KR102154553B1 - 지향성이 향상된 마이크로폰 어레이 및 이를 이용한 음장 취득 방법 - Google Patents

지향성이 향상된 마이크로폰 어레이 및 이를 이용한 음장 취득 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지향성이 향상된 마이크로폰 어레이 및 이를 이용한 음장 취득 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로폰 어레이는, 어레이 본체에 인입 가능하며, 어레이 본체의 표면으로부터 중심으로 갈수록 단면적이 감소하는 구조를 갖는 마이크로폰 모듈을 포함할 수 있다. 또한, 전술한 마이크로폰 어레이를 이용한 음장 취득 방법은, 마이크로폰 모듈에 대응되는 가상 스피커를 설정하는 단계, 마이크로폰 모듈로 입력되는 음압 신호의 조합으로 가상 스피커의 입력 신호를 추정하는 단계 및 가상 스피커의 위치에 의해 결정되는 고차 앰비소닉스(Higher-order Ambisonics, HOA) 신호를 기초로 음장 정보를 가상 스피커의 입력 신호의 조합으로 추정하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

지향성이 향상된 마이크로폰 어레이 및 이를 이용한 음장 취득 방법{A SPHERICAL ARRAY OF MICROPHONES FOR IMPROVED DIRECTIVITY AND A METHOD TO ENCODE SOUND FIELD WITH THE ARRAY}
본 발명은 지향성이 향상된 마이크로폰 어레이 및 이를 이용한 음장 취득 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 개별 마이크로폰의 지향성을 향상시킬 수 있는 물리적 구조가 도입된 마이크로폰 어레이 및 가상 스피커 개념을 이용하여 마이크로폰 음압 신호를 고차 앰비소닉스(Higher-order Ambisonics, HOA) 신호로 변환하여 음장을 취득하는 방법에 관한 것이다.
음장을 취득한다는 것은 어느 시간대에 어떤 음파가 어떤 방향에서 입사하는지 등의 공간적인 정보를 취득하는 것으로, 취득된 정보는 주로 고차 앰비소닉스(Higher-order Ambisonics, HOA) 신호로 표현된다. 이렇게 음장 정보를 HOA 신호로 표현하는 것을 공간적 인코딩(spatial encoding)이라고 부른다. 이 신호를 이용하면 음장 내 임의의 지점에서의 음압을 계산할 수도 있고, 모노, 스테레오 등의 신호를 추출할 수도 있다. 이 신호는 입체음향 방송, 헤드폰 기반의 가상현실 기기나 다채널 스피커 기반의 영화관 음향 시스템을 이용한 음장 재현에 사용된다.
현재까지 주로 사용되는 방법은 다수의 마이크로폰을 구의 표면에 마이크로폰의 다이어프램이 위치하도록 제작된 구형 마이크로폰 어레이를 이용하여 음장 정보를 취득하는 것이다. 다수의 마이크로폰으로 측정된 구 표면의 음압을 변환식을 사용하여 HOA 신호로 변환하는 것이다. 이 방법은 기존 4개의 마이크로폰으로 이루어진 음장 마이크로폰이 1차 앰비소닉스 신호까지만 취득할 수 있던 한계를 극복한 것이다. 그러나, 마이크로폰 개수의 한계 및 마이크로폰 간의 거리 한계에 의해 음장 정보를 취득할 수 있는 상한 주파수가 제한된다는 단점이 있다.
즉, 근접한 마이크로폰 간격이 반파장 이하여야 한다는 전제가 있어서, 최대 가청 주파수까지 포함하기에는 수백 내지 수천 개 정도의 너무 많은 마이크로폰이 필요하다. 수십 개 정도의 마이크로폰을 이용하면, 상한 주파수가 너무 낮은 문제가 있다. 상한 주파수보다 높은 범위에서는 HOA 신호가 기본 이론대로 얻어질 수 없어서, 스피커나 헤드폰으로 재생된 음장에 왜곡이 생긴다. 가령 특정 주파수 대역에서는 우측에서 나야 할 소리가 좌측에서 나는 식으로 음원의 위치가 왜곡된다.
