KR20000028212A

KR20000028212A - 실 조화 음향 공간 구현시스템

Info

Publication number: KR20000028212A
Application number: KR1019980046375A
Authority: KR
Inventors: 나홍운
Original assignee: 나홍운; 주식회사 라스텔
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1998-10-30
Publication date: 2000-05-25

Abstract

본 발명은 2채널 신호를 처리하여 다차원 공간 음향을 구현하는 시스템에 관한 것으로서,

음원의 중심이 안정된 상태로 자연스럽게 실제 음향 공간과 조화되는 공간적 현장감을 제공하는 다차원 음향 공간을 다양한 형태로 간단히 구현할 수 있도록 하기 위하여,

2채널 신호를 이루는 좌·우신호를 음장위치에 따라 각각 전압레벨조정을 통하여 좌·우 메인신호를 생성하고, 좌·우 메인신호에 대해 가청주파수의 위상과 음원방향 그리고 음색 등을 조정한 후 음향 공간에 대응되게 보정하고, 좌·우 메인신호와 보정된 신호들을 각각 음향 공간에 대응하게 합성한 후 차동증폭을 하며, 차동증폭된 신호를 출력하면서 다시 전후처리 음색공간조정을 통과한 신호와, 각각 음향공간에 대응하게 합성한 신호를 재합성하고, 재합성된 신호와 좌·우측 채널의 차신호를 증폭부에 인가하는 실 조화 음향 공간 구현시스템을 제공한다.

Description

실 조화 음향 공간 구현시스템

본 발명은 2채널 음향(acoustics) 처리방법 및 시스템에 관한 것으로, 특히 2채널 신호를 처리하여 다차원(multi-dimensional) 음향 공간을 구현하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.

통상적으로 2채널 다차원 음향 처리는 기본적으로 2채널 신호를 이루는 좌(Left : 이하 "L"이라 함), 우(Right : 이하 "R"이라 함)신호로부터 원하는 다차원 음향에 필요한 성분들을 얻은 후, 이 성분들을 합성함으로써 이루어진다. 이러한 다차원 음향 처리의 일예를 들면, Danny D. Lowe 등에 의해 발명되어 1995년 8월 8일자로 발행된 미합중국 특허 제5,440,638호 (발명의 명칭 :STEREO ENHANCEMENT SYSTEM)가 있다. 이는 입력되는 L,R신호를 가지고 원신호 L,R성분과 R+L성분, R-L성분을 얻은 후, L,R성분과 R+L성분, R-L성분, 대역제한 R-L성분을 구성하고, 이 성분들을 합성하여 다차원 음향을 구현하였었다. 이와 같이 다차원 음향을 구현할 경우 다차원적인 음향처리는 가능하나, 음원의 중심과 효과음의 배분이 흐트러진다. 원래 스테레오신호는 음원의 위치와 효과음의 위치를 잘 분배하여 기록된 신호이다. 이러한 신호를 R+L, R-L로 분리하여 얻은 것을 다시 L,R신호에 합성함에 따라 음원의 위치와 효과음의 위치가 흐트러지는 것이다. 예를 들면, L,R신호로부터 R-L신호를 얻은 후 원래 L,R신호에 합성할 때 R-L+L과 R-L+R로 되어, 결과적으로 R측의 합성신호는 2R-L신호가 된다. 그러므로 모노(mono)일때는 R측에는 R만 인가되므로 문제가 없으나, 스테레오일때는 R과 2R-L이 됨으로써 R성분의 영향을 받으므로 음원의 위치가 흐트러진다. 따라서, 이러한 방식은 스테레오 음악인 경우 다차원 음향은 구현되나, 음의 분리도 및 정위감이 저하되는 문제점이 있었다.

상기한 바와 다른 예로서 얼 게데스(Earl R. Geddes)등에게 1995년 5월 30일자로 특허된 미합중국 특허 제5,420,929호(발명의 명칭 : SIGNAL processor for sound image enhancement)와 최근 한국에 특허출원중인 제97-12152호(발명의 명칭 : 주파수 선택적 공간감 향상시스템)등이 있다. 이는 입력신호 L,R성분을 원신호 L,R신호와 각각을 대역제한한 L,R신호를 합성할 때 αL+β로패스필터 L - γ하이패스필터 R과 αR+β로패스필터R - γ하이패스필터 L로 구성된 경우가 있다. 이러한 경우 각각의 L,R출력에서 보면 모노일때는 저역부분만 부스트(boost)된 상태가 되면서 중음을 유지하고 스테레오신호일때는 중음을 유지하면서 고음을 증가하는 방식으로 되어 있어 자기 채널의 신호가 중심이 되므로 음원의 흐트러짐은 적으면서 서라운드적 음향 공간 표현만을 얻을 수 있다. 그리고 스테레오 분리도는 개선되지만 스테레오적 고주파 성분의 증가로 인해 공간음향이 부자연스럽게 느껴졌었다.

