KR101345774B1 - 회전형 마이크로폰 어레이를 이용한 3차원 음원의 방향 검지 장치 및 방법 - Google Patents

회전형 마이크로폰 어레이를 이용한 3차원 음원의 방향 검지 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

플랫폼의 일측 및 타측에 각각 설치된 회전형 마이크로폰 및 고정형 마이크로폰을 포함하는 센서부, 회전형 마이크로폰의 위치를 측정하는 위치 측정부 및 회전형 마이크로폰 및 고정형 마이크로폰에서 측정되는 음원의 지연시간 및 지연시간의 평균값을 계산하고, 지연시간의 평균값을 이용하여 음원의 수평각을 결정하고, 지연시간의 최대값 또는 최소값을 이용하여 음원의 고도각을 결정하는 프로세서를 포함하는 회전형 마이크로폰을 이용한 음원의 방향 검지 장치 및 이를 이용한 방향 검지 방법이 개시된다.

Description

회전형 마이크로폰 어레이를 이용한 3차원 음원의 방향 검지 장치 및 방법{THREE DIMENSIONAL SOUND SOURCE LOCALIZATION DEVICE USING ROTATIONAL MICROPHONE ARRAY AND SOUND SOURCE LOCALIZATION METHOD USING THE SAME}
본 발명은 음원의 방향 검지 기술에 관련되며, 더욱 상세하게는 회전형 마이크로폰을 이용한 음원의 방향 검지 기술에 관련된 것이다.
종래의 음원의 방향 검지 기술은 고정된 마이크로폰 어레이를 기반으로 발전하였으며 어레이를 구성하는 마이크로폰의 절대적인 위치 혹은 적용 대상(예컨대, 로봇의 플랫폼)에 대한 상대적인 위치를 미리 알고 있는 경우에 적용이 가능하며 이에 적용된 방향 검지 방법에는 다음과 같은 검지 기법들로 분류할 수 있다. (1) 마이크로폰 사이의 도달 지연 시간 (Time Difference of Arrival, TDOA)을 이용한 방법, (2) 대상 플랫폼의 머리전달함수 (Head-Related Transfer Function, HRTF) 데이터베이스를 이용한 방법, (3) 다채널 마이크로폰 어레이를 이용한 빔포밍 (Beam-forming)방법, eigenvalue problem으로의 해석법이있다.
첫 번째, 도달 지연 시간을 이용하는 방법은 타기법과 비교하였을 때 빠른 계산 시간으로 인하여 실시간성이 가장 높은 기법으로 일반적으로 자유음장(반사파의 영향을 무시할 수 있는 공간)내에 존재하는 마이크로폰 어레이를 이용하는 것이 일반적이다. 이 방법은 특정한 플랫폼에 마이크로폰이 존재하는 경우에는 음원의 방향에 의존적인(dependent한) 시간지연정보를 기반으로 검지가 가능하다. 하지만, 3차원에 존재하는 음원의 수평각과 고도각을 동시에 추정하기 위해서는 4개 이상의 마이크로폰을 사용하여야 한다.
두 번째로 머리전달함수(HRTF) 데이터베이스를 이용하는 방법은 마이크로폰 어레이가 자유음장 내에 존재하지 않을 때에도 적용이 가능하며 이를 위해서는 음원의 방향에 의존적인(dependent한) spectral cue 및 채널간의 레벨과 위상차이 등의 정보를 미리 확보해야 한다. 따라서 시스템에 할당되는 메모리 사이즈가 커야 하고 고 사양의 신호처리장치가 필요함으로 실시간 방향 검지에 적용하기에는 한계가 있다. 또한, 대상 플랫폼이 달라지는 경우, 그 플랫폼에 맞는 고유의 머리전달함수를 측정하여야 하기 때문에 별도로 머리전달함수 측정을 위한 프로세스가 요구된다. 따라서 다양한 플랫폼에 적용시키기에는 한계가 있다.
세 번째로 다채널로 이루어진 마이크로폰 어레이를 사용하는 방법(beamforming 방법, eigenvalue problem 해석법)은 일반적으로 일정한 간격으로 배치된 다수의 마이크로폰으로 어레이를 구성하고 이러한 어레이는 동일한 평면상에 배치된 형태를 취한다. 음원의 소리 인식, 소리 저감, 장애검출(fault detection) 등 다양한 목적을 위한 적용이 가능하다는 장점이 있지만, 특정한 플랫폼(예컨대, 인간형 로봇의 머리)에 부착을 해야 하는 조건이 있는 경우에는 적용이 불가능하며 다채널 음향신호를 동시에 분석해야함으로 계산시간이 오래 걸린다는 단점이 있다.
위와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 회전형 마이크로폰 어레이를 이용하였을 때 측정되는 도달시간지연궤적을 수학적으로 분석하고 이 궤적의 파라미터로써 궤적의 평균값과 최대/최소값을 가지는 회전각이 음원의 수평각과 고도각과의 관계를 알아보고, 이러한 관계를 이용하여 다음원의 수평각과 고도각을 검지하는 음원방향검지지표를 제안한다. 이를 통하여 측정되는 도달시간지연궤적의 평균값과 최대 및/또는 최소값에 해당되는 회전각을 이용하여 음원의 수평각과 고도각을 구할 수 있는 장치 및 방법을 제시할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 회전형 마이크로폰을 이용한 음원의 방향 검지 장치는 플랫폼의 일측 및 타측에 각각 설치된 회전형 마이크로폰 및 고정형 마이크로폰을 포함하는 센서부, 상기 회전형 마이크로폰의 위치를 측정하는 위치 측정부 및 상기 회전형 마이크로폰 및 상기 고정형 마이크로폰에서 측정되는 음원의 지연시간 및 상기 지연시간의 평균값을 계산하고, 상기 지연시간의 평균값을 이용하여 상기 음원의 수평각을 결정하고,상기 지연시간의 최대값 또는 최소값을 이용하여 상기 음원의 고도각을 결정하는 프로세서를 포함할 수 있다.
