KR101168743B1 - 마이크로폰 모듈, 이를 이용한 음원 위치 측정 장치 및 그 방법 - Google Patents

마이크로폰 모듈, 이를 이용한 음원 위치 측정 장치 및 그 방법 Download PDF

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    • G01S5/22—Position of source determined by co-ordinating a plurality of position lines defined by path-difference measurements

Abstract

음원 위치 측정 장치는 복수의 마이크로폰들과 적어도 하나의 비컨을 포함하는 마이크로폰 모듈을 이용하여, 음원을 위치를 측정한다. 마이크로폰 모듈내에 위치된 마이크로폰들 사이의 거리들과, 소리 속도 그리고 각 마이크로폰들이 음원으로부터 발생한 소리에 해당하는 음원 신호를 이용하여 음원 위치를 측정한다.

Description

마이크로폰 모듈, 이를 이용한 음원 위치 측정 장치 및 그 방법{microphone module, apparatus for measuring location of sound source using the module and method thereof}
본 발명은 음원의 위치를 측정하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게 말하자면, 마이크로폰 모듈과 이를 이용하여 소리가 발생한 음원을 추적하여 음원의 위치를 측정하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 공간 내에서 소리가 발생한 음원의 위치를 측정하기 위하여, 임의 공간에 복수의 마이크로폰들을 서로 다른 위치에 각각 설치하고, 각각의 마이크로폰이 음원으로부터 소리를 수신한 시간들을 측정한다. 그리고 이러한 시간들과 수신된 신호 즉, 소리의 볼륨 차이 등을 토대로 음원의 위치를 측정한다.
그러나 마이크로폰들 사이의 거리와 각도에 오차가 있는 경우에는, 음원과의 거리 측정에 사용되는 각도가 변경되어, 음원 위치 측정시 오차가 크게 발생하게 된다. 이에 따라, 음원의 위치를 측정하기 전에 비컨(beacon)을 이용하여 각각의 마이크로폰들의 사이의 거리 및 각도를 측정하는 과정을 수행하여야 한다.
또한 이러한 과정을 통하여 마이크로폰들 사이의 거리 및 각도를 측정하는 경우, 공간의 서로 다른 곳에 위치된 마이크로폰들로 비컨 신호를 송신하는데 있어서 주변 환경에 의한 잡음 및 간섭 등이 발생하여, 정확하게 마이크로폰의 거리를 측정하는 것이 어렵다. 그러므로 마이크로폰의 거리 측정시 오차가 발생하고 이러한 오차는 음원의 위치 측정에 큰 영향을 미치게 된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 음원의 위치를 보다 정확하게 측정하기 위한 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 마이크로폰과 비컨 신호를 생성하는 수단을 포함하는 마이크로폰 모듈을 제공하는 것이다.
또한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 마이크로폰 모듈을 이용하여, 마이크로폰의 거리와 각도에 대한 오차 발생 및 소리 속도의 변화에 따른 오차 발생을 감소시켜 음원의 위치를 보다 정확하게 측정하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제를 위한 본 발명의 특징에 따른 음원 위치 측정 방법은, 음원의 위치를 측정하는 장치가 음원의 위치를 측정하는 방법이며, 상기 장치가, 복수의 마이크로폰들과 적어도 하나의 비컨이 형성되어 있는 마이크로폰 모듈로부터 음원 신호들을 수신하고, 상기 음원 신호들은 상기 음원으로부터 발생한 소리에 대응하여 상기 복수의 마이크로폰들이 출력한 신호인, 단계; 상기 장치가, 상기 각 마이크로폰들로부터 음원 신호들이 수신되는 수신 시간을 측정하는 단계; 및 상기 장치가, 각 마이크로폰들의 음원 신호들의 수신 시간 차이들과, 소리가 전달되는 소리 속도, 상기 마이크로 모듈 내에 형성되어 있는 각 마이크로폰들 사이의 거리를 토대로 상기 음원의 위치를 산출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따른 음원 위치 측정 장치는, 복수의 마이크로폰 및 적어도 하나의 비컨을 포함하는 마이크로폰 모듈; 및 상기 마이크로폰들로부터 음원으로부터 발생된 소리에 해당하는 음원 신호를 각각 수신하고, 상기 음원 신호들의 수신 신호 시간차, 소리 속도 그리고 상기 마이크로폰들 사이의 거리를 토대로 상기 음원의 위치를 산출하는 측정 모듈을 포함한다.
또한 본 발명의 다른 특징에 따른 마이크로폰 모듈은, 적어도 세 개 이상의 마이크로폰; 상기 마이크로폰으로 비컨 신호를 출력하는 비컨을 포함하며, 상기 마이크로폰들 사이의 거리 및 상기 마이크로폰들 사이의 각도가 고정되어 있으며, 상기 비컨과 각각의 마이크로폰들과의 거리들이 동일하고, 상기 마이크로폰들과 비컨이 일체형으로 형성되어 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 음원 측정시 음을 수신하는 복수의 마이크로폰과 비컨 신호를 생성하는 비컨이 하나의 모듈에 일체화되어 구현되고, 이러한 모듈을 이용하여 음원의 위치를 측정함으로써, 마이크로폰의 위치와 각도에 오차가 발생하는 것을 감소시키고, 소리 속도의 변화에 따른 오차 발생을 감소시켜 음원 위치를 정확하게 측정할 수 있다.
