KR20060083320A - 비임형성 방식을 이용한 녹음 장치 및 그 방법 - Google Patents

비임형성 방식을 이용한 녹음 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

적어도 두 개 이상의 마이크로 폰을 적용한 비임포밍(beamforming) 방식을 이용하여 녹음하는 녹음 장치 및 방법이 개시되어 있다. 본 발명은 오디오 녹음 방법에 있어서, 음원을 수취하는 복수개의 마이크로폰을 소정의 위치에 배치하는 과정, 각 마이크로폰의 사이의 간격에 따라 각 마이크로 폰으로 수취되는 신호의 딜레이 및 레벨을 조정하여 비임을 형성하는 과정, 형성된 비임의 각도 및 폭을 사용자 입력에 의해 임의로 조정하는 과정을 포함한다.

Description

비임형성 방식을 이용한 녹음 장치 및 그 방법{Method and apparatus for recording signal using beamforming algorithm}
도 1a 및 도 1b는 종래 잡음과 오디오가 혼합된 신호의 스펙트럼에서 잡음 스펙트럼을 차감한 스펙트럼 파형도이다.
도 2는 본 발명에 따른 비임형성 방식을 이용한 녹음 기능이 탑재된 녹음 장치의 사용 예를 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 녹음 장치의 외관도이다.
도 4는 본 발명에 따른 녹음 장치의 전체 블록도이다.
도 5a는 마이크로폰들에 수신된 신호의 시간 지연의 일예를 보이는 파형도이다.
도 5b는 비임 형성부(410)의 상세도이다.
도 6은 비임 형성부의 비임 형성 패턴의 예를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 비임 형성 알고리듬을 이용한 녹음 방법을 보이는 흐름도이다.
본 발명은 보이스 레코더나 MP3 재생기와 같은 녹음 장치에 관한 것이며, 특히 적어도 두 개 이상의 마이크로 폰을 적용한 비임포밍(beamforming) 방식을 이용하여 녹음하는 녹음 장치 및 방법에 관한 것이다.
종래에는 휴대용 재생 또는 녹음 장치는 음성 등의 소리를 녹음 할 때에 장치 안에 내장 되어있는 작은 마이크로폰을 이용하여 그대로 음을 녹음을 하게 된다. 그러므로 녹음된 신호는 녹음의 단계에서부터 주변 노이즈를 많이 포함하게 된다. 이러한 노이즈는 녹음된 신호의 음질이 열악하게 한다.
따라서 이러한 주변 노이즈를 제거하기 위한 잡음 제거 기술이 필요하게 된다. 일반적으로 스펙트럼 노이즈 제거 장치는 주변 노이즈를 제거하기 위해 스펙트럼 차감법(spectral subtraction)을 이용하고 있다.
이하에서 스펙트럼 차감법(spectral subtraction)을 설명한다.
먼저, 마이크로폰으로 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 이어서, 그 디지털 신호는 시간축 영역에서 프레임 단위화(framing)를 수행한다. 이어서, 프레임 단위의 신호는 프레임간의 정보 단절과 왜곡을 줄이기 위해 윈도우를 취한다. 이어서, 윈도우를 적용한 신호는 푸리에 변환(Fast Foruier Transform: FFT)을 통해 주파수 스펙트럼으로 변환된다.
이 스팩트럼 정보는 크기 스펙트럼(magnitude spectrum) 정보와 위상 스펙트럼(phase spectrum) 정보로 이루어진다. 이때 크기 스펙트럼(spectrum) 정보는 스펙트럼 차감에 이용되고, 위상 스펙트럼(phase spectrum) 정보는 역 프리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform:IFFT)에 이용된다.
스펙트럼 차감은 음성과 잡음이 섞인 크기 스펙트럼에서 추정된 잡음 스펙트럼을 빼는 연산이다. 이때 통상적으로 잡음 스펙트럼은 잡음 구간의 크기 스펙트럼을 평균하여 음성 구간의 잡음 스펙트럼으로 추정한다.
잡음 특성이 정상적일 경우 추정된 잡음 스펙트럼은 실제 잡음 성분의 스펙트럼과 유사하다. 따라서 스펙트럼 차감에 의해 얻어지는 크기 스펙트럼은 근사적으로 잡음이 제거된 음성 신호만의 크기 스펙트럼이 된다.