또한, 상기 센서부는 상기 회전형 마이크로폰의 회전 중심과 상기 고정형 마이크로폰의 중심이 상기 플랫폼의 중심을 기준으로 180° 위상차로 설치된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 센서부는, 상기 플랫폼의 중심을 기준으로 180° 위상차로 설치된 제2 회전형 마이크로폰 및 제2 고정형 마이크로폰을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 위치 측정부는 엔코더인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는 상기 음원으로부터 상기 회전형 마이크로폰 및 상기 고정형 마이크로폰까지의 거리차이를 기초로 상기 지연시간을 계산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는 기 저장된 수평각-지연시간의 평균값에 대한 데이터와 상기 계산된 평균값을 비교하여 수평각을 결정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는 상기 지연시간이 최대값을 갖는 회전각과 90°차이 나는 각 또는 상기 지연시간이 최소값이 되는 회전각과 270°차이 나는 각을 상기 음원의 고도각으로 결정하되, 상기 회전각은 상기 회전형 마이크로폰의 회전된 각도인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는 상기 플랫폼의 중심을 기준으로한 상기 회전형 마이크로폰과 상기 음원 사이의 사이각이 회절 임계각 보다 큰 경우와 작은 경우를 구분하여 상기 지연시간 및 상기 지연시간의 평균값을 계산하되,
상기 회절 임계각(θc)은 cos- 1(dR/dS)으로 정의되고, dR은 상기 플랫폼의 중심에서 상기 회전형 마이크로폰까지의 방향벡터이고, dS는 상기 플랫폼의 중심에서 상기 음원까지의 방향벡터인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는 상기 플랫폼의 중심을 기준으로한 상기 고정형 마이크로폰과 상기 음원 사이의 사이각이 회절 임계각 보다 큰 경우와 작은 경우를 구분하여 상기 지연시간 및 상기 지연시간의 평균값을 계산하되,
상기 회절 임계각(θc)은 cos- 1(dR/dS)으로 정의되고, dR은 상기 플랫폼의 중심에서 상기 회전형 마이크로폰까지의 방향벡터이고, dS는 상기 플랫폼의 중심에서 상기 음원까지의 방향벡터인 것을 특징으로 하는 할 수 있다.
또한, 음원의 수평각 변화에 따른 지연시간의 평균값에 대한 데이터를 저장하는 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 회전형 마이크로폰을 이용한 음원의 방향 검지 방법은, 플랫폼에 설치된 회전형 마이크로폰 및 고정형 마이크로폰으로 음원으로부터의 신호를 수신하는 단계, 상기 회전형 마이크로폰의 위치를 측정하는 단계, 상기 회전형 마이크로폰 및 상기 고정형 마이크로폰으로 수신된 신호의 지연시간 및 상기 지연시간의 평균값을 계산하는 단계, 상기 평균값을 이용하여 상기 음원의 수평각을 결정하는 단계, 상기 지연시간의 최대값 또는 최소값을 이용하여 상기 음원의 고도각을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 음원으로부터의 신호를 수신하는 단계는, 상기 플랫폼의 중심을 기준으로 상기 회전형 마이크로폰의 회전 중심과 상기 고정형 마이크로폰의 중심이 180° 위상차로 설치되어 상기 신호를 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 회전형 마이크로폰의 위치를 측정하는 단계는, 엔코더를 이용하여 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 지연시간 및 상기 지연시간의 평균값을 계산하는 단계는, 상기 음원으로부터 상기 회전형 마이크로폰 및 상기 고정형 마이크로폰까지의 거리차이를 기초로 상기 지연시간을 계산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 평균값을 이용하여 상기 음원의 수평각을 결정하는 단계는, 기 저장된 수평각-지연시간의 평균값에 대한 데이터와 상기 계산된 평균값을 비교하여 수평각을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 지연시간의 최대값 또는 최소값을 이용하여 상기 음원의 고도각을 결정하는 단계는, 상기 지연시간이 최대값을 갖는 회전각과 90°차이 나는 각 또는 상기 지연시간이 최소값이 되는 회전각과 270°차이 나는 각을 상기 음원의 고도각으로 결정하는 단계를 포함하되, 상기 회전각은 상기 회전형 마이크로폰의 회전된 각도인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 지연시간 및 상기 지연시간의 평균값을 계산하는 단계는, 상기 플랫폼의 중심을 기준으로 한 상기 회전형 마이크로폰과 상기 음원 사이의 사이각이 회절 임계각보다 큰 경우와 작은 경우를 구분하여 상기 지연시간 및 상기 지연시간의 평균값을 계산하는 단계를 포함하되 상기 회절 임계각(θc)은 cos- 1(dR/dS)으로 정의되고, dR은 상기 플랫폼의 중심에서 상기 회전형 마이크로폰까지의 방향벡터이고, dS는 상기 플랫폼의 중심에서 상기 음원까지의 방향벡터인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 지연시간 및 상기 지연시간의 평균값을 계산하는 단계는, 상기 플랫폼의 중심을 기준으로한 상기 고정형 마이크로폰과 상기 음원 사이의 사이각이 회절 임계각 보다 큰 경우와 작은 경우를 구분하여 상기 지연시간 및 상기 지연시간의 평균값을 계산하는 단계를 포함하되, 상기 회절 임계각(θc)은 cos-1(dR/dS)으로 정의되고, dR은 상기 플랫폼의 중심에서 상기 회전형 마이크로폰까지의 방향벡터이고, dS는 상기 플랫폼의 중심에서 상기 음원까지의 방향벡터인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 3차원상에 존재하는 단음원 또는 다음원의 방향(수평각 및 고도각)을 추정할 수 있다. 