WO2016148379A1 - 음원 방향 추정 시스템 및 방법 - Google Patents

음원 방향 추정 시스템 및 방법 Download PDF

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WO2016148379A1
WO2016148379A1 PCT/KR2015/013745 KR2015013745W WO2016148379A1 WO 2016148379 A1 WO2016148379 A1 WO 2016148379A1 KR 2015013745 W KR2015013745 W KR 2015013745W WO 2016148379 A1 WO2016148379 A1 WO 2016148379A1
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WO
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sound source
resonance
module
resonance induction
digital signal
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PCT/KR2015/013745
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English (en)
French (fr)
Inventor
김건욱
Original Assignee
동국대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/32—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only
    • H04R1/40—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only by combining a number of identical transducers
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10L—SPEECH ANALYSIS TECHNIQUES OR SPEECH SYNTHESIS; SPEECH RECOGNITION; SPEECH OR VOICE PROCESSING TECHNIQUES; SPEECH OR AUDIO CODING OR DECODING
    • G10L15/00—Speech recognition
    • G10L15/28—Constructional details of speech recognition systems
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones

Definitions

  • the present invention relates to a technique for estimating the direction of a sound source.
  • a plurality of microphones may be arranged in a space to find a direction of a sound source according to the magnitude of a sound signal extracted from each microphone.
  • at least two microphones are required, and the number of microphones must be large to accurately find the direction of the sound source. That is, in the prior art, since a plurality of microphones are required, not only manufacturing cost is high, but also a high performance processing system is required to process data extracted from each microphone in real time. This leads to an increase in overall costs.
  • the direction of the sound source can be found by using a structure such as a human's auricle.
  • a structure such as a human's auricle.
  • the auricle structure produces non-linear information, which is a degrading factor in estimating the direction of the sound source.
  • Embodiments of the present invention provide a sound source direction estimation system and method for estimating the direction of a sound source using a structure that causes resonance at different fundamental frequencies.
  • a resonance induction module for varying the frequency pattern of the sound signal according to the direction of the sound source by having a plurality of resonance induction cells extending in different directions and different lengths;
  • a conversion module for converting the acoustic signal passing through the resonance induction module into a digital signal;
  • an estimation module for analyzing the frequency pattern of the digital signal to estimate the direction of the sound source.
  • the resonance induction module may amplify frequency components corresponding to multiples of the fundamental frequency corresponding to the extension length of the resonance induction cell closest to the sound source.
  • the estimating module acquires a fundamental frequency of the digital signal, obtains an extension length of a resonance induced cell corresponding to the obtained fundamental frequency, and obtains an extension direction of the resonance induced cell having the obtained extension length of the sound source. Can be estimated in the direction.
  • the estimation module may acquire the fundamental frequency of the digital signal using a capstrum algorithm.
  • Each of the resonance induction cells may be a horn shape having a hollow.
  • Each of the resonance induction cells may have a pipe shape having a hollow.
  • Each of the resonance induction cells may extend in multiple directions about the conversion module.
  • Each of the resonance induction cells may have an extension length of 30 cm to 50 cm.
  • a resonance induction module having a plurality of resonance induction cells extending in different directions and different lengths, varying the frequency pattern of the sound signal according to the direction of the sound source; Converting the acoustic signal passing through the resonance induction module into a digital signal; And estimating, in the estimation module, the frequency pattern of the digital signal to estimate the direction of the sound source.
  • the changing of the frequency pattern of the sound signal may amplify frequency components corresponding to multiples of the fundamental frequency corresponding to the extension length of the resonance induced cell closest to the sound source.
  • the estimating direction of the sound source may include obtaining a fundamental frequency of the digital signal; Obtaining an extension length of a resonance induced cell corresponding to the obtained fundamental frequency; And estimating the extension direction of the acquired resonance induction cell having the extension length as the direction of the sound source.
  • the fundamental frequency of the digital signal may be obtained using a capstrum algorithm.
  • the direction of the sound source can be estimated easily and accurately using the structural features of the resonance induction module.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a detailed configuration of a sound source direction estimation system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a view showing a resonance induction module according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a view showing a resonance induction module according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view for explaining a process of changing the frequency pattern of the acoustic signal in the resonance induction module according to embodiments of the present invention
  • FIG. 5 is a graph showing the fundamental frequency of an acoustic signal according to the extension length of a resonance induction cell
  • FIG. 6 is a graph for explaining a process of acquiring an extension length of a resonance induced cell corresponding to a fundamental frequency acquired by an estimation module according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a graph illustrating a process of acquiring an extension length of a resonance induced cell corresponding to a fundamental frequency obtained by an estimation module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a direction of a sound source estimated by an estimation module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a sound source direction estimation method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a detailed configuration of a sound source direction estimation system 100 according to an embodiment of the present invention
  • Figures 2 and 3 is a diagram showing a resonance induction module 102 according to embodiments of the present invention.
  • . 4 is a view for explaining a process of changing the frequency pattern of the acoustic signal in the resonance induction module 102 according to embodiments of the present invention.
  • the sound source direction estimation system 100 includes a resonance induction module 102, a transformation module 104, and an estimation module 106.
  • Resonance induction module 102 is a structure for changing the frequency pattern of the sound signal in accordance with the direction of the sound source 110, may be disposed near the sound source (110).
  • the sound source 110 is a source for generating an acoustic signal, for example, all kinds of acoustic signals such as a speaker, an engine, a person generating footsteps, an engine sound, as well as a sound generating device such as a speaker or audio. May be a subject.
  • the resonance induction module 102 may induce resonance from an acoustic signal generated from the sound source 110.
