KR101174111B1 - 오디오 신호의 디지털 노이즈를 저감시키는 장치 및 방법 - Google Patents

오디오 신호의 디지털 노이즈를 저감시키는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

개시된 기술은 디지털 노이즈 저감 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하지만 제한됨 없이는, 잔향(reverberation)을 이용하여 명료도의 저하 없이 AD(Analog-to-Digital) 변환 또는 손실부호화 과정에서 발생하는 디지털 노이즈를 저감시키는 장치 및 방법에 관한 것이다. 실시예들 중에서, 오디오 신호의 디지털 노이즈 저감 장치는 입력되는 음원 신호에 대한 잔향(reverberation) 중 초기 반사 영역의 에너지 비율을 높이는 명료도 향상 패턴을 생성하고, 상기 생성된 명료도 향상 패턴을 상기 음원 신호와 컨볼루션하여 상기 명료도 향상 패턴이 적용된 음원 신호를 출력하는 명료화 신호 생성부; 상기 명료도 향상 패턴이 컨볼루션된 음원 신호에 초기 반사 패턴을 컨볼루션하여, 상기 명료도 향상 패턴이 적용된 초기 반사 신호를 출력하는 초기 반사 생성부; 상기 음원 신호를 입력받아, 상기 음원 신호의 디지털 노이즈를 감쇄시키는 후기 잔향 신호를 발생하는 후기 잔향 발생부; 및 상기 음원 신호에 상기 초기 반사 신호 및 상기 후기 잔향 신호를 가산하여 디지털 노이즈가 감쇄된 음원 신호를 출력하는 노이즈 감쇄부를 포함한다.

Description

오디오 신호의 디지털 노이즈를 저감시키는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR REDUCING DIGITAL NOISE OF AUDIO SIGNAL}
개시된 기술은 디지털 노이즈 저감 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하지만 제한됨 없이는, 잔향(reverberation)을 이용하여 AD(Analog-to-Digital) 변환 또는 손실 부호화 과정에서 발생하는 디지털 노이즈를 저감시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.
90년대 이후로 MP3와 같은 디지털 음원이 널리 보급되어 보다 쉽게 음악을 접할 수 있게 되었다. MP3와 같은 디지털 음원은 음악을 효율적으로 압축시켜 적은 용량으로도 음악을 들을 수 있게 해주는 장점이 있지만, 디지털 신호이므로 양자화 노이즈가 있으며, 오디오 신호를 압축할 때 디지털 노이즈가 추가되는 단점이 있다.
양자화 노이즈(오차)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환 (Analog to Digital Conversion: 이하, AD 변환)하는 과정에서 발생한다. 대표적인 디지털 변조 방식으로는 펄스부호변조(PCM: Pulse Code Modulation) 방식이 있다. PCM 방식은 다음과 같이 표본화, 양자화, 부호화의 세가지 과정을 통하여 변환이 이루어진다. 표본화 과정에서는 연속적인 아날로그 신호를 일정 시간 간격으로 샘플링하여 PAM(Pulse Amplitude Modulation) 신호를 생성한다. 양자화 과정은 샘플링된 신호를 평준화하는 과정으로, 예컨대 샘플링된 값을 미리 정해진 단계로 나뉘어진 각 구간의 값 중에서 가장 가까운 값으로 표현하는 것을 말한다. 이러한 과정에서 실제 아날로그 신호 값과 평준화된 신호 값 간의 차이가 발생하게 되는데 이를 양자화 오차라 한다. 마지막으로 양자화된 값은 2진의 부호화 변환되는데 부호화 과정을 통하여 디지털 신호로 변환된다.
또한, MP3 부호와 같이 신호의 손실이 있는(lossy) 압축을 수행한 신호는 원 신호와 동일하게 복호화되지 못하기 때문에 손실 부호화 및 복호화 과정에서 노이즈가 발생한다. 손실 부호화의 경우에는 일반적으로 저주파 영역에 비해 고주파 영역에서 더욱 많은 디지털 노이즈가 발생된다.
이와 같이 디지털 음원에는 디지털 변환이나 손실 부호화로 인한 디지털 노이즈가 포함될 수 있다. 디지털 노이즈는 값이 일정하지 않은 랜덤한 특성이 있다. 손실 부호화의 경우에는 부호화 시 적용하는 주파수 대역별 가중치에 따라 가중치가 반영된 랜덤한 특성이 나타날 수도 있다. 디지털 노이즈는 자연적인 아날로그 음원에는 존재하지 않는 것으로, 디지털 음원의 음질을 열화시키고 청취 피로도를 증대시키는 주요 원인이다. 즉, 디지털 노이즈는 디지털 신호를 재생하는 때에 귀에 거슬리는 노이즈를 발생시키고, 이러한 노이즈가 클수록 디지털 오디오 신호(예컨대, MP3 음악)를 들으면 청취 피로감을 느끼게 된다. 따라서, 청취 피로감을 감소시키기 위하여 디지털 노이즈를 저감할 수 있는 방안을 마련할 필요가 있다.
