KR20080070196A - Sound source direction detecting system by sound source position-time difference of arrival interrelation reverse estimation - Google Patents
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Abstract
Description
도 1a 및 도 1b는 종래의 마이크로폰 어레이를 나타낸 도면,1A and 1B show a conventional microphone array;
도 2a 및 도 2b는 지연 시간차 기반 방법의 음원을 무한 원점으로 생각하는 가정을 설명하는 개념도,2A and 2B are conceptual views illustrating an assumption of considering a sound source as an infinite origin in a delay time difference-based method;
도 3은 본 발명의 음원 방향 검지 시스템의 기능 구성도, 3 is a functional configuration diagram of the sound source direction detection system of the present invention,
도 4a ~ 도 4f는 다양한 삼각형 형태의 마이크로폰 어레이의 배치도,4A to 4F are layout views of various triangular microphone arrays;
도 5는 정삼각형으로 배치된 상기 마이크로폰 어레이를 나타낸 도면,5 shows the microphone array arranged in an equilateral triangle;
도 6은 본 발명의 음원 방향 검지 방법의 순서도이다. 6 is a flowchart of the sound source direction detection method of the present invention.
본 발명은 임의의 위치에 존재하는 음원의 방향을 추정하는 것에 관한 것으로, 특히, 세 개의 마이크로폰이 삼각형 형태로 배치된 마이크로폰 어레이를 통해 신호를 수신하여 음원의 위치와 지연 시간차와의 상관관계를 역 추정함으로써 임의 의 위치에 존재하는 음원의 방향을 실시간으로 검지하는 음원 방향 검지 시스템 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to estimating the direction of a sound source existing at an arbitrary position. In particular, the three microphones receive signals through an array of microphones arranged in a triangular shape to reverse the correlation between the position of the sound source and the delay time difference. The present invention relates to a sound source direction detection system and method for detecting in real time the direction of a sound source existing at an arbitrary position.
일반적으로 음원의 방향을 검지하기 위하여, 도 1a 및 도 1b에 도시된 것과 같이 여러 개의 마이크로폰을 일직선형 혹은 원형으로 배치한 마이크로폰 어레이 시스템을 사용한다. In general, in order to detect the direction of the sound source, as shown in FIGS. 1A and 1B, a microphone array system in which several microphones are arranged in a straight line or a circle is used.
일직선형 마이크로폰 어레이 시스템의 경우는 180°범위 내에서 음원의 방향에 대응할 수 있으나 앞뒤를 구분할 수 없으며, 양 측면 근방에 위치한 음원에 대한 방향 검지 정확도가 떨어지는 단점이 있다. In the case of the linear microphone array system, the direction of the sound source may correspond to the direction of the sound source within the 180 ° range, but the front and rear cannot be distinguished, and the accuracy of the direction detection for the sound source located near both sides is inferior.
이에 반해, 원형 마이크로폰 어레이 시스템의 경우는 360°의 모든 방위에 대해 대응할 수 있으나, 이 경우에도 음성 신호를 수신하기 위해 지향성 마이크로폰을 사용하게 되면 지향성 마이크가 지향각 이내의 음만을 수신할 수 있기 때문에 임의의 방위에 위치하는 음원의 방향을 검지하고 신호를 수신하기 위해서는 필요한 마이크로폰과 A/D 변환기 등의 하드웨어 소자가 증가하며 신호를 처리하기 위한 계산 비용이 증대되는 문제점이 있다. On the other hand, the circular microphone array system can cope with all orientations of 360 °, but even in this case, when the directional microphone is used to receive a voice signal, the directional microphone can only receive sound within the direction angle. In order to detect a direction of a sound source located in an arbitrary direction and receive a signal, hardware elements such as a microphone and an A / D converter increase, and a computational cost for processing a signal increases.
음원의 방향을 검지하기 위해 사용되는 방법은 크게 빔포밍 (Beamforming) 기반 방법, 고분해능 스펙트럼 추정 기반 방법, 지연 시간차 기반 방법으로 분류될 수 있다. The method used to detect the direction of the sound source can be broadly classified into a beamforming based method, a high resolution spectrum estimation based method, and a delay time difference based method.
