KR101483271B1 - 음원 위치 추정에 있어 대표 점 선정 방법 및 그 방법을이용한 음원 위치 추정 시스템 - Google Patents

음원 위치 추정에 있어 대표 점 선정 방법 및 그 방법을이용한 음원 위치 추정 시스템 Download PDF

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조영규
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명은 음원의 위치를 추정함에 있어, 대표 점 선정 방법 및 그 방법을 이용한 음원 위치 추정 시스템에 관한 것이다. 음원의 위치 추정을 수행할 대상 공간을 도착지연시간(time difference of arrival; TDOA)을 기준으로 다수의 클러스터로 나누고, 나눠진 각 클러스터의 대표 점을 선정함에 있어서, 각 클러스터의 영역 내에 다수의 좌표를 선정하여, 선정된 다수의 좌표 중 특정 좌표를 기준으로 동일 클러스터 내의 타 좌표와의 거리의 합을 연산한 값이 최소가 되는 특정 좌표를 상기 클러스터의 대표 점으로 결정하여 테이블에 기록한다. 소리가 발생하면, 마이크로폰에 도달하는 음파의 도착지연시간을 파악하여, 파악된 도착 지연시간을 갖는 클러스터에 대해 SRP(Steered Response Power) 알고리즘 또는 SRP-PHAT(Steered Response Power - phase transform) 알고리즘을 수행하며, 상기 클러스터의 좌표 파악은 상기 위치 참조 테이블을 참조하는 방식으로 음원의 위치를 추정한다.
위치 추정, 대표점, 클러스터

Description

음원 위치 추정에 있어 대표 점 선정 방법 및 그 방법을 이용한 음원 위치 추정 시스템 {Method for Determining the Representative Point of Cluster and System for Sound Source Localization}
본 발명은 다수의 마이크로폰(microphone)을 이용하여 음원(音源, Sound Source)의 위치를 추정하는 방법 및 그 방법을 이용한 음원 위치 추정 시스템에 관한 것이다.
마이크로폰에 입력되는 소리의 파워, 시간차, 위상 등을 이용하여 음원의 위치를 추정할 수 있는데, 마이크로폰 하나만으로는 소리가 발생한 위치나 방향을 정확히 추정하기 어렵기 때문에 다수의 마이크로폰을 이용한다.
도 1은 종래 기술에 따른 다수의 마이크로 폰의 배열 구조를 나타낸 도면이다. 도 1 (a)는 마이크로폰을 선형으로 배열한 것을 나타낸 도면이며, 도 1 (b)는 마이크로폰을 원형으로 배열한 것을 나타낸 도면이며, 도 1 (c)는 100개 이상의 마이크로폰을 배열한 것을 나타낸 도면이다.
마이크로폰 배열은 여러 어플리케이션(application)에 적용 가능한데 특정 화자나 특정 위치에서 발생하는 소리만을 증폭 시켜주는 음원 증폭 (sound enhancement) 기술, 화자가 말을 하면 그 위치를 추적하는 음원 위치 추정 (sound source localization) 기술, 그리고 여러 화자가 동시에 말을 하여 혼합된 음성을 각 화자의 음성별로 분리시켜주는 음원 분리 (source separation) 기술 등에 사용 가능하다.
위의 음원 위치 추정 기술에서 가장 중요한 것은 추정 성능인데, 마이크로폰의 성능과 개수, 마이크로폰의 배치, 노이즈(noise)와 반향(echo)의 정도, 발성하는 화자의 수 등과 같은 요소들에 의해 추정 성능의 저하가 발생한다.
즉, 마이크로폰의 성능이 우수하거나 마이크로폰의 수가 많을 때 음원 위치 추정 성능은 좋아지나 노이즈와 반향이 클수록 추정 성능은 낮아진다. 또한 특정 어플리케이션에 적합한 마이크로폰 배치를 통해서 성능을 높일 수 있으나 발성하는 화자의 수가 증가할수록 모호성이 커지기 때문에 성능은 저하된다.
음원의 위치 추정 성능을 높이기 위해 마이크로폰의 수를 늘리면 되지만, 모든 어플리케이션에 많은 수의 마이크로폰을 배치할 수가 없다. 따라서 비교적 적은 수(4~8개)의 마이크로폰으로도 음원 추정 성능을 보장하기 위해 마이크로폰의 적절한 배치 방법 및 각 어플리케이션에 적합한 음원 위치 추정 알고리즘을 선택해야 한다.
3차원 공간에서 마이크로폰 배열을 통한 음원 위치 추정 기술은 아래와 같이 크게 3가지로 요약된다.
1. 도착 지연 시간(time difference of arrival: TDOA)을 이용한 방법
2. 조향된 빔형성기(steered beam former)를 이용한 방법
3. 고해상도 스펙트럼 추정을 이용한 방법
위와 같은 음원 위치 추정 기술과 관련된 설명을 참조할 수 있는 문헌은 아래와 같다. 또한, 본원 발명의 수행 과정에서 사용하게 될 SRP(Steered Response Power), SRP-PHAT(Steered Response Power - phase transform) 알고리즘에 관한 설명도 담겨있다.
[1] M. Omologo and P. Svaizer, “Use of the crosspower-spectrum phase in acoustic event location”, IEEE Transactions on Speech and Audio Processing, vol. 5, no. 3, pp. 288-292, 1997.
[2] R. Ben, K. Waleed, and S. Claude, “Real time robot audition system incorporating both 3D sound source localisation and voice characterization”, IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 4733-4738, 2007.
