KR101203926B1 - 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법 - Google Patents

다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법은, (a) 널 디렉션(null direction)이 다른 다수개의 빔포머(beamformer)에 목적신호 및 상기 목적신호(target signal)에 혼재된 잡음(noise)을 입력하는 단계; (b) 상기 다수개의 빔포머 각각에 대해서 상기 신호 대 상기 잡음의 비를 계산하는 단계; (c) 상기 다수개의 빔포머 중에서 상기 신호 대 상기 잡음의 비가 가장 큰 빔포머를 선별하는 단계; 및 (d) 상기 선별된 빔포머의 널 디렉션을 상기 잡음의 방향으로 추정하는 단계;를 포함하여, 방향이 변하는 잡음의 제거 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법 {NOISE DIRECTION DETECTION METHOD USING MULTI BEAMFORMER}
본 발명은 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다중 빔포머의 신호 대 잡음의 비를 비교하고 가장 큰 신호 대 잡음의 비를 가지는 빔포머를 이용하여 잡음의 방향 또는 위치를 추정하는, 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법에 관한 것이다.
잡음 또는 노이즈의 제거는 음성을 인터페이스로 하는 기기들에 필수적이라고 할 수 있다. 실질적으로 통화 품질이나 보청기 등의 음성 인식률은 음성 입력부의 주변에서 들어오는 원하지 않는 잡음에 의해서 크게 열화된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 잡음을 제거하기 위한 다양한 방법들이 제안되어 있다. 그 중, Direction of Arrival(DOA) 또는 Time Difference of Arrival(TDOA) 방법은 두 개 이상의 마이크로폰을 사용하여 입력되는 목적신호의 시간차와 마이크로폰의 간격을 이용하여 입력되는 목적신호의 방향을 측정할 수는 있으나, 원하는 목적신호와 잡음이 섞여 있는 상황에서는 목적신호의 방향만을 추정할 수 있을 뿐 잡음의 방향은 추정할 수 없는 단점이 있다.
또한, 적응형 지향성 마이크로폰(Adaptive Directional Microphone; ADM)은 두 개 이상의 마이크로폰을 사용하여 두 개의 빔포머를 만들어 어댑티브 노이즈 캔설러(Adaptive Noise Canceller; ANC)를 적용하여 잡음의 방향에 따라 빔포밍 하는 방법이다. 두 개의 빔포머는 목적신호 방향에 대한 빔포머(널 디렉션이 180도인 빔포머)와 목적신호에서 180도 차이가 있는 방향을 잡음방향으로 가정한 빔포머(널 디렉션이 0도인 빔포머)이고, 잡음의 방향에 따라 적응형 필터링(Adaptive filtering)을 적용한 방법이다. 이러한 적응형 지향성 마이크로폰(ADM)은 적응형 필터로 인해 복잡한 알고리즘과 계산량이 필요한 단점이 있다.
또한, Blind Source Separation(BSS)은 두 개 이상의 마이크로폰에 입력되는 신호만을 이용하여 입력되는 방향에 상관없이 원하는 목적신호와 잡음을 분리하는 방법이지만, 현재 사용되는 보청기용 프로세서에 동작하기엔 알고리즘의 수행시간 및 계산량이 복잡하여 개선이 필요한 문제가 있다.
결국, 현재까지 제안된 종래의 잡음 제거 알고리즘은 잡음이 후방향에 있다고 가정하고 잡음을 제거하기 때문에 잡음이 후방향에서 발생하지 않는 경우 또는 잡음의 방향이 변하는 상황에서는 잡음제거 성능이 떨어지는 한계가 있다.
본 발명은 잡음의 방향이 변하는 상황에서도 잡음의 방향을 정확하게 추정할 수 있는 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법을 제공한다.
본 발명은 추정된 잡음의 방향을 고려함으로 인해 빔포머의 성능을 향상시킬 수 있는 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법을 제공한다.
본 발명은 방향이 변하는 잡음에 대한 제거 성능을 높일 수 있는 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법을 제공한다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법은, (a) 널 디렉션(null direction)이 다른 다수개의 빔포머(beamformer)에 목적신호 및 상기 목적신호(target signal)에 혼재된 잡음(noise)을 입력하는 단계; (b) 상기 다수개의 빔포머 각각에 대해서 상기 신호 대 상기 잡음의 비를 계산하는 단계; (c) 상기 다수개의 빔포머 중에서 상기 신호 대 상기 잡음의 비가 가장 큰 빔포머를 선별하는 단계; 및 (d) 상기 선별된 빔포머의 널 디렉션을 상기 잡음의 방향으로 추정하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기와 같이 다수개의 빔포머 각각에 대해서 구한 신호 대 잡음의 비가 가장 큰 빔포머를 선별하고, 선별된 빔포머의 널 디렉션 방향을 잡음의 방향으로 추정함으로써 잡음의 방향이 변하는 경우에도 잡음의 방향을 비교적 정확하게 추정하고, 그 방향의 잡음을 제거할 수 있다.
