KR100877914B1 - 음원위치-지연시간차 상관관계 역 추정에 의한 음원 방향검지 시스템 및 방법 - Google Patents

음원위치-지연시간차 상관관계 역 추정에 의한 음원 방향검지 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 세 개의 마이크로폰이 삼각형 형태로 배치된 마이크로폰 어레이를 통해 신호를 수신하여 음원의 위치와 지연 시간차와의 상관관계를 역 추정함으로써 임의의 위치에 존재하는 음원의 방향을 실시간으로 검지하기 위한 것으로, 세 개의 마이크로폰이 삼각형 형태로 배치된 마이크로폰 어레이; 상기 마이크로폰 어레이로부터 수신한 신호를 압축 또는 증폭하는 전처리부; 상기 압축 또는 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부; 및 상기 변환된 디지털 신호로부터 음원의 방향을 추정하는 신호처리부를 포함하며, 상기 신호처리부는 상기 변환된 디지털 신호 중 두 개를 조합하여 각 쌍에서 두 신호의 상호-상관관계를 구하는 상호-상관관계 추정부; 가상 음원에 대한 두 마이크로폰 사이의 지연 거리차 및 지연 샘플 수를 구하는 지연 샘플 수 추정부; 상기 지연 샘플 수와 상기 두 신호의 상호-상관관계로부터 각 위치에 대한 음원 존재 가능성을 구하는 음원 존재 가능성 계산부; 및 음원 존재 가능성 분포를 근거로 음원의 방향을 추정하는 음원 위치 추정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Figure R1020070007899
음원 위치, 지연 시간차, 음원 방향 검지

Description

음원위치-지연시간차 상관관계 역 추정에 의한 음원 방향 검지 시스템 및 방법{sound source direction detecting system by sound source position-time difference of arrival interrelation reverse estimation}
도 1a 및 도 1b는 종래의 마이크로폰 어레이를 나타낸 도면,
도 2a 및 도 2b는 지연 시간차 기반 방법의 음원을 무한 원점으로 생각하는 가정을 설명하는 개념도,
도 3은 본 발명의 음원 방향 검지 시스템의 기능 구성도,
도 4a ~ 도 4f는 다양한 삼각형 형태의 마이크로폰 어레이의 배치도,
도 5는 정삼각형으로 배치된 상기 마이크로폰 어레이를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 음원 방향 검지 방법의 순서도이다.
본 발명은 임의의 위치에 존재하는 음원의 방향을 추정하는 것에 관한 것으로, 특히, 세 개의 마이크로폰이 삼각형 형태로 배치된 마이크로폰 어레이를 통해 신호를 수신하여 음원의 위치와 지연 시간차와의 상관관계를 역 추정함으로써 임의 의 위치에 존재하는 음원의 방향을 실시간으로 검지하는 음원 방향 검지 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 음원의 방향을 검지하기 위하여, 도 1a 및 도 1b에 도시된 것과 같이 여러 개의 마이크로폰을 일직선형 혹은 원형으로 배치한 마이크로폰 어레이 시스템을 사용한다.
일직선형 마이크로폰 어레이 시스템의 경우는 180°범위 내에서 음원의 방향에 대응할 수 있으나 앞뒤를 구분할 수 없으며, 양 측면 근방에 위치한 음원에 대한 방향 검지 정확도가 떨어지는 단점이 있다.
이에 반해, 원형 마이크로폰 어레이 시스템의 경우는 360°의 모든 방위에 대해 대응할 수 있으나, 이 경우에도 음성 신호를 수신하기 위해 지향성 마이크로폰을 사용하게 되면 지향성 마이크가 지향각 이내의 음만을 수신할 수 있기 때문에 임의의 방위에 위치하는 음원의 방향을 검지하고 신호를 수신하기 위해서는 필요한 마이크로폰과 A/D 변환기 등의 하드웨어 소자가 증가하며 신호를 처리하기 위한 계산 비용이 증대되는 문제점이 있다.
음원의 방향을 검지하기 위해 사용되는 방법은 크게 빔포밍 (Beamforming) 기반 방법, 고분해능 스펙트럼 추정 기반 방법, 지연 시간차 기반 방법으로 분류될 수 있다.
빔포밍 기반 방법에 의하면 계산 방법이 비교적 간단하나, 위치 추정의 해상도가 낮고 신호와 배경잡음의 신호 모델 등의 선지식을 필요로 하며 다수의 마이크로폰으로 구성된 센서 어레이를 필요로 한다.