일본 공개특허공보 제2018-157309호 (2018.10.04)
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 구의 표면에 배치되는 개별 마이크로폰의 지향성을 향상시킬 수 있는 물리적 구조를 통해 음원의 방향을 높은 주파수까지 구분하는 음장 취득 환경을 구축할 수 있는 마이크로폰 어레이를 제공함에 목적이 있다.
또한, 전술한 마이크로폰 어레이에 대한 가상 스피커 개념을 이용하여 마이크로폰에서 측정된 음압 신호를 HOA 신호를 변환함으로써, 주파수에 관계없이 음장의 왜곡을 최소화할 수 있는 음장 취득 방법을 제공함에 목적이 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 지향성이 향상된 마이크로폰 어레이는, 어레이 본체에 인입 가능하며, 어레이 본체의 표면으로부터 중심으로 갈수록 단면적이 감소하는 구조를 갖는 마이크로폰 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 마이크로폰 모듈의 단면은 원형 또는 다각형일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 마이크로폰 모듈의 단면적의 감소 비율은 선형적일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로폰 모듈은, 소정의 지점을 기준으로 단면적의 감소 비율이 상이할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 마이크로폰 모듈의 단면적의 감소 비율은 비선형적일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 마이크로폰 모듈의 내벽에는 흡음재가 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로폰 모듈은, 마이크로폰 모듈에서 생성되는 음압 신호의 지향성을 강화하기 위해 마이크로폰 모듈의 내부 공간에 형성되는 메타 구조물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 메타 구조물은, 마이크로폰 모듈의 내벽을 연결하는 기둥 형상이거나 내벽의 일 영역에 돌출되어 형성되는 반구 또는 다면체 형상일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 지향성이 향상된 마이크로폰 어레이를 이용한 음장 취득 방법은, 마이크로폰 어레이의 마이크로폰 모듈에 대응되는 가상 스피커를 설정하는 단계, 마이크로폰 모듈로 입력되는 음압 신호의 조합으로 가상 스피커의 입력 신호를 추정하는 단계 및 가상 스피커의 위치에 의해 결정되는 고차 앰비소닉스(Higher-order Ambisonics, HOA) 신호를 기초로 음장 정보를 가상 스피커의 입력 신호의 조합으로 추정하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 마이크로폰 모듈은 어레이 본체에 인입 가능하며, 어레이 본체의 표면으로부터 중심으로 갈수록 단면적이 감소하는 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 가상 스피커를 설정하는 단계에서는, 마이크로폰 어레이에 결합된 마이크로폰 모듈의 종류에 따라 음장 정보의 측정을 위한 주파수 범위가 구분될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예로서 제공되는 마이크로폰 어레이 및 음장 취득 방법은, 가상현실/증강현실 오디오에 적용될 수 있으며, 입체음향 레코딩에도 이용될 수 있다. 특히 기존 기술과 비교하여 마이크로폰 개수 대비 상한 주파수를 획기적으로 증가시킬 수 있고, 이는 달리 표현하면 같은 상한 주파수에 대해서 마이크로폰 개수를 크게 줄일 수 있다. 즉, 같은 효과에 대해 큰 비용절감을 얻을 수 있고, 적은 노력으로 큰 성능 향상을 얻을 수도 있다.
또한, 높은 주파수 대역의 음장 취득 성능을 크게 향상시키므로, 가상현실과 다채널 스피커로 재생했을 때, 그 효과가 기존보다 획기적으로 향상된다. 인간의 청감 상 높은 주파수 대역에서 음원 위치 추적 성능이 좋기 때문이다. 더불어, 음장 취득 이외에도 음원 위치 추적에도 사용될 수 있어서 자동차 등 공간의 실내에서 소음원 위치를 찾는 경우에도 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로폰 어레이의 사시도이다.
