基于无线传输的视频监控型定向声波驱散器

技术领域

本发明涉及基于无线传输的视频监控型定向声波驱散器，属于定向声波驱散设备技术领域。

背景技术

定向声波驱散器是一种利用高强度声波对目标人员进行驱离和警示的设备。

目前的定向声波驱散器调整发声单元的声波方向（即声波的主瓣方向）是采用转动发声单元阵面朝向的方式，包括手动调整和电动调整等。这样的调整方式需要有相应的机械结构，动作相对较慢。

现有的定向声波驱散器并不带有视频监控功能，无法实时灵活的掌握现场情况；即使加装一个常规的视频监控摄像头，也大量依靠人工筛查、鉴定是否存在大量人员聚集的情况，工作量巨大。

由于现有定向声波驱散器的声波束是朝向定向声波驱散器的前方发射，主要声波能力都集中在定向声波驱散器的前方；但是，在定向声波驱散器的背后仍有存在一定强度的噪声；通常在定向声波驱散器的背面100米处，其最大峰值声压级≥70dB±1dB，该声压级仍超出舒适环境的声压级上限；即使采用加装视频监控摄像头，使得定向声波驱散器与办公区域隔开，但是对于一些空间要求比较高的使用环境，仍需要改善定向声波驱散器背后的隔声效果。

如果安装相应的降噪机构，虽然能够一定程度上会降低在定向声波驱散器背后的噪声，但同时，也会对定向声波驱散器的驱散效果造成一定的影响。

因此，急需一种具有视频监控功能、能快速调整声波主瓣方向、进一步强化驱散效果的定向声波驱散设备。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供了基于无线传输的视频监控型定向声波驱散器，具体技术方案如下：

基于无线传输的视频监控型定向声波驱散器，包括定向声波驱散模块、视频监控模块、无线传输模块、数据处理模块、控制模块，所述定向声波驱散模块包括按照阵列设置的发声单元、尖峰正弦波信号生成模块，所述尖峰正弦波信号生成模块生成有尖峰正弦波信号，尖峰正弦波信号通过单个发声单元生成单股声波，多组单股声波叠加后生成声波束。

作为上述技术方案的改进，所述视频监控模块包括摄像头、用来驱动摄像头水平和垂直回转的电动云台，所述数据处理模块包括图像处理单元，所述摄像头用于获取监控目标的视频图像，将视频图像通过无线传输模块传输给图像处理单元；在图像处理单元中，对视频图像进行特征提取得到特征图像，对特征图像进行识别并生成运动轨迹向量，将运动轨迹向量投影至摄像头视野所在圆形区域，当运动轨迹向量在摄像头视野所在圆形区域的投影与摄像头视野所在圆形区域的边界之间的最小值小于或等于第一设定值，通过控制模块和电动云台调整摄像头的视野，摄像头视野的调整方向与运动轨迹向量在摄像头视野所在圆形区域的投影方向呈平行设置。

作为上述技术方案的改进，正弦波信号通过尖峰正弦波信号生成模块生成有尖峰正弦波信号，尖峰正弦波信号是在正弦波信号的波峰处叠加有等腰直角三角形状的尖峰波。

作为上述技术方案的改进，正弦波信号的振幅为A

k

k

作为上述技术方案的改进，所述定向声波驱散模块的外周套设有包边框，所述包边框包括套设在定向声波驱散模块外周的边框、与边框连接为一体的降噪框，降噪框的前端设置有多个弧形缺口，相邻两个缺口之间设置有间距。

作为上述技术方案的改进，所述降噪框与发声单元的阵面之间的夹角为α，88°≤α＜90°。

作为上述技术方案的改进，所述控制模块包括相位旋转单元，改变声波束的声波指向的方法包括如下步骤：

步骤S1、以发声单元的阵面为基准建立三维坐标系，如阵面的长度方向为X轴，阵面的宽度方向为Y轴，阵面的法线方向为Z轴，X轴与Y轴组成XY面，X轴与Z轴组成XZ面，Z轴与Y轴组成YZ面；对调整前声波束的声波指向在三维坐标系中建立初始声波指向向量，初始声波指向向量为向量a，向量a在XY面的投影为分向量a1，向量a在XZ面的投影为分向量a2，向量a在YZ面的投影为分向量a3；对调整后声波束的声波指向在三维坐标系中建立建立预设声波指向向量，预设声波指向向量为向量b，向量b在XY面的投影为分向量b1，向量b在XZ面的投影为分向量b2，向量b在YZ面的投影为分向量b3；

