一种基于分布式高还原扩声的教室声光一体灯控制方法与流程

本发明涉及灯具驱动，具体的说，尤其是一种基于分布式高还原扩声的教室声光一体灯控制方法。

背景技术：

1、教室作为知识传授的核心场所，其内部的声学与光照环境直接影响着学生的专注度与学习体验。然而，当前常规的教室环境调节方案往往将扩音设备与照明设备割裂开来独立运行。这种割裂导致设备在面对复杂多变的教学场景时，缺乏整体的协同响应能力，难以根据实际的教学活动重心进行自适应的环境优化。这种系统间的割裂根源在于对教室内声音信号特征的捕捉与利用存在技术瓶颈。

2、教室空间相对宽广且人员密集，声音在传播过程中极易受到翻书声、桌椅碰撞声等复杂背景噪音的干扰，导致设备难以精准分离并提取出清晰的有效语音信号。有效声音信号的模糊不清，直接切断了环境调节的判断依据，使得照明设备无法感知当前教学活动的具体位置，进而无法对相应位置的灯具做出相应的光线调整。例如在课堂的分组讨论环节中，教室某个角落的学生进行发言，环境中还会夹杂着其他背景噪音，由于难以确定发言学生的位置，照明灯光无法根据声音的来源聚焦到正在发言的学生区域，导致其他同学和老师难以看清发言者的神态，极大地削弱了课堂互动的效果。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于分布式高还原扩声的教室声光一体灯控制方法，旨在解决上述现有技术中的问题。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于分布式高还原扩声的教室声光一体灯控制方法，包括以下步骤：

3、s1：获取目标空间内预设的麦克风阵列采集的多路原始音频数据，提取原始音频数据中的非背景噪音数据作为第一语音信号；

4、s2：对所述第一语音信号进行降噪处理，得到第二语音信号；

5、s3：获取每个所述第二语音信号针对每个麦克风的到达时间差参数，基于所述到达时间差参数计算所述第二语音信号的空间坐标，确定每个第二语音信号对应的声源三维坐标位置；

6、s4：获取所述声源三维坐标位置与所述第二语音信号的频谱分布数据，通过预设的映射关系表查找与所述频谱分布数据相匹配的光线亮度，确定目标光线亮度参数并驱动灯具。

7、优选的，在所述步骤s1中，提取原始音频数据中的非背景噪音数据作为第一语音信号的步骤包括：

8、对所述原始音频数据进行信号分离处理，并丢弃背景噪音数据，得到第一语音信号。

9、可选的，在所述步骤s1中，对所述原始音频数据进行信号分离处理的步骤包括：

10、将多路原始音频数据按列拼接构建空间方位特征矩阵；

11、计算所述空间方位特征矩阵每一行的元素均值，针对所述空间方位特征矩阵的每一行，计算该行中每个元素减去该行对应的元素均值的差值，得到观测矩阵；通过协方差矩阵特征分解工具对所述观测矩阵进行变换处理，得到以协方差为单位矩阵的白化矩阵x；

12、将所述白化矩阵x输入快速独立成分分析算法fastica进行信号分离处理得到多个初始分离信号，并组合成混合矩阵a；将所述混合矩阵a的所有初始分离信号输入快速傅里叶变换工具进行频域转换得到每个初始分离信号对应的频域复数序列；

13、根据所述频域复数序列获取每个初始分离信号对应的频域幅值序列；计算所述频域幅值序列在预设语音频段内的平方和得到每个初始分离信号对应的频带能量特征；

14、筛选出所述频带能量特征大于预设的能量阈值对应的频域复数序列作为目标频域复数序列；

15、将所述目标频域复数序列输入逆快速傅里叶变换工具进行时域转换处理，得到第一语音信号。

16、具体地，在所述步骤s2中，得到第二语音信号的步骤包括：

17、提取每个第一语音信号对应的信噪比，若所述信噪比低于预设的信噪比阈值，则对所述第一语音信号进行降噪处理，得到第二语音信号，否则将第一语音信号作为第二语音信号进行输出。

18、值得说明的是，在所述步骤s2中，得到第二语音信号的步骤包括：

19、将所述第一语音信号输入短时能量计算器获取短时能量序列；将所述第一语音信号输入短时过零率计算器获取短时过零率序列；

20、将所述短时能量序列和所述短时过零率序列输入双门限端点检测器获取静音片段；将所述静音片段输入傅里叶变换器提取频带能量获取初始噪声基底；

21、计算所述第一语音信号的信号能量均值；计算所述初始噪声基底的噪声能量均值；计算所述信号能量均值和所述噪声能量均值的比值得到信噪比；

22、若信噪比低于预设的信噪比阈值，则将所述初始噪声基底作为参考信号，并将所述第一语音信号作为期望信号，输入最小均方误差滤波器进行滤波处理，得到滤波信号；计算所述期望信号与所述滤波信号的差值得到误差信号；