도 2는 종래의 마이크로폰 어레이와 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로폰 어레이의 지향성 차이를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 (a) 마이크로폰 모듈의 사시도, (b) 마이크로폰 모듈의 좌측 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마이크로폰 모듈의 좌측 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타 구조물의 (a) 좌측 단면도, (b) 상측 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 메타 구조물의 (a) 좌측 단면도, (b) 상측 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로폰 어레이를 이용한 음장 취득 방법의 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음장 취득 방법을 도식화한 개념도이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, "그 중간에 다른 구성을 사이에 두고" 연결되어 있는 경우도 포함한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로폰 어레이(100)의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로폰 어레이(100)는, 구형의 어레이 본체 및 어레이 본체에 인입 가능한 마이크로폰 모듈(10)을 포함할 수 있다. 이때, 어레이 본체에는 마이크로폰 모듈(10)이 탑재될 수 있는 장착(mount) 공간이 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 1과 같이 마이크로폰 어레이(100)에 8개의 마이크로폰 모듈(10)이 장착될 수 있도록 어레이 본체에는 상하 4개씩 장착 공간이 형성될 수 있다. 장착 공간의 개수, 위치 등은 전술한 예시에 한정되지 않으며, 음장 취득의 목적에 따라 다양하게 변형되어 제작될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로폰 모듈(10)은 마이크로폰을 중심으로 음압 신호가 지향성을 갖도록 하는 물리적 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 1과 같이 마이크로폰 모듈(10)은 마이크로폰을 최상단 꼭지점으로 하는 사각뿔 형상일 수 있다. 다시 말해서, 마이크로폰 모듈(10)은 음압 신호가 입력되는 내부 공간이 마이크로폰 방향으로 갈수록 좁아지도록 제작될 수 있다. 즉, 마이크로폰이 어레이 본체의 내부에 위치하도록 마이크로폰 모듈(10)은 장착 공간에 삽입되므로, 마이크로폰 모듈(10)은 어레이 본체의 표면으로부터 중심으로 갈수록 단면적이 감소하는 구조를 가질 수 있다. 이와 같은 마이크로폰 모듈(10)의 물리적 구조에 의해 마이크로폰으로 입력되는 음압 신호는 마이크로폰 모듈이 향하는 방향에 대해 지향성을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로폰 모듈(10)은 사용자의 조작에 의해 구형의 어레이 본체와 결합되거나 구형의 어레이 본체로부터 분리될 수 있다. 즉, 음장 취득의 목적에 따라 다양한 위치 및 방향에서 음압 신호가 생성될 수 있도록 마이크로폰 모듈(10)은 장착 공간에 삽입되거나 장착 공간으로부터 탈거될 수 있다. 예를 들어, 어레이 본체의 하단에는 4개의 마이크로폰 모듈(10)이 장착될 수 있으며, 어레이 본체의 상단 표면에는 도 2의 (a)와 같이 종래의 마이크로폰이 설치될 수 있다. 즉, 사용자에 의해 도 1과 같은 어레이 본체의 상단에 장착된 4개의 마이크로폰 모듈(10)은 어레이 본체로부터 분리되고, 4개의 마이크로폰이 어레이 본체의 상단 표면에 장착될 수 있다. 