KR102574480B1 - 음향 신호의 렌더링 방법, 장치 및 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 - Google Patents

Abstract

수평 입력 채널 신호를 포함하는 멀티채널 신호들을 수신하는 단계, 액추얼 라우드 스피커 레이아웃 및 기준 라우드 스피커 레이아웃을 획득하는 단계, 여기서, 기준 라우드 스피커 레이아웃은 5.1 채널 레이아웃이고, 수평 입력 채널 신호와 복수의 출력 채널 신호들 간의 매핑 관계를 획득하는 단계, 수평 입력 채널 신호가 두 개의 출력 채널 신호로 패닝되는 것으로 식별된 것에 기반하여, 머리 전달 함수(head related transfer function)를 기반으로 톤 컬러(tone coloration) 필터 계수를 획득하는 단계, 액추얼 라우드 스피커 레이아웃의 고도각이 기준 라우드 스피커 레이아웃의 고도각보다 큰 것에 기반하여, 기준 라우드 스피커 레이아웃에 대한 고도 필터의 역형(inverse form)을 이용하여 톤 컬러 필터 계수를 수정하는 단계 및 수정된 필터 계수에 기반하여 수평 입력 채널 신호를 포함하는 멀티채널 신호들을 렌더링하는 단계를 포함하는, 음향 신호를 렌더링하는 방법이 개시된다.

Description

음향 신호의 렌더링 방법, 장치 및 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체{METHOD AND APPARATUS FOR RENDERING ACOUSTIC SIGNAL, AND COMPUTER-READABLE RECORDING MEDIUM}

본 발명은 음향 신호를 렌더링하는 방법 및 그 장치에 대한 것으로, 보다 상세하게는, 출력 채널의 표준 레이아웃과 설치 레이아웃 사이에 편차(misalignment)가 있는 경우, 패닝 게인 또는 필터 계수를 수정함으로써 음상의 위치 및 음색을 보다 정확하게 재현하기 위한 렌더링 방법 및 장치에 관한 것이다.

입체 음향이란, 음의 고저, 음색뿐만 아니라 방향이나 거리감까지 재생하여 임장감을 가지게 하고, 음원이 발생한 공간에 위치하지 않은 청취자에게 방향감, 거리감 및 공간감을 지각할 수 있게 하는 공간 정보를 부가한 음향을 의미한다.

22.2 채널과 같은 채널 신호를 5.1 채널로 렌더링 하는 경우 2차원 출력 채널을 통해 3차원 입체 음향을 재생할 수 있지만, 렌더링된 음향 신호들은 스피커의 레이아웃에 민감하게 작용하여 설치된 스피커의 레이아웃이 표준 레이아웃과 다른 경우 음상의 왜곡이 발생하게 된다.

상술한 바와 같이 22.2 채널과 같은 멀티 채널 신호를 5.1 채널로 렌더링 하는 경우, 2차원 출력 채널을 이용해 3차원 음향 신호를 재생할 수 있지만 렌더링된 음향 신호들은 스피커의 레이아웃에 민감하게 작용하여 설치된 스피커의 레이아웃이 표준 레이아웃과 다른 경우 음상의 왜곡이 발생하게 된다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하며, 설치된 스피커의 레이아웃이 표준 레이아웃과 다른 경우라도 음상의 왜곡을 줄일 수 있도록 하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대표적인 구성은 다음과 같다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 신호를 렌더링하는 방법은, 수평 채널을 가지는 입력 채널 신호를 포함하는 멀티채널 신호들을 수신하는 단계, 출력 채널 신호의 기준 라우드 스피커 고도각과 출력 채널 신호의 라우드 스피커 고도각의 차이를 표시하는 고도 편차 정보를 획득하는 단계, 상기 수평 채널을 가지는 입력 채널 신호를 상기 기준 라우드 스피커 고도각에 대한 출력 채널 신호로 렌더링하기 위한 필터 계수들을 획득하는 단계, 상기 고도 편차 정보가 0이 아닌 경우, 상기 기준 라우드 스피커 고도각에 대한 출력 채널 신호로 렌더링 하기 위한 필터 계수에 상기 고도 편차 정보를 반영하여 렌더링하기 위해, 머리 전달 함수(head related transfer function)에 기초한 고도 렌더링을 위한 필터의 역형(inverse form) 및 상기 고도 편차 정보를 이용하여 상기 기준 라우드 스피커 고도각에 대한 출력 채널 신호로 렌더링하기 위한 필터 계수를 수정하는 단계 및 상기 수정된 필터 계수를 이용하여 상기 수평 채널을 가지는 입력 채널 신호를 포함하는 멀티채널 신호들을 렌더링하는 단계를 포함할 수 있다.

실시 예에서,상기 필터 계수들은 상기 기준 라우드 스피커 고도각을 기초로 메모리에 저장되어 있을 수 있다.

실시 예에서, 상기 머리 전달 함수에 기초한 고도 렌더링을 위한 필터는 35도의 고도각을 기준으로 생성된 함수이고, 높이 입력 채널을 렌더링하여 수평 출력 스피커로 출력할 경우, 고도감을 갖는 렌더링을 수행하기 위한 필터일 수 있다.

실시 예에서, 상기 기준 라우드 스피커는 수평 채널을 가질 수 있다.

실시 예에 따른 음향 신호를 렌더링하는 장치는 프로세서 및 메모리를 포함하고, 상기 프로세서는 메모리에 저장된 명령에 기초하여, 수평 채널을 가지는 입력 채널 신호를 포함하는 멀티채널 신호들을 수신하는 단계, 출력 채널 신호의 기준 라우드 스피커 고도각과 출력 채널 신호의 라우드 스피커 고도각의 차이를 표시하는 고도 편차 정보를 획득하는 단계, 상기 수평 채널을 가지는 입력 채널 신호를 상기 기준 라우드 스피커 고도각에 대한 출력 채널 신호로 렌더링하기 위한 필터 계수들을 획득하는 단계, 상기 고도 편차 정보가 0이 아닌 경우, 상기 기준 라우드 스피커 고도각에 대한 출력 채널 신호로 렌더링 하기 위한 필터 계수에 상기 고도 편차 정보를 반영하여 렌더링하기 위해, 머리 전달 함수(head related transfer function)에 기초한 고도 렌더링을 위한 필터의 역형(inverse form) 및 상기 고도 편차 정보를 이용하여 상기 기준 라우드 스피커 고도각에 대한 출력 채널 신호로 렌더링하기 위한 필터 계수를 수정하는 단계 및 상기 수정된 필터 계수를 이용하여 상기 수평 채널을 가지는 입력 채널 신호를 포함하는 멀티채널 신호들을 렌더링하는 단계를 수행할 수 있다.

본 발명에 의하면, 설치된 스피커의 레이아웃이 표준 레이아웃과 다른 경우 또는 음상의 위치가 변화한 경우라도 음상의 왜곡을 줄일 수 있도록 음향 신호를 렌더링 할 수 있다.

