KR101502788B1 - 복수개의 3차원 인텐시티 프로브를 이용한 음원위치추정시스템 - Google Patents

복수개의 3차원 인텐시티 프로브를 이용한 음원위치추정시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 음원의 방향 및 위치를 3차원 음향 인텐시티 벡터를 사용하여 추정하기 위해, 정사면체 배열의 각 꼭지점에 4개의 마이크로폰이 배열된 3차원 인텐시티 어레이 2개를 배열하여 형성되는 3차원 인텐시티 프로브에 있어서, 정사면체 배열의 제1 3차원 인텐시티 어레이와, 상기 제1 3차원 인텐시티 어레이에 대하여 임의 각도로 비튼 상태로 배치되는 하나 이상의 다른 3차원 인텐시티 어레이를 포함하여 형성되는 복수개의 3차원 인텐시티 프로브를 이용한 음원위치추정시스템이 제공된다.

Description

복수개의 3차원 인텐시티 프로브를 이용한 음원위치추정시스템{System for identifying the Sound Source Localization by Using 3D Intensity Probes}
본 발명은 3차원 인텐시티 프로브를 이용한 음원위치추정시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음원의 정확한 위치를 실시간으로 추적하도록 하는 복수개의 3차원 인텐시티 프로브를 이용한 음원위치추정시스템에 관한 것이다.
산업현장에서 소음원을 규명하는 것 뿐만 아니라, 군사적 정찰 및 감시를 하기 위한 목적으로 미지의 음원의 정확한 위치를 추정하기 위한 음원위치추정시스템이 필수적으로 요구되고 있을 뿐 아니라, 상기 음원위치추정시스템은 최근에는 모바일 제품 및 가전제품을 포함한 일반 전자제품에도 적용되고 있다.
현재 음원의 위치를 추정하기 위한 방법으로는, 빔 형성(beamforming) 방법, 시간 지연(TDOA) 방법 및 음향 인텐시티를 이용하는 방법 등이 사용되고 있다. 이 중, 빔 형성 방법은 마이크로폰 사이의 간격이 주엽의 모호성과 관련되어 있으므로 소형 어레이에 적용할수록 위치 추정이 어려워지는 문제를 가지고 있다. 시간 지연 방법은 어레이를 소형화할수록 물리적인 시간 지연의 크기가 감소되어 큰 샘플링 주파수가 요구되는 문제를 지니고 있다.
한편, 음향 인텐시티를 이용하여 미지의 음원의 방향 및 위치를 추정하기 위한 방법은, 한 쌍의 마이크로폰에서 측정된 음압 신호를 이용하여 그 마이크로폰들의 측정부를 잇는 방향으로 3차원 음향 인텐시티 벡터를 구하도록 하여 상기 미지의 음원의 방향 및 위치를 추정하도록 한다. 상기 3차원 음향 인텐시티 벡터는 여러 쌍의 마이크로폰으로부터 구한 음향 인텐시티를 이용하여 계산하는 것이 가능하다. 3차원 인텐시티 어레이는 4개 이상의 마이크로폰을 임의로 배열하여 구성할 수 있는 바, 여기서 상기 모든 마이크로폰을 한 평면에만 있지 않도록 배열하면 3차원 인텐시티의 모든 성분을 측정하는 것이 가능하다. 특히, 마이크로폰의 배열에 따라서 측정 성능이 다르며, 또한 특정 방향으로의 인텐시티가 가중 평가되는 것을 피하기 위해 상기 3차원 인텐시티 어레이를 구성하는 마이크로폰 사이의 간격을 일정하게 하고, 대칭구조가 되도록 배열하는 것이 바람직하다.
따라서, 도 1에는 정사면체 배열의 각 꼭지점에 4개의 마이크로폰(11,12,13,14)을 배열한 3차원 인텐시티 어레이(10)가 도시되어 있다. 상술한 바와 같이, 마이크로폰들(11,12,13,14) 사이의 간격을 일정하게 하고, 대칭구조를 형성하도록 하는 것이 3차원 인텐시티 어레이(10)를 포함하는 3차원 인텐시티 프로브의 측정성능을 향상시킬 수 있다는 점에서, 4개의 마이크로폰(11,12,13,14)을 정사면체 배열의 각 꼭지점에 배치하는 3차원 인텐시티 어레이(10)를 사용하여 음원의 방향과 위치를 추정하는 것이 바람직하다. 여기서, 음향중심을 정사면체의 기하중심(15)으로 간주할 수 있다.
