KR100340043B1 - 보정된 표준 머리전달함수를 이용한 입체 음향 재생방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보정된 머리전달함수(HRTF)를 이용한 3차원 입체 음향 재생방법에 관한 것이다.

본 발명은 표준 반경에서 표준 머리 크기의 더미 헤드를 이용해 측정된 표준 머리전달함수 데이터베이스로부터 더미헤드의 왼쪽 또는 오른쪽 귀를 기준으로 한 방위각과 고도각을 산출하는 제1단계; 상기 산출된 방위각과 고도각을 기준으로 상기 표준 머리전달함수 데이터베이스의 인덱스를 보정하는 제2단계; 음상 정위하고자 하는 3차원 공간상의 위치를 입력받아, 상기 입력된 위치로부터 청취자의 왼쪽 또는 오른쪽 귀를 기준으로 한 방위각과 고도각을 산출하는 제3단계; 상기 계산되어 입력된 위치로부터 청취자의 왼쪽 또는 오른쪽 귀를 기준으로 한 방위각과 고도각을 인덱스로하여 상기 보정된 머리전달함수 데이터베이스로부터 보정된 머리전달함수를 획득하는 제4단계; 및 입력 모노 신호를 상기 획득한 보정된 머리전달함수와 콘볼루션한 후, 거리에 따른 반비례 인수를 곱해서 입체 음향을 재생하는 제5단계를 포함한다. 본 발명에 의하면 청취자의 머리 크기 및 거리에 따라 보정된 머리전달함수를 사용함으로써 청취자에게 보다 실감나는 3차원 음향을 제공할 수 있다.

Description

보정된 표준 머리전달함수를 이용한 입체 음향 재생방법{3D SOUND GENERATION USING COMPENSATED HEAD RELATED TRANSFER FUNCTION}

본 발명은 보정된 표준 머리전달함수를 이용한 입체 음향 재생방법에 관한 것으로, 특히 표준 반경에서 표준 머리 크기의 더미 헤드를 이용해 측정된 표준 머리전달함수(HRTF: Head Related Transfer Function) 데이터베이스를 보정하여, 머리 크기가 다르면서 일반적인 거리, 특히 표준 반경보다 가까운 곳에 위치한 청취자에게 3차원 음상의 방향감이 향상되도록 하는 입체 음향 재생방법에 관한 것이다.

3차원 음상 정위의 궁극적인 목적은 음상(音像)을 인위적으로 통제하는 데 있다. 음상 정위의 방법으로 가장 널리 쓰이는 방법은 머리전달함수를 측정하여 원음과 콘볼루션을 통해 좌, 우 출력을 만들어 내는 방법이다.

종래의 음상 정위 방법은 측정된 머리전달함수를 그대로 이용하면서 거리에 따른 이득 조정만을 해 왔었다. 이렇게 할 경우 음상 정위를 원하는 곳의 청취자의 머리 중심으로부터의 거리가 머리전달함수를 측정한 표준 반경과 일치하고, 청취자의 머리 크기가 표준 머리 크기와 동일하면 음상의 방향감이 일치하겠지만, 그렇지 않고 거리가 다르다거나 머리의 크기 차이가 있다거나 하는 경우에는 경우에 따라서는 각도가 10도 이상 차이가 나는 잘못된 머리전달함수가 사용될 수 있다. 특히, 표준 반경보다 가까운 곳에 음상 정위를 하고자 하는 경우에는 청취자의 머리 폭이 중요한 변수가 되고, 경우에 따라서는 몇 십도 정도 방위각의 차이를 가져올 수 있다. 따라서 이런 경우에는 거리에 따른 이득 조정만으로는 음상 정위 성능을 향상시키기 어렵다.

따라서, 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 본 발명은 청취자의 머리 크기나 음원과의 거리 변화를 고려하지 않고, 표준 반경과 표준 머리 크기를 기준으로 작성된 표준 머리전달함수 데이터베이스를 보정하여, 머리 크기가 다르면서 일반적인 거리, 특히 표준 반경보다 가까운 곳에 위치한 청취자에게 3차원 음상의 방향감이 향상되도록 하는 입체 음향 재생방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 본 발명에 따른 표준 머리전달함수의 보정을 통한 3차원 음향 재생방법을 설명하기 위한 도면.