상기 (b) 단계는, 상기 잡음을 측정하는 단계; 상기 다수개의 빔포머를 통과한 각각의 목적신호를 측정하는 단계; 상기 각각의 목적신호를 노멀라이즈(normalize)하는 단계; 및 상기 노멀라이즈된 목적신호 대 상기 잡음의 비(signal to noise ratio)를 각각 계산하는 단계;를 포함할 수 있다. 여기서, 다수개의 빔포머 각각에 대해서 목적신호의 크기 또는 방향 등 뿐만 아니라 잡음의 크기가 상이해지기 때문에 목적신호 및 잡음을 노멀라이즈하여 신호 대 잡음의 비를 비교할 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계는, 상기 다수개의 빔포머 각각에 대해서 상기 잡음을 측정하는 단계; 상기 다수개의 빔포머를 통과한 각각의 목적신호를 측정하는 단계; 상기 잡음 및 상기 목적신호를 각각 노멀라이즈(normalize)하는 단계; 및 상기 노멀라이즈된 목적신호 대 상기 노멀라이즈된 잡음의 비(signal to noise ratio)를 각각 계산하는 단계;를 포함할 수 있다. 여기서, 다수개의 빔포머 각각에 대해서 목적신호를 노멀라이즈할 뿐만 아니라 다수개의 빔포머 각각에 대해서 측정한 잡음도 노멀라이즈할 수 있다.
상기 (c) 단계는 상기 노멀라이즈된 목적신호가 가장 큰 빔포머에 의해 결정될 수 있다. 이 때, 신호 대 잡음의 비가 최대인 빔포머가 노멀라이즈된 목적신호가 가장 큰 경우에 의해 결정되는 것은 다수개의 빔포머에 대해서 잡음이 동일한 경우에 적용될 수 있다.
상기 (b) 단계에서 상기 잡음을 측정하는 단계는, 상기 신호가 존재하지 않는 구간에서 상기 잡음을 측정할 수 있다. 즉, 잡음은 목적신호가 존재하지 않는 사일런스(silence) 구간에서 측정하며, 사일런스 구간은 보이스 액티비티 디텍터(voice activity detector)에 의해 결정될 수 있다.
상기 (b) 단계에서 상기 잡음을 측정하는 단계는, 보이스 액티비티 디텍터(voice activity detector)에 의해서 상기 잡음이 업데이트할 수 있다. 잡음만 입력되다가 목적신호도 함께 섞여서 입력되는 경우, 입력되는 신호의 파워가 변하게 된다. 이러한 입력 신호의 파워 변화를 감지함으로써 보이스 액티비티 디텍터 또는 음성 감지기는 잡음을 업데이트할 수 있다.
상기 (b) 단계에서 상기 잡음을 측정하는 단계는, 상기 보이스 액티비티 디텍터가 NO이면 상기 잡음을 측정하고, 상기 보이스 액티비티 디텍터가 YES이면 이전에 측정된 잡음을 사용할 수 있다. 즉, 보이스 액티비티 디텍터가 NO이면 잡음을 업데이트하여 잡음을 새롭게 측정하고, 보이스 액티비티 디텍터가 YES이면 잡음을 업데이트하지 않고 이전에 측정된 잡음을 사용할 수 있다.
상기 (a) 단계와 상기 (b) 단계 사이에는 상기 잡음의 변화 여부를 판단하는 단계가 수행되며, 상기 잡음의 변화 여부를 판단하는 단계에서 상기 잡음이 변화하지 않는 경우에는 상기 (d) 단계를 수행하고, 상기 잡음이 변화한 경우에는 상기 (b) 단계를 수행할 수 있다. 이 때, 상기 잡음의 변화 여부를 판단하는 단계는 보이스 액티비티 디텍터에 의해서 수행될 수 있다.
여기서, 상기 잡음의 변화 여부를 판단하는 단계는 초기 프레임 해당 여부 또는 결정 지속 시간 초과 여부를 판단할 수 있다.
상기 (a) 단계에서 상기 잡음은 상기 목적신호의 위치를 기준으로 90도 내지 270도 사이에 배치될 수 있다.
상기 (d) 단계에서 추정된 상기 잡음 방향의 정확도는 상기 빔포머의 개수와 비례할 수 있다.
상기 (a) 단계에서 상기 잡음은 방향이 변할 수 있다.
상기 (d) 단계에서 상기 잡음의 방향으로 추정된 널 디렉션을 가지는 빔포머를 이용하여 상기 잡음을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법은 방향이 고정된 잡음 뿐만 아니라 방향이 변하는 잡음에 대한 제거 성능을 높일 수 있다.
본 발명에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법은 추정된 잡음의 방향을 고려함으로 인해 빔포머의 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법은 목적신호 또는 잡음에 대해서 노멀라이즈를 하고 신호 대 잡음의 비를 구하기 때문에 SNR을 정확하게 비교할 수 있다.