이는 고정된 센서 2개만을 사용하였을 때 발생하는 앞-뒤 혼동현상을 방지할 뿐만 아니라, 음원의 수평각과 고도각을 동시에 추정하여 단음원 뿐만 아니라, 다음원이 존재하는 환경에서도 음원의 방향을 검지할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 마이크로폰 어레이를 이용한 음원의 방향 검지에 대한 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음원 방향 검지 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서부의 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 음원 방향 검지 장치(100)를 설명하기 위한 양이간 극 좌표계(Interaural-Polar Coordinate System)이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 음원의 방향을 추정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 에서는 회전형 마이크로폰(111)의 방향 벡터(d R )와 음원 방향 벡터(d S )간의 사이각(θdRdS) 및 임계원(600; Critical Circle)에 대한 정의를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예서, 음원의 수평각에 따라 변화하는 지연시간의 피크투 피크값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 음원의 수평각에 따라 변화하는 지연시간의 평균값을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라, 다음원이 존재할 때, 회전각 및 지연시간에 따라 구해진 PHAT GCC를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에따라, 도 9의 PHAT GCC와 지연시간에 대한 데이터를 기초로 구해진 SDE(Source Direction Estimator, 음원방향검지지표)를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 음원의 방향을 검지하는 방법에 대한 순서도를 보여준다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다. 그러나, 첨부된 도면 및 이하의 설명은 본 발명에 따른 음원 방향 검지 장치 또는 방법에 가능한 일 실시예들에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상이 하기의 내용에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 마이크로폰 어레이를 이용한 음원의 방향 검지에 대한 개략 구성도이다. 도 1을 참조하면, 로봇 플랫폼에 설치된 마이크로폰에서 측정된 음향 신호를 이용하여 말하는 사람의 위치(방향)를 판단하게 되는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 장치가 이와 같이 로봇의 플랫폼등에 설치되어 음원의 방향을 검지하도록 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음원 방향 검지 장치의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 음원 방향 검지 장치(100)는 센서부(110), 위치 측정부(120), 및 프로세서(130)를 포함하고, 센서부(110)는 회전형 마이크로폰(111) 및 고정형 마이크로폰(112)을 포함할 수 있다. 또한 다른 일 실시예에서는 저장부(140)를 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 음원 방향 검지 장치(100)의 센서부(110)는 하나의 회전형 마이크로폰(111) 및 하나의 고정형 마이크로폰(112)을 포함할 수 있고, 복수의 회전형 및 고정형 마이크로폰(111,112)을 포함할 수도 있다. 그리고, 하나의 회전형 마이크로폰(111)과 다른 하나의 고정형 마이크로폰(112)은 한 쌍으로 동작하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 복수의 회전형 및 고정형 마이크로폰(111,112)은 임의의 플랫폼에 설치될 수 있다. 이 플랫폼은 로봇 또는 임의의 기계장치의 일부분일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서부의 개략적인 구성도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 육면체 형상의 플랫폼(113)에 설치된 센서부(110)의 회전형 마이크로폰(111) 및 고정형 마이크로폰(112)을 보여준다. 이 플랫폼(113)은 도 3에서 육면체로 표현되어 설명되지만, 구형 또는 임의의 형상일 수 있다. 또한, 센서부(110)는 추가적으로 제2 회전형 마이크로폰 및 제2 고정형 마이크로폰을 더 포함할 수 있으며, 이 제2 회전형 및 고정형 마이크로폰은 플랫폼의 중심을 기준으로 180° 위상차로 설치될 수 있다. 이 경우, 다른 회전형/고정형 마이크로폰 쌍과는 서로 교차되도록 설치될 수 있고, 바람직하게는 플랫폼의 중심을 기준으로 두 쌍의 마이크로폰이 90°의 각을 가지며 교차되도록 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 음원 방향 검지 장치(100)의 위치 측정부(120)는 회전형 마이크로폰(111)의 위치를 측정하는 기능을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, 위치 측정부(120)는 엔코더일 수 있다. 그러나 엔코더 이외에도 회전하는 물체의 위치 및 회전 각도등을 측정할 수 있는 구성이라면 위치 측정부(120)에 포함될 수 있다. 위치 측정부(120)는 회전하는 회전형 마이크로폰(111)의 회전 각도 및 이동 거리를 산출하여 원점에 대한 마이크로폰의 위치를 산출할 수 있다. 여기서 원점이란 회전형 마이크로폰(111) 및 고정형 마이크로폰(112)의 상대적인 위치를 측정하기 위한 기준이 되는 임의의 지점으로서, 일 실시예에서는 도 3의 플랫폼의 중심지점 등이 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 음원 방향 검지 장치(100)의 프로세서(130)는 센서부(110) 및 위치 측정부(120)에서 측정된 정보를 기초로 음원의 위치를 추정할 수 있다. 구체적으로, 프로세서(130)는 회전형 마이크로폰(111) 및 고정형 마이크로폰(112)에서 측정되는 음원의 지연시간 및 상기 지연시간의 평균값(예컨대, 회전형 마이크로폰이 1회전하는 동안의 평균값)을 계산하고, 지연시간의 평균값을 이용하여 음원의 수평각을 결정하고, 지연시간의 최대값 또는 최소값을 이용하여 상기 음원의 고도각을 결정하여 음원의 위치를 추정할 수 있다. 여기서 지연시간은 음원으로부터 각 마이크로폰까지의 거리차이를 음파의 시간으로 나누어 계산할 수 있다.
