소형 마이크로폰 배열에 적용 가능한 음원 위치 추정법 비교

정인지,이정권 한국음향학회 2020 韓國音響學會誌 Vol.39 No.1

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. 음원위치추정 기술은 사물인터넷 시대에서 다양한 응용 분야를 가지고 있으며, 이로 인해 마이크로폰 프로브 의 크기가 중요하게 고려되고 있다. 음향 인텐시티 벡터를 이용한 음원위치추정 방법은 마이크로폰 사이의 간격이 좁 을수록 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 마이 크로폰 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 오차 는 각각 9.9°, 13.0°이다. 이를 통해 일반 잔향장이 고려되는 실제 환경에서도 소형의 마이크로폰 배열을 통한 음향 인 텐시티법은 음원의 위치를 추정하는데 유효하게 적용될 수 있음을 알 수 있다.

비균일 음속 다중경로환경에서 선배열 센서를 이용한 근거리 표적의 3차원 위치추정 기법

이수형,최병웅,Lee Su-Hyoung,Choi Byung-Woong 한국음향학회 2006 韓國音響學會誌 Vol.25 No.4

최근에 Lee 등은 1차원 수평배열 센서만을 사용하여 다중경로를 통해 들어오는 신호로부터 표적의 3차원 위치를 추정하였다. 그러나 이 기법에서 음속은 수심에 상관없이 일정하다고 가정하였기 때문에 음속이 수심에 따라 다양하게 변화하는 실제 해양환경에서는 그 추정 성능이 현저하게 저하된다. 따라서 본 논문에서는 비균일 음속 환경에 적합한 근거리 표적의 3차원 위치추정 기법을 제안한다. 제안한 기법에서는 선형의 음속구조를 가지는 근거리 다중경로 환경에서 음파전달 모델을 기반으로 한 위치추정함수를 구성하였으며 이로부터 표적의 방위각, 거리 및 깊이를 3차원 탐색을 통하여 추정하였다. 선형 음속구조 및 실제 환경과 유사한 비선형 음속구조를 적용하여 제안한 기법의 성능을 기존의 기법과 비교, 분석하였으며 기존의 기법에 비해 거리 추정 오차는 최대 100m, 깊이 추정 오차는 50m정도 감소됨을 확인하였다. Recently, Lee et al. have proposed an algorithm utilizing the signals from different paths by using bottom mounted simple linear array to estimate 3-D location of oceanic target. But this algorithm assumes that sound velocity is constant along depth of sea. Consequently, serious performance loss is appeared in real oceanic environment that sound speed is changed variously. In this paper, we present a 3-D near field localization algorithm for inhomogeneous sound speed. The proposed algorithm adopt localization function that utilize ray propagation model for multipath environment with linear sound speed profile(SSP), after that, the proposed algorithm searches for the instantaneous azimuth angle, range and depth from the localization cost function. Several simulations using linear SSP and non linear SSP similar to that of real oceans are used to demonstrate the performance of the proposed algorithm. The estimation error in range and depth is decreased by 100m and 50m respectively.

무인항공기의 실내 항법을 위한 3차원 공간지도작성 및 몬테카를로 위치추정기법

허성식,조성욱,심현철 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.4

GPS 신호를 이용할 수 없는 실내환경에서 무인항공기가 자율적으로 비행하도록 운용하기 위해서는 내장된 센서를 사용하는 위치추정기술이 반드시 필요하다. 이를 위해 본 논문에서는 레이저스캐너가 장착된 무인항공기가 3 차원 실내공간지도 내에서 실시간으로 자기위치를 추정할 수 있는 기법을 제시한다. 먼저 효율적인 실내 지도작성 및 위치추정을 위해 Octree 기반의 3 차원 격자지도를 작성하고, 작성된 지도에서 몬테카를로 위치추정기법(Monte Carlo Localization)을 적용해 무인항공기의 3 차원 위치 및 자세를 실시간으로 추정하는 실험을 수행하였다. The indoor navigation technology in GPS-denied environment is necessary to extend the area of UAV operations. In this paper, we propose a real-time three-dimensional indoor navigation method of an UAV equipped with a laser scanner. At first, the octree-based 3-D grid mapping technique is used for efficient map building and indoor localization. To estimate the pose of the UAV, Monte Carlo Localization(MCL) is applied to the 3-D map in real-time and the experiment is conducted.

