역전파 신호 유사성을 활용한 강인한 3D 음원 위치 추정

본 논문은 로봇 및 스마트 환경에서 음원 위치 추정의 필요성이 증대되는 배경 하에, 기존의 시간 차이(TDOA) 기반 혹은 구면 마이크 어레이를 이용한 방향 추정 기법이 3차원 위치를 직접 제공하지 못하고, 특히 비가시광선(NLOS) 상황이나 다중 반사·산란이 존재할 때 정확도가 급격히 저하되는 문제점을 해결하고자 한다. 이를 위해 저자들은 ‘역전파 신호(back‑propagation signal)’라는 새로운 개념을 도입한다. 역전파 신호는 마이크 어레이에서 측정된 복합 음향 신호를 역방향으로 전파시켜, 특정 가상의 위치에서 들릴 수 있었을 법한 신호를 가상으로 재구성한 것이다. 이 신호는 실제 음원이 해당 경로를 통해 전파될 때 겪는 거리 감쇠와 반사 증폭을 역으로 적용한 임펄스 응답을 통해 계산된다. 시스템은 크게 네 단계로 구성된다. 첫 번째 단계는 32채널 마이크 어레이와 깊이 센서를 이용해 실내 환경을 메쉬 형태로 모델링하고, MVDR 기반 고해상도 빔포밍을 수행해 음향 에너지 분포를 구한다. 빔 에너지 함수 y(θ, φ)의 로컬 최대점을 탐색함으로써 주요 입사 방향 ˆdₙ을 추출한다. 두 번째 단계에서는 이러한 방향을 역방향 레이 트레이싱의 초기 레이 r₀ₙ으로 사용한다. 레이가 메쉬와 충돌하면 스펙큘러 반사를 가정해 2차, 3차 레이를 생성하고, 전체 경로 Rₙ =