KR102312997B1 - 멀티톤 음원을 이용한 보안 감시 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 보안 감시 방법에 관한 것으로, 이종의 주파수들을 갖는 멀티톤 음원을 이용한 보안 감시 방법에 있어서, 보안 감시 공간 내로 출력된 칵테일 모드 멀티톤 음원을 수신하여 주파수별 기준 음장 정보를 측정하는 단계, 상기 수신된 멀티톤 음원의 주파수별 현재 음장 정보를 측정하는 단계, 상기 주파수별 기준 음장 정보와 상기 주파수별 현재 음장 정보를 비교하여 음장 변화 발생 여부를 판별하는 단계 및 상기 주파수별 기준 음장 스펙트럼과 상기 주파수별 현재 음장 스펙트럼 간의 상관계수의 변화를 기반으로 침입 또는 화재 상황을 판단하는 단계를 포함한다. 본 발명은 멀티톤 음원을 이용하여 외부 소음 및 냉난방에 의한 오작동 문제를 극복한 보안 감시 방법을 제공할 수 있다. 또한 본 발명은 음장 변화 감지 기반의 보안 센서를 이용하여 화재와 침입 상황을 정확히 구분할 수 있는 보안 감시 방법을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 보안 감시 방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 다중 주파수 혼합형 칵테일 모드 멀티톤 음원을 이용한 보안 감시 방법에 관한 것이다.
화재 또는 침입 상황을 감지하기 위한 보안 센서는 오랫동안 연구되고 사용되어 왔다. 화재 감지 센서는 온도 감지 방식, 연기 감지 방식, 가스 감지 방식 및 불꽃 감지 방식 중 하나를 이용할 수 있다. 침입 감지 센서는 수동 적외선 감지(PIR) 방식, IR(Infra Red) 방식, 초음파 방식, 소리 감지 방식, 진동 감지 방식 및 마이크로웨이브 감지 방식 중 하나를 이용할 수 있다.
하지만, 상술한 방식을 이용한 센서는 화재 또는 침입 상황 중 하나만을 감지하는 센서로 사용된다. 또한, 상술한 방식을 이용한 센서는 화재를 조기에 감지하기 어렵고, 사각 지대를 가진다. 이러한 약점들을 보완하기 위하여 최근 음장 변화 감지 기반의 보안 센서가 제안되었다.
본 발명의 목적은 다중 주파수 혼합형 칵테일 모드의 멀티톤 음원을 이용하여 외부 소음 및 냉난방에 의한 오작동 문제를 극복한 보안 감시 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 음장 변화 감지 기반의 보안 센서를 이용하여 화재와 침입 상황을 정확히 구분할 수 있는 보안 감시 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 보안 감시 방법은 이종의 주파수들을 갖는 멀티톤 음원을 이용한 보안 감시 방법에 있어서, 보안 감시 공간 내로 출력된 칵테일 모드 멀티톤 음원을 수신하여 주파수별 기준 음장 정보를 측정하는 단계, 상기 수신된 멀티톤 음원의 주파수별 현재 음장 정보를 측정하는 단계, 상기 주파수별 기준 음장 정보와 상기 주파수별 현재 음장 정보를 비교하여 음장 변화 발생 여부를 판별하는 단계 및 상기 주파수별 기준 음장 스펙트럼과 상기 주파수별 현재 음장 스펙트럼 간의 상관계수의 변화를 기반으로 침입 또는 화재 상황을 판단하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 보안 감시 방법은 저주파 영역과 고주파 영역의 음압 정보의 변화를 분석하고 비교하여 외부 소음 및 냉난방에 의한 오작동 문제를 해결할 수 있다. 본 발명에 따른 감시 방법은 칵테일 모드의 멀티톤 음원을 사용하여 화재와 침입 상황을 정확히 구분함으로써, 신뢰도 높은 보안 감시 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 온도 변화에 따른 음파 파장의 변화를 나타내는 도면이다.
도 2는 온도 변화에 따른 음장 변화 원리를 설명하기 위하여 제시된 도면이다.
도 3은 온도 변화에 따른 음압 레벨의 주파수 이동을 나타내는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 실시 예에 따른 보안 감시 장치의 블록도이다.
도 4b는 본 발명의 실시 예에 따른 보안 감시 장치의 블록도이다.
도 5는 저주파 및 고주파 멀티톤 음원을 주파수 도메인에서 혼합한 뒤, 시간 도메인으로 변환하여 얻어진 칵테일 모드 멀티톤 음원의 신호 생성 방법을 나타낸 도면이다.
도 6은 저주파 및 고주파 멀티톤 음원을 시간 도메인으로 변환한 뒤에 시간 도메인에서 혼합하여 얻어진 칵테일 모드 멀티톤 음원의 신호 생성 방법을 나타낸 도면이다.
도 7은 저주파 및 고주파 멀티톤 음원을 시간 도메인에서 시차를 두고 혼합하여 생성한 칵테일 모드 멀티톤 음원을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 저주파 및 고주파 멀티톤 음원을 시간 도메인에서 시차를 두고 혼합할 때, 고주파 멀티톤 음원의 소리 크기를 낮게 조정하여 생성한 칵테일 모드 멀티톤 음원을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 17채널의 주파수 간격을 조정한 저주파 및 고주파 멀티톤 음원을 시간 도메인에서 시차를 두고 혼합하여 생성한 칵테일 모드 멀티톤 음원을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 음파 수신 단계에서 수신된 음향의 시작 지점을 찾기 위한 수학식을 적용하여 수신 데이터를 추출한 도면이다.
도 11은 도 10에서 적용된 수학식을 안드로이드 타블릿에서 기능 구현하여 Raw 음향 데이터에서 일관성 있게 수신 음향 데이터를 추출한 도면이다.
도 12는 저주파 및 고주파의 이종의 칵테일 모드 멀티톤 음원을 이용하여 얻어진 음장 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 13은 17채널 저주파 멀티톤 음원을 사용하여 기준 음장과 연속적인 음장 측정에서 침입 상황이 발생하는 경우에 나타나는 음장 스펙트럼의 변화를 나타내는 도면이다.
도 14는 17채널 고주파 멀티톤 음원을 사용하여 기준 음장과 연속적인 음장 측정에서 침입 상황이 발생할 시에 나타나는 음장 스펙트럼의 변화를 나타내는 도면이다.
도 15는 17채널 저주파 멀티톤 음원을 사용하여 기준 음장과 연속적인 감시 모드 음장 측정에서 화재 상황이 발생할 시에 나타나는 음장 스펙트럼의 점진적인 변화를 나타내는 도면이다.
도 16은 17채널 고주파 멀티톤 음원을 사용하여 기준 음장과 연속적인 감시 모드 음장 측정에서 화재 상황이 발생할 시에 나타나는 음장 스펙트럼의 점진적인 변화를 나타내는 도면이다.
도 17은 도 13의 침입 상황의 음장 스펙트럼으로부터 기준 음장과 6.75초 간격의 연속적인 각 횟수 측정값 사이의 주파수 이동이 없는(m=0) 상관계수를 나타내는 도면이다.
도 18은 도 14의 침입 상황의 음장 스펙트럼으로부터 기준 음장과 6.75초 간격의 연속적인 각 횟수 측정값 사이의 주파수 이동이 없는(m=0) 상관계수를 나타내는 도면이다.
도 19는 도 15의 화재 상황의 음장 스펙트럼으로부터 기준 음장과 13.5초 간격의 연속적인 각 횟수 측정값 사이의 주파수 이동이 없는(m=0) 상관계수를 나타내는 도면이다.
도 20은 도 16의 화재 상황의 음장 스펙트럼으로부터 기준 음장과 13.5초 간격의 연속적인 각 횟수 측정값 사시의 주파수 이동이 없는(m=0) 상관계수를 나타내는 도면이다.
도 21은 고주파 멀티톤으로 얻은 화재 상황의 음장 스펙트럼에서 기준 음장과 13.5초 간격의 연속적인 각 횟수의 스펙트럼의 교차 상관계수의 최대값에 해당되는 주파수 이동지수를 나타낸 도면이다.
도 22는 침입 및 화재를 감지하고 종합하여 상황을 최종 판단하는 알고리즘을 예시적으로 나타내는 표이다.
도 23은 고주파 및 저주파 멀티톤 음원을 이용하여 침입 및 화재를 감지하고 종합하여 상황을 판단하는 알고리즘을 예시적으로 나타내는 표이다.
도 24는 이종의 멀티톤 음원을 이용한 음장 스펙트럼의 상관계수와 주파수 이동지수를 기반으로 침입 및 화재를 감지하고 경보를 알리는 과정을 나타내는 순서도이다.
