KR100503097B1 - 디지털 압축오디오에 있어서 입체음향효과 생성방법 및 장치 - Google Patents

디지털 압축오디오에 있어서 입체음향효과 생성방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디지털 압축오디오에 있어서 입체음향효과 생성방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 디지털 압축오디오 방식의 처리과정에서 신호의 주파수 성분을 활용해서 처리함에 착안하여, 이 처리과정 중에 채널간의 주파수 성분을 자유로이 조정함으로써 디코딩된 사운드에 현실감 있는 입체음향효과를 생성하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 입체음향효과는, 좌우로 입력된 채널의 주파수 성분에 좌측 가중치 정보 WL1, WL2와 우측 가중치 정보 WR1, WR2를 곱하고 더하여 합 성분과 차 성분을 생성하는 단계와, 상기 합 성분과 차 성분을 전체 주파수 대역에 대해 주파수 성분 별로 각각 제어하여 주파수 성분 값을 레벨 변경하는 단계와, 상기 레벨 변경된 합 성분과 차 성분에 합 가중치 정보 WsumL, WsumR와 차 가중치 정보 WdiffL , WdiffR를 곱하고 더한 값에, 좌우로 입력된 채널의 주파수 성분에 좌측 가중치 정보 WL3과 우측 가중치 정보 WR3을 곱한 값을, 더하여 좌/우 채널의 사운드 이미지를 보정하는 단계에 의해 생성된다.
본 발명에 의하면, 종래 방법에 비해 많은 연산량의 감소를 얻을 수 있으며 여러 가지 주파수 특성을 가진 필터들의 구성없이 다양한 입체음향효과가 구현된다.

Description

디지털 압축오디오에 있어서 입체음향효과 생성방법 및 장치 {Stereophonic effect generating method in digital compression audio and device}
본 발명은 디지털 압축오디오에 있어서 입체음향효과 생성방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 디지털 압축오디오 방식의 처리과정에서 신호의 주파수 성분을 활용해서 처리함에 착안하여, 이 처리과정 중에 채널간의 주파수 성분을 자유로이 조정함으로써 디코딩된 사운드에 입체음향효과를 생성하는 방법에 관한 것이다.
아날로그 오디오 신호는 A/D(Analog/Digital) 컨버터를 거쳐 디지털 오디오 신호인 PCM 데이터로 변환되어 디지털 저장장치에 저장되며, 저장된 PCM 데이터의 경우 기록 매체간(예: 오디오 CD)에 음질의 손실없이 복제가 가능하다.
이에 저장되는 데이터 양을 줄여 보다 효율적인 데이터의 보관 및 관리를 위해, 디지털 압축오디오 방식(MPEG1, MPEG2 AAC, WMA, ATARC, Ogg Vorbis등)이 개발 실용화 되어 있다.
이런 장점을 가지는 디지털 압축오디오의 디코딩 사운드에 효율적으로 입체음향효과를 구현하는 대표적인 방법으로, 스테레오 신호의 합 신호와 차 신호를 이용하는 방법이 있다.
상기 합 신호의 경우 두 채널 사이에 위치한 사운드 이미지이며 차 신호의 경우 두 채널의 양 주변에 위치한 사운드 이미지가 갖는 특성을 가진다.
그래서 합 신호와 차 신호의 주파수 특성을 조작하여 두 채널 사이와 주변 사운드의 이미지를 각각의 원 신호에 보강해줌으로써 청취시 들리는 사운드의 이미지에 입체감을 만들어 줄 수 있다.
그러나 상기한 방법은 신호들의 주파수 특성을 변화시키기 위해 원하는 주파수 특성을 구현한 유한 임펄스 응답(Finite Impulse Response) 필터 또는 무한 임펄스 응답(Infinite Impulse Response) 필터에 의한 필터링 과정을 거쳐 만들어지기 때문에 많은 연산량을 필요로 하며, 다양한 입체음향효과를 주기 위해서는 여러 가지 주파수 특성을 가진 필터들이 필요하다.
또한 상기한 방법은 사용자의 취향에 따라 다양한 변화를 줄 수 있는데 입체음향효과를 변화시키고자 할 경우 효과를 변화시키는 지점간의 불연속한 음을 발생시키는 문제점이 있다.
