KR20130074437A - 음장 변화 패턴 분석을 통한 보안 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 음원 발생 장치와 음향 수신 장치 등의 음향 모듈과 음향 신호를 처리하는 모듈 등을 사용하여 음장 변화를 감지하고 처리하되, 시간 변화 또는 음원의 파장 변화에 따른 음장 변화의 패턴을 감지하여 보안 감지 신뢰도를 증가시키는 음장 변화 패턴 분석을 통한 보안 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 시간변화에 따른 대기의 점진적인 온습도 변화와 음향소자의 특성 변화에 따라 발생되는 느린 음향전달함수(Sound Transfer Function)의 변화 패턴을 외부 침입 및 냉난방기 가동 등에 의해 발생되는 내부 공간 또는 음향 물성의 변화에 의해 유도되는 보안 공간 내부의 갑작스런 음장의 변화 패턴과 구분하고, 아울러 음원의 주파수를 변화시켜 침입에 의한 음향구조의 변화와 냉난방에 의한 온도 및 대류 변화에 의한 음장의 변화 패턴을 구분하며, 더불어 영상 획득장치를 통한 영상정보 저장 및 확인으로 신뢰도가 높다는 특징이 있다.

Description

음장 변화 패턴 분석을 통한 보안 시스템 및 그 방법{Security and intrusion monitoring system based on the detection of sound variation pattern and the method}
본 발명은 음장 변화 패턴 분석을 통한 보안 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 음원 발생 장치와 음향 수신 장치 등의 음향 모듈과 음향 신호를 처리하는 모듈 등을 사용하여 음장 변화를 감지하고 처리하되, 시간 변화 또는 음원의 파장 변화에 따른 음장 변화의 패턴을 감지하여 보안 감지 신뢰도를 증가시키는 음장 변화 패턴 분석을 통한 보안 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
보안/감시 시스템은 오랜 연구가 되어왔던 분야로 종래의 보안 감시 기술로는 보안카메라 방식, IR 방식, 초음파 방식, 음향측정 방식 등이 있다.
한국 공개 특허 제 2003-0005105호(보안장치 및 그 제어방법)는 통상적인 적외선 센서를 이용한 감지수단과 내부 촬영용 카메라와 경고음을 발생하는 스피커 및 음성 감지 녹음을 위한 고성능 마이크로폰을 이용하여 사용자가 외출한 동안 보안 공간을 감시하고 대처할 수 있는 방법을 개시한다. 즉, 감시할 소정 장소에 보안 시스템을 설치하여 적외선 센서를 이용하여 침입을 감지하고 경보음을 발생할 뿐 아니라 내부의 영상 및 음향 정보를 방범 업체 및 경찰서 그리고 프리셋된 전화기에 전달하여 보안 감시하는 장치 및 제어하는 방법에 관한 것이다.
이러한 방법의 단점은 침입자가 적외선 센서의 침입 감지 범위를 벗어나거나 침입자가 자신의 체온을 감지하지 못하게 하는 방법을 사용하는 경우에는 감지가 어렵다는 것이다. 적외선 센서가 감지할 수 있는 범위는 매우 좁기 때문에 철저한 방범을 위해서는 이러한 시스템을 다량 설치하여야 하는 데 여러가지 외부 변화에 의한 센서의 오작동도 문제가 된다.
다른 종래 기술로는, 미국 등록 특허 5,828,626(Acoustic object detection system and method, Otincon Corporation)에는 보안 공간내에서 가청 음파를 방사하고 사물의 존재 유무에 따른 정상파 음향 신호의 세기와 위상의 변화를 측정하여 경보를 알리는 방법이 개시된다. 그러나, 상기 방법은 음향 전달함수를 측정하는 방식이 아니라 단순히 음향 신호의 세기 만을 측정하여 그 차이를 기준으로 침입 경보를 알리므로 환경 변화에 의한 음향 신호의 변화 또는 주변 소음에 의한 오작동이 발생하는 문제가 있다.
또 다른 종래 기술로는, 미국특허 US 7,535,351호(Acoustic intrusion detection system)로서 가청 주파수 영역의 음향을 쌍극자 스피커(emitter)에서 발생하고 한 쌍의 마이크(detector)를 쌍극자의 음향상쇄위치(null)에 두어 침입자에 의하여 발생하는 음파의 크기 및 위상이 침입전의 음파의 크기 및 위상과 변화되는 것을 비교하여 감지하여 침입여부를 검출하는 기술이다. 하지만 상기 방법은 특정한 보안 구역에 국한되어 사용되는 약점이 있으며 환경 변화 또는 주변의 소음에 오동작하는 약점이 존재한다.