도 2는 온도 변화에 따른 음장 변화 원리를 설명하기 위하여 제시된 도면이다.
도 3은 온도 변화에 따른 음압 레벨의 주파수 이동을 나타내는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 실시 예에 따른 보안 감시 장치의 블록도이다.
도 4b는 본 발명의 실시 예에 따른 보안 감시 장치의 블록도이다.
도 5는 저주파 및 고주파 멀티톤 음원을 주파수 도메인에서 혼합한 뒤, 시간 도메인으로 변환하여 얻어진 칵테일 모드 멀티톤 음원의 신호 생성 방법을 나타낸 도면이다.
도 6은 저주파 및 고주파 멀티톤 음원을 시간 도메인으로 변환한 뒤에 시간 도메인에서 혼합하여 얻어진 칵테일 모드 멀티톤 음원의 신호 생성 방법을 나타낸 도면이다.
도 7은 저주파 및 고주파 멀티톤 음원을 시간 도메인에서 시차를 두고 혼합하여 생성한 칵테일 모드 멀티톤 음원을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 저주파 및 고주파 멀티톤 음원을 시간 도메인에서 시차를 두고 혼합할 때, 고주파 멀티톤 음원의 소리 크기를 낮게 조정하여 생성한 칵테일 모드 멀티톤 음원을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 17채널의 주파수 간격을 조정한 저주파 및 고주파 멀티톤 음원을 시간 도메인에서 시차를 두고 혼합하여 생성한 칵테일 모드 멀티톤 음원을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 음파 수신 단계에서 수신된 음향의 시작 지점을 찾기 위한 수학식을 적용하여 수신 데이터를 추출한 도면이다.
도 11은 도 10에서 적용된 수학식을 안드로이드 타블릿에서 기능 구현하여 Raw 음향 데이터에서 일관성 있게 수신 음향 데이터를 추출한 도면이다.
도 12는 저주파 및 고주파의 이종의 칵테일 모드 멀티톤 음원을 이용하여 얻어진 음장 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 13은 17채널 저주파 멀티톤 음원을 사용하여 기준 음장과 연속적인 음장 측정에서 침입 상황이 발생하는 경우에 나타나는 음장 스펙트럼의 변화를 나타내는 도면이다.
도 14는 17채널 고주파 멀티톤 음원을 사용하여 기준 음장과 연속적인 음장 측정에서 침입 상황이 발생할 시에 나타나는 음장 스펙트럼의 변화를 나타내는 도면이다.
도 15는 17채널 저주파 멀티톤 음원을 사용하여 기준 음장과 연속적인 감시 모드 음장 측정에서 화재 상황이 발생할 시에 나타나는 음장 스펙트럼의 점진적인 변화를 나타내는 도면이다.
도 16은 17채널 고주파 멀티톤 음원을 사용하여 기준 음장과 연속적인 감시 모드 음장 측정에서 화재 상황이 발생할 시에 나타나는 음장 스펙트럼의 점진적인 변화를 나타내는 도면이다.
도 17은 도 13의 침입 상황의 음장 스펙트럼으로부터 기준 음장과 6.75초 간격의 연속적인 각 횟수 측정값 사이의 주파수 이동이 없는(m=0) 상관계수를 나타내는 도면이다.
도 18은 도 14의 침입 상황의 음장 스펙트럼으로부터 기준 음장과 6.75초 간격의 연속적인 각 횟수 측정값 사이의 주파수 이동이 없는(m=0) 상관계수를 나타내는 도면이다.
도 19는 도 15의 화재 상황의 음장 스펙트럼으로부터 기준 음장과 13.5초 간격의 연속적인 각 횟수 측정값 사이의 주파수 이동이 없는(m=0) 상관계수를 나타내는 도면이다.
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도 22는 침입 및 화재를 감지하고 종합하여 상황을 최종 판단하는 알고리즘을 예시적으로 나타내는 표이다.
도 23은 고주파 및 저주파 멀티톤 음원을 이용하여 침입 및 화재를 감지하고 종합하여 상황을 판단하는 알고리즘을 예시적으로 나타내는 표이다.
도 24는 이종의 멀티톤 음원을 이용한 음장 스펙트럼의 상관계수와 주파수 이동지수를 기반으로 침입 및 화재를 감지하고 경보를 알리는 과정을 나타내는 순서도이다.
이하에서, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로, 본 발명의 실시 예들이 명확하고 상세하게 기재될 것이다.
음장 변화 감지에 기반한 보안 감시 시스템에 있어서, 보안 감시 공간 내에서 화재 발생시 음파의 속도가 변화함에 따라 음장의 변화가 일어나는 과정은 이론적으로 설명될 수 있다. 일반적으로 음파의 속도(v)는 아래 수학식 1 및 수학식 2와 같이 표시할 수 있다. 음파의 속도(v)는 공기의 섭씨 온도(T)에 비례한다. 또한, 음파의 속도(v)는 파장(λ)에 비례한다.
수학식 1 및 수학식 2에 의하여 아래 수학식 3의 관계가 도출된다. 따라서 음파의 주파수(f)가 같더라도 파장(λ)은 공기의 섭씨 온도(T)에 비례하여 증가한다. 파장이 달라지면 같은 크기의 보안 공간 내부에서 공기의 음압 분포 또한 달라진다.
도 1은 온도 변화에 따른 음파 파장의 변화를 나타내는 도면이다.
도 1에서 실선으로 이루어진 원은 저온에서 출력되는 음파의 파장을 나타낸다. 도 1에서 점선으로 이루어진 원은 고온에서 출력되는 음파의 파장을 나타낸다. 화재 발생시 보안 감시 공간(SA) 내부의 온도 상승에 의하여 음파의 속도가 증가한다. 음파의 속도가 증가하면, 음향 발생 장치 등에서 나오는 동일 주파수의 음파의 파장이 증가한다.
따라서, 보안 감시 공간(SA) 내부에 설치되는 음향 수신 장치는 음파의 음장을 온도 상태에 따라 다르게 감지한다. 음장 변화 현상은 음파의 반향이 잘 일어나는 음향 공간 내에서 더 잘 발생될 수 있다. 이와 같이 음장 변화를 감지하면 관측이 어려운 사각지대의 상황도 감지할 수 있다.
도 2는 온도 변화에 따른 음장 변화 원리를 설명하기 위하여 제시된 도면이다.
도 2의 (a)와 (b)에서 보안 감시 공간 내에 존재하는 음향 벽의 사이즈는 3m×3m 이다. 도 2의 (a)와 (b)의 결과는 음향 발생 장치(210)에서 발생되는 음파가 보안 감시 공간 내부로 전파될 때의 음압 레벨을 2차원으로 매핑(Mapping)한 것이다. 도 2의 (a)는 상온(18℃)에서의 음압 레벨을 나타낸다. 도 2의 (b)는 내부 공기 온도가 전반적으로 상승한 상태(30℃)에서의 음압 레벨을 나타낸다.
도 2의 (b)와 같이 온도 상승에 따른 음장 변화는 모든 가청 주파수 대역 또는 초음파 대역에서 나타난다. 온도 변화에 따른 음장 변화는 보안 감시 공간 내부에 설치될 수 있는 음향 수신 장치(220)로 감지할 수 있다.
도 3은 온도 변화에 따른 음압 레벨의 주파수 이동을 나타내는 도면이다.
도 3에서 가로 축은 주파수를 헤르츠(Hz) 단위로 나타내고, 세로 축은 음압 레벨(Sound Pressure Level, SPL)을 데시벨(dB) 단위로 나타낸다. 도 3의 그래프는 보안 감시 공간 내부에 설치될 수 있는 음향 수신 장치(220, 도 2참조)를 이용하여 측정된 주파수별 음압 레벨(SPL)의 스펙트럼 곡선이다. 보안 공간 내부의 크기는 고정이므로, 온도가 증가할 경우에 같은 위치에 있는 음향 수신 장치(220)가 같은 음압을 갖기 위하여는 음파의 파장이 일정해야 한다. 따라서 음압 레벨 패턴은 형태를 유지하면서 고주파 방향으로 이동하게 된다. 도 3의 (a)와 (b)를 대비하면, 주파수별 음압 레벨(SPL)이 온도 상승에 의하여 고주파 방향으로 일정량 이동하는 것을 확인할 수 있다.