상술한 단점의 원인은 입체음향효과를 디지털 압축오디오 방식에 적용하기 위해서 최종 디코딩된 PCM 오디오 데이터에 필터링을 해야 하기 때문이다.
본 발명에서는 디지털 압축오디오 방식의 처리과정에서 신호의 주파수 성분을 활용해서 처리함에 착안하여, 이 처리과정 중에 입체음향효과 처리부를 두고 상기 음체음향효과 처리부에서 채널간의 주파수 성분을 자유로이 조정하게 함으로써 종래의 문제점을 개선하여 디코딩된 사운드에 입체음향효과를 생성하도록 하는 데 그 목적이 있다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
디지털 압축오디오 방식은 사람 귀의 청각특성을 이용한 지각 부호화(Perceptual Coding)에 기초한 압축 방식이다.
지각 부호화는 고요할 때 청각이 감지할 수 있는 음의 최소 레벨인 최소가청한계와 특정음에 의해 다른 음이 잘 들리지 않게 되는 마스킹 현상을 이용한 방법이다.
지각 부호화를 이용한 일반적인 디지털 압축오디오의 인코더와 디코더의 개략적인 구성은 도 1a 및 도 1b에 나타낸 바와 같다.
도시된 바와 같이, 마스킹 효과가 일어나는 주파수 대역폭을 정의한 임계 대역(Critical Band)의 주파수 특성을 활용하기 위해, 인코더에서는 PCM 오디오 신호를 분석필터 뱅크(100)에 통과시켜 주파수 성분으로 변환한 후 인코딩 되며, 디코더에서는 최종적으로 합성필터 뱅크(106)를 거쳐 디코딩된 PCM 오디오 신호를 출력하게 된다.
이와 같이 처리되는 디지털 압축오디오 처리과정에 입체음향효과를 발생시키기 위해 도 2에 보이는 바와 같이 입체음향효과 처리부(202)를 구비하여 주파수 성분을 자유로이 조절할 수 있도록 하였다.
자유로이 조절할 수 있는 하나의 주파수 성분이 가지는 주파수 범위 는 수학식 1과 같이 정의된다.
예를 들어, 샘플링 주파수가 44100Hz이고 MP3으로 압축되어진 경우, 도 1의 분석필터 뱅크(100) 후와 합성필터 뱅크(106) 전에서의 전체 주파수 성분의 개수는 576이며 는 약 38.3Hz가 된다.
도 2의 입체음향효과 처리부(202)가 적용되면 종래의 방법에 비해 많은 연산량의 감소를 얻게 되고 디코딩 과정이 프레임 단위로 처리됨으로써 프레임 단위로 입체음향효과에 사용되는 값들의 변화를 적용하여 제어할 수 있으며 합성필터 뱅크(106)내의 처리과정 중 윈도우잉(Windowing)과 중첩 가산(Overlap add)에 의해 불연속적인 음의 발생을 방지할 수 있다.
상기 입체음향효과 처리부(202)에서는 다음과 같은 방법으로 입체음향효과를 생성한다.
도 3은 도 2에 나타낸 입체음향효과 처리부의 상세 구성도이다.
도시된 바와 같이, 합/차 성분 생성부(300)는 좌우로 입력된 채널의 주파수 성분의 합 성분과 차 성분을 가중치 정보 WL1, WL2, WR1, WR2를 적용하여 생성한다.
즉, 좌채널의 주파수 성분에 제1좌측 가중치 정보(WL1)를 곱셈기(302)로 곱하고, 우채널의 주파수 성분에 제1우측 가중치 정보(WR1)를 곱셈기(306)로 곱하여, 덧셈기(314)로 더하는 차 성분 생성부를 통해 차 성분을 얻는다.
여기서 WL1과 WR1은 -1.0∼1.0의 값을 갖고, 0인 경우를 제외하고는 항시 서로 다른 부호를 가지도록 하여 차 성분이 얻어지도록 한다.
또한, 좌채널의 주파수 성분에 제2좌측 가중치 정보(WL2)를 곱셈기(304)로 곱하고, 우채널의 주파수 성분에 제2우측 가중치 정보(WR2)를 곱셈기(308)로 곱하여, 덧셈기(312)로 더하는 합 성분 생성부를 통해 합 성분을 얻는다.