그러나, 상술한 바와 같이, 4개의 마이크로폰(11,12,13,14)이 정사면체 형상으로 배열된 3차원 인텐시티 어레이(10)를 사용한 단일 프로브의 경우, 음원의 방향 및 위치 추정 성능이 높지 않다는 문제가 있다. 따라서, 상기 추정 성능을 높이기 위해, 마이크로폰의 개수를 늘려 사용하기도 하나, 이는 비용문제 뿐만 아니라 실제 배열도 쉽지 않다는 문제가 있다. 또한, 추정에 있어서도 근사화를 통한 오차를 수반하므로 이를 보완해야할 필요가 발생한다.
따라서, 본 발명의 출원인은 상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 보다 간단하면서도 소형화를 달성할 수 있도록 하는 3차원 인텐시티 프로브를 이용한 음원위치추정시스템을 발명하게 되었다.
본 발명의 실시예들은 상술한 바와 같은 문제를 해소하기 위해, 실시간으로 정확한 음원 위치를 추적할 수 있도록 하는 복수의 3차원 인텐시티 프로브를 이용한 음원위치추정시스템을 제공하도록 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 음원의 방향 및 위치를 3차원 음향 인텐시티 벡터를 사용하여 추정하기 위해, 정사면체 배열의 각 꼭지점에 4개의 마이크로폰이 배열된 3차원 인텐시티 어레이 2개를 배열하여 형성되는 3차원 인텐시티 프로브에 있어서, 정사면체 배열의 제1 3차원 인텐시티 어레이와, 상기 제1 3차원 인텐시티 어레이에 대하여 임의 각도로 비튼 상태로 배치되는 하나 이상의 다른 3차원 인텐시티 어레이를 포함하여 형성되는 복수개의 3차원 인텐시티 프로브를 이용한 음원위치추정시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1 3차원 인텐시티 어레이와 상기 하나 이상의 다른 3차원 인텐시티 어레이는 한 꼭지점을 공유하도록 배치되고, 각 어레이의 기하중심이 동일하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 3차원 인텐시티 어레이와 상기 하나 이상의 다른 3차원 인텐시티 어레이는 한 꼭지점을 공유하도록 배치되고, 각 어레이의 기하중심이 서로 다른 위치에 형성되도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 3차원 인텐시티 어레이와 상기 하나 이상의 다른 3차원 인텐시티 어레이는 두개의 꼭지점을 공유하도록 배치되고, 각 어레이의 기하중심이 서로 다른 위치에 형성되도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 3차원 인텐시티 어레이와 상기 하나 이상의 다른 3차원 인텐시티 어레이는 세개의 꼭지점을 공유하도록 배치되고, 각 어레이의 기하중심이 서로 다른 위치에 형성되도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 3차원 인텐시티 어레이와 상기 하나 이상의 다른 3차원 인텐시티 어레이는 꼭지점을 공유하지 않도록 배치되고, 각 어레이의 기하중심이 서로 다른 위치에 형성되도록 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 복수개의 3차원 인텐시티 프로브를 이용한 음원위치추정시스템은 복수개의 정사면체 형상의 3차원 인텐시티 프로브를 이용하여 추정된 3차원 인텐시티 벡터를 조합하여 실제 음원의 정확한 위치를 실시간으로 추적하는 것이 가능하다.
또한, 마이크로폰과 마이크로폰 사이의 간격을 조절하는 것에 의해 소형화를 달성하는 것과 동시에 유효 주파수 범위를 넓히는 것이 가능하다.
도 1은 정사면체 배열의 3차원 인텐시티 어레이를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 두 개의 3차원 인텐시티 어레이가 비틀어진 형상으로 배치된 것을 도시한다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 두 개의 3차원 인텐시티 어레이가 서로 다른 기하중심을 갖도록 비틀어진 형상으로 배치된 것을 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 세 개의 3차원 인텐시티 어레이가 서로 비틀어진 형상으로 배치된 것을 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 두 개의 3차원 인텐시티 어레이가 꼭지점을 공유하는 것 없이 서로 비틀어진 형상으로 배치된 것을 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 두 개의 3차원 인텐시티 어레이가 두 개 이상의 꼭지점을 공유하면서 비틀어진 형상으로 배치된 것을 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 두 개의 3차원 인텐시티 어레이를 비틀어 배치한 경우, 실제 음원 방향을 추정한 결과를 도시한다.
이하, 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 복수개의 3차원 인텐시티 프로브를 이용한 음원위치추정시스템을 설명한다.