[3] M. Togami, T. Sumiyoshi, and A. Amano, “Stepwise phase difference restoration method for sound source localization using multiple microphone pairs”, International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, vol. 1, pp. 117-120, 2007.
[4] J. H. DiBiase, “A High-Accuracy, Low-Latency Technique for Talker Localization in Reverberant Environments Using Microphone Arrays”, Ph.D. thesis, Brown University, 2000.
[5] R. Schmidt, "Multiple emitter location and signal parameter estimation", IEEE transactions on antennas and propagation, vol. 34, pp. 276-280, 1986.
[6] A. Johansson, G. Cook, S. Nordholm, “Acoustic direction of arrival estimation a comparison between ROOT-MUSIC and SRP-PHAT”, IEEE Region 10 Conference on Convergent Technologies for the Asia-Pacific, vol. B, pp. 629-632, 2004.
위의 세 가지 음원 위치 추정 기술 중, 본원 발명과 관련성이 있는 위 1, 2의 방법 위주로 설명하고자 하며, 우선, 도착 지연 시간을 이용한 방법에 대해 도면을 들어 설명하면 다음과 같다.
도 2는 2차원 공간에서의 음원 발생과 도착 지연 시간을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 공간상의 특정 부분에 위치한 음원(20)에서 발생한 소리가 두 마이크로폰(22, 24)에 평면적으로 입력된다. 2차원 공간으로 가정하였으므로, 소리가 평면적으로 입력되는 것이다. 도 2에서, 음원(20)과의 거리가 좀 더 가까운 마이크로폰2(24)에 소리가 먼저 도달하게 되고 마이크로폰1(22)에는 도착 지연 시간 τ만큼 늦게 도착하게 된다.
도 2에서, 우리가 알고자 하는 것은 음원의 방향 즉, 두 마이크로폰(22, 24)과 음원(20) 간의 각도 θ값을 알고자 하는 것이다. 도 2에서 두 마이크로폰 사이 의 거리(dmic)와 도착 지연시간인 τ만큼 음원이 진행한 거리를 이용하여 sin 함수 식으로 표현하면 [수학식 1]을 얻을 수 있다.
Figure 112008046565110-pat00001
c는 소리의 속도이다. 위 [수학식 1]을 아래 [수학식 2]와 같이 변형하면 두 마이크로 폰과 음원 간의 각도 θ를 얻을 수 있다.
Figure 112008046565110-pat00002
[수학식 2]에서 소리의 속도 c, 두 마이크로폰 사이의 거리 dmic는 알고 있는 값이지만, 도착 지연 시간 τ는 알지 못하는 값이다. τ를 계산하는 방법 중에 하나가 GCC(Generalized Cross Correlation) 방법이다.
도 3은 GCC(Generalized Cross Correlation) 방법을 이용하여 도착 지연시간을 추정하는 방법을 나타낸 도면이다. 도 3 (a)는 두 마이크로폰(22, 24)에 입력된 신호를 나타낸 도면이고, 도 3 (b)는 두 마이크로폰에 입력된 신호의 상호 상관(cross correlation) 연산 결과를 나타낸 도면이다.
GCC 방법은 두 마이크로폰에 들어온 신호간의 상호 상관을 이용한 방법으로, 두 신호를 시간 축으로 이동하면서 상호 상관 연산을 수행하여 그 값이 가장 최대가 될 때의 이동 값을 도착 지연 시간으로 추정한다.
도 3 (a)와 같이 두 마이크로폰(22, 24) 간에 +2초 지연된 신호가 들어왔다고 할 때 두 신호를 시간 축으로 이동하면서 상호 상관 연산을 수행하면 도 3 (b)와 같은 그래프를 얻을 수 있다. 도 3 (b)에 도시된 바와 같이, -2의 값에서 가장 높은 값을 보이므로 도착 지연 시간은 -2가 되는 것을 알 수 있다.
도 3 (a), 도 3 (b)에 예시된 방법을 이용하여 도착 지연시간인 τ를 구하여 [수학식 2]에 대입하면 마이크로 폰(22, 24)과 음원(20) 간의 각도 θ값을 추정할 수 있게 된다.
도 4는 4개의 마이크로 폰을 이용한 음원 방향 추정 방법을 모식적으로 나타낸 도면이다.
음원이 발생하였을 때 측정된 두 마이크로폰 사이의 도착 지연 시간을 τ라고 할 때, 3차원 공간상에서 도착 지연 시간이 τ가 될 수 있는 모든 점들을 찍으면 하나의 하이퍼볼릭(hyperbolic)이 만들어지게 된다. 2개의 마이크로폰을 더 이용하여 총 4개의 마이크로폰을 이용하면 도 4에 도시된 바와 같이 2개의 하이퍼볼릭이 형성된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 위 2개의 하이퍼볼릭 면이 만나는 부분에 직선이 형성되는데 이 방향을 3차원 공간상의 음원 방향이라고 추정한다.
그러나, 도 4와 같이 마이크로폰 4개를 이용하면 음원의 방향만 알 수 있고 음원이 얼마나 멀리 떨어져 있는지는 알지 못한다. 또한, 2개의 하이퍼볼릭에 의해 생성되는 직선이 2개이기 때문에 소리가 발생한 방향이 앞인지 뒤인지를 알 수 없다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 마이크로폰의 수를 늘려야하며, 이는 도 5에 서 설명한다.
도 5는 8개의 마이크로폰을 이용한 음원 위치 추정 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 8개의 마이크로폰을 이용하면 4개의 마이크로폰 쌍마다 2개의 직선이 만들어지고, 이중 두 직선이 만나는 한 점 또는 두 직선이 가장 근접하는 한 점이 존재하게 되는데 이 점을 3차원 공간상의 음원이 발생한 위치로 추정한다.
