KR101159239B1 - 음향필터장치 - Google Patents

Abstract

음향필터장치를 제공한다. 상기 장치는 복수의 음향신호를 수신하는 복수의 음향센서부, 특정 방향으로부터 전달되는 대상(target) 음향신호가 제1 음향센서부에 도달하는 제1 시간 및 제2 음향센서부에 도달하는 제2 시간간의 시간차를 계산하는 시간차 계산부, 상기 시간차를 이용하여 상기 복수의 음향신호 중 상기 대상 음향신호를 선택하는 음향신호 선택부, 및 상기 대상 음향신호를 출력하는 음향신호 출력부를 포함한다. 원하는 음향신호를 쉽게 추출하고, 특정 방향의 소음강도를 쉽게 측정함으로써, 화자 집중 시스템을 구현할 수 있다.

Description

음향필터장치{APPARATUS FOR SOUND FILTERING}

본 발명은 혼합 사운드로부터 특정 음원에 대한 음원 신호를 추출하는 방법 및 장치에 관한 발명으로서, 휴대전화, 캠코더 및 디지털 녹음기 등 음성 신호 처리나 사운드 취득이 가능한 디지털 휴대 기기 등에 입력되는 다양한 음원이 포함된 혼합 사운드로부터 사용자가 원하는 목표 음원 신호만을 추출하기 위하여 혼합 사운드를 가공하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

휴대용 디지털 기기를 사용하여 전화 통화를 하거나 외부 음성을 녹음하거나 동영상을 취득하는 것이 일상화되는 시대가 도래하였다. CE(consumer electronics) 기기 및 휴대 전화 등 다양한 디지털 기기에서는 사운드를 취득하기 위한 수단으로서 마이크로폰(microphone)이 사용되는데, 단일 채널의 모노(mono) 사운드가 아닌 2 이상의 채널을 활용하는 스테레오(stereo) 사운드를 구현하기 위해서는 일반적으로 다수의 마이크로폰들이 포함된 마이크로폰 어레이(microphone array)가 사용된다.

마이크로폰 어레이는 다수의 마이크로폰들을 조합하여 사운드 자체뿐만 아니라 취득하려는 사운드의 방향이나 위치와 같은 지향성(directivity)에 관한 부가적 인 성질을 얻을 수 있다. 지향성이라 함은 음원 신호가 어레이를 구성하는 다수의 마이크로폰들 각각에 도달하는 시간 차이를 이용하여 특정 방향에 위치한 음원으로부터 방사되는 음원 신호에 대한 감도를 크게 하는 것을 말한다. 따라서, 이러한 마이크로폰 어레이를 이용하여 음원신호들을 취득함으로써 특정 방향으로부터 입력되는 음원 신호를 강조하거나 억제할 수 있다.

일반적으로 음향센서(또는 마이크로폰)은 지향특성에 따라 무지향성(전방향) 음향센서와 지향성 음향센서로 구분되는데, 무지향성 음향센서는 여러 방향에서 들어오는 음향이 모두 센서의 입력으로 들어오게 되므로 원하는 정보를 추출하기가 쉽지 않게 된다. 지향성 음향센서는 양방향성(Bi-directional) 음향센서는 및 단방향성(Uni-directional) 음향센서로 구분된다. 양방향성 음향센서는 전방 및 후방 입사음에 대하여 충실히 재생하고 측방각에서 입사되는 음에 대해서는 감쇄 특성을 나타낸다. 따라서 이러한 양방향성 음향센서는 잡음이 심한 공간에서 음성 인식을 위한 장비에 사용될 수 있다. 다만, 화자가 이동을 하게 되면 인지된 음향의 감도가 줄어듦으로, 화자의 방향으로 시스템을 회전하거나 하는 동작을 취해야 된다.

인간과의 상호작용에 있어서, 화자의 음성에 집중할 필요가 있으며, 그렇지 않는 경우, 잘못된 인식의 결과를 초래하기 쉽다. 음성인식용으로 사용되는 지향성 음향센서는 통상적으로 음향센서가 위치하는 케이스에 음원이 통과할 수 있는 구멍을 배치한다. 이와 같이 음원을 통과하는 구멍은 음향센서의 전방측 및 후방측에 배치된다. 그러나 음향센서의 전방측 및 후방측에 음원이 통과할 수 있는 구멍이 제공된 음향센서의 설치 구조가 그대로 음성인식 장치에 적용되는 경우, 음성 인식 성능이 떨어져 음성인식장치 등의 품질을 저하시키는 문제점이 있다.

