KR101106031B1 - 하이브리드 디지털／아날로그 음향 세기―보상 볼륨 제어 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

하이브리드 디지털／아날로그 음향 세기―보상 볼륨 제어 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

원하는 음향 세기 스케일링을 수신하고, 원하는 음향 세기 스케일링으로부터 광대역 이득 성분 및 하나 이상의 다른 이득 성분들을 도출하고, 부분적으로 수정된 오디오 신호를 생성하기 위해 하나 이상의 다른 이득 성분들에 기초하여 디지털 도메인에서 오디오 신호에 대한 수정들을 적용하고, 광대역 이득 성분에 기초하여 아날로그 도메인에서 부분적으로 수정된 오디오 신호에 대한 수정들을 적용함으로써, 음향 세기 보상 볼륨 제어 방법은 디지털 및 아날로그 도메인들 둘 모두에서 오디오 신호를 처리함으로써 원하는 음향 세기 스케일링(loudness scaling)을 오디오 신호에 부과한다. 볼륨 제어 음향 세기 수정들 이외의 추가의 음향 세기 수정들이 또한 오디오 신호에 부과될 수 있다.
음향 세기, 디지털 도메인, 아날로그 도메인, 이득 성분, 음향 세기 스케일링, 동적 시간 변동 수정

Description

하이브리드 디지털／아날로그 음향 세기―보상 볼륨 제어 장치 및 그 제어 방법{Hybrid Digital/Analog Loudness-Compensating Volume Control Apparatus and Method}
본 발명은 오디오 신호 처리에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 음향 세기-보상 볼륨 제어가 하이브리드 디지털-도메인 및 아날로그-도메인 방식으로 수행되는 오디오 신호 처리에 관한 것이다. 본 발명은 방법, 방법을 실행하는 장치 또는 방법을 구현하는 컴퓨터 프로그램으로 실행될 수 있다.
본 발명의 양태들을 더욱 잘 이해하는데 유용한 지각된(심리 음향 특성) 음향 세기를 측정하고 조정하기 위한 특정한 기술들은, 2004년 12월 23일자로 공개되고 Alan Jeffrey Seefeldt 등에 의한 발명의 명칭이 "Method, Apparatus and Computer Program for Calculating and Adjusting the Perceived Loudness of an Audio Signal"인 국제 공개 특허 출원 제WO 2004/111994 A2호와, 2004년 10월 28일 샌프란시스코에서 Alan Seefeldt 등에 의한 제목이 "A New Objective Measure of Perceived Loudness"인 Audio Engineering Society Convention 논문 6236쪽에 기술되어 있다. 상기 제WO 2004/111994 A2호 출원과 상기 논문은 본 명세서에서 참조로서 완전히 통합되어 있다.
본 발명의 양태들을 더욱 잘 이해하는데 유용한 지각된(심리 음향 특성) 음 향 세기를 측정하고 조정하기 위한 특정한 다른 기술들은, 2006년 5월 4일자로 공개되고 Alan Jeffrey Seefeldt 등에 의한 발명의 명칭이 "Calculating and Adjusting the Perceived Loudness and/or the Perceived Spectral Balance of an Audio Signal"인 국제 공개 특허 출원 제WO 2006/047600 A1호에 기술되어 있다. 상기 제WO 2006/047600 A1호 출원은 본 명세서에서 참조로서 완전히 통합되어 있다.
특히 멀티채널 환경에서 본 발명의 양태들을 더욱 잘 이해하는데 유용한 지각된(심리 음향 특성) 음향 세기를 측정하고 조정하기 위한 특정한 또 다른 기술들은, 2007년 11월 1일자로 공개되고 Alan Jeffrey Seefeldt 등에 의한 발명의 명칭이 "Loudness Modification of Multichannel Audio Signals"인 국제 공개 특허 출원 제WO 2007/123608 A1호에 기술되어 있다. 상기 제WO 2007/123608 A1호 출원은 본 명세서에서 참조로서 완전히 통합되어 있다.
음향 세기의 인간 지각은 수십 년 동안 연구되었고, 따라서, 이러한 지각의 많은 속성들이 발견되었고 후속적으로 모델링되었다. 1930년대에서, Fletcher 및 Munson은 낮은 신호 레벨들에서, 중간 주파수들이 더 낮고 더 높은 주파수들보다 음향 세기가 더 큰 것으로 지각되었지만, 이러한 감도의 변동들은 사운드의 레벨이 증가할 때 감소된다는 것을 발견했다. 1950년대에서, Zwicker 및 Stevens는 Fletcher 및 Munson의 연구를 토대로 해서 더욱 정확하고 현실적인 모델들을 개발하였다. "심리 음향 특성(Psychoacoustics)"에서 E. Zwicker에 의해 공개된 도 1(Zwicker의 도면 8.4)은 1kHz 톤과 균일 여기된 잡음("UEN"- 모든 임계 대역들에서 동일한 전력을 가진 잡음) 둘다의 음향 세기의 증대를 도시하고 있다. "청력 임 계값(hearing threshold)"이라고 흔히 칭해지는 것 이하의 신호 레벨에 대해, 음향 세기는 지각되지 않는다. 이 임계값 이상에서는, 음향 세기가 신호 레벨과 함께 선형적으로 증가하는 점근선까지 지각된 음향 세기의 급속한 상승이 있다. 도 2에서, ISO 226의 동일한 음향 세기 음조 곡선들(contours)은 동일한 행동 양식(behavior)이지만 사인 곡선 톤들에 대해 주파수 함수로서 보여준다. 10폰의 증가들에서의 음조 곡선 라인들은 인간의 귀가 동일한 음향 세기로 지각하는 주파수에 걸친 사운드 압력 레벨들을 보여준다. 가장 낮은 선은 주파수의 함수로서 "청력 임계값(hearing threshold)"을 표현한다.
