郝鵬飛

（上海禾騁科技有限公司，上海 200436）

1 引言

車輛外燈系統(tǒng)燈光秀是近幾年興起的全新應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合聲、光、電實(shí)現(xiàn)效果，順應(yīng)了年輕人對(duì)車輛個(gè)性化功能的追求。燈光秀由外放音樂(lè)和燈光效果共同組成，功能激活時(shí)燈光會(huì)隨著音樂(lè)的節(jié)奏舞動(dòng)。實(shí)現(xiàn)音樂(lè)外放有兩種方式：一種是采用內(nèi)置揚(yáng)聲器，在進(jìn)行燈光秀的時(shí)候?qū)④嚧敖迪拢魳?lè)從車內(nèi)傳播到車外；另外一種是利用外置揚(yáng)聲器直接播放音樂(lè)。燈光效果則由使用了LED光源的燈具實(shí)現(xiàn)，決定效果的兩個(gè)關(guān)鍵因素是可獨(dú)立控制的LED顆數(shù)以及LED光源的布置形式。目前車輛外燈系統(tǒng)燈光秀是通過(guò)存儲(chǔ)效果腳本（按照時(shí)間順序定義不同LED點(diǎn)亮狀態(tài)的信號(hào)）的方式實(shí)現(xiàn)，由于避開(kāi)了音頻實(shí)時(shí)處理的限制，腳本可以實(shí)現(xiàn)很好的燈光秀效果。但缺點(diǎn)是制作腳本需要投入很大的成本，更新升級(jí)周期長(zhǎng)，腳本占用空間大。另外，如果存儲(chǔ)腳本，則需要前照燈控制器有較大的存儲(chǔ)空間，才能實(shí)現(xiàn)多種效果；如果不儲(chǔ)存在前照燈控制器內(nèi)，就需要對(duì)腳本打包進(jìn)行傳輸后才能實(shí)現(xiàn)效果，延時(shí)問(wèn)題就很難解決。因此，想要擴(kuò)展燈光秀的多種效果，實(shí)現(xiàn)快速更新升級(jí)，就必須找到一種全新的實(shí)現(xiàn)方案。

2 音頻可視化

外燈系統(tǒng)燈光秀的設(shè)計(jì)，實(shí)際上是音頻可視化的一種設(shè)計(jì)方案，在對(duì)音頻的特征提取之后映射成燈光相應(yīng)的可視化效果，如圖1所示。

圖1 音頻與燈光效果的對(duì)應(yīng)關(guān)系

其中，提取音頻的頻率信息映射到燈光系統(tǒng)的LED點(diǎn)亮位置，音頻的強(qiáng)度信息映射收到燈光系統(tǒng)LED的亮度，將燈光效果映射定義完成之后，按照音樂(lè)節(jié)奏將每一節(jié)拍的效果連續(xù)起來(lái)便實(shí)現(xiàn)了音頻燈光的可視化效果。

2.1 音頻特征提取

音頻可視化過(guò)程中，提取音頻強(qiáng)度、音頻頻率較為容易，因?yàn)樵诙嗝襟w設(shè)備中，音頻信號(hào)一般是PCM編碼的音樂(lè)信號(hào)，屬于離散數(shù)字信號(hào)。目前對(duì)自然音頻（如wave、wma、mp3等格式的音頻）的內(nèi)容分析和特征提取可實(shí)現(xiàn)的方法有不少，如FFT、Wavelet、固定窗口等，本文通過(guò)FFT（快速傅里葉變換）方式提取所需的音頻強(qiáng)度和頻率信息關(guān)系如下，其中，頻率分級(jí)數(shù)量的可根據(jù)燈光系統(tǒng)LED分組的數(shù)量進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2～圖4所示，圖3提取的音頻頻率數(shù)量是圖2的2倍，圖4提取的音頻頻率數(shù)量是圖2的4倍。

圖2 音頻特征提取信息（1）

圖3 音頻特征提取信息（2）

圖4 音頻特征提取信息（3）

2.2 音頻節(jié)拍檢測(cè)