고분해능 스펙트럼 추정 기반 방법은 빔포밍 기반 방법보다 강인한 특성을 가지나, 대부분 선형으로 배치된 다수의 마이크로폰 어레이 시스템을 사용하는 것을 전제로 하고 있어서 소수의 마이크로폰을 일반적인 형태로 배치한 방향 검지 시스템에는 적합하지 않다.
지연 시간차 기반 방법에 의하면 도 2a 및 도 2b에 도시된 것과 같이 음원을 무한 원점으로 생각하여 음파가 각 마이크로폰에 평행으로 도달한다고 가정하고 계산하기 때문에 음원과 마이크로폰과의 거리가 가까운 경우에는 상기 가정이 적절하지 않아 오차가 증대되는 문제가 있다. 또한, 잡음이 있는 실제 환경에서는 정확도가 낮으며 오인식의 빈도가 증가한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 적은 수의 마이크로폰을 사용하여 임의의 위치에 존재하는 음원의 방향을 검지하는 음원위치-지연시간차 상관관계 역 추정에 의한 음원 방향 검지 시스템 및 방법을 제공하는 것이 목적이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 세 개의 마이크로폰이 삼각형 형태로 배치된 마이크로폰 어레이; 상기 마이크로폰 어레이로부터 수신한 신호를 압축 또는 증폭하는 전처리부; 상기 압축 또는 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부; 및 상기 변환된 디지털 신호로부터 음원의 방향을 추정하는 신호처리부를 포함하며, 상기 신호처리부는 상기 변환된 디지털 신호 중 두 개를 조합하여 각 쌍에서 두 신호의 상호-상관관계를 구하는 상호-상관관계 추정부; 가상 음원에 대한 두 마이크로폰 사이의 지연 거리차 및 지연 샘플 수를 구하는 지연 샘플 수 추정부; 상기 지연 샘플 수와 상기 두 신호의 상호-상관관계로부터 각 위치에 대한 음원 존재 가능성을 구하는 음원 존재 가능성 계산부; 및 음원 존재 가능성 분포를 근거로 음원의 방향을 추정하는 음원 위치 추정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 상기 삼각형 형태로 배치된 마이크로폰 어레이로부터 수신한 신호를 압축 또는 증폭한 후 디지털 신호로 변환하여, 이 디지털 신호로부터 음원의 방향을 검지하는 방법에 있어서, 상기 변환된 디지털 신호 중 두 개를 조합하여 각 쌍에서 두 신호의 상호-상관관계를 구하는 상호-상관관계 추정 과정; 가상 음원에 대한 두 마이크로폰 사이의 지연 거리차 및 지연 샘플 수를 구하는 지연 샘플 수 추정 과정; 상기 지연 샘플 수와 상기 두 신호의 상호-상관관계로부터 각 위치에 대한 음원 존재 가능성을 구하는 음원 존재 가능성 계산 과정; 및 음원 존재 가능성 분포를 근거로 음원의 방향을 추정하는 음원 위치 추정 과정를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 음원위치-지연시간차 상관관계 역 추정에 의한 음원 방향 검지 시스템 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명은 세 개의 마이크로폰이 삼각형 형태로 배치된 마이크로폰 어레이를 통해 신호를 수신하여 음원의 위치와 지연 시간차와의 상관관계를 역 추정함으로써 임의의 위치에 존재하는 음원의 방향을 실시간으로 검지하기 위한 것이다.
도 3은 본 발명의 음원 방향 검지 시스템의 기능 구성도이고, 도 4a ~ 도 4f는 다양한 삼각형 형태의 마이크로폰 어레이의 배치도이다.
신호를 수신하는 마이크로폰 어레이(300)를 구성하는 세 개의 마이크로폰은 도 4a ~ 도 4f에서 도시된 것과 같이 임의의 삼각형 형태로 자유롭게 배치될 수 있다. 반지름 r과 각도 θi가 수학식 1과 같이 주어지면,
Figure 112007007657433-pat00001
각 마이크로폰의 위치는 수학식 2로부터 수학식 3과 같이 표현된다.
