KR100239918B1 - 3차원 이미지 스테레오 향상 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스테레오 신호에 대해 좌,우측 2개의 스피커를 이용하여 3차원 이미지의 소리를 재현에 있어 소리의 공간감을 확대함으로써 음장감이 있는 사운드를 재현함과 아울러 배경음을 강조하여 라이브한 효과를 내는 것으로, 기존에는 위상시프트의 개념을 이용하거나 신호의 지연을 이용한 방식을 사용하여 최종적으로 도출되어지는 출력신호는 다소의 음장효과는 있으나 위상 노이즈나 원음의 음상이 틀어진다거나 원음의 음질을 왜곡하여 장기 청취시 청취피로가 생기는 것이었다.

따라서 본 발명은 좌우교차 신호처리방식을 이용하면서 교차신호의 전달특성을 종래의 위상 시프트방식이나 지연방식을 쓰지않고 단순한 신호처리 블록으로 함으로서 좌우의 음상을 원음 그대로 유지하면서 아주 자연스러운 음장감확대기법을 사용한 것으로, 본 발명은 좌,우측 각각의 신호원으로부터 스테레오 이미지를 주파수적 측면에서의 추출을 위한 각 신호 채널측으로부터 상대채널단의 메트릭스단으로 연결되는 공간조성부와 주신호의 성분을 직접 각각의 메트릭스쪽으로 전달하기 위한 직결신호경로와 주신호의 특정대역을 독립적으로 보상하기위한 대역보상부 그리고 상기한 3가지의 신호를 연산하기위한 좌우 각채널의 제1, 제2 매트릭스를 구성하여 신호처리를 하므로써 상기된 문제점을 해결한 것이다.

Description

3차원 이미지 스테레오 향상 시스템

본 발명은 스테레오 신호에 대해 좌,우측 2개의 스피커를 이용하여 3차원 이미지의 소리를 재현함에 있어 소리의 공간감을 확대함과 아울러 배경음을 강조하여 라이브한 효과를 도출시키도록 하는 3차원 스테레오 이미지 프로세싱에 관련한 기술이다.

기존의 스테레오 사운드 신호에 대한 공간감을 확대하기 위한 기술로는 미국특허4,748,669호로 제시된 "STEREO ENHANCEMENT SYSTEM"와 4,866,774호로 제시된 "STEREO ENHANCEMENT AND DIRECTIVITY" 등이 있다.

상기 4,748,669 및 4,866,774의 특허기술은 모두 스테레오 이미지의 확장 및음의 방향성과 공간성 확대를 위한 기술이며 이를 구현키 위한 수단으로 좌측채널신호(L)와 우측채널신호(R)를 가산 및 감산시키는 L+R 및 L-R 신호 처리수단을 중심으로 하여 주파수, 위상, 이득(GAIN)을 적절히 변환시킨후 최종 좌,우 매트릭스단에서 연산을 하므로써 결과적으로 음의 공간감과 방향성을 강조하는 방법을 구현하고 있다.

상기된 선행기술에서는 반드시 L+R 및 L-R신호 처리수단이 필요하며 스테레오 이미지를 형성하기 위해 L-R신호를 필터, 이득조정회로 및 각종의 연산회로를 거쳐 입체감의 결과를 만들 수 있으나 상기 L-R 신호를 주파수적인 처리를 통해 좌측과 우측으로 연산처리함으로 인해 스테레오신호의 차성분 양이 극히 작고 또한 주로 고역대에 신호가 분포함으로써 음성대역이나 저역의 신호가 빠진 형태가 된다.

따라서 추가적으로 L+R의 신호를 별도의 경로를 통해 최종 매트릭스단에 추가해주어야 좌,우 스피커의 중심위치에 음을 되살려 균형된 사운드를 재현할수 있게된다.

이러한 신호처리방식의 문제점은 원 스테레오의 좌측과 우측의 음을 L+R 그리고 L-R의 신호 처리 및 주파수적인 보상을 거쳐 최종 매트릭스에서 재배치함으로서 다소의 입체감은 형성할 수 있으나 원음손실의 영향이 크고 특히 L+R신호의 부가로 인해 오히려 소프트(SOFT)에 따라서는 스테레오감을 없애버리는 역효과 및 원스테레오신호의 좌우측분리가 배제되어져 음의 명료성이 떨어져 기존의 스테레오대비 더욱 음질이나 분리도가 떨어지는 역현상이 일어나게 된다.

