KR101719837B1 - 음장 합성 신호 생성 장치 및 방법 - Google Patents

음장 합성 신호 생성 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

스피커의 높이를 고려하여 음장 합성 신호를 생성하는 장치 및 방법이 개시된다.
음장 합성 신호 생성 장치는 스피커의 높이를 기초로 음원에서 전개된 파형의 이동 거리를 결정하는 파형 이동 거리 결정부; 및 파형의 이동 거리를 사용하여 스피커에 대응하는 음장 합성 신호를 생성하는 음장 합성 신호 생성부를 포함할 수 있다.

Description

음장 합성 신호 생성 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING WAVE FIELD SYNTHESIS SIGNALS}
본 발명은 음장 합성 신호를 생성하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스피커의 높이를 기초로 음장 합성 신호를 생성함으로써, 복수의 스피커가 다른 높이에 설치된 경우, 사용자가 음원의 위치를 설정된 위치와 다르게 인식하는 것을 방지하는 음장 합성 신호 생성 장치 및 방법에 관한 것이다.
음장 합성(WFS) 재생 기술은 재생하고자 하는 음원의 파면을 합성하여 청취 공간 상의 여러 청취자에게 동일한 음장을 제공하는 기술이다.
음장 합성 재생 기술은 기본적으로 음원과 스피커, 및 사용자가 동일한 평면상에 존재하는 것을 가정하고 있다. 따라서 음원으로부터 사용자까지 일직선으로 연결한 선 상에 존재하는 스피커가 음장 재현에 가장 큰 기여를 한다는 비 유동적인 위상 근사치(stationary phase approximation)를 가정하고 있다.
그러나, 상기 가정에 따라 수평면상에만 스피커들을 배치하면, 사용자가 앉는 장소의 높이가 변경되거나, 위치가 상하로 이동하는 음원을 재생하는 경우, 사용자가 음원의 위치를 설정된 위치와 다르게 인식할 가능성이 있었다.
따라서, 스피커들을 각각 다른 높이에 배치한 음장 합성 시스템이 필요하다. 그러나, 비 유동적인 위상 근사치를 가정한 종래의 음장 합성 신호를 생성하는 방법으로 스피커들을 각각 다른 높이에 배치한 음장 합성 시스템의 음장 합성 신호를 생성하는 경우, 스피커들의 높이에 따라 음장 재생에 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 스피커들을 각각 다른 높이에 배치한 음장 합성 시스템에서 효과적으로 음장을 재생하는 읍장 합성 신호를 생성할 수 있는 방법이 요청되고 있다.
본 발명은 복수의 스피커가 다른 높이에 설치된 경우, 사용자가 음원의 위치를 설정된 위치와 다르게 인식하는 것을 방지하는 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 음장 합성 신호 생성 장치는 스피커의 높이를 기초로 음원에서 전개된 파형의 이동 거리를 결정하는 파형 이동 거리 결정부; 및 파형의 이동 거리를 사용하여 스피커에 대응하는 음장 합성 신호를 생성하는 음장 합성 신호 생성부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 음장 합성 신호 생성 장치는 음장 재생 시스템에 포함된 스피커 중에서 사용자의 높이와 다른 높이에 설치된 스피커를 식별하는 스피커 식별부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 음장 합성 신호 생성 장치의 파형 이동 거리 결정부는 식별한 스피커의 높이를 기초로 음원에서 전개된 파형이 식별한 스피커를 통과하여 사용자에게 이동할 때까지의 거리를 결정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 음장 합성 신호 생성 방법은 스피커의 높이를 기초로 음원에서 전개된 파형의 이동 거리를 결정하는 단계; 및 파형의 이동 거리를 사용하여 스피커에 대응하는 음장 합성 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 스피커의 높이에 따라 파형의 이동 거리를 결정하고, 파형의 이동 거리를 사용하여 음장 합성 신호를 생성함으로써, 복수의 스피커가 다른 높이에 설치된 경우, 사용자가 음원의 위치를 설정된 위치와 다르게 인식하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 음장 합성 신호 생성 장치가 포함된 음장 재생 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 음장 합성 신호 생성 장치를 도시한 블록 다이어그램이다.