이러한 마이크로폰 모듈(10)의 탈부착 구조를 통해 하나의 어레이 본체로도 마이크로폰 모듈(10)의 개수를 조정하여 다양한 방식으로 음장 정보를 취득할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 마이크로폰 모듈(10)의 단면은 원형 또는 다각형일 수 있다. 마이크로폰 모듈(10)의 단면의 모양에 따라 마이크로폰 모듈(10)의 전체 형상과 어레이 본체의 장착 공간의 전체 형상이 결정된다. 예를 들어, 마이크로폰 모듈(10)의 단면이 사각형인 경우, 마이크로폰 모듈(10)은 사각뿔 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 사각뿔 형상의 마이크로폰 모듈(10)이 밀착되어 안정적으로 결합될 수 있도록 어레이 본체의 장착 공간은 4개의 면이 어레이 본체의 중심으로 갈수록 좁아지는 구조를 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 마이크로폰 모듈(10)의 내벽에는 흡음재가 구비될 수 있다. 전술한 마이크로폰 모듈(10)의 물리적 구조 자체만으로도 음압 신호의 지향성을 향상시킬 수 있다. 그러나, 마이크로폰 모듈(10)의 내벽을 따라 흡음재가 부착되면, 마이크로폰 모듈(10)의 내벽에 의해 반사되는 신호를 최소화함으로써 음압 신호의 지향성을 더욱 강화할 수 있다. 즉, 신호의 지향성을 더욱 강화하기 위해서, 흡음재는 마이크로폰 모듈(10)의 내벽과 동일한 크기, 길이 및 형상을 갖도록 제작되어 마이크로폰 모듈(10)의 내벽에 구비될 수 있다.
도 2는 종래의 마이크로폰 어레이와 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로폰 어레이(100)의 지향성 차이를 나타낸 단면도이다.
도 2의 (a)와 같이(i.e. 종래의 마이크로폰 어레이와 같이) 개념적으로 마이크로폰이 구형 마이크로폰 어레이의 표면에 위치할 경우, 마이크로폰 사이의 거리에 의해 결정되는 상한 주파수까지 음장 정보를 계산하는데 그칠 수 밖에 없다. 상한 주파수보다 높은 주파수 영역에서는 음압 신호가 충분한 지향성을 갖지 못하고 여러 방향에서 오는 신호가 모두 입력되므로, 음장의 왜곡, 음원의 위치 왜곡 등의 문제로 인해 정확히 원하는 공간 상의 위치에 대한 음장 정보를 취득하는 것에 어려움이 있을 수 밖에 없다.
반면, 도 2의 (b)와 같이(i.e. 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로폰 어레이(100)와 같이) 마이크로폰이 구형 마이크로폰 어레이(100)의 내부에 위치함과 동시에 신호를 가이드하는 지향성 구조를 갖는 경우, 현실적인 구현이 가능할 뿐만 아니라 음파의 지향성을 향상시켜 음원의 방향을 높은 주파수까지 구분할 수 있는 환경을 제공할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로폰 어레이(100)는 지향성을 향상시키는 물리적 구조(i.e. 어레이 본체의 표면으로부터 중심으로 갈수록 단면적이 감소하는 구조)를 통해 음파의 지향성을 향상시키고, 상한 주파수를 증가시킴으로써, 마이크로폰 어레이(100)의 음장의 왜곡, 음원의 위치 왜곡 등의 문제를 개선할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 (a) 마이크로폰 모듈(10)의 사시도, (b) 마이크로폰 모듈(10)의 좌측 단면도이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로폰 모듈(10)은 마이크로폰으로 입력되는 음압 신호가 지향성을 갖도록 내부 공간이 마련된 구조를 가질 수 있다. A-A'축을 기준으로 살펴보면, A지점에 마이크로폰이 연결될 수 있으며, A'지점에서 A지점으로 갈수록 마이크로폰 모듈(10)은 내부 공간의 B-B'축의 수직면을 기준으로 한 단면적은 점차 감소하도록 형성될 수 있다. 따라서, 도 3의 (a)와 같은 마이크로폰 모듈(10)의 구조에서는 A'지점으로부터 A지점 방향으로 지향성을 갖는 음압 신호가 입력될 수 있다.
