KR20180087021A - 실내전달함수 추정 방법 및 신호 처리 방법 - Google Patents

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이정훈
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Abstract

본 명세서는 실내전달함수 추정 방법 및 신호 처리 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 단구간 푸리에 변환을 이용하여 실내전달함수를 추정하는 실내전달함수 추정 방법 및 신호 처리 방법에 관한 것이다.

Description

실내전달함수 추정 방법 및 신호 처리 방법{METHOD FOR ESTIMATING ROOM TRANSFER FUNCTION IN NOISE ENVIRONMENT AND SIGNAL PROCESS METHOD FOR ESTIMATING ROOM TRANSFER FUNCTION IN NOISE ENVIRONMENT}
본 명세서는 실내전달함수 추정 방법 및 신호 처리 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 푸리에 역변환을 이용하여 실내전달함수를 추정하는 실내전달함수 추정 방법 및 신호 처리 방법에 관한 것이다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 실내 음향 신호의 처리 및 개선에 관한 기술로, 소음 환경을 고려한 실내전달함수 추정을 위해 단구간 스펙트럼 처리를 통해 주파수 영역에서 원하는 신호를 마스킹하는 기법에 관한 것이다.
실내 청취환경에서 음성이나 음악 등이 청취자에게 전달되는 동안 실내의 특성에 따라 신호가 왜곡된다. 이를 주파수 영역에서 두 신호 사이의 주파수별 함수 관계로 표현한 것이 실내전달함수 (room transfer function) 또는 주파수 응답 (frequency response)이다.
실내전달함수를 이용하면 음성이나 오디오 신호를 실제 그 공간에 있는 듯한 효과 즉, 가상현실 (또는 증강현실)에서의 음향효과를 얻을 수 있다. 또한 실내전달함수의 역함수를 이용하여 신호의 왜곡을 음향출력 단에서 미리 보상함으로써 청취자가 신호의 전달과정에서 생기는 울림이나 잔향 등을 덜 느끼는 효과를 얻을 수 있다.
위에서 언급한 음향효과나 보상시스템 (audio equalizer 또는 room equalizer)을 제대로 구현하기 위해서는 정확한 실내전달함수가 필요하다. 실내전달함수 측정을 위해서 가장 널리 그리고 성공적으로 사용되는 방법은 실내에서 사인 스윕 신호 (sine sweep signal)를 스피커로 재생하고 이를 마이크로 취득하여 이들 스펙트럼 간의 비로서 실내전달함수를 구하는 방법이다. 이 과정에서 사인 스윕 신호에 해당하는 시간별 주파수 대역 이외의 성분은 모두 실내전달함수 추정 성능을 저하시키는 잡음으로 볼 수 있다. 그래서 적절한 잡음 제거 기술이 필요하다. 잡음 제거에 널리 쓰이는 방법으로는 스펙트럼 차감법 (spectral subtraction)이 있다.
스펙트럼 차감법이란, 음성이나 음향신호가 없는 구간에서 또는 음성이나 음향신호와 잡음신호가 혼재하는 구간에서, 잡음의 스펙트럼을 추정하고 이를 전체 신호에서 잡음 스펙트럼을 차감하는 방법이다. 그러나, 스펙트럼 차감법은 잡음 스펙트럼뿐만 아니라 사인 스윕 신호의 스펙트럼까지 손상시키는 문제가 있다. 따라서 추정에 필요한 신호를 손상시키지 않으며, 잡음은 제거하는 새로운 기법이 필요하다.
따라서, 본 명세서는 종래기술의 한계를 개선하는 것을 과제로 하여, 유효한 값을 추출하여 실내전달함수를 추정할 수 있는 실내전달함수 추정 방법 및 신호 처리 방법을 제공하고자 한다.
구체적으로, 본 명세서는 간단한 연산 과정으로 정확하고 신뢰성있는 실내전달함수 추정이 이루어질 수 있는 실내전달함수 추정 방법 및 신호 처리 방법을 제공하고자 한다.
