KR100613875B1 - 웨이블릿을 이용한 입체음향시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입체음향의 구현시스템 및 그 방법에 관한 것으로써, 상세하게는 모노음으로부터 효과적인 음의 확산감을 얻기위하여 머리전달함수를 이용해서 음상을 정위하고, 웨이블릿변환을 이용하여 시간지연을 삽입하므로써 음의 확산감을 얻을 수 있는 웨이블릿을 이용한 입체음향시스템 및 그 방법에 관한것이다.
이를 위한 본 발명은 입력되는 모노음향신호를 제 1 및 제 2 채널을 통해 출력하고, 상기 제 1 채널을 통해 입력된 모노음향신호의 머리전달함수가 컨벌루션되는 컨벌루션단계와; 인가되는 신호가 컨벌루션된 신호인지를 판단하는 단계와; 컨벌루션된 신호의 주파수대역이 소정의 배율로 분해되어 서로다른 주파수성분들로 분해되는 웨이블릿변환단계와; 주파수분해중 최종단계에서 소정의 시간을 갖는 시간지연이 삽입되는 시간지연단계와; 상기 시간지연이 삽입된 웨이블릿변환신호를 역변환시키는 단계와; 역변환된 음향신호와 컨벌루션된 음향신호가 합성되는 신호합성단계와; 합성된 음향신호의 위상이 반전되어 노이즈가 제거되는 위상변환단계와; 제 1 채널의 음향신호와, 상기 제 2 채널을 통해 인가되는 모노음향신호의 상관계수가 0에 가깝게 제어되는 단계와; 음향신호가 출력되는 단계를 포함한다.
Wavelet transform, Correlation coefficient, 입체음향, Sound diffusion

Description

웨이블릿을 이용한 입체음향시스템 및 그 방법{3D sound system and method using wavelets transform}
도 1은 본 발명에 따른 웨이블릿을 이용한 입체음향시스템을 나타낸 블럭도,
도 2는 본 발명에 따른 웨이블릿을 이용한 입체음향구현방법을 나타낸 순서도,
도 3a는 머리전달함수만을 이용한 컨벌루션 음향신호를 나타낸 그래프,
도 3b는 시간지연이 삽입된 음향신호를 나타낸 그래프,
도 3c는 컨벌루션음향신호와 시간지연이 삽입된 음향신호가 합성되어 출력되는 최종음향신호를 나타낸 그래프,
도 4a는 첼로 연주곡에 대한 청취결과를 나타낸 그래프,
도 4b는 스와니강에 대한 청취결과를 나타낸 그래프,
도 4c는 트럼펫연주곡에 대한 청취결과를 나타낸 그래프,
도 4d는 피아노연주곡에 대한 청취결과를 나타낸 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
11 : 사운드입력부 12 : 컨벌루션부
13 : 웨이블릿변환부 131 : 주파수대역변환수단
132 : 시간지연수단 14 : 역웨이블릿변환부
15 : 신호합성부 16 : 위상변환부
17 : 출력부
본 발명은 입체음향의 구현시스템 및 그 방법에 관한 것으로써, 상세하게는 모노음으로부터 효과적인 음의 확산감을 얻기위하여 머리전달함수를 이용해서 음상을 정위하고, 웨이블릿변환을 이용하여 시간지연을 삽입하므로써 음의 확산감을 얻을 수 있는 웨이블릿을 이용한 입체음향시스템 및 그 방법에 관한것이다.
최근의 입체음향시스템은 가전제품이나 멀티미디어 제작도구, 그리고 게임산업에 이르기까지 다양한 방면으로의 발전과 지속적인 연구가 이루어지고 있다. 이러한 연구들은 인간이 개선된 양질의 음악을 듣고자 하는 욕구에 의한것이라 볼 수 있다.
그러나 컴퓨터환경에서의 사용자들은 더이상 전통적인 2 채널 스테레오 방식에 만족하지 않으므로 최근에는 4채널을 이용한 음향시스템이 제안되고 있다. 여기서 상기 4 채널의 음향시스템은 입체음향의 발전으로 기존의 2채널에 비하여 음량과 음질의 대폭적인 향상이 기대되는 음향기술이다.