도2는 머리전달함수 보정을 위해 오른쪽 귀 (또는 왼쪽 귀) 기준의 방위각 산출 방법을 설명하기 위한 도면.

도3은 3차원 직교 좌표계에서 머리전달함수 보정을 위해 오른쪽 귀 (또는 왼쪽 귀) 기준의 고도각 산출 방법을 설명하기 위한 도면.

도4는 각 고도각에 따른 방위각의 분해능 및 측정지점 수의 일 실시 예를 나타낸 도면.

도5는 표준 머리전달함수 데이터베이스와 보정된 머리전달함수 데이터베이스의 관계를 설명하기 위해서 고도각이 0도일 때에 방위각 보정의 일 실시 예를 그래프로 나타낸 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

11 : 표준 머리전달함수(HRTF) 데이터베이스(DB)

12 : 왼쪽 (또는 오른쪽) 귀 기준 표준 방위각 및 고도각 산출

13 : 보정된 머리전달함수(HRTF) 데이터베이스(DB)

14 : 머리전달함수(HRTF) 데이터베이스를 보정하기 위한 오프라인 계산 과정

15 : 왼쪽 (또는 오른쪽) 귀 기준으로 원하는 위치의 방위각 및 고도각 산출

16 : 왼쪽 머리전달함수(HRTF) 데이터베이스

17 : 오른쪽 머리전달함수(HRTF) 데이터베이스

18 : 왼쪽 머리전달함수(HRTF) 데이터베이스와 입력 모노 신호와의 콘볼루션 과정

19 : 오른쪽 머리전달함수(HRTF) 데이터베이스와 입력 모노 신호와의 콘볼루션 과정

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 표준 머리전달함수 데이터베이스를 이용한 3차원 입체 음향 재생방법에 있어서, 표준 반경에서 표준 머리 크기의 더미 헤드를 이용해 측정된 표준 머리전달함수 데이터베이스로부터 더미헤드의 왼쪽 또는 오른쪽 귀를 기준으로 한 방위각과 고도각을 산출하는 제1단계; 상기 산출된 방위각과 고도각을 기준으로 상기 표준 머리전달함수 데이터베이스의 인덱스를 보정하는 제2단계; 음상 정위하고자 하는 3차원 공간상의 위치를 입력받아, 상기 입력된 위치로부터 청취자의 왼쪽 또는 오른쪽 귀를 기준으로 한 방위각과 고도각을 산출하는 제3단계; 상기 계산되어 입력된 위치로부터 청취자의 왼쪽 또는 오른쪽 귀를 기준으로 한 방위각과 고도각을 인덱스로하여 상기 보정된 머리전달함수 데이터베이스로부터 보정된 머리전달함수를 획득하는 제4단계; 및 입력 모노 신호를 상기 획득한 보정된 머리전달함수와 콘볼루션한 후, 거리에 따른 반비례 인수를 곱해서 입체 음향을 재생하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명은, 3차원 입체 음향 재생을 위한, 대용량 프로세서를 구비한 컴퓨팅 장치에, 표준 반경에서 표준 머리 크기의 더미 헤드를 이용해 측정된 표준 머리전달함수 데이터베이스로부터 더미헤드의 왼쪽 또는 오른쪽 귀를 기준으로 한 방위각과 고도각을 산출하는 제1기능; 상기 산출된 방위각과 고도각을 기준으로 상기 표준 머리전달함수 데이터베이스의 인덱스를 보정하는 제2기능; 음상 정위하고자 하는 3차원 공간상의 위치를 입력받아, 상기 입력된 위치로부터 청취자의 왼쪽 또는 오른쪽 귀를 기준으로 한 방위각과 고도각을 산출하는 제3기능; 상기 계산되어 입력된 위치로부터 청취자의 왼쪽 또는 오른쪽 귀를 기준으로 한 방위각과 고도각을 인덱스로하여 상기 보정된 머리전달함수 데이터베이스로부터 보정된 머리전달함수를 획득하는 제4기능; 및 입력 모노 신호를 상기 획득한 보정된 머리전달함수와 콘볼루션한 후, 거리에 따른 반비례 인수를 곱해서 입체 음향을 재생하는 제5기능을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.

