KR20000009249A - 스테레오 다이폴을 이용한 3차원 음향재생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 4채널 오디오 데이터를 2개의 스테레오 다이폴을 이용하여 3차원 음향을 재생하는 장치에 관한 것으로, 이러한 3차원 음향재생장치는 전방 2채널 오디오 데이터를 좌측음원과 우측음원으로 분리하고 각 채널에 해당하는 위치로 가상음원을 생성하는 2개의 전방이퀄라이저, 2개의 전방이퀄라이저로부터 출력된 음원을 청취자의 전방에서 재생하는 제1스테레오 다이폴, 후방 2채널 오디오 데이터를 좌측음원과 우측음원으로 분리하고 각 채널에 해당하는 위치로 가상음원을 생성하는 2개의 후방이퀄라이저 및 2개의 후방이퀄라이저로부터 출력된 음원을 청취자의 후방에서 재생하는 제2스테레오 다이폴을 포함함을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 4개의 스피커를 사용하지만 스테레오 다이폴의 특수성을 이용하여 마치 두 개의 스피커와 같은 공간을 차지하면서도 전,후방 골고루 입체음향을 재생할 수 있다는 장점이 있다. 멀티플렉서를 사용하여 앰프출력 2개만으로 꾸미는 입체 음향 시스템은 비용이 줄어들 수 있다는 점에서 효과가 있다.

Description

스테레오 다이폴을 이용한 3차원 음향재생장치

본 발명은 음향 재생 시스템에 관한 것으로, 특히 스테레오 다이폴을 이용한 3차원 음향 재생 시스템에 관한 것이다.

3차원 음향 재생은 그 파생적 효과의 기대로 인해 현재까지 활발하게 연구되어온 중요한 분야이다. 특히 멀티미디어 시대의 도래로 인해 종래 시각 중심의 정보 표현 및 전달에 중점을 두던 것이 음성 및 음향에도 커다란 관심이 쏠리고 있는 현 상황에서 볼 때 그 중요성은 점차로 더 증가되고 있다.

3차원 음향 재생은 가상 현실 산업, 자동차 오디오, 엔터테인먼트 및 게임 등에 폭넓게 활용될 수 있다. 3차원 입체음향을 유용하게 활용할 수 있는 실례의 하나로 비디오 게임에서의 비디오와 결합한 효과 음향의 방향성 제공을 들 수 있다. 타겟이 움직이는 방향에 따라 음향의 방향이 바뀐다면 사용자는 상당한 입체감을 느낄 것이다.

그동안 개발된 다양한 입체음향 시스템에 대해 간단히 살펴본다. 종래의 현장감 있는 소리의 재생을 위해 최초에 하나의 스피커에서 재생되던 소리를 두개의 스피커에 각각 나누어 재생하는 스테레오 시스템이 개발되었다. 이어서 좀더 다향한 방향의 소리 및 입체 음향을 느끼게 하기 위해서 청취자 뒤쪽에 스피커를 추가하는 써라운드 시스템이 개발되었다. 또한 이의 확장으로 돌비 프로로직 서라운드라는 입체 음향 기술은 5개의 스피커를 청취자를 둘러싼 위치에 배치하여 현장감 및 입체음향을 생성한다. 최근에는 두 개의 스피커를 이용하는 에스.알.에스(SRS)사나 큐사운드(QSound)사의 제품도 상용화되었다.

여러 개의 스피커를 사용하지 않고 두개의 스피커를 사용하여 여러 방향의 소리를 재생시킬 수 있다면 이는 시스템 구현면에서 커다란 이점이 있다. 첫째 보다 적은 수의 스피커를 사용함으로서 경제적 이점이 있으며 둘째 시스템이 차지하는 공간이 줄어든다는 이점이 생긴다. 이를 위하여 오래전부터 스피커와 청취자 사이에서의 소리 전달함수(HRTF)를 측정하여 스피커 전단에 이퀄라이저를 설치하는 방식이 연구되어 왔다. 이 방식으로 두 개의 스피커를 사용하는 경우 어느 정도의 방향성을 가진 가상 음원을 재생할 수 있었으며 특히 청취자의 청취 영역을 확장시키는 방식으로 '스테레오 다이폴(stereo dipole)’이라는 방식이 제안되었다.