상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 본 명세서에 개시된 실내전달함수 추정 방법 및 신호 처리 방법은, 단구간 푸리에 변환을 이용하여 실내전달함수를 추정하는 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로, 단구간 푸리에 변환을 이용하여 마스킹(Masking) 기법을 적용해 실내전달함수를 추정하기 위한 연산 처리 과정을 수행하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 명세서에 개시된 실내전달함수 추정 방법 및 신호 처리 방법은, 단구간 푸리에 변환 함수를 이용한 마스킹 기법으로 실내전달함수를 추정하는 것을 기술적 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 기술적 특징을 과제 해결 수단으로 하는 본 명세서에 개시된 실내전달함수 추정 방법은, 상기 실내전달함수의 추정 기준이 되는 기준 함수를 선정하는 단계, 상기 기준 함수에 대응하는 기준 음향을 상기 실내전달함수의 추정 대상 실내에 발생시키는 단계, 발생 결과에 따른 음향을 측정하여, 측정 음향에 대응하는 측정 함수를 산출하는 단계, 상기 기준 함수 및 상기 측정 함수 각각을 단구간 푸리에 변환하는 단계, 상기 기준 함수를 변환한 기준 변환 함수 및 상기 측정 함수를 변환한 측정 변환 함수를 근거로 상기 측정 함수의 주파수 성분에서 유효 대역에 해당하는 성분을 추출하는 단계 및 추출 결과에 따라 상기 실내전달함수를 추정하는 단계를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 유효 대역에 해당하는 성분을 추출하는 단계는, 상기 기준 변환 함수 및 상기 측정 변환 함수를 근거로 상기 측정 함수의 주파수 성분에서 잡음 대역에 해당하는 성분을 제거하여, 상기 유효 대역에 해당하는 성분을 추출할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 유효 대역에 해당하는 성분을 추출하는 단계는, 상기 측정 변환 함수에서 상기 기준 변환 함수와 대응하는 성분을 제외한 성분을 제거하여, 상기 잡음 대역에 해당하는 성분을 제거할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 유효 대역에 해당하는 성분을 추출하는 단계는, 상기 측정 변환 함수에서 상기 기준 변환 함수와 대응하는 성분을 강화하고, 강화한 성분을 제외한 성분을 제거하여, 상기 잡음 대역에 해당하는 성분을 제거할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 실내전달함수를 추정하는 단계는, 상기 추출 결과를 푸리에 역변환하여 상기 실내전달함수를 추정할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같은 기술적 특징을 과제 해결 수단으로 하는 본 명세서에 개시된 실내전달함수를 추정하기 위한 신호 처리 방법은, 상기 실내전달함수의 추정 기준이 되는 기준 신호를 생성하는 단계, 상기 기준 신호에 대응하는 기준 음향을 상기 실내전달함수의 추정 대상 실내에 발생시키는 단계, 발생 결과에 따른 음향을 측정하여, 측정 음향에 대응하는 측정 신호를 생성하는 단계, 상기 기준 신호 및 상기 측정 신호 각각에 대응하는 함수를 단구간 푸리에 변환하는 단계, 상기 기준 신호의 함수를 변환한 기준 변환 함수 및 상기 측정 신호의 함수를 변환한 측정 변환 함수를 근거로 상기 측정 신호의 주파수 대역에서 유효 성분에 해당하는 대역을 추출하는 단계 및 추출 결과에 따라 상기 실내전달함수를 추정하는 단계를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 유효 성분에 해당하는 대역을 추출하는 단계는, 상기 기준 변환 함수 및 상기 측정 변환 함수를 근거로 상기 측정 신호의 주파수 대역에서 잡음 성분에 해당하는 대역을 제거하여, 상기 유효 성분에 해당하는 대역을 추출할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 유효 성분에 해당하는 대역을 추출하는 단계는, 상기 측정 변환 함수에서 상기 기준 변환 함수와 대응하는 성분을 제외한 성분을 제거하여, 상기 잡음 성분에 해당하는 대역을 제거할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 유효 성분에 해당하는 대역을 추출하는 단계는, 상기 측정 변환 함수에서 상기 기준 변환 함수와 대응하는 성분을 강화하고, 강화한 성분을 제외한 성분을 제거하여, 상기 잡음 성분에 해당하는 대역을 제거할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 실내전달함수를 추정하는 단계는, 상기 추출 결과를 푸리에 역변환하여 상기 실내전달함수를 추정할 수 있다.
본 명세서에 개시된 실내전달함수 추정 방법 및 신호 처리 방법은, 단구간 푸리에 변환을 이용한 마스킹 기법을 적용함으로써, 실내전달함수 추정에 필요한 영역만을 남길 수 있고, 이에 따라, 정확한 실내전달함수의 추정이 이루어질 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 명세서에 개시된 실내전달함수 추정 방법 및 신호 처리 방법은, 기존의 스펙트럼 차감법 대비 잡음의 처리가 효율적/효과적으로 이루어질 수 있고, 신호 처리의 상관도를 높게 유지할 수 있어, 종래 기술의 신뢰성 및 활용성을 개선 및 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 명세서에 개시된 실내전달함수 추정 방법의 순서를 나타낸 순서도.
도 2는 본 명세서에 개시된 실내전달함수를 추정하기 위한 신호 처리 방법의 순서를 나타낸 순서도.
도 3은 본 명세서에 개시된 실내전달함수 추정 방법 및 신호 처리 방법의 실내전달함수 추정을 위한 연산 과정을 나타낸 알고리즘도.