그러나, 도 5에 도시한 방법에 의할 경우, 물리적으로 분리된 두 개의 영역에 마이크로폰을 위치시켜야 하기 때문에 하나의 장치로 도 5에 도시된 방법을 구현하기가 어렵다는 단점이 있다. 즉, 4개의 마이크로 폰이 하나의 세트일 때, 그러한 마이크로 폰 세트를 장착한 음원 위치 추정 장치를 2개나 설치하여야 하며, 공간상으로 분리시켜 설치하여야 한다. 또한, 동시에 여러 화자가 발성할 때 음원 위치 추정 성능이 급격히 떨어진다는 단점도 존재한다.
앞서 언급한 마이크로폰 배열을 통한 음원 위치 추정 기술 중 조향된 빔 형성기(steered beam former)를 이용한 방법은 아래와 같다.
도 6은 조향된 빔 형성기를 도수학식화하여 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 조향된 빔 형성기를 이용한 음원 위치 추정 방법은, 임의의 한 점에서 소리가 발생했을 때 여러 개의 마이크로폰을 통해 들어온 각각의 신호를 더하여 어떠한 곳에서 소리가 발생했는지 알아내는 방법이다.
각각의 신호를 더할 때, 여러 가지 조작을 가할 수 있는데, 조작의 방법에 따라 Delay-and-sum beam forming 방수학식과 Weight-and-sum beam forming 방수학식으로 구분해 볼 수 있다.
우선, Delay-and-sum beam forming 방수학식에 대해 설명하면 다음과 같다. 3차원 공간의 임의의 한 점 qs에서 음원이 발생했다고 가정했을 때, qs와 각각의 마이크로폰과의 거리는 모두 다르다. 즉, 임의의 한 점 qs에서 n번 마이크로폰에 도착하는 신호의 도착 지연시간을 τn이라고 했을 때, 도착 지연 시간을 고려하여 수식으로 나타내면 아래와 같다.
Figure 112008046565110-pat00003
각 마이크로 폰에 음원이 도달하는 도착 지연시간을 고려하여 시간 동기(synchronization)를 맞춰주기 때문에, 주변 잡음은 줄여주고 원래의 신호는 증폭시켜줄 수 있다.
Weight-and-sum beam forming 방식은, 상기 Delay-and-sum beam forming 방법에 하나의 연산을 더 추가한 것이다. 입력 장치의 특성이나, 마이크로폰과 음원 과의 위치로 인해, 특정 마이크로폰은 더 신뢰할 수 있는 정보를 가지게 되고, 또 다른 마이크로폰은 특정 마이크로폰에 비해 덜 신뢰할만한 정보를 담고 있을 수 있다.
예를 들어, 8개의 마이크로폰이 있을 때, 1번 마이크로폰의 성능이 가장 뛰어나거나, 마이크로폰이 1번이 음원에 직접적으로 노출되어 있는 경우, 1번 마이크로폰은 다른 7개의 마이크로폰에 비해 상대적으로 중요한 정보를 담고 있을 가능성이 크다. 이와 같은 경우, 각 마이크로폰에 입력된 신호의 연산시, 1번 마이크로폰으로 입력된 신호에 가중치(weight)를 둠으로서 성능의 향상을 기대할 수 있는데, 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112008046565110-pat00004
앞서 소개한 Delay-and-sum beam forming 방법과 비교시, Gn(ω)라는 weight filter가 추가되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, [수학식 4]는 [수학식 3]과 달리 대문자로 구성되어 있으며, 이는 주파수 도메인(domain) 상에서 표현되었음을 나타낸다. 퓨리에 변환(fourier transform)을 통해 신호의 축을 시간 축에서 주파수 축으로 변환한 것이며, 시간 축에 비해 주파수 축이 신호에 조작을 가해주기 쉽기 때문이다.
도 7은 SRP(Steered Response Power) 방법을 이용하여 측정한 공간 파워 그 래프를 나타낸 도면이다.
빔 형성기(beam former)로 받아들인 신호를 이용하여 음원의 위치 추적을 하기 위하여 사용하는 방법 중 하나가 SRP(Steered response power)이다. SRP는 공간상의 모든 위치에 대하여 빔 형성기의 출력 파워를 구하고, 출력 파워가 최대가 되는 위치를 음원의 발생 위치로 추정하는 방법이다. 빔 형성기의 출력 파워를 계산하는 수학식은 아래와 같다.
Figure 112008046565110-pat00005
위 수학식에서 Ψlk(ω)는 가중치 함수이며,
Figure 112008046565110-pat00006
와 같다.
위 수학식을 이용하여 음원을 추정하려는 공간상의 모든 점에 대하여 파워를 구한 것의 도시한 예가 도 7이다. 도 7에서, 가장 많이 솟아오른 부분이 출력 파워가 높게 연산된 지점의 좌표에 해당한다.
출력 파워가 최대가 되는 위치를 qs'라 하면, qs'는 아래 [수학식 6]에 의해 구할 수 있다.
Figure 112008046565110-pat00007
도 8은 음원 위치 추정 알고리즘들의 성능 비교 그래프를 나타낸 도면이다.
도 8에서 비교된 알고리즘들은 SRP(Steered Response Power), GCC-PHAT (Generalized Cross Correlation - PHAse Transform), SRP-PHAT (Steered Response Power - PHAse Transform) 이다.