도 3의 (b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로폰 모듈(10)의 단면적의 감소 비율은 선형적일 수 있다. A-A'축을 기준으로 살펴보면, A'지점에서 A지점으로 갈수록 마이크로폰 모듈(10)의 측벽 간 거리(i.e. 단면적)는 점차 감소하도록 형성될 수 있다. 이때, 마이크로폰 모듈(10)의 측벽 간 거리의 감소 비율이 일정하게 유지됨으로써, 도 3의 (b)와 같이 마이크로폰 모듈(10)의 측벽은 직선 구조를 가질 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 마이크로폰 모듈(10)의 좌측 단면도이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로폰 모듈(10)은, 소정의 지점을 기준으로 단면적의 감소 비율이 상이할 수 있다. A-A'축을 기준으로 살펴보면, A'지점과 A지점 사이의 중간 지점을 기준으로 마이크로폰 모듈(10)의 측벽 간 거리(i.e. 단면적)의 감소 비율이 상이할 수 있다. 즉, 중간 지점을 기준으로 A'지점 방향의 단면적의 감소 비율은 중간 지점을 기준으로 A지점 방향의 단면적의 감소 비율보다 상대적으로 큰 값을 가질 수 있다. 따라서, 중간 지점을 기준으로 A'지점 방향의 측벽이 중간 지점을 기준으로 A지점 방향의 측벽에 비해 큰 경사를 갖는 직선 구조로 형성될 수 있다. 다만, 전술한 중간 지점은 소정의 지점의 하나의 예시일 뿐이며, 소정의 지점의 위치는 음장 취득의 목적에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
도 4의 (b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로폰 모듈(10)의 단면적의 감소 비율은 비선형적일 수 있다. 즉, 마이크로폰 모듈(10)의 단면적은 전체적으로는 감소하나, 부분적으로는 증가하는 비선형적 경향을 보일 수 있다. 예를 들어, A-A'축을 기준으로 살펴보면, A'지점에서 A지점으로 갈수록 마이크로폰 모듈(10)의 측벽 간 거리(i.e. 단면적)가 감소하는 비율은 계속 변화할 수 있다. 이로 인해 마이크로폰 모듈(10)의 측벽은 곡선 구조를 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타 구조물(11)의 (a) 좌측 단면도, (b) 상측 단면도, 도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 메타 구조물(12)의 (a) 좌측 단면도, (b) 상측 단면도이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로폰 모듈(10)은, 마이크로폰 모듈(10)에서 생성되는 음압 신호의 지향성을 강화하기 위해 마이크로폰 모듈(10)의 내부 공간에 형성되는 메타 구조물을 포함할 수 있다. 메타 구조물은 음파의 진행 경로를 따라 공간 상에 배치되어 음파의 방향을 일정한 지점으로 유도시키는 구성을 말한다. 전술한 마이크로폰 모듈(10)의 물리적 구조 자체만으로도 음압 신호의 지향성을 향상시킬 수 있으나, 음파가 이동하는 마이크로폰 모듈(10)의 내부 공간에 메타 구조물이 배치되면, 신호의 방향을 일지점으로 수렴시킴으로써 음압 신호의 지향성을 더욱 강화할 수 있다. 예를 들어, 마이크로폰 모듈(10)이 메타 구조를 갖도록 마이크로폰 모듈(10)의 내부 공간에 격벽이 추가로 구비될 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타 구조물(11)은, 마이크로폰 모듈(10)의 내벽을 연결하는 기둥 형상일 수 있다. 즉, 실린더 형상의 메타 구조물(11)이 마이크로폰 모듈(10)의 내부 공간에 형성될 수 있다. 이때, 메타 구조물(11)의 직경의 크기는 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 도 5의 (b)와 같이 3개의 라인으로 배열된 실린더 형상의 메타 구조물(11)이 마이크로폰 모듈(10)의 내벽을 서로 연결하도록 형성될 수 있다. 이때, 3개의 라인 중 중간 라인의 메타 구조물(11)의 직경의 크기는 나머지 라인의 메타 구조물(11)의 크기보다 클 수 있다.