본 발명에 따른 입체 음향 재생방법은 표준 머리전달함수 데이터베이스를 오프라인으로 보정하여 계산한 후에, 실제로 음상 정위를 원하는 위치의 거리 및 청취자의 머리 크기에 따라서 보정된 머리전달함수를 사용하여 원음과 콘볼루션함으로써, 일반적인 거리 및 머리 크기에 따라서 음상 정위 성능을 향상시킬 수 있다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 보정된 표준 머리전달함수의 데이터베이스를 이용한 3차원 음향 재생방법의 일 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.

표준 반경에서 표준 머리 크기를 가지는 더미헤드를 이용하여 측정된 표준 머리전달함수(HRTF) 데이터베이스(11)로부터 표준 반경과 표준 머리 크기를 이용하여, 왼쪽 또는 오른쪽 귀의 위치를 기준으로 한 표준 방위각 및 고도각을 산출하여(12), 머리전달함수(HRTF) 데이터베이스의 인덱스를 새롭게 재정렬하여 보정된 머리전달함수 데이터베이스를 구축한다(13). 머리전달함수(HRTF) 데이터베이스의 보정은 음상 정위를 수행하기 전에 오프라인(14)으로 되어질 수 있다.

표준 머리전달함수 데이터베이스(11)를 이용하여 왼쪽 또는 오른쪽 귀의 위치를 기준으로 한 표준 방위각 및 고도각 산출(12) 방법은 도2와 도3을 참조하여 설명한다.

도2는 3차원 공간을 2차원 직교 좌표계인 X-Y 평면으로 투영한 평면도로서, 머리전달함수 보정을 위해 오른쪽 귀 기준의 방위각 산출 방법을 설명하기 위한 도면이다.

청취자의 머리를 중심(20)이 원점에 있는 반경(21)의 구형으로 간주하면, 머리 중심(20)을 원점으로 하고 청취자가 Y축을 바라보고 있다고 가정하였을 때, 음상 정위를 원하는 위치()의 Y축으로부터 시계방향으로의 각도를 방위각(23)라고 한다. 오른쪽 귀를 기준으로 한 방위각(24)를 청취자 머리를 중심으로 측정한 방위각(23)과 청취자의 머리 반경(21) 및 원하는 위치와의 관계식을 구하면 다음 수학식 1과 같다.

위의 수학식 1에서 알 수 있듯이 음상정위를 원하는 위치의 Y 좌표인와 청취자의 머리 반경인(21)에 따라서 머리 중심 기준 방위각(23)와 오른쪽 귀 기준 방위각(24)이 달라질 수 있다.한편, 청취자의 머리 크기는 이미 측정되어서 알고 있다고 가정한다. 만일, 청취자 머리 크기 측정을 원할 경우에는 청취자의 귀를 중심으로 줄자를 한바퀴 돌려서 머리의 둘레 길이(b)를 구한 후에 역으로 머리의 반경a=b/2π로 계산할 수 있다. 이때, 머리는 원처럼 둥글다고 가정한다. 즉, 청취자의 머리가 원처럼 둥글다고 가정하면, 청취자의 머리 반경인a는 청취자의 머리 둘레 길이b를 먼저 줄자로 측정한 다음에a=b/2π로 구할 수 있다.

도3은 3차원 직교 좌표계에서 머리전달함수 보정을 위해 오른쪽 귀 기준의 고도각 산출 방법을 설명하기 위한 도면이다.