그러나 이와 같은 4채널 서라운드시스템이 인기를 얻고 있긴 하더라도 스피커의 갯수와 케이블양이 증가하기 때문에 사용자들은 추가적인 비용을 감수해야 되는 문제점이 있다.
상기와 같은 종래의 문제점을 해결하고자 안출된 본 발명은 입력되는 음원으로부터 효과적인 음의 확산감을 얻기위해 머리전달함수(Head related transfer function)를 이용하여 음상을 정위하고 웨이블릿을 이용하여 시간지연을 삽입하므로써 음의 확산효과(Sound diffusion)를 상승시키는 웨이블릿을 이용한 입체음향시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 입력되는 모노음향신호를 제 1 및 제 2 채널을 통해 출력하고, 상기 제 1 채널을 통해 입력된 모노음향신호의 머리전달함수가 컨벌루션되는 컨벌루션단계와; 인가되는 신호가 컨벌루션된 신호인지를 판단하는 단계와; 상기 판단단계에서 컨벌루션된 신호의 주파수대역이 소정의 배율로 분해되어 서로다른 주파수성분들로 분해되는 웨이블릿변환단계와; 상기 웨이블릿변환단계의 주파수분해중 최종단계에서 소정의 시간을 갖는 시간지연이 삽입되는 시간지연단계와; 상기 시간지연이 삽입된 웨이블릿변환신호를 역변환시키는 단계와; 상기 역변환단계에서 역변환된 음향신호와 컨벌루션된 음향신호가 합성되는 신호합성단계와; 상기 신호합성단계에서 합성된 음향신호의 위상이 반전되어 노이즈가 제거되는 위상변환단계와; 상기 위상변환단계를 통해 노이즈가 제거된 제 1 채널의 음향신호와, 상기 제 2 채널을 통해 인가되는 모노음향신호의 상관계수가 0에 가깝게 제어되는 단계와; 상기 제 1 및 제 2 채널의 음향신호가 각각 출력되는 단계를 포함한다.
여기서 상기 상관계수의 제어단계(S18)에서 상기 제 1 채널의 출력신호는
Figure 112004034966275-pat00001
y는 제 1 채널의 출력신호, a는 머리전달함수가 컨벌루션된 음향신호, b는 시간지연이 삽입된 음향신호, α와β는 상수이다.
에 의해 달성되며, 상기 α와β가 소정의 범위를 갖도록 조정되므로써 상기 제 1 및 제 2 채널의 상관계수가 0에 가깝게 제어되는 것을 특징으로한다.
또한, 음원이 입력되는 사운드입력부와; 상기 사운드입력부에서 인가되는 음향신호에 머리전달함수를 결합시키도록 컨벌루션하는 컨벌루션부와; 상기 컨벌루션부에서 인가되는 컨벌루션 음향신호를 소정의 주파수대역별로 변환시키고, 최종주파수대역에 소정의 시간지연을 삽입하는 웨이블릿변환부와; 상기 웨이블릿변환부에서 인가되는 음향신호를 역 웨이블릿변환시키는 역웨이블릿변환부와; 상기 역웨이블릿변환부에서 인가된 시간지연이 삽입된 음향신호와 상기 컨벌루션부에서 인가되는 컨벌루션 음향신호를 합성하는 신호합성부와; 상기 신호합성부에서 인가되는 합성음향신호의 위상을 반전시키므로서 노이즈를 제거하는 위상변환부와; 상기 위상변환부에서 인가되는 음향신호와 상기 사운드입력부에서 인가되는음향신호를 각각 출력하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 웨이블릿변환부는 상기 컨벌루션부에서 인가된 컨벌루션 음향신호를 서로다른 주파수성분으로 분해하는 주파수대역변환수단과; 상기 주파수대역변환수단의 최종분해된 주파수대역에 소정의 지연시간을 갖도록 시간지연을 삽입하 는 시간지연수단을 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 웨이블릿을 이용한 입체음향시스템 및 방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 웨이블릿을 이용한 입체음향시스템을 나타낸 블럭도이다.
