KR101884000B1 - PFD(Peak Frequency Detect)기술을 이용하여 조류독감을 포함한 동물 질병 감염개체의 소리를 비교, 구분, 판독하는 전자공학적 하모닉스 알고리즘에 관한 서비스 제공방법 및 장치 - Google Patents

PFD(Peak Frequency Detect)기술을 이용하여 조류독감을 포함한 동물 질병 감염개체의 소리를 비교, 구분, 판독하는 전자공학적 하모닉스 알고리즘에 관한 서비스 제공방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 PFD(Frequency Peak Detect)기술을 이용하여 조류독감을 포함한 동물 질병 감염개체의 소리를 비교, 구분, 판독하는 전자공학적 하모닉스 알고리즘에 관한 서비스를 제공하는 시스템은 조류의 호흡기 질환 감염 여부 및 조류 독감 감염 여부를 정확하게 진단할 수 있으며, 조류 독감으로 인한 피해를 사전에 신속히 방지할 수 있다. 본 발명의 알고리즘은 딥러닝, 머신러닝을 통해 인공지능적으로 발전할 수 있다.

Description

PFD(Peak Frequency Detect)기술을 이용하여 조류독감을 포함한 동물 질병 감염개체의 소리를 비교, 구분, 판독하는 전자공학적 하모닉스 알고리즘에 관한 서비스 제공방법 및 장치{PFD technology for comparing, distinguishing and reading sounds infected animal disease including avian influenza with methods of providing service and a device regarding an electronic harmonic algorithm}
본 개시는 야생 조류 및 가금류의 질병 소리를 식별하기 위한 피크 주파수 검출 방법, 피크 주파수 검출 장치 및 이를 이용한 진단 시스템에 관한 것이다.
최근 2016년~2017년 사이 한국에서는 조류독감이 발생되어 약 4천만 마리의 닭과 오리가 살처분되어 약 4천억원의 피해를 보았다. 이로 인하여 경제적으로 닭과 오리값이 폭등하고 계란값까지 상승하여 외국에서 수입해 오는 물량이 증가되는 추세이다. 따라서 조류독감을 포함한 야생조류 및 가금류 등의 호흡기 질병 감염 개체를 초기에 발견하고 차량, 사람들의 출입을 금지하고 방역소독을 실시하면서 감염개체를 정밀 진단하여 양성으로 판정 시, 농장 주변 또는 철새 도래지 등에서 조류독감 등의 질병이 확산되지 않게 함으로서 선제적 방역활동을 효과적으로 할 필요가 있다.
조류독감(AI: Avian Influenza)은 주로 닭, 오리 등의 조류에 발병하는 전염성 호흡기 질환이다. 인간에게 전염될 가능성은 낮지만 일단 전염되면 치사율이 매우 높다.
조류 독감이 유행하기 시작하면 주요 철새 도래지는 방역 작업으로 비상이 걸린다. 2014년도부터 2016년까지의 조류독감발생 국가를 보면 라오스, 베트남, 가나, 나이지리아 등 비교적 기후가 높은 국가들까지 포함된다. 이는 기후 온난화에 따른 조류독감 바이러스 변종의 높은 저항성을 의미한다.
조류 독감은 닭에 감염 시 가벼운 호흡기 증상을 유발하는 비병원성 조류인플루엔자, 1∼30% 내외의 폐사와 산란저하를 유발하는 저병원성 조류인플루엔자 그리고 95% 이상의 높은 치사율을 보이는 고병원성 조류인플루엔자(Highly Pathogenic Avian Influenza, HPAI)로 분류된다. 조류인플루엔자 바이러스는 nucleoprotein (NP)과 바이러스입자의 35∼45%를 차지하는 matrix (M) protein의 항원성에 따라 A, B 및 C형으로 구별되며 그 중 B형과 C형은 사람에게만 감염되고 A형은 사람을 비롯하여 닭, 칠면조, 야생오리, 돼지, 말 및 밍크 등에 감염된다.
고병원성 조류독감의 경우 인수공통전염병으로 분류되며, 사람에게 감염 사례는 적으나 치사율이 30%~60%에 달한다. 또 다른 고병원성 AI로는 H5N1 과 2013년 중국 안후이 성에서 최초 발견된 H7N9 가 있다. 2016년 기준 국내에서 지금도 전염되고 있는 H5N8은 인체 감염 여부가 불확실하다. H5N6형 조류독감 바이러스는 2014년 중국에서 발생한 후 지금까지 15명이 감염돼 9명이 숨지는 등 전 세계적으로 그 위험성이 인지되어 있다.
도심지 지역 내에서 고병원성 조류독감바이러스가 나타났다면 역학적으로 비들기, 참새, 제비, 까마귀 등에 교차감염(CROSS-INFECTION)이 일어날 확률은 적지만 전혀 배제할 수 없을 뿐만 아니라 사람에게도 전파될 가능성도 배제할 수 없다.
야생 조류나 가금류의 질병을 식별하는 특허로, 특허 공개 제10-2014-0147230호는 가축의 생체 정보, 축사의 온습도, 열화상 카메라를 통하여 동물의 질병을 판단하는 기술을 개시하고 있다.
특허 등록 제10-1634706호는 7개의 프라이머 세트로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 프라이머 세트를 포함하는 인플루엔자 바이러스 진단을 위한 프라이머 세트와 프라이머 세트를 포함하는 인플루엔자 바이러스 진단을 위한 키트를 개시하고 있다.
그러나 이들 특허를 포함한 종래 기술은 조류 질병을 의학적인 관점에서 진단하고 예방하는 것으로 질병의 조기 진단이 어렵고 초기 확산을 방지하는 데는 한계가 있다.
그러므로 본 발명은 PFD(Frequency Peak Detect)기술을 이용하여 조류독감을 포함한 동물 질병 감염개체의 소리를 비교, 구분, 판독하는 전자공학적 하모닉스 알고리즘에 관한 서비스 제공방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 야생 조류 및 가금류의 질병 소리를 식별, 진단 및 에방하기 위한 시스템은 다채널 음성 분석 장치(MCAAD; multi channel audio analysis device)와, MCAAD와 유선 또는 무선으로 연결된 음성수집부를 포함하며, 상기 음성수집부는 다수의 마이크를 통하여 조류 소리를 수집하며, 수집된 음성 정보는 릴레이를 개재하여 MCAAD로 송신되는 시스템을 제공한다.
상기 MCAAD는 조류의 음성 정보를 수신하고, 주위 환경의 소음을 필터링하고, 유효 주파수를 추출하고, 유효 주파수를 분석하여 조류의 현재 상태를 판단하고, 이상 상태로 분류된 경우 해당 정보를 메인 서버로 송신할 수 있다.
상기 MCAAD는 주위 환경의 소음을 초과하고 일정 데시벨 이상의 피크 주파수가 등차수열을 이루거나 발생한 피크 주파수가 MCAAD에 기 저장된 데이타와 동일할 때 유효 주파수로 구분하며, 상기 유효 주파수 중 가장 낮은 주파수를 기음으로 판단할 수 있다.
상기 메인 서버는 스마트폰, 무전기, 컴퓨터 단말기, 태블릿 PC 및 PDA 등과 연결될 수 있다.
상기 MCAAD는 조류의 음성 정보 분석을 위해, 한 음절 또는 음소내에서 발생 시간을 구분하여 추출된 인트로 피크(intro peak) 주파수와 아웃트로 피크(outro peak) 주파수가 조류의 기관 공진발생 자연배열음의 특정 배음에서 공진하며 발생하거나 또는 인트로 피크 주파수와 아웃트로 피크 주파수가 기관 공진발생 자연배열음의 서로 다른 배음에서 공진하는 것을 토대로 조류의 상태를 판단할 수 있다.
상기 MCAAD는 (A) 조류가 정상 상태에서의 인트로 피크 주파수와 아웃트로 피크 주파수에서의 기음을 기준 기음으로 설정하고, (B) 측정된 조류의 음성의 인트로 피크 주파수와 아웃트로 피크 주파수의 각각의 기음이 동일하며 모두 상기 기준 기음보다 낮은 경우 또는 인트로 피크 주파수의 기음 보다 아웃트로 피크 주파수의 기음이 작으며, 모두 상기 기준 기음보다 낮은 경우 조류가 IB(전염성 기관지염), ND(뉴캐슬병) 또는 ILT(후두기관지염)와 같은 호흡기 질환 바이러스에 감염된 것으로 판단하며, (C) 측정된 조류의 음성의 인트로 피크 주파수의 기음 보다 아웃트로 피크 주파수의 기음이 높으며, 모두 상기 기준 기음보다 낮은 경우 또는 인트로 피크 주파수의 기음 보다 아웃트로 피크 주파수의 기음이 완전 8도 옥타브 이상 높은 경우 조류가 조류 독감에 감염된 것으로 판단할 수 있다.
