音頻可視化在車輛外燈系統燈光秀的應用研究

郝鵬飛

（上海禾騁科技有限公司，上海 200436）

1 引言

車輛外燈系統燈光秀是近幾年興起的全新應用場景，結合聲、光、電實現效果，順應了年輕人對車輛個性化功能的追求。燈光秀由外放音樂和燈光效果共同組成，功能激活時燈光會隨著音樂的節奏舞動。實現音樂外放有兩種方式：一種是采用內置揚聲器，在進行燈光秀的時候將車窗降下，音樂從車內傳播到車外；另外一種是利用外置揚聲器直接播放音樂。燈光效果則由使用了LED光源的燈具實現，決定效果的兩個關鍵因素是可獨立控制的LED顆數以及LED光源的布置形式。目前車輛外燈系統燈光秀是通過存儲效果腳本（按照時間順序定義不同LED點亮狀態的信號）的方式實現，由于避開了音頻實時處理的限制，腳本可以實現很好的燈光秀效果。但缺點是制作腳本需要投入很大的成本，更新升級周期長，腳本占用空間大。另外，如果存儲腳本，則需要前照燈控制器有較大的存儲空間，才能實現多種效果；如果不儲存在前照燈控制器內，就需要對腳本打包進行傳輸后才能實現效果，延時問題就很難解決。因此，想要擴展燈光秀的多種效果，實現快速更新升級，就必須找到一種全新的實現方案。

2 音頻可視化

外燈系統燈光秀的設計，實際上是音頻可視化的一種設計方案，在對音頻的特征提取之后映射成燈光相應的可視化效果，如圖1所示。

圖1 音頻與燈光效果的對應關系

其中，提取音頻的頻率信息映射到燈光系統的LED點亮位置，音頻的強度信息映射收到燈光系統LED的亮度，將燈光效果映射定義完成之后，按照音樂節奏將每一節拍的效果連續起來便實現了音頻燈光的可視化效果。

2.1 音頻特征提取

音頻可視化過程中，提取音頻強度、音頻頻率較為容易，因為在多媒體設備中，音頻信號一般是PCM編碼的音樂信號，屬于離散數字信號。目前對自然音頻（如wave、wma、mp3等格式的音頻）的內容分析和特征提取可實現的方法有不少，如FFT、Wavelet、固定窗口等，本文通過FFT（快速傅里葉變換）方式提取所需的音頻強度和頻率信息關系如下，其中，頻率分級數量的可根據燈光系統LED分組的數量進行設計，如圖2～圖4所示，圖3提取的音頻頻率數量是圖2的2倍，圖4提取的音頻頻率數量是圖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 音頻節拍檢測

音樂節奏與燈光的點亮時序匹配好才能保證燈光效果的品質，可以通過音頻的節拍與燈光LED的點亮時序映射實現。目前，對于PCM編碼的音樂文件，實現的方法也較多，并且檢測效果也能夠滿足要求，但對于整車集成的需求來說，兼顧檢測效果的同時，還要求節拍算法盡量簡單、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短時能量的方式來判斷節奏點，即通過判斷短時能量的極值點來確定節拍點。提取時間的間隔采用了50ms，理論上滿足節拍間隔的要求（一般情況下，節拍周期在0.33～1.33s之間）。極端情況下，即使每50ms有一個節拍，燈光LED每50ms變化一次，對于人眼的感知來說，變化已經夠流暢了，節奏太快已經失去意義（視覺暫留時間在科學上通常被認為是0.1～0.4s）。

另外一類是楊潔等人采用的方法，考慮到人耳對音樂節拍的感知情況（每分鐘音樂節拍出現的個數在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，實現了準確的節拍檢測并通過算法處理降低了算法的資源占用率。

