KR20080097564A - 2채널 음향신호의 스테레오 효과를 보강하기 위한 입체음향출력장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

2채널 스테레오 효과를 보강하기 위한 입체음향 출력장치 및 방법이 제공된다. 본 발명의 입체음향 출력장치는 음향신호들을 교차 연산하여 고음부가 보완된 변환신호들을 생성하는 신호 변환부와 변환신호들을 이용한 연산을 통해 스테레오 성분이 보다 강조되고, 음상이 좁아지는 현상을 보완하는 모사신호들을 생성하는 합성부를 포함한다. 이러한 방식을 도입하여 2채널 오디오 재생장치에 활용시 헤드폰 또는 이어폰을 이용하여 음악을 청취하는 경우의 스테레오 효과를 보강할 수 있다.
입체음향, 5.1채널, 2채널, 충격응답(impulse response), 스테레오 효과

Description

2채널 음향신호의 스테레오 효과를 보강하기 위한 입체음향 출력장치 및 방법{Stereophony outputting apparatus to enhance stereo effect of 2-channal acoustic signals and method thereof}
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 종래의 입체음향 출력방법을 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 입체음향 출력장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 입체음향 출력장치의 구체적인 구성을 나타낸 도면, 그리고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 입체음향 출력방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 입력부 110 : 신호변환부
120 : 합성부 130 : 출력신호생성부
140 : 차신호생성부 150 : 출력부
본 발명은 입체음향 출력장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2채널 오디오 재생장치에 활용할 수 있는 스테레오 효과 보강기법에 관한 것이다.
최근 압축 오디오 포맷이 일반화되면서 이를 이용하는 휴대용 음향기기와 헤드폰을 이용하여 음악을 감상하는 경우가 많아지고 있다. 2채널 스테레오로 녹음된 음악은 음향적으로 잘 설계된 공간에서 표준 형태로 배치된 스테레오 스피커로 청취될 때 청취자에게 최적의 스테레오 효과를 줄 수 있으나, 청취자가 헤드폰으로 청취하게 되면 과도한 채널 분리와 머리에 의한 음의 변화가 배제되는 현상에 의해 음상이 머리 속에 맺히게 되는 현상(in-head-localization)이 발생하여 음의 스테레오 효과가 왜곡되는 것이 일반적이다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 종래의 입체음향 출력방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1a에는 청취자(1)를 중심으로 각각 배치된 스피커(2,3)를 나타내었다. 청취자(1)는 도 1a에 나타낸 바와 같이 배치된 스피커(2,3)를 통해 2채널의 입체음향을 제공받는다.
도 1b는 종래의 2채널 음향신호의 합과 차를 이용하는 스테레오 보강기능의 대표적인 구성을 도시한 것이다.
도 1b를 참조하면, 제1 합성기(13)와 제2 합성기(14)가 L채널과 R채널의 신호를 입력 받아서 두 신호의 합신호와 LPF를 거친 차신호를 생성하고, 제3 합성기(31)와 제4 합성기(32)는 합신호와 주파수특성을 변화시키는 필터들(23,24,25)을 거친 차신호를 입력 받아서 2채널 출력 신호를 내보낸다.
이러한 기능은 구현이 상대적으로 단순하며 손쉽게 넓은 음상을 제공하는 장점이 있기는 하지만, 차신호의 에너지가 중고음역에 집중되어 있기 때문에 그 효과의 레벨이 커질수록 고음역이 과다해지며, 차신호를 양채널에 역위상으로 더해주는 구조에 의해 원신호에서 일방 채널에만 큰 레벨로 기록된 신호가 있을 경우 음의 정위감이 떨어지게 되는 단점이 나타난다.
도 1c는 HRTF(Head related transfer function)를 이용하여 2개 이상의 가상 스피커를 생성하는 종래의 5.1채널 음향신호의 Virtual Headphone 기능을 도시한 것이다.
도 1c를 참조하면, 실제공간에 5.1채널의 스피커를 배치하고 각각의 스피커로부터 청취자의 양 귀까지의 충격응답(Binaural Impulse Response)을 측정하여, 각각의 합성기(51,52,53,54,55)로서 컨벌루션(convolution)하고, 가산기(70,80)는 각각의 합성기(51,52,53,54,55)로부터 출력되는 음향신호를 믹스(mix)하여 2채널의 음향신호로 재생하는 것이다. 이러한 기능을 2채널 스테레오 음원에 사용하는 경우는 L, R 신호를 각각 FL, FR신호로 이용하고 나머지 채널은 사용하지 않거나, 2채널 스테레오 음원에 UP-MATRIX처리를 거쳐 5.1채널 신호를 생성하여 Virtual Headphone구조에 입력하는 방식으로 사용된다.