인간 청력 시스템의 비선형 및 주파수 변화 행동 양식은 오디오 신호들의 지각된 음색 및 이미징에 직접적인 영향력을 가진다. 복잡한 광대역 오디오 신호, 예를 들면, 특정한 사운드 압력 레벨로 제공되는 음악은 특정한 공간 밸런스 또는 음색을 갖는 것으로 지각된다. 동일한 오디오 신호가 상이한 사운드 압력 레벨로 제공된다면, 도 2에 도시된 바와 같이, 지각된 음향 세기의 증대는 상이한 주파수들에 대해 상이하기 때문에, 오디오 신호의 지각된 공간 밸런스 또는 음색은 상이하다.
다수의 확성기들을 통해 제공되는 복잡한 광대역 멀티채널 오디오 신호는 또한, 특정한 공간 밸런스를 갖는 것으로 지각된다. 공간 밸런스는, 둘 이상의 확성기들 사이의 오디오 신호들의 상대적 레벨로 인한 믹스(mix)의 전체 확산뿐만 아니라 믹스에서의 사운드 요소들의 위치의 영향(impression)을 의미한다. 동일한 멀티채널 오디오 신호가 상이한 전체 사운드 압력 레벨로 제공된다면, 주파수에 걸친 음향 세기의 상이한 증대와 지각된 음향 세기의 비선형 증대는 멀티채널 오디오 신호의 지각된 공간 밸런스의 변화를 유발한다. 이 영향은 특히, 채널들 사이에서 레벨들의 상당한 차이가 있을 때 명백하다. 더 조용한 채널들(Quieter channels)은 더 큰 음향 세기의 채널들과는 상이하게 영향을 받으며, 예를 들면, 전체 레벨이 감소될 때 들을 수 있게 사라지고 청력 임계값 아래로 떨어지는 조용한 채널들이 될 수 있다.
많은 상황들에서, 오디오 신호의 지각된 음향 세기를 조정하거나 스케일링하기를 원하는 소망이 있다. 가장 명백한 예는, 소비자 음악 플레이어들, 홈 시어터 수신기/증폭기들 및 전문 믹싱 콘솔들(professional mixing consoles)을 포함하는 많은 디바이스들 상에서 나타나는 종래의 볼륨 제어이다. 종래의 간단한 볼륨 또는 레벨 제어는 인간 청력 시스템과 지각된 음색 및 공간 밸런스의 결과적인 변화를 전혀 고려하지 않고 모든 채널들에 적용되는 동일한 광대역 이득을 적용하여 오디오 신호를 조정한다.
최근에, 상기 제WO 2006/047600 A1호 공개 출원에서 Seefeldt와 상기 제WO 2007/123608 A1호 공개 출원에서 Seefeldt는 음향 세기가 스케일링됨에 따라 지각된 음색 및 공간 밸런스를 유지하는 모노포닉 및 멀티채널 오디오 신호들의 지각된 음향 세기의 정확한 스케일링을 가능하게 하는 방법을 제안하였다. 이 방법에서, 원하는 음향 세기스케일링 또는 타겟 음향 세기는 본질적으로, 심리 음향 특성 음향 세기 측정 모델을 반전시키고, 오디오 신호에 적용될 수 있는 주파수 및 시간 변형 이득들을 계산함으로써 달성된다. 볼륨 제어의 경우에 대해, 특정한 제어 설 정은 특수 음향 세기라고도 칭해지는 지각 음향 세기 스펙트럼의 고정된 스케일링에 대응하고, 이 이득들은 스케일링으로 곱해진 오디오의 오리지널 특수 음향 세기와 동일한 타겟 특수 음향 세기를 달성하도록 계산된다.