步骤S2、对分向量b1与分向量a1之间的偏差角度进行运算得到θ1，对分向量b2与分向量a2之间的偏差角度进行运算得到θ2，对分向量b3与分向量a3之间的偏差角度进行运算得到θ3；

步骤S3、通过运算模块来计算得到θ1、θ2、θ3，在运算模块中，Δ

步骤S4、通过相位旋转单元将尖峰正弦波信号转化为相位偏转的尖峰正弦波信号，相位偏转的尖峰正弦波信号与尖峰正弦波信号之间的相位差为Δ

步骤S5、相位偏转的尖峰正弦波信号通过对应的发声单元生成偏转的单股声波，多组偏转的单股声波叠加后生成声波指向发生偏转的声波束。

作为上述技术方案的改进，所述控制模块包括相位旋转单元，改变声波束的声波指向的方法包括如下步骤：

步骤P1、以发声单元的阵面为基准建立三维坐标系，如阵面的长度方向为X轴，阵面的宽度方向为Y轴，阵面的法线方向为Z轴，X轴与Y轴组成XY面，X轴与Z轴组成XZ面，Z轴与Y轴组成YZ面；对调整前声波束的声波指向所在平面为调整前声波指向所在面，对调整后声波束的声波指向所在平面为调整后声波指向所在面，调整后声波指向所在面与调整前声波指向所在面之间的交线为转向交线，调整前声波束的声波指向在XY面的投影与转向交线在XY面的投影之间的夹角为θ4，调整前声波束的声波指向在XZ面的投影与转向交线在XZ面的投影之间的夹角为θ5，调整前声波束的声波指向在YZ面的投影与转向交线在YZ面的投影之间的夹角为θ6；

步骤P2、通过运算模块来计算得到θ4、θ5、θ6，在运算模块中，Δ

步骤P3、通过相位旋转单元将尖峰正弦波信号转化为相位偏转的尖峰正弦波信号，相位偏转的尖峰正弦波信号与尖峰正弦波信号之间的相位差为Δ

步骤P4、相位偏转的尖峰正弦波信号通过对应的发声单元生成偏转的单股声波，多组偏转的单股声波叠加后生成声波指向发生偏转的声波束。

作为上述技术方案的改进，所述数据处理模块还包括人员聚集识别单元，所述人员聚集识别单元的工作方法包括以下步骤：

步骤Q1、将摄像头所获取的视频图像通过无线传输模块传输给人员聚集识别单元，对视频图像按帧进行分解成视频图像帧，通过背景差分法对视频图像帧进行背景差分，灰度处理和二值化处理得到二值化图像；

步骤Q2、对二值化图像中具有相同像素值的像素点划分为同一区域得到图像块集合，相同的像素点组成了图像块，对图像块集合中相邻的图像块进行相似度运算，当运算结果大于或等于第二设定值时，将图像块集合中通过相似度运算的相邻图像块划分为同一区域，即获得筛选目标；对二值化图像中的每个筛选目标进行噪声滤除，获得疑似聚集目标；

步骤Q3、对相邻视频图像帧中的疑似聚集目标的位置进行统计并生成疑似聚集目标运动轨迹，对相邻两个疑似聚集目标运动轨迹进行相似度运算，统计运算结果大于或等于第三设定值的数量，相似度运算结果大于或等于第三设定值的数量与疑似聚集目标运动轨迹之间的比值为实际疑似聚集目标概率；