이러한 기능은, 음의 정위감을 유지시키는 장점이 있으나, 기능 구현이 복잡하고 컨벌루션(convolution)을 거쳐야 하므로 많은 메모리와 연산량을 요구하며, 일반적으로 2채널만을 사용하는 경우 음상이 다소 좁게 나타나는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 헤드폰 또는 이어폰을 이용하여 음악을 청취하는 경우에도 스테레오 스피커로 음악을 청취하는 것과 유사한 음향 환경을 구성하여 제작자가 의도한 것과 같은 음향 효과를 얻을 수 있도록, 2채널 오디오 재생장치에 활용할 수 있는 스테레오 효과 보강을 위한 입체음향 출력장치 및 그 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 입체음향 출력장치는 제1 채널의 제1 음향신호와 제2 채널의 제2 음향신호를 교차 연산하여 제1 변환신호 및 제2 변환신호를 생성하는 신호 변환부, 상기 제1 변환신호 및 소정 시간 만큼 지연된 제2 변환신호를 이용한 연산을 통해 제1 모사신호를 생성하고, 상기 제2 변환신호 및 상기 소정 시간 만큼 지연된 제1 변환신호를 이용한 연산을 통해 제2 모사신호를 생성하는 합성부 및 상기 제1 음향신호, 상기 제2 음향신호, 상기 제1 모사신호, 상기 제2 모사신호 및 상기 제1 음향신호와 상기 제2 음향신호에 대한 차신호를 이용하여 생성한 제1 출력신호 및 제2 출력신호를 출력하는 출력신호 생성부를 포함한다.
여기서, 상기 신호 변환부는 상기 제1 음향신호의 80% 내지 100% 중 어느 하나와 상기 제2 음향신호의 0% 내지 20% 중 어느 하나의 차를 상기 제1 변환신호로 생성하고, 상기 제2 음향신호의 80% 내지 100% 중 어느 하나와 상기 제1 음향신호의 0% 내지 20% 중 어느 하나의 차를 상기 제2 변환신호로 생성하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제1 음향신호와 상기 제2 음향신호는 주파수 특성을 변화를 통해 고음부가 보완된 음향신호들일 수 있다.
또한, 상기 출력신호 생성부는, 상기 제1 음향신호와 상기 제1 모사신호의 합산한 신호에서 상기 차신호를 감산한 신호를 상기 제1 출력신호로 생성하고, 상기 제2 음향신호, 상기 제2 모사신호 및 상기 차신호를 합산한 신호를 상기 제2 출력신호로 생성하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 입체음향 출력방법은 제1 채널의 제1 음향신호와 제2 채널의 제2 음향신호를 교차 연산하여 제1 변환신호 및 제2 변환신호를 생성하는 단계, 상기 제1 변환신호 및 소정 시간 만큼 지연된 제2 변환신호를 이용한 연산을 통해 제1 모사신호를 생성하고, 상기 제2 변환신호 및 상기 소정 시간 만큼 지연된 제1 변환신호를 이용한 연산을 통해 제2 모사신호를 생성하는 단계, 및 상기 제1 음향신호, 상기 제2 음향신호, 상기 제1 모사신호, 상기 제2 모사신호 및 상기 제1 음향신호와 상기 제2 음향신호에 대한 차신호를 이용하여 생성한 제1 출력신호 및 제2 출력신호를 출력하는 딘계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 보다 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그에 대한 상세한 설명은 축약하거나 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 입체음향 출력장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 입체음향 출력장치는 신호변환부(110), 합성부(120), 출력신호생성부(130), 및 차신호생성부(140)를 포함한다.
신호변환부(110)는 입력되는 음향신호를 변환신호로 변환하여 출력하고, 합성부(120)는 변환신호를 입력받아 모사신호를 생성하며, 출력신호 생성부(130)는 입력되는 모사신호와 차신호 생성부(140)에서 생성되어 입력되는 차신호를 이용하여 출력신호를 출력한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 입체음향 출력장치의 구체적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 입체음향 출력장치는 입력부(100), 신호변환부(110), 합성부(120), 출력신호생성부(130), 차신호생성부(140), 및 출력부(150)를 포함한다.
신호변환부(110)는 입력부(100)로부터 음향신호를 입력받는다.
신호변환부(110)는 HPF(111,112)를 이용하여, 입력된 음향신호들의 주파수 특성을 변화시킴으로써 음향신호들의 고음부를 보완한다. 이는 귓바퀴에 음이 반사되어 발생하는 고주파 음의 증폭 현상을 간단히 모델링하며, 후술할 합성부(120)에서 Cross-feed Filter의 LPF(122,123)에 의해 상대적으로 감소되는 고음부를 보완하는 역할을 한다.