이뿐만 아니라 상기한 방식들은 단순한 형태와 종류의 음향 공간만 표현 가능함으로써 청취자가 다양한 공간적 현장감을 느끼기 부족하였었다.

이와 같은 다차원 음향을 구현할 때 음원의 중심이 흐트러지거나 고주파부분의 증가로 인해 부자연스럽게 되는 것을 개선하기 위해 디지털 신호 처리(digital signal processing)를 하는 방식이 채용되고 있다. 이와 같이 디지털 신호 처리에 의한 다차원 음향은 하드웨어나 소프트웨어로 구현할 수 있다. 그러나, 하드웨어로 구현할 경우에는 구성이 복잡하고 방대해지며, 소프트웨어로 구현할 경우에는 알고리즘(algorithm) 사이즈(size)가 커짐으로써 처리시간이 길어지고 시스템 구현을 할 때 원가가 크게 상승되는 단점이 있었다. 한편, 디지털 신호처리에 의한 방식은 상술한 방식들에 비해 다양한 음향 공간을 표현할 수는 있으나, 위와 같은 이유로 보다 더 다양한 음향 공간을 표현하기 곤란한 단점이 있었다.

상술한 바와 같이 종래에 다차원 음향을 구현할 때 음원의 중심이 흐트러지거나 고주파부분의 증가로 인한 부자연스러움이 나타나거나, 이를 개선하기 위해 디지털 신호처리방식을 채용할 경우에는 하드웨어의 구성이 복잡하고 방대해지거나 알고리즘 사이즈가 커짐으로써 처리시간이 길어지고 원가가 크게 상승되는 단점이 있었다. 뿐만 아니라 기존의 2채널 다차원 음향처리는 다양한 형태와 종류의 음향 공간을 표현할 수 없거나 곤란한 단점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 음원의 중심이 안정된 상태의 자연스럽고 다양한 공간적 다차원 음향 공간을 실제 음향 공간과 조화되도록 구현할 수 있는 실 조화(real harmonic) 음향 공간 구현시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 다양한 공간적 다차원 음향 공간을 간단히 구현할 수 있는 실 조화 음향 공간 구현시스템을 제공함에 있다.

그리고, 디지탈 신호처리에 의해 본 발명 알고리즘을 적용시 알고리즘 사이즈가 적어도 다양하게 적용 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 음향 공간 구현시스템의 블록구성도,

도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 실시예중 가청주파수의 위상 및 응답특성을 보정하는 필터의 예시도,

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 음향공간 형태의 예시도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

50,60 : 음장위치조정부 100,110 : 음장선택스위치

70,80 : 전처리음색공간부 180 : 전후처리음색공간부

120,130 : 제1합성부 140,150 : 제2합성부

160,170 : 증폭부

상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 2채널 신호를 이루는 좌·우신호를 음장위치에 따라 각각 전압레벨조정을 통하여 좌·우 메인신호를 생성하고, 좌·우 메인신호에 대해 가청주파수의 위상과 음원방향 그리고 음색 등을 조정한 후 음향 공간에 대응되게 보정하고, 좌·우 메인신호와 보정된 신호들을 각각 음향 공간에 대응하게 합성한 후 차동증폭을 한다. 차동증폭된 신호를 출력하면서 다시 전후 처리 음색 공간 조정을 통과한 신호와, 각각 음향공간에 대응하게 합성한 신호를 재합성하고, 재합성된 신호와 좌·우측 채널의 차신호를 증폭부에 인가하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

하기 설명 및 첨부도면에서 구체적인 부품이나 회로구성 또는 주파수와 같은 많은 사항들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 위해 나타나 있다.