상기 MCAAD는 인트로피크 주파수의 제1피크주파수와 제2피크주파수가 등차수열을 이루며, 기음인 제1피크주파수가 조류의 기관 고유 진동수의 4배음에 해당하며, 아웃트로피크 주파수의 제1피크주파수 내지 제6피크주파수가 등차수열을 이루며, 기음인 제1피크주파수가 조류의 기관 고유 진동수의 4배음에 해당하는 경우 조류가 평온한 상태로 판단할 수 있다.
상기 MCAAD는 인트로피크 주파수의 제1피크주파수 내지 제8피크주파수는 등차수열을 이루며, 기음인 제1피크주파수가 조류의 기관 고유 진동수의 5배음에 해당하며, 아웃트로피크 주파수의 제1피크주파수 내지 제5피크주파수는 등차수열을 이루며, 기음인 제1피크주파수가 조류의 기관 고유 진동수의 4배음에 해당하는 경우 정상 상태의 큰 소리로 판단할 수 있다.
상기 MCAAD는 (A) 인트로피크 주파수의 제1피크주파수 내지 제3피크주파수는 상위 차수 피크주파수와 하위 차수 피크주파수의 차를 기준 기음으로 하여 등차수열을 이루며, 제1피크주파수는 조류 기관의 고유 진동수의 3배음에 해당하며, 제2피크주파수는 조류 기관의 고유 진동수의 4배음에 해당하며, 제3피크주파수는 조류 기관의 고유 진동수의 5배음에 해당하며, 아웃트로 피크 주파수의 제1피크주파수 및 제2피크주파수는 상위 차수 피크주파수와 하위 차수 피크주파수의 차를 기준 기음으로 하여 등차수열을 이루며, 제1피크주파수가 조류 기관 고유 진동수의 3배음에 해당하며, 제2피크주파수가 조류 기관의 고유 진동수의 4배음에 해당하는 경우 또는 (B) 인트로피크 주파수의 제1피크주파수 내지 제5피크주파수는 등차수열을 이루며, 기음인 제1피크주파수가 조류 기관의 고유 진동수의 2배음에 해당하며, 아웃트로피크 주파수의 제1피크주파수 내지 제12피크주파수는 등차수열을 이루며, 기음인 제1피크주파수 조류 기관 고유 진동수의 1배음에 해당하는 경우 조류가 IB(전염성 기관지염), ND(뉴캐슬병) 또는 ILT(후두기관지염)와 같은 호흡기 질환 바이러스에 감염된 것으로 판단할 수 있다.
상기 MCAAD는 (A) 인트로피크 주파수의 제1피크주파수 내지 제10피크주파수는 등차수열을 이루며, 기음인 제1피크주파수가 조류 기관 고유 진동수의 1배음에 해당하며, 아웃트로피크 주파수의 제1피크주파수 내지 제6피크주파수는 등차수열을 이루며, 기음인 제1피크주파수가 조류 기관 고유 진동수의 3배음에 해당하는 경우 또는 (B) 인트로피크 주파수의 제1피크주파수 내지 제3피크주파수는 등차수열을 이루며, 기음인 제1피크주파수가 조류 기관 고유 진동수의 3배음에 해당하며, 아웃트로피크 주파수의 제1피크주파수 및 제2피크주파수가 등차수열을 이루며, 기음인 제1피크주파수가 조류 기관 고유 진동수의 6배음에 해당하는 경우 조류가 조류 독감에 감염된 것으로 판단할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예는 야생 조류 및 가금류의 질병 소리를 식별, 진단 및 예방하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은 다채널음성분석장치와, MCAAD와 유선 또는 무선으로 연결된 음성수집부를 포함하며, 상기 음성수집부는 다수의 마이크를 통하여 조류 소리를 수집하며, 수집된 음성 정보는 릴레이를 개재하여 MCAAD로 송신되며, MCAAD는 주위 환경의 소음을 초과하고 일정 데시벨 이상의 피크 주파수가 등차수열을 이루거나 발생한 피크 주파수가 MCAAD에 기 저장된 데이타와 동일할 때 유효 주파수로 구분하며, 상기 유효 주파수 중 가장 낮은 주파수를 기음으로 판단하고, 조류의 음성 정보 분석을 위해, 한 음절 또는 음소내에서 발생 시간을 구분하여 추출된 인트로 피크(intro peak) 주파수와 아웃트로 피크(outro peak) 주파수가 조류의 기관 공진 발생 자연 배열음의 특정 배음에서 공진하며 발생하거나 또는 인트로 피크 주파수와 아웃트로 피크 주파수가 기관 공진발생 자연배열음의 서로 다른 배음에서 공진하는 것을 토대로 조류의 상태를 판단하고, (A) 조류가 정상 상태에서의 인트로 피크 주파수와 아웃트로 피크 주파수에서의 기음을 기준 기음으로 설정하는, 시스템을 제공한다.
본 발명은 PFD기술을 이용하여 조류독감을 포함한 동물 질병 감염개체의 소리를 비교, 구분, 판독하는 전자공학적 하모닉스 알고리즘을 제공한다는 효과를 발휘한다.
본 발명의 MCAAD를 포함하는 시스템은 유효 주파수와 기음을 이용하여 조류 상태를 정확히 판정한다는 효과를 발휘한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 야생 조류 및 가금류의 질병 소리를 식별, 진단 및 예방하기 위한 시스템(S)의 구성도,
도 2는 닭의 음성 발생 구조를 설명하기 위한 개념도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 MCAAD의 작업을 설명한 흐름도,
도 4는 MCAAD에서 닭의 소리와 노이즈를 FFT를 이용하여 분석한 그래프,
도 5a는 인트로 피크 주파수 시간대 및 아웃트로 피크 주파수 시간대와 진폭 관계를 도시한 그래프, 도 5b는 환경소음 임계치를 6db로 정하고 인트로 피크 주파수를 측정한 그래프, 도 5c는 환경소음 임계치를 4db로 정하고 아웃트로 피크 주파수를 측정한 그래프이다.
도 6a는 수탉이 “꼬끼오”하면서 외치는 경우, 서브 피크(Sub peak) 주파수 시간대, 인트로 피크 주파수 시간대 및 아웃트로 피크 주파수 시간대와 진폭 관계롤 도시한 그래프, 도 6b는 인트로 피크 주파수를 측정한 그래프, 도 6c는 아웃트로 피크 주파수를 측정한 그래프이다.
도 7a는 호흡기 질병에 감염된 암탉에 대하여, 인트로 피크 주파수 시간대 및 아웃트로 피크 주파수 시간대와 진폭 관계를 도시한 그래프, 도 7b는 인트로 피크 주파수를 측정한 그래프, 도 7c는 아웃트로 피크 주파수를 측정한 그래프이다.
도 8a는 호흡기 질병에 감염된 수탉이 불안 및 경계 유형의 소리를 내는 경우, 인트로 피크 주파수 시간대 및 아웃트로 피크 주파수 시간대와 진폭 관계를 도시한 그래프, 도 8b는 인트로 피크 주파수를 측정한 그래프, 도 8c는 아웃트로 피크 주파수를 측정한 그래프이다.
도 9a는 조류 독감으로 의식 저하가 생긴 경우, 인트로 피크 주파수 시간대 및 아웃트로 피크 주파수 시간대와 진폭 관계를 도시한 그래프, 도 9b는 인트로 피크 주파수를 측정한 그래프, 도 9c는 아웃트로 피크 주파수를 측정한 그래프이다.