또한, 신호변환부(110)는 L-채널의 L-음향신호( L )와 R-채널의 R-음향신호( R )를 교차하여 연산한다.
구체적으로, 제1 이득소자를 거친 L-채널의 L-음향신호( L )와 제4 이득소자를 거친 R-채널의 R-음향신호( R )가 가산기(117)를 통해 L-변환신호( L' )가 되고, 제3 이득소자를 거친 L-채널의 L-음향신호( L )와 제2 이득소자를 거친 R-채널의 R-음향신호( R )가 가산기(118)를 통해 R-변환신호( R' )가 된다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.
L' = g1 L -g2 R
R' = g1 R -g2 L
여기서 제1 및 제2 이득제어소자(113,114)의 gain g1과 제3 및 제4 이득제어소자(115,116)의 gain g2가 모두 1로 설정되면, 이 때 출력되는 신호는 차신호 생성부에 의해 출력되는 신호와 동일하게 된다. 따라서, 제1 및 제2 이득제어소자(113,114)의 gain g1과 제3 및 제4 이득제어소자(115,116)의 gain g2는 각각 0.8~1과 0~0.2인 것이 바람직하며, 이 값으로 인해 가상스피커 형태의 기능을 활용하는데 따라 나타나는 음상이 좁아지는 현상이 보완되는 효과가 생긴다. 이와 같은 과정에 의해 입력신호에서 양 채널에 공통된 monaural신호가 일부 감소되며, 스테레오 성분이 보다 강조된 새로운 변환신호들 L'과 R'이 출력된다.
합성부(120)는 변환신호들을 입력받아 모사신호들을 생성한다. 구체적으로, 합성부(120)는 HPF(121)를 거친 L-변환신호와 지연소자 D(125) 및 LPF(123)를 거친 R-변환신호를 가산기(127)에서 합산해 L-모사신호를 생성하고, HPF(124)를 거친 R-변환신호와 지연소자 D(126) 및 LPF(122)를 거친 L-변환신호를 가산기(128)에서 합 산해 R-모사신호를 생성한다.
하나의 스피커에서 발생하는 음은 각각 다른 전달 특성에 의해 양 귀에 전달된다. 여기서, 왼쪽 스피커에서 왼쪽 귀로 전달 되는 특성을 모사한 필터는 HLL(121)로, 왼쪽 스피커에서 오른쪽 귀로 전달 되는 특성을 모사한 필터는 HRL(122)로, 오른쪽 스피커에서 왼쪽 귀로 전달 되는 특성을 모사한 필터는 HLR(123)로, 오른쪽 스피커에서 오른쪽 귀로 전달 되는 특성을 모사한 필터는 HRR(124)로 각각 모델링하였다. 또한, 2채널 스테레오 스피커의 배치는 청취자를 중심으로 하여 좌우 대칭의 형태를 가지므로, HLL(121)과 HRR(124)은 서로 동일한 특성을 가지며, HRL(122)과 HLR(123)도 서로 동일한 특성을 가진다.
또한, 하나의 스피커에서 먼 쪽 귀에 음이 전달될 때, 음의 상대적 경로가 멀어지므로 지연소자 D(125, 126)가 사용되게 된다. D(125, 126)는 양 귀 간의 시간차이에 해당하고 약 700HZ이하의 저음역에 대해 매우 중요한 역할을 하게 된다. D(125, 126)의 값은 0.36ms가 바람직하며, 이 값을 미세하게 조정하는 것으로써 음상의 폭을 조절할 수 있다. HLL(121), HRL(122), HLR(123), HRR(124) 및 지연소자 D(125,126)는 스피커(미도시)와 청취자의 위치, 청취자의 머리 형상 등에 따라 달라지는 부분을 일반화한 것이다
합성부(120)는 실제 공간에서 스피커를 이용해 청취하는 경우 스피커와 청취자의 귀까지 음이 전달되는 과정을 모사함으로서 청취자가 헤드폰이나 이어폰으 로 음을 청취하는 경우에도 실제로 스피커를 이용해 청취하는 것과 같은 효과를 준다.
출력신호 생성부는 L-음향신호, R-음향신호, L-모사신호, R-모사신호 및 L-음향신호와 R-음향신호에 대한 차신호를 이용하여 생성한 L-출력신호 및 R-출력신호를 출력한다.