다른 종래 기술로, 한국 공개 특허 제 2009-0123752호(음장 변화 측정을 이용한 보안 시스템 및 방법, 출원번호)는 초기 설정된 음장과 침입에 의한 음장의 차이를 이용해서 일정공간에서의 침입 유무를 판단하는 보안시스템과 방법을 개시한다. 상기와 같은 방법은 공기의 온도 변화 및 대류 그리고 스피커와 마이크 등의 시간적인 특성 변화에 따른 음향전달함수 변화를 침입으로 오인하거나, 2차 확인용 카메라가 분산되어 설치되어 사용되기 때문에 설치/이동/제거가 번거로운 단점이 존재한다.
종래의 보안/감시방법인 보안카메라 방식에서는 보안 감시 중에는 연속적으로 카메라 동영상을 촬영하고 대용량의 영상정보를 저장하여야 하기 때문에 가격도 비싸고 연속 작동할 때 발생하는 전력소모의 문제가 있다. 게다가 실시간으로 보안 상황을 파악하기 위해서는 사람이 계속 카메라 영상을 모니터링하거나 지능형 영상정보처리를 통해서 침입 등 보안상황을 감시하여야 하는데 이를 유지하는 비용이 매우 높거나 사람의 집중력 부족 또는 침입 인지 알고리즘의 부정확성 등으로 한계가 많은 상황이다. IR 방식의 보안 모듈은 가격이 저렴하고 소모전력이 작지만, IR 차단복이나 차단장치를 통한 침입시 보안/감시의 미작동 문제가 존재하고 침입감지 범위가 좁다. 초음파 방식 보안 모듈의 경우 공기층으로의 음파전달 효율성이 낮은데 따른 전력문제 및 고직진성에 의한 스캔 방식 적용의 어려움이 있다. 또한 대부분의 보안 감시 모듈은 그 원리적 한계로 인하여 침입 또는 보안 상황을 감지하는 영역이 매우 제한적이고 협소하다. 초음파의 경우에는 직진성이 매우 좋기 때문에 감시 영역이 매우 좁으며 IR의 경우에도 열변화를 감지할 수 있는 거리 및 범위에 한계가 많다. 카메라의 경우에도 일반적으로 카메라 시야각을 벗어나는 측면이나 후면 등의 사각지대의 침입상황은 감지할 수 없는 약점이 있다. 또한 침입자소리를 감지하는 기술은 소리를 내지않는 침입자는 감지하기 어렵고 주변의 소음에 오동작하는 경우가 많다. 또한 소리를 발생하여 측정하는 기술로서 음장 변화를 측정하는 종래의 기술은 단순히 음장 변화가 있을 때에는 침입한 상황으로 판단하기 때문에 공기의 온도 변화 등에 의해 발생하는 환경변화에 기인하는 음장 변화도 침입으로 판단하는 오작동의 우려가 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 종래의 보안/감시 시스템 기술이 가지고 있는 미/오작동을 방지하면서 신뢰도를 높이고, 보안 공간 내의 침입 여부 및 정보를 음향 전달 특성 변화의 패턴 측정을 통하여 일체형 모듈을 이용하여 감지하고 처리함으로써 저비용/저전력/고신뢰성의 보안 감시 시스템 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 음장 변화뿐 아니라 변화 패턴을 감지하여 정확도가 높은 침입 경보를 울리도록 하여 오작동의 문제를 최소화하고, 음향 전달 특성 변화 측정을 통하여 사각지대가 없고, 저비용 저전력 고신뢰성의 특성을 갖는 보안 감시 시스템 기술을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 기존 보안 장비 및 시스템과 상호 보완적으로 구성되어 신뢰도 및 정확도를 높이고, 음향발생장치/음향수신장치 및 신호처리 모듈뿐 아니라 영상획득장치 등이 일체형으로 연동시켜 구성할 수 있기 때문에 사무실뿐 아니라 가정 및 자동차 등 원하는 보안 공간에 용이하게 휴대 및 설치/제거가 가능한 휴대형 보안 감시 시스템을 제공하는 데 있다.