일 실시예에서, 프로세서(130)는 각 마이크로폰에서 측정되는 신호를 각각의 프레임별로 구분한다(signal segmentation). 그리고, 회전형 마이크로폰(111)의 궤적으로 Cross-Correlation Fuction을 추정하여 도달 지연을 추정할 수 있다. 그리고 프로세서(130)는 측정된 지연시간의 평균값과 최대값(또는 최소값)을 가지는 회전각을 추정하여 저장부(미도시)에 저장된 지연시간의 평균값과 비교하여 음원의 수평각과 고도각을 동시에 추정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 지연시간을 구할 때 PHAT(PHAse Transform) GCC(Gerneralized Cross-Correlation) 함수를 사용하였으나 각 프레임별로 지연시간을 구하는 다른 방식을 사용할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 음원 방향 검지 장치(100)를 설명하기 위한 양이간 극 좌표계(Interaural-Polar Coordinate System)이다. 이 외에 다른 좌표계도 사용할 수 있으며, 설명의 편의를 위해 본 명세서에서는 양이간 극좌표계를 기준으로 설명하도록 한다. 수직 극좌표계에서 +Y 방향은 앞쪽(front)을 나타내고, +X 방향은 오른쪽(right)을 나타내고, +Z 방향은 위쪽(up)을 나타낸다. 이에 따라 일 실시예에서는, 음원 방향 검지 장치(100)의 앞쪽을 기준으로 수평각(Φs) 및 고도각(θs)으로서 음원의 방향을 추정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 음원의 방향을 추정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 이하에서는 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(130)가 음원의 위치를 추정하는 과정에 대하여 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 5를 참조하면, 구형의 플랫폼(513)에 설치된 회전형 마이크로폰(111) 및 고정형 마이크로폰(112)이 나타난다. 즉, 도 5에 나타난 음원의 방향 검지 장치는 두 개의 채널을 구비한다. 고정형 마이크로폰(112)은 플랫폼(513)의 좌측면(-rH,0,0)에 고정되어 있으며, 회전형 마이크로폰(111)은 플랫폼(513)의 우측면에 위치하며 일정한 궤적으로 회전한다. 여기서, CR은 회전형 마이크로폰(111)의 회전 중심이며,θshift는 Z축과 CR로부터 회전하는 회전형 마이크로폰(111) 까지의 방향 벡터간의 사이각을 의미하며 본 명세서에서는 회전형 마이크로폰의 회전각으로 언급한다. d S 는 플랫폼(513)의 중심(CH)으로부터 음원(5000)까지의 방향벡터를 나타내며, d R 은 플랫폼의 중심(CH)로부터 회전하는 회전형 마이크르폰(111)까지의 방향 벡터를 나타낸다. θR은 +X축과 d R 사이의 사이각을 나타내며, 도 5에 나타난 방향 검지 장치의 경우, 회전반경(rR)이 일정하고 회전단이 +Z축과 +Y축을 포함하는 평면에 존재하기 때문에, θR가 θshift의 변화에 무관하게 일정(constant)할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서부(110)의 회전형 마이크로폰(111)은 회전 중심(114)을 기준으로 일정한 각속도를 가지고 회전하도록 구성될 수 있다. 또한, 이 회전 중심은 고정형 마이크로폰(112)과 180°위상차를 가진 위치에 설치될 수도 있다. 이에 따라 일 실시예에서는, 회전 중심(114)과 고정형 마이크로폰(112) 및 플랫폼(113)의 중심이 일직선 상에 위치될 수도 있다. 그러나, 다른 실시예에서는 회전 중심(114)과 고정형 마이크로폰(112)이 플랫폼(113)의 중심을 기준으로 하여 임의의 각도로 설치될 수도 있다.
