KR102144805B1 - 정사면체형으로 배열된 초소형 음향센서 어레이를 이용한 소형의 전방향 음향 카메라 - Google Patents

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한국과학기술원
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Abstract

정사면체형으로 배열된 초소형 음향센서 어레이를 이용한 소형의 전방향 음향 카메라가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 음향 카메라는, 음향 신호들을 수집하는 다수의 음향센서 모듈들, 음향 신호들을 수집하는 공간을 촬영하는 다수의 카메라들 및 음향센서 모듈들에서 수집된 음향 신호들로부터 카메라들을 통해 촬영되는 공간 상에서 음원들의 위치를 추정하는 처리부를 포함하고, 다수의 음향센서들의 중심은, 다수의 카메라들의 중심과 일치한다. 이에 의해, 음향 카메라를 소형으로 구현하면서도, 전방향에서 음원의 위치를 정확하게 추정하여 표현할 수 있게 되며, 소형화에 따른 비용 절감은 물론 휴대의 간편성 등이 크게 향상될 수 있게 된다.

Description

정사면체형으로 배열된 초소형 음향센서 어레이를 이용한 소형의 전방향 음향 카메라{A compact omnidirectional acoustic camera using an array of small acoustic sensors configured in a tetrahedron}
본 발명은 음원 위치 추정 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중의 음향센서와 카메라를 연동시켜서 음원의 위치를 추정하여 표현하는 음향 카메라에 관한 것이다.
음원 위치 추정은 산업 현장, 제품 개발 뿐만 아니라 인간-로봇 간의 상호 작용, 화상 회의, 보안, 군사 분야 등 다방면에서 활용되고 있는 기술이다. 현재 시장에 보급되고 있는 음향 카메라는 다중의 음향센서 및 카메라를 연동시켜서 음원의 위치를 추정하는데 사용되는 장비이다.
최근에는 멤스(Micro-Electro Mechanical System : MEMS) 센서와 같은 초소형 센서의 성능 발달로 인하여, 기존에 널리 사용되었던 고가의 콘덴서(condenser) 음향센서를 멤스 음향센서로 대체하면서, 음향 카메라 시스템의 경우도 구성 비용이 줄어들고 크기는 점차 소형화되고 있는 추세이다.
현재 보급되고 있는 음향 카메라는 빔포밍 기술을 적용하고 있는데, 높은 해상도의 위치추정 결과를 얻기 위해서는 다수의 음향센서가 필요하다.
또한, 적용 가능한 주파수 범위를 넓히기 위해서는(특히 저 주파수 대역) 음향센서들 사이의 간격이 넓어져야 한다. 음향센서 사이의 간격을 좁히게 되면 측정 가능한 주파수가 매우 높은 대역에만 집중되기 때문에, 결과적으로 효용성이 떨어지기 때문이다.
따라서, 빔포밍을 적용한 기존의 음향 카메라에서는 일정한 음향센서 간격이 유지되어야 하는 점, 다수의 음향센서가 필요하다는 점 때문에, 음향센서 자체의 크기 감쇄 효과가 시스템의 소형화에 큰 도움이 되고 있지 않으며, 상대적인 저주파수의 음원에 대해서는 오차가 매우 커지는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 소형으로 구현됨에도 전방향에서 음원의 위치를 정확하게 추정하여 표현할 수 있도록 하는 음향 카메라를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 음향 카메라는, 음향 신호들을 수집하는 다수의 음향센서 모듈들; 음향 신호들을 수집하는 공간을 촬영하는 다수의 카메라들; 및 음향센서 모듈들에서 수집된 음향 신호들로부터 카메라들을 통해 촬영되는 공간 상에서 음원들의 위치를 추정하는 처리부;를 포함하고, 다수의 음향센서 모듈들의 중심은, 다수의 카메라들의 중심과 일치한다.
그리고, 다수의 음향센서 모듈들의 중심은, 음향센서 모듈들의 표면에 형성된 음향 입사면들에서의 법선들이 만나는 지점인 음향 중심일 수 있다.
또한, 다수의 음향센서 모듈들은, 음향 중심이 다수의 음향센서 모듈들의 기하 중심과 일치하도록 배열될 수 있다.
그리고, 음향센서 모듈은, 음향센서; 음향센서가 수납되는 제1 커버; 제1 커버와 결합되어 음향센서를 덮는 제2 커버;를 포함할 수 있다.
또한, 음향센서는, 음압 센서, 입자 속도 센서, MEMS 음압 센서 중 어느 하나일 수 있다.
그리고, 다수의 카메라들의 중심은, 광학 중심일 수 있다.
또한, 음향센서 모듈들은, 4개이고, 정사면체의 4개의 꼭지점들에 센서의 수음점이 각각 위치할 수 있다.
그리고, 카메라는, 음향 신호들을 수집하는 공간을 제1 방향으로 촬영하는 제1 카메라; 및 음향 신호들을 수집하는 공간을 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 촬영하는 제2 카메라;를 포함할 수 있다.
