KR20170054752A - 음향 수신부를 이용한 음원 추적 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음향 수신부를 이용한 음원 추적 장치 및 방법에 관한 것이다.
복수 개의 음향 수신부에 도달하는 각각의 소리레벨 세기에 의거 2개의 음향 수신부를 음원 발생 영역으로 설정하고, 음향 수신부 간의 거리와 음향수신부에 소리가 도달하는 경로차를 이용하여 음원의 방위각 또는/및 고도각을 산출하는 것에 관한 것이다.

Description

음향 수신부를 이용한 음원 추적 장치 및 방법 {Apparatus for tracking sound source using sound receiving device and method thereof}

본 발명은 음향 수신부를 이용한 음원 추적 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 복수 개의 음향 수신부에 도달하는 각각의 소리레벨 세기에 의거 2개의 음향 수신부를 음원 발생 영역으로 설정하고, 음향 수신부 간의 거리와 음향수신부에 소리가 도달하는 경로차를 이용하여 음원의 방위각 또는/및 고도각을 산출하는 것에 관한 것이다.

음향수신부(CCTV 포함)를 이용한 음원 추적 방식은 다음과 같다.

음향/음원추적용 CCTV는 사람의 고함이나 비명 등 특정 소리가 나면 이를 감지해 CCTV가 그 방향으로 회전하여 영상촬영을 하며 사용자(관제실)에게 경고신호를 알리게 된다.

일반적인 절차는 다음과 같다.

복수의 어레이 음향센서가 신호수집(상시) -> 이상음 발생 (미리 임계치 신호 설정됨) -> 트리거발생(이벤트발생) -> 신호분석 및 음원추적 알고리즘 실행 -> 음원의 방위각 및 고도각 산출 -> CCTV 모터회전 -> 상황녹화 및 알람 전송 과정으로 수행된다.

상기에서 음향(음원) 추적 알고리즘은 다양한 방식으로 구현되고 있으나, 음향(음원)의 발생지를 정확하게 추적하는 방식이 제공되지 않고 있었다.

국내 등록번호 10-1269189

본 발명은 음향(음원) 추적을 위한 장치 및 알고리즘을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 복수 개의 음향 수신부에 도달하는 각각의 소리레벨 세기에 의거 2개의 음향 수신부를 음원 발생 영역으로 설정하고, 음향 수신부 간의 거리와 음향수신부에 소리가 도달하는 경로차를 이용하여 음원의 방위각을 산출하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 상기 설정된 음원 발생 영역을 구성하는 2개의 음향수신부 중 어느 하나의 음향수신부와 상기 음원 발생 영역을 구성하지 않은 다른 음향수신부에 각각 도달시의 경로차와 상기 설정된 음원영역을 구성하는 2개의 음향수신부 중 어느 하나의 음향수신부와 상기 음원영역을 구성하지 않은 다른 음향수신부간의 거리를 이용하여 고도각을 산출하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 음향 수신부를 이용한 음원 추적 장치는, 음향발생부로부터 음향을 수신하는 복수 개의 음향수신부; 상기 각 음향 수신부에 도달한 소리레벨 세기가 비교되는 소리레벨크기 산출부; 상기 비교결과에 의거 소리레벨이 크게 수신된 2개의 음향수신부 사이를 음원발생의 영역으로 설정하는 음원영역 설정부; 상기 설정된 음원영역을 구성하는 2개의 음향수신부에 각각 도달시의 경로차인 음파의 제 1 시간도달차 또는 상기 설정된 음원영역을 구성하는 2개의 음향수신부 중 어느 하나의 음향수신부와 상기 음원영역을 구성하지 않은 다른 음향수신부에 각각 도달시의 경로차인 음파의 제 2 시간도달차를 구하는 도달 시간차 계산부;

상기 제 1 도달 시간차와 상기 음원영역을 구성하는 2개의 음향수신부간의 거리를 이용하여 음원의 방위각을 구하는 방위각 산출부; 상기 제 2 도달 시간차와 상기 설정된 음원영역을 구성하는 2개의 음향수신부 중 어느 하나의 음향수신부와 상기 음원영역을 구성하지 않은 다른 음향수신부간의 거리를 이용하여 음원의 고도각을 구하는 고도각 산출부; 및 상기 각 구성들을 제어하는 제어부;를 포함하여 동작한다.

