用LabVIEW做声源定位系统

前一阵子，研发部举办了为期三天的第一届Innovation Day，让大家用3天时间去完成工作之外的一些创意。有人做微信小程序，有人继续研究一些工作中用到的Tool，有人把一直想解决而没时间解决的老bug给解决掉。因为我最近忽然对室友新买的小度音响感兴趣，所以就研究了下声源定位。

言归正传，声源定位主要分为三种：

• 基于时延估计（time-delay estimation，TDE）的算法，也叫TDOA算法（Time Difference of Arrival）；
• 基于高分辨率谱估计的算法；
• 基于稀疏表示的算法。

本文中使用的算法是第一种，基于时延估计的算法，这种算法最经典也比较简单，适合在两天半内搞定（第三天下午要写PPT给同事们讲+演示）。

TDOA算法

基于时延估计的算法，我参考了这篇文章：https://www.cnblogs.com/ytxwzqin/p/9004603.html，采用的是远场模型。

对于一个线性排列的麦克风阵列，声音到达不同的麦克风总会有时间先后顺序。

那么我们就可以通过计算2个麦克风采集信号的相位差，从而得到声音波束相对于两个麦克风的角度。具体的原理以及公式推理在前面的参考link里都有讲。

但是在真是的设备商运行算法的时候，就需要额外考虑一些情况，比如去混响、

硬件环境

正好我们做的新产品ELVIS III也发布了，和二代不同的是，它是基于ZYNQ的处理器架构，不再是一个DAQ设备，所以可以很轻易的通过网络来访问它。由于是教学产品，所以API的风格沿用了myRIO的风格，不过功能比起myRIO丰富了很多（毕竟贵嘛）。那么就用这个新产品作为采集信号的设备吧。

麦克风选的是淘宝便宜货，大概8块钱一个的麦克风套装，一共买了4个（连经理都看不下去觉得买的太便宜能做出来效果就见鬼了）。

硬件大概是这个样子的（上下两个MIC间隔8.5cm，左右两个MIC间隔也是8.5cm）：

4个麦克风模块尽量组成一个矩形。由于MIC模块的输出阻抗和AI的输入阻抗不匹配，所以串联了一个电阻。由于每个MIC模块还需要连3.3V电源和GND，所以连完线，就成了这个样子：

将4个MIC的信号输出端口连接在ELVIS III的bank A的AI0-AI3，并采用N Sample方式来采集数据，采样率为44.1KHz，每次采集200ms进行计算。

实现

由于ELVIS III是基于Linux的设备，那么首先就考虑把信号采集+算法放在RT端（设备端）实现。

RT端实现

算法的框架并不复杂，采用生产者消费者的架构，由2个while loop来实现（一个loop不断的采集数据，另外一个loop不断地处理数据）。但是在实现过程中，遇到了一个最大的问题——RT上跑算法速度并不快，尤其是跑互相关算法很慢，完全没办法实时，所以此路不通。

PC+RT实现

那么换个思路，我们可以把信号采集的部分放在ELVIS III上面跑，然后利用PC强大的计算能力（i7-4790k, 32G内存）来做后面的算法处理。那么设备上只需要跑我们的采集数据的API，然后通过VI server以RPC的方式去返回数据给PC，然后PC再进行数据处理。

所以整个思路就变成这样：

1. 用ELVIS III采集4个通道的MIC数据，采样率44.1KHz，采样时间200ms。然后讲采集到的数据返回给PC。
2. PC端采集到完整的200ms数据后，就进行数据处理。
3. 数据处理包括：
   1. 活动信号检测：把200ms原始信号滤波后，分成10份，分别计算其能量，当超过一定阈值的时候就认为有活动信号。

   2. 时延计算：这里取了个巧，用了声音与震动Toolkit里的一个现成的API，直接可以得到delay，不需要自己吭哧吭哧的再实现了

   3. 声音方位角计算：得到time delay，知道声速，也知道几个MIC的坐标，就可以用数学方法很容易的计算出角度了。

整个Main程序的后面板是这样子的：

可以看到，采用的依旧是生产者消费者模型，只不过数据采集已经是采用了RPC方式。所以只要ELVIS III和你的PC是同一个局域网，就可以远程的采集数据并处理。而且，你的这个程序是不需要Deploy到target上面去运行的，完全可以在Desktop环境下运行。

最终效果如下：

界面略微有点丑，效果就是在某个方向大喊一声，或者用力的拍一下手，可以显示出来方位。