도 1 을 참조하면, 사운드입력부(11)는 제 1 및 제 2 채널을 통해 컨벌루션부(12)와 웨이블릿변환부(13)(Wavelets transform)에 연결되며, 상기 컨벌루션부(12)는 일측으로는 상기 제 1 채널을 통해 상기 사운드입력부(11)에 연결되고, 타측으로는 상기 웨이블릿변환부(13)에 연결된다. 아울러 상기 웨이블릿변환부(13)는 주파수대역변환수단(131)과 시간지연수단(132)을 포함하며, 이중 주파수대역변환수단(131)은 상기 컨벌루션부(12)와 연결되고, 상기 시간지연수단(132)은 상기 대역변환수단에 연결된다. 그리고 상기 웨이블릿변환부(13)는 역웨이블릿변환부(14)에 연결되고, 상기 역웨이블릿변환부(14)는 신호합성부(15)에 연결된다. 신호합성부(15)는 위상변환부(16)에에 연결되고, 출력부(17)는 상기 위상변환부(16)와 상기 웨이블릿변환부(13)에 각각 연결된다.
여기서 상기 사운드입력부(11)는 청취된 음원을 전기적인 신호로 변환시켜 제 1 및 제 2 채널에 각각 출력하고, 컨벌루션부(12)는 상기 제 1 채널을 통해 상기 사운드입력부(11)로부터 출력된 음향신호의 머리전달함수를 결합시키도록 컨벌루션하여 상기 음향신호에 공간에서의 방향성을 부여한다. 주파수대역변환수단(131)은 상기 컨벌루션부(12)에서 인가된 컨벌루션음향신호를 서로다른 주파수성분을 갖도록 분해하고, 시간지연수단(132)은 상기 주파수대역변환수단(131)에서 최종분해된 주파수대역에 일정시간의 지연시간을 삽입한다. 그리고 역웨이블릿변환부(14)는 상기 웨이블릿변환부(13)를 통해 주파수가 변환된 음향신호를 원래의 성분을 갖는 신호로 역변환시키고, 신호합성부(15)는 상기 컨벌루션부(12)에서 출력된 컨벌루션음향신호와 상기 역웨이블릿부에서 인가되는 음향신호를 합성한다. 그리고 위상변환부(16)는 상기 신호합성부(15)에서 출력된 신호의 위상을 반전시켜 노이즈를 제거하고, 출력부(17)는 상기 제 1 채널을 통해 인가되는 상기 위상변환부(16)에서 인가되는 음향신호와 상기 제 2 채널을 통해 상기 웨이블릿변환부(13)를 통해 인가되는 컨벌루션되지 않은 원음을 각각 출력한다.
여기서 상기 출력부(17)는 상기 제 1 및 제 2 채널을 갖는 헤드폰(Head phone)임이 바람직하다. 즉, 상기 제 1 채널은 왼쪽 헤드폰출력단자, 제 2 채널은 오른쪽 헤드폰출력단자로 각각 연결되고, 상기 제 1 채널을 통해서는 시간지연에 따른 확산감이 부여된 음향이 출력되고, 제 2 채널을 통해서는 청취된 모노음(Mono sound)이 출력된다.
도 2는 본 발명에 따른 웨이블릿을 이용한 2채널 입체음향구현방법을 나타낸 순서도이며 이를 이용하여 본 발명의 작용을 상세히 설명한다.
먼저, 사운드입력부(11)는 무향실에서 발생되는 모노음을 청취하여 이를 전기적인 신호로 변환시켜 제 1 및 제 2 채널에 각각 출력한다. 그러므로 상기 제 1 채널을 통해 상기 사운드입력부(11)로부터 인가되는 모노음향신호가 컨벌루션부(12)에 인가된다.