이를 위하여, 본 발명의 제1 측면에 따르면, 본 발명에 따른 음장 변화 패턴 분석을 통한 보안 시스템은, 일정한 감시 공간 내에 설치되며, 음원을 발생시킨 후 수신되는 음파를 수신하여, 음장 변화 패턴을 측정하고, 이 음장 변화 패턴을 판독하여 이상 상황을 감지하는 음장 변화 감지 장치; 및 상기 이상 상황을 감지한 경우, 상기 음장 변화 패턴을 수신 받아 위험 상황임을 외부 장치로 통지하는 운영장치를 포함하고, 상기 음장 변화 패턴은 일정한 시간 주기 동안 음향 전달 함수의 변화값(Signal)에 대한 초기 음향 전달 함수 편차(Noise)와의 비율인 침입 판단 신호값(SNR)값을 측정하여 획득하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 본 발명에 따른 음장 변화 패턴 분석을 통한 보안 방법은, 일정한 감시 공간 내에 설치된 음장 변화 감지 장치에서 일정한 주파수 대역을 가지는 가청 주파수대의 음파를 출력시키는 단계; 상기 음장 변화 감지 장치는 음파를 수신하여, 수신된 음파로부터 음향 전달 함수를 산출하는 단계; 상기 음장 변화 감지 장치는 초기 설정 모드에서 측정된 음향 전달 함수와 감시 모드에서 측정된 음향 전달 함수를 비교하여 이상 여부를 판단하는 단계; 및 상기 음장 변화 감지 장치는 이상 상황으로 판단되면 음장 변화 패턴을 분석하여 침입 여부를 판단하는 단계; 및 상기 음장 변화 감지 장치는 침입이라고 판단되면, 운영장치에 상기 음장 변화 패턴을 전달하고, 운영장치는 미리 등록된 외부 장치로 침입 여부를 통지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 기존의 보안/감시방법인 보안카메라, IR방식, 초음파방식, 음향감지, 음장 변화 측정방식에서의 높은 소모전력, 미작동, 오작동, 사각지대 등의 문제를 극복하고 저전력 저비용 고신뢰성의 보안 감시 기능을 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 단순히 음장 변화를 측정하는 방식이 아니라 음장 변화의 시간 변화 또는 음원의 주파수의 변화에 따른 음장 변화의 패턴을 감지하여 점진적인 또는 냉난방기 가동과 같은 갑작스런 공기의 온습도변화 등 환경변화에 의한 음장 변화의 경우를 갑작스런 침입 또는 사고의 경우와 구별 감지하여 보안 감시의 정확도와 신뢰도를 높이는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 음원 발생부, 음향 수신부, 제어부, 영상 획득부 등을 일체형으로 집적이 가능하여 사무실, 가정, 자동차 등 원하는 보안 공간 내에 휴대/설치/이동/제거가 용이한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 침입 및 사고 등이 의심되는 상황에서 보안 공간 내부의 영상 및 음향 정보를 저장하고 이를 경비실, 보안업체, 경찰서뿐 아니라 휴대폰 사용자에게 전달하여 실시간으로 상황을 판단하고 대처하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 음장 변화 패턴 측정 및 이를 통한 보안 감시 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 2의 (a)는 본 발명의 일실시예에 따른 침입/사고 전 초기화 및 침입/사고 후의 주파수별 보안 공간에서의 음향 전달함수 값을 비교하여 나타낸 도면이고, 도 2의 (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 보안 공간내에서의 음향 전달함수의 주파수 분포내에서의 초기 편차로 표시되는 기준 노이즈값(Noise) 대비 시간의 경과에 따라 변화하는 음향 전달함수 차이로 표시되는 침입 신호값(Signal)의 비율을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 여러 원인에 따른 음장 변화의 패턴의 예를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 음장 변화 패턴 분석을 통한 보안 시스템의 구조도이다.
도 5는 이와 같은 기능을 갖는 음장 변화 감지 장치의 예시를 도시하는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 음장 변화 감지 장치가 보안 공간내에 설치되어 음장의 변화를 감지하여 침입을 판독하는 상황을 설명하는 도면이다.
본 발명은 보안 공간에서의 침입물체가 발생하거나 사고가 나서 공간구조의 변화나 음향물성이 변화되었을 때 일어나는 음장 변화를 이용하여 침입이나 사고의 여부를 감시하되, 시간적으로 서서히 변화하는 패턴과 급하게 변화하는 패턴을 구별하고, 음원의 주파수 변화에 따라서 달라지는 음장 변화의 패턴을 감지하여 침입 또는 사고에 의한 음향구조의 변화와 냉난방기 가동과 같은 갑작스런 내부 공기의 온습도 및 대류 변화와 같은 환경 요인에 의한 차이를 구분하여 보안 감시의 정확도와 신뢰도를 높이는 방법을 제안한다.
이때, 본 발명은 일정한 시간간격으로 음원 발생장치에서 발생하는 일정한 음압을 갖는 음향이 보안 공간 내로 전파되어 설치된 음향 수신장치에서 감지되는 음압값의 비율로 결정되는 음향 전달함수를 측정한다. 측정된 음향 전달함수는 보안 설정시의 초기값과 비교하여 그 차이가 초기의 음향 전달함수의 편차와 비교하여 정해진 값 이상일 때 침입 여부를 판단하게 되는데, 시간적인 변화에 따른 보안 공간 내부의 점진적인 대기의 온습도 변화 또는 환경변화로 발생하는 음향전달함수의 느린 변화가 누적되어 침입하지 않은 상황에서도 침입으로 판단하는 오작동 문제를 해결하기 위하여 정해진 시간간격에 따라 보안설정을 초기화하는 방법을 제안한다.