개시된 기술이 이루고자 하는 기술적 과제는 오디오 신호의 AD 변환 또는 손실 부호화 과정에서 발생한 디지털 노이즈를 저감시키는 장치 및 방법을 제공하는 데 있다. 특히, 본 명세서에서는 명료도 향상 패턴이 적용된 잔향을 음원 신호에 부가함으로써 명료도가 저하되지 않으면서, 디지털 노이즈가 저감된 자연스로운 신호를 생성하는 기술을 제안한다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위하여 개시된 기술의 제1 측면은 입력되는 음원 신호에 대한 잔향(reverberation) 중 초기 반사 영역의 에너지 비율을 높이는 명료도 향상 패턴을 생성하고, 상기 생성된 명료도 향상 패턴을 기초로 상기 명료도 향상 패턴이 적용된 초기 반사 신호를 출력하는 명료도 향상부; 상기 음원 신호를 입력받아, 상기 음원 신호의 디지털 노이즈를 감쇄시키는 후기 잔향 신호를 발생하는 후기 잔향 발생부; 및 상기 음원 신호에 상기 초기 반사 신호 및 상기 후기 잔향 신호를 가산하여 디지털 노이즈가 감쇄된 음원 신호를 출력하는 노이즈 감쇄부를 포함하는 오디오 신호의 디지털 노이즈 저감 장치를 제공한다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위하여 개시된 기술의 제2 측면은 입력되는 음원 신호에 대한 잔향(reverberation) 중 초기 반사 영역의 에너지 비율을 높이는 명료도 향상 패턴을 생성하고, 상기 생성된 명료도 향상 패턴을 상기 음원 신호와 컨볼루션하여 상기 명료도 향상 패턴이 적용된 음원 신호를 출력하는 명료화 신호 생성부; 상기 명료도 향상 패턴이 적용된 음원 신호에 초기 반사 패턴을 컨볼루션하여, 상기 명료도 향상 패턴이 적용된 초기 반사 신호를 출력하는 초기 반사 생성부; 상기 명료도 향상 패턴이 적용된 음원 신호를 입력받아, 상기 음원 신호의 디지털 노이즈를 감쇄시키는 후기 잔향 신호를 발생하는 후기 잔향 발생부; 및 상기 음원 신호에 상기 초기 반사 신호 및 상기 후기 잔향 신호를 가산하여 디지털 노이즈가 감쇄된 음원 신호를 출력하는 노이즈 감쇄부를 포함하는 오디오 신호의 디지털 노이즈 저감 장치를 제공한다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위하여 개시된 기술의 제3 측면은 입력되는 음원 신호에 대한 잔향(reverberation) 중 초기 반사 영역의 에너지 비율을 높이는 명료도 향상 패턴을 생성하고, 상기 생성된 명료도 향상 패턴을 상기 음원 신호와 컨볼루션하여 상기 명료도 향상 패턴이 적용된 음원 신호를 출력하는 단계; 상기 명료도 향상 패턴이 적용된 음원 신호에 초기 반사 패턴을 컨볼루션하여, 상기 명료도 향상 패턴이 적용된 초기 반사 신호를 출력하는 단계; 미리 설정된 명료도 향상 패턴의 적용 범위에 따라, 명료도 향상 패턴을 초기 반사 영역에만 적용하는 것으로 설정된 경우에는 상기 음원 신호로부터 후기 잔향 신호를 생성하고, 명료도 향상 패턴을 전체 잔향 영역에 적용하는 것으로 설정된 경우에는 상기 명료도 향상 패턴이 적용된 음원 신호로부터 후기 잔향 신호를 생성하는 단계; 및 상기 음원 신호에 상기 초기 반사 신호 및 상기 후기 잔향 신호를 가산하여 디지털 노이즈가 감쇄된 음원 신호를 출력하는 단계를 포함하는 오디오 신호의 디지털 노이즈 저감 방법을 제공한다.
개시된 기술의 실시 예들은 다음의 장점들을 포함하는 효과를 가질 수 있다. 다만, 개시된 기술의 실시 예들이 이를 전부 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
개시된 기술의 일 실시예에 따른 디지털 노이즈 저감 기술은 종래 디지털 노이즈 저감 기술(예컨대, 디더링, 노이즈 쉐이핑, 인터폴레이션, 오버샘플링 등)에 비해 자연스러운 오디오 신호를 출력한다는 장점이 있다. 개시된 기술은 소리가 공간에서 전파될 때 자연적으로 발생하는 잔향 효과를 이용하여 디지털 노이즈를 저감시킴으로써 종래의 디지털 노이즈 저감 기술에 비해 자연스러움이 극대화된다. 또한, 일반적으로 디지털 노이즈보다 레벨이 큰 후기 잔향 신호를 음원 신호에 부가하여 디지털 노이즈를 획기적으로 저감시킬 수 있다는 장점이 있다.
한편, 음원에 잔향 신호를 부가하는 경우, 음원 신호의 명료도가 저하되는 단점이 생길 수 있는데 개시된 기술에서는 잔향 신호에 명료도 향상 패턴을 적용하여 음원 신호의 명료도를 저하시키지 않으면서 디지털 노이즈를 저감할 수 있도록 한다.
도 1은 소리(sound)의 잔향 효과(reverberation effect)에 따른 시간 영역에서의 임펄스 응답(impulse response)을 나타내는 도면이다.
도 2는 개시된 기술의 일 실시예에 따른 디지털 노이즈 저감 장치를 나타내는 블록도이다.
도 3은 개시된 기술의 다른 일 실시예에 따른 디지털 노이즈 저감 장치를 나타내는 블록도이다.
도 4는 명료도 향상 패턴이 적용된 초기 반사 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 명료도 향상 패턴의 주파수 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 개시된 기술의 일 실시예에 따른 디지털 노이즈 저감 방법을 나타내는 순서도이다.