예를 들면, 입력되는 잡음+오디오 신호의 스펙트럼을 Y(w), 추정된 잡음 스펙트럼을 N'(w)라고 한다면, 차감된 신호의 스펙트럼은 Y(w)-N'(w) 가 된다. 이는 도 1에 도시되어 있다.
도 1a 에서 도시되어 있는 바와 같이 스펙트럼의 크기가 음(-)의 값을 가지는 구간이 발생한다. 즉 스펙트럼 크기가 음의 값을 가질 수는 없는 경우 기존에는 일정한 양(+)의 임계(threshold) 값(110)보다 작은 경우 스펙트럼 크기를 양의 임계값(110)으로 대체한다. 이 과정을 수식으로 나타내면 다음과 같다.
if ( Y(w) - N'(w) ) > threshold
--> ( Y(w) - N'(w) )
if ( Y(w) - N'(w) ) <= threshold
--> threshold
도 1b는 스펙트럼의 크기(magnitude)가 일정한 양의 임계치(threshold)(110)보다 작은 경우 그 양의 임계치(110)로 대체한 스펙트럼 파형도를 보인다.
그러나 스펙트럼 차감 후에는 도 1b에서 3개의 수직 라인에서 표시되는 것처 럼 고립된 뮤지컬 노이즈(musical noise)가 발생된다. 이 고립된 뮤지컬 노이즈는 상대적으로 낮은 레벨의 주파수 성분들에 의해 인접해 있는 좁은 대역의 주파수 밴드로 정의되며 짧은 시간 발생했다가 사라지는 것을 특징으로 한다. 이러한 뮤지컬 노이즈는 불규칙한 기계적인 잡음으로 들리며 특히 SNR이 낮은 신호에 대해서 사람의 청각을 괴롭힌다.
따라서 기존의 녹음 기능이 탑재된 휴대용 재생 또는 녹음 장치는 녹음 단계에서부터 함께 녹음되는 불필요한 잡음을 처리하지 못하기 때문에 작은 마이크로폰을 통해서 녹음되는 신호에 포함되는 소음이나 잡음을 제거 할 능력이 없다. 그러므로 녹음된 신호의 음질은 매우 열악하고 노이즈를 많이 포함할 수 밖에 없는 문제점이 있다. 더구나 노이즈 제거 기술을 적용하더라도 녹음된 신호에는 뮤지컬 노이즈가 남아 있게 되는 문제점 있다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 녹음 기능이 탑재된 휴대용 재생 또는 녹음 장치에 두 개 이상의 마이크로폰을 채용한 후 비임 형성 기술을 채용하여 녹음된 신호의 노이즈를 배제하는 오디오 신호 녹음 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자하는 다른 기술적 과제는 상기 오디오 녹음 방법을 적용한 녹음 장치를 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 오디오 녹음 방법에 있어서,
음원을 수취하는 복수개의 마이크로폰을 소정의 위치에 배치하는 과정;
상기 각 마이크로폰의 사이의 간격에 따라 각 마이크로 폰으로 수취되는 신호의 딜레이 및 레벨을 조정하여 비임을 형성하는 과정;
상기 과정에서 형성된 비임의 각도 및 폭을 사용자 입력에 의해 임의로 조정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 녹음 장치에 있어서,
기하학적으로 배치된 복수개의 마이크로폰들;
상기 각 마이크로폰들로 부터 수취되는 각 신호의 딜레이 및 레벨을 조정하여 비임을 형성하는 비임 형성부;
상기 비임 형성부에서 형성된 비임 패턴을 표시하는 표시부;
상기 비임 형성부의 비임의 각도 및 폭 조절값에 대응되는 각 신호의 딜레이값과 레벨값을 상기 비임 형성부로 인가하는 비임 조절 입력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조로하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 비임형성 방식을 이용한 녹음 기능이 탑재된 녹음 장치의 사용 예를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 녹음 장치(210)는 원거리 시스템에서 방향성 잡음 또는 배경 잡음과 섞인 음성 신호를 고감도로 수신하기 위한 비임형성 알고리듬을 적용하 기 위해 마이크로폰 어레이를 사용한다. 녹음 장치(210)는 음원을 수취하기 위한 4개의 마이크로폰들(M1, M2, M3, M4)이 기하학적으로 장착된다. 이때 마이크로폰들(M1, M2, M3, M4)사이의 거리 및 개수는 더 선명한 음원 포커싱을 위해 사용자에 의해 조절될 수 있다.