본 발명의 음향(음원) 추적을 위한 장치 및 알고리즘에 의해 음원 발생 지점을 정확히 추적할 수 있다.

또한 본 발명은 복수 개의 음향 수신부에 도달하는 각각의 소리레벨 세기에 의거 2개의 음향 수신부를 음원 발생 영역으로 설정하고, 음향 수신부 간의 거리와 음향수신부에 소리가 도달하는 경로차를 이용하여 음원의 방위각을 정확하게 산출할 수 있다.

또한 본 발명은 상기 설정된 음원 발생 영역을 구성하는 2개의 음향수신부 중 어느 하나의 음향수신부와 상기 음원 발생 영역을 구성하지 않은 다른 음향수신부에 각각 도달시의 경로차와 상기 설정된 음원영역을 구성하는 2개의 음향수신부 중 어느 하나의 음향수신부와 상기 음원영역을 구성하지 않은 다른 음향수신부간의 거리를 이용하여 고도각을 정확하게 산출할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 음향 수신부를 이용한 음원 추적 장치의 구성을 나타낸 블럭도
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 음향 수신부를 이용한 음원 추적 방법을 보여주는 흐름도
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 음향 수신부를 이용한 음원 추적 시스템을 보여주는 도면
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 음향 수신부를 이용한 음원 추적 방법이 구현되는 것을 보여주는 도면
도 5는 음원추적을 보여주는 도면
도 6은 설치된 음향수신부의 평면도 및 정면도를 보여주는 도면
도 7은 소리크기 레벨에 의해 음원발생 영역 설정 및 방위각 등을 보여주는 도면
도 8a/8b/8c는 상기 방위각 산출의 구체적 예를 보여주는 도면
도 9는 고도각 산출을 보여주는 도면

이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

본 발명에서 사용하는 용어 중에서, 음향은 음성을 포함한다.

또한 본 발명에서의 음향발생부는 음원발생부 또는/및 음성 발생부를 포함하는 것으로 해석하도록 한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면 본 발명의 실시 예를 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 음향 수신부를 이용한 음원 추적 장치의 구성을 나타낸 블럭도이다.

도면에 나타난 바와 같이,음향(음원)발생부(300)로부터 음향을 수신하는 복수 개의 음향수신부 (100);

상기 각 음향 수신부에 도달한 소리레벨 세기가 비교되는 소리레벨크기 산출부; 상기 비교결과에 의거 소리레벨이 크게 수신된 2개의 음향수신부 사이를 음원발생의 영역으로 설정하는 음원영역 설정부; 상기 설정된 음원영역을 구성하는 2개의 음향수신부에 각각 도달시의 경로차인 음파의 제 1 시간도달차 또는 상기 설정된 음원영역을 구성하는 2개의 음향수신부 중 어느 하나의 음향수신부와 상기 음원영역을 구성하지 않은 다른 음향수신부에 각각 도달시의 경로차인 음파의 제 2 시간도달차를 구하는 도달 시간차 계산부; 상기 제 1 도달 시간차와 상기 음원영역을 구성하는 2개의 음향수신부간의 거리를 이용하여 음원의 방위각을 구하는 방위각 산출부; 및 상기 제 2 도달 시간차와 상기 설정된 음원영역을 구성하는 2개의 음향수신부 중 어느 하나의 음향수신부와 상기 음원영역을 구성하지 않은 다른 음향수신부간의 거리를 이용하여 음원의 고도각을 구하는 고도각 산출부; 를 포함하는 연산부와, 상기 각 구성들을 제어하는 제어부 및 미리 정한 값 및 동작 프로그램이 저장되어 있는 플랫폼 (200);를 포함한다.

상기 음향(음성)수신부 (100)는 2개의 음향 수신부에 의한 각도에 따른 음원 영역범위 설정과, 영역을 설정하는 두개 센서에 도달하는 시간도달차 (TDOA)를 명확히 구분하기 위해 3개 또는 4개가 서로 등 간격으로 구비되는 것이 바람직하다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 음향 수신부를 이용한 음원 추적 방법을 보여주는 동작 흐름도이다.