따라서, 원하는 방향의 음향만을 추출 또는 필터링해서 필요한 정보를 거를 수 있는 시스템이 필요하며, 이를 운용하는 알고리즘을 통하여 음향수집기(로봇, 마이크시스템)의 위치 또는 방향 전환 없이도 원하는 기능이 구현되도록 하는 것이 필요하다.

본 발명의 기술적 과제는 원하는 방향의 음향신호만을 추출하는 음향필터장치를 제공함에 있다.

본 발명의 일 예에 따르면, 음향필터장치를 제공한다. 상기 장치는 복수의 음향신호를 수신하는 복수의 음향센서부, 특정 방향으로부터 전달되는 대상(target) 음향신호가 제1 음향센서부에 도달하는 제1 시간 및 제2 음향센서부에 도달하는 제2 시간간의 시간차를 계산하는 시간차 계산부, 상기 시간차를 이용하여 상기 복수의 음향신호 중 상기 대상 음향신호를 선택하는 음향신호 선택부, 및 상기 대상 음향신호를 출력하는 음향신호 출력부를 포함한다.

본 발명에 의하면, 원하는 음향신호를 쉽게 추출하고, 특정 방향의 소음강도를 쉽게 측정함으로써, 화자 집중 시스템을 구현할 수 있다.

이하에서, 첨부도면을 참조하여 구체적인 실시예에 따라 본 발명의 구성을 설명한다. 본 명세서 전반에 걸친 용어에 있어서, 음원(sound source)이란 음향(sound)이 방사되어 나오는 소스(source)를 의미하는 용어로서 사용되고, 음향신호는 음원으로부터 방사되는 특정 주파수를 가지는 물리적인 신호를 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 예에 따른 음향필터장치를 나타내는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 음향필터장치(100)는 음향센서부(110-1,...110-k), 시간차 계산부(120), 음향신호 선택부(130) 및 음향신호 출력부(140)을 포함한다.

음향센서부(110-1,...110-k)는 복수개로서, 음향신호를 감지하는 센서(sensor)이다. 음향센서부(110-1,...110-k)는 널리 마이크(mike) 또는 마이크로폰(microphone)과 같은 음향 관련장치일 수 있다. 음향센서부(110-1,...110-k)는 360˚전 방향의 음원 위치를 정확히 파악할 수 있을 정도로 충분한 개수가 되어야 하므로, 최소 2개 이상이다. 각 음향센서부(110-1,...110-k)는 서로 소정 간격만큼 이격되어 위치한다. 각 음향센서간의 거리는 본 발명에서 한정하고 있지는 않으며, 가변적일 수 있다.

시간차 계산부(120)는 특정 방향으로부터 전달되는 대상(target) 음향신호가 제1 음향센서부(110-1)에 도달하는 제1 시간 및 제k 음향센서부(110-k)에 도달하는 제2 시간간의 시간차를 계산한다(k≥2). 상기 시간차는 다음과 같은 방법에 의해 구해질 수 있다. 만약 2개의 음향센서부(110-1, 110-2)가 있다고 할 때, 하나의 음원으로부터 전달되는 음향신호(예컨대, 음성)는 시간차를 두고 상기 2개의 음향센서부(110-1, 110-2)로 입력된다.

시간차 계산부(120)는 먼저 각 음향센서부(110-1, 110-2)로 들어오는 상기 대상 음향신호를 일정 시간동안 샘플링(sampling)하고, 제1 음향센서부(110-1)로 들어오는 상기 대상 음향신호에 대한 제1 샘플링값(sampling value) 및 상기 제2 음향센서부(110-2)로 들어오는 상기 대상 음향신호에 대한 제2 샘플링값을 도출하고, 상기 제1 및 제2 샘플링값을 비교함으로써 상기 시간차를 계산한다. 음향센서 부(110-1,...,110-k)가 복수개이므로, 시간차 계산부(120)는 임의의 2개의 음향센서부(110-i, 110-j)간의 시간차를 모두 계산한다.

한편, 상기 시간차는 상기 대상 음향신호와 상기 제1 음향센서부(110-1)간의 제1 거리, 및 상기 대상 음향신호와 상기 제k 음향센서부(110-k)간의 제2 거리에 종속하여 변한다.

일 예로서, 도 2는 2개의 음향센서부를 구비한 음향필터장치(110)가 시간차를 계산하기 위한 기하학적 음향전달 구조를 나타내고, 도 3은 푸리에 변환에 의한 스펙트럼 피크(peak)의 예를 나타낸다.