청취자의 머리 중심(20)을 원점으로 하고 청취자가 Y축을 바라보고 있다고 가정하였을 때, 음상 정위를 원하는 위치()의 Y축으로부터 시계방향으로의 각도를 방위각(23)라고 하고, X-Y 평면으로부터 Z축 방향으로의 각도를 고도각(25)라고 한다. 오른쪽 귀를 기준으로 한 고도각(26)을 청취자 머리를 중심으로 측정한 고도각(25)과 청취자의 머리 반경(21) 및 원하는 위치와의 관계식을 구하면 다음 수학식 2와 같다.

위의 수학식 2에서 알 수 있듯이 음상정위를 원하는 위치의 X, Y 좌표인 ()와 청취자의 머리 반경인(21)에 따라서 머리 중심 기준 고도각(25)와 오른쪽 귀 기준 고도각(26)이 달라질 수 있다.

수학식 1과 수학식 2를 거리인, 방위각인, 고도각인를 이용하여 나타내면 수학식 3과 수학식 4가 산출된다.

여기서로 정의하면 더욱 간단한 수학식 5와 수학식 6이 산출된다.

이와 같이 수학식 5와 수학식 6을 이용하여 머리전달함수(HRTF) 데이터베이스를 측정할 때, 사용된 방위각, 고도각으로부터 표준 방위각과 표준 고도각을 계산하여 머리전달함수(HRTF) 데이터베이스를 재정렬하면 보정된 머리전달함수(HRTF) 데이터베이스가 산출(13)된다.

도4는 각 고도각에 따른 방위각의 분해능 및 측정지점 수의 일 실시 예를 표로 나타낸 도면으로, 일례로 청취자의 표준 머리 반경을 7.6cm로, 머리전달함수(HRTF) 측정 표준 반경은 1.55m로 세팅한 후에 각 고도각, 방위각에 따라 보정된 고도각, 방위각을 [수학식 1]과 [수학식 2]를 이용하여 계산한다. 이렇게 해서 산출된 고도각, 방위각을 머리전달함수(HRTF) 데이터베이스의 새로운 인덱스로 삼으면 보정된 머리전달함수 데이터베이스가 산출(13)된다.

이제 실제로 음상 정위를 수행하기 위해 원하는 위치인(22)가 입력되면 도1에서와 같이 오른쪽 귀를 기준으로 한 방위각과 고도각을 [수학식 1]과 [수학식 2]를 이용하여 계산한다. 방위각과 고도각이 산출되면 이제 보정된 머리전달함수 데이터베이스에서 머리전달함수를 획득하게 된다. 오른쪽 귀를 기준으로 하였기 때문에 오른쪽 머리전달함수(17)를 먼저 획득하고, 왼쪽 귀는 360도에서 오른쪽 귀의 방위각을 뺀 각도를 방위각으로 하여 왼쪽 머리전달함수(16)를 획득한다. 이렇게 해서 얻어진 머리전달함수를 입력 모노 신호와 각각 콘볼루션(18, 19)한 후, 거리에 따른 소리 크기 조정을 하면, 각각 오른쪽, 왼쪽 출력이 얻어지게 된다. 거리에 따른 소리 크기 조정은 보통 거리에 반비례하는 방법을 쓰지만 일정한 비율로 감소시키는 방법을 쓰기도 한다.

도5는 표준 머리전달함수 데이터베이스와 보정된 머리전달함수 데이터베이스의 관계를 설명하기 위해서 고도각이 0도일 때에 방위각 보정의 일 실시 예를 그래프로 나타낸 도면이다. 표준(Standard)은로서 머리전달함수 데이터베이스를 측정한 표준 반경, 표준 머리 크기인 경우이고, 경우 A(Case A)는, 경우 B(Case B)는인 경우이다. 일 예로서 방위각이 0도일 때 표준은 357도, 경우 A는 342도, 경우 B는 340도 이다. 만일 경우 B일 때 방위각이 0도로 입력되면 보정 방위각은 340도 이므로, 그래프에서 수평선을 그어서 만나는 표준 방위각을 구하면 340도 정도가 되므로 원래 머리전달함수 데이터베이스에서는 340도에 해당하는 머리전달함수를 획득하게 된다. 이렇게 되면 보정하지 않았을 때에는 약 20도 정도의 방위각 오차를 가지게 됨을 알 수 있다. 그러나, 보정한 방법으로 했을 때는 청취자와의 거리와 머리 폭에 따라서 비교적 정확한 머리전달함수를 사용할 수 있게 된다.상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의하면 청취자의 머리 크기나 음상 정위를 원하는 위치의 거리에 따라서 기존에 구축된 표준 머리전달함수 데이터베이스를 보정 함으로써, 청취자에게 더욱 실감나는 3차원 음상 정위 효과를 제공할 수 있다.

