KR101483513B1 - 음원위치추적장치 및 음원위치추적방법 - Google Patents

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KR101483513B1 KR20130022371A KR20130022371A KR101483513B1 KR 101483513 B1 KR101483513 B1 KR 101483513B1 KR 20130022371 A KR20130022371 A KR 20130022371A KR 20130022371 A KR20130022371 A KR 20130022371A KR 101483513 B1 KR101483513 B1 KR 101483513B1
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Abstract

본 발명은 음원위치추적장치 및 음원위치추적방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 의한 음원위치추적장치는, 인가되는 음파를 감지하여 각각 아날로그음향신호를 생성하는 복수개의 마이크로폰(microphone)과, 아날로그음향신호가 가지는 파형의 크기변화에 대응하는 디지털음향신호를 생성하고, 디지털음향신호를 이용하여 각각의 마이크로폰으로 인가되는 음파의 시간지연을 계산하는 음향처리부를 포함하며, 음향처리부는, 아날로그음향신호를 샘플링하여 샘플링 데이터를 생성하고, 서로 인접하는 샘플링 데이터 사이의 크기를 비교하여 디지털음향신호를 생성할 수 있다.

Description

음원위치추적장치 및 음원위치추적방법 {Apparatus for sound source localizatioin and method for the same}
본 발명은 음원위치추적장치 및 음원위치추적방법에 관한 것으로서, 특히 음파의 외형을 나타내는 디지털음향신호를 이용하여 신속하게 음원위치를 추적할 수 있는 음원위치추적장치 및 음원위치추적방법에 관한 것이다.
종래의 음원위치추적장치는, 입력되는 아날로그음향신호를 최소 바이트(byte) 이상의 너비를 가지는 디지털 데이터로 변환한 후, 상기 디지털 데이터를 이용하여 음원위치추적을 수행하였다. 예를들어, 음원위치추적장치의 아날로그-디지털 변환기(AD)의 출력이 12bit라면, 음원으로부터 음파가 발생한 이후, 음원위치추적장치의 마이크로폰에 입력되는 아날로그음향신호는 상기 아날로그-디지털 변환기(AD)를 거쳐 12bit의 디지털 데이터로 변환되어 상기 디지털 데이터를 기반으로 음원 추적을 위한 후단의 처리가 수행되었다.
이상적인 경우에는 음원위치추적을 위한 계산량은 문제가 되지 않으나, 실제로는 음파가 전파되는 환경 특성 등에 의하여, 마이크로폰으로 입력되는 음파에는 노이즈 및 반향에 의한 잡음 등이 포함될 수 있다. 이 경우, 이를 보정하기 위한 여러가지 추가적인 알고리즘이 포함되게 되며, 이러한 추가적인 알고리즘의 적용은 상대적으로 오랜 신호 처리 시간을 필요로 하게 된다. 따라서, 입력되는 아날로그음향신호에 대한 실시간 처리가 어렵게 되며, 이를 극복하기 위하여 보다 고급의 하드웨어의 사양을 요구하게 되어, 전체 시스템의 비용이 증가하게 되는 결과를 초래하게 된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2009-0038697호 (2007.10.16)
본 발명은, 음파의 외형을 나타내는 디지털음향신호를 이용하여 신속하게 음원위치를 추적할 수 있는 음원위치추적장치 및 음원위치추적방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 음원위치추적장치는, 인가되는 음파를 감지하여 각각 아날로그음향신호를 생성하는 복수개의 마이크로폰(microphone); 및 상기 아날로그음향신호가 가지는 파형의 크기변화에 대응하는 디지털음향신호를 생성하고, 상기 디지털음향신호를 이용하여 상기 각각의 마이크로폰으로 인가되는 음파의 시간지연을 계산하는 음향처리부를 포함하며, 상기 음향처리부는, 상기 아날로그음향신호를 샘플링하여 샘플링 데이터를 생성하고, 서로 인접하는 샘플링 데이터 사이의 크기를 비교하여 상기 디지털음향신호를 생성할 수 있다.