또한 비컨을 사용하여 모듈 내에 위치된 마이크로폰들의 거리를 측정하고 이를 토대로 소리 각도를 보정하고 보정된 소리 각도를 이용하여 음원의 위치를 측정함으로써, 음원 위치를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
또한 마이크로폰을 음원 측정 공간의 서로 다른 위치에 복수개 설치해야 하는 번거로움이 없어진다.
또한 복수의 마이크로폰을 포함하는 모듈을 이용함에 따라 각각의 마이크로폰을 모듈화하는 것에 비하여 생산 단가를 감소시킬 수 있다.
도1은 본 발명의 실시 예에 따른 음원 위치 측정 장치의 구조도이다.
도2는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰 모듈의 구조를 개략적으로 나타낸 도이다.
도3은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰 모듈의 설치 예를 나타낸 도이다.
도4는 본 발명의 실시 예에 따른 음원 위치 측정 방법의 흐름도이다.
도5는 본 발명의 실시 예에 따른 소리 속도를 보정하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도6은 본 발명의 실시 예에서 TDOA 방법에 따라 음원의 위치를 산출하는 것을 나타낸 예시도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 음원 위치 측정 방법 및 그 장치에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시 예에서는 복수의 마이크로폰들과 적어도 하나의 비컨을 하나의 모듈에 일체화된 형태로 구현하여 마이크로폰들과 비컨 사이의 거리 및 마이크로폰들 사이의 거리에 변화가 가능한 발생하지 않도록 하고, 이러한 모듈을 토대로 음원의 위치를 측정한다.
도1은 본 발명의 실시 예에 따른 음원 위치 측정 장치의 구조도이다.
첨부한 도1에 도시되어 있듯이, 본 발명의 실시 예에 따른 음원 위치 측정 장치(1)는 마이크로폰 모듈(100), 측정 모듈(200)을 포함한다.
마이크로폰 모듈(100)은 복수의 마이크로폰(M1, M2, M3) 및 적어도 하나의 비컨(B)을 포함한다.
비컨(B)은 설정된 주파수(예를 들어, 초음파 신호)의 신호를 송신한다.
각각의 마이크로폰(M1, M2, M3)은 음원으로부터 발생되는 소리를 수신하여 그에 해당하는 전기적인 신호를 출력한다. 여기서 사용되는 마이크로폰은 동일한 거리의 음원으로부터 발생된 소리에 대해서는 동일한 전압의 신호를 출력하는 전방향성 마이크로폰을 사용할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 특정 방향에 소리를 보다 강조하여 음압을 측정하는 방향성 마이크로폰이 사용될 수도 있다. 본 발명의 실시 예에서는 3개의 마이크로폰을 사용하는 것을 예로 들지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.
도2는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰 모듈(100)의 구조를 개략적으로 나타낸 도이다.
첨부한 도 2에서와 같이, 본 발명의 실시 예에서는, 하나의 모듈내에 3개의 마이크로폰(M1, M2, M3)을 각각 서로 다른 위치에 위치시키고, 적어도 하나의 비컨을 소정 위치에 위치시켜 마이크로폰 모듈(100)을 구성한다. 도 2에서는 3개의 비컨(B1, B2, B3)이 마이크로폰 모듈(100) 내에 포함되어 있는 것으로 도시되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 적어도 하나의 비컨이 마이크로폰 모듈(100) 내에 포함된다.
마이크로폰 모듈(100)이 구성됨에 따라, 마이크로폰들(M1, M2, M3) 사이의 거리(d1, d2, d3)(이하, 마이크로폰 거리라고 명명함)가 결정되며, 또한 결정된 소정 위치에 마이크로폰들(M1, M2, M3)이 각각 위치됨에 따라, 하나의 마이크로폰이 다른 마이크로폰에 대하여 가지는 각도(이하, 설명의 편의를 위하여 마이크로폰의 각도라고 명명함)(∠M1, ∠M2, ∠M3)들이 각각 소정 값을 가지게 된다.
이러한 마이크로폰 모듈(100)과 연계하여 음원의 위치를 측정하는 측정 모듈(200)은 도 1에서와 같이, 수신부(210), 신호 변환부(215), 주파수 변환부(220), 신호 검출부(225), 연산 처리부(230), 저장부(235)를 포함하며, 이외에도 비컨 동작 제어부(240), 주파수 변조부(245), 출력부(250)를 포함하며, 또한 입력부(255), 신호 변환부(260)를 더 포함할 수 있다.
수신부(210)는 각각의 마이크로폰(M1, M2, M3)으로부터 출력되는 신호를 수신한다. 예를 들어 수신부(210)는 각각의 마이크로폰(M1, M2, M3)에 일대일 대응되는 형태의 다수의 수신기를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
신호 변환부(215)는 수신부(210)로부터 출력되는 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다.
주파수 변환부(220)는 신호 변환부(215)로부터 출력되는 디지털 신호를 주파수 영역의 신호로 변환한다. 예를 들어, DFT(discrete fourier transform) 또는 FFT(fast fourier transform) 등의 주파수 변환이 수행된다.
본 발명의 실시 예에서는 예를 들어, TDOA(time difference of arrival) 방법을 사용하여 음원의 위치를 사용함에 따라, 마이크로폰으로부터 입력되는 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하는 수단을 사용한다. 즉, TDOA 방법은 일반적으로 상호 상관 방법(cross-correlation function)을 이용하며, 상호 상관 방법은 주파수 영역에서 상호 상관 함수를 구현하여 계산된 시간차를 토대로 음원의 위치를 결정하기 때문에, 주파수 변환부(220)를 사용하여 신호를 주파수 영역의 신호로 변환한다.