앞서 설명한 바와 같이, SRP 방식은 공간상의 모든 위치에 대하여 빔 형성기의 출력 파워를 구하고, 출력 파워가 최대가 되는 위치를 음원의 발생 위치로 추정하는 방법이다. SRP-PHAT 방식은 SRP 알고리즘에 phase transform(PHAT) 필터를 적용한 방식이며, 검색하고자 하는 공간을 일정한 크기의 작을 블록들로 나누어 각 블록들의 위치에서의 출력 파워를 계산하여 가장 큰 출력 파워를 나타내는 블록 위치에서 음원이 발생했다고 추정하는 방법이다.
SRP 방식이나 SRP-PHAT 방식은 공간상의 모든 블록에서의 출력 파워를 계산해야 하는 것이므로, 실시간 시스템에서는 사용하기 힘들 정도의 많은 계산 량이 요구된다. 따라서 실시간 시스템에서 사용하기 위해 계산 량을 줄이는 방법이 모색되었고, 공간을 다수의 블록으로 클러스터링 하는 방법이 그 중 하나이다.
GCC-PHAT 방식은 마이크로폰에 들어온 신호간의 상호 상관(cross correlation)을 이용하여 도착 지연시간을 구한 다음 weight filter와 같은 부가 연산을 수행한 방식이다.
도 8의 가로축(x축)은 에러 임계값이며 세로축(y축)은 각 에러 임계값에 따른 음원 위치 추정 에러율(error rate)을 나타낸다. 도 8에서, 에러 임계값이 0.5미터일 때(즉, 추정한 음원 위치와 실제 음원 위치가 0.5미터 내에 해당하면 음원의 위치를 정확하게 추정한 것으로 간주), GCC-PHAT 방식의 에러율이 70%이고, SRP방식은 약 24%, SRP-PHAT 방식은 0%의 에러율을 갖는다. 도 8에서 확인할 수 있듯이, 일반적으로 GCC-PHAT보다 SRP가 더 우수한 성능을 보이며, SRP보다 SRP-PHAT가 더 좋은 성능을 보임을 알 수 있다.
도 9는 종래 기술에 따른 클러스터링(clustering)의 대표 점 선정 방법을 나타낸 도면이다.
GCC-PHAT 방식보다 에러율이 작은 SRP 방식이나 SRP-PHAT 방식을 사용할 경우, 음원의 위치 추정 대상 공간을 다수의 블록 공간으로 쪼개는 클러스터링 작업을 수행하게 된다. 다수의 블록 공간으로 나누는 기준으로 여러 가지가 사용될 수 있으나, 도착지연시간이 같은 지점들을 하나의 블록 공간으로 나누는 클러스터링 방법이 많이 사용되고 있다.
공간상의 특정 위치에 대해 SRP, SRP-PHAT 방식을 적용하기 위해서는 클러스터링 된 블록의 좌표를 기록해 두어야 하며, 기록하는 좌표를 해당 블록의 대표 점으로 한다. 대표 점을 선정하는 방식으로 가장 일반적으로 사용하는 방식은 무게중 심을 이용하는 것이다.
도 9는 클러스터링 된 블록의 일 예로 삼각형을 나타낸 것이다. 공간상에서 음원의 위치 추정이 이루어지므로, 클러스터링 된 블록도 3차원의 입체이겠으나 설명상 편의를 위해 도 9에서는 2차원의 삼각형으로 도시하였다.
도 9에 도시된 바와 같이, 삼각형 각 변의 중점과 상대편 꼭지점을 이은 선분들이 교차하는 점을 삼각형의 무게중심으로 한다. 이후, 무게중심의 좌표를 클러스터링 된 블록의 대표 점으로 삼는다.
도 10은 종래 기술에 따른 대표 점 선정 방식의 문제점을 나타낸 도면이다.
특정 마이크로폰 쌍 간에 발생하는 도착 지연 시간이 동일한 공간 블록의 모양은 다양하게 생성될 수 있다. 따라서, 도 10에 도시된 바와 같이 클러스터링 된 공간 블록이 형성된다면, 해당 블록의 무게중심은 블록의 바깥쪽에 형성된다. 도 10에서는 쐐기 모양의 공간 블록을 예로 들어 설명하였으나, 블록 바깥쪽에 무게중심이 형성되는 공간 블록 모양은 다양하게 존재할 수 있다.
블록의 바깥쪽에 대표 점이 형성될 경우, 대표 점은 해당 블록의 위치를 대표하기에는 미흡하다는 문제점이 발생한다. SRP 또는 SRP-PHAT 방법을 사용하여 클러스터링 된 공간상의 각 블록에 대해 도 7과 같은 출력 파워를 구하였을 때, 출력파워가 최대로 나온 지점과 무게중심으로 대표되는 특정 블록의 위치와 차이가 발생하기 쉽기 때문이다.
도 11은 종래 기술에 따른 대표 점 선정 방식의 문제점을 나타낸 또 다른 도면이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 4개의 마이크로폰과 클러스터 a, b, c가 도시되어 있다. 도 11에 도시된 마이크로폰에서 1과 2가 검게 칠해져 있는 것은 1에서 4까지의 마이크로폰들 중에서 1과 2를 기준으로 한 도착 지연시간에 근거하여 공간을 클러스터링하였기 때문이다.
공간상에 도 11과 같은 모양의 클러스터가 형성되었을 때, 클러스터 a, b, c의 무게중심을 구하여 각각 대표 점 a, b, c라 할 때, 각 클러스터의 대표 점들은 해당 클러스터의 영역 밖에 존재한다. 클러스터 a의 대표 점 a는 클러스터 b의 영역 내에 존재하고, 클러스터 b의 대표 점 b는 클러스터 c의 영역 내에 존재한다.
도 11에 도시된 모양의 클러스터 및 대표 점 선정방식에 의할 때, 음원 위치 추정 과정을 설명하면 다음과 같다.