비임형성알고리듬은 마이크로폰 어레이에 적당한 가중치를 주어 음성 신호의 진폭을 향상시킴으로써 원하는 음성 신호와 잡음 신호의 방향이 다른 경우에 관련 잡음을 공간적으로 줄일 수 있다.
음원에서 발생하는 음파는 각 마이크로폰에 도착하기까지의 거리가 각각 다르다. 음파는 속도를 가지고 있고 따라서 각 마이크로폰까지 음파가 도착하는 데에는 그 거리만큼의 시간차가 생기게 된다. 그러나 이러한 시간차를 제외하면 동일한 음원에서 발생하는 음파는 각 마이크로폰에서 동일한 파형으로 읽혀진다. 결국, 음원의 위치를 알면 음파의 도달 시간차를 계산해 보정시켜 줌으로써 파형을 일치시킬 수 있는 것이다.
도 2를 참조하면, 마이크로폰들(M1, M2, M3, M4)을 통해 입력되는 각 오디오 신호들은 마이크로폰들의 위상 차이 때문에 시간차이(딜레이)를 보인다. 이 시간 차이는 신호의 진폭을 변화하게 된다. 따라서 마이크로폰들(M1, M2, M3, M4)을 통해 입력되는 각 오디오 신호의 딜레이 및 레벨을 조절함으로서 녹음 영역을 나타내는 비임을 조절할 수 있다.
따라서 녹음 장치(210)는 음원을 수취하기 위한 4개의 마이크로폰들(M1, M2, M3, M4)이 기하학적으로 장착된다. 이때 마이크로폰들(M1, M2, M3, M4)사이의 거리 및 개수는 더 선명한 음원 포커싱을 위해 사용자에 의해 조절될 수 있다.
도 3은 도 2의 녹음 장치의 외관도이다.
도 3을 참조하면, 녹음 장치는 4개의 마이크로폰들(310), 일반 사운드 재생 버튼들(320), 비임 조절용 버튼들(330), 비임 그래프(340), 비임 표시창(350)을 구비한다.
일반 사운드 재생 버튼들(320)은 사운드 녹음 및 재생 기능을 제어한다. 비임 조절용 버튼들(330)은 조절 기능 버튼들(+, -, R, L, ENTER)을 통해 비임의 각도와 폭을 조절한다. 이때 조절된 비임 각도/넓이는 비임 표시창(350)을 통해 보여진다. 비임 표시창(350)은 녹음 영역을 나타내는 비임 그래프를 표시하고, 또한 비임 조정에 관련된 OSD(On Screen Display)를 표시한다.
도 4는 본 발명에 따른 녹음 장치의 전체 블록도이다.
도 4의 녹음 장치는 기하학적으로 배치된 마이크로폰들(M1, M2, M3, M4), 비임 형성부(410), 비임 각도 조절부(420), 비임 폭 조절부(430), 표시부(440), 노이즈 캔설부(450), 인코딩부(460)로 구성되며, 노이즈 캔설부(450)는 옵션으로 구비된다. 여기서 마이크로폰들(M1, M2, M3, M4)의 위치는 고정되어 있으나 마이크로폰 인에이블/디스에이블 스위치를 더 구비하여 마이크로폰들의 개수를 조절할 수 있다.
비임 형성부(410)는 복수개 마이크로폰들(M1, M2, M3, M4)로부터 각각 오디오 신호를 받고, 복수개 마이크로폰들(M1, M2, M3, M4)을 통해 입력되는 오디오 신호들의 상관도를 구하여 각 오디오 신호간의 시간 지연을 계산하며, 그 계산된 지 연시간에 비임각도/폭조절 버튼(420, 430)에 의해 입력되는 지연값/레벨값을 반영하여 각 오디오 신호를 지연/레벨을 조절하고, 각 오디오 신호를 합산하여 비임으로 형성한다.
비임 각도 조절 버튼(420)는 비임 형성부(410)의 각 신호 지연 시간을 조정하여 비임 각도를 조절한다.
비임 폭 조절 버튼(430)는 비임 형성부(410)의 각 신호 지연 시간 및 레벨을 조정하여 비임 폭을 조절한다.
표시부(440)는 비임 형성부((410)에서 형성된 비임 패턴을 표시하며, 비임각도 조절부(420) 및 비임 폭 조절부(430)에서 조정되는 비임 패턴을 표시한다.