본 발명에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법은 사용되는 빔포머의 개수를 증가시켜서 앵글 레졸루션(angle resolution)을 높이면 잡음 방향 추정의 정확성을 높일 수 있다.
본 발명에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법은 일정한 시간 간격에 따라 신호 대 잡음의 비를 재계산하기 때문에 잡음의 방향 변화 민감도를 잘 추종할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔포머와 목적신호 및 사람의 위치 관계를 개략적으로도 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔포머의 널 디렉션을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법을 도시한 상세 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법의 변형예를 도시한 상세 순서도이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔포머와 목적신호 및 사람의 위치 관계를 개략적으로도 도시한 도면, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔포머의 널 디렉션을 도시한 도면, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법을 개략적으로 도시한 순서도, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법을 도시한 상세 순서도, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법의 변형예를 도시한 상세 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법은 보청기, 위성 안테나, 소나(sonar) 또는 음파탐지기 등과 같이 잡음 내지 노이즈(noise)의 방향이 변하는 디바이스에 적용될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법이 보청기에 사용되는 경우를 예로서 설명하지만, 이에 의해서 본 발명의 적용 범위가 제한되는 것은 아님을 밝혀 둔다.
도 1을 참조하면, 보청기(hearing aid)를 착용한 사람(120)이 위치하고 그 전방에 목적신호(110)가 존재한다고 할 수 있다. 여기서, 목적신호(110)는 보청기를 착용한 사람(120)이 듣고자 하는 음성(speech), 소리 또는 음원이라고 할 수 있다. 또한, 보청기를 착용한 사람(120)은 상황에 따라서 이동(d)할 수도 있다. 목적신호(110)는 사람(120)의 전방에 고정되어 있으나, 사람(120)의 주위로 방향이 변하는 잡음(130) 또는 노이즈(noise)가 존재할 수 있다. 이와 같이, 방향이 변하는 잡음이 존재하는 경우에는 사람(120)이 보청기를 착용한 경우에도 목적신호에 해당하는 음성 등을 정확히 인식할 수 없게 된다.
이와 같이 방향이 변하는 잡음이 목적신호에 섞여 있거나 혼재된 경우에는 더욱 목적신호를 정확히 인식할 수 없다. 따라서, 목적신호에 혼재되어 있는 잡음을 제거해야 하는데, 잡음의 방향이 변하기 때문에 잡음을 제거하기 전에 우선적으로 잡음의 방향을 정확하게 알아야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법은 다수개의 다중 빔포머를 사용하여 잡음의 방향을 정확하게 추정하고, 그 방향으로 빔포밍을 형성함으로써 잡음을 정확하게 제거할 수 있다.
도 1에는 잡음의 방향이 변하는 상태가 도시되어 있는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법은 잡음의 방향과 일치되는 널 디렉션(null direction)을 가지는 빔포머를 이용하여 잡음의 방향을 추정하고 그 방향에서의 잡음을 제거할 수 있기 때문에 사람의 주변으로 다수개의 빔포머를 배치할 수 있다.
도 1을 참조하면, 보청기를 착용한 사람(120)의 위치에 5개의 빔포머가 배치되어 있는데, 각각의 빔포머는 목적신호(110)에 대해서 45도, 90도, 120도, 135도 및 180도에 널 디렉션(null direction)을 가진다. 여기서, 각각의 빔포머의 널 디렉션은 잡음(130)의 방향과 일치한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법은 이와 같이 다수개의 빔포머를 이용하여 방향이 변하는 잡음(130)의 방향을 추정할 수 있고, 그 방향에서의 잡음을 제거할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법은 잡음(130)의 방향과 빔포머의 널 디렉션 방향을 일치시키기 때문에 도 1에서 각각의 빔포머는 널 디렉션의 방향으로 들어 오는 잡음(130)을 제거할 수 있다. 여기서, 다수개의 빔포머 중에서 잡음의 방향과 일치하는 널 디렉션을 가지는 빔포머는 1개 존재하게 되는데, 본 발명은 이러한 1개의 빔포머를 찾는 방법에 관한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 각각의 빔포머(Beamformer)에 대한 널 디렉션(Null direction)을 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면, 널 디렉션은 잡음의 크기가 가장 큰 방향을 의미한다고 할 수 있다. 일반적으로 빔포머의 널 디렉션은 대칭을 이루게 된다.
이하에서는 도면을 참조하여, 잡음의 방향과 널 디렉션이 일치하는 빔포머를 찾는 방법에 대해서 상세히 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법은, (a) 널 디렉션(null direction)이 다른 다수개의 빔포머(beamformer)에 목적신호(target signal, 110) 및 목적신호(110)에 섞이거나 혼재된 잡음(noise, 130)을 입력하는 단계(1100), (b) 상기 다수개의 빔포머 각각에 대해서 상기 신호 대 상기 잡음의 비(signal to noise ration, SNR)를 계산하는 단계(1200); (c) 상기 다수개의 빔포머 중에서 상기 신호 대 상기 잡음의 비(SNR)가 가장 큰 빔포머를 선별하는 단계(140) 및 (d) 상기 선별된 빔포머의 널 디렉션을 상기 잡음의 방향으로 추정하는 단계(1400)를 포함할 수 있다.