또한, 음향센서 모듈들은, 제1 음향센서 모듈, 제2 음향센서 모듈, 제3 음향센서 모듈, 제4 음향센서 모듈을 포함하고, 제1 음향센서 모듈과 제1 카메라 간의 거리는, 제3 음향센서 모듈과 제1 카메라 간의 거리와 동일하고, 제2 음향센서 모듈과 제2 카메라 간의 거리는, 제4 음향센서 모듈과 제2 카메라 간의 거리와 동일할 수 있다.
그리고, 제1 음향센서 모듈은, 제1 카메라의 상부에 위치하고, 제3 음향센서 모듈은, 제1 카메라의 하부에 위치하며, 제2 음향센서 모듈은, 제2 카메라의 좌측에 위치하고, 제4 음향센서 모듈은, 제2 카메라의 우측에 위치할 수 있다.
또한, 제1 카메라와 제2 카메라는, 어안 렌즈 카메라일 수 있다.
그리고, 처리부는, 음향 신호들을 이용하여 음향 중심에서의 3차원 음향 인텐시티 벡터를 계산하고, 계산된 3차원 음향 인텐시티 벡터로부터 음원들의 위치를 추정할 수 있다.
또한, 처리부는, 카메라들에 의해 생성된 영상 데이터들을 이용하여 음향 신호들을 수집하는 공간에 대한 이미지를 복원하고, 복원된 이미지에 음원들의 위치를 표현할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른, 음향 카메라는, 음향센서 모듈들과 카메라들이 고정되며, 길이 조정이 가능한 지지대;를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 음원 위치 추정 방법은, 다수의 음향센서 모듈들로 음향 신호들을 수집하는 단계; 다수의 카메라들로 음향 신호들을 수집하는 공간을 촬영하는 단계; 수집된 음향 신호들로부터 카메라들을 통해 촬영되는 공간 상에서 음원들의 위치를 추정하는 단계;를 포함하고, 다수의 음향센서 모듈들의 중심은, 다수의 카메라들의 중심과 일치한다.
그리고, 다수의 음향센서 모듈들의 중심은, 음향센서 모듈들의 표면에 형성된 음향 입사면들에서의 법선들이 만나는 지점인 음향 중심일 수 있다.
또한, 다수의 음향센서 모듈들은, 음향 중심이 다수의 음향센서 모듈들의 기하 중심과 일치하도록 배열될 수 있다.
그리고, 다수의 카메라들의 중심은, 광학 중심일 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 음향 카메라를 소형으로 구현하면서도, 전방향에서 음원의 위치를 정확하게 추정하여 표현할 수 있게 되며, 소형화에 따른 비용 절감은 물론 휴대의 간편성 등이 크게 향상될 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 카메라의 정면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 카메라의 측면도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 카메라의 렌더링 이미지들,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 카메라에서 음향센서 모듈들에 대한 지향성 분석 결과,
도 5는 음향센서 모듈의 사시도,
도 6은 음향센서 모듈의 조립 전개 상태를 전방에서 바라보면서 도시한 도면,
도 7은 음향센서 모듈의 조립 전개 상태를 후방에서 바라보면서 도시한 도면,
도 8은 모듈 지지대의 상부에 마련되는 카메라 커버의 구조를 도시한 도면,
도 9는 모듈 지지대의 길이 조정을 위한 구조의 설명에 제공되는 도면,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 음향 카메라의 사용예들을 나타낸 도면,
도 11은 신호 처리부의 블럭도,
도 12는, 도 11에 도시된 신호 처리부의 동작 흐름도,
도 13은 오차 보상 알고리즘이 적용되기 전후의 위치 추정 결과를 나타낸 도면,
도 14는 음원 위치 추정 결과 제공을 위해 생성되는 이미지를 예시한 도면, 그리고,
도 15는 kd 변화에 따른 지향계수, 방위각, 고도각의 오차 범위 및 표준편차를 나타낸 맵이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에서는 소형으로 구현됨에도 음원의 위치를 정확하게 추정하여 표현할 수 있는 전방향 음향 카메라를 제시한다. 구체적으로, 본 발명의 실시예에서는, 정사면체형으로 배열된 4개의 초소형 음향센서 배열의 음향중심과 360° 영상을 촬영할 수 있는 카메라들의 중심점을 일치시킨 구조로 소형의 전방향 음향 카메라를 구현한다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 음향 카메라는 음향 중심에서의 3차원 음향 인텐시티를 벡터를 계산하여 음원의 위치를 정확하게 파악하여 실시간으로 촬영되는 360° 영상에 표시함으로써, 음원의 위치를 쉽고, 빠르며, 직관적으로 인지할 수 있도록 하여 준다.
도 1과 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 카메라의 정면도와 측면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 카메라의 렌더링 이미지이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 음향 카메라는, 음향센서 모듈들(110-1 ~ 110-4), 카메라들(120-1, 120-2) 및 모듈 지지대(130)를 포함하여 구성된다.