音樂(lè)節(jié)奏與燈光的點(diǎn)亮?xí)r序匹配好才能保證燈光效果的品質(zhì)，可以通過(guò)音頻的節(jié)拍與燈光LED的點(diǎn)亮?xí)r序映射實(shí)現(xiàn)。目前，對(duì)于PCM編碼的音樂(lè)文件，實(shí)現(xiàn)的方法也較多，并且檢測(cè)效果也能夠滿足要求，但對(duì)于整車集成的需求來(lái)說(shuō)，兼顧檢測(cè)效果的同時(shí)，還要求節(jié)拍算法盡量簡(jiǎn)單、占用資源盡量少。滿足要求的有以下兩類算法。

一類是金文燦等人采用的比較音樂(lè)短時(shí)能量的方式來(lái)判斷節(jié)奏點(diǎn)，即通過(guò)判斷短時(shí)能量的極值點(diǎn)來(lái)確定節(jié)拍點(diǎn)。提取時(shí)間的間隔采用了50ms，理論上滿足節(jié)拍間隔的要求（一般情況下，節(jié)拍周期在0.33～1.33s之間）。極端情況下，即使每50ms有一個(gè)節(jié)拍，燈光LED每50ms變化一次，對(duì)于人眼的感知來(lái)說(shuō)，變化已經(jīng)夠流暢了，節(jié)奏太快已經(jīng)失去意義（視覺(jué)暫留時(shí)間在科學(xué)上通常被認(rèn)為是0.1～0.4s）。

另外一類是楊潔等人采用的方法，考慮到人耳對(duì)音樂(lè)節(jié)拍的感知情況（每分鐘音樂(lè)節(jié)拍出現(xiàn)的個(gè)數(shù)在45～180之間），采用降采樣率的方式、將音頻采樣率從44.1kHz降到630Hz，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的節(jié)拍檢測(cè)并通過(guò)算法處理降低了算法的資源占用率。

3 燈具效果設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的燈具一般分布在車身的左右兩側(cè)，要實(shí)現(xiàn)燈光秀效果會(huì)有一個(gè)致命的缺陷，那就是中間部分效果無(wú)法連貫。因此、要實(shí)現(xiàn)燈光秀功能，應(yīng)盡量采用貫穿式的LED燈具設(shè)計(jì)。

按照音頻可視化的映射規(guī)則，分別將音頻頻率、音頻強(qiáng)度與燈光LED分組數(shù)量、亮度等級(jí)一一對(duì)應(yīng)，如圖5所示。

圖5 基于音頻可視化的燈光效果

其中，在音頻強(qiáng)度與LED亮度的對(duì)應(yīng)關(guān)系中，亮度100%為晝間行駛燈的亮度，而10%大致相當(dāng)于位置燈的亮度，為了弱化亮度從10%直接變化到100%的跳變，使得效果過(guò)渡更柔和，中間增加了50%的亮度值，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中也可以不考慮這一亮度等級(jí)。同樣，與亮度對(duì)應(yīng)的音頻強(qiáng)度分級(jí)范圍也可以根據(jù)實(shí)際情況作相應(yīng)調(diào)整。

在頻率與LED點(diǎn)亮位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系中，頻率的帶寬及整體范圍，需要根據(jù)燈具設(shè)計(jì)中LED的排布、數(shù)量以及最終呈現(xiàn)的效果作相應(yīng)處理。

將燈光效果映射定義完成之后，按照音樂(lè)節(jié)奏將每一節(jié)拍的效果連續(xù)起來(lái)，便實(shí)現(xiàn)了音頻燈光的可視化效果，如圖6所示。

圖6 基于節(jié)拍點(diǎn)的燈光連續(xù)效果

4 動(dòng)畫(huà)效果制作

在實(shí)際的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，燈光秀的造型渲染動(dòng)畫(huà)與底層的功能實(shí)現(xiàn)之間，存在著巨大的空白區(qū)域，溝通成本非常高。為了解決這一難題，基于前文所述的可視化原理，選取目標(biāo)音頻后，對(duì)音頻強(qiáng)度、音頻頻率進(jìn)行提取并檢測(cè)音頻節(jié)拍，按照映射關(guān)系就可以完成造型動(dòng)畫(huà)的制作。如果沒(méi)有條件利用軟件算法檢測(cè)音頻節(jié)拍，也可以利用音樂(lè)的曲譜信息——音符和拍速計(jì)算節(jié)拍，然后進(jìn)行動(dòng)畫(huà)效果的制作。如“四分音符=120”，表示每分鐘演奏120個(gè)四分音符。四分音符表示1拍的時(shí)間是：60/120≈0.5s。