이 때, 이동하는 주파수의 변화값(δf)은 아래의 수학식 4와 같이 표시할 수 있다. 또한 음파의 속도 변화(δv)는 온도 변화(δT)에 비례하므로 주파수의 변화값(δf)은 아래의 수학식 5와 같이 도출될 수 있다. 주파수의 변화값(δf)은 음파의 주파수(f)에 비례하고, 온도 변화(δT)에도 비례한다. 아래의 수학식 6은 수학식 1 내지 수학식 5의 관계를 통하여 도출할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상온(18℃)에서 30℃로 온도가 상승하였을 경우 1kHz의 음향 주파수는 21Hz 정도 고주파 방향으로 이동함을 알 수 있다. 실제 화재에 의한 공기의 온도 변화는 전체 온도 상승으로 단순화 하기 어렵다. 그러나 일반적으로 온도 상승에 의해 음압 레벨 패턴이 고주파로 이동하는 정도는 온도의 변화에 비례한다. 따라서, 내부 공기 온도 변화는 주파수의 이동 정도를 이용하여 일반적으로 모니터링할 수 있다. 예를 들면, 멀티톤 주파수의 중심주파수(Central frequency)가 4kHz이고, 주파수간격(Frequency interval)이 4Hz인 경우, 온도 변화량(δT)은 상온(18℃)일 때 0.57℃에 해당한다.
상술한 온도 변화에 따른 음장 변화 원리를 이용한 보안 센서는 한 개의 센서로 화재와 침입 상황을 감지할 수 있고, 화재를 조기 감지할 수 있다. 또한, 음장 변화 감지 기반의 보안 센서는 사각 지대를 감지할 수 있다. 그러나 음장 변화 감지 기반의 보안 센서는 외부 소음 또는 냉난방에 의한 급속한 음장 변화에 따른 오작동의 가능성이 있다.
도 4a는 본 발명의 실시 예에 따른 보안 감시 장치의 블록도이다.
도 4a를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 보안 감시 장치(400)는 음향 발생 장치(410), 음향 수신 장치(420) 및 음장 신호 처리 장치(430)를 포함할 수 있다.
음향 발생 장치(410)는 보안 감시 공간 내에서 입력 전압에 따라 음파를 출력한다. 음향 발생 장치(410)에서 출력되는 음파는 저주파와 고주파의 이종의 멀티톤 주파수를 혼합한 칵테일 모드의 멀티톤 음파일 수 있다.
음향 수신 장치(420)는 보안 감시 공간 내에서 출력된 음파를 수신하여, 수신한 음파로부터 음압을 얻는다. 음향 수신 장치(420)는 수신한 음파를 주파수 영역으로 변환하는 주파수 변환 필터를 포함할 수 있다.
음장 신호 처리 장치(430)는 보안 감시 공간의 음장 변화를 이용하여 침입이나 화재 상황을 판단하는 장치로서 PC나 DSP 등의 프로세서를 통해 구현될 수 있다. 음장 변화를 측정하는 지표로는 음압과 위상이 대표적이며, 음압과 위상을 개별적으로 혹은 조합적으로 사용할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 음압을 하나의 예시로 제시하며, 음압의 크기인 음압 레벨이 신호 처리의 대상으로 사용될 수 있다.
음장 신호 처리 장치(430)는 소리의 음압(P)을 이용하여 기준 음압 정보를 계산할 수 있다. 기준 음압의 정보로는 기준 음압의 크기(Amp=20log(P)) 또는 기준 음압의 위상(Ph=ang(P))을 이용할 수 있다. 음장 신호 처리 장치(430)는 측정된 시간별 음장 변화 패턴을 분석하여 초기화 시간 주기 및 보안 상황 판단 기준 값을 설정할 수 있다.
음장 신호 처리 장치(430)는 감시 모드에서 음향 전달 함수(P')를 이용하여 현재 음압 정보를 계산할 수 있다. 현재 음압의 정보로는 현재 음압의 크기(Amp=20log(P')) 또는 현재 음압의 위상(Ph=ang(P'))을 이용할 수 있다. 상술한 기준 음압 정보와 현재 음압 정보를 비교하여 화재 및 침입의 보안 상황 발생 여부를 판단할 수 있다.
구체적으로, 침입 상황이 발생하면 본 발명의 보안 감시 공간 내의 경계 조건이 변화한다. 경계 조건의 변화에 의하여 음향 발생 장치(410)의 신호 값과 음향 수신 장치(420)의 신호 값의 비율로 얻어지는 음향 전달 함수(sound transfer function)가 변화한다. 또한 음향 전달 함수에 해당하는 음장이 변화한다.
이 때, 기준 음장 스펙트럼과 현재 음장 스펙트럼 간의 상관계수 변화를 기반으로 침입 상황이 감지될 수 있다. 아래의 수학식 7을 통하여 음장의 상호간 교차 상관계수가 도출된다.
수학식 7에서 Ri,j는 i번째 측정한 음장 Si와 j번째 측정한 음장 Sj 상호간의 교차 상관계수이다. N은 멀티톤 음원의 채널 수이다. m은 주파수 이동값의 한 단위로서 멀티톤 음원의 이웃한 주파수 간격을 의미한다. 구체적으로 m=0인 경우, Ri,j는 주파수 이동하지 않은 두 음장 스펙트럼의 공분산(Covariance) 값을 i번째와 j번째에 측정한 각 음장 스펙트럼의 표준편차(Standard deviation) 값의 곱으로 나눈 결과이다. m≠0인 경우, Ri,j는 i번째 음장 스펙트럼과 m만큼 주파수 이동한 j번째 음장 스펙트럼 사이의 상관계수를 계산한 결과이다.
기준 음장(Reference sound field) 스펙트럼과 이후의 연속적인 음장 스펙트럼 사이의 주파수 이동하지 않은(m=0) 경우의 상관계수를 구하고, 이 값이 일정한 기준값보다 작을 경우에 침입으로 판단할 수 있다. 상관계수는 두 스펙트럼 간의 닮은 정도를 나타내고, -1에서 1까지의 값을 가진다. 상관계수가 1일 때, 두 스펙트럼은 서로 동일하다.
음장 신호 처리 장치(430)는 환경 변화에 의한 음압(P)의 변화에 의하여 경보가 울리는 것을 방지하기 위해 초기화 시간 주기에 따라 기준 스펙트럼을 재설정할 수 있다.
화재나 침입 상황의 정확한 구분을 위하여 음장 신호 처리 장치(430)는 주파수별 음장 변화 패턴을 감지한다. 음장 신호 처리 장치(430)는 감지된 주파수별 음장 변화 패턴을 기저장된 기준 주파수별 음장 변화 패턴과 비교하여 화재에 의한 음장 변화인지 또는 침입에 의한 음장 변화인지 분별할 수 있다. 다시 말하면, 시간에 따른 음장의 변화 양상 및 음장 패턴의 주파수 이동 특성을 측정하여 침입 상황인지 화재 상황인지 판별할 수 있다.
구체적으로, 화재 상황이 발생하면 본 발명의 보안 감시 공간 내의 온도가 변화한다. 온도의 변화에 의하여 음파의 속도와 음장이 변화한다. 본 발명의 보안 감시 공간 내부에 설치되는 음향 수신 장치(420)는 음파의 음장을 온도 분포 상태에 따라 다르게 감지한다.
기준 음장 스펙트럼과 이후의 연속적인 음장 스펙트럼 사이의 교차 상관계수를 구하고, 이 값이 최대가 되는 m을 구하게 되면 기준 음장 스펙트럼과 비교하여 얼마만큼 주파수 이동을 하였는지 알 수 있다. 또한 이 결과로부터 주파수 이동지수를 구할 수 있다.
주파수 이동지수를 모니터링 하면 얼마나 빠른 시간에 온도가 변화하는 지를 알 수 있다. 또한 온도 상승이 얼마동안 지속되는지 알 수 있기 때문에 화재 상황을 구분하여 감지할 수 있다. 일반적으로 점진적인 온도 상승이 있을 때는 단기적인 상관계수(m=0)의 변화는 크지 않기 때문에 침입 상황과 구분 가능하다.
주파수의 이동 정도는 저주파의 경우 온도 변화가 있더라도 이동이 크지 않은 반면, 고주파의 경우 온도 변화에 매우 민감하게 변화하는 특징이 있다. 따라서, 저주파 멀티톤 음원을 사용할 경우 침입 감지는 용이하나 화재 감지는 용이하지 않다. 고주파 멀티톤 음원을 사용할 경우 침입 및 화재 상황을 모두 감지할 수 있다.
