KR100539574B1 - 반향을 이용한 오디오 및 음성의 음색 변환 장치 및 방법 - Google Patents

반향을 이용한 오디오 및 음성의 음색 변환 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반향(echo) 신호를 이용하여 수행이 간편하면서도 효과적으로 음성 및 오디오 신호의 음색을 변화시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공하기 위한 것으로서, 오디오 신호의 주파수 및 시간 응답 특성을 변화시켜 음색을 변환시키는 방법에 있어서, 1 개 이상의 반향 신호를 원신호와 소정 지연된 시간에 위치시켜 주파수 및 시간 응답 특성을 변화시킨다.

Description

반향을 이용한 오디오 및 음성의 음색 변환 장치 및 방법{apparatus and method for quality conversion of audio and voice using echo}
본 발명은 재생되는 오디오 신호의 음색 변환에 관한 것으로, 특히 반향(echo) 혹은 잔향(reverberation) 신호를 이용하여 음성 및 오디오 신호의 음색을 변화시킬 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
음색 변환이란 재생되는 오디오 신호의 주파수 및 시간 응답 특성을 변화시킴으로써, 소리의 질감, 공간감 등을 조절하는 것을 말하며, 방송이나 기타 오디오 신호를 재생하는 오디오 앰프, 음성 신호를 증폭하는 마이크 앰프 등에서 흔히 사용된다.
기존의 음색 변환은 일반적으로 몇 개 필터의 조합으로 이루어지기 때문에, 상대적으로 많은 연산량이 필요할 뿐만 아니라, 부적합한 필터의 응답으로 인한 왜곡을 초래하기도 하는 문제점을 가지고 있다.
반향(Echo)이란 원 신호에 시간 지연이 된 자기 신호가 수 차례 더해지는 것을 의미하며, 도 1과 같은 충격 응답을 갖는 함수를 통과하는 것으로 표현할 수 있다.
이때, 반향의 시간 지연값(offset)에 따라 반향이 삽입된 오디오 신호가 인간의 귀에 인지되는 특성이 달라진다.
즉, 시간 지연이 충분히 긴 경우(50ms 이상)에는 흔히 메아리라고 알려진 시간 지연된 원 신호가 귀에 다시 들리게 되며, 반대로 시간 지연이 짧은 경우(10ms 미만)에는 메아리는 들리지 않고, 신호의 음색이 변화하는 착색효과(coloration)가 나타난다.
이는 실내에서 스피커를 이용하여 음악을 청취할 때, 방의 크기, 구조물, 벽의 재질 등에 따라 음색이 달라지는 것에서 그 예를 찾아볼 수 있다.
즉, 짧은 시간 지연을 갖는 반향을 삽입하게 되면, 재생되는 소리의 음색 변화가 발생하게 되며, 이때 반향 펄스의 개수, 시간 지연의 길이 및 크기 등을 조절함으로써 서로 다른 음색을 표현할 수 있다.
도 2 는 반향을 나타내는 펄스가 한 개만 존재하는 경우의 반향 충격 응답과 이 충격 응답에 대한 주파수 응답을 나타낸 도면이다.
도 2의 주파수 응답에서 나타난 것과 같은 변화에 의해 반향이 삽입된 오디오 신호로부터 음색의 변화를 느끼게 된다.
이렇게 발생한 음색 변환은 종래에 필터를 사용하는 경우와는 달리 심각한 음질 왜곡을 발생시키지 않을 수 있으며, 간편하게 구현할 수 있는 장점을 지닌다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 반향(echo) 신호를 이용하여 수행이 간편하면서도 효과적으로 음성 및 오디오 신호의 음색을 변화시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반향을 이용한 오디오 및 음성의 음색 변환 방법의 특징은 오디오 신호의 주파수 및 시간 응답 특성을 변화시켜 음색을 변환시키는 방법에 있어서, 1 개 이상의 반향 신호를 원신호와 소정 지연된 시간에 위치시켜 주파수 및 시간 응답 특성을 변화시키는 것이다.
이때, 상기 반향 신호는 응답 진폭과 정비례의 크기를 갖으며, 주파수 응답의 크기와 게인 값과 비례하고, 상기 주파수 응답에서 나타나는 리플 주기와 시간 지연의 역수를 갖는 것이 바람직하다.