상기와 같이 다수개의 빔포머 각각에 대해서 구한 신호 대 잡음의 비(SNR)가 가장 큰 빔포머를 선별하고 선별된 빔포머의 널 디렉션 방향을 잡음의 방향으로 추정함으로써, 잡음의 방향이 변하는 경우에도 잡음의 방향을 비교적 정확하게 추정하고 그 방향에서의 잡음을 제거할 수 있다.
여기서, 상기 (a) 단계에서, 다수개의 빔포머는 도 2에 도시된 바와 같이 각각 널 디렉션이 모두 다른 것이 바람직하다. 이와 같이 널 디렉션이 서로 다른 다수개의 빔포머를 이용함으로써 방향이 변하는 잡음의 경우에도 비교적 정확하게 잡음의 방향을 추정할 수 있다. 즉, 잡음의 방향이 변화하는 상황에서 잡음의 방향을 추정하여 해당 방향의 잡음을 제거함으로써 목적신호 내지 음성신호를 강조할 수 있다.
상기 (b) 단계에서는 잡음에 대한 목적신호의 비의 크기를 각 빔포머에 대해서 계산하는 과정을 거치게 되는데, 잡음 또는 목적신호는 방향에 따라 값이 달라지기 때문에 상대적인 크기의 비교를 위해서 잡음 또는 목적신호를 노멀라이즈(normalize) 또는 정상화하는 과정이 필요하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법은 노멀라이즈 방법에 따라 2가지로 구현할 수 있다. 이러한 2가지 노멀라이즈 방법의 차이에 따른 잡음 방향 탐지 방법에 대한 상세한 순서도가 각각 도 4 및 도 5에 도시되어 있다.
우선 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 탐지 방법의 상기 (b) 단계(1200)는, 상기 다수개의 빔포머 각각에 대해서 상기 잡음(130)을 측정하는 단계(1260), 상기 다수개의 빔포머를 통과한 각각의 목적신호를 측정하는 단계(1270), 상기 잡음 및 상기 목적신호를 각각 노멀라이즈(normalize)하는 단계(1280) 및 상기 노멀라이즈된 목적신호 대 상기 노멀라이즈된 잡음의 비(SNR)를 각각 계산하고 비교하는 단계(1290)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 각각의 잡음(130) 및 상기 목적신호(110)를 각각 노멀라이즈(normalize)하는 단계(1280)는 다수개의 빔포머 각각에 대해서 목적신호를 노멀라이즈할 뿐만 아니라 다수개의 빔포머 각각에 대해서 측정한 잡음도 노멀라이즈할 수 있다.
또한, 목적신호(110)와 잡음(130)이 섞인 신호(noisy)가 빔포머를 통과하면 잡음의 방향이 빔포머의 널 디렉션과 일치할수록 잡음이 많이 제거될 수 있다. 제거된 잡음을 정량적으로 비교하기 위해, 상기 노멀라이즈된 목적신호 대 상기 노멀라이즈된 잡음의 비(SNR)를 각각 계산하고 비교하는 단계(1290)는 노멀라이즈된 목적신호와 노멀라이즈된 잡음의 비를 계산하고 각각의 빔포머에 대해서 신호 대 잡음의 비를 비교하기 때문에 후술할 도 5에 도시된 방법에 비하여 보다 정확하게 SNR을 계산하고 비교할 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 방법의 경우에는 각 빔포머 별로 잡음을 구하고 이를 이용하여 각 빔포머 별로 SNR을 더 정확하게 측정할 수 있다.
도 4에서 최대 SNR을 가지는 빔포머를 선별하는 단계(1300)는 노멀라이즈된 목적신호의 크기가 가장 큰 빔포머를 선별한다고 할 수도 있다. 즉, 상기 (c) 단계(1300)는 상기 노멀라이즈된 목적신호가 가장 크고, 노멀라이즈된 잡음이 가장 작은 빔포머에 의해 결정될 수 있다. 이것은 다수의 빔포머를 통과한 목적신호와 잡음은 널 디렉션과 잡음의 방향이 일치할 때, 잡음이 가장 작으며 목적신호가 가장 커지기 때문이다.
상기 (b) 단계(1200)에서 다수의 빔포머 각각에 대해서 상기 잡음을 측정하는 단계(1260)는, 상기 목적신호가 존재하지 않는 구간에서 상기 잡음을 측정할 수 있다. 즉, 잡음은 목적신호가 존재하지 않는 사일런스(silence) 구간에서 측정되는 것이 바람직하다. 목적신호가 존재하는 구간에서 잡음을 측정하게 되면, 잡음을 정확하게 측정할 수 없게 되고, 이는 결국 신호 대 잡음의 비를 정확하게 비교할 수 없게 된다. 따라서, 목적신호가 존재하지 않는 구간에서 잡음을 측정하는 것이 바람직하다. 사일런스(slience) 구간은 보이스 액티비티 디텍터에 의해 결정될 수 있다.