步骤Q4、计算疑似聚集目标在聚集区域之间的聚集密度，聚集密度等于疑似聚集目标的数量与聚集区域之间的比值，通过对处于最外围的疑似聚集目标进行两两连线构成形状为多边形的聚集区域；

步骤Q5、对实际疑似聚集目标概率进行赋值计算得到第一赋值结果，对聚集密度进行赋值计算得到第二赋值结果，对第一赋值结果和第二赋值结果进行加权计算，加权计算结果大于或等于第四设定值时，判定为涉嫌聚集；

步骤Q6、人员聚集识别单元将运算得到的涉嫌聚集信息通过无线传输模块发出告警信息，通过人工核实核实告警信息来判定是否发出驱散或警示的命令。

本发明的有益效果：

1、本发明所述基于无线传输的视频监控型定向声波驱散器带有视频监控功能，通过无线传输技术实时传输含有大量的信息的信号，从而有助于实时掌握现场情况；通过后台的数据处理模块进行大量数据处理，能够在一定程度上对目标进行跟踪，同时判定是否存在人员聚集的情景，降低后续人工审核的工作量，显著提高工作效率。

2、本发明基于调整不同发声单元所发出声波的相位，可以在以发声单元阵面的几何中心法线为轴线，调整范围是以圆锥顶角为90度的圆锥范围内，可以快速调整声波方向；其减少了机械旋转结构，降低系统复杂程度，降低系统重量。

3、本发明所述基于无线传输的视频监控型定向声波驱散器的驱散效果好，驱散距离远，定向声波驱散模块的功耗低。

附图说明

图1为利用调整相位差来改变声波束的声波指向的原理图；

图2为现有常规的正弦波信号的波形图；

图3为尖峰正弦波信号的波形图；

图4为k

图5为k

图6为定向声波驱散模块1与包边框的安装示意图；

图7为图6中的A-A视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

所述基于无线传输的视频监控型定向声波驱散器，包括定向声波驱散模块、视频监控模块、无线传输模块、数据处理模块、控制模块，所述定向声波驱散模块包括按照阵列设置的发声单元、尖峰正弦波信号生成模块，所述尖峰正弦波信号生成模块生成有尖峰正弦波信号，尖峰正弦波信号通过单个发声单元生成单股声波，多组单股声波叠加后生成用来驱散、警示的声波束。

一般的声音波形通常为正弦波形，设备能耗相对较高，最大峰值声压级表现一般。

例如：现有常规定向强声设备，1米处峰值声压级152dB，驱散距离为100米，功率为1000W（峰值）。

本发明采用尖峰正弦波信号有利于提高最大峰值声压级，同时，降低设备功耗。本发明通过调制波形，在常规正弦波的波峰上增加一个针刺形的声波，可以较大提升最大峰值声压级，同时设备功耗不会增加很多。

实施例2

在实施例中，所述尖峰正弦波信号生成模块，正弦波信号通过尖峰正弦波信号生成模块生成有尖峰正弦波信号，尖峰正弦波信号是在正弦波信号的波峰处叠加有等腰直角三角形状的尖峰波。

现有常规的正弦波信号，如图2所示，其振幅为A

本领域技术人员公知：一般的声音波形是一系列振幅和频率不一的正弦波叠加形成的的。任何波形都可以分解成一系列正弦波，方波也能分解。

方案G1

在本方案中，如图3所示，正弦波信号的振幅为A

k

表1

表2

当k

最终，当k

方案G2

如果叠加的是锯齿波，而不是尖峰波，其带来的最直接后果是：相对于尖峰波来说，叠加锯齿波所带来的功耗更大。

方案G3

如果叠加的是方波，而不是尖峰波，其带来的最直接后果是：相对于尖峰波来说，叠加方波所带来的声压级提升不如尖峰波。

方案G4

如果叠加的是腰边为曲线的三角波，而不是等腰直角三角形状的尖峰波，其带来的最直接后果是：相对于等腰直角三角形状的尖峰波来说，腰边为曲线的三角波其带来的声压级提升效果更好。