본 발명은 저주파 멀티톤 음원을 사용하는 감지 조건과 고주파 멀티톤 음원을 사용하는 감지 조건을 혼합하여 사용할 수 있다. 따라서 저주파 영역 및 고주파 영역에서 동시에 침입을 감지하는 경우 침입을 확정할 수 있다. 고주파 영역에서 침입을 감지 했으나 저주파 영역에서 정상인 경우 고주파 영역의 외부 소음 및 냉난방에 따른 오알람일 수 있기 때문에 정상 상황으로 판단될 수 있다. 저주파 영역에서는 침입을 감지 했으나 고주파 영역에서는 정상인 경우 저주파 영역의 외부 소음에 따른 오알람일 수 있기 때문에 정상 상황으로 판단될 수 있다.
일반적으로 주파수가 높은 경우 온도 변화에 의한 주파수 이동이 더 크게 되고, 주파수가 낮은 경우 온도 변화에 의한 주파수 이동이 낮게 된다. 따라서, 상술한 바와 같이 이종의 주파수를 혼합한 칵테일 모드 멀티톤 음원을 이용하여 음장 스펙트럼을 분석하면 침입과 화재를 용이하게 구분할 수 있다. 또한 서로 다른 주파수 대의 소음에 의한 오알람의 문제도 용이하게 해결될 수 있다.
도 4b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 보안 감시 장치의 블록도이다.
도 4b를 참조하면, 본 발명의 실시 예는 음향 발생 장치(410)를 음향 수신 장치(420) 및 음장 신호 처리 장치(430)와 공간상으로 분리하여 구현할 수 있다. 음향 발생 장치(410)와 음향 수신 장치(420)를 분리하여 구성하면 음장 스펙트럼 변화의 민감도가 향상된다. 또한 음향 발생 장치(410)와 음향 수신 장치(420)를 분리하여 구성하면 감시 공간이 넓어진다. 음향 발생 장치(410)는 음장 신호 처리 장치(430)로부터 유선 혹은 무선으로 칵테일 모드 멀티톤 음원 신호를 수신한다. 음장 신호 처리 장치(430)는 음향 발생 장치(410)와 음향 수신 장치(420) 간의 동기화 시간차를 보정한 후 음장 스펙트럼을 분석하여 침입과 화재를 판단한다.
도 5는 저주파 및 고주파 멀티톤 음원을 주파수 도메인에서 혼합한 뒤, 시간 도메인으로 변환하여 얻어진 칵테일 모드 멀티톤 음원의 신호 생성 방법(500)을 나타낸 도면이다.
도 5에서 제시된 멀티톤 음원의 신호 생성 방법(500)은 이종의 주파수 대역을 갖는 칵테일 모드 멀티톤 음원을 생성하는 방법 중 하나이다. 칵테일 모드 음원에 사용되는 멀티톤 음원의 세기, 중심 주파수, 주파수 간격, 채널 수 및 상대적 위상은 가변적으로 조절할 수 있다. 이러한 조절을 통하여 칵테일 모드 멀티톤 음원을 사람이 듣기에 좋은 멜로디 형태의 음원으로 생성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예로서, 17채널의 저주파(중심주파수 1kHz, 주파수간격 8Hz) 멀티톤 음원(510)과 고주파(중심주파수 4kHz, 주파수간격 8Hz) 멀티톤 음원(520)을 주파수 도메인에서 혼합한 후, 이를 시간 도메인으로 변환하여 얻어진 0.5초 동안의 칵테일 모드 멀티톤 음원(530)의 신호 생성 방법을 나타낸다. 주파수 도메인에서 시간 도메인으로의 변환은 역푸리에 변환(inversion Fourier transform)에 의하여 이루어질 수 있다.
이 경우 저주파와 고주파가 혼합된 칵테일 모드 멀티톤 음원(530)은 0.5초 동안 4번의 펄스 신호가 나타난다. 시간 도메인으로 변환된 칵테일 모드 멀티톤 음원(530)의 확대도(531)를 참조하면, 이종의 주파수가 혼합되어 칵테일 모드 멀티톤 음원을 구성하는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 저주파 및 고주파 멀티톤 음원을 시간 도메인으로 변환한 뒤에 시간 도메인에서 혼합하여 얻어진 칵테일 모드 멀티톤 음원의 신호 생성 방법(600)을 나타낸 도면이다.
도 6에서 제시된 멀티톤 음원의 생성 방법(600)도 이종의 주파수 대역을 갖는 칵테일 모드 멀티톤 음원을 생성하는 방법 중 하나이다. 칵테일 모드 음원에 사용되는 멀티톤 음원의 세기, 중심 주파수, 주파수 간격, 채널 수 및 음원 발생 시간은 가변적으로 조절할 수 있다. 이러한 조절을 통하여 칵테일 모드 멀티톤 음원을 멜로디 형태의 음원으로 생성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예로서, 17채널의 저주파(중심주파수 1kHz, 주파수간격 8Hz) 멀티톤 음원(610)과 고주파(중심주파수 4kHz, 주파수간격 8Hz) 멀티톤 음원(620)을 각각 시간 도메인으로 변환한다. 주파수 도메인에서 시간 도메인으로의 변환은 역푸리에 변환(inversion Fourier transform)에 의하여 이루어질 수 있다.
17채널의 저주파(중심주파수 1kHz, 주파수간격 8Hz) 멀티톤 음원을 시간 도메인으로 변환(630)하면 0.5초 동안 4번의 펄스 신호가 발생한다. 17채널의 고주파(중심주파수 4kHz, 주파수간격 8Hz) 멀티톤 음원(620)을 시간 도메인으로 변환(640)하면 0.5초 동안 4번의 펄스 신호가 발생한다. 시간 도메인으로 변환된 저주파 멀티톤 음원(630)의 확대도(631)를 참조하면, 단일의 멀티톤 음원으로 구성되어 있음을 확인할 수 있다. 시간 도메인으로 변환된 고주파 멀티톤 음원(640)의 확대도(641)를 참조하면, 단일의 멀티톤 음원으로 구성되어 있음을 확인할 수 있다. 시간 도메인으로 변환된 저주파 멀티톤 음원(630)과 시간 도메인으로 변환된 고주파 멀티톤 음원(640)을 혼합하여 칵테일 모드 멀티톤 음원의 신호를 생성할 수 있다.
도 7은 저주파 및 고주파 멀티톤 음원을 시간 도메인에서 시차를 두고 혼합하여 생성한 칵테일 모드 멀티톤 음원을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예로서, 17채널의 저주파(중심주파수 1kHz, 주파수간격 8Hz)와 고주파(중심주파수 4kHz, 주파수간격 8Hz) 멀티톤 음원을 시간 도메인에서 0.1초의 시차를 두고 혼합하여 생성한 0.5초 동안의 칵테일 모드 멀티톤 음원을 나타낸다.
멀티톤 음원에 시차를 두지 않고 합성하는 경우, 저주파와 고주파의 음향 신호의 최대값이 합쳐져서 음향 수신 장치에서 주파수 합성에 의한 오버플로우가 발생할 수 있다. 오버플로우를 회피하기 위하여 주파수 출력을 줄이는 방법을 사용하면 음량의 크기가 낮아지므로 저주파 및 고주파 각각의 멀티톤 음원 분리시 음량 크기가 상대적으로 작아진다. 이러한 문제점을 보완하기 위하여 약간의 시차를 두고 합성하는 신호 합성 방식을 사용할 수 있다.
도 8은 저주파 및 고주파 멀티톤 음원을 시간 도메인에서 시차를 두고 혼합할 때, 고주파 멀티톤 음원의 소리 크기를 낮게 조정하여 생성한 칵테일 모드 멀티톤 음원을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예로서, 17채널의 저주파(중심주파수 1kHz, 주파수간격 8Hz)와 고주파(중심주파수 4kHz, 주파수간격 8Hz) 멀티톤 음원을 시간 도메인에서 0.1초의 시차를 두고 혼합할 때 고주파 멀티톤 음원의 소리 크기를 낮게 조정하여 생성한 0.5초 동안의 칵테일 모드 멀티톤 음원을 나타낸다. 좀 더 상세하게는, 도 8은 본 발명의 실시 예로서, 도7에서 언급된 멀티톤 음원에서 저주파 및 고주파 음량 크기를 가변적으로 조절한 칵테일 모드 멀티톤 음원을 나타낸다. 도 8의 실시 예는 저주파의 음량을 크게 하여 생성한 칵테일 모드 멀티톤 음원이며, 저주파 및 고주파 각각의 음량을 상대적으로 조절하여 생성할 수 있다.