상기 컨벌루션부(12)는 인가되는 모노음향신호의 머리전달함수를 컨벌루션하여 상기 음향신호에 공간적 방향성을 부여하여 이를 웨이블릿변환부(13)에 인가한다. 즉, 사람의 두귀에 도달하는 경로를 벽의 반사, 회절, 산란등의 실내의 전달계와 머리와 귓바퀴에 의한 반사, 회절, 공진등에 의한 머리전달함수전계로 나누어지며, 이러한 계를 거쳐 고막에 도달하는 음향신호는 음자극이 되어 청취자는 음상을 지각할 수 있다. 특히 이중에서 공간영역의 특성을 지각하는데 유용한 것이 머리전달함수 이며, 본 발명에서는 잔향이 전혀없는 무향실에서 청취된 원음의 머리전달함수를 컨벌루션함으로써 모노음에 임의의 공간위치에서 소리가 나게하는 공간적방향성을 부여한다(S11).
상술한 바와 같이 제 1 채널을 통해 출력되는 컨벌루션음향신호와 상기 제 2 채널을 통해 출력되는 모노음향신호는 웨이블릿변환부(13)에 인가된다. 그리고 상기 웨이블릿변환부(13)는 각 음향신호가 컨벌루션음향신호인지를 판단한다(S12).
판단결과, 상기 웨이블릿변환부(13)는 제 1 채널에서 인가되는 컨벌루션음향신호를 인지하여 이를 주파수대역변환수단(131)에 인가하고, 컨벌루션이 되지 않은 제 2 채널의 모노음향신호는 상기 출력부(17), 즉, 오른쪽 헤드폰출력단자로 출력한다.
그리고 상기 주파수대역변환수단(131)은 상기 제 1 채널로부터 인가되는 컨벌루션음향신호에서 원래의 주파수성분을 소정의 단계별로 분해한다. 즉, 상기 주파수대역변환수단(131)은 인가되는 컨벌루션음향신호를 44,1kHz에서 1/2 분해하여 22.05kHz, 다시 22.05kH를 11.025kHz로써 분해하여 최종 1.5kHz로 분해하여 이를 시간지연수단(132)에 인가한다(S13).
그러므로 상기 시간지연수단(132)은 상기 주파수대역변환수단(131)에서 변환된 1.5kHz대역의 부분에 약 7.25ms의 지연시간을 삽입하게 된다.(S14)
그리고 상기 지연수단에 의해 지연시간이 삽입된 제 1 채널의 음향신호는 역웨이블릿변환부(14)에 인가되며, 역웨이블릿변환부(14)는 상기 웨이블릿변환부(13)에서 분해된 각 주파수대역의 성분을 원래의 음향신호로써 역변환을 시켜 이를 상기 신호합성부(15)에 인가한다(S15).
상기 신호합성부(15)는 상기 역웨이블릿변환부(14)에서 인가되는 시간지연이 삽입된 음향신호에 상기 컨벌루션부(12)에서 출력되는 컨벌루션음향신호를 가산하여 음향신호를 합성하게 되며 이는 도 3a 내지 도 3b에 도시된 바와 같다.
도 3a는 머리전달함수를 컨벌루션한 컨벌루션신호를 나타낸 그래프이고, 도 3b는 시간지연이 삽입된 음향신호를 나타낸 그래프이다.
즉, 신호합성부(15)는 상기 컨벌루션부(12)에서 출력된 도 3a의 그래프를 갖는 컨벌루션신호와고, 도 3b의 시간지연이 삽입된 신호를 합성하게 된다. 여기서 상기 도 3a의 컨벌루션신호와 도 3b의 시간지연된 신호는 파형이 10Hz에서 10kHz까지 시각적으로도 차이를 나타냄을 확인할 수 있다(S16).
그리고 상기 신호합성부(15)는 상술한 도 3a와 도 3b의 신호를 합성한 이후에 이를 위상변환부(16)에 인가한다. 그러므로 위상변환부(16)는 상기 신호합성부(15)에 의해 합성된 신호의 위상을 반전시키므로 상기 신호합성부(15)에 서 합성된 신호의 노이즈를 제거한다(S17).
