KR102024284B1

KR102024284B1 - 통합 또는 하이브리드 사운드-필드 제어 전략을 적용하는 방법

Info

Publication number: KR102024284B1
Application number: KR1020147028535A
Authority: KR
Inventors: 마틴 오르센; 마틴 보 묄러
Original assignee: 방 앤드 오루프센 에이/에스
Priority date: 2012-03-14
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2019-09-23
Also published as: KR20140138907A; CN104170408B; US20150043736A1; EP2826264A1; WO2013135819A1; JP2015510376A; CN104170408A; JP6069368B2; US9392390B2

Abstract

둘 이상의 사운드 구역들에서 다중채널 오디오 신호들의 재생성을 위해 통합 제어 전략을 적용하는 방법으로서, 상기 방법은, 음압의 관점에서 구역들 간의 음향적 분리를 획득하기 위해 가령 음향 대조 제어(ACC) 방법 및/또는 에너지차 최대화 방법에 기초하여 음향 포텐셜 에너지를 제어하기 위한 제1 비용함수를 유도하는 단계와, 구역들에 제공되는 소리의 위상을 제어하는 압력 매칭 방법과 같은 제2 비용 함수를 유도하는 단계를 포함하고, 통합 최적화에서 상기 제1 및 제2 비용 함수들의 통합을 결정하기 위한 가중치가 획득된다.

Description

통합 또는 하이브리드 사운드-필드 제어 전략을 적용하는 방법{A METHOD OF APPLYING A COMBINED OR HYBRID SOUND -FIELD CONTROL STRATEGY}

본 발명은 다수의 사운드 구역들 각각에서 양호한 사운드 생성을 제공하는 통합 모델을 유도(derive)하기 위한 하이브리드 제어 전략을 제공하는 방식에 관한 것이다.

본 발명은 일반적으로, 사운드 필드들에서의 오디오의 재생성(reproduction) 및 제어에 관한 것이다. 특히, 방법이 개시되는 바, 이 방법에서, 하이브리드 방법이 두 개의 사운드 구역들 간의 음향 대조(acoustic contrast)와 최적화된 사운드 필드들에서 위상이 제어되는 정도와의 사이의 트레이드오프(tradeoff)를 도입한다.

본 발명은, A Hybrid Method Combining Synthesis of a Sound Field and Control of Acoustic Contrast" Audio Engineering Society - Convention Paper, the 132nd Convention, 2012 April 26-29 Budapest, Hungary에 수록된 연구 결과들에 기반한다.

상이한 사운드 구역들을 제공하는 다른 방식들은: 발명의 명칭이 "A constrained optimization approach for multi-zone surround sound"인 Terence Betlehem 및 Paul D. Teal에 의해 발명된 미국 특허 공개번호 US2010/0135503, 2011 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP), 22 May 2011 , IEEE, pages 437-440, Chapter 2 "problem statement", Matthew Jones and Stephen Elliott: "Personal audio with multiple dark zones", The Journal of the Acoustical Society of America, December 2008, American Institute of Physics for the Acoustical Society of America, New York, NY, US, vol. 124, no. 6, pages 3497-3506, 미국 특허 공개 번호US2007/0098183 및 US2010/0150361에서 보여질 수 있다.

공간적으로 국한된 영역들 내의 최적화된 사운드 필드들이 복수의 제어 전략들을 이용하여 달성될 수 있는 바, 상기 제어 전략들은 다중채널 재생성 기법을 이용한다. 두 개의 공간적으로 분리된 영역들의 생성이 다음과 같이 개시되는 바, 하나의 제1 영역은 낮은 음압(sound pressure)(어두운 구역(dark zone))을 포함하고, 다른 제2 영역은, 어떤 경우에 있어서는, 상기 제1 영역에 비해 높은 음압(밝은 구역(bright zone))이 요구되는 제어 전략에 따라 재생성 및 제어되는 곳이다.

사운드 구역들을 생성하는 과제에 종종 적용되는 전략들은 대략 두 개의 카테고리들:

- 최적화 방법들, 및

- 사운드 필드 합성 방법들로 나누어질 수 있다.

최적화 방법들의 장점들은 공간적인 소스 레이아웃 및 요구되는 소스들의 수의 다양성(versatility)을 포함하지만, 주어진 구성으로 인한 성능의 선천적인 제한들을 갖는다. 상기 합성 방법들과 관계된 소스 구성은 특히, 웨이브 필드 합성 및 앰비소닉스(Wave Field Synthesis and Ambisonics)와 같은 방법들의 경우 더욱 제약되는 경향이 있다.

그러나, 이들 방법들은, 음향 대조 제어(ACC) 및 에너지차 최대화 방법(EDM)에서와 같이 대부분의 수치 최적화 방법들에 적용되는 에너지 고려사항들과는 달리, 제어된 영역들에 작용하는(impinging) 파면들의 제어를 할 수 있게 하는 특정한 사운드 필드의 재생성을 용이하게 한다. 상기 언급된 카테고리들 중에서, 합성 및 최적화 접근법들 둘 모두로부터의 요소들을 포함하는 제어 전략들이 존재한다. 압력 매칭 방법이 이러한 타입의 제어 전략의 일례이다.

다양한 파라미터들이 방법들의 성능을 평가하기 위해 사용될 수 있는 바, 전형적으로 문헌에서 다루어지는 지배적인 매트릭은 두 개의 인접 영역들 사이의 음향 대조이다. 그러나, 대조는 단지 음향적 분리를 제시하며, 최적화된 영역들 각각에서의 사운드 필드의 특성들에 관한 어떤 세부적인 정보도 제공하지 않는다.