개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
“제1”, “제2” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 소리(sound)의 잔향 효과(reverberation effect)에 따른 시간 영역에서의 임펄스 응답(impulse response)을 나타내는 도면이다. 일반적으로 음장(Sound Field)에서 소리를 발생시키는 음원이 있을 때, 음원에서 나온 소리는 청취자에게 여러 경로를 통하여 전달된다. 청취자에게 전달되는 소리는, 음원에서 청취자에게 직접 전달되는 직접음, 음원에서 나온 소리가 음장의 각 벽면 또는 반사 면에 반사되어 들리는 초기 반사음, 및 이러한 성분이 차츰 공기 중에서 감쇠되어 사라지는 후기 반사음으로 나누어 진다. 이들 세 개의 인자 중에 직접음은 음원의 거리와 방향에 영향을 주고, 초기 반사음과 후기 반사음은 음장의 공감감과 소리의 방향감에 도움을 준다. 직접 음과 초기 반사음은 방향성을 가지는 반면, 후기 반사음은 아무런 방향성을 가지지 않은 성분이다. 초기 반사음은 직접음이 도착한 후 수십 내지 수백 ms 내에 하나 또는 여러 개의 반사면에 반사되어 도달하는 소리이다. 빠른 속도 때문에 직접음으로 느껴져 원래 소리보다 세거나 풍부한 느낌을 준다. 후기 반사음은 직접음이 도착한 후 수백 ms 내지 수 초 내에 주위의 표면에 여러 번 반사되어 도달하는 소리이다. 후기 반사음에는 소리의 자연스런 감쇄 특성이 반영되어 있다. 후기 반사음은 일반적으로 음원 신호의 60dB 이하로 감소된 크기를 가진다. 도 1은 음원으로부터 송출된 소리를 입력 신호로, 목적지에서 수신된 소리를 출력 신호로 하는 경우, 입력 신호와 출력 신호간의 시간 영역에서 임펄스 응답을 나타낸다. 도 1에서, 수평축은 시간에 해당하고 수직축은 응답의 크기에 해당한다.
도 1을 참조하면, 임펄스 응답은 입력 신호에 대하여 서로 다른 감쇄 레벨들을 가지는 서로 다른 지연 신호들의 합으로 표현되며, 잔향 효과를 가지는 출력 신호를 형성하는 신호들의 조합이다. 도 1과 같이, 잔향은 초기 반사음(early reflection)과 후기 잔향(late reverberation)으로 구분되고, 초기 반사음은 첫 번째 초기 반사(first early reflection: 1st ER)와 나머지 초기 반사(remnant early reflection)로 구분될 수 있다. 여기서, 첫 번째 초기 반사는 초기 반사음 중에서 반사면에 1회 반사된 후 도달되는 신호들을 의미한다. 예를 들어 청취 공간이 육면체라면, 첫 번째 초기 반사는 벽면, 천장 및 바닥과 같은 반사면에 1회 반사한 후 목적지에 수신되는 신호로, 최대 6개까지 존재할 수 있다. 일례로, 여섯 개의 면들 중 바닥과 뒷면에 흡음재를 사용하여 반사를 차단한 경우는 첫 번째 초기 반사음은 도 1과 같이 4개(ER1, ER2, ER3, ER4)가 된다.
도 2는 개시된 기술의 일 실시예에 따른 디지털 노이즈 저감 장치를 나타내는 블록도이다. 도 2의 디지털 노이즈 저감 장치(200)는 디지털 음원에 포함된 디지털 노이즈를 감쇄하여 출력한다. 개시된 기술에서는 소리가 공간에서 전파될 때 자연적으로 발생하는 잔향 효과를 이용하여 디지털 노이즈를 저감시키므로, 기존의 방법에 비해 자연스러운 오디오 신호를 출력한다는 장점이 있다.
도 2를 참조하면, 디지털 노이즈 저감 장치(200)는 명료도 향상부(210), 후기 잔향 발생부(220) 및 노이즈 감쇄부(230)를 포함하여, 입력되는 음원(audio source) 신호의 명료도가 저하되지 않으면서도 디지털 노이즈가 감쇄된 음원 신호를 출력한다. 이 때, 음원 신호는 디지털 음원으로부터 생성된 로우(raw) 데이터를 의미하는 것으로, 예컨대 PCM 로우 데이터일 수 있다. 일례로, PCM 로우 데이터는 음원으로부터 헤더 정보나 플래그를 제거함으로써 생성될 수 있다. 다른 일례로, PCM 로우 데이터는 I2S와 같은 음원인 경우 음원과 동기화하여 생성될 수 있다. 상기 2가지 예는 음원이 비압축 비트스트림인 경우이며, 음원이 압축 비트스트림인 경우 PCM 로우 데이터는 디코딩 단계를 더 거친 후 생성될 수 있다.
일반적으로 음원에 잔향을 부가하면, 음원에 따라 잔향 적용 후 공간감의 편차가 심해진다. 예컨대, 이미 어느 정도 잔향이 부가되어 녹음된 음원의 경우 기존의 잔향 기술을 적용하면 울림이 심하게 된다. 공간감을 부여하기 위하여 사용자의 선택에 따라 선별적으로 음원에 잔향을 부가하는 종래 기술과 달리, 개시된 기술에서는 음원의 디지털 노이즈를 제거하기 위하여 항상 잔향을 부가하므로, 음원의 울림 현상, 즉 명료도 저하의 문제가 개선 되어야 한다. 따라서, 개시된 기술에서는 다음과 같이 잔향을 부가하여도 명료도를 저하시키지 않는 기술을 제안한다.
명료도 향상부(210)는 명료도 향상 패턴을 생성하고, 입력되는 음원 신호로부터 명료도 향상 패턴이 적용된 초기 반사 신호를 생성한다. 명료도 향상 패턴은 입력되는 음원 신호에 대한 전체 잔향 영역 대비 초기 반사 영역의 에너지 비율을 높여 음원 신호의 명료도를 향상시키는 패턴이다. 명료도 향상 패턴은 입력받은 신호로부터 시간에 따라 감쇄하는 모양의 신호를 출력할 수 있도록 하는 패턴일 수 있다. 일 실시예에 따라, 명료도 향상 패턴은 시간 영역에서 엔빌로프가 지수함수적으로 감소(dB 스케일에서는 선형적으로 감소)하는 모양을 갖는 패턴일 수 있다.