도 10a는 조류 독감으로 고통, 비명이 발생하는 경우, 인트로 피크 주파수 시간대 및 아웃트로 피크 주파수 시간대와 진폭 관계를 도시한 그래프, 도 10b는 인트로 피크 주파수를 측정한 그래프, 도 10c는 아웃트로 피크 주파수를 측정한 그래프이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예를 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 실시예의 구성요소를 설명하는 데 있어서 제1, 제2, ⅱ), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질 또는 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또, 수학식으로 등호(=)는 수학적인 완전한 동일함만을 의미하는 것이 아니라, 동일하다고 볼 수 있는 근사치나 근사 영역도 포함함을 유의해야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 야생 조류 및 가금류의 질병 소리를 식별, 진단 및 예방하기 위한 시스템은 다채널음성분석장치(MCAAD; multi channel audio analysis device)와, MCAAD와 유선 또는 무선으로 연결된 음성수집부 및 메인서버를 포함한다. MCAAD는 하이패스필터, 로우패스필터, 제트노이즈필터 중 어느 한 개 이상의 필터를 포함하여 사용하고 이퀄라이저를 사용하여 닭의 음성 신호의 특정 주파수 대역을 강조하거나 반대로 감소시키며, 전반적인 음질의 보정 및 개선에 사용된다.
동물의 소리유형 별 각 구간 대 피크 주파수에 도달하는 분석방법을 구현하기 위하여 축사 내 인터넷 망을 이용하여 유, 무선으로 연결한 마이크를 섹터별로 구분하여 설치하고 수음을 방해받지 않는 범위 내에서 철새도래지 또는 축사 내에서 먼지, 동물들의 털 등과 같은 이물질이 부착되는 것을 방지할 수 있는 마이크 캡 커버 소재를 이용하여 세척과 탈부착이 용이하도록 한다.
환경소음은 MCAAD의 데이터 분석 시 유효한 데이터와 합쳐져 정상적인 소리분석 및 판독을 방해하는 요소로 작용하므로 오디오 이벤트분석을 통하여 환경소음을 제어할 수 있는 프로그램을 내장하여 동물개체소리와 환경소음 등을 비교, 구분하여 최종적으로 판독오류가 발생되지 않도록 하고 오디오 이벤트 없는상태에서지속적으로 수음되는 데이터를 환경소음으로 인지하고 환경 소음, 행동소음 등을 제어하기 위해 사전에 노이즈필터의 입출력신호를 분석한 후 동물소리의 유효한 데이터만 추출할 수 있도록 자동으로 설정된다.
또한 오디오 이벤트를 통하여 음소단위 구간별 피크주파수에 도달하는 자연배열음의 기음과 배음의 배열구조변화를 실시간으로 비교, 구분, 판독할 수 있는 장점이 있다.
MCAAD의 메모리 저장부에서는 동물 질병 감염개체소리의 유효한 데이터 수치값을 딥러닝과 머신러닝을 통해 빅데이터화하여 인공지능적으로 정상과 비정상의 동물소리의 패턴, 동물의 상황 반응음, 동물의 생리학적 소리패턴, 환경소음, 행동소음, 기타 잡음 등의 정보를 기록한다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부 도면을 참조로 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 야생 조류 및 가금류의 질병 소리를 식별, 진단 및 예방하기 위한 시스템(S)의 구성도이다.
시스템(S)은 다채널음성분석장치(MCAAD; multi channel audio analysis device; 1)와, MCAAD(1)와 유선 또는 무선으로 연결된 음성수집부(4) 및 메인서버(2)를 포함한다. 음성수집부(4)는 가축의 축사 또는 철새 도래지 또는 조류 밀집지등 조류가 사육 또는 서식하는 어느 장소도 가능하다. 장소에는 다수의 마이크(M)가 설치되어 조류 소리를 수집하며, 수집된 음성 정보는 릴레이를 개재하여 MCAAD(1)로 송신된다.
MCAAD(1)는 컨트롤러(6)와, 메모리(8)와, 입출력인터페이스(10)와 통신모듈(12)을 포함한다. MCAAD(1)는 수신된 음성 정보를 분석하여 유효 정보를 추출하여 조류의 상태를 판단하고 이상으로 판단한 경우 관련 정보를 메인 서버(2)로 송신한다. MCAAD(1)는 해당 프로그램이나 어플리케이션이 내장된 컴퓨터, PDA, 테블릿PC 또는 스마트폰일 수 있으며, 특히 한정되지 않는다.
메인 서버(2)는 질병 발생 사실을 수신하면 이를 관리자에게 알려 필요한 조치 음성수집부 인근 주민에게 경고, 방역 준비 등을 수행하게 한다. 이를 위하여 메인 서버(2)는 스마트폰, 무전기, 컴퓨터 단말기, 테블릿 PC 및 PDA와 연결될 수 있다. 다만, 메인 서버(2)외 다른 네트워크나 통신 수단과 연계된 관제 시스템이나 통제 기관이 있으면 되므로, 메인 서버(2)는 본 발명의 시스템(S)의 필수 구성은 아니라고 할 수 있다.
한편, 메인 서버(2) 정보가 필요한 조류를 키우는 사용자의 경우 고 비용의 장비를 직접 축사에 설치하고 관리할 수 없는 경우가 있다. 이 경우, 도 1a에 도시한 것처럼, 메인 서버(2)는 사용자의 스마트폰과 같은 단말(T)에 질병 발생 사실을 송신하여 인근으로 병이 확산 및 감염되는 것을 예방할 수 있다. 단말(T)에는 질병관리시스템에 관련된 어플리케이션이 미리 설치되어 메인 서버(2)와 실시간으로 통신하는 것이 바람직하다.
본 발명의 시스템(S)은 예를 들어 조류 독감이 발생한 경우 전염성이 높으며, 초기 방역 대응에 실패하는 경우 피해가 크므로, 조류의 소리를 분석 및 검출하여 조류 독감 감염 여부를 실시간으로 모니터링 하여 효과적인 방역 체계를 구축한다.
야생 조류 및 가금류의 일례로 닭을 대상으로 본 발명의 시스템(S)을 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명이 특정 조류나 가금류에 한정되는 것은 아니다.
닭의 소리는, 도 2에 도시한 것과 같이, 진동발생영역에서 발생한 진동이 기관(trachea)에 전달되는 경우, 진동발생영역에서 발생한 진동의 주파수가 기관의 고유 진동수의 정수배(n배 또는 자연배음열)일 때 생기게 된다. 이는 트럼펫을 연주할 때 연주자의 입술 떨림에 의한 주파수가 트럼펫관 고유 진동수의 정수배일 때 소리가 나는 원리와 유사하다. 또한, 닭의 발성 과정에서는 기낭의 압력과 기관 의 주변 근육을 이용해서 기관의 길이를 조절하여 주파수를 변화시킬 수 있다.
닭은 수탉, 암탉, 기관의 길이와 굵기에 따라 기관의 고유 진동수가 다르지만, 대체적으로 130 ~ 195hz로 알려져 있다. 고유 진동수는 다르지만, 자연배열음에서 닭의 소리가 형성되는 원리는 변하지 않는다. 그러므로, 고유 진동수 정수배의 자연 배음(harmonics)을 유효주파수로서 추출하고 분석하는 것이 닭의 상태를 파악하는데 필요할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 MCAAD(1)의 작업을 설명한 흐름도이다.
MCAAD(1)는 닭의 소리 정보를 수신한다(S10). 주위 환경의 소음을 필터링하고(S12), 유효 주파수를 추출한다(S14). 유효 주파수를 분석하여 닭의 현재 상태를 판단하고 분류한다(S16). 이상 상태로 분류된 경우 해당 정보를 메인 서버로 송신한다(S18).
MCAAD(1)는 소리의 분석 기법으로 FFT(fast fourier transform)를 활용한다. FFT는 기본주파수와 배수주파수를 분석하는데 유용한 도구이다. MCAAD(1)는 유효 주파수 추출을 위해 PFD(Frequency Peak Detect) 기술을 이용한다.
닭의 소리분석을 위한 유효성 데이터를 추출하기 위해 수음된 오디오를 FFT Spectrum으로 변환하면 주파수의 성분을 확인할 수 있는데 이때 환경소음을 초과하고 일정 데시벨 이상의 피크 주파수가 등차수열을 이루거나 발생한 피크 주파수가 MCAAD(1)의 메모리(8)에 기저장된 데이타와 동일할 때 유효한 데이타로 구분한다. 유효한 피크 주파수가 등차수열을 이루고 그 중 가장 낮은 주파수인 기음(基音)이 기 저장된 데이타에 해당되거나 유효한 피크주파수 중 이웃한 피크 주파수가 등차수열을 이루며 기 저장된 데이터에 해당될 때 닭소리로 판독한다.