높은 음향 대조를 제공하는 제어 방법들이 최적화 접근법의 특성으로 인해 결과적인 최적화된 사운드 필드의 위상 제어를 종종 악화시키는 반면, 사운드 필드들을 합성하고 따라서 높은 정도의 위상 제어를 제공하는 방법들은 결과적으로 대조 값들이 상대적으로 낮아지는 경향이 있음이 선행기술로부터 알려져 있다.

본 발명에서, 다수의 방법들의 다양성과 합성 방법들로부터의 높은 정도의 위상 제어를 통합 제어 전략으로 통합하는 하이브리드 방법이 제시된다. 에너지차 최대화 및 압력 매칭 방법의 통합이 음향 대조의 중요성 및 위상 제어의 정도의 비를 제어할 기회로 제안된다. 위상 제어의 정도는 결과적인 재생성 에러를 이용하여 평가될 것이다.

따라서, 본 발명의 일 양상은 가상 사운드 구역들 내의 다중채널 사운드 신호들의 재생성을 위해 통합 제어 전략을 적용하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은:

- 음압의 관점에서 구역들 간의 음향적 분리를 획득하기 위해 구역들 내의 음향 포텐셜 에너지를 제어하고,

- 각각의 구역 내의 음향 포텐셜 에너지를 제어하며, 이 에너지는 구 역 내의 평균 제곱 음압에 비례하는 것으로 보여질 수 있으며,

- 위상 제어의 정도를 제어하는 것을 포함하고, 상기 위상 제어는 결과적인 재생성 에러를 이용하여 평가될 수 있으며, 상기 재생성 에러는 밝은 구역을 샘플링하는 포인트들에서 제어될 수 있다.

사운드 필드들/구역들은 예컨대, 원형, 타원형, 둥그스름한 직사각형(rounded rectangle) 및 기타 등등의 서로 다른 기하 윤곽(outline)들로 실현될 수 있다. 오디오를 제공하기 위한 수단은 요구되는 기하구조(geometry)에 따라 물리적으로 위치되는 활성 라우드스피커들을 포함하는 물리적 사운드 시스템들이거나, 또는 대안적으로는 소정 청취 도메인에 랜덤하게 위치된 물리적 사운드 시스템들로부터 생성된 가상적인 것일 수 있다.

활성 사운드 시스템 구성은 전형적으로, 라우드스피커 디바이스 마다 제어가능한 증폭기, 필터 및 지연 수단을 가진 사운드 변환기(transducer)(라우드 스피커 유닛)들을 포함한다.

일반적으로, 본 발명은 둘 이상의 사운드 구역들 내의 다중채널 오디오 신호들의 재생성을 위해 통합 제어 전략을 적용하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은:

- 음압의 관점에서 구역들 간의 음향적 분리를 획득하기 위해 구역들 내의 음향 포텐셜 에너지를 제어하기 위한 제1 비용 함수(cost function)를 유도하는 단계와,

- 구역들에 제공되는 사운드의 위상을 제어하는 제2 비용 함수를 유도하는 단계를 포함하고,

통합 최적화에서 상기 제1 및 제2 비용 함수들의 통합을 결정하기 위한 가중치(weight)가 획득된다.

이러한 맥락에서, 통합 제어 전략은 예컨대, 제1 및 제2 비용 함수들을 예컨대, 통합 비용 함수로 통합하는 것이다. 하이브리드라고도 지칭될 수 있는 이러한 통합은 다수의 장점들을 가지며, 가중치를 선택함으로써 조작될 수 있다.

전략을 적용하는 것은 라우드스피커 또는 다른 사운드 제공자들 또는 이러한 스피커들에 신호들을 제공하도록 구성된 증폭기들/필터들 또는 기타 등등에 대한 파라미터들을 유도하는 것일 수 있다.

다른 상황에서, 적용 단계는 전체 통합 비용 함수의 생성일 수 있으며, 상기 전체 통합 비용 함수는 나중에 이러한 파라미터들 또는 신호들을 생성하기 위해 사용될 수 있다.

다중채널 오디오 신호들은 일반적으로, 사람의 귀가 검출할 수 있는 신호들일 것이며, 이 경우 상이한 신호들이 상이한 스피커들에 의해 출력된다. 물론, 신호들은 음악과 같은 동일한 전체 신호들에 관계될 수 있지만, 이 경우 채널들 간의 차이들이 예컨대, 스테레오 신호 또는 4, 5, 6, 7, 9 또는 이보다 많은 채널들과 같은 더 많은 채널들을 갖는 신호를 정의한다.

이러한 맥락에서, 사운드 구역은 미리 결정된 사운드가 생성되거나 또는 적어도 근사화되는 구역이다. 구역은 일반적으로, 미리 결정된 포지션에서의 공간의 미리 결정된 체적(volume)이며, 이 구역은 미리 결정된 윤곽 또는 모양을 가지거나 또는 그렇지 않을 수 있다. 상이한 사운드 구역들은 독립적으로 선택된 사운드를 가질 수 있으며, 가령 요구되는 경우 어떠한 사운드도 가지지 않는다. 상이한 사운드는 예컨대, 상이한 노래들/소스들 또는 동일한 노래/소스일 수 있지만, 상이한 사운드 볼륨들을 가질 수 있다.

요구되는 경우, 2, 3, 4, 5, 6, 8 또는 이보다 많은 구역들과 같이, 어떤 수의 사운드 구역들도 선택될 수 있다. 구역들의 수가 많을수록, 많은 스피커들이 전형적으로 요구될 것이다.

따라서, 분산 또는 제한이 사운드 에너지 간에 요구되며, 요구되는 사운드 필드의 재생성이 추구된다.