도 4는 본 명세서에 개시된 실내전달함수 추정 방법 및 신호 처리 방법의 기준 함수의 단구간 푸리에 변환에 따른 스펙트럼을 나타낸 스펙트럼도.
도 5는 본 명세서에 개시된 실내전달함수 추정 방법 및 신호 처리 방법의 측정 함수의 단구간 푸리에 변환에 따른 스펙트럼을 나타낸 스펙트럼도.
도 6은 도 5에 도시된 측정 함수의 단구간 푸리에 변환에 따른 스펙트럼을 마스킹한 결과를 나타낸 스펙트럼도.
본 명세서에 개시된 발명은 소음 환경에서 실내전달함수를 추정하기 위한 추정 방법 및 실내전달함수 추정을 위한 신호 처리 방법에 적용될 수 있다. 그러나 본 명세서에 개시된 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있는 기존의 모든 실내전달함수 추정 방법, 실내전달함수 연산 방법, 음향 장치, 음향 분석 장치, 음향 신호 처리 장치, 음향 신호 처리 방법 및 음향 신호 연산 방법 등에도 유용하게 적용될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 명세서에 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 그 기술의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 명세서에 개시된 실내전달함수 추정 방법 및 신호 처리 방법을 설명한다.
도 1은 본 명세서에 개시된 실내전달함수 추정 방법의 순서를 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 명세서에 개시된 실내전달함수를 추정하기 위한 신호 처리 방법의 순서를 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 명세서에 개시된 실내전달함수 추정 방법 및 신호 처리 방법의 실내전달함수 추정을 위한 연산 과정을 나타낸 알고리즘도이다.
도 4는 본 명세서에 개시된 실내전달함수 추정 방법 및 신호 처리 방법의 기준 함수의 단구간 푸리에 변환에 따른 스펙트럼을 나타낸 스펙트럼도이다.
도 5는 본 명세서에 개시된 실내전달함수 추정 방법 및 신호 처리 방법의 측정 함수의 단구간 푸리에 변환에 따른 스펙트럼을 나타낸 스펙트럼도이다.
도 6은 도 5에 도시된 측정 함수의 단구간 푸리에 변환에 따른 스펙트럼을 마스킹한 결과를 나타낸 스펙트럼도이다.
먼저, 본 명세서에 개시된 실내전달함수 추정 방법(이하, 추정 방법이라 칭한다)을 설명한다.
상기 추정 방법은, 실내전달함수의 추정 대상에 해당하는 소음 환경, 이를 테면 실내에 기준 음향을 발생하고, 발생 음향을 측정하여 상기 기준 음향과 상기 발생 음향의 스펙트럼을 분석하여 상기 실내전달함수를 추정하는 방법이다.
상기 추정 방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 실내전달함수의 추정 기준이 되는 기준 함수를 선정하는 단계(S10), 상기 기준 함수에 대응하는 기준 음향을 상기 실내전달함수의 추정 대상 실내에 발생시키는 단계(S11), 발생 결과에 따른 음향을 측정하여, 측정 음향에 대응하는 측정 함수를 산출하는 단계(S12), 상기 기준 함수 및 상기 측정 함수 각각을 단구간 푸리에 변환하는 단계(S13), 상기 기준 함수를 변환한 기준 변환 함수 및 상기 측정 함수를 변환한 측정 변환 함수를 근거로 상기 측정 함수의 주파수 성분에서 유효 대역에 해당하는 성분을 추출하는 단계(S14) 및 추출 결과에 따라 상기 실내전달함수를 추정하는 단계(S15)를 포함한다.
상기 기준 함수를 선정하는 단계(S10)는, 상기 실내전달함수를 추정하기 위한 기준 신호를 선정하고, 상기 기준 신호의 함수를 기준 함수로 선정할 수 있다.
여기서, 상기 기준 신호는, 상기 추정 대상 실내에 발생할 음향 신호로, 사인 스윕 신호(Sine Sweep Signal)를 의미할 수 있다.
즉, 상기 기준 신호는, 테스트 음향 신호를 의미할 수 있다.
상기 기준 음향을 상기 실내전달함수의 추정 대상 실내에 발생시키는 단계(S11)는, 상기 기준 함수에 대응하는 상기 기준 음향을 상기 추정 대상 실내에 발생시키고, 상기 측정 음향에 대응하는 측정 함수를 산출하는 단계(S12)는, 상기 추정 대상 실내에 발생한 음향을 측정하여, 상기 측정 음향에 대응하는 측정 함수를 산출할 수 있다.