본 발명의 출원인은 미지의 음원으로부터 방사되는 음향 신호를 3차원 음향 인텐시티 벡터를 사용하여 보다 정확하게 실시간으로 추적할 수 있는 방안을 강구하였는 바, 보다 상세하게는 음원의 방향 및 위치를 3차원 음향 인텐시티 벡터를 사용하여 추정하기 위해, 정사면체 배열의 각 꼭지점에 4개의 마이크로폰이 배열된 3차원 인텐시티 어레이를 사용하도록 하되, 상기 3차원 인텐시티 어레이 복수개를 서로 겹치지 않도록 임의의 각도로 비틀어 배열하여 형성하는 것에 의해 상술한 바와 같은 기술적 목적을 달성하도록 한다. 이하에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2a와 도 2b는 정사면체 배열의 각 꼭지점에 4개의 마이크로폰(11,12,13,14)이 배치된 제1 3차원 인텐시티 어레이(10)와 또 다른 정사면체 배열의 각 꼭지점에 4개의 마이크로폰(11,22,23,24)이 배치된 제2 3차원 인텐시티 어레이(20)가 도시되어 있는 바, 상기 두 개의 3차원 인텐시티 어레이(10,20)는 하나의 꼭지점에 배치된 마이크로폰(11)을 공유하면서 배치되도록 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 두 개의 3차원 인텐시티 어레이(10,20)는 동일한 기하중심(15)을 갖도록 형성될 수 있다. 상기 도면 중, 도 2a는 제1 3차원 인텐시티 어레이(10)를 기준으로 제2 3차원 인텐시티 어레이(20)가 60°대칭으로 비틀어진 형상을 도시하며, 도 2b는 임의의 각도로 비틀어진 형상을 도시한다. 상기 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 제1 3차원 인텐시티 어레이(10)에 의해 형성되는 3차원 인텐시티 벡터(17)와 제2 3차원 인텐시티 어레이(20)에 의해 형성되는 3차원 인텐시티 벡터(27)를 조합하여 하나의 3차원 인텐시티 벡터(29)를 형성하는 것이 가능하다. 이때, 상술한 바와 같이, 상기 두 개의 3차원 인텐시티 어레이(10,20)가 동일한 기하중심(15)을 갖도록 형성하는 경우, 음원의 방향 추정은 가능하나, 위치 추정은 불가능하다.
도 3a 내지 도 3c는 정사면체 배열의 각 꼭지점에 4개의 마이크로폰(11,12,13,14)을 배치한 제1 3차원 인텐시티 어레이(10)와 또 다른 정사면체 배열의 각 꼭지점에 4개의 마이크로폰(11,22,23,24)을 배치한 제2 3차원 인텐시티 어레이(20)가 도시되어 있는 바, 상기 두 개의 3차원 인텐시티 어레이(10,20)는 하나의 꼭지점에 배치된 마이크로폰(11)을 공유하면서 배치되도록 형성되되, 상기 두 개의 3차원 인텐시티 어레이(10,20)는 서로 다른 기하중심(15,25)을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다. 상기 도면 중, 도 3a는 제1 3차원 인텐시티 어레이(10)를 기준으로 제2 3차원 인텐시티 어레이(20)가 60°대칭으로 비틀어진 형상을 도시하며, 도 3b는 임의의 각도로 비틀어진 형상을 도시하고, 도 3c는 3축 방향으로 임의의 각도로 비틀어진 형상을 도시한다. 상기 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 제1 3차원 인텐시티 어레이(10)에 의해 형성되는 3차원 인텐시티 벡터(17)와 제2 3차원 인텐시티 어레이(20)에 의해 형성되는 3차원 인텐시티 벡터(27)를 조합하여 음원의 방향과 위치를 결정하는 것이 가능하다. 이때, 상술한 바와 같이, 상기 두 개의 3차원 인텐시티 어레이(10,20)가 서로 다른 기하중심(15,25)을 갖도록 형성되는 경우, 3차원 음향 인텐시티 벡터(17,27)를 사용하여 음원의 방향 뿐만 아니라, 최소자승법을 적용하여 음원의 위치를 추정하는 것도 가능하다.