제1 비용 함수는 각각의 구역에서 평균 제곱 음압에 비례할 수 있다. 바람직하게는, 비례의 원칙(proportionality)이 모든 구역들에서 동일해서, 이들은 쉽게 비교될 수 있다.

이 상황에서의 분리는 높은 dB 값일 수 있어서, 일 구역으로부터의 사운드가 다른 구역에서 전혀 검출되지 않거나 들리지 않거나, 또는 거의 검출되지 않거나 들리지 않는다. 음압은 영역 내에 존재하는 사운드량을 결정하는 표준 방식이다. 최종의 통합 최적화의 분리는 가중치에 좌우될 수 있으며, 상기 가중치는 요구되는 경우 다른 파라미터들을 최적화하기 위해 선택될 수 있다.

제2 비용 함수는 일 구역 또는 복수의 구역들에 제공되는 사운드의 위상에 관계된다. 일반적으로, 상이한 위상들은 상이한 구역들에서 사용되거나 또는 요구될 수 있다.

제2 비용 함수는 요구되는 위상 또는 사운드의 방향으로부터 가령, 구역 내의 평면파(plane wave)로부터의 재생성 에러로부터 결정되거나 또는 재생성 에러에 관계될 수 있다. 이 재생성 에러는 사운드의 각과 미리 결정된 각 사이의 각도차로서 및/또는 이상적인 평면파와 유입 파의 평면성 사이의 차이로서, 즉 음파가 평면파와 얼마나 닮았는가에 따라 정량화될 수 있다.

가중치는 최종 최적화에서 제1 및 제2 비용 함수들의 가중치를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 하기에 추가로 기술되는 가중치는 다수의 방식들로 결정될 수 있고, 최종 최적화에서 제1 비용 함수의 강세(emphasis)를 결정할 수 있고, 따라서 제2 비용 함수와 관련하여 음향적 분리를 결정할 수 있으며, 따라서 위상을 결정할 수 있다.

일 실시예에서, 제1 비용 함수는 음향 대조 제어 방법의 비용 함수이며, 다른 실시예에서, 제1 비용 함수는 에너지차 최대화 방법의 비용 함수이다.

그러한 실시예 또는 다른 실시예에서, 제2 비용 함수는 압력 매칭 방법의 비용 함수이며, 상기 압력 매칭 방법은 요구되는 사운드 필드와 재생성된 사운드 필드 사이의 평균 제곱 에러를 최소화하는 방식일 수 있다. 이 방식의 대안은 사운드 필드들의 구면 분해(spherical decomposition)에 기반한 분석 방법일 수 있다.

일 실시예에서, 제1 비용 함수를 유도하는 단계는 각각의 구역 내의 음향 포텐셜 에너지가:

로서 구역 내의 평균 제곱 음압에 비례하는 비용 함수를 유도하는 것을 포함한다.

이러한 실시예 또는 다른 실시예에서, 제2 비용 함수를 유도하는 단계는 결과적인 재생성 에러를 이용하여 그리고 낮은 재생성 에러를 획득하기 위해 위상 제어를 평가하는 것을 포함하며, 상기 재생성 에러는:

로서 정의되며, 여기서 N은:

로서 주어지는 정규화 인자이다.

바람직하게는, 재생성 에러는 구역들 중 밝은 구역을 샘플링하는 포인트들에서 제어되며, 상기 구역들에는 또한 어두운 구역, 즉 어떤 사운드도 요구되지 않는 구역도 존재한다.

바람직한 실시예에서, 가중치 결정 단계는 통합 최적화에서 비용 함수들 간의 트레이드오프를 제어하기 위한 가중치를 결정하는 것을 포함한다. 이 상황에서, 비용 함수들은:

로서 주어지는 제약되지 않은 최적화일 수 있다.

또한, 그러한 실시예에서, 소스 가중치들은 변화도(gradient)가 제로인 고정 포인트들로부터 계산될 수 있고, 이 경우 고정 포인트들은:

으로 주어진 것으로서 결정된다.

바람직한 실시예에서, 방법은:

- 복수의 라우드스피커들 각각을 구동하기 위한 파리미터들을 통합 최적화로부터 유도하는 단계와,

- 유도된 파라미터들에 따라 라우드스피커들을 구동하는 단계를 더 포함한다.

이 파라미터들은 위상 시프트 (지연) 파라미터들, 증폭 및/또는 필터링(전형적으로는 주파수 필터링)일 수 있다. 일반적으로, 이러한 파라미터들의 조합들은 각각의 스피커에 대해 사용된다.

주목할 점으로서, 스피커는 물리적인 실제 라우드스피커일 수 있거나 또는 가상 스피커일 수 있으며, 상기 가상 스피커로부터의 사운드는 상기 가상 스피커의 위치에 위치되지 않은 다수의 다른 물리 스피커들에 의해 실제로 생성된다. 이는 예컨대, 두 개의 스피커들이 상기 두 개의 스피커들 사이의 위치로부터 오는 것처럼 들리는 동일한 신호를 출력할 때 보여지는 효과이다.

일 실시예에서, 가중치를 결정하는 단계는 구역들 중 미리 결정된 하나에서 평면파로부터의 미리 결정된 최대 재생성 에러를 가지도록 제2 비용 함수를 유도하는 것을 포함한다. 일 상황에서, 최대 재생성 에러는 15%이지만, 20%, 19%, 17%, 13%, 12%, 10%, 8%, 6%, 4%와 같은 다른 값들이 요구되는 경우, 사용될 수 있다.

상기에 언급한 바와 같이, 이 재생성 에러는 음파의 방향과 바람직한 방향 간의 차이 및/또는 이상적인 평면파와 실제 파의 형태 간의 차이일 수 있다.

