其成熟度和果肉的好壞,等等這些問題都可以通過特殊音頻識別來判斷。

林業——我國的森林盜伐現象猖獗。為此有專門的設計實現了一種基於聲音識別的森林盜伐檢測傳感器。通過對聲信號的頻譜特徵分析、相似度值的計算,檢測是否存在鏈鋸伐木行為。

蛀幹害蟲是一類危害嚴重的森林害蟲。因其生活隱蔽,林木受害表現滯後,使得檢測和防治極其困難。基於聲音識別的害蟲檢測技術具有無損、快速、準確等優勢,潛力巨大通過生物聲學規律發現通過咬音和摩擦音可以有效地進行物種識別,能夠有效的進行害蟲治理。

畜牧業——在養殖業中,準確高效地檢測畜禽信息,有助於提高養殖及加工效率,及時發現生病或異常個體,減少經濟損失。人工觀察方式主觀性強且精度低,嵌入式檢測手段又會造成動物應激反應,發展智能自動檢測手段是目前的研究熱點。

禽畜的聲音直接反應了它們的各種狀況,可用於狀態監測。例如,針對豬的大規模養殖中頻發的呼吸道疾病問題,可通過檢測咳嗽狀況對豬的健康狀況進行預警。

水利、環境和公共設施管理業

水利管理業——近年,江河湖海暗潮湧動,傷人事故頻發。為提高潮湧實時檢測與預報水平,提出了一種基於音頻能量幅值技術的潮湧識別方法。通過採集沿江各危險點潮湧來臨前後的聲音,提取潮湧音頻能量幅值特徵值,自動識別並進行潮湧實時檢測與預報。

再者也為最大限度開發利用空中水資源,減輕乾旱、冰雹等造成的損失,利用高炮、火箭實施人工影響天氣作業是解決水資源緊缺的有效途徑,實現了一種基於炮彈聲音採集、識別、處理的高炮作業用彈量統計系統。

生態保護和環境治理業——生態環境中的聲音在自動物種識別與保護,野生動物及瀕危鳥類監控,森林聲學和健康檢測,以及對相關環境、進化、生物多樣性、氣候變化、個體交流等的理解分析上都有重要應用。

土木工程建築業——地下電纜經常遭到手持電鎬、電錘、切割機、機械破碎錘、液壓衝擊錘、挖掘機等工程機械的破壞,影響供電系統穩定性.電纜防破壞成為電力部門所面臨的一個重大技術難題,急需研發基於聲音的地下電纜防外力破壞方法,識別挖掘設備的聲音,進行預警判斷,對事發地定位。

房屋建築業——通過單點單次敲擊抹灰牆採集聲信號,對抹灰牆黏結缺陷進行識別。通過燒磚的敲擊聲音判斷燒磚內部是否存在缺陷,並進一步區分缺陷類別。採用無限衝擊響應濾波器進行降噪,採用近似熵方法判斷敲擊聲音端點.進行故障檢測.老房子的木質結構和家具中可能存有木蛀蟲,是物體腐朽的主要原因,基於木蛀蟲的活動聲音檢測其是否存在。因為幼蟲發出的聲音相對較低,背景噪聲會大大降低檢測的準確性。採集建築物內部金屬斷裂的聲音進行分析,識別可能出現在建築物內部的裂縫,避免倒塌等災難性後果的發生。

採礦業、日常生活、身份識別、軍事等

採礦業——為監測鑽井過程中的井壁坍塌、井底巖爆等井下工況信息,採集返出巖屑在排砂管中運輸所產生的聲信號。確定聲音段的起止點,利用算法去噪, 識別巖屑的大小,計算巖屑流量,進而判斷井下工況。

日常生活——CA技術在日常生活中也有許多應用.烹飪過程中會產生特定的聲音,可用於進行烹飪過程的檢測和控制。

基於聲信號識別水沸騰的狀態,發明另一種基於聲信號的裝置,檢測電磁爐水沸騰狀態,而且還能自動關機。

發明一種風扇異音檢測系統開發的一種智能吸油煙機能對廚房的各種環境聲音進行分析檢測,判斷該聲音是否是烹飪過程發出的聲音,進而判斷該烹飪聲音所對應的油煙量級別,設置對應的吸油煙機的啟動或關閉或調節風機轉速,實現對吸油煙機的智能控制。發明一種帶有保健檢測的手錶,通過翻身聲響檢測人的睡眠質量。使用耳墊聲音傳感器採集咀嚼食物的聲信號,基於模式識別技術實時獲取咀嚼周期和食物類型,預測固體食物的食量,進行飲食指導。

發明一種日用陶瓷裂紋檢測裝置。通過敲擊碗坯發出聲音,聲音傳感器捕獲信號後判斷是否有裂紋。

還有地震相關探測儀--地震聲響測定儀,能夠快速識別不同聲音的地震脈衝,預測將要發生危險的地帶。

身份識別——腳步聲是人最主要的行為特徵之一。正常情況下每個人走路的腳步聲是不一樣的,蘊含著性格、年齡、性別等多方面信息,具有可靠性和唯一性。腳步聲識別在家庭監控、安全防盜、軍事偵察等領域具有重要意義。

由於同一人穿不同的鞋,在不同的地板上走路時腳步聲會有差異,這類對不同發聲機制較為敏感的方法具有很大的約束性和限制性,魯棒性不足。

另外,手寫聲音是真實環境中存在的一種噪聲,其信息不僅可以用來識別文字如數字字符,還可以進行書寫者身份識別記錄受試者用原子筆在紙上寫字時的聲音,進行書寫者身份識別。

軍事目標識別——現代化的智能偵察與作戰方式需要準確感知到自身周圍是否出現機動目標,並判別它們的類別和數量,以配合目標定位、跟蹤和攻擊等功能。

設計實現一個車輛聲音識別系統,對兩類目標車輛進行分類。基於聲信號對戰場上的車輛進行分類識別,在複雜的電磁環境中,對雷達輻射源音頻信號進行人工識別耗時長、易於誤判和錯判。實現基於聲紋技術的雷達輻射源音頻自動識別。

利用戰術無人機上的聲音傳感器探測和定位地面間接火力源(如迫擊炮和火炮),需先對發動機噪聲和空氣流動噪聲進行降噪處理。

其他應用——槍聲分析在現實中有著很多應用。槍聲信號的聲音特徵顯示出強烈的空間依賴性,使用空間信息和一種基於它的決策融合規則來處理多聲道聲音武器分類。

在自行火炮實車測試中,利用瞬態過程中的聲信號對齒輪箱進行故障診斷,避免了常規振動測試方法無法實現非接觸、不解體、無損在線檢測的弊端,基于振動信號和聲信號。

用於火炮發射現場對發射次數的計數,解決了火炮發射人工計數準確性差的問題。在火炮音頻特徵和火炮零部件(凸輪軸)硬度之間進行非線性映射,實現零部件的硬度分類。

說了這麼多,也只能代表實際應用的冰山一角,希望能拋磚引玉,歡迎大家共同探討!

說明:本文部分內容摘錄於《復旦學報》(自然科學版)第58卷第3期《理解數字聲音———基於一般音頻/環境聲的計算機聽覺綜述》李 偉,李 碩著

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