도 9는 17채널의 주파수 간격을 조정한 저주파 및 고주파 멀티톤 음원을 시간 도메인에서 시차를 두고 혼합하여 생성한 칵테일 모드 멀티톤 음원을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예로서, 17채널의 주파수 간격을 조정한 저주파(중심주파수 1kHz, 주파수간격 4Hz)와 고주파(중심주파수 4kHz, 주파수간격 8Hz) 멀티톤 음원을 시간 도메인에서 약간의 시차를 두고 혼합하여 생성한 0.5초 동안의 칵테일 모드 멀티톤 음원을 나타낸다. 좀 더 상세하게는, 도 9는 본 발명의 실시 예로서, 도 6에서 언급된 멀티톤 음원에서 저주파와 고주파의 주파수 간격을 변경하고 저주파와 고주파의 시차를 두고 생성한 멀티톤 칵테일 모드 음원을 나타낸다.
본 발명에 있어서, 온도 변화로 나타나는 화재 상황을 빠르게 감지하기 위하여 고주파 간격을 조정하는 등 사용처에 맞는 다양한 방식으로 칵테일 모드 멀티톤 음원을 생성할 수 있다. 또한 음장 변화를 감지하는 음원과 함께 다양한 음향 및 음악 등의 음원과도 섞어서 사용하는 칵테일 모드의 구현도 가능하다.
도 10은 음파 수신 단계에서 수신된 음향의 시작 지점을 찾기 위한 수학식을 적용하여 수신 데이터를 추출한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예로서, 일정한 시작 시점을 갖는 음향 데이터 신호를 추출하는 것을 나타낸다. 음장 변화 측정의 신뢰도를 높이기 위하여, 도 10에서는 음향 수신 단계에서 얻어지는 음압 신호의 일관성 있는 데이터의 시간 범위를 얻어내기 위한 수식을 사용한다.
정확한 데이터 신호를 도출하기 위하여 수신된 음향 데이터의 시작점을 알아야 한다. 음향 데이터의 시작점은 사용하는 하드웨어 장비, 소프트웨어 운영체제 및 음향 신호의 연결 인터페이스(Aux, BlueTooth)에 따라 달라질 수 있다. 따라서 일관성 있게 일정한 음향 데이터의 시작점을 얻어내는 것이 중요하다.
음향 수신 단계에서 얻어지는 음압 신호의 정확한 데이터 범위를 얻어내기 위하여 아래의 수학식 8을 이용한다. 수학식 8은 0.5초 동안 수신된 음압 신호 중 시간축 상에서 첫번째로 가장 큰 값을 가지는 데이터의 시간축 상 지수값(Ntml1)을 기준으로 샘플레이트(S) 및 주파수간격(df)을 이용하여, 수신된 데이터의 시작점 지수(Sp) 도출할 수 있다.
첫번째로 가장 큰 값을 갖는 데이터 지수를 찾는 방법은 칵테일된 주파수 중 음압이 가장 높은 멀티톤 주파수의 전체 데이터를 주파수 간격의 1/2에 해당하는 숫자만큼 분리하여 나눈 후, 가장 시간적으로 앞선 데이터 셀에서 값이 가장 큰 데이터의 시간축에 해당하는 지수를 찾아내는 방식을 사용한다. 사용하는 장비의 성능 및 구조에 따라 음향 신호 수신을 먼저하고, 신호 출력을 나중에 하는 경우에도 전체 데이터를 안정적으로 추출할 수 있다.
도 11은 도 10에서 적용된 수학식을 안드로이드 타블릿에서 기능 구현하여 Raw 음향 데이터에서 일관성 있게 수신 음향 데이터를 추출한 도면이다.
도 11과 같은 방법을 적용하여 음향 수신 단계에서 불필요한 시간 축 상의 데이터 구간을 분리하여 신뢰성이 높은 음장 변화의 분석이 이루어 질 수 있다.
도 12는 저주파 및 고주파의 이종의 칵테일 모드 멀티톤 음원을 이용하여 얻어진 음장 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예로서, 1kHz와 4kHz의 중심주파수를 갖는 다채널의 멀티톤 음원을 이용하여 얻어진 음압을 주파수별로 얻은 음장 스펙트럼으로 나타낸 개념도이다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 저주파 및 고주파의 각각의 멀티톤 음원을 이용하여 얻어진 음장 스펙트럼을 분리하여 얻을 수 있다. 또한 각각의 음장 스펙트럼의 시간 및 주파수에 따른 변화를 기준 스펙트럼 및 실시간 스펙트럼 간의 상관계수로부터 구할 수 있고, 그 크기의 변화 및 주파수 이동을 기반으로 침입 및 화재 상황을 감지할 수 있다.
도 13은 17채널 저주파 멀티톤 음원을 사용하여 기준 음장과 연속적인 음장 측정에서 침입 상황이 발생하는 경우에 나타나는 음장 스펙트럼의 변화를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시 예로서, 17채널 저주파 멀티톤 음원(중심주파수 1kHz, 주파수간격 4Hz)을 사용하여 기준 음장과 연속적인 음장 측정에서 갑자기 문을 10cm 여는 침입 상황이 발생할 시에 나타나는 음장 스펙트럼의 변화를 나타낸다. 좀 더 상세하게는, 도 13은 본 발명의 실시 예로서, 보안 감시 공간 내에서 기준 음장 스펙트럼을 측정하고 난 뒤에 시간 간격을 13.5초로 하여 연속적으로 음장 스펙트럼을 측정하여 얻은 실험 결과를 나타낸다.
도 13을 참조하면, 제1회부터 제3회(27sec)까지는 침입 전의 음장 스펙트럼이며 제4회(40.5sec)는 문을 10cm 여는 침입 상황이 발생하고 난 뒤에 얻은 음장 스펙트럼이다. 도 13을 참조하면, 음향 발생 장치(410, 도 4참조)에서 음원을 0.5초간 발생시키고, 음향 수신 장치(420, 도 4참조)에서 얻은 음향신호를 음장 신호 처리 장치(430, 도 4참조)가 주파수 필터링을 하여 얻은 음장 스펙트럼 결과는 침입 전의 스펙트럼과 거의 변화가 없다. 그러나 침입을 하고 난 뒤에는 침입자에 의하여 조건이 바뀌게 되어 스펙트럼이 다소 크게 변화한다.
도 14는 17채널 고주파 멀티톤 음원을 사용하여 기준 음장과 연속적인 음장 측정에서 침입 상황이 발생할 시에 나타나는 음장 스펙트럼의 변화를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시 예로서, 17채널 고주파 멀티톤 음원(중심주파수 4kHz, 주파수간격 4Hz)을 사용하여 기준 음장과 연속적인 음장 측정에서 갑자기 문을 10cm 여는 동일한 침입 상황이 발생할 시에 나타나는 음장 스펙트럼의 변화를 나타낸다. 좀 더 상세하게는, 도 14는 본 발명의 실시 예로서, 보안 감시 공간 내에서 기준 음장 스펙트럼을 측정하고 난 뒤에 시간 간격을 13.5초로 하여 연속적으로 음장 스펙트럼을 측정하여 얻은 실험 결과를 나타낸다.
도 14를 참조하면, 제1회부터 제3회(27sec)까지는 침입 전의 음장 스펙트럼이며 제4회(40.5sec)는 문을 10cm 여는 침입 상황이 발생하고 난 뒤에 얻은 음장 스펙트럼이다. 도 14를 참조하면, 침입 전의 스펙트럼은 거의 변화가 없지만 침입 후의 스펙트럼은 매우 크게 변화하는 것을 볼 수 있다. 일반적으로 고주파 음파의 파장이 저주파 음파의 파장보다 작기 때문에 경계조건의 변화 시점에서 고주파 스펙트럼의 변화가 더욱 크게 나타날 수 있다.
도 15는 17채널 저주파 멀티톤 음원을 사용하여 기준 음장과 연속적인 감시 모드 음장 측정에서 화재 상황이 발생할 시에 나타나는 음장 스펙트럼의 점진적인 변화를 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시 예로서, 17채널 저주파 멀티톤 음원(중심주파수 1kHz, 주파수간격 4Hz)을 사용하여 기준 음장과 연속적인 감시모드 음장 측정에서 초기부터 열원에 의한 화재 상황이 발생할 시에 나타나는 음장 스펙트럼의 점진적인 변화를 나타낸다. 좀 더 상세하게는, 도 15는 본 발명의 실시 예로서, 보안 감시 공간 내에서 전기히터와 같은 열원이 가열되는 화재 상황에서 기준 음장 스펙트럼을 측정하고 난 뒤에 시간 간격을 27초로 하여 연속적으로 음장 스펙트럼을 측정하여 얻은 실험 결과를 나타낸다. 도 15를 참조하면, 가열되는 시간에 따라 음장 스펙트럼이 조금씩 바뀌지만 큰 변화는 없는 것을 알 수 있다.