일 실시예에 따른 명료도 향상부(210)는 명료화 신호 생성부(240) 및 초기 반사 생성부(250)를 포함한다. 명료화 신호 생성부(240)는 입력되는 신호에 명료도 향상 패턴을 컨볼루션하여 명료도 향상 패턴이 적용된 신호를 출력한다. 출력된 신호는 음원 신호의 명료도를 향상시키는 데 사용된다. 일 실시예에 따라, 명료화 신호 생성부(240)에 음원 신호가 입력되면, 음원 신호에 명료도 향상 패턴이 컨볼루션된 신호가 출력된다. 초기 반사 생성부(250)는 입력되는 신호에 초기 반사 패턴을 컨볼루션하여 초기 반사 패턴이 적용된 신호를 출력한다. 예컨대, 초기 반사 생성부(250)에 명료화 신호 생성부(240)로부터 출력되는 명료도 향상 패턴이 컨볼루션된 음원 신호가 입력되는 경우, 초기 반사 생성부(250)는 명료도 향상 패턴이 적용된 초기 반사 신호를 출력한다. 도 2에서는 먼저, 명료화 신호 생성부(240)에 음원 신호(예컨대, PCM 신호)가 입력되고, 이후, 초기 반사 생성부(250)로부터 명료도 향상 패턴이 적용된 초기 반사 신호가 출력되는 경우를 도시하였으나, 명료화 신호 생성부(240)와 초기 반사 생성부(250)의 순서는 바뀌어도 무방하다. 즉, 초기 반사 생성부(250)가 음원 신호를 입력받아 초기 반사 신호를 출력하고, 이후, 명료화 신호 생성부(240)가 초기 반사 생성부(250)로부터 초기 반사 신호를 제공 받아 명료도 향상 패턴이 적용된 초기 반사 신호를 출력할 수도 있다.
한편, 명료화 신호 생성부(240)는 일 실시예에 따라, 직렬로 연결된 FIR(Finite Impulse Response) 필터(242) 및 고역 통과 필터(244)를 포함하여 명료도 향상 패턴을 생성할 수 있다. 이때, FIR 필터(242)는 시청각실, 콘서트 홀, 오라토리움과 같은 장소에서 측정되는 임펄스 응답과 유사한 임펄스 응답을 가지도록 설계된다. 일례로, FIR 필터(242)의 가청 주파수 대역에서의 주파수 응답은 도 5에 도시된 바와 같이, 60dB 범위 내에서 다수 개의 마루(peak)와 골(valley)을 가질 수 있다. FIR 필터(242)는 또한, 명료도 향상 패턴의 길이가 20·1stERmax을 초과하지 않도록 설계된다. 여기서, 1stERmax는 초기 반사 영역의 첫번째 초기 반사 부분에 존재하는 반사음들이 도착하는 시간들 중 가장 늦은 시간을 의미한다. 일반적으로 1stERmax는 100ms 이하의 값을 가지므로, FIR 필터의 길이는 2초 이하로 설계된다. 1stERmax는 FIR 필터(242)의 제어 인자로서, 사전에 입력받아 FIR 필터(242)를 설계하는데 사용될 수 있다. 또한, FIR 필터(242)는 적용 범위를 제어 인자로 입력 받을 수 있다. 적용 범위는 FIR 필터의 명료도 향상 패턴이 첫번째 초기 반사 부분에만 적용될 것인지, 초기 반사 영역 전체에 적용될 것인지, 또는 전체 잔향 영역에 적용될 것인지를 결정하는 제어 인자이다. 예컨대, FIR 필터(242)의 적용 범위가 첫 번째 초기 반사 부분으로 설정되어 있는 경우, 초기 반사 생성부(250)는, 명료도 향상 패턴이 컨볼루션된 음원 신호에 초기 반사 패턴 중 첫 번째 초기 반사 부분에 상응하는 반사 패턴만을 컨볼루션하여 명료도 향상 패턴이 적용된 초기 반사 신호를 출력할 수 있다. FIR 필터(242)를 첫 번째 초기 반사 부분에만 적용하는 경우, 명료도 향상 성능이 증가한다는 장점이 있다.
고역 통과 필터(244)는 저역의 에너지를 잘라내기 위한 구성이다. 저역 신호는 소리의 울림 현상을 과도하게 하여 음질을 저하시키는 요인이 된다. 고역 통과 필터(244)의 컷오프 주파수는 100Hz에서 1000Hz 사이의 값으로 결정될 수 있다. 도 5는 고역 통과 필터의 컷오프 주파수가 500Hz인 경우를 예를 들어 나타낸 것이다. 컷오프 주파수가 500Hz인 경우, 명료도 향상 패턴은 500Hz에서 20kHz 사이에서 60dB 범위 내에 다수 개의 마루(peak)와 골(valley)이 존재하는 주파수 응답 특성을 가질 수 있다.
실시예에 따라, 명료화 신호 생성부(240)는 이퀄라이저(246) 또는 전역 통과 필터(248)를 더 포함할 수 있다. 이퀄라이저(246)는 FIR 필터(242) 또는 고역 통과 필터(244)에 직렬로 연결되어 명료도 향상 패턴이 컨볼루션된 신호의 주파수 특성을 보정하여 출력한다. 전역 통과 필터(248)는 고역 통과 필터(244)로 인한 컷오프 주파수 이하에서의 음원의 위상 왜곡을 보정하기 위한 필터이다. 예컨대, 전역 통과 필터(248)는 고역 통과 필터(244)의 컷오프 주파수 이하에서의 위상 특성과 실질적으로 동일한 위상 특성을 가지도록 설계되어, 입력되는 음원 신호로부터 위상 특성이 보정된 음원 신호를 생성하여 노이즈 감쇄부(230)에 제공할 수 있다.
