УСТРОЙСТВО АКУСТИЧЕСКОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ

Предлагаемое изобретение относится к области специальной акустики и может быть использовано для ориентации специалистов, чья профессиональная деятельность связана с передвижением в условиях ограниченной видимости, например, бойцов МЧС в очаге пожара, а также для реабилитации инвалидов по зрению.

Известны технические системы и приборы, предназначенные для инвалидов по зрению, позволяющие им ориентироваться в окружающей обстановке. Принято выделять два направления развития технических систем визуализации окружающего пространства в помощь слепым.

К первому направлению относятся приборы для индикации свободного пути. Они наиболее просты и несут информацию только о наличии препятствия на пути следования слепого (см. Патент Китая CN 2907594, М.кл. A61F 9/08, опубл. 06.06.2007 г. Стерео ультразвуковой прибор помощи слепым; Европейский патент ЕР 1025828, М.кл. A61F 9/08, G01S 17/02, опубл. 09.08.2000 г., приоритет Германии, Помощь в ориентации для слепых и слабовидящих; Патент Германии DE 4212163, М.кл. A61F 9/08 A61H 3/06, опубл. 14.10.1993 г. Оптическая эхо-система для ориентации слепых; Патент на изобретение РФ №2040234, М.кл. A61F9/08, опубл. 25.07.1995 г. Ультразвуковой локатор для слепых; Патент на изобретение РФ №2359287, М.кл. A61F 9/08, опубл. 20.06.2009 г. Инфракрасный локатор для людей с ослабленным зрением).

Наиболее совершенный прибор этого направления - Детектор препятствий для людей с ослабленным зрением (см. патент на изобретение РФ №2212871, М.кл. A61F 9/08, опубл. 27.09.2003), который содержит генератор импульсов, ЦАП, генератор звуковой частоты и головной телефон. В приборе производится излучение с помощью линейки точечных инфракрасных излучателей и прием сигнала на линейку точечных фотопреобразователей, позволяющих определять направление на препятствие при больших углах обзора.

Устройства, относящиеся к первому направлению, наиболее просты, но несут информацию только о наличии препятствия на пути следования слепого.

Второе направление предполагает использование слуха в максимальных пределах его возможностей для восприятия окружающей обстановки. Приборы этого направления позволяют осуществить локализацию объекта, получить информацию о направлении и расстоянии. В устройствах такого типа возможно организовать сканирование нескольких объектов одновременно, причем звуковой сигнал несет в себе информацию об акустической природе объектов. Для обеспечения широкого поля зрения используется бинауральное восприятие.

Близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство акустического представления пространственной информации (см. Лесли Кэй. Воздушные сонары с акустическим представлением пространственной информации для инвалидов по зрению. Animal Sonar Systems, edited by R.G. Busnel and J. F. Fish Plenum, New York, 1980), которое относится ко второму направлению.

Сущность представления акустической информации состоит в следующем. В среду излучается ультразвуковой сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), с частотным диапазоном примерно в октаву. Производят бинауральный прием эхо-сигналов на два ультразвуковых приемника. Полученные сигналы перемножаются с опорным сигналом для получения сигнала биения. Осуществляют низкочастотную фильтрацию этого сигнала. После усиления сигналы поступают на головные телефоны для восприятия слуховой системой человека. Расстояние до объекта представляется частотой слышимого сигнала, а направление на объект - интерауральной разностью амплитуд сигналов, попадающих на оба уха. Таким образом, в рассмотренном приборе производится перемножение эхо-сигнала и эталонного ЛЧМ сигнала (операция гетеродинирования). Выделяемое в результате низкочастотной фильтрации колебание биения частот несет информацию о дистанции до объекта.

Электроника и аккумуляторное питание вынесены в отдельный блок, помещаемый в карман. Таким образом, обеспечивается получение информации о направлении и расстоянии до объекта (чем он дальше, тем звук выше), а также - после тренировок пользователя - в известных пределах о его форме, размерах и фактуре.