스테레오 다이폴 방식은 두 개의 스피커를 나란히 근접하게 붙임으로써 청취자의 머리가 좌우로 수 cm정도 움직여도 가상음원의 방향성이 유지되는 효과를 보여준다. 즉 보상 영역의 확장을 가져온다. 스테레오 다이폴은 전방향의 가상음원에 대해서는 어느 정도의 방향성을 재생할 수 있으나 후방향에 대해서는 보장할 수 없다는 단점이 있다. 요즘 각광을 받고 있는 돌비 프로로직 시스템은 스피커 각각을 청취자를 중심에 두고 일정 각도로 배치해야 하므로 일정 공간이상이 확보되어야 하고 스피커 및 앰프가 각각 최소 5개가 되어야하므로 구현시 경제적으로 효율적이지 못하다.

에스.알.에스(SRS)사의 기술은 HRTF(Head Related Transfer Function)에 기반을 두고 있으며 마이크로폰과 인간이 듣는 방식의 차이를 보상하는 것이 기술의 주된 요인이다. 녹음시에 마이크로폰으로 적절하게 포착되지 못했던 정보를 인출하고 HRTF에 기반을 둔 수정을 가하여 원래의 공간감을 가지도록 한다고 주장한다.

큐사운드(QSound)사는 특히 종래의 HRTF에 기반을 두지않고 자신들만의 전달함수를 측정하여 사용한다. 어느 방향의 가상 음원에 대해 두 개의 스피커에 들어가는 모든 주파수 성분의 최적 크기차 및 최적 위상차를 사람을 대상으로 측정하여 데이터베이스화 하였다. 재생시에는 원하는 가상음원의 방향에 해당하는 데이터를 필터의 계수로 하여 입력음에 대해 필터링을 해준다.

에스.알.에스사와 큐사운드사의 기술들은 어느 정도의 입체음향 재생을 보장하지만 360도의 모든 방향에서 대해 재생하지는 못한다. 특히 스피커 반대방향인 후방 에 대해서는 방향성이 실감되지 않는다.

스테레오 다이폴은 HRTF에 기반을 두었으며 두 개의 스피커를 근접하게 배치하여 입체음향 재생시의 청취자의 최적 청취 영역을 확장하는 시스템이다. 두 개의 스피커를 하나의 인크로저(enclosure)에 넣어 공간을 절약할 수 있는 효과가 있다. 그러나 후방향에 대해서는 확실한 재생이 불가능하다는 단점이 있다.

본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 3차원 음향 재생시 가상음원의 방향성을 유지하고 청취자의 전, 후방에서 가상음원을 생성하는 스테레로 다이폴을 이용한 3차원 음향재생장치를 제공함에 있다.

도 1은 하나의 가상 음원을 재생하기 위한 HRTF에 기반을 둔 입체음향 시스템을 도시한 것이다.

도 2는 HRTF에 기반을 둔 입체음향 시스템의 하나인 스테레오 다이폴 시스템을 도시한 것이다.

도 3은 스테레오 다이폴에서 스피커 두 개를 하나의 enclosure에 실장한 모습을 도시한 것이다.

도 4는 HRTF에 기반을 둔 입체음향 재생 시스템의 블록도이다.

도 5는 본 발명에 의한 4채널 출력의 입체음향 시스템을 도시한 것이다.

도 6은 본 발명에 의해 제안된 시스템의 응용예이다.

도 7a는 본 발명에 의한 2채널 출력의 입체음향 시스템을 도시한 것이다.

도 7b는 본 발명에 의한 2채널 출력의 입체음향 시스템에 사용된 제어신호를 도시한 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 3차원 음향재생장치는 오디오 음원을 4채널로 분리하여 전방 및 후방에서 3차원 음향을 재생하는 장치에 있어서, 전방 2채널 오디오 데이터를 좌측음원과 우측음원으로 분리하고 각 채널에 해당하는 위치로 가상음원을 생성하는 2개의 전방이퀄라이저; 상기 2개의 전방이퀄라이저로부터 출력된 음원을 청취자의 전방에서 재생하는 제1스테레오 다이폴; 후방 2채널 오디오 데이터를 좌측음원과 우측음원으로 분리하고 각 채널에 해당하는 위치로 가상음원을 생성하는 2개의 후방이퀄라이저; 및 상기 2개의 후방이퀄라이저로부터 출력된 음원을 청취자의 후방에서 재생하는 제2스테레오 다이폴을 포함함을 특징으로 한다.