도 6은 에서는 회전형 마이크로폰(111)의 방향 벡터(d R )와 음원 방향 벡터(d S )간의 사이각(θdRdS) 및 임계원(600; Critical Circle)에 대한 정의를 설명하기 위한 도면이다. 도 6을 참조하면, 2차원 사람의 청각 모델에 적용된 광선 추적법(Ray-Tracing Method)에 정의된 임계점(Critical Point)을 3차원 모델에 적용하였을 때에는 임계원으로 표현되고, 물리적으로 임계원이란 음원에서 방사된 음파가 구(예컨대, 로봇 플램폼) 표면에 도달한 뒤 회절파로 전파되기 시작하는 원을 나타내며 수학적으로는 θdRdS와 θc(회절 임계각)가 일치하는 원을 나타낸다. θc은 cos-1(d R /d S )로 표현되며 구표면에 도달한 음파가 회절파로 바뀌는 방향벡터 간의 사이각을 나타낸다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(130)가 회전형 마이크로폰(111) 및 고정형 마이크로폰(112)에서 측정되는 음원(5000)의 지연시간 및 이 지연시간의 평균값을 계산하는 과정을 설명한다. 지연시간 및 이 지연시간의 평균값을 계산하기위해서는 아래의 식들을 이용하여 계산할 수 있다.
수학식 1과 수학식 2는 플랫폼 중심(CH)으로부터 회전하는 마이크로폰(111)까지의 방향 벡터(d R )와 고정된 마이크로폰(112)까지의 방향 벡터(d F )를 나타내며 수학식 3은 음원(5000)까지의 방향 벡터(d S )를 나타낸다. 음원의 방향(수평각(Φs)과 고도각(θs))은 도 4에 나타낸 양이간-극 좌표계를 참조하여 표현된다. 또한 수학식 1 내지 3의 방향 벡터들은 거리에 의해 정규화(normalized)되거나 되지 않은 값일 수도 있다.
Figure 112012103132434-pat00001
Figure 112012103132434-pat00002
Figure 112012103132434-pat00003
수학식 1 내지 3을 이용하여 회전형 마이크로폰의 방향 벡터와 음원의 방향벡터 사이의 사이각 θdRdS는 아래의 수학식 4에 나타나고, 고정형 마이크로폰의 방향 벡터와 음원의 방향 벡터 사이의 사이각 θdFdS는 수학식 5에 나타난다.
Figure 112012103132434-pat00004
Figure 112012103132434-pat00005
음원으로부터 방사된 음파(즉, 신호)가 두 채널(즉, 회전형 마이크로폰 및 고정형 마이크로폰)에 도달하는 지연시간은 음파가 각 마이크로폰까지 이동한 거리의 차이를 음파의 이동 속도(343 m/s, 상온에서)로 나눈 값이 될 수 있다. 각 마이크로폰까지 음파가 이동한 거리는 수학식 6 및 수학식 7에 나타난다. 구체적으로, 수학식 6은 음원으로부터 회전형 마이크로폰까지 음파가 이동한 거리값을 나타내고, 수학식 7은 음원으로부터 고정형 마이크로폰까지 음파가 이동한 거리값을 나타낸다.
Figure 112012103132434-pat00006
Figure 112012103132434-pat00007
여기서, 각 마이크로폰까지의 이동거리 차이는 수학식 8과 같이 정의될 수 있다. 또한 플랫폼의 중심으로부터 음원까지의 거리가 센서부의 크기보다 매우 큰 경우에는 수학식 9와 같이 정의될 수도 있다.
Figure 112012103132434-pat00008
Figure 112012103132434-pat00009
수학식 6 및 수학식 7에서 음원으로부터 각 마이크로폰까지의 도달거리는 그 사이각이 θc보다 작은 경우와 큰 경우로 구분하여 계산하게 된다. 이는 도 5에서 확인할 수 있듯이 두 마이크로폰이 좌우에 배치되어 있기 때문에 음원의 수평각에 따라서 각 마이크로폰(회전형, 고정형)에 도달하는 음파의 형태가 직접파 또는 회절파의 형태로 전달되게 된다. 예를 들어 음원이 좌측(-90°< 수평각 < -θR)에 위치할 경우, 고정형 마이크로폰에는 직접파 형태로 음파가 전달되며 회전형 마이크로폰에는 회절파 형태로 음파가 전달된다. 즉, 수학식 6과 수학식 7의 위에 해당되는 영역의 수학식을 사용하여 이동거리를 추정할 수 있다. 반대로 음원이 우측(θR < 수평각 < 90°)에 존재하는 경우는 식 6과 식 7에 해당되는 영역에 대한 식에 의해 이동거리를 추정할 수 있다. 또한, 음원이 앞쪽(-θR < 수평각 < θR)에 존재하는 경우에는 회전형 마이크로폰의 회전각의 변화에 따라 식을 달리하여 이동거리를 추정하게 된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예서, 음원의 수평각에 따라 변화하는 지연시간의 변화를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에서 프로세서(130)는 회전형 마이크로폰이 1회 회전하는 동안 또는 임의의 수만큼 회전하는 동안에 두 개의 마이크로폰에서 측정되는 지연시간을 계산할 수 있다. 한 주기 동안에 대한 지연시간의 피크투피크값(peak to peak value)은 수학식 9의 최대값과 최소값의 차이로 정의될 수 있다. 따라서, 지연시간의 최대값은 θshift가(π/2 - θs)가 될 때고, 최소값은 (3π/2 - θs)로 나타날 수 있다. 즉, 프로세서(130)는 지연시간이 최대값을 갖는 θshift과 90°차이나는 각 또는 지연시간이 최소값이되는 θshift와 270°차이나는 각을 음원의 고도각을 결정할 수 있다. 이러한 θshift은 수학식 10에 나타난 바와 같이 정의될 수 있다. 도 7을 참조하면, QR1및 QR2는 θR 및 + θR을 각각 나타냄을 알 수 있다. 또한, 도 8에 있어서도, QR1및 QR2는 각각 θR 및 + θR이다.