빔포밍 기반 방법에 의하면 계산 방법이 비교적 간단하나, 위치 추정의 해상도가 낮고 신호와 배경잡음의 신호 모델 등의 선지식을 필요로 하며 다수의 마이크로폰으로 구성된 센서 어레이를 필요로 한다. According to the beamforming-based method, the calculation method is relatively simple, but the resolution of the position estimation is low, requires the knowledge of the signal model of the signal and the background noise, and a sensor array composed of a plurality of microphones.
고분해능 스펙트럼 추정 기반 방법은 빔포밍 기반 방법보다 강인한 특성을 가지나, 대부분 선형으로 배치된 다수의 마이크로폰 어레이 시스템을 사용하는 것을 전제로 하고 있어서 소수의 마이크로폰을 일반적인 형태로 배치한 방향 검지 시스템에는 적합하지 않다. The high-resolution spectral estimation-based method is more robust than the beamforming-based method, but most of them are based on the premise of using a large number of linearly arranged microphone array systems, which is not suitable for a direction detection system in which a small number of microphones are arranged in a general form. .
지연 시간차 기반 방법에 의하면 도 2a 및 도 2b에 도시된 것과 같이 음원을 무한 원점으로 생각하여 음파가 각 마이크로폰에 평행으로 도달한다고 가정하고 계산하기 때문에 음원과 마이크로폰과의 거리가 가까운 경우에는 상기 가정이 적절하지 않아 오차가 증대되는 문제가 있다. 또한, 잡음이 있는 실제 환경에서는 정확도가 낮으며 오인식의 빈도가 증가한다. According to the delay-based difference method, the assumption is made that sound waves reach parallel to each microphone by calculating the sound source as an infinite origin, as shown in FIGS. 2A and 2B. Thus, when the distance between the sound source and the microphone is close, There is a problem that the error is increased because it is not appropriate. In addition, in a noisy real environment, the accuracy is low and the frequency of misrecognition increases.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 적은 수의 마이크로폰을 사용하여 임의의 위치에 존재하는 음원의 방향을 검지하는 음원위치-지연시간차 상관관계 역 추정에 의한 음원 방향 검지 시스템 및 방법을 제공하는 것이 목적이다. The present invention has been proposed to solve the above problems, the sound source direction detection system by the sound source position-delay time difference correlation inverse estimation for detecting the direction of the sound source existing in any position using a small number of microphones and The purpose is to provide a method.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 세 개의 마이크로폰이 삼각형 형태로 배치된 마이크로폰 어레이; 상기 마이크로폰 어레이로부터 수신한 신호를 압축 또는 증폭하는 전처리부; 상기 압축 또는 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부; 및 상기 변환된 디지털 신호로부터 음원의 방향을 추정하는 신호처리부를 포함하며, 상기 신호처리부는 상기 변환된 디지털 신호 중 두 개를 조합하여 각 쌍에서 두 신호의 상호-상관관계를 구하는 상호-상관관계 추정부; 가상 음원에 대한 두 마이크로폰 사이의 지연 거리차 및 지연 샘플 수를 구하는 지연 샘플 수 추정부; 상기 지연 샘플 수와 상기 두 신호의 상호-상관관계로부터 각 위치에 대한 음원 존재 가능성을 구하는 음원 존재 가능성 계산부; 및 음원 존재 가능성 분포를 근거로 음원의 방향을 추정하는 음원 위치 추정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object, three microphones are arranged in a triangle form microphone array; A preprocessor for compressing or amplifying a signal received from the microphone array; An A / D converter converting the compressed or amplified signal into a digital signal; And a signal processor for estimating a direction of a sound source from the converted digital signal, wherein the signal processor combines two of the converted digital signals to obtain a cross-correlation of two signals in each pair. Estimator; A delay sample number estimator for obtaining a delay distance difference and a delay sample number between two microphones of the virtual sound source; A sound source presence possibility calculation unit for obtaining a sound source presence possibility for each position from the cross-correlation of the delay samples and the two signals; And a sound source position estimator for estimating the direction of the sound source based on the sound source presence possibility distribution.