  • the resonance induction module 102 includes a plurality of resonance induction cells 202 to 222.
  • Each of the resonance induction cells 202 to 222 may have a horn shape, and may extend in multiple directions about the conversion module 104 to be described later.
  • each of the resonance induction cells 202-222 can be arranged in a circle to surround the conversion module 104.
  • Resonance induction module 102 may include eleven resonance induction cells 202-222, for example.
  • the number of resonance induction cells 202 to 222 is not limited thereto, and the resonance induction cells 202 to 222 may vary depending on the type of the sound source 110, the distance between the resonance induction module 102, and the sound source 110. The number of can vary.
  • each of the resonance induction cells 202 to 222 may have a hollow S.
  • the acoustic signal may be input to the conversion module 104 through the hollow S of the resonance induction cells 202 to 222.
  • each of the resonance induction cells (202 to 222) may have a different extension length (l 1 to l 11 ), each of the resonance induction cells (202 to 222) each other by an acoustic signal passing through the hollow (S) Resonance may occur at other fundamental frequencies.
  • the extension length of each of the resonance induction cells 202 to 222 may have a value of, for example, 30 cm to 50 cm, as shown in Table 1.
  • the frequency at which the resonance occurs is called the resonance frequency (resonance frequency)
  • the resonance frequency is inversely proportional to the length of the tube (here, l 1 to l 11 ).
  • the acoustic signal generated from the sound source 110 causes resonance while passing through the resonance induction cells 202 to 222, and the frequency pattern of the acoustic signal changes according to the resonance of the resonance induction cells 202 to 222.
  • the resonance induction module 102 may include a fundamental frequency corresponding to an extension length (eg, l 2 ) of a resonance induction cell (eg, 204) closest to the sound source 110.
  • the frequency pattern of the sound signal may be changed by amplifying the frequency components corresponding to multiples of 550 Hz.
  • the acoustic signal passes through the hollow S of each of the resonance induction cells 202 to 222, in the resonance induction cell relatively far from the sound source 110, the periodicity of the resonance frequency of the resonance induction cell is weak.
  • the periodicity of the resonance frequency of the resonance induction cell (eg, 204) closest to the sound source 110 appears most strongly. That is, even in the same sound source 110, the frequency pattern of the sound signal passing through the resonance induction module 102 varies according to which direction the sound source 110 occurs.
  • the resonance induction module 102 according to the second embodiment of the present invention includes a plurality of resonance induction cells 302 to 324 as in FIG. 2.
  • each of the resonance induction cells 302 to 324 may have a pipe shape rather than a horn shape.
  • Each of the resonance induction cells 302 to 324 may have a hollow S, and an acoustic signal may be input to the conversion module 104 through the hollow S of the resonance induction cells 302 to 324.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a resonance induction module 102 according to a second embodiment of the present invention.
  • the resonance induction module 102 according to the second embodiment of the present invention includes a plurality of resonance induction cells 302 to 324 as in FIG. 2.
  • each of the resonance induction cells 302 to 324 may have a pipe shape rather than a horn shape.
  • Each of the resonance induction cells 302 to 324 may have a hollow S, and an acoustic signal may be input to the conversion module 104 through the
  • each of the resonance induction cells 302 to 324 may have a different extension length l 1 ′ to l 12 ′, and each of the resonance induction cells 302 to 324 may have a hollow S. Passing acoustic signals can cause resonance at different fundamental frequencies.
  • FIG. 4 is a view for explaining a process of changing the frequency pattern of the acoustic signal in the resonance induction module 102 according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 4A is a graph showing a frequency pattern of the acoustic signal changed when the acoustic signal generated from the sound source 110 located in the A direction passes through the resonance induction module 102 and the conversion module 104.
  • FIG. (B) is a graph showing the frequency pattern of the acoustic signal changed when the acoustic signal generated from the sound source 110 located in the Z direction passes through the resonance induction module 102 and the conversion module 104.
  • the extension length l of the resonance induction cell 312 in the resonance induction cell 312 closest to the sound source 110 Frequency components corresponding to multiples of the fundamental frequency corresponding to 6 ′) may be amplified.
  • the resonance induction module 102 includes a plurality of resonance induction cells that are arranged in multiple directions and have different extension lengths, thereby changing the frequency pattern of the sound signal according to the direction of the sound source 110.
  • the conversion module 104 converts the acoustic signal passing through the resonance induction module 102 into a digital signal.
  • Resonance induction module 102 passes the acoustic signal is an analog signal.
  • the conversion module 104 converts the sound signal into a digital signal for analysis of the sound signal in the estimation module 106 which will be described later.
  • the conversion module 104 may be an analog-to-digital converter (ADC), for example, a microphone, a mobile phone, or the like.
  • ADC analog-to-digital converter
  • the transformation module 104 may be disposed in the center of the resonance induction cells 202-222. As described above, each of the resonance induction cells 202 to 222 may extend in multiple directions about the transformation module 104.
  • the transform module 104 can transmit the digital signal to the estimation module 106.
  • the conversion module 104 may be, for example, a microphone, in which case it may be wired to the estimation module 106 to transmit a digital signal to the estimation module 106.
  • the estimation module 106 may be, for example, a mobile phone. In this case, the estimation module 106 may transmit a digital signal to the estimation module 106 through Wi-Fi, Bluetooth, or the like.
  • the manner in which the transform module 104 transmits the digital signal to the estimation module 106 is not particularly limited.
  • the estimation module 106 analyzes the frequency pattern of the digital signal converted by the conversion module 104 to estimate the direction of the sound source 110.