한편, 상기 (b) 단계(1200)에서 빔포머 각각에 대해서 상기 잡음을 측정하는 단계(1260)는, 보이스 액티비티 디텍터(voice activity detector, VAD)에 의해서 상기 잡음이 업데이트될 수 있다(1202). 잡음만 입력되다가 목적신호도 함께 섞여서 입력되는 경우, 입력되는 신호의 파워가 변하게 된다. 이러한 입력 신호의 파워 변화를 감지함으로써 보이스 액티비티 디텍터(VAD) 또는 음성 감지기는 잡음을 업데이트할 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 (b) 단계(1200)에서 상기 빔포머 각각에 대해서 잡음을 측정하는 단계(1260)는, 상기 보이스 액티비티 디텍터(VAD)가 NO이면 상기 빔포머 각각에 대해서 잡음을 측정하고(1260), 상기 보이스 액티비티 디텍터(VAD)가 YES이면 빔포머 각각에 대해서 이전에 측정된 잡음을 사용할 수 있다(1262). 즉, 보이스 액티비티 디텍터(VAD)가 NO이면 잡음을 업데이트하여 각각의 빔포머 마다 잡음을 새롭게 측정하고(1260), 보이스 액티비티 디텍터(VAD)가 YES이면 잡음을 업데이트하지 않고 각각의 빔포머에 대해서 이전에 측정된 잡음을 사용할 수 있다(1262). 여기서, 단계 1202, 1260, 1262 전체를 잡음을 측정하는 단계로 볼 수도 있다.
한편, 다수개의 빔포머 각각에 대해 목적신호를 측정하는 단계(1270)에는 다수개의 빔포머를 통과한 목적신호를 출력한다고 볼 수 있다. 각각의 빔포머에서 출력된 목적신호와 각각의 빔포머에서 측정된 잡음을 이용하여 SNR을 각 빔포머 별로 구할 수 있고, 이 과정에서 SNR의 비교를 보다 정확하게 하기 위해서 각각의 빔포머별로 목적신호 및 잡음을 노멀라이즈하게 된다(1280).
이와 같이, 노멀라이즈된 빔포머 각각의 목적신호와 보이스 액티브 디텍터(VAD)에 의해서 각 빔포머별로 측정되고 노멀라이즈된 잡음을 이용하여 SNR을 구하고(1290), 이 중 최대의 SNR을 가지는 빔포머의 널 디렉션 방향을 잡음의 방향으로 추정할 수 있다(1400). 여기서, 신호 대 잡음의 비(SNR)가 최대이면 빔포머가 잡음을 가장 많이 제거하였음을 의미한다. 결국 이는 잡음 방향과 빔포머의 널 디렉션 방향이 가장 잘 일치하는 빔포머라고 할 수 있다. 따라서, 최대 SNR을 가지는 빔포머의 널 디렉션을 잡음의 방향으로 추정할 수 있다.
한편, 이와 같이 최대 SNR을 가지는 빔포머의 널 디렉션을 잡음의 방향을 추정한 후 잡음의 방향이 변하게 되면 최대 SNR을 가지는 빔포머도 변하게 된다. 따라서, 잡음의 변화 여부를 판단하여 잡음이 변하지 않았으면 이전에 선별된 빔포머를 그대로 이용하여 잡음을 제거하고, 잡음이 변했으면 다시 최대 SNR을 가지는 빔포머를 선별하는 과정을 다시 수행하는 것이 바람직하다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔포머를 이용하여 잡음을 탐지하는 방법은 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 (a) 단계(1100)와 상기 (b) 단계(1200) 사이에는 상기 잡음의 변화 여부를 판단하는 단계(1150)가 수행될 수 있다. 여기서, 잡음의 변화 여부를 판단하는 단계(1150)는 보이스 액티비티 디텍터에 의해서 수행될 수 있다.
잡음의 변화 여부를 판단하는 단계(1150)에서 상기 잡음이 변화하지 않는 경우에는 상기 (d) 단계(1400)를 수행하여 이전에 선별된 최대 SNR을 가지는 빔포머를 이용하여 잡음 방향을 추정하고, 만약 상기 잡음이 변화한 경우에는 상기 (b) 단계(1200)를 다시 수행하여 최대 SNR을 가지는 빔포머를 다시 선별할 수 있다.
여기서, 상기 잡음의 변화 여부를 판단하는 단계(1150)는 초기 프레임 해당 여부 또는 결정 지속 시간 초과 여부를 판단할 수 있다. 최대 SNR을 가지는 빔포머를 선별한 후에 일정한 시간이 경과하면 잡음의 방향이 변할 수 있는데, 이러한 경우에 최대 SNR을 가지는 빔포머를 재추정하기 위해서 초기 프레임에 해당하는지 여부 또는 결정 지속 시간(decision duration)의 초과 여부에 따라서 최대 SNR을 가지는 빔포머를 다시 선별할 수 있다.
