KR20110113359A - 진동수 및 지속 패턴을 이용한 아기 울음소리 감지 방법 및 장치 - Google Patents
진동수 및 지속 패턴을 이용한 아기 울음소리 감지 방법 및 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명에 따르는 진동수 및 지속 패턴을 이용한 아기 울음소리 감지 장치는, 소리를 입력받아 그에 따른 신호를 생성하는 마이크; 상기 마이크가 출력하는 신호를 디지털 데이터로 변환하는 음성신호 처리부; 상기 음성신호 처리부가 출력하는 디지털 데이터를 입력받아 진동수를 검출하여 울음 후보 영역을 결정하고, 상기 결정된 울음 후보 영역의 지속 시간을 토대로 울음 여부를 결정하는 제어모듈;을 구비한다.
Description
본 발명은 음성 인식 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 진동수 및 지속 패턴을 이용한 아기 울음소리 감지방법 및 장치에 관한 것이다.
소득수준의 증가로 인해 건강의 중요성이 커지고 있고, IT 기술의 발전으로 인해 IT 기반 헬스 케어 시장의 규모가 점점 커져 가고 있다. 특히 신생아 및 유아를 위한 상품들이 잇따라 출시되고 있다.
일반적으로 신생아 및 유아의 대부분이 부모의 직장 생활 및 기타 이유로 인해 부모와 떨어져 있는 경우가 많다. 이러다보니 아기들은 과거에 비해 정서 불안 및 스트레스 등을 많이 겪게 되고 언어를 통한 의사 전달 능력이 없는 아기들은 통상 울음으로서 자신의 상태를 나타낸다.
이에 부모나 보호자의 행위없이도 아기의 울음을 그치게 할 수 있는 다양한 제품들이 개발되고 있다. 예를 들어 아기의 울음이 감지되면 산모의 심장 박동음을 들려주어 정신적 안정을 유도하는 제품이 있다. 상기 산모의 심장 박동음은 산모의 자궁에서 채취한 심장소리이며, 상기 산모의 심장 박동음을 통해 신생아나 유아가 정신적으로 안정되는 것은 이미 입증된 사실이다.
그러나 상기한 기술을 구현하기 위해서는 아기의 울음소리를 정확하게 감지하여야 하였으나, 현재까지 이에 관련된 학술적인 연구는 미비한 실정이다. 대부분의 음성인식 기술은 각 단어 또는 모음과 자음을 발음할 때 발생되는 파형의 주파수 패턴을 통계적으로 분석하여 다양한 소리의 주파수 패턴과의 비교를 통해 음성을 인식하는 것으로, 아기들이 울음을 통해 자신의 상태를 나타낸다는 점을 고려해볼 때 기존의 성인을 대상으로 한 음성 인식 기술을 그대로 적용할 수는 없었다.
본 발명의 목적은 주변의 다양한 소리 중 아기의 울음소리를 감지할 수 있는 진동수 및 지속 패턴을 이용한 아기 울음소리 감지방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르는 진동수 및 지속 패턴을 이용한 아기 울음소리 감지 장치는, 소리를 입력받아 그에 따른 신호를 생성하는 마이크; 상기 마이크가 출력하는 신호를 디지털 데이터로 변환하는 음성신호 처리부; 상기 음성신호 처리부가 출력하는 디지털 데이터를 입력받아 진동수를 검출하여 울음 후보 영역을 결정하고, 상기 결정된 울음 후보 영역의 지속 시간을 토대로 울음 여부를 결정하는 제어모듈;을 구비한다.
상기한 본 발명은 주변의 다양한 소리 중 아기의 울음소리를 감지하며, 이는 아기가 울고 있을때 산모의 심장 박동음을 들려주는 등의 다양한 헬스 케어 제품에 적용될 수 있다.
또한 본 발명은 헬스 케어 제품의 제한된 자원과 컴퓨팅 능력을 고려하여 비교적 간단하면서도 정확도가 높은 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 아기의 울음소리에 대한 파형을 도시한 도면.
도 3은 성인 남성의 대화소리에 대한 파형을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 아기 울음소리 감지 장치의 구성도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 아기 울음소리 감지 방법의 흐름도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 시간에 따른 진동수의 변화를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 진동수에 따라 울음 후보 영역을 설정한 예를 도시한 도면.