또한, 본 발명은 보안설정을 일정한 시간 주기에 맞추어 음향전달함수의 변화값(Signal)에 대한 초기 음향전달함수 편차(Noise)와의 비율인 침입판단 신호값(SNR)값을 측정하여 내부 메모리에 저장하고 그 패턴을 분석하는 데이터로 사용하게 하는 방법을 제공한다. 패턴 분석을 통하여 보안 설정을 초기화하는 주기에 대한 정보를 얻고 최종적으로 시간주기 및 침입/사고의 판단 여부를 판단하는 기준값(reference SNR)을 최적화하여 보안 감지의 정확도와 신뢰도를 올리는 방법을 제안한다.
또한, 본 발명은 음원 발생장치에서 주파수가 다른 사인파 음원을 발생하여 보안 공간 내에서 음향 전달함수가 주파수의 크기에 따라 변화하는 패턴을 감지하여 보안 공간 내부의 침입에 의한 음향구조가 바뀌어 생기는 현상인지 또는 냉난방기 가동과 같은 갑작스런 실내 공기의 온습도 및 대류 변화에 기인하는 상황인지를 구분하여 보안 감지의 정확도를 향상시키는 방법을 제안한다.
또한, 본 발명은 소리를 발생하는 음원 발생장치와 소리를 감지하는 음향 수신장치 및 신호처리부와 통신 모듈이 일체형으로 제작 설치되어 측정된 음향 수신장치의 신호를 처리하여 음향전달함수를 구하고 이를 설정된 보안 기준값과 비교하여 침입 및 사고 여부를 판단하고, 침입 및 사고 판단시에 보안경보 및 보안 공간 내부에 내장형 또는 외장 연동형으로 설치된 영상 획득장치로부터 얻은 영상 및 내장된 음향 수신장치로부터 얻은 음향 정보를 내부 메모리에 저장하는 것과 동시에 서버 또는 휴대폰 사용자에게 송신하는 기능을 갖는 방법을 제안한다.
또한, 본 발명은 음장 변화 보안시스템의 보안 정보를 보안 카메라, IR센서, 초음파센서 등과 연계하여 복합적으로 침입 및 사고를 판단함으로써 보안 감시의 신뢰도를 올리는 방법을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 동일한 구성요소에 대해서는 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호로 표시하며, 공지된 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 구체적인 설명은 생략하기로 함에 유의한다.
도 1은 본 발명에 따른 음장 변화 패턴 분석을 통한 보안 시스템의 구조도이다.
도 1을 참조하면, 음장 변화 패턴 분석을 통한 보안 시스템은 음장 변화 감지 장치(100)와, 운영 장치(200), 대응 기관(300), 사용자 단말기(400)를 포함한다.
음장 변화 감지 장치(100)는 소리를 발생시키는 음원 발생부(110)와 소리를 감지하는 음향 수신부(120)와, 영상 촬영이 가능한 영상 획득부(160) 등이 일체화되고 신호처리 및 저장을 위한 제어부(130)와 메모리(140), 저장된 정보와 보안 경보를 운영 장치(200)로 전송하기 위한 통신 모듈(150) 등으로 구성된다.
음원 발생부(110)는 가청 주파수 대역(20~20kHz)에서 단일 사인파 또는 다수의 주파수를 가지는 사인파의 선형합으로 이루어진 멀티톤 음원의 연속파 및 펄스파, 또는 핑크 노이즈(Pink Noise), 화이트 노이즈(White Noise) 음파를 출력한다.
음향 수신부(120)는 음원 발생부(110)로부터 출력되는 음파를 수신하여, 제어부(130)에 전달한다.
제어부(130)는 사전에 메모리부(140)에 저장된 다양한 음장 변화 패턴과, 보안 감시 모드에서 획득한 음장 변화 패턴을 비교하여 침입 여부를 판단하고, 판단 결과를 운영 장치(200)에 전송하도록 지시한다.
메모리부(140)는 다양한 음장 변화 패턴의 예를 저장하고 있으며, 보안 감시에 따라 생성되는 데이터를 저장한다.
통신 모듈(150)은 WiFi, Ethenet, 지그비(ZigBee), 블루투스, NFC, 이동통신망 등을 통해 운영 장치(200)에 경보 및 보안 정보를 전송한다. 경우에 따라, 운영 장치(200)를 거치지 않고 바로 사용자 단말기(400)에 전송하도록 구현할 수도 있다. 이러한 경우, 음장 변화 감지 장치(100)에 사용자 단말기(400) 정보가 미리 등록되어 있어야 한다.