4개의 음향센서 모듈들(110-1 ~ 110-4)은 음원에서 발생되는 음향 신호들을 수집하기 위한 구성들이다. 음향센서 모듈들(110-1 ~ 110-4)은 초소형의 정밀 음압(Acoustic Pressure) 센서, 입자속도 센서, MEMS(Micro-Electro Mechanical System) 음압 센서 등으로 구현할 수 있다.
음향센서 모듈들(110-1 ~ 110-4)은, 도 3에 나타난 바와 같이, 정사면체 형태의 배열 구조를 갖는다. 즉, 4개의 음향센서 모듈들(110-1 ~ 110-4)의 수음점은 정사면체의 4개의 꼭지점들에 각각 위치하도록 배열된다.
또한, 음향센서 모듈들(110-1 ~ 110-4)의 수음점과 기하 중심은 일치한다. 음향 중심은 음향센서 모듈들(110-1 ~ 110-4)의 표면에 형성된 음향 입사면들에서의 법선들이 만나는 지점을 의미하고, 기하 중심은 음향센서 모듈들(110-1 ~ 110-4)이 배열된 형태인 정사면체의 무게 중심을 말한다.
이에 의해, 높은 주파수 대역에서의 무지향 특성이 강화된다. 본 발명의 실시예에 따른 음향 카메라에서 음향센서(112)를 상용 멤스 음압 센서들로 구현하여 방향성(Directivity)을 측정한 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에 나타난 바와 같이, 지향 오차는 전 방위 1 dB 이내로, 본 발명의 실시예에 따른 음향 카메라의 음향센서 모듈들(110-1 ~ 110-4)은 전방향성이 우수함을 확인할 수 있다.
음향센서 모듈(110-1 ~ 110-4)의 상세 구조에 대해, 이하에서 도 5 내지 도 7을 참조하여 설명한다.
도 5는 음향센서 모듈(110-1 ~ 110-4)의 사시도이고, 도 6과 도 7은 음향센서 모듈(110-1 ~ 110-4)의 조립 전개 상태를 전방과 후방에서 각각 바라보면서 도시한 도면들이다.
도시된 바와 같이, 음향센서(112)는 후면 커버(113)에 수납되고, 후면 커버(113)에 결합되는 전면 커버(111)에 의해 덮어져 음향 입사면이 외부를 향하게 된다. 또한, 음향센서(112)는 커버들(111, 113)에 의해 외부 환경으로부터 보호된다.
또한, 후면 커버(113)는 후술할 지지대 모듈(130)의 카메라 커버에 고정되는데, 음향중심이 후술할 카메라들(120-1, 120-2)의 광학중심에 일치하도록 음향센서(112)를 고정한다.
그리고, 후면 커버(113)의 후면 중앙에는 음향센서(112)의 연결을 위한 배선 가이드가 형성되어 있다. 한편, 전면 커버(111)와 후면 커버(113)의 규격은 음향센서(112)의 규격에 따라 결정된다.
다시 도 2를 참조하여, 카메라들(120-1, 120-2)에 대해 상세히 설명한다. 2개의 카메라들(120)은 음향센서 모듈들(110-1 ~ 110-4)이 음향 신호들을 수집하는 공간(음원이 위치하는 공간)을 서로 반대 방향으로 촬영한다.
전방 카메라(120-1)는 전방 방위각(0°~180°) 및 고도각(-90°~90°)으로 촬영하는 어안 렌즈 카메라로, 후방 카메라(120-2)는 후방 방위각(180°~360°) 및 고도각(-90°~90°)으로 촬영하는 어안 렌즈 카메라로, 각각 구현할 수 있다.
전방 카메라(120-1)와 후방 카메라(120-2)에 의해 음향 신호들을 수집하는 공간을 전방향(Omnidirectional)으로 촬영할 수 있으며, 전방 카메라(120-1)와 후방 카메라(120-2)의 촬영 동작은 동시에 이루어진다.
본 발명의 실시예에 따른 음향 카메라를 구성하는 전방향 카메라(120)는 구(Sphere) 형상으로 구현되었는데, 음향센서 모듈들(110-1 ~ 110-4)을 공간 효율적으로 배치하기 유리한 구조이기 때문이다. 필요와 사양에 따라 전방향 카메라(120)를 구 이외의 다른 형상(이를 테면, 정사면체)으로 구현할 수 있음은 물론이다.
모듈 지지대(130)는 음향센서 모듈들(110-1 ~ 110-4)과 카메라들(120-1, 120-2)이 설치되어 고정/지지되는 프레임이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 모듈 지지대(130)의 상부는 카메라 커버 상단(131)과 카메라 커버 하단(132)으로 구분된다. 카메라 커버들(131, 132)은 카메라들(120-1, 120-2)로 구성되는 전방향 카메라(120)를 수납하는 공간을 형성하며, 카메라들(120-1, 120-2)이 서로 반대 방향을 향하도록 고정하여 준다.