신호 검출부(225)는 주파수 변환부(220)로부터 출력되는 신호로부터 음원 신호를 검출한다. 즉, 마이크로폰으로부터 출력되는 신호들 중에서 설정 주파수 이상의 신호를 검출하여 음원 신호로 출력한다. 이외에도, 신호 검출부(225)는 주파수 변환부(220)로부터 출력되는 신호들 중에서 설정된 비컨 출력 주파수를 가지는 신호를 비컨 감지 신호로 출력한다.
연산 처리부(230)는 신호 검출부(225)로부터 출력되는 음원 신호를 토대로 음원의 위치를 산출한다. 연산 처리부(230)는 저장부(235)에 저장되어 있는 데이터(마이크로폰 모듈 형성시 미리 설정된 마이크로폰들의 거리 및 각도 등)를 토대로 음원의 위치를 산출할 수 있다. 음원 위치를 산출하는 방법에 대해서는 추후에 보다 상세하게 설명하기로 한다.
또한 연산 처리부(230)는 신호 검출부(225)로부터 출력되는 비컨 감지 신호를 토대로 소리 속도를 보정하는 보정부(231)를 포함할 수 있다. 보정부(231)는 비컨 감지 신호를 토대로 마이크로폰들 사이의 거리를 산출하고, 산출된 거리와 저장부(235)에 저장되어 있는 데이터를 토대로 소리 속도를 보정한다.
한편 비컨 동작 제어부(240)는 마이크로폰 모듈(100)의 마이크로폰의 거리를 측정하고자 하는 경우, 비컨(B)을 동작시키기 위한 동작 신호를 출력한다. 주파수 변조부(245)는 입력되는 동작 신호를 주파수 변조하여 출력하며, 출력부(250)는 주파수 변조부(245)로부터 출력되는 신호를 증폭시켜 비컨(B)으로 출력한다. 특히, 주파수 변조부(245)는 설정된 비컨 출력 주파수에 따라 신호를 변조하여 출력함에 따라, 비컨(B)을 통하여 비컨 출력 주파수를 가지는 비컨 신호가 출력되며, 출력되는 비컨 신호는 하나의 모듈(100)내에 구현되어 있는 마이크로폰(M1, M2, M3들 중 적어도 하나)에 의하여 수신된다. 비컨 신호는 설정된 시간 동안 출력될 수 있다.
한편, 마이크로폰(M1, M2, M3)들에 의하여 수신되는 신호들은 위에 기술된 바와 같이 음원으로부터의 소리에 해당하는 음원 신호 및 비컨(B)으로부터 수신한 비컨 신호들이 있다. 이러한 신호들은 수신부(210), 신호 변환부(215), 주파수 변환부(220)를 통하여 신호 검출부(225)로 제공됨으로써, 신호 검출부(225)는 설정된 비컨 출력 주파수에 대응하는 신호들을 각각의 마이크로폰(M1, M2, M3)에 수신된 비컨 신호들로서 출력한다. 여기서 설정 주파수는 비컨 출력 주파수보다 낮으며, 신호 검출부(225)는 설정 주파수 이상의 신호 중에서 비컨 출력 주파수에 해당하는 신호를 비컨 감지 신호로 출력하고, 설정 주파수 이상의 신호 중에서 비컨 출력 주파수에 해당하지 않는 신호를 음원 신호로 출력한다.
한편 저장부(235)는 본 발명의 실시 예에 따른 음원 위치 측정을 위한 데이터가 저장되어 있다. 음원 위치 측정을 위한 데이터로는 마이크로폰 모듈(100)에 형성되어 있는 마이크로폰들 사이의 거리 및 각도가 포함되며, 이외에도 소리 각도 등이 포함된다. 이러한 데이터들은 입력부(255)를 통하여 입력될 수 있다. 또한, 저장부(235)는 연산 처리부(230)에서 출력되는 연산 처리 데이터를 저장한다. 연산 처리 데이터로는 음원의 위치 등이 포함된다.
본 발명의 실시 예에서는 위에 기술된 바와 같이 복수의 마이크로폰과 비컨이 하나의 모듈에 포함되는 형태로 구현되어 있으므로, 해당 모듈을 구성하는 마이크로폰들 사이의 거리, 마이크로폰들의 각도를 미리 알 수 있다.
그러므로 마이크로폰 모듈(100)을 구성하는 각각의 마이크로폰들 사이의 거리들(d1, d2, d3)은 초기 거리값으로 각각 설정되고, 또한 마이크로폰들 사이에 형성되는 상대 각도 즉, 마이크로폰 각도들(∠M1, ∠M2, ∠M3)은 초기 각도값으로 각각 설정될 수 있다.
한편 본 발명의 실시 예에 따른 음원 위치 측정 장치(1)는 주변 환경에 따라 송수신되는 신호들에 변화가 발생할 수 있으므로, 소리 속도 센서(300)와 연계하여 음원 위치 산출 또는 거리 산출을 수행할 수 있다.