그리고 상기 반향 신호는 양의 반향인 경우 0~3 바크(bark)에 해당하는 주파수 성분이 증폭하고, 3~6 바크(bark)에 해당하는 주파수 성분이 감쇠되는 변화가 발생하며, 음의 반향인 경우는 0-3 바크(bark)에 해당하는 주파수 성분은 감쇠하고, 3-6 바크(bark)에 해당하는 주파수 성분은 증폭하는 변화가 발생하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 반향 신호를 원신호의 소정 지연된 시간에 위치하는 과정은 수식에 의해서 삽입되는 것이 바람직하며, 이때, x(n) : 입력 오디오 신호, y(n) : 출력 오디오 신호, gi : i번째 반향펄스의 게인값(0~1), di : i번째 반향펄스의 시간 지연값을 나타낸다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반향을 이용한 오디오 및 음성의 음색 변환 장치의 특징은 적어도 하나의 반향 펄스를 수 msec 지연시키기 위한 메모리 버퍼; 상기 메모리 버퍼에서 지연된 각 반향 펄스에 양 또는 음의 게인값을 주파수 영역에서 결합하는 곱셈기; 상기 곱셈기에서 게인값이 결합된 적어도 하나의 반향 펄스를 원신호와 더하는 가산기를 포함하여 구성되는 것이다.
이때, 상기 반향 펄스의 수가 증가하면 그 수에 상응하게 상기 메모리 버퍼와 곱셈기가 증가하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 메모리 버퍼의 전체 용량은 원신호와 가장 간격이 먼 반향펄스까지의 시간지연을 저장할 수 있는 크기인 것이 바람직하다.
본 발명의 특징에 따른 작용은 하나 혹은 수 개의 반향 삽입만으로 오디오 신호의 음색을 변환시킬 수 있는 장치 및 방법을 개발하였으며, 삽입하는 반향의 조합에 따른 주파수 응답의 변화를 분석하고, 그 결과 어떤 음색 및 음질의 특성을 지니는 지를 알아내고 이를 활용하여 음색을 변환 할 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 반향을 이용한 오디오 및 음성의 음색 변환 방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
인간의 귀는 높은 주파수에 대한 분해능보다 낮은 주파수에 대한 분해능이 매우 높은 비선형적 주파수 인지능력을 가지고 있으며, 이는 로그(log) 함수와 유사한 특성을 갖는 임계 대역(critical band)에 의해 보다 잘 표현된다.
도 3 은 도 2의 주파수 응답을 임계 대역율에 의해 표현한 도면이다.
도 3을 보면, 반향에 의한 주파수 응답의 변화율이 낮은 임계 대역에서는 매우 느리게 나타나고, 주파수가 상승함에 따라 변화가 급격히 빨라지는 것을 관찰할 수 있다.
이때, 높은 주파수 대역에서의 응답의 변화는 인간 귀의 주파수 분해능력의 한계로 구별하지 못하게 되고, 따라서 낮은 임계 대역의 응답 특성이 전체 음색을 결정짓는 중요한 요소가 된다.
또한, 일반적인 오디오 신호의 경우 대부분의 에너지가 임계 대역값 10 바크(bark, 약 1kHz에 해당) 미만에 존재하기 때문에, 낮은 주파수에서의 응답이 전체 음색에 미치는 영향은 더욱 크다.
도 3에 나타나듯이, 도 2와 같은 단 반향을 사용하는 경우는 0~3 바크(bark)에 해당하는 주파수 성분은 증폭하고, 3~6 바크(bark)에 해당하는 주파수 성분은 감쇠되는 변화가 발생한다.
본 단 반향을 오디오 신호에 삽입하게 되면, 질감이 풍부해지고 따뜻한 느낌을 주며, 저음이 증가하는 방향으로 음질 변화가 나타난다.
이때, 주파수 응답이 반복되는 주기 p (Hz)는 시간 지연값 d (sec)에 반비례하는 다음 수학식 1과 같이 나타난다.
상기 수학식 1에 따라서, 반향의 시간 지연을 조절하면, 주파수 응답 특성을 조절할 수 있으며, 또한 응답의 진폭은 반향의 크기와 정비례하여 나타난다.
도 4(a)(b)는 반향을 나타내는 펄스가 한 개만 존재하는 경우의 반향 충격 응답과 이 충격 응답에 대한 주파수 응답을 나타낸 도면으로, 도 2와는 같은 시간을 갖지만 부호가 반대인 경우이다.