도면에 나타난 바와 같이, 음향 수신부가 복수 개 (3개 또는 4개)를 설치한다. (S 201)

상기 각 음향 수신부에 도달한 소리레벨 세기의 최대값을 비교하여, 소리레벨이 크게 수신된 2개의 음향수신부 사이를 음원이 발생된 영역으로 설정한다. (S 203, S 205)

상기 설정된 음원(발생)영역을 구성하는 2개의 음향수신부에 각각 도달시의 경로차인 음파의 제 1 시간도달차(d)와 상기 음원영역을 구성하는 2개의 음향수신부간의 제 1 거리 (L)를 미리 정한 식에 대입하여 음원의 방위각을 구한다. (S 207)

상기 설정된 음원영역을 구성하는 2개의 음향수신부 중 어느 하나의 음향수신부와 상기 음원영역을 구성하지 않은 다른 음향수신부에 각각 도달시의 경로차인 음파의 제 2 시간도달차 (d1)와 상기 설정된 음원영역을 구성하는 2개의 음향수신부 중 어느 하나의 음향수신부와 상기 음원영역을 구성하지 않은 다른 음향수신부간의 제 2 거리 (L1)를 미리 정한 식에 대입하여 음원의 고도각을 구한다.

상기 경로차인 음파의 제 1 시간도달차 (d)는 음속 * 센서들 간의 시간차, d= c

이고, 여기서 상기 d 값을 알고 센서간의 상기 제 1 거리 L값에 의거 직삼각형의 공식에 의해 방위각 θ값은, sin θ = d/L 가 된다.

상기 방위각이 산출된 후 좌표축이 틀어진 것을 고려하기 위해 미리 정한 좌표 보정값을 반영하여 최종 음원의 방위각을 산출할 수도 있다.

또한 상기 경로차인 음파의 제 2 시간도달차 (d1)는 음속 * 센서들 간의 시간차, d1= c

이고,

여기서 상기 d1 값을 알고 센서간의 상기 제 2 거리 L1값에 의거 직삼각형의 공식에 의해 고도각 θ값은, cos θ = d1/L1 이다.

상기와 같은 본 발명의 기술적 사상 및 특징에 대해 관련도면들을 참고하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 음향 수신부를 이용한 음원 추적 시스템을 보여주는 도면이다.

도면에 나타난 바와 같이, 음향수신부 (100) 및 플랫폼이 설치된 상태 및 세부 구성들을 보여주고 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 음향 수신부를 이용한 음원 추적 방법이 구현되는 것을 보여주는 프로그램 구성 및 계통도이다.

알고리즘을 통해 음원발생지, 음원의 방위각 및 고도각을 산출하여 CCTV가 해당 지역으로 회전하여 촬영을 하게 된다.

도 5는 음원추적을 보여주는 도면으로써, 음원, 방위각, 고도각을 보여주고 있다.

도 6은 설치된 음향수신부의 평면도 및 정면도를 보여주는 도면이다.

도 7은 소리크기 레벨에 의해 음원발생 영역 설정 및 방위각 등을 보여주는 도면이고, 도 8a/8b/8c는 상기 방위각 산출의 구체적 예를 보여주는 도면이다.

도 7에 나타난 바와 같이, 음향수신부(mic 1 -3)는 일정한 등간격으로 이루어진 마이크로폰을 통해 소리를 수음하여 각 센서에 도달한 신호의 세기의 최대값을 비교하여 음원영역을 설정한다 (실시 예에서는 음원이 있는 1구역을 음원영역으로 설정됨). 일반적으로 음원과 각각의 마이크로폰과의 거리에 따라 신호의 세기는 달라진다. 따라서 각각의 마이크로폰에서 수음된 신호를 분석하면 신호의 세기가 가장 큰 마이크로폰과 가까운 곳에서 소리가 발생하였음을 알 수 있다.

이 원리를 이용하여 음원추적 알고리즘에 적용하면 다음과 같다.

미리 정한 임계치가 넘는 음원이 발생 되었을 경우 3개의 마이크로폰 배열 중 음원과 직접적으로 가까운 2개의 센서 (실시 예에서는 mic 2,3)를 선정하여 구역을 나눈다.

도 8a 및 도 8b에 나타난 바와 같이, 상기 음원 발생 영역이 설정이 되면 다음 단계로써 센서들 간의 시간도달차(TDOA)를 이용하여 음원의 방위각을 산출한다.