Прибор представляет собой уже не простой индикатор препятствия, а в определенной степени анализатор среды со многими важными характеристиками. Однако чем богаче выдается информация на оператора, тем большую психоакустическую нагрузку он испытывает. Оператор перерабатывает достаточно сложную звуковую картину с привлечением таких параметров отраженного сигнала, как громкость, высота звука, тембровые характеристики.

Однако для успешного восприятия и классификации объектов, составляющих акустическую сцену, требуется достаточно долгий процесс обучения. При этом курсы по освоению аппарата в ФРГ длятся около месяца.

Кроме того, в приведенном техническом решении осуществляется выбор операции гетеродинирования сигналов в качестве процедуры согласования рабочих частот локатора (40-120 кГц) с частотным диапазоном слуха, что приводит к изменению числа волн, содержащихся в полезном сигнале.

Наиболее близким но технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является устройство акустического представления пространственной информации для инвалидов по зрению (см. патент на изобретение РФ №2060028, МПК A61F 9/00, опубл. 20.05.96). Устройство содержит левый и правый ультразвуковые преобразователи, последовательно соединенные первый усилитель и правый головной телефон, последовательно соединенные генератор сигналов, усилитель тракта излучения и передатчик, последовательно соединенные второй усилитель и левый головной телефон, причем выходы правого и левого головных телефонов являются выходами устройства, последовательно соединенные первый ЛЦП, первый вход которого соединен с выходом правого ультразвукового преобразователя, а второй вход подключен к выходу первого коммутатора, первый блок памяти, первый ЦАП, выход которого является входом первого усилителя, последовательно соединенные второй АЦП, первый вход которого подключен к выходу левого ультразвукового преобразователя, а второй вход соединен с выходом второго коммутатора, второй блок памяти, второй ЦАП, выход которого является входом второго усилителя, последовательно соединенные генератор синхронизирующих импульсов, подключенный своим выходом к первым входам коммутаторов и к первому входу счетчика, первый делитель частоты, соединенный своим выходом со вторыми входами обоих ЦАП, второй делитель частоты, выход которого является входом генератора сигналов и входом блока задержки, соединенного своим выходом со вторым входом счетчика и вторыми входами коммутаторов, третьи входы которых подключены к выходу счетчика, выход генератора сигналов соединен с входом усилителя тракта излучения.

Сущность работы прибора состоит в следующем. Излучают ультразвуковой частотно-модулированный импульс. Производят бинауральный прием эхо-сигнала на два ультразвуковых микрофона, усиливают и преобразуют электрические сигналы в акустические, осуществляют согласованную фильтрацию эхо-сигналов, временное растяжение полученных откликов в каналах бинаурального приема с последующим восприятием сигналов слуховой системой человека.

Данное устройство обеспечивает согласование частотного диапазона и длительности акустического сигнала со слуховым анализатором и получение полной информации, содержащейся в эхо-сигнале.

В то же время необходимо отметить, что основным средством обработки сигналов в данном устройстве является слуховой анализатор человека. Поэтому даже минимальное нарушение слуховых функций приводит к ухудшению возможности оператора ориентироваться в пространстве, т.е. к снижению распознаваемости объектов.

Достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение распознавания объектов, составляющих акустическую сцену, путем избирательного повышения помехоустойчивости системы.