특수 음향 세기의 스케일링은, 이득들이 계산되고 적용되는 필수 임계 대역들로 오디오를 분할하는데 변환들이 유용할 수 있는 디지털 도메인에서 가장 쉽게 구현된다. 이후 음향 세기-스케일링된 디지털 오디오는 디지털 대 아날로그 변환기를 사용하여 아날로그 신호로 변환된 후에 증폭기 및 스피커들을 통해 재생될 수 있다. 도 3은 그러한 음향 세기-보상 처리 또는 디바이스의 블록도를 도시한다. 디지털 오디오는, 예를 들면 사용자로부터의 입력으로서 원하는 볼륨 설정("볼륨 선택(Volume Selection)")을 갖는 볼륨 제어 처리 또는 볼륨 제어기("디지털 음향 세기 보상 볼륨 제어기(Digital Loudness Compensating Volume Controller)")(2)에 적용된다. 처리 또는 디바이스(2)는 볼륨 선택 설정에 대응하는 특수 음향 세기 스케일링을 달성하기 위해 주파수 및 시간 변동 이득들을 계산하고 적용한다. 이러한 처리 또는 디바이스는 Seefeldt 및 Seefeldt 등의 하나 이상의 상기 상술된 특허 출원들의 개시내용들에 따라 구현될 수 있다. 수정된 디지털 오디오는 그 후에 디지털 대 아날로그 변환 처리 또는 변환기("D/A")(4)를 이용하여 아날로그로 변환된다.
임의의 실제 디지털 구현은 오디오 신호(예를 들면 콤팩트 디스크 오디오에 대해 16비트들)를 표현하기 위한 제한된 비트 심도(limited bit depth)를 이용한다. 원하는 볼륨 또는 음향 세기 스케일링이 감소됨에 따라, 신호에 적용된 결과 이득들도 또한 감소된다. 따라서, 수정된 디지털 오디오의 평균 레벨들은 비트 심도에 대응한 잡음층(noise floor)에 근접한다. 수정된 오디오가 감쇠후에 단순히 재양자화되면, 가청 왜곡이 발생할 수 있다. 계산의 복잡성이 약간 증가함에 따라, 오디오는 왜곡을 제거하기 위하여 백색 진동 잡음(white dither noise)으로 재진동될 수 있다. 들을 수 있게, 진동은 대략 최하위 비트의 디지털 표현의 레벨로 일정한 백색 잡음을 도입한다. 16비트 오디오에 대해, 이 레벨은 전체 스케일 이하의 대략 96dB에 대응한다. 그러나, 인간의 청력의 지각적인 동절 범위는 상당히 더 크며, 대략 120dB이다. 따라서, 스틸 가청 감쇠된 오디오는 양자화 잡음층에 근접하거나 그 아래로 떨어질 수 있고, 낮은 신호대 잡음비(SNR) 청취 상태를 유발한다. 잡음 성형기(noise shaper)는 진동 잡음을 스펙트럼의 덜 지각 가능한 영역들로 이동시키는데 이용될 수 있어서, 청력의 임계값 아래의 진동 잡음의 레벨을 효과적으로 감소시킨다. 이러한 잡음 성형 처리들은 고정밀 연산을 요구하여 계산적으로 값비싸고, 소비자 디바이스에서 실시될 수 없다.
따라서, 디지털적으로 구현되는 음향 세기 보상의 기능을 제공하면서 모든 디지털 구현들과 연관된 문제들을 감소시키는 음향 세기-보상 볼륨 제어가 필요하다.
도 1은 1kHz 톤과 모든 대역들에서 동일한 전력을 가진 잡음의 음향 세기 기능(손(sone)의 음향 세기 대 dB의 레벨)을 도시한 도면.
도 2는 ISO 226 부록 A에 제공된 동일한 음향 세기 음조 곡선들의 세트(dB의 사운드 압력 레벨 대 Hz의 주파수)를 도시한 도면.
도 3은 종래 기술의 디지털 음향 세기-보상 볼륨 제어기 또는 제어기 처리를 도시한 개략적 기능 블록도.
도 4a 및 도 4b는 디지털 및 아날로그 두 처리들이 유리하게 이용되는 본 발명에 따른 음향 세기-보상 볼륨 제어기 또는 제어기 처리의 대안적인 예시적 실시예를 도시한 개략적 기능 블록도들.
도 5는 임계-대역 필터 응답들의 세트를 도시한 도면.
본 발명의 한 양태에 따라, 디지털 및 아날로그 도메인들 둘다에서 오디오 신호를 처리함으로써 원하는 음향 세기 스케일링을 오디오 신호에 부과하기 위한 음향 세기 보상 볼륨 제어 방법으로서, 음향 세기 스케일링은 광대역 이득 성분 및 하나 이상의 다른 이득 성분들을 가지는, 음향 세기 보상 볼륨 제어 방법은, 부분적으로 수정된 오디오 신호를 생성하기 위해 하나 이상의 다른 이득 성분들에 기초하여 오디오 신호에 수정들을 디지털 도메인에서 적용하는 단계; 및 광대역 이득 성분에 기초하여 부분적으로 수정된 오디오 신호에 수정들을 아날로그 도메인에서 적용하는 단계를 포함한다. 결과로서 생긴 수정된 오디오 신호는 디지털 및 아날로그 도메인들에서 수정들의 적용에 앞서 오디오 신호의 음향 세기 스케일링보다 원하는 음향 세기 스케일링에 더 가까운 음향 세기 스케일링을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따라, 디지털 및 아날로그 도메인들 둘다에서 오디오 신호를 처리함으로써 원하는 음향 세기 스케일링을 오디오 신호에 부과하기 위한 음향 세기 보상 볼륨 제어 방법은, 원하는 음향 세기 스케일링을 수신하는 단계; 원하는 음향 세기 스케일링으로부터 광대역 이득 성분 및 하나 이상의 다른 이득 성분들을 도출하는 단계; 부분적으로 수정된 오디오 신호를 생성하기 위해 하나 이상의 다른 이득 성분들에 기초하여 오디오 신호에 수정들을 디지털 도메인에서 적용하는 단계; 및 광대역 이득 성분에 기초하여 부분적으로 수정된 오디오 신호에 수정들을 아날로그 도메인에서 적용하는 단계를 포함한다. 결과로서 생긴 수정된 오디오 신호는 디지털 및 아날로그 도메인들에서 수정들의 적용에 앞서 오디오 신호의 음향 세기 스케일링보다 원하는 음향 세기 스케일링에 더 가까운 음향 세기 스케일링을 가질 수 있다.