음향신호 선택부(130)는 복수의 음원으로부터 전달되는 복수의 음향신호 중 원하는 대상 음향신호를 선택하여 음향신호 출력부(140)로 보낸다. 각각의 음향센서부에 대해서 일정시간 신호를 샘플링하고 그 값을 비교하게 되면, 두 음향센서부 사이의 소리의 시간차는 음원을 예측하는 주요한 정보가 된다. 따라서, 음향신호 선택부(130)는 시간차 계산부(120)가 계산한 시간차에 기반하여 원하는 음원의 위치를 인식함으로써 입력신호 중 원하는 음향신호를 선택하여 음향신호 출력부(140)로 보낸다. 정리하면, 필터링하고자 하는 방향만 정해지면, 초기 입력되는 음향센서부를 알 수 있게 되고, 나머지 음향센서부에 언제 어떤 신호가 들어갈지 알 수 있게 되는 것이다. 나머지 음향센서부의 입력신호를 초기 입력되는 음향센서부의 입력신호와 비교하여 걸러내면 음원필터가 동작함을 알 수 있다. 예를 들어, s1(n)이 먼저 입력된다면, 시간차 계산부(120)가 계산한 시간차 후에 s2(n)에 들어오는 신호 중에서 s1(n)과 동일한 신호를 걸러내면 된다.

음향신호 출력부(140)는 상기 대상 음향신호의 이득값을 조절한다. 만약 음향센서부(110-1,...110-k)와 음원 사이의 거리가 멀게 되면, 음향 자체의 레벨이 매우 작게 되어 노이즈와의 구분이 어렵게 된다. 따라서, 음향신호 출력부(140)는 유효한 정보만을 추출하여 이를 일정한 레벨이 될 수 있도록 자율적으로 이득값을 조정한다. 본 발명에 따른 음향필터장치(100)는 하나의 시스템을 세팅해서 사용하기 보다는 원하는 방향의 음향을 사용자의 의도에 따라서 수시로 변경해서 사용을 하게 된다. 따라서, 음향필터장치(100)는 타 장치(PC, 상위 프로세서)에 의해서 실시간으로 연동하는 기술이 적용된다.

도 4는 본 발명에 따라 잡음을 포함하는 복수의 음향신호 중 대상 음향신호를 추출한 결과를 보여주는 실험결과이다.

도 4를 참조하면, 그래프의 아래쪽 신호는 음향센서부(110-1,...110-k)로 들어오는 음향신호의 검출결과이며, 위쪽의 신호는 잡음을 제거하고 특정방향의 음향만을 필터링한 결과이다. 이와같이 아날로그 회로의 설계와 디지털 신호의 설계로부터 우리가 원하는 음원을 정확히 계산하여 추적이 가능하다.

이상 본 발명에 대하여 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시켜 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명은 이하의 특허청구범위의 범위 내의 모든 실시예들을 포함한다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 예에 따른 음향필터장치를 나타내는 블록도이다.

도 2는 2개의 음향센서부를 구비한 음향필터장치가 시간차를 계산하기 위한 기하학적 음향전달 구조를 나타낸다.

도 3은 푸리에 변환에 의한 스펙트럼 피크(peak)의 예를 나타낸다.

도 4는 본 발명에 따라 잡음을 포함하는 복수의 음향신호 중 대상 음향신호를 추출한 결과를 보여주는 실험결과이다.

Claims (7)

1. 복수의 음향신호를 수신하는 제1 음향센서;

   상기 제1 음향센서와 이격되어 배치되는 제2 음향센서;

   상기 제1 음향센서에 목표(target) 음원으로부터 전달되는 목표 음향신호가 도달하는 제1 도달시간과 상기 목표 음원으로부터 상기 제2 음향센서에 상기 목표 음향신호가 도달하는 제2 도달시간 사이의 시간차를 계산하는 시간차 계산부;

   상기 제1 음향센서가 제1 입력신호를 수신한 때로부터 상기 시간차 후에 상기 제2 음향센서가 수신하는 제2 입력신호에서 상기 제1 입력신호와 동일한 신호를 선택하는 음향신호 선택부;

   상기 음향신호 선택부에서 선택된 음향신호를 출력하는 음향신호 출력부를 포함하는 음향필터장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 음향신호 출력부는 상기 음향신호 선택부에서 선택된 음향신호의 이득 값을 조절하는, 음향필터장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 음향신호 출력부는 PC와 실시간으로 연동하는, 음향필터장치.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 시간차 계산부는 상기 제1 음향센서로 들어오는 상기 목표 음향신호에 대한 제1 샘플링 값(sampling value) 및 상기 제2 음향센서로 들어오는 상기 목표 음향신호에 대한 제2 샘플링 값을 도출하고, 상기 제1 샘플링 값 및 상기 제2 샘플링 값을 비교함으로써 상기 시간차를 계산하는, 음향필터장치.

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