23、将所述误差信号输入归一化最小均方更新器更新所述最小均方误差滤波器的步长因子和滤波系数，并计算新的误差信号，直到当前的误差信号对应的均方误差与前一次的误差信号对应的均方误差的差值小于预设的误差阈值，将当前的误差信号确定为第二语音信号；

24、若信噪比大于或等于预设的信噪比阈值，则将第一语音信号作为第二语音信号输出。

25、优选的，在所述步骤s3中，确定每个第二语音信号对应的声源三维坐标位置的步骤包括：

26、获取目标空间内预设的麦克风阵列对应的多路原始音频数据，并分别输入快速傅里叶变换工具，得到对应的频域语音信号；

27、针对麦克风阵列中的麦克风阵元进行两两配对，获取每组配对的第一阵元对应的第一频域语音信号以及第二阵元对应的第二频域语音信号；将第一频域语音信号与第二频域语音信号的共轭复数相乘得到互功率谱；对白化互功率谱执行逆快速傅里叶变换，得到帧长为n的相位加权互相关函数；

28、将相位加权互相关函数的峰值对应的数组下标减去序列中点基准索引，得到偏移点数；其中序列中点基准索引等于n/2；将偏移点数除以音频采样率得到相位加权互相关函数的峰值对应的时间偏移量；

29、遍历麦克风阵列的全部麦克风阵元组合，将所有时间偏移量组合得到时延差集合；从麦克风阵列中选取参考麦克风阵元，从时延差集合中获取其余阵元相对于参考麦克风阵元的时间偏移量，组合为专属时延子集；

30、获取声速参数和麦克风阵列中每个麦克风的预设几何坐标；将专属时延子集、每个麦克风的预设几何坐标和声速参数输入高斯牛顿迭代求解器，求解得到当前第二语音信号对应的声源三维坐标位置。

31、可选的，在所述步骤s3中，从麦克风阵列中选取参考麦克风阵元的步骤包括：

32、获取第二语音信号对应的第一语音信号；

33、将所述第一语音信号作为当前待定位的语音信号，其中i是所述第一语音信号在混合矩阵a中的列数序号；

34、针对所述列数序号i，从所述混合矩阵a中提取与所述语音信号对应的第i列针对第m路麦克风阵元的系数，其中m为麦克风阵元的序号；

35、针对所述系数与所述语音信号，根据公式进行正向重构，获取第m路麦克风阵元上仅由所述语音信号产生的单源专属接收分量；

36、将所述单源专属接收分量与所述语音信号输入至余弦相似度计算器，通过所述余弦相似度计算器计算所述单源专属接收分量与所述语音信号的余弦相似度数值；

37、从所述余弦相似度数值中获取数值最大的目标余弦相似度数值，将所述目标余弦相似度数值对应的麦克风阵元确定为参考麦克风阵元。

38、具体地，在所述步骤s4中，确定目标光线亮度参数并驱动灯具的步骤包括：

39、获取灯具的预设声源受控范围，根据预设声源受控范围对第二语音信号进行空间位置筛选，得到声源三维坐标位置位于预设声源受控范围内的第二语音信号；

40、针对筛选出来的第二语音信号采用快速傅里叶变换处理，得到第二语音信号对应的频谱分布数据；

41、针对每个第二语音信号对应的频谱分布数据，采用带通滤波器组提取每个频段的频段能量；

42、对比每个频段的频段能量，确定每个第二语音信号对应的最大频段能量作为能量峰值，计算所有能量峰值的平均值；

43、获取预先采用支持向量回归算法建立的能量峰值平均值与光线亮度的映射关系，通过映射关系，查找与能量峰值的平均值匹配的目标光线亮度参数；

44、根据目标光线亮度参数驱动灯具。

45、本发明的有益效果在于：在所述基于分布式高还原扩声的教室声光一体灯控制方法中，通过麦克风阵列采集空间内的多路音频数据并提取非背景噪音作为第一语音信号，对其进行降噪处理得到代表不同说话人的第二语音信号，利用各麦克风接收信号的到达时间差计算出每个声源的三维坐标位置，同时提取第二语音信号的频谱分布数据，通过预设映射关系表将频谱特征转换为对应的光线亮度参数并驱动灯具，从而实现了根据说话人位置和语音特征动态调节照明的智能化控制，提升了空间照明的精准性和智能化水平。