Claims (4)

1. 표준 머리전달함수 데이터베이스를 이용한 3차원 입체 음향 재생방법에 있어서,

   표준 반경에서 표준 머리 크기의 더미 헤드를 이용해 측정된 표준 머리전달함수 데이터베이스로부터 더미헤드의 왼쪽 또는 오른쪽 귀를 기준으로 한 방위각과 고도각을 산출하는 제1단계;

   상기 산출된 방위각과 고도각을 기준으로 상기 표준 머리전달함수 데이터베이스의 인덱스를 보정하는 제2단계;

   음상 정위하고자 하는 3차원 공간상의 위치를 입력받아, 상기 입력된 위치로부터 청취자의 왼쪽 또는 오른쪽 귀를 기준으로 한 방위각과 고도각을 산출하는 제3단계;

   상기 계산되어 입력된 위치로부터 청취자의 왼쪽 또는 오른쪽 귀를 기준으로 한 방위각과 고도각을 인덱스로하여 상기 보정된 머리전달함수 데이터베이스로부터 보정된 머리전달함수를 획득하는 제4단계; 및

   입력 모노 신호를 상기 획득한 보정된 머리전달함수와 콘볼루션한 후, 거리에 따른 반비례 인수를 곱해서 입체 음향을 재생하는 제5단계

   를 포함하는 입체 음향 재생방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 왼쪽 또는 오른쪽 귀를 기준으로 한 방위각(θ')은,

   (여기서,, θ는 Y축으로부터 시계방향으로의 각도, α는 청취자의 머리 반경,는 음상 정위를 원하는 위치의 청취자로부터의 거리,는 머리 중심 기준 고도각)에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 입체 음향 재생방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 왼쪽 또는 오른쪽 귀를 기준으로 한 고도각()은,

   (여기서,, θ는 Y축으로부터 시계방향으로의 각도, α는 청취자의 머리 반경,는 음상 정위를 원하는 위치의 청취자로부터의 거리,는 머리 중심 기준 고도각)에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 입체 음향 재생방법.
4. 3차원 입체 음향 재생을 위한, 대용량 프로세서를 구비한 컴퓨팅 장치에,

   표준 반경에서 표준 머리 크기의 더미 헤드를 이용해 측정된 표준 머리전달함수 데이터베이스로부터 더미헤드의 왼쪽 또는 오른쪽 귀를 기준으로 한 방위각과 고도각을 산출하는 제1기능;

   상기 산출된 방위각과 고도각을 기준으로 상기 표준 머리전달함수 데이터베이스의 인덱스를 보정하는 제2기능;

   음상 정위하고자 하는 3차원 공간상의 위치를 입력받아, 상기 입력된 위치로부터 청취자의 왼쪽 또는 오른쪽 귀를 기준으로 한 방위각과 고도각을 산출하는 제3기능;

   상기 계산되어 입력된 위치로부터 청취자의 왼쪽 또는 오른쪽 귀를 기준으로 한 방위각과 고도각을 인덱스로하여 상기 보정된 머리전달함수 데이터베이스로부터 보정된 머리전달함수를 획득하는 제4기능; 및

   입력 모노 신호를 상기 획득한 보정된 머리전달함수와 콘볼루션한 후, 거리에 따른 반비례 인수를 곱해서 입체 음향을 재생하는 제5기능

   을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.