도 1 은 일 실시 예에 의한 입체 음향 재생 장치의 내부 구조를 나타내는 블록도이다.
도 2 는 일 실시 예에 의한 입체 음향 재생 장치의 구성 중 렌더러의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3 은 일 실시 예에 의한 복수 개의 입력 채널이 복수 개의 출력 채널로 다운믹스 되는 경우의 각 채널의 레이아웃에 대한 도면이다.
도 4 는 출력 채널의 표준 레이아웃과 설치 레이아웃 사이에 위치 편차가 있는 경우 일 실시예에 의한 패닝부를 나타내는 도면이다.
도 5 는 출력 채널의 표준 레이아웃과 설치 레이아웃 사이에 고도 편차가 있는 경우 일 실시예에 의한 패닝부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6 은 좌채널 신호와 우채널 신호로부터 센터채널 신호를 렌더링하는 경우, 출력 채널의 설치 레이아웃에 따른 음상의 위치를 나타내는 도면이다.
도 7 은 출력 채널에 고도 편차가 있는 경우, 실시예에 따라 고도 효과를 보정하여 음상의 위치가 정위되는 것을 나타내는 도면이다.
도 8 은 일 실시예에 있어서, 입체 음향 신호를 렌더링 하는 방법의 순서도이다.
도 9 는 좌채널 신호와 우채널 신호로부터 센터채널 신호를 렌더링하는 경우, 일 실시 예에 의한 고도 편차와 각 채널에 대한 패닝 게인의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10 은 스피커의 위치 편차에 따른, 위치별 음색의 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 11 은 일 실시예에 있어서, 입체 음향 신호를 렌더링 하는 방법의 순서도이다.
도 12 는 일 실시 예에 의한 음질 보정 필터를 설계하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 13 은 3차원 가상 렌더링을 위한 출력 채널과 가상 음원 사이에 고도 편차가 존재하는 경우를 나타낸 도면이다.
도 14 는 일 실시 예에 의한 L/R/LS/RS 채널을 이용하여 TFC 채널을 가상 렌더링 하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 15 는 일 실시 예에 의한 5.1 출력 채널을 이용하여 가상 렌더링의 편차를 처리하는 렌더러에 대한 블록도이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대표적인 구성은 다음과 같다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 신호를 렌더링하는 방법은, 복수 개의 출력 채널로 변환될 복수 개의 입력 채널을 포함하는 멀티채널 신호를 수신하는 단계; 각 출력 채널에 대응하는 스피커 위치와 기준 위치로부터, 적어도 하나의 출력채널에 대한 편차 정보를 획득하는 단계; 및 획득된 편차 정보에 기초하여, 복수 개의 입력 채널에 포함된 높이 채널로부터 편차 정보를 갖는 출력 채널로의 패닝 게인을 수정하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 복수 개의 출력 채널은 수평 채널이다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 편차 정보를 갖는 출력 채널은 좌측 수평 채널 또는 우측수평 채널 중 적어도 하나를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 편차 정보는, 방위 편차 및 고도 편차 중 적어도 하나를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 패닝 게인을 수정하는 단계는, 획득된 편차 정보에 고도 편차가 있는 경우 고도 편차에 의한 효과를 보정한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 패닝 게인을 수정하는 단계는, 획득된 편차 정보에 고도 편차가 없는 경우 2차원 패닝 기법에 의해 패닝 게인을 수정한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 고도 편차에 의한 효과를 보정하는 단계는, 고도편차에 의한 양이레벨차(ILD, Inter-aural Level Difference)를 보정한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 고도 편차에 의한 효과를 보정하는 단계는, 획득된 고도 편차에 비례하여 획득된 고도 편차에 해당하는 출력 채널의 패닝 게인을 수정한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 패닝 게인은, 좌측 수평 및 우측수평 채널 각각에 대한 패닝 게인의 제곱의 합이 1이 된다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 신호를 렌더링하는 장치는, 복수 개의 출력 채널로 변환될 복수 개의 입력 채널을 포함하는 멀티채널 신호를 수신하는 수신부; 각 출력 채널에 대응하는 스피커 위치와 기준 위치로부터, 적어도 하나의 출력채널에 대한 편차 정보를 획득하는 획득부; 및 획득된 편차 정보에 기초하여, 복수 개의 입력 채널에 포함된 높이 채널로부터 편차 정보를 갖는 출력 채널로의 패닝 게인을 수정하는 패닝 게인 수정부;를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 복수 개의 출력 채널은 수평 채널이다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 편차 정보를 갖는 출력 채널은 좌측 수평 채널 또는 우측수평 채널 중 적어도 하나를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 편차 정보는, 방위 편차 및 고도 편차 중 적어도 하나를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 패닝 게인 수정부는, 획득된 편차 정보에 고도 편차가 있는 경우 고도 편차에 의한 효과를 보정한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 패닝 게인 수정부는, 획득된 편차 정보에 고도 편차가 없는 경우 2차원 패닝 기법에 의해 패닝 게인을 수정한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 패닝 게인 수정부는, 고도편차에 의한 양이레벨차(ILD, Inter-aural Level Difference)를 보정하여, 고도 편차에 의한 효과를 보정한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 패닝 게인 수정부는, 획득된 고도 편차에 비례하여 획득된 고도 편차에 해당하는 출력 채널의 패닝 게인을 수정하여, 고도 편차에 의한 효과를 보정한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 패닝 게인은, 좌측 수평 및 우측수평 채널 각각에 대한 패닝 게인의 제곱의 합이 1이 된다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전술한 방법을 실행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.

이 외에도, 본 발명을 구현하기 위한 다른 방법, 다른 시스템 및 상기 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록하는 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체가 더 제공된다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이러한 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다.

예를 들어, 본 명세서에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 일 실시예로부터 다른 실시예로 변경되어 구현될 수 있다. 또한, 각각의 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치도 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 행하여지는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 특허청구범위의 청구항들이 청구하는 범위 및 그와 균등한 모든 범위를 포괄하는 것으로 받아들여져야 한다.

도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 구성요소를 나타낸다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 여러 실시예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1 은 일 실시 예에 의한 입체 음향 재생 장치의 내부 구조를 나타내는 블록도이다.

일 실시 예에 의한 입체 음향 재생 장치(100)는 복수 개의 입력 채널이 재생될 복수 개의 출력 채널로 믹싱(mixing)된 멀티채널(multi-channel) 음향 신호를 출력할 수 있다. 이 때, 출력 채널의 개수가 입력 채널의 개수보다 더 적다면, 입력 채널은 출력 채널 개수에 맞추어 다운믹싱(downmixing) 된다.

입체 음향이란, 음의 고저, 음색뿐만 아니라 방향이나 거리감까지 재생하여 임장감을 가지게 하고, 음원이 발생한 공간에 위치하지 않은 청취자에게 방향감, 거리감 및 공간감을 지각할 수 있게 하는 공간 정보를 부가한 음향을 의미한다.

이하 설명에서 음향 신호의 출력 채널은 음향이 출력되는 스피커의 개수를 의미할 수 있다. 출력 채널 수가 많을수록, 음향이 출력되는 스피커의 개수가 많아질 수 있다. 일 실시 예에 의한 입체 음향 재생 장치(100)는 입력 채널 수가 많은 멀티채널 음향 신호가 출력 채널 수가 적은 환경에서 출력되고 재생될 수 있도록, 멀티채널 음향 입력 신호를 재생될 출력 채널로 렌더링하고 믹싱할 수 있다. 이때 멀티채널 음향 신호는 고도 음향(elevated sound)을 출력할 수 있는 채널을 포함할 수 있다.

고도 음향을 출력할 수 있는 채널은 고도감을 느낄 수 있도록 청취자의 머리 위에 위치한 스피커를 통해 음향 신호를 출력할 수 있는 채널을 의미할 수 있다. 수평면 채널은 청취자와 수평한 면에 위치한 스피커를 통해 음향 신호를 출력할 수 있는 채널을 의미할 수 있다.

상술된 출력 채널 수가 적은 환경은 고도 음향을 출력할 수 있는 출력 채널을 포함하지 않고, 수평면 상에 배치된 스피커를 통해 음향을 출력할 수 있는 환경을 의미할 수 있다.

또한, 이하 설명에서 수평면 채널(horizontal channel)은 수평면 상에 배치된 스피커를 통해 출력될 수 있는 음향 신호를 포함하는 채널을 의미할 수 있다. 오버헤드 채널(Overhead channel)은 수평면이 아닌 고도 상에 배치되어 고도음을 출력할 수 있는 스피커를 통해 출력될 수 있는 음향 신호를 포함하는 채널을 의미할 수 있다.

도 1 을 참조하면, 일 실시예에 의한 입체 음향 재생 장치(100)는 오디오 코어(110), 렌더러(120), 믹서(130) 및 후처리부(140)를 포함할 수 있다.