이들 사항들이 없이 또는 이를 변경하여 본 발명이 실시될 수 있다는 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. 그리고 본 발명의 요지를 이해하는데 불필요한 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

통상적인 스테레오 오디오신호에서는 음원의 위치를 중앙을 기준으로 효과음을 스테레오적으로 구현하고 있어 모노 오디오신호보다 청취영역을 넓히면서 분리도를 향상시키는 방식을 취하고 있다. 이러한 스테레오 오디오신호를 처리하여 다양한 공간 음향을 구현함에 있어서 본 발명은 음원의 중심이 흐트러지는 것과 고주파 부분의 부자연스러운 부분을 디지털 신호 처리를 하지 않고서도 개선하면서 다양한 공간적 현장감을 구현한다. 즉, 본 발명은 음원의 위치와 효과음의 분리도를 살리면서 음향신호를 중앙 위치를 기준으로 주변확산, 좌우확산, 상하확산 등과 같은 다양한 형태의 다차원 공간 음향을 구현한다.

도 1은 본 발명의 블록다이어그램으로서,

2채널 신호에 대해 다양한 형태의 공간음향을 구현함에 있어 좌·우측 신호입력(L,R)을 입력으로 음장위치에 따라 각각 전압레벨조정(10)(20)하여 얻은 신호를 좌·우메인신호라 한다. 좌·우 메인신호를 입력으로 하여 음장위치조정을 하는 음장위치조정부(50)(60)와, 음색공간을 조정하는 전처리음색공간부(70)(80)와, 음장위치조정부를 음장위치선택을 위한 음장선택스위치(100)(110)와, 좌·우 메인신호와 음장선택스위치(100)(110)의 신호와 합성시 비교감쇠를 하는 비교감쇠기(30)(40)와, 좌·우 비교감쇠기를 통과한 신호와 음장선택스위치를 통과한 신호를 합성하는 제1합성부(120)(130)와, 전처리 음색공간조정부를 통과한 신호와 음장선택스위치를 통과한 신호를 합성하는 제2합성부(140)(150)와, 좌·우신호를 차동증폭하는 증폭부(160)(170)와, 증폭부(160)(170)를 통과한 신호를 출력하면서 다시 제2합성부(140)(150)와 합성하여 합성된 신호와 좌·우채널의 차신호를 좌·우차동증폭에 합성하는 전후처리 음색공간부(180)로 이루어진다.

이같은 구성의 본 발명은 2채널 신호에 대해 다양한 형태의 공간 음향을 구현함에 있어 좌·우측 신호입력(L,R)을 입력으로 음장위치에 따라 각각 전압레벨조정(10)(20)하여 얻은 신호를 좌·우 메인신호라 한다. 조정량은 1/g_av라하며 그 조정량은 다양한 형태의 공간음향 구현을 위해 필요한 성분들을 합성하여 증폭함에 따라 전체적으로 신호성분의 음량이 증가되는 것을 보상하기 위한 것이다. 또한, 좌·우 메인신호는 비교감쇠기(30)(40)와 음장위치 조정을 하는 음장위치조정부(50)(60)와 음색공간을 조정하는 전처리음색공간부(70)(80)로 직접 입력되는 구성으로 되어 있다.

비교감쇠기(30)(40)는 음장선택스위치(100)(110)로부터 출력되는 신호를 제1합성기(120)(130)에서 합성시 비교감쇠합성을 위한 것으로서, 신호의 합성량을 조정한다. 비교감쇠량을 1/g_cpm이라 한다.

음장위치조정부(50)(60)는 음장위치조정을 위한 요소로서 대역통과필터로 구성되어 있으며 도 2a는 그 구성도이다. 대역통과필터는 가청주파수의 고음의 위상보정과 중저음의 위상보정을 병행하며 응답특성은 도 2b와 같다. 도 2a의 R₅₃저항은 신호합성시 비교분배기 역할을 한다. 그로 인하여 응답특성의 레벨을 조절할 수 있다.

그리고 부신호증폭시는 증폭계수 역할도 한다. 이와 같은 음장위치조정부의 출력을라고 한다. 음장위치조정부(50)(60)를 통과한 신호는 음장선택스위치(100)(110)로 출력한다. 음장선택스위치(100)(110)는 주변확산, 좌우확산, 상하확산 등의 다양한 형태의 다차원 공간음향을 구현한다.

주변확산을 위해서 음장선택스위치(100)(110)는 접점(101)과 접점(104)이 접속되고, 접점(111)과 접점(114)이 접속한다. 좌·우확산을 위해서 음장선택스위치(100)(110)는 접점(101)과 접점(103)이 접속되고, 접점(111)과 접점(113)이 접속한다.