삭제
여기서 상기 음향처리부는, i번째 입력되는 샘플링 데이터가 i-1번째 입력되는 샘플링 데이터보다 크면 1을 출력하고, i번째 입력되는 샘플링 데이터가 i-1번째 입력되는 샘플링 데이터보다 작거나 같으면 0을 출력하여 상기 디지털음향신호를 생성할 수 있다. 이때, 상기 i는 2이상의 자연수일 수 있다.
여기서 상기 디지털음향신호는, 1비트(bit)로 표현되는 이진 수열일 수 있다.
여기서 상기 음향처리부는,
Figure 112013018450602-pat00001
ym은 디지털음향신호, xm은 샘플링 데이터, i는 2 이상의 자연수를 이용하여, 상기의 0과 1로 이루어진 1비트의 디지털음향신호를 생성할 수 있다.
여기서 상기 음향처리부는, GCC(Generalized Cross-Correlation)를 이용하여 상기 각각의 디지털음향신호 사이의 상호상관값(cross-correlation)을 계산하고, 상기 상호상관값을 이용하여 상기 각각의 디지털음향신호에 대응하는 시간지연을 계산할 수 있다.
여기서 상기 음향처리부는,
Figure 112013018450602-pat00002
Figure 112013018450602-pat00003
Figure 112013018450602-pat00004
Figure 112013018450602-pat00005
Figure 112013018450602-pat00006
는 시간지연,
Figure 112013018450602-pat00007
는 디지털음향신호의 상호상관값, ym은 디지털음향신호, xm은 샘플링 데이터, i는 2 이상의 자연수, N은 샘플링 데이터의 개수를 이용하여, 상기 디지털음향신호에 대응하는 시간지연을 계산할 수 있다.
여기서 상기 음향처리부는, 상기 아날로그음향신호를 샘플링하여 샘플링 데이터를 생성하고, i번째 입력되는 샘플링 데이터가 i-1(i는 2이상의 자연수)번째 입력되는 샘플링 데이터보다 크면 1을 출력하며, i번째 입력되는 샘플링 데이터가 i-1번째 입력되는 샘플링 데이터보다 작거나 같으면 0을 출력하여, 상기 각각의 아날로그음향신호에 대응하는 1비트(bit)의 디지털음향신호를 생성하는 음향신호입력기; 및 상기 각각의 디지털음향신호에 GCC(Generalized Cross-Correlation)를 적용하여 상기 디지털음향신호 사이의 상호상관값(cross-correlation)을 계산하고, 상기 상호상관값을 이용하여 상기 각각의 디지털음향신호에 대응하는 시간지연을 계산하는 신호처리기를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 음원위치추적방법에 의하면, 음파가 인가되면, 복수개의 마이크로폰이 인가되는 음파를 각각 감지하여 아날로그음향신호를 생성하는 음파감지단계; 음향처리부가 상기 아날로그음향신호의 파형에 대응하는 디지털음향신호를 생성하는 파형추출단계; 상기 디지털음향신호를 이용하여, 상기 마이크로폰으로 인가되는 음파의 시간지연을 계산하는 시간지연계산단계; 및 상기 시간지연을 이용하여, 음원의 위치를 판별하는 위치판별단계를 포함하며, 상기 파형추출단계는, 상기 아날로그음향신호를 샘플링하여 샘플링 데이터를 생성하고, 서로 인접하는 샘플링 데이터 사이의 크기를 비교하여 상기 디지털음향신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것이 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 음원위치추적장치 및 음원위치추적방법에 의하면, 음원위치추적을 위한 데이터의 크기 및 처리속도를 획기적으로 줄일 수 있다. 또한, 데이터의 크기 및 처리속도가 줄어들기 때문에, 복잡한 알고리즘의 구현비용을 줄일 수 있으며, 그 처리 속도를 보다 향상시킬 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 의한 음원위치추적장치를 나타내는 블록도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 의한 디지털음향신호의 생성을 설명하기 위한 개략도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 의한 음원위치추적장치의 성능을 테스트하기 위한 실험조건을 나타내는 개략도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 의한 음원 성능을 테스트하기 위한 마이크로폰 및 음원의 기하학적 위치를 나타내는 개략도 및 표이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 의한 음원위치추적장치에서 측정한 샘플수에 따른 시간지연과 종래의 음원위치추적장치에서 측정한 시간지연을 비교한 비교표이다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 의한 음원위치추적장치의 신호대잡음비에 따른 시간지연과 종래의 음원위치추적장치에서의 신호대잡음비에 따른 시간지연을 비교한 비교표이다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 의한 음원위치추적장치의 각각의 음원위치에 따르는 시간지연과 종래의 음원위치추적장치에서 측정한 시간지연을 비교한 비교표이다.