카메라 커버들(131, 132)은 전방향 카메라(120)의 탈/부착을 용이하게 하여, 전방향 카메라(120)의 교체나 수리를 용이하게 한다. 카메라 커버들(131, 132)의 외곽에는 음향센서 모듈들(110-1 ~ 110-4)이 정사면체 형태로 배열된다.
한편, 음향 중심(즉, 음향센서 모듈들(110-1 ~ 110-4)의 기하 중심)은, 카메라들(120-1, 120-2)의 광학 중심과 일치하도록 배치된다. 카메라들(120-1, 120-2)의 광학 중심은 전방 카메라-1(120-1)의 렌즈 중심과 후방 카메라-2(120-2)의 렌즈 중심의 중간 지점을 말한다.
그리고, 카메라-1(120-1)의 상부와 하부에 인접하게 배열된 음향센서 모듈-1(110-1)과 음향센서 모듈-3(110-3)은 카메라-1(120-1) 까지의 거리가 동일하다. 즉, 카메라-1(120-1)과 음향센서 모듈-1(110-1) 간의 거리와 카메라-1(120-1)과 음향센서 모듈-3(110-3) 간의 거리는 동일하다.
또한, 카메라-2(120-2)의 좌측과 우측에 인접하게 배열된 음향센서 모듈-2(110-2)와 음향센서 모듈-4(110-4)는 카메라-2(120-2) 까지의 거리가 동일하다. 즉, 카메라-2(120-2)와 음향센서 모듈-2(110-2) 간의 거리와 카메라-2(120-2)와 음향센서 모듈-4(110-4) 간의 거리는 동일하다.
이와 같은 구조는, 음향센서 모듈들(110-1 ~ 110-4)이 카메라들(120-1, 120-2)의 시야를 방해하지 않도록 하면서, 음향센서 모듈들(110-1 ~ 110-4)과 카메라들(120-1, 120-2) 간의 교정을 용이하게 하고, 음향 중심과 광학 중심을 일치시켜 음원 위치 정보를 보다 정확하게 추정할 수 있을 뿐만 아니라, 불필요한 공간을 최소화하여 공간효율성을 극대화하기 위해 채택한 구조이다.
한편, 모듈 지지대(130)의 내부에는 음향센서 모듈들(110-1 ~ 110-4)과 카메라들(120-1, 120-2)에 연결되는 배선들을 정렬할 수 있는 배선 가이드가 형성되어 있다. 뿐만 아니라, 모듈 지지대(130)의 내부에는 음향센서 모듈들(110-1 ~ 110-4)이 수집한 음향 신호들과 카메라들(120-1, 120-2)에서 생성된 영상 신호를 처리하기 위한 신호 처리부 및 주변 회로들이 마련된 PCB(Printed Circuit Board)가 구비되어 있다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 모듈 지지대(130)의 내부는 반경이 서로 다른 중공의 원통들이 겹쳐져 있는 구조로, 사용자가 원하는 길이로 조정을 가능하게 한다.
모듈 지지대(130)는 사용자가 본 발명의 실시예에 따른 음향 카메라를 들기 위한 손잡이로 사용 기능하다. 또한, 도 1, 도 2 및 도 9에 도시된 바와 같이, 모듈 지지대(130)의 하부에는 암스크류가 형성되어 있다. 암스크류는 본 발명의 실시예에 따른 음향 카메라를 삼각대나 천정 등에 고정하는 경우에 사용된다.
도 10의 (a)에는 본 발명의 실시예에 따른 음향 카메라를 사용자가 직접 들고 사용하는 경우를, 도 10의 (b)에는 본 발명의 실시예에 따른 음향 카메라를 삼각대에 고정하여 사용하는 경우를, 도 10의 (c)에는 본 발명의 실시예에 따른 음향 카메라를 천정에 고정하여 사용하는 경우를, 각각 나타내었다.
음향센서 모듈들(110-1 ~ 110-4)에서 수집된 음향 신호들과 카메라들(120-1, 120-2)에서 생성된 영상 데이터들을 처리하기 위한 신호 처리부에 대해, 이하에서 상세히 설명한다.
도 11은 신호 처리부의 블럭도이다. 신호 처리부(140)는, 도 11에 도시된 바와 같이, 신호 수집부(141), 프로세서(142), 출력부(143) 및 저장부(144)를 포함하여 구성된다.
신호 수집부(141)는 음향센서 모듈들(110-1 ~ 110-4)과 연결되어 음향센서 모듈들(110-1 ~ 110-4)에서 생성된 음향 신호들을 수집하고, 카메라들(120-1, 120-2)과 연결되어 카메라들(120-1, 120-2)이 생성한 영상 데이터를 수집한다.
프로세서(142)는 음향 신호들을 발생시킨 음원들의 위치를 추정하여, 음향 신호 수집 공간의 전방향 이미지에 표현한다. 저장부(144)는 프로세서(142)가 동작함에 있어 필요한 저장 공간을 제공한다.