도 3은 상하 2열 어레이 음장 재생 시스템을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 파형 이동 거리 결정부가 파형 거리를 결정하는 과정의 일례이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 음장 합성 신호 생성 방법을 도시한 플로우차트이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 일실시예에 따른 음장 합성 신호 생성 방법은 음장 합성 신호 생성 장치에 의해 수행될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 음장 합성 신호 생성 장치가 포함된 음장 재생 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 음장 재생 시스템은 음장 합성 신호 생성 장치(100), 제1 스피커(110), 및 제2 스피커(120)를 포함할 수 있다.
제1 스피커(110)와 제2 스피커(120)는 각각 다른 음장 합성 신호를 재생하여 사용자(130)에게 음장을 재현할 수 있다. 또한, 제1 스피커(110)와 제2 스피커(120)는 도 1에 도시된 바와 같이 각각 다른 높이에 설치될 수 있다. 그리고, 제1 스피커(110)와 제2 스피커(120)는 라우드 스피커 어레이(Loud speaker Array)일 수 있다.
음장 합성 신호 생성 장치(100)는 제1 스피커(110)와 제2 스피커(120)에 대응하는 음장 합성 신호를 생성하여 제1 스피커(110)와 제2 스피커(120)에 전송할 수 있다.
이때, 음장 합성 신호 생성 장치(100)는 제1 스피커(110)나 제2 스피커(120) 중 적어도 하나가 사용자와 다른 높이에 설치된 경우, 음원이 존재하는 것으로 설정된 위치에서 전개된 파형은 제1 스피커(110)나 제2 스피커(120)의 높이에 따라 상승, 또는 하강하였다가 사용자(130)에게 이동하므로, 파형이 이동하는 거리인 파형의 이동 거리는 음원이 설치된 위치와 사용자(130) 간의 거리 보다 길 수 있다.
즉, 음원이 존재하는 것으로 설정된 위치와 사용자(130) 간의 거리에 따라 음장 합성 신호를 생성할 경우, 사용자는 실제 음원이 존재하는 것으로 설정된 위치보다 가까운 장소에 음원이 존재하는 것으로 느낄 수 있다.
따라서, 음장 합성 신호 생성 장치(100)는 스피커의 높이에 따라 파형의 이동 거리를 결정하고, 파형의 이동 거리를 사용하여 음장 합성 신호를 생성함으로써, 복수의 스피커가 다른 높이에 설치되어 사용자에게 음장을 재생하는 음장 재생 시스템에서 사용자에게 음원이 설정된 위치에 있는 것으로 느끼도록 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 음장 합성 신호 생성 장치(100)를 도시한 블록 다이어그램이다.
도 2을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 음장 합성 신호 생성 장치(100)는 스피커 식별부(210), 파형 이동 거리 결정부(220), 및 음장 합성 신호 생성부(230)를 포함할 수 있다.
스피커 식별부(210)는 음장 재생 시스템에 포함된 스피커 중에서 사용자의 높이와 다른 높이에 설치된 스피커를 식별할 수 있다. 이때, 사용자의 전신을 기준으로 하는 경우, 지면에 설치된 스피커와 사용자의 머리와 같은 높이에 설치된 스피커를 같은 높이로 식별할 수 있다. 또한, 사용자가 음장을 느끼는 기준은 귀의 위치이므로, 스피커 식별부(210)는 사용자의 귀 높이를 사용자의 높이로 사용할 수 있다.
예를 들어, 스피커들이 각각 지면과 천장에 설치되고, 사용자가 지면에 앉게 되는 음장 재생 시스템의 경우, 스피커 식별부(210)는 천장에 설치된 스피커만을 사용자의 높이와 다른 높이에 설치된 스피커로 식별할 수 있다. 반면, 스피커들이 각각 지면과 천장에 설치되고, 사용자가 쇼파에 앉게 되는 음장 재생 시스템의 경우, 스피커 식별부(210)는 지면에 설치된 스피커가 사용자의 귀 높이보다 낮은 위치에 있는 것으로 판단하여, 지면에 설치된 스피커와 천장에 설치된 스피커를 모두 사용자의 높이와 다른 높이에 설치된 스피커로 식별할 수 있다. 즉, 사용자의 앉는 높이에 따라 식별할 스피커가 변경될 수 있다.
파형 이동 거리 결정부(220)는 스피커의 높이를 사용하여 음원에서 전개된 파형의 이동 거리를 결정할 수 있다. 구체적으로, 파형 이동 거리 결정부(220)는 스피커 식별부(210)가 식별한 스피커의 높이를 사용하여 음원에서 전개된 파형이 스피커 식별부(210)가 식별한 스피커를 통과하여 사용자에게 이동할 때까지의 거리를 결정할 수 있다.