상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 3차원 음향재생장치는 4채널 오디오 데이터를 2채널 오디오 데이터로 변환하여 3차원 음향을 재생하는 장치에 있어서, 전방 2채널 오디오 데이터를 좌측음원과 우측음원으로 분리하고 각 채널에 해당하는 위치로 가상음원을 생성하는 2개의 전방이퀄라이저; 상기 2개의 전방이퀄라이저로부터 출력된 음원을 청취자의 전방에서 재생하는 제1스테레오 다이폴; 후방 2채널 오디오 데이터를 좌측음원과 우측음원으로 분리하고 각 채널에 해당하는 위치로 가상음원을 생성하는 2개의 후방이퀄라이저; 상기 2개의 후방이퀄라이저로부터 출력된 음원을 청취자의 후방에서 재생하는 제2스테레오 다이폴; 및 상기 제1스테레오 다이폴과 상기 제2스테레오 다이폴을 오디오 입력신호의 데이터로 포함되어 사용되는 제어신호에 의해 번갈아가며 선택하여 선택된 스테레오 다이폴로 음을 재생하도록 선택하는 선택수단을 포함함을 특징으로 한다.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 HRTF를 기반으로하고 있으므로 이에 대해 기술하기로 한다. 이것의 정의는 텅빈 공간에서의 음원으로부터 사람 귀의 외이도에 이르기까지의 음의 전파를 보여주는 주파수 영역에서의 전달 함수이다. 귀의 구조 측면에서보면 귓바퀴의 불규칙한 모양으로 인해 외이도로 소리가 들어가기 전에 귀에 도달하는 신호의 주파수 스펙트럼이 왜곡되게 되는데 이러한 왜곡은 소리의 방향이나 거리등에 따라서 그 양상이 달라지므로 인간이 소리의 방향을 인지하는데 있어 이러한 주파수 성분의 변화가 큰 역할을 하게 되며 이러한 주파수 왜곡의 정도를 나타내는 것이 HRTF이다. 이러한 HRTF를 이용하여 3차원 입체 음장을 재현할 수 있다. 즉 원하는 방향의 HRTF와 음향신호를 콘볼루션하여 귀에 들려주면 그 쪽 방향에서 소리가 나는 것처럼 느끼게 된다.

HRTF는 각각의 재생환경에 맞게 직접 측정하여 얻으면 좋으나, 측정에 필요한 장비라든지 실험과정의 어려움 등으로 기존에 이미 측정하여 놓은 데이터들을 많이 이용하고 있다. 그 중에서 3차원 오디오 신호처리 분야에서 가장 많이 쓰는 HRTF는 MIT에서 제공하는 KEMAR dummy head모델을 이용한 실험측정 데이터다. 이것은 44.1 kHz의 샘플링 주파수에서 오른쪽, 왼쪽 귀의 임펄스 응답 512 포인트로 구성이 되고, 고도(elevation)의 범위는 -40⁰~ 90⁰, 방위각(azimuth)은 0⁰~ 360⁰까지 총 710개의 위치에 대한 값들이다. 그리고 이것은 dummy head가 비대칭일 경우를 가정하고 측정한 것이지만, 계산 처리의 용이함을 위하여 머리의 좌우 대칭을 가정하여 좀 더 단순화된 HRTF도 제공이 된다. 좌우중 한쪽에 대해서만 제공이 되고 임펄스 응답의 탭(tap)수는 128이다.

실제 음향시스템은 사람과 스피커사이에 일정 방향과 거리가 있는데 이 방향과 거리에 따른 효과를 이퀄라이저로써 제거해야만 앞에서 설명한 HRTF와 음향신호의 콘볼루션이 효과가 있게 된다. 도 1은 이쿼라이저가 포함된 HRTF에 기반을 둔 3차원 음향 재생 시스템으로 C₁₁,C₁₂,C₂₁,C₂₂는 스피커와 두 귀사이의 HRTF이며 A₁,A₂는 가상음원과 두 귀사이의 HRTF이다. H₁,H₂는 이퀄라이저(equalizer)를 나타낸다.

이퀄라이저를 구하는 방법은 도 4에서 설명할 수 있다. 도 4에서 C는 두 귀와 스피커 사이의 전달 함수이며 H는 이퀄라이저, A는 구현하고자 하는 가상 음원과 두 귀 사이의 전달 함수를 나타낸다. E는 C*H-A의 형태로 나타나고 이는 이퀄라이저를 썼을 때 나타나는 실제 오차이며 이 오차가 최소가 되도록 H를 구하는 것이다. H는 최소평균제곱근(least mean squares)방법을 써서 쉽게 구할 수 있다.