또한 종래기술인 유럽공개특허 EP 0664661는 좌우채널교차신호처리방식을 채용하고 있으나 상기 특허에 기재된 방식은 70년대 이미 모노신호를 의사적 스테레오신호로 변환하기 위해 적용되어 왔던 크로스 피딩 시그널 프로세싱(Cross feeding Sinal Processing)방식을 응용하여 주채널 전달함수와 부채널 전달함수를 적절한 진폭과 위상시프트의 관계를 가지게 함으로서 입체감을 생성시키는 기술로 이 방식 또한 종래의 신호의 위상시프트관계를 이용하는 것으로 상기한 음상틀어짐과 위상노이즈 등을 초래하여 음의 왜곡을 가져올 수밖에 없는 방식이다. 미국 특허 5420929의 경우는 앞서의 유럽공개특허 EP 0664661와 동일한 좌우채널교차신호 처리방식을 채용하고 있으며 이 또한 크로스 피딩 시그널 프로세싱(Cross feeding Sinal Processing)라인에 고역통과 필터와 지연회로를 부설하여 지연에 의한 입체감을 형성하는 방식으로 이러한 지연부의 구성에 따른 필수적 문제인 원래음의 강제적 지연에 의한 음손실의 영향을 배제할 수 없다.

상기한 바와 같이 종래의 기술은 일반적인 3차원 이미지 회로의 특성상 효과증대를 위한 위상쉬프트나 신호의 강제적 지연 등의 입체음 처리회로를 통한 신호의 결과가 각 주파수 대역별 신호 감쇄, 왜곡 및 음상변화등 원래의 스테레오신호에 대한 재처리과정에 의해 원신호의 손실을 가져옴으로 인해 오랜시간의 청취가 불가한 경우가 대부분이다.

또한 원음이 재처리되는 과정에서 신호간 상호간섭이나 왜곡을 일으켜 비록 입체감은 있으나 신호음의 손실은 피할 수가 없어 고급 음원의 경우나 음악 전문가용으로의 사용은 전무한 상태이며 단지 영화소프트와 같이 좌우측 음원의 신호구성이 다양할 경우 이를 이용 현장감있는 영화소프트로 즐기기위해 많이 이용되고있는 실정이다.

본 발명은 가능한한 원음의 손실을 줄이면서 3차원 이미지의 감을 올림과 동시에 최초 타이틀 제작시의 믹싱과정에서 불가피하게 배경음의 양을 줄여 녹음한것을 재생과정에서 되살려 라이브한 생동감까지도 부여할 수 있는 기술로서 선행기술과 같이 L+R과 L-R 신호를 여러회로에서 처리하지 않고 또한 종래의 위상쉬프트나 지연방식을 채용치 않고 주채널신호를 중시하며 재처리하는 회로구성에 의거 처리하도록 하므로써 음장의 변화를 최소화함과 더불어 신호대 잡음비 및 THD(Total Harmonic Distortion)을 줄여 원음의 손실을 거의 없애는 한편 음의 방향성과 공간성 그리고 생동감을 확대한 것으로 음악류의 소프트에 최적이다.

또한 영화 소프트인 경우도 자연스럽게 음장을 확대시켜 현장감을 증대해주는 효과를 동시에 이룰수 있다.

이러한 본 발명은 좌,우측 각각의 신호원으로 부터 공간성 이미지를 주파수적 측면에서의 추출을 위한 각 신호 채널측의 공간성조성부, 중저역의 원음보상을 위한 대역보상부, 좌우 각채널의 제1, 제2매트릭스 수단을 구성함을 특징으로 한다.

도1은 본 발명의 블록다이어그램.

도2는 본 발명의 공간성조성부 상세 회로도.

도3은 본 발명의 공간성조성부의 이득가변부 상세 회로도.

도4는 본 발명의 대역보상부 상세 회로도.

도5는 본 발명의 제1좌채널 매트릭스 상세 회로도.

도6는 본 발명의 제2좌채널 매트릭스 상세 회로도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10, 20 : 버퍼 30, 40 : 공간성조성부

50, 60 : 대역보상부 70 : 제1좌채널매트릭스

80 : 제1우채널매트릭스 90 : 제2좌채널매트릭스

100 : 제2우채널매트릭스

도1은 본 발명의 블록다이어그램으로써 스테레오 입력신호에 대해 3차원의 이미지 스테레오 신호를 만듦에 있어서, 좌,우측신호입력(L-IN)(R-IN)를 입력으로 하여 신호음의 공간성과 방향성을 강조하기 위한 공간성 조성부(30)(40)와, 좌,우측신호를 입력으로 하여 원채널의 중,저역대 보상신호를 만드는 대역 보상부(50)(60)와, 상기 공간성 조성부(30)(40)의 결과신호와 좌우측 주채널 신호를 매트릭스 처리하는 제1좌,우채널 매트릭스(70)(80)과, 상기 제1좌,우채널 매트릭스(70)(80)의 매트릭스 결과와 대역보상부(50)(60)신호를 매트릭스 연산하기위한 제2좌,우채널 매트릭스(90)(100)를 구비하므로써 이루어진다.