일 실시 예에 의한, 입체 음향 재생 장치(100)는 멀티채널 입력 음향 신호를 렌더링하고, 믹싱하여 재생될 출력 채널로 출력할 수 있다. 예를 들면, 멀티채널 입력 음향 신호는 22.2 채널 신호이고, 재생될 출력 채널은 5.1 또는 7.1 채널일 수 있다. 입체 음향 재생 장치(100)는 멀티채널 입력 음향 신호의 각 채널들을 대응시킬 출력 채널을 정함으로써 렌더링을 수행하고 재생될 채널과 대응된 각 채널들의 신호를 합쳐 최종 신호로 출력함으로써 렌더링된 오디오 신호들을 믹싱할 수 있다.

인코딩된 음향 신호는 오디오 코어(110)에 비트스트림 형태로 입력되며, 오디오 코어(110)는 음향 신호가 인코딩 된 방식에 적합한 디코더 도구를 선택하여 입력된 음향 신호를 디코딩한다.

렌더러(120)는 멀티채널 입력 음향 신호를 채널 및 주파수에 따라 멀티채널 출력 채널로 렌더링할 수 있다. 렌더러(120)는 멀티채널 음향 신호를 오버헤드 채널과 수평면 채널에 따른 신호를 각각 3D(dimensional) 렌더링 및 2D(dimensional) 렌더링할 수 있다. 렌더러의 구성 및 구체적 렌더링 방법에 관하여는 이하 도 2 에서 더 자세히 설명한다.

믹서(130)는 렌더러(120)에 의해 수평 채널과 대응된 각 채널들의 신호를 합쳐 최종 신호로 출력할 수 있다. 믹서(130)는 소정 구간별로 각 채널들의 신호를 믹싱할 수 있다. 예를 들면, 믹서(130)는 1 프레임 별로 각 채널들의 신호를 믹싱할 수 있다.

일 실시 예에 의한 믹서(130)는 재생될 각 채널들에 렌더링된 신호들의 파워 값에 기초하여 믹싱할 수 있다. 다시 말하면, 믹서(130)는 재생될 각 채널들에 렌더링된 신호들의 파워 값에 기초하여 최종 신호의 진폭 또는 최종 신호에 적용될 게인(gain)을 결정할 수 있다.

후처리부(140)는 믹서(130)의 출력 신호를 각 재생장치(스피커 또는 헤드폰 등)에 맞추어 멀티밴드 신호에 대한 동적 범위 제어 및 바이노럴라이징(binauralizing) 등을 수행한다. 후처리부(140)에서 출력된 출력 음향 신호는 스피커 등의 장치를 통해 출력되며, 출력 음향 신호는 각 구성부의 처리에 따라 2D 또는 3D 로 재생될 수 있다.

도 1 에 도시된 일 실시에에 의한 입체 음향 재생 장치(100)는 오디오 디코더의 구성을 중심으로 도시되어 있으며 부수적인 구성은 생략되어 있다.

도 2 는 일 실시 예에 의한 입체 음향 재생 장치의 구성 중 렌더러의 구성을 나타내는 블록도이다.

렌더러(120)는 필터링부(121)와 패닝부(123)로 구성된다.

필터링부(121)는 디코딩 된 음향 신호를 위치에 따라 음색 등을 보정해주며 HRTF(머리 전달 함수, Head-Related Transfer Function) 필터를 이용해 입력 음향 신호를 필터링할 수 있다.

필터링부(121)는 오버헤드 채널을 3D 렌더링하기 위해 HRTF(머리 전달 함수, Head-Related Transfer Function) 필터를 통과한 오버헤드 채널을 주파수에 따라 각각 다른 방법으로 렌더링할 수 있다.

HRTF 필터는 두 귀간의 레벨 차이(ILD, Interaural Level Differences) 및 두 귀 간에서 음향 시간이 도달하는 시간 차이(ITD, Interaural Time Differences) 등의 단순한 경로 차이뿐만 아니라, 머리 표면에서의 회절, 귓바퀴에 의한 반사 등 복잡한 경로상의 특성이 음의 도래 방향에 따라 변화하는 현상에 의하여 입체 음향을 인식할 수 있도록 한다. HRTF 필터는 음향 신호의 음질을 변화시킴으로써 입체 음향이 인식될 수 있도록 오버헤드 채널에 포함된 음향 신호들을 처리할 수 있다.

패닝부(123)는 입력 음향 신호를 각 출력 채널에 대해 패닝시키기 위해 각 주파수 대역별, 각 채널별로 적용될 패닝 계수를 구하고 적용한다. 음향 신호에 대한 패닝은 두 출력 채널 사이의 특정 위치에 음원을 렌더링하기 위해 각 출력 채널에 인가하는 신호의 크기를 제어하는 것을 의미한다.

패닝부(123)는 오버헤드 채널 신호 중 저주파 신호에 대하여는 애드-투-클로지스트-채널(Add to the closest channel) 방법에 따라 렌더링하고, 고주파 신호에 대하여는 멀티채널 패닝(Multichannel panning) 방법에 따라 렌더링할 수 있다. 멀티채널 패닝 방법에 의하면, 멀티채널 음향 신호의 각 채널의 신호가 각 채널 신호에 렌더링될 채널마다 서로 다르게 설정된 게인 값이 적용되어 적어도 하나의 수평면 채널에 각각 렌더링될 수 있다. 게인 값이 적용된 각 채널의 신호들은 믹싱을 통해 합쳐짐으로써 최종 신호로 출력될 수 있다.

저주파 신호는 회절성이 강하므로, 멀티채널 패닝 방법에 따라 멀티채널 음향 신호의 각 채널을 여러 채널에 각각 나누어 렌더링하지 않고, 하나의 채널에만 렌더링하여도 청취자가 듣기에 비슷한 음질을 가질 수 있다. 따라서, 일 실시 예에 의한 입체 음향 재생 장치(100)는 저주파 신호를 애드-투-클로지스트-채널 방법에 따라 랜더링함으로써 하나의 출력 채널에 여러 채널이 믹싱됨에 따라 발생될 수 있는 음질 열화를 방지할 수 있다. 즉, 하나의 출력 채널에 여러 채널이 믹싱되면 각 채널 신호 간의 간섭에 따라 음질이 증폭되거나 감소되어 열화될 수 있으므로, 하나의 출력 채널에 하나의 채널을 믹싱함으로써 음질 열화를 방지할 수 있다.

애드 투 클로지스트 채널 방법에 의하면, 멀티채널 음향 신호의 각 채널은 여러 채널에 나누어 렌더링하는 대신 재생될 채널들 중 가장 가까운 채널에 렌더링될 수 있다.

또한, 입체 음향 재생 장치(100)는 주파수에 따라 다른 방법으로 렌더링을 수행함으로써 스위트 스팟(sweet spot)을 음질 열화 없이 넓힐 수 있다. 즉, 회절 특성이 강한 저주파 신호에 대하여는 애드 투 클로지스트 채널 방법에 따라 렌더링함으로써, 하나의 출력 채널에 여러 채널이 믹싱됨에 따라 발생될 수 있는 음질 열화를 방지할 수 있다. 스위트 스팟이란, 청취자가 왜곡되지 않은 입체 음향을 최적으로 청취할 수 있는 소정 범위를 의미한다.

스위트 스팟이 넓을수록 청취자는 넓은 범위에서 왜곡되지 않은 입체 음향을 최적으로 청취할 수 있고, 청취자가 스위트 스팟에 위치하지 않는 경우, 음질 또는 음상 등이 왜곡된 음향을 청취할 수 있다.

도 3 은 일 실시 예에 의한 복수 개의 입력 채널이 복수 개의 출력 채널로 다운믹스 되는 경우의 각 채널의 레이아웃에 대한 도면이다.