파형 이동 거리 결정부(220)는 음원과 스피커 간의 수평면상의 거리와 스피커와 사용자 간의 수평면상의 거리에 스피커의 높이를 사용하여 파형의 이동 거리를 결정할 수 있다. 파형 이동 거리를 결정하는 과정은 이하 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.
음장 합성 신호 생성부(230)는 파형 이동 거리 결정부(220)가 결정한 파형의 이동 거리를 사용하여 음원을 랜더링함으로써, 스피커 식별부(210)가 식별한 스피커에 대응하는 음장 합성 신호를 생성할 수 있다.
구체적으로 음장 합성 신호 생성부(230)는 파형 이동 거리 결정부(220)가 결정한 파형의 이동 거리를 음원과 사용자 간의 거리로 설정하여 음원을 랜더링함으로써, 음장 합성 신호를 생성할 수 있다.
또한, 음장 재생 시스템에 포함된 스피커 중에서 스피커 식별부(210)가 식별하지 않은 스피커는 사용자의 귀 높이와 동일한 높이에 설치된 스피커이므로, 파형의 이동 거리와 음원과 사용자 간의 수평면 상의 거리가 동일하다. 따라서, 음장 합성 신호 생성부(230)는 음장 재생 시스템에 포함된 스피커 중에서 사용자의 귀 높이와 동일한 높이에 설치된 스피커에 대응하는 음장 합성 신호를 음원과 스피커 간의 수평면상의 거리와 스피커와 사용자 간의 수평면상의 거리를 음원과 사용자 간의 거리로 설정하여 생성할 수 있다.
본 발명은 스피커의 높이에 따라 파형의 이동 거리를 결정하고, 파형의 이동 거리를 사용하여 음장 합성 신호를 생성함으로써, 복수의 스피커가 다른 높이에 설치된 경우, 사용자가 음원의 위치를 설정된 위치와 다르게 인식하는 것을 방지할 수 있다.
도 3은 상하 2열 어레이 음장 재생 시스템을 나타내는 도면이다.
상하 2열 음장 재생 시스템은 상면에서 볼 경우(310), 동일한 위치에 라우드 스피커 어레이(Loud speker Array)인 제1 스피커(311)와 제2 스피커(312)가 있다. 이때, 제1 스피커(311)와 제2 스피커(312)는 라우드 스피커 어레이에 포함된 각각의 스피커에서 음원과 사용자 간의 거리(300)에 기초한 음장 합성 신호를 출력하여 사용자가 음원의 위치를 느끼도록 할 수 있다.
그러나, 상하 2열 음장 재생 시스템을 측면에서 볼 경우(320), 제1 스피커(110)는 사용자의 귀 높이를 기준으로 높은 위치에 설치되어 있고, 제2 스피커(120)는 사용자의 귀 높이를 기준으로 낮은 위치에 설치되어 있다.
이때, 제1 스피커(311)와 제2 스피커(312)가 출력하는 음장 합성 신호는 구형파(spherical wave) 형태의 음압(sound pressure)을 가지므로, 사용자의 귀 높이와 다른 높이에서 음장 합성 신호를 출력하더라도 사용자에게 음장을 재생할 수는 있다.
그러나, 제1 스피커(311) 및 제2 스피커(312)와 사용자 간의 거리(321)는 제1 스피커(311) 및 제2 스피커(312)의 높이와 사용자의 귀 높이 간의 차이로 인하여 제1 스피커(311) 및 제2 스피커(312)가 설치된 장소(322)와 사용자 간의 거리(323)보다 멀게 된다. 따라서, 제1 스피커(311)와 제2 스피커(312)가 출력하는 음장 합성 신호를 들은 사용자가 청취한 음장 합성 신호의 크기는 거리(321)과 거리(323)의 차이만큼 감소하므로, 사용자는 음원이 거리(300)보다 먼 곳에 있는 것으로 느낄 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 음장 재생 시스템은 스피커의 높이를 사용하여 스피커와 사용자, 및 음원과 스피커 간의 실제 거리를 계산하고, 실제 거리에 따라 음장 합성 신호를 생성함으로써, 스피커의 높이에 따라 사용자가 음원의 거리를 다르게 인식하는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 파형 이동 거리 결정부가 파형 거리를 결정하는 과정의 일례이다.