초기 반사 생성부(250)는 다양한 잔향 생성 방법에 따라 초기 반사 신호를 생성할 수 있다. 예컨대, 초기 반사 생성부(250)는 콤 필터(comb filter), 병렬 콤 필터(parallel comb filter), 전역 통과 필터(all pass filter), FIR 필터(finite impulse response filter), 및 피드백 지연 네트워크(feedback delay network) 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 일례로, 초기 반사 생성부(250)가 병렬 콤 필터로 구현되는 경우에, 각 콤 필터는 멀티플라이어(multiplier)와 딜레이(delay)를 포함하는 피드백 구조를 형성할 수 있다.
후기 잔향 발생부(220)는 디지털 노이즈 저감 장치(200)에 입력되는 음원 신호로부터, 상기 음원 신호의 디지털 노이즈를 감쇄시키는 후기 잔향 신호를 생성한다. 디지털 노이즈는 랜덤 신호의 성격을 가지는데, 후기 잔향 신호 또한 방향성을 가지지 않는 랜덤 신호의 성격을 가진다. 또한 후기 잔향 신호(예컨대, -60dB 이하)는 일반적으로 발생하는 디지털 노이즈(예컨대, 16비트 양자화의 다이나믹 레인지는 96dB)보다 크기가 크기 때문에, 디지털 노이즈를 마스킹하여 노이즈를 저감시키는 효과를 가질 수 있다. 한편, 후기 잔향 신호는 고역이 저역보다 빨리 감쇄되는 특징을 가질 수 있다. 이러한 특징은 손실 압축 시 고역에서 많이 발생되는 노이즈를 저감하는 데 효과적으로 사용될 수 있다. 후기 잔향 발생부(220)는 초기 반사 생성부(250)와 마찬가지로 콤 필터, 병렬 콤 필터, 전역 통과 필터, FIR 필터 및 피드백 지연 네트워크 등을 이용하여 후기 잔향을 생성할 수 있다.
노이즈 감쇄부(230)는 디지털 노이즈 저감 장치(200)에 입력되는 음원 신호에, 명료도 향상 패턴이 적용된 초기 반사 신호 및 후기 잔향 신호를 가산하여 디지털 노이즈가 감쇄된 음원 신호를 출력한다. 실시예에 따라, 명료화 신호 생성부(240)가 전역 통과 필터(248)를 포함하는 경우, 노이즈 감쇄부(230)는 전역 통과 필터(248)로부터 제공되는 위상 특성이 보정된 음원 신호에, 명료도 향상 패턴이 적용된 초기 반사 신호 및 후기 잔향 신호를 가산하여 디지털 노이즈가 감쇄된 음원 신호를 출력할 수 있다.
도 3은 개시된 기술의 다른 일 실시예에 따른 디지털 노이즈 저감 장치를 나타내는 블록도이다. 도 3의 디지털 노이즈 저감 장치(300)는 도 2의 디지털 노이즈 저감 장치(200)와 달리, 후기 잔향 신호에도 명료도 향상 패턴을 적용한다는 특징이 있다. 도 3의 디지털 노이즈 저감 장치(300)는 잔향 효과를 이용하여 디지털 노이즈를 저감하는 한편, 후기 잔향 신호에까지 명료도 향상 패턴을 적용하므로 보다 자연스러운 오디오 신호를 출력한다는 장점이 있다.
도 3을 참조하면, 디지털 노이즈 저감 장치(300)는 명료화 신호 생성부(310), 초기 반사 생성부(320), 후기 잔향 발생부(330) 및 노이즈 감쇄부(340)를 포함하여, 입력되는 음원(audio source) 신호의 명료도가 저하되지 않으면서도 디지털 노이즈가 감쇄된 자연스러운 음원 신호를 출력한다. 이 때, 음원 신호는 디지털 음원으로부터 생성된 로우(raw) 데이터를 의미하는 것으로, 예컨대 PCM 로우 데이터일 수 있다.
명료화 신호 생성부(310)는 입력되는 음원 신호에 대한 잔향 중 초기 반사 영역의 에너지 비율을 높이는 명료도 향상 패턴을 생성하고, 명료도 향상 패턴을 음원 신호와 컨볼루션하여 명료도 향상 패턴이 적용된 음원 신호를 출력한다. 초기 반사 생성부(320)는 명료도 향상 패턴이 적용된 음원 신호에 초기 반사 패턴을 컨볼루션하여, 명료도 향상 패턴이 적용된 초기 반사 신호를 출력한다. 후기 잔향 발생부(330)는 명료도 향상 패턴이 적용된 음원 신호를 입력받아, 디지털 노이즈 저감 장치(300)에 입력된 음원 신호의 디지털 노이즈를 감쇄시키는 후기 잔향 신호를 발생한다. 노이즈 감쇄부(340)는 음원 신호에 초기 반사 신호 및 후기 잔향 신호를 가산하여 디지털 노이즈가 감쇄된 음원 신호를 출력한다.
도 3의 디지털 노이즈 저감 장치(300)는 후기 잔향 발생부(330)가 명료화 신호 생성부(310)로부터 명료도 향상 패턴이 적용된 음원 신호를 제공받고, 명료도 향상 패턴이 적용된 음원 신호로부터 후기 잔향 신호를 생성한다는 점을 제외하고는 도2의 디지털 노이즈 저감 장치(200)와 실질적으로 동일하게 동작하므로 중복되는 설명은 생략한다.