상기 음원영역으로 설정된 각도의 센서들(mic 2,3)간의 거리는 기구적으로 알 수 있는 값이 되며(L), 매질이 공기일 때 음파의 속도값(C)은 C=331.42+(0.6*T) 이므로 측정시의 온도값(T)을 알면 음속을 구할 수 있다. 음속의 값을 센서들 간의 시간차를 곱하면 경로차가 나오며 결국 음원의 2차원적인 방위각(θ)을 산출할 수가 있다.

부연하면, 방위각 산출에 있어 방향에 따른 경로차 계산은 다음과 같다.

음원의 위치가 센서 사이의 거리에 비해 충분히 먼 경우, 음원에서 센서까지 도달하는 음파를 평면파로 가정할 수 있다. 그렇게 되면 음원이 정면에 있지 않은 경우 도 8b와 같이 음원에서 발생한 소리가 센서에 도달할 때 경로차 d 생긴다.

경로차 d는 매질의 음속 * 센서들 간의 시간차와 같다. d= c

따라서 경로차 d 를 구할 수 있다. 여기서 경로차 d 값을 알고 센서간의 거리 L값을 알기 때문에 최종적으로 직삼각형의 공식에 의해 방위각(θ)을 산출할 수가 있다. sin θ = d/L,

한편, θ값이 산출된 후 좌표축이 틀어져 있기 때문에 도 8c의 기하학적인 좌표 보정값을 취하여 최종적인 음원의 방위각을 산출할 수 있다.

상기 보정 값에 대해, 도 8b를 참고하여 설명한다.

현재 CCTV에 설치된 마이크로폰 배열은 직교좌표계의 축과 일치하지 않아 한축이 일치하는 좌표계로 선형 변환을 해야되기 때문에 좌표 보정값을 고려하는 것이다.

도 8b를 설명하면 소리(sound)가 0도 부분기준으로 40도부분에서 발생되었다고 볼때 센서 1번과 2번으로 음원발생 영역이 정해지게 된다. 그 다음 절차로 시간차 알고리즘으로 인해 쎄타(θ)값이 10도가 결정되지만 Y축기준으로 볼때 센서 2번이 Y축으로 부터 30도정도 아래로 틀어져 있기 때문에 좌표점을 찍기가 어렵게 된다.

따라서 Y축으로 션형변환을 하기위한 절차로 경로차 10도(d)와 보정각도(틀어진각도) 30도를 더해서 40도가 방위각으로 추정된 값이라고 생각하면 된다.

도 9는 고도각 산출을 보여주는 도면이다.

고도각을 산출할 때는 직접적인 경로에 놓인 마이크로폰 2개 (도 7에서 음원영역으로 구성되는 mic 2 및 mic 3)중 어느 하나, 그리고 직접적인 경로에서 벗어난 나머지 하나의 센서 (도 7에서의 mic 1)를 사용한다. 방법은 방위각 산출과 마찬가지로 2차원적으로 음속과 시간차를 이용하여 고도각을 산출할 수가 있다.

고도각 산출공식도 방위각 산출공식과 마찬가지로 경로차 d1를 구하고 직각삼각형의 공식에 의해 고도각 (θ) 를 산출할 수 있겠다.

즉, 상기 경로차인 음파의 시간도달차 (d1)는 음속 * 센서들 간의 시간차,

d1= c

이고,

여기서 상기 d1 값을 알고 상기 센서간(음원영역을 구성하는 2개의 음향수신부 중 어느 하나의 음향수신부와 상기 음원영역을 구성하지 않은 다른 음향수신부)의 L1값에 의거 직삼각형의 공식에 의해 고도각 θ값, cos θ = d1/L1 을 구할 수 있다.

고도각은 좌표축이 기본축과 동일함으로 보정값 없이 바로 계산할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 음향 수신부를 이용한 음원 추적 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 복수 개의 음향 수신부에 도달하는 각각의 소리레벨 세기에 의거 2개의 음향 수신부를 음원 발생 영역으로 설정하고, 음향 수신부 간의 거리와 음향수신부에 소리가 도달하는 경로차를 이용하여 음원의 방위각 또는/및 고도각을 산출하는 것에 관한 것이다.