需要注意的是，音頻特征的提取與燈具LED的布置要相互匹配，才能實(shí)現(xiàn)較好的渲染動(dòng)畫(huà)效果。某車型燈光秀的渲染效果（貫穿燈部分）如圖7所示。

圖7 某車型燈光秀的渲染效果（貫穿燈部分）

5 架構(gòu)設(shè)計(jì)

車輛外燈系統(tǒng)燈光秀需要中控屏界面、信息娛樂(lè)主機(jī)或計(jì)算平臺(tái)、車身控制單元、外燈控制器、外部燈具、功放、車門(mén)控制器、車窗、揚(yáng)聲器（內(nèi)置或外置）等模塊共同參與實(shí)現(xiàn)。用戶可在中控屏設(shè)置燈光秀開(kāi)啟、選擇效果等操作；信息娛樂(lè)主機(jī)將燈光秀信息發(fā)送給車身控制單元，由車身控制單元進(jìn)行進(jìn)一步的處理，同時(shí)信息娛樂(lè)主機(jī)控制多媒體輸出，由功放控制揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)音頻的播放；車身控制器實(shí)現(xiàn)燈光秀功能的條件判斷與邏輯處理，當(dāng)僅有內(nèi)置揚(yáng)聲器時(shí)，需要控制車門(mén)控制器實(shí)現(xiàn)車窗的升降；外燈控制器實(shí)現(xiàn)最終的燈光效果。系統(tǒng)方案如圖8所示。

圖8 燈光秀架構(gòu)方案

其中，核心的音頻處理部署在信息娛樂(lè)主機(jī)或計(jì)算平臺(tái)內(nèi)部，對(duì)多媒體的音頻進(jìn)行特征提取以及節(jié)拍檢測(cè)，并將音頻特征、節(jié)拍點(diǎn)信息與燈光LED位置、亮度、時(shí)序融合處理后，形成信號(hào)流輸入給外燈控制器。

6 結(jié)束語(yǔ)

燈具的造型（尤其是貫穿式前后燈）以及燈具電子控制的快速發(fā)展，使得車輛燈具也快速地融入了汽車智能化的浪潮之中，一些新的使用場(chǎng)景應(yīng)運(yùn)而生，燈光秀就是其中之一。

目前燈光秀是通過(guò)基于時(shí)間順序制作燈光效果腳本，前照燈控制器接收腳本后進(jìn)行解碼并控制燈光LED的不同位置、不同時(shí)間的亮/滅，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)態(tài)效果。

本文通過(guò)對(duì)音頻可視化技術(shù)的篩選，將其中的部分技術(shù)（如音頻特征提取、音頻節(jié)拍檢測(cè)）與車輛燈光系統(tǒng)燈光秀結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了基于功能邏輯的燈光秀效果渲染，為造型效果與工程實(shí)現(xiàn)起到了很好的橋梁作用，極大程度降低了造型師與工程師的溝通成本，有利于燈光秀效果渲染的快速更新與評(píng)審。同時(shí)，由于音頻可視化領(lǐng)域，音頻特征提取、節(jié)拍算法都有較成熟的技術(shù)，本文應(yīng)用這些成熟的技術(shù)，對(duì)燈光秀功能進(jìn)行了架構(gòu)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)基于音頻的實(shí)時(shí)燈光秀效果。

當(dāng)然，也可以看到，由于燈光秀效果受主觀因素影響較大，即使在理論上與臺(tái)架驗(yàn)證完成，在實(shí)際車型開(kāi)發(fā)過(guò)程中依然需要重新優(yōu)化。綜合看來(lái)，有以下幾個(gè)主要影響因素：燈具造型LED布局與音頻特征中頻率分級(jí)的匹配；信息娛樂(lè)主機(jī)（計(jì)算平臺(tái)）的算力情況；信號(hào)流的傳輸速率。

這些影響因素都需要在開(kāi)發(fā)過(guò)程中考慮，結(jié)合期望的燈光秀效果予以取舍平衡。期待本文的研究能夠?yàn)橥刑峁┮恍﹨⒖挤较?，?duì)燈光秀這一新興應(yīng)用場(chǎng)景推陳出新。