1. 환경 소음 필터링
음성수집부(4) 주변에는 환경 소음이 있을 수 있으므로, 소리 판독과 정상적인 분석을 위하여 주기적 또는 불규칙적인 소음을 필터링할 필요가 있다.
도 4는 MCAAD(1)에서 닭의 소리와 노이즈를 FFT를 이용하여 분석한 그래프이다. 그래프의 가로축은 주파수(hz), 세로축은 데쉬벨(db)을 나타낸다. 닭의 소리는 실선으로, 노이즈는 가는 선으로 표시된다.
닭의 소리는 120hz ~ 10khz이상까지 광범위하게 분포하며, 특히 피크주파수는 200hz ~ 5khz 사이에 집중되어 있다. 음량은 7db ~ 6db 사이에 분포한다. 소리 분석에 활용될 가능성이 있는 피크 주파수 복수 개, 여기서는 7개를 선택하여 각 지점(point)에서 음량과 주파수를 측정하면 다음과 같다.
이하, 각 지점에서의 주파수는 소문자“f”를 병기하여 구분하기로 한다.
A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8
-3.8db
200.5hz		 7.1db
712.8hz		 6.9db
1424.6hz		 -0.9db
1887.5hz		 -0.2db
2089.4hz		 -3.8db
2756.1hz		 -3.7db
3366.3hz		 -3.9db
3987.0hz
여기서, A2, A3, A5, A6, A7 및 A8 지점에서의 주파수는 A2에서의 주파수를 등차로 하는 등차수열에 근사함을 알 수 있다. 즉, (A2f, A3f, A5f, A6f, A7f, A8f)는 A2f를 공차로 하는 등차수열을 이룬다.
A1과 A4는 오버랩 과정에서 피치 변화로 인식되어 생긴 유효성 없는 정보로 간주되어 분석에서 제외한다. A2f는 닭의 기관의 고유 주파수(T)의 약 4배에 해당한다. A2f와 같은 수열의 첫째항을 가지는 지점(A2)을“기음(基音)”으로 표현하면,
A2f = 4T, A3f = 2×A2f = 8T,..., A8f = 7×A2f = 28T
의 관계가 성립한다. 등호(=)는 수학적인 완전한 동일함만을 의미하는 것이 아니라, 동일하다고 볼 수 있는 근사치나 근사 영역을 포함하는 개념으로 사용된다. 본 발명은 주파수의 정성 분석을 토대로 하므로 이러한 사용은 본 발명의 설명에 있어 적절할 수 있다.
이상으로부터, 기관의 고유 진동주파수를 토대로, 고유 진동주파수의 정수배인 기음과, 기음 주파수의 정수배이며 등차수열을 이루는 주파수를 가지는 공진배음열(하모닉스)이 존재함을 확인할 수 있다. 이는 유효 음소와 유효 주파수를 추출하는 기본 원리를 이룬다.
노이즈는 모든 주파수 대역에서 광범위하게 분포하지만, 닭의 소리와 같은 집중된 피크 주파수 영역은 보이지 않는다. 이는 정적인 환경에서 측정되었기 때문으로 생각된다. 노이즈의 피크 주파수 지점 9개에 대하여 음량을 측정하면 다음과 같다.
B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9
-4.7db
200.5hz		 -5.1db
239.4hz		 -4.2db
288.0hz		 -4.5db
305.6hz		 -4.1db
378.7hz		 -4.7db
442.2hz		 -4.9db
510.9hz		 -5.3db
678.1hz		 -5.4db
1003.3hz
닭의 소리를 보다 선명하게 식별하고 노이즈를 제거하기 위해서는 노이즈 필터링 임계치가 예를 들어 4.0db 정도로 설정하면 적절함을 알 수 있다. 이 임계치 이상에서는 닭의 소리 중 8개 피크주파수를 모두 포함하는 주파수 스펙트럼을 분석할 수 있고 노이즈 피크치를 모두 제거할 수 있기 때문이다. 그러나, 예를 들어 노이즈 필터링 임계치가 7.0db이면 피크주파수 지점이 저주파수에서 고주파수로 갈수록 (A1, B1, B2, ..., B8, A2, B9, A3 ,..., A8)이 되어 닭의 소리와 노이즈가 혼합되고 피크주파수를 판별할 수 없으며 피크주파수간의 상관(corelation) 관계를 도출할 수 없으므로 적절하지 못하다.
이상은 환경 소음 필터링의 일례를 제시한 것이며, 환경 소음은 측정 장소와 시간에 따라 가변적임을 고려하여 적절히 임계치 값을 설정해야 한다.
2. 닭의 소리 분석
정상닭은 기관 고유 진동수의 1배음은 거의 계측되지 않으며, 2배음부터 6배음까지 유형에 따라 소리를 낸다. 모든 닭소리에는 발성 과정에서 도입부(intro peak)가 생기는데, 사람의 발성과 마찬가지로 진동을 발생시키기 위한 임계값에 도달하는 과정이라고 할 수 있다. 또한, 임계값에 도달하면, 소리 유형(outro peak)이 결정된다. 정상닭은 매우 짧은 시간에 안정적으로 임계값에 도달하고 자연배음의 발생도 선명하게 나타난다.
호흡기 질환성 바이러스에 감염된 개체의 닭소리는 탁성이 발생하게 된다. 닭 기관의 해부학적 특성에 있어서 호흡기 질환성 바이러스로 발생된 삼출물로 인해 발성을 간섭받기 쉬운 구조로 되어 있다. 명관(Syrinx)의 울림판(Tympanic Membrane)에서 만들어진 진동이 기관을 공진시키기 위한 임계값에 도달하였다 하더라도 발성 조건이 충족되고 유지되어야 하는데, 삼출물로 인해 간섭을 받게 되면 한 기관 공진 발생 배음열에서 진동하지 못하고 주위로 반복 이동 또는 하나의 기관 공진 발생 배음열에서 이탈된 진동에너지가 기관을 강제적으로 진동시켜 탁성이 발생하게 되는 것이다.
음절 또는 음소 단위로 수음된 오디오 데이터를 FFT로 변환하면 주파수 성분을 확인할 수 있는데, 이때 환경 소음을 초과하고 일정 db이상의 피크 주파수와 등차수열을 이루거나 발생한 피크주파수가 기 저장된 데이터와 동일할 때 유효 데이터로 구분한다.
피크 주파수를 이용한 닭소리의 분석 방법으로는 한 음절 또는 음소내에서 발생 시간을 구분하여 추출된 인트로 피크 주파수(소리발생시작주파수)와 아웃트로 피크 주파수(소리발생종료주파수)가 닭 기관 공진발생 자연배열음의 특정 배음에서 공진하며 발생하거나 소리 유형에 따라 인트로 피크와 아웃트로 피크가 기관 공진발생 자연배열음의 서로 다른 배음에서 공진하는데 크게 다섯 가지로 분류하면 다음과 같다.
하나의 음소내에서 소리 발생의 임계값에 도달하는 과정에서 추출되는 인트로피크 주파수와 아웃트로피크 주파수간의 시간차가 발생한다.
닭의 소리 유형 중에는 특정 기관 공진발생 배음열에서 다른 배음열로 시간차를 두고 이동하며 발생되는 것이 있는데, 대표적인 예로 한 음절에서 발생되는 수탉의‘꼬끼오’와 같은 울음 소리가 있다.
하나의 음소내에서 기관의 상태가 변하게 되면 추출되는 유효주파수에 영향을 주게 되어 등차수열을 이루는 피크 주파수 전체가 이동되는 현상이 발생한다.
하나의 음소내에서 소리 발생의 임계값에 도달하는 과정에서 호흡기 질환으로 인한 기관내 삼출물 간섭을 받아 인트로피크 주파수가 한 공진배음열에서 안정적으로 공진하지 못하고 아웃트로 피크 주파수로 진행되면서 주위 공진 배음열로 이동하거나 공진 배음열 전체가 불안정하게 공진하는 현상이 발생한다.
하나의 음소내에서 등차수열을 이루는 피크 주파수가 특정 기관 공진 발생 자연배음열에서 시간에 비례하여 상위차수로 이동하는 현상이 발생하는데 대표적인 예로 고병원성 조류독감의 소리 유형인 고통(비명)과 의식저하 등이 있다.