즉, 상기 기준 음향을 상기 실내전달함수의 추정 대상 실내에 발생시키는 단계(S11)는, 테스트 음향(기준 함수)을 테스트 대상(추정 대상 실내)에 인가(발생)하는 단계이고, 상기 측정 음향에 대응하는 측정 함수를 산출하는 단계(S12)는, 테스트 대상(추정 대상 실내)에 인가되어 변화된 테스트 음향(기준 함수)을 측정하는 단계일 수 있다.
상기 기준 함수 및 상기 측정 함수는, 시간 영역 함수일 수 있다.
상기 단구간 푸리에 변환하는 단계(S13)는, 시간 영역 함수인 상기 기준 함수 및 상기 측정 함수 각각을 단구간 푸리에 변환(Short-Time Fourier Transform: STFT)하여 주파수 영역 함수로 변환할 수 있다.
상기 단구간 푸리에 변환하는 단계(S13)는, 상기 기준 함수 및 상기 측정 함수 각각을 단구간 푸리에 변환하여, 상기 기준 함수를 기준 변환 함수로, 상기 측정 함수를 측정 변환 함수로 변환할 수 있다.
상기 기준 함수 및 상기 측정 함수가 단구간 푸리에 변환된 상기 기준 변환 함수 및 상기 측정 변환 함수는, 주파수 영역 함수일 수 있다.
상기 유효 대역에 해당하는 성분을 추출하는 단계(S14)는, 단구간 푸리에 변환된 상기 기준 변환 함수 및 상기 측정 변환 함수를 이용하여 연산하는 단계일 수 있다.
상기 유효 대역에 해당하는 성분을 추출하는 단계(S14)는, 상기 기준 변환 함수 및 상기 측정 변환 함수를 근거로 상기 측정 함수의 주파수 성분에서 잡음 대역에 해당하는 성분을 제거하여, 상기 유효 대역에 해당하는 성분을 추출할 수 있다.
즉, 상기 유효 대역에 해당하는 성분을 추출하는 단계(S14)는, 상기 기준 변환 함수 및 상기 측정 변환 함수를 근거로 상기 측정 함수의 주파수 성분에서 상기 잡음 대역에 해당하는 성분을 제거함으로써, 상기 유효 대역에 해당하는 성분을 추출하게 될 수 있다.
상기 잡음 대역은, 상기 추정 대상 실내에 상기 기준 음향이 발생된 시기에 존재한 소음에 따른 대역일 수 있다.
즉, 상기 잡음 대역은, 노이즈 주파수 대역을 의미할 수 있다.
상기 유효 대역에 해당하는 성분을 추출하는 단계(S14)는, 상기 기준 변환 함수를 근거로 상기 측정 함수에서 상기 유효 대역에 해당하는 성분 및 상기 잡음 대역에 해당하는 성분을 판단하여, 상기 잡음 대역에 해당하는 성분을 제거할 수 있다.
상기 유효 대역에 해당하는 성분을 추출하는 단계(S14)는, 상기 측정 변환 함수에서 상기 기준 변환 함수와 대응하는 성분을 상기 측정 함수의 유효 대역에 해당하는 것으로 판단하고, 상기 측정 변환 함수에서 상기 기준 변환 함수와 대응하는 성분을 제외한 성분을 상기 측정 함수의 잡음 대역에 해당하는 것으로 판단하여, 상기 잡음 대역에 해당하는 성분을 제거할 수 있다.
상기 유효 대역에 해당하는 성분을 추출하는 단계(S14)는, 상기 측정 변환 함수에서 상기 기준 변환 함수와 대응하는 성분을 제외한 성분을 제거하여, 상기 잡음 대역에 해당하는 성분을 제거할 수 있다.
즉, 상기 유효 대역에 해당하는 성분을 추출하는 단계(S14)는, 상기 측정 변환 함수에서 상기 기준 변환 함수와 대응하는 성분은 상기 유효 대역에 해당하는 성분으로 판단하고, 상기 측정 변환 함수에서 상기 기준 변환 함수와 대응하는 성분 외의 성분은 상기 잡음 대역에 해당하는 성분으로 판단하여, 상기 측정 변환 함수에서 상기 기준 변환 함수와 대응하는 성분을 제외한 성분을 제거함으로써, 상기 측정 함수의 주파수 대역에서 상기 잡음 대역에 해당하는 성분을 제거하게 될 수 있다.
상기 유효 대역에 해당하는 성분을 추출하는 단계(S14)는, 상기 측정 변환 함수에서 상기 기준 변환 함수와 대응하는 성분을 강화하고, 강화한 성분을 제외한 성분을 제거하여, 상기 잡음 대역에 해당하는 성분을 제거할 수 있다.