여기서 WL2와 WR2는 -1.0∼1.0의 값을 갖고, 0인 경우를 제외하고는 항시 서로 같은 부호를 가지도록 하여 합 성분이 얻어지도록 한다.
상기 가중치 정보 WL1, WL2, WR1, WR2를 조절하여 다양한 조합의 합 성분과 차 성분을 얻을 수 있다.
이처럼 구성하면, 좌우 채널의 주파수 성분이 많은 차이를 보이거나 비슷한 경우 등 각 상황에 대해 다양하게 대응할 수 있는 장점을 갖게 된다.
합/차 성분 생성부(300)를 통해 생성된 합 성분과 차 성분은 각각 주파수 성분 제어부(350a,350b)에 의해 전체 주파수 대역에 대해 주파수 성분 별로 제어된다.
합 주파수 성분의 경우에는 주파수 성분 값의 레벨 변경에 의해 채널 사이의 사운드 이미지를 보정하며, 차 주파수 성분의 경우에는 주파수 성분 값의 레벨 변경에 의해 주변의 사운드 이미지를 보정한다.
상기 주파수 성분 값의 레벨 변경은 로 정의한 합/차 주파수 성분들의 레벨의 증감을 위해 이득 와의 곱으로 처리하여 를 생성한다.
이때 이득값들은 수학식 2에 나타난 바와 같이 각각의 주파수 성분에 해당하는 만큼 존재하거나, 수학식 3에 나타난 바와 같이 주파수 성분이 몇 개의 넓은 주파수 대역으로 묶인 경우 그에 해당하는 대표값 만큼 이득 값이 존재한다.
여기서 주파수 대역의 수는 임의의 설정이 가능하다.
여기서 는 0, 1, …, 전체 주파수 성분의 수-1 이다.
디지털 압축오디오의 경우 인코딩 과정에서 정보량을 줄이기 위해 일정 고주파 대역 이상의 주파수 성분은 제외하고 처리하는데, 이 정보를 인덱스로 만들어 인코딩하며, 디코딩 과정에서는 이 인덱스 정보 이상의 주파수 성분은 0으로 처리한다.
상기 인덱스 정보는 주파수 성분의 존재 영역을 구분해 주는 것으로, 디지털 압축오디오 방식의 한 특징이다.
상기 인덱스 정보를 수학식 2 및 수학식 3에 적용하면 수학식 4 및 수학식 5와 같이 전체 주파수 성분에 대한 곱의 과정이 인덱스 정보까지 만의 곱으로 대체된다.
여기서 는 0, 1, …, 인덱스 정보-1 이다.
이와 같이 처리하게 되면 곱하는 과정의 연산량을 감소시키게 된다.
믹싱부(400)에 의해 레벨 변경된 합 성분과 차 성분에 가중치 정보 WsumL, WsumR, WdiffL, WdiffR를 곱하여 더한 값이, 원래의 주파수 성분에 가중치 정보 WL3, WR3을 곱한 값에 더해진다.
즉, 레벨 변경된 합 성분에 좌측합 가중치 정보(WsumL)를 곱셈기(402)로 곱하고, 레벨 변경된 차 성분에 좌측차 가중치 정보(WdiffL)를 곱셈기(404)로 곱하여 덧셈기(412)로 더한 값에, 원래의 좌측 주파수 성분과 좌측 가중치 정보(WL3)를 곱셈기(410)로 곱한 값을, 덧셈기(416)로 더하는 좌측 믹싱부를 통해 좌측 변경값을 얻는다.
또한, 레벨 변경된 합 성분에 우측합 가중치 정보(WsumR)를 곱셈기(406)로 곱하고, 레벨 변경된 차 성분에 우측차 가중치 정보(WdiffR)를 곱셈기(408)로 곱하여 덧셈기(414)로 더한 값에, 원래의 우측 주파수 성분과 우측 가중치 정보(WR3)를 곱셈기(420)로 곱한 값을, 덧셈기(418)로 더하는 우측 믹싱부를 통해 우측 변경값을 얻는다.
여기서 WsumL, WsumR, WdiffL, WdiffR, WL3, WR3 은 -1.0∼1.0의 값을 가진다.