그리고 위상변환부(16)로부터 노이즈가 제거된 합성신호는 출력부(17)의 왼쪽헤드폰단자에 인가된다. 이때 출력부(17)는 상기 제 1 채널을 통해서 인가되는 시간지연의 삽입과 컨벌루션된 음향신호는 하기와 같은 수학식 1에 의해 상기 제 2 채널의 모노음향신호와의 상관계수(Correlation coefficient)를 제어한다. 여기서 상관계수는 제 1 및 제 2 채널의 출력신호에서 상호간의 상관정도를 나타내며 상관관계가 낮을 수록 확산감이 커진다.
Figure 112004034966275-pat00002
y는 제 1 채널의 음향출력신호, a는 컨벌루션된 음향신호, b는 시간지연이 삽입된 음향신호, α와β는 상수이다.
즉 컨벌루션된 음향신호(a)에서 상수α를 곱하고, 시간지연 음향신호(b)에 상수 β를 곱하고 그 결과치를 감산한 값이 출력부(17)의 제 1 채널의 출력신호(y)가 된다.
여기서 상기 상관계수는 하기의 수학식2에 의해 구해질 수 있다.
Figure 112004034966275-pat00003
L(t)는 제 1 채널의 음향신호, R(t)는 제 2 채널의 음향신호, T는 주기이다.
즉, 상기 제 1 채널의 음향신호 L(t)는 상기 수학식 1의 y와 동일한 신호이고, 상술한 수학식 1에서의 상수인 α와β값을 0.9<α,β<1.2의 범위내로 조정하므로써 상기 제 1 채널의 출력신호인 L(t)값을 조정하므로써 상관계수(r)의 값을 0에 가깝게 제어할 수 있다(S18). .
이와 같이 상기 출력부(17)에서 상관계수가 조정되는 제 1 채널의 음향신호와 상기 제 2 채널의 모노음향신호는 각각 출력부(17), 즉 헤드폰의 왼쪽과 오른쪽의 헤드폰출력단자를 통해 출력되며, 이때 상기 제 1 채널을 통해 출력되는 컨벌루션 음향신호와 시간지연 음향신호의 합성신호는 도 3c에 도시된 바와 같다. 도 3c에 도시된 파형은 시간지연을 삽입하여 음의 확산효과를 부여한 이후에 최종적인 음의 파형을 도시하였다.
따라서 청취자는 상기 출력부(17), 즉 2채널의 스테레오헤드폰을 통하여 상기 도 3c에 도시된 파형을 갖는 음을 청취할 수 있게 된다(S19).
본 발명은 상술한 특징의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 웨이블릿을 이용한 입체음향시스템 및 그 방법은 웨이블릿변환을 통해 제 1 채널의 음향신호에 지연시간을 삽입하므로써 음의 확산감을 부여하였으며, 이러한 본 발명의 효과를 확인하기 위하여 입체음향에 대한 기초적인 지식이 전혀없는 피실험자들을 대상으로 최종적으로 만든음에 대해서 청취평가실험을 실시했고, 이는 도 4a 내지 4d에 도시된 바와 같다.
도 4a에 도시된 첼로음에 대한 청취결과에서 볼 수 있듯이 머리전달함수만을 적용시켰을 때의 음보다 본 발명에 의해 제안된 음의 확산감정도가 훨씬 좋게 나타남을 확인 할 수 있었고, 도 4b는 스와니강에 대한 피실험자의 청취결과를 보여주고 있으며, 이경우도 도 4a의 결과와 마찬가지로 머리전달함수만을 적용시킨 원음보다 최종생성된 음의 확산감 및 공간감이 더 나아졌음을 확인할 수 있다. 도 4c는 트럼펫 연주곡에 대한 청취실험 결과를 보여주고 있으며, 트럼펫 연주곡에 대한 실험결과는 다른 실험결과와 다르게 머리전달함수를 적용한 음향신호와 최종음향신호와의 차이가 미세한 차이를 갖고 있음이 확인되고 있으나, 이는 음이 끓어지는 경우를 처리하지 못하였기에 나타나는 현상으로 상기 최종음향신호에 잔향처리를 함으로써 그 차이를 분명하게 나타낼 수 있엇다. 도 4d는 피아노연주곡에 대한 실험결과를 나타내고 있으며, 마찬가지로 머리전달함수만을 적용한 음향신호보다 최종음향신호가 양호한 것으로 나타난다.