즉, 상기 유효 대역에 해당하는 성분을 추출하는 단계(S14)는, 상기 유효 대역에 해당하는 성분으로 판단된 상기 기준 변환 함수와 대응하는 성분을 강화하고, 강화한 성분을 제외한 상기 잡음 대역에 해당하는 성분을 제거함으로써, 상기 측정 함수에서 상기 유효 대역에 해당하는 성분만을 추출하게 될 수 있다.
상기 유효 대역에 해당하는 성분을 추출하는 단계(S14)는, 상기 기준 변환 함수 및 상기 측정 변환 함수를 이용하여 상기 측정 변환 함수에서 상기 기준 변환 함수와 대응하는 성분을 강화하고, 강화한 성분을 제외한 성분을 제거함으로써, 상기 측정 함수의 주파수 대역에서 상기 잡음 대역에 해당하는 성분을 제거하고 상기 유효 대역에 해당하는 성분만 남은 측정 변환 함수를 마스킹(Masking)하여 추출할 수 있다.
상기 실내전달함수를 추정하는 단계(S15)는, 상기 추출 결과를 푸리에 역변환하여 상기 실내전달함수를 추정할 수 있다.
상기 실내전달함수를 추정하는 단계(S15)는, 상기 측정 함수에서 상기 잡음 대역에 해당하는 성분을 제거하고 상기 유효 대역에 해당하는 성분만을 추출한 결과를 푸리에 역변환하여 상기 실내전달함수를 추정할 수 있다.
상기 실내전달함수를 추정하는 단계(S15)는, 상기 유효 대역에 해당하는 성분을 추출하는 단계(S14)에서 추출한 측정 변환 함수를 시간 영역의 함수로 푸리에 역변환하여 상기 실내전달함수를 추정할 수 있다.
즉, 상기 실내전달함수를 추정하는 단계(S15)는, 상기 유효 대역에 해당하는 성분을 추출하는 단계(S14)에서 추출한 상기 잡음 대역에 해당하는 성분을 제거하고 상기 유효 대역에 해당하는 성분만 남은 측정 변환 함수를 시간 영역의 함수로 푸리에 역변환하여 상기 실내전달함수를 추정할 수 있다.
즉, 상기 추정 방법은, 상기 기준 함수 및 상기 측정 함수를 단구간 푸리에 변환된 상기 기준 변환 함수 및 상기 측정 변환 함수를 통해, 상기 측정 함수에서 상기 잡음 대역에 해당하는 성분을 제거하고 상기 유효 대역에 해당하는 성분만 남은 측정 변환 함수를 추출하고, 추출한 측정 변환 함수를 푸리에 역변환하여 상기 실내전달함수를 추정하게 될 수 있다.
상술한 바와 같은 상기 추정 방법은, 상기 실내전달함수를 추정하기 위한 신호 처리 방법으로도 실시될 수 있다.
이하, 본 명세서에 개시된 신호 처리 방법(이하, 처리 방법이라 칭한다)을 설명하되, 앞서 설명한 상기 추정 방법의 설명과 중복되는 내용은 생략하고, 상기 처리 방법의 실시 형태를 위주로 설명한다.
상기 처리 방법은, 실내전달함수를 추정하기 위한 신호 처리 방법이다.
상기 처리 방법은, 앞서 설명한 상기 추정 방법을 이용하여 상기 실내전달함수를 추정하기 위한 신호 처리 방법일 수 있다.
즉, 상기 처리 방법은, 앞서 설명한 상기 추정 방법에 따라 상기 실내전달함수를 추정하기 위한 신호 처리에 대한 방법일 수 있다.
상기 처리 방법은, 상기 실내전달함수를 추정하기 위한 장치, 신호 처리 장치, 테스트 장치 등의 처리 방법일 수 있다.
상기 처리 방법은, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 실내전달함수의 추정 기준이 되는 기준 신호를 생성하는 단계(S20), 상기 기준 신호에 대응하는 기준 음향을 상기 실내전달함수의 추정 대상 실내에 발생시키는 단계(S21), 발생 결과에 따른 음향을 측정하여, 측정 음향에 대응하는 측정 신호를 생성하는 단계(S22), 상기 기준 신호 및 상기 측정 신호 각각에 대응하는 함수를 단구간 푸리에 변환하는 단계(S23), 상기 기준 신호의 함수를 변환한 기준 변환 함수 및 상기 측정 신호의 함수를 변환한 측정 변환 함수를 근거로 상기 측정 신호의 주파수 대역에서 유효 성분에 해당하는 대역을 추출하는 단계(S24) 및 추출 결과에 따라 상기 실내전달함수를 추정하는 단계(S25)를 포함한다.
상기 기준 신호를 생성하는 단계(S20)는, 상기 실내전달함수를 추정하기 위한 기준 신호를 생성할 수 있다.
