KR101686348B1 - 음원 처리 방법 - Google Patents

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육동석
이태우
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 하나의 마이크로폰을 이용하여 거의 무한대의 공간 분해능으로 소리를 측정할 수 있는 음원 처리 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 의한 마이크로폰이 구비된 제1떨림체; 및 마이크로폰이 구비되지 제2떨림체를 포함하는 떨림체 구조물을 이용하여 음원을 처리하는 방법에 있어서, 상기 마이크로폰에 의해 녹음된 소리를 저장하는 단계; 상기 소리 발생 시에 동시에 촬영된 제1떨림체에 대한 제1동영상 및 상기 제2떨림체에 대한 제2동영상을 획득하는 단계; 상기 제1동영상 및 상기 제2동영상을 이용하여 상기 제1떨림체와 상기 제2떨림체와의 소리의 도착 시간 차이를 계산하는 단계; 및 상기 계산된 도착 시간 차이 및 녹음된 소리를 이용하여 제2떨림체에 대응되는 소리를 복원하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

음원 처리 방법{SOUND PROCESSING METHOD}
본 발명은 음원 처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하나의 마이크로폰을 이용하여 거의 무한대의 공간 분해능으로 소리를 측정할 수 있는 음원 처리 방법에 관한 것이다.
고정밀 보청기 등의 첨단 의료기기와 휴대전화, UMPC(ultra-mobile PC), 캠코더 등의 모바일 컨버전스 단말이 확산됨에 따라 마이크로폰 배열을 이용한 응용제품의 수요가 증가하고 있다. 마이크로폰 배열은는 다수의 마이크로폰들을 조합하여 음향 자체뿐만 아니라 취득하려는 음향의 방향이나 위치와 같은 지향성(directivity)에 관한 부가적인 정보를 얻을 수 있다. 지향성이라 함은 음원 신호가 배열을 구성하는 다수의 마이크로폰들 각각에 도달하는 시간 차이를 이용하여 특정 방향에 위치한 음원으로부터 방사되는 음원 신호에 대한 감도를 크게 하는 것을 말한다. 따라서 이러한 마이크로폰 배열을 이용하여 음원 신호들을 취득함으로써 특정 방향에서 입력되는 음원 신호를 강조하거나 억제할 수 있다.
마이크로폰은 소리의 파동을 전기 신호로 변환하는 장치이다. 배열 신호 처리에는 두 개 이상의 센서 또는 마이크로폰 배열이 사용된다. 배열 신호 처리를 사용하면 소리가 난 방향을 찾거나, 그 방향의 소리를 강화하거나, 그 방향에서 난 소리를 분리해 낼 수 있다. 배열 신호 처리 성능은 거기에 사용된 마이크로폰 개수가 많아질수록 높아진다. 따라서 높은 성능을 얻기 위해서는 최대한 많은 수의 마이크로폰을 사용해야 한다. 관련된 선행문헌으로 공개특허 10-2012-0079346호가 있다.
기존 방식으로 많은 수의 마이크로폰으로 구성된 마이크로폰 배열을 구성하는 것은 비싸다. 따라서 하나의 마이크로폰을 이용하여 무한대의 공간 분해능으로 소리를 측정할 수 있는 기술에 대한 연구가 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 하나의 마이크로폰을 이용하여 거의 무한대의 공간 분해능으로 소리를 측정할 수 있는 음원 처리 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일실시예에 의하면, 마이크로폰이 구비된 제1떨림체; 및 마이크로폰이 구비되지 제2떨림체를 포함하는 떨림체 구조물을 이용하여 음원을 처리하는 방법에 있어서, 상기 마이크로폰에 의해 녹음된 소리를 저장하는 단계; 상기 소리 발생 시에 동시에 촬영된 제1떨림체에 대한 제1동영상 및 상기 제2떨림체에 대한 제2동영상을 획득하는 단계; 상기 제1동영상 및 상기 제2동영상을 이용하여 상기 제1떨림체와 상기 제2떨림체와의 소리의 도착 시간 차이를 계산하는 단계; 및 상기 계산된 도착 시간 차이 및 녹음된 소리를 이용하여 제2떨림체에 대응되는 소리를 복원하는 단계를 포함하는 음원 처리 방법이 개시된다.
