KR101118214B1 - 청취 위치를 고려한 2채널 가상 음향 재생 방법 및 장치 - Google Patents

청취 위치를 고려한 2채널 가상 음향 재생 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

5.1채널(혹은 7.1채널) 사운드를 2채널의 스피커 시스템을 이용한 채널 입체 음향 재생 방법 및 장치가 개시되어 있다. 본 발명은 다 채널 사운드로부터 두 채널의 가상 음향을 생성하는 과정, 청취 위치를 센싱하는 과정, 센싱된 청취 위치에 대해 양 스피커의 출력 레벨과 시간 지연을 계산하여 청취 위치 보정값을 생성하는 과정, 계산된 청취 위치 보정값을 바탕으로 상기 과정에서 생성된 가상 음향의 레벨과 시간지연을 보정하는 과정을 포함한다.

Description

청취 위치를 고려한 2채널 가상 음향 재생 방법 및 장치{Apparatus and method for reproducing virtual sound based on the position of listener}
도 1은 종래의 가상 음향 재생 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가상 음향 재생 장치를 보이는 전체 블록도이다.
도 3은 도 2의 가상 음향 신호처리부의 상세도이다.
도 4는 본 발명에 따른 청취 위치를 고려한 가상 음향 재생 방법을 보이는 흐름도이다.
도 5는 도 4의 청취자에 대한 두 스피커의 상대 위치를 보이는 개념도이다.
본 발명은 가상 음향 재생 시스템에 관한 것이며, 특히 5.1채널(혹은 7.1채널) 사운드를 2채널의 스피커 시스템을 이용한 채널 가상 음향 재생 방법 및 장치에 관한 것이다.
통상적으로 가상 음향 재생 시스템은 두 개의 스피커만을 이용하여 5.1 채널 시스템과 같은 서라운드 음향 효과를 제공해준다.
이러한 가상 음향 재생 시스템에 관련된 기술이 WO 99/49574(PCT/AU99/00002 filed 6 Jan. 1999 entitled AUDIO SIGNAL PROCESSING METHOD ABD APPARATUS)에 개시되어 있다.
종래의 가상 음향 재생 시스템에 관련된 기술을 보면, 멀티 채널의 오디오 신호는 HRTF를 이용해 2개 채널의 오디오 신호로 다운 믹스된다.
도 1을 참조하면, 5. 1채널의 오디오 신호가 입력된다. 5. 1채널은 좌 프론트 채널, 우 프론트 채널, 센터 프론트 채널, 좌 서라운드 채널, 우서라운드 채널, 저주파 효과 채널이다. 각 채널에 대해 좌, 우 임펄스 응답 함수가 인가된다. 그러므로 좌 프론트 채널(2)에 대해, 해당 좌 프론트 임펄스 응답 함수(4)는 좌 프론트 신호(3)와 콘볼루션(6)된다. 그 좌 프론트 임펄스 응답 함수(4)는 이상적인 위치에 놓여진 좌 프론트 채널 스피커에서 출력되는 이상적인 스파이크(spike)로 왼쪽 귀로 수신될 임펄스 응답으로서 HRTF를 이용한다. 출력신호(7)는 헤드폰을 위한 좌 채널 신호(10)로 합쳐진다. 비슷하게, 우 채널 스피커를 위한 오른쪽 귀에 대한 해당 임펄스 응답 함수(5)는 우채널 신호(11)로 합쳐질(11)출력신호(9)를 발생시키기 위해 좌 프론트 신호(3)와 콘볼루션(8)된다. 그러므로 도 2의 배열은 5.1 채널 신호들에 대해 약 12개의 콘볼루션 단계들을 필요로 한다. 결국, 5.1 채널의 신호들은 측정된 HRTF를 조합하여 다운 믹스됨으로써 2채널의 신호로 재생되더라도 멀티 채널로 재생될 때와 같은 서라운드 효과를 낼수 있다.
