KR20140030686A - 차량용 어레이 마이크의 음성 인식 향상 시스템 및 그 방법 - Google Patents

차량용 어레이 마이크의 음성 인식 향상 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수의 마이크 센서로부터 수신되는 음원 신호를 이용하여 음원 신호의 발화 지점을 추정하고, 추정된 발화 지점을 커버하는 영역으로 어레이 마이크의 빔 포밍 영역을 조정함으로써, 사용자의 다양한 신체 특성 또는 움직임에 의한 발화 지점의 변화에도 능동적으로 빔 포밍 영역이 조정되어 어레이 마이크 시스템의 음성 인식 효율 및 통화 품질을 향상시킨다.

Description

차량용 어레이 마이크의 음성 인식 향상 시스템 및 그 방법{System for improving voice recognition of the array microphone for vehicle and method thereof}
본 발명은 차량용 어레이 마이크 시스템에 관한 것으로, 특히 음성 발화 지점을 추적하여 빔 포밍을 변화시키는 어레이 마이크 시스템에 관한 것이다.
어레이 마이크 시스템은 다중의 마이크를 이용하여 주변 잡음 혹은 간섭음 등의 영향을 최소화하는 시스템으로써, 차량용 핸즈프리 시스템 혹은 음성 인식 시스템에 적용된다. 일반적으로 차량과 같은 좁은 공간의 실내의 경우에는 2개의 마이크가 어레이로 적용되고 있다.
일 예로, 종래의 핸즈프리 시스템용 어레이 마이크 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 다중 마이크로폰으로 구성되어 음원 신호를 수집하는 어레이 마이크(10)와, 어레이 마이크(10)에서 수집되는 음원 신호를 처리하여 사용자의 음성 신호만을 추출하는 프로세서 유닛(20)으로 구성된다.
상기와 같은 구조를 갖는 종래의 어레이 마이크 시스템에서 사용자 음원의 추출에 대한 동작은 다음과 같다.
어레이 마이크(10)에는 사용자의 음원 신호(A)와 라디오 방송, 라디에이터 팬, 엔진 소음 등의 다양한 주변 잡음의 성분인 인터페이스 음원 신호(B) 및 주변환경/회로상 노이즈(C) 등이 동시에 추출되어 프로세서 유닛(20)에 인가된다. 이때, 프로세서 유닛(20)은 입력되는 각종 신호들에 대한 파라미터를 추정하는 제1처리를 수행하고, 추정된 파라미터로부터 실질적인 사용자의 음성 신호, 주변 잡음인 인터페이스 노이즈, 주변 환경/회로상 노이즈를 분리하는 제2처리를 수행한다.
이후, 필터링을 통해 주변 잡음인 인터페이스 노이즈만을 제거하여 사용자의 음성 신호와 환경/회로상 노이즈만으로 추출하는 제3처리를 수행하고, 제3처리된 신호에 대하여 필터링을 통해 환경/ 회로상 노이즈를 제거하여 순수한 사용자의 음성 신호만을 추출하는 제4처리를 수행한다.
이 프로세스 유닛(20)에서의 순수한 사용자 음성 신호 추출은 각각의 마이크로 입력되는 음원 신호(sound signal) 사이에서 발생하는 시간 지연(time delay)을 이용하여 특정 방향에서 입력되는 음원 신호만을 추출할 수 있도록 음원의 유입 방향을 고정하는 빔 포밍(beam forming)을 수행함으로써, 어레이 마이크에 대하여 사용자 음성의 유입 방향을 고정시킨다.
이러한 어레이 마이크 시스템은 빔 포밍 영역의 튜닝이 완료되면, 튜닝된 조건으로 빔 포밍의 영역 및 방향이 고정되어, 도 2에 도시된 바와 같이, 특정 방향으로부터의 음원 신호만을 받아 들일 수 있도록 되어 화자(사용자)의 발화 위치의 자유도를 제한하는 단점을 갖는다.
이러한 자유도 제한 문제를 해결하기 위해 종래의 어레이 마이크 시스템은 음원 신호의 유입 방향인 빔 포밍의 영역을 넓게(Broad) 형성하여 화자의 발화 위치에 변화가 있는 경우라도 이를 잘 받아들일 수 있도록 하고 있다.
그러나, 빔 포밍의 영역이 넓어질 경우, 빔 포밍 영역에 포함되는 특정 방향에서 노이즈가 발생 또는 커지는 경우, 적절하게 제거하지 못하여 최종적으로 추출되는 음성 신호에 노이즈가 포함된다. 또한, 2채널의 어레이 마이크를 이용함으로써, 음원 신호간의 시간 지연을 이용한 음원 유입 방향 추정에 대한 정확성이 떨어지게 된다. 결국, 신뢰성이 제공되는 핸즈프리의 기능을 제공하지 못하여 양질의 통화 서비스를 제공하지 못하게 된다.