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 입력되는 모노음향신호를 제 1 및 제 2 채널을 통해 출력하고, 상기 제 1 채널을 통해 입력된 모노음향신호의 머리전달함수가 컨벌루션되는 컨벌루션단계(S11)와; 인가되는 제 1 채널의 신호가 컨벌루션된 신호인지를 판단하는 단계(S12)와; 상기 판단단계(S12)에서 컨벌루션된 신호의 주파수대역이 1.5kHz로 분해되어 서로다른 주파수성분들로 분해되는 웨이블릿변환단계(S13)와; 상기 웨이블릿변환단계(S13)의 주파수분해중 최종단계에서 7.25ms의 시간을 갖는 시간지연이 삽입되는 시간지연단계(S14)와; 상기 시간지연이 삽입된 웨이블릿변환신호를 역변환시키는 단계(S15)와; 상기 역변환단계(S15)에서 역변환된 음향신호와 컨벌루션된 음향신호가 합성되는 신호합성단계(S16)와; 상기 신호합성단계(S16)에서 합성된 음향신호의 위상이 반전되어 노이즈가 제거되는 위상변환단계(S17)와; 상기 위상변환단계(S17)를 통해 노이즈가 제거된 제 1 채널의 음향신호와, 상기 제 2 채널을 통해 인가되는 모노음향신호의 상관계수를 제어하는단계(S18)와; 상기 제 1 및 제 2 채널의 음향신호가 각각 출력되는 단계(S19)를 포함하는 웨이블릿을 이용한 입체음향구현방법에 있어서,
    상기 상관계수의 제어단계(S18)에서 상기 제 1 채널의 출력신호는
    Figure 112006032783687-pat00004
    y는 제 1 채널의 출력신호, a는 머리전달함수가 컨벌루션된 음향신호, b는 시간지연이 삽입된 음향신호, α와β는 상수이다.
    에 의해 달성되며, 상기 α와β가 0.9<α,β<1.2의 범위를 갖도록 조정하고, 상기 제 1 및 제 2 채널의 상관계수가 0에 가깝게 제어되도록 제 1 채널의 출력신호(y)를 조정하는 것을 특징으로 하는 웨이블릿을 이용한 입체음향구현방법.
  3. 삭제
  4. 음원이 입력되는 사운드입력부(11)와; 상기 사운드입력부(11)에서 인가되는 음향신호에 머리전달함수를 결합시키도록 컨벌루션하는 컨벌루션부(12)와; 상기 컨벌루션부(12)에서 인가되는 컨벌루션 음향신호를 1.5kHz의 주파수대역으로 변환시키고, 최종주파수대역에 7.25ms의 시간지연을 삽입하는 웨이블릿변환부(13)와; 상기 웨이블릿변환부(13)에서 인가되는 음향신호를 역 웨이블릿변환시키는 역웨이블릿변환부(14)와; 상기 역웨이블릿변환부(14)에서 인가된 시간지연이 삽입된 음향신호와 상기 컨벌루션부(12)에서 인가되는 컨벌루션 음향신호를 합성하는 신호합성부(15)와; 상기 신호합성부(15)에서 인가되는 합성음향신호의 위상을 반전시키므로서 노이즈를 제거하는 위상변환부(16)와; 상기 위상변환부(16)에서 인가되는 음향신호와 상기 사운드입력부(11)에서 인가되는음향신호를 각각 출력하는 출력부(17)를 포함하는 웨이블릿을 이용한 입체음향 시스템에 있어서,
    상기 웨이블릿변환부(13)는
    상기 컨벌루션부(12)에서 인가된 컨벌루션 음향신호를 서로다른 주파수성분으로 분해하는 주파수대역변환수단(131)과;
    상기 주파수대역변환수단(131)의 최종분해된 주파수대역에 7.25ms의 지연시간을 갖도록 시간지연을 삽입하는 시간지연수단(132)을 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이블릿을 이용한 입체음향시스템.
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