노이즈 캔설부(450)는 비임 형성부((410)에서 출력되는 비임형태의 신호에 스펙트럼 차감법(spectral subtraction)과 같은 노이즈 캔설레이션 알고리듬을 적용한다.
인코딩부(460)는 비임 형성 알고리듬과 노이즈 캔설레이션 알고리듬에 의해 노이즈가 제거된 음원 신호를 소정의 압축 포맷으로 인코딩한다.
최종적으로 인코딩부(460)에서 인코딩된 신호는 메모리와 같은 기록 매체에 녹음된다.
도 5a는 마이크로폰들에 수신된 신호의 시간 지연의 일예를 보이는 파형도이다.
도 5a를 보면, 음원으로부터 방사된 신호는 마이크로폰 어레이까지 전파되는데 있어서 각각의 상대적인 시간지연을 가지고 수신된다. 음원에서 발생한 신호는 마이크로폰과의 거리차이 만큼 시간 지연된 상태이다. 첫 번째 신호는 마이크로폰(M1)을 통해 도달될 것이고, 두 번째 신호는 제1마이크로폰(M1)보다 음원에서 멀리 떨어진 제2마이크로폰(M2)의 거리만큼 상대적으로 지연된 상태로 도달될 것이다. 따라서 제1마이크로폰(M1)과 제2마이크로폰(M2)사이의 신호들은 시간차(Δ1-Δ2)를 갖는다.
도 5b는 비임 형성부(410)의 상세도이다.
도 5b를 보면, 딜레이 처리부(530)는 복수개 마이크로폰들(M1, M2, M3, M4)로부터 각각 오디오 신호를 받고, 복수개 마이크로폰들(M1, M2, M3, M4)을 통해 입력되는 오디오 신호들의 상관도를 구하여 각 오디오 신호간의 시간 지연을 계산하며, 그 계산된 지연시간만큼 각 오디오 신호를 지연시킨다. 또한 딜레이 처리부(530)는 사용자에 의해 비임 각도/폭 조정값에 대응되는 딜레이/레벨값을 수신하면 각 오디오 신호의 지연 및 레벨 정도를 조절한다.
합산부(540)는 딜레이 처리부(530)에서 지연된 각 오디오 신호를 합산하여 녹음될 영역을 나타내주는 비임을 형성한다.
도 6은 비임 형성부(410)의 비임 형성 패턴의 예를 도시한 것이다.
도 6을 참조하며, 마이크로폰들의 개수에 따라 비임형태의 각도 및 폭이 달라짐을 알 수 있다. 또한 사용자에 의해 마이크로폰의 배치로 인해 발생하는 신호 딜레이 및 레벨차이를 조절함으로써 비임의 각도 및 폭을 조절할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 비임 형성 알고리듬을 이용한 녹음 방법을 보이는 흐 름도이다.
먼저, 음원을 수취하는 복수개의 마이크로폰을 소정의 위치에 기하학적으로 배치한다(712 과정).
이어서, 사용자에 의해 비임 조절 기능 선택 버튼이 눌려졌는가를 체크한다(732 과정).
이어서, 사용자에 의해 비임 조절 기능 선택 버튼이 눌려졌으면 각 마이크로폰으로 음원 신호를 입력한다(734 과정).
이때 사용자에 의한 비임 각도/폭 조정 버튼 신호가 입력되는가를 체크한다(714 과정). 사용자에 의한 비임 각도/폭 조정 버튼 신호가 입력되면 그 비임 각도/폭 조정 계수에 대응되는 신호의 지연 및 레벨값을 설정한다(716 과정).
이어서, 각 마이크로폰으로 입력되는 각 신호에 대한 딜레이 및 합산을 수행하여 비임을 형성한다. 이때 비임 각도/폭 조정 버튼에 대응되는 신호 지연 및 레벨값에 따라 각 마이크로폰으로 입력된 신호의 지연 및 레벨을 보정함으로써 녹음 영역을 나타내는 비임의 각도 및 폭을 조정한다(734과정 및 736 과정).
이어서, 추가적으로 스펙트럼 차감법(spectral subtraction)과 같은 노이즈 캔설레이션 알고리듬이 채택되어 있는가를 체크한다(742 과정). 이때 노이즈 캔설레이션 알고리듬이 채택되어 있으면 스펙트럼 차감과 같은 노이즈 캔설레이션 동작을 수행하여 다시 한번 노이즈를 줄여준다(744 과정).