대조와 위상/방향 간의 가중치는 다수의 기법들에 따라 또는 다수의 상이한 상황들에 관계하여 선택될 수 있다. 명확하게는, 사운드의 음질 또는 사운드 제공 시스템의 품질이 낮아서, 제1 장소에서 위상/각의 고선명도(high definition)를 얻기 불가능할 수 있을 때와 같이 대조가 더욱 중요한 일부 상황들이 존재한다. 또한, 주변 사운드 또는 노이즈가 존재하는 경우, 배경 노이즈는 어찌 되었든 다른 구역으로부터 전송되는 임의의 사운드를 사라지게 할 것이기 때문에 대조는 최고 우선순위가 되도록 요구되지 않을 수 있다. 청취 상황이 중요할 때와 같은 다른 상황에서, 위상/각은 더욱 중요할 수 있다. 이 상황에서, 더 낮은 대조가 허용될 수 있다.

다음에서, 본 발명의 바람직한 실시예들이 도면을 참조하여 기술될 것이다.
도 1은 다중-구역 오디오 제공자에 대한 설정을 도시한다.
도 2는 ACC의 수단에 의해 획득되는 대조에 대하여 플롯(plot)된 상이한 ζ-값에서 EDM으로 획득된 음향 대조를 도시한다.
도 3은 1 kHz에서의 관심 평면의 2-차원 플롯이며, 상부 행은 정규화된 레벨을 도시하고, 하부 행은 ACC, PM, 및 본 발명에 따른 하이브리드 방법의 바람직한 실시예의 성능을 보여주는 복합 사운드 필드의 실제 부분을 도시한다.
도 4는 세 개의 제어 전략들 모두에 대해서 주파수에 따른 음향 대조를 상부 플롯에서 예시하고 있고 하부 플롯에서는 대응하는 재생성 에러가 압력 매칭 및 도 3의 하이브리드 방법에 대해 발견된다.

사운드 필드 제어를 평가하기 위해 적용되는 매트릭은 다음과 같을 수 있다.

음향 대조가 두 개의 구역들 내의 평균 포텐셜 에너지의 비(ratio)로서 정의되며, 상기 비는 상기 구역들 내의 평균 제곱된 압력들에 비례한다.

이 정의는:

로서 쓰여질 수 있고, 여기서 p는 위치 x에서의 음압이고, S_B 및 S_D는 밝은 구역 및 어두운 구역의 면적을 각각 나타내며, da는 미분 영역 요소(differential area element)이다.

상기 구역들 내의 음향 포텐셜 에너지가 제어되며, 이는 음압의 관점에서 상기 구역들 간의 음향적 분리를 획득하기 위한 것이다. 각각의 구역 내의 음향 포텐셜 에너지는:

로서 구역 내의 평균 제곱 음압에 비례한다.

재생성 에러는 요구되는 p^d와 재생성된 사운드 필드 p^r 간의 편차(deviation)를 평가하기 위한 메트릭으로서 도입된다. 다음에서, 재생성 에러는:

로서 정의되며, 여기서 N은:

로서 주어진 정규화 인자이다.

음향 대조 제어(ACC)는 음압 레벨의 관점에서 두 개의 개별적인 영역들을 생성하기 위해 적용될 수 있는 최적화 접근법이다. ACC는 요구되는 어두운 구역에 대하여 요구되는 밝은 구역의 대조를 증가시키기 위해 사용된다. 각각의 어레이 요소에 대한 가중치를 결정하기 위해, 방법은 소스들과 영역들 내의 제어 포인트들과의 사이의 전달 함수들을 요하며, 이 제어 포인트들에서 사운드 필드의 제어가 요구된다. 모든 소스들로부터 특정 영역의 제어 포인트들로의 비가중(unweight) 응답이:

로서 정의되는 소스들과 포인트들 사이의 공간적인 상관(correlation)의 수단에 의해 기술될 수 있고, 여기서

는 에르미트 전치행렬(Hermitian tranpose)을 나타내고, G(x_S,x_B)는 x_S에 포지셔닝된 M 개의 소스들로부터의 적분 포인트(integration point) x로의 전달 함수들을 포함하는 행렬이다. 음향 대조 제어를 통해 최적화된 비용 함수는 구역들 내의 포텐셜 에너지들의 비로서 정의될 수 있으며, q는 소스 가중치들을 나타내는 각각의 소스로부터의 체적 속도(volume velocity)의 벡터이다. q에 관한 미분(differentiation)을 통해, RD^-1RB 의 고유-벡터(eigen-vector)로서 최적 소스 가중치들을 결정하는 것이 가능하며, 상기 고유-벡터는 가장 큰 고유값에 대응한다.

에너지차 최대화는 이 방법이 또한 다른 구역에 대한 일 구역의 음압 레벨을 감소시키기 위해 적용될 수 있기 때문에 음향 대조 제어와 밀접하게 닮아있다. 두 가지 방법들 간의 주요한 차이는, EDM은 구역들 간의 사운드 에너지 차이의 최적화이지만, ACC는 에너지 비를 최적화하기 위해 사용된다는 점이다. EDM의 수단에 의해, q^Hq에 의해 기술되는 제어 노력과 연계하여 구역들 사이의 포텐셜 에너지 차이를 조정하는 것이 가능하며, 이는 결과적으로, EDM 비용 함수가:

이 되게 하며, 여기서 ζ는 가중치 인자이다. 이 상수(constant)는 에너지 분포가 에너지 차이를 획득하기 위해 밝은 구역에서 제어되어야 하는지 또는 어두운 구역에서 제어되어야 하는지를 결정하기 위해 적용된다. 만일 ζ<<1면, 최적화는 밝은 구역 내의 사운드 에너지에 집중하는 반면, ζ>>1이면, 최적화는 어두운 구역 내의 에너지를 감소시킨다.