도 8은 울음 후보 영역의 지속수에 따라 울음 영역으로 판별하는 것을 예시한 도면.
도 3은 성인 남성의 대화소리에 대한 파형을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 아기 울음소리 감지 장치의 구성도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 아기 울음소리 감지 방법의 흐름도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 시간에 따른 진동수의 변화를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 진동수에 따라 울음 후보 영역을 설정한 예를 도시한 도면.
도 8은 울음 후보 영역의 지속수에 따라 울음 영역으로 판별하는 것을 예시한 도면.
본 발명은 제한된 자원과 컴퓨팅 능력을 고려하여 비교적 간단하면서도 정확도가 높게 아기 울음소리를 감지한다.
이를 위해 본 발명은 고주파(고음)이며 단위시간당 진동수가 주변 소리에 비해 많으며, 중간에 훌쩍거리거나 숨고르기를 하는 구간이 존재하여 해당 구간에서는 진동수가 급격하게 감소되는 아기의 울음 특징을 이용하여, 마이크로부터 입력되는 소리의 진동수를 분석하여 울음 후보 영역을 도출하고, 상기 도출된 울음 후보 영역의 지속시간을 분석하여 아기의 울음 여부를 감지한다.
상기 울음소리의 특징을 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다.
도 1은 아기와 마이크가 가까운 상태에서의 아기의 울음소리 파형을 도시한 것이고, 도 2는 아기와 마이크가 떨어진 상태에서의 아기의 울음소리 파형을 도시한 것이고, 도 3은 성인 남성의 대화소리 파형을 도시한 것이다. 각 파형은 6초동안 마이크를 통해 연속적으로 입력된 소리의 파형이다.
상기 도 1과 상기 도 3을 비교하면, 두 파형에서의 진동수와 진폭의 차이는 육안으로도 현저한 차이가 나타나며, 도 1의 파형이 도 3의 파형에 비해 대체적으로 진동수가 많고 진폭이 크다. 즉, 아기의 울음소리는 다른 소리에 비해 대체적으로 크며 고주파(고음)임을 나타낸다. 또한 주변의 소리에서도 유사한 차이가 발생하였다. 따라서 아기 울음소리를 구분할 수 있는 파형의 특징으로는 진동수와 진폭을 사용할 수 있을 것이다.
그러나 도 1과 도 2의 파형을 살펴보면, 둘 다 아기 울음소리에 관한 파형으로 비슷한 진동수를 보이지만 도 1의 파형은 진폭이 큰데 반해 도 2의 진폭은 비교적 작다. 이는 아기 울음소리를 입력받는 마이크와 아기 간의 이격 거리에 의해 진폭의 값이 달라지기 때문이다. 즉, 마이크와 아기 간의 거리가 가까울수록 진폭은 커지며 멀수록 진폭은 작아지므로 같은 소리라도 거리에 따라 다른 특징 값을 보일 수 있다. 따라서 본 발명은 파형의 특성 중 진폭은 무시하고 진동수를 이용하여 아기의 울음소리를 감지한다.
그리고 아기 울음소리 파형의 또 다른 특징으로는 진동수의 변화를 들 수 있다. 도 1에서 원으로 표시된 영역은 진동수가 많은 영역을 나타내며 사각형으로 표시된 영역은 진동수가 적은 영역을 나타낸다. 도 1에 따르면 연속적으로 입력되는 아기 울음소리의 파형은 진동수가 많아지다가 급격히 감소하는 패턴을 반복한다. 이는 아기가 우는 중간 중간에 훌쩍거리거나 숨고르기를 하기 때문이다. 따라서 본 발명은 진동수가 많은 영역의 지속시간도 고려한다.
이에 본 발명은 상기한 아기 울음소리의 특징을 이용하여 마이크로부터 입력되는 소리에서 진동수를 감지하여 아기 울음 후보 영역을 결정하고, 상기 후보 영역이 지속되는 시간을 분석하여 최종적으로 아기 울음을 감지한다.
도 4는 상기한 본 발명에 따른 아기 울음 감지 장치의 구성도이다.