사용자 단말기(400)는 통신망을 통해, 경보 및 보안 정보를 전송받아 사용자에게 제공하며, 상기 사용자 단말기(400)는 PCS(Personal Communication Service)폰, PDA(Personal Digital Assistants) 폰, GSM(Global System for Mobile communications) 폰, WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access) 폰, 스마트폰 등을 포함한다.
운영 장치(200)로 전송된 정보는 경비실이나 보안업체 또는 경찰서 등의 대응기관(300)으로 전송이 가능하며, 이동통신망을 통하여 직접 기 등록된 사용자 단말기(400)로 전달될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 음장 변화 패턴 측정 및 이를 통한 보안 감시 방법을 설명하는 흐름도이다. 보안 시스템은 초기 설정 모드(s100~s103), 음장 변화 감시 모드(s104~s109), 최종 확인 모드(s110~s112)로 구성되며, 음장 변화 감시 모드는 일상 감시 과정(s104, s105), 고음량 확인 감시 과정(s106, s107) 및 주파수별 음장 변화 패턴 감지 과정(s108, s109)으로 구성된다.
보안 감시가 시작되면, 초기 설정 단계에 들어간다(s100). 초기 설정 단계에서는 감시 공간에서 공간의 음향 전달함수를 측정하여 기준 음향 전달함수 정보로 저장을 한다. 또한 음압 크기 및 위상 정보를 저장하고, 전달함수의 평균 및 편차를 저장한다.
초기 설정이 끝나면, 음장 변화 패턴을 측정한다(s101). 이를 위해, 미리 정한 일정 시간에 따라 전달함수의 값을 주기적으로 측정하고 이를 이용하여 음장 변화를 측정하고 시간대별 음장 변화의 패턴을 분석한다(s102).
분석 결과를 바탕으로 초기화 시간 주기 및 침입/사고 판단의 기준값을 설정한다(s103).
초기 보안 모드 설정이 끝나면 음장 변화 감시 모드로 돌입을 하는데, 먼저, 일상 감시에 들어간다(s104). 일상 감시는 일정시간 간격으로 전달함수를 측정하고 특정 주파수 별 전달함수의 평균 및 편차를 계산한다. 이때 음원 발생장치의 음량은 침입/보안이 감지될 수 있는 최소의 크기로 설정한다. 앞서 초기 설정 모드에서 설정된 시간 초기화 주기에 따라 침입/사고 여부를 결정하는 초기값을 수시로 재설정하여 점진적인 대기의 온습도 변화 등 느리게 변화하는 음향 전달함수의 변화에 의해 보안 경보가 울리지 않게 한다.
침입/사고가 발생하거나 혹은 외부로부터의 소음에 의해서 침입/사고가 의심되는 상황에 이르러 음향전달 함수가 짧은 시간 내에 급격하게 변화하면 침입/사고로 의심하여 다음 단계로 진행된다(s105).
외부 소음에 의한 오동작을 피하기 위해서 음원 발생장치에서 고음량을 내어 침입/사고를 확인하는 절차를 거치게 된다(s106). 이때에는 음원에서 발생되는 음압의 크기를 단계별로 증가시켜 최대 음압 모드까지 측정을 할 수 있다.
한편, 보안 공간의 전달함수의 특성상 이와 같이 음원의 크기가 커진다 하더라도 입력신호 대비 출력신호의 비율은 침입이 발생하지 않는 한 동일하므로 초기 설정된 값과의 비교를 통해서 단순 외부로부터의 노이즈인지, 아니면 확실한 침입/사고인지를 판별할 수 있게 된다.
고음량 확인 감시 모드에서 침입/사고가 확인되면(s107), 주파수별 음장 변화 패턴을 감지한다(s108). 다양한 주파수를 갖는 사인파를 음원으로 사용하여 음파의 주파수 변화에 따른 음장 변화의 패턴을 감지하여, 메모리에 저장된 다양한 원인에 따른 음장 변화 패턴들과 비교함으로써, 음장 변화의 원인이 침입자 또는 침입에 의한 문 및 창문의 개폐 또는 가구의 이동과 같은 내부의 음향 구조의 변화에 기인하는 것인지, 아니면 냉난방기 가동과 같은 갑작스런 실내 공기의 온습도 및 대류 변화에 기인하는 것인지를 구분한다(s109).
침입 또는 사고가 확실하다고 판단되면 음향 수신장치 그리고 영상 획득장치 등으로 보안 공간 내부의 영상 및 음향 정보를 촬영 및 녹음하게 된다(s110).