이같은 구성의 본 발명에서 좌,우측 신호(L-IN)(R-IN)은 버퍼(10)(20)를 통하여 입력되게 하고 여기서 버퍼(10)(20)를 신호입력라인이 구성한 이유는 입력 측의 임피던스를 높게하여 신호 전달간에 신호감쇄를 줄이고 또한 주파수 특성면의 열화를 보상함과 아울러 다음단의 신호처리가 여러 경로로 구성됨으로 인한 신호의 열화를 방지하기 위한 것이다.

상기 버퍼(10)(20)를 거친 신호는 각각 음의 공간성 및 방향성을 강조하기 위한 좌우측 공간성 조성부(30)(40)와 원채널신호의 중저역을 보상하기 위한 대역보상부(50)(60) 및 제1좌,우채널 매트릭스부(70)(80)로 입력되며 제1좌채널 매트릭스(70)는 버퍼(10)를 거친 신호(L)와 공간성 조성부(30)(40)의 출력(R')(L')를 연산하게되고 제1우채널 매트릭스(80)는 버퍼(20)를 거친 신호(R)와 공간성 조성부(30)(40)의 출력신호(R')(L')를 연산하게 된다.

또한 중,저역대 보상용 대역보상부(50)(60)의 보상신호(L")(R")는 상기의 제1 좌,우채널 매트릭스(70)(80)의 결과신호(Lt)(Rt)와 제2좌,우채널 매트릭스(90)(100)에서 재연산 되어진다.

여기서 공간성조성부(30)(40)는 음의 방향성과 공간성을 만들어내기 위한 용도로서 제1좌,우채널매트릭스(70)(80)에서 주채널 신호(L)(R)를 중심으로하여 좌측채널에 L+α (L'-R') 그리고 우측채널에 R+α (R'-L')연산을 위한 L'과 R'신호를 만들게 된다.

대역보상부(50)(60)은 원채널신호의 중,저역을 보상하기위한 용도로 제2좌,우채널매트릭스(90)(100)에서 공간성확장신호 (Lt)(Rt)와의 가산을 위한 L"과 R"신호를 만드는 것으로 제1좌,우채널 매트릭스(70)(80)에서 연산된 L+α(L'-R')과 R+α (R'-L')연산결과에 L"과 R"신호를 가산시키기 위한 L"과 R"신호를 형성하게 된다.

제2좌,우채널매트릭스(90)(100)결과인 최종 좌측채널(L-OUT)에서는 L+α(L'-R')+βL" 및 우측채널(R-OUT)에서는 R+α(R'-L')+βR" 형태의 신호를 형성하게된다.

즉 α(L'-R')의 요소는 공간성을 지배하는 요소로 볼 수 있으며 여기서 α는 공간성의 양을 제어할 수 있는 인수이며 후단 매트릭스부에서 저항값의 조정에 의해 조절할수도 있으며 공간성조성부 후단에 오피엠프를 부설하여 그 양을 제어할수도 있다.

그리고 βL"의 경우는 공간성확장요소만 가진 제1좌,우채널 매트릭스(70)(80)의 결과신호 Lt와 Rt신호의 특성상 중고역대 신호성분위주의 구성으로 되어 중,저역의 음이 상대적으로 취약함으로 이를 보상키위해 각각의 주채널로부터 중저역성분만을 발췌하여 β의 이득요소를 갖게하여 제2좌,우채널 매트릭스(90)(100)에서 가산토록 하므로써 사운드 전 주파수대역을 크게 3등분하여 중,저역대신호는 주채널의 신호로 보강하고 중,고역대에서는 공간성확장요소가 구성되도록 하므로써 저,중,고 대역에서의 음의 균형을 가져가면서 전체적으로 음의 공간감과 방향성을 올리게 된다.

도2는 본 발명의 공간성조성부(40)의 상세회로도로써 좌,우측채널에 음의 공간성과 방향성 및 배경음을 강조하기위한 L'신호를 만들기 위한 것으로 R'신호를 만들기위한 공간성 조성부(30)도 동일한 회로구성을 갖는다.