도8은 본 발명의 일 실시예에 의한 음원위치추적방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 의한 음원위치추적장치를 나타내는 블록도이다.
도1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 음원위치추적장치는, 복수개의 마이크로폰(10) 및 음향처리부(20)를 포함할 수 있다.
이하, 도1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 음원위치추적장치를 설명한다.
마이크로폰(10)은, 인가되는 음파를 감지하여 아날로그음향신호를 생성할 수 있다. 상기 마이크로폰(10)은, 음원(s)에서 발생한 음파가 일으키는 공기의 진동을 감지할 수 있으며, 상기 공기의 진동에 대응하는 전기적 신호를 생성할 수 있다. 여기서, 상기 음파가 변환된 전기적 신호를 아날로그음향신호라 한다.
도1에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로폰(10)는 제1 마이크로폰(11), 제2 마이크로폰(12) 등을 포함하여 복수개 구비될 수 있다. 이와 같이, 복수개의 마이크로폰(11, 12, ... , 1n)을 포함하는 경우에는, 상기 음원(s)의 위치에 따라 상기 음파가 각각의 마이크로폰(11, 12)에 도달하는 시간이 상이할 수 있다. 즉, 각각의 마이크로폰(11, 12)이 상기 음파에 대응하는 아날로그음향신호를 생성하기 시작하는 시간이 달라지기 때문에, 상기 아날로그음향신호 사이에 시간지연이 발생할 수 있다. 특히, 마이크로폰(11, 12)이 상기 음원(s)으로부터 멀리 떨어진 곳에 위치할수록 상기 시간지연은 더 크게 발생할 수 있다.
여기서, 상기 시간지연은 상기 음원(s)과의 거리에 비례하여 발생하는 것이므로, 상기 각각의 마이크로폰(10)에서 생성하는 아날로그음향신호들 사이의 시간지연을 이용하여 상기 음원(s)을 위치를 판별하는 것이 가능하다. 예를들어, 음파의 속도는 약 340m/s이므로, 상기 시간지연을 이용하면 상기 음원에서부터 각각의 마이크로폰(11, 12, 13) 사이의 거리를 파악할 수 있으며, 상기 복수개의 마이크로폰(11, 12, 13) 사이의 간격은 미리 알고 있는 값으로 볼 수 있다. 따라서, 삼각함수 등을 활용하여 상기 음원의 위치를 파악할 수 있다.
구체적으로, 상기 마이크포폰(10)은 상기 음파를 감지하여 상기 아날로그음향신호를 생성한 후, 상기 아날로그음향신호를 음향처리부(20)로 전송할 수 있으며, 상기 음향처리부(20)에서 상기 시간지연을 계산하도록 할 수 있다.
음향처리부(20)는, 상기 아날로그음향신호가 가지는 파형의 크기변화에 대응하는 디지털음향신호를 생성하고, 상기 디지털음향신호를 이용하여 상기 마이크로폰(10)으로 인가되는 음파의 시간지연을 계산할 수 있다. 여기서, 음향처리부(20)는 상기 아날로그음향신호를 샘플링(sampling)하여 샘플링 데이터를 생성할 수 있으며, 특히 서로 인접하는 샘플링 데이터 사이의 크기를 비교하여 상기 디지털음향신호를 생성할 수 있다.