우선, 각 클러스터의 무게중심을 각 클러스터의 대표 점으로 하여 위치 참조 테이블에 저장한다. 이후, 공간상의 특정 지점에서 소리(sound)가 발생하면, 다수의 마이크로폰에 도달한 음파 간의 도착지연시간(TDOA)를 각 마이크로폰 쌍마다 측정한다. 측정된 도착지연시간을 근거로 위치 참조 테이블을 참고하여 각 클러스터의 대표 점을 알아내고, 알아낸 각 대표 점에 대하여 SRP 또는 SRP-PHAT 방법을 수행하여 출력 파워가 가장 높은 대표 점의 위치를 선별한다. 이후, 선별된 대표 점의 위치가 소리가 발생한 위치로 추정된다. 도 11에서, 출력 파워가 가장 높아서 음원의 발생 위치로 대표 점 b가 선정되었다고 하자. 실제로 소리가 발생한 위치는 클러스터 b의 내부에 존재할 것이나, 대표 점 b는 클러스터 c의 내부에 존재하므로 음원 위치 추정 알고리즘에 의해 최종적으로 추정된 음원의 위치는 클러스터 c의 영역에 존재하게 되는 문제점이 발생한다. 즉, 클러스터의 대표 점을 무게중심으로 구하는 방법은 실제의 음원 발생 위치와 차이를 발생시켜 음원 위치 추정의 정확도를 저하시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은 음원의 위치 추정시 SRP 알고리즘이나 SRP-PHAT 알고리즘 등을 수행함에 있어, 연산을 수행하는 대표 점과 클러스터를 이루는 도형 간의 위치 불일치를 해소함으로써 좀 더 정확한 출력 파워 연산이 이루어지도록 하고, 음원 위치 추정의 정확도를 향상시키는 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, SRP 또는 SRP-PHAT 방법을 사용하여 음원의 위치를 추정함에 있어, 클러스터의 모양이 어떠한지에 관계없이 클러스터의 위치를 정확하게 나타내는 대표 점을 선정하는 위 방식을 이용하는 음원 위치 추정 시스템을 제공함에 있다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 대표 점 선정 방법은, 음원(音源) 위치 추정을 수행할 공간을 각각의 영역을 갖는 다수의 클러스터로 구분하는 단계; 상기 다수의 클러스터 각각의 영역 내에 다수의 좌표를 선정하는 단계; 및 상기 선정된 다수의 좌표 중 특정 좌표를 기준으로 동일 클러스터 내의 타 좌표와의 거리의 합을 연산하여 값이 최소가 되는 특정 좌표를 특정 클러스터의 대표 점으로 결정하는 단계를 포함한다.
상기 대표 점으로 결정하는 단계는, 상기 선정된 다수의 좌표 중에서 특정 좌표를 선택하는 단계; 상기 선택된 특정 좌표를 기준으로 동일 클러스터 내의 타 좌표들과의 거리의 합을 연산하는 단계; 기준이 되는 특정 좌표를 변경하여 타 좌표들과의 거리의 합을 연산하는 단계; 거리의 합을 연산하는 과정을 기준이 되는 특정 좌표를 변경시켜가며 반복하는 단계; 및 반복 연산 결과, 거리의 합이 최소가 되었던 특정 좌표를 상기 특정 클러스터의 대표 점으로 결정하는 단계를 포함한다.
상기 다수의 클러스터는, 음파(sound wave)가 마이크로폰 쌍에 도달할 때 발생하는 도착지연시간에 근거하여 나눠진 공간이다.
상기 선정된 다수의 좌표는, 음파가 마이크로폰 쌍에 도달할 때 발생하는 도착지연시간이 동일한 지점 중에서 선정된다.
상기 다수의 클러스터별로 각각 결정된 대표 점을 테이블의 형태로 기록해두는 단계를 더 포함한다.
삭제
또한, 본 발명에 따른 대표 점 선정 방식을 이용한 음원 위치 추정 시스템은, 공간상에서 발생한 소리의 음파(sound wave)를 받아들이는 다수의 마이크로 폰(microphone); 및 음원 위치 추정을 수행할 대상 공간을 다수의 클러스터(cluster)로 나누고, 각 클러스터의 영역 내에 다수의 좌표를 선정하여, 선정된 다수의 좌표 중 특정 좌표를 기준으로 동일 클러스터 내의 타 좌표와의 거리의 합을 연산한 값이 최소가 되는 특정 좌표를 상기 클러스터의 대표 점으로 결정하여, 결정된 대표 점을 이용하여 음원의 위치 추정 알고리즘을 수행하는 음원 위치 추정부를 포함한다.
상기 음원 위치 추정부는, 음원 위치 추정을 수행할 대상 공간을 다수의 클러스터(cluster)로 나누고, 각 클러스터의 영역 내에 다수의 좌표를 선정하여, 선정된 다수의 좌표 중 특정 좌표를 기준으로 동일 클러스터 내의 타 좌표와의 거리의 합을 연산한 값이 최소가 되는 특정 좌표를 상기 클러스터의 대표 점으로 결정하여 테이블에 기록하는 위치 참조 테이블 작성부; 소리가 발생하면, 상기 다수의 마이크로폰에 도달하는 음파의 도착지연시간 (time difference of arrival)을 판단하는 도착 지연시간 판단부; 및 상기 도착지연시간 판단부에서 측정된 도착 지연시간을 갖는 클러스터에 대해 SRP(Steered Response Power) 알고리즘 또는 SRP-PHAT(Steered Response Power - phase transform) 알고리즘을 수행하며, 상기 클러스터의 좌표 파악은 상기 위치 참조 테이블을 참조하는 SRP 알고리즘 수행부를 포함한다.