예를 들면, 잡음 방향 탐지를 시작하는 초기 프레임을 경과한 후에는 다시 최대 SNR을 가지는 빔포머를 선별하는 것이 바람직하다. 만약 아직 초기 프레임에 있는 경우라면 이전에 선별한 빔포머를 유지하면 된다. 이 때, 프레임(frame)은 신호를 보다 신속하게 처리하기 위한 다수개 샘플(sample) 신호의 묶음이라고 할 수 있다. 또한, 일정하게 정해진 결정 지속 시간을 경과했는지 여부에 따라 이전에 선별된 빔포머를 유지하거나 다시 빔포머를 선별할 수도 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법은 일정한 시간 간격에 따라 신호 대 잡음의 비를 재계산하기 때문에 잡음의 방향 변화 민감도를 잘 추종할 수 있다.
상기와 같은 과정을 거친 후, 원하는 신호가 종료되었으면(1600)는 모든 과정을 마치게 되고, 만약 신호가 여전히 존재하면 다시 단계 1100 또는 단계 1150을 수행할 수 있다.
도 4에 도시된 다중 빔포머를 이용하여 잡음을 추정하는 방법은 각각의 빔포머에 대해서 목적신호 및 잡음을 모두 노멀라이즈하지만, 각각의 빔포머에 대해서 동일한 잡음을 사용하고 목적신호만 각각의 빔포머에 대해서 노멀라이즈 하는 방법도 사용할 수 있다. 도 4에 설명된 각각의 빔포머에서 출력된 잡음도 노멀라이즈하여 SNR을 구하는 방법은 후출할 도 5의 방법 보다 더 정확하게 잡음을 방향을 추정할 수 있다.
이하에서는 도 5를 참조하여 각각의 빔포머에 동일한 잡음이 입력되는 경우에 SNR을 구하는 방법에 대해서 설명한다. 도 5에 도시된 방법은 도 4에 도시된 방법과 비교할 때, 각각의 빔포머에 동일한 잡음이 입력되는 점과, 동일한 잡음을 이를 이용하여 SNR을 구하는 점이 상이할 뿐 나머지 과정은 동일하다. 따라서, 이하에서는 이러한 차이점을 중심으로 설명하고 반복적인 설명은 생략하도록 한다.
도 5를 참조하면, 상기 (b) 단계(1200)는 상기 잡음을 측정하는 단계(120), 상기 다수개의 빔포머를 통과한 각각의 목적신호(110)를 측정하는 단계(1220), 상기 각각의 목적신호(110)를 노멀라이즈(normalize)하는 단계(1230) 및 상기 노멀라이즈된 목적신호 대 상기 잡음의 비(SNR)를 각각 계산하고 비교하는 단계(1240)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 각각의 목적신호(110)를 노멀라이즈하는 단계(1230)에서는 다수개의 빔포머 각각에서 출력되는 목적신호의 크기 또는 방향 등 뿐만 아니라 잡음의 크기가 상이하기 때문에 목적신호 및 잡음을 노멀라이즈하여 신호 대 잡음의 비를 상대적으로 비교할 수 있다.
이 때, 잡음은 다수개의 빔포머에 입력되기 전에는 크기가 동일한 잡음이지만 다수개의 빔포머를 통과한 후에는 각각의 빔포머 별로 잡음의 크기가 달라질 수 있다. 각각 다수개의 빔포머에 대한 신호 대 잡음의 비(SNR)의 크기는 노멀라이즈된 목적신호 및 잡음의 크기에 의해서 결정된다고 할 수 있다. 그러므로, 상기 노멀라이즈된 목적신호 대 상기 잡음의 비(SNR)를 각각 계산하는 단계(1240)에서는 최대 신호 대 잡음의 비(SNR)는 노멀라이즈된 목적신호의 크기에 의해서 계산된 SNR을 각각의 빔포머 별로 비교할 수 있다.
도 5에서 최대 SNR을 가지는 빔포머를 선별하는 단계(1300)는 노멀라이즈된 목적신호의 크기가 가장 큰 빔포머를 선별한다고 할 수도 있다. 즉, 상기 (c) 단계(1300)는 상기 노멀라이즈된 목적신호가 가장 큰 빔포머에 의해 결정될 수 있다. 이 때, 신호 대 잡음의 비(SNR)가 최대인 빔포머가 노멀라이즈된 목적신호가 가장 큰 경우에 의해 결정되는 것은 다수개의 빔포머에 대해서 잡음이 동일한 경우에 적용될 수 있다. 도 5에 도시된 방법은 다수개의 빔포머에 동일한 잡음이 입력되지만 각각의 빔포머에 다른 목적신호가 입력되는 경우에 적용된다고 할 수 있다.