3 燈具效果設計

傳統的燈具一般分布在車身的左右兩側，要實現燈光秀效果會有一個致命的缺陷，那就是中間部分效果無法連貫。因此、要實現燈光秀功能，應盡量采用貫穿式的LED燈具設計。

按照音頻可視化的映射規則，分別將音頻頻率、音頻強度與燈光LED分組數量、亮度等級一一對應，如圖5所示。

圖5 基于音頻可視化的燈光效果

其中，在音頻強度與LED亮度的對應關系中，亮度100%為晝間行駛燈的亮度，而10%大致相當于位置燈的亮度，為了弱化亮度從10%直接變化到100%的跳變，使得效果過渡更柔和，中間增加了50%的亮度值，在實際的設計中也可以不考慮這一亮度等級。同樣，與亮度對應的音頻強度分級范圍也可以根據實際情況作相應調整。

在頻率與LED點亮位置的對應關系中，頻率的帶寬及整體范圍，需要根據燈具設計中LED的排布、數量以及最終呈現的效果作相應處理。

將燈光效果映射定義完成之后，按照音樂節奏將每一節拍的效果連續起來，便實現了音頻燈光的可視化效果，如圖6所示。

圖6 基于節拍點的燈光連續效果

4 動畫效果制作

在實際的開發過程中，燈光秀的造型渲染動畫與底層的功能實現之間，存在著巨大的空白區域，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，選取目標音頻后，對音頻強度、音頻頻率進行提取并檢測音頻節拍，按照映射關系就可以完成造型動畫的制作。如果沒有條件利用軟件算法檢測音頻節拍，也可以利用音樂的曲譜信息——音符和拍速計算節拍，然后進行動畫效果的制作。如“四分音符=120”，表示每分鐘演奏120個四分音符。四分音符表示1拍的時間是：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，才能實現較好的渲染動畫效果。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 架構設計

車輛外燈系統燈光秀需要中控屏界面、信息娛樂主機或計算平臺、車身控制單元、外燈控制器、外部燈具、功放、車門控制器、車窗、揚聲器（內置或外置）等模塊共同參與實現。用戶可在中控屏設置燈光秀開啟、選擇效果等操作；信息娛樂主機將燈光秀信息發送給車身控制單元，由車身控制單元進行進一步的處理，同時信息娛樂主機控制多媒體輸出，由功放控制揚聲器實現音頻的播放；車身控制器實現燈光秀功能的條件判斷與邏輯處理，當僅有內置揚聲器時，需要控制車門控制器實現車窗的升降；外燈控制器實現最終的燈光效果。系統方案如圖8所示。

圖8 燈光秀架構方案

其中，核心的音頻處理部署在信息娛樂主機或計算平臺內部，對多媒體的音頻進行特征提取以及節拍檢測，并將音頻特征、節拍點信息與燈光LED位置、亮度、時序融合處理后，形成信號流輸入給外燈控制器。

6 結束語

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，一些新的使用場景應運而生，燈光秀就是其中之一。

目前燈光秀是通過基于時間順序制作燈光效果腳本，前照燈控制器接收腳本后進行解碼并控制燈光LED的不同位置、不同時間的亮/滅，從而實現相應的動態效果。

本文通過對音頻可視化技術的篩選，將其中的部分技術（如音頻特征提取、音頻節拍檢測）與車輛燈光系統燈光秀結合，實現了基于功能邏輯的燈光秀效果渲染，為造型效果與工程實現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審。同時，由于音頻可視化領域，音頻特征提取、節拍算法都有較成熟的技術，本文應用這些成熟的技術，對燈光秀功能進行了架構設計，可實現基于音頻的實時燈光秀效果。

當然，也可以看到，由于燈光秀效果受主觀因素影響較大，即使在理論上與臺架驗證完成，在實際車型開發過程中依然需要重新優化。綜合看來，有以下幾個主要影響因素：燈具造型LED布局與音頻特征中頻率分級的匹配；信息娛樂主機（計算平臺）的算力情況；信號流的傳輸速率。

這些影響因素都需要在開發過程中考慮，結合期望的燈光秀效果予以取舍平衡。期待本文的研究能夠為同行提供一些參考方向，對燈光秀這一新興應用場景推陳出新。