3차원 근거리 표적의 효과적인 위치 추정 알고리듬

이철목,이수형,박상배 위덕대학교 산업기술연구소 2000 산업기술연구소 논문집 Vol.4 No.1

본 논문에서는 다중 3차원 근거리표적의 위치를 효과적으로 추정하는 기법을 제안하였다. 제안한 기법은 세 개의 부분센서배열을 이용하여 기존의 3D MUSIC에서의 3차원 탐색을 3번의 1차원 탐색으로 대치함으로써 연 산량을 감소시켰다. 각각의 부분센서배열에서 얻은 센서신호로부터 표적이 원거리에 있다고 가정하고 원거리 입체각을 추정하면 추정된 입체각은 실제 근거리 표적의 위치인 방위각, 고각, 거리의 함수로 주어진다. 그러므로 세 개의 부분센서배열로부터 얻은 세 개의 함수를 연립하여 풀면 실제 근거리표적의 위치를 추정할 수 있다. 또 한 다중 표적의 경우, 추정치에 대하여 3차원 MUSIC 스펙트럼값을 비교함으로써 연관 문제를 해결하였다. In this paper, we are proposing an efficient 3D source localization algorithm using 3 uniform linear subarrays. The proposed algorithm replaces 3D search required in conventional 3D MUSIC algorithm with 3 1D searches, and thus reduces computational burden. The estimate of the 1D conic angle obtained from a subarray under the far-field assumption satisfies a nonlinear algebraic equation of the true source bearing angle, elevation angle, and range. The proposed algorithm estimates source location by solving 3 algebraic equations obtained from 3 subarrays. Comparing 3D MUSIC spectrums of the estimated source locations, the proposed algorithm solves pairing problem for multiple sources localization.

다중경로환경에서 바닥고정형 선배열센서를 이용한 근거리표적의 위치추정기법

이수형,류창수,이균경 한국음향학회 2000 韓國音響學會誌 Vol.19 No.7

본 논문에서는 바닥고정형 선배열센서를 이용하여 다중경로 신호를 이용한 근거리표적의 위치추정 알고리즘을 제안하였다. 다중경로를 통하여 근거리 표적의 신호가 센서에 도달하는 경우 각 신호의 원추각이 다르므로 신호들의 원추각과 시간차를 추정해서 3차원 표적의 위치를 추정할 수 있다. 원거리표적으로 가정하고 추정한 원추각과 신호들의 시간차에 대한 관계식을 유도하였으며 이들을 연립하여 표적의 위치를 추정하였다. 그러나 표적이 위치한 기하학적인 위치에 따라 신호들의 원추각이 거의 같아지는 지점이 존재한다. 이 경우 부가적인 1차원 탐색으로 표적의 위치를 추정하였다. In this paper, we propose a near-field target localization algorithm using a bottom-mounted linear sensor amy in a multipath environment. In a multipath environment, the conic angles of a target signals through each path are different, and the position of the target can be estimated using these conic angles and the time difference of these signals. We derive equations on the relation of time-difference of signals and conic angles estimates under the far-field assumption, and estimate the position of target by simultaneously solving these equations. For a certain geometry of a target and the sensor array, there exist cases when the conic angles are very close. In such a case, we estimate the position of the target using an additional 1-D search.

TDOA 방식 기반 3-D 위치 추정을 위한 BLUE 추정기

이영규(Young-kyu Lee),양성훈(Sung-hoon Yang),권택용(Tac-Yung Kwon),이창복(Chang-bok Lee),박병구(Byung-koo Park),이원진(Won-jin Lee) 한국통신학회 2012 韓國通信學會論文誌 Vol.37 No.10B

이 논문에서는 발신자가 송출한 신호를 이용하여 TDOA(Time Difference of Arrival) 방식으로 발신자의 3 차원 위치를 추정할 때, BLUE(Best Linear Unbiased Estimator) 추정기를 닫힌 해 형태로 구하였다. 4 개의 기준국 또는 센서를 사용하여 3차원의 발신자 위치를 추정할 때, BLUE 추정기를 구하기 위해서 발신자의 위치에 대한 기준 위치를 설정한 후 이를 1 차 Taylor 급수로부터 유도된 근사화된 TDOA 쌍곡선 방정식을 사용하였다. 이 논문에서 근사화를 통해 구해진 유도식은 각 기준국 또는 센서에서의 TOA(Time of Arrival) 측정 잡음이 서로 상관관계가 없고 독립적이라는 가정하에서, 백색 가우시안 잡음에 대해서뿐만 아니라 평균이 제로인 모든 잡음에 대해서 적용할 수 있다. In this paper, we derived a closed-form equation of a Best Linear Unbiased Estimator (BLUE) estimator for the 3 dimensional estimation of the position of the emitter based on the Time Difference of Arrival (TDOA) technique. The BLUE derived for the case of estimating 3 dimensional position of the emitter with 4 base stations or sensors, and for this purpose, we used an approximated equation of the TDOA hyperbola equation obtained from the first order Taylor-series after setting the reference points of the position. The derived equation can be used for any kind of noises which are uncorrelated in each other in the TOA measurement noises and for a white Gaussian noise also.