본 발명의 양태들에 따라, 음향 세기 보상 볼륨 제어 처리 또는 제어기는 아날로그 도메인에서 특정 기능들을 수행하고 디지털 도메인에서 다른 기능들을 수행한다. 예를 들면, 주파수 및 시간 변동 등화는 디지털 도메인에서 수행될 수 있고, 광대역 레벨 또는 이득 조정들은 아날로그 도메인에서 수행될 수 있다. 이러한 하이브리드 디지털/아날로그 방식의 한 가지 이점은 오리지널 디지털 신호의 신호대 잡음비가 복잡한 지각적 잡음 감소 처리 없이 실질적으로 유지될 수 있다는 점이다.
본 발명의 양태들에 따라, 종래의 아날로그 광대역 볼륨 제어 처리 또는 제어기는 디지털 음향 세기 보상 볼륨 제어 처리 또는 제어기와 함께 이용될 수 있다. "광대역(wideband)"은 볼륨 제어 처리 또는 제어기에 의해 처리되는 오디오 신호에서의 모든 주파수들에 실질적으로 동일한 스케일링이 적용되는 것을 의미한다. 적당한 디지털 처리들 또는 처리기들은 상술된 특허 출원들에 기술된 방법들 및 디바이스들을 포함한다. 아날로그 볼륨 제어 처리 또는 제어기는 원하는 음향 세기 스케일링과 연관된 광대역 이득 성분을 적용하는데 이용될 수 있고, 디지털 제어 처리 또는 제어기는 원하는 음향 세기 스케일링의 주파수 및 시간 변동 부분들("등화(equalization)" 부분들)과 같이 아날로그 처리 또는 디바이스에 의해 제공되지 않는 나머지 이득 성분들을 적용하는데 이용될 수 있다.
본 발명의 양태들에 따라, 광대역 이득 이외의 음향 세기 수정들은 광대역 이득 수정들이 아날로그 도메인에서 오디오 신호에 적용되기 전에 디지털 도메인에서 오디오 신호에 적용된다. 디지털 도메인에서 오디오 신호에 광대역 이득 수정을 적용하지 않고, 광대역 이득 수정들을 아날로그 도메인에서 적용하기 전에 디지털 도메인에서 광대역 이득 이외의 음향 세기 수정들만을 적용함으로써, 수정된 디지털 신호의 평균 레벨은 볼륨 제어의 설정에 상관없이 비교적 변하지 않은 채 남아 있다. 잡음층의 문제는 광대역 이득 변화들이 오디오 신호에 적용되는 경우에 아날로그 도메인에 존재하지 않는다. 따라서, 오리지널 디지털 아날로그 신호의 신호대 잡음비는 디지털 도메인에서의 수정과, 후속적으로 아날로그 도메인으로의 변환과, 아날로그 도메인에서의 광대역 이득 수정을 통해 실질적으로 유지될 수 있다. 디지털 도메인에서의 수정은 예를 들면, 24 또는 32비트 정확도를 이용하여 실행될 수 있고, 수정된 디지털 오디오는 D/A(8)에 적용되기 전에 16비트로 재양자화될 수 있다. 이러한 재양자화는 진동의 이용을 요구하지 않을 수 있거나, 단순한 성형되지 않은 백색 진동 잡음만을 요구할 수 있다. 이러한 디지털 도메인에서의 수정들 및 아날로그 도메인으로의 변환의 상세는 본 발명에서 중요하지 않다. 하기에 기술되는 바와 같이, 아날로그 광대역 이득은 디지털 도메인에서 수행된 등화가 클리핑을 유발하지 않도록 수정될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 일반적으로 본 발명의 2개의 대안적인 예시적 실시예들을 도시한다. 도 4a에서, 사용자 또는 어떤 다른 선택 디바이스 또는 처리는 디지털 음향 세기 보상 처리 또는 제어기("디지털 음향 세기 보상")(6)에 대한 입력의 역할을 하는 원하는 볼륨 레벨("볼륨 선택")을 선택할 수 있다. 특정한 볼륨 선택 설정은 맵핑 기능에 따라, 특수 음향 세기라고도 칭해지는 지각적인 음향 세기 스펙트럼의 고정된 스케일링에 대응하거나 맵핑한다. 다른 맵핑 함수는 광대역 이득 성분과, 광대역 이득 성분이 음향 세기 스케일링으로부터 제거될 때 남아있는 성분들(그러한 다른 성분들은 "등화(equalization)" 성분들로 특징지워질 수 있다)을 음향 세기 스케일링으로부터 추출하는데 이용될 수 있다. 제어기(6) 또는 함수에서의 맵핑 함수들은 예를 들면 룩업 테이블들을 이용할 수 있다. 광대역 이득 맵핑에 대한 음향 세기 스케일링은 예를 들면 하기에 기재되고 기술된 [수학식 5a] 또는 [수학식 5b]에 기초할 수 있다. 광대역 이득 성분 이외의 성분들의 결정은 예를 들면 하기에 기재되고 기술된 [수학식 6]에 기초할 수 있다.