소리 속도 센서(300)는 환경 파라미터(예를 들어, 기온, 습도, 기압 등)를 토대로 소리 속도를 결정하고, 결정된 소리 속도에 해당하는 신호를 출력한다. 예를 들어, 기온, 습도, 기압 중 적어도 하나를 토대로 소리가 전달되는 속도가 변화되는 것을 고려한 속도인 소리 속도가 결정되어 있는 속도 보정 테이블을 이용할 수 있다. 이 경우 현재 특정되는 기온, 습도, 기압을 토대로 속도 보정 테이블로부터 대응하는 소리 속도를 결정하고, 결정된 소리 속도에 대응하는 신호를 측정 모듈(200)로 출력할 수 있다. 이후 측정 모듈(200)의 연산 처리부(230)는 소리 속도를 고려하여 음원 위치를 산출하거나, 마이크로폰 거리 등을 산출할 수 있다.
한편 소리 속도 센서(300)가 단지 환경 파라미터를 측정하는 센서들 예를 들어, 온도 센서, 습도 센서, 기압 센서 등의 센서로 이루어질 수 있다. 이 경우 측정 모듈(200)의 연산 처리부(230)는 소리 속도 센서(300)로부터 제공되는 신호를 토대로 속도 보정 테이블(이 테이블은 저장부(235)에 저장되어 있을 수 있음)을 토대로, 현재 측정된 기온, 습도, 기압 등의 적어도 하나를 토대로 소리 속도를 결정하고, 결정된 소리 속도를 고려하여 음원의 위치 등을 산출할 수 있다.
이러한 소리 속도 센서(300)는 음원 위치 측정 장치(1)에 포함되거나 별개의 장치로서 구현될 수 있으며, 또한 소리 속도 센서(300)는 마이크로폰 모듈(100)에 포함되는 형태로 구현될 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 도 2에서와 같이, 소리 속도 센서(300)가 마이크로폰 모듈(100)에 포함되는 형태로 구현된 것(도 2에서는 소리 속도 센서가 "T"로 표시되어 있음)을 예로 들었으나, 본 발명은 이것에 한정되는 않는다.
한편 측정 모듈(200)은 소리 속도 센서(300)로부터 제공되는 신호를 처리하기 위하여, 소리 속도 센서(300)로부터 출력되는 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 신호 변환부(260)를 더 포함할 수 있다.
위에 기술된 구조는 본 발명의 실시 예에 따른 음원 위치 측정을 위하여 제시한 하나의 예이며, 경우에 따라 다양한 형태의 구조로 변경될 수 있다.
다음에는 이러한 구조를 토대로 본 발명의 실시 예에 따른 음원 위치 측정 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시 예에서는 위에 기술된 바와 같이, 마이크로폰 모듈(100)내에 위치되어 있는 마이크로폰(M1, M2, M3)들 사이의 거리(d1, d2, d3) 및 각도 등이 미리 설정되어 저장부(235)에 저장되어 있는 것으로 한다.
먼저, 본 발명의 실시 예에는 음원 위치 측정을 위한 기준 데이터들을 설정한다. 기준 데이터는 마이크로폰 모듈(100)에 포함되어 있는 마이크로폰들 사이의 거리(d1, d2, d3), 마이크로폰들의 각도(∠M1, ∠M2, ∠M3), 그리고 초기 소리 속도를 포함한다.
이러한 기준 데이터를 설정하기 위하여, 마이크로폰 모듈(100)을 형성하는 초기에, 첨부한 도 2에서와 같이 비컨(B1, B2, B3)을 각 마이크로폰(M1, M2, M3)에 대응되게 위치시킨 다음에, 각 비컨을 이용하여 마이크로폰들 사이의 거리(d1, d2, d3)를 측정할 수 있다. 여기서 각 비컨을 해당 마이크로폰들에 인접하여 위치시킨다.
이 경우, 먼저 소리 속도 센서(T)를 이용하여 소리 속도를 측정하고, 측정된 소리 속도를 초기 소리 속도로 하여 저장부(235)에 저장한다. 그리고 각 비컨을 이용하여 마이크로폰들 사이의 거리(d1, d2, d3)를 측정한다.
구체적으로, 예를 들어, 먼저 비컨(B1)을 동작시킨다. 이를 위하여, 비컨 동작 제어부(240)는 미리 설정되어 있는 비컨 출력 주파수에 따른 비컨 동작 신호가 출력되도록, 비컨 동작 신호를 주파수 변조부(245)로 출력하며, 주파수 변조부(245)는 설정된 비컨 출력 주파수에 따라 비컨 동작 신호를 주파수 변조하여 출력한다. 비컨 출력 주파수를 가지는 비컨 동작 신호는 출력 증폭부(250)를 통하여 비컨(B1)으로 출력됨으로써, 비컨(B1)은 비컨 출력 주파수에 대응하는 비컨 신호를 출력한다. 비컨 동작 제어부(240)는 설정된 비컨 출력 시간 동안 비컨 동작 신호를 출력할 수 있으며, 이에 따라 비컨 신호가 비컨 출력 시간 동안 출력된다.
비컨(B1)이 마이크로폰(M1)에 대응하여 인접하여 위치된 상태에서, 비컨(B1)으로부터 출력된 비컨 신호는 마이크로폰(M1, M2)으로 수신되며, 마이크로폰(M1, M2)은 수신된 비컨 신호에 따른 신호를 출력한다. 마이크로폰(M1, M2)으로부터 출력된 신호들은 수신부(210), 신호 변환부(215), 주파수 변환부(220), 그리고 신호 검출부(225)를 통하여 연산 처리부(230)로 입력된다. 연산 처리부(230)는 입력되는 신호들 중에서 설정 주파수 대역의 신호이면서 비컨 출력 주파수에 대응하는 신호들을 비컨 감지 신호로 처리하며, 이러한 기능은 신호 검출부(225)에 의하여 수행될 수도 있다.