3차원 영상과 같이 실제와 동일하거나 더욱 과장된 현장감과 몰입감을 제공하기 위해 3차원 입체 영상과 함께 3차원 입체 음향을 제공하기 위한 기술이 개발되고 있다. 입체 음향은 음향 신호 자체가 음의 고저 및 공간감을 가지는 음향을 의미하는 것으로, 이와 같은 입체 음향을 재생하기 위해서는 최소 2개 이상의 라우드스피커, 즉 출력 채널이 필요하다. 또한, HRTF를 이용하는 바이노럴(binaural) 입체 음향을 제외하고는 음의 고저감, 거리감 및 공간감을 보다 정확하게 재현하기 위해 많은 수의 출력 채널을 필요로 한다.

따라서, 2 채널 출력을 가지는 스테레오 시스템에 이어, 5.1 채널 시스템, Auro 3D 시스템, Holman 10.2 채널 시스템, ETRI/Samsung 10.2 채널 시스템, NHK 22.2 채널 시스템 등 다양한 멀티 채널 시스템이 제안되고 개발되어 있다.

도 3 은 22.2 채널의 입체 음향 신호를 5.1 채널의 출력 시스템으로 재생하는 경우를 설명하기 위한 도면이다.

5.1 채널 시스템은 5채널 서라운드 멀티채널 사운드 시스템의 일반적인 명칭으로, 가정의 홈씨어터 및 극장용 사운드 시스템으로 가장 보편적으로 보급되어 사용되고 있는 시스템이다. 모든 5.1 채널은 FL(Front Left) 채널, C(Center) 채널, FR(Frong Right)채널, SL(Surround Left) 채널 및 SR(Surround Right) 채널을 포함한다. 도 3 에서 알 수 있는 바와 같이, 5.1 채널의 출력은 모두 같은 평면상에 존재하기 때문에 물리적으로는 2차원 시스템에 해당하며 5.1 채널 시스템으로 3차원 입체 음향 신호를 재생하기 위해서는 재생될 신호에 입체감을 부여하기 위한 렌더링 과정을 거쳐야 한다.

5.1 채널 시스템은 영화에서뿐만 아니라, DVD 영상, DVD 음향, SACD(Super Audio Compact Disc) 또는 디지털 방송에 이르기까지 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 그러나, 5.1 채널 시스템이 비록 스테레오 시스템에 비하여 향상된 공간감을 제공하기는 하지만, 보다 넓은 청취공간을 형성하는 데 있어서 여러가지 제약이 있다. 특히 스위트 스팟이 좁게 형성되고, 고도각(elevation angle)을 가지는 수직 음상을 제공할 수 없기 때문에 극장과 같이 넓은 청취공간에는 적합하지 않을 수 있다.

NHK에서 제안한 22.2 채널 시스템은 세 층의 출력채널로 이루어져 있다. 어퍼레이어(Upper Layer)는 VOG(Voice of God), T0, T180, TL45, TL90, TL135, TR45, TR90 및 TR45 채널을 포함한다. 이 때, 각 채널 이름의 제일 앞의 T라는 인덱스는 어퍼레이어를 의미하고, L 또는 R이라는 인덱스는 각각 좌측 또는 우측를 의미하며 뒤의 숫자는 중심 채널(center channel)로부터의 방위각(azimuth angle)을 의미한다.

미들레이어(Middle Layer)는 기존 5.1 채널과 같은 평면으로, 5.1 채널의 출력 채널 외에 ML60, ML90, ML135, MR60, MR90 및 MR135 채널을 포함한다. 이 때, 각 채널 이름의 제일 앞의 M이라는 인덱스는 미들레이어를 의미하고, 뒤의 숫자는 중심(center) 채널로부터의 방위각을 의미한다.

로우레이어(Low Layer)는 L0, LL45, LR45 채널을 포함한다. 이 때, 각 채널 이름의 제일 앞의 L이라는 인덱스는 로우레이어를 의미하고, 뒤의 숫자는 중심(center) 채널로부터의 방위각을 의미한다.

22.2 채널에서 미들레이어는 수평 채널(horizontal channel)이라고 부르며, 방위각 0도 또는 방위각 180도에 해당하는 VOG, T0, T180, T180, M180, L 및 C 채널들은 수직 채널(vertical channel)이라고 부른다.

22.2 채널 입력 신호를 5.1 채널 시스템으로 재생할 경우, 가장 일반적인 방법은 다운믹스 수식을 이용하여 채널 간 신호를 분배할 수 있다. 또는, 가상의 고도감을 제공하는 렌더링을 수행하여 5.1 채널 시스템으로 고도감을 가지는 음향 신호를 재생하도록 할 수 있다.

도 4 는 출력 채널의 표준 레이아웃과 설치 레이아웃 사이에 위치 편차가 있는 경우 일 실시예에 의한 패닝부를 나타내는 도면이다.

멀티 채널 입체 음향 신호를 입력 신호의 채널 수보다 적은 출력 채널로 재생하는 경우 본래의 음장이 왜곡될 수 있으며 이와 같은 왜곡을 보정하기 위해 여러 가지 기술이 연구되고 있다.

일반적인 렌더링 기술들은 스피커, 즉 출력 채널들이 표준 레이아웃에 맞추어 설치된 경우를 기준으로 렌더링을 수행하도록 되어 있다. 그러나, 출력 채널이 표준 레이아웃과 정확히 일치되도록 설치되지 않은 경우 음상 위치의 왜곡 및 음색의 왜곡이 발생한다.

음상의 왜곡은 크게 고도감의 왜곡, 위상각의 왜곡이 있으나 어느 정도의 낮은 레벨에서는 크게 민감하지 않는다. 그러나, 사람의 두 귀가 좌-우에 위치하는 신체적인 특성상, 좌-중앙-우의 음상이 바뀌는 경우 음상 왜곡을 보다 민감하게 인지할 수 있다. 특히 정면의 음상에 대해서는 더 민감하게 인지하게 된다.

따라서 도 3 과 같이 22.2 채널을 5.1 채널로 재현하는 경우 좌우에 있는 채널들보다 0도 또는 180도에 위치하는 VOG, T0, T180, T180, M180, L 및 C와 같은 채널들은 음상이 틀어지지 않도록 특히 유의해야 한다.

오디오 입력 신호를 패닝할 때는 기본적으로 2 단계의 과정을 거치게 된다. 첫번째 단계는, 입력된 멀티 채널 신호를 출력 채널의 표준 레이아웃에 따라 패닝 게인을 계산하는 단계로, 초기화(initializing) 과정에 해당한다. 두번째 단계는, 출력 채널이 실제로 설치된 레이아웃에 기초하여 계산된 패닝 게인을 수정하는 단계이다. 이와 같은 패닝 게인 수정 단계를 거치면 추력 신호의 음상이 보다 정확한 위치에 존재하도록 할 수 있다.

따라서, 패닝부(123)의 처리를 위해서는 오디오 입력 신호 외에도 출력 채널의 설치 레이아웃 및 출력 채널의 표준 레이아웃에 대한 정보가 필요하다. L 채널과 R 채널로부터 C 채널을 렌더링하는 경우라면, 오디오 입력 신호는 C에서 재생되어야 할 입력 신호를, 오디오 출력 신호는 설치 레이아웃에 따라 L 채널과 R 채널에서 출력된 수정된 패닝 신호를 의미한다.

도 5 는 출력 채널의 표준 레이아웃과 설치 레이아웃 사이에 고도 편차가 있는 경우 일 실시예에 의한 패닝부의 구성을 나타내는 도면이다.

도 4 와 같이 방위 편차(azimuth deviation)만을 고려하는 2차원 패닝 방법은, 출력 채널의 표준 레이아웃과 설치 레이아웃 사이에 고도 편차(elevation deviation)가 있는 경우 고도 편차에 의한 효과를 보정하지 못한다. 따라서, 출력 채널의 표준 레이아웃과 설치 레이아웃 사이에 고도 편차가 있는 경우라면 도 5 와 같이 고도 효과 보정부(124)를 통해 고도 편차에 의한 고도 상승 효과를 보정해야 한다.