상기 (b) 단계(1200)에서 상기 잡음을 측정하는 단계(1210)는, 상기 목적신호가 존재하지 않는 구간에서 상기 잡음을 측정할 수 있다. 즉, 잡음은 목적신호가 존재하지 않는 사일런스(silence) 구간에서 측정되는 것이 바람직하다. 목적신호가 존재하는 구간에서 잡음을 측정하게 되면, 잡음을 정확하게 측정할 수 없게 되고, 이는 결국 신호 대 잡음의 비를 정확하게 비교할 수 없게 된다. 따라서, 목적신호가 존재하지 않는 구간에서 잡음을 측정하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 (b) 단계(1200)에서 상기 잡음을 측정하는 단계(1210)는, 보이스 액티비티 디텍터(voice activity detector, VAD)에 의해서 상기 잡음이 업데이트될 수 있다(1202). 잡음이 변화하면 잡음의 파워가 변화하게 되는데, 이러한 잡음의 파워 변화를 감지함으로써 보이스 액티비티 디텍터(VAD) 또는 음성 감지기는 잡음을 업데이트할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 (b) 단계(1200)에서 상기 잡음을 측정하는 단계(1210)는, 상기 보이스 액티비티 디텍터(VAD)가 NO이면 상기 잡음을 측정하고(1210), 상기 보이스 액티비티 디텍터(VAD)가 YES이면 이전에 측정된 잡음을 사용할 수 있다(1212). 즉, 보이스 액티비티 디텍터(VAD)가 NO이면 잡음을 업데이트하여 잡음을 새롭게 측정하고(1210), 보이스 액티비티 디텍터(VAD)가 YES이면 잡음을 업데이트하지 않고 이전에 측정된 잡음을 사용할 수 있다(1212). 여기서, 단계 1202, 1210, 1212 전체를 잡음을 측정하는 단계로 볼 수도 있다.
한편, 다수개의 빔포머 각각에 대해 목적신호를 측정하는 단계(1220)에는 다수개의 빔포머를 통과한 목적신호를 출력한다고 볼 수 있다. 각각의 빔포머에서 출력된 목적신호와 측정된 잡음을 이용하여 SNR을 각 빔포머 별로 구할 수 있고, 이 과정에서 SNR의 비교를 보다 정확하게 하기 위해서 목적신호를 노멀라이즈하게 된다.
이와 같이, 노멀라이즈된 빔포머 각각의 목적신호와 보이스 액티비티 디텍터(VAD)에 의해서 측정된 잡음을 이용하여 SNR을 구하고, 이 중 최대의 SNR을 가지는 빔포머의 널 디렉션 방향을 잡음의 방향으로 추정할 수 있다(1400). 여기서, 신호 대 잡음의 비(SNR)가 최대이면 빔포머가 목적신호를 잘 탐지한다는 의미가 되고, 목적신호가 잘 탐지된다는 것은 잡음이 억제되거나 제거됨을 의미한다고도 볼 수 있다. 따라서, 최대 SNR을 가지는 빔포머의 널 디렉션을 잡음의 방향으로 추정할 수 있다.
한편, 이와 같이 최대 SNR을 가지는 빔포머의 널 디렉션을 잡음의 방향으로 추정한 후 잡음의 방향이 변하게 되면 최대 SNR을 가지는 빔포머도 변하게 된다. 따라서, 잡음의 변화 여부를 판단하여 잡음이 변하지 않았으면 이전에 선별된 빔포머를 그대로 이용하여 잡음을 제거하고, 잡음이 변했으면 다시 최대 SNR을 가지는 빔포머를 선별하는 과정을 다시 수행하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 잡음의 변화 여부를 판단하는 단계(1150)는 도 4의 경우와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.
한편, 도 3 내지 도 5에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법은 배치되거나 설치되는 빔포머의 개수를 늘일수록 보다 정확하게 잡음의 방향을 추정할 수 있다. 즉, 상기 (d) 단계(1400)에서 추정된 상기 잡음 방향의 정확도는 상기 빔포머의 개수와 비례할 수 있다. 빔포머의 개수를 많게 하면 빔포머 사이의 각도 즉 앵글 레졸루션(angle resolution)이 증가하기 때문에 방향이 변하는 잡음을 보다 잘 추정할 수 있다.또한, 상기 (a) 단계(1100)에서 잡음(130)의 방향 또는 위치는 목적신호(110)의 위치(즉, 0도)를 기준으로 90도 내지 270도 사이(즉, 목적신호와 마주 보는 측)에 배치될 수 있다. 만약, 잡음(130)이 목적신호(110)를 기준으로 270도 내지 450도(즉, 90도) 이내가 되는 방향(다시 말하면, 목적신호(110)와 같은 측)에 잡음이 있는 경우에는 도 2의 빔포머 중 45도의 널 디렉션을 가지는 빔포머와 같이 목적신호 이외의 신호가 커지고 목적신호(110)의 크기가 줄어 들어 목적신호를 정확히 측정할 수 없다.