본 발명은 가로등 및 차량에 구비된 영상감시장치를 통해 구해진 영상과 미리 저장된 영상과의 비교 결과 또는/및 외부 환경정보(바람,안개등)를 고려하여 상기 가로등 또는/및 차량에 구비된 음향 발생부를 선택적 또는 모두 동작시켜 위험상황을 알리는 영상감시장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 음향수신부, 200 : 플랫폼, 300 : 음원발생부

Claims (6)

1. 음향 발생부로부터 음향을 수신하는 복수 개의 음향 수신부;
   상기 각 음향 수신부에 도달한 소리레벨 세기가 비교되는 소리레벨크기 산출부;
   상기 비교결과에 의거 소리레벨이 크게 수신된 2개의 음향수신부 사이를 음원발생의 영역으로 설정하는 음원영역 설정부;
   상기 설정된 음원영역을 구성하는 2개의 음향수신부에 각각 도달시의 경로차인 음파의 제 1 시간도달차 또는 상기 설정된 음원영역을 구성하는 2개의 음향수신부 중 어느 하나의 음향수신부와 상기 음원영역을 구성하지 않은 다른 음향수신부에 각각 도달시의 경로차인 음파의 제 2 시간도달차를 구하는 도달 시간차 계산부;
   상기 제 1 도달 시간차와 상기 음원영역을 구성하는 2개의 음향수신부간의 거리를 이용하여 음원의 방위각을 구하는 방위각 산출부;
   상기 제 2 도달 시간차와 상기 설정된 음원영역을 구성하는 2개의 음향수신부 중 어느 하나의 음향수신부와 상기 음원영역을 구성하지 않은 다른 음향수신부간의 거리를 이용하여 음원의 고도각을 구하는 고도각 산출부; 및
   상기 각 구성들을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향수신부를 이용한 음원 추적 장치.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 음향수신부는 각도에 따른 음원 영역범위 설정과 영역을 설정하는 두개 센서에 도달하는 시간도달차 (TDOA)를 구분하기 위해 3개 또는 4개가 서로 등 간격으로 구비되는 것을 특징으로 음향수신부를 이용한 음원 추적 장치.
   
3. 음향 수신부가 복수 개 구비되는 단계;
   상기 각 음향 수신부에 도달한 소리레벨 세기가 비교되는 단계;
   상기 비교결과, 소리레벨이 크게 수신된 2개의 음향수신부 사이가 음원의 영역으로 설정되는 단계;
   상기 설정된 음원영역을 구성하는 2개의 음향수신부에 각각 도달시의 경로차인 음파의 제 1 시간도달차와 상기 음원영역을 구성하는 2개의 음향수신부간의 제 1 거리를 미리 정한 식에 대입하여 음원의 방위각이 구해지는 단계;
   상기 설정된 음원영역을 구성하는 2개의 음향수신부 중 어느 하나의 음향수신부와 상기 음원영역을 구성하지 않은 다른 음향수신부에 각각 도달시의 경로차인 음파의 제 2 시간도달차와 상기 설정된 음원영역을 구성하는 2개의 음향수신부 중 어느 하나의 음향수신부와 상기 음원영역을 구성하지 않은 다른 음향수신부간의 제 2 거리를 미리 정한 식에 대입하여 음원의 고도각이 구해지는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향수신부를 이용한 음원 추적 방법.
   
4. 제 3항에 있어서, 상기 경로차인 음파의 제 1 시간도달차 (d)는 음속 * 센서들 간의 시간차, d= c

   

   이고,
   여기서 상기 d 값을 알고 센서간의 상기 제 1 거리 L값에 의거 직삼각형의 공식에 의해 방위각 θ값은, sin θ = d/L 인 것을 특징으로 하는 음향수신부를 이용한 음원 추적 방법.
   
5. 제 3항 또는 4항에 있어서, 상기 방위각이 산출된 후 좌표축이 틀어진 것을 고려하기 위해 미리 정한 좌표 보정값을 반영하여 최종 음원의 방위각을 산출하는 것을 특징으로 하는 음향수신부를 이용한 음원 추적 방법.
6. 제 3항에 있어서, 상기 경로차인 음파의 제 2 시간도달차 (d1)는 음속 * 센서들 간의 시간차, d1= c

   

   이고,
   여기서 상기 d1 값을 알고 센서간의 상기 제 2 거리 L1값에 의거 직삼각형의 공식에 의해 고도각 θ값은, cos θ = d1/L1 인 것을 특징으로 하는 음향수신부를 이용한 음원 추적 방법.

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