상하 확산을 위해서는 음장선택스위치(100)(110)는 접점(101)과 접점(102)이 접속되고, 접점(111)과 접점(112)이 접속한다. 음장선택스위치(100)(110)는 다양한 형태의 다차원 공간음향을 선택하여 제1합성부(120)(130)와 제2합성부(140)(150)로 출력한다. 전처리음색공간부(70)(80)는 음색공간조정을 위한 요소로서 저역차단필터로 구성되어 있으며 도 2c는 그 구성도이다. 저역차단필터는 가청주파수의 저음의 위상보정을 하며 응답특성은 도 2d와 같다. 이와 같은 전처리음색공간부의 출력을라고 한다. 도 2c의 R₇₂저항은 신호합성시 비교분배기의 역할을 한다. 그로 인하여 응답특성의 레벨을 조정할 수 있다. 그리고, 부신호 증폭시는 증폭계수역할도 한다. C₇₂는 주파수의 증가에 따른 기울기를 가지며 감쇠기능을 한다.

즉, 부신호 증폭시 고음부분을 억제하는 역할을 한다. 그러나, 필요에 따라 삭제할 수도 있다.

전처리음색공간부(70)(80)는 제2합성부(140)(150)로 출력한다.

제1합성부(120)(130)는 좌·우메인신호를 비교감쇠기(30)(40)를 통과한 신호의 상하 확산시는 음장선택스위치(100)(110)의 접점(101)(102) 접속과 접점(111)(112)접속에 의해 합성한다. 그리고 좌·우 확산시는 음장선택스위치(100)(110)의 접점(101)(103) 접속과 접점(111)(113) 접속에 의해 합성한다. 제1합성부(120)(130)에 합성된 신호는 증폭부로 출력한다.

제2합성부(140)(150)는 전처리음색공간부(70)(80)를 통과한 신호와 음장선택스위치(100)(110)를 통과한 신호의 합성을 한다. 이때, 주변확산시는 음장선택스위치(100)(110)의 접점(101)(104) 접속과 접점(111)(114) 접속에 의해 합성한다. 이렇게 하여 제2합성부(140)(150)에서 합성된 신호는 전후처리음색공간부(180)로 출력한다. 전후처리음색공간부(180)는 증폭된 신호(Lt, Rt)를 다시 피드백되어 제2합성부에서 출력된 신호와 합성하여, 합성된 신호와 좌·우채널의 차신호를 증폭부에 출력한다. 증폭부(160)(170)는 제1합성부(120)(130)와 전후처리음색공간부(180)의 신호의 차동증폭을 한다. 이때, 차동증폭도는 정신호증폭도를 A_P라고 하고 부신호 증폭도를 A_N이라고 할 때, A_N〈 A_P의 조건을 갖는다.

증폭된 신호출력을 Lt, Rt라고 한다.

증폭부(160)(170)사이의 전후처리공간부(180)는 저역차단필터와 고역차단필터로 구성되어 있으며 그 구성도는 도 2e와 같다. 차신호에 따른 응답특성은 도 2f와 같다.

이와 같은 전후처리음색공간부를라고 한다. α는 제2합성부(140)(150)의 출력신호와 좌·우채널 출력신호의 피드백 신호가 합성하여, 합성된 신호와 좌·우채널의 차신호를 말한다.

전후처리음색공간부(180)의 차신호의 양은 도 2e에서 R₁₈₁과 C₁₈₁의 양으로 조정되며 고음부분의 처리는 R₁₈₅, C₁₈₂, R₁₈₆, C₁₈₃으로 조정된다. 그러나 고음부분을 처리하는 R₁₈₅, C₁₈₂, R₁₈₆, C₁₈₃은 필요에 따라 생략할 수 있다.

다양한 형태의 다차원 공간 음향은 주변확산, 좌우확산, 상하확산등으로 구현하며 도 3a는 주변확산의 구성예이고, 도 3b는 좌우확산의 구성예이고, 도 3c는 상하확산의 예이다.

도 3a는 주변확산을 평면도로 나타낸 것으로서, 2채널 스피커의 위치가 (200)과 (202)로 나타나 있고 청취자는 (204)위치에서 주변확산음향감(208)을 얻을 수 있다. 즉 음장선택스위치(100)(110)의 접점(101)과 접점(104)이 접속되고, 접점(111)과 접점(114)이 접속되면, 음장위치조정부(50)(60)의 출력신호, 즉 음상위치조정 특징을 갖고 있는 대역통과부분의 가청주파수가 전처리음색공간부(70)(80)의 출력신호와 제2합성부(140)에서 합성되어 기존의 서라운드(점선으로 표시)보다 더 넓은 주변확산을 가져오는 음향이 증폭부(160)(170)를 통해 출력된다.