이하, MCAAD(1)를 이용하여 유효 주파수를 추출하고 닭의 상태를 판단하는 예에 대하여 설명한다. 각각의 그래프는 여러 환경 하에서 상태가 다른 닭의 울음 소리를 수집하여 FFT로 분석한 것이다.
(가) 닭이 평온한 상태
정상닭의 소리를 측정하기 위해 2017년 02월 10일부터 08월 10일까지 영상녹화 및 소리 녹음을 통하여 행동소음, 환경소음, 닭들간의 상황발생에 의한 반응음, 기타 노이즈에 대한 분석을 하였고 이것을 근거로 정상닭의 소리유형을 구분하였다. 6개월간 총 50마리의 닭 (품종 : Brown leg horn)을 대상으로, 야외 농장에서 실험하였다. 날짜 별 성장에 따라, 병아리에서 성닭이 되는 전 구간에서의 소리를 암, 수 구별하여 각각 정상 개체의 소리를 분석하여 소리 유형별 차이를 구분하였다.
상기 실험 결과 도출된 도 5a는 인트로 피크 주파수 시간대(0 ~ 882ms) 및 아웃트로 피크 주파수 시간대(883ms ~ 2303ms)와 진폭(amplitude) 관계를 도시한다. 암탉이 평온한 상태에서 발성한 가성소리이다. 기음이 기관 공진 발생 4배음에 해당하며 뚜렷한 배음이 형성된다. 비교적 긴 시간 동안 소리 이벤트가 발생하며 정상닭의 경우 소리가 작고 인트로 피크에서 아웃트로 피크로 진행됨에 따라 기관 고유 진동수가 낮아진다.
도 5b는 환경소음 임계치를 6db로 정하고 인트로 피크 주파수를 측정한 그래프, 도 5c는 환경소음 임계치를 4db로 정하고 아웃트로 피크 주파수를 측정한 그래프이다.
그래프로부터, 소리 분석에 활용될 가능성이 있는 1차 피크주파수 복수 개를 인트로피크 주파수 2개, 아웃트로 피크 주파수 6개를 선택하여 각 지점에서 음량과 주파수를 측정하면 다음과 같다.
P1 P2 P3 P4 P5 P6
Intro F. -0.2db
730.5hz		 -1.9db
1461.2hz		 - - - -
Outro F. 7.1db
712.8hz		 6.9db
1424.6hz		 -0.2db
2089.4hz		 -3.8db
2756.1hz		 -3.7db
3366.3hz		 -3.9db
3987.0hz
인트로피크 주파수에서, 제1피크주파수(P1fi)와 제2피크주파수(P2fi)는 등차수열을 이루며, 제1피크주파수(P1fi)가 기음이다. 기음은 기관 고유 진동수를 182.6hz로 가정한 경우 4배음에 해당한다.
아웃트로피크 주파수에서, 제1피크주파수(P1fo) 내지 제6피크주파수(P6fo)는 등차수열을 이루며, 제1피크주파수(P1fo)가 기음이다. 기음은 기관 고유 진동수를 178hz로 가정한 경우 4배음에 해당한다.
0 ~ 2303ms에 걸쳐 인트로 피크 주파수의 기음과 아웃트로 피크 주파수의 기음을 기관의 고유 진동수에 따른 각 배음과 대비하여 살펴보면 다음과 같다.
배수 1 2 3 4 5 6 7 8
주파수(hz) 182.6 365.2 547.8 730.4 913 1095.6 1278.2 1460.8
<고유 진동수: 182.6hz>
배수 1 2 3 4 5 6 7 8
주파수(hz) 178 356 534 712 890 1068 1424 1602
<고유 진동수: 178hz>
인트로피크 주파수의 기음과 아웃트로 피크 주파수의 기음은 고유진동수의 4배음에 해당하며 변동이 없음을 확인할 수 있다.
(나) 닭의 울음 소리가 큰 경우
도 6a는 수탉이 “꼬끼오”하면서 외치는 경우, (가)와 같은 실험조건에서, 서브 피크(Sub peak) 주파수 시간대(0 ~ 322ms), 인트로 피크 주파수 시간대(323 ~ 448ms) 및 아웃트로 피크 주파수 시간대(449 ~ 873ms)와 진폭 관계를 도시한다.
서브 피크 주파수는 “꼬”에 해당하고 아웃트로인 “오”와 같은 피크 주파수를 보이므로 생략하였다. 인트로피크 주파수는 “끼”에 해당하며 “꼬” “오”와 장3도의 음정 차이를 보이는데, 이것은 기관 공진 발생 배음열의 4, 5 배음에 해당하는 것이다. “꼬끼오”의 소리를 진행하는 동안, 기관의 변화가 없이 고유 진동수에 영향을 주지 않지만, 아웃트로 피크 주파수 이후 기관 고유 진동수가 낮아지며 소리 이벤트를 종료한다.
도 6b는 환경소음 임계치를 0.8db로 정하고 인트로 피크 주파수를 측정한 그래프, 도 6c는 환경소음 임계치를 0.8b로 정하고 아웃트로 피크 주파수를 측정한 그래프이다.
그래프로부터, 소리 분석에 활용될 가능성이 있는 1차 피크주파수 복수 개를 인트로피크 주파수 8개, 아웃트로 피크 주파수 5개를 선택하여 각 지점에서 음량과 주파수를 측정하면 다음과 같다.
P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8
Intro F. 4.2db
793.8hz		 5.9db
1587.6hz		 1.8db
2381.8hz		 4.3db
3175.5hz		 1.1db
3967.0hz		 1.2db
4762.2hz		 1.4db
5556.6hz		 1.4db
6350.4hz
Outro F. 5.4db
635.4hz		 5.2db
1270.8hz		 2.5db
1906.0hz		 1.0db
2541.9		 5.0db
3177.8hz		 - - -
인크로피크 주파수에서, 제1피크주파수(P1fi) 내지 제8피크주파수(P8fi)는 등차수열을 이루며, 제1피크주파수(P1fi)가 기음이다. 기음은 기관 고유 진동수를 158.8hz로 가정한 경우 5배음에 해당한다.
아웃트로피크 주파수에서, 제1피크주파수(P1fo) 내지 제5피크주파수(P5fo)는 등차수열을 이루며, 제1피크주파수(P1fo)가 기음이다. 기음은 기관 고유 진동수를 158.8hz로 가정한 경우 4배음에 해당한다.
0 ~ 873ms에 걸쳐 인트로 피크 주파수의 기음과 아웃트로 피크 주파수의 기음을 기관의 고유 진동수에 따른 각 배음과 대비하여 살펴보면 다음과 같다.
배수 1 2 3 4 5 6 7 8
주파수(hz) 158.8 317.6 476.4 635.2 794 952.8 1111.6 1270.4
<고유 진동수: 158.8hz>
인트로피크 주파수의 기음은, 5배음에서 아웃트로 피크 주파수의 기음인 4배음으로 이동하였음을 확인할 수 있다.
(다) 닭이 호흡기 질환성 바이러스에 감염된 경우 호흡기 질환 경고 상태
닭이 IB(전염성 기관지염), ND(뉴캐슬병) 또는 ILT(후두기관지염)와 같은 호흡기 질환 바이러스에 감염되면 탁성과 삼출물이 발견되는 것이 일반적이다. 각각의 호흡기 질환성 바이러스에 감염된 닭의 음성 분석 실험은 다음과 같이 수행되었다.
IB에 감염된 닭의 소리를 측정하기 위해 2017년 07월 01일부터 6 일간 총 10마리의 chicken (품종 : Brown leg horn)을 대상으로 야외 농장에서 실험하였다. 날짜 별 임상 증상에 따라 닭의 개체 별 점수를 구분하여 정상닭과 IB에 감염된 닭의 개체 별 소리를 분석하였다. 2017년 7월 01일 오후 IB 백신을 공격 접종 한 뒤, 1일 ~ 3일까지 감염증상이 나타나지 않은 10마리의 닭소리를 정상으로 분류하고, 4일째 되는 2017년 7월 4일 오전부터 나타나기 시작한 IB에 감염된 임상증상(cough, 호흡음관찰 등)이 관찰된 개체 7 ~ 9마리를 감염으로 분류하였다.