Достижение технического результата обеспечивается тем, что в устройство акустического представления пространственной информации для пользователей, содержащее последовательно соединенные генератор сигналов, усилитель тракта излучения и передатчик, последовательно соединенные правый ультразвуковой преобразователь (УЗП), первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый блок памяти, последовательно соединенные первый цифроаналоговый преобразователь (ПАП), первый усилитель и правый головной телефон, последовательно соединенные второй УЗП, второй АЦП, второй блок памяти, последовательно соединенные второй ЦАП, второй усилитель и левый головной телефон, при этом выходы правого и левого головных телефонов являются соответственно первым и вторым выходами устройства, последовательно соединенные генератор синхронизирующих импульсов, первый делитель частоты, второй делитель частоты и блок задержки, первый и второй коммутаторы и счетчик, причем вторые входы первого и второго АЦП соединены соответственно с выходами первого и второго коммутаторов, первые входы которых соединены с выходом генератора синхронизирующих импульсов и первым входом счетчика, вторые входы первого и второго коммутаторов соединены со вторым входом счетчика и выходом блока задержки, а третьи входы первого и второго коммутаторов соединены с выходом счетчика, выход второго делителя частоты соединен со входом генератора сигналов, вторые входы первого и второго ЦАП соединены с выходом первого делителя частоты, дополнительно введены последовательно соединенные первый набор масштабно-временных фильтров и первый сумматор, последовательно соединенные второй набор масштабно-временных фильтров и второй сумматор, причем выходы первого и второго блоков памяти подключены соответственно к информационным входам первого и второго наборов масштабно-временных фильтров, а выходы первого и второго сумматоров соединены с первыми входами соответственно первого и второго ЦАП, последовательно соединенные блок анализа слухового анализатора пользователя (БАСАП), третий блок памяти и мультиплексор, выходы которого подключены к управляющим входам первого и второго наборов масштабно-временных фильтров, второй выход БАСАП соединен со вторым входом мультиплексора, а вход БАСАП подключен к выходу генератора синхронизирующих импульсов.

Влияние отличительных признаков предлагаемого устройства на достижение технического результата можно пояснить следующим образом.

Осуществление предварительного тестирования слуховой системы оператора позволяет сформировать корректирующие масштабно-временные коэффициенты усиления для каждого канала, индивидуальные для каждого пользователя.

При осуществлении многоканальной масштабно-временной фильтрации откликов (прямое и обратное вейвлет-преобразование (ВП)) используют выбранные корректирующие коэффициенты усиления в каждом частотном канале, и производят последующее суммирование выходных сигналов каждого канала.

Рассмотрим более подробно осуществление в предлагаемом устройстве прямого и обратного вейвлет-преобразований. Для входного процесса x(t) акустического приемника возможно двумерное представление - в масштабно-временной области, получаемое путем применения непрерывного вейвлет-преобразования [Добеши И. Десять лекций по вейвлетам. Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая αтеории и примеры применения. Успехи физических наук. Том 166, №11, 1996, с.1145 -1170. Дремин И.М., Иванов О.В., Нечитайло В.А. Вейвлеты и их использование. Успехи физических наук. Том 171, №5, 2001, с.465 -501, Дьяконов В.П. Вейвлеты. От теории к практике. - М: СОЛОН-Р, 2002, 440 с., Кравченко В.Ф., Рвачев В.А. "Wavelet" - системы и их применение в обработке сигналов. Зарубежная радиоэлектроника. 1996, №4, с.3-20].

Непрерывное ВП можно определить как скалярное произведение исследуемого, процесса x(t) и базисных функций ψ_ατ(t) [Добеши И. Десять лекций но вейвлетам. Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2001, 464 с.]:

где черта сверху обозначает операцию комплексного сопряжения.

Общий принцип построения базиса ВП состоит в использовании масштабных преобразований с параметром сжатия α и смещений с параметром сдвига τ исходной вейвлет-функции ψ(t) (т.н. материнского вейвлета):

Чтобы быть вейвлетом, базисные функции ψ_ατ(t) ∈ L² (R) должны обладать рядом необходимых свойств [6-10]. Они должны быть: квадратично-интегрируемыми, знакопеременными (обладать нулевым средним), при этом вейвлеты должны стремиться к нулю на ±∞, и для практических целей - чем быстрее, тем лучше (причем вейвлет должен быть хорошо локализован и во времени, и по частоте). Для того чтобы было возможно обратное ВП, спектральная функция вейвлета (f) должна удовлетворять еще одному условию:

Формула непрерывного обратного вейвлет-преобразования имеет вид:

Как видно из (4), исходный сигнал x(t) может быть восстановлен через интегральную сумму тех же базисных функций ψ_ατ(t) с весами в виде вейвлет-спектра сигнала [W_ψx](α,τ). Здесь константа C_ψ (3) выступает как нормирующий коэффициент, аналогичный коэффициенту (2π)^1/2, нормирующему преобразование Фурье. Выбранные в процессе предварительного тестирования регулируемые коэффициенты усиления в каждом частотном канале представляют собой весовые множители, определяющие вклад каждого из масштабов в суммарный отклик, поступающий на слуховой аппарат пользователя. Затем производится операция весового суммирования в соответствии с соотношением:

где W - результат масштабно-временного преобразования, γ_a - корректирующие коэффициенты, а - номер масштаба, m=0…N-1, N - количество масштабных отсчетов.

При этом выбор корректирующих коэффициентов осуществляется блоком анализа слухового анализатора, а обработка выбранных корректирующих коэффициентов для подачи на масштабно-временные фильтры обеспечивается введением третьего блока памяти и мультиплексора.

В результате предложенная обработка сигналов позволяет учесть реальное восприятие пользователем акустических сигналов и более полно передать на его слуховой анализатор информацию об окружающей обстановке, что улучшает распознавание объектов.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан пример реализации предлагаемого устройства, на фиг.2 показана блок-схема алгоритма работы БАСАП, на фиг.3 показана блок-схема алгоритма прямого вейвлет-преобразования с использованием вейвлета Хаара, реализованного в среде Mathcad, на фиг.4 показана блок-схема алгоритма обратного вейвлет-преобразования, выполненная в среде MathCAD, на фиг.5 представлены вероятности правильного обнаружения предъявляемых реализаций на фоне естественных шумов.

Структурная схема предлагаемого устройства, показанная на фиг.1, содержит:

1 - генератор сигналов,

2 - усилитель тракта излучения,

3 - передатчик,

4, 5 - правый и левый ультразвуковые преобразователи, 6, 7 - первый и второй аналого-цифровые преобразователи, 8, 9 - первый и второй блоки памяти,

10, 11 - первый и второй цифроаналоговые преобразователи,

12, 13 - первый и второй усилители,

14, 15 - правый и левый головные телефоны,

16 - генератор синхронизирующих импульсов,

17 - первый делитель частоты,

18 - второй делитель частоты,

19, 20 - первый и второй коммутаторы,

21 - счетчик,

22 - блок задержки,

23, 24 - первый и второй наборы масштабно-временных фильтров,

25, 26 - первый и второй сумматоры,

27 - блок анализа слухового анализатора пользователя (БАСАП),

28 - третий блок памяти,

29 - мультиплексор.

При этом в устройстве акустического представления пространственной информации для пользователей последовательно соединены генератор 1 сигналов, усилитель 2 тракта излучения и передатчик 3, последовательно соединены правый ультразвуковой преобразователь 4 (УЗП), первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, первый блок памяти 8, последовательно соединены первый цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 10, первый усилитель 12 и правый головной телефон 14, последовательно соединены второй УЗП 5, второй АЦП 7, второй блок 9 памяти, последовательно соединены второй ЦАП 11, второй усилитель 13 и левый головной телефон 15, при этом выходы правого и левого головных телефонов 14 и 15 являются соответственно первым и вторым выходами устройства, последовательно соединены генератор 16 синхронизирующих импульсов, первый делитель 17 частоты, второй делитель 18 частоты и блок 22 задержки, первый и второй коммутаторы 19 (20) и счетчик 21, причем вторые входы первого и второго АЦП 6 (7) соединены соответственно с выходами первого и второго коммутаторов 19 (20), первые входы которых соединены с выходом генератора 16 синхронизирующих импульсов и первым входом счетчика 21, вторые входы первого и второго коммутаторов 19 (20) соединены со вторым входом счетчика 21 и выходом блока 22 задержки, а третьи входы первого и второго коммутаторов 19 (20) соединены с выходим счетчика 21, выход второго делителя частоты 18 соединен со входом генератора 1 сигналов, вторые входы ЦАП 10 (11) подключены к выходу первого делителя 17 частоты, последовательно соединены первый набор 23 масштабно-временных фильтров и сумматор 25, последовательно соединены второй набор 24 масштабно-временных фильтров и сумматор 26, причем выходы первого и второго блоков памяти 8 (9) подключены к информационным входам первого и второго наборов масштабно-временных фильтров 23 (24), а выходы сумматоров 25(26) являются первыми входами соответственно первого и второго ЦАП 10 (11), последовательно соединены блок 27 анализа слухового анализатора пользователя (БАСАП), третий блок 28 памяти и мультиплексор 29, выходы которого подключены к управляющим входам первого и второго наборов 23 (24) масштабно-временных фильтров, второй выход БАСАП 27 соединен со вторым входом мультиплексора 29, а вход БАСАП 27 подключен к генератору 16 синхронизирующих импульсов.