도 3b는 좌우확산을 평면도로 나타낸 것으로서, 2채널 스피커의 위치가 (200)과 (202)로 나타나 있고 청취자는 (204)위치에서 좌우확산음향감(210)을 얻을 수 있다. 즉, 음장선택스위치(100)(110)의 접점(101)과 접점(103)이 접속되고, 접점(111)과 접점(113)이 접속되면, 음장위치조정부(50)(60)의 출력신호, 즉 음상위치조정 특징을 갖고 있는 대역통과부분의 가청주파수가 상대채널의 제1합성부(130 또는 120)로 입력, 합성되어 넓은 좌우확산을 가져오는 음향이 증폭부(160)(170)를 통해 출력된다.

도 3c는 상하확산을 정면도로 나타낸 것으로서, 2채널 스피커의 위치가(200)과 (202)로 나타나 있고 청취자는 (204)위치에서 상하확산음향감(212)을 얻을 수 있다. 즉, 음장선택스위치(100)(110)의 접점(101)과 접점(102)이 접속되고, 접점(111)과 접점(112)이 접속되면, 음장위치조정부(50)(60)의 출력신호, 즉 음상위치 조정 특징을 갖고 있는 대역통과부분의 가청주파수가 자기채널의 제1합성부(120 또는 130)로 입력, 합성되어 넓은 상하확산을 가져오는 음향이 증폭부(160)(170)를 통해 출력된다.

위에서는 주변확산, 좌우확산, 상하확산을 선택적으로 청감하는데 대하여 설명하였으나 음장선택스위치를 사용하지 않고 주변확산만을 이용하거나, 주변확산을 기본으로 하고 좌우확산, 상하확산을 선택적으로 부가하는 시스템을 구현하는 것이 모두 가능하다.

이와 같이 다양한 형태의 다차원 공간음향선택은 음장위치선택모드(90)에서 제어한다. 이때 음장선택스위치(100)(110)와 전압레벨조정(10)(20)을 병행하여 제어한다. 이유는 신호합성에 따라 음량의 차이를 조정할 필요가 있기 때문에 음장위치선택모드(90)는 음장선택스위치(100)(110)와 전압레벨조정(10)(20)을 병행처리하는 것이다. 다양한 형태의 다차원 공간 음향선택은 주변확산, 좌우확산, 상하확산등으로서, 이를 수식적으로 표현하면 아래와 같다.

주변확산식 ;

좌우확산식 ;

상하확산식 ;

위에서, 다양한 형태의 다차원 공간 음향선택은 2채널 신호에 대해 가청주파수를 고음, 중고음, 중저음, 저음으로 구분하여 위상과 음색공간방향을 보정하는 예를 들었으나, 보정하는 신호성분의 종류나 개수 또는 주파수는 필요에 따라 얼마든지 달리 적용할 수 있다.

따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위와 특허청구범위의 균등한 것에 의해 정하여져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 2채널 신호를 실제 스피커의 특성과 음향 공간에 대응되게 보정하고 음량 분배한 후 다양한 형태로 합성함으로써, 음원의 중심이 안정된 상태에서 자연스럽게 다양한 형태의 공간적 현장감을 제공하는 음향 공간을 간단히 구현할 수 있는 잇점이 있다.

Claims

2채널 신호를 처리하여 다양한 형태의 다차원 음향공간을 구현하는 시스템에 있어서,

2채널 신호를 이루는 좌·우 신호에 대해 각각 가청주파수의 위상과 음색공간을 스피커특성과 음향공간에 대응되게 보정하는 음장위치조정부에 의한 음장선택스위치와 전처리음색공간부와,

상기 음장위치조정부에 의한 음장선택스위치와 제1합성부 제2합성부에 의한 음장위치 선택을 하여 메인좌·우신호와 합성하는 제1합성부와 전처리음색공간부와 합성하는 제2합성부와, 상기 제2합성부와 합성하는 전후처리음색공간부와,

상기 제1합성부와 전후처리음색공간부에서 음량분배된 신호들을 차동증폭하는 증폭부를 구비함을 특징으로하는, 실 조화 음향 공간 구현시스템.
제1항에 있어서, 음장위치에 따라 각각의 전압레벨조정과 음색선택 위치스위치를 선택하는 역할을 하는 음장위치 선택모드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 실 조화 음향 공간 구현시스템
제1항에 있어서, 전후처리음색공간부단에서 상기 제2합성부와 차동증폭된 신호를 피드백하여 합성한 후 좌·우측 채널신호를 부가 합성하여 증폭부에 출력하는 것을 특징으로 하는, 실 조화 음향 공간 구현시스템.