도 5 에서는 고도 효과 보정부(124)와 패닝부(123)를 별도의 구성으로, 구별하여 도시하였으나, 고도 효과 보정부(124)는 패닝부(123)내에 포함된 구성으로 구현될 수 있다.

이하 도 6 내지 도 9 에서는 스피커 레이아웃에 따라 패닝 계수를 결정하는 방법을 구체적으로 설명한다.

도 6 은 좌채널 신호와 우채널 신호로부터 센터채널 신호를 렌더링하는 경우, 출력 채널의 설치 레이아웃에 따른 음상의 위치를 나타내는 도면이다.

도 6 은 L 채널과 R 채널로부터 C 채널을 렌더링하는 경우를 가정한다.

도 6a 는 L 채널과 R 채널이 모두 표준 레이아웃에 맞게 C 채널로부터 각각 좌우로 방위각 30도를 갖는 동일한 평면상에 존재한다. 이러한 경우라면 패닝부(123)의 초기화를 통해 얻어진 게인만으로 C 채널 신호가 렌더링되어 정위치에 존재하게 되므로 별도의 패인 게인을 수정하는 과정이 필요하지 않다.

도 6b 는 6a 의 경우와 마찬가지로 L 채널과 R 채널이 동일한 평면상에 존재하며, R 채널의 위치는 표준 레이아웃을 만족하지만 L 채널이 30도보다 큰 45도의 방위각을 가지는 경우이다. 즉, L 채널이 표준 레이아웃에 비해 15도의 방위 편차를 가진다.

이와 같은 경우, 초기화 과정을 통해 계산된 패닝 게인은 L 채널과 R 채널에 동일한 크기의 값을 가지며, 이와 같은 패닝 게인을 적용할 경우 음상의 위치는 R 채널쪽으로 치우친 C'로 결정된다. 이와 같은 현상은 방위각의 변화에 따라 ILD(Inter-aural Level Difference)가 달라지기 때문이다. C 채널의 위치를 기준으로 방위각 0도라고 정의하면, 방위각이 커질수록 청자의 두 귀에 도달하는 음향 신호의 레벨 차이 ILD는 커지게 된다.

따라서, 2차원 패닝 기법 등에 의해 패닝 게인을 수정함으로써 방위s 편차를 보정해주어야 한다. 도 5b와 같은 경우라면 R 채널의 신호를 키우거나 L 채널의 신호를 줄여서 원래 C 채널의 위치에서 음상이 형성될 수 있도록 한다.

도 7 은 출력 채널에 고도 편차가 있는 경우, 실시예에 따라 고도 효과를 보정하여 음상의 위치가 정위되는 것을 나타내는 도면이다.

도 7a 는 R 채널이 고도각을 갖는 R'의 위치에 설치되어 방위각은 30도로 표준 레이아웃을 만족하지만 L 채널과 동일 평면상에 있지 않고, 수평면 채널에 비해 30도의 고도각을 가지는 경우이다. 이와 같은 경우, R 채널과 L 채널에 동일한 패닝 게인을 적용한다면, R 채널의 고도가 상승함에 따라 ILD가 변화되어 변화된 음상의 위치 C' 는 L 채널과 R 채널의 중간에 존재하지 않고 L 채널쪽으로 치우치게 된다.

이는, 방위 편차가 존재하는 경우와 마찬가지로 고도 상승에 의해 ILD(Inter-aural Level Difference)가 달라지기 때문으로, 수평면 채널을 기준으로 고도각 0도라고 정의하면, 고도각이 커질수록 청자의 두 귀에 도달하는 음향 신호의 레벨 차이 ILD는 작이지게 된다. 따라서, C'는 수평면 채널인(고도각이 없는) L 채널쪽으로 치우친 곳에 위치하게 된다.

따라서 고도 효과 보정부(124)는 고도각을 갖는 소리의 ILD를 보정하여 음상이 치우치는 것을 방지한다. 구체적으로, 고도 효과 보정부는 도 7a와 같은 경우 고도각을 갖는 채널의 패닝 게인을 증가하도록 수정함으로써 음상이 치우치는 것을 방지하고 방위각 0도에서 음상이 형성될 수 있도록 하는 것이다.

도 7b는 이와 같은 고도 효과 보정을 통해 정위된 음상의 위치를 나타낸다. 고도 효과 보정 전의 음상은 도 7a 에 도시된 바와 같이 C'로 고도각이 없는 채널 쪽으로 치우친 위치에 존재하였으나, 고도 효과를 보정하면, L 채널과 R' 채널의 중간에 음상이 위치하도록 정위시킬 수 있는 것이다.

도 8 은 일 실시예에 있어서, 입체 음향 신호를 렌더링 하는 방법의 순서도이다.

도 6 및 도 7 에서 설명한 입체 음향 신호를 렌더링 하는 방법은, 다음과 같은 순서를 따른다.

렌더러(120), 그중에서도 패닝부(123)는 복수 개의 채널을 갖는 멀티 채널 입력 신호를 수신한다(810). 수신한 멀티 채널 입력 신호를 멀티 채널 출력을 통해 패닝하기 위해, 패닝부(123)는 각 출력 채널에 대응하는 스피커가 설치된 위치와 규격에 규정된 기준 출력 위치를 비교하여 각 출력 채널에 대한 편차 정보를 획득한다(820).

이 때, 출력 채널이 5.1 채널이라면 출력 채널은 모두 수평 채널로, 동일 평면상에 존재한다.

편차 정보는 방위 편차에 대한 정보와 고도 편차에 대한 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 방위 편차에 대한 정보는 수평 채널들이 존재하는 수평면에서 센터 채널과 출력 채널이 이루는 각도인 방위각을 포함할 수 있으며, 고도 편차에 대한 정보는 수평 채널들이 존재하는 수평면과 출력 채널이 이루는 각도인 고도각을 포함할 수 있다.

패닝부(123)는 기준 출력 위치에 기초하여 입력된 멀티 채널 신호에 적용할 패닝 게인을 획득한다(830). 이 때, 편차 정보를 획득하는 단계(820)와 패닝 이득을 획득하는 단계(830)는 처리 순서가 바뀌어도 무방하다.

단계 820에서, 각 출력 채널에 대한 편차 정보를 획득한 결과 편차 정보가 존재하는 출력 채널이라면 단계 630에서 획득한 패닝 게인을 수정해야 한다. 단계 840 에서는, 단계 820에서 획득한 편차 정보에 기초하여 고도 편차가 존재하는지 여부를 판단한다.

고도 편차가 존재하지 않는 경우라면, 방위 편차만을 고려하여 패닝 게인을 수정한다(850).

패닝 게인을 계산하고 수정하는 방법은 여러 가지가 적용될 수 있는데, 대표적으로 크기 패닝(amplitude panning) 이나 탄젠트 법칙(tangent law)에 기반한 VBAP(Vector Base Amplitude Panning) 방법이 적용될 수 있다. 또는 스위트 스팟의 범위가 좁게 형성되는 문제점을 해결하기 위해, 재생 환경에서 사용하는 멀티 스피커의 시간 지연을 맞추어 줌으로써 수평면 상에서 평면파(plane wave)와 유사한 파형을 만들어 보다 넓은 스위트 스팟을 제공하는 WFS(Wave Field Synthesis)에 기반한 방법이 적용될 수 있다.