Рассмотрим работу предлагаемого устройства.

С помощью генератора сигналов 1, усилителя тракта излучения 2, передатчика 3 в среду излучается очень короткий (ультракороткий) ультразвуковой импульс, близкий к δ-функции. В этом случае с учетом пространственной координаты входной сигнал, по сути, представляет собой импульсную характеристику (ИХ) рассеивающего объекта

где x - пространственная координата; h(x, t) - ИХ рассеивающего объекта,

* - символ свертки.

Реализация отраженного сигнала поступает в АЦП 6, 7, где преобразуется в цифровую форму и заносится в блоки памяти 8, 9.

С помощью ЦАП 10, 11 отсчеты из блоков памяти считываются в а раз медленнее, чем они заносились, что обеспечивает преобразование входной реализации по закону

где α=f1/f2,

f1 - несущая частота зондирующего сигнала,

f2 - средняя частота диапазона, воспринимаемого слуховым анализатором человека. Или с учетом (1)

h(x,t)→h(x/α,t/α),

Частота считывания задастся первым делителем частоты 17. Частота излучения зондирующего импульса задается вторым делителем частоты 18. Реализации поступают на наборы 23 (24) масштабно-временных фильтров, реализующих вейвлет-преобразование, и производится их последующее суммирование в блоках 25 (26), с учетом корректирующих коэффициентов, поступающих с мультиплексора 29.

Операция прямого вейвлет-преобразования с использованием вейвлета Хаара осуществляется в соответствии с выражением:

,

где - вейвлет-коэффициенты, соответствующие горизонтальному и вертикальному направлениям, для j-го масштаба; j=0,…,log₂N-1 - количество масштабов; ; - количество строк и столбцов результирующей матрицы вейвлет-коэффициентов для j-го масштаба. Вейвлет Хаара реализован в среде Mathcad в качестве рабочего встроенного модуля (фиг.3).

При этом выполняется процедура прогнозирования по каждому из масштабов масштабно-временной плоскости.

Операция обратного вейвлет-преобразования выполнена в среде MathCAD и представлена в виде алгоритма (фиг.4) в соответствии с выражением:

где ψ_n,m - базисные функции.

БАСАП 27 предназначен для получения корректирующих коэффициентов усиления в каждом канале обработки. Регулируемые коэффициенты усиления в каждом частотном канале представляют собой весовые множители, определяющие вклад каждого из масштабов в суммарный отклик, поступающий на слуховой анализатор пользователя (САП). Для того чтобы учесть особенности САП, необходимо первоначально принять значения корректирующих множителей равными единице. При проведении испытаний в работе БАСАП 27 использовалась методика вынужденного выбора [Грин Д. Приложение теории обнаружения в психофизике, ТИИЭР 5, т.58, 1970 г.], суть которой заключается в выборе испытуемым решения на определенном интервале времени из нескольких гипотез. В нашем примере реализации - 2 гипотезы: есть сигнал или нет сигнала.

