專(zhuān)利名稱(chēng)：在三維空間中基于使用聲音傳感器的粒子濾波器的物體跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在三維空間中通過(guò)使用包括無(wú)源聲音傳感器的粒子濾波器的跟 蹤物體的方法，更特別的，涉及一種在三維空間中跟蹤物體的方法，其能夠降低計(jì)算的復(fù)雜 性，同時(shí)通過(guò)將三維粒子濾波器分解為簡(jiǎn)單的二維粒子濾波器而不是直接擴(kuò)展用于純方位 跟蹤三維空間的傳統(tǒng)的粒子濾波器算法，從而精確的執(zhí)行三維物體跟蹤。
背景技術(shù)：
在很多應(yīng)用中對(duì)在室內(nèi)和室外使用無(wú)源傳感器定位和跟蹤物體感興趣。對(duì)于使用 無(wú)源傳感器跟蹤物體，提供了幾種基于時(shí)延估計(jì)(TDE)方法和波束形成方法的方法。TDE方 法基于到達(dá)接收器的信號(hào)的時(shí)間延遲來(lái)估計(jì)位置。波束形成方法使用被操作的波束形成器 的頻率平均的輸出功率。TDE方法和波束形成方法試圖使用僅在當(dāng)前時(shí)間獲取的數(shù)據(jù)來(lái)確 定電流源位置。每種方法將聲音數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成函數(shù)，該函數(shù)以一種確定性的方式在與源相對(duì) 應(yīng)的位置處呈現(xiàn)峰值。然而，這些方法的估計(jì)精度對(duì)噪聲損壞的信號(hào)是敏感的。為了克服該方法的這些 缺陷，提出并應(yīng)用了一種基于粒子濾波的狀態(tài)空間驅(qū)動(dòng)方法。粒子濾波是一種用于連續(xù)信 號(hào)的處理尤其是用于非線性和非高斯問(wèn)題的新興的強(qiáng)有力的工具。對(duì)于源定位簡(jiǎn)單陳述了 關(guān)于使用粒子濾波器跟蹤的先前工作。提出了具有修訂的使用粒子濾波的基于TDE或波束 形成方法的架構(gòu)，以及傳感器以恒定的高度放置在指定的地點(diǎn)從而在二維空間(2-D)中估 計(jì)物體的軌跡。然而，在這些方法中，擴(kuò)展到三維空間是相當(dāng)困難和難改變的。為了擴(kuò)展到 3-D，需要多于所放置的麥克風(fēng)的數(shù)量來(lái)生成另一個(gè)2-D平面。此外，由于傳感器的位置固 定所以無(wú)法支持傳感器的移動(dòng)性。為了克服移動(dòng)性問(wèn)題，基于到達(dá)方向(DOA)的純方位跟 蹤已廣泛應(yīng)用于多種應(yīng)用。在本文中，為了靈活的和精確的3-D跟蹤我們分析了基于無(wú)源傳感器的跟蹤方 法。已經(jīng)通過(guò)直接擴(kuò)展2-D純方位跟蹤問(wèn)題到3-D問(wèn)題而提出了在3-D中跟蹤。代替 直接擴(kuò)展傳統(tǒng)的粒子濾波算法以用于3-D空間的純方位跟蹤，我們提出將3-D粒子濾波 器分解成幾個(gè)簡(jiǎn)單的被設(shè)計(jì)用于2-D純方位跟蹤問(wèn)題的粒子濾波器。對(duì)于2-D粒子濾 波器的分解和選擇是基于在噪聲環(huán)境下的聲音傳感器操作的表征。作為無(wú)源聲音定位 器模型，在 M. Stanacevic, G. Cauwenberghs,的“Micropower Gradient Flow acoustic Localizer” Solid-StateCircuits Conf. (ESSCIRC03)，pp. 69-72，2003 中提出使用 了一種 無(wú)源聲音定位器。該聲音定位器檢測(cè)在傳感器和物體之間的兩個(gè)角度分量(方位角Θ、仰 角Φ)。我們把這個(gè)方法擴(kuò)展到用于魯棒性能的多粒子濾波器聯(lián)合。我們將提出的方法與 使用克萊姆-拉奧(Cramer-Rao)下限的直接擴(kuò)展的純方位跟蹤方法相比較。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題