마이크로폰(M1, M2)으로부터 비컨 감지 신호가 수신되면, 연산 처리부(230)는 비컨 감지 신호를 토대로 마이크로폰(M1, M2)이 비컨 신호를 수신한 시간을 각각 검출한다. 그리고 마이크로폰(M1, M2)이 비컨 신호를 수신한 시간들의 차이 즉, 수신 신호 시간차를 토대로 마이크로들(M1, M2) 사이의 거리를 측정한다.
[수학식1]
Figure 112010020651313-pat00001
여기서, di는 비컨 신호를 수신한 i번째 마이크로폰과 j번째 마이크로폰 사이의 거리를 나타내며, tij은 i번째 마이크로폰과 j번째 마이크로폰 사이의 TDOA 즉, 수신 신호 시간차를 나타낸다. 그리고 c는 소리 속도이며, 여기서는 소리 속도 결정 센서(T)에 의하여 소리 속도이다.
위의 수학식1에 따라, 연산 처리부(230)는 비컨(B1)과 마이크로폰(M1, M2) 사이의 거리(d1)를 측정한다.
위에 기술된 바와 같은 과정을 토대로, 각각의 비컨(B2, B3)를 이용하여 마이크로폰(M2)과 마이크로폰(M3) 사이의 거리(d2), 마이크로폰(M3)과 마이크로폰(M1) 사이의 거리(d3)를 각각 측정할 수 있다.
이와 같이 비컨(B1, B2, B3)을 이용하여 마이크로폰들 사이의 거리(d1, d2, d3)를 측정할 수 있으며, 또는 마이크로폰 모듈(100) 형성시에 설정된 마이크로폰들 사이의 거리(d1, d2, d3)를 사용할 수도 있다. 마이크로폰 모듈(100) 내에 각 마이크로폰을 설정된 거리를 두고 설치한 다음에 오차가 발생할 수 있으므로, 위에 기술된 바와 같이 각 마이크로폰에 대응하는 비컨들을 이용하여 마이크로폰들 사이의 거리(d1, d2, d3)를 새로 측정하면, 보다 정확한 마이크로폰들 사이의 거리가 획득되어, 이후에 음원 위치를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
또한 위의 과정을 통하여 측정한 마이크로폰들 사이의 거리(d1, d2, d3)를 토대로 각 마이크폰들의 각도(∠M1, ∠M2, ∠M3)를 측정할 수 있으며, 또한 마이크로폰 모듈(100) 형성시 설정된 별도의 마이크로폰들의 각도를 사용할 수도 있다.
위에 기술된 바와 같이 음원 위치 측정을 위한 기준 데이터들이 획득되어 저장부(235)에 저장되며, 이후 저장부(235)에 저장된 기준 데이터를 토대로 음원 위치를 측정한다. 그리고 위에서 측정된 마이크로폰들이 비컨 신호를 수신한 시간들의 차이 즉, 수신 신호 시간차들도 기준 데이터에 포함되어 저장부(235)에 저장되며, 이후 소리 속도 보정시에 사용된다.
한편, 마이크로폰 모듈(100) 내에 도 2에서와 같이 복수의 비컨(B1, B2, B3)를 사용하여 기준 데이터들을 획득한 다음에는 마이크로폰 모듈(100) 내에 적어도 하나의 비컨만 포함시킬 수 있다. 예를 들어 비컨(B1) 하나만 마이크로폰 모듈(100)에 포함시키고, 해당 마이크로폰 모듈(100)을 음원을 위치하고자 하는 공간에 설치할 수 있다. 또한 도 2에 도시된 소리 속도 결정 센서(T)를 포함하지 않는 형태로 마이크로폰 모듈(100)을 형성하고, 하나의 비컨을 이용하여 마이크로폰들 사이의 거리를 측정하고 이를 토대로 소리 속도를 결정할 수 있다. 비컨을 이용하여 소리 속도를 결정하는 것에 대해서는 추후에 보다 구체적으로 설명한다.
마이크로폰 모듈(100)은 소정 공간 내에 위치될 수 있다. 도3은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로폰 모듈(100)의 설치 예를 나타낸 도이다.
도5는 본 발명의 실시 예에 따른 음원 위치 측정 방법의 흐름도이다.
마이크로폰 모듈(100)이 예를 들어, 도3에 예시된 바와 같이 설치되어 있고, 음원 수신 대기 상태에서 첨부한 도 4에서와 같이, 마이크로폰(M1, M2, M3)들로부터 신호가 출력되면(S100～S110), 연산 처리부(230)는 음원 신호들을 토대로 음원의 위치를 측정한다.
구체적으로, 각각의 마이크로폰(M1, M2, M3)들은 음원으로부터 생성되는 신호를 수신하여 그에 해당하는 신호를 출력하며, 각각의 마이크로폰(M1, M2, M3)으로부터 출력된 신호들은 수신부(210), 신호 변환부(215), 주파수 변환부(220), 그리고 신호 검출부(225)를 통하여 연산 처리부(230)로 입력된다. 연산 처리부(230)는 입력되는 신호들 중에서 설정 주파수 이상의 신호이면서 비컨 출력 주파수에 대응하지 않는 신호들을 음원 신호로 처리하며(S120～S130), 이러한 기능은 신호 검출부(225)에 의하여 수행될 수도 있다.