Figure 112012103132434-pat00010
본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(130)는 위와 같이 음원의 고도각을 결정함과 동시에 음원의 수평각을 아래와 같은 과정을 통하여 결정할 수 있다. 프로세서(130)는 음원의 수평각 변화에 따른 지연시간의 평균값에 대한 데이터를 기 저장해 두었다가, 측정되는 지연시간의 평균값을 계산하여 저장된 데이터와 비교함으로써 수평각을 결정하게 된다. 이에 따라, 본 발명의 다른 일 실시예에서는 이러한 데이터를 저장하기 위한 저장부(104)를 더 포함할 수 있다.
또한, 수학식 10에서 정의된 바와 같이 회전각(θshift) 및 음원의 수평각에의해 결정되는 도달 거리차이의 피크투 피크값을 수학적으로 표현하면 수학식 11과 같다.
Figure 112012103132434-pat00011
그리고, 음원의 수평각에 따라 결정되는 지연시간의 피크투피크값은 수학식 11을 음파의 이동속도로 나눈 값으로 도 7과 같다.
도 8은 음원의 수평각에 따라 변화하는 지연시간의 평균값을 나타낸다. 도 8의 평균값들은 각 마이크로폰까지의 이동거리의 차이의 평균값을 계산하여 산출할 수 있다. 일 예에서는 수학식 12를 이용하여 계산할 수 있다. 그리고 지연시간의 평균값을 음원의 수평각에 따라서 구체적으로 살펴보면 수학식 13과 같다.
Figure 112012103132434-pat00012
Figure 112012103132434-pat00013
따라서, 음원의 수평각에 따라서 변화하는 지연시간의 평균값은 수학식 13을 음파의 이동속도로 나눈 값으로 도 8의 그래프와 같이 수평각에 따라 단조 증가/감소하는 형태를 보인다. 따라서, 프로세서(130)는 측정되는 지연시간의 평균값을 구함으로써 음원의 수평각을 결정할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른, 음원 방향 검지 장치(100)의 저장부(140)는 음원의 수평각 변화에 따른 지연시간의 평균값에 대한 데이터를 저장할 수 있다.
상술한 수학식 1 내지 수학식 13을 참조하여 음원의 수평각 및 고도각을 결정하는 과정은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(130)에 의해서 수행될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라, 다음원(a plurality of source)이 존재할 때, 회전각 및 지연시간에 따라 구해진 PHAT GCC를 나타낸다. 여기서, x축은 회전각, y축은 지연시간을 나타내며, z축은 PHAT GCC를 나타낸다. 또한 제1 음원 및 제2 음원은 (수평각, 고도각)이 각각 (0°,0°) 및 (30°,0°)이다. 이때, splined PHAT GCC는 spline으로 GCC 함수를 인터폴레이션한 결과를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에따라, 도 9의 PHAT GCC와 지연시간에 대한 데이터를 기초로 구해진 SDE(Source Direction Estimator, 음원방향검지지표)를 나타낸다. 도 10을 참조하면, 두 방향((0°,0°) 및 (30°,0°))에서 로컬 피크값을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 즉 이로부터 본 발명의 일 실시예에 따른 음원의 방향 검지 장치는 단음원뿐만 아니라 다음원에 대하여도 수평각과 고도각을 동시에 구분할 수 있음을 보여준다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 음원의 방향을 검지하는 방법에 대한 순서도를 보여준다. 본 발명의 일 실시예에 따른 음원의 방향을 검지하는 방법은, 회전형 마이크로폰 및 고정형 마이크로폰으로 음원으로부터의 신호를 수신하는 단계(S1), 회전형 마이크로폰의 위치를 측정하는 단계(S2), 회전형 마이크로폰 및 고정형 마이크로폰으로 수신된 신호의 지연시간 및 상기 지연시간의 평균값을 계산하는 단계(S3), 지연시간의 평균값을 이용하여 음원의 수평각을 결정하는 단계(S4), 지연시간의 최대값 또는 최소값을 이용하여 음원의 고도각을 결정하는 단계(S5)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 회전형 마이크로폰 및 고정형 마이크로폰으로 음원으로부터의 신호를 수신하는 단계(S1)는 고정형 마이크로폰은 고정되고 회전형 마이크로폰은 일정한 궤적으로, 일정한 속도로 회전하는 상태에서 음원으로부터 신호를 수신할 수 있다. 이 두 마이크로폰은 플랫폼의 중심을 기준으로 180°위상차를 가지고 배치될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 회전형 마이크로폰의 위치를 측정하는 단계(S2)는 엔코더를 이용하여 수행될 수 있다. 물론 본 발명의 범위가 엔코더를 이용하여 회전형 마이크로폰의 위치를 측정하는것으로 한정되는 것은 아니며, 회전형 마이크로폰의 회전각도, 각속도 및 궤적을 측정할 수 있는 임의의 장치를 이용할 수도 있다. 또한, 본 명세서에서 마이크로폰이 신호를 수신하는 단계(S1) 다음에 회전형 마이크로폰의 위치를 측정하는 단계(S2)가 기술되었으나, 마이크로폰이 신호를 수신하기 전/후 또는 수신하면서 회전형 마이크로폰의 위치가 측정될 수 있다. 일 예로써 구동기에의해서 회전형 마이크로폰이 회전하기 시작하면서 회전형 마이크로폰의 위치를 측정할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 회전형 마이크로폰 및 고정형 마이크로폰으로 수신된 신호의 지연시간 및 상기 지연시간의 평균값을 계산하는 단계(S3)는 음원으로부터 각 마이크로폰까지의 거리를 구하고 그 거리차이를 신호의 속도(즉, 음파의 속도)로 나눔으로써 지연시간을 구할 수 있다. 이에 대한 구체적인 수학식 등 과정은 상술한 바와 같다.