本發(fā)明提供了一種通過(guò)使用基于粒子濾波器的聲音傳感器在三維空間中跟蹤物 體的方法，所述方法能夠在增加精度的同時(shí)降低計(jì)算的復(fù)雜性。技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種通過(guò)使用基于粒子濾波器的聲音傳感器在三 維(3-D)空間中跟蹤物體的方法，該方法包括在3-D空間中選擇兩個(gè)平面；分別在兩個(gè)選 擇的平面上執(zhí)行二維(2-D)粒子濾波；和將在各個(gè)平面上的2-D粒子濾波的結(jié)果相關(guān)聯(lián)。優(yōu)選的，在選擇的兩個(gè)平面中，兩個(gè)平面可以從由單個(gè)傳感器形成的3-D空間中 選擇。在這種情況下，兩個(gè)被選擇的平面可以關(guān)于單個(gè)傳感器，基于3-D空間中三個(gè)平面的 仰角而確定。另一方面，在選擇兩個(gè)平面中，兩個(gè)平面可以從由多個(gè)傳感器中的每一個(gè)形成的 3-D空間中選擇。在這種情況下，兩個(gè)被選擇的平面可以關(guān)于多個(gè)傳感器中的每一個(gè)傳感 器，基于在3-D空間中平面的方位角和仰角確定。優(yōu)選的，選擇兩個(gè)平面可以通過(guò)使用獨(dú)立的k重傳感器來(lái)執(zhí)行。另一方面，選擇兩 個(gè)平面可以通過(guò)使用共同重采樣(common-resampling)K重傳感器來(lái)執(zhí)行。另一方面，選擇 兩個(gè)平面可以通過(guò)使用一個(gè)合并的K重傳感器來(lái)執(zhí)行。優(yōu)選的，將在各個(gè)平面上的2-D粒子濾波的結(jié)果相關(guān)聯(lián)可以鑒于對(duì)于兩個(gè)不同平 面中相同的要素權(quán)重是相同的而被執(zhí)行。另一方面，將在各個(gè)平面上的2-D粒子濾波的結(jié) 果相關(guān)聯(lián)可通過(guò)為兩個(gè)不同平面中的相同因素彼此增加權(quán)重而實(shí)現(xiàn)。有益效果具有的優(yōu)點(diǎn)是，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在通過(guò)使用基于粒子濾波器的聲音傳 感器來(lái)三維(3-D)空間中跟蹤物體的方法中，在三維空間中精確的跟蹤物體的同時(shí)，通過(guò) 將三維粒子濾波器分解為一些簡(jiǎn)單的二維粒子濾波器而降低了計(jì)算復(fù)雜度。


圖1示出了最初測(cè)量的角度的轉(zhuǎn)換；圖2和3示出了分別在投影的yz和ZX平面上的角度變化；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例當(dāng)xy和yz平面在投影平面選擇中被選擇的 情況；圖5示出了未使用根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)合方法在yz平面上的跟蹤偏差；圖6示出了基于結(jié)合方法的物體跟蹤；圖7示出了以三維方式分布的粒子權(quán)重的玉米形狀似然函數(shù)；圖8示出了一個(gè)角度的徑向誤差估計(jì)；圖9示出了關(guān)于全局坐標(biāo)的坐標(biāo)系統(tǒng)，也就是，初始傳感器坐標(biāo)系統(tǒng)；圖10示出了用于常見(jiàn)的重采樣粒子的兩種方法；圖11示出了多個(gè)傳感器的重采樣的過(guò)程；圖12示出了 CRMS-II中的權(quán)重計(jì)算；圖13示出了通過(guò)使用由R傳感器測(cè)量的所有值在W^ (P)中的粒子權(quán)重計(jì)算，所 述R傳感器根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例被選擇；圖14示出了使用在IMS中選擇的兩個(gè)優(yōu)化的平面的多個(gè)傳感器的性能；
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圖15和16示出了分別在各個(gè)方向中的下限；圖17和18示出了分別使用一個(gè)傳感器和使用多個(gè)傳感器的情況。
具體實(shí)施例方式為了全面了解本發(fā)明操作的優(yōu)勢(shì)和通過(guò)本發(fā)明實(shí)施例獲得的目標(biāo)，需要參考示出 了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的附圖和圖中顯示的內(nèi)容。以下，將參考附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施 例進(jìn)行詳細(xì)描述。在每個(gè)附圖中顯示的相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。在 M. Stanacevic, G. Cauwenberghs 的“Micropower Gradient Flow acousticLocalizer，，，Solid-State Circuits Conf. (ESSCIRC03)，pp. 69-72，2003 中描述 了三維定位器模型和其具體實(shí)現(xiàn)。定位器基于梯度流以確定聲音源的到達(dá)方向(DOA)。圖1示出了角度轉(zhuǎn)換過(guò)程?；趤?lái)自聲音定位器的測(cè)量的兩個(gè)角度，方位角θ和 仰角Φ，(O彡θ彡2 π，2彡Φ彡π )，獲取二維(2-D)平面的三個(gè)角度θ xy，θ yz，θ ζχ0 這三個(gè)角度中的任一個(gè)角度用于使用粒子濾波器進(jìn)行2-D跟蹤。例如，在xy平面中使用 θ ，在yz平面和ZX平面分別使用θγζ和θζχ。角度定義如下Gxy= θθνζ =
