[논문]소형 마이크로폰 배열에 적용 가능한 음원 위치 추정법 비교

정인지; 이정권

doi:10.7776/ask.2020.39.1.047

소형 마이크로폰 배열에 적용 가능한 음원 위치 추정법 비교
Comparison of the sound source localization methods appropriate for a compact microphone array 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.39 no.1, 2020년, pp.47 - 56

정인지 (한국과학기술원 기계공학과) , 이정권 (한국과학기술원 기계공학과)

초록
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음원위치추정 기술은 사물인터넷 시대에서 다양한 응용 분야를 가지고 있으며, 이로 인해 마이크로폰 프로브의 크기가 중요하게 고려되고 있다. 음향 인텐시티 벡터를 이용한 음원위치추정 방법은 마이크로폰 사이의 간격이 좁을수록 유한차분오차가 작기 때문에 배열을 소형화 할 수 있다는 장점이 있다. 본 논문에서는 음향 인텐시티 벡터 및 도달시간차 방법을 통해 원거리 음장에서 음원의 위치 추정 시 발생하는 오차를 비교한다. 정사면체 형태의 3차원 마이크로폰 배열을 통해 마이크로폰 사이의 간격 변화에 따라서 오차를 비교하였다. 실제 환경에서 음원위치추정 방법의 유효성을 검증하기 위해 잔향음장 내에서 잔향시간을 변화시켜 추가 실험을 수행하였다. 도달시간차를 계산하기 위해 Generalized Cross Correlation-Phase transform(GCC-PHAT) 알고리즘을 적용하였다. 실험 결과, T₆₀ = 0.4 s일 때 음향인텐시티법에 의한 위치추정 오차는 2.9°, 그리고 GCC-PHAT를 적용했을 때는 7.3° 이며, T₆₀ = 1.0 s일 때 오차는 각각 9.9°, 13.0°이다. 이를 통해 일반 잔향장이 고려되는 실제 환경에서도 소형의 마이크로폰 배열을 통한 음향 인텐시티법은 음원의 위치를 추정하는데 유효하게 적용될 수 있음을 알 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The sound source localization technique has various application fields in the era of internet-of-things, for which the probe size becomes critical. The localization methods using the acoustic intensity vector has an advantage of downsizing the layout of the array owing to a small finite-difference error for the short distance between adjacent microphones. In this paper, the acoustic intensity vector and the Time Difference of Arrival (TDoA) method are compared in the viewpoint of the localization error in the far-field. The comparison is made according to the change of spacing between adjacent microphones of the three-dimensional microphone array arranged in a tetrahedral shape. An additional test is conducted in the reverberant field by varying the reverberation time to verify the effectiveness of the methods applied to the actual environments. For estimating the TDoA, the Generalized Cross Correlation-Phase transform (GCC-PHAT) algorithm is adopted in the computation. It is found that the mean localization error of the acoustic intensimetry is 2.9° and that of the GCC-PHAT is 7.3° for T60 = 0.4 s, while the error increases as 9.9°, 13.0° for T60 = 1.0 s, respectively. The data supports that a compact array employing the acoustic intensimetry can localize of the sound source in the actual environment with the moderate reflection conditions.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. (Color online) A tetrahedral pressure microphone array, where m_n indicates the position of microphone in the Cartesian coordinate, I_a, acoustic intensity vector, ϕ, azimuth angle, θ, elevation angle of the source.
$Fig. 2. (Color online) Localization error using TDoA according to the microphone spacing ratio α, and the normalized discretization error coefficient, <TEX>$\overline{{\beta}}$</TEX>.$ 그림 Fig. 2. (Color online) Localization error using TDoA according to the microphone spacing ratio α, and the normalized discretization error coefficient, $\overline{{\beta}}$.
그림 Fig. 3. (Color online) A comparison of the expected measurement errors in using of three different techniques for source localization varying Helmholtz number, k_cd: ⋯⋯, TDoA method; ⚋, beamforming method; ⚊, acoustic intensity method.
그림 Fig. 4. (Color online) Localization errors presented in the spatial domain varying Helmholtz number, k_cd: (a), (d) k_cd = 1.0; (b), (e) k_cd = 2.6; (c), (f) k_cd = 3.0.
그림 Fig. 5. (Color online) Localization error for a plane wave source having 70 dB SNR in the free field using a tetrahedral probe with varying spacing between microphone spacing d.
표 Table 1. Comparison of the localization error for acoustic intensity, GCC-PHAT method when the microphone spacing d = 30 mm.
표 Table 2. Comparison of the localization error for acoustic intensity, GCC-PHAT method when the microphone spacing d = 80 mm.
그림 Fig. 6. (Color online) Experimental setup for the localization test in the semi-reverberant environment.
그림 Fig. 7. (Color online) Localization error of source localization in the reverberant field using a tetrahedral probe for varying T₆₀.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 정사면체 형태의 3차원 마이크로폰 배열을 통해 계산된 음향 인텐시티 벡터 및 음파의 도달시간차를 기반으로 원거리 음장에서 전파되는 음원의 위치추정 방법에 대해 논의하고 위치추정 결과에서 나타나는 오차^[15-18]에 대해 설명한다. 마이크로폰 간격 변화에 따라서 위치추정 실험결과를 분석 및 비교하여, 음향 인텐시티 벡터를 적용하여 시스템을 소형화 할 수 있는 이점에 대해 논의한다.