가상 스캔 매칭을 이용한 3차원 점군 지도의 품질 평가

백한나(Hannah Baek),김강희(Kanghee Kim) 한국정보과학회 2021 정보과학회 컴퓨팅의 실제 논문지 Vol.27 No.2

3차원 점군 지도는 자율주행차가 실시간으로 수신하는 라이더 스캔과 매칭(matching)함으로써 차량의 위치를 센티미터 수준의 정밀도로 추정하는데 사용된다. 그러나, 3차원 점군 지도는 다양한 조건과 상황에서 수신된 차량의 실시간 스캔에 대해서 항상 정확한 자차 위치 추정 결과를 보장하지는 않는다. 왜냐하면, 차량의 실시간 스캔은 라이더 모델, 차량에 장착한 포즈, 매칭 알고리즘, 스캔 노이즈로 작용하는 주변 차량들의 유무 등에 따라서 상이한 매칭 결과를 만들어낼 수 있기 때문이다. 무수히 많은 조건들의 조합에 대해서 실시간 스캔을 얻어서 3차원 점군 지도와의 매칭 성능을 평가하는 것은 시간과 비용면에서 비효율적이다. 본 논문은 차량으로부터 실시간 스캔을 얻는 것 대신에 3차원 점군 지도로부터 NDS와 OPS의 2가지 샘플링 방법을 이용하여 다양한 조건들을 조합한 가상 스캔을 합성하고, 가상 스캔을 점군 지도와 매칭함으로써 매칭 성능을 평가하는 방법을 제안한다. 국내 자율주행 실험도시인 K-City를 대상으로 제작된 3차원 점군 지도를 이용하여 NDS와 OPS에 대한 가상 스캔을 생성하고 각 방법에 대하여 매칭 테스트를 수행한 결과, 해당 샘플링 방법으로 생성한 가상 스캔이 물리 스캔을 대체하여 3차원 점군 지도의 매칭 성능 평가에 활용될 수 있음을 확인하였다. 3D point maps are used to estimate the location of a vehicle with centimeter-level precision by matching with a LiDAR(Light Detection And Ranging) scan acquired in real-time. However, the 3D point map does not always guarantee an accurate localization for a real-time scan received under various conditions and situations. This is because the real-time scan can produce different matching results depending upon the LiDAR model, mounting pose on the vehicle, matching algorithm, and the surrounding vehicles acting as noise. It is inefficient in terms of time and cost to evaluate matching performance with a 3D point map by obtaining a real-time scan for a combination of many conditions. This study proposed a method to evaluate matching performance by synthesizing various virtual scans using two sampling methods of NDS(Normal Distribution-based Sampling) and OPS(Occupancy Probability-based Sampling) from a 3D point map instead of obtaining the real-time scan and matching the virtual scans to the 3D point map. As a result of creating virtual scans of NDS and OPS using a K-City 3D point map, a domestic autonomous experimental driving city, and performing a matching test, it was confirmed that the virtual scan could be used to evaluate the matching performance of the 3D point map by replacing the physical scan.

