[发明专利]一种优化环境背景声特征指纹维度的方法

说明书

本发明公开了一种优化环境背景声特征指纹维度的方法，该方法对CSIE特征进行数据降维，在不损失原数据有效信息的前提下，对各个CSIE数据构成的指纹特征矩阵应用主成分分析法(Principal Components Analysis,PCA)，提取指纹数据的关键信息，降低指纹数据冗余度，提高房间子区域的识别准确度，从而减少计算资源的浪费，实现室内定位系统的普适化。

技术领域

本发明涉及室内环境背景声优化领域，具体是一种优化环境背景声特征指纹维度的方法。

背景技术

位置和我们的日常生产生活息息相关。如今，伴随着无线通信技术以及移动智能终端的迅速发展，位置服务成为现今信息产业的重要组成部分。在开阔的室外，移动终端获取位置信息的主要方式是通过卫星导航系统，目前世界上主要的卫星导航系统有美国的便于卫星定位系统GPS、欧洲的伽利略、俄罗斯的GLONASS以及我国的北斗，其中，GPS应用最为广泛，占据基于室外位置服务产业的主导地位，GPS定位精度可达米级。

尽管GPS等卫星定位系统已经解决了室外定位的问题，但是由于卫星导航依赖卫星和导航设备之间的无线电通信，当导航设备处于封闭的室内环境中时，房屋建筑会让无线电信号产生极大的衰减并且会产生多径效应。这种情况使得卫星定位系统无力提供可靠的高精度室内位置服务。然而，人们大约有87%的活动时间位于室内，室内区域这块巨大的空白推动学术界和工业界对于室内定位进行广泛而深入的研究，同时也给基于室内位置服务的应用带来了巨大的商业潜力。

室内定位发展到今天，始终缺乏像主导室外环境的GPS一样能够主宰室内环境的技术。与此同时，激增的产业需求又在定位精度、响应速度、稳定性等传统性能指标之外对定位技术提出了新的要求，尤其是对低成本、普适性室内定位技术的需求。绝大多数室内定位技术要求在室内部署足够多的硬件设施，有基础设施的定位系统的技术主要有超宽带（UWB）、声波、红外线、可见光、蓝牙（Bluetooth）、射频标签（RFID）、ZigBee，Wi-Fi等，这些技术的优点是精度高，缺点是必须部署许多的基站设备，才能保证定位系统的性能，但这会增加额外的人力物力，不利于室内定位系统的大规模应用。

上述的超宽带、声波、蓝牙等属于有基础设施类室内定位技术，与之对应的无基础设施室内定位技术有地磁、环境背景声（Ambient Sound）。地磁信号来源于地球自身的地磁场，地磁场强度稳定，而且地磁信号可以在室内外任何地方随时随地采集，市场上的智能手机均集成了磁传感器，使得地磁的采集成本很低。但是，地磁信号也存在自身的缺陷，由于地磁信号是电磁波，容易受到建筑物内的金属物件的影响，造成定位误差增大，而且地磁信号也会因为人手握智能手机的方向和姿势不同，在同一位置采集的地磁信号产生差异，进而影响定位系统的性能。室内环境背景声主要分为人耳可以古籍的，如人的交谈声、脚步声、电脑运行发出的声音、空调工作产生的声音，人耳无法感知的由房间自身的建筑材料、摆放的桌椅等家具产生，这些声音在经过房间内的散射，反射后叠加在一起，形成了每个房间独特的环境背景声。相比较于地磁信号，环境背景声信号具有不会因房间内的金属物件受到干扰，以及不会因为采集设备的摆放不同产生差异的优势。

目前，已有许多学者对基于环境背景声的室内定位关键技术进行研究。最早在2009年有学者使用环境背景声对商场中不同的商店进行识别，在这之后的研究中研究者主要针对利用环境背景声进行房间级别的定位，Kaihua Li与Xiyu Song等人在房间级定位的基础上，对室内的环境背景声提取色度（Chromagram）、音调（Sonagram）和能量密度谱（Improved Energy Spectral）三个声音特征，对房间内若干个子区域进行识别分类。尽管色度（Chromagram）、音调（Sonagram）和能量密度谱（Improved Energy Spectral）三个声音特征指纹的组合特征(CSIE)能较好地描述不同的房间与房间内不同子区域的环境背景声，但是单个CSIE指纹包含的数据量很大，冗余度高，既不利于分类识别准确率的提高，同时也占用过多的计算机资源，造成“维数灾难(curse of dimensionality)”。

发明内容