디지털 처리 또는 제어기(6)는 계산된 광대역 이득의 응용 이외의 원하는 음향 세기 스케일링 또는 타겟 특수 음향 세기를 달성하기 위해 수정들이 필요할 때마다 디지털 도메인에서 오디오 신호에 적용한다. 이것은, 예를 들면 상기 제WO 2006/047600 A1호 공개 출원 및/또는 상기 제WO 2007/123608 A1호 공개 출원의 방식으로, 예를 들면 이득들을 계산하여, 변환들의 사용을 통해 이득들을 임계 대역들에 적용시킴으로써 달성될 수 있다. 대안적으로, 필터 계수들이 계산되어 오디오 신호가 적용된 FIR 필터에 적용될 수 있다. 결과로서 생긴 부분적으로 수정된 디지털 오디오는 후속적으로 디지털 대 아날로그 변환기 또는 변환 처리("D/ A")(8)에 의해 아날로그 신호로 변환되고, 상부 오디오 경로, 신호 경로를 따라 아날로그 광대역 볼륨 제어 처리 또는 제어기("아날로그 광대역 볼륨 제어기")(10)에 넘겨진다. 아날로그 광대역 볼륨 제어기(10)는 전압 제어 증폭기(VCA)를 이용할 수 있고, 그 이득은 아날로그 제어 신호로 설정될 수 있다. 계산된 광대역 이득은 디지털 대 아날로그 변환기 또는 변환 처리("D/A")(12)에 의해 아날로그 신호로 변환되고, 원하는 값으로 이득을 설정하기 위하여 하위 경로, 제어 경로를 통해 제어 처리 또는 제어기(10)에 전송된다. 아날로그 볼륨 제어기는 그 후 수정된 아날로그 오디오를 생성하기 위해 광대역 이득을 가진 들어오는 오디오를 수정한다. 결과로서 생긴 수정된 아날로그 신호는 후속적으로 오리지널 디지털 오디오 신호의 신호대 잡음비를 유지한다.
도 4b는 아날로그 광대역 볼륨 제어기(10')의 볼륨 선택 입력에서, 사용자 또는 어떤 다른 선택 디바이스 또는 처리에 의해 볼륨이 설정될 수 있는 대안적이고 본질적으로 등가의 구현을 도시한다. 처리 또는 디바이스(10')는, 볼륨 선택 입력을 가지며, 이 예에서 볼륨 선택 입력 설정은 처리 또는 디바이스(10')가 D/A(8)로부터 수신하는 입력 오디오 신호에 적용되는 광대역 이득에 대응하거나 맵핑한다는 점에서, 도 4a의 처리 또는 디바이스(10)와 상이할 수 있다. 광대역 이득 값은 아날로그 대 디지털 변환 처리 또는 변환기(14)에서 아날로그에서 디지털로 변환되고, 하위 제어 경로를 통해 디지털 음향 세기 보상 처리 또는 디바이스(6')로 피드백된다. 처리 또는 디바이스(6')는 광대역 이득을 대응하는 음향 세기 스케일링으로 변환하고 광대역 이득 이외의 스케일링 성분들을 도출하기 위해 상술된 맵핑 처리의 반전을 이용한다는 점을 제외하고, 처리 또는 디바이스(6)와 유사하다.
하기에 더 논의되는 바와 같이, 도 4a 또는 도 4b의 볼륨 선택에 응답하여 오디오 신호에 적용된 음향 세기 수정들 외에도, 다른 음향 세기 수정들은 상기 제WO 2006/047600 Al호 공개 출원에 기술된 바와 같이 동적 범위 제어 및 동적 등화와 같이 동시에 적용될 수 있다. 그러한 추가의 음향 세기 수정들은 또한, 광대역 음향 세기 성분과, 광대역 음향 세기 이외의 성분 또는 성분들로 각각 분리되고, 디지털 및 아날로그 신호 수정들을 제어하기 위해 볼륨 선택 입력으로부터 도출된 제어 신호들과 함께 이용될 수 있다.