  • Estimation module 106 may be, for example, an electronic device such as a computer, a notebook, a mobile phone, a PDA, etc., including signal analysis and computation functions.
  • the estimation module 106 may be wired or wirelessly connected to the transform module 104 to receive a digital signal from the transform module 104.
  • the estimation module 106 obtains the fundamental frequency of the digital signal converted in the conversion module 104.
  • the estimation module 106 may obtain a fundamental frequency of the digital signal converted in the transformation module 104 using, for example, a Capstrum algorithm.
  • the capstrum algorithm is an algorithm used to obtain the fundamental frequency from the periodicity of the frequency domain, and may obtain the fundamental frequency by using Equations 1 to 4 below.
  • Equation 1 represents a process of performing a first Fourier Transform (DFT) on an acoustic signal x [n] in the time domain with respect to a data length N
  • Equation 2 is X [k] which is Fourier transformed by Equation 1 ]
  • Result of Equation 2 Is the fundamental frequency of the acoustic signal, which can be detected by equation (3). in the frequency domain for r The higher magnitude of means that the periodicity is strong.
  • Equation 3 is the result of Equation 2 Argmax function is applied to, and the fundamental frequency of the acoustic signal can be calculated from Equation 4.
  • f s means the sampling frequency of the x [n] sequence.
  • estimation module 106 has been described as obtaining the fundamental frequency of the acoustic signal using the capstrum algorithm, this is only an example and the means for acquiring the fundamental frequency of the acoustic signal is not limited thereto. .
  • estimation module 106 may use a convolution operation to obtain the fundamental frequency of the acoustic signal.
  • the estimation module 106 obtains the extension length of the resonance induction cell corresponding to the fundamental frequency obtained through the capstrum algorithm or the like.
  • each of the resonance induction cells may have a different extension length, and the longer the extension length of the resonance induction cell, the smaller the fundamental frequency of the acoustic signal.
  • the estimation module 106 may measure and model the fundamental frequency of the acoustic signal according to the length of the resonance induced cell as shown in FIG. 5, and store it in an internal database (not shown).
  • FIG. 6 and 7 are graphs for explaining a process of obtaining the extension length of the resonance induced cell corresponding to the fundamental frequency obtained by the estimation module 106 according to an embodiment of the present invention.
  • the sound source 110 is in the Z direction
  • FIG. 7 it is assumed that the sound source 110 is in the A direction.
  • Equation 2 Contains the fundamental frequency of the acoustic signal, in the frequency domain for r
  • the higher magnitude of means that the periodicity is strong.
  • the estimation module 106 may extract a resonance induced cell having an extension length of about 50 cm with reference to an internal database, and estimate the extension direction of the resonance induced cell in the direction of the sound source 110. If there is no resonance induced cell having an extension length obtained by the estimation module 106, the estimation module 106 determines the extension direction of the resonance induced cell having a value closest to the obtained extension length in the direction of the sound source 110. In addition, the direction of the sound source 110 may be calculated using the extension lengths of the resonance induction cell and the integrating resonance resonance cell having a value closest to the obtained extension length.
  • the estimation module 106 may extract a resonance induced cell having an extension length of about 30 cm with reference to an internal database, and estimate the extension direction of the resonance induced cell in the direction of the sound source 110.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the direction of the sound source 110 estimated by the estimation module 106 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8, the direction of the sound source 110 estimated by the estimation module 106 may be displayed by a display module (not shown). Here, the direction of the sound source 110 is illustrated as an ellipse-shaped line, but this is only an example and the method of indicating the direction of the sound source 110 is not limited thereto.
  • the sound source direction estimation system 100 is applied to, for example, a soldier's helmet and used to estimate a direction of a sound generated in a surrounding, or applied to a vehicle and used to estimate a direction of a vehicle approaching a blind spot. It can be applied in various fields.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a sound source direction estimation method according to an embodiment of the present invention.
  • the resonance induction module 102 changes the frequency pattern of the sound signal according to the direction of the sound source 110 (S902).
  • the resonance induction module 102 includes a plurality of resonance induction cells 202 to 222 having a hollow S.
  • Each of the resonance induction cells 202 to 222 may extend in multiple directions and have different extension lengths l 1 to l 11 and cause resonance at different fundamental frequencies by the acoustic signal passing through the hollow S. Can be. That is, the resonance induction module 102 may change the frequency pattern of the acoustic signal by amplifying frequency components corresponding to multiples of the fundamental frequency corresponding to the extension length of the resonance induction cell closest to the sound source 110.
  • the conversion module 104 converts the acoustic signal passing through the resonance induction module 102 into a digital signal (S904).
  • the conversion module 104 may be an analog-to-digital converter (ADC), for example, a microphone, a mobile phone, or the like.
  • ADC analog-to-digital converter
  • the estimation module 106 analyzes the frequency pattern of the digital signal converted by the conversion module 104 to estimate the direction of the sound source 110 (S906).
  • the estimation module 106 may acquire a fundamental frequency of the digital signal by using a capstrum algorithm and the like, and obtain an extension length of the resonance induced cell corresponding to the obtained fundamental frequency. Accordingly, the estimation module 106 may estimate the extension direction of the resonance induction cell having the obtained extension length in the direction of the sound source 110.
  • a detailed method of estimating the direction of the sound source 110 by the estimation module 106 has been described in detail above, and a detailed description thereof will be omitted.