본 발명은 사용자의 음성 발화 지점을 추정하여 추정된 발화 지점을 커버하는 영역으로 어레이 마이크의 빔 포밍 영역을 능동적으로 조정할 수 있도록 하는 기술적 방안을 제공함을 목적으로 한다.
전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 차량용 어레이 마이크의 음성 인식 향상 시스템은 복수의 채널을 형성하는 복수의 마이크 센서, 및 상기 복수의 마이크 센서로부터 입력되는 음성 신호들을 이용하여 상기 음성 신호들의 발화 지점을 추정하며, 상기 추정된 발화 지점으로 상기 복수의 마이크 센서의 빔 포밍 영역을 이동시키는 헤드 유닛을 포함한다. 상기 헤드 유닛은 복수의 구역을 포함하는 기설정된 빔 영역 매트릭스 내 상기 추정된 발화 지점이 위치한 구역을 커버하는 영역으로 빔 포밍 영역을 이동시키키며, 상기 빔 영역 매트릭스는 디폴트 구역과 상기 디폴트 구역을 둘러싸는 확장 구역으로 이루어진다.
또한, 상기 헤드 유닛은 상기 추정된 발화 지점이 상기 확장 구역에 위치한 경우, 상기 빔 영역 매트릭스 내 디폴트 구역을 커버하는 빔 포밍 영역을 상기 발화 지점이 위치한 확장 구역을 커버하는 영역으로 이동시킨다. 또한, 상기 헤드 유닛은 상기 복수의 마이크 센서의 각 채널로 입력되는 음성 신호들의 시간차를 이용하여 상기 음성 신호들의 발화 지점을 추정하며, 상기 복수의 마이크 센서는 적어도 3개의 어레이 마이크 센서이다.
한편, 전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 차량용 어레이 마이크의 음성 인식 향상 방법은 복수의 마이크 센서로부터 음성 신호들을 입력받는 단계, 상기 입력된 음성 신호들을 이용하여 상기 음성 신호들의 발화 지점을 추정하는 단계, 및 상기 추정된 발화 지점으로 상기 복수의 마이크 센서의 빔 포밍 영역을 이동시키는 단계를 포함한다.
상기 발화 지점을 추정하는 단계는 상기 복수의 마이크 센서의 각 채널로 입력되는 음성 신호들의 시간차를 이용하여 상기 음성 신호들의 발화 지점을 추정하며, 상기 빔 포밍 영역을 이동시키는 단계는 디폴트 구역과 상기 디폴트 구역을 둘러싸는 확장 구역으로 이루어진 기설정된 빔 영역 매트릭스 내에서, 상기 추정된 발화 지점이 상기 확장 구역에 위치한 경우 상기 디폴트 구역을 커버하는 빔 포밍 영역을 상기 발화 지점이 위치한 확장 구역을 커버하는 영역으로 이동시킨다.
본 발명은 복수의 마이크 센서로부터 수신되는 음원 신호를 이용하여 음원 신호의 발화 지점을 추정하고, 추정된 발화 지점을 커버하는 영역으로 어레이 마이크의 빔 포밍 영역을 조정함으로써, 사용자의 다양한 신체 특성 또는 움직임에 의한 발화 지점의 변화에도 능동적으로 빔 포밍 영역이 조정되어 어레이 마이크 시스템의 음성 인식 효율 및 통화 품질을 향상시키는 효과를 창출한다.
도 1은 종래의 어레이 마이크 시스템 구조 참조도.
도 2는 종래의 어레이 마이크 시스템의 빔 포밍 영역을 나타내는 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 어레이 마이크의 음성 인식 향상 시스템 블록도.
도 4는 본 발명에 따른 가상의 빔 영역 매트릭스를 나타내는 예시도.
도 5는 본 발명에 따른 차량 내 가상의 빔 영역 매트릭스의 위치를 나타내는 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 발화 지점 위치에 따른 조정 모드별 빔 포밍 영역 예시도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 어레이 마이크의 음성 인식 향상 방법 흐름도.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 어레이 마이크의 음성 인식 향상 시스템 블록도이다. 도시된 바와 같이, 음성 인식 향상 시스템은 복수의 마이크 센서(100)와 헤드 유닛(200)을 포함한다.
마이크 센서(100)는 사용자의 음성을 수신하기 위한 수단으로서, 차량 내 소저 위치에 장착된다. 마이크 센서(100)는 적어도 3개의 마이크로 폰이 어레이로 구성되며, 바람직하게, 마이크 센서(100)는 채널 1~4로 이루어진 마이크로 폰 일 수 있다.