종래에는, 예를들어 1초에 100회 샘플링을 수행하여 상기 아날로그음향신호의 크기에 대응하는 값을 12bit의 디지털 데이터로 변환한 후, 상기 변환된 디지털 데이터를 이용하여 시간지연을 계산하였다. 이와 같이, 초당 샘플링 횟수가 증가하고 디지털 데이터의 bit가 많아질수록 상기 디지털 데이터는 상기 아날로그음향신호와 근접하게 되지만, 반대로 생성되는 디지털 데이터의 양이 많아지게 되고 상기 디지털 데이터를 이용하여 음파의 시간지연을 계산하는데 소요되는 시간이 증가하게 된다. 특히, 음파가 전파되는 환경 특성(반향이나 반사특성 등)에 의하여 영향을 받게 되는 경우에는 이를 보정하기 위한 추가적인 알고리즘 등을 적용하게 되는데, 상기 알고리즘의 적용에 따른 계산 등을 수행하게 되면, 상대적으로 오랜 신호처리시간이 소요될 수 있으며, 그에 따라 실시간 처리가 어려워질 수 있다. 또한, 실시간 처리를 수행할 수 있도록 하기 위해서는, 하드웨어(hardware)의 사양이 보다 높아지게 되므로 전체 음원위치추적장치를 구성하기 위하여 필요한 비용이 상승하는 결과를 초래할 수 있다.
반면에, 본 발명의 일 실시예에 의한 음향처리부(20)에 의하면, 서로 인접하는 샘플링 데이터 사이의 크기를 비교하여 1bit의 디지털음향신호를 생성할 수 있다. 이와 같이 1bit의 디지털음향신호를 이용하게 되면, 종래의 12bit를 이용하는 경우와 비교할 때, 상기 음파의 시간지연을 계산하기 위한 계산량을 획기적으로 감소시킬 수 있으며, 신속한 결과도출을 수행할 수 있다.
상기 음향처리부(20)를 이용한 상기 음파의 시간지연 계산과 관련하여, 상기 아날로그음향신호에서 나타나는 신호의 외형은 상기 지연시간 계산에 필수적인 요소에 해당한다. 상기 음원(s)에서 음파가 발생하면, 동일한 형태의 음파가 제1 마이크로폰(11) 및 제2 마이크로폰(12)에 각각 일정한 시간지연을 가지고 입력된다. 따라서, 각각의 마이크로폰(11, 12)이 생성하는 각각의 아날로그음향신호에서 나타내는 신호의 외형이 얼마의 시간지연을 가지면서 동일한 형태로 반복되어 나타나는 가를 확인하면 상기 음파의 시간지연을 구할 수 있다. 따라서, 상기 음파의 시간지연을 계산하기 위해서는 상기 아날로그음향신호가 가지는 각각의 크기값이 아니라, 상기 아날로그음향신호가 가지는 신호의 외형의 변화가 중요한 요소이다. 그러므로, 본 발명의 일 실시예에 의한 음향처리부(20)와 같이, 서로 인접하는 샘플링 데이터 사이의 크기를 비교하여 상기 디지털음향신호를 생성하면, 상기 시간지연 계산에 불필요한 아날로그음향신호의 크기를 제외하고, 상기 아날로그음향신호의 외형에 대한 정보를 얻을 수 있다.
구체적으로, 상기 음향처리부(20)는 i번째 입력되는 샘플링 데이터가 i-1번째 입력되는 샘플링 데이터보다 크면 1을 출력하고 이외에는 0을 출력하는 방식으로 상기 디지털음향신호를 생성할 수 있다. 이때, i는 2 이상의 자연수이다. 즉, 상기 아날로그음향신호가 증가하는지 또는 감소하는지를 상기 디지털음향신호로 나타낼 수 있으며, 이를 통하여 상기 아날로그음향신호의 신호 외형에 대한 정보를 얻을 수 있다. 이 경우, 상기 디지털음향신호는 0 또는 1로 표현되는 1bit의 이진 수열로 나타날 수 있다.
도2(a)는 종래의 방식에 따라 아날로그음향신호를 샘플링한 후, 대응하는 디지털 데이터를 구하는 것을 나타내는 도면이고, 도2(b)는 본 발명의 일 실시예에 따라 아날로그음향신호를 샘플링한 후, 상기 아날로그음향신호가 증가하는지 또는 감소하는지를 나타내는 디지털음향신호로 표현하는 것을 나타내는 도면이다. 도2(a)와 같이, 각각의 샘플링된 샘플링 데이터 자체를 12bit의 디지털 데이터로 표현하게 되면, 이후 시간지연 계산시 처리해야할 데이터의 양이 증가하게 되며, 실제 시간지연을 계산하기 위하여 필요한 정보 이상의 정보가 다수 포함되게 된다.
