UWB技術(shù)在展館智能語音導(dǎo)覽系統(tǒng)中的應(yīng)用

語音導(dǎo)覽系統(tǒng)概述

在一些實(shí)體會(huì)展場館活動(dòng)中，往往采用現(xiàn)場講解人員的介紹，為了讓參與者都能夠了解展覽的詳細(xì)內(nèi)容，通常采用講解人員配備語音導(dǎo)覽設(shè)備的形式，目前所廣泛使用的語音導(dǎo)覽設(shè)備主要有手持?jǐn)U音器、頭戴式話筒麥克風(fēng)、耳掛無線收音器。根據(jù)技術(shù)特點(diǎn)來看，無線形式的導(dǎo)覽設(shè)備無疑是目前應(yīng)用技術(shù)中較為先進(jìn)的一種，是由硬件組件搭配軟件所構(gòu)成，依托其技術(shù)可通過后臺(tái)調(diào)控的形式實(shí)現(xiàn)多信息、跨語言內(nèi)容的傳輸，使參與者能夠根據(jù)自身的需求進(jìn)行調(diào)整選擇，但這種設(shè)備在使用過程中卻存在較為明顯的缺點(diǎn)，如設(shè)備的操作較為的復(fù)雜，對(duì)于文化程度較低的老年人、兒童或外國人員等，無法在短時(shí)間內(nèi)熟悉設(shè)備的操作流程，其次是設(shè)備的派發(fā)與回收中存在較大的不便性，且設(shè)備本身也易在使用過程中出現(xiàn)無法及時(shí)補(bǔ)充電量或是損壞等情況。

 

UWB技術(shù)概述

主要原理分析

UWB技術(shù)是以沖擊脈沖信號(hào)作為載體的無載波擴(kuò)譜技術(shù)，與其他通信方式不同的是，其能夠?qū)眲∩仙跋陆禃r(shí)間的沖擊脈沖進(jìn)行一定的調(diào)制。UWB技術(shù)能夠發(fā)射沖擊脈沖串，信號(hào)的性質(zhì)屬于基帶信號(hào)或是射頻信號(hào)，不具有中頻和射頻。UWB技術(shù)下的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到MHz~GHz量級(jí)，其不需要依托載波實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸和底層通信技術(shù)，通過信號(hào)脈沖的形式便能完成信號(hào)傳輸，并且信號(hào)傳輸中信號(hào)脈沖時(shí)間可達(dá)到納秒級(jí)，能夠有效提升傳輸帶寬。UWB技術(shù)具有更為突出的通信連接以及精確定位的功能，相對(duì)于傳統(tǒng)無線通信傳輸技術(shù)在信號(hào)的傳輸穩(wěn)定性更為的顯著，首先對(duì)信道衰落的敏感性較差，截獲能力弱、定位精度較高、具有較為迅速的數(shù)據(jù)傳輸速度，另外由于UWB技術(shù)較為成熟，具有較高的安全性，且應(yīng)用功耗低，具有極為廣闊的發(fā)展前景。就UWB技術(shù)而言，目前最佳的應(yīng)用場景是室內(nèi)或較為封閉的環(huán)境中。UWB技術(shù)應(yīng)用中的詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

 

 

定位技術(shù)

由于UWB技術(shù)在信號(hào)傳輸穿透方面具有較為良好的優(yōu)點(diǎn)，可適用于不同的環(huán)境場景中，尤其是在室內(nèi)及封閉的場景的定位應(yīng)用中。UWB技術(shù)中定位模式主要分為TDOA定位（時(shí)間差定位法）、AOA（波達(dá)角或波達(dá)方向）。其中目前主流采用的是TDOA定位技術(shù)，其原理是根據(jù)基站時(shí)間為參照，且基站僅單向接收標(biāo)簽信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，在這過程中，標(biāo)簽與基站的定位呈現(xiàn)不斷變化的狀態(tài)，脈沖信號(hào)到達(dá)基站的時(shí)間便存在差異，而利用恒定光速便可對(duì)時(shí)間差進(jìn)行計(jì)算獲得標(biāo)簽與基站的距離，即基于延遲計(jì)算出標(biāo)簽所在位置的坐標(biāo)軸，其中距離差便是長軸的雙曲線，曲線的交點(diǎn)便是目標(biāo)點(diǎn)的位置信息，主要原理如圖1所示。

 

 

定位維度

UWB技術(shù)中室內(nèi)定位基站布置原則主要有零維定位、一維定位、二維定位、三維定位。零維定位中通常僅應(yīng)用單臺(tái)基站進(jìn)行目標(biāo)的測量，可以理解為存在性檢測；一維定位實(shí)則為測距應(yīng)用，只測量目標(biāo)的縱向相對(duì)位置；二維定位中，通過三個(gè)以上的基站，可檢測到目標(biāo)的X軸、Y軸坐標(biāo)，經(jīng)過計(jì)算后便可得到基站的二維坐標(biāo)系；三維定位是在二維定位測量的基礎(chǔ)上增加Z軸坐標(biāo)數(shù)據(jù)的測量，具有更加精準(zhǔn)的測量結(jié)果。對(duì)于本研究而言，由于展館的導(dǎo)覽活動(dòng)多為發(fā)生在平面中，因此不考慮三維定位。