음향 대조 제어 및 에너지차 최대화는 두 가지 밀접하게 관련된 방법들이며, 둘 모두는 포텐셜 에너지 분포의 관점에서 두 개의 영역들 사이의 음향 공간적 분리를 만들어 낸다.

ACC를 이용함으로써 이 메트릭의 관점에서 최적 솔루션(solution)을 나타내는, 두 개의 구역들 사이의 음향 대조를 최대화시킨다. 다른 한편으로, EDM을 구현하는 것은 밝은 구역과 어두운 구역 사이의 특정한 선호도를 조건으로 에너지 차이를 최적화하고, 따라서 달성된 대조는 파라미터 ζ의 값에 좌우될 것이다. EDM의 적용은 관심있는 특정한 설정에 좌우되는 ζ값을 결정하는 추가적인 단계를 포함한다.

ACC의 구현의 경우, 최적 관계는 밝은 구역 내의 사운드의 보강 간섭(constructive interference)과 어두운 구역 내의 상쇄 간섭(destructive interference) 사이에서 결정된다. EDM에 의해 획득되는 솔루션이 밝은 구역 내의 보강 간섭 및 어두운 구역 내의 상쇄 간섭에 거의 배타적으로 의존하도록 조정될 수 있기 때문에, EDM이 ζ의 정확한 조정을 가정하여, ACC와 동일하지 않은 경우 ACC와 유사한 결과들을 획득하도록 적용될 수 있다고 주장하는 것이 합리적으로 보여진다.

이는 도 2에 의해 나타내지며, 여기서 상이한 ζ값들에서 EDM으로 획득되는 음향 대조가 ACC의 수단에 의해 획득되는 대조에 대하여 플롯된다. ζ값을 결정할 필요로 인한 추가적인 복잡성이 EDM을 매력적이지 않은(unattractive) 방법이 되게 하는 것으로 보이지만, 이는 역행렬에 대한 필요를 제거하는 장점을 가진다. ACC를 통해 가중치들을 결정하기 위해, 역 RD가 필요한 바, 이는 행렬이 거의 단수인 경우 수적 불안정(numerical instability)들을 야기할 수 있다. 이 문제는 상이한 소스들로부터 제어 포인트로의 전달 함수들이 유사해지는 낮은 주파수들에서 증가된다. EDM은 소스 가중치들을 결정하기 위한 역행렬을 포함하지 않으며, 따라서, EDM은 이러한 수적 불안정들의 관점에서 더욱 강인(robust)하다. 이 상당한 차이는 EMD이 하이브리드 방법에 대한 기본 방법으로 더욱 적합하게 하고, ACC는 획득가능한 음향 대조의 기준으로서 포함된다.

압력 매칭은 수적 최적화를 통해 바람직한 사운드 필드를 근사화하는 것을 가능하게 하는 절차이다. 압력 매칭은 ACC 및 EDM과 유사한 어레이 내의 소스들에 대한 가중치들을 결정하기 위해 소스들과 제어 포인트들과의 사이의 전달 함수들을 요한다.

사운드 필드 제어 전략들 즉, 음향 대조 제어와 압력 매칭 방법 간의 하브리드 방법이 개시되는 바, 이 방법은 높은 음향 대조가 바람직하게는 최적화된 공간적으로 한정된 사운드 필드 내의 높은 정도의 위상 제어와 통합되어야 한다는 아이디어로부터 비롯된 것이다.

동시에 재생성되는 밝은 구역 및 어두운 구역을 포함하는 특정한 구성에 대한 시뮬레이션 결과들이, 포함된 포텐셜 가중치 결정 절차의 예를 이용하여 실험되었다.

하이브리드 방법은 상당한 주파수 범위에 걸쳐 압력 매칭 방법에 비해 높은 대조를 제공하며, 이와 동시에 필적할만한 낮은 (1500 Hz 미만에서 3.5% 미만의) 재생성 에러를 획득한다. ACC의 대조의 성능은 하이브리드 및 압력 매칭 방법 둘 모두에 비해 우수하지만, 최적화된 영역들에서의 어떤 위상 제어도 없다.

하이브리드 방법은 위상 제어를 손상시킴이 없이 넓은 주파수 범위에서 상당히 높은 대조를 제공한다. 제시된 시뮬레이션들이 근거로 하는 가중치 결정 전략은 많은 예들 중에서 단지 일례로서 고려되어야 한다. 이상적으로는, 가중치 인자들 α 및 ζ는 어떤 의미에서는 높은 대조 및 낮은 재생성 에러의 최상의 절충(best compromise)을 획득하기 위해 최적화되어야 한다.

하이브리드는 오로지 높은 음향 대조를 달성하거나 또는 합성된 사운드 필드의 낮은 재생성 에러를 달성하는 것에 집중(focusing)하는 전략들을 제어하는 것에 비해 양호한 성능을 도입하는 것으로 보인다.