Figure 112007007657433-pat00002
Figure 112007007657433-pat00003
상기 마이크로폰 어레이(300)의 중심은 삼각형의 외심에 해당하며, 이 중심 이 상기 마이크로폰 어레이가 설치될 대상물의 중심과 일치하지 않는 경우에는 좌표변환을 통하여 원하는 결과를 얻을 수 있다.
여기서, 상기 마이크로폰 어레이(300)가 설치될 대상물의 중심에서 전방에 있는 마이크로폰의 위치를 Pc, 오른쪽에 있는 마이크로폰의 위치를 PR, 왼쪽에 있는 마이크로폰의 위치를 PL로 표시한다.
상기 마이크로폰 어레이(300)는 세 개의 마이크로폰이 임의의 삼각형 형태로 배치될 수 있으나, 가급적이면 균일한 거리로, 마이크로폰들이 서로 최대한 멀리 떨어지도록 배치되는 것이 좋다. 따라서 정삼각형으로 배치된 경우가 성능이 가장 좋다. 또한, 직각삼각형으로 배치된 경우는 음원 방향 검지를 위한 계산이 비교적 간단해지는 장점이 있다.
도 5는 정삼각형으로 배치된 상기 마이크로폰 어레이(300)의 도면이다. 이 경우, 반지름 r이 주어지면 각 마이크로폰의 위치는 수학식 4와 같이 표현된다.
Figure 112007007657433-pat00004
전처리부(310)는 상기 마이크로폰 어레이(300)로부터 수신한 신호를 압축 또는 증폭시키고, A/D 변환부(320)는 상기 전처리부(310)에서 압축 또는 증폭된 신호 를 받아 디지털 신호로 변환한다.
신호처리부(330)는 상기 디지털 신호로부터 음원의 방향을 추정하는 부분으로, 음성영역 검출부(340), 상호-상관관계 추정부(350), 지연 샘플 수 추정부 (360), 음원 존재 가능성 계산부(370) 및 음원 위치 추정부(380)를 포함한다.
상기 음성영역 검출부(340)는 본 발명의 음원 방향 검지 시스템이 음성 신호를 수신하여 그 음원의 방향을 검지하기 위한 것일 경우, 환경 잡음으로부터 음성 신호만을 추출해 내기 위한 것이다. 따라서, 본 발명의 시스템이 쓰이는 용도에 따라 선택적으로 포함될 수 있다. 상기 음성영역 검출부(340)가 포함되는 경우, 상기 A/D 변환부(320)에서 변환된 디지털 신호를 받아 음성 신호를 추출하여 이를 상호-상관관계 추정부로 보낸다.
상기 상호-상관관계 추정부(350)는 상기 A/D 변환부(320)에서 변환된 디지털 신호 또는 상기 음성영역 검출부(340)에서 추출된 신호를 받아 이들 중 두 개를 조합하여 각 쌍에서 두 신호의 상호-상관관계를 구하기 위한 것이다.
오른쪽, 중앙, 왼쪽 마이크로폰으로부터의 입력신호를 각각 sR(n), sC(n), sL(n)로 나타내면, 각 쌍에서 두 신호의 상호-상관관계는 수학식 5와 같이 표현된다.
Figure 112007007657433-pat00005
여기서, 입력 범위를 최대 유효 지연 샘플 수의 범위로 한정함으로써, 반향에 의해 발생하는 지연시간의 계산 오류를 사전에 방지할 수 있다.
이때, 각 쌍에 대한 최대 유효 지연 샘플 수는 수학식 6으로부터 상기 마이크로폰 어레이(300)의 각 쌍에 해당하는 두 마이크로폰 사이의 거리를 구한 후,
Figure 112007007657433-pat00006
이를 수학식 7에 대입하여 얻을 수 있다.
Figure 112007007657433-pat00007
여기서, F S 은 샘플링주파수이고, v는 음속이다. v는 사전에 지정된 동작 환경의 온도 값이나, 본 발명의 음원 방향 검지 시스템에 선택적으로 포함될 수 있는 온도 센서(390)로부터 측정된 온도 값을 수학식 8에 대입하여 얻을 수 있다.
Figure 112007007657433-pat00008
상기 지연 샘플 수 추정부(360)는 가상 음원에 대한 두 마이크로폰 사이의 지연 거리차 및 지연 샘플 수를 구하기 위한 것이다. 우선, 가상 음원의 위치를 (rm,θn)와 같이 극(반경-각도) 좌표로 설정한 후, 이를 수학식 9에 의해 X-Y 좌표로 변환한다.