상기 아기 울음 감지 장치는, 소리를 입력받아 그에 따른 신호를 생성하는 마이크(100)와, 상기 마이크(100)가 출력하는 신호를 디지털 데이터로 변환하여 제어모듈(104)에 제공하는 음성신호 처리부(102)와, 상기 음성신호 처리부(102)를 통해 입력되는 디지털 데이터를 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 아기 울음 감지 방법에 따라 처리하여 울음 여부를 판별하는 제어모듈(104), 상기 제어모듈(104)의 처리 프로그램 및 각종 설정값을 저장하는 메모리부(106)로 구성된다.
상기한 본 발명에 따른 아기 울음 감지 방법의 절차는 도 5에 도시한 바와 같다. 상기 도 5를 참조하여 상기 제어모듈(104)의 처리 과정을 설명한다.
상기 제어모듈(104)은 상기 마이크(100) 및 음성신호 처리부(102)가 출력하는 디지털 데이터에 대한 진동수를 검출하여 울음 후보 영역을 결정하고(200단계), 상기 결정된 울음 후보 영역의 지속 시간을 토대로 울음 여부를 결정한다(202단계).
상기한 진동수를 이용한 울음 후보 영역 결정과정을 좀더 상세히 설명한다.
<진동수를 이용한 울음 후보 영역 결정>
현재 아날로그 음파를 디지털 신호로 변화하여 사용하는 대부분의 기기들은 일정 주기로 아날로그 음파의 진폭을 측정한 뒤(sampling), 이를 디지털 신호로 변화시키기 위해 PCM(Pulse Code Modulation) 방식을 사용하고 있으며 1초당 8000번 샘플링하고, 각 샘플링된 데이터를 8비트로 표현하고 있다.
이에 본 발명도 1초당 8000번 샘플링된 8비트의 값을 기준으로 하여 아기의 울음소리를 분석한다. 다양한 아기의 울음소리를 통계적으로 분석한 결과 평균적으로 매 0.1초 구간동안 90번 이상의 진동이 있었다. 이에 본 발명은 상기한 실험적 결과를 임계값 T(=90)로 하여 울음 후보 영역을 결정한다.
상기 0.1초 동안 샘플링된 값 중 n번째 샘플링된 값을 Xn라고 했을 때, Xn의 바로 이전 샘플링된 값은 Xn -1이 된다. 0.1초 동안의 진동수를 계산하기 위해 파형에서 부호가 변경된 횟수 sign_count를 카운트하고 누적된 sign_count를 이용하여 매 0.1초 구간 N에서의 진동수 F[N]을 수학식 1에 따라 계산한다.
N번째 0.1초 구간의 진동수 F[N]이 계산되면 수학식 2에 따라 진동수 F[N]이 임계값 T 이상이면 울음 후보 영역 Candidate_Region[N]을 1로, 그렇지 않다면 0으로 설정한다.
예를 들어 아기의 울음소리가 2초간 마이크로부터 입력되었을 때, 수학식 1을 사용하여 매 0.1 [초] 구간별로 진동수를 계산하면 도 6과 같이 나타낼 수 있다. 계산된 진동수는 수학식 2에 의해 도 7과 같은 울음 후보 영역 Candidate_Region[N] (N=1,2,3......10)으로 설정할 수 있다.
이제 상기 울음 후보 영역의 지속시간을 고려하여 울음 여부를 판별하는 과정을 좀더 상세히 설명한다.
<울음 후보 영역의 지속시간을 고려한 울음 감지>
또한 마이크를 통해 연속적으로 입력되는 아기 울음소리의 파형은 진동수가 많아지다가 급격히 감소하는 패턴을 반복한다. 이는 아기가 우는 중간 중간에 훌쩍거리거나 숨고르기를 하기 때문이다. 따라서 진동수 계산을 통해 결정된 아기 울음 후보 영역 Candidate _ Region의 지속시간도 고려해야 한다. 다양한 아기의 울음소리를 통계적으로 분석한 결과 아기 울음 후보 영역 Candidate _ Region이 연속 3번(0.3초) 이상 나타남을 알 수 있었다. 또한 아기가 우는 중간 훌쩍거림 또는 숨고르기로 인해 아기 울음 후보 영역 Candidate _ Region이 30번(3초) 이상은 연속되지 않음을 알 수 있었다. 즉, 아기 울음 후보 영역 Candidate _ Region이 3번(0.3초)에서 30번(3.0초) 정도는 지속적으로 감지되어야 울음 영역 Crying _ Region이라고 판단할 수 있다. 도 8은 울음 후보 영역의 지속수에 따라 울음 영역 Crying _ Region을 결정한 예를 도시한 것이다.