그러나 5.1채널(혹은 7.1채널 이상) 사운드 입력을 2채널 스피커 시스템을 사용하여 가상음향을 재생하는 시스템은 청취자가 특정위치를 벗어나면 입체감이 현저히 저감되는 특징을 갖고 있다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 청취자의 위치가 스위트 스폿(sweet spot)을 벗어날 경우 청취 위치를 측정하여 두 스피커의 출력 레벨 및 시간 지연값을 보정함으로써 최적의 입체 음향 사운드를 생성하는 입체 음향 재생 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 다 채널 사운드로부터 두 채널의 가상 음향을 생성하는 과정;
청취 위치를 센싱하는 과정;
상기 센싱된 청취 위치에 대해 양 스피커의 출력 레벨과 시간 지연을 계산하여 청취 위치 보정값을 생성하는 과정;
상기 과정에서 계산된 청취 위치 보정값을 바탕으로 상기 과정에서 생성된 가상 음향의 출력값을 보정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 가상 음향 재생 장치에 있어서,
멀티 채널 사운드 스트림을 두 채널의 가상 사운드 신호로 처리하는 가상 음향 신호 처리 수단;
청취 위치를 근거로 청취 위치 보정값을 계산하여 상기 가상 음향 신호 처리수단에서 처리된 가상 사운드의 레벨 및 시간 지연을 보정하는 청취 위치 보정 수단을 포함하며,
상기 청취 위치 보정 수단은
청취자를 중심으로 두 스피커의 중앙 위치의 각도와 거리를 측정하는 청취 위치 센싱부;
상기 청취 위치 센싱부에서 센싱된 청취 위치와 두 스피커 사이의 거리를 근거로 두 스피커의 출력 레벨 및 시간 지연값을 계산하는 청취 위치보정값 계산부;
상기 청취위치보정값 계산부에서 계산된 두 스피커의 출력 레벨 및 시간 지연값으로 입력되는 가상 사운드 신호를 보정하는 청취위치 보정 처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조로하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 가상 음향 재생 장치를 보이는 전체 블록도이다.
도 2의 가상 음향 재생 장치는 가상음향 신호처리부(210), 청취위치 센싱부(230), 청취위치 보정값 계산부(240), 청취위치 보정값 처리부(220)로 구성된다
가상음향 신호처리부(210)는 5.1채널(혹은 7.1채널 이상)의 멀티 채널 오디오 스트림(Multichannel Audio Stream)을 청취자에게 입체감을 형성시켜줄 수 있는 2채널의 오디오 데이터로 변환한다.
이때 청취자는 가상 음향 신호 처리부(210)에서 재생되는 사운드로 다채널의 입체음향 효과를 느낄 수 있으나 스위트 스폿(Sweet Spot)으로 알려진 특정 위치를 벗어나게 되면 입체감을 덜 느끼게 된다.
청취자의 위치가 스위트 스폿(sweet spot)을 벗어날 경우 청취 위치를 측정 하여 두 스피커의 출력 레벨 및 시간 지연값을 보정함으로써 최적의 입체 음향 사운드를 생성한다. 즉, 청취위치 센싱부(230)는 청취자를 중심으로 두 스피커의 중앙 위치의 각도와 거리를 측정한다.
청취 위치보정값 계산부(240)는 청취 위치 센싱부(230)에서 센싱된 청취 위치와 두 스피커 사이의 거리를 근거로 두 스피커의 출력 레벨 및 시간 지연값을 계산한다.
청취위치보정처리부(220)는 청취위치보정값 계산부(240)에서 계산된 두 스피커의 출력 레벨 및 시간 지연값으로 가상 음향 신호 처리부(210)에서 처리된 2채널의 가상 사운드를 청취자의 위치에 맞도록 최적의 값으로 보정한다.
최종적으로 청취위치보정처리부(220)에서 출력되는 가상 사운드 신호는 좌/우 스피커(250, 260)를 통해 출력된다.
도 3은 도 2의 가상음향 신호처리부(210)의 상세도이다.