Figure 112007007657433-pat00009
상기 변환된 위치 (xmn, ymn)에 음원이 존재한다고 가정하면, 상기 가상 음원과 두 마이크로폰 사이에 음이 도달하는 거리의 차이(지연 거리차)는 수학식 10에 의해 구할 수 있고,
Figure 112007007657433-pat00010
이 결과를 수학식 11에 대입하여 상기 가상 음원에 대한 지연 시간차(지연 샘플 수)를 구할 수 있다.
Figure 112007007657433-pat00011
여기서, v는 음속으로, 상기와 같이 사전에 지정된 동작 환경의 온도 값이나, 본 발명의 음원 방향 검지 시스템에 선택적으로 포함될 수 있는 온도 센서(390)로부터 측정된 온도 값을 상기 수학식 8에 대입하여 얻을 수 있다.
상기 가상 음원에 대한 지연 샘플 수의 추정은 상기 지연 샘플 수 추정부 (360)에 의해 실시간으로 이루어질 수도 있고, 상기 지연 샘플 수 추정부(360)에서 구한 지연 샘플 수에 대한 정보를 지연 샘플 수 정보 DB(400)에 저장해 두었다가 추후 방향 검지를 할 때 이 결과를 사용할 수도 있다. 상기 지연 샘플 수 정보 DB(400)는 선택적으로 본 발명의 음원 방향 검지 시스템에 부가될 수 있다.
상기 음원 존재 가능성 계산부(370)는 상기 지연 샘플 수와 상기 두 신호의 상호-상관관계로부터 각 위치에 대한 음원 존재 가능성을 구하기 위한 것이다. 우선, 상기 가상 음원에 대한 지연 샘플 수를 입력으로 하여 구한 상호-상관관계 값에서 양의 값을 갖는 부분만을 음원 존재 가능성 계산에 사용하기 위해 수학식 12를 행한다.
Figure 112007007657433-pat00012
수학식 13은 위치 (xmn, ymn)에 음원에 존재할 것을 가정하여 실제 입력 신호 로부터 얻은 각 마이크로폰 쌍에 대한 직선적인 상관관계로부터 평면적인 상호-상관관계 값을 계산하여 종합한 것으로, 음원의 방향을 추정하기 위해 사용하는 일반적인 시간 지연차에 근거한 방법의 반대 과정으로 추론하기 때문에 이를 역 추정법이라 한다. 상기 수학식 13에 의한 값이 크다는 것은 해당 위치에 음원이 존재할 가능성이 크다는 것을 의미한다.
Figure 112007007657433-pat00013
또한, 계산량을 줄이기 위해 간략화한 수학식 14를 사용할 수도 있다.
Figure 112007007657433-pat00014
상기 음원 위치 추정부(380)는 상기 음원 존재 가능성 계산부(370)에서 구한 각 위치에 대한 음원 존재 가능성 분포를 근거로 음원의 방향을 추정하기 위한 것이다. 우선, 상기 각 위치에 대한 음원 존재 가능성 분포를 클러스터링을 통해 그룹을 형성하고, 각 클러스터(그룹)에 대해 수학식 15에 의해 클러스터에 속한 데이터들의 가중 평균을 구해 음원이 가능성이 큰 위치를 추론한다.
Figure 112007007657433-pat00015
그 후, 각 클러스터에 대해 가능성이 큰 추정 위치 값으로부터 수학식 16에 의해 음원의 방향을 추정한다.
Figure 112007007657433-pat00016
이하, 도 6을 참조하여, 본 발명의 음원위치-지연시간차 상관관계 역 추정에 의한 음원 방향 검지 방법을 설명한다.
도 6은 본 발명의 음원 방향 검지 방법의 순서도이다.
본 발명의 음원 방향 검지 방법은, 상기 삼각형 형태로 배치된 마이크로폰 어레이(300)(도 3 참조)로부터 수신한 신호를 압축 또는 증폭한 후 디지털 신호로 변환하여, 이 디지털 신호로부터 음원의 방향을 검지하는 방법에 있어서, 상호-상관관계 추정 과정(S610), 지연 샘플 수 추정 과정(S620), 음원 존재 가능성 계산 과정(S630) 및 음원 위치 추정 과정(S640)을 포함하며, 본 발명의 음원 방향 검지 방법이 음성 신호를 수신하여 그 음원의 방향을 검지하기 위한 경우, 선택적으로 음성영역 검출 과정(S600)을 포함할 수 있다. 상기 방법의 각 과정은 상기 본 발명의 음원 방향 검지 시스템의 신호처리부(330)를 구성하는 각 구성요소에서 수행되는 기능과 동일한바, 각 과정에 대한 자세한 설명은 생략한다.