본 발명의 일실시예에 의한 음원 처리 방법은 하나의 마이크로폰을 이용함에도 거의 무한대의 공간 분해능으로 소리를 측정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의한 음원 처리 방법은 높은 정밀도의 음원 방향 추정, 빔포밍을 이용한 음성 강화, 음성 분리, 음장 가시화, 소음원 규명 등에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예와 관련된 떨림체 구조물을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일실시예와 관련된 음원 처리 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예와 관련된 음원 처리 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예와 관련된 유사도 행렬을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일실시예와 관련된 상호 상관 연산을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예와 관련된 상호 상관 연산 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 일실시예와 관련된 음원 처리 방법에 대해 도면을 참조하여 설명하도록 하겠다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명의 일실시예에 의한 음원 처리 방법은 하나의 마이크로폰과 복수 개의 떨림체가 구비된 떨림체 구조물을 이용하여 특정 공간에서 발생한 소리의 파동을 거의 무한대의 공간 분해능으로 측정할 수 있다.
이하에서는 소리 발생 시에 촬영된 떨림체의 영상을 이용하여 각 떨림체에 대응되는 소리를 복원하는 방법에 대해 설명하도록 하겠다.
도 1은 본 발명의 일실시예와 관련된 떨림체 구조물을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 떨림체 구조물(100)은 고정틀(110), 제1떨림체(120), 복수개의 제2떨림체(130), 마이크로폰(140), 받침대(150)를 포함할 수 있다.
고정틀(110)은 원형 또는 접시 모양으로 구현될 수 있다. 상기 고정틀(110)은 떨림체 사이에 서로 전달되는 진동을 흡수할 수 있는 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 고정틀(110)의 재질로 나무가 사용될 수 있다.
상기 원형 또는 접시 모양의 고정틀(110) 내부에는 중심에 위치한 제1떨림체(120) 및 상기 제1떨림체(120)와 소정 간격으로 배치된 복수 개의 제2떨림체(130)가 배치될 수 있다. 상기 제1떨림체(120)의 중심에는 마이크로폰(140)이 설치되고, 복수 개의 제2떨림체(130)에는 마이크로폰이 설치되어 있지 않다.
상기 제1떨림체(120) 및 제2떨림체(130)는 떨림에 반응하는 얇고 부드러운 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1떨림체(120) 및 제2떨림체(130)의 재질로 종이가 사용될 수 있다.
상기 제1떨림체(120) 및 제2떨림체(130) 떨림에 의해 식별될 수 있는 동일한 무늬가 표시될 수 있다. 상기 식별될 수 있는 무늬는 상하 또는 좌우 대칭이 되지 않는 모양을 포함할 수 있다.
상기 마이크로폰(140)은 제1떨림체(120)의 중심 영역에 설치될 수 있다. 마이크로폰(140)은 소리의 파동을 전기 신호로 변환하는 장치이다.
받침대(150)는 바닥과 고정틀(110)을 연결한다. 상기 받침대(150)에는 바닥에서 전해지는 진동을 흡수할 수 있도록 완충기(shock absorber)(미도시)가 구비될 수 있다. 상기 완충기는 새로운 소음을 만들지 않아야 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예와 관련된 음원 처리 장치의 블록도이다.
도시된 바와 같이, 음원 처리 장치(200)는 수신부(210), 카메라(220), 저장부(230), 도착 시간 차이 계산부(240), 복원부(250) 및 제어부(260)를 포함할 수 있다. 상기 음원 처리 장치(200)는 상기 떨림체 구조물(100)과 일체로 구현될 수도 있고, 분리되어 구현될 수도 있다.
수신부(210)는 각종 신호 또는 데이터 등을 수신할 수 있다. 예를 들어, 수신부(210)는 마이크로폰(140)에서 녹음된 소리를 상기 떨림체 구조물(100)로부터 수신할 수 있다.
카메라(220)는 고속 촬영을 설계할 수 있도록 설계된 고속 카메라를 포함할 수 있다. 고속 카메라는 초당 소정 프레임(예: 300프레임) 이상을 촬영할 수 있다. 상기 카메라(220)를 통해 특정 공간에서 소리가 발생하는 동안 떨림체 구조물(100)에 구비된 모든 떨림체가 고속 촬영될 수 있다.
상기 카메라(220)는 음원 처리 장치(200)의 일 구성 요소로 구현될 수도 있고, 상기 음원 처리 장치(200)와 별도로 분리되어 구현될 수도 있다.
저장부(230)는 마이크로폰(140)으로 녹음된 소리를 저장할 수 있다. 또한, 저장부(230)는 상기 카메라(220)에 의해 촬영된 떨림체의 동영상을 저장할 수도 있다.
도착 시간 차이 계산부(240)는 특정 공간에서 소리 발생 시 제1떨림체(120)를 촬영한 제1동영상과 임의의 제2떨림체(130)를 촬영한 제2동영상을 이용하여 제1떨림체를 기준으로 상기 임의의 제2떨림체가 있는 지점의 도착 시간 차이를 계산할 수 있다.