H=(C^TC)^-1C^TA

여기서, C^T는 행렬의 행과 열이 뒤바뀐 전치행렬이다.

스테레오 다이폴은 도 2와 같이 스피커 두 개를 근접하게 붙여서 청취자의 정면에 배치하는 시스템을 말한다. 양 스피커가 사람의 머리 중심과 이루는 각은 10도 정도이다. 스테레오 다이폴에서 가상 음원을 재생하는 방법은 앞에서 설명한 바와 같이 HRTF에 근거한 이퀄라이저를 스피커 전단에 적용하는 것이다. 이 경우에 일반적인 스테레오 시스템에서 입체 음향 재생을 할 경우보다 청취자의 머리 움직임에 대해 좀더 엄격하다. 즉 일반적인 시스템의 경우는 좌우로 수 cm만 움직여도 가상음원의 방향성이 상실되지만 스테레오 다이폴은 수 cm 이동시에도 방향성이 유지되는 현상이 잘 알려져 있다. 스테레오 다이폴로 후방향의 가상 음원을 재생하고자 할 때에는 청취자는 전방에 가상 음원이 존재하는 것처럼 느끼는 경우가 많다. 이는 전방의 가상 음원과 두 귀 사이의 HRTF를 후방의 가상 음원과 스피커와 두 귀사이의 HRTF에 비교했을 때 상당히 유사하다는 것이 한 이유가 된다. 또한 HRTF 자체가 전방과 후방의 역할의 차이를 포함하지 못하는 모델링일 수도 있다.

본 발명에서는 제안한 바와 같이 청취자의 뒤쪽에도 전방에 놓은 것과 같은 스테레오 다이폴을 설치하여 후방향의 가상음원을 확실히 느낄 수 있도록 한다. 청취자의 후방에 스피커를 놓는 위치는 전방에서와 마찬가지로 두 스피커 사이의 각을 10도 정도로 하여 청취자의 머리 뒷면을 향하도록 한다. 이퀄라이저는 스피커의 전단에 적용하며 앞에서와 같은 방식으로 필터 계수를 구한다. 실험은 후방에만 스테레오 다이폴을 설치하여 청취자를 중심으로 5⁰간격의 가상 음원을 재현하는 실험을 하였다. 후방향의 가상 음원은 거의 모든 방향이 인식이 되었으나 전방향의 가상 음원은 후방향의 가상 음원으로 인식이 되는 현상이 발행하였다. 그러므로 전방과 후방의 가상 음원을 모두 재현하기 위해서는 본 발명에서는 청취자의 앞뒤로 각 1쌍의 스피커를 배치하는 시스템을 제안한다. 즉 전방의 가상 음원에 대해서는 전방의 스피커 1쌍이 재현하며 후방의 가상 음원에 대해서는 후방의 스피커 1쌍이 재현하는 시스템이다.

도 7a는 전, 후방 2쌍의 스피커중 하나 만을 사용하여 입체음향을 재생하는 시스템이다. 이는 가상 음원 그룹이 전, 후방에서 동시에 재생되지 않고 항상 한쪽에서만 교대로 재생되는 응용에 사용될 수 있다. 이 경우에 전,후방의 스피커에 앰프 출력을 스위칭시키는 멀티플렉서모듈을 사용하면 가능하며 입력 디지털 시퀀스(digital sequence)의 일부를 멀티플렉서를 제어할 수 있는 제어신호로 구성해야 한다. 이 시스템은 일반적인 스테레오 시스템과 같이 항상 2개의 스피커만 가동되므로 2개의 앰프만이 요구된다는 장점이 있다. 즉 시스템 구현시 복잡도를 줄여줄 수가 있다. 도 7b에 멀티플렉서 제어 신호로 사용되는 예를 보였다. 디지탈 오디오 입력 신호가 각각 왼쪽 오른쪽으로 나뉘어 입력되는데 전후방 제어 신호인‘1010’이 입력되면 그 뒤에 새로운 전후방 제어 신호가 입력될 때까지 전방의 스피커로만 출력되며 ‘1100’이 출력되면 후방으로 출력되는 경우의 비트 스트림(bit stream)을 나타낸다.

본 발명의 주요한 응용은 공간을 작게 차지하는 입체 음향 재생을 기대하는 분야가 될 것이다. 도 6에서 보인 바와 같이 아케이드용이나 가정용의 3차원 비디오 게임에서 사실감을 더해 주는 입체 음향 시스템은 좋은 예가 될 것이다.