또는, 및 빗소리나 박수소리 등 트랜지언트(transient) 신호가 포함된 경우 한 채널에 여러 채널의 신호가 다운믹스 될 경우, 한 채널에 트랜지언트의 개수가 증가하여 백색화(whitening)되는 음색 왜곡 현상이 발생하게 되는데, 이를 극복하기 위해 각 씬(scene)의 공간감과 음질의 비중에 따라, 2D(timbral)/3D(spatial) 렌더링 모드를 선택하여 렌더링을 수행하는 하이브리드 가상 렌더링 방법이 적용될 수 있다.

또는, 공간감을 제공하기 위한 가상렌더링과, 다운믹스 과정에서 콤-필터링(comb-filtering)을 방지하여 음질을 개선하는 액티브 다운믹스를 사용하는 기술을 병합한 렌더링 방법등이 적용될 수 있다.

고도 편차가 존재하는 경우라면, 고도 편차을 고려하여 패닝 게인을 수정한다(860).

이 때, 고도 편차를 고려하여 패닝 게인을 수정하는 방법은 상술한 바와 같이, 고도각 증가에 따른 상승 효과를 보정하기 위한 과정으로 고도 상승에 따라 작아진 ILD가 보정될 수 있도록 패인 게인을 수정한다.

출력 채널에 대한 편차 정보에 기초하여 패닝 게인을 수정하고 나면 해당 채널에 대한 패닝 과정이 종료되며, 각 출력 채널에 대한 편차 정보를 획득하는 820 단계부터 편차 정보에 기초하여 해당 채널에 적용될 패닝 게인을 수정하는 850 또는 860 까지의 과정은 출력 채널의 개수만큼 반복될 수 있다.

도 9 는 좌채널 신호와 우채널 신호로부터 센터채널 신호를 렌더링하는 경우, 일 실시 예에 의한 고도 편차와 각 채널에 대한 패닝 게인의 관계를 나타내는 도면이다.

도 9 는 고도 효과 보정부(124)의 일 실시예로, 고도각이 존재하는 채널(elevated)과 수평면에 존재하는 채널(fixed)에 적용할 패닝 게인과 고도각의 관계를 나타낸 것이다.

수평면 채널에 존재하는 L 채널과 R 채널로 C 채널을 렌더링하는 경우, L 채널과 R 채널이 모두 수평면(horizontal) 상에 존재한다면, L 채널과 R 채널은 서로 대칭(symmetric)이므로 각각의 채널에 적용될 패닝 게인 및 은 동일한 크기를 가지며, 로 각각 약 0.707의 값을 갖는다. 그러나 도 7 의 예와 같이 어느 한 채널에 고도각이 존재한다면 고도 상승에 의한 효과를 보정하기 위해 고도각에 따라 패닝 게인을 수정해야 한다.

도 9 에서는 고도각의 변화에 따라 패닝 게인을 (8dB/90도) 의 비율로 증가시키도록 수정한 것으로, 도 7 의 예와 같다면 R채널에 고도각 30도에 해당하는 elevated 채널의 게인이 적용되어 은 0.707보다 증가한 약 0.81로 수정되고 L 채널은 fixed 채널의 게인이 적용되어 은 0.707보다 감소한 약 0.58로 수정된다.

이 때, 에너지 노말라이즈(energy normalization)를 위해 전체 패닝 게인 과 은 식 1을 만족해야 한다.

(식 1)

도 9 에서는 고도각의 변화에 따라 패닝 게인을 (8dB/90도) 의 비율로 선형적으로 증가시키도록 수정하였지만, 이는 고도 효과 보정부의 실시예에 따라 증가 비율이 달라질 수 있고, 또는 비선형적으로 증가할 수 있음에 유의해야 한다.

도 10 은 스피커의 위치 편차에 따른, 위치별 음색의 스펙트럼을 나타내는 도면이다.

패닝부(123) 및 고도 효과 보정부(124)는, 출력 채널에 대응하는 스피커의 위치에 따라 음상이 치우치지 않고 원래의 자리에 위치할 수 있도록 음향 신호를 처리하는 기능을 수행한다. 그러나, 실제로 출력 채널에 대응하는 스피커의 위치가 달라진 경우 음상의 위치가 변화할 뿐 아니라 음색(tone color) 역시 변화하게 된다.

이 때, 음상의 위치에 따라 사람이 인지하는 음색의 스펙트럼은 공간상의 특정 위치에 존재하는 음상이 사람의 귀에 수신되는 전달함수인 HRTF에 기초하여 얻어질 수 있다. HRTF는 시간영역(time-domain)에서 얻어진 HRIR(Head-Related Impulse Response)를 퓨리에 변환(Fourier Transform)하여 얻을 수 있다.

공간상의 음원에서 방사된 음향 신호는 공기 속을 전파하여 귓바퀴, 외이도 고막 등을 거치게 되므로 원래의 신호에 비해 크기와 위상이 변화하게 되며, 청자 역시 음장 속에 위치하므로 사람의 머리나 몸통 등의 형상에 의해 전달되는 소리가 변화하게 된다. 따라서, 청차는 최종적으로 왜곡된 음향 신호를 듣게 된다. 이 때, 청자가 듣게 되는 음향 신호, 특히 음압과 방사되는 음향 신호간의 전달 함수를 머리 전달 함수, 즉 HRTF 라고 부르는 것이다.

사람마다 머리, 외이, 몸통 등의 크기나 형상이 다르기 때문에 개개인마다 고유한 머리 전달 함수를 가지지만 개개인별로 머리 전달 함수를 측정할 수 없기 때문에 공통 머리 전달 함수(common HRTF), 맞춤형 머리 전달 함수(customized HRTF) 등을 통해 머리 전달 함수를 모델링한다.

머리에 의한 영향(diffraction effect)은 약 600Hz 부터 시작하여 4 kHz 이후로는 거의 사라지며, 1 kHz ~ 2 kHz 부터 관측되는 몸통의 영향(torso effect)은 음원이 동측위치(ipsilateral azimuth)에 있을수록, 음원의 고도각이 낮을수록 커지며 외이의 영향이 지배적인 13 kHz 까지 관측된다. 5 kHz 내외에서는 외이의 공진에 의한 피크(peak)가 생기게 되며 6 kHz ~ 10 kHz 에서 외이에 의한 첫번째 노치(notch), 10 kHz ~ 15 kHz 에서 두번째 노치, 그리고 15 kHz 이상의 영역에서 세번째 노치가 생긴다.

방위각 및 고도각을 인지하기 위해 음원에 대한 ITD(Interaural Time Difference), ILD 및 한쪽 귀에 대한 스펙트럼(monaural spectral cues)에서 나타나는 피크와 노치들을 이용한다. 피크와 노치들은 몸, 머리 및 외이의 회절과 산란에 의해 생기며, 머리 전달 함수에서 확인할 수 있다.

앞서 언급한 바와 같이, HRTF는 음원의 방위각 및 고도각에 따라 그 값이 달라진다. 도 10 은 스피커의 방위각이 각각 30도, 60도 및 110도인 경우 음원의 주파수에 따라 사람이 인지하는 음색의 스펙트럼을 그래프로 나타낸 것이다.

각 방위각에 따른 음향 신호의 음색을 비교하면, 60 도의 음색에 비하여 30 도의 음색은 60 도의 음색에 비하여 400 Hz 이하 성분이 약 3~5dB 정도 강하고, 110 도의 음색은 60 도의 음색에 비하여 2 kHz ~ 5 kHz 성분이 3dB 정도 약한 것을 확인할 수 있다.

따라서, 이와 같은 방위각에 따른 음색의 특징을 이용하여 음색 변환 필터링을 수행하는 경우 광대역 신호에서 음색을 더욱 유사하게 제공함으로써 보다 효과적인 렌더링을 수행할 수 있다.

도 11 은 일 실시예에 있어서, 입체 음향 신호를 렌더링 하는 방법의 순서도이다.

도 11 은 입체 음향 신호를 렌더링 하는 방법의 일 실시예로, 입력 채널이 적어도 두 개의 출력 채널로 패닝되는 경우, 입력 채널에 음색 변환 필터링을 수행하는 방법의 순서도를 나타낸다.