따라서, 잡음의 위치는 목적신호(110)를 기준으로 90도 내지 270도 사이에 배치하고 90도 내지 270도 사이에 위치하는 잡음의 방향을 추정하는 것이 바람직하다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법의 상기 (a) 단계(1100)에서 상기 잡음은 방향이가 변할 수 있고, 상기 (d) 단계(1400)에서 상기 잡음의 방향으로 추정된 널 디렉션을 가지는 빔포머를 이용하여 상기 잡음을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법을 요약하면, 목적신호와 방향을 알 수 없는 잡음이 섞인 초기 입력신호가 주어지면, 보이스 액티비티 디텍터(VAD)를 통해 잡음을 추정하고, 널 디렉션(null direction)이 다른 다수개의 빔포머를 통과한 목적신호의 출력신호를 추정한다. 추정된 목적신호와 잡음을 노멀라이즈하여 SNR을 계산하고, 가장 높은 SNR을 갖는 빔포머의 널 디렉션이 잡음의 방향과 가장 유사하다고 추정할 수 있다. 여기서, 지속 결정 시간(decision duration)이 초과하지 않는 동안 추정된 빔포머를 사용하며, 지속 결정 시간을 초과할 경우 빔포머를 재추정하는 과정을 거치게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법은 보청기에 적용될 수 있는데, 이 경우 기존에 만들어진 보청기에 본 발명의 일 실시예에 따른 잡음 방향 탐지 방법을 펌웨어(firmware)를 업그레이드하는 방식으로 탑재하면, 보청기 착용자는 잡음의 방향이 변하는 상황에서도 보다 정확하게 목적신호인 음성을 인식할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 일실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110: 목적신호
120: 보청기 착용자
130: 잡음

Claims (13)

  1. (a) 잡음의 방향이 변화하는 상황에서 상기 잡음의 방향을 추정하기 위해 널 디렉션(null direction)이 다른 다수개의 빔포머(beamformer)에 목적신호 및 상기 목적신호(target signal)에 혼재된 잡음(noise)을 입력하는 단계;
    (b) 상기 다수개의 빔포머 각각에 대해서 상기 신호 대 상기 잡음의 비를 계산하는 단계;
    (c) 상기 다수개의 빔포머 중에서 상기 신호 대 상기 잡음의 비가 가장 큰 빔포머를 선별하는 단계; 및
    (d) 상기 선별된 빔포머의 널 디렉션을 상기 잡음의 방향으로 추정하는 단계;를 포함하며,
    상기 (a) 단계와 상기 (b) 단계 사이에는 상기 잡음의 변화 여부를 판단하는 단계가 수행되는 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    상기 잡음을 측정하는 단계;
    상기 다수개의 빔포머를 통과한 각각의 목적신호를 측정하는 단계;
    상기 각각의 목적신호를 노멀라이즈하는 단계; 및
    상기 노멀라이즈된 목적신호 대 상기 잡음의 비를 각각 계산하는 단계;
    를 포함하는 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    상기 다수개의 빔포머 각각에 대해서 상기 잡음을 측정하는 단계;
    상기 다수개의 빔포머를 통과한 각각의 목적신호를 측정하는 단계;
    상기 잡음 및 상기 목적신호를 각각 노멀라이즈하는 단계; 및
    상기 노멀라이즈된 목적신호 대 상기 노멀라이즈된 잡음의 비를 각각 계산하는 단계;
    를 포함하는 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 (c) 단계는 상기 노멀라이즈된 목적신호가 가장 큰 빔포머에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 상기 잡음을 측정하는 단계는,
    상기 신호가 존재하지 않는 구간에서 상기 잡음을 측정하는 것을 특징으로 하는 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 상기 잡음을 측정하는 단계는,
    보이스 액티비티 디텍터에 의해서 상기 잡음이 업데이트하는 것을 특징으로 하는 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 상기 잡음을 측정하는 단계는,
    상기 보이스 액티비티 디텍터가 NO이면 상기 잡음을 측정하고, 상기 보이스 액티비티 디텍터가 YES이면 이전에 측정된 잡음을 사용하는 것을 특징으로 하는 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 잡음의 변화 여부를 판단하는 단계에서 상기 잡음이 변화하지 않는 경우에는 상기 (d) 단계를 수행하고, 상기 잡음이 변화한 경우에는 상기 (b) 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 잡음의 변화 여부를 판단하는 단계는 초기 프레임 해당 여부 또는 결정 지속 시간 초과 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 상기 잡음은 상기 목적신호의 위치를 기준으로 90도 내지 270도 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 추정된 상기 잡음 방향의 정확도는 상기 빔포머의 개수와 비례하는 것을 특징으로 하는 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 상기 잡음은 방향이 변하는 것을 특징으로 하는 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 상기 잡음의 방향으로 추정된 널 디렉션을 가지는 빔포머를 이용하여 상기 잡음을 제거하는 단계를 더 포함하는 다중 빔포머를 이용한 잡음 방향 탐지 방법.
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