출력부(143)는 프로세서(142)에 의해 생성된 음원 위치들이 표현된 전방향 이미지를 디스플레이 장치들에 전달한다.
신호 처리부(140)가 동작하는 과정에 대해, 도 12를 참조하여 상세히 설명한다. 도 12는, 도 11에 도시된 신호 처리부의 동작 흐름도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 먼저, 신호 수집부(141)가 음향센서 모듈들(110-1 ~ 110-4)이 생성한 음향 신호들과 카메라들(120-1, 120-2)이 생성한 영상 데이터들을 수집한다(S310).
그러면, 프로세서(142)는 S310단계에서 수집된 음향 신호들을 분석하여, 음원들의 위치를 추정하고(S320), S310단계에서 수집된 영상 데이터를 이용하여 음향 신호 수집 공간에 대한 전방향 이미지를 복원한다(S330).
S320단계에서, 프로세서(142)는 음향 중심에서의 3차원 음향 인텐시티 벡터를 계산하고, 계산된 3차원 음향 인텐시티 벡터로부터 음원들의 위치를 추정한다. 3차원 음향 인텐시티 벡터는 음원의 영향도 크기와 음원의 방향을 나타내어 준다.
한편, 위치 추정 결과에 큰 편향 오차가 발생하는 것을 방지하여 전 주파수 대역에서 정확한 음원 위치 추정을 가능하게 하기 위해, 프로세서(142)는 오차 보상 알고리즘을 적용할 수 있다.
도 13에 오차 보상 알고리즘이 적용되기 전후의 위치 추정 결과를 나타내었다. 구체적으로, 도 13의 (a)에는 500~2000Hz 주파수 대역 필터링된 백색 잡음에 대한 위치 추정 결과를 나타내었고, 도 13의 (b)에는 충격음에 대한 위치 추정 결과를 나타내었는데, 양자 모두에 대해 오차 보상 알고리즘을 적용한 경우의 위치 추정 결과가 우수함을 확인할 수 있다.
이후, 프로세서(142)는 S330단계에서 복원된 음향 신호 수집 공간에 대한 전방향 이미지에, S320단계에서 추정한 음원들의 위치들을 융합하여 표현한다(S340). 이에 의해, 음원들의 위치들을 공간 이미지 상에서 시각적으로 나타낼 수 있게 된다.
도 14에는 S340단계에서 생성되는 이미지를 예시하였다. 도 14에 도시된 바와 같이, 공간 이미지에 음원 위치가 노란색 원으로 표시되어 있음을 확인할 수 있다. 나아가, 음원의 위치에 대한 수치 정보들과 실시간 로그 데이터도 함께 제공되고 있음을 확인할 수 있다.
다음, 출력부(143)는 S340단계에서 생성된 음원 위치가 표현된 전방향 이미지를 디스플레이 장치에 전달한다(S350). 전달 방식은 유선과 무선을 불문하며, 디스플레이 장치 역시 모니터, TV, 스마트폰, 태블릿 PC, IoT 디바이스 등 그 종류를불문한다.
스마트폰, 태블릿 PC, IoT 디바이스의 경우, 전달 받은 음원 위치가 표현된 전방향 이미지를 표시할 수 있는 애플리케이션의 설치가 요구될 수 있다.
S320단계에서의 음원 위치 추정 과정에 대해, 이하에서 보다 상세히 설명한다.
음원 위치 추정을 위해, 먼저 음향센서 모듈들(110-1 ~ 110-4)에서 수집된 음향 신호들 간의 CPSD(Cross Power Spectral Density) 함수들을 생성하고, 생성된 CPSD 함수에 대해 편향오차를 보상한다.
편향오차 보상은, CPSD 함수의 선형화 또는 필터링에 의해 이루어지는데, 이에 대해서는 상세히 후술한다.
다음, 보상된 CPSD 함수들을 조합하여 음향 인텐시티 벡터를 산출하는데, 음향 인텐시티 벡터의 성분들은 CPSD 함수들의 허수부들로부터 산출할 수 있다.
그리고, 음향의 주파수에 따라, 산출된 음향 인텐시티 벡터를 보정한다. 보정된 음향 인텐시티 벡터로부터 음원의 위치를 추정할 수 있다. 음향 인텐시티 벡터 보정 방법에 대해서는 상세히 후술한다.
- 음향 카메라의 편향오차
본 발명의 실시예에서는, 1차 테일러 급수 전개를 통해 음향 중심(기하 중심과 동일)에서 3차원 음향 인텐시티 벡터를 계산하기 위해, 음향센서 모듈들 사이의 CPSD 함수를 사용한다.
전술한 바와 같이, 이 과정에서 주파수 대역의 랜덤 오차와는 구별되는 특정 주기성을 갖는 주파수 변동 현상(spectral fluctuation)에 따른 편향오차가 발생한다.
서로 다른 음향센서 모듈들에서 측정된 음향 신호들 간의 CPSD 함수들의 허수부를 구성하는 성분에서, 음향센서 모듈들 사이의 간격에 의한 시간지연 이외에 상관성이 높은 시간성분에 의한 사인함수가 주파수 변동 현상을 유발시킨다. 다시 말해, 입사파와 반사파의 간섭에 의한 현상인 것을 알아낸 것이다.