또한 출력신호 생성부에서, L-음향신호와 R-음향신호는 제5 및 제6 이득제어소자(131,132)를 거쳐 각각 입력되고, L-모사신호와 R-모사신호는 제8 및 제9 이득제어소자(134,135)을 거쳐 각각 입력되며, L-R의 차신호는 제2 출력신호를 생성하기 위해, R-L의 차신호는 제1 출력신호를 생성하기 위해 제7 이득제어소자(133)를 거쳐 입력된다. 이와 같이 입력된 신호들을 합산하여 출력신호 LOUT와 ROUT가 생성된다. 이와 같이 차신호는 양 출력채널에 역위상으로 합산되어 Ambience 효과를 부가시킨다.
한편, 차신호 생성부에서 출력되는 신호가 거치게 되는 제7 이득제어소자(133)의 gain g4의 값이 커지게 되면, 측면에 배치된 음의 음상이 불분명해지는 현상이 일어나기 때문에 g4의 값은 0~0.2의 범위에서 설정되는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 입체음향 출력방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 먼저, 2채널 음향신호가 입력되면(S210), 신호변환부(110)는 2개의 음향신호의 고음부를 보완하고(S220), 음향신호를 교차 연산하여 2개의 변환신호를 생성한다(S230).
합성부(120)는 2개의 변환신호를 이용하여 2개의 모사신호를 생성하며(S240), 출력신호생성부(130)는 이러한 2개의 음향신호, 2개의 모사신호, 및 2개의 음향신호에 대한 차신호를 합산하여 2개의 출력신호를 생성하여(S250) 출력부(150)로 출력한다.
이상과 같은 과정을 통해 2채널 음향신호의 스테레오 효과를 보강시킬 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 헤드폰 또는 이어폰을 이용하여 음악을 청취하는 경우에도 스테레오 스피커로 음악을 청취하는 것과 유사한 음향 환경을 구성하여 제작자가 의도한 것과 같은 음향 효과를 얻을 수 있다. 그리고, 이상에서 설명한 방식을 도입함으로서 2채널 오디오 재생장치에 활용시 헤드폰 또는 이어폰을 이용하여 음악을 청취하는 경우의 스테레오 효과를 보강할 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (5)

  1. 제1 채널의 제1 음향신호와 제2 채널의 제2 음향신호를 교차 연산하여 제1 변환신호 및 제2 변환신호를 생성하는 신호 변환부;
    상기 제1 변환신호 및 소정 시간 만큼 지연된 제2 변환신호를 이용한 연산을 통해 제1 모사신호를 생성하고, 상기 제2 변환신호 및 상기 소정 시간 만큼 지연된 제1 변환신호를 이용한 연산을 통해 제2 모사신호를 생성하는 합성부; 및
    상기 제1 음향신호, 상기 제2 음향신호, 상기 제1 모사신호, 상기 제2 모사신호 및 상기 제1 음향신호와 상기 제2 음향신호에 대한 차신호를 이용하여 생성한 제1 출력신호 및 제2 출력신호를 출력하는 출력신호 생성부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 입체음향 출력장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 신호 변환부는,
    상기 제1 음향신호의 80% 내지 100% 중 어느 하나와 상기 제2 음향신호의 0% 내지 20% 중 어느 하나의 차를 상기 제1 변환신호로 생성하고,
    상기 제2 음향신호의 80% 내지 100% 중 어느 하나와 상기 제1 음향신호의 0% 내지 20% 중 어느 하나의 차를 상기 제2 변환신호로 생성하는 것을 특징으로 하는 입체음향 출력장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 음향신호와 상기 제2 음향신호는,
    주파수 특성을 변화를 통해 고음부가 보완된 음향신호들인 것을 특징으로 하는 입체음향 출력장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 출력신호 생성부는,
    상기 제1 음향신호와 상기 제1 모사신호의 합산한 신호에서 상기 차신호를 감산한 신호를 상기 제1 출력신호로 생성하고, 상기 제2 음향신호, 상기 제2 모사신호 및 상기 차신호를 합산한 신호를 상기 제2 출력신호로 생성하는 것을 특징으로 하는 입체음향 출력장치.
  5. 제1 채널의 제1 음향신호와 제2 채널의 제2 음향신호를 교차 연산하여 제1 변환신호 및 제2 변환신호를 생성하는 단계;
    상기 제1 변환신호 및 소정 시간 만큼 지연된 제2 변환신호를 이용한 연산을 통해 제1 모사신호를 생성하고, 상기 제2 변환신호 및 상기 소정 시간 만큼 지연된 제1 변환신호를 이용한 연산을 통해 제2 모사신호를 생성하는 단계; 및
    상기 제1 음향신호, 상기 제2 음향신호, 상기 제1 모사신호, 상기 제2 모사신호 및 상기 제1 음향신호와 상기 제2 음향신호에 대한 차신호를 이용하여 생성한 제1 출력신호 및 제2 출력신호를 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 입체음향 출력방법.
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