반면에, 도2(b)와 같이, 아날로그음향신호가 증가하는지 또는 감소하는지에 대한 정보를 0과 1로 나타내는 디지털음향신호로 표시하면, 단지 1bit의 이진수열로 나타나므로, 계산량을 획기적으로 줄일 수 있으며 계산시간을 최소화할 수 있다.
구체적으로, 상기 음향처리부(20)는,
Figure 112013018450602-pat00008
ym은 디지털음향신호, xm은 샘플링 데이터, i는 2이상의 자연수를 이용하여, 상기 디지털음향신호를 생성할 수 있다. x1은 제1 마이크로폰(11)에서 입력받은 아날로그음향신호에 대한 샘플링 데이터를 의미하고, x2는 제2 마이크로폰(12)에서 입력받은 아날로그음향신호에 대한 샘플링 데이터를 의미한다.
이후, 상기 음향처리부(20)는, 상기 디지털음향신호에 대하여 시간지연을 구하기 위한 한 방법인 GCC(Generalized Cross-Correlation)를 적용할 수 있으며, 상기 GCC에 의하여 상기 각각의 디지털음향신호 사이의 상호상관값을 구할 수 있다. 상기 GCC는 임의의 두 신호를 입력받아 두 신호 사이의 정합성을 판별하기 위한 기법으로서, 음원위치추적과 관련하여 시간지연을 추정하는 방법으로 널리 활용되는 기법 중의 하나이다. 종래에는 상기 아날로그음향신호를 12bit의 디지털 데이터로 변환한 후 상기 GCC를 적용하였으나, 여기서는 상기 1bit의 디지털음향신호에 대하여 상기 GCC를 적용하여 상기 각각의 마이크로폰(11, 12)에 대응하는 시간지연을 계산할 수 있다.
구체적으로, 상기 음향처리부(20)는
Figure 112013018450602-pat00009
Figure 112013018450602-pat00010
Figure 112013018450602-pat00011
Figure 112013018450602-pat00012
Figure 112013018450602-pat00013
는 시간지연,
Figure 112013018450602-pat00014
는 디지털음향신호의 상호상관값, ym은 디지털음향신호, xm은 샘플링 데이터, i는 2 이상의 자연수, N은 샘플링 데이터의 개수를 이용하여 상기 디지털음향신호에 대응하는 시간지연을 계산할 수 있다. 특히, 여기서는 1bit의 디지털음향신호를 활용하므로, 종래와 달리 XNOR를 활용하여 상기 GCC를 수행할 수 있다. 상기 XNOR는 비트(bit)간의 연산을 다루는 논리연산자 중에 하나로서, 서로의 비트가 같으면 1을 출력하고 다르면 0을 출력하는, 배타적 부정 논리합(exclusive NOR)를 의미한다.
종래에는 12bit의 디지털 데이터를 활용하는 경우에는, 상기 GCC를 적용하기 위하여, 12bit의 디지털 데이터 간의 곱 등을 수행하였으나, 본 발명의 일 실시예에 의한 음향처리부(20)에 의하면 1bit의 간단한 XNOR 연산으로 대신 할 수 있으므로, 연산이 간단하고 신속하게 처리될 수 있다.
여기서, 상기 음향처리부(20)는 하나의 물리적 소자, 예를들어 FPGA(Field-Programmable Gate Array) 등으로 구현할 수 있으며, 복수개의 물리적 소자를 이용하여 구현하는 것도 가능하다. 따라서, 상기 음향처리부(20)는 음향신호입력기 및 신호처리기와 같은 개별적인 물리적 소자를 이용하여 구현할 수 있다.
상기 음향신호입력기는 상기 아날로그음향신호를 입력받아 1비트의 상기 디지털음향신호를 생성하는 것으로서, 전용의 IC(Integrated Circuit)나 연산증폭기(Operational Amplifier) 등으로 구현될 수 있다. 또한, 상기 신호처리기는 전용의 IC나 컨트롤러(controller) 등으로 구현될 수 있으며, 상기 디지털음향신호의 정합성을 판단하여 각각의 마이크로폰(10)으로 입력되는 음파의 시간지연을 계산할 수 있다.