이어서, 비임 형성 알고리듬과 노이즈 캔설레이션 알고리듬에 의해 노이즈가 제거된 음원 신호를 소정의 압축 포맷으로 인코딩한다(746 과정).
이어서, 인코딩된 음원 신호를 메모리와 같은 기록 매체에 녹음한다(748 과정).
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상내에서 당업자에 의한 변형이 가능함은 물론이다.
또한 본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 하드디스크, 플로피디스크, 플래쉬 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 녹음 기능이 탑재된 휴대용 재생 또는 녹음 장치에 비임형성 방법을 채용하여 녹음의 단계에서부터 녹음하고자 하는 음원의 신호 이외의 주변 소음 및 잡음을 배제한다. 또한 본 발명은 비임형성 알고리듬 이외에도 노이즈 캔설레이션 알고리즘을 추가적으로 적용하여 녹음 신호의 노이즈를 한 단계 더 줄여 준다. 또한 본 발명은 녹음할 음원에 대해 녹음 영역을 나타내는 비임의 방향과 영역을 조절할 수 있다.

Claims (9)

  1. 오디오 녹음 방법에 있어서,
    음원을 수취하는 복수개의 마이크로폰을 소정의 위치에 배치하는 과정;
    상기 각 마이크로폰의 사이의 간격에 따라 각 마이크로 폰으로 수취되는 신호의 딜레이 및 레벨을 조정하여 비임을 형성하는 과정;
    상기 과정에서 형성된 비임의 각도 및 폭을 사용자 입력에 의해 임의로 조정하는 과정을 포함하는 오디오 녹음 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비임의 각도 및 폭 조정은 상기 각 마이크로 폰간에 수취되는 신호의 딜레이 및 레벨을 사용자에 의해 임의로 조절하는 것임을 특징으로 하는 오디오 녹음 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 비임 형성 과정은 상기 복수개 마이크로폰들을 통해 입력되는 신호들의 상관도를 구하여 각 신호간의 시간 지연을 계산하고, 그 계산된 지연시간에 사용자에 의해 입력되는 지연값 및 레벨값을 반영하여 각 신호의 지연 및 레벨을 보정하고, 상기 각 신호를 합산하는 과정을 구비하는 것을 특징으로 하는 오디오 녹음 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수개 마이크로폰은 기하학적으로 배치되는 것을 특 징으로 하는 오디오 녹음 방법.
  5. 녹음 장치에 있어서,
    기하학적으로 배치된 복수개의 마이크로폰들;
    상기 각 마이크로폰들로 부터 수취되는 각 신호의 딜레이 및 레벨을 조정하여 비임을 형성하는 비임 형성부;
    상기 비임 형성부에서 형성된 비임 패턴을 표시하는 표시부;
    상기 비임 형성부의 비임의 각도 및 폭 조절값에 대응되는 각 신호의 딜레이값과 레벨값을 상기 비임 형성부로 인가하는 비임 조절 입력부를 포함하는 오디오 녹음 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 마이크로폰들의 개수를 조정하는 마이크로폰 인에이블/디스에이블 스위치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 오디오 녹음 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 비임 형성부는
    상기 복수개 마이크로폰들을 통해 입력되는 신호들의 상관도를 구하여 각 신호간의 시간 지연을 계산하며, 그 계산된 지연시간에 사용자에 의해 입력되는 딜레이값과 레벨값을 반영하여 각 신호의 딜레이 및 레벨을 보정하는 딜레이 처리부;
    상기 딜레이 처리부에서 지연된 각 신호를 합산하여 녹음될 영역을 나타내주는 비임을 형성하는 합산부를 구비하는 것을 특징으로 하는 오디오 녹음 장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 비임 형성부에서 출력되는 신호의 잡음을 제거하는 소정의 노이즈 제거 알고리듬을 선택적으로 더 구비하는 것을 특징으로 하는 오디오 녹음 장치.
  9. 제5항에 있어서, 상기 비임 조절부는 상기 비임형성부에서 각 마이크로폰으로 수취된 신호의 딜레이 정도를 조절하는 비임 각도 조절 버튼;
    상기 비임형성부에서 각 마이크로폰으로 수취된 신호의 딜레이/레벨 정도를 조절하는 비임폭 조절 버튼을 구비하는 것을 특징으로 하는 오디오 녹음 장치.
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