그 기본적인 개념은 일반적인 스테레오신호는 중,저역에서는 좌,우측채널에 공통성분이 많고 고역대에서 실제적 음의 좌,우측의 스테레오 분리성분 및 3차원이미지 성분이 많이 포함되어 있음으로 음성주파수를 중심으로하여 고역쪽에 해당하는 신호를 주파수 선택적으로 통과시켜 상대의 주채널 신호로 부터 감산함으로 3차원 이미지성분의 신호를 도출해내기 위한 것이다.

도2에 콘덴서(C41)과 저항(R41)의 회로구성으로 고역 통과 필터(41)를 구성하였고 여기서 콘덴서(C41)과 저항(R41)의 시정수에 따라 통과역과 차단역의 주파수대 이득특성을 조정할수 있으며 또한 이시정수에 따라 음장감과 중역음의 조정도 가능하다.

그리고 이득가변부(42)를 도3과 같이 오피엠프(U1)로 구성하여 공간감의 양을 조정할수 있으며 제1우채널 매트릭스(80)로 연결구성되는 저항(R42)의 값에 의해서도 공간감의 양을 조정할 수 있다.

즉 고역통과 필터(41)를 구성하는 저항(R41)과 콘덴서(C41)의 시정수 조정으로 3차원 스테레오 이미지의 특성을 자유롭게 설정가능하며 이것에 의해 음의 공간성을 조정 각종의 3차원 이미지 형태의 구성이 가능하다.

도4는 본발명의 대역보상부(50) 상세회로도로써 대역보상부(60)의 구성도 동일하다.

대역보상부(50)(60)는 제1좌,우채널 매트릭스(70)(80)의 결과신호 Lt와 Rt 신호의 특성상 중고역대 신호성분위주의 구성으로 되어 중,저역의 음이 상대적으로 취약함으로 이를 보상키위해 각각의 주채널로부터 중,저역대의 신호를 발췌하여 Lt와 Rt신호의 중,저역 감쇄를 보완해주고 음의 중심성분을 잃지않도록 하기위한 것이다.

여기서 저항(R51)와 콘덴서(C51)는 저역통과 필터 구성으로 저항(R51)과 콘덴서(C51)의 시정수에 따라 저역통과필터의 차단주파수를 결정할 수 있으며 공간감성분 신호 Lt,Rt와 관계를 고려 적절한 차단주파수를 갖는 저역통과필터를 구성하여야한다.

회로 구성상에서 보면 저항(R51)와 콘덴서(C51)는 중저역보상용 저역통과필터이며 후단에 저항 (R52)를 매개로 하여 제2좌채널 매트릭스(90)으로 연결구성되는데 L+α(L'-R')+βL"의 좌측매트릭스 연산구조에서 L"신호성분의 연산인수 β를 결정하기위한 용도이다.

도5는 제1좌채널 매트릭스(70)의 상세회로도로써 제1우채널 매트릭스(80)도 동일하다.

제1좌,우채널 매트릭스(70)(80)는 오피엠프(U71)의 가산과 감산기능을 모두 이용하여 주채널신호와 공간성조성부의 신호를 가,감산연산을 하도록 하였다.

즉 L신호와 L'신호는 오피엠프(U71)의 비반전입력(+)으로 들어가고 R'신호는 반전입력(-)으로 들어가게 되어있다.

이 매트릭스의 연산인수는 저항 (R71)(R72)(R73)(R74)로 정하는데 L+α(L'-R')관계식에서 이들저항의 적절한 설정에 의해 α의 값을 결정할수 있으며 이것이 공간감의 양의 제어와 관련된다.

즉 α의 값을 크게하면 공간감이 확대되고 작게하면 공간감이 줄어들게 된다.

오피엠프(U71)의 가감산 구조식에 의해 제1좌채널 매트릭스(70)의 출력은 L+α(L'-R')로 되며 제1우채널 매트릭스(80)의 출력은 R+α (R'-L')으로 된다.

여기서 활용용도에 따라 저항 (R71)(R72)(R73)(R74)의 값의 설정으로 α의 적절한 인수구성을 할수있다.

이같이 본 발명에서 그 최적의 값은 실제의 스테레오 신호원을 동작시키면서 인간의 청취특성 등에 의해서도 많은 변수가 존재하게 되는 것으로 α가 1에서 N까지 얼마든지 변경이 가능하다.

또한 상기 매트릭스관계식은 공급전원이나 기타의 적용조건에 따라 각종의 인수배열이 있을수 있으며 상황에 따라 또다른 배열을 구성할 수 있다.