또, 뉴캐슬(ND)에 감염된 닭의 소리를 측정하기 위해 2017년 07월 10일부터 6일간 총 10마리의 chicken (품종 : Brown leg horn)을 대상으로 야외 농장에서 실험하였다. 날짜별 임상증상에 따라 닭의 개체 별 점수를 구분하여 정상닭과 ND에 감염된 닭의 개체 별 소리를 분석하였다. 2017년 7월 10일 오후 ND 백신을 공격 접종 한 뒤, 1일~3일까지 감염증상이 나타나지 않은 10마리의 닭소리를 정상으로 분류하고, 2017년 7월 14일 오전부터 나타나기 시작한 ND에 감염된 임상증상이 관찰된 개체 7 ~ 9마리를 감염으로 분류하였다.
또, 후두기관지염(ILT)에 감염된 닭의 소리를 측정하기 위해 2017년 06월 1일부터 6일간 총 10마리의 Specific-Pathogen-Free chicken (품종 : white leg horn)을 대상으로 수의과대학 내 동물용 분리 사육장에서 진행되었다.
날짜별 임상증상에 따라 닭의 개체 별 점수를 구분하여 정상닭과 ILT에 감염된 닭의 개체별 소리를 분석하였다. 2017년 6월 1일 오후 ILT 백신을 공격 접종 한 뒤, 1일~3일까지 감염증상이 나타나지 않은 10마리의 닭소리를 정상으로 분류하고, 2017년 6월 4일 오전부터 나타나기 시작한 ILT에 감염된 임상증상이 관찰된 개체 7 ~ 9마리를 감염으로 분류하였다.
위의 3가지 호흡기 질환에 걸린 닭의 음성의 특징은 탁성이며, 닭에게서 삼출물이 발견되는 것이 공통된 특징이다. 이에 더하여, 호흡이 곤란한 경우는 다른 패턴을 보였다.
① 탁성이 발생한 경우(삼출물(exudate)과 호흡 곤란)
상기 실험 결과 도출된 도 7a는 호흡기 질병에 감염된 암탉에 대하여, 인트로 피크 주파수 시간대(0 ~ 240ms) 및 아웃트로 피크 주파수 시간대(241ms ~ 1483ms)와 진폭(amplitude) 관계를 도시한다. 도 7b는 환경소음 임계치를 1.9db로 정하고 인트로 피크 주파수를 측정한 그래프, 도 7c는 아웃트로 피크 주파수를 측정한 그래프이다.
그래프로부터, 소리 분석에 활용될 가능성이 있는 1차 피크주파수 복수 개를 인트로피크 주파수 3개, 아웃트로 피크 주파수 2개를 선택하여 각 지점에서 음량과 주파수를 측정하면 다음과 같다.
P1 P2 P3
Intro F. 2.3db
582.0hz		 0.6db
776.6hz		 1.7db
971.8hz
Outro F. 2.7db
582.0hz		 5.2db
775.4hz		 -
인트로피크 주파수에서, 제1피크주파수(P1fi) 내지 제3피크주파수(P3fi)는 등차수열을 이루며, 제1피크주파수(P1fi)가 기음이다. 기음은 기관 고유 진동수를 194.2hz로 가정한 경우 3배음에 해당한다. 지점(P1,P2,P3)은 연속해서 3배음, 4배음, 5배음을 형성한다.
아웃트로피크 주파수에서, 제1피크주파수(P1fo) 및 제2피크주파수(P2fo)는 등차수열을 이루며, 제1피크주파수(P1fo)가 기음이다. 기음은 기관 고유 진동수를 194.2hz로 가정한 경우 3배음에 해당한다. 지점(P1,P2)은 연속해서 3배음 및 4배음을 형성한다.
이와 같이 가성소리는 정상닭의 경우 기관 고유 진동수의 4배음에서 발생하지만, 기관내 삼출물과 호흡곤란이 생기면 4배음의 임계치를 충족하지 못하고, 하위 차수 배음열에서 공진하며 그 주위로 반복 이동하는 것을 볼 수 있다.
0 ~ 1483ms에 걸쳐 인트로 피크 주파수의 기음과 아웃트로 피크 주파수의 기음을 기관의 고유 진동수에 따른 각 배음과 대비하여 살펴보면 다음과 같다.
배수 1 2 3 4 5 6 7 8
주파수(hz) 194.2 388.4 582.6 776.8 971 1165.2 1359.4 1553.6
<고유 진동수: 194.2hz>
인트로피크 주파수의 기음과 아웃트로 피크 주파수의 기음은 고유진동수의 3배음에 해당하며 변동이 없음을 확인할 수 있다.
② 탁성이 발생한 경우(삼출물로 인한 강제 진동 현상)
상기 실험 결과 도출된 도 8a는 호흡기 질병에 감염된 수탉이 불안 및 경계 유형의 소리를 내는 경우, 인트로 피크 주파수 시간대(64ms 구간대) 및 아웃트로 피크 주파수 시간대(98ms 구간대)와 진폭(amplitude) 관계를 도시한다. 도 8b는 환경소음 임계치를 1.0db로 정하고 인트로 피크 주파수를 측정한 그래프, 도 8c는 아웃트로 피크 주파수를 측정한 그래프이다.
그래프로부터, 소리 분석에 활용될 가능성이 있는 1차 피크주파수 복수 개를 인트로피크 주파수 5개, 아웃트로 피크 주파수 12개를 선택하여 각 지점에서 음량과 주파수를 측정하면 다음과 같다.
P1 P2 P3 P4 P5
Intro F. 1.4db
344.5hz		 2.2db
689.2hz		 0.9db
1033.8hz		 -0.8db
1378.0hz		 -0.9db
1724.3hz
P1 P2 P3 P4 P5 P6
Outro F. -0.1db
159.4hz		 3.2db
318.0hz		 3.5db
478.5hz		 5.2db
637.5hz		 3.5db
797.1hz		 3.0db
956.2hz
P7 P8 P9 P10 P11 P12
4.1db
1115.5hz		 2.3db
1275.7hz		 0.3db
1434.8hz		 1.2db
1594.1hz		 0.3db
1755.3hz		 0.3db
1910.6hz
인크로피크 주파수에서, 제1피크주파수(P1fi) 내지 제5피크주파수(P5fi)는 등차수열을 이루며, 제1피크주파수(P1fi)가 기음이다. 기음은 기관 고유 진동수를 172.2hz로 가정한 경우 2배음에 해당한다.
아웃트로피크 주파수에서, 제1피크주파수(P1fo) 내지 제12피크주파수(P12fo)는 등차수열을 이루며, 제1피크주파수(P1fo)가 기음이다. 기음은 기관 고유 진동수를 159.4hz로 가정한 경우 1배음에 해당한다.
인트로피크 주파수에서는 기관 고유 진동수의 2배음에서 피크가 발생하지만, 아웃트로 피크 주파수에서는 기관내 삼출물의 간섭으로 기관 공진 발생 3배음의 임계치를 충족하지 못하여 강제로 기관이 공진되며, 고유 진동수에서 공진이 발생한다. 이것은 탁성으로 인정되는 조건의 하나이다.
0 ~ 162ms에 걸쳐 인트로 피크 주파수의 기음과 아웃트로 피크 주파수의 기음을 기관의 고유 진동수에 따른 각 배음과 대비하여 살펴보면 다음과 같다.
배수 1 2 3 4 5 6 7 8
주파수(hz) 172.2 344.4 516.6 688.8 861 1033.2 1205.4 1377.6
<고유 진동수: 172.2hz>
배수 1 2 3 4 5 6 7 8
주파수(hz) 159.4 318.8 478.2 637.6 797 956.4 1115.8 1275.2
<고유 진동수: 159.4hz>
인트로피크 주파수 기음인 2배음에서 아웃트로 피크 주파수의 기음인 1배음으로 변동하였음을 확인할 수 있다.
(라) 닭이 조류 독감에 감염된 경우
닭이 조류 독감에 감염된 경우는 고통, 비명이 발생하는 유형과 의식 저하가 나타나는 유형으로 구분하였다.
닭의 조류독감 소리를 측정하기 위해 총 4그룹(G1,G2,G3,G4)을 대상으로 진행하였으며, 각 그룹은 10마리의 Specific-Pathogen-Free chicken (품종 : white leg horn) 으로 구성되었고 수의과대학 내 동물용 분리 사육장에서 진행되었다.
