基于声音的室内外环境检测方法及其在无缝定位切换中的应用

⃝可在www.sciencedirect.com在线ScienceDirectICT Express 1（2015）106www.elsevier.com/locate/icte用于无缝定位切换的基于声音的室内和室外环境检测Rakmin Sung，Suk-hoon Jung，DongsooHan韩国科学技术院计算机科学系，大田，韩国接收日期：2015年10月25日;接收日期：2016年2月4日;接受日期：2016年2月5日2016年2月20日在线发布摘要本文提出一种基于声音的室内外环境检测方法，实现室内外一体化定位系统的无缝定位切换。所提出的方法使用特殊的啁啾声探头，其由移动终端的扬声器传播并通过设备的麦克风收集回来。室内和室外环境的检测通过分析的混响模式的检索探头。当我们在46个室内和室外位置测试所提出的方法时，大约达到了95%的检测准确率。2016年，韩国通信信息科学研究所。制作和托管由Elsevier B.V.这是一个开放获取的文章根据CC BY-NC-ND许可证（http：//creativecommons. org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。关键词：环境检测;声音;混响;定位1. 介绍随着全球定位系统（GPS）的出现，基于卫星的户外定位系统已经渗透到我们的日常生活中，为我们提供了安全和方便。但是，GPS不能在室内使用，因为墙壁和天花板会阻挡GPS信号.已经进行了许多研究来开发使用各种信号的室内定位系统（IPS），所述各种信号诸如5G无线网络[2]、RFID [3]、红外（IR）[4]、GSM [5]、蓝牙[6]和无线LAN（WLAN）[7]。如果IPSs的成功构建和推广，将来有一天它将与GPS集成，成为室内和室外的一体化定位系统。集成定位系统需要在GPS和IPS之间切换。切换应及时、准确，以方便用户。只有少数切换方案已被开发用于检测周围环境的变化并在GPS和IPS之间自动切换[8，9]。这些方法可以分为两种途径。第一种方法使用可用性*通讯作者。电子邮件地址：snm114@kaist.ac.kr（R. Sung），sh. kaist.ac.kr（S.-H. Jung），dshan@kaist.ac.kr（D. Han）。同行评审由韩国通信信息科学研究所负责。本文是题为“下一代（5G/6 G）”的特刊的一部分。移动通信定位系统[10]。它在GPS在室内不可用而IPS在室外不可用的假设下决定环境是室内还是室外因此，该方法在GPS和IPS都可用的地方在第二种方法中，使用从嵌入式或外部传感器获得的感测数据。光强度[11]、地磁场强度[11]和环境温度[12]已在以前的研究中使用。虽然研究的重点是发展及时的室内和室外环境检测，这两种方法都有缺陷的准确性和延迟的检测。它们需要几十秒来检测室内和室外环境，并且检测不够准确，无法在现场实际使用本文提出了一种基于声音的室内外环境检测方法。该方法利用了根据周围环境生成不同混响模式的声学特征。室内混响通常表现出与室外不同的模式。所提出的方法大体上包括三个步骤.在第一步骤中，由扬声器生成特殊的声音探测，即所谓的线性调频信号，并由移动终端的麦克风检索。在第二步中，对恢复信号的混响模式进行分析。最后，在第三步骤中，基于混响模式对室内和室外进行分类。http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2016.02.0012405-9595/c2016韩国通信信息科学研究所。制作和托管由爱思唯尔B. V.这是一个开放获取的文章下，CC BY-NC-ND许可证（http：//creativecommons。org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。t12. 自适应混合滤波器R. Sung等人/ ICT Express 1（2015）106-109107互相关值。图1示出了从样本啁啾的室内和室外混响为了开发有效且实用的基于声音的室内和室外环境检测方法，需要产生独特且易于检测的声音探针我们选择线性调频信号作为声音探测器，因为它可以有效地产生，检索和处理[13]。包含在检索信号中的噪声也可以通过适当的信号滤波器有效抑制[13]。线性调频信号在扩频通信、声纳/雷达等领域有着广泛的应用。啁啾信号的频率是独特的，因为它随时间稳定地增加或减少。当扫描一个频率范围时，检索到的信号将包含该范围内所有频率的混响特征。对于声探头，我们产生一个瞬时频率f（ t）随时间线性增加的线性调频信号。线性调频信号的频率函数由方程给出。其中f0、f1和k分别表示起始频率、最终频率和线性频率变化率f（t）= f0+ kt，其中k=f1− f0。（一）使用该函数，线性啁啾声探针被生成并传播。通过使用嵌入在移动终端中的麦克风简单地记录声音来检索传播的声音探头。当声探头具有γms的持续时间时，记录过程在探头传播之前γms开始以记录环境的环境噪声，并且在传播结束之后持续一段时间以包括探头的所有混响。已知混响在小于约100 ms内到达。一旦由麦克风检索到线性调频信号，就测量线性调频信号的混响程度以用于室内和室外环境的检测。环境噪声降低、原始线性调频信号检测、包络提取和混响分数计算是构成分析过程的步骤环境噪声降低是分析的第一步。使用特殊的带通滤波器，通过快速傅里叶变换（FFT）[14]从检索到的声音中去除环境噪声。然后通过应用互相关从噪声去除的信号中提取原始啁啾信号，互相关是施加到波形之一的时间滞后的函数，以测量两个波形的相似性。