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 상기 삼각형 형태로 배치된 마이크로폰 어레이로부터 수신한 신호를 압축 또는 증폭한 후 디지털 신호로 변환하여, 이 디지털 신호로부터 음원의 방향을 검지하는 방법에 있어서, 상기 변환된 디지털 신호 중 두 개를 조합하여 각 쌍에서 두 신호의 상호-상관관계를 구하는 상호-상관관계 추정 과정; 가상 음원에 대한 두 마이크로폰 사이의 지연 거리차 및 지연 샘플 수를 구하는 지연 샘플 수 추정 과정; 상기 지연 샘플 수와 상기 두 신호의 상호-상관관계로부터 각 위치에 대한 음원 존재 가능성을 구하는 음원 존재 가능성 계산 과정; 및 음원 존재 가능성 분포를 근거로 음원의 방향을 추정하는 음원 위치 추정 과정를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention for achieving the above object, in the method for detecting the direction of the sound source from the digital signal by compressing or amplifying the signal received from the microphone array arranged in the triangular form and then converted to a digital signal, A cross-correlation estimating process of combining two of the converted digital signals to obtain cross-correlation of two signals in each pair; A delay sample number estimation step of obtaining a delay distance difference and a number of delay samples between two microphones of the virtual sound source; A sound source presence probability calculating process of obtaining a sound source possibility for each position from the cross-correlation of the delay sample number and the two signals; And a sound source position estimating process of estimating the direction of the sound source based on the sound source presence possibility distribution.
이하, 본 발명의 음원위치-지연시간차 상관관계 역 추정에 의한 음원 방향 검지 시스템 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. Hereinafter, a sound source direction detection system and method by sound source position-delay time difference correlation inverse estimation will be described with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 세 개의 마이크로폰이 삼각형 형태로 배치된 마이크로폰 어레이를 통해 신호를 수신하여 음원의 위치와 지연 시간차와의 상관관계를 역 추정함으로써 임의의 위치에 존재하는 음원의 방향을 실시간으로 검지하기 위한 것이다. The present invention is to detect in real time the direction of a sound source present at any position by receiving a signal through the microphone array arranged in a triangular form by inverse estimation of the correlation between the position of the sound source and the delay time difference .
도 3은 본 발명의 음원 방향 검지 시스템의 기능 구성도이고, 도 4a ~ 도 4f는 다양한 삼각형 형태의 마이크로폰 어레이의 배치도이다.3 is a functional configuration diagram of the sound source direction detection system of the present invention, Figures 4a to 4f is a layout view of the microphone array of various triangular forms.
신호를 수신하는 마이크로폰 어레이(300)를 구성하는 세 개의 마이크로폰은 도 4a ~ 도 4f에서 도시된 것과 같이 임의의 삼각형 형태로 자유롭게 배치될 수 있다. 반지름 r과 각도 θi가 수학식 1과 같이 주어지면,The three microphones constituting the
각 마이크로폰의 위치는 수학식 2로부터 수학식 3과 같이 표현된다. The position of each microphone is expressed as in Equation 2 to Equation 3.