본 발명의 일 실시예에서, 지연시간의 평균값을 이용하여 음원의 수평각을 결정하는 단계(S4)는, 기 저장된 수평각-지연시간의 평균값에 대한 데이터와 상기 계산된 평균값을 비교하여 수평각을 결정할 수 있다. 또한, 지연시간의 최대값 또는 최소값을 이용하여 음원의 고도각을 결정하는 단계(S5)는 상기 지연시간이 최대값을 갖는 회전각과 90°차이나는 각 또는 상기 지연시간이 최소값이되는 회전각과 270°차이나는 각을 상기 음원의 고도각으로 결정할 수 있다. 여기서, 회전각(θshift)은 회전형 마이크로폰의 회전된 각도를 의미한다. 상술한 S3 내지 S5 단계는 프로세서에 의해서 수행될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다
본 명세서에 기술된 실시예는 전적으로 하드웨어이거나, 부분적으로 하드웨어이고 부분적으로 소프트웨어이거나, 또는 전적으로 소프트웨어인 측면을 가질 수 있다. 본 명세서에서 "부(unit)", "모듈(module)", "장치" 또는 "시스템" 등은 하드웨어, 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 또는 소프트웨어 등 컴퓨터 관련 엔티티(entity)를 지칭한다. 예를 들어, 본 명세서에서 부, 모듈, 장치 또는 시스템 등은 실행중인 프로세스, 프로세서, 객체(object), 실행 파일(executable), 실행 스레드(thread of execution), 프로그램(program), 및/또는 컴퓨터(computer)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 컴퓨터에서 실행중인 애플리케이션(application) 및 컴퓨터의 양쪽이 모두 본 명세서의 부, 모듈, 장치 또는 시스템 등에 해당할 수 있다.
실시예들이 도면에 제시된 순서도를 참조로 하여 설명되었다. 간단히 설명하기 위하여 상기 방법은 일련의 블록들로 도시되고 설명되었으나, 본 발명은 상기 블록들의 순서에 한정되지 않고, 몇몇 블록들은 다른 블록들과 본 명세서에서 도시되고 기술된 것과 상이한 순서로 또는 동시에 일어날 수도 있으며, 동일한 또는 유사한 결과를 달성하는 다양한 다른 분기, 흐름 경로, 및 블록의 순서들이 구현될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 기술되는 방법의 구현을 위하여 도시된 모든 블록들이 요구되지 않을 수도 있다. 나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 일련의 과정들을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램의 형태로 구현될 수도 있으며, 상기 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수도 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (18)

  1. 플랫폼의 일측 및 타측에 각각 설치된 회전형 마이크로폰 및 고정형 마이크로폰을 포함하는 센서부;
    상기 회전형 마이크로폰의 위치를 측정하는 위치 측정부; 및
    상기 회전형 마이크로폰 및 상기 고정형 마이크로폰에서 측정되는 음원의 지연시간 및 상기 지연시간의 평균값을 계산하고,
    상기 지연시간의 평균값을 이용하여 상기 음원의 수평각을 결정하고,
    상기 지연시간의 최대값 또는 최소값을 이용하여 상기 음원의 고도각을 결정하는 프로세서를 포함하는 회전형 마이크로폰을 이용한 음원의 방향 검지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는,
    상기 회전형 마이크로폰의 회전 중심과 상기 고정형 마이크로폰의 중심이 상기 플랫폼의 중심을 기준으로 180° 위상차로 설치된 것을 특징으로 하는 회전형 마이크로폰을 이용한 음원의 방향 검지 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는,
    상기 플랫폼의 중심을 기준으로 180° 위상차로 설치된 제2 회전형 마이크로폰 및 제2 고정형 마이크로폰을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전형 마이크로폰을 이용한 음원의 방향 검지 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 위치 측정부는,
    엔코더인 것을 특징으로 하는 회전형 마이크로폰을 이용한 음원의 방향 검지 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 음원으로부터 상기 회전형 마이크로폰 및 상기 고정형 마이크로폰까지의 거리차이를 기초로 상기 지연시간을 계산하는 것을 특징으로 하는 회전형 마이크로폰을 이용한 음원의 방향 검지 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    기 저장된 수평각-지연시간의 평균값에 대한 데이터와 상기 계산된 평균값을 비교하여 수평각을 결정하는 것을 특징으로 하는 회전형 마이크로폰을 이용한 음원의 방향 검지 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 지연시간이 최대값을 갖는 회전각과 90°차이나는 각 또는 상기 지연시간이 최소값이되는 회전각과 270°차이나는 각을 상기 음원의 고도각으로 결정하되,
    상기 회전각은 상기 회전형 마이크로폰의 회전된 각도인 것을 특징으로 하는 회전형 마이크로폰을 이용한 음원의 방향 검지 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 플랫폼의 중심을 기준으로한 상기 회전형 마이크로폰과 상기 음원 사이의 사이각이 회절 임계각 보다 큰 경우와 작은 경우를 구분하여 상기 지연시간 및 상기 지연시간의 평균값을 계산하되,
    상기 회절 임계각(θc)은 cos- 1(dR/dS)으로 정의되고, dR은 상기 플랫폼의 중심에서 상기 회전형 마이크로폰까지의 방향벡터이고, dS는 상기 플랫폼의 중심에서 상기 음원까지의 방향벡터인 것을 특징으로 하는 회전형 마이크로폰을 이용한 음원의 방향 검지 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 플랫폼의 중심을 기준으로한 상기 고정형 마이크로폰과 상기 음원 사이의 사이각이 회절 임계각 보다 큰 경우와 작은 경우를 구분하여 상기 지연시간 및 상기 지연시간의 평균값을 계산하되,
    상기 회절 임계각(θc)은 cos- 1(dR/dS)으로 정의되고, dR은 상기 플랫폼의 중심에서 상기 회전형 마이크로폰까지의 방향벡터이고, dS는 상기 플랫폼의 중심에서 상기 음원까지의 방향벡터인 것을 특징으로 하는 회전형 마이크로폰을 이용한 음원의 방향 검지 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    음원의 수평각 변화에 따른 지연시간의 평균값에 대한 데이터를 저장하는 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전형 마이크로폰을 이용한 음원의 방향 검지 장치.