  • Resonance Induction Cells 202, 204, 206, 208, 210, 212, 214, 216, 218, 220, 222, 302, 304, 306, 308, 310, 312, 314, 416, 318, 320, 322, 324

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Abstract

음원 방향 추정 시스템 및 방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 음원 방향 추정 시스템은, 다방향으로 연장되며 연장 길이가 서로 다른 복수의 공명 유도 셀을 구비함으로써, 음원의 방향에 따라 음향 신호의 주파수 패턴을 변화시키는 공명 유도 모듈; 상기 공명 유도 모듈을 통과한 상기 음향 신호를 디지털 신호로 변환하는 변환 모듈; 및 상기 디지털 신호의 주파수 패턴을 분석하여 상기 음원의 방향을 추정하는 추정 모듈을 포함한다.

Description

음원 방향 추정 시스템 및 방법
본 발명은 음원의 방향을 추정하는 기술과 관련된다.
일반적으로, 사람은 소리를 통해 의사 소통을 할 수 있을 뿐 아니라 소리의 방향을 감지하여 눈에 보이지 않는 범위의 공간 정보를 인지할 수 있다. 이에 따라, 음원의 방향을 찾는 연구는 다양한 방식으로 진행되어 왔다.
일 예시로서, 여러 개의 마이크를 공간 상에 배치하여 각 마이크에서 추출된 음향 신호의 크기에 따라 음원의 방향을 찾을 수 있다. 그러나, 이 경우 최소 2개 이상의 마이크가 필요하며, 음원의 방향을 정확하게 찾기 위해서는 마이크의 개수가 많아야 한다. 즉, 종래 기술의 경우 다수의 마이크를 필요로 하므로 제작 비용이 많이 소요될 뿐 아니라, 각 마이크에서 추출된 데이터를 실시간으로 처리하기 위해 높은 성능의 처리 시스템이 필요하다. 이는 곧 전체 비용의 증가로 이어진다.
다른 예시로서, 사람의 귓바퀴와 같은 구조물을 이용하여 음원의 방향을 찾을 수 있다. 그러나, 귓바퀴 구조는 비선형 정보를 만들어 내며, 이는 음원의 방향을 추정하는 데 있어서 성능을 저하시키는 요인이 된다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
한국공개특허공보 제10-2012-0031328호(2012.04.03)
본 발명의 실시예들은 서로 다른 기본 주파수에서 공명을 일으키는 구조물을 이용하여 음원의 방향을 추정하는 음원 방향 추정 시스템 및 방법을 제공한다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 다방향으로 연장되며 연장 길이가 서로 다른 복수의 공명 유도 셀을 구비함으로써, 음원의 방향에 따라 음향 신호의 주파수 패턴을 변화시키는 공명 유도 모듈; 상기 공명 유도 모듈을 통과한 상기 음향 신호를 디지털 신호로 변환하는 변환 모듈; 및 상기 디지털 신호의 주파수 패턴을 분석하여 상기 음원의 방향을 추정하는 추정 모듈을 포함하는, 음원 방향 추정 시스템이 제공된다.
상기 공명 유도 모듈은, 상기 음원과 가장 가까운 공명 유도 셀의 연장 길이와 대응되는 기본 주파수의 배수에 해당하는 주파수 성분들을 증폭시킬 수 있다.
상기 추정 모듈은, 상기 디지털 신호의 기본 주파수를 획득하고, 획득한 상기 기본 주파수에 대응되는 공명 유도 셀의 연장 길이를 획득하고, 획득한 상기 연장 길이를 갖는 공명 유도 셀의 연장 방향을 상기 음원의 방향으로 추정할 수 있다.
상기 추정 모듈은, 캡스트럼(Cepstrum) 알고리즘을 이용하여 상기 디지털 신호의 기본 주파수를 획득할 수 있다.
상기 공명 유도 셀 각각은, 중공을 갖는 혼(horn) 형상일 수 있다.
상기 공명 유도 셀 각각은, 중공을 갖는 파이프(pipe) 형상일 수 있다.
상기 공명 유도 셀 각각은, 상기 변환 모듈을 중심으로 다방향으로 연장될 수 있다.
상기 공명 유도 셀 각각은, 30cm 내지 50cm 의 연장 길이를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 예시적인 실시에에 따르면, 다방향으로 연장되며 연장 길이가 서로 다른 복수의 공명 유도 셀을 구비하는 공명 유도 모듈에서, 음원의 방향에 따라 음향 신호의 주파수 패턴을 변화시키는 단계; 변환 모듈에서, 상기 공명 유도 모듈을 통과한 상기 음향 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계; 및 추정 모듈에서, 상기 디지털 신호의 주파수 패턴을 분석하여 상기 음원의 방향을 추정하는 단계를 포함하는, 음원 방향 추정 방법이 제공된다.
상기 음향 신호의 주파수 패턴을 변화시키는 단계는, 상기 음원과 가장 가까운 공명 유도 셀의 연장 길이와 대응되는 기본 주파수의 배수에 해당하는 주파수 성분들을 증폭시킬 수 있다.