도 16은 17채널 고주파 멀티톤 음원을 사용하여 기준 음장과 연속적인 감시 모드 음장 측정에서 화재 상황이 발생할 시에 나타나는 음장 스펙트럼의 점진적인 변화를 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시 예로서, 17채널 고주파 멀티톤 음원(중심주파수 4kHz, 주파수간격 4Hz)을 사용하여 기준 음장과 연속적인 감시모드 음장 측정에서 초기부터 열원에 의한 화재 상황이 발생할 시에 나타나는 음장 스펙트럼의 점진적인 변화를 나타낸다. 좀 더 상세하게는, 도 16은 본 발명의 실시 예로서, 멀티톤 음원(중심주파수 4kHz, 주파수간격 4Hz)을 사용하여 시간 간격을 27초로 하여 연속적으로 음장 스펙트럼을 측정하여 얻은 실험 결과를 나타낸다. 도 16을 참조하면, 가열되는 시간에 따라 음장 스펙트럼의 형태는 크게 변화하지 않지만 상술한 주파수 이동지수 원리에 기반하여 고주파 방향으로 이동하는 것을 알 수 있다.
도 17은 도 13의 침입 상황의 음장 스펙트럼으로부터 기준 음장(1회측정)과 6.75초 간격의 연속적인 각 횟수 측정값 사이의 주파수 이동이 없는(m=0) 상관계수를 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시 예로서, 도 13에서와 같이 중심주파수 1kHz의 저주파 멀티톤 음원을 조건으로 하되, 측정하는 시간 간격을 6.75초로 하여 얻은 음장 스펙트럼으로부터 주파수 이동이 없는(m=0) 조건에서 기준 음장 스펙트럼과 이후 연속되는 음장 스펙트럼 사이의 상관계수를 얻은 결과를 나타낸다.
도 17을 참조하면, 침입 전인 6회까지는 상관계수가 거의 1에 수렴하여 변화가 없음을 알 수 있다. 그러나 문을 10cm 여는 침입 상황(40.5sec)에서는 도 8과 같이 음장 스펙트럼이 변하고 상관계수 값이 0.95 근처까지 급격히 작아지는 것을 알 수 있다. 따라서 침입을 판단하는 지수 값을 0.99 정도로 설정하면 침입 상황으로 감지할 수 있다.
도 18은 도 14의 침입 상황의 음장 스펙트럼으로부터 기준 음장(1회측정)과 6.75초 간격의 연속적인 각 횟수 측정값 사이의 주파수 이동이 없는(m=0) 상관계수를 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시 예로서, 도 14에서와 같이 중심주파수 4kHz의 고주파 멀티톤 음원을 조건으로 하되, 측정하는 시간 간격을 6.75초로 하여 얻은 음장 스펙트럼으로부터 주파수 이동이 없는(m=0) 조건에서 기준 음장 스펙트럼과 이후 연속되는 음장 스펙트럼 사이의 상관계수를 얻은 결과를 나타낸다.
도 18을 참조하면, 침입 전인 6회 까지는 상관계수가 거의 1에 수렴하여 변화가 없음을 알 수 있다. 그러나 문을 10cm 여는 침입 상황(40.5sec)에서는 도 9와 같이 음장 스펙트럼이 크게 변하고 상관계수 값이 0.7 이하로 급격히 낮아지는 것을 알 수 있다. 따라서 침입을 판단하는 지수 값을 0.95 정도로 설정하면 침입 상황으로 감지할 수 있다.
도 19는 도 15의 화재 상황의 음장 스펙트럼으로부터 기준 음장(1회측정)과 13.5초 간격의 연속적인 각 횟수 측정값 사이의 주파수 이동이 없는(m=0) 상관계수를 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시 예로서, 도 15에서와 같이 중심주파수 1kHz의 저주파 멀티톤 음원을 조건으로 하되, 측정하는 시간 간격을 13.5초로 하여 얻은 음장 스펙트럼으로부터 주파수 이동이 없는(m=0) 조건에서 기준 음장 스펙트럼과 이후 연속되는 음장 스펙트럼 사이의 상관계수를 얻은 결과를 나타낸다.
도 19를 참조하면, 상관계수 값은 침입 상황과는 달리 서서히 감소하는 경향을 가진다. 또한 연속되는 측정 전후 사이의 상관계수 값을 기준으로 보면, 상관계수는 0.99보다 항상 크게 나타난다. 따라서 침입을 판단하는 단기 상관계수의 지수값을 0.99로 설정하면 정상상황으로 감지할 수 있다.
도 20은 도 16의 화재 상황의 음장 스펙트럼으로부터 기준 음장(1회측정)과 13.5초 간격의 연속적인 각 횟수 측정값 사시의 주파수 이동이 없는(m=0) 상관계수를 나타내는 도면이다.
도 20은 본 발명의 실시 예로서, 도 16에서와 같이 중심주파수 4kHz의 고주파 멀티톤 음원을 조건으로 하되, 측정하는 시간 간격을 13.5초로 하여 얻어진 음장 스펙트럼으로부터 주파수 이동이 없는(m=0) 조건에서 기준 음장 스펙트럼과 이후 연속되는 음장 스펙트럼 사이의 상관계수를 얻은 결과를 나타낸다. 도 20을 참조하면, 상관계수 값은 도 14에서와 같이 감소하는 경향을 가진다.
그러나 일반적으로 고주파에서는 상관계수의 감소 정도가 매우 크기 때문에 침입으로 오인하는 경우가 발생할 수 있다. 특히 도 20을 참조하면, 도 16에서 보는 바와 같이 고주파 멀티톤 음원에서는 상관계수도 크게 바뀔 뿐만 아니라 스펙트럼도 점차로 고주파로 이동하는 현상이 나타난다.
주파수 이동의 정도는 보안 공간 내부의 온도변화와 밀접한 관련을 갖고 있다. 따라서 도 16에서는 도 11에서와 같은 상황에서의 주파수 이동지수를 각 측정 횟수 별로 얻은 결과가 나타난다. 주파수 이동지수는 기준 음장 스펙트럼과 이후 연속되는 음장 스펙트럼 사이의 교차 상관계수의 최대값을 갖는 주파수 이동 값으로 정의된다. 주파수 이동지수가 화재 판단 기준 값보다 클 경우 화재가 발생한 것으로 판단될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어 저주파와 고주파의 이종 주파수를 혼합한 멀티톤 음원을 사용하면 침입 상황 판단에 대한 신뢰도를 높일 수 있다. 이종모드 조합의 경우 두 개의 모드에서 단기 상관계수가 침입 판단 기준 값보다 큰 초기에는 정상 상황으로 판단 될 수 있다.
예를 들어 저주파 또는 고주파 중 하나의 경우에만 단기 상관계수가 침입 판단 기준 값보다 낮은 경우, 외부 소음에 의한 침입 오알람으로 판단되므로 정상상황으로 최종 판단될 수 있다. 또한 두가지 멀티톤 주파수 음원에 대하여 모두 단기 상관계수가 침입 판단 기준 값보다 작은 경우에만 침입으로 확정 판단 될 수 있다. 즉, 이종 모드를 조합하게 되면 외부 소음에 의한 침입 오알람 문제 뿐만 아니라 고주파 멀티톤 음원에서 빠른 온도 변화로 인해 나타나는 침입 오알람 문제를 개선할 수 있다.
도 21은 고주파 멀티톤으로 얻은 화재 상황의 음장 스펙트럼에서 기준 음장과 13.5초 간격의 연속적인 각 횟수의 스펙트럼의 교차 상관계수의 최대값에 해당되는 주파수 이동지수를 나타낸 도면이다.
도 21은 본 발명의 실시 예로서, 저주파와 고주파를 혼합하지 않은 단일 모드의 멀티톤 음원을 사용한 보안 감시 방법을 제공한다. 저주파와 고주파가 모두 온도 변화를 감지할 수 있는 경우 본 발명은 화재 또는 침입 상황 감지를 위해 사용될 수 있다. 저주파가 온도 변화를 감지할 수 없을 정도로 낮은 경우 저주파는 침입 상황 감지용으로 사용되고, 고주파는 침입 및 화재 감지용으로 사용될 수 있다.
도 22는 침입 및 화재를 감지하고 종합하여 상황을 최종 판단하는 알고리즘을 예시적으로 나타내는 표이다.
도 22는 본 발명의 실시 예로서, 음장 스펙트럼의 상관계수의 변화에 기반하여 침입을 감지하고, 주파수 이동지수를 기반으로 화재를 감지하여 이를 종합하여 최종 판단하는 알고리즘을 나타낸다. 본 발명의 실시 예는 저주파 또는 고주파의 단일 멀티톤 음원을 이용할 수 있다. 본 발명의 실시 예로서, 저주파와 고주파의 이종의 주파수를 혼합한 칵테일 모드를 사용하는 경우 온도 변화에 민감하지 않은 저주파는 침입을 판단하는 기준으로만 사용할 수 있다. 온도의 변화에 민감한 고주파는 침입과 화재를 모두 감지하는 용도로 사용할 수 있다.