实施例3

所述控制模块包括相位旋转单元，改变声波束的声波指向的方法包括如下步骤：

步骤S1、以发声单元10的阵面为基准建立三维坐标系，如阵面的长度方向为X轴，阵面的宽度方向为Y轴，阵面的法线方向为Z轴，X轴与Y轴组成XY面，X轴与Z轴组成XZ面，Z轴与Y轴组成YZ面；其中，声波束的声波指向与声波束的主瓣轴线平行，声波指向是远离阵面的方向；对调整前声波束的声波指向在三维坐标系中建立初始声波指向向量，初始声波指向向量为向量a，向量a在XY面的投影为分向量a1，向量a在XZ面的投影为分向量a2，向量a在YZ面的投影为分向量a3；对调整后声波束的声波指向在三维坐标系中建立建立预设声波指向向量，预设声波指向向量为向量b，向量b在XY面的投影为分向量b1，向量b在XZ面的投影为分向量b2，向量b在YZ面的投影为分向量b3。

步骤S2、对分向量b1与分向量a1之间的偏差角度进行运算得到θ1，对分向量b2与分向量a2之间的偏差角度进行运算得到θ2，对分向量b3与分向量a3之间的偏差角度进行运算得到θ3。

步骤S3、通过运算模块来计算得到θ1、θ2、θ3，在运算模块中，Δ

步骤S4、通过相位旋转单元将尖峰正弦波信号转化为相位偏转的尖峰正弦波信号，相位偏转的尖峰正弦波信号与尖峰正弦波信号之间的相位差为Δ

步骤S5、相位偏转的尖峰正弦波信号通过对应的发声单元10生成偏转的单股声波，多组偏转的单股声波叠加后生成声波指向发生偏转的声波束。

如图1所示，以位于中间的发声单元10为基准，当调整位于图1中左侧的发声单元10所发出单股声波的相位差，图1左侧的发声单元10所发出单股声波与图1中间的发声单元10所发出单股声波叠加之后，叠加后的声波束的声波指向就会发生偏转。其中，相位差也可通过对应波长偏差换算为相位差。Δ

与实施例4相比，本实施例的缺点是计算量大，优点是误差小，最终声波束的调整误差在±0.1°。

实施例4

所述控制模块包括相位旋转单元，改变声波束的声波指向的方法包括如下步骤：

步骤P1、以发声单元10的阵面为基准建立三维坐标系，如阵面的长度方向为X轴，阵面的宽度方向为Y轴，阵面的法线方向为Z轴，X轴与Y轴组成XY面，X轴与Z轴组成XZ面，Z轴与Y轴组成YZ面；其中，声波束的声波指向与声波束的主瓣轴线平行，声波指向是远离阵面的方向；对调整前声波束的声波指向所在平面为调整前声波指向所在面，对调整后声波束的声波指向所在平面为调整后声波指向所在面，调整后声波指向所在面与调整前声波指向所在面之间的交线为转向交线，调整前声波束的声波指向在XY面的投影与转向交线在XY面的投影之间的夹角为θ4，调整前声波束的声波指向在XZ面的投影与转向交线在XZ面的投影之间的夹角为θ5，调整前声波束的声波指向在YZ面的投影与转向交线在YZ面的投影之间的夹角为θ6。

步骤P2、通过运算模块来计算得到θ4、θ5、θ6，在运算模块中，Δ

步骤P3、通过相位旋转单元将尖峰正弦波信号转化为相位偏转的尖峰正弦波信号，相位偏转的尖峰正弦波信号与尖峰正弦波信号之间的相位差为Δ

步骤P4、相位偏转的尖峰正弦波信号通过对应的发声单元10生成偏转的单股声波，多组偏转的单股声波叠加后生成声波指向发生偏转的声波束。

同理，如图1所示，以位于中间的发声单元10为基准，当调整位于图1中左侧的发声单元10所发出单股声波的相位差，图1左侧的发声单元10所发出单股声波与图1中间的发声单元10所发出单股声波叠加之后，叠加后的声波束的声波指向就会发生偏转。其中，相位差也可通过对应波长偏差换算为相位差。Δ