날짜별 임상증상에 따라 닭의 개체 별 점수를 구분하여 정상닭과 조류독감에 감염된 닭의 개체별 소리를 분석하였다. 2017년 3월 23일 오후 조류독감 바이러스(H9N2)를 접종한 뒤, 3일째 되는 26일 오전 녹음 당시, 조류독감에 의한 임상증상(cough, eye swelling, diarrhea 등)이 관찰된 개체의 숫자 4~8마리를 감염으로 분류하였다. G4의 경우, 백신을 하지 않은 그룹으로 가장 많은 수(8마리)의 닭이 임상 증상을 보였다.
① 의식 저하가 발생한 경우
상기 실험 결과 도출된 도 9a는 인트로 피크 주파수 시간대(0 ~ 134ms) 및 아웃트로 피크 주파수 시간대(135 ~ 242ms)와 진폭(amplitude) 관계를 도시한다. 도 9b는 환경소음 임계치를 0.6db로 정하고 인트로 피크 주파수를 측정한 그래프, 도 9c는 아웃트로 피크 주파수를 측정한 그래프이다.
그래프로부터, 소리 분석에 활용될 가능성이 있는 1차 피크주파수 복수 개를 인트로피크 주파수 10개, 아웃트로 피크 주파수 6개를 선택하여 각 지점에서 음량과 주파수를 측정하면 다음과 같다.
P1 P2 P3 P4 P5
Intro F. -0.3db
162.8hz		 3.4db
323.5hz		 3.0db
485.95hz		 3.5db
648.4hz		 3.7db
811.7hz
P6 P7 P8 P9 P10
4.9db
972.4hz		 3.7db
1134.0hz		 3.5db
1295.4hz		 3.4db
1460.1hz		 1.6db
1622.5hz
P1 P2 P3 P4 P5 P6
Outro F. 5.8db
486.0hz		 6.9db
973.6hz		 6.5db
1459.1hz		 3.8db
1946.4hz		 2.2db
2432.8hz		 0.0db
2920.5hz
인트로피크 주파수에서, 제1피크주파수(P1fi) 내지 제10피크주파수(P10fi)는 등차수열을 이루며, 제1피크주파수(P1fi)가 기음이다. 기관 공진 발생 1배음에 해당하는 고유진동수의 배음이 선명하게 나타난다.
아웃트로피크 주파수에서, 제1피크주파수(P1fo) 내지 제6피크주파수(P6fo)는 등차수열을 이루며, 제1피크주파수(P1fo)가 기음이다. 기음은 기관 공진 발생 3배음까지 도달한다. 기관 공진발생 배음열의 상위 차수로 피크 주파수가 발생 시간에 비례하여 궤적을 그리며 이동하는 현상이 검출되는 것은 정상 닭의 소리 유형에서 찾아볼 수 없으며, 이러한 주파수 이동 현상은 조류 독감의 특이한 소리 유형으로 판단된다.
0 ~ 242ms에 걸쳐 인트로 피크 주파수의 기음과 아웃트로 피크 주파수의 기음을 기관의 고유 진동수에 따른 각 배음과 대비하여 살펴보면 다음과 같다.
배수 1 2 3 4 5 6 7 8
주파수(hz) 162.8 325.6 488.4 651.2 814 976.8 1139.6 1302.4
<고유 진동수: 162.8hz>
인트로피크 주파수 기음인 1배음에서 아웃트로 피크 주파수의 기음인 3배음으로 변동하였음을 확인할 수 있다.
② 고통/비명이 발생하는 경우
마찬가지의 실험 결과 도출된 도 10a는 인트로 피크 주파수 시간대(0 ~ 508ms) 및 아웃트로 피크 주파수 시간대(509 ~ 830ms)와 진폭(amplitude) 관계를 도시한다. 도 10b는 환경소음 임계치를 2.2db로 정하고 인트로 피크 주파수를 측정한 그래프, 도 10c는 아웃트로 피크 주파수를 측정한 그래프이다.
그래프로부터, 소리 분석에 활용될 가능성이 있는 1차 피크주파수 복수 개를 인트로피크 주파수 3개, 아웃트로 피크 주파수 2개를 선택하여 각 지점에서 음량과 주파수를 측정하면 다음과 같다.
P1 P2 P3
Intro F. 5.2db
510.9hz		 7.5db
1022.4hz		 3.7db
1533.5hz
Outro F. 7.8db
1022.8hz		 5.8db
2045.0hz		 -
인트로피크 주파수에서, 제1피크주파수(P1fi) 내지 제3피크주파수(P3fi)는 등차수열을 이루며, 제1피크주파수(P1fi)가 기음이다. 이 기음은 기관 고유 진동수 170hz 상태에서 형성된 기관 공진 발생 3배음에 해당된다.
아웃트로피크 주파수에서, 제1피크주파수(P1fo) 및 제2피크주파수(P2fo)는 등차수열을 이루며, 제1피크주파수(P1fo)가 기음이다. 기관 고유 진동수 170hz 상태에서 기음은 기관 공진 발생 6배음까지 도달한다.
3배음과 6배음은 완전 8도인 옥타브의 음정 차이를 보이는데 기관의 상태 변화 없이 호흡의 변화로 이러한 음정을 발생시킬 수 있으며, 이는 고통을 동반한 극심한 스트레스 상태에서 나타나는 소리 유형으로 의식저하의 경우와 함께 조류 독감 판독 기준의 하나이다.
0 ~ 830ms에 걸쳐 인트로 피크 주파수의 기음과 아웃트로 피크 주파수의 기음을 기관의 고유 진동수에 따른 각 배음과 대비하여 살펴보면 다음과 같다.
배수 1 2 3 4 5 6 7 8
주파수(hz) 170 340 510 680 850 1020 1190 1360
<고유 진동수: 170.0hz>
인트로피크 주파수 기음인 3배음에서 아웃트로 피크 주파수의 기음인 6배음으로 변동하였음을 확인할 수 있다.
이상 본 발명의 몇 실시예를 닭을 토대로 설명하였으나, 기관 등 발성 구조가 동일한 다른 조류로부터도 동일한 결과를 얻어낼 수 있다. 본 발명의 실시예는 다만 예시를 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 제한하는 의도로 해석되어서는 안 될 것이다.
예를 들어, 본 발명에 의하면, 각 국가별철새들의 이동 경로 추적 및 조류독감 역학분석을 위한 무선 인터넷 기반의 국가별서버를 연동하여 철새들의 무리 중 개체수가 가장 많은 품종, 또는 특정개체 분석 목적을 위한 품종을 선택하고 경부(목) 부위 또는 발목 등에 GPS모듈과 통신모듈을 포함한 소형 전자태그를 장착하고, 컴퓨터에 개체정보를 입력하여, 각 국가별 철새도래지에서 마이크, 중계기, 다채널 오디오분석 단말 장치등을 이용하여 소리 유형별로 감염개체의 특징적인 소리를 분석한 후 서버에 저장하여 기 분석된 철새들의 수음 소리와 비교, 구분하여 최종적으로 감염 개체 소리를 판독하고, 국가 간 질병정보를 공유하여 국가별 조류 독감 감염 확산을 예방할 수 있다.
또한, 조류의 개체소리, 환경소음 및 행동소음 등을 MCAAD의 메모리 저장부에저장하고철새, 가금류 등의 개체 소리를 유형별로 구분하여 정상 개체 소리와 비정상 개체소리를 구분하여머신 러닝 및 딥 러닝 개발 환경에 최적화된 플랫폼환경을구축하고, 신경망 방식의 인공 지능 응용 개발에 필요한 다양한소프트웨어라이브러리,응용유틸리티및 슈퍼컴퓨터를 이용하여 빅데이터화 할 수 있다.
또한, 야간에는 적외선카메라를포함하는다채널오디오 분석단말장치 를설치할 수 있다.
이상 설명한 본 발명의 권리범위가 이하 기술하는 청구범위와 동일 또는 균등한 영역까지 미친다는 점은 자명하다.