도 4a와 도 4b는 정사면체 배열의 제1 3차원 인텐시티 어레이(10), 다른 정사면체 배열의 제2 3차원 인텐시티 어레이(20) 및 또 다른 정사면체 배열의 제3 3차원 인텐시티 어레이(30)가 도시되어 있는 바, 상기 세 개의 3차원 인텐시티 어레이(10,20,30)는 하나의 꼭지점에 배치된 마이크로폰(11)을 공유하면서 배치되도록 형성될 수 있다. 상기 도면 중, 도 4a는 제1 3차원 인텐시티 어레이(10)를 기준으로 제2 3차원 인텐시티 어레이(20)와 제3 3차원 인텐시티 어레이(30)가 한 축으로 비틀어진 형상을 도시하며, 도 4b는 3축 방향으로 임의의 각도로 비틀어진 형상을 도시한다. 상기 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 도 4a의 경우, 동일한 기하중심(15)을 갖도록 형성되고, 세 개의 3차원 인텐시티 벡터(17,27,37)를 조합하여 형성되는 3차원 인텐시티 벡터(39)를 통해 음원의 방향을 보다 정확하게 추정하는 것이 가능하다. 한편, 도 4b의 경우, 서로 다른 기하중심(15,25,35)을 갖도록 형성되며, 세 개의 3차원 인텐시티 벡터(17,27,37)를 통해 음원의 방향과 위치를 결정하는 것이 가능하다. 상술한 바와 같이, 상기 3차원 인텐시티 어레이를 추가하는 경우, 음원의 방향과 위치를 보다 정확하게 추정하는 것이 가능하며, 필요에 따라 상기 3차원 인텐시티 어레이의 수를 추가하는 것이 가능하다.
도 5a와 도 5b는 정사면체 배열의 각 꼭지점에 4개의 마이크로폰(11,12,13,14)이 배치된 제1 3차원 인텐시티 어레이(10)와 또 다른 정사면체 배열의 각 꼭지점에 4개의 마이크로폰(21,22,23,24)이 배치된 제2 3차원 인텐시티 어레이(20)가 도시되어 있는 바, 상기 두 개의 3차원 인텐시티 어레이(10,20)는 서로 꼭지점을 공유하는 것 없이 배치되도록 형성되며, 따라서, 서로 다른 기하중심(15,25)을 갖도록 형성될 수 있다. 상기 도면 중, 도 5a는 제1 3차원 인텐시티 어레이(10)를 기준으로 제2 3차원 인텐시티 어레이(20)가 60°대칭으로 비틀어진 형상을 도시하며, 도 2b는 임의의 각도로 비틀어진 형상을 도시한다. 상기 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 제1 3차원 인텐시티 어레이(10)에 의해 형성되는 3차원 인텐시티 벡터(17)와 제2 3차원 인텐시티 어레이(20)에 의해 형성되는 3차원 인텐시티 벡터(27)에 의해 음원의 방향과 위치를 추정하는 것이 가능하다.
도 6a와 도 6b는 정사면체 배열의 제1 3차원 인텐시티 어레이(10)와 또 다른 정사면체 배열의 제2 3차원 인텐시티 어레이(20)가 도시되어 있는 바, 상기 도면 중 도 6a는 상기 두 개의 3차원 인텐시티 어레이(10,20)는 서로 두 개의 꼭지점을 공유하도록 배치되고, 도 6b는 서로 세 개의 꼭지점을 공유하도록 배치될 수 있다. 이때, 상기 두 개의 3차원 인텐시티 어레이(10,20)는 서로 다른 기하중심(15,25)을 갖도록 형성될 수 있다. 따라서, 상기 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 제1 3차원 인텐시티 어레이(10)에 의해 형성되는 3차원 인텐시티 벡터(17)와 제2 3차원 인텐시티 어레이(20)에 의해 형성되는 3차원 인텐시티 벡터(27)에 의해 음원의 방향과 위치를 추정하는 것이 가능하다. 한편, 상술한 바와 같이, 꼭지점을 서로 공유하도록 배치하는 경우, 공유하는 꼭지점의 수에 따라 사용되는 마이크로폰의 수를 줄일 수 있는 장점이 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 인텐시티 프로브를 이용한 음원위치추정시스템은 두 개 또는 그 이상의 정사면체 배열의 3차원 인텐시티 어레이를 서로 겹치지 않도록 비틀어 배치하도록 하는 것에 의해 형성되는 3차원 인텐시티 벡터의 조합을 이용하여 실제 음원의 정확한 위치를 실시간으로 추적하는 것이 가능하다. 또한, 상술한 바와 같이, 적어도 1개 이상의 꼭지점을 공유하도록 배치하는 경우, 사용되는 마이크로폰의 수를 감소시킬 수 있다는 기술적 장점이 있다. 추가적으로, 본 발명의 상기 실시예들의 경우, 그 크기를 상당한 정도로 소형화할 수 있는 것과 동시에 효율을 높일 수 있다는 기술적 장점이 있다.