마이크로폰 모듈(100)의 모든 마이크로폰들(M1, M2, M3)로부터 음원 신호가 수신되면(S140～S150), 연산 처리부(230)는 입력되는 음원 신호를 토대로 각각의 마이크로폰(M1, M2, M3)이 음원 신호를 수신한 시간을 검출한다. 여기서 연산 처리부(230)로 음원 신호가 입력되는 시점이 해당 마이크로폰이 음원을 수신한 시간이 된다.
연산 처리부(230)는 각 마이크로폰들 사이의 거리, 그리고 각 마이크로폰의 각도를 획득한다(S160). 여기서 연산 처리부(230)는 마이크로폰들 사이의 거리 및 각도 등의 정보를 저장부(235)로부터 획득할 수 있다.
연산 처리부(230)는 각각의 마이크로폰(M1, M2, M3)이 음원 신호들을 수신한 시간들을 토대로 마이크로폰들 사이의 음원 신호 수신 시간의 시간차를 산출한다. 그리고 산출된 각 마이크로폰들 사이의 음원 신호 수신 시간차, 획득한 각 마이크로폰들 사이의 거리, 각 마이크로폰의 각도를, 그리고 소리 속도를 토대로 연산을 수행하여 최종적으로 음원 위치를 결정한다.
이 때, 본 발명의 실시 예에 따른 연산 처리부(230)는 보다 정확하게 음원의 위치를 측정하기 위하여 소리 속도를 보정한다(S170).
마이크로폰 모듈(100)이 설치된 환경의 온도, 습도 등에 따라 소리 속도를 획득하여도 소리 속도에 오차가 발생할 수 있으며, 특히 마이크로폰 모듈(100) 내에 설치된 마이크로폰들 변화가 발생한 경우에는 단지 환경 파라미터만을 토대로 한 소리 속도를 토대로 음원 위치를 측정할 경우에는 오차가 발생할 수 있다. 그러므로 본 발명의 실시 예에서는 초기 마이크로폰 모듈(100) 형성시 설정된 기준 데이터인 마이크로폰들의 사이의 비컨 신호에 대한 수신 신호 시간차 및 초기 소리 속도와, 그리고 현재의 마이크로폰들 사이의 비컨 신호에 대한 수신 신호 시간차를 토대로 소리 속도를 산출하여 사용함으로써, 위에 기술된 바와 같은 음원 위치 측정시 발생하는 오차를 감소시키고자 한다.
도5는 본 발명의 실시 예에 따른 소리 속도 보정 방법을 나타낸 흐름도이다.
소리 속도 보정을 위하여, 마이크로폰 모듈(100) 내에 위치된 비컨을 동작시킨다. 여기서는 비컨(B1)이 마이크로폰 모듈(100)에 포함되어 있는 것으로 가정하고, 소리 속도 보정을 위하여 비컨(B1)을 동작시킨다(S171).
비컨(B1)이 동작함에 따라 위에 기술된 바와 같이 비컨 신호가 마이크로폰(M2)에 수신되고, 마이크로폰(M2)을 통하여 비컨 신호 감지에 따른 비컨 감지 신호가 연산 처리부(230)로 입력된다(S172). 연산 처리부(230)의 보정부(231)는 마이크로폰(M2)으로부터 출력되는 비컨 감지 신호를 토대로 마이크로폰(M1, M2)이 비컨 신호를 수신한 시간을 검출하고, 검출된 수신 시간들을 토대로 수신 신호 시간차를 산출한다(S173). 그리고 저장부(235)로부터 기준 데이터 중 마이크로폰들의 수신 신호 시간차와, 기준 데이터 설정시 측정한 소리 속도 즉, 초기 소리 속도를 읽어온다(S174).
설명의 편의상 위의 기준 데이터에 설정시 측정된 마이크로폰들 사이의 비컨신호의 수신에 따른 수신 신호 시간차를 "초기 수신 신호 시간차"라고 명명하고, 소리 속도 보정시 측정한 마이크로폰들 사이의 비컨 신호의 수신에 따른 수신 신호 시간차를 "보정용 수신 신호 시간차"라고 명명한다. 예를 들어, 마이크로폰(M1, M2)들 사이의 초기 수신 신호 시간차를 Ts라고 할 수 있으며, 보정용 수신 신호 시간차를 Tn이라고 할 수 있다.
이후 보정부(231)는 현재 측정된 마이크로폰(M1, M2)이 비컨 신호를 수신한 보정용 수신 신호 시간차와 초기 수신 신호 시간차를 토대로 소리 속도를 보정한다.
[수학식 2]
Figure 112010020651313-pat00002
여기서, Vn은 현재 소리 속도 즉, 보정된 소리 속도이며, Vo는 초기 소리 속도이며, Ts는 소정 마이크로폰들의 초기 수신 신호 시간차이며, Tn은 소정 마이크로폰들의 보정용 수신 신호 시간차를 나타낸다.
이와 같이 보정부(231)는 현재 측정된 마이크로폰(M1, M2)이 비컨 신호를 수신한 보정용 수신 신호 시간차와 초기 수신 신호 시간차를 토대로 현재의 소리 속도를 측정하여 사용함으로써, 기준 데이터에 해당하는 초기 소리 속도를 보정한다(S175).