필터링부(121)에 복수 개의 출력 채널로 변환될 멀티 채널 음향 신호가 입력되고(1110), 입력된 멀티 채널 음향 신호 중 소정의 입력 채널이 적어도 두 개의 출력 채널로 패닝되는 경우, 필터링부(121)는 소정의 입력 채널과 패닝될 출력 채널간의 맵핑 관계를 획득한다(1130).

필터링부(121)는 획득된 맵핑 관계에 기초하여 입력 채널의 위치와 패닝될 출력 채널의 위치에 대한 HRTF에 기초하여 음색 필터 계수를 획득하고, 획득된 음색 필터 계수를 이용하여 음색 보정 필터링(1150)을 수행한다.

이 때, 음색 보정 필터는 다음과 같은 방법에 의해 설계할 수 있다.

도 12 는 일 실시 예에 의한 음질 보정 필터를 설계하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

음원의 방위각이 θ(degree)일 때 청자에게 전달되는 머리 전달 함수 HRTF를 라고 정의하고, 의 방위각을 갖는 음원을 방위각 및 에 위치하는 스피커로 패닝(정위)시키는 경우를 가정한다. 이 경우, 각 방위각에 대한 머리 전달 함수는 각각 , 및 가 된다.

음색 보정의 목적은 방위각 와 에 위치한 스피커에서 재생되는 음향이 방위각 에서의 음향과 보다 유사한 음색을 갖도록 보정하는 것이므로, 방위각 에서의 출력 신호를 와 같은 전달 함수를 갖는 필터에 통과시키고, 방위각 에서의 출력 신호를 와 같은 전달 함수를 갖는 필터에 통과시킨다.

이와 같은 필터링 결과는, 방위각 와 에 위치한 스피커에서 재생되는 음향이 방위각 에서의 음향과 보다 유사한 음색을 갖도록 보정될 수 있다.

도 10 의 예에서는, 각 방위각에 따른 음향 신호의 음색을 비교하면, 60 도의 음색에 비하여 30 도의 음색은 60 도의 음색에 비하여 400 Hz 이하 성분이 약 3~5dB 정도 크게 나타나고, 110 도의 음색은 60 도의 음색에 비하여 2 kHz ~ 5 kHz 성분이 4dB 정도 작게 나타난다.

음색 보정의 목적은 30도와 110 도의 스피커에서 재생되는 음향이 60도 에서의 음향과 보다 유사한 음색을 갖도록 보정하는 것이므로 30 도의 스피커에서 재생되는 음향의 음색을 60도의 음색과 유사하게 하기 위해 400 Hz 이하 성분은 4 dB 작게 해주고, 110 도의 스피커에서 재생되는 음향의 음색은 2 kHz ~ 5 kHz 범위에서 4dB 크게 함으로써 60도의 음색과 유사하게 변환하는 것이다.

도 12a 는 30 도의 스피커에서 재생될 60도의 음향 신호에 적용될 음질 보정 필터를 전 주파수 구간에 대해 나타낸 것으로, 도 10 에 도시된 방위각이 60도인 경우의 음색의 스펙트럼(HRTF)과 방위각이 30도인 경우의 음색 스펙트럼(HRTF)의 비 와 같다.

도 12a 에 도시된 는 앞서 설명한 것과 유사하게 500 Hz 이하의 주파수에서는 신호의 크기를 4dB 작게, 500 Hz ~ 1.5 kHz 의 주파수에서는 신호의 크기를 5dB 크게 해주고, 나머지 영역에 대해서는 바이패스(by-pass)하는 필터가 된다.

도 12b 는 110 도의 스피커에서 재생될 60도의 음향 신호에 적용될 음질 보정 필터를 전 주파수 구간에 대해 나타낸 것으로, 도 10 에 도시된 방위각이 60도인 경우의 음색의 스펙트럼(HRTF)과 방위각이 110도인 경우의 음색 스펙트럼(HRTF)의 비 와 같다.

도 12b에 도시된 는 앞서 설명한 것과 유사하게 2 kHz ~ 7 kHz 의 주파수에 대해 신호의 크기를 4dB 크게 하고 이외의 주파수 영역에서는 바이패스하는 필터가 된다.

도 13 은 3차원 가상 렌더링을 위한 출력 채널과 가상 음원 사이에 고도 편차가 존재하는 경우를 나타낸 도면이다.

가상 렌더링은 5.1 채널과 같은 2차원 출력 시스템에서 3차원 입체 음향을 재생하기 위한 기술로, 스피커가 존재하지 않는 가상의 위치, 특히 고도각을 가지는 위치에서 음상이 맺치도록 하는 랜더링 기술이다.

2 차원 출력 채널들을 이용하여 고도감을 제공하는 가상 렌더링 기법들은 기본적으로 HRTF 보정 필터링과, 멀티채널 패닝 계수 배분의 두가지 동작을 포함한다. HRTF 보정 필터링은 고도감을 제공하기 위한 음색 보정 작업을 수행하는 것으로, 도 10 내지 도 12 에서 설명한 음색 보정 필터링과 유사한 기능을 수행하는 것이다.

이 때, 도 13a 에 도시된 것처럼 출력 채널이 수평면에 존재하고, 가상 음원의 고도각 φ가 35도인 경우를 가정하자. 이와 같은 경우, 재생 출력 채널인 L 채널과 가상 음원의 고도차는 35이고, 이와 같은 가상 음원에 대한 HRTF는 라고 정의할 수 있다.

반대로 도 13b 에 도시된 것처럼 출력 채널이 더 큰 고도각을 가지는 경우를 가정하자. 이와 같은 경우, 재생 출력 채널인 L 채널과 가상 음원의 고도차는 35도이지만, 출력 채널이 더 큰 고도각을 가지므로 이와 같은 가상 음원에 대한 HRTF는 라고 정의할 수 있다.

이 때, 의 관계가 성립한다. 또한, 가상 음원과 출력 채널에 고도차가 존재하지 않는다면 고도 보정 필터 를 이용한 음색 보정은 수행하지 않는다.

이를 일반화하여 표현하면 표 1과 같다.

이 때, 음색 변환 필터를 사용하지 않는 경우는 바이패스 필터링을 수행하는 것과 같고, 표 1 은 고도차가 정확히 와 -인 경우뿐 아니라 로부터 소정의 범위를 만족시키는 경우에도 적용될 수 있다.

도 14 는 일 실시 예에 의한 L/R/LS/RS 채널을 이용하여 TFC 채널을 가상 렌더링 하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

TFC 채널은 방위각 0도, 고도각 35도에 위치하며, TFC 채널을 가상 렌더링하기 위한 수평 채널 L, R, LS, RS의 위치는 도 14 및 표 2와 같다.

도 14 및 표 2 의 경우, R 채널 및 LS 채널은 표준 레이아웃에 따라 설치되어 있으며, RS 채널은 25도의 방위 편차를 갖고, L 채널은 35도의 고도 편차 및 15 도의 방위 편차를 갖는다.

일 실시예에 따른 L/R/LS/RS 채널을 이용하여 TFC 채널을 가상 렌더링 하는 방법을 적용하는 방법은 다음과 같은 순서에 따라 진행된다.

첫번째로, 패닝 계수를 계산한다. 저장부에 저장되어 있는 TFC 채널에 대한 가상 렌더링을 위한 초기값들을 로딩하거나, 2차원 렌더링 또는 VBAP 등의 방법을 이용하여 패닝 게인을 계산한다.

두번째로, 채널 배치에 따라 패닝 계수를 수정(보정) 한다. 출력 채널 레이아웃이 도 14 와 같이 배치된 경우라면, L 채널에는 고도 편차가 존재하므로 L-R 채널을 이용하는 pair-wise 패닝을 위해 L 채널과 R 채널에는 고도 효과 보정부(124)를 통한 패닝 게인의 수정이 적용된다. 반면, RS 채널에 방위 편차가 존재하므로 LS-RS 채널을 이용하는 pair-wise 패닝를 위해 LS 채널과 RS 채널에는 일반적인 방법을 이용하여 패닝 계수를 수정한다.