与实施例3相比，本实施例的优点是计算量小，缺点是误差相对较大，最终声波束的调整误差在±0.5°。

实施例5

所述视频监控模块包括摄像头、用来驱动摄像头水平和垂直回转的电动云台，所述数据处理模块包括图像处理单元，所述摄像头用于获取监控目标的视频图像，将视频图像通过无线传输模块传输给图像处理单元；在图像处理单元中，对视频图像进行特征提取得到特征图像，对特征图像进行识别并生成运动轨迹向量，将运动轨迹向量投影至摄像头视野所在圆形区域，当运动轨迹向量在摄像头视野所在圆形区域的投影与摄像头视野所在圆形区域的边界之间的最小值小于或等于第一设定值，通过控制模块和电动云台调整摄像头的视野，摄像头视野的调整方向与运动轨迹向量在摄像头视野所在圆形区域的投影方向呈平行设置。

图像处理单元能够用于分析视频图像，提取图像中的相应信息，通过数据运算得到目标（特征图像）的运动轨迹（运动轨迹向量），根据运动轨迹向量计算得到目标的运动趋势，如根据上述方法，目标沿着靠近摄像头视野所在圆形区域的左上方运动，那么可通过控制模块来控制摄像头使其沿着原视野的左上方运动，从而使得目标重新能够纳入到摄像头视野所在圆形区域的中部，从而防止跟丢目标，实现目标的跟踪。

实施例6

所述数据处理模块还包括人员聚集识别单元，所述人员聚集识别单元的工作方法包括以下步骤：

步骤Q1、将摄像头所获取的视频图像通过无线传输模块传输给人员聚集识别单元，对视频图像按帧进行分解成视频图像帧，通过背景差分法对视频图像帧进行背景差分，判断去除其中的阴影，灰度处理和二值化处理得到二值化图像。对视频图像帧进行初步处理，以便后续运算。

步骤Q2、对二值化图像中具有相同像素值的像素点划分为同一区域得到图像块集合，相同的像素点组成了图像块，对图像块集合中相邻的图像块进行相似度运算，当运算结果大于或等于第二设定值时，将图像块集合中通过相似度运算的相邻图像块划分为同一区域，即获得筛选目标；对二值化图像中的每个筛选目标进行噪声滤除，获得疑似聚集目标。疑似聚集目标的关键性指标，如头发；为提高容错性，还得通过相似度算法来归集。

步骤Q3、对相邻视频图像帧中的疑似聚集目标的位置进行统计并生成疑似聚集目标运动轨迹，对相邻两个疑似聚集目标运动轨迹进行相似度运算，统计运算结果大于或等于第三设定值的数量，相似度运算结果大于或等于第三设定值的数量与疑似聚集目标运动轨迹之间的比值为实际疑似聚集目标概率。通过分析现有聚集人员的运动轨迹，计算得到第三设定值，然后利用统计学来运算得到实际疑似聚集目标概率。

步骤Q4、计算疑似聚集目标在聚集区域之间的聚集密度，聚集密度等于疑似聚集目标的数量与聚集区域之间的比值，通过对处于最外围的疑似聚集目标进行两两连线构成形状为多边形的聚集区域。

步骤Q5、对实际疑似聚集目标概率进行赋值计算得到第一赋值结果，对聚集密度进行赋值计算得到第二赋值结果，对第一赋值结果和第二赋值结果进行加权计算，加权计算结果大于或等于第四设定值时，判定为涉嫌聚集。通过对实际疑似聚集目标概率、聚集密度这两个目标进行加权计算，进一步提高容错性。

步骤Q6、人员聚集识别单元将运算得到的涉嫌聚集信息通过无线传输模块发出告警信息，通过人工核实核实告警信息来判定是否发出驱散或警示的命令。

通过人员聚集识别单元能够对人员是否聚集进行初步识别，能够节省大量的人力，只需一个人审核告警信息，同时，对于是否发出启动定向声波驱散模块的命令，通常还需上报。人员聚集识别单元主要作用是避免审核人员24小时盯着监控。