상기 음원의 방향을 추정하는 단계는, 상기 디지털 신호의 기본 주파수를 획득하는 단계; 획득한 상기 기본 주파수에 대응되는 공명 유도 셀의 연장 길이를 획득하는 단계; 및 획득한 상기 연장 길이를 갖는 공명 유도 셀의 연장 방향을 상기 음원의 방향으로 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 디지털 신호의 기본 주파수를 획득하는 단계는, 캡스트럼(Cepstrum) 알고리즘을 이용하여 상기 디지털 신호의 기본 주파수를 획득할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 공명 유도 모듈의 구조적인 특징을 이용하여 음원의 방향을 간편하고 정확하게 추정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 하나의 변환 모듈 및 이를 둘러싼 공명 유도 모듈을 이용함으로써, 다수의 마이크가 필요한 종래 기술에 비해 음원 방향의 추정에 따른 비용 및 시간을 크게 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음원 방향 추정 시스템의 상세 구성을 나타낸 개략도
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 공명 유도 모듈을 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 공명 유도 모듈을 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 공명 유도 모듈에서 음향 신호의 주파수 패턴을 변화시키는 과정을 설명하기 위한 도면
도 5는 공명 유도 셀의 연장 길이에 따른 음향 신호의 기본 주파수를 나타낸 그래프
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 추정 모듈에서 획득한 기본 주파수에 대응되는 공명 유도 셀의 연장 길이를 획득하는 과정을 설명하기 위한 그래프
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 추정 모듈에서 획득한 기본 주파수에 대응되는 공명 유도 셀의 연장 길이를 획득하는 과정을 설명하기 위한 그래프
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 추정 모듈에서 추정한 음원의 방향을 나타낸 도면
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 음원 방향 추정 방법을 설명하기 위한 흐름도
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시적 실시예에 불과하며 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하 실시예는 진보적인 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음원 방향 추정 시스템(100)의 상세 구성을 나타낸 개략도이며, 도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 공명 유도 모듈(102)을 나타낸 도면이다. 또한, 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 공명 유도 모듈(102)에서 음향 신호의 주파수 패턴을 변화시키는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 음원 방향 추정 시스템(100)은 공명 유도 모듈(102), 변환 모듈(104) 및 추정 모듈(106)을 포함한다.
공명 유도 모듈(102)은 음원(110)의 방향에 따라 음향 신호의 주파수 패턴을 변화시키는 구조물로서, 음원(110) 근처에 배치될 수 있다. 여기서, 음원(110)은 음향 신호를 발생시키는 근원으로서, 예를 들어 스피커, 오디오 등과 같은 음향 발생 장치뿐 아니라 발자국 소리를 발생시키는 사람, 엔진 소리를 발생시키는 차량 등 음향 신호를 발생시키는 모든 종류의 대상체가 될 수 있다. 공명 유도 모듈(102)은 음원(110)에서 발생한 음향 신호로부터 공명을 유도할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 공명 유도 모듈(102)을 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 공명 유도 모듈(102)은 복수의 공명 유도 셀(202 내지 222)을 포함한다. 공명 유도 셀(202 내지 222) 각각은 혼(horn) 형상을 가질 수 있으며, 후술할 변환 모듈(104)을 중심으로 다방향으로 연장될 수 있다. 예를 들어, 공명 유도 셀(202 내지 222) 각각은 변환 모듈(104)을 둘러싸도록 원형으로 배치될 수 있다. 공명 유도 모듈(102)은 예를 들어, 11개의 공명 유도 셀(202 내지 222)을 포함할 수 있다. 다만, 공명 유도 셀(202 내지 222)의 개수가 이에 한정되는 것은 아니며, 음원(110)의 종류, 공명 유도 모듈(102)과 음원(110)과의 거리 등에 따라 공명 유도 셀(202 내지 222)의 개수를 달리할 수 있다.
또한, 공명 유도 셀(202 내지 222) 각각은 중공(S)을 가질 수 있다. 음향 신호는 공명 유도 셀(202 내지 222)의 중공(S)을 통과하여 변환 모듈(104)로 입력될 수 있다.
이때, 공명 유도 셀(202 내지 222) 각각은 서로 다른 연장 길이(l1 내지 l11)를 가질 수 있으며, 공명 유도 셀(202 내지 222) 각각은 중공(S)을 통과하는 음향 신호에 의해 서로 다른 기본 주파수(fundamental frequency)에서 공명(resonance)을 일으킬 수 있다. 공명 유도 셀(202 내지 222) 각각의 연장 길이는 표 1과 같이 예를 들어, 30cm 내지 50cm 의 값을 가질 수 있다.
Figure PCTKR2015013745-appb-T000001
일반적으로, 공명 현상이 일어나는 주파수를 공명 주파수(resonance frequency)라 하며, 공명 주파수는 관의 길이(여기서는 l1 내지 l11)에 반비례한다. 음원(110)에서 발생된 음향 신호는 공명 유도 셀(202 내지 222)을 통과하면서 공명을 일으키며, 공명 유도 셀(202 내지 222)의 공명에 따라 음향 신호의 주파수 패턴이 변화하게 된다.