즉, 음의 단 반향인 경우에 대한 충격 응답과 주파수 응답을 나타낸다.
음의 단 반향을 사용하는 경우는 양의 반향인 경우와는 반대로 처음 0~3 바크(bark)에 해당하는 주파수 성분은 감쇠하고, 3~6 바크(bark)에 해당하는 주파수 성분은 증폭하는 형태의 변화가 발생한다.
이와 같이, 음의 단 반향이 삽입되는 경우는 실제 느끼는 대체적인 음색 역시 양의 반향인 경우와는 반대로 질감이 얇아지고, 날카롭거나 차가운 느낌을 주며, 저음은 감소하는 방향으로 나타난다.
그리고 음의 반향의 경우도 물론 시간 지연값을 조절함으로써 응답 변화의 주기를 제어할 수 있다.
이때, 상기 0~3 바크, 3~6 바크로 한정한 것은 도 2, 3등의 예시된 반향에서 특정 시간 지연값(1 msec)을 선택한 것으로 하나의 실시예를 나타낸 경우이다.
따라서, 양의 반향의 경우 낮은 주파수인 0~1/(4d) Hz 대역에서 증폭되고, 1/(4d)~1/d Hz 대역에서는 감쇠되는 형태로 이를 바크로 나타낼 경우 주파수를 바크에 대응시키는 함수에 의해 바크 값이 달라진다. 또한 음의 반향의 경우도 마찬가지이다.(d : 시간 지연값)
도 5(a)(b)는 연속된 시간 지연을 갖는 두 개의 양의 반향을 사용한 경우의 충격 및 주파수 응답을 나타낸 도면이다.
도 5(b)와 같이, 낮은 주파수 영역의 응답은 도 3의 경우와 유사하지만, 두 반향 펄스의 조합에 의한 영향으로 높은 주파수로 올라갈수록 응답 변화 크기가 줄어드는 특성을 보이고 있다.
도 6(a)(b)은 본 발명에 따른 하나의 양의 펄스, 하나의 음의 펄스를 갖는 반향의 충격 및 주파수 응답을 나타낸 도면이다.
도 6(a)와 같이, 두 반향 펄스 가운데, 한 펄스의 부호를 음수로 취하게 되면, 반대로 도 6(b)에서와 같이 낮은 주파수 응답은 매우 평탄한 가운데, 고주파수쪽만 응답 변화가 나타나는 특성을 보인다.
앞서 설명한 것과 같이 고주파수의 응답은 인간이 쉽게 지각하지 못하는 특성으로 인해, 펄스의 크기를 매우 크게 하지 않으면, 이와 같은 형태의 변형은 잘 인지되지 않는다.
그리고 도 7(a)(b)은 본 발명에 따른 4 개의 양의 펄스의 조합에 의해 특정 주파수 증폭이 이루어지는 실시예를 나타낸 도면이고, 도 8(a)(b)은 본 발명에 따른 4개의 양과 음의 펄스의 조합에 의해 특정 주파수 증폭이 이루어지는 실시예를 나타낸 도면이다.
상기 도 7(a)(b) 및 도 8(a)(b)에 나타난 것과 같이, 몇 개의 반향 펄스를 잘 조합하면, 특정 주파수 및 그 배수에 해당하는 주파수만을 크게 증폭시키거나 감쇠되는 형태의 응답을 얻을 수 있다.
도면에 예시된 경우 이외에도 반향 펄스의 다양한 조합을 활용하면, 다양한 형태의 응답 변화를 기대할 수 있다.
즉, 반향 펄스의 거리 및 크기에 따라서도 응답의 형태가 바뀌게 된다.
도 9(a)(b)는 단방향인 경우의 주파수 응답과의 관계를 나타낸 도면이다.
도 9(a)(b)와 같이, 주파수 응답에서 나타나는 리플의 주기는 앞서 설명된 수학식 1에서와 같이 반향 펄스의 거리, 즉 시간지연의 역수이고, 주파수 응답의 크기는 반향의 게인(gain) 값과 비례한다.
따라서, 펄스가 여러 개인 경우는 이들의 상호작용에 의해 복잡한 응답을 나타내게 되며, 그 때 피크(peak)가 나타나는 위치와 크기는 비슷한 원리에 의해 수식적으로 유도가 가능하다.