상기 마이크로폰 어레이(300)의 중심은 삼각형의 외심에 해당하며, 이 중심 이 상기 마이크로폰 어레이가 설치될 대상물의 중심과 일치하지 않는 경우에는 좌표변환을 통하여 원하는 결과를 얻을 수 있다. The center of the
여기서, 상기 마이크로폰 어레이(300)가 설치될 대상물의 중심에서 전방에 있는 마이크로폰의 위치를 Pc, 오른쪽에 있는 마이크로폰의 위치를 PR, 왼쪽에 있는 마이크로폰의 위치를 PL로 표시한다. Here, the position of the microphone in front of the center of the object on which the
상기 마이크로폰 어레이(300)는 세 개의 마이크로폰이 임의의 삼각형 형태로 배치될 수 있으나, 가급적이면 균일한 거리로, 마이크로폰들이 서로 최대한 멀리 떨어지도록 배치되는 것이 좋다. 따라서 정삼각형으로 배치된 경우가 성능이 가장 좋다. 또한, 직각삼각형으로 배치된 경우는 음원 방향 검지를 위한 계산이 비교적 간단해지는 장점이 있다. In the
도 5는 정삼각형으로 배치된 상기 마이크로폰 어레이(300)의 도면이다. 이 경우, 반지름 r이 주어지면 각 마이크로폰의 위치는 수학식 4와 같이 표현된다. 5 is a diagram of the
전처리부(310)는 상기 마이크로폰 어레이(300)로부터 수신한 신호를 압축 또는 증폭시키고, A/D 변환부(320)는 상기 전처리부(310)에서 압축 또는 증폭된 신호 를 받아 디지털 신호로 변환한다.The
신호처리부(330)는 상기 디지털 신호로부터 음원의 방향을 추정하는 부분으로, 음성영역 검출부(340), 상호-상관관계 추정부(350), 지연 샘플 수 추정부 (360), 음원 존재 가능성 계산부(370) 및 음원 위치 추정부(380)를 포함한다.The
상기 음성영역 검출부(340)는 본 발명의 음원 방향 검지 시스템이 음성 신호를 수신하여 그 음원의 방향을 검지하기 위한 것일 경우, 환경 잡음으로부터 음성 신호만을 추출해 내기 위한 것이다. 따라서, 본 발명의 시스템이 쓰이는 용도에 따라 선택적으로 포함될 수 있다. 상기 음성영역 검출부(340)가 포함되는 경우, 상기 A/D 변환부(320)에서 변환된 디지털 신호를 받아 음성 신호를 추출하여 이를 상호-상관관계 추정부로 보낸다.The voice
상기 상호-상관관계 추정부(350)는 상기 A/D 변환부(320)에서 변환된 디지털 신호 또는 상기 음성영역 검출부(340)에서 추출된 신호를 받아 이들 중 두 개를 조합하여 각 쌍에서 두 신호의 상호-상관관계를 구하기 위한 것이다. The
오른쪽, 중앙, 왼쪽 마이크로폰으로부터의 입력신호를 각각 sR(n), sC(n), sL(n)로 나타내면, 각 쌍에서 두 신호의 상호-상관관계는 수학식 5와 같이 표현된다.If the input signals from the right, center, and left microphones are represented by s R (n), s C (n), and s L (n), respectively, the cross-correlation of the two signals in each pair is expressed as in Equation 5. .
여기서, 입력 범위를 최대 유효 지연 샘플 수의 범위로 한정함으로써, 반향에 의해 발생하는 지연시간의 계산 오류를 사전에 방지할 수 있다. Here, by limiting the input range to the range of the maximum number of effective delay samples, it is possible to prevent a calculation error of delay time caused by echo in advance.
이때, 각 쌍에 대한 최대 유효 지연 샘플 수는 수학식 6으로부터 상기 마이크로폰 어레이(300)의 각 쌍에 해당하는 두 마이크로폰 사이의 거리를 구한 후, In this case, the maximum effective delay sample number for each pair is obtained by calculating a distance between two microphones corresponding to each pair of the
이를 수학식 7에 대입하여 얻을 수 있다.This can be obtained by substituting Equation 7.