  11. 플랫폼에 설치된 회전형 마이크로폰 및 고정형 마이크로폰으로 음원으로부터의 신호를 수신하는 단계;
    상기 회전형 마이크로폰의 위치를 측정하는 단계;
    상기 회전형 마이크로폰 및 상기 고정형 마이크로폰으로 수신된 신호의 지연시간 및 상기 지연시간의 평균값을 계산하는 단계;
    상기 평균값을 이용하여 상기 음원의 수평각을 결정하는 단계;
    상기 지연시간의 최대값 또는 최소값을 이용하여 상기 음원의 고도각을 결정하는 단계를 포함하는 회전형 마이크로폰을 이용한 음원의 방향 검지 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 음원으로부터의 신호를 수신하는 단계는,
    상기 플랫폼의 중심을 기준으로 상기 회전형 마이크로폰의 회전 중심과 상기 고정형 마이크로폰의 중심이 180° 위상차로 설치되어 상기 신호를 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전형 마이크로폰을 이용한 음원의 방향 검지 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 회전형 마이크로폰의 위치를 측정하는 단계는,
    엔코더를 이용하여 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전형 마이크로폰을 이용한 음원의 방향 검지 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 지연시간 및 상기 지연시간의 평균값을 계산하는 단계는,
    상기 음원으로부터 상기 회전형 마이크로폰 및 상기 고정형 마이크로폰까지의 거리차이를 기초로 상기 지연시간을 계산하는 것을 특징으로 하는 회전형 마이크로폰을 이용한 음원의 방향 검지 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 평균값을 이용하여 상기 음원의 수평각을 결정하는 단계는,
    기 저장된 수평각-지연시간의 평균값에 대한 데이터와 상기 계산된 평균값을 비교하여 수평각을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전형 마이크로폰을 이용한 음원의 방향 검지 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 지연시간의 최대값 또는 최소값을 이용하여 상기 음원의 고도각을 결정하는 단계는,
    상기 지연시간이 최대값을 갖는 회전각과 90°차이나는 각 또는 상기 지연시간이 최소값이되는 회전각과 270°차이나는 각을 상기 음원의 고도각으로 결정하는 단계를 포함하되,
    상기 회전각은 상기 회전형 마이크로폰의 회전된 각도인 것을 특징으로 하는 회전형 마이크로폰을 이용한 음원의 방향 검지 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 지연시간 및 상기 지연시간의 평균값을 계산하는 단계는,
    상기 플랫폼의 중심을 기준으로한 상기 회전형 마이크로폰과 상기 음원 사이의 사이각이 회절 임계각보다 큰 경우와 작은 경우를 구분하여 상기 지연시간 및 상기 지연시간의 평균값을 계산하는 단계를 포함하되
    상기 회절 임계각(θc)은 cos- 1(dR/dS)으로 정의되고, dR은 상기 플랫폼의 중심에서 상기 회전형 마이크로폰까지의 방향벡터이고, dS는 상기 플랫폼의 중심에서 상기 음원까지의 방향벡터인 것을 특징으로 하는 회전형 마이크로폰을 이용한 음원의 방향 검지 방법.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 지연시간 및 상기 지연시간의 평균값을 계산하는 단계는,
    상기 플랫폼의 중심을 기준으로한 상기 고정형 마이크로폰과 상기 음원 사이의 사이각이 회절 임계각 보다 큰 경우와 작은 경우를 구분하여 상기 지연시간 및 상기 지연시간의 평균값을 계산하는 단계를 포함하되
    상기 회절 임계각(θc)은 cos- 1(dR/dS)으로 정의되고, dR은 상기 플랫폼의 중심에서 상기 회전형 마이크로폰까지의 방향벡터이고, dS는 상기 플랫폼의 중심에서 상기 음원까지의 방향벡터인 것을 특징으로 하는 회전형 마이크로폰을 이용한 음원의 방향 검지 방법.
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