음향 인텐시티 벡터 성분은 음향센서 모듈들에서 측정된 신호들의 CPSD 함수의 허수부로 구성된다. 단극 음원에 의한 평면파가 전파되어 2개의 서로 다른 음향센서 모듈들로부터 받은 신호 p1과 p2에 의한 CPSD 함수는 다음과 같이 충격 함수의 급수로 표현 할 수 있다:
Figure 112019089380451-pat00001
(1)
여기서 τ0는 각 음향센서 모듈들로 들어오는 신호의 시간지연을 의미한다.
Figure 112019089380451-pat00002
이라고 가정한다면, 식 (1)을 주파수 영역에서 다음과 같이 나타낼 수 있다:
Figure 112019089380451-pat00003
(2)
위 식 (2)로부터, CPSD 함수의 허수부는 사인함수의 급수로 표현됨을 알 수 있다. 이를 통해 p1과 p2의 CPSD 함수에서의 크기(An)가 큰, 즉 상관성이 높은 시간성분(τn)에 의한 사인함수가 주파수 변동 현상을 유발시키는 인자가 되었음을 예상할 수 있다.
이와 같이 CPSD 함수의 조합(삼각함수들의 조합)으로 구성되는 음향 인텐시티 벡터의 성분에서, 직접음과 반사음 사이의 상관 지연 시간을 유발하는 삼각함수 성분들을 제거하기 위한 방안으로, 이하에서 두 가지 방법인, CPSD 선형화와 CPSD 필터링을 제시한다.
- CPSD 선형화에 의한 보상
두 개의 음향센서 모듈들을 통해서 받은 신호 p1(t), p2(t) 사이에 거리에 따른 시간지연 τ0을 고려, α는 시간지연에 의한 감쇠계수이고, n1과 n2는 음향센서 모듈들에서 측정된 신호의 비상관 잡음(uncorrelated noise)이라 할 때, 식으로 나타내면 다음과 같다:
Figure 112019089380451-pat00004
(3)
p1(t)와 p2(t)를 상호 상관 함수 및 CPSD 함수로 나타내면 다음과 같다:
Figure 112019089380451-pat00005
(4)
Figure 112019089380451-pat00006
(5)
Figure 112019089380451-pat00007
(6)
Figure 112019089380451-pat00008
(7)
반사, 굴절, 회절, 산란이 없는 이상적인 자유음장에서 두 음향센서 모듈들 사이의 CPSD 함수는 시간지연(τ0) 만이 고려되므로, CPSD 함수의 크기(magnitude) 함수인 식 (6)은 RMS 값으로, 위상(phase) 함수 식 (7)은 선형화한 것으로 대체하면 직접음과 반사음의 상관 지연시간(τn)에 의한 삼각함수 성분을 제거할 수 있게 된다.
여기서, 위상 함수의 기울기(τ0), 즉 직접음에 의한 시간지연 차이에 민감하게 반응하므로, 음향센서 모듈들 사이의 간격을 고려해 적절한 선형화 구간을 선정해야 한다.
- CPSD 필터링에 의한 보상
CPSD 함수의 허수부는 사인함수의 급수로 이루어져 있음을 식 (2)를 통해 알 수 있다. 따라서, 시간영역에서 직접음에 의한 지연시간(τ0) 이외의 성분을 제거할 수 있는 필터를 주파수 영역에 적용한다.
τ0가 거의 0에 가깝기에, 저역 통과 필터(Low Pass Filter)가 되어야 하며, 차단 시간(cut-off time : τr)은 음향센서 모듈들 사이의 간격을 고려해 결정한다.
위상의 선형성을 보장하기 위해 FIR 필터를 사용한다. 위치 추정 시에는 소요 시간 최소화를 위해 IIR 필터를 적용할 수도 있다.
- 음원 위치에 따른 편향오차 보상
음향이 입사되는 각도와 주파수 범위에 따라 오차의 폭이 달라진다. 본 발명의 실시예에서는 음향 카메라가 갖는 지향성에 그 원인이 있다는 것을 알아내고, 이를 토대로 편향오차를 보상하는 방법을 제시한다.
특정한 방향 θ,φ로 입사하는 평면파를 측정하는 임의의 음향센서 모듈들 α,β 간의 거리에 의한 위상 차이(ψαβ)는 다음과 같이 정의된다:
Figure 112019089380451-pat00009
(8)
여기서,
Figure 112019089380451-pat00010
는 각각 음원과 음향센서 모듈들 α,β 사이의 위치 벡터를 의미하고,
Figure 112019089380451-pat00011
은 음원의 법선벡터를 의미한다.