또한, 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타 구조물(12)은, 내벽의 일 영역에 돌출되어 형성되는 반구 또는 다면체 형상일 수 있다. 전술한 실린더 형상의 메타 구조물(11)은 음파가 이동하는 경로 상에 내벽과 내벽을 잇는 공간적 장애물을 형성하는 것이라면, 반구 또는 다면체 형상의 메타 구조물(12)은 내벽 자체의 구조를 변화시켜 마이크로폰 모듈(10)의 내부 공간 자체를 변형시키는 것으로 이해될 수 있다. 마찬가지로, 메타 구조물(12)의 직경의 크기는 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 도 6의 (b)와 같이 3개의 라인으로 배열된 반구 형상의 메타 구조물(12)이 마이크로폰 모듈(10)의 내벽 각각에 모두 형성될 수 있다. 즉, 마이크로폰 모듈(10)이 사각뿔 형상이라면, 4개의 내벽 모두에 반구 형상의 메타 구조물(12)이 돌출되도록 형성될 수 있다. 이때, 3개의 라인 중 중간 라인의 메타 구조물(12)의 직경의 크기는 나머지 라인의 메타 구조물(12)의 크기보다 클 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로폰 어레이(100)를 이용한 음장 취득 방법의 순서도, 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 음장 취득 방법을 도식화한 개념도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 음장 취득 방법은, 마이크로폰 어레이(100)의 마이크로폰 모듈(10)에 대응되는 가상 스피커를 설정하는 단계(S100), 마이크로폰 모듈(10)로 입력되는 음압 신호의 조합으로 가상 스피커의 입력 신호를 추정하는 단계(S200) 및 가상 스피커의 위치에 의해 결정되는 고차 앰비소닉스(Higher-order Ambisonics, HOA) 신호를 기초로 음장 정보를 가상 스피커의 입력 신호의 조합으로 추정하는 단계(S300)를 포함할 수 있다. 이때, 전술한 각 단계는 음장 취득을 위해 마이크로폰 어레이(100)와 연결된 컴퓨팅 장치(computing device)의 프로세서(processor)에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 가상 스피커를 설정하는 단계(S100)에서, 프로세서에 의해 설정되는 가상 스피커의 개수는 마이크로폰 모듈(10)의 개수와 동일하거나 상이할 수 있다. 가상 스피커의 개수가 마이크로폰 모듈(10)의 개수와 동일한 경우, 가상 스피커와 마이크로폰 모듈(10)이 서로 1대1로 대응되도록 구성될 수 있다. 가상 스피커의 개수가 마이크로폰 모듈(10)의 개수와 상이한 경우, 가상 스피커와 마이크로폰 모듈(10)을 대응시키기 위해 변환 매트릭스가 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 가상 스피커의 입력 신호를 추정하는 단계(S200)에서, 프로세서는 마이크로폰 모듈(10)로 입력되는 음압 신호와 제 1 매개변수의 곱을 계산하고, 계산된 결과들의 합을 기초로 가상 스피커의 입력 신호를 도출할 수 있다. 다음의 [식 1]을 참조하면, 마이크로폰 모듈의 개수가 N개, 가상 스피커의 개수가 M개인 경우(N, M은 자연수), N번째 마이크로폰 모듈의 음압 신호는 PN(f), M번째 가상 스피커의 입력 신호는 qM(f)로 표현될 수 있다. 이때, 마이크로폰 모듈의 음압 신호와 곱해지는 제 1 매개변수 WMN(f)는 M번째 가상 스피커와 N번째 마이크로폰 모듈 간의 위치, 방향, 거리 등이 고려되어 결정될 수 있다.