도 22는 본 발명의 실시 예로서, 단기 상관계수의 변화로 침입을 감지하고 주파수 이동지수로부터 화재를 감지하는 알고리즘을 사용하는 경우에는 저주파 및 고주파에 대하여 침입 및 화재 상황에 대하여 각각의 판단 결과가 도출될 수 있다. 또한 고주파에 있어서 주파수 이동이 일어나면 화재로 최종 판단할 수 있다.
상술한 방식으로 이종 모드를 조합하여 최종적인 판단을 하여 침입 및 화재 판단의 신뢰도를 높일 수 있다. 실제적으로 적용하는 경우 다양한 판단 표를 사용할 수 있으므로 본 특허에서는 특정한 판단 표를 한정하지 않는다.
또한 이종 모드에서의 개별 모드에서는 중심주파수, 주파수간격, 멀티톤 주파수 채널수, 침입 판단 단기 상관계수 및 용량의 크기 등의 조건을 다양한 환경 및 목적에 따라 변화시킬 수 있으므로 본 특허에서는 특정한 조건을 한정하지 않는다.
도 23은 고주파 및 저주파 멀티톤 음원을 이용하여 침입 및 화재를 감지하고 종합하여 상황을 판단하는 알고리즘을 예시적으로 나타내는 표이다.
도 23은 본 발명의 실시 예로서, 고주파 멀티톤 음원을 이용한 음장 스펙트럼의 상관계수와 주파수 이동지수를 기반으로 침입과 화재를 감지하고, 저주파 멀티톤 음원을 이용한 음장 스펙트럼의 상관계수를 기반으로 침입과 화재를 감지하는 이종 조건의 감지결과를 조합하여 종합적인 판단을 하는 알고리즘을 나타낸다. 이 때, 정상은 일상적인 온도변화를 포함할 수 있다. 또한 저주파 및 고주파 멀티톤 음원을 이용하여 일상적인 온도변화를 침입 및 화재 상황과 구분하여 감지할 수 있다.
도 24는 이종의 멀티톤 음원을 이용한 음장 스펙트럼의 상관계수와 주파수 이동지수를 기반으로 침입 및 화재를 감지하고 경보를 알리는 과정을 나타내는 순서도이다.
좀 더 상세하게는, 도 24는 이종의 멀티톤 음원을 이용한 기준과 현재의 음장 스펙트럼을 측정하여 상관계수의 변화와 주파수 이동지수를 기반으로 침입 및 화재 상황을 고신뢰도로 감지하여 정보를 알리는 과정을 나타내는 순서도이다. 본 특허에서, 도 24의 각 단계들은 필요에 따라서 생략되거나 다른 과정이 추가 되어서 운영될 수 있다.
S110 단계에서, 음향 발생 장치(410, 도 4참조)가 작동되어 보안 감시 공간 내로 이종 주파수의 칵테일 모드 멀티톤 음원의 음파를 출력한다. 또한 음향 수신 장치(420, 도 4참조)가 작동되어 보안 감시 공간 내의 음파를 수신한다. 음장 신호 처리 장치(430, 도 4참조)는 음향 수신 장치(420)로부터 제공되는 이종의 멀티톤 음원에 대하여 주파수별 기준 음장 정보의 음장 스펙트럼을 측정한다. 해당 정보는 내부의 DRAM이나 플래시 메모리에 저장된다.
S120 단계에서, 음장 신호 처리 장치(430)가 시간별 음장 스펙트럼을 측정하기 위하여 이종의 멀티톤 음원의 주파수별 시간 변화에 따른 음압 신호를 측정한다.
S130 단계에서, 음장 신호 처리 장치(430)는 측정된 시간별 이종 멀티톤 음원의 음장 스펙트럼을 각각 따로 분석한 후, 시간별 음장 변화 지수값인 상관계수(Correlation coefficient)를 저장한다. 음장 신호 처리 장치(430)는 S110 단계에서 저장된 기준 주파수별 음압 스펙트럼 정보와 S120 단계에서 측정된 결과를 비교하여 음장 정보의 변화 여부를 판단한다. 음장 정보의 변화가 있는 것으로 판단된 경우(예 방향), 절차는 S140 단계로 진행한다. 음장 정보의 변화가 없는 것으로 판단된 경우(아니오 방향), 절차는 S110 단계로 회귀한다.
S140 단계에서, 음장 변화가 발생하여 위험 상황이 발생한 것으로 판단되었기 때문에 음장 신호 처리 장치(430)는 보안 상황 발생 직전의 일정 구간의 음장 스펙트럼과의 상관계수의 변화를 분석한다. 이 때, 기준 음장 스펙트럼은 정해진 구간 횟수 전의 초기 음장 스펙트럼으로 재설정하게 된다. 여기서 상관계수의 변화 및 주파수 이동지수의 변화로부터 저주파 및 고주파 모드에서 각각 침입 또는 화재 등의 위험상황에 대한 판단을 내리고, 이종모드의 결과를 모두 조합한다.
S150 단계에서, 음장 신호 처리 장치(430)는 S140 단계에서 조합된 결과를 기반으로 침입 상황에 대한 판단을 내린다. 예를 들어, 저주파 및 고주파 음원에서 동시에 침입을 감지하는 경우 침입을 확정할 수 있다. 그러나 고주파에서 침입을 감지했음에도 불구하고 저주파에서 정상 결과가 도출되는 경우, 고주파 영역의 판단은 외부 소음 및 냉난방에 따른 오알람일 수 있기 때문에 정상 상황으로 판단되어야 한다. 저주파에서 침입을 감지했으나 고주파에서는 정상인 경우에도 저주파 영역의 판단이 외부 소음에 따른 오알람일 수 있기 때문에 정상 상황으로 판단되어야 한다. 침입 상황을 확정하는 경우(예 방향), 절차는 S160 단계로 진행한다. 침입 상황에 대한 판단은 저주파 및 고주파에서 모두 용이하기 때문에 이종모드 결과로부터 침입 확정 여부가 결정될 수 있다. 침입 상황이 아닌 것으로 판단되는 경우(아니오 방향), 절차는 S170 단계로 진행한다.
S160 단계에서, 보안 감시 장치(400, 도 4참조)는 침입 경보를 내린다. 침입 경보가 내려지면 보안 감시 장치(400)는 종료된다.
S170 단계에서, 음장 신호 처리 장치(430)는 S140 단계에서 조합된 결과를 기반으로 화재 상황에 대한 판단을 내린다. 화재 상황에 대한 판단은 온도 상승에 따른 주파수 이동에 기반하여 판단된다. 예를 들어, 저주파 영역의 경우 온도 변화가 있더라도 주파수 이동이 크기 않은 반면, 고주파 영역의 경우 온도 변화에 민감하기 때문에 고주파 영역의 주파수 이동지수에 기반하여 화재 상황을 확정할 수 있다. 화재 상황이 확정된 경우(예 방향), 절차는 S180 단계로 진행한다. 화재 상황이 아닌 것으로 확정된 경우(아니오 방향), 절차는 S110 단계로 회귀한다.
S180 단계에서, 보안 감시 장치(400)는 화재 경보를 내린다. 화재 경보가 내려지면 보안 감시 장치(400)는 종료된다.
침입 및 화재 경보 시에 경보 음을 발령하거나 핸드폰, 스마트기기, 경비실, 보안업체 및 경찰서 등에 경보를 전달할 수 있다. 또한 추가적으로 카메라 모듈을 구성하여, 촬영된 영상을 유무선 통신망을 이용하여 휴대폰, 스마트기기, 경비실, 보안업체 및 경찰서 등의 서버로 전송할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따라 감지되는 보안 정보는 네트워크에 연결된 각종 스마트 기기로 문자나 영상 등의 멀티미디어 정보로서 전송될 수 있다. 또한 사용자가 앱(App) 형식으로 관련 보안 시스템을 접속할 경우에 보안 관련 다양한 서비스를 제공하는 것도 가능하다.
본 발명 보안 감시 방법이 적용된 보안 감시 장치는 AI 스피커 또는 인터넷 전화에 연결되어 사용 가능할 수 있다. 또한 일체형 또는 외장형으로 사용 가능할 수 있다. 본 발명 보안 감시 방법은 스마트 폰, 스마트 TV, 스마트 자동차, 금고 및 인터폰을 포함한 스마트 가전에도 사용될 수 있다.