예를 들어, 온도가 15ㅀ 이고 환경 파라미터에 따른 소리 속도 보정 테이블을 통하여 획득한 초기 소리 속도를 Vo=340 m/s, 그리고 비컨(B1)을 이용하여 측정한 마이크로폰(M1, M2)의 초기 수신 신호 시간차 Ts를 0.0003 이라고 하자. 그리고 음원 위치 측정시 비컨(B1)을 이용하여 측정한 마이크로폰(M1, M2)의 보정용 수신 신호 시간차 Tn이 0.00029 라고 하면, 현재의 소리 속도 Vn=328.6 m/s가 된다. 따라서 음원 위치를 측정하는 현재의 온도가 15ㅀ 일 경우 이러한 소리 속도 보정이 이루어지지 않으면 여전히 340 m/s의 소리 속도를 토대로 음원 위치 산출이 이루어짐으로써, 정확한 음원 위치가 측정되지 않을 수 있다. 그러나 본 발명의 실시 예에 따르면 마이크로폰 모듈(100) 형성시 설정된 기준 데이터인 마이크로폰들 사이의 비컨 신호에 대한 초기 수신 신호 시간차와, 보정용 수신 신호 시간차를 토대로 소리 속도를 보정하고 이를 토대로 음원 위치를 산출함으로써, 보다 정확하게 음원 위치를측정할 수 있다.
한편 이러한 소리 속도 보정 단계(S170)는 마이크로폰들로부터 음원 신호가 감지되기 전에 수행될 수도 있고, 음원 신호가 감지된 이후에 수행될 수도 있다.
이후, 연산 처리부(230)는 도 4에서와 같이, 산출된 각 마이크로폰들 사이의 음원 신호 수신 시간차, 획득한 각 마이크로폰들 사이의 거리, 각 마이크로폰의 각도를, 그리고 보정된 소리 속도를 토대로 연산을 수행하여 최종적으로 음원 위치를 결정한다(S180).
예를 들어, 연산 처리부(230)는 두 마이크로폰(M1, M2)의 음원 신호 수신 시간차(t12), 그리고 두 마이크로폰(M1, M3)의 음원 신호 수신 시간차(t13)를 이용하여 음원의 위치를 추정한다.
즉, 보정된 소리 속도를 이용하여 각 마이크로폰들의 음원 신호 수신 시간차를 산출하고, 마이크로폰(M1)을 초점으로 하면서, 두 개의 음원 신호 수신 시간차 즉, 거리차에 해당하는 곳에 쌍곡선이 각각 형성된다. 이에 따라 두 쌍곡선이 교차하는 지점이 음원의 위치가 된다.
본 발명의 실시 예에서는 삼각 측량법 및 TDOA 방법을 사용하여 음원 위치를 산출할 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 음원 위치 방법은 반드시 이것에 한정되는 않는다.
도6은 본 발명의 실시 예에서 TDOA 방법에 따라 음원의 위치를 산출하는 것을 나타낸 예시도이다.
[수학식 3]
Figure 112010020651313-pat00003
여기서, c는 보정된 소리 속도이며, ti ,j은 i번째 마이크로폰과 j번째 마이크로폰 사이의 TDOA 즉, 수신 신호 시간차이며, Ri는 i번째 마이크로폰과 음원 사이의 거리이며, Rj는 j번째 마이크로폰과 음원 사이의 거리이며, (Xi, Yi)는 i번째 마이크로폰의 좌표이고, (Xj, Yj)는 j번째 마이크로폰의 좌표이고,(x, y)는 음원의 좌표를 나타낸다.
각각의 마이크로폰(M1, M2, M3)에 대하여 R1, R2, R3를 구하면, 위의 수학식 3을 토대로, 첨부한 도 6에 예시된 바와 같이 R1, R2, R3를 반지름으로 하는 다수의 쌍곡선을 형성하고, 이러한 쌍곡선들이 교차하는 지점을 음원의 위치(x, y)로 산출한다. 이러한 수학식 3을 토대로 위치를 결정하는 방법은 공지된 기술임으로 여기서는 상세한 설명을 생략한다.
한편 본 발명의 실시 예에 따른 소리 속도 보정시, 환경 파라미터(기온, 습도, 기압 등)에 따른 보정값을 추가적으로 고려하여 소리 속도를 보정할 수 있다.
연산 처리부(230)는 신호 변환부(260)를 통하여 소리 속도 센서(300)로부터 출력되는 신호를 토대로 소리 속도를 보정할 수 있다. 예를 들어, 현재의 기온, 습도, 기압 중 적어도 하나를 토대로 속도 보정 테이블로부터 보정 속도를 획득하고, 획득된 보정 속도를 토대로 소리 속도를 보정한다. 환경 파라미터를 토대로 한 소리 속도의 보정은 선택적으로 수행될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (13)

  1. 음원 위치 측정 장치가 음원의 위치를 측정하는 방법에서
    상기 장치가, 복수의 마이크로폰들과 적어도 하나의 비컨이 형성되어 있는 마이크로폰 모듈로부터 음원 신호들을 수신하고, 상기 음원 신호들은 상기 음원으로부터 발생한 소리에 대응하여 상기 복수의 마이크로폰들이 출력한 신호인, 단계;
    상기 장치가, 상기 각 마이크로폰들로부터 음원 신호들이 수신되는 수신 시간을 측정하는 단계;
    상기 장치가, 각 마이크로폰들의 음원 신호들의 수신 시간의 차이들과, 소리가 전달되는 소리 속도, 상기 마이크로폰 모듈 내에 형성되어 있는 각 마이크로폰들 사이의 거리를 토대로 상기 음원의 위치를 산출하는 단계; 및
    상기 소리 속도를 보정하는 단계를
    포함하고,
    상기 음원의 위치를 산출하는 단계는 상기 보정된 소리 속도를 이용하여 상기 음원의 위치를 산출하는, 음원 위치 측정 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소리 속도를 보정하는 단계는
    상기 장치가, 상기 마이크로폰 모듈내의 비컨을 구동시켜 상기 비컨이 설정된 비컨 출력 주파수의 비컨 신호를 출력하도록 하는 단계;
    상기 장치가, 상기 복수의 마이크로폰들 중 적어도 두 개의 마이크로폰들이 상기 비컨 신호들을 수신하여 출력하는 비컨 감지 신호들을 각각 수신하는 단계;
    상기 장치가, 상기 두 개의 마이크로폰들이 출력하는 상기 비컨 감지 신호들이 수신되는 시간들에 대한 보정용 수신 신호 시간차를 측정하는 단계; 및
    상기 장치가, 상기 두 개의 마이크로폰들의 보정용 수신 신호 시간차와, 미리 설정되어 있는 초기 수신 신호 시간차, 그리고 초기 소리 속도를 토대로 보정용 소리 속도를 산출하는 단계
    를 포함하는, 음원 위치 측정 방법.