여기서, 상기 기준 신호는, 상기 추정 대상 실내에 발생할 음향 신호로, 사인 스윕 신호(Sine Sweep Signal)를 의미할 수 있다.
상기 기준 신호는, 시간 영역의 함수로 나타내어지는 신호일 수 있다.
상기 기준 신호에 대응하는 기준 음향을 상기 실내전달함수의 추정 대상 실내에 발생시키는 단계(S21)는, 상기 기준 신호에 대응하는 상기 기준 음향을 상기 추정 대상 실내에 발생시키고, 상기 측정 음향에 대응하는 측정 신호를 생성하는 단계(S22)는, 상기 추정 대상 실내에 발생한 음향을 측정하여, 상기 측정 음향에 대응하는 측정 신호를 생성할 수 있다.
상기 측정 신호는, 시간 영역의 함수로 나타내어지는 신호일 수 있다.
상기 단구간 푸리에 변환하는 단계(S23)는, 시간 영역 함수로 나타내어지는 상기 기준 신호의 함수 및 상기 측정 신호의 함수 각각을 단구간 푸리에 변환(Short-Time Fourier Transform: STFT)하여 주파수 영역 함수로 변환할 수 있다.
상기 단구간 푸리에 변환하는 단계(S23)는, 상기 기준 신호의 함수 및 상기 측정 신호의 함수 각각을 단구간 푸리에 변환하여, 상기 기준 신호의 함수를 기준 변환 함수로, 상기 측정 신호의 함수를 측정 변환 함수로 변환할 수 있다.
즉, 상기 기준 변환 함수 및 상기 측정 변환 함수는, 상기 기준 신호의 함수 및 상기 측정 신호의 함수 각각을 단구간 푸리에 변환하여 주파수 영역의 함수로 변환한 함수일 수 있다.
상기 유효 성분에 해당하는 대역을 추출하는 단계(S24)는, 상기 기준 변환 함수 및 상기 측정 변환 함수를 근거로 상기 측정 신호의 주파수 대역에서 잡음 성분에 해당하는 대역을 제거하여, 상기 유효 성분에 해당하는 대역을 추출할 수 있다.
상기 잡음 성분은, 상기 추정 대상 실내에 상기 기준 음향이 발생된 시기에 존재한 소음에 따른 성분일 수 있다.
상기 유효 성분에 해당하는 대역을 추출하는 단계(S24)는, 상기 측정 변환 함수에서 상기 기준 변환 함수와 대응하는 성분을 제외한 성분을 제거하여, 상기 잡음 성분에 해당하는 대역을 제거할 수 있다.
상기 유효 성분에 해당하는 대역을 추출하는 단계(S24)는, 상기 기준 변환 함수를 근거로 상기 측정 신호에서 상기 유효 성분에 해당하는 대역 및 상기 잡음 성분에 해당하는 대역을 판단하여, 상기 잡음 성분에 해당하는 대역을 제거할 수 있다.
상기 유효 성분에 해당하는 대역을 추출하는 단계(S24)는, 상기 측정 변환 함수에서 상기 기준 변환 함수와 대응하는 대역을 상기 측정 신호의 유효 성분에 해당하는 것으로 판단하고, 상기 측정 변환 함수에서 상기 기준 변환 함수와 대응하는 대역을 제외한 대역을 상기 측정 신호의 잡음 성분에 해당하는 것으로 판단하여, 상기 잡음 성분에 해당하는 대역을 제거할 수 있다.
상기 유효 성분에 해당하는 대역을 추출하는 단계(S24)는, 상기 측정 변환 함수에서 상기 기준 변환 함수와 대응하는 대역을 강화하고, 강화한 대역을 제외한 대역을 제거하여, 상기 잡음 성분에 해당하는 대역을 제거할 수 있다.
상기 유효 성분에 해당하는 대역을 추출하는 단계(S24)는, 상기 기준 변환 함수 및 상기 측정 변환 함수를 이용하여 상기 측정 변환 함수에서 상기 기준 변환 함수와 대응하는 대역을 강화하고, 강화한 대역을 제외한 대역을 제거함으로써, 상기 측정 신호의 주파수 대역에서 상기 잡음 성분에 해당하는 대역을 제거하고 상기 유효 성분에 해당하는 대역만 남은 측정 변환 함수를 마스킹(Masking)하여 추출할 수 있다.
상기 실내전달함수를 추정하는 단계(S25)는, 상기 추출 결과를 푸리에 역변환하여 상기 실내전달함수를 추정할 수 있다.
상기 실내전달함수를 추정하는 단계(S25)는, 상기 측정 신호에서 상기 잡음 성분에 해당하는 대역을 제거하고 상기 유효 성분에 해당하는 대역만을 추출한 결과를 푸리에 역변환하여 상기 실내전달함수를 추정할 수 있다.