Claims (12)

  1. 야생 조류 및 가금류의 질병 소리를 식별, 진단 및 예방하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은 다채널음성분석장치(MCAAD; multi channel audio analysis device)와, MCAAD와 유선 또는 무선으로 연결된 음성수집부를 포함하며,
    상기 음성수집부는 다수의 마이크를 통하여 조류 소리를 수집하며, 수집된 음성 정보는 릴레이를 개재하여 MCAAD로 송신되며,
    MCAAD는 주위 환경의 소음을 초과하고 일정 데시벨 이상의 피크 주파수가 등차수열을 이루거나 발생한 피크 주파수가 MCAAD에 기 저장된 데이타와 동일할 때 유효 주파수로 구분하며, 상기 유효 주파수 중 가장 낮은 주파수를 기음으로 판단하고,
    조류의 음성 정보 분석을 위해, 한 음절 또는 음소내에서 발생 시간을 구분하여 추출된 인트로 피크(intro peak) 주파수와 아웃트로 피크(outro peak) 주파수가 조류의 기관 공진발생 자연배열음의 특정 배음에서 공진하며 발생하거나 또는 인트로 피크 주파수와 아웃트로 피크 주파수가 기관 공진발생 자연배열음의 서로 다른 배음에서 공진하는 것을 토대로 조류의 상태를 판단하고
    (A) 조류가 정상 상태에서의 인트로 피크 주파수와 아웃트로 피크 주파수에서의 기음을 기준 기음으로 설정하고,
    (B) 측정된 조류의 음성의 인트로 피크 주파수와 아웃트로 피크 주파수의 각각의 기음이 동일하며 모두 상기 기준 기음보다 낮은 경우 또는 인트로 피크 주파수의 기음 보다 아웃트로 피크 주파수의 기음이 작으며, 모두 상기 기준 기음보다 작은 경우 조류가 IB(전염성 기관지염), ND(뉴캐슬병) 또는 ILT(후두기관지염)와 같은 호흡기 질환 바이러스에 감염된 것으로 판단하며,
    (C) 측정된 조류의 음성의 인트로 피크 주파수의 기음 보다 아웃트로 피크 주파수의 기음이 높으며, 모두 상기 기준 기음보다 낮은 경우 또는 인트로 피크 주파수의 기음 보다 아웃트로 피크 주파수의 기음이 완전 8도 옥타브 이상 높은 경우 조류가 조류 독감에 감염된 것으로 판단하는 시스템.
  2. 야생 조류 및 가금류의 질병 소리를 식별, 진단 및 예방하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은 다채널음성분석장치(MCAAD; multi channel audio analysis device)와, MCAAD와 유선 또는 무선으로 연결된 음성수집부를 포함하며,
    상기 음성수집부는 다수의 마이크를 통하여 조류 소리를 수집하며, 수집된 음성 정보는 릴레이를 개재하여 MCAAD로 송신되며,
    MCAAD는 주위 환경의 소음을 초과하고 일정 데시벨 이상의 피크 주파수가 등차수열을 이루거나 발생한 피크 주파수가 MCAAD에 기 저장된 데이타와 동일할 때 유효 주파수로 구분하며, 상기 유효 주파수 중 가장 낮은 주파수를 기음으로 판단하고,
    조류의 음성 정보 분석을 위해, 한 음절 또는 음소내에서 발생 시간을 구분하여 추출된 인트로 피크(intro peak) 주파수와 아웃트로 피크(outro peak) 주파수가 조류의 기관 공진발생 자연배열음의 특정 배음에서 공진하며 발생하거나 또는 인트로 피크 주파수와 아웃트로 피크 주파수가 기관 공진발생 자연배열음의 서로 다른 배음에서 공진하는 것을 토대로 조류의 상태를 판단하고
    (A) 조류가 정상 상태에서의 인트로 피크 주파수와 아웃트로 피크 주파수에서의 기음을 기준 기음으로 설정하고,
    (B1) 인트로피크 주파수의 제1피크주파수 내지 제3피크주파수는 상위 차수 피크주파수와 하위 차수 피크주파수의 차를 기준 기음으로 하여 등차수열을 이루며, 제1피크주파수는 조류 기관의 고유 진동수의 3배음에 해당하며, 제2피크주파수는 조류 기관의 고유 진동수의 4배음에 해당하며, 제3피크주파수는 조류 기관의 고유 진동수의 5배음에 해당하며, 아웃트로 피크 주파수의 제1피크주파수 및 제2피크주파수는 상위 차수 피크주파수와 하위 차수 피크주파수의 차를 기준 기음으로 하여 등차수열을 이루며, 제1피크주파수가 조류 기관 고유 진동수의 3배음에 해당하며, 제2피크주파수가 조류 기관의 고유 진동수의 4배음에 해당하는 경우 또는
    (B2) 인트로피크 주파수의 제1피크주파수 내지 제5피크주파수는 등차수열을 이루며, 기음인 제1피크주파수가 조류 기관의 고유 진동수의 2배음에 해당하며, 아웃트로피크 주파수의 제1피크주파수 내지 제12피크주파수는 등차수열을 이루며, 기음인 제1피크주파수가 조류 기관 고유 진동수의 1배음에 해당하는 경우
    조류가 IB(전염성 기관지염), ND(뉴캐슬병) 또는 ILT(후두기관지염)와 같은 호흡기 질환 바이러스에 감염된 것으로 판단하는, 시스템.
  3. 야생 조류 및 가금류의 질병 소리를 식별, 진단 및 예방하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은 다채널음성분석장치(MCAAD; multi channel audio analysis device)와, MCAAD와 유선 또는 무선으로 연결된 음성수집부를 포함하며,
    상기 음성수집부는 다수의 마이크를 통하여 조류 소리를 수집하며, 수집된 음성 정보는 릴레이를 개재하여 MCAAD로 송신되며,
    MCAAD는 주위 환경의 소음을 초과하고 일정 데시벨 이상의 피크 주파수가 등차수열을 이루거나 발생한 피크 주파수가 MCAAD에 기 저장된 데이타와 동일할 때 유효 주파수로 구분하며, 상기 유효 주파수 중 가장 낮은 주파수를 기음으로 판단하고,
    조류의 음성 정보 분석을 위해, 한 음절 또는 음소내에서 발생 시간을 구분하여 추출된 인트로 피크(intro peak) 주파수와 아웃트로 피크(outro peak) 주파수가 조류의 기관 공진발생 자연배열음의 특정 배음에서 공진하며 발생하거나 또는 인트로 피크 주파수와 아웃트로 피크 주파수가 기관 공진발생 자연배열음의 서로 다른 배음에서 공진하는 것을 토대로 조류의 상태를 판단하고
    (A) 조류가 정상 상태에서의 인트로 피크 주파수와 아웃트로 피크 주파수에서의 기음을 기준 기음으로 설정하고,
    (C1) 인크로피크 주파수의 제1피크주파수 내지 제10피크주파수는 등차수열을 이루며, 기음인 제1피크주파수가 조류 기관 고유 진동수의 1배음에 해당하며,
    아웃트로피크 주파수의 제1피크주파수 내지 제6피크주파수는 등차수열을 이루며, 기음인 제1피크주파수가 조류 기관 고유 진동수의 3배음에 해당하는 경우 또는
    (C2) 인크로피크 주파수의 제1피크주파수 내지 제3피크주파수는 등차수열을 이루며, 기음인 제1피크주파수가 조류 기관 고유 진동수의 3배음에 해당하며,
    아웃트로피크 주파수의 제1피크주파수 및 제2피크주파수가 등차수열을 이루며, 기음인 제1피크주파수가 조류 기관 고유 진동수의 6배음에 해당하는 경우
    조류가 조류 독감에 감염된 것으로 판단하는, 시스템.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서,
    MCAAD는 조류가 이상 상태로 분류된 경우 해당 정보를 메인 서버로 송신하는, 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    메인 서버는 스마트폰, 무전기, 컴퓨터 단말기, 태블릿 PC 및 PDA와 연결된, 시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 5항에 있어서,
    상기 메인 서버와 통신하는 사용자의 스마트폰, 무전기, 컴퓨터 단말기, 태블릿 PC 또는 PDA에는 조류 독감 경보 어플리케이션이 설치된, 시스템.
  12. 제 5항에 있어서,
    상기 MCAAD의 메모리는 조류 소리를 유형별로 구분하여 정상 개체 소리와 비정상 개체소리를 구분하여 저장하여 머신 러닝 및 딥 러닝에 이용하도록 한, 시스템.
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