복원부(250)는 마이크로폰(140)에 녹음된 소리 및 계산된 도착 시간 차이를 이용하여 상기 임의의 제2떨림체에 녹음되었을 소리를 복원할 수 있다.
제어부(260)는 수신부(210), 카메라(220), 저장부(230), 도착 시간 차이 계산부(240), 복원부(250)를 전반적으로 제어할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예와 관련된 음원 처리 방법을 나타내는 흐름도이다.
특정 공간에서 소리가 발생될 수 있다(S310).
상기 발생된 소리는 상기 마이크로폰(140)에 의해 녹음될 수 있다(S320).
소리가 발생되는 동안, 카메라(220)는 마이크로폰(140)이 설치된 제1떨림체(120) 및 마이크로폰이 설치되지 않은 복수의 제2떨림체(130)를 고속 촬영할 수 있다(S330).
도착 시간 차이 계산부(240)는 카메라(220)로 촬영된 영상들에서 제1떨림체(120)를 기준으로 각 제2떨림체(임의의 제2떨림체)(130)가 있는 지점의 도착 시간 차이를 계산할 수 있다(S340).
이하에서는 제1떨림체(120)를 촬영한 제1동영상과 임의의 제2떨림체(130)를 촬영한 제2동영상을 이용하여 도착 시간 차이를 계산하는 방법에 대해 구체적으로 설명하도록 하겠다.
제1동영상과 제2동영상은 초당 프레임수가 30 것을 예로 설명하도록 하겠다.
먼저, 두 영상을 프레임 단위로 추출한다. 이 예에서 한 프레임 198 x 487 픽셀이다. 이 프레임 열을 각각 X, Y라 하자.
비교의 편의를 위해, 두 영상의 각 프레임을 벡터로 만들 수 있다. 즉, 198 x 487 차원의 영상을 96426 x 1 벡터로 만들 수 있다.
그리고 유사도 행렬을 계산한다.
유사도 행렬은 X의 각 프레임(1~30) 과 Y의 각 프레임(1~30) 사이에 유사도를 측정을 통해 생성될 수 있다. 각 유사도는 X에서 하나 그리고 Y에서 하나씩 각각 추출된 두 벡터에서 각 요소(element)의 값이 같고 그 요솟값이 배경색은 아닌 픽셀의 개수이다.
두 프레임 벡터 X, Y의 유사도를 측정하려 할 때, 요소는 한 벡터를 구성하는 값 하나이다. 예를 들어, 벡터 <1, 2, 3>은 세 요소 1, 2, 3으로 구성된다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 동영상을 구성하는 각 영상은 흑백 영상이라고 가정하기로 한다. 그 영상에서, 검은색 픽셀 또는 전경(foreground)은 값 0을 가지고, 흰색 픽셀 또는 배경(background)은 값 255를 가진다. 우리 목표는 두 벡터에서, 전경이면서 요솟값이 같은 픽셀 수를 세는 것이다. 그 값을 두 프레임 벡터의 유사도라고 정의한다.
두 벡터 X=<0, 255, 255> 그리고 Y=<0, 255, 0>가 있다. 두 벡터에서, 같은 인덱스 번째에 있는 각 요솟값이 같으면 1로, 다르면 0으로 표기한다. 그 결과 벡터는 <1, 1, 0>이 될 것이다.
그런데 그 결과 벡터에서, 두 번째 요소는 배경이 같음을 뜻한다. 우리가 얻고 싶은 결과는 전경이 같은 픽셀 수이지 배경이 같은 픽셀 수가 아니다. 따라서 각 요솟값이 같고 그 요솟값이 배경은 아닌 픽셀 벡터는 <1, 0, 0>이 된다.
상기와 같은 방법을 이용하여 유사도 행렬을 생성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예와 관련된 유사도 행렬을 나타낸다.
상기 유사도 행렬은 두 신호가 곱해져서 나올 수 있는 모든 조합의 결과를 미리 계산한 값들이라고 할 수 있다.
그런 다음, 유사도 행렬을 이용하여 상호 상관 연산을 수행할 수 있다. 즉, 상기 유사도 행렬에서 행요소 및 열요소 중 어느 하나를 제1신호로 구성하고, 나머지 하나를 제2신호로 구성하여 상기 제1신호와 상기 제2신호의 상관성을 정량적으로 산출하는 상호 상관 연산을 수행할 수 있다.
설명을 간단히 만들기 위해, 각 동영상이 30 프레임이 아닌 3프레임으로 구성되어 있다고 가정하기로 한다. 유사도 행렬의 크기도 30x30이 아닌 3x3이 된다.