이후 싸이렌 경보와 동시에 촬영 및 녹음된 정보를 운영 장치(200)에 전송하고, 운영 장치(200)는 통하여 경비실, 보안업체, 경찰서 등의 대응 기관(300)에 전송하고, 미리 등록되어 있는 사용자의 휴대폰에 직접 전송한다(s111). 보안 담당자 및 휴대폰 사용자는 영상 및 음향 정보를 분석하여 침입/사고를 최종 확인한 경우(s112) 출동 조처하게 된다.
필요에 따라서는 위의 흐름도에서 일부 과정은 생략되거나 다른 과정이 추가 되어서 운영될 수 있다.
도 2의 (a)는 보안 공간에서 초기화 상태의 음향 전달 함수값과 침입에 의해서 변화된 보안 공간의 음향 전달 함수값을 비교하여 나타낸 그래프로, 본 발명에서는 보안 공간의 상황을 모니터링하는 척도로서 사용되는 음향 전달함수(Transfer Function)인 H(s), H'(s)에 대해서 표현할 때는 일반 전달함수를 구하는 방식을 따르는데, 초기 음향 전달함수에 대해 Amp=20log(H(s)), Ph=ang(H(s))를 구하게 되고, 변화된 공간에 대한 음향 전달함수로 Amp'=20log(H'(s)), Ph'=ang(H'(s))를 구하게 된다. 이 때 전달함수 H(s)는 음원 발생장치의 입력전압(Vin) 대비 음향 수신장치를 통해서 얻어진 공기의 음압(Pout)의 비율인 Pout/Vin 의 값으로 얻어진다.
보다 구체적으로 도 2의 (a)를 참조하면 1kHz의 중심 주파수를 기준으로 주파수 간극(span)이 16Hz이면서 전후 8개씩 모두 17개의 주파수를 갖는 사인파들의 선형합으로 이루어진 멀티톤(Multi-tone) 음원을 발생하여 보안 공간내에서 음향 전달함수를 음향 수신부에서 측정하여 그 신호를 푸리에 변환하여 각 주파수 성분에서 얻은 침입/사고 전의 초기 상태와 침입/사고 이후에 얻어진 음향 전달함수 값을 서로 비교하여 표시한 도면이다.
특정한 주파수를 갖는 소리는 보안 공간 내부 구조의 변화에 따라 중첩에 의한 보강 및 상쇄 간섭이 일어나고 이는 주파수 마다 상이하므로 도 2의 (a)와 같이 그 차이가 현저하게 나타난다. 또한, 동일한 주파수에서도 측정시 마다 음압 전달함수가 차이가 나는 편차가 있기 때문에 동일 주파수에 대해서 일정한 횟수(여기서는 5회)로 연속 측정하여 그 변화를 연속적으로 표시하였다.
도 2의 (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 보안 공간내에서의 음향 전달함수의 주파수 분포내에서의 초기 편차로 표시되는 기준 노이즈값(Noise) 대비 시간의 경과에 따라 변화하는 음향 전달함수 차이로 표시되는 침입 신호값(Signal)의 비율을 나타낸 도면으로서, 각 주파수별 편차의 최대값을 초기편차라 하여 이 값을 각 주파수별 노이즈로 표시하고, 각 주파수별 음향 전달함수를 평균한 값을 계산하고 초기 값과 비교하여 일정 시간 단위로 측정한 음향 전달함수의 차이값(20log(H')-20log(H))의 절대값을 신호값으로 하여 이 값을 신호(Signal)라 표시하고, 각 주파수에서의 노이즈 대비 신호값의 비율(Signal/Noise)을 평균한 값을 시간축으로 표시한다.
물론 실제 적용시에는 20~20kHz 대의 가청 주파수의 음원을 다양하게 사용할 수 있으며 발생되는 소리에 의한 소음을 최소화하기 위하여 저주파 또는 고주파를 사용하거나 펄스 음원을 사용할 수 있다.
음향 전달함수는 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 침입과 같은 갑작스런 변화뿐만 아니라 점진적인 공기의 온습도 변화 또는 대류 등으로 서서히 바뀔 수 있다. 본 발명에서는 이와 같은 환경의 변화로 인한 음향 전달함수의 변화와 침입/사고에 의한 갑작스런 변화를 구분하기 위하여 보안 공간에서의 음향 전달함수의 변화를 사전에 시간을 두고 모니터링하여 그 변화의 패턴을 저장하고 분석하는 준비 모드를 거치는 과정이 필수적이다.