개선된 직교분해기법을 사용한 빠른 구조 복원 및 융합

박종승(Jong-Seung Park),윤종현(Jong-Hyun Yoon) 한국멀티미디어학회 2007 멀티미디어학회논문지 Vol.10 No.3

본 논문에서는 비디오에서의 특징점 추적을 통해 얻은 2차원 좌표를 이용하여 3차원 구조를 계산하고 부분적으로 복원된 형상들을 점진적으로 융합하여 전체 형상을 생성하는 기법을 제안한다. 영상의 각 프레임에서 공통적으로 추적된 특징점들을 이용하여 형상을 추정한다. 3차원 좌표 추정 방법으로 개선된 직교분해기법을 사용하였다. 개선된 직교분해기법에서는 3차원 좌표를 복원함과 동시에 카메라의 위치와 방향을 계산할 수 있다. 복원된 부분 형상의 융합을 통해 입체적인 전체 형상을 만든다. 복원된 부분 데이터들의 서로 다른 좌표계를 기준 좌표계로 변환하여 하나의 전체 형상으로 융합한다. 형상 추정 과정과 융합 과정이 통합적으로 수행되며 반복적 최적화 작업을 수행하지 않고 선형적으로 이루어진다. 이는 기존 융합 방법인 ICP(Iterative Closest Point) 방법보다 융합 속도를 향상시켜 빠른 형상 복원이 가능하다. 융합 시간은 평균 0.01초 이내의 수행 속도를 보이며 융합의 오차는 평균 1.0㎜ 이하의 오차를 보였다. This paper proposes a 3D structure recovery and registration method that uses four or more common points. For each frame of a given video, a partial structure is recovered using tracked points. The 3D coordinates, camera positions and camera directions are computed at once by our improved scaled orthographic factorization method. The partially recovered point sets are parts of a whole model. A registration of point sets makes the complete shape. The recovered subsets are integrated by transforming each coordinate system of the local point subset into a common basis coordinate system. The process of shape recovery and integration is performed uniformly and linearly without any nonlinear iterative process and without loss of accuracy. The execution time for the integration is significantly reduced relative to the conventional ICP method. Due to the fast recovery and registration framework, our shape recovery scheme is applicable to various interactive video applications. The processing time per frame is under 0.01 seconds in most cases and the integration error is under 0.1㎜ on average.

천해에서 간섭패턴 정합을 이용한 근거리 음원의 3차원 위치추정 기법연구

김세영,천승용,손윤준,김기만,Kim, Se-Young,Chun, Seung-Yong,Son, Yoon-Jun,Kim, Ki-Man 한국음향학회 2009 韓國音響學會誌 Vol.28 No.4

본 논문에서는 천해환경에서 근거리 광대역 음원의 3차원 위치추정 알고리즘을 제안한다. 음향 도파관 불변 이론에 따라 센서 스펙트로그램에 나타나는 간섭패턴의 기울기는 음원의 거리에 비례한다. 두 개의 센서 스펙트로그램에 나타나는 간섭패턴의 정합을 통해 음원과 두 센서간의 상대적인 거리비를 추정 하였다. 이를 아폴로니오스의 원에 적용하여 두 센서로부터 일정한 거리비를 가지는 음원의 궤적을 나타낸다. 3개의 센서를 이용하면 두 개의 아폴로니오스 원이 음원의 수평거리와 방위를 나타내는 교점을 형성하며 이는 음원의 수심에 대하여 일정하다. 따라서 음원의 깊이는 두 센서로부터 거리차가 일정한 3차원 쌍곡면의 방정식을 적용하여 최종 추정하였다. 제안된 알고리즘의 성능평가를 위하여 음파 전달 모델을 이용한 모의실험을 통해 위치추정 오차를 분석하였다. 모의실험 결과 음원의 거리에 대한 추정오차는 50 m이내, 깊이에 대한 추정오차는 15 m 이내인 것으로 나타났다. In this paper, we propose a 3-D geometric localization method for near-field broadband source in shallow water environments. According to the waveguide invariant theory, slope of the interference pattern which is seen in a sensor spectrogram directly proportional to a range of the source. The relative ratio of the range between source and sensors was estimated by matching of two interference patterns in spectrogram. Then this ratio is applied to the Apollonius's circle which shows the locus of a source whose range ratio from two sensors is constant. Two Apollonius's circles from three sensors make the intersection point that means the horizontal range and the azimuth angle of the source. And this intersection point is constant with source depth. Therefore the source depth can be estimated using 3-D hyperboloid equation whose range difference from two sensors is constant. To evaluate a performance of the proposed localization algorithm, simulation is performed using acoustic propagation program and analysis of localization error is demonstrated. From simulation results, error estimate for range and depth is described within 50 m and 15 m respectively.

실내 무선 환경에서 3차원 위치 추적 시스템에 관한 연구

강병권,박용서,최성자,김귀정 한국디지털정책학회 2014 디지털융복합연구 Vol.12 No.11