상기와 같은 구성의 본 발명은, 삼각형 형태로 배치된 마이크로폰 어레이를 통해 신호를 수신함으로써, 모든 방향에 대한 방향 검지 성능을 균일하게 유지하여 어느 방향에서 음성 신호가 발생하든지 이를 수신하고 그 방향을 검지할 수 있다.
또한, 음원 방향 검지에 있어 음원위치-지연시간차 상관관계 역추정법을 사용함으로써, 실제 가정의 환경 잡음에 대한 강건성 향상과 더불어 방향 검지의 성공률을 향상시킬 수 있다.
또한, 시스템의 구조와 처리 과정을 간결화 및 최소화하여 실시간 처리를 가능하게 하고, 하드웨어 구성 부품을 줄여 기존의 시스템과 차별성을 두어 시장성을 갖게 하였다.

Claims (12)

  1. 세 개의 마이크로폰이 삼각형 형태로 배치된 마이크로폰 어레이;
    상기 마이크로폰 어레이로부터 수신한 신호를 압축 또는 증폭하는 전처리부;
    상기 압축 또는 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부; 및
    상기 변환된 디지털 신호 중 두 개를 조합하여 각 쌍에서 두 신호의 상호-상관관계를 구하는 상호-상관관계 추정부, 가상 음원에 대한 두 마이크로폰 사이의 지연 거리차 및 지연 샘플 수를 구하는 지연 샘플 수 추정부, 상기 지연 샘플 수와 상기 두 신호의 상호-상관관계로부터 각 위치에 대한 음원 존재 가능성을 구하는 음원 존재 가능성 계산부 및 음원 존재 가능성 분포를 근거로 음원의 방향을 추정하는 음원 위치 추정부를 포함하는 신호처리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 음원 방향 검지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로폰 어레이는 3개의 마이크로폰이 정삼각형 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 음원 방향 검지 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로폰 어레이는 3개의 마이크로폰이 직각삼각형 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 음원 방향 검지 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    가상 음원에 대한 두 마이크로폰 사이의 지연 샘플 수 정보를 저장해 두는 지연 샘플 수 정보 DB를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음원 방향 검지 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    지연 샘플 수를 구하는데 필요한 음속을 구하기 위해 동작 환경의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음원 방향 검지 시스템.
  8. 상기 삼각형 형태로 배치된 마이크로폰 어레이로부터 수신한 신호를 압축 또는 증폭한 후 디지털 신호로 변환하여, 이 디지털 신호로부터 음원의 방향을 검지하는 방법에 있어서,
    상기 변환된 디지털 신호 중 두 개를 조합하여 각 쌍에서 두 신호의 상호-상관관계를 구하는 상호-상관관계 추정 과정(a);
    가상 음원에 대한 두 마이크로폰 사이의 지연 거리차 및 지연 샘플 수를 구하는 지연 샘플 수 추정 과정(b);
    상기 지연 샘플 수와 상기 두 신호의 상호-상관관계로부터 각 위치에 대한 음원 존재 가능성을 구하는 음원 존재 가능성 계산 과정(c); 및
    음원 존재 가능성 분포를 근거로 음원의 방향을 추정하는 음원 위치 추정 과정(d)을 포함하는 것을 특징으로 하는 음원 방향 검지 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 변환된 디지털 신호로부터 음성 신호를 추출하는 음성영역 검출 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음원 방향 검지 방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 지연 샘플 수 추정 과정(b)에 의한 결과를 지연 샘플 수 정보 DB에 저장해 두었다가 이를 상기 음원 존재 가능성 계산 과정(c)에서 이용하는 것을 특징으로 하는 음원 방향 검지 방법.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 지연 샘플 수 추정 과정(b)에서,
    지연 샘플 수를 구하기 위해 음속 정보를 이용하는 것을 특징으로 하는 음원 방향 검지 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 음속 정보는 온도센서로 측정한 동작 환경의 온도 값을 사용하여 구하는 것을 특징으로 하는 음원 방향 검지 방법.
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