제안 방법

3차원 음향 인텐시티를 구하기 위해서는 동일한 평면상에 존재하지 않는 4개 이상의 마이크로폰으로 구성된 마이크로폰 배열 시스템이 필요하며, 본 연구에서는 3차원 음향 인텐시티를 계산하기 위해서 Fig. 1과 같은 정사면체 마이크로폰 배열구조를 사용하였다.^[19,20] 정사면체 배열은 마이크로폰 사이의 간격이 동일하므로 유한차분법에 따른 오차를 동일하게 통제 할 수 있고, 무지향성이 높으며, 3차원을 표현할 수 있는 가장 적은 개수의 마이크로폰을 사용한다는 장점을 가지고 있다.
에 대해 설명한다. 마이크로폰 간격 변화에 따라서 위치추정 실험결과를 분석 및 비교하여, 음향 인텐시티 벡터를 적용하여 시스템을 소형화 할 수 있는 이점에 대해 논의한다. 마지막으로 인텐시티 벡터를 통한 음원 위치추정 방법의 실질적인 유효성을 검증하기 위해서 잔향음장 내에서 실험한 결과에 대해 설명한다.
1과 같이 정사면체 형태의 3차원 마이크로폰 배열을 이용하여 도달시간차, 지연-합빔포밍, 및 음향 인텐시티 벡터를 통한 위치추정 결과를 분석하며, 마이크로폰 간격을 변화시켜 헬름홀츠 수에 대한 위치추정 결과를 비교한다. 이와 관련한 선행연구에서는 3개의 마이크로폰으로 구성된 평면 배열을 통해 오직 방위각에 대한 위치추정 오차 비교를 수행하였으나,^[17] 본 연구에서는 3차원으로 입사되는 음원에 대하여 높은 해상도로 고도각 및 방위각에 대한 위치추정 오차를 비교하였다.

대상 데이터

1과 같이 정사면체 형태의 3차원 마이크로폰 배열을 이용하여 도달시간차, 지연-합빔포밍, 및 음향 인텐시티 벡터를 통한 위치추정 결과를 분석하며, 마이크로폰 간격을 변화시켜 헬름홀츠 수에 대한 위치추정 결과를 비교한다. 이와 관련한 선행연구에서는 3개의 마이크로폰으로 구성된 평면 배열을 통해 오직 방위각에 대한 위치추정 오차 비교를 수행하였으나,^[17] 본 연구에서는 3차원으로 입사되는 음원에 대하여 높은 해상도로 고도각 및 방위각에 대한 위치추정 오차를 비교하였다.
음장 내 산란 및 반사가 없는 완전한 자유음장조건에서, 신호 대 잡음비는 70 dB이며 1.7 kHz에서 2.2kHz의 대역 제한 백색잡음 신호를 갖는 평면파가 입사되는 조건에서 마이크로폰 간격을 d = 14 mm에서 110 mm로 변경하여 헬름홀츠 수 kcd를 결정하였다. 여기서 kc 는 신호 대역의 중심주파수인 2 kHz에 해당하는 파수이며, 헬름홀츠 수의 해상도는 0.

이론/모형

실제 실험환경은 대부분 자유음장이 아니므로, 음향 인텐시티 벡터를 이용한 음원위치 추정 방법의 실질적인 유효성을 검증하기 위해 image-source 법^[21]을 통해 잔향음장에서 음원위치추정 실험을 수행하였다. 실험공간은 5.