이를 구체적으로 살펴보면, 공명 유도 모듈(102)은 음원(110)과 가장 가까운 공명 유도 셀(예를 들어, 204)의 연장 길이(예를 들어, l2)와 대응되는 기본 주파수(예를 들어, 550Hz)의 배수에 해당하는 주파수 성분들을 증폭시킴으로써 음향 신호의 주파수 패턴을 변화시킬 수 있다. 음향 신호는 공명 유도 셀(202 내지 222) 각각의 중공(S)을 통과하기는 하나, 음원(110)과 상대적으로 먼 위치의 공명 유도 셀에서는 해당 공명 유도 셀의 공명 주파수의 주기성이 약하게 나타나며, 음원(110)과 가장 가까운 공명 유도 셀(예를 들어, 204)의 공명 주파수의 주기성이 가장 강하게 나타난다. 즉, 동일한 음원(110)이라도 음원(110)이 어느 방향에서 일어나느냐에 따라 공명 유도 모듈(102)을 통과한 음향 신호의 주파수 패턴이 달라지게 된다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 공명 유도 모듈(102)을 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 공명 유도 모듈(102)은 도 2에서와 마찬가지로 복수의 공명 유도 셀(302 내지 324)을 포함한다. 여기서, 공명 유도 셀(302 내지 324) 각각은 혼(horn) 형상이 아닌 파이프(pipe) 형상을 가질 수 있다. 공명 유도 셀(302 내지 324) 각각은 중공(S)을 가질 수 있으며, 음향 신호는 공명 유도 셀(302 내지 324)의 중공(S)을 통과하여 변환 모듈(104)로 입력될 수 있다. 또한, 도 2에서와 마찬가지로 공명 유도 셀(302 내지 324) 각각은 서로 다른 연장 길이(l1' 내지 l12')를 가질 수 있으며, 공명 유도 셀(302 내지 324) 각각은 중공(S)을 통과하는 음향 신호에 의해 서로 다른 기본 주파수에서 공명을 일으킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 공명 유도 모듈(102)에서 음향 신호의 주파수 패턴을 변화시키는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 4의 (a)는 A 방향에 위치한 음원(110)으로부터 발생된 음향 신호가 공명 유도 모듈(102) 및 변환 모듈(104)을 통과하였을 때 변화된 음향 신호의 주파수 패턴을 나타낸 그래프이며, 도 4의 (b)는 Z 방향에 위치한 음원(110)으로부터 발생된 음향 신호가 공명 유도 모듈(102) 및 변환 모듈(104)을 통과하였을 때 변화된 음향 신호의 주파수 패턴을 나타낸 그래프이다.
만약, 도 4의 (a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 음원(110)이 A 방향에 위치한 경우 음원(110)과 가장 가까운 공명 유도 셀(312)에서 공명 유도 셀(312)의 연장 길이(l6')에 대응되는 기본 주파수의 배수에 해당하는 주파수 성분들이 증폭될 수 있다.
만약, 도 4의 (b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 음원(110)이 Z 방향에 위치한 경우 음원(110)과 가장 가까운 공명 유도 셀(318)에서 공명 유도 셀(318)의 연장 길이(l9')에 대응되는 기본 주파수의 배수에 해당하는 주파수 성분들이 증폭될 수 있다. 즉, 공명 유도 모듈(102)은 다방향으로 배치되며 연장 길이가 서로 다른 복수의 공명 유도 셀을 구비함으로써, 음원(110)의 방향에 따라 음향 신호의 주파수 패턴을 변화시킬 수 있다.
한편, 변환 모듈(104)은 공명 유도 모듈(102)을 통과한 음향 신호를 디지털 신호로 변환한다. 공명 유도 모듈(102)은 통과하는 음향 신호는 아날로그 신호이다. 변환 모듈(104)은 후술할 추정 모듈(106)에서의 음향 신호 분석을 위해 음향 신호를 디지털 신호로 변환한다. 변환 모듈(104)은 아날로그-디지털 변환기(ADC ; Analog-Digital Converter)일 수 있으며, 예를 들어 마이크, 휴대폰 등이 될 수 있다.
변환 모듈(104)은 공명 유도 셀(202 내지 222)의 중심에 배치될 수 있다. 상술한 바와 같이, 공명 유도 셀(202 내지 222) 각각은 변환 모듈(104)을 중심으로 다방향으로 연장될 수 있다. 변환 모듈(104)은 디지털 신호를 추정 모듈(106)로 전송할 수 있다. 상술한 바와 같이, 변환 모듈(104)은 예를 들어, 마이크가 될 수 있으며, 이 경우 추정 모듈(106)과 유선 연결되어 디지털 신호를 추정 모듈(106)로 전송할 수 있다. 또한, 추정 모듈(106)은 예를 들어, 휴대폰이 될 수 있으며, 이 경우 와이파이, 블루투스 등을 통해 디지털 신호를 추정 모듈(106)로 전송할 수 있다. 변환 모듈(104)이 디지털 신호를 추정 모듈(106)로 전송하는 방식은 특별히 제한되지 않는다.
추정 모듈(106)은 변환 모듈(104)에서 변환된 디지털 신호의 주파수 패턴을 분석하여 음원(110)의 방향을 추정한다. 추정 모듈(106)은 예를 들어, 신호 분석 및 연산 기능이 포함된 컴퓨터, 노트북, 휴대폰, PDA 등의 전자 기기가 될 수 있다. 추정 모듈(106)은 변환 모듈(104)과 유선 또는 무선 연결되어 변환 모듈(104)로부터 디지털 신호를 수신할 수 있다.
먼저, 추정 모듈(106)은 변환 모듈(104)에서 변환된 디지털 신호의 기본 주파수를 획득한다. 추정 모듈(106)은 예를 들어, 캡스트럼(Cepstrum) 알고리즘을 이용하여 변환 모듈(104)에서 변환된 디지털 신호의 기본 주파수를 획득할 수 있다. 캡스트럼 알고리즘은 주파수 도메인의 주기성으로부터 기본 주파수를 획득하는 데 사용되는 알고리즘으로서, 다음의 수학식 1 내지 4를 이용하여 기본 주파수를 획득할 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2015013745-appb-I000001
[수학식 2]
Figure PCTKR2015013745-appb-I000002
[수학식 3]
Figure PCTKR2015013745-appb-I000003
[수학식 4]
Figure PCTKR2015013745-appb-I000004
수학식 1은 시간 영역의 음향 신호 x[n]을 데이터 길이 N에 대해 제 1 푸리에 변환(DFT ; Discrete Fourier Transform)하는 과정을 나타내며, 수학식 2는 수학식 1에 의해 푸리에 변환된 X[k] 크기의 로그값을 제 2 푸리에 변환(DFT)하는 과정을 나타낸다. 수학식 2의 결과값
Figure PCTKR2015013745-appb-I000005
은 음향 신호의 기본 주파수를 포함하며, 이는 수학식 3에 의해 검출될 수 있다. r에 대한 주파수 도메인에서
Figure PCTKR2015013745-appb-I000006
의 높은 크기(higher magnitude)는 주기성이 강함을 의미한다. 수학식 3은 수학식 2의 결과값
Figure PCTKR2015013745-appb-I000007
에 argmax 함수를 적용한 식이며, 수학식 4로부터 음향 신호의 기본 주파수가 계산될 수 있다. 여기서, fs는 x[n] sequence 의 샘플링 주파수를 의미한다.