상기 위치 참조 테이블 작성부는, 음파의 도착 지연시간이 동일한 공간 영역별로 공간을 나누는 클러스터링 (clustering) 부; 및 상기 클러스터링 부에 의해 나눠진 각 클러스터의 대표 점을 연산함에 있어, 특정 클러스터 내에 다수의 좌표를 선정하고 다수의 좌표 중 특정 좌표를 기준으로 동일 클러스터 내의 타 좌표들과의 거리의 합을 연산하여 거리의 합이 최소가 되는 기준 좌표를 클러스터의 대표 점으로 결정하는 대표 점 연산부를 포함한다.
상기 각 클러스터 영역 내에 선정하는 다수의 좌표는, 음파가 마이크로폰 쌍에 도달할 때 발생하는 도착지연시간이 동일한 지점 중에서 선정된다.
삭제
음원 위치 추정을 수행함에 있어, 다수의 마이크로폰에 도달하는 음파의 도착지연시간을 이용하여 공간을 다수의 클러스터로 나눌 때, 마이크로폰의 개수와 숫자에 따라 무수히 많은 형태의 클러스터가 생길 수 있다. 클러스터의 대표 점을 선정함에 있어, 무게중심을 이용하는 종래의 방식을 사용할 경우, 클러스터의 모양에 따라 무게 중심이 클러스터의 외부에 존재하는 경우에 정확한 음원의 위치 추정이 어려워지나, 본 발명이 제시하는 방법에 따라 클러스터 내에 다수의 좌표를 선정하여 선정된 점들 간의 거리의 합이 최소가 되는 점을 해당 클러스터의 대표 점으로 선정한다면 종래의 방법에 비해 정확한 위치 추정이 가능해진다.
본 발명에 따른 음원 위치 추정에 있어서 대표 점 선정 방식 및 그 방식을 이용한 음원 위치 추정 시스템에 관하여, 도면을 일 예로 들어서 설명한다.
도 12는 본 발명의 일실시 예에 따른 음원 위치 추정 시스템을 나타낸 도면이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 음원 위치 추정 시스템은 다수의 마이크로 폰(120)과 음원 위치 추정부(121)로 구성되며, 음원 위치 추정부(121)는 위치 참조 테이블 작성부(122), 도착 지연시간 판단부(125), SRP 알고리즘 수행부(126)로 구성된다. 또한, 위치 참조 테이블 작성부(122)는 클러스터링 부(123)와 대표 점 연산부(124)를 포함하여 이루어진다.
다수의 마이크로폰(120)은 공간상에서 발생한 소리를 받아들이는 기능을 한다. 본 발명에서는 마이크로폰에 도달한 음파의 시간차이를 이용하여 음원의 위치를 추정하기 때문에 적어도 2개 이상의 마이크로폰이 필요하다.
위치 참조 테이블 작성부(121)는 음파의 도착지연시간이 같은 공간 클러스터별로 대표 점을 연산하는 기능을 수행한다.
클러스터링 부(123)는 특정 주파수에서 음파의 도착지연시간이 동일한 영역별로 공간을 쪼개는 작업(클러스터링, clustering)을 수행한다. 음파의 도착지연시간은 음파의 주파수나 마이크로폰의 배치에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 마이크로폰의 배치가 이루어지고 나서, 도착지연시간이 동일한 공간별로 클러스터링 함에 있어서 음파의 발생 가능 주파수도 고려함이 바람직하다. 즉, 음파의 예상 주파수가 a일 때 도착지연시간이 같은 공간 클러스터와, 예상 주파수가 b일 때의 공간 클러스터는 동일하지 않을 것이다.
대표 점 연산부(124)는 클러스터링 된 영역의 대표 점을 연산하는 기능을 수행한다. 대표 점을 연산하는 방법은, 클러스터 내의 특정 좌표를 기준으로 동일 클러스터 내의 다른 모든 좌표와의 거리의 합이 최소가 되는 특정 좌표를 선정하는 방식에 의한다. 연산에 관한 좀 더 자세한 설명은 이후에 도면을 참조하여 다시 설명한다.
도착 지연시간 판단부(125)는 다수의 마이크로 폰(120) 중에서 한 쌍의 마이크로 폰에 도착한 음파의 도착 지연시간 τ를 연산하는데, 마이크로 폰이 2개 이상이므로, 2개의 마이크로 폰을 하나의 쌍으로 묶어 모든 마이크로 폰 쌍의 조합에 대하여 음파의 도착 지연시간을 연산한다. 이때, 음파의 주파수를 고려하여 도착 지연시간을 연산한다.
SRP 알고리즘 수행부(126)는 위치 참조 테이블에 근거해 각 클러스터별로 SRP 알고리즘을 수행하는 기능을 한다. 수행 알고리즘은 SRP 알고리즘에 한정하지 아니하고 SRP-PHAT 등의 다른 알고리즘도 가능하다.
도 13은 본 발명의 일실시 예에 따른 대표 점 선정 방법을 나타낸 도면이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 같은 TDOA를 갖는 클러스터를 특정한다(S130). 본원 발명에서는 도착 지연시간을 이용하여 공간을 나누고, 나누어진 클러스터에 대하여 SRP 알고리즘을 선정하여 음원의 위치를 추정하는 방식을 기반으로 하기 때문에, 우선 클러스터를 특정할 필요가 있는 것이다.