상기 실내전달함수를 추정하는 단계(S25)는, 상기 유효 성분에 해당하는 대역을 추출하는 단계(S24)에서 추출한 측정 변환 함수를 시간 영역의 함수로 푸리에 역변환하여 상기 실내전달함수를 추정할 수 있다.
상술한 바와 같은 상기 추정 방법 및 상기 처리 방법을 연산 과정으로 나타낸 구체적인 알고리즘은 도 3에 도시된 바와 같다.
도 3에서 x(n)은 상기 기준 함수를 의미하며, X(k)는 x(n)을 단구간 푸리에 변환(Short-Time Fourier Transform: STFT)한 상기 기준 변환 함수를 의미하며, 상기 기준 함수(X(k))의 스펙트럼도는 도 4에 도시된 바와 같을 수 있다.
h(n)은 상기 기준 함수를 단구간 푸리에 변환하기 위한 컨벌루션(Convolution) 함수를 의미하며, yref(n)은 상기 기준 함수를 컨벌루션(110)한 함수를 의미한다.
z(n)은 상기 측정 대상 실내에서 발생된 소음을 의미하며, ynp(n)는 상기 기준 함수(yref(n))에 대응하는 기준 음향을 상기 측정 대상 실내에 발생시켜 측정했을 때, 상기 측정 대상 실내에서 발생된 소음(z(n))과 섞이게 된 상기 측정 함수를 의미하며, Ynp(k)은 상기 측정 함수(ynp(n))를 단구간 푸리에 변환(STFT)(120)한 상기 측정 변환 함수를 의미하며, Yprop(k)는 상기 측정 변환 함수(Ynp(k))에서 상기 기준 변환 함수(X(k))를 마스킹(130)하여, 상기 측정 함수(ynp(n))에서 상기 잡음 대역에 해당하는 성분을 제거하고 상기 유효 대역에 해당하는 성분이 남은 측정 변환 함수를 의미한다.
상기 측정 변환 함수(Ynp(k))와 상기 측정 변환 함수(Ynp(k))를 마스킹하여 추출한 측정 변환 함수(Yprop(k))의 스펙트럼도는 도 5와 도 6에 도시된 바와 같을 수 있다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같은 스펙트럼은 도 5에 도시된 바와 같은 상기 측정 변환 함수(Ynp(k))에서 상기 기준 변환 함수(X(k))를 이용한 마스킹(130) 기법으로 상기 잡음 대역에 해당하는 성분을 제거하여 상기 유효 대역에 해당하는 성분만 남긴 결과를 나타낼 수 있다.
yprop(n)은 상기 추출한 측정 변환 함수(Yprop(k))를 푸리에 역변환(Inverse Short-Time Fourier Transform: ISTFT)(140)한 시간 영역 함수를 의미하며, 즉 상기 측정 함수에서 상기 유효 대역에 해당하는 성분만 남은 추출 결과를 의미할 수 있다.
여기서, 상기 측정 변환 함수(Ynp(k))의 마스킹(130)을 위해 상기 기준 변환 함수(X(k))를 상기 측정 변환 함수(Ynp(k))에 적용하기 위한 윈도우 함수, 즉, 마스커(Masker)는 하기 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
i, k는 각각 단구간 신호처리에서의 프레임 인덱스 (index)와 주파수 해상도 (frequency bin)를 의미하고, Δ1과 Δ2는 도 5에서 남길 영역(성분)을 의미하며, 상기 유효 대역의 여부에 따라 설정 변경될 수 있다.
상기 [수학식 1]과 같이 나타내어지는 상기 기준 변환 함수(X(k))의 마스커 함수를 이용해 상기 측정 변환 함수(Ynp(k))를 마스킹(130)하여 추출한 측정 변환 함수(Yprop(k))는 하기 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
즉, 상기 측정 변환 함수(Ynp(i,k))에 상기 기준 변환 함수(X(i, k))의 마스커 함수가 곱해져 처리됨으로써 상기 추출한 측정 변환 함수(Yprop(i, k))가 연산될 수 있다.
이와 같은 연산 과정을 통해 추정하게 되는 상기 실내전달함수의 신뢰성은 단구간 푸리에 변환 간의 정확성을 통해 평가될 수 있는데, 상기 추정 방법에 따른 단구간 푸리에 변환 전, 후의 함수 간의 상관도(correlation)는, 1 또는 이에 근접한 수치로 산출될 수 있다.