본 발명에 의하면, 4개의 스피커를 사용하지만 스테레오 다이폴의 특수성을 이용하여 마치 두 개의 스피커와 같은 공간을 차지하면서도 전,후방 골고루 입체음향을 재생할 수 있다는 장점이 있다. 멀티플렉서를 사용하여 앰프출력 2개만으로 꾸미는 입체 음향 시스템은 비용이 줄어들 수 있다는 점에서 효과가 있다.

Claims (7)

1. 오디오 음원을 4채널로 분리하여 전방 및 후방에서 3차원 음향을 재생하는 장치에 있어서,

   전방 2채널 오디오 데이터를 좌측음원과 우측음원으로 분리하고 각 채널에 해당하는 위치로 가상음원을 생성하는 2개의 전방이퀄라이저;

   상기 2개의 전방이퀄라이저로부터 출력된 음원을 청취자의 전방에서 재생하는 제1스테레오 다이폴;

   후방 2채널 오디오 데이터를 좌측음원과 우측음원으로 분리하고 각 채널에 해당하는 위치로 가상음원을 생성하는 2개의 후방이퀄라이저;

   상기 2개의 후방이퀄라이저로부터 출력된 음원을 청취자의 후방에서 재생하는 제2스테레오 다이폴을 포함함을 특징으로 하는 3차원 음향재생 장치.
2. 제2항에 있어서, 상기 이퀄라이저는

   스피커로부터 인간의 두 귀로 전달되는 음의 경로를 모델링한 필터 C, 사용자가 듣고자 하는 가상의 음원위치로부터 인간의 두 귀로 전달되는 음의 경로를 모델링한 필터 A라 할 때,

   H=(C^TC)^-1C^TA (여기서, C^T는 행렬의 행과 열이 뒤바뀐 전치행렬)

   임을 특징으로 하는 3차원 음향재생장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1스테레오 다이폴과 상기 제2스테레오 다이폴은

   두 개의 스피커를 나란히 근접하게 붙임으로써 청취자의 머리가 좌우로 수 cm정도 움직여도 가상음원의 방향성이 유지됨을 특징으로 하는 3차원 음향재생장치.
4. 4채널 오디오 데이터를 2채널 오디오 데이터로 변환하여 3차원 음향을 재생하는 장치에 있어서,

   전방 2채널 오디오 데이터를 좌측음원과 우측음원으로 분리하고 각 채널에 해당하는 위치로 가상음원을 생성하는 2개의 전방이퀄라이저;

   상기 2개의 전방이퀄라이저로부터 출력된 음원을 청취자의 전방에서 재생하는 제1스테레오 다이폴;

   후방 2채널 오디오 데이터를 좌측음원과 우측음원으로 분리하고 각 채널에 해당하는 위치로 가상음원을 생성하는 2개의 후방이퀄라이저;

   상기 2개의 후방이퀄라이저로부터 출력된 음원을 청취자의 후방에서 재생하는 제2스테레오 다이폴; 및

   상기 제1스테레오 다이폴과 상기 제2스테레오 다이폴을 오디오 입력신호의 데이터로 포함되어 사용되는 제어신호에 의해 번갈아가며 선택하여 선택된 스테레오 다이폴로 음을 재생하도록 선택하는 선택수단을 포함함을 특징으로 하는 3차원 음향재생 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 이퀄라이저는

   두 스피커로부터 인간의 두 귀로 전달되는 음의 경로를 모델링한 필터 C, 사용자가 듣고자 하는 가상의 음원위치로부터 인간의 두 귀로 전달되는 음의 경로를 모델링한 필터 A라 할 때,

   H=(C^TC)^-1C^TA (여기서, C^T는 행렬의 행과 열이 뒤바뀐 전치행렬)

   임을 특징으로 하는 3차원 음향재생장치.
6. 제4항에 있어서, 상기 제1스테레오 다이폴과 상기 제2스테레오 다이폴은

   두 개의 스피커를 나란히 근접하게 붙임으로써 청취자의 머리가 좌우로 수 cm정도 움직여도 가상음원의 방향성이 유지됨을 특징으로 하는 3차원 음향재생장치.
7. 제4항에 있어서, 상기 선택수단은

   상기 제어신호에 의해 상기 두 개의 스테레오 다이폴중 하나를 선택하는 멀티플렉서임을 특징으로 하는 3차원 음향재생장치.