한편, 여기서는 추정 모듈(106)이 캡스트럼 알고리즘을 이용하여 음향 신호의 기본 주파수를 획득하는 것으로 설명하였으나, 이는 하나의 실시예에 불과할 뿐 음향 신호의 기본 주파수를 획득하는 수단이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 추정 모듈(106)은 컨볼루션(convolution) 연산을 이용하여 음향 신호의 기본 주파수를 획득할 수도 있다.
다음으로, 추정 모듈(106)은 캡스트럼 알고리즘 등을 통해 획득한 기본 주파수에 대응되는 공명 유도 셀의 연장 길이를 획득한다.
도 5는 공명 유도 셀의 연장 길이에 따른 음향 신호의 기본 주파수를 나타낸 그래프이다. 상술한 바와 같이, 공명 유도 셀 각각은 서로 다른 연장 길이를 가질 수 있으며, 공명 유도 셀의 연장 길이가 길수록 음향 신호의 기본 주파수는 작아질 수 있다. 추정 모듈(106)은 공명 유도 셀의 길이에 따른 음향 신호의 기본 주파수를 측정하여 도 5와 같이 모델링할 수 있으며, 이를 내부 데이터베이스(미도시)에 저장할 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 추정 모듈(106)에서 획득한 기본 주파수에 대응되는 공명 유도 셀의 연장 길이를 획득하는 과정을 설명하기 위한 그래프이다. 도 6에서는 음원(110)이 Z 방향에 있는 것으로 가정하며, 도 7에서는 음원(110)이 A 방향에 있는 것으로 가정한다.
상술한 바와 같이, 수학식 2의 결과값
Figure PCTKR2015013745-appb-I000008
은 음향 신호의 기본 주파수를 포함하며, r에 대한 주파수 도메인에서
Figure PCTKR2015013745-appb-I000009
의 높은 크기(higher magnitude)는 주기성이 강함을 의미한다.
도 6을 참조하면, 공명 유도 셀의 연장 길이(radial length)에 대한
Figure PCTKR2015013745-appb-I000010
의 크기(magnitude) 분포를 알 수 있으며, 공명 유도 셀의 연장 길이가 약 50.9cm 일 때
Figure PCTKR2015013745-appb-I000011
이 약 70.2 의 최대값을 가짐을 확인할 수 있다. 추정 모듈(106)은 내부 데이터베이스를 참조하여 약 50cm의 연장 길이를 갖는 공명 유도 셀을 추출할 수 있으며, 해당 공명 유도 셀의 연장 방향을 음원(110)의 방향으로 추정할 수 있다. 만약, 추정 모듈(106)에서 획득한 연장 길이를 갖는 공명 유도 셀이 없는 경우, 추정 모듈(106)은 획득한 연장 길이와 가장 가까운 값을 갖는 공명 유도 셀의 연장 방향을 음원(110)의 방향으로 추정할 수 있으며, 또한 획득한 연장 길이와 가장 가까운 값을 갖는 공명 유도 셀과 인전합 공명 유도 셀의 연장 길이를 이용하여 음원(110)의 방향을 계산할 수도 있다.
도 7에서는 공명 유도 셀의 연장 길이가 약 29.8 cm 일 때
Figure PCTKR2015013745-appb-I000012
이 약 66.8 의 최대값을 가짐을 확인할 수 있다. 추정 모듈(106)은 내부 데이터베이스를 참조하여 약 30cm의 연장 길이를 갖는 공명 유도 셀을 추출할 수 있으며, 해당 공명 유도 셀의 연장 방향을 음원(110)의 방향으로 추정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 추정 모듈(106)에서 추정한 음원(110)의 방향을 나타낸 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 추정 모듈(106)에서 추정된 음원(110)의 방향은 디스플레이 모듈(미도시)에서 디스플레이될 수 있다. 여기서는 음원(110)의 방향을 타원 형상의 라인으로 도시하였으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며 음원(110)의 방향을 나타내는 방식이 이에 한정되는 것은 아니다.
이상과 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 공명 유도 모듈의 구조적인 특징을 이용하여 음원의 방향을 간편하고 정확하게 추정할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 하나의 변환 모듈 및 이를 둘러싼 공명 유도 모듈을 이용함으로써, 다수의 마이크가 필요한 종래 기술에 비해 음원 방향의 추정에 따른 비용 및 시간을 크게 줄일 수 있다. 이러한 음원 방향 추정 시스템(100)은 예를 들어, 군인의 헬멧에 적용되어 주변에서 발생한 소리의 방향을 추정하는 데 사용되거나, 차량에 적용되어 사각 지대에서 접근하는 차량의 방향을 추정하는 데 사용되는 등 다양한 분야에서 적용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 음원 방향 추정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 공명 유도 모듈(102)은 음원(110)의 방향에 따라 음향 신호의 주파수 패턴을 변화시킨다(S902). 상술한 바와 같이, 공명 유도 모듈(102)은 중공(S)을 갖는 복수의 공명 유도 셀(202 내지 222)을 포함한다. 공명 유도 셀(202 내지 222) 각각은 다방향으로 연장되고 서로 다른 연장 길이(l1 내지 l11)를 가질 수 있으며, 중공(S)을 통과하는 음향 신호에 의해 서로 다른 기본 주파수에서 공명을 일으킬 수 있다. 즉, 공명 유도 모듈(102)은 음원(110)과 가장 가까운 공명 유도 셀의 연장 길이와 대응되는 기본 주파수의 배수에 해당하는 주파수 성분들을 증폭시킴으로써 음향 신호의 주파수 패턴을 변화시킬 수 있다.