보안 감시 기능을 가지는 모듈은 보안 공간으로 설정된 가정집, 사무실, 점포, 공장, 창고 등의 내부에 한 개 이상 설치 가능하며 각자 독자적으로 작동하거나 서로 유무선으로 연결되어 동작할 수 있다.
본 발명에 따른 보안 감시 장치는 음향 발생 장치(410, 도 4참조) 및 음향 수신 장치(420, 도 4참조)의 한 쌍을 감지 모듈로 구성하여 음장 신호 처리가 일체화되는 형태로 구성하는 것이 기본적이다. 그러나 보안 공간 범위가 너무 넓거나 구조가 복잡한 경우 음장 신호 처리 장치(430, 도 4참조)로 작동하는 시스템을 중심으로 다수의 음향 발생 장치(410) 및 음향 수신 장치(420)의 쌍을 유선으로 연결하거나 근거리 통신 모듈로 구성하는 형태의 시스템 구현도 가능하다.
본 발명에 따른 보안 감시 장치는 사람이 모두 외출 중일 경우 가청 주파수 영역으로 작동하고, 사람이 내부 공간에 있거나 취침 중인 경우 15kHz 이상의 비가청 주파수 멀티톤 음원으로 선택적으로 작용하여 소음 문제를 해결할 수 있다. 가청 주파수 영역에서는 음파의 파장이 커서 보안 공간 내부의 구조에 의한 사각지대가 없으므로 광범위한 보안 감시가 가능하다. 비가청 주파수 영역에서는 음파의 파장이 짧아져서 좁은 영역의 보안 감시가 가능하다.
상술한 본 발명 보안 감시 방법이 적용되기 위하여 기존의 인터넷 전화 또는 스마트 기기의 하드웨어 변경을 필수적으로 요구하지 않는다. 다시 말하면, 본 발명의 실시를 위하여 관련 알고리즘만 내부 프로세서에 내장하면 연동 사용이 가능하다.
본 발명의 상세한 설명은 이종의 중심주파수의 음원을 이용하고 분석하였으나, 음장 보안의 신뢰성 향상을 위하여 3종의 중심주파수 음원을 이용하는 것도 포함된다. 다시 말하면, 본 발명은 다수의 중심주파수를 갖는 멀티톤 음원을 이용하고 전체 또는 일부의 멀티톤 음원 주파수의 음장 스펙트럼을 분석하여 보안 기능을 제공하는 것을 포함한다.
상술된 내용은 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시 예들이다. 본 발명은 상술된 실시 예들 뿐만 아니라, 단순하게 설계 변경되거나 용이하게 변경할 수 있는 실시 예들 또한 포함될 것이다. 또한, 본 발명은 실시 예들을 이용하여 용이하게 변형하여 실시할 수 있는 기술들도 포함될 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술된 실시 예들에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.
400 : 보안 감시 장치
410 : 음향 발생 장치
420 : 음향 수신 장치
430 : 음장 신호 처리 장치
410 : 음향 발생 장치
420 : 음향 수신 장치
430 : 음장 신호 처리 장치
Claims (10)
- 복수의 중심 주파수들을 갖는 멀티톤 음원을 이용한 보안 감시 방법에 있어서:
음향 발생 장치로부터 보안 감시 공간 내로 상기 멀티톤 음원의 음파를 출력하는 단계;
음향 수신 장치에서 상기 출력된 멀티톤 음원의 음파를 수신하는 단계;
음장 신호 처리 장치에 의하여, 상기 수신된 멀티톤 음원의 음파에 기초하여 주파수별 기준 음장 정보를 측정하는 단계;
상기 음장 신호 처리 장치에 의하여, 상기 수신된 멀티톤 음원의 음파에 기초하여 주파수별 현재 음장 정보를 측정하는 단계;
상기 음장 신호 처리 장치에 의하여, 상기 주파수별 기준 음장 정보와 상기 주파수별 현재 음장 정보를 비교하여 음장 변화의 발생 여부를 판별하는 단계; 및
상기 음장 신호 처리 장치에 의하여, 상기 음장 변화 발생 여부에 기반하여 침입 또는 화재 상황 발생 여부를 판단하는 단계를 포함하되,
상기 복수의 중심 주파수들 중 제 1 중심 주파수는 저주파 영역에 포함되고,
상기 복수의 중심 주파수들 중 제 2 중심 주파수는 고주파 영역에 포함되고,
상기 멀티톤 음원의 음파는 상기 제 1 중심 주파수를 가지는 제 1 음파 및 상기 제 2 중심 주파수를 가지는 제 2 음파가 혼합되어 형성되고,
상기 침입 또는 화재 상황 발생 여부를 판단하는 단계는 상기 제 1 중심 주파수에 대한 음장 변화 및 상기 제 2 중심 주파수에 대한 음장 변화를 조합하여 판단하는 보안 감시 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 현재 음장 정보를 측정하는 단계는 상기 현재 음장 정보에 포함된 주파수별 시간 변화에 따른 음압 스펙트럼 정보에 기초한 상관계수(Correlation coefficient)를 저장하는 단계를 포함하는 보안 감시 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 음장 변화의 발생 여부를 판별하는 단계에서 상기 음장 변화가 발생하는 것으로 판별되는 경우, 상기 상관계수의 변화를 분석하는 단계를 더 포함하는 보안 감시 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 침입 또는 화재 상황 발생 여부를 판단하는 단계는 상기 복수의 중심 주파수들을 갖는 상기 멀티톤 음원의 주파수별 기준 음장 스펙트럼 및 주파수별 현재 음장 스펙트럼을 서로 비교하여 도출된 상관계수의 변화량에 기반하여 상기 침입 상황을 판단하고, 고주파 방향으로의 이동 지수로부터 도출된 이동 방향 및 시간에 기반하여 상기 화재 상황을 판단하는 보안 감시 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 멀티톤 음원의 음파를 출력하는 단계는 상기 복수의 중심 주파수를 갖는 상기 멀티톤 음원들의 상기 중심 주파수별 음원 발생 시간, 음원 발생 주기, 주파수 간격, 채널 수, 지수값 및 음량의 크기 중 적어도 하나를 가변시키는 단계를 포함하는 보안 감시 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 음장 신호 처리 장치에 의하여, 침입 또는 화재 상황의 판단 결과에 기초한 경보를 외부 기기로 전송하는 단계를 더 포함하는 보안 감시 방법. - 보안 감시 공간 내로 복수의 중심 주파수를 갖는 멀티톤 음원의 음파를 출력하는 적어도 하나의 음향 발생 장치;
상기 멀티톤 음원의 음파를 수신하는 적어도 하나의 음향 수신 장치; 및
상기 수신된 멀티톤 음원의 음파에 기초하여 주파수별 기준 음장 정보를 측정하고, 주파수별 현재 음장 정보를 측정하고, 상기 기준 음장 정보 및 상기 현재 음장 정보를 비교하여 침입 또는 화재 상황 발생 여부를 판단하는 음장 신호 처리 장치를 포함하되,
상기 복수의 중심 주파수들 중 제 1 중심 주파수는 저주파 영역에 포함되고,
상기 복수의 중심 주파수들 중 제 2 중심 주파수는 고주파 영역에 포함되고,
상기 멀티톤 음원의 음파는 상기 제 1 중심 주파수를 가지는 제 1 음파 및 상기 제 2 중심 주파수를 가지는 제 2 음파가 혼합되어 형성되고,
상기 침입 또는 화재 상황 발생 여부를 판단하는 단계는 상기 제 1 중심 주파수에 대한 음장 변화 및 상기 제 2 중심 주파수에 대한 음장 변화를 조합하여 판단하는 보안 감시 장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 음장 신호 처리 장치는 상기 복수의 중심 주파수들을 갖는 상기 멀티톤 음원의 주파수별 기준 음장 스펙트럼 및 주파수별 현재 음장 스펙트럼을 서로 비교하여 도출된 상관계수의 변화량에 기반하여 상기 침입 상황을 판단하고, 고주파 방향으로의 이동 지수로부터 도출된 이동 방향 및 시간에 기반하여 상기 화재 상황을 판단하는 보안 감시 장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 음향 발생 장치는 상기 복수의 중심 주파수를 갖는 상기 멀티톤 음원들의 상기 중심 주파수별 음원 발생 시간, 음원 발생 주기, 주파수 간격, 채널 수, 지수값 및 음량의 크기 중 적어도 하나를 가변시켜 출력하는 보안 감시 장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 침입 또는 화재 상황 발생 여부의 판단 결과에 기초한 경보를 외부 기기로 전송하는 송신기를 더 포함하는 보안 감시 장치.
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