본 발명을 실행하기 위한 최상의 모드
상기 제 WO 2006/047600 A1 호 공개 출원 및/또는 상기 제 WO 2007/123608 A1 호 공개 출원에 기술된 디지털 음향 세기 수정 시스템들의 맥락에서 더욱 상세한 예시적 실시예가 기술될 것이며, 여기서 타겟 특수 음향 세기가 계산되고 대응하는 이득들이 변환들의 사용을 통해 각각의 임계 대역에 적용된다. 그러나, 본 발명의 구현들은 아날로그 광대역 볼륨 제어기와 함께 음향 세기 보상 볼륨 제어기의 다른 디지털 구현들을 이용할 수 있다. 예를 들면, 대안적인 디지털 실시예는 광대역 이득 수정들 이외의 신호 수정들을 부여하기 위해 시간 변동 FIR 필터를 이용할 수 있다.
모노포닉 오디오 신호에 대해 양호한 실시예들이 기술될 것이지만, 본 발명은 상기 제 WO 2007/123608 A1 호 공개 출원의 개시내용들을 이용함으로써 멀티채널 오디오를 처리하도록 확장될 수 있다. 디지털 음향 세기 보상(6, 6')에서, 특수 음향 세기, 모노포닉 디지털 오디오 신호 x[n]의 주파수 및 시간 양단에 분포된 지각적 음향 세기의 측정은 다음의 단계들을 통해 계산될 수 있다. 먼저, 시간 블록 m 동안 임계 대역 b에서 내부 귀(inner ear)의 기저막을 따라 에너지의 분포를 근사화하는 여기 신호 E[b, m]가 계산될 수 있다. 이러한 여기 신호는 다음과 같이 오디오 신호의 단시간 이산 푸리에 변환(STDFT)으로부터 계산될 수 있다:
Figure 112009047476898-pct00001
여기서 X[k, m]는 시간 블록 m과 bin k에서 x[n]의 STDFT를 표현한다. T[k]는 외부 및 중간 귀를 통해 오디오의 전송을 시뮬레이팅하는 필터의 주파수 응답을 표현하고, Cb[k]는 임계 대역 b에 대응하는 위치에서 기저막의 주파수 응답을 표현한다. 도 5는, Moore 및 Glasberg.에 의해 규정된 바와 같이(1997년 4월, Audio Engineering Society의 저널 45권 제4호 224쪽 내지 240쪽의 B. C. J. Moore, B. Glasberg, T. Baer에 의한 명칭이 "A Model for the Prediction of Thresholds, Loudness, and Partial Loudness"), 40개의 대역들이 등화 직사각 대역폭(ERB: Equivalent Rectangular Bandwidth) 스케일을 따라 균일하게 이격되는 임계 대역 필터 응답들의 적당한 세트를 도시한다. 각 필터 형상은 어림수의 지수 함수에 의해 기술되고 대역들은 1 ERB의 이격을 이용하여 분포된다. 최근에, 상기 제WO 2004/111994 A2호 공개 출원 및 상기 Audio Engineering Society Convention 논문 6236쪽에서 평탄화 시간 상수
Figure 112009047476898-pct00002
는 대역 b 내의 인간의 음향 세기 지각의 통합 시간에 비례하여 유리하게 선택될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 동일한 음향 세기 음조 곡선들을 이용하면, 각 대역의 여기는 다음에, 1kHz에서 동일한 음향 세기를 생성하는 여기 레벨로 변환된다. 특수 음향 세기는 압축된 비선형성을 통해 변환된 여기
Figure 112009047476898-pct00003
로부터 최종적으로 계산된다. 하나의 특수 음향 세기 N[b, m]를 계산하기 위한 이러한 적당한 함수는 다음에 의해 주어진다:
Figure 112009047476898-pct00004
여기서,
Figure 112009047476898-pct00005
는 IkHz에서 고요한 임계값이고, 상수들 β및 α는 도 1에 도시된 바와 같은 음향 세기 데이터의 증대를 매칭하도록 선택된다.
볼륨 선택 설정은 값 sν에 의해 표현된 특수 음향 세기의 원하는 스케일링에 대응한다. 이 스케일링이 주어지면, 디지털 제어기는 다중-대역 이득 g[b, m]을 계산하며, 이 g[b, m]는 오리지널 오디오에 적용될 때 특수 음향 세기가 대응하는 원하는 타겟 특수 음향 세기
Figure 112009047476898-pct00006
와 실질적으로 같은 수정된 오디오 신호를 유 발한다. 이 타겟은
Figure 112009047476898-pct00007
에 의해 스케일링된 오리지널 특수 음향 세기와 같다:
Figure 112009047476898-pct00008
상기 제WO 2006/047600 Al호 공개 출원에 기술된 바와 같이, 동적 범위 제어 및 동적 등화와 같은 볼륨 제어 외에도 다른 음향 세기 수정들을 동시에 적용하기 원할 수 있다. 이러한 추가의 수정들은 대역 및 시간 변동 음향 세기 스케일링 sα [b, m]으로 일반적으로 표현될 수 있다. 이러한 경우, 원하는 타겟 특수 음향 세기는 다음에 의해 주어진다:
Figure 112009047476898-pct00009
함수 FN가 여기로부터 특수 음향 세기로의 변환을 표현한다면, 이득 g[b, m]은 다음과 같도록 계산된다:
Figure 112009047476898-pct00010
[수학식 4a]를 재배열하면, 해답을 얻는다:
Figure 112009047476898-pct00011
상기 제WO 2006/047600 Al호 공개 출원에서, 폐쇄형 표현(closed form expression), 룩업 테이블, 및 반복 검색을 포함하여 (4b)에서
Figure 112009047476898-pct00012
을 계산하기 위한 여러 기술들이 기술되었다.