이러한 변화의 패턴을 분석하고 서서히 변화하는 환경변화에 따른 전달함수의 변화를 배제하기 위하여 일정한 시간 주기로 침입/사고전의 전달함수 값을 초기화하기 위한 시간 주기값을 얻고, 정해진 시간 주기 하에서 최적화된 침입/사고 여부를 결정하기 위하여 초기편차 대비 음향전달함수 변화율(S/N)에서의 침입/사고 판단 기준값을 설정하는 것이 중요하다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 여러 원인에 따른 음장 변화의 패턴의 예를 도시하는 도면으로, 다양한 주파수를 갖는 사인파의 음원을 이용하여 보안 공간 내부에 침입 또는 사고에 의하여 침입자가 들어오거나, 문/창문이 개폐되거나, 침입자에 의하여 가구가 이동되거나, 재난으로 인하여 음향구조가 바뀌는 등, 내부 음향구조의 변화에 의한 음장 변화인지, 아니면 에어컨 및 공조 또는 전열기에 의한 실내 공기의 갑작스런 온습도 및 대류 변화에 의한 음장의 변화인지를 주파수 변화에 음장 변화 패턴을 감지하여 구분이 가능하다.
특정한 보안 공간 내부의 음장 변화 패턴은 이론적인 시뮬레이션 또는 실험을 통하여 사전에 예상 패턴을 확보할 수 있는데, 일반적으로 크기가 작은 침입자에 의한 음향 전달함수의 변화는 주파수에 따라 달라질 수 있다. 마찬가지로 실내 공기의 온습도 변화는 음속의 변화 또는 공기 밀도의 변화를 유발하고 이에 따라 음향 전달함수를 변하게 하며 음파의 주파수에 따라 그 값이 달라지지만 침입자에 의한 음장 변화의 패턴과 상이하게 나타날 수 있다. 이러한 음장 변화의 패턴을 감지하여 두 가지 경우에 있어서 음장 변화의 차이가 큰 주파수의 음장 변화값을 비교하면 침입자에 의한 것인지 냉난방기 가동에 의한 것인지를 구분하는 것이 가능하다.
도 5는 이와 같은 기능을 갖는 음장 변화 감지 장치(100)의 일 실시예를 도시하는 도면으로서, 도 5를 참조하면, 음장 변화 감지 장치(100)의 전면에 음원 발생부(110)와 음향 수신부(120) 그리고 영상 획득부(160)가 일체형으로 구성되어 있음을 알 수 있다. 음원 발생부(110)와 음향 수신부(120)는 보안 공간 내부의 음향 전달함수를 다양하게 측정하기 위하여 본체로부터 탈착되어 선이 연결된 채로 보안 공간 내부의 임의의 위치에 거치할 수 있다. 영상 획득부(160)가 장착된 본체는 보안 공간 내부의 상황을 가장 잘 볼 수 있는 위치에 임의로 설치할 수 있으며 전원은 전지 또는 유선상으로 연결될 수 있고 저장된 영상 및 음향 정보는 통신모듈(150)을 통해 운영 장치(200)로 전달이 가능하다.
본 발명의 실시예에서는 영상 획득부(160)가 일체형으로 구성되었지만, 외부에 설치된 CCTV 및 IP카메라 등이 연동되어 외장형으로도 구현 가능하다.
도 6은 도 5에 도시된 음장 변화 감지 장치(100)가 보안 공간내에 설치되어 일 실시예로서 음장의 변화를 감지하여 침입을 감지하는 상황을 설명하는 도면이다. 보안 공간내에 설치된 음장 변화 감지 장치(100)는 침입자(501) 또는 침입에 의한 문(502), 창문, 가구, 내부 구조 등의 변화에 의한 음장의 변화를 감지하여 침입을 감지한다.