Figure 112019089380451-pat00012
,
Figure 112019089380451-pat00013
(9,10)
1차원 음향 인텐시티 측정 시, 저주파 영역에서의 위상 부정합 오차 및 고주파 영역에서의 유한차분 오차를 고려하여 관심 주파수 영역을 설정하는 기준을 제시했던 것처럼, 3차원 음향 인텐시티 벡터 측정에서도 두 개의 음향센서 모듈들의 CPSD 함수 혹은 거리에 따른 위상차에 따라서 그 값이 결정되기 때문에 위상차(ψαβ)를 고려해 관심 영역 주파수 영역을 설정할 수 있다.
특정 방향에서 입사되는 소리에 대하여 관찰되는 지향계수, 방위각, 고도각의 오차 범위 및 표준편차를 도 15에 정리하여 나타내었다. 도 15는 kd 변화에 따른 지향계수, 방위각, 고도각의 오차 범위 및 표준편차를 나타낸 맵이다.
동일한 음향센서 모듈들 간격에 대한 음원의 주파수(kd)값에 대해, 음향센서 모듈들의 지향성을 바탕으로 분석한 도 15의 편향오차 맵(biased error map)을 이용하여 3차원 음향 인텐시티 벡터를 보정하게 되면, 음원의 주파수 및 음파의 입사방향에 따라 변화하는 편향오차를 보상할 수 있게 된다.
지금까지, 소형으로 구현됨에도 음원의 위치를 정확하게 추정하여 표현할 수 있는 전방향 음향 카메라에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.
본 발명의 실시예에 따른 소형의 음향 카메라는, 미지의 음원 위치를 규명하거나 음원 위치 추정과 관련된 소음 제어, 화자 추적, 화자의 대화 감지, 음향을 반사하는 주요벽면 위치 탐지 등 다양한 분야에 적용이 가능하고, 산업 현장에서 발생하는 소음원의 분석 및 제품개발 마지막 단계에서 발생할 수 있는 미지의 소음원 규명을 위해 사용될 수 있으며, 소형의 기계나 로봇, 협소한 실험 환경에서도 정밀한 음원 위치 추정을 가능하게 하고, 제품 개발 단계에서부터 실 제품에 적용하는데 까지 다양하게 적용 할 수 있다.
예를 들어 자동차 내부에 적용하는 경우, 소음원의 위치를 실시간으로 추정할 수 있으므로 소음제어의 성능을 높일 수 있다. 기존의 상용화된 음향 카메라에 비하여 매우 작은 크기를 가지기 때문에, 활용에 있어서 공간의 제약을 훨씬 덜 받으며, 음향센서의 개수가 적게 소요되기 때문에 음원 추정 응답속도가 빠르고, 작은 개수의 음향센서를 이용하는 경우 생산비용 또한 크게 낮출 수 있다.
따라서, 이를 상용화 하는 경우에는 생산, 유지 보수하는데 드는 비용이 낮아 사업성이 좋을 것으로 기대된다. 현재 상용화되어 보급되고 있는 음향 카메라는 대부분 빔포밍 기술을 활용하는 것이므로, 음향인텐시티를 적용한 소형 음향 카메라는 대폭 향상된 음원위치 정확도에 의해 기술적 파급효과를 가져 올 것으로 예상된다.
본 발명의 실시예에 따른 음향 카메라는, 4개의 초소형 음향센서 및 전방향 카메라로 소형화를 구현했으며, 기존의 음향 카메라에 적용된 빔포밍 기술이 아닌 음향 인텐시티 기법을 적용하였다.
알고리즘 구현을 위한 메인 프로세서의 성능이 동일한 경우에 이러한 방법론의 차이는 공간 해상도의 차이를 유발한다.
빔포밍 또는 이와 유사하게 음향센서 사이의 시간지연 차이를 이용하는 방법(TDOA: time difference of arrival)에서 공간해상도는 dθ=sin-1(c/fsd)로 정의할 수 있는데 이 값이 작을수록 높은 해상도를 가진다. 음속(c)은 상수이므로 변하지 않으므로 결국 샘플링 주파수(sampling frequency) fs가 높거나 음향센서 사이의 간격, d가 넓을수록 해상도가 높아진다는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 음향 카메라와 같이 음향센서 사이의 간격이 좁은 경우에는 공간해상도가 떨어질 수 밖에 없다.
반면에, 음향 인텐시티는 두 음향센서에서 계측된 음압 신호를 통해 입자속도를 계산하기 때문에 음향센서 사이의 간격이 좁을수록 입자속도를 더 정확하게 계산할 수 있다. 따라서, 이 방법은 본 발명의 실시예에 따른 소형의 음향 카메라 구현을 가능하게 한다.