[식 1]
Figure 112019095533100-pat00001
즉, 하나의 가상 스피커의 입력 신호가 어레이 본체와 결합되어 음파가 입력되는 모든 마이크로폰 모듈과의 공간적 상관관계가 고려되어 모든 마이크로폰 모듈로부터 측정된 음압 신호의 조합으로 추정될 수 있다. 예를 들어, 도 8과 같이 5개의 마이크로폰 모듈에 대해 1대1로 대응되도록 5개의 가상 스피커가 설정되면, 1번 가상 스피커의 입력 신호인 q1(f)는 5개의 마이크로폰 모듈 각각의 음압 신호인 P1(f), P2(f), P3(f), P4(f), P5(f)와 1번 가상 스피커와 5개의 마이크로폰 모듈 간의 공간적 상관관계가 고려되어 도출된 제 1 매개변수 W11(f), W12(f), W13(f), W14(f), W15(f)의 곱으로 추정될 수 있다. 이와 같은 입력 신호의 추정은 2번 가상 스피커부터 5번 가상 스피커까지 모두 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 음장 정보를 추정하는 단계(S300)에서, 프로세서는 전술한 단계를 통해 추정된 가상 스피커의 입력 신호와 제 2 매개변수의 곱을 계산하고, 계산된 결과들의 합을 기초로 음장 정보를 도출할 수 있다. 이때, 제 2 매개변수는 가상 스피커의 위치를 기초로 결정되는 HOA 신호를 말한다. 다음의 [식 2]을 참조하면, 마이크로폰 모듈의 개수가 N개, 가상 스피커의 개수가 M개인 경우(N, M은 자연수), 음장 정보에 해당하는 최종 HOA 신호는 Am'n'(f)로 표현될 수 있다. 이때, 가상 스피커의 입력 신호와 곱해지는 제 2 매개변수 Am'n',M(f)는 마이크로폰 어레이(100)에 대한 M번째 가상 스피커의 위치를 기준으로 도출된 HOA 신호이다.
[식 2]
Figure 112019095533100-pat00002
즉, 음장 정보는 HOA 신호로서 가상 스피커 각각의 HOA 신호가 고려되어 모든 가상 스피커의 입력 신호의 조합으로 추정될 수 있다. 예를 들어, 도 8과 같이 5개의 마이크로폰 모듈에 대해 1대1로 대응되도록 5개의 가상 스피커가 설정되면, 음장 정보로서 최종 HOA 신호인 A5'5'(f)는 5개의 가상 스피커 각각의 입력 신호인 q1(f), q2(f), q3(f), q4(f), q5(f)와 마이크로폰 어레이(100)와 5개의 가상 스피커 각각의 공간적 상관관계가 고려되어 도출된 HOA 신호인 제 2 매개변수 A5'5',1(f), A5'5',2(f), A5'5',3(f), A5'5',4(f), A5'5',5(f)의 곱으로 추정될 수 있다.