도 4는 명료도 향상 패턴이 적용된 초기 반사 신호를 설명하기 위한 도면이다. 도 4의 (a)는 첫 번째 초기 반사음의 일례를 도시하고 있다. 첫 번째 초기 반사는 초기 반사음 중에서 가장 먼저 도달되는 신호들을 의미한다. 예를 들어 도 4의 (a)는 청취 공간이 육면체인데 바닥과 뒷면에는 흡음재를 사용하여 반사를 차단하여 4개의 첫 번째 초기 반사음(ER1, ER2, ER3, ER4)이 도달한 경우를 나타낸다.
도 4의 (b)는 첫 번째 초기 반사 부분에 FIR 필터를 적용한 신호의 엔빌로프를 나타낸다. 예컨대, 음원 신호는 FIR 필터(242) 및 초기 반사 생성부(250)와 차례로 컨볼루션되어(컨볼루션의 순서는 바뀔 수 있음) 도 4의 (b)와 같은 엔빌로프를 가지는 오디오 신호로 변환된다. 즉, (a)와 같은 첫 번째 초기 반사음이 FIR 필터를 통과하면, (b)와 같은 엔빌로프를 가지는 명료도 향상 패턴이 적용된 신호가 된다. 이 때, 명료도 향상 패턴은 시간 영역에서 엔빌로프가 지수함수적으로 감소(즉, dB 스케일 에서는 선형적으로 감소함)하는 모양을 가진다. 도 4의 (b)를 살펴보면, 각 초기 반사음에 명료도 향상 패턴이 적용되어, 각 초기 반사음이 선형적으로(dB 스케일) 감쇄하는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 명료도 향상 패턴의 주파수 특성을 나타낸 그래프이다. 도 5를 살펴보면, 명료도 향상 패턴은 60dB 범위 내에서 다수 개의 마루(peak)와 골(valley)을 가지는 것을 확인할 수 있다. 일 실시예에 따라, 명료화 신호 생성부(240, 310)에 포함된 고역 통과 필터(244, 314)의 컷오프 주파수가 500Hz인 경우, 명료도 향상 패턴은 500Hz에서 20kHz 사이에서 60dB 범위 내에 다수 개의 마루(peak)와 골(valley)이 존재하는 주파수 응답 특성을 가질 수 있다.
개시된 기술의 일 실시예에 따른 디지털 노이즈 저감 장치(200, 300)는 MP3 플레이어, 휴대폰, 차량용 사운드시스템, TV, 홈시어터, 멀티미디어 컴퓨터, CD 플레이어, DVD 플레이어, 디지털 라디오와 같은 다양한 장치에 채용될 수 있다. 또한, 개시된 기술은 MP3, AAC, Dolby Digital, DTS와 같은 압축 음원들 및 CD, DVD와 같은 비압축 음원들에 적용될 수 있다. 그리고 오디오 장치는 음원(sound source)이 스테레오 신호인 경우 Left 신호와 Right 신호에 대해 각각 다른 디지털 노이즈 저감 장치(200, 300)를 사용할 수 있다.
도 6은 개시된 기술의 일 실시예에 따른 디지털 노이즈 저감 방법을 나타내는 순서도이다. 도 6의 실시예는 도 2 및 도 3의 디지털 노이즈 저감 장치를 시계열적으로 구현한 디지털 노이즈 저감 방법을 포함하므로 도 2 및 도 3에서 설명된 부분은 도 6에서도 유사하게 적용될 수 있다. 이하, 도 6을 참조하여 디지털 노이즈 저감 방법을 설명한다.
S610 단계에서, 디지털 노이즈 저감 장치는 음원 신호를 입력받는다. 예컨대, 디지털 노이즈 저감 장치는 PCM 로우 데이터를 음원 신호로 입력받을 수 있다. S620 단계에서, 1st ERmax 및 적용 범위 등의 제어 인자가 디지털 노이즈 저감 장치에 설정된다. 예컨대, 제어 인자는 디지털 노이즈 저감 장치의 FIR 필터에 설정될 수 있다.
S630 단계에서, 디지털 노이즈 저감 장치는 입력되는 음원 신호에 대한 잔향 중 초기 반사 영역의 에너지 비율을 높이는 명료도 향상 패턴을 생성하고, 명료도 향상 패턴을 음원 신호와 컨볼루션하여 명료도 향상 패턴이 적용된 음원 신호를 생성한다. 이때, 명료도 향상 패턴은 시간 영역에서 엔빌로프가 지수함수적으로 감소하는 모양을 가진다. 또한, 명료도 향상 패턴의 500Hz에서 20kHz 사이의 주파수 응답은 60dB 범위 내에서 다수 개의 마루와 골을 가질 수 있다. 일 실시예에 따라, 디지털 노이즈 저감 장치는 FIR 필터 및 고역 통과 필터를 이용하여 상기 명료도 향상 패턴을 생성할 수 있다. 디지털 노이즈 저감 장치는 음원 신호를 FIR 필터 및 고역 통과 필터에 차례로 입력시켜 명료도 향상 패턴이 적용된 음원 신호를 생성할 수 있다.
S640 단계에서, 디지털 노이즈 저감 장치는 명료도 향상 패턴이 적용된 음원 신호에 초기 반사 패턴을 컨볼루션하여, 명료도 향상 패턴이 적용된 초기 반사 신호를 생성한다. 일 실시예에 따라, 첫 번째 초기 반사 부분에만 명료도 향상 패턴을 적용하는 것으로 설정된 경우, 디지털 노이즈 저감 장치는 명료도 향상 패턴이 적용된 음원 신호에, 초기 반사 패턴 중 첫 번째 초기 반사 부분에 상응하는 반사 패턴만을 컨볼루션하여 명료도 향상 패턴이 적용된 초기 반사 신호를 출력할 수 있다.