이후, 특정된 클러스터 영역 내에서 다수의 좌표를 선정하고(S131), 선정된 좌표 중에서 하나의 특정 좌표를 선택한다(S132). 예를 들어, 동일한 TDOA를 갖는 영역끼리 묶어 각각 클러스터 A, B, C, D ... 로 특정한 후, 클러스터 B의 영역 내에서 다수의 좌표 B-1, B-2, B-3, ... 를 선정하고, 선정된 좌표들 중에서 B-1을 우선 선택한다. 클러스터 영역 내에 다수의 좌표를 선정함에 있어, 선정하는 좌표의 수는 본 발명에 따른 방법을 수행하는 사용자가 임의로 정할 수 있다. 선정하는 좌표의 수가 많으면 각 클러스터의 대표 점을 선정하기 위한 연산이 많아질 것이나 좀 더 정확한 대표 점의 성격을 가질 수 있을 것이며, 선정하는 좌표의 수가 적으면 역으로의 효과가 있을 것이다.
선택된 특정 좌표와 타 좌표 간의 거리의 합을 연산한다(S133). 위 예에서, 선택된 특정 좌표를 B-1이라 한다면, B-1과 B-2간의 거리, B-1과 B-3간의 거리, B-1과 B-4간의 거리, ... 를 모두 합한다. 그리고, 이러한 거리의 합 연산 과정을 동일 클러스터 내의 각 좌표별로 모두 수행한다. 즉, B-2와 다른 점들(B-1, B-3, B-4, ...)간의 거리의 합 연산과정, B-3와 다른 점들(B-1, B-2, B-4, ...)간의 거리의 합 연산 과정을 클러스터 B 내부에 선정된 모든 점들(B-1, B-2, B-3, ...)을 기준으로 수행한다.
동일 클러스터 내의 모든 좌표를 기준으로 한 거리의 합 연산 과정(S133)이 이루어진 후, 거리의 합 연산결과가 최소인 기준점을 해당 클러스터의 대표 점으로 정한다(S134). B-2를 기준으로 다른 점들과의 거리의 합을 연산한 결과가 최소값을 갖는 경우에, B-2를 클러스터 B의 대표 점으로 삼는 것이다.
대표 점이 선정되면, 해당 클러스터의 대표 점으로 위치 참조 테이블에 기록한다(S135). 공간상의 모든 클러스터에 대한 위치 참조 테이블의 작성이 이루어졌는지를 판단하여(S136), 작성이 이루어질 때까지 공간상의 모든 클러스터에 대한 대표점 선정 과정을 반복한다.
도 14는 본 발명의 일실시 예에 따라 선정한 대표 점을 나타낸 도면이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 쐐기 모양의 도형 중앙에 검게 칠해진 하나의 점이 존재하고, 흐리게 칠해진 다수의 점이 다수 존재한다.
도 14에서, 검게 칠해진 점은 본 발명의 방법에 따라 선정된 대표 점을 나타낸다. 앞서, 도 10에서는 대표 점이 클러스터의 외부에 위치하는 문제점을 보였으나, 도 14에서는 클러스터의 대표 점이 클러스터의 내부에 존재하게 된다.
도 14에서, 흐리게 칠해진 다수의 점들은 클러스터 내에서 선정된 다수의 점들이며, 도 13의 S131 과정 수행에 따라 선정된 좌표들을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 15는 본 발명의 대표 점 선정 방식을 이용하여 음원 위치 추정을 수행하는 방법의 일실시 예를 나타낸 도면이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 음원의 위치 추정을 수행할 공간상에서 동일한 도착지연시간(TDOA)를 갖는 클러스터를 특정한다(S150). 특정된 클러스터 내에서 다수의 좌표를 선정하고, 선정된 좌표 중에서 특정 좌표를 기준으로 다른 좌표들과의 거리의 합을 연산하여 그 거리의 합이 최소인 좌표를 대표 점으로 정한다 (S151). 대표점을 정하는 과정은 앞서 도 13의 S131 ~ S134 부분에서 설명한 바와 같다.
클러스터별로 정해진 대표 점을 위치 참조 테이블에 기록하는 과정을 반복하여(S152), 공간상의 모든 클러스터에 대한 대표 점을 기록하는 과정을 완료한다 (S153).
이후, 공간상의 특정 부분에서 소리가 발생하면(S154), 마이크로폰 쌍의 조합별로 TDOA를 측정한다(S155). 측정된 TDOA를 갖는 클러스터에 대해 위치 추정 알고리즘을 적용하기 위해, 각 클러스터의 좌표에 대한 기록이 담겨있는 위치 참조 테이블을 이용한다. 공간상에 다수 존재하는 각 클러스터에 대해 SRP 알고리즘 또는 SRP-PHAT 알고리즘을 수행하여(S156), 출력 파워가 가장 높은 클러스터를 선정하면(S156), 선정된 클러스터가 음원이 발생한 위치로 추정된다(S158).
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허 청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의하여 정해져야 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 다수의 마이크로 폰의 배열 구조를 나타낸 도면.
도 2는 2차원 공간에서의 음원 발생과 도착 지연 시간을 나타낸 도면.
도 3은 GCC(Generalized Cross Correlation) 방법을 이용하여 도착 지연시간을 추정하는 방법을 나타낸 도면.
도 4는 4개의 마이크로폰을 이용한 음원 방향 추정 방법을 모식적으로 나타낸 도면.
도 5는 8개의 마이크로폰을 이용한 음원 위치 추정 방법을 개략적으로 나타낸 도면.
도 6은 조향된 빔 형성기를 도식화하여 나타낸 도면.
도 7은 SRP(Steered Response Power) 방법을 이용하여 측정한 공간 파워 그래프를 나타낸 도면.