 

基于UWB技術(shù)在展館智能語音導(dǎo)覽系統(tǒng)的原理分析

系統(tǒng)構(gòu)架

智能語音導(dǎo)覽系統(tǒng)中定位技術(shù)主要采用UWB技術(shù)TDOA定位法，對(duì)于較大場景的應(yīng)用將會(huì)采用時(shí)空維度進(jìn)行計(jì)算，主要根據(jù)所設(shè)置的基站采集標(biāo)簽信號(hào)，進(jìn)行空間坐標(biāo)的分析，并將數(shù)據(jù)傳輸至業(yè)務(wù)層，信號(hào)在得到解析后便會(huì)對(duì)功放系統(tǒng)發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)控制操作。

 

系統(tǒng)功能流程分析

智能語音導(dǎo)覽系統(tǒng)的應(yīng)用流程為：①依據(jù)TDOA定位技術(shù)獲取到標(biāo)簽信息的位置信息；②通過軟件對(duì)位置信息進(jìn)行計(jì)算、解析，從而判斷標(biāo)簽的坐標(biāo)，之后向后臺(tái)發(fā)送指令匹配語音音源以及功放系統(tǒng)；③功放系統(tǒng)在指令下向后臺(tái)發(fā)送命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)音源的自動(dòng)分區(qū)分配，并經(jīng)過揚(yáng)聲設(shè)備實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)實(shí)時(shí)發(fā)聲，且在此過程中不會(huì)對(duì)其他分區(qū)產(chǎn)生影響。

 

某展館項(xiàng)目案例分析

應(yīng)用場景分析

某企業(yè)展館所使用的為傳統(tǒng)形式的頭戴式話筒麥克風(fēng)配合隨身擴(kuò)音器使用，不僅擴(kuò)音后的音質(zhì)較差，而且由于使用的設(shè)備較多，現(xiàn)場操作較為復(fù)雜，這種情況與該企業(yè)高端定位的品牌形成極為不相符，且不利于參觀賓客的現(xiàn)場體驗(yàn)，因此，該企業(yè)在新展館的建設(shè)中針對(duì)智能語音導(dǎo)覽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)的調(diào)研與分析，經(jīng)過多方的論證后擬采用基于UWB技術(shù)的智能語音導(dǎo)覽系統(tǒng)。

 

新建場館總建筑面積為1.7×104m2，屬于大型展館建筑，建筑的主體呈現(xiàn)為兩道圓弧圍合布局，建筑內(nèi)部又被劃分了企業(yè)發(fā)展歷史區(qū)、產(chǎn)品區(qū)、體驗(yàn)區(qū)、黨建區(qū)、多功能區(qū)、綜合區(qū)、休息區(qū)等不同的獨(dú)立或半獨(dú)立功能分區(qū)，詳細(xì)的參觀講解路線可根據(jù)參觀者的不同或介紹目的的不同進(jìn)行自由設(shè)置。后根據(jù)新場館的實(shí)際需求、場景空間的特性等，在經(jīng)過與設(shè)計(jì)方、施工方以及方案提供方的反復(fù)討論中最終對(duì)基于UWB技術(shù)的智能語音導(dǎo)覽系統(tǒng)進(jìn)行完善。

 

新建場館所使用的智能語音導(dǎo)覽系統(tǒng)著重應(yīng)用了移動(dòng)講解無線傳輸相關(guān)的技術(shù)與設(shè)備，可有效滿足新建場館中的應(yīng)用需求，另外，在新技術(shù)的加持下可實(shí)現(xiàn)針對(duì)同一個(gè)場館內(nèi)的不同分區(qū)，基于不同講解人員帶領(lǐng)下的不同批次參觀人員的講解，并且講解人員在整個(gè)講述介紹過程中無需佩戴擴(kuò)音器材，僅使用隨身麥克風(fēng)便可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的擴(kuò)音。講解人員在講解時(shí)，聲音經(jīng)過無線傳輸設(shè)備收入到后臺(tái)系統(tǒng)后，便會(huì)聯(lián)動(dòng)其所在的區(qū)域的揚(yáng)聲設(shè)備實(shí)現(xiàn)聲音的無損外放，并且在這一過程中不會(huì)對(duì)臨近區(qū)域的講解活動(dòng)產(chǎn)生干擾。新場館使用的基于UWB技術(shù)的智能語音導(dǎo)覽系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)形式的語音導(dǎo)覽設(shè)備具有更高的音質(zhì)，并且在環(huán)境聲學(xué)以及揚(yáng)聲設(shè)備的支持下能夠?qū)χv解人員的聲音進(jìn)行解析，使人聲更加的純凈，并且在聲卡設(shè)備的渲染下，即使參觀人員在移動(dòng)中也能夠聽到清晰的語音介紹。

 