구체적으로, 상기 음향신호입력기는 상기 아날로그음향신호를 샘플링하여 샘플링 데이터를 생성할 수 있으며, i번째 입력되는 샘플링 데이터와 i-1(i는 2이상의 자연수)번째 입력되는 샘플링데이터를 비교하여 상기 아날로그음향신호에 대응하는 1bit의 디지털음향신호를 생성할 수 있다. 예를들어, 상기 i번째 샘플링 데이터가 i-1번째 샘플링데이터보다 크면 1을 출력하고, 이외에는 0을 출력하는 방식으로 상기 디지털음향신호를 생성할 수 있다. 이후, 상기 음향신호입력기는 상기 신호처리기로 상기 디지털음향신호를 전송할 수 있다.
상기 디지털음향신호를 전송받은 신호처리기는, 상기 디지털음향신호에 대하여 GCC(Generalized Cross-Correlation)을 이용하여 상기 각각의 디지털음향신호 사이의 상호상관값(Cross-Correlation)을 계산한 후, 상기 디지털음향신호 사이의 상호상관값을 이용하여 상기 디지털음향신호 사이의 시간지연을 계산할 수 있다. 구체적으로, 상기 신호처리기는 상기 수학식2를 이용하여 상기 시간지연을 계산할 수 있다.
이후, 상기 계산된 시간지연을 이용하여 상기 음원의 위치를 계산하는 것이 가능하다. 상기 시간지연을 이용하여 음원의 위치를 계산하는 내용에 대하여는 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 음원위치추적장치의 성능을 테스트하기 위하여, 도3에 도시된 바와 같은 실험실 내부에, 마이크로폰 및 음원을 구비하여 실험을 진행할 수 있다. 이때, 도4(a)와 같은 기하학적 구조를 가지도록 상기 마이크로폰(MIC1, MIC2, MIC3) 및 음원(S1 내지 S18)이 구비될 수 있다. 여기서, 상기 마이크로폰(MIC1, MIC2, MIC3) 및 음원(S1 내지 S18)의 구체적인 위치는 도4(b)와 같이, 원점(Origin)에 대한 좌표로 나타낼 수도 있다.
도5는 음원이 S5의 위치에서 존재할 때에 시간지연을 측정한 것으로서, 종래의 음원위치추적장치에서 측정한 시간지연과 본 발명의 일 실시예에 의한 음원위치추적장치에서 측정한 시간지연을 샘플수(NS: Number of Samples)에 따라 비교한 표이다. 여기서, 비교대상으로 활용된 종래의 음원위치추적장치는 각각 PC(Polarity Coincidence Algorithm), AMDF(Average Magnitude Difference Function), GCC(time-domain Generalized Cross-Correlation)를 이용하여 시간지연을 계산한 것이다. 여기서, 본 발명의 일 실시예에 의한 음원위치추적장치는 GCC-BC(Generalized Cross-Correlation - Binary Compared acoustic code)에 해당한다. 상기 도5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 음원위치추적장치는 종래의 12bit를 1bit로 줄였음에도 불구하고, 계산된 시간지연은 종래의 방식과 비교할 때 차이가 거의 발생하지 않음을 확인할 수 있다.
또한, 도6은 본 발명의 일 실시예에 의한 음원위치추적장치의 성능을, 신호대잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio)에 따라 종래의 음원위치추적장치와 비교한 비교표로서, 신호대잡음비에 있어서도 오히려 본 발명(GCC-BC)이 더 유리함을 확인할 수 있다.
마지막으로, 도7은 각각의 음원 위치에 따른 시간지연을 계산한 비교표로서, 음원의 위치변화에도 불구하고, 종래의 12bit를 활용한 경우와 비교할 때, 계산된 시간지연값에 차이가 없음을 확인할 수 있다.
도8은 본 발명의 일 실시예에 의한 음원위치추적방법을 나타내는 순서도이다.
도8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 음원위치추적방법은, 음파감지단계(S110), 파형추출단계(S120), 시간지연계산단계(S130) 및 위치판별단계(S140)를 포함할 수 있다.
이하, 도8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 음원위치추적방법을 설명한다.