또한, 반향의 개수가 많지 않은 경우라면, 주파수 응답의 변화가 심각한 음질의 왜곡을 초래하지는 않는다.
상기 도 9와 같이 시간 지연값(d)과 주파수 리플의 주기 p가 반비례 관계에 있으므로, d값의 변화에 따라 증폭되는 주파수 대역과 감쇠되는 주파수 대역은 변화하게 된다. 그리고 음의 반향도 마찬가지이다.
이와 같은 방법을 이용하는 반향을 이용한 음색 변환 방법의 실제 구현은 매우 간편하다.
반향 삽입 과정을 수학식으로 표현하면 다음 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
x(n) : 입력 오디오 신호,
y(n) : 출력 오디오 신호,
gi : i번째 반향펄스의 게인값(0~1),
di : i번째 반향펄스의 시간 지연값
도 10 은 본 발명에 따른 반향을 이용한 오디오 및 음성의 음색 변환 장치를 나타낸 도면이다.
도 10과 같이, 첫 번째 반향 펄스와 원신호 펄스 간격만큼의 신호를 저장할 수 있는 제 1 메모리 버퍼(110)와, 두 번째 반향 펄스와 원신호 펄스 간격만큼의 신호를 저장할 수 있는 제 2 메모리 버퍼(110')와, 상기 제 1 메모리 버퍼(110)에 저장된 반향 펄스에 1 번째 반향펄스의 게인(gain)값을 결합하는 제 1 곱셈기(120)와, 상기 제 2 메모리 버퍼(110')에 저장된 반향 펄스에 2 번째 반향펄스의 게인(gain)값을 결합하는 제 2 곱셈기(120')와, 상기 제 1, 2 곱셈기(120)(120')에서 출력된 각각의 반향신호에 원신호를 결합하는 덧셈기(130)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 제 1 메모리 버퍼(110)는 첫 번째 반향 펄스와 원신호 펄스 간격만큼의 오디오 신호를 저장할 수 있는 버퍼이고, 제 2 메모리 버퍼(110')는 두 번째 반향펄스와 첫 번째 반향펄스 간격만큼을 저장할 수 있는 버퍼이다.
또한, 반향 펄스의 수가 증가하면, 그 수만큼 상기 메모리 버퍼(110)(110')와 곱셈기(120)(120')가 증가하게 된다.
결국, 상기 메모리 버퍼(110)(110')의 전체 용량은 원신호와 가장 간격이 먼 반향펄스까지의 시간지연을 저장할 수 있는 크기이다.
바람직한 실시예로, 44.1kHz로 표본화된 오디오 신호에 대해 5msec까지 시간 지연을 제공한다면, 44.1kHz * 5msec = 약 221개의 오디오 샘플을 저장할 메모리가 필요하게 된다.
이때, 디지털 샘플로 저장된 경우라면, 시간 지연 길이(수 msec 이내) 만큼에 해당하는 작은 양의 메모리와 반향 펄스 수만큼의 덧셈과 곱셈만으로 구현이 가능하므로 사실상 무시할 만한 연산량이다.
또한, 지연기와 몇 개의 감쇠형 OP-AMP만 있으면, 아날로그 단에서도 쉽게 구현할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 반향을 이용한 오디오 및 음성의 음색 변환 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
몇 개의 반향 펄스만을 갖고 그 시간 지연이 매우 짧은 반향 신호를 이용하여 음색 변환 장치를 구현하게 되면, 구현하기 매우 간편한 구조만으로 오디오 및 음성 신호의 재생시 음색 변환을 수행할 수 있다. 이는 기존의 대역필터 등을 이용한 방법과 비교할 때 무시할 만한 수준의 연산량이며, 다양한 음색 변화 효과를 얻을 수 있다.