도 5는 본 발명의 일실시예와 관련된 상호 상관 연산을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 두 번째 신호를 뒤집어 이동시키며 첫 번째 신호와 곱하여 누적하는 연산하는 과정을 나타낸다.
도 5에서, 상호 상관의 첫 번째 인덱스 요솟값은 유사도 행렬의 3행 1열에 있는 값이 된다. 상호 상관의 두 번째 인덱스 요솟값은 유사도 행렬의 3행 2열 그리고 2행 1열에 있는 값의 합이 된다. 상호 상관의 세 번째 인덱스 요솟값은 유사도 행렬의 1행 1열, 2행 2열, 그리고 3행 3열에 있는 값의 합이 된다. 상호 상관의 네 번째와 다섯 번째 인덱스 요솟값도 마찬가지 방식으로 계산된다.
만약 위와 같은 연산을 30프레임으로 구성된 두 동영상에 대해 수행했다면, 도 6과 같은 결과가 나왔을 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예와 관련된 상호 상관 연산 결과를 나타내는 그래프이다.
상호 상관 결과에서 가장 큰 값이 나온 곳의 인덱스는 두 동영상이 3프레임의 시간 차이를 두고 재생되고 있음을 보여준다.
도착 시간 차이 = nFrame(30) - 최대 피크 발생 인덱스(33) = -3
한 프레임이 1/30초 이므로, 두 떨림체 영상의 도착 시간 차이는 3/30(=0.1)초 이다. 각 동영상의 초당 프레임 수가 30이므로, 우리는 두 동영상의 재생 시각 차이가 0.1초임을 알 수 있다.
복원부(250)부 계산된 도착 시간 차이 및 마이크로폰(140)으로 녹음된 소리를 이용하여 각 제2떨림체(130)에 녹음되었을 소리를 복원할 수 있다(S350).
본 발명의 일실시예에 의한 음원 처리 방법은 하나의 마이크로폰을 이용함에도 거의 무한대의 공간 분해능으로 소리를 측정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의한 음원 처리 방법은 높은 정밀도의 음원 방향 추정, 빔포밍을 이용한 음성 강화, 음성 분리, 음장 가시화, 소음원 규명 등에 적용될 수 있다.
또한, 마이크로폰을 하나만을 사용하기 때문에 저렴한 비용으로도 정밀한 음원 방향 추정이 가능하다.
상술한 음원 처리 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 이때, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 한편, 기록매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(Magnetic Media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(Optical Media), 플롭티컬 디스크(Floptical Disk)와 같은 자기-광 매체(Magneto-Optical Media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
한편, 이러한 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다.
또한, 프로그램 명령에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
상기와 같이 설명된 음원 처리 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
100: 떨림체 구조물
110: 고정틀
120, 130: 떨림체
140: 마이크로폰
150: 받침대
200: 음원 처리 장치
210: 수신부
220: 카메라
230: 저장부
240: 도착 시간 차이 계산부
250: 복원부
260: 제어부

Claims (5)

  1. 마이크로폰이 구비된 제1떨림체; 및 마이크로폰이 구비되지 않은 제2떨림체를 포함하는 떨림체 구조물을 이용하여 음원을 처리하는 방법에 있어서,
    상기 마이크로폰에 의해 녹음된 소리를 저장하는 단계;
    상기 소리 발생 시에 동시에 촬영된 제1떨림체에 대한 제1동영상 및 상기 제2떨림체에 대한 제2동영상을 획득하는 단계;
    상기 제1동영상 및 상기 제2동영상을 이용하여 상기 제1떨림체와 상기 제2떨림체와의 소리의 도착 시간 차이를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 도착 시간 차이 및 녹음된 소리를 이용하여 제2떨림체에 대응되는 소리를 복원하는 단계를 포함하되,
    상기 제1떨림체와 상기 제2떨림체에는 동일한 무늬가 표시되되, 상기 표시된 무늬는 상하 또는 좌우 대칭이지 않은 것을 특징으로 하는 음원 처리 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 도착 시간 차이 계산 단계는
    상기 제1동영상을 구성하는 프레임과 상기 제2동영상을 구성하는 프레임 사이의 유사도를 이용하여 유사도 행렬을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 음원 처리 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 유사도는
    배경색을 제외하고 비교되는 요솟값이 동일한 값을 가지는 픽셀을 개수인 것을 특징으로 하는 음원 처리 방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 도착 시간 차이 계산 단계는
    상기 유사도 행렬에서 행요소 및 열요소 중 어느 하나를 제1신호로 구성하고, 나머지 하나를 제2신호로 구성하여 상기 제1신호와 상기 제2신호의 상관성을 정량적으로 산출하는 상호 상관 연산 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음원 처리 방법.
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