파형이 음원의 위치(400)에서 스피커까지의 이동하는 거리 r(410)과, 스피커가 음장 합성 신호에 따라 재생한 파형이 사용자(130)까지의 이동하는 거리 l(420)의 합이 음원에서 전개된 파형이 실재로 이동한 거리인 파형의 이동 거리이다.
이때, 비 유동적인 위상 근사치(stationary phase approximation)를 사용하여 파형이 수평면인 Z 축 상에서 이동한 거리를 계산하면, 음원의 위치(400)에서 스피커까지 거리 R(411)과 스피커가 설치된 장소에서 사용자까지의 거리 L(421)의 합일 수 있다. 이때, 거리 R(411)은 r*cos(α)이고, 거리 L(421)은 l*cos(β)일 수 있다.
또한, 파형이 수평면인 Z 축 상에서 이동한 거리는 음원과 사용자 간의 거리와 동일할 수 있다.
즉, 파형이 음원의 위치(400)에서 스피커까지 이동하는 거리 r(410)은 음원과 사용자 간의 거리 중에서 음원과 스피커 간의 거리인 거리 R(411)보다 r - r*cos(α) 거리(412)만큼 더 이동할 수 있다. 또한, 파형이 스피커에서 사용자(130)까지 이동하는 거리 l(420)은 음원과 사용자 간의 거리 중에서 스피커와 사용자 간의 거리인 거리 L(421)보다 l - l*cos(β) 거리(422)만큼 더 이동할 수 있다.
이때, 파형 이동 거리 결정부(220)는 음원과 사용자 간의 거리인 {r*cos(α) + l*cos(β)}에 파형이 스피커 높이에 따라 더 이동한 거리인 {(r - r*cos(α)) + (l - l*cos(β))}를 추가한 수학식 1을 사용하여 파형 이동 거리인 r +l을 결정할 수 있다.
Figure 112012043793115-pat00001
이때, 거리 r(410)는 음원과 스피커 간의 거리 R(411)과 스피커의 높이 h(430)을 사용하여 계산할 수 있고, 거리 l(420)은 스피커와 사용자 간의 거리인 거리 L(412)과 스피커의 높이 h(430)을 사용하여 계산할 수 있다.
그리고, 음장 합성 신호 생성부(230)는 음장 합성 신호를 생성하는 음장 합성(WFS: Wave Field Synthesis) 구동 함수의 수식에서 음원이 존재하는 것으로 설정된 위치와 사용자(130) 간의 거리를 파형 이동 거리인 r + l로 대체하여 계산함으로써, 복수의 스피커가 다른 높이에 설치되어 사용자에게 음장을 재생하는 음장 재생 시스템에서 사용자에게 음원이 설정된 위치에 있는 것으로 느끼도록 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 음장 합성 신호 생성 방법을 도시한 플로우차트이다.
단계(S510)에서 스피커 식별부(210)는 음장 재생 시스템에 포함된 스피커의 높이가 사용자의 높이와 동일한지 여부를 판단할 수 있다. 이때, 스피커 식별부(210)는 사용자의 귀 높이를 사용자의 높이로 사용할 수 있다.
단계(S520)에서 파형 이동 거리 결정부(220)는 음장 재생 시스템에 포함된 스피커 중에서 단계(S510)에서 사용자의 귀 높이와 동일하지 않은 것으로 판단한 스피커의 높이를 사용하여 음원에서 전개된 파형의 이동 거리를 결정할 수 있다. 구체적으로, 파형 이동 거리 결정부(220)는 스피커 식별부(210)가 식별한 스피커의 높이를 사용하여 음원에서 전개된 파형이 스피커 식별부(210)가 식별한 스피커를 통과하여 사용자에게 이동할 때까지의 거리를 결정할 수 있다.
단계(S530)에서 음장 합성 신호 생성부(230)는 단계(S520)에서 결정한 파형의 이동 거리를 사용하여 단계(S510)에서 사용자의 귀 높이와 동일하지 않은 것으로 판단한 스피커에 대응하는 음장 합성 신호를 생성할 수 있다.
단계(S540)에서 음장 합성 신호 생성부(230)는 음원과 사용자 간의 거리를 사용하여 단계(S510)에서 사용자의 귀 높이와 동일한 것으로 판단한 스피커에 대응하는 음장 합성 신호를 생성할 수 있다.