tan-1 (
sec
tan θ tan φ
)+ β
_ι , t cjy權(quán)利要求
一種通過(guò)使用基于粒子濾波器的聲音傳感器在三維(3 D)空間中跟蹤物體的方法，該方法包括在3 D空間中選擇兩個(gè)平面；分別在兩個(gè)選擇的平面上執(zhí)行二維(2 D)粒子濾波；以及將在各個(gè)平面上的所述2 D粒子濾波的結(jié)果相關(guān)聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述選擇兩個(gè)平面時(shí)，所述兩個(gè)平面從由單個(gè) 傳感器形成的3-D空間的平面中選擇。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，兩個(gè)所選擇的平面基于關(guān)于所述單個(gè)傳感器的 3-D空間中的三個(gè)平面的仰角而確定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述選擇兩個(gè)平面時(shí)，所述兩個(gè)平面從由多個(gè) 傳感器中的每一個(gè)傳感器形成的3-D空間的平面中選擇。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，兩個(gè)所選擇的平面基于關(guān)于所述多個(gè)傳感器中 的每一個(gè)傳感器的3-D空間中的平面的方位角和仰角而確定。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述選擇兩個(gè)平面通過(guò)使用獨(dú)立的k重傳感器來(lái) 執(zhí)行。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述選擇兩個(gè)平面通過(guò)使用共同重采樣K重傳感 器來(lái)執(zhí)行。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述選擇兩個(gè)平面通過(guò)使用一個(gè)合并的K重傳感 器來(lái)執(zhí)行。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，將在各個(gè)平面上的所述2-D粒子濾波的結(jié)果相關(guān) 聯(lián)是考慮對(duì)于兩個(gè)不同平面中的相同要素的權(quán)重相同而被執(zhí)行的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，將在各個(gè)平面上的所述2-D粒子濾波的結(jié)果相 關(guān)聯(lián)是通過(guò)為兩個(gè)不同平面中的每個(gè)相同因素彼此增加權(quán)重而被執(zhí)行的。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種通過(guò)使用基于粒子濾波器的聲音傳感器在三維(3-D)空間中跟蹤物體的方法。不是直接將用于純方位跟蹤的粒子濾波算法擴(kuò)展到3-D空間，而是3-D粒子濾波器被分解成不同的簡(jiǎn)單的二維(2-D)粒子濾波器。分解為2-D粒子濾波器并選擇它們是基于在噪聲環(huán)境下的聲音傳感器的特征。還提供了對(duì)多個(gè)粒子濾波器關(guān)聯(lián)的擴(kuò)展，通過(guò)使用克萊姆-拉奧下界，證實(shí)了其強(qiáng)度和性能。提供了執(zhí)行精確3-D物體跟蹤的同時(shí)減少計(jì)算復(fù)雜度的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01S3/80GK101960322SQ200880127458
公開(kāi)日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2008年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月27日
發(fā)明者S·米盧廷, 南潤(rùn)榮, 李振碩, 洪尚真, 趙威德 申請(qǐng)人:亞洲大學(xué)校產(chǎn)學(xué)協(xié)力團(tuán)