도 3을 참조하면, Virtual Surround Filter부(320)는 HRTF(Head Related Transfer Function)를 이용하여 설계하고, Left/Right Surround 채널의 사운드(Ls, Rs)를 청취자의 좌/우 옆쪽의 음상으로 생성한다. Virtual Back Filter부(330)는 Left/Right Back 채널 사운드(Lb, Rb)를 청취자의 좌/우 뒤쪽의 음상으로 생성한다. Correction 필터부(310)는 Left/Center/LFE/Right 채널의 사운드와 Virtual Surround Filter부(320)와 Virtual Back Filter부(330)에 출력되는 사운드의 레벨(Gain)과 시간 지연(Delay)의 평균값을 맞춰 준다. 따라서, Virtual Surround Filter부(320) 및 Virtual Back Filter부(330)에서 출력되는 가상 사운드는 제1,제 2합산부(360,370)를 통해 합해진다. 또한 제1,제2합산부(360,370)에서 합산된 좌/우 가상 사운드는 제3,제4합산부(340,350)를 통해 Correction 필터부(310)에서 출력되는 실제 사운드와 합쳐져 좌/우 스피커(380,390)로 출력된다.
도 3은 7.1채널에 대한 가상 음향 신호 처리를 설명하고 있지만 5.1채널의 사운드에 대해서는 Lb, Rb 값이 "0" 이므로 Virtual Back Filter부(330)를 통과시키지 않는다.
도 4는 본 발명에 따른 청취 위치를 고려한 가상 음향 재생 방법을 보이는 흐름도이다.
먼저, 다 채널 사운드로부터 가상 음향 처리 알고리듬을 통해 두 채널의 가상 음향을 생성한다(420,440 과정).
이때 청취자의 위치를 측정한다(410 과정). 그리고, 청취자를 중심으로 두 스피커의 중앙 위치의 거리 r 및 각도 θ가 측정된다(430 과정). 도 5에서 도시된바와 같이 두 스피커의 중앙 위치가 청취자를 중심으로 오른쪽에 위치해 있으면 양각을 갖고 왼쪽에 위치해 있으면 음각을 갖는다. 이때 청취 위치를 측정하는 방법은 홍채 검출에 의한 방법이나 음성(Voice)을 이용한 소스 위치 측정(Source Localization)등 많은 방법들을 사용할 수 있으며 기본적인 기술들이 이미 공지되어 있고 이는 본 발명의 핵심이 아니므로 본 발명의 설명에서는 상세한 설명을 생략한다.
이어서, 센싱된 청취 위치와 두 스피커 사이의 거리를 근거로 청취 위치 보정값에 해당하는 두 스피커의 출력 레벨 및 시간 지연값을 계산한다(450 과정).
왼쪽 스피커와 청취자와의 거리 r1과 오른쪽 스피커와 청취자와의 거리 r2는 각각 수학식 1과 같이 구해진다.
Figure 112004042916404-pat00001
여기서, r은 청취자와 두 스피커의 중앙 사이의 거리로 구하기 어려울 경우에는 3m로 가정한다. d는 두 스피커의 중앙과 한쪽 스피커 사이의 거리이다. 출력 레벨 게인 g를 구할 때는 프리 필드(Free Field) 모델과 반향 필드(Reverberant Field) 모델을 기반으로 두 가지의 경우에 대해서 구한다. 청취공간이 프리 필드(Free Field)에 가까울 경우에는 출력 레벨 게인 g를 수학식 2와 같이 구한다.
Figure 112004042916404-pat00002
청취공간이 프리 필드(Free Field)라 보기 어려운 경우에는 다이렉트 및 반향 사운드 필드(Direct and Reverberant Sound Field)의 Total Mean Squared Pressure의 식으로부터 출력 레벨 게인g를 수학식 3과 같이 구한다.
Figure 112004042916404-pat00003
여기서, A는 Total Sound Absorption(Absorption Area)으로 청취공간에 따라 달라지는 값이므로 청취공간의 Absorptivity를 규정하기 어려울 경우에는 여러 가 지 가정을 통해 A를 구한다. 예를 들어 방의 크기가 3×8×5m3, Averaged Absorption Coefficient를 0.3 이라고 가정하면 A는 47.4 m2 가 된다. 청취위치와 두 스피커의 거리가 달라짐으로써 발생하는 시간 지연(△)은 수학식 4와 같이 구해진다.
Figure 112004042916404-pat00004
여기서, Fs는 샘플링 주파수(Sampling Frequency)이고, c는 음속이고 integer는 반올림하여 정수로 만드는 연산자를 나타낸다.