В результате проведенных испытаний набирается статистика обнаружения , где x - соответствует правильному обнаружению, y - общее количество предъявляемых стимулов. Полученные значения используются в качестве корректирующих коэффициентов. Для набора статистики оператору предъявляются сигналы с разными частотами на фоне естественных шумов, программным методом фиксируется статистика правильного обнаружения, пропуска сигналов и ложного обнаружения. Для набора репрезентативной выборки проводится необходимое количество испытаний. Пример кривых представлен на Фиг.5 (верхняя кривая - вероятность правильного обнаружения в предлагаемом устройстве, нижняя кривая - вероятность правильного обнаружения в прототипе). Введение коэффициентов позволяет повысить статистические показатели правильного обнаружения сигналов на фоне естественных шумов. Корректирующие коэффициенты берутся как величины, обратные к вероятности правильного обнаружения для каждого масштаба, полученные в результате предварительного тестирования. Полученные значения корректирующих коэффициентов хранятся в буферном ЗУ 28 и с помощью мультиплексора 29 по команде из БАСАП 27 подаются в соответствующий канал масштабно-временных фильтров 23 (24).

Полученные сигналы преобразуются в аналоговую форму с помощью ЦАП 10 (11) и после усиления в блоках 12 (13) поступают на головные телефоны 14 (15).

Введение новых по сравнению с прототипом блоков: первого и второго.

Набор 23, 24 масштабно-временных фильтров, первого и второго сумматоров 25, 26, блока 27 анализа слухового анализатора пользователя (БАСАП), третьего блока 28 памяти, мультиплексора 29 позволяет получить новый положительный эффект - более полно передать на слуховой анализатор оператору информацию об окружающей обстановке (повысить помехоустойчивость).

Авторами была проведена предварительная оценка эффективности предложенного метода. Группе операторов в количестве трех человек случайным образом предъявлялись сигналы на фоне помех.

Перед прослушиванием выполнялась операция масштабно-временного преобразования с введением масштабно-временных коэффициентов на каждом масштабе с последующим весовым суммированием. Используемые частоты сигналов: 100, 200, 400, 800, 1600, 3200, 6400 Гц. Верхний график (фиг.4) соответствует вероятности правильного обнаружения предъявляемых реализаций с использованием предложенных операций. Нижний график построен на основе обработки, реализованной в способе-прототипе. Видно, что выигрыш лежит в пределах 0.5-2 дБ.

Покажем пример выполнения блоков устройства.

Генератор сигналов 1, усилитель тракта излучения 2, передатчик 3,

ультразвуковые преобразователи 4 (5), первый и второй блоки памяти 8 (9), цифроанаяоговые преобразователи 10 (11), усилители 12 (13), головные телефоны 14 (15), генератор синхронизирующих импульсов 16, делители частоты 17 (18), коммутаторы 19 (20), счетчик 21, блок задержки 22 могут быть реализованы аналогично прототипу.

Мультиплексор 29 (мультиплексный канал) служит для обмена

информацией между блоком памяти 28 и масштабно-временными фильтрами 23 (24) и известен в цифровой технике [Дроздов Е.А., Комарницкий В.А., Пятибратов А.П. Многопрограммные цифровые вычислительные машины, М., Изд. МО СССР, с.378-383].

БАСАП 27 выполнен программно согласно блок-схеме алгоритма (фиг.5).

Сумматоры 15, 16, третий блок памяти 28, представляющий собой буферное ЗУ, известны в цифровой технике (Щеголева Л., Давыдов А. Основы вычислительной техники и программирования, Л., Энергоиздат, 1981 с, 155-201).

Тип АЦП 7, 8 выбирают исходя из требуемого быстродействия, определяемого частотой зондирующих импульсов. Поскольку максимальная частота, используемая в подобных системах, составляет 120 кГц, необходимое быстродействие обеспечивает со временем преобразования меньше 0,9 мкс и с тактовой частотой в пределах 0,4-1,5 МГц, Можно использовать АЦП серии QMbox 15-48 с тактовой частотой 1.5 МГц.

Наборы 23 (24) масштабно-временных фильтров, реализующих вейвлет-преобразование, известны в современной радиотехнике (см. патент на изобретение РФ №2246132, М.кл. G06F 17/14, опубл. 20.07.2004 г.).