맵핑 함수 FG를 이용하면, 원하는 음향 세기 스케일링 sν은 다음에, 대응하는 광대역 이득 G로 변환된다:
Figure 112009047476898-pct00013
G = FG{}
[수학식 5a]의 함수는 예를 들면 도 1에 도시된 UEN에 대한 음향 세기 곡선의 증대로부터 생성된 룩업 테이블을 이용하여 계산될 수 있다. 대안적으로, 2배의 음향 세기가 신호 레벨에서의 10dB씩의 증가를 발생시키는 근사를 이용하여 계산될 수 있다. 이 경우, 이 함수는 다음에 의해 주어진다:
Figure 112009047476898-pct00014
최종적으로, 정정된 이득
Figure 112009047476898-pct00015
는 아날로그 도메인에서 광대역 이득의 후속 적용을 위해 미리 보상하기 위하여 이득 g[b, m]을 광대역 이득 G로 나누어 계산된다:
Figure 112009047476898-pct00016
광대역 이득 G가 [수학식 5b] 에서와 같이 계산된다면, 정정된 이득
Figure 112009047476898-pct00017
는 특정한 경우들에서 어떤 대역들에 대해 1보다 클 수 있다. 결과적으로, 전체 스케일에 가까운 신호에 디지털 도메인에서 정정된 이득을 적용하는 것은 클리핑하는 수정된 디지털 오디오 신호를 유발할 수 있다. 그러한 과부하를 방지하기 위한 한 가지 방법은 광대역 이득 G 대신에 이득 g[b, m]의 직접 함수를 만드는 것이다. 예를 들면, 모든 대역들 양단의 최대의 g[b, m]과 같게 설정될 수 있다:
Figure 112009047476898-pct00018
[수학식 7]의 관계는 정정된 이득
Figure 112009047476898-pct00019
가 항상 1보다 작거나 같은 것을 보장한다. 그러나, 광대역 이득 G는 사용자 볼륨 입력의 함수뿐만 아니라 오디오 신호 자체의 시간 변동 함수의 함수이다. 결과적으로, 디지털 도메인에서의
Figure 112009047476898-pct00020
과 아날로그 도메인에서의 G의 적용을 효율적으로 동기시키기 위해 주의해야 한다.
더 간단하고 양호한 솔루션은 임의의 클리핑의 도입을 제거하는 디지털 처리에서의 헤드룸(headroom)의 고정량을 보장하는 것이다. 그 결과는, 예를 들면,
Figure 112009047476898-pct00021
이 원하는 음향 세기 스케일링
Figure 112009047476898-pct00022
과 상관없이 항상 1보다 작은 것을 보장 하기에 충분히 큰 오프셋 이득으로 [수학식 5b]를 수정함으로써 달성될 수 있다:
Figure 112009047476898-pct00023
광대역 이득 G가 계산되는 방법과 상관없이, 대응하는 정정된 이득
Figure 112009047476898-pct00024
는 부분적으로 수정된 디지털 오디오를 생성하는데 이용된다. 이것은, 수정된 STDFT를 생성하기 위해 오리지널 STDFT의 대응하는 bin들에 각 임계 대역의 이득을 적용함으로써 달성될 수 있다:
Figure 112009047476898-pct00025
수정된 STDFT가 역변환되고, 수정된 디지털 오디오 신호
Figure 112009047476898-pct00026
를 생성하기 위해 오버랩되어 부가되며, 수정된 디지털 오디오 신호
Figure 112009047476898-pct00027
는 다음에 디지털 대 아날로그 변환기를 통해 아날로그 신호
Figure 112009047476898-pct00028
로 변환된다. 광대역 이득 G는 다음과 같은 최종 수정된 아날로그 오디오를 생성하기 위해 신호
Figure 112009047476898-pct00029
를 스케일링하는 아날로그 볼륨 제어기에 전송된다:
Figure 112009047476898-pct00030
원한다면, 아날로그 오디오는 디지털 도메인으로 변환될 수 있다.
구현
본 발명은 하드웨어 또는 소프트웨어 또는 둘다의 조합(예를 들면 프로그램 가능한 논리 어레이들)으로 구현될 수 있다. 달리 특정되지 않는다면, 본 발명의 일부로서 포함되는 알고리즘들 및 처리들은 임의의 특정한 컴퓨터 또는 다른 장치에 고유하게 관련되지 않는다. 특히, 다양한 범용 기계들은 본 개시내용들에 따라 기록된 프로그램들과 함께 이용될 수 있거나, 필요한 방법 단계들을 수행하기 위하여, 더 많은 특수화된 장치(예를 들면 집적 회로들)를 구성하는데 더욱 편리할 수 있다. 따라서, 본 발명은 하나 이상의 프로그램 가능한 컴퓨터 시스템들 상에서 실행하는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램들로 구현될 수 있으며, 컴퓨터 시스템들 각각은 적어도 하나의 처리기, 적어도 하나의 데이터 저장 시스템(휘발성 및 비휘발성 메모리 및/또는 저장 소자들), 적어도 하나의 입력 디바이스 또는 포트 및 적어도 하나의 출력 디바이스 또는 포트를 포함한다. 프로그램 코드는 본 명세서에 기재된 기능들을 수행하고 출력 정보를 생성하기 위해 입력 데이터에 적용된다. 출력 정보는 하나 이상의 출력 디바이스에 알려진 방식으로 적용된다.