이를 테면, 시간 영역의 함수인 x1(n)를 주파수 영역의 함수로 단구간 푸리에 변환한 함수를 X(k)라고 하고, X(k)를 시간 영역의 함수로 푸리에 역변환한 함수를 x2(n)라고 할 때, x1(n)과 x2(n)의 상관도는 1이 계산됨으로, 정확한 변환이라 할 수 있다.
즉, 상기 추정 방법 및 상기 처리 방법은 시간 영역의 함수를 단구간 푸리에 변환하여 주파수 영역의 함수로 처리한 뒤, 다시 시간 영역의 함수로 되돌릴 수 있으므로, 신호 처리 영역에서 두루 사용이 가능할 수 있으며, 마스킹 기법처럼 원래 신호에 해당하는 영역만을 남길 수 있고, 음성에 해당하는 주파수 영역을 강화할 수 있는 장점이 있다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110: 컨벌루션
120: 단구간 푸리에 변환
130: 마스킹
140; 푸리에 역변환

Claims (10)

  1. 실내전달함수 추정 방법에 있어서,
    상기 실내전달함수의 추정 기준이 되는 기준 함수를 선정하는 단계;
    상기 기준 함수에 대응하는 기준 음향을 상기 실내전달함수의 추정 대상 실내에 발생시키는 단계;
    발생 결과에 따른 음향을 측정하여, 측정 음향에 대응하는 측정 함수를 산출하는 단계;
    상기 기준 함수 및 상기 측정 함수 각각을 단구간 푸리에 변환하는 단계;
    상기 기준 함수를 변환한 기준 변환 함수 및 상기 측정 함수를 변환한 측정 변환 함수를 근거로 상기 측정 함수의 주파수 성분에서 유효 대역에 해당하는 성분을 추출하는 단계; 및
    추출 결과에 따라 상기 실내전달함수를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 실내전달함수 추정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유효 성분에 해당하는 성분을 추출하는 단계는,
    상기 기준 변환 함수 및 상기 측정 변환 함수를 근거로 상기 측정 함수의 주파수 성분에서 잡음 대역에 해당하는 성분을 제거하여, 상기 유효 대역에 해당하는 성분을 추출하는 것을 특징으로 하는 실내전달함수 추정 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유효 성분에 해당하는 성분을 추출하는 단계는,
    상기 측정 변환 함수에서 상기 기준 변환 함수와 대응하는 성분을 제외한 성분을 제거하여, 상기 잡음 대역에 해당하는 성분을 제거하는 것을 특징으로 하는 실내전달함수 추정 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 유효 성분에 해당하는 성분을 추출하는 단계는,
    상기 측정 변환 함수에서 상기 기준 변환 함수와 대응하는 성분을 강화하고, 강화한 성분을 제외한 성분을 제거하여, 상기 잡음 대역에 해당하는 성분을 제거하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 실내전달함수를 추정하는 단계는,
    상기 추출 결과를 푸리에 역변환하여 상기 실내전달함수를 추정하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.
  6. 실내전달함수를 추정하기 위한 신호 처리 방법에 있어서,
    상기 실내전달함수의 추정 기준이 되는 기준 신호를 생성하는 단계;
    상기 기준 신호에 대응하는 기준 음향을 상기 실내전달함수의 추정 대상 실내에 발생시키는 단계;
    발생 결과에 따른 음향을 측정하여, 측정 음향에 대응하는 측정 신호를 생성하는 단계;
    상기 기준 신호 및 상기 측정 신호 각각에 대응하는 함수를 단구간 푸리에 변환하는 단계;
    상기 기준 신호의 함수를 변환한 기준 변환 함수 및 상기 측정 신호의 함수를 변환한 측정 변환 함수를 근거로 상기 측정 신호의 주파수 대역에서 유효 성분에 해당하는 대역을 추출하는 단계; 및
    추출 결과에 따라 상기 실내전달함수를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 유효 성분에 해당하는 대역을 추출하는 단계는,
    상기 기준 변환 함수 및 상기 측정 변환 함수를 근거로 상기 측정 신호의 주파수 대역에서 잡음 성분에 해당하는 대역을 제거하여, 상기 유효 성분에 해당하는 대역을 추출하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 유효 성분에 해당하는 대역을 추출하는 단계는,
    상기 측정 변환 함수에서 상기 기준 변환 함수와 대응하는 성분을 제외한 성분을 제거하여, 상기 잡음 성분에 해당하는 대역을 제거하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 유효 성분에 해당하는 대역을 추출하는 단계는,
    상기 측정 변환 함수에서 상기 기준 변환 함수와 대응하는 성분을 강화하고, 강화한 성분을 제외한 성분을 제거하여, 상기 잡음 성분에 해당하는 대역을 제거하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 실내전달함수를 추정하는 단계는,
    상기 추출 결과를 푸리에 역변환하여 상기 실내전달함수를 추정하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.
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