헤드 유닛(200)은 마이크 센서(100)로부터 입력되는 음원 신호들을 이용하여 음원 신호들의 발화 지점을 추정하며, 추정된 결과에 따라 빔 포밍(beam forming) 알고리즘을 이용하여 마이크 센서(100)에서 입력되는 음원 신호의 빔 포밍 영역을 가변 조정한다. 여기서, 빔 포밍(Beam Forming)이란, 방향성을 가진 빔이 형성되어 원하는 방향으로부터 전파되어오는 신호만을 수신하고, 그 외의 방향으로부터 전파되어 오는 음성 신호 또는 노이즈는 제거하는 것을 말한다.
구체적으로, 헤드 유닛(200)은 추정부(210), 저장부(220) 및 조정부(230)를 포함한다.
추정부(210)는 마이크 센서(100)로부터 수신되는 음원 신호들을 분석하여 기준 레벨 이하의 신호는 노이즈로 간주하여 제거한다. 추정부(210)는 제거된 신호에서 음성의 주파수 특성에 따라 200Hz ~ 3000Hz 내의 신호를 추출하여, 추출된 음원 신호들을 이용하여 음원 신호의 발화 지점을 추정할 수 있다.
일반적으로 3개 이상의 마이크 센서(100)로부터 수신되는 음원 신호를 이용하여 3차원 공간에서의 음원 발화 지점이 추정될 수 있다. 발화 지점을 추정하기 위해서는 채널간의 시간 차이, 세기 차이 및 위상 차이가 이용될 수 있다.
본 발명에서 추정부(210)는 마이크 센서(100)로부터 입력되는 음원 신호의 도착 시간차(Time Difference of Arrival, TDOA)를 이용하여 음원 신호들의 발화 위치를 추정한다. 여기서, 음원 신호의 도착 시간차를 이용하여 음성 발화 위치를 추정하는 방법에는 다양한 알고리즘이 이용될 수 있다. 일반적으로 도착 시간차를 이용한 방법에는 상호 상관 함수를 이용한 방법과 적응 필터를 이용하는 방법이 이용되며, 도착 시간차를 이용한 알고리즘은 널리 알려져 있다.
저장부(220)는 데이터 저장을 위한 메모리로서, 플래시 메모리일 수 있다. 저장부(220)는 헤드 유닛(200) 내에 구현될 수 있으며, 헤드 유닛(200)과 별도로 구현될 수도 있다. 이 저장부(220)에는 도 4에 도시된 바와 같이 빔 영역 매트릭스의 가상 좌표값이 저장된다. 이 빔 영역 매트릭스는 도 5와 같이, 사용자의 음성이 발화될 가능성이 있는 위치에 대한 가상 영역의 매트릭스이다. 이 빔 영역 매트릭스는 디폴트 영역(A, B, C, D 영역)과 디폴트 영역 주변의 확장 영역(위크 영역, weak area)으로 구성된다. 또한, 저장부(220)에는 후술하는 바에 따라 빔 영역 조정을 위한 조정 모드(도 6의 (1) ~ (5))별 빔 영역 조정을 위해 최적화된 튜닝 알고리즘이 더 저장될 수 있다.
조정부(230)는 추정부(210)에서 추정된 음원 신호의 발화 지점 좌표와 저장부(220)에 저장된 매트릭스의 좌표를 비교하며, 비교 결과에 따라 저장부(220)에 저장된 빔 포밍 튜닝 알고리즘을 이용하여 5개의 모드 중 하나의 모드로 빔 포밍 영역을 조정한다. 구체적으로, 조정부(230)는 평상시에는 도 6의 (5)와 같이 디폴트 영역을 커버하는 디폴트 모드 상태에서, 추정부(210)에서 추정된 발화 지점이 디폴트 영역 이외의 확장 영역에 위치할 경우, 조정부(230)는 추정된 발화 지점이 위치한 확장 영역을 커버하는 모드(도 6의 (1) ~ (4) 중 하나)로 빔 포밍 영역을 조정한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 어레이 마이크의 음성 인식 향상 방법 흐름도이다.
먼저 헤드 유닛(200)은 빔 스티어링 모드인 상태에서 4개의 마이크 센서(100)를 통해 입력되는 음원 신호를 수신한다(S100). 헤드 유닛(200)은 수신된 4개의 음원 신호를 분석하여 음원 신호의 발화 위치를 추정한다(S200). 구체적으로, 헤드 유닛(200)은 마이크 센서(100)로부터 수신되는 음원 신호들을 분석하여 기준 레벨 이하의 신호는 노이즈로 간주하여 제거한다. 헤드 유닛(200)은 제거된 신호에서 음성의 주파수 특성에 따라 200Hz ~ 3000Hz 내의 신호를 추출하여, 추출된 음원 신호들의 시간차를 이용하여 음원 신호의 발화 지점을 추정한다.
