Journal of KIISE (정보과학회 논문지)

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Optimal Acoustic Sound Localization System Based on a Tetrahedron-Shaped Microphone Array

정사면체 마이크로폰 어레이 기반 최적 음원추적 시스템

  • 오상헌 (단국대학교 정보컴퓨터과학과) ;
  • 박규식 (단국대학교 소프트웨어학과)
  • Received : 2015.03.17
  • Accepted : 2015.10.02
  • Published : 2016.01.15
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Abstract

This paper proposes a new sound localization algorithm that can improve localization performance based on a tetrahedron-shaped microphone array. Sound localization system estimates directional information of sound source based on the time delay of arrival(TDOA) information between the microphone pairs in a microphone array. In order to obtain directional information of the sound source in three dimensions, the system requires at least three microphones. If one of the microphones fails to detect proper signal level, the system cannot produce a reliable estimate. This paper proposes a tetrahedron- shaped sound localization system with a coordinate transform method by adding one microphone to the previously known triangular-shaped system providing more robust and reliable sound localization. To verify the performance of the proposed algorithm, a real time simulation was conducted, and the results were compared to the previously known triangular-shaped system. From the simulation results, the proposed tetrahedron-shaped sound localization system is superior to the triangular-shaped system by more than 46% for maximum sound source detection.

본 연구에서는 임의 공간에서 정사면체 형태의 마이크로폰 어레이(microphone array)를 이용하여 음원(sound source)추적 성능을 개선할 수 있는 알고리즘을 제안하였다. 음원추적 시스템은 마이크로폰 어레이의 각 마이크로폰에 도착하는 음원신호의 도착 지연시간(TDOA, Time Delay Of Arrival) 정보를 이용하여 음원의 방향성 정보를 추정한다. 임의 3차원 공간에서 음원추적을 위해서는 최소 3개 이상의 마이크로폰이 필요하다. 3개 마이크로폰으로 구성된 음원추적 시스템의 경우 만약 1개의 마이크로폰이라도 신호 오차가 발생한다면 정확한 음원 방향성 추정이 불가능하다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 개선하기 위하여 1개의 마이크로폰을 추가한 정사면체 형태(tetrahedron shaper)의 마이크로폰 어레이를 구성하고 좌표변환 기법을 이용하여 주변 잡음이나 오류에 강인한 새로운 음원추적 알고리즘을 제안하였다. 제안 알고리즘의 성능을 입증하기 위하여 3개의 마이크로폰을 이용한 삼각형 기반 음원추적 시스템과 본 연구에서 제안한 정사면체 기반 음원추적 시스템에 대하여 실시간 비교 실험을 수행하였으며, 실험 결과 제안된 정사면체 기반의 시스템이 최대 약 16% 이상의 향상된 검출율을 보였다.

Keywords

Acknowledgement

Supported by : 중소기업청

References

  1. S. Park, M. Cho,and Y. Park, "Development of the Intelligent CCTV based Management System for Tracing Community Safety Risk," National Disaster Management Institute, National Disaster Management, Vol. 16, No. 1, pp. 50-56, Mar. 2014. (in Korean)
  2. R. Bucher and D. Misra, "A Synthesizable VHDL Model of the Exact Solution for Three-dimensional Hyperbolic Positioning System," VLSI Design, Vol. 15, No. 2, pp. 507-520, 2002. https://doi.org/10.1080/1065514021000012129
  3. B. Lee and J. Choi, "Spherical Localization of Sound Source Using Triangular Microphone Array," KACC 2009, pp. 360-363, 2009. (in Korean)
  4. A. papoulis, Probability, Random Variables and Stochastic Process, McGraw-Hill, New York, 1965.
  5. C. H. Knapp and G. C. Carter, "The generalized correlation method for estimation of time delay," IEEE Trans., Acoust., Speech, Signal Processing, Vol. ASSP-24, pp. 320-327, Aug. 1976.
  6. P. R. Roth, "Effective measurements using digital signal analysis," IEEE Spectrum, Vol. 8, pp. 62-70, Apr. 1971.
  7. G. C. Carter, A. H. Nuttal and P. G. Cable, "The smoothed coherence Transform," Proc. IEEE, Vol. 6, pp. 1497-1498, Oct. 1973.
  8. M. Omologo and P. Svaizer, "Acoustic event localization using a cross-power spectrum phase based technique," Proc. of ICASSP'94, pp. 273-276, Adelaide, Australia, 1994.
  9. C. Eckhart, "Optimal rectifier systems for detection of steady signals," Scripps. Inst Oceanography, Marine Physical Lab. Univ. California, Rep. SIO 12692, Ref, 52-11, 1952.
  10. H. Kwon, (2012, Nov. 12), "Development of Sound Localization System in KRISS," [Online]. Available: http://www.fnnews.com/news/201211211715310851.
  11. B. Lee and J. Choi, "Multi-source sound localization using the competitive k-means clustering," 2010 IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA), pp. 1-7, Sept. 2010.
  12. J. C. Middlebrooks and D. M. Green, "Sound Localization by Human Listeners," Annual Review of Psychology, Vol. 42, pp. 135-159, 1991. https://doi.org/10.1146/annurev.ps.42.020191.001031