최종적으로 두 스피커의 출력 레벨 및 시간 지연값을 두 채널의 가상 사운드에 반영하여 보정된 입체 음향 신호를 생성한다(460) 과정).
결국, 청취 위치가 고려된 2채널의 입체 음향을 구현함으로써 특정 위치를 청취자가 벗어나더라도 입체감 성능이 저하되지 않는다(470 과정). 가상음향 신호처리에서 사용했던 HRTF는 청취자의 위치와 청취 공간에 대한 특성이 반영이 되지 않고 사람의 상체, 머리와 귀만이 반영되어 있다. 따라서 청취 위치 보정값을 이용하면 청취 위치와 청취 공간에 대한 특성까지 반영이 되므로 청취자의 위치에 최적화 된 입체음향을 재생할 수 있다. 실제 청취 공간에 대한 정확한 모델링은 실시간 구현이 어려우므로 상기 과정을 통해 근사치로 계산된다.
따라서 청취 위치 보정값을 이용하여 가상 음향 신호처리 알고리듬을 통해 처리된 출력값을 청취자의 위치에 맞도록 보정한다. 측정 각도 θ가 양수인 경우는 출력 값 중 왼쪽 채널 값(x L )만 수학식 5와 같이 보정하고 오른쪽 채널 값( x R )은 보정하지 않고 그대로 출력한다.
Figure 112004042916404-pat00005
여기서, 측정 각도 θ가 음수인 경우는 가상음향 신호 처리 알고리듬을 통해 처리된 출력 값 중 오른쪽 채널 값(x R )만 수학식 6과 같이 보정하고 왼쪽 채널 값(x L )은 보정하지 않고 그대로 출력한다.
Figure 112004042916404-pat00006
따라서, 오른쪽 채널의 출력값(yL), 왼쪽 채널의 출력값(yR)을 두 채널의 스피커로 재생하면 청취자의 위치에 맞도록 최적화된 입체음향이 생성된다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상내에서 당업자에 의한 변형이 가능함은 물론이다.
또한 본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 하드디스크, 플로피디스크, 플래쉬 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 채널의 스피커를 통해 5.1채널(혹은 7.1채널 이상)의 사운드 입력을 들어도 마치 다채널 스피커 시스템을 통해 듣는 것과 같은 입체감을 느낄 수가 있다. 따라서 별도의 스피커를 구매하지 않고 기존의 2채널 스피커 시스템만을 이용하여 5.1채널(혹은 7.1채널이상)로 인코딩된 DVD를 모두 즐길 수 있다. 또한, 기존의 가상 음향 시스템은 청취자가 특정 위치를 벗어나는 경우에 입체감이 현저히 저하되는 반면, 본 발명에 의한 방법은 청취자의 위치에 최적화된 입체음향을 재현하므로 청취자가 어느 위치에 있더라도 최적의 입체감을 느낄 수가 있다.

Claims (9)

  1. 가상 음향 재생 방법에 있어서,
    다 채널 사운드로부터 가상 음향 처리 장치를 통해 두 채널의 가상 사운드 신호를 생성하는 과정;
    청취 위치를 센싱하는 과정;
    상기 센싱된 청취 위치 및 청취 공간 특성들을 기반으로 두 스피커의 출력 레벨과 시간 지연을 계산하여 청취 위치 보정값을 생성하는 과정;
    상기 과정에서 계산된 청취 위치 보정값을 바탕으로 상기 과정에서 생성된 가상 사운드 신호의 레벨과 시간 지연을 보정하는 과정을 포함하며,
    상기 두 스피커의 출력 레벨은 청취 공간 특성을 반영하여 상기 청취 위치와 두 스피커 사이의 거리를 기반으로 계산되고, 상기 두 스피커의 시간 지연은 상기 청취 위치와 두 스피커 사이의 거리를 기반으로 계산되는 것임을 특징으로 하고,
    상기 두 스피커의 출력 레벨은 청취 공간에 따라
    청취 공간이 프리 필드일 경우
    Figure 712011004045016-pat00018
    로 계산되고, 청취 공간이 다이렉트 및 반향 필드일 경우
    Figure 712011004045016-pat00019
    로 다르게 계산되며,
    상기 두 스피커의 시간 지연은
    Figure 712011004045016-pat00020
    로 계산되며,
    여기서,
    Figure 712011004045016-pat00021