상기 가중치 정보 WsumL, WsumR, WdiffL, WdiffR를 조정하여 처리하게 되면 원 주파수 성분의 채널 사이와 주변의 사운드 이미지 보정에서 보강되는 사운드 이미지의 밸런스를 조절할 수 있으며, 원 주파수 성분에 대한 가중치 정보 WL3, WR3을 조절하여 원래 존재하던 사운드 이미지의 밸런스를 조절할 수 있다.
최종단에는 과도하게 커진 좌측 변경값과 우측 변경값으로 인한 음의 왜곡 발생을 방지하기 위해 주파수 성분의 크기를 제한하는 클램핑 장치(600a,600b)를 구비하여 새로운 좌측(L') 주파수 성분과 우측(R') 주파수 성분을 얻는다.
이와 같은 과정을 거쳐 원 주파수 성분의 사운드 이미지에 채널 사이와 주변의 사운드 이미지를 보강하여 현실감 있는 입체음향효과를 만들어 준다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 디지털 압축오디오의 디코딩된 사운드에 별도의 처리 없이 디코딩 과정에서 주파수 성분을 가지고 처리되는 특징을 활용하여 입체음향효과의 생성 및 제어가 구현된다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 스테레오 주파수 성분 사이의 합 성분과 차 성분을 이용하여 원 주파수 성분의 사운드 이미지에 채널 사이와 주변의 사운드 이미지를 보강하여 현실감 있는 입체음향효과를 생성할 수 있고, 이에 의해, 종래 PCM 데이터의 필터링에 의한 방법에 비해 많은 연산량의 감소를 얻을 수 있으며, 주파수 성분의 처리 과정에서 디지털 압축오디오 방식의 특징인 주파수 성분의 존재 영역을 구분해 주는 인덱스 정보를 활용함으로써 연산량을 더 감소시킬 수 있다.
또한 디코딩 과정에 입체음향효과 처리부가 추가됨으로써 사용자의 취향에 따른 다양한 효과의 변화를 위한 제어가 용이하고 사용되는 값들을 변화시키더라도 음의 불연속 없이 자연스러운 사운드를 생성할 수 있으며, 주파수 성분 제어부에 의해 종래의 방법에서 같은 기능을 하기 위해 다양한 필터의 구성이 요구되는 단점을 제거할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 일반적인 디지털 압축오디오의 인코더와 디코더의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따라 입체음향효과 처리부를 디코더에 적용한 구성도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 입체음향효과 처리부의 상세 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 분석필터 뱅크 101 : 지각 부호화부
102 : 양자화 및 코딩부 103: 비트스트림 패킹부
104 : 비트스트림 언패킹부 105 : 역양자화부
106 : 합성필터 뱅크 202 : 입체음향효과 처리부
300 : 합/차 성분 생성부 350a,350b : 주파수 성분 제어부
400 : 믹싱부 600a,600b : 클램핑 장치

Claims (11)

  1. 디지털 압축오디오 디코딩시에 입체음향효과를 생성하는 방법에 있어서;
    좌우로 입력된 채널의 주파수 성분에 좌측 가중치 정보 WL1, WL2와 우측 가중치 정보 WR1, WR2를 곱하고 더하여 합 성분과 차 성분을 생성하는 단계와;
    상기 합 성분과 차 성분을 전체 주파수 대역에 대해 주파수 성분 별로 각각 제어하여 주파수 성분 값을 레벨 변경하는 단계와;
    상기 레벨 변경된 합 성분과 차 성분에 합 가중치 정보 WsumL, WsumR와 차 가중치 정보 WdiffL, WdiffR를 곱하고 더한 값에, 좌우로 입력된 채널의 주파수 성분에 좌측 가중치 정보 WL3과 우측 가중치 정보 WR3을 곱한 값을 더하여, 좌/우 채널의 사운드 이미지를 보정하는 단계에 의해 입체음향효과가 생성됨을 특징으로 하는 디지털 압축오디오에 있어서 입체음향효과 생성방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 가중치 정보 WL1, WL2, WL3, WR1, WR2, WR3, WsumL, WsumR, WdiffL, WdiffR는 -1.0∼1.0의 값을 가짐을 특징으로 하는 디지털 압축오디오에 있어서 입체음향효과 생성방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 가중치 정보 WL1과 WR1은 0인 경우를 제외하고 항시 서로 다른 부호를 가짐을 특징으로 하는 디지털 압축오디오에 있어서 입체음향효과 생성방법.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 가중치 정보 WL2, WR2는 0인 경우를 제외하고 항상 서로 다른 부호를 가짐을 특징으로 하는 디지털 압축오디오에 있어서 입체음향효과 생성방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 주파수 성분 값의 레벨 변경은 레벨의 증감을 위해 이득 (는 0, 1, …, 전체 주파수 성분의 수-1)와의 곱으로 처리함을 특징으로 하는 디지털 압축오디오에 있어서 입체음향효과 생성방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 이득 값들이 각각의 주파수 성분에 해당하는 만큼 존재하거나, 주파수 성분이 몇 개의 넓은 주파수 대역으로 묶인 경우 그에 해당하는 대표값만큼 존재함을 특징으로 하는 디지털 압축오디오에 있어서 입체음향효과 생성방법.