여기서, F S 은 샘플링주파수이고, v는 음속이다. v는 사전에 지정된 동작 환경의 온도 값이나, 본 발명의 음원 방향 검지 시스템에 선택적으로 포함될 수 있는 온도 센서(390)로부터 측정된 온도 값을 수학식 8에 대입하여 얻을 수 있다.Where F S Is the sampling frequency and v is the speed of sound. v can be obtained by substituting the temperature value of a predetermined operating environment or the temperature value measured from the
상기 지연 샘플 수 추정부(360)는 가상 음원에 대한 두 마이크로폰 사이의 지연 거리차 및 지연 샘플 수를 구하기 위한 것이다. 우선, 가상 음원의 위치를 (rm,θn)와 같이 극(반경-각도) 좌표로 설정한 후, 이를 수학식 9에 의해 X-Y 좌표로 변환한다. The delay
상기 변환된 위치 (xmn, ymn)에 음원이 존재한다고 가정하면, 상기 가상 음원과 두 마이크로폰 사이에 음이 도달하는 거리의 차이(지연 거리차)는 수학식 10에 의해 구할 수 있고,Assuming that a sound source exists at the converted position (x mn , y mn ), the difference (delay distance difference) of the distance that the sound reaches between the virtual sound source and the two microphones can be obtained by Equation 10,
이 결과를 수학식 11에 대입하여 상기 가상 음원에 대한 지연 시간차(지연 샘플 수)를 구할 수 있다. Substituting this result into Equation 11, the delay time difference (the number of delay samples) for the virtual sound source can be obtained.
여기서, v는 음속으로, 상기와 같이 사전에 지정된 동작 환경의 온도 값이나, 본 발명의 음원 방향 검지 시스템에 선택적으로 포함될 수 있는 온도 센서(390)로부터 측정된 온도 값을 상기 수학식 8에 대입하여 얻을 수 있다.Here, v is a sound velocity, the temperature value of the predetermined operating environment as described above, or the temperature value measured from the
상기 가상 음원에 대한 지연 샘플 수의 추정은 상기 지연 샘플 수 추정부 (360)에 의해 실시간으로 이루어질 수도 있고, 상기 지연 샘플 수 추정부(360)에서 구한 지연 샘플 수에 대한 정보를 지연 샘플 수 정보 DB(400)에 저장해 두었다가 추후 방향 검지를 할 때 이 결과를 사용할 수도 있다. 상기 지연 샘플 수 정보 DB(400)는 선택적으로 본 발명의 음원 방향 검지 시스템에 부가될 수 있다.Estimation of the number of delayed samples for the virtual sound source may be performed by the delayed
상기 음원 존재 가능성 계산부(370)는 상기 지연 샘플 수와 상기 두 신호의 상호-상관관계로부터 각 위치에 대한 음원 존재 가능성을 구하기 위한 것이다. 우선, 상기 가상 음원에 대한 지연 샘플 수를 입력으로 하여 구한 상호-상관관계 값에서 양의 값을 갖는 부분만을 음원 존재 가능성 계산에 사용하기 위해 수학식 12를 행한다. The sound source
수학식 13은 위치 (xmn, ymn)에 음원에 존재할 것을 가정하여 실제 입력 신호 로부터 얻은 각 마이크로폰 쌍에 대한 직선적인 상관관계로부터 평면적인 상호-상관관계 값을 계산하여 종합한 것으로, 음원의 방향을 추정하기 위해 사용하는 일반적인 시간 지연차에 근거한 방법의 반대 과정으로 추론하기 때문에 이를 역 추정법이라 한다. 상기 수학식 13에 의한 값이 크다는 것은 해당 위치에 음원이 존재할 가능성이 크다는 것을 의미한다. Equation (13) is calculated by synthesizing the planar cross-correlation values from the linear correlations for each microphone pair obtained from the actual input signal, assuming that the sound source exists at the position (x mn , y mn ). This is called inverse estimation because it is inferred from the opposite process based on the general time delay difference used to estimate the direction. A large value according to Equation 13 means that there is a high possibility that a sound source exists at a corresponding position.
또한, 계산량을 줄이기 위해 간략화한 수학식 14를 사용할 수도 있다. In addition, a simplified equation (14) may be used to reduce the amount of computation.