세번째로, 음색 변형 필터를 이용해 음색을 보정한다. R 채널 및 LS 채널은 표준 레이아웃에 맞게 설치되어 있으므로 본래의 가상 렌더링과 동일한 H_E가 적용된다.

RS 채널은 고도 편차는 없고 방위 편차만 있으므로 본래의 가상 렌더링과 동일한 필터 H_E를 이용하되, LS 채널의 표준 레이아웃에 따른 방위각인 110도에서 135도로 이동한 성분에 대한 보정 필터 를 적용한다. 이 때, 은 110도의 음원에 대한 HRTF이고, 는 135도의 음원에 대한 HRTF 이다. 다만, 이와 같은 경우 방위각 110도와 135도는 상대적으로 가까우므로 바이패스 해도 무방하다.

L 채널은 표준 레이아웃에 대해 방위 편차 및 고도 편차가 모두 존재하는 채널로, 본래 가상 렌더링을 위해서 적용되어야 하는 가 적용되지 않고, TFC의 음색과 L의 위치 음색을 보상해주는 로 보정한다. 이 때, 는 TFC 채널의 표준 레이아웃에 대한 HRTF이고, 는 L 채널이 설치된 위치에 대한 HRTF 이다. 또는, 이와 같은 경우에도 TFC 채널과 L 채널의 위치가 상대적으로 가까우므로 바이패스 하도록 결정할 수 있다.

렌더링부에서는 입력 신호를 필터링한 후 패닝 게인을 곱해서 출력 신호를 생성하는데, 패닝부와 필터링부는 서로 독립적이다. 이는 도 15 의 블록도를 참조하면 더욱 명확해 질 것이다.

도 15 는 일 실시 예에 의한 5.1 출력 채널을 이용하여 가상 렌더링의 편차를 처리하는 렌더러에 대한 블록도이다.

도 15 의 렌더러에 대한 블록도는, 도 14 의 실시예와 같이 L/R/LS/RS 채널을 이용하여 TFC 채널을 가상 렌더링하기 위해 도 14 에 도시된 것과 같은 레이아웃을 갖도록 설치된 L/R/LS/RS 출력 채널을 이용하는 경우, 각 블록의 출력 및 처리를 나타낸다.

패닝부에서는 첫번째로 5.1 채널에서의가상 렌더링 패닝 게인을 계산한다. 도 14 와 같은 경우라면, L/R/LS/RS 채널을 이용하여 TFC 채널을 가상 렌더링하도록 설정된 초기값을 로딩하여 패닝 게인을 결정할 수 있다. 이 때, L/R/LS/RS 채널에 적용하기 위해 결정된 패닝 게인은 각각 , , 및 이다.

다음 블록에서는 출력 채널의 표준 레이아웃과 설치된 출력 채널의 레이아웃 편차에 기초하여 L-R 채널과 LS-RS 채널 사이의 패닝 게인을 수정한다.

LS-RS 채널의 경우, LS 채널에 방위 편차만 존재하므로 일반적인 방법을 이용하여 패닝 게인을 수정한다. 수정된 패닝 게인은 및 이다. L-R 채널의 경우, R 채널에 고도 편차가 존재하므로 고도 효과 보정을 위해 고도 효과 보정부(124)를 통해 패닝 게인을 수정한다. 수정된 패닝 게인은 및 이다.

필터링부(121)는 입력 신호 를 수신하고, 각 채널별로 필터링을 수행한다. R 채널 및 LS 채널은 표준 레이아웃에 맞게 설치되어 있으므로 본래의 가상 렌더링과 동일한 가 적용된다. 이 때, 각각의 필터 출력은 및 가 된다.

RS 채널은 고도 편차는 없고 방위 편차만 있으므로 본래의 가상 렌더링과 동일한 필터 를 이용하되, LS 채널의 표준 레이아웃에 따른 방위각인 110도에서 135도로 이동한 성분에 대한 보정 필터 를 적용한다. 이 때, 필터 출력 신호는 가 된다.

L 채널은 표준 레이아웃에 대해 방위 편차 및 고도 편차가 모두 존재하는 채널로, 본래 가상 렌더링을 위해서 적용되어야 하는 가 적용되지 않고, TFC의 음색과 L의 위치 음색을 보상해주는 로 보정한다. 이 때, 필터 출력 신호는 이 된다.

각 채널에 대한 필터 출력 신호 , , 및 는 패닝부에서 수정된 패닝 게인 , , 및 와 각각 곱해져서 각 채널 신호에 대한 렌더러 출력 신호 , , 및 가 된다.

이상 설명된 본 발명에 따른 실시예는 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 실행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM 및 DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical medium), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은, 프로그램 명령어를 저장하고 실행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의하여 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위하여 하나 이상의 소프트웨어 모듈로 변경될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항과 한정된 실시예 및 도면에 의하여 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위하여 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정과 변경을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (2)

1. 음향 신호를 렌더링하는 방법에 있어서,
   수평 입력 채널 신호를 포함하는 멀티채널 신호들을 수신하는 단계;
   액추얼 라우드 스피커 레이아웃 및 기준 라우드 스피커 레이아웃을 획득하는 단계, 여기서, 상기 기준 라우드 스피커 레이아웃은 5.1 채널 레이아웃이고,;
   상기 수평 입력 채널 신호와 복수의 출력 채널 신호들 간의 매핑 관계를 획득하는 단계;
   상기 수평 입력 채널 신호가 두 개의 출력 채널 신호로 패닝되는 것으로 식별된 것에 기반하여, 머리 전달 함수(head related transfer function)를 기반으로 톤 컬러(tone coloration) 필터 계수를 획득하는 단계;
   상기 액추얼 라우드 스피커 레이아웃의 고도각이 상기 기준 라우드 스피커 레이아웃의 고도각보다 큰 것에 기반하여, 상기 기준 라우드 스피커 레이아웃에 대한 고도 필터의 역형(inverse form)을 이용하여 상기 톤 컬러 필터 계수를 수정하는 단계; 및
   상기 수정된 필터 계수에 기반하여 상기 수평 입력 채널 신호를 포함하는 상기 멀티채널 신호들을 렌더링하는 단계를 포함하는, 음향 신호를 렌더링하는 방법.
2. 음향 신호를 렌더링하는 장치에 있어서,
   수평 입력 채널 신호를 포함하는 멀티채널 신호들을 수신하는 수신부; 및
   획득부를 포함하고,
   상기 획득부는
   액추얼 라우드 스피커 레이아웃 및 기준 라우드 스피커 레이아웃을 획득하고, 여기서, 상기 기준 라우드 스피커 레이아웃은 5.1 채널 레이아웃이고,
   상기 수평 입력 채널 신호와 복수의 출력 채널 신호들 간의 매핑 관계를 획득하고,
   상기 수평 입력 채널 신호가 두 개의 출력 채널 신호로 패닝되는 것으로 식별된 것에 기반하여, 머리 전달 함수(head related transfer function)에 기초한 톤 컬러(tone coloration) 필터 계수를 획득하고,
   상기 액추얼 라우드 스피커 레이아웃의 고도각이 상기 기준 라우드 스피커 레이아웃의 고도각보다 큰 것에 기반하여, 상기 기준 라우드 스피커 레이아웃에 대한 고도 필터의 역형(inverse form)을 이용하여 상기 톤 컬러 필터 계수를 수정하고,
   상기 수정된 필터 계수에 기반하여 상기 수평 입력 채널 신호를 포함하는 상기 멀티채널 신호들을 렌더링하는, 음향 신호를 렌더링하는 장치.