헤드 유닛(200)은 S200에서 추정된 음원 신호의 발화 지점 좌표와 기저장된 빔 포밍 매트릭스(도 4에 도시됨)의 좌표를 비교한다(S300). 비교 결과에 따라 헤드 유닛(200)은 기저장된 모드 중 하나의 모드의 튜닝 알고리즘을 이용하여 빔 포밍 영역을 조정한다(S400).
구체적으로, 추정된 음원 신호의 발화 지점이 도 4의 빔 포밍 매트릭스의 AA, NA, WA 영역 내에 위치한 경우, 헤드 유닛(200)은 도 6의 (1)과 같이, 디폴트 영역인 A영역과 A 영역의 확장 영역인 AA, NA, WA 영역을 커버할 수 있는 A 모드로 빔 포밍 영역을 조정한다. 이와 같이, 헤드 유닛(200)은 발화 지점이 BB, NB, EB 영역 내인 경우, 빔 포밍 영역을 도 6의 (2)와 같이 B 모드로 조정한다. 발화 지점이 CC, EC, WC 영역 내인 경우, 헤드 유닛(200)은 빔 포밍 영역을 도 6의 (3)과 같이 C 모드로 조정한다. 발화 지점이 DD, SD, ED 영역 내인 경우, 헤드 유닛(200)은 빔 포밍 영역을 도 6의 (4)와 같이 D 모드로 조정한다. 한편, 추정된 음원 신호의 발화 지점이 A,B,C,D 영역 내에 위치한 경우, 헤드 유닛(200)은 도 6의 (5)와 같이 빔 포밍 영역을 디폴트 모드로 조정한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 마이크 센서 200 : 헤드 유닛
210 : 추정부 220 : 저장부
230 : 조정부

Claims (9)

  1. 복수의 채널을 형성하는 복수의 마이크 센서; 및
    상기 복수의 마이크 센서로부터 입력되는 음성 신호들을 이용하여 상기 음성 신호들의 발화 지점을 추정하며, 상기 추정된 발화 지점으로 상기 복수의 마이크 센서의 빔 포밍 영역을 이동시키는 헤드 유닛;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 어레이 마이크의 음성 인식 향상 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 헤드 유닛은 복수의 구역을 포함하는 기설정된 빔 영역 매트릭스 내 상기 추정된 발화 지점이 위치한 구역을 커버하는 영역으로 빔 포밍 영역을 이동시키는 것을 특징으로 하는 차량용 어레이 마이크의 음성 인식 향상 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 빔 영역 매트릭스는 디폴트 구역과 상기 디폴트 구역을 둘러싸는 확장 구역으로 이루어진 것을 특징으로 하는 어레이 마이크를 이용한 차량용 어레이 마이크의 음성 인식 향상 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 헤드 유닛은 상기 추정된 발화 지점이 상기 확장 구역에 위치한 경우, 상기 빔 영역 매트릭스 내 디폴트 구역을 커버하는 빔 포밍 영역을 상기 발화 지점이 위치한 확장 구역을 커버하는 영역으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 차량용 어레이 마이크의 음성 인식 향상 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 헤드 유닛은 상기 복수의 마이크 센서의 각 채널로 입력되는 음성 신호들의 시간차를 이용하여 상기 음성 신호들의 발화 지점을 추정하는 것을 특징으로 하는 차량용 어레이 마이크의 음성 인식 향상 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 마이크 센서는 적어도 3개의 어레이 마이크 센서인 것을 특징으로 하는 차량용 어레이 마이크의 음성 인식 향상 시스템.
  7. 복수의 마이크 센서로부터 음성 신호들을 입력받는 단계;
    상기 입력된 음성 신호들을 이용하여 상기 음성 신호들의 발화 지점을 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 발화 지점으로 상기 복수의 마이크 센서의 빔 포밍 영역을 이동시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 어레이 마이크의 음성 인식 향상 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 발화 지점을 추정하는 단계는 상기 복수의 마이크 센서의 각 채널로 입력되는 음성 신호들의 시간차를 이용하여 상기 음성 신호들의 발화 지점을 추정하는 것을 특징으로 하는 차량용 어레이 마이크의 음성 인식 향상 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 빔 포밍 영역을 이동시키는 단계는 디폴트 구역과 상기 디폴트 구역을 둘러싸는 확장 구역으로 이루어진 기설정된 빔 영역 매트릭스 내에서, 상기 추정된 발화 지점이 상기 확장 구역에 위치한 경우 상기 디폴트 구역을 커버하는 빔 포밍 영역을 상기 발화 지점이 위치한 확장 구역을 커버하는 영역으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 차량용 어레이 마이크의 음성 인식 향상 방법.
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