도 1은 본 발명의 방법을 이용하도록 구성된 시스템의 일 실시예를 도시하며, 요구되는 사운드 구역들을 포괄하는 소스들(2)의 등거리 원형 어레이를 가지는 시스템이 적용된다. 구역들 및 소스들의 개략적인 설정은 극좌표계(polar coordinate system)를 이용하여 도시된다. 제어될 공간적인 사운드 영역들은 40개의 음향 모노폴(monopole)들의 원형 어레이 내부에 있다. 어두운 구역은 높은 음압이 요구되는 밝은 구역에 비해 낮은 음압을 가진 영역들을 나타낸다. 시스템은 또한, 두 개의 구역들에서 요구되는 사운드를 획득하기 위해 방법에 따라 하나 이상의 소스들로부터 사운드 또는 신호들을 수신하고 스피커들(2)을 위한 신호들을 생성하도록 구성된 제어기 또는 프로세서(10)를 가진다. 따라서, 이 제어기는 더 많은 스피커들(2)을 위해서든 또는 각각의 스피커(2)에 대해 개별적으로든, 필터들, 지연 회로들 및/또는 증폭기들을 구비할 수 있다. 물론, 각각의 스피커(2)는 요구되는 경우, 대안적으로 자신만의 증폭기/지연 회로/필터를 구비할 수 있다.

제어 구역들 외부의 소스들의 원형 분포의 경우, 다음과 같이 어레이 내의 재생성된 사운드 필드를 기술하는 것이 가능하다:

여기서 첨자 m은 소정 음향 소스를 나타내는 반면, n은 제어 포인트이다. 그 다음, 제어 포인트들에서의 요구되는 사운드 필드는 다음과 같이 기술될 수 있다:

여기서, 밝은 구역 및 어두운 구역은 상이한 진폭(amplitude)의 평면파를 구역에 적용함으로써 구별된다(어두운 구역에서의 평면파의 진폭은 예컨대, 60dB만큼 감소된다).

상기 방정식은 다음과 같은 행렬 표기법으로 쓰여질 수 있다:

여기서 G는 M개의 소스들로부터 N개의 제어 포인트들로의, 방정식(7)에 의해 주어진 전달 함수들이고, q는 소스 가중치들의 1 x M 벡터이며, P^d는 방정식(8)에 정의된 제어 포인트들에서 샘플링된 요구되는 사운드 필드를 나타내는 1 x L 벡터이다. L > M이면, 시스템은 과도하게 결정(over-determined)되며, 가중치들은 제곱된 에러(squared error)를 최소화하는 것을 통해 결정될 수 있다:

규격화된 최소 제곱 솔루션(regularized least squares solution)은 다음과 같이 쓰여질 수 있다:

여기서, I는 M x M 단위 행렬이고,

는 역행렬에서의 티코노프 규격화(Tikhonov regularization)의 제약 파라미터이다.

본 발명의 선호되는 실시예에서, 사운드 필드 제어의 두 개의 상이한 카테고리들이 도입되었는 바, 하나는 사운드 에너지의 분포가 최적화되는 것이고 하나는 요구되는 사운드 필드가 가장 높은 가능한 정확도로 재생성되는 것이다.

요구되는 사운드 필드의 음향 대조 및 합성 둘 모두의 관점에서 사운드 필드를 제어하는 것이 요구될 때, 하이브리드 방법의 개념이 도입된다. 이러한 하이브리드 방법은 높은 음향 대조 및 낮은 재생성 에러를 달성하기 위해 이용가능한 소스들을 조정할 수 있다.

하이브리드 방법은 압력 매칭(10) 및 에너지차 최대화(6)로부터의 비용 함수들을 통합 최적화의 방법들 간의 트레이드오프(trade off)를 제어하기 위한 가중치를 포함하는 단일 방법으로 통합함으로써 포뮬레이션된다. 방정식(6)으로부터의 어레이 노력 제약(array effort constraint) q^Hq는 포함되지 않으며, 통합 하이브리드 비용 함수는 다음과 같이 제약되지 않은 최적화로서 쓰여진다:

여기서 α는 음향 대조의 최적화와 재생성 에러 간의 가중치 인자이다. DEM 및 압력 매칭 둘 모두를 표시하는 항(term)들을 포함하기 위해서, EDM 비용 함수(6)의 사인(sign)은 변경된다.

이는, 통합 비용 함수에서의 항들이 동일한 방향으로 수렴해야 하며 압력 매칭이 요구되는 사운드 필드와 재성성된 사운드 필드 간의 편차(deviation)를 최소화하는 것에 의존하기 때문에 행해진다.

대조의 최적화가 비용 함수에 포함되기 때문에, 하이브리드 방법 내의 압력 매칭 항은 주요 기준이 정확한 파면 재생성보다는 낮은 음압 레벨인 어두운 구역 내의 제어 포인트들을 포함할 필요가 없다. 그러므로, 하이브리드 방법 내의 압력 매칭 제어 포인트들은 오직 솔루션 상의 제약들을 줄이기 위해 밝은 부분 내의 포인트들을 포함한다. 소스 가중치들을 계산하기 위해, 방정식(12)의 증감( gradient)이 0인 고정 포인트들을 결정하는 것이 필요하다. q에 대한 미분(differentiation)을 통해, 고정 포인트들이 다음의 행렬 방정식에 대한 솔루션들로서 결정될 수 있다:

상기 방정식은 다양한 방식들로 풀릴 수 있는 일반적인 Ax = B 행렬 수식의 형태를 가진다. 전형적인 일 형태는 티코노프 규격화

를 포함하는 A의 의사 역행렬(pseudo inverse)이다. 규격화 파라미터

를 결정하기 위해, L-곡선 규격화의 개념을 적용하는 것이 적절할 수 있다.

도 2는 제어 인자 ζ의 상이한 값들에서 에너지차 최대화로 획득되는 음향 대조를 디스플레이한다. 음향 대조 제어에 의해 획득되는 성능이 참조로 포함된다. 값들은 도 1에 도시된 구성에 대해 1kHz에서 획득된다.