  8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서, 상기 이득 와의 곱으로 처리함에 있어,
    주파수 성분의 존재 영역을 구분해 주는 인덱스 정보 이상의 주파수 성분을 0으로 처리하여 연산량을 줄임을 특징으로 하는 디지털 압축오디오에 있어서 입체음향효과 생성방법.
  9. 좌우로 입력된 채널의 주파수 성분의 합 성분과 차 성분을 가중치 정보 WL1, WL2, WR1, WR2를 적용하여 생성하는 합/차 성분 생성부와,
    상기 합 성분과 차 성분을 전체 주파수 대역에 대해 주파수 성분 별로 각각 제어하여 레벨 변경하는 2개의 주파수 성분 제어부와,
    레벨 변경된 합 성분과 차 성분에 가중치 정보 WsumL, WsumR, WdiffL, W diffR를 곱하여 더한 값에, 좌우로 입력된 원래의 주파수 성분에 좌측 가중치 정보 WL3과 우측 가중치 정보 WR3을 곱한 값을, 더해서 좌우 채널의 사운드 이미지를 보정하는 믹싱부를 포함하는 디지털 압축오디오에 있어서 입체음향효과 생성장치.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 합/차 성분 생성부는,
    좌채널의 주파수 성분에 제1좌측 가중치 정보(WL1)를 곱하는 제1곱셈기와, 우채널의 주파수 성분에 음수 처리 후 제1우측 가중치 정보(WR1)를 곱하는 제2곱셈기와, 상기 제1곱셈기의 출력값과 제2곱셈기의 출력값을 더하는 제1덧셈기로 구성되는 차 성분 생성부와,
    좌채널의 주파수 성분에 제2좌측 가중치 정보(WL2)를 곱하는 제3곱셈기와, 우채널의 주파수 성분에 제2우측 가중치 정보(WR2)를 곱하는 제4곱셈기와, 상기 제3곱셈기의 출력값과 제4곱셈기의 출력값을 더하는 제2덧셈기로 구성되는 합 성분 생성부로 구성됨을 특징으로 하는 디지털 압축오디오에 있어서 입체음향효과 생성장치.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 믹싱부는,
    레벨 변경된 합 성분에 좌측합 가중치 정보(WsumL)를 곱하는 제5곱셈기와, 레벨 변경된 차 성분에 좌측차 가중치 정보(WdiffL)를 곱하는 제6곱셈기와, 제5곱셈기의 출력값과 제6곱셈기의 출력값을 더하는 제3덧셈기와, 좌채널로 입력된 원래의 주파수 성분에 제3좌측 가중치 정보(WL3)를 곱하는 제7곱셈기와, 상기 제3덧셈기의 출력값과 제7곱셈기의 출력값을 더하는 제4덧셈기로 구성되는 좌측 믹싱부와,
    레벨 변경된 합 성분에 우측합 가중치 정보(WsumR)를 곱하는 제8곱셈기와, 레벨 변경된 차 성분에 음수 처리 후 우측차 가중치 정보(WdiffR)를 곱하는 제9곱셈기와, 제8곱셈기의 출력값과 제9곱셈기의 출력값을 더하는 제5덧셈기와, 우채널로 입력된 원래의 주파수 성분에 제3우측 가중치 정보(WR3)를 곱하는 제10곱셈기와, 상기 제5덧셈기의 출력값과 제10곱셈기의 출력값을 더하는 제6덧셈기로 구성되는 우측 믹싱부로 구성됨을 특징으로 하는 디지털 압축오디오에 있어서 입체음향효과 생성장치.
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