음파감지단계(S110)는, 음파가 인가되면, 복수개의 마이크로폰이 인가되는 음파를 각각 감지하여 아날로그음향신호를 생성할 수 있다. 앞서 살핀 바와 같이, 상기 아날로그음향신호는 상기 음파의 진동에 대응하는 전기적 신호로 표현될 수 있으며, 상기 아날로그음향신호는 상기 음파가 발생하는 음원과 상기 마이크로폰 사이의 거리에 따른 시간지연을 포함할 수 있다.
파형추출단계(S120)는, 음향처리부가 상기 아날로그음향신호의 파형에 대응하는 디지털음향신호를 생성할 수 있다. 상기 아날로그음향신호 사이의 시간지연을 파악하면, 상기 음파를 발생시키는 음원의 위치를 판별할 수 있다. 상기 파형추출단계(S120)에서는 상기 아날로그음향신호 사이의 시간지연을 용이하게 계산하기 위하여, 먼저 상기 아날로그음향신호를 디지털음향신호로 변환할 수 있다. 구체적으로, 상기 파형추출단계(S120)는, 상기 아날로그음향신호를 샘플링(sampling)하여 샘플링 데이터를 생성할 수 있으며, 특히 서로 인접하는 샘플링 데이터 사이의 크기를 비교하여 상기 디지털음향신호를 생성할 수 있다. 특히, i번째 입력되는 샘플링 데이터가 i-1번째 입력되는 샘플링 데이터보다 크면 1을 출력하고 이외에는 0을 출력하는 방식으로 상기 디지털음향신호를 생성할 수 있다. 이때, i는 2 이상의 자연수이다. 즉, 상기 아날로그음향신호가 증가하는지 또는 감소하는지를 상기 디지털음향신호로 나타낼 수 있으며, 이를 통하여 상기 아날로그음향신호의 신호 외형에 대한 정보를 얻을 수 있다. 이 경우, 상기 디지털음향신호는 0 또는 1로 표현되는 1bit의 이진 수열로 나타날 수 있다.
구체적으로는,
Figure 112013018450602-pat00015
ym은 디지털음향신호, xm은 샘플링 데이터, i는 2이상의 자연수를 이용하여, 상기 디지털음향신호를 생성할 수 있다. x1은 제1 마이크로폰에서 입력받은 아날로그음향신호에 대한 샘플링 데이터를 의미하고, x2는 제2 마이크로폰에서 입력받은 아날로그음향신호에 대한 샘플링 데이터를 의미한다.
시간지연계산단계(S130)는, 상기 디지털음향신호를 이용하여 상기 마이크로폰으로 인가되는 음파의 시간지연을 계산할 수 있다. 상기 시간지연을 계산하기 위하여, 상기 1bit의 디지털음향신호에 대하여 GCC를 적용할 수 있으며,
구체적으로,
Figure 112013018450602-pat00016
Figure 112013018450602-pat00017
Figure 112013018450602-pat00018
Figure 112013018450602-pat00019
Figure 112013018450602-pat00020
는 시간지연,
Figure 112013018450602-pat00021
는 디지털음향신호의 상호상관값, ym은 디지털음향신호, xm은 샘플링 데이터, i는 2 이상의 자연수, N은 샘플링 데이터의 개수를 이용하여 상기 디지털음향신호에 대응하는 시간지연을 계산할 수 있다. 특히, 여기서는 1bit의 디지털음향신호를 활용하므로, 종래와 달리 XNOR를 활용하여 상기 GCC를 수행할 수 있다. 상기 XNOR는 비트(bit)간의 연산을 다루는 논리연산자 중에 하나로서, 서로의 비트가 같으면 1을 출력하고 다르면 0을 출력하는, 배타적 부정 논리합(exclusive NOR)를 의미한다.
위치판별단계(140)는, 상기 시간지연을 이용하여, 상기 음원의 위치를 판별할 수 있다. 앞서 살핀 바와 같이, 상기 시간지연을 계산하면, 음원의 위치에 대한 정보를 얻을 수 있으므로, 상기 시간지연을 이용하여 상기 음원의 위치를 판별하는 것이 가능하다. 상기 시간지연을 이용하여 음원의 위치를 계산하는 구체적인 내용에 대하여는 자세한 설명을 생략한다.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.