본 발명에서의 음장 변화를 측정하는 방식은 침입자가 보안 공간내에 어디에 있든지 또는 창문 등이 어디에 있든지 아니면 사고가 어디서 나는지 상관없이 보안 공간의 전달함수 변화로 감지할 수 있기 때문에 보안 카메라, IR센서, 초음파 센서, 음향 감지 등 기존의 보안 시스템의 약점을 해결 또는 보완할 수 있으며 기 제안된 음장 변화 보안 시스템과 비교하여 음장 변화의 시간적인 변화 및 음원 주파수의 변화에 따른 음장 변화 패턴을 감지하여 이를 기반으로 침입을 판단한다. 따라서, 온습도 변화 등 상황변화에 의한 오작동 문제를 해결하는 장점을 갖는다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
100 : 음장 변화 감지 장치
110 : 음향 발생부
120 : 음향 수신부
130 : 제어부
140 : 메모리
150 : 통신모듈
160 : 영상 획득부
200 : 운영 장치

Claims (11)

  1. 일정한 감시 공간 내에 설치되며, 음원을 발생시킨 후 수신되는 음파를 수신하여, 음장 변화 패턴을 측정하고, 이 음장 변화 패턴을 판독하여 이상 상황을 감지하는 음장 변화 감지 장치; 및
    상기 이상 상황을 감지한 경우, 상기 음장 변화 패턴을 수신 받아 위험 상황임을 외부 장치로 통지하는 운영장치
    를 포함하고,
    상기 음장 변화 패턴은 일정한 시간 주기 동안 음향 전달 함수의 변화값(Signal)에 대한 초기 음향 전달 함수 편차(Noise)와의 비율인 침입 판단 신호값(SNR)값을 측정하여 획득하는 것을 특징으로 하는 음장 변화 패턴 분석을 통한 보안 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 음장 변화 감지 장치가 이상 상황을 감지하는 경우, 상기 감시 공간의 영상 정보를 획득하여 상기 운영장치에 제공하는 영상 획득 장치를 더 포함하는 음장 변화 패턴 분석을 통한 보안 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 음장 변화 감지 장치는,
    일정한 감시 공간 내에서 일정한 주파수 대역을 가지는 가청 주파수대의 음파를 출력시키는 음원 발생부;
    상기 음원 발생부로부터 출력되는 음파를 수신하는 음파 수신부;
    상기 수신되는 음파를 이용하여, 주파수대별 음장 변화 패턴을 분석하여 음장 변화 패턴 결과를 제공하는 제어부;
    상기 음장 변화 패턴을 저장하는 메모리부; 및
    상기 음장 변화 패턴 결과를 외부 장치로 전달하는 통신모듈
    을 포함하는 음장 변화 패턴 분석을 통한 보안 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 운영장치는 이상 상황을 감지한 경우, 상기 음장 변화 패턴을 수신 받아 위험 상황임을 미리 저장된 사용자 단말장치 및 대응 기관에 전송하는 것을 특징으로 하는 음장 변화 패턴 분석을 통한 보안 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제어부는 미리 정해진 시간 간격에 따라 보안 설정을 초기화하는 것을 특징으로 하는 음장 변화 패턴 분석을 통한 보안 시스템.
  6. 일정한 감시 공간 내에 설치된 음장 변화 감지 장치에서 일정한 주파수 대역을 가지는 가청 주파수대의 음파를 출력시키는 단계;
    상기 음장 변화 감지 장치는 음파를 수신하여, 수신된 음파로부터 음향 전달 함수를 산출하는 단계;
    상기 음장 변화 감지 장치는 초기 설정 모드에서 측정된 음향 전달 함수와 감시 모드에서 측정된 음향 전달 함수를 비교하여 이상 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 음장 변화 감지 장치는 이상 상황으로 판단되면 음장 변화 패턴을 분석하여 침입 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 음장 변화 감지 장치는 침입이라고 판단되면, 운영장치에 상기 음장 변화 패턴을 전달하고, 운영장치는 미리 등록된 외부 장치로 침입 여부를 통지하는 단계
    를 포함하는 음장 변화 패턴 분석을 통한 보안 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 음장 변화 패턴을 분석하는 단계는, 감시 모드에서 상기 음파의 주파수 변화에 따른 음장 변화 패턴을 측정하여 분석하여, 기 저장된 예외 상황의 음장 변화 패턴과 비교하는 것을 특징으로 하는 음장 변화 패턴 분석을 통한 보안 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 예외 상황은 갑작스런 실내 공기의 온습도 또는 대류 변화에 의한 음장 변화 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 음장 변화 패턴 분석을 통한 보안 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 음파를 출력시키는 단계는,
    상기 음파를, 가청 주파수 대역에서 단일 사인파 또는 다수의 주파수를 가지는 사인파의 선형합으로 이루어진 멀티톤 음원의 연속파 및 펄스파, 또는 핑크 노이즈(Pink Noise), 화이트 노이즈(White Noise) 중 어느 하나를 출력시키는 것을 특징으로 하는 음장 변화 패턴 분석을 통한 보안 방법.
  10. 제6항에 있어서, 미리 등록된 외부 장치로 침입 여부를 통지하는 단계는,
    상기 음장 변화 감지 장치는 침입이라고 판단되면, 연동되는 영상 획득 장치에게 상기 감시 공간 내의 영상 획득을 지시하고, 영상 획득 장치는 획득된 영상을 상기 음장 변화 패턴과 함께 운영 장치에 전달하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 음장 변화 패턴 분석을 통한 보안 방법.
  11. 제6항에 있어서, 상기 외부 장치는 사용자 단말장치 및 대응 기관을 포함하며, 상기 대응기관은 위험 상황에 대응하는 기관인 것을 특징으로 하는 음장 변화 패턴 분석을 통한 보안 방법.
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