후기 잔향 신호는 미리 설정된 명료도 향상 패턴의 적용 범위에 따라 S650 단계 또는 S660 단계에서와 같은 방법으로 생성될 수 있다. 우선, 명료도 향상 패턴을 초기 반사 영역에만 적용하는 것으로 설정된 경우, 디지털 노이즈 저감 장치는 S610 단계에서 입력된 음원 신호로부터 후기 잔향 신호를 생성한다(S650 단계). 반면에, 명료도 향상 패턴을 전체 잔향 영역에 적용하는 것으로 설정된 경우, 디지털 노이즈 저감 장치는 S630단계에서 생성된 명료도 향상 패턴이 적용된 음원 신호로부터 후기 잔향 신호를 생성한다(S660 단계).
S670 단계에서, 디지털 노이즈 저감 장치는 S610 단계에서 입력된 음원 신호에, 초기 반사 신호(S640 단계에서 생성)와 후기 잔향 신호(S650 단계 또는 S660 단계에서 생성)를 가산하여 디지털 노이즈가 감쇄된 음원 신호를 출력한다. 도 6에 도시된 바와 달리, 디지털 노이즈 저감 방법은 S610 단계에서 입력된 음원 신호로부터, 고역 통과 필터의 컷오프 주파수 이하에서의 위상 특성과 실질적으로 동일한 위상 특성을 가지는 음원 신호를 생성하는 단계(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이러한 경우, S670 단계에서는, 상기 위상 특성을 가지는 음원 신호에 초기 반사 신호(S640 단계에서 생성)와 후기 잔향 신호(S650 단계 또는 S660 단계에서 생성)를 가산하여 디지털 노이즈가 감쇄된 음원 신호를 출력한다.
이상 살펴본 바와 같이, 개시된 기술에서는 디지털 오디오 신호에 존재하는 디지털 노이즈를 감쇄시키기 위해 랜덤 신호를 부가하되, 음장에서 자연스럽게 발생하는 후기 잔향을 사용하여 기존의 노이즈 저감 기술과 달리 자연스러운 음향을 출력할 수 있도록 한다. 또한, 개시된 기술에서는 지수함수적으로 감소하는 명료도 향상 패턴을 잔향 신호에 적용하여, 잔향의 부가로 인한 명료도 저하를 방지할 수 있도록 한다.
이러한 개시된 기술인 시스템 및 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 개시된 기술의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 입력되는 음원 신호에 대한 잔향(reverberation) 중 초기 반사 영역의 에너지 비율을 높이는 명료도 향상 패턴을 생성하고, 상기 생성된 명료도 향상 패턴을 상기 음원 신호와 컨볼루션하여 상기 명료도 향상 패턴이 적용된 음원 신호를 출력하는 명료화 신호 생성부;
    상기 명료도 향상 패턴이 컨볼루션된 음원 신호에 초기 반사 패턴을 컨볼루션하여, 상기 명료도 향상 패턴이 적용된 초기 반사 신호를 출력하는 초기 반사 생성부;
    상기 음원 신호를 입력받아, 상기 음원 신호의 디지털 노이즈를 감쇄시키는 후기 잔향 신호를 발생하는 후기 잔향 발생부; 및
    상기 음원 신호에 상기 초기 반사 신호 및 상기 후기 잔향 신호를 가산하여 디지털 노이즈가 감쇄된 음원 신호를 출력하는 노이즈 감쇄부를 포함하는 오디오 신호의 디지털 노이즈 저감 장치.
  2. 입력되는 음원 신호에 대한 잔향(reverberation) 중 초기 반사 영역의 에너지 비율을 높이는 명료도 향상 패턴을 생성하고, 상기 생성된 명료도 향상 패턴을 상기 음원 신호와 컨볼루션하여 상기 명료도 향상 패턴이 적용된 음원 신호를 출력하는 명료화 신호 생성부;
    상기 명료도 향상 패턴이 컨볼루션된 음원 신호에 초기 반사 패턴을 컨볼루션하여, 상기 명료도 향상 패턴이 적용된 초기 반사 신호를 출력하는 초기 반사 생성부;
    상기 명료도 향상 패턴이 컨볼루션된 음원 신호를 입력받아, 상기 음원 신호의 디지털 노이즈를 감쇄시키는 후기 잔향 신호를 발생하는 후기 잔향 발생부; 및
    상기 음원 신호에 상기 초기 반사 신호 및 상기 후기 잔향 신호를 가산하여 디지털 노이즈가 감쇄된 음원 신호를 출력하는 노이즈 감쇄부를 포함하는 오디오 신호의 디지털 노이즈 저감 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 명료화 신호 생성부는,
    직렬로 연결된 FIR(Finite Impulse Response) 필터 및 고역 통과 필터를 포함하여 상기 명료도 향상 패턴을 생성하고, 상기 음원 신호를 상기 생성된 명료도 향상 패턴과 컨볼루션하여 출력하는 디지털 노이즈 저감 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 명료화 신호 생성부는,
    상기 음원 신호로부터, 상기 고역 통과 필터의 컷오프 주파수 이하에서의 위상 특성과 실질적으로 동일한 위상 특성을 가지는 음원 신호를 생성하여 상기 노이즈 감쇄부에 제공하는 전역 통과 필터를 더 포함하는 디지털 노이즈 저감 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 명료화 신호 생성부는,
    상기 FIR 필터 또는 상기 고역 통과 필터에 직렬로 연결되어 상기 명료도 향상 패턴이 컨볼루션된 음원 신호의 주파수 특성을 보정하여 출력하는 이퀄라이저를 더 포함하는 디지털 노이즈 저감 장치.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 명료도 향상 패턴은