    이고, A는 토탈 사운드 흡수(total sound absorption), Fs는 샘플링 주파수, c는 음속, r은 청취자와 두 스피커 중앙 까지의 거리, θ는 청취자와 두 스피커 중앙 위치의 각도, d는 두 스피커 사이의 거리의 반임을 특징으로 하는 가상 음향 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 청취 위치 센싱 과정은 청취자를 중심으로 두 스피커의 중앙 위치의 각도와 거리를 측정하는 것임을 특징으로 하는 가상 음향 처리 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 두 스피커의 중앙 위치가 청취자를 중심으로 오른쪽에 위치하면 양각을 갖고, 왼쪽에 위치하면 음각을 갖는 것임을 특징으로 하는 가상 음향 처리 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 청취 위치 보정값의 생성 과정은 청취자와 두 스피커 사이의 거리를 근거로 두 스피커의 출력 레벨 및 시간 지연값을 계산하는 것임을 특징으로 하는 가상 음향 처리 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 가상 사운드 신호의 레벨과 시간 지연을 보정하는 과정은 상기 생성된 청취 위치 보정값을 바탕으로 스피커로 출력되는 가상 사운드 신호의 레벨과 시간지연을 청취자의 위치에 맞게 보정하는 것임을 특징으로 하는 가상 음향 처리 방법.
  7. 제6항에 있어서, 측정 각도(θ)가 양수인 경우 상기 가상 사운드 신호의 레벨중 왼쪽 채널값(xL)만 식
    Figure 112011022533090-pat00011
    와 같이 보정하고 오른쪽 채널값(xR)은 그대로 스피커로 출력하며,
    측정 각도(θ)가 음수인 경우 상기 가상 사운드 신호의 레벨중 오른쪽 채널값(xR)만 식
    Figure 112011022533090-pat00012
    와 같이 보정하고 왼쪽 채널값(xL)은 그대로 스피커로 출력하는 것임을 특징으로 하는 가상 음향 처리 방법.
  8. 가상 음향 재생 장치에 있어서,
    멀티 채널 사운드 스트림을 두 채널의 가상 사운드 신호로 처리하는 가상 음향 신호 처리 수단;
    청취 위치 및 청취 공간 특성을 근거로 청취 위치 보정값을 계산하여 상기 가상 음향 신호 처리수단에서 처리된 가상 사운드 신호의 레벨 및 시간 지연을 보정하는 청취 위치 보정 수단을 포함하며,
    상기 청취 위치 보정 수단은
    청취자를 중심으로 두 스피커의 중앙 위치의 각도와 거리를 측정하는 청취 위치 센싱부;
    상기 청취 위치 센싱부에서 센싱된 청취 위치 및 청취 공간과 두 스피커 사이의 거리를 근거로 두 스피커의 출력 레벨 및 시간 지연값을 계산하는 청취 위치 보정값 계산부;
    상기 청취 위치보정값 계산부에서 계산된 두 스피커의 출력 레벨 및 시간 지연값으로 입력되는 가상 사운드 신호의 레벨과 시간 지연을 보정하는 청취 위치 보정 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하며,
    상기 청취 위치 보정값 계산부의 두 스피커의 출력 레벨은 청취 공간에 따라
    청취 공간이 프리 필드일 경우
    Figure 712011004045016-pat00022
    로 계산되고, 청취 공간이 다이렉트 및 반향 필드일 경우
    Figure 712011004045016-pat00023
    로 다르게 계산되며,
    상기 청취 위치 보정값 계산부의 두 스피커의 시간 지연은
    Figure 712011004045016-pat00024
    로 계산되며,
    여기서,
    Figure 712011004045016-pat00025
    이고, A는 토탈 사운드 흡수(total sound absorption), Fs는 샘플링 주파수, c는 음속, r은 청취자와 두 스피커 중앙 까지의 거리, θ는 청취자와 두 스피커 중앙 위치의 각도, d는 두 스피커 사이의 거리의 반임을 특징으로 하는 가상 음향 재생 장치.
  9. 삭제
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