상기 음원 위치 추정부(380)는 상기 음원 존재 가능성 계산부(370)에서 구한 각 위치에 대한 음원 존재 가능성 분포를 근거로 음원의 방향을 추정하기 위한 것이다. 우선, 상기 각 위치에 대한 음원 존재 가능성 분포를 클러스터링을 통해 그룹을 형성하고, 각 클러스터(그룹)에 대해 수학식 15에 의해 클러스터에 속한 데이터들의 가중 평균을 구해 음원이 가능성이 큰 위치를 추론한다. The sound
그 후, 각 클러스터에 대해 가능성이 큰 추정 위치 값으로부터 수학식 16에 의해 음원의 방향을 추정한다. Then, the direction of the sound source is estimated by the equation (16) from the likely estimated position values for each cluster.
이하, 도 6을 참조하여, 본 발명의 음원위치-지연시간차 상관관계 역 추정에 의한 음원 방향 검지 방법을 설명한다. Hereinafter, a sound source direction detection method by estimating the sound source position-delay time difference correlation inverse of the present invention will be described.
도 6은 본 발명의 음원 방향 검지 방법의 순서도이다.6 is a flowchart of the sound source direction detection method of the present invention.
본 발명의 음원 방향 검지 방법은, 상기 삼각형 형태로 배치된 마이크로폰 어레이(300)(도 3 참조)로부터 수신한 신호를 압축 또는 증폭한 후 디지털 신호로 변환하여, 이 디지털 신호로부터 음원의 방향을 검지하는 방법에 있어서, 상호-상관관계 추정 과정(S610), 지연 샘플 수 추정 과정(S620), 음원 존재 가능성 계산 과정(S630) 및 음원 위치 추정 과정(S640)을 포함하며, 본 발명의 음원 방향 검지 방법이 음성 신호를 수신하여 그 음원의 방향을 검지하기 위한 경우, 선택적으로 음성영역 검출 과정(S600)을 포함할 수 있다. 상기 방법의 각 과정은 상기 본 발명의 음원 방향 검지 시스템의 신호처리부(330)를 구성하는 각 구성요소에서 수행되는 기능과 동일한바, 각 과정에 대한 자세한 설명은 생략한다. In the sound source direction detection method of the present invention, the signal received from the microphone array 300 (see FIG. 3) arranged in the form of a triangle is compressed or amplified and then converted into a digital signal to detect the direction of the sound source from the digital signal. In the method, cross-correlation estimation process (S610), delay sample number estimation process (S620), sound source presence possibility calculation process (S630) and sound source position estimation process (S640), and the sound source direction detection of the present invention When the method receives a voice signal and detects a direction of the sound source, the method may optionally include a voice area detection process (S600). Each process of the method is the same as the function performed in each component constituting the
상기와 같은 구성의 본 발명은, 삼각형 형태로 배치된 마이크로폰 어레이를 통해 신호를 수신함으로써, 모든 방향에 대한 방향 검지 성능을 균일하게 유지하여 어느 방향에서 음성 신호가 발생하든지 이를 수신하고 그 방향을 검지할 수 있다. According to the present invention having the configuration described above, by receiving a signal through the microphone array arranged in a triangular shape, the direction detection performance for all directions is maintained uniformly to receive and detect the direction in which direction a voice signal occurs can do.
또한, 음원 방향 검지에 있어 음원위치-지연시간차 상관관계 역추정법을 사용함으로써, 실제 가정의 환경 잡음에 대한 강건성 향상과 더불어 방향 검지의 성공률을 향상시킬 수 있다. In addition, by using the sound source position-delay time difference correlation inverse estimation method in the sound source direction detection, it is possible to improve the robustness against environmental noise of the actual home and the success rate of the direction detection.
또한, 시스템의 구조와 처리 과정을 간결화 및 최소화하여 실시간 처리를 가능하게 하고, 하드웨어 구성 부품을 줄여 기존의 시스템과 차별성을 두어 시장성을 갖게 하였다. In addition, by simplifying and minimizing the structure and processing of the system, real-time processing is possible, and by reducing the hardware components, the market is differentiated from existing systems.
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