    시간 영역에서 엔빌로프가 점차적으로 지수함수적으로 감소하는 모양을 갖는 디지털 노이즈 저감 장치.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 명료도 향상 패턴의 주파수 응답은
    500Hz 에서 20kHz 사이에서 60dB 범위 내에서 다수 개의 마루(peak)와 골(valley)을 갖고, 상기 명료도 향상 패턴의 길이는 20·1stERmax (여기서, 1stERmax는 초기 반사 영역의 첫번째 초기 반사 부분에 존재하는 반사음들이 도착하는 시간들 중 가장 늦은 시간을 의미함)을 초과하지 않는 디지털 노이즈 저감 장치.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 FIR 필터는,
    초기 반사 영역의 첫번째 초기 반사 부분에 존재하는 반사음들이 도착하는 시간들 중 가장 늦은 시간을 의미하는 1stERmax 및 FIR 적용 범위를 제어 인자로 입력받고,
    상기 초기 반사 생성부는,
    상기 FIR 필터의 적용 범위가 첫 번째 초기 반사 부분으로 설정되어 있는 경우, 상기 명료도 향상 패턴이 컨볼루션된 음원 신호에 상기 초기 반사 패턴 중 첫 번째 초기 반사 부분에 상응하는 반사 패턴만을 컨볼루션하여 상기 명료도 향상 패턴이 적용된 초기 반사 신호를 출력하는 디지털 노이즈 저감 장치
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 초기 반사 생성부와 상기 후기 잔향 발생부는,
    콤 필터(comb filter), 병렬 콤 필터(parallel comb filter), 전역 통과 필터(all pass filter), FIR 필터(finite impulse response filter), 및 피드백 지연 네트워크(feedback delay network) 중 적어도 하나를 포함하는 디지털 노이즈 저감 장치.
  10. 입력되는 음원 신호에 대한 잔향(reverberation) 중 초기 반사 영역의 에너지 비율을 높이는 명료도 향상 패턴을 생성하고, 상기 생성된 명료도 향상 패턴을 상기 음원 신호와 컨볼루션하여 상기 명료도 향상 패턴이 적용된 음원 신호를 출력하는 단계;
    상기 명료도 향상 패턴이 컨볼루션된 음원 신호에 초기 반사 패턴을 컨볼루션하여, 상기 명료도 향상 패턴이 적용된 초기 반사 신호를 출력하는 단계;
    미리 설정된 명료도 향상 패턴의 적용 범위에 따라, 명료도 향상 패턴을 초기 반사 영역에만 적용하는 것으로 설정된 경우에는 상기 음원 신호로부터 후기 잔향 신호를 생성하고, 명료도 향상 패턴을 전체 잔향 영역에 적용하는 것으로 설정된 경우에는 상기 명료도 향상 패턴이 컨볼루션된 음원 신호로부터 후기 잔향 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 음원 신호에 상기 초기 반사 신호 및 상기 후기 잔향 신호를 가산하여 디지털 노이즈가 감쇄된 음원 신호를 출력하는 단계를 포함하는 오디오 신호의 디지털 노이즈 저감 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 명료도 향상 패턴이 컨볼루션된 음원 신호를 출력하는 단계는,
    직렬로 연결된 FIR(Finite Impulse Response) 필터 및 고역 통과 필터를 포함하여 상기 명료도 향상 패턴을 생성하고, 상기 음원 신호를 상기 생성된 명료도 향상 패턴과 컨볼루션하여 출력하는 단계를 포함하는 디지털 노이즈 저감 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 입력되는 음원 신호로부터, 상기 고역 통과 필터의 컷오프 주파수 이하에서의 위상 특성과 실질적으로 동일한 위상 특성을 가지는 음원 신호를 생성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 디지털 노이즈가 감쇄된 음원 신호를 출력하는 단계는, 상기 위상 특성을 가지는 음원 신호에 상기 초기 반사 신호 및 상기 후기 잔향 신호를 가산하여 디지털 노이즈가 감쇄된 음원 신호를 출력하는 디지털 노이즈 저감 방법.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 명료도 향상 패턴은
    시간 영역에서 엔빌로프가 점차적으로 지수함수적으로 감소하는 모양을 갖는 디지털 노이즈 저감 방법.
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 명료도 향상 패턴의 주파수 응답은
    500Hz 에서 20kHz 사이에서 60dB 범위 내에서 다수 개의 마루(peak)와 골(valley)을 갖고, 상기 명료도 향상 패턴의 길이는 20·1stERmax (여기서, 1stERmax는 초기 반사 영역의 첫번째 초기 반사 부분에 존재하는 반사음들이 도착하는 시간들 중 가장 늦은 시간을 의미함)을 초과하지 않는 디지털 노이즈 저감 방법.
  15. 제 10 항에 있어서, 상기 초기 반사 신호를 출력하는 단계는,
    상기 적용 범위가 명료도 향상 패턴을 첫 번째 초기 반사 부분에만 적용하는 것으로 설정된 경우, 상기 명료도 향상 패턴이 컨볼루션된 음원 신호에, 상기 초기 반사 패턴 중 첫 번째 초기 반사 부분에 상응하는 반사 패턴만을 컨볼루션하여 상기 명료도 향상 패턴이 적용된 초기 반사 신호를 출력하는 디지털 노이즈 저감 방법.
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