도 8은 음원 위치 추정 알고리즘들의 성능 비교 그래프를 나타낸 도면.
도 9는 종래 기술에 따른 클러스터링(clustering)의 대표 점 선정 방법을 나타낸 도면.
도 10은 종래 기술에 따른 대표 점 선정 방식의 문제점을 나타낸 도면.
도 11은 종래 기술에 따른 대표 점 선정 방식의 문제점을 나타낸 또 다른 도면.
도 12는 본 발명의 일실시 예에 따른 음원 위치 추정 시스템을 나타낸 도면.
도 13은 본 발명의 일실시 예에 따른 대표 점 선정 방법을 나타낸 도면.
도 14는 본 발명의 일실시 예에 따라 선정한 대표 점을 나타낸 도면.
도 15는 본 발명의 대표 점 선정 방식을 이용하여 음원 위치 추정을 수행하는 방법의 일실시 예를 나타낸 도면.

Claims (9)

  1. 음원(音源) 위치 추정을 수행할 공간을 각각의 영역을 갖는 다수의 클러스터로 구분하는 단계;
    상기 다수의 클러스터 각각의 영역 내에 다수의 좌표를 선정하는 단계; 및
    상기 선정된 다수의 좌표 중 특정 좌표를 기준으로 동일 클러스터 내의 타 좌표와의 거리의 합을 연산하여 값이 최소가 되는 특정 좌표를 특정 클러스터의 대표 점으로 결정하는 단계를 포함하는 음원 위치추정의 대표 점 선정 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 대표 점으로 결정하는 단계는,
    상기 선정된 다수의 좌표 중에서 특정 좌표를 선택하는 단계;
    상기 선택된 특정 좌표를 기준으로 동일 클러스터 내의 타 좌표들과의 거리의 합을 연산하는 단계;
    기준이 되는 특정 좌표를 변경하여 타 좌표들과의 거리의 합을 연산하는 단계;
    거리의 합을 연산하는 과정을 기준이 되는 특정 좌표를 변경시켜가며 반복하는 단계; 및
    반복 연산 결과, 거리의 합이 최소가 되었던 특정 좌표를 상기 특정 클러스터의 대표 점으로 결정하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 음원 위치추정의 대표 점 선정 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 다수의 클러스터는,
    음파(sound wave)가 마이크로폰 쌍에 도달할 때 발생하는 도착지연시간에 근거하여 나눠진 공간임을 특징으로 하는 음원 위치추정의 대표 점 선정 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 선정된 다수의 좌표는,
    음파가 마이크로폰 쌍에 도달할 때 발생하는 도착지연시간이 동일한 지점 중에서 선정되는 것을 특징으로 하는 음원 위치추정의 대표 점 선정 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 클러스터별로 각각 결정된 대표 점을 테이블의 형태로 기록해두는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음원 위치추정의 대표 점 선정 방법.
  6. 공간상에서 발생한 소리의 음파(sound wave)를 받아들이는 다수의 마이크로 폰(microphone); 및
    음원 위치 추정을 수행할 대상 공간을 다수의 클러스터(cluster)로 나누고, 각 클러스터의 영역 내에 다수의 좌표를 선정하여, 선정된 다수의 좌표 중 특정 좌표를 기준으로 동일 클러스터 내의 타 좌표와의 거리의 합을 연산한 값이 최소가 되는 특정 좌표를 상기 클러스터의 대표 점으로 결정하여, 결정된 대표 점을 이용하여 음원의 위치 추정 알고리즘을 수행하는 음원 위치 추정부를 포함하여 이루어지는 음원 위치 추정 시스템.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 음원 위치 추정부는,
    음원 위치 추정을 수행할 대상 공간을 다수의 클러스터(cluster)로 나누고, 각 클러스터의 영역 내에 다수의 좌표를 선정하여, 선정된 다수의 좌표 중 특정 좌표를 기준으로 동일 클러스터 내의 타 좌표와의 거리의 합을 연산한 값이 최소가 되는 특정 좌표를 상기 클러스터의 대표 점으로 결정하여 테이블에 기록하는 위치 참조 테이블 작성부;
    소리가 발생하면, 상기 다수의 마이크로폰에 도달하는 음파의 도착지연시간 (time difference of arrival)을 판단하는 도착 지연시간 판단부; 및
    상기 도착지연시간 판단부에서 측정된 도착 지연시간을 갖는 클러스터에 대해 SRP(Steered Response Power) 알고리즘 또는 SRP-PHAT(Steered Response Power - phase transform) 알고리즘을 수행하며, 상기 클러스터의 좌표 파악은 상기 위치 참조 테이블을 참조하는 SRP 알고리즘 수행부를 포함하여 이루어지는 음원 위치 추 정 시스템.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 위치 참조 테이블 작성부는,
    음파의 도착 지연시간이 동일한 공간 영역별로 공간을 나누는 클러스터링 (clustering) 부; 및
    상기 클러스터링 부에 의해 나눠진 각 클러스터의 대표 점을 연산함에 있어, 특정 클러스터 내에 다수의 좌표를 선정하고 다수의 좌표 중 특정 좌표를 기준으로 동일 클러스터 내의 타 좌표들과의 거리의 합을 연산하여 거리의 합이 최소가 되는 기준 좌표를 클러스터의 대표 점으로 결정하는 대표 점 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 음원 위치 추정 시스템.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 각 클러스터 영역 내에 선정하는 다수의 좌표는,
    음파가 마이크로폰 쌍에 도달할 때 발생하는 도착지연시간이 동일한 지점 중에서 선정되는 것을 특징으로 하는 음원 위치추정 시스템.
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