  4. 제3항에 있어서
    상기 초기 소리 속도, 초기 수신 신호 시간차를 포함하는 기준 데이터를 생성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 기준 데이터를 생성하는 단계는
    상기 마이크로폰 모듈내의 각 마이크로폰에 대응하여 비컨을 각각 위치시키고, 상기 비컨들을 각각 동작시켜 대응하는 마이크로폰들의 비컨의 동작에 따른 비컨 신호를 수신하고 수신된 시간들을 토대로 초기 수신 신호 시간차를 측정하는 단계; 및
    기온, 습도 중 적어도 하나를 포함하는 환경 파라미터에 따른 소리를 전달하는 소리 속도를 측정하는 소리 속도 센서로부터 출력되는 신호를 토대로 초기 소리 속도를 측정하는 단계
    를 포함하는, 음원 위치 측정 방법.
  5. 제1항에 있어서
    상기 음원의 위치를 산출하는 단계는, TDOA(time difference of arrival) 방법을 토대로 상기 음원의 위치를 산출하는, 음원 위치 측정 방법.
  6. 하나의 모듈 내에 형성되어 있는 복수의 마이크로폰 및 적어도 하나의 비컨을 포함하는 마이크로폰 모듈; 및
    상기 마이크로폰들로부터 음원으로부터 발생된 소리에 해당하는 음원 신호를 각각 수신하고, 상기 음원 신호들의 수신 신호 시간차, 소리 속도 그리고 상기 마이크로폰들 사이의 거리를 토대로 상기 음원의 위치를 산출하는 측정 모듈
    을 포함하고,
    상기 측정 모듈은
    상기 마이크로폰들부터 출력되는 신호를 수신하는 수신부;
    상기 마이크로폰 모듈 내에서 형성된 상기 마이크로폰들 사이의 거리를 포함하는 데이터가 저장되어 있는 저장부; 및
    상기 수신부로부터 제공되는 신호와 상기 마이크로폰들 사이의 거리, 소리 속도를 토대로 음원의 위치를 산출하는 연산 처리부
    를 포함하는, 음원 위치 측정 장치.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서
    상기 측정 모듈은
    상기 마이크로폰 모듈의 비컨을 설정된 주파수에 따라 동작시켜 비컨 신호를 출력시키는 비컨 동작 제어부를 더 포함하고,
    상기 연산 처리부는 상기 마이크로폰들이 상기 비컨 신호를 수신함에 따라 각각 출력하는 신호들을 토대로 한 보정용 수신 신호 시간차, 미리 설정된 마이크로폰들의 비컨 신호 수신에 따른 초기 수신 신호 시간차 및 초기 소리 속도를 토대로 소리 속도를 산출하는 보정부를 더 포함하는, 음원 위치 측정 장치.
  9. 제6항에 있어서
    상기 측정 모듈은
    상기 수신부로부터 출력되는 신호를 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부;
    상기 디지털 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하여 출력하는 주파수 변환부; 및
    상기 주파수 변환부로부터 출력되는 신호로부터 음원 신호를 검출하여 상기 연산 처리부로 제공하는 음원 신호 검출부
    를 더 포함하는, 음원 위치 측정 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    기온, 습도, 기압을 포함하는 주변 환경 파라미터 중 적어도 하나를 토대로 소리 속도를 측정하는 소리 속도 센서를 더 포함하는,
    음원 위치 측정 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 소리 속도 센서는 상기 마이크로폰 모듈내에 설치되는, 음원 위치 측정 장치.
  12. 적어도 세 개 이상의 마이크로폰;
    상기 마이크로폰으로 비컨 신호를 출력하는 비컨; 및
    기온, 습도, 기압을 포함하는 주변 환경 파라미터 중 적어도 하나를 토대로 소리 속도를 보정하는 소리 속도 센서
    을 포함하며,
    상기 마이크로폰들 사이의 거리 및 상기 마이크로폰들 사이의 각도가 고정되어 있으며, 상기 비컨과 각각의 마이크로폰들과의 거리들이 동일하고, 상기 마이크로폰들과 비컨이 일체형으로 형성되어 있는
    마이크로폰 모듈.
  13. 삭제
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