한편, 본 실시예에 따른 장치와 방법의 기능을 수행하게 하는 컴퓨터 프로그램을 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 기술적 사상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 형태로 구현될 수도 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터에 의해 읽을 수 있고 데이터를 저장할 수 있는 어떤 데이터 저장 장치이더라도 가능하다. 예를 들어, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광디스크, 하드 디스크 드라이브, 등이 될 수 있음은 물론이다. 또한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 또는 프로그램은 컴퓨터간에 연결된 네트워크를 통해 전송될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
110-1 ~ 110-4 : 음향센서 모듈
111 : 전면 커버
112 : 음향센서
113 : 후면 커버
120-1, 120-2 : 카메라
130 : 모듈 지지대
131 : 카메라 커버 상단
132 : 카메라 커버 하단
140 : 신호 처리부
141 : 신호 수집부
142 : 프로세서
143 : 출력부
144 : 저장부

Claims (18)

  1. 음향 신호들을 수집하는 다수의 음향센서 모듈들;
    음향 신호들을 수집하는 공간을 촬영하는 다수의 카메라들; 및
    음향센서 모듈들에서 수집된 음향 신호들로부터 카메라들을 통해 촬영되는 공간 상에서 음원들의 위치를 추정하는 처리부;를 포함하고,
    다수의 음향센서 모듈들의 음향 중심은,
    다수의 카메라들의 광학 중심과 일치하며,
    음향 중심은,
    음향센서 모듈들의 표면에 형성된 음향 입사면들에서의 법선들이 만나는 지점인 것을 특징으로 하는 음향 카메라.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    다수의 음향센서 모듈들은,
    음향 중심이 다수의 음향센서 모듈들의 기하 중심과 일치하도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 음향 카메라.
  4. 청구항 3에 있어서,
    음향센서 모듈은,
    음향센서;
    음향센서가 수납되는 제1 커버;
    제1 커버와 결합되어 음향센서를 덮는 제2 커버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 카메라.
  5. 청구항 4에 있어서,
    음향센서는,
    음압 센서, 입자 속도 센서, MEMS 음압 센서 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 음향 카메라.
  6. 삭제
  7. 청구항 3에 있어서,
    음향센서 모듈들은,
    4개이고, 정사면체의 4개의 꼭지점들에 각각의 수음점이 위치하는 것을 특징으로 하는 음향 카메라.
  8. 청구항 7에 있어서,
    카메라는,
    음향 신호들을 수집하는 공간을 제1 방향으로 촬영하는 제1 카메라; 및
    음향 신호들을 수집하는 공간을 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 촬영하는 제2 카메라;를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 카메라.
  9. 청구항 8에 있어서,
    음향센서 모듈들은,
    제1 음향센서 모듈, 제2 음향센서 모듈, 제3 음향센서 모듈, 제4 음향센서 모듈을 포함하고,
    제1 음향센서 모듈과 제1 카메라 간의 거리는, 제3 음향센서 모듈과 제1 카메라 간의 거리와 동일하고,
    제2 음향센서 모듈과 제2 카메라 간의 거리는, 제4 음향센서 모듈과 제2 카메라 간의 거리와 동일한 것을 특징으로 하는 음향 카메라.
  10. 청구항 9에 있어서,
    제1 음향센서 모듈은, 제1 카메라의 상부에 위치하고,
    제3 음향센서 모듈은, 제1 카메라의 하부에 위치하며,
    제2 음향센서 모듈은, 제2 카메라의 좌측에 위치하고,
    제4 음향센서 모듈은, 제2 카메라의 우측에 위치하는 것을 특징으로 하는 음향 카메라.
  11. 청구항 8에 있어서,
    제1 카메라와 제2 카메라는,
    어안 렌즈 카메라인 것을 특징으로 하는 음향 카메라.
  12. 청구항 1에 있어서,
    처리부는,
    음향 신호들을 이용하여 음향 중심에서의 3차원 음향 인텐시티 벡터를 계산하고, 계산된 3차원 음향 인텐시티 벡터로부터 음원들의 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 음향 카메라.
  13. 청구항 12에 있어서,
    처리부는,
    카메라들에 의해 생성된 영상 데이터들을 이용하여 음향 신호들을 수집하는 공간에 대한 이미지를 복원하고, 복원된 이미지에 음원들의 위치를 표현하는 것을 특징으로 하는 음향 카메라.
  14. 청구항 1에 있어서,
    음향센서 모듈들과 카메라들이 고정되며, 길이 조정이 가능한 지지대;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 카메라.
  15. 다수의 음향센서 모듈들로 음향 신호들을 수집하는 단계;
    다수의 카메라들로 음향 신호들을 수집하는 공간을 촬영하는 단계;
    수집된 음향 신호들로부터 카메라들을 통해 촬영되는 공간 상에서 음원들의 위치를 추정하는 단계;를 포함하고,
    다수의 음향센서 모듈들의 음향 중심은,
    다수의 카메라들의 광학 중심과 일치하며,
    음향 중심은,
    음향센서 모듈들의 표면에 형성된 음향 입사면들에서의 법선들이 만나는 지점인 것을 특징으로 하는 음원 위치 추정 방법.
  16. 삭제
  17. 청구항 15에 있어서,
    다수의 음향센서 모듈들은,
    음향 중심이 다수의 음향센서 모듈들의 기하 중심과 일치하도록 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 음원 위치 추정 방법.
  18. 삭제
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