실험적인 데이터가 개시되며, 상기 데이터는 본 발명의 일 실시예의 시뮬레이션에 관계된다. 시뮬레이션은 무반향(anechoic) 조건들 하에서 그리고 어떤 산란된(scattering) 요소들도 없이 시행되었다. EDM, ACC 및 제안된 하이브리드 방법은 3D 음향 모노폴 시뮬레이션으로 구현되고, 반경 1.5m의 원형 소스 어레이 및 0.3m의 사운드 구역 반경과 일치하는(coinciding) 평면에서 평가되었다. 40개의 등거리 모노폴들을 이용한 시뮬레이션들이 100 내지 2500 Hz 범위의 상이한 주파수들에서 이루어졌다. 음향 대조가 재생성 에러와 마찬가지로 평가되었으며, 여기서 재생성 에러는 어떤 요구되는 위상 특성들도 ACC에 나타내지지 않는다는 사실로 인해 EDM 및 하이브리드 방법에 대해서만 적용되었다. 전파 방향 -90°의 평면파가 압력 매칭 및 하이브리드 방법의 경우 밝은 구역에서 합성될 요구되는 사운드 필드로서 정의되었다. 평면파 필드가 간략성을 기하기 위해서만 선택되었으며, 이론적으로는 숙련자는 임의의(arbitrary) 사운드 필드를 획득하기 위해 최적화를 할 수 있다. 하이브리드 방법에 의해 획득되는 성능은 두 개의 가중치 인자들 α 및 ζ의 결정에 의존한다.

시뮬레이션을 위해, 다음의 절차가 적용된다:

(1) 대조 성능을 위한 기초로서, ζ은 ACC를 이용하여 달성되는 대조의 0.9보다 작지 않은 대조를 획득하도록 조정된다.

(2) 밝은 구역 내의 사운드 필드의 요구되는 제어를 획득하기 위하여, α는 압력 매칭 방법으로 발견되는 결과적인 에러의 8배 미만의 재생성 에러를 달성하기 위해 조정된다.

단계(1) 및 (2) 모두에서, 가중치들은 최대 수의 단계들로 반복적으로 결정되며, 선천적으로, 요구되는 성능이 달성될 수 없는 경우, 절차는 최대 단계 제한에서 획득되는 결과로 계속된다.

도 3은 1kHz에서 관심있는 평면의 2-차원 플롯들을 디스플레이하며, 1kHz에서 0.3m의 반경 및 1.2m의 분리 거리로 밝은 구역 및 어두운 구역을 생성할 때, 상부 행(row)은 정규화된 레벨을 도시하고 하부는 ACC, PM 및 하이브리드 방법의 성능을 보여주는 복합 사운드 필드의 실제 부분을 도시한다. 1.5m의 원(circle) 상의 40개의 3-차원 모노폴 소스들의 어레이가 시뮬레이션되었다. 표면 플롯은 소스 어레이와 일치하는 평면을 도시하고 있다. 좌측 열(column)은 ACC, 대조 (B,D)=149dB이고, 중앙 열은 PM, 대조 (B,D)=62dB, ζ=0이며, 우측 열은 하이브리드 방법, 대조 (B,D)= 149dB, ζ=0.02이다. ACC 및 하이브리드 방법이 압력 매칭에 비해 높은 대조를 제공하는 것이 분명하다.

레벨 플롯들 상의 어두운 영역들은 공간적으로 더 확장되는 것으로 보여지며 낮은 음압은 미리 정의된 영역들을 넘어 멀리 확장된다. ACC의 경우, 어두운 영역은 밝은 구역의 공간과 거의 중첩돼서 이 영역에 걸쳐 공간적인 변화들을 도입하는 것으로 발견되며, 이는 매우 의도되지 않은 것이다. 압력 매칭 및 하이브리드 방법 둘 모두는 밝은 구역에서 더 균일한 사운드 에너지의 분포를 제공한다.

ACC의 경우에 발견된 파면들은 어떤 특별한 경우에, 예상대로 제어되는 것으로 보이지 않는다. 두 가지 나머지 전략들의 경우, 요구되는 평면파 필드가 정확하게 합성되는 것으로 보인다.

도 4는 세 개의 제어 전략들 모두에 대해서 주파수에 따른 음향 대조를 나타내는데 이것은 상부 플롯에서 보여지고 하부 플롯에서는 대응하는 재생성 에러가 압력 매칭 및 하이브리드 방법에 대해 발견된다.

가장 높은 대조 성능은 관심있는 전체 주파수 밴드에서 ACC를 이용하여 달성된다.

하이브리드 방법은 소정 구조에 있어서 약 1750 Hz 미만에서 압력 매칭 방법에 비해 양호하게 수행되며, 높은 주파수들에서 압력 매칭 방법쪽으로 수렴하는 것으로 보인다.

하이브리드로 획득된 결과적인 대조는 주요한 노력이 높은 대조보다는 낮은 재생성 에러를 유지하는 것에 집중되어 있는 1200 Hz 초과에서 빠르게 떨어지는 바, 그 이유는 높은 대조 및 낮은 재생성 에러를 포함하는 최적 조건(optimum)이 이 주파수 간격에서 달성불가능한 것으로 보이기 때문이다.

하이브리드의 재생성 에러에서 상당한 변동은 1500 Hz 초과에서 발견될 수 있으며, 따라서 재생성된 사운드 필드의 에러는 대조에 대해 발견되었던 바와 같이 압력 매칭의 에러쪽으로 수렴하지 않을 수 있다. 이는 하이브리드 최적화의 엔드포인트들이 예상될 수 있는 바와 같이, 포뮬레이션된 최적화(즉, ACC 및 압력 매칭)의 두 개의 최극단(most extreme end)의 포인트들에 완전히 도달하지 않음을 나타낸다.