전술한 바와 같은 마이크로폰 어레이(100)를 이용한 음장 취득 방법은, 구 표면의 음압을 측정하는 종래의 구형 마이크로폰 어레이와 주파수 범위를 할당하여 함께 사용될 수도 있다. 즉, 하나의 구형 어레이 본체의 표면에 종래의 마이크로폰과 본 발명의 일 실시 예에 따른 물리적 구조가 형성된 마이크로폰 모듈(10)을 모두 설치함으로써, 높은 주파수에서는 제안된 음장 취득 방법을 사용하고, 낮은 주파수에서는 기존의 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 가상 스피커를 설정하는 단계(S100)에서, 프로세서가 마이크로폰 어레이(100)에 결합된 마이크로폰 모듈의 종류를 판단하고, 판단된 결과를 기초로 HOA 신호의 측정을 위한 마이크로폰 모듈의 주파수 범위를 구분(또는 할당)할 수 있다. 종래의 마이크로폰과 마이크로폰 모듈(10)이 함께 마이크로폰 어레이(100)에 설치되어 있는 경우, 프로세서는 종래의 마이크로폰에는 상대적으로 낮은 주파수, 마이크로폰 모듈(10)에는 상대적으로 높은 주파수를 할당하여 전술한 HOA 신호 측정 과정을 수행할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 마이크로폰 모듈
11, 12: 메타 구조물
100: 마이크로폰 어레이
200: 가상 스피커

Claims (10)

  1. 지향응답을 제어하는 마이크로폰 어레이로서,
    어레이 본체에 인입 가능하며, 상기 어레이 본체의 표면으로부터 중심으로 갈수록 단면적이 감소하는 구조를 갖는 마이크로폰 모듈을 포함하고,
    상기 마이크로폰 모듈은 상기 마이크로폰 모듈에서 생성되는 음압 신호의 지향성을 강화하기 위해 상기 마이크로폰 모듈의 내부 공간에 형성되는 메타 구조물을 포함하고,
    상기 메타 구조물은 상기 마이크로폰 모듈의 내벽을 연결하는 기둥 형상이거나 상기 내벽의 일 영역에 돌출되어 형성되는 반구 또는 다면체 형상이며,
    상기 구조는 위상정보를 포함하여 음파방향에 대한 응답에 따라 설계되는 것을 특징으로 하는 마이크로폰 어레이.

  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로폰 모듈의 단면은 원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 마이크로폰 어레이.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로폰 모듈의 단면적의 감소 비율은 선형적인 것을 특징으로 하는 마이크로폰 어레이.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 마이크로폰 모듈은,
    소정의 지점을 기준으로 상기 단면적의 감소 비율이 상이한 것을 특징으로 하는 마이크로폰 어레이.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로폰 모듈의 단면적의 감소 비율은 비선형적인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 마이크로폰 어레이.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로폰 모듈의 내벽에는 흡음재가 구비되는 것을 특징으로 하는 마이크로폰 어레이.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로폰 모듈은,
    음장 취득의 목적에 따라 다양한 위치 및 방향에서 음압 신호가 생성될 수 있도록 장착 공간에 삽입되거나 장착 공간으로부터 탈거되는 것을 특징으로 하는 마이크로폰 어레이.
  8. 삭제
  9. 지향응답을 제어하는 마이크로폰 어레이를 이용한 음장 취득 방법으로서,
    상기 마이크로폰 어레이의 마이크로폰 모듈에 대응되는 가상 스피커를 설정하는 단계;
    상기 마이크로폰 모듈로 입력되는 음압 신호의 조합으로 상기 가상 스피커의 입력 신호를 추정하는 단계; 및
    상기 가상 스피커의 위치에 의해 결정되는 고차 앰비소닉스(Higher-order Ambisonics, HOA) 신호를 기초로 음장 정보를 상기 가상 스피커의 입력 신호의 조합으로 추정하는 단계를 포함하며,
    상기 마이크로폰 모듈은 어레이 본체에 인입 가능하며, 상기 어레이 본체의 표면으로부터 중심으로 갈수록 단면적이 감소하는 구조를 가지며
    상기 마이크로폰 모듈은 상기 마이크로폰 모듈에서 생성되는 음압 신호의 지향성을 강화하기 위해 상기 마이크로폰 모듈의 내부 공간에 형성되는 메타 구조물을 포함하고,
    상기 메타 구조물은 상기 마이크로폰 모듈의 내벽을 연결하는 기둥 형상이거나 상기 내벽의 일 영역에 돌출되어 형성되는 반구 또는 다면체 형상이며,
    상기 구조는 위상정보를 포함하여 음파방향에 대한 응답에 따라 설계되는 것을 특징으로 하는 음장 취득 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 가상 스피커를 설정하는 단계에서는,
    상기 마이크로폰 어레이에 결합된 마이크로폰 모듈의 종류에 따라 상기 음장 정보의 측정을 위한 주파수 범위가 구분되는 것을 특징으로 하는 음장 취득 방법.
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