分區(qū)規(guī)劃中智能語音導(dǎo)覽系統(tǒng)的應(yīng)用

依據(jù)新建場館的布局設(shè)置、功能分區(qū)以及各講解路線，對(duì)基于UWB技術(shù)的展館智能語音導(dǎo)覽系統(tǒng)的硬件進(jìn)行了針對(duì)性地設(shè)計(jì)。其中展館中共劃分為18個(gè)分區(qū)，其中一層4個(gè)、二層14個(gè)，針對(duì)不同分區(qū)均設(shè)置獨(dú)立的基站，并配置三個(gè)基站交換機(jī)用于網(wǎng)絡(luò)傳輸，對(duì)于不同的分區(qū)設(shè)置其所需要的功能處理。詳細(xì)的分區(qū)規(guī)劃如圖2所示。

 

 

分區(qū)基站設(shè)置

場館中基站數(shù)量需要根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置，如分區(qū)的形狀、大小、與相鄰分區(qū)之間的間隔等，避免不同分區(qū)之間發(fā)生信號(hào)的交叉以及相互的干擾。本研究中分區(qū)的定位方法主要采用零維定位、一維定位、二維定位，根據(jù)分區(qū)的性質(zhì)決定，各分區(qū)所對(duì)應(yīng)的基站數(shù)量也各不相同。本研究中新建場館分區(qū)的基站共設(shè)置55個(gè)，其中一層4個(gè)分區(qū)配置10個(gè)基站，二層14個(gè)分區(qū)配置45個(gè)基站。

 

揚(yáng)聲控制系統(tǒng)

結(jié)合以往參觀的講解經(jīng)驗(yàn)，本研究中將參觀講解的大飽和量設(shè)定為四個(gè)團(tuán)隊(duì)，其中應(yīng)用4個(gè)講解員以及各個(gè)分區(qū)揚(yáng)聲控制系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行。

 

（1）控制程序

在智能語音導(dǎo)覽系統(tǒng)中，當(dāng)講解員進(jìn)入到某個(gè)分區(qū)的信號(hào)設(shè)定范圍后，系統(tǒng)將會(huì)根據(jù)標(biāo)簽信號(hào)啟用該分區(qū)的功放擴(kuò)聲裝置，此時(shí)將鎖定該講解員的無線語音信號(hào)為唯一狀態(tài)；之后當(dāng)講解員移動(dòng)到下一個(gè)分區(qū)后，系統(tǒng)將根據(jù)標(biāo)簽信號(hào)位置的改變自動(dòng)進(jìn)行解析，此時(shí)將關(guān)閉當(dāng)前分區(qū)功放擴(kuò)聲裝置，并開啟下一個(gè)分區(qū)的功放擴(kuò)聲裝置，實(shí)現(xiàn)語音的不間斷跨區(qū)播放；當(dāng)講解員離開或關(guān)閉標(biāo)簽信號(hào)后系統(tǒng)將會(huì)解除與講解員的匹配。

 

（2）跨區(qū)信號(hào)傳輸切換

講解員跨區(qū)移動(dòng)時(shí)，語音切換功能的實(shí)現(xiàn)主要分為下列接三種形式：①無過渡切換，當(dāng)檢測到講解員的標(biāo)簽信號(hào)存在跨區(qū)行為后，將會(huì)立即啟用新分區(qū)中的功放擴(kuò)聲裝置，并在同時(shí)關(guān)閉前一個(gè)分區(qū)的功放擴(kuò)聲裝置；②過渡切換，當(dāng)檢測到講解員的標(biāo)簽信號(hào)存在跨區(qū)行為后，將會(huì)立即啟用新分區(qū)中的功放擴(kuò)聲裝置，而上一個(gè)分區(qū)的功放擴(kuò)聲裝置將在設(shè)定的時(shí)間結(jié)束后進(jìn)行關(guān)閉，所設(shè)定的時(shí)間值通常由講解員的行走速度或是依據(jù)講解員標(biāo)簽在分區(qū)位置中出現(xiàn)的偏移量來確定；③漸變過渡切換，此形式基于過渡切換，而在跨區(qū)的傳輸切換中增加聲音的淡入淡出的效果，此切換模式比較適合于低空間場景中，可以使音頻的區(qū)域切換更加柔順。

 

（3）多標(biāo)簽同步順序

不同分區(qū)中同時(shí)均有講解員的存在時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)將各個(gè)分區(qū)中的功放擴(kuò)聲裝置與講解員的信號(hào)標(biāo)簽相鎖定，避免出現(xiàn)相鄰分區(qū)間的信號(hào)干擾。若多個(gè)講解員同時(shí)進(jìn)入一個(gè)分區(qū)時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)根據(jù)講解員進(jìn)入分區(qū)的先后順序進(jìn)行信號(hào)的解析，并將前端信號(hào)作為第一聲源處理，避免同一場景中出現(xiàn)兩個(gè)及以上的聲源信號(hào)。

 

結(jié)語

在空間較大、布局較為復(fù)雜的展館應(yīng)用基于UWB技術(shù)在展館智能語音導(dǎo)覽系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)講解人員的精準(zhǔn)定位，而且還能準(zhǔn)確的判斷人員的位置，從而能夠?qū)崿F(xiàn)分區(qū)中功放設(shè)備的精確匹配。

 

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