[음향 카메라] 빔포밍이란? (Delay and Sum Beamforming, 수식, 주파수 대역, Acoustic Sound Camera, 3차원)

 

목차

 

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빔포밍이란? (Delay and Sum Beamforming)

 

 

 

빔포밍(Beamforming)은 여러 개의 안테나나 마이크로폰 배열을 사용하여 특정 방향에서 오는 신호를 강화하고, 다른 방향에서 오는 신호는 약화시키는 기술입니다. 이를 통해 원하는 신호를 더 잘 포착하고, 잡음이나 간섭을 줄일 수 있습니다.

 

지연-합 빔포밍(Delay-and-Sum Beamforming)은 빔포밍 방법 중에서 가장 오래되고 간단한 방법입니다. 이 방법의 기본 아이디어는 각 안테나나 마이크로폰이 수신한 신호를 시간적으로 지연시키고, 이렇게 지연된 신호들을 합쳐서 처리하는 것입니다.

 

예를 들어, 여러 개의 마이크로폰이 일렬로 배열되어 있다고 가정해봅시다. 특정 방향에서 소리가 들어오면, 소리가 각 마이크로폰에 도달하는 시간이 약간씩 다르게 됩니다. 예를 들어, 오른쪽에서 소리가 온다면 오른쪽에 있는 마이크로폰이 먼저 소리를 수신하고, 왼쪽에 있는 마이크로폰은 조금 늦게 소리를 수신하게 됩니다. 이때 각 마이크로폰이 수신한 신호를 시간적으로 지연시키는데, 이 지연 시간은 소리가 각 마이크로폰에 도달하는 시간 차이를 보정하기 위한 것입니다. 이렇게 지연시키면, 모든 마이크로폰이 동일한 시간에 신호를 수신한 것처럼 만들 수 있습니다.

 

다음으로, 지연된 신호들을 모두 더합니다. 이 과정에서 특정 방향에서 오는 신호는 강화되고, 다른 방향에서 오는 신호는 약화됩니다. 이를 통해 특정 방향에서 오는 신호를 더 잘 들을 수 있게 되고, 다른 방향에서 오는 잡음이나 간섭은 줄일 수 있게 됩니다.

 

빔포밍이 유용한 이유는 특정 방향에서 오는 신호를 강화하여 우리가 듣고자 하는 소리를 더 명확하게 들을 수 있다는 점과, 다른 방향에서 오는 잡음이나 간섭을 약화시켜 더 깨끗한 신호를 얻을 수 있다는 점입니다.

 

빔포밍을 일상적인 상황에 비유하자면, 합창단과 지휘자를 예로 들 수 있습니다. 합창단이 있다고 상상해봅시다. 지휘자가 특정 소프라노 가수의 목소리를 더 잘 듣고 싶다면, 그 가수의 목소리를 더 잘 들을 수 있는 위치로 이동할 것입니다. 빔포밍은 이와 비슷하게 작동합니다. 여러 개의 마이크로폰을 사용해 특정 방향에서 오는 소리를 더 잘 들을 수 있도록 신호를 조정하는 것입니다.

 

결론적으로, 빔포밍은 여러 개의 안테나나 마이크로폰을 사용하여 특정 방향에서 오는 신호를 강화하고, 다른 방향에서 오는 신호는 약화시키는 기술입니다. 지연-합 빔포밍은 이 신호들을 시간적으로 지연시키고 합치는 간단한 방법을 사용하여 이러한 효과를 얻습니다. 이를 통해 원하는 신호를 더 명확하게 듣고, 잡음이나 간섭을 줄일 수 있습니다.

 

 

빔포밍 시간 / 주파수 도메인 수식

시간 도메인 빔포밍

 

 

주파수 도메인 빔포밍

 

 

 

 

 

3차원 빔포밍

자동차 3차원 음향 가시화

 

3차원 빔포밍(3D Beamforming)은 공간 속에서 소리의 방향을 탐지하고 그 소리의 위치를 시각화하는 기술입니다. 이를 통해 소리가 어디서 오는지 더 정확하게 알 수 있으며, 특히 소리의 위치를 3차원 모델 위에 표현하는 데 유용합니다.

 

먼저, 우리가 관심 있는 공간을 3D 모델로 만듭니다. 예를 들어, 방 안의 소리의 위치를 파악하고 싶다면, 그 방을 3D 모델로 구성하는 것입니다. 3D 모델은 여러 개의 작은 삼각형으로 나뉩니다. 이는 컴퓨터 그래픽에서 흔히 사용되는 방식으로, 복잡한 3D 형상을 작은 삼각형들로 표현합니다. 이러한 삼각형들은 행과 열로 나뉘어질 수 있으며, 각각의 삼각형은 텍스처화(texturization)되거나 직접 색칠(direct colouring)될 수 있습니다. 팜테크에서 제공하는 음향 카메라는 카메라를 사용해서 3차원을 모델링 합니다.

 

이후 각 삼각형의 꼭짓점이나 각 픽셀에 대해 런타임 지연을 계산합니다. 런타임 지연이란 각 픽셀이나 꼭짓점에서 마이크로폰까지 소리가 도달하는 데 걸리는 시간을 의미합니다. 이는 매우 중요한 단계로, 소리가 각 마이크로폰에 도달하는 시간을 정확하게 계산해야 하기 때문입니다. 이러한 시간 차이를 통해 소리의 방향과 위치를 정확히 파악할 수 있습니다.

 

이를 위해 각 픽셀과 모든 마이크로폰 사이의 런타임 지연을 계산하거나, 각 삼각형의 꼭짓점과 마이크로폰 사이의 런타임 지연을 계산합니다. 이 과정에서 소리가 발생한 지점과 각 마이크로폰 간의 거리와 소리의 속도를 고려하여 지연 시간을 산출합니다.

 

마지막으로, 각 픽셀이나 꼭짓점에서의 음압 수준을 계산합니다. 음압 수준은 소리의 강도를 나타내며, 이를 통해 소리가 얼마나 강하게 들리는지를 알 수 있습니다. 각 픽셀이나 꼭짓점에서의 음압 수준을 계산한 후, 이를 3D 모델 위에 시각화합니다. 음압 수준을 색상이나 텍스처로 표현하면, 소리의 강도와 위치를 한눈에 파악할 수 있습니다.

 

 

 

음향 계측 관련 제품 소개

 

 

 

 

 

 

 

 

팜테크에서는 소음, Sound 분석 및 계측을 위한 덴마크 GRAS사의 마이크로폰(Microphone)과 독일 Gfai사의 음향카메라(Acoustic Camera)를 제공하고 있습니다. 제품에 관심 있으시면 아래 연락처 또는 홈페이지로 문의 주시면 됩니다.

 

 

해당 내용과 관련해서 팜테크에서 교육 프로그램, 측정/분석 용역, 장비를 제공하고 있습니다.  관심 있으시면 아래 홈페이지 또는 연락처를 통해 문의 주시면 됩니다. :)

 

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