등각기하대수와 비음수 행렬분해 기반 3차원 음원 위치 추정

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확장요약문

홈로봇 및 지능형 음향 시스템에서 사용자와의 자연스러운 음성 기반 상호작용을 구현하기 위해서는 소형 마이크로폰 어레이를 이용하여 음원의 방위각, 고도각 및 거리를 실시간으로 추정할 수 있는 3 차원 음원 위치 추정 기술이 요구된다. 특히 온디바이스 적용을 위해서는 대규모 학습 데이터 또는 고밀도 공간 탐색에 의존하지 않고, 제한된 수의 마이크로폰으로 3 차원 위치를 추정할 수 있는 경량의 해석적 기법이 필요하다.

본 연구에서는 5 채널 마이크로폰 어레이에서 측정된 도달 시간차(Time Difference of Arrival, TDOA)와 채널 간 음압 레벨차(Inter-channel Level Difference, ILD)를 융합하여 음원의 3 차원 위치를 추정하는 해석적 기법을 제안한다. 먼저 마이크로폰 신호를 프레임 단위로 분할하여 GCC-PHAT 기반의 단시간 상호상관함수(Short-Time Generalized Cross-Correlation, ST-GCC) 행렬을 구성하고, 비음수 행렬 분해(Non-negative Matrix Factorization, NMF)를 적용하여 음원별 TDOA 성분과 시간 활성도를 분리한다. 다음으로 추출된 TDOA 와 ILD 로부터 기준 마이크로폰과 음원 사이의 거리를 추정하고, 각 마이크로폰과 음원 간 거리 관계를 구(Sphere)로 모델링한다. 이후 등각기하대수(Conformal Geometric Algebra, CGA)를 이용하여 구의 공통 교점을 계산함으로써 음원의 방위각, 고도각 및 거리를 산출한다. 또한 거리 추정 과정에서 발생하는 기하학적 특이성을 분석하고, 마이크로폰 배치에 따른 전방위 추정 안정성을 검토하였다.

제안 기법의 성능은 시뮬레이션 및 MEMS 마이크로폰 어레이를 이용한 실환경 실험을 통해 검증하였으며, 단일 및 다중 음원 조건에서 음원의 3 차원 위치를 추정할 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 소형 마이크로폰 어레이 기반 실시간 다중 음원 위치 추정 기법의 적용 가능성을 제시하였다.