도6은 본 발명의 제2좌채널 매트릭스(90)를 나타내는 것으로 제2우채널 매트릭스(100)도 동일한 구성을 갖는다.

제2좌채널 매트릭스(90)에서는 오피엠프(U91)의 가산과 감산기능을 이용하여 공간성확장신호인 Lt와 주채널 신호부터 중,저역신호만을 발췌한 L"신호를 적정한 상대이득을 가지면서 가산 되도록 하였다.

즉 공간성확장신호인 Lt와 주채널 신호부터 중,저역신호만을 발췌한 L"신호가 오피엠프(U91)의 비반전입력(+)으로 들어가도록 하여 가산작용을 하게 하였고 저항(R91)(R92)(R93)(R94)의 저항값 조정에 따라 오피엠프 가감산구조에 의해 공간성확장신호인 Lt와 주채널 신호부터 중,저역신호만을 발췌한 L" 신호와의 가산비율의 설정이 가능하다.

이렇게 하므로써 중저역에서는 원음(음성역)유지 및 저역보강의 특징이 있고 중고역에서는 음의 공간감을 확대시키도록토록함으로서 대역보강과 음의 공간성 확장을 완전히 분리하여 조정할수있게 된다.

제2좌,우채널 매트릭스(90)(100)의 결과인 L+α(L'-R')+βL"와 R+α(R'-L')+βR" 에서 공간성이 중시되면 제1좌,우채널 매트릭스(70)(80)에서 혹은 공간성 조성부(40)의 이득 가변부(42)에서 조정하여 α값을 크게하면 되고 중,저역을 중시하면 제2좌,우채널 매트릭스(90)(100)의 매트릭스용 저항값을 조정하면 자유롭게 설정 가능하다.

상기의 주파수 대역별 및 용도별 독립적인 이득특성이 가능하게 되므로써 전주파수대역에 걸쳐 음의 균형을 이룸과 동시에 음장감을 확대하는 두가지 목적을 효과적으로 달성할수 있는 것이다.

본 발명은 3차원 입체음향을 원 스테레오 신호에 대해 회로의 적절한 공유에 의해 최적화시켰고 본발명의 서라운드 회로방식의 특성상 특정대역의 유지, 보강 그리고 공간감확대의 목적을 동시에 달성할수 있으며 아울러 지금까지의 서라운드방식에서 볼수없었던 배경음 재생효과와 더불어 저역 및 고역 통과필터의 커버특성에 따른 신호 재생 다이나믹 레인지의 증강을 제공할수있도록 하였다.

상기의 표준회로에서 적용상황에 따라 회로 및 블록의 약간의 시정수 조정에 의해 여러가지 음원조건에 부합되는 음장효과 및 배경음 확대의 효과를 구사할수 있다.

Claims (2)

1. 좌,우측신호를 입력으로 하여 각기 다른 측으로부터의 신호를 상호연결하여 신호처리하는 3차원 스테레오 이미지 신호처리 방식에 있어, 주채널신호성분을 입력하기위해 좌,우측신호의 주신호를 직접 연산부에 입력하는 신호경로와, 각각의 상대 채널로부터 중,고역대만을 통과시키기위한 고역통과필터를 거쳐 연산부로 입력되는 제2신호처리 경로와, 주채널신호의 중,고역대 성분만을 통과시켜 주신호에 한번더 가산하기위해 상기한 고역통과필터를 거쳐 연산부에 입력되는 제3신호처리경로와, 상기한 3가지의 입력신호에 계수값를 가지며 가산 혹은 감산하기위한 제1신호연산부와, 주채널신호의 특정대역의 이득을 올리기위한 대역보상부와, 상기한 대역보상부의 결과신호와 상기한 제1신호연산부의 결과신호와 연산 하기위한 제2신호연산부를 주요 구성으로 하며 상기한 제2신호처리경로 및 제3신호처리경로상에 고역통과필터는 그 진폭 및 위상특성이 완전히 같고 최종의 좌측 출력 L+α(L'-R')+βL"이고 우측 출력이 R+α(R'-L')+βR"인 특성을 가지며 여기서 L"과 R"은 특정대역통과특성을 가지고 L'과 R'은 고역통과특성을 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 스테레오 향상 시스템.
2. 청구항 1에 있어서, 대역보상부는 원신호의 특정대역을 보강하고 유지하기위한 독립적 신호경로상의 연산구조를 갖는 것을 특징으로하는 3차원 이미지 스테레오 향상 시스템.

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