성능/효과

또한 동일한 마이크로폰 배열을 이용하여 잔향음장에서 음원 위치추정 실험을 수행한 결과, 음향 인텐시티 벡터를 계산한 결과에서는 잔향시간이 길어질수록 평균오차 및 편차가 커지지만GCC-PHAT를 적용한 결과에 비해 평균 오차가 작은 것을 관찰할 수 있었다. 결론적으로, 매우 심한 반사를 제외한 일반 잔향장이 고려되는 실제 적용 환경에서도 음향 인텐시티법은 음원의 위치를 추정하는데 매우 작은 오차를 가지고 적용될 수 있는 것을 알 수 있고, 이에 따라 다양한 적용 가능성을 지니는 소형 마이크로폰 배열에 적합한 방법임을 알 수 있다.
정사면체 형태로 배열 된 마이크로폰을 이용한 위치추정 실험을 통해 음향인텐시티 벡터를 이용한 방법이 음파 도달시간차 계산 방법에 비해서 헬름홀츠 수가 낮을수록 위치추정 정확도 및 정밀도가 높은 것을 확인하였다. 또한 동일한 마이크로폰 배열을 이용하여 잔향음장에서 음원 위치추정 실험을 수행한 결과, 음향 인텐시티 벡터를 계산한 결과에서는 잔향시간이 길어질수록 평균오차 및 편차가 커지지만GCC-PHAT를 적용한 결과에 비해 평균 오차가 작은 것을 관찰할 수 있었다. 결론적으로, 매우 심한 반사를 제외한 일반 잔향장이 고려되는 실제 적용 환경에서도 음향 인텐시티법은 음원의 위치를 추정하는데 매우 작은 오차를 가지고 적용될 수 있는 것을 알 수 있고, 이에 따라 다양한 적용 가능성을 지니는 소형 마이크로폰 배열에 적합한 방법임을 알 수 있다.
본 논문에서는 음향 인텐시티 벡터 및 음파 도달 시간차 계산을 통한 음원위치추정 방법 및 이때 발생되는 오차에 대해 설명 하고, 헬름홀츠 수에 대한 위치추정 결과를 비교하였다. 정사면체 형태로 배열 된 마이크로폰을 이용한 위치추정 실험을 통해 음향인텐시티 벡터를 이용한 방법이 음파 도달시간차 계산 방법에 비해서 헬름홀츠 수가 낮을수록 위치추정 정확도 및 정밀도가 높은 것을 확인하였다. 또한 동일한 마이크로폰 배열을 이용하여 잔향음장에서 음원 위치추정 실험을 수행한 결과, 음향 인텐시티 벡터를 계산한 결과에서는 잔향시간이 길어질수록 평균오차 및 편차가 커지지만GCC-PHAT를 적용한 결과에 비해 평균 오차가 작은 것을 관찰할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도달시간차 계산을 통한 위치추정 방법이란 무엇인가?	도달시간차 계산을 통한 위치추정 방법은 음파가 마이크로폰에 도달하는 시간지연 차이를 통해 계산되는 상호상관함수로부터 음원의 위치를 계산하는 방식이며, 특히 Generalized Cross Correlation-Phase transform(GCC-PHAT)[3]는 잡음이나 잔향이 고려되는 환경에서도 강건한 특성을 나타내는 것으로 알려져 있다. 그러나 양자화 오차[9]를 줄이기 위해서 샘플링 주파수가 높아야하고 수음점 사이의 간격이 멀어야 하는 한계점이 있다.
	음향 인텐시티 벡터를 이용한 음원위치추정 방법의 장점은?	음원위치추정 기술은 사물인터넷 시대에서 다양한 응용 분야를 가지고 있으며, 이로 인해 마이크로폰 프로브의 크기가 중요하게 고려되고 있다. 음향 인텐시티 벡터를 이용한 음원위치추정 방법은 마이크로폰 사이의 간격이 좁을수록 유한차분오차가 작기 때문에 배열을 소형화 할 수 있다는 장점이 있다. 본 논문에서는 음향 인텐시티 벡터 및 도달시간차 방법을 통해 원거리 음장에서 음원의 위치 추정 시 발생하는 오차를 비교한다.
	빔포밍에 의한 위치추정 오차가 도달시간차 계산을 통한 방법과 비슷한 경향을 보인 이유는?	[12] 또한 빔포밍에 의한 위치추정 오차는 도달시간차 계산을 통한 방법과 비슷한 경향성을 나타내었다. 이는 낮은 헬름홀츠 수에 대하여, 빔폭이 넓어져서 위치 추정의 정밀도가 크게 낮아지며, 센서 간격 및 샘플링 주파수에 따른 공간분해능이 떨어지기 때문이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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