由于恢复声音的混响在频率范围上具有与原始声音相似的特性，因此在环境噪声降低和互相关计算之后，恢复声音中仍然保留了Chirp信号的混响。通过分析线性调频信号与其恢复声之间的互相关结果来测量线性调频信号的混响。虽然混响的程度可以用互相关值来计算，但是互相关值的包络被用于更方便和正确的测量。波动信号的包络线是一条平滑的曲线，它勾勒出幅度峰值的轮廓。包络可以通过对摘要应用平滑滤波器来获得信号，分别。从图中可以看出，混响在室内比在室外更明显。有了包络，混响程度可以通过计算其积分值，混响得分来衡量。积分的范围对于使分数计算可靠是至关重要的，因为范围定义了混响尾部的末端所有混响功能可以包括在得分计算，灰，如果一个慷慨的广泛的整合使用。然而，超过混响尾部末端的宽范围将在计算中引入噪声。混响尾的长度根据室内空间的特性而变化，例如天花板的高度、过道的宽度和墙壁材料的类型。因此，应通过实验仔细确定积分范围，以获得最佳的检测结果。可以使用二元分类方法来基于混响分数的集合来确定室内或室外环境存在许多二进制分类方法来将一组计算的混响分数分类到室内或室外环境中。静态阈值是分类的选择之一。阈值应根据各种训练数据仔细确定。一旦确定了阈值，分类就相当简单和直接。我们需要做的就是将观察到的混响分数与阈值进行比较。机器学习技术可以是以更复杂的方式分析混响以进行更准确分类的另一种选择。然而，在本文中，我们采用静态阈值为基础的方法，因为它足以证明在室内和室外环境检测的声音探头的有用性。3. 实验结果为了验证所提方法的有效性，我们测量了所提方法的室内和室外环境检测精度。实验在位于韩国大田的KAIST校园进行。在实验中，我们在校园两栋建筑物的中心之间设置了一条路径总共收集了540个声音探头和40个室内/室外转换的测试数据。实验区域包括可变的室内和室外环境，例如狭窄的走廊、大厅、开放的室外、近入口等，如示于图 二、使用运行Android 4.3（Jelly Bean）的Samsung GalaxyS3进行数据收集。在数据收集过程中，音量设置为最大水平，收集者自然地用一只手握住设备。产生持续50 ms的线性啁啾信号作为声探针。啁啾的频率在从1 kHz到3 kHz的范围内。测量了540个探头的环境探测精度。此外，我们还评估了40个室内/室外过渡的过渡检测的延迟和准确性我们分别使用群体中真实结果的比例作为环境和过渡的检测精度。108河Sung等/ ICT Express 1（2015）106(a) 探测器的外壳在室内空间被取回。（b）在室外空间回收的探测器的外壳Fig. 1.从室内和室外位置收集的声音探头提取的包络的比较。图二. 用于转换检测测试的数据收集路径。图3.第三章。各种阈值和分数计算范围的环境检测精度静态阈值用于分类。阈值在1000 - 10，000 × 1000之间变化。分数计算的积分范围从10增加10至100。图3示出了环境检测精度。如前一节所述，分数计算范围定义了收集的声音流中的混响范围。在图3中的标记点处实现了最佳准确度（96.79%），其中分数计算范围为50，阈值为2000。在这些设置下，我们将室内/室外转换的检测延迟和准确性与R. Hansen等人[10]，其利用GPS和Wi-Fi定位系统（WPS）。由于WPS的应用需要准备Wi-Fi无线电地图[10]，因此我们构建了图1所示建筑物的Wi-Fi无线电地图。 二、我们还收集了Wi-Fi和GPS信号以及收集的声音探头，用于测试基于WPS和基于GPS的交通检测。图4示出了三种方法在给定时间内的转换检测的累积精度。如图所示见图4。 转换检测错误比较（CDF）。在该图中，与先前的方法相比，所提出的方法将平均转换检测延迟减少了80%以上。所提出的方法的检测时间平均仅需3.81 s，而Hansen4. 结论提出了一种基于声音的室内外环境检测方法，实现了室内外的无缝定位切换。首次将Chirp信号用于室内和室外环境检测。与现有方法相比，该方法的性能是突出的。虽然该方法是为了检测定位系统的室内和室外环境而开发的，但它也可以用于其他应用。例如，室内和室外的感知对于一些上下文感知应用是重要的由于本文通过简单的实验证明了所提出的方法的可行性，因此需要进一步研究可变的实验设置以将该方法应用于实际应用。致谢这项工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的部分支持，该基金会由韩国政府（MSIP）资助（编号：2015R1 A2 A1 A10052224 ） ， 部 分 由 韩 国 国 土 交 通 部（MOLIT）在韩国基础设施技术促进局（KAIA）监督引用R. Sung等人/ ICT Express 1（2015）106-109109[8]T.加拉格尔湾李，A.G.登普斯特角Rizos，功率高效室内/室外定位切换，在：Proc.2nd Int. Conf. 室内[1] B. Hoffmann-Wellenhof，H.林文彬，《全球定位系统：理论与实践》，北京：科学出版社，1994年。[2] W.H. 钦，智-地范河，巴西-地Haines，5G无线网络的新兴技术和研究挑战，IEEE Wirel。Commun. 21（2）（2014）106-112。[3] L.M. Ni，Y. 刘永庆刘，A.P.Patil ，LANDMARC：室内位置传感使用有源RFID，无线。网络10（6）（2014）701[4] R. 想要，A。林志玲，主动式电子标签定位系统，国立成功大学电子工程研究所硕士论文，（1992）。[5] M.年Chen，T. Sohn，D. 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