각각의 그러한 프로그램은 컴퓨터 시스템과 통신하기 위하여 임의의 원하는 컴퓨터 언어(기계어, 어셈블리어 또는 고레벨의 절차, 논리 또는 객체 지향 프로그래밍 언어를 포함)로 구현될 수 있다. 어떤 경우이든, 언어는 컴파일형 또는 해석형 언어가 될 수 있다.
각각의 그러한 컴퓨터 프로그램은, 저장 미디어 또는 디바이스가 본 명세서에 기재된 절차들을 수행하도록 컴퓨터 시스템에 의해 판독될 때 컴퓨터를 구성하 고 및 동작시키기 위해 범용 또는 특수 목적 프로그래밍 가능한 컴퓨터에 의해 판독 가능한 저장 미디어 또는 디바이스 상에 저장되거나 다운로드되는 것이 바람직하다. 본 발명의 시스템은 또한 컴퓨터 프로그램과 함께 구성된 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체로서 구현되도록 고려될 수도 있으며, 그렇게 구성된 저장 매체는 컴퓨터 시스템으로 하여금 본 명세서에 기재된 기능들을 수행하기 위해 특정되고 미리 규정된 방식으로 동작하게 할 수 있다.
본 발명의 다수의 실시예들이 기재되었다. 그래도, 본 발명의 기술사상 및 범주를 벗어나지 않고 다양한 수정들이 이루어질 수 있음을 알 것이다. 예를 들면, 본 명세서에 기재된 일부 단계들은 순서에 무관할 수 있고, 따라서, 개시내용과 상이한 순서로 수행될 수 있다.

Claims (12)

  1. 디지털 및 아날로그 도메인들 둘 모두에서 오디오 신호를 처리함으로써 볼륨 설정을 상기 오디오 신호에 적용하기 위한 음향 세기 보상 볼륨 제어 방법에 있어서:
    상기 볼륨 설정(
    Figure 112011064877547-pct00037
    )의 함수로서 광대역 이득 성분(G)을 계산하는 단계,
    상기 볼륨 설정(
    Figure 112011064877547-pct00038
    ) 및 상기 오디오 신호의 함수로서 주파수 및 시간 변동 이득 성분들을 계산하는 단계로서, 상기 광대역 이득 성분과 상기 주파수 및 시간 변동 이득 성분들 모두가 상기 오디오 신호에 적용될 때, 볼륨의 함수로서 음향 세기 인식에서 변경들을 보상하면서 상기 볼륨 설정이 달성되는, 상기 계산 단계;
    부분적으로 수정된 오디오 신호를 생성하기 위해 상기 주파수 및 시간 변동 이득 성분들에 기초하여 상기 디지털 도메인에서 상기 오디오 신호에 대한 수정들을 적용하는 단계; 및
    상기 광대역 이득 성분에 기초하여 상기 아날로그 도메인에서 상기 부분적으로 수정된 오디오 신호에 대한 수정들을 적용하는 단계를 포함하는, 음향 세기 보상 볼륨 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광대역 이득 성분 계산 단계와 상기 시간 및 주파수 변동 이득 성분들 계산 단계는,
    상기 볼륨 스케일링에 의해 스케일링된 상기 신호의 특정 음향 세기에 대응하는 타겟 특정 음향 세기를 결정하는 단계,
    상기 오디오 신호에 적용될 때 그의 특정 음향 세기가 실질적으로 상기 타겟 특정 음향 세기와 같은 수정된 오디오 신호로 되는 다중 대역 시간 변동 이득을 계산하는 단계,
    상기 다중 대역 시간 변동 이득의 상기 광대역 이득 성분을 계산하는 단계, 및
    상기 다중 대역 시간 변동 이득의 상기 주파수 및 상기 시간 변동 이득 성분들을 계산하는 단계를 포함하는, 음향 세기 보상 볼륨 제어 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 디지털 도메인에서의 적용 단계는 이득들을 계산하고 이들을 상기 오디오 신호의 임계 대역들에 적용하는, 음향 세기 보상 볼륨 제어 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 디지털 도메인에서의 적용 단계는 필터 계수들을 계산하고 이들을 상기 오디오 신호가 적용되는 시간 변동 FIR 필터에 적용하는, 음향 세기 보상 볼륨 제어 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항의 방법의 모든 단계들을 수행하도록 구성된, 장치.
  6. 컴퓨터에 의해 실행되어 제 1 항 또는 제 2 항의 방법들의 모든 단계들을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
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