10: 마이크로폰 20: 음향처리부
S: 음원
S110: 음파감지단계 S120: 파형추출단계
S130: 시간지연계산단계 S140: 위치판별단계

Claims (8)

  1. 인가되는 음파를 감지하여 각각 아날로그음향신호를 생성하는 복수개의 마이크로폰(microphone); 및
    상기 아날로그음향신호가 가지는 파형의 크기변화에 대응하는 디지털음향신호를 생성하고, 상기 디지털음향신호를 이용하여 상기 각각의 마이크로폰으로 인가되는 음파의 시간지연을 계산하는 음향처리부를 포함하며,
    상기 음향처리부는, 상기 아날로그음향신호를 샘플링하여 샘플링 데이터를 생성하고, 서로 인접하는 샘플링 데이터 사이의 크기를 비교하여 상기 디지털음향신호를 생성하는 음원위치추적장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 음향처리부는
    i번째 입력되는 샘플링 데이터가 i-1번째 입력되는 샘플링 데이터보다 크면 1을 출력하고, i번째 입력되는 샘플링 데이터가 i-1번째 입력되는 샘플링 데이터보다 작거나 같으면 0을 출력하여 상기 디지털음향신호를 생성하며, 상기 i는 2이상의 자연수인 음원위치추적장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 음향처리부는
    Figure 112014090161961-pat00022

    ym은 디지털음향신호, xm은 샘플링 데이터, i는 2이상의 자연수를 이용하여, 0과 1로 이루어진 1비트(bit)의 상기 디지털음향신호를 생성하는 음원위치추적장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 음향처리부는
    GCC(Generalized Cross-Correlation)를 이용하여 상기 각각의 디지털음향신호 사이의 상호상관값(cross-correlation)을 계산하고, 상기 상호상관값을 이용하여 상기 각각의 디지털음향신호에 대응하는 시간지연을 계산하는 음원위치추적장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 음향처리부는
    Figure 112013018450602-pat00023

    Figure 112013018450602-pat00024

    Figure 112013018450602-pat00025

    Figure 112013018450602-pat00026

    Figure 112013018450602-pat00027
    는 시간지연,
    Figure 112013018450602-pat00028
    는 디지털음향신호의 상호상관값, ym은 디지털음향신호, xm은 샘플링 데이터, i는 2 이상의 자연수, N은 샘플링 데이터의 개수를 이용하여, 상기 디지털음향신호에 대응하는 시간지연을 계산하는 음원위치추적장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 음향처리부는
    상기 아날로그음향신호를 샘플링하여 샘플링 데이터를 생성하고, i번째 입력되는 샘플링 데이터가 i-1(i는 2이상의 자연수)번째 입력되는 샘플링 데이터보다 크면 1을 출력하며, i번째 입력되는 샘플링 데이터가 i-1번째 입력되는 샘플링 데이터보다 작거나 같으면 0을 출력하여, 상기 각각의 아날로그음향신호에 대응하는 1비트(bit)의 디지털음향신호를 생성하는 음향 신호 입력기; 및
    상기 각각의 디지털음향신호에 GCC(Generalized Cross-Correlation)를 적용하여 상기 디지털음향신호 사이의 상호상관값(cross-correlation)을 계산하고, 상기 상호상관값을 이용하여 상기 각각의 디지털음향신호에 대응하는 시간지연을 계산하는 신호처리기를 포함하는 음원위치추적장치.
  8. 음파가 인가되면, 복수개의 마이크로폰이 인가되는 음파를 각각 감지하여 아날로그음향신호를 생성하는 음파감지단계;
    음향처리부가 상기 아날로그음향신호의 파형에 대응하는 디지털음향신호를 생성하는 파형추출단계;
    상기 디지털음향신호를 이용하여, 상기 마이크로폰으로 인가되는 음파의 시간지연을 계산하는 시간지연계산단계; 및
    상기 시간지연을 이용하여, 음원의 위치를 판별하는 위치판별단계를 포함하며,
    상기 파형추출단계는, 상기 아날로그음향신호를 샘플링하여 샘플링 데이터를 생성하고, 서로 인접하는 샘플링 데이터 사이의 크기를 비교하여 상기 디지털음향신호를 생성하는 단계를 포함하는 음원위치추적방법.
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