다음으로, 변환 모듈(104)은 공명 유도 모듈(102)을 통과한 음향 신호를 디지털 신호로 변환한다(S904). 변환 모듈(104)은 아날로그-디지털 변환기(ADC ; Analog-Digital Converter)일 수 있으며, 예를 들어 마이크, 휴대폰 등이 될 수 있다.
마지막으로, 추정 모듈(106)은 변환 모듈(104)에서 변환된 디지털 신호의 주파수 패턴을 분석하여 음원(110)의 방향을 추정한다(S906). 추정 모듈(106)은 캡스트럼 알고리즘 등을 이용하여 디지털 신호의 기본 주파수를 획득하고, 획득한 기본 주파수에 대응되는 공명 유도 셀의 연장 길이를 획득할 수 있다. 이에 따라, 추정 모듈(106)은 획득한 연장 길이를 갖는 공명 유도 셀의 연장 방향을 음원(110)의 방향으로 추정할 수 있다. 추정 모듈(106)이 음원(110)의 방향을 추정하는 구체적인 방법은 앞에서 자세히 설명하였는바, 여기서는 그 자세한 설명을 생략하기로 한다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 전술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
[부호의 설명]
100 : 음원 방향 추정 시스템
102 : 공명 유도 모듈
104 : 변환 모듈
106 : 추정 모듈
110 : 음원
202, 204, 206, 208, 210, 212, 214, 216, 218, 220, 222, 302, 304, 306, 308, 310, 312, 314, 416, 318, 320, 322, 324 : 공명 유도 셀

Claims (12)

  1. 다방향으로 연장되며 연장 길이가 서로 다른 복수의 공명 유도 셀을 구비함으로써, 음원의 방향에 따라 음향 신호의 주파수 패턴을 변화시키는 공명 유도 모듈;
    상기 공명 유도 모듈을 통과한 상기 음향 신호를 디지털 신호로 변환하는 변환 모듈; 및
    상기 디지털 신호의 주파수 패턴을 분석하여 상기 음원의 방향을 추정하는 추정 모듈을 포함하는, 음원 방향 추정 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 공명 유도 모듈은, 상기 음원과 가장 가까운 공명 유도 셀의 연장 길이와 대응되는 기본 주파수의 배수에 해당하는 주파수 성분들을 증폭시키는, 음원 방향 추정 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 추정 모듈은, 상기 디지털 신호의 기본 주파수를 획득하고, 획득한 상기 기본 주파수에 대응되는 공명 유도 셀의 연장 길이를 획득하고, 획득한 상기 연장 길이를 갖는 공명 유도 셀의 연장 방향을 상기 음원의 방향으로 추정하는, 음원 방향 추정 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 추정 모듈은, 캡스트럼(Cepstrum) 알고리즘을 이용하여 상기 디지털 신호의 기본 주파수를 획득하는, 음원 방향 추정 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 공명 유도 셀 각각은, 중공을 갖는 혼(horn) 형상인, 음원 방향 추정 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 공명 유도 셀 각각은, 중공을 갖는 파이프(pipe) 형상인, 음원 방향 추정 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 공명 유도 셀 각각은, 상기 변환 모듈을 중심으로 다방향으로 연장되는, 음원 방향 추정 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 공명 유도 셀 각각은, 30cm 내지 50cm 의 연장 길이를 갖는, 음원 방향 추정 시스템.
  9. 다방향으로 연장되며 연장 길이가 서로 다른 복수의 공명 유도 셀을 구비하는 공명 유도 모듈에서, 음원의 방향에 따라 음향 신호의 주파수 패턴을 변화시키는 단계;
    변환 모듈에서, 상기 공명 유도 모듈을 통과한 상기 음향 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계; 및
    추정 모듈에서, 상기 디지털 신호의 주파수 패턴을 분석하여 상기 음원의 방향을 추정하는 단계를 포함하는, 음원 방향 추정 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 음향 신호의 주파수 패턴을 변화시키는 단계는, 상기 음원과 가장 가까운 공명 유도 셀의 연장 길이와 대응되는 기본 주파수의 배수에 해당하는 주파수 성분들을 증폭시키는, 음원 방향 추정 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 음원의 방향을 추정하는 단계는,
    상기 디지털 신호의 기본 주파수를 획득하는 단계;
    획득한 상기 기본 주파수에 대응되는 공명 유도 셀의 연장 길이를 획득하는 단계; 및
    획득한 상기 연장 길이를 갖는 공명 유도 셀의 연장 방향을 상기 음원의 방향으로 추정하는 단계를 포함하는, 음원 방향 추정 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 디지털 신호의 기본 주파수를 획득하는 단계는, 캡스트럼(Cepstrum) 알고리즘을 이용하여 상기 디지털 신호의 기본 주파수를 획득하는, 음원 방향 추정 방법.
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