localisation_audio/Localisation_360/Localisation_v2.0.0.cpp

#include <iostream>
using namespace std;

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>
#include <limits.h>
#include <alsa/asoundlib.h>
#include "/usr/include/alsa/asoundlib.h"

//#define SAMPLE_TYPE float
//#define SAMPLE_TYPE_ALSA SND_PCM_FORMAT_FLOAT_LE

#define SAMPLE_TYPE short //sample type = type d'echantillon 
#define SAMPLE_TYPE_ALSA SND_PCM_FORMAT_S16_LE

/**
 * classe permettant de calculer la moyenne glissante du signal
 */
class MoyenneGlissante {
	int _nbDeValeursPrMoy;
	int _nbDeValeurs;
	float _mean;

public:
	MoyenneGlissante(int nbDeValeursPrMoy) {
		_nbDeValeursPrMoy = nbDeValeursPrMoy;
		_mean = 0;
		_nbDeValeurs = 0;
	}

	void nvelleValeur(SAMPLE_TYPE v) {
		if (_nbDeValeurs < _nbDeValeursPrMoy)
			_nbDeValeurs++;
		_mean = ((_mean * (_nbDeValeurs - 1)) + v) / (float)_nbDeValeurs;
	}

	SAMPLE_TYPE getMean() {
		return (SAMPLE_TYPE) _mean;
	}
};

/**
 * Cette classe calcule la direction du son entendu
 *
 * 
 * Elle utilise 2 microphones et calcule la différence de temps d'arrivée des sons entre eux pour
 * estimer la localisation de la source sonore.
 */
class Localisation {

	/**
	 * Décalage maximum entre le micro droit et gauche en nombre d'échantillons.
	 * Cela dépend généralement de la fréquence d'échantillonnage et de la distance entre 
	 * microphones
	 */
	static const int _nbEchantillonsDiffMax = 13; //difference max du nombre d'echantillons

	/**
	 * Taille du tampon sur laquelle nous allons essayer de localiser le son.
	 * Ceci est un certain nombre d'échantillons, et dépend de la fréquence d'échantillonnage et de la vitesse de
	 * changement de loc son que nous voulons détecter. Des valeurs plus faibles signifient le calcul du son
	 * se fait plus souvent, mais la précision est assez faible car nous calculons sur une très petite tranche de
	 * du son.
	 */
	static const int _TailleTampon = 4096;

	/**
	 * Prenez un point pour la localisation du son est Niveau> 105% du Niveau moyen. Cela permet de calculer la 
	 * localisation du son uniquement pour les sons "significatifs", pas le bruit de fond.
	 */
	static constexpr float _NiveauSonMin = 1.1f; //f de 1.05f signifie :float constant with value of 1.05

	/**
	 * sound speed in meters per seconds
	 */
	static constexpr float _Vson = 344;

	/**
	 * sound sampling rate in Hz
	 */
	unsigned int _TauxEchantillonnageSon;

	/**
	 * Distance between microphones in meters
	 */
	static constexpr float _DistanceMic = 0.05f;//5 cm de distance entre les deux microphones

	/** An utility to compute the running average of sound power */
	MoyenneGlissante* _MoyNivSonore;

	/** ALSA sound input handle */
	snd_pcm_t* _capture_handle;

	/** sound samples input buffer */
	SAMPLE_TYPE _TamponDroit[_TailleTampon];
	SAMPLE_TYPE _TamponGauche[_TailleTampon];

public:
	Localisation() {
		_MoyNivSonore = new MoyenneGlissante(50);
		_TauxEchantillonnageSon = 44100;

		// sampling: 2 chanels, 44 KHz, 16 bits.
		int err;
		snd_pcm_hw_params_t* hw_params;

		// ideally use "hw:0,0" for embedded, to limit processing. But check if card support our needs...
		const char* CarteSon = "plughw:0,0";
		if ((err = snd_pcm_open(&_capture_handle, CarteSon, SND_PCM_STREAM_CAPTURE, 0)) < 0) {
			fprintf(stderr, "Impossible d'ouvrir le peripherique audio %s (%s)\n", CarteSon,snd_strerror(err));
			exit(1);
		}

		if ((err = snd_pcm_hw_params_malloc(&hw_params)) < 0) {
			fprintf(stderr,	"Impossible d'allouer la structure des paramètres matériels (%s)\n",snd_strerror(err));
			exit(1);
		}

		if ((err = snd_pcm_hw_params_any(_capture_handle, hw_params)) < 0) {
			fprintf(stderr,"Impossible d'initialiser la structure des paramètres matériels (%s)\n",snd_strerror(err));
			exit(1);
		}

		if ((err = snd_pcm_hw_params_set_access(_capture_handle, hw_params,SND_PCM_ACCESS_RW_NONINTERLEAVED)) < 0) {
			fprintf(stderr, "Impossible de definir le type d'acces (%s)\n", snd_strerror(err));
			exit(1);
		}

		if ((err = snd_pcm_hw_params_set_format(_capture_handle, hw_params,SAMPLE_TYPE_ALSA)) < 0) {
			fprintf(stderr, "Impossible de definir le format d'echantillonnage (%s)\n",snd_strerror(err));
			exit(1);
		}