도 7에는 단일의 3차원 인텐시티 어레이를 포함하여 형성된 3차원 인텐시티 프로브와 본 발명의 일 실시예에 따라 두 개의 3차원 인텐시티 어레이가 포함된 3차원 인텐시티 프로브를 사용하여 평면각 20°와 고도각 -8°에 위치하는 실제 음원의 방향을 추정한 결과가 도시되어 있는 바, 상기 결과는 1/3-옥타브 밴드 주파수 분석의 결과이다. 상기 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 단일의 3차원 인텐시티 프로브를 사용하는 경우 약 2°의 오차를 갖는 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 두 개의 3차원 인텐시티 어레이가 포함된 3차원 인텐시티 프로브를 사용하는 경우 추정오차는 약 1°라는 점에서, 정확도에 있어서 상당한 차이를 보임을 확인할 수 있다. 상기 도면에서, 1점 쇄선은 실제 방향을 도시하고, +와 ×는 단일 프로브를 사용한 결과를 도시하며, ○는 본 발명의 일 실시예에 따른 두 개의 3차원 인텐시티 어레이가 포함된 3차원 인텐시티 프로브를 사용한 결과를 도시한다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10,20,30 : 3차원 인텐시티 어레이
15,25,35 : 기하중심
17,27,37 : 3차원 인텐시티 벡터

Claims (5)

  1. 음원의 방향 및 위치를 3차원 음향 인텐시티 벡터를 사용하여 추정하기 위해, 정사면체 배열의 각 꼭지점에 4개의 마이크로폰이 배열된 3차원 인텐시티 어레이 2개를 배열하여 형성되는 3차원 인텐시티 프로브에 있어서,
    정사면체 배열의 제1 3차원 인텐시티 어레이와, 상기 제1 3차원 인텐시티 어레이에 대하여 임의 각도로 비튼 상태로 배치되는 하나 이상의 다른 3차원 인텐시티 어레이를 포함하여 형성되고,
    상기 제1 3차원 인텐시티 어레이와 상기 하나 이상의 다른 3차원 인텐시티 어레이는 적어도 하나의 꼭지점을 공유하도록 배치되고, 각 어레이의 기하중심이 동일하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 복수개의 3차원 인텐시티 프로브를 이용한 음원위치추정시스템.
  2. 삭제
  3. 음원의 방향 및 위치를 3차원 음향 인텐시티 벡터를 사용하여 추정하기 위해, 정사면체 배열의 각 꼭지점에 4개의 마이크로폰이 배열된 3차원 인텐시티 어레이 2개를 배열하여 형성되는 3차원 인텐시티 프로브에 있어서,
    정사면체 배열의 제1 3차원 인텐시티 어레이와, 상기 제1 3차원 인텐시티 어레이에 대하여 임의 각도로 비튼 상태로 배치되는 하나 이상의 다른 3차원 인텐시티 어레이를 포함하여 형성되고,
    상기 제1 3차원 인텐시티 어레이와 상기 하나 이상의 다른 3차원 인텐시티 어레이는 적어도 하나의 꼭지점을 공유하도록 배치되고, 각 어레이의 기하중심이 서로 다른 위치에 형성되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 복수개의 3차원 인텐시티 프로브를 이용한 음원위치추정시스템.
  4. 음원의 방향 및 위치를 3차원 음향 인텐시티 벡터를 사용하여 추정하기 위해, 정사면체 배열의 각 꼭지점에 4개의 마이크로폰이 배열된 3차원 인텐시티 어레이 2개를 배열하여 형성되는 3차원 인텐시티 프로브에 있어서,
    정사면체 배열의 제1 3차원 인텐시티 어레이와, 상기 제1 3차원 인텐시티 어레이에 대하여 임의 각도로 비튼 상태로 배치되는 하나 이상의 다른 3차원 인텐시티 어레이를 포함하여 형성되고,
    상기 제1 3차원 인텐시티 어레이와 상기 하나 이상의 다른 3차원 인텐시티 어레이는 꼭지점을 공유하지 않도록 배치되고, 각 어레이 영역의 일부를 공유하면서 각 어레이의 기하중심이 서로 다른 위치에 형성되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 복수개의 3차원 인텐시티 프로브를 이용한 음원위치추정시스템.
  5. 제1항, 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 복수개의 3차원 인텐시티 프로브를 이용한 음원의 추정은 1/3-옥타브 밴드 주파수 분석에 의해 얻는 것을 특징으로 하는 복수개의 3차원 인텐시티 프로브를 이용한 음원위치추정시스템.
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