즉, 마이크로부터 연속적으로 입력되는 소리는 수학식 1에 의해 진동수가 계산되고 수학식 2에 따라 울음 후보 영역 Candidate _ Region이 설정되며, 상기 울음 후보 영역 Candidate _ Region이 제1임계범위인 최소 3번(0.3초)에서 최대 30번(3.0초)까지 지속적으로 검출되면 그 구간 전체를 하나의 울음 영역 설정되며, 그 구간 전체를 하나의 울음 영역 Crying _ Region으로 결정한다.
상기 울음 영역 Crying _ Region이 결정되면 매 10초마다 누적된 울음 후보 영역 Candidate _ Region과 울음 영역 Crying _ Region의 관계에 의해 최종적으로 아기 울음 여부를 판단한다.
실험적 결과에 따르면, 울음 후보 영역 Candidate _ Region에서 울음영역Crying_Region의 비율은 7%~17%이었다. 이러한 통계적 결과를 토대로 생성한 수학식 3에 따라 최종적으로 아기 울음 여부를 결정한다.
즉 본 발명은 울음 후보 영역에서 울음 영역으로 판별되는 비율이 제2임계범위인 7~17%이면 최종w적으로 아기가 우는 것으로 판단한다.
100 : 마이크
102 : 음성신호 처리부
104 : 제어모듈
106 : 메모리부
102 : 음성신호 처리부
104 : 제어모듈
106 : 메모리부
Claims (6)
- 진동수 및 지속 패턴을 이용한 아기 울음소리 감지 장치에 있어서,
소리를 입력받아 그에 따른 신호를 생성하는 마이크;
상기 마이크가 출력하는 신호를 디지털 데이터로 변환하는 음성신호 처리부;
상기 음성신호 처리부가 출력하는 디지털 데이터를 입력받아 진동수를 검출하여 울음 후보 영역을 결정하고,
상기 결정된 울음 후보 영역의 지속 시간을 토대로 울음 여부를 결정하는 제어모듈;
을 구비하는 것을 특징으로 하는 진동수 및 지속 패턴을 이용한 아기 울음소리 감지 장치. - 제1항에 있어서,
상기 진동수는, 미리 정해둔 시간동안 파형의 부호가 변경된 횟수를 카운트하여 누적한 값이고,
상기 누적한 값이 임계값이상이면 해당 시간 구간을 울음 후보 영역으로 결정함을 특징으로 하는 진동수 및 지속 패턴을 이용한 아기 울음소리 감지 장치. - 제1항에 있어서,
상기 울음 후보 영역의 지속 시간이 제1임계범위에 속하면 울음 영역으로 판별하고,
상기 울음 후보 영역 중 울음 영역으로 판별된 비율이 제2임계범위에 속하면 최종적으로 아기가 우는 것으로 판단함을 특징으로 하는 진동수 및 지속 패턴을 이용한 아기 울음소리 감지 장치. - 진동수 및 지속 패턴을 이용한 아기 울음소리 감지 방법에 있어서,
음성신호에 따른 디지털 데이터를 입력받아 진동수를 검출하여 울음 후보 영역을 결정하는 단계;
상기 결정된 울음 후보 영역의 지속 시간을 토대로 울음 여부를 결정하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 진동수 및 지속 패턴을 이용한 아기 울음소리 감지 방법. - 제4항에 있어서,
상기 진동수는, 미리 정해둔 시간동안 파형의 부호가 변경된 횟수를 카운트하여 누적한 값이고,
상기 누적한 값이 임계값이상이면 해당 시간 구간을 울음 후보 영역으로 결정함을 특징으로 하는 진동수 및 지속 패턴을 이용한 아기 울음소리 감지 방법. - 제4항에 있어서,
상기 울음 후보 영역의 지속 시간이 제1임계범위에 속하면 울음 영역으로 판별하고,
상기 울음 후보 영역 중 울음 영역으로 판별된 비율이 제2임계범위에 속하면 최종적으로 아기가 우는 것으로 판단함을 특징으로 하는 진동수 및 지속 패턴을 이용한 아기 울음소리 감지 방법.
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