본 발명은 개별적인 사운드 구역들을 인에이블 - 제어- 하는 것이 관련되는 도메인들에 적용될 수 있다. 이 사운드 구역들은 예컨대, 집, 차, 보트와 같은 개인 도메인들 또는, 기차들, 비행기들, 가게(shop)들, 창고들, 전시홀들, 공항들 및 기타 등등과 같은 공공 도메인들에 존재한다.

시스템은 파라미터들이 변경되어야 할 때 또는 청취 공간, 가구들, 청취 위치(들), 구역 위치들, 스피커 위치들 또는 기타 등등이 변경될 때, 모델을 설정하고 파라미터들을 유도하기 위해 그리고/또는 영구적인 또는 간헐적인 사용을 위해 하나 이상의 마이크들(4)(도 1)을 구비할 수 있다.

유용한 사운드 구역들을 획득하기 위해, 바람직하게는, 정의된 하나 이상의 사운드 구역들 간의 "사운드 격리"의 레벨에 대한 강한 요건들이 존재한다. 따라서, 일 구역의 청취자는 바람직하게는, 다른 구역으로부터의 사운드/노이즈에 의해 방해받지 않는다.

Claims

둘 이상의 사운드 구역들에서 멀티채널 오디오 신호들의 재생성을 위해 통합 제어 전략을 적용하는 방법으로서,
음압(sound pressure)의 관점에서 구역들 간의 음향적 분리를 획득하기 위해 상기 구역들 내의 음향 포텐셜 에너지를 제어하기 위한 제1 비용 함수(cost function)를 유도하는 단계와;
상기 구역들에 제공되는 사운드의 위상을 제어하는 제2 비용 함수를 유도하는 단계를 포함하고,
통합 최적화에서 상기 제1 및 제2 비용 함수들의 통합을 결정(determining)하기 위한 가중치(weight)가 획득되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 비용 함수는 음향 대조 제어(ACC) 방법의 비용 함수인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 비용 함수는 에너지차 최대화(EDM) 방법의 비용 함수인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 비용 함수는 압력 매칭(PM) 방법의 비용 함수인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 비용 함수를 유도하는 단계는, 다음과 같이:

각각의 구역에서의 음향 포텐셜 에너지가 구역 내의 평균 제곱(mean square) 음압에 비례하는 비용 함수를 유도하는 것을 포함하며,
여기서,
E_pot는 음향 포텐셜 에너지를 나타내고,
S는 구역의 면적을 나타내고,
p(x)는 위치 x에서의 음압을 나타내고, 그리고
da는 미분 영역 요소를 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 비용 함수를 유도하는 단계는, 결과적인 재생성 에러(reproduction error)를 이용하여 그리고 낮은 재생성 에러를 획득하기 위해 위상 제어를 평가하는 것을 포함하고, 상기 재생성 에러는:

과 같이 정의되며, 여기서 N은:

으로 주어지는 정규화 인자(normalization factor)이며,
여기서,
ε는 재생성 에러를 나타내고,
N은 정규화 인자를 나타내고,
S는 구역의 면적을 나타내고,
p^d(x)는 위치 x에서의 요구되는 사운드 필드를 나타내고,
p^r(x)는 위치 x에서의 재생성된 사운드 필드를 나타내고, 그리고
da는 미분 영역 요소를 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
제6항에 있어서,
상기 재생성 에러는 밝은 구역을 샘플링하는 포인트들에서 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서,
방법은 압력 매칭(10) 및 에너지차 최대화(6)로부터의 비용 함수들을 통합 최적화에서의 방법들 간의 트레이드오프(tradeoff)를 제어하기 위한 가중치를 포함하는 단일 비용 함수로 통합하는 것을 특징으로 하는 방법.
제8항에 있어서,
상기 비용 함수들은,

로서 주어지는 제약되지 않은 최적화(unconstrained optimization)이며,
여기서,
f()는 비용 함수를 나타내고,
q는 소스 가중치들의 벡터를 나타내고,
H는 에르미트 전치행렬을 나타내고,
α 및 ζ는 가중치 인자를 나타내고,
R_D 및 R_B는 어두운 구역 및 밝은 구역 각각 대한 소스들과 포인트들 사이의 공간적인 상관을 나타내고,
G는 전달 함수를 나타내고, 그리고
p^d는 제어 포인트들에서 샘플링된 요구되는 사운드 필드의 벡터를 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
제8항에 있어서,
소스 가중치들은 변화도(gradient)가 제로(zero)인 고정 포인트들로부터 계산되고, 고정 포인트들은:

으로 주어지는 것으로서 결정되며,
여기서,
α 및 ζ는 가중치 인자를 나타내고,
R_D 및 R_B는 어두운 구역 및 밝은 구역 각각 대한 소스들과 포인트들 사이의 공간적인 상관을 나타내고,
G는 전달 함수를 나타내고,
H는 에르미트 전치행렬을 나타내고,
q는 소스 가중치들의 벡터를 나타내고, 그리고
p^d는 제어 포인트들에서 샘플링된 요구되는 사운드 필드의 벡터를 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
복수의 라우드스피커(loudspeaker)들 각각을 구동하기 위한 파라미터들을 상기 통합 최적화로부터 유도하는 단계와,
상기 유도된 파라미터들에 따라 상기 라우드스피커들을 구동하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 가중치는 상기 구역들 중 미리 결정된 구역에서 평면파(plane wave)로부터 미리 결정된 최대 재생성 에러를 가지도록 상기 제2 비용 함수를 유도함으로써 획득되는 것을 특징으로 하는 방법.
제12항에 있어서,
상기 최대 재생성 에러는 15%인 것을 특징으로 하는 방법.