《有效性验证试验》

从数据库中选择带有聚集行为的3723份视频中，通过上述步骤Q1~步骤Q5后，将判定为涉嫌聚集的命令进行审核，检出的正确率为78.51%；验证了上述方法的有效性；能够节省最少75%以上的人工工作量，实施效果好。

实施例7

如图6、7所示，所述定向声波驱散模块1的外周套设有包边框20，所述包边框20包括套设在定向声波驱散模块1外周的边框21、与边框21连接为一体的降噪框22，降噪框22的前端设置有多个弧形缺口221，相邻两个缺口221之间设置有间距。

首先，包边框20通常是由橡胶或塑胶所制成，因此，为提高稳定性，在降噪框22与边框21之间设置有一体成型的加强筋23，从而能够使得降噪框22与边框21之间的角度稳定。

本领域技术人员能够理解，若声波绕射到边框21的后方，需首先经过降噪框22，由于缺口221的存在，使得降噪框22的前端构成平顶波浪状结构（弧形缺口221+顶部平面所构成的结构），声波到降噪框22的前端时，被该特殊结构的降噪框22前端将大量的声波打散，其传播方向被分散至四面八方，声波能量被分散，传播到定向声波驱散模块1后方声波的声压级出现显著降低，这就有效降低了对定向声波驱散模块1后方人员所造成的生理性不适，提高其实用性、安全性。

所述降噪框22与发声单元10的阵面之间的夹角为α。

定向声波驱散模块1的背后声压级测试，测试条件为在离定向声波驱散模块1背后1米处测量对比；隔声量为安装包边框20之前与安装包边框20之后之间的声压级（背后1米处）之差。

方案W1

改变α值，分别测量在100米处的作用宽度以及在背后1米处的隔声量，结果见表3：

表3

当α＞90°时，这是通常设计，主要是该设计使得降噪框22呈扩张式结构，不影响从该处声波束向远处的发射，声波束的损耗非常低；但是其对向后声波的打散效果也有限。

因此，优选，88°≤α＜90°。最优选，当α=89.2°时，在100米处的作用宽度能达到36米。其在背后1米处测量的隔声量为10dB；在定向声波驱散模块的背面100米处，其最大峰值声压级≤60dB±1dB。

在上述实施例中，本发明的声波主要频率为2000Hz，声波传播速度340米/秒，波长为0.17米。

在本领域公知，在一般情况下，所有发声单元所发出的声波频率、相位是完全一样的。发声单元所在阵列发出声波叠加后，声波指向是在发声单元阵面的正前方，声波的主瓣轴线与发声单元阵面的法线平行。

本发明可调整每个发声单元10的声波相位，使声波叠加后声波的主瓣指向特定的角度，相当于发声单元10的阵面在物理上进行了旋转。

本发明基于调整不同发声单元所发出声波的相位，可以在以发声单元阵面的几何中心法线为轴线，调整范围是以圆锥顶角（发声单元阵面的几何中心点即为圆锥顶点）为90度的圆锥范围内，可以快速（毫秒级）调整声波方向（即声波主瓣方向）。

本发明对声波主瓣方向的调整速度快，满足快速反应场景的应用需求。减少了机械旋转结构，降低系统复杂程度，降低系统重量。

本发明所述基于无线传输的视频监控型定向声波驱散器的驱散效果好，在1米处峰值声压级能达到165dB，驱散距离为200~220米，在100米处的作用宽度达到36米，定向声波驱散模块的功耗低，广播距离为2500米；并且，由于尖峰波的设置，在背景噪音为88dB情况下能在1500米内清晰传输声音；其声波波束的调整范围是以圆锥顶角为90度的圆锥范围内，可以快速调整声波方向。

本发明还带有视频监控功能，通过无线传输技术实时传输含有大量的信息的信号，从而有助于实时掌握现场情况；通过后台的数据处理模块进行大量数据处理，能够在一定程度上对目标进行跟踪，同时判定是否存在人员聚集的情景，降低后续人工审核的工作量，显著提高工作效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。