단계(S550)에서 음장 재생 시스템에 포함된 스피커들은 단계(S530), 또는 단계(S540)에서 생성된 음장 합성 신호를 출력하여 사용자에게 음장을 재생할 수 있다.
본 발명은 스피커의 높이에 따라 파형의 이동 거리를 결정하고, 파형의 이동 거리를 사용하여 음장 합성 신호를 생성함으로써, 복수의 스피커가 다른 높이에 설치된 경우, 사용자가 음원의 위치를 설정된 위치와 다르게 인식하는 것을 방지할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 음장 합성 신호 생성 장치
110: 제1 스피커
120: 제2 스피커

Claims (12)

  1. 음장 재생 시스템에 포함된 스피커 중에서 사용자의 높이와 다른 높이에 설치된 스피커를 식별하는 스피커 식별부
    식별한 스피커의 높이를 기초로 음원에서 전개된 파형의 이동 거리를 결정하는 파형 이동 거리 결정부; 및
    파형의 이동 거리를 사용하여 스피커에 대응하는 음장 합성 신호를 생성하는 음장 합성 신호 생성부
    를 포함하고,
    상기 스피커 식별부는,
    음장 재생 시스템에 포함된 스피커 중에서 사용자의 귀 높이와 동일한 높이에 설치된 스피커를 식별하지 않는 음장 합성 신호 생성 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 파형 이동 거리 결정부는,
    식별한 스피커의 높이를 기초로 음원에서 전개된 파형이 식별한 스피커를 통과하여 사용자에게 이동할 때까지의 거리를 결정하는 것을 특징으로 하는 음장 합성 신호 생성 장치.
  4. 제1항에 있어서
    상기 파형 이동 거리 결정부는,
    음원과 스피커 간의 수평면상의 거리와 스피커와 사용자 간의 수평면상의 거리에 스피커의 높이를 사용하여 파형의 이동 거리를 결정하는 것을 특징으로 하는 음장 합성 신호 생성 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 음장 합성 신호 생성부는,
    파형의 이동 거리를 음원과 사용자 간의 거리로 설정하여 음장 합성 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 음장 합성 신호 생성 장치.
  6. 제1항에 있어서
    상기 음장 합성 신호 생성부는,
    음원과 스피커 간의 수평면상의 거리와 스피커와 사용자 간의 수평면상의 거리를 음원과 사용자 간의 거리로 설정하여 음장 재생 시스템에 포함된 스피커 중에서 사용자의 귀 높이와 동일한 높이에 설치된 스피커에 대응하는 음장 합성 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 음장 합성 신호 생성 장치.
  7. 음장 재생 시스템에 포함된 스피커 중에서 사용자의 높이와 다른 높이에 설치된 스피커를 식별하는 단계
    식별한 스피커의 높이를 기초로 음원에서 전개된 파형의 이동 거리를 결정하는 단계; 및
    파형의 이동 거리를 사용하여 스피커에 대응하는 음장 합성 신호를 생성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 스피커를 식별하는 단계는,
    음장 재생 시스템에 포함된 스피커 중에서 사용자의 귀 높이와 동일한 높이에 설치된 스피커를 식별하지 않는 음장 합성 신호 생성 방법.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 파형의 이동 거리를 결정하는 단계는,
    식별한 스피커의 높이를 기초로 음원에서 전개된 파형이 식별한 스피커를 통과하여 사용자에게 이동할 때까지의 거리를 결정하는 것을 특징으로 하는 음장 합성 신호 생성 방법.
  10. 제7항에 있어서
    상기 파형의 이동 거리를 결정하는 단계는,
    음원과 스피커 간의 수평면상의 거리와 스피커와 사용자 간의 수평면상의 거리에 스피커의 높이를 사용하여 파형의 이동 거리를 결정하는 것을 특징으로 하는 음장 합성 신호 생성 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 음장 합성 신호를 생성하는 단계는,
    파형의 이동 거리를 음원과 사용자 간의 거리로 설정하여 음장 합성 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 음장 합성 신호 생성 방법.
  12. 제7항에 있어서
    상기 음장 합성 신호를 생성하는 단계는,
    음원과 스피커 간의 수평면상의 거리와 스피커와 사용자 간의 수평면상의 거리를 음원과 사용자 간의 거리로 설정하여 음장 재생 시스템에 포함된 스피커 중에서 사용자의 귀 높이와 동일한 높이에 설치된 스피커에 대응하는 음장 합성 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 음장 합성 신호 생성 방법.
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