		if ((err = snd_pcm_hw_params_set_rate_near(_capture_handle, hw_params,&_TauxEchantillonnageSon, 0)) < 0) {
			fprintf(stderr, "Impossible de definir le taux d'echantillonnage (%s)\n", snd_strerror(err));
			exit(1);
		}

		if ((err = snd_pcm_hw_params_set_channels(_capture_handle, hw_params, 2))< 0) {
			fprintf(stderr, "Impossible de definir le nombre de canaux (%s)\n", snd_strerror(err));
			exit(1);
		}

		if ((err = snd_pcm_hw_params(_capture_handle, hw_params)) < 0) {
			fprintf(stderr, "Impossible de definir les parametres (%s)\n", snd_strerror(err));
			exit(1);
		}

		snd_pcm_hw_params_free(hw_params);

		if ((err = snd_pcm_prepare(_capture_handle)) < 0) {
			fprintf(stderr, "Impossible de preparer l'interface audio pour utilisation (%s)\n",snd_strerror(err));
			exit(1);
		}
	}

	/** Clean exit */
	~Localisation() {
		snd_pcm_close(_capture_handle);
		delete _MoyNivSonore;
	}

	/**
	 * Boucle principale: lit un tampon, calcule la localisation de la source sonore, fait une itération.
	 */
	void run() {
		while (true) {
			TraitementSonsSuivants();
		}
	}

private:
	/**
	 * C'est le cœur de la localisation de la source sonore: il prend les sons échantillonnés 
	 * Droit / Gauche, et calcule leurs différences tout en retardant de plus en plus un canal.<br/>
	 * => le retard pour lequel la différence est minime est le vrai retard
	 * entre les sons Droit / Gauche, dont on peut déduire la source sonore
	 * localisation
	 */
	void TraitementSonsSuivants() {
		SAMPLE_TYPE* bufs[3];
		bufs[0] = _TamponDroit;
		bufs[1] = _TamponGauche;
		bufs[2] = _TamponAvant;
		int err;
		if ((err = snd_pcm_readn(_capture_handle, (void**) bufs, _TailleTampon))!= _TailleTampon) {
			fprintf(stderr, "Echec de la lecture de l'interface audio (%s)\n",snd_strerror(err));
			exit(1);
		}

		// compute the sound level (i.e. "loudness" of the sound):
		SAMPLE_TYPE Niveau = CalculNiv(_TamponDroit, _TamponGauche, _TamponAvant);
		// update the average sound level with this new measure:
		_MoyNivSonore->nvelleValeur(Niveau);
		// relative sound level of this sample compared to average:
		float NivRelatif = (float) Niveau / (float) _MoyNivSonore->getMean();
		//cout << "level " << level << ", relative  " << NivRelatif << endl;

		int minDiff = INT_MAX;
		int minDiffTime = -1;
		// glisse sur l'axe du temps pour trouver la différence sonore minimum entre les microphones Droit et Gauche
		for (int t = -_nbEchantillonsDiffMax; t < _nbEchantillonsDiffMax; t++) {
			// calcule la somme des différences pour simuler une mesure de corrélation croisée:
			int diff = 0;
			int diff2 = 0;
			for (int i = _nbEchantillonsDiffMax; i < _TailleTampon - _nbEchantillonsDiffMax - 1; i++) {
				diff += abs(_TamponGauche[i] - _TamponDroit[i + t]);
				diff2 += abs(_TamponGauche[i] - _TamponDroit[i + t]);
			}
			if (diff < minDiff) {
				minDiff = diff;
				minDiffTime = t;
			}

			if (diff2 < minDiff) {
				minDiff = diff;
				minDiffTime = t;
			}
		}

		// Si le son est assez fort et pas extrême (= ce qui entraine généralement de fausses
		// mesures), alors on le dessine:
		if ((NivRelatif > _NiveauSonMin) && (minDiffTime > -_nbEchantillonsDiffMax) && (minDiffTime < _nbEchantillonsDiffMax)) {
			// computation of angle depending on diff time, sampling rates,
			// and geometry 
			float angle = -(float) asin((minDiffTime * _Vson) / (_TauxEchantillonnageSon* _DistanceMic));
			cout << angle << ";" << NivRelatif << endl;
		}
	}

	/**
	 * Calcule du niveau sonore moyen (la puissance) pour les canaux gauche et droit.
	 */
	SAMPLE_TYPE CalculNiv(SAMPLE_TYPE Droit[], SAMPLE_TYPE Gauche[], SAMPLE_TYPE Avant[]) {
		float Niveau = 0;
		for (int i = 0; i < _TailleTampon; i++) {
			float s = (Gauche[i] + Droit[i]+ Avant[i]) / 3;
			Niveau += (s * s);	
		}
		Niveau /= _TailleTampon;
		Niveau = sqrt(Niveau);
		return (SAMPLE_TYPE) Niveau;
	}
};

int main(int argc, char *argv[]) {
	Localisation soundLoc;
	soundLoc.run();
	exit(0);
}