또한, 적절히 설정된 시간 지연과 크기 값에 의해 기대 이상의 음질 향상도 기대할 수 있다. 따라서, 오디오 재생 및 증폭기의 효과 장치 등으로 활용이 가능하며, 방송이나 유/무선 통신에 의해 손상된 오디오 및 음성 신호의 음질을 향상시키기 위한 후처리 장치로도 활용이 가능하다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
도 1 은 일반적인 반향을 삽입하기 위한 충격 응답을 나타낸 도면
도 2 는 일반적으로 반향을 나타내는 펄스가 한 개만 존재하는 경우의 반향 충격 응답과 이 충격 응답에 대한 주파수 응답을 나타낸 도면
도 3 은 도 2의 주파수 응답을 임계 대역율에 의해 표현한 도면
도 4(a)(b)는 본 발명에 따른 반향을 나타내는 펄스가 한 개만 존재하는 경우의 반향 충격 응답과 이 충격 응답에 대한 주파수 응답을 나타낸 도면
도 5(a)(b)는 본 발명에 따른 연속된 시간 지연을 갖는 두 개의 양의 반향을 사용한 경우의 충격 및 주파수 응답을 나타낸 도면
도 6(a)(b)은 본 발명에 따른 하나의 양의 펄스, 하나의 음의 펄스를 갖는 반향의 충격 및 주파수 응답을 나타낸 도면
도 7(a)(b)은 본 발명에 따른 4 개의 양의 펄스의 조합에 의해 특정 주파수 증폭이 이루어지는 실시예
도 8(a)(b)은 본 발명에 따른 4개의 양과 음의 펄스의 조합에 의해 특정 주파수 증폭이 이루어지는 실시예
도 9(a)(b)는 단방향인 경우의 주파수 응답과의 관계를 나타낸 도면
도 10 은 본 발명에 따른 반향을 이용한 오디오 및 음성의 음색 변환 장치를 나타낸 도면
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100 : 반향 처리기 110, 110' : 메모리 버퍼
120, 120' : 곱셈기 130 : 덧셈기

Claims (7)

  1. 오디오 신호의 주파수 및 시간 응답 특성을 변화시켜 음색을 변환시키는 방법에 있어서,
    적어도 하나의 반향 신호의 게인 및 수 msec 시간 지연을 조절하는 단계; 및
    상기 게인 및 수 msec 시간 지연된 적어도 하나의 반향 신호를 원 신호에 삽입하여 제1 바크(bark)에 해당하는 주파수 성분은 증가시키고, 제2 바크에 해당하는 주파수 성분은 감쇠시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 음색 변환 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반향 신호는 응답 진폭과 정비례의 크기를 갖으며, 주파수 응답의 크기와 게인 값과 비례하고, 상기 주파수 응답에서 나타나는 리플 주기와 시간 지연의 역수를 갖는 것을 특징으로 하는 음색 변환 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반향 신호가 1 msec의 시간 지연을 갖으면서 양의 반향인 경우, 0~3 바크(bark)에 해당하는 주파수 성분은 증폭하고, 3~6 바크(bark)에 해당하는 주파수 성분은 감쇠되는 변화가 발생하며, 음의 반향인 경우는 0~3 바크(bark)에 해당하는 주파수 성분은 감쇠하고, 3~6 바크(bark)에 해당하는 주파수 성분은 증폭하는 변화가 발생하는 것을 특징으로 하는 음색 변환 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    다음의 식
    에 의해 수 msec 지연시킨 적어도 하나 이상의 양 또는 음의 반향 신호가 원신호에 삽입되는 것을 특징으로 하는 음색 변환 방법.
    이때, x(n) : 입력 오디오 신호, y(n) : 출력 오디오 신호, gi : i번째 반향펄스의 게인값(0~1), di : i번째 반향펄스의 시간 지연값을 나타낸다.
  5. 적어도 하나의 반향 펄스를 수 msec 지연시키기 위한 메모리 버퍼;
    상기 메모리 버퍼에서 지연된 각 반향 펄스에 양 또는 음의 게인값을 주파수 영역에서 결합하는 곱셈기;
    상기 곱셈기에서 게인값이 결합된 적어도 하나의 반향 펄스를 원신호와 더하는 가산기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 반향을 이용한 오디오 및 음성의 음색 변환 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 반향 펄스의 수가 증가하면 그 수에 상응하게 상기 메모리 버퍼와 곱셈기가 증가하는 것을 특징으로 하는 반향을 이용한 오디오 및 음성의 음색 변환 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 메모리 버퍼의 전체 용량은 원신호와 가장 간격이 먼 반향펄스까지의 시간지연을 저장할 수 있는 크기인 것을 특징으로 하는 반향을 이용한 오디오 및 음성의 음색 변환 장치.
KR10-2002-0084455A 2002-12-26 2002-12-26 반향을 이용한 오디오 및 음성의 음색 변환 장치 및 방법 KR100539574B1 (ko)

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