KR20090131237A - 공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 장치 및 그 방법 - Google Patents

공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 장치 및 그 방법 Download PDF

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KR20090131237A
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Abstract

본 발명은 공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 스테레오 오디오 신호로부터 검출된 음원 위치와 채널간 상호상관값을 이용하여 그 스테레오 오디오 신호를 공간 필터링함으로써, 더욱 정확하게 특정 방향의 음원들을 구분하고 구분된 음원들이 동시에 재생될 수 있도록 공간 필터링된 신호로부터 용이하게 각 채널(센터채널, 좌채널, 우채널 및 후방채널) 신호로 분리할 수 있는, 공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은, 오디오 채널 분리 장치에 있어서, 스테레오 오디오 신호를 분석하여 서브밴드 단위로 구분하기 위한 서브밴드 분석 수단; 상기 서브밴드 단위로 구분된 스테레오 오디오 신호로부터 서브밴드별 채널 신호의 파워를 산출하기 위한 채널파워 산출 수단; 상기 산출된 서브밴드별 채널 신호의 파워를 이용하여 음원 위치를 검출하기 위한 음원위치 검출 수단; 상기 서브밴드 단위로 구분된 스테레오 오디오 신호로부터 채널간 상호상관을 산출하기 위한 상호상관 산출 수단; 및 상기 검출된 음원 위치와 상기 산출된 채널간 상호상관값을 이용한 공간 필터링을 통해 상기 스테레오 오디오 신호를 각 채널 신호로 분리하기 위한 채널 신호 분리 수단을 포함한다.
Figure P1020080116907
공간 영역, 오디오 채널 분리, 스테레오 오디오 신호, 센터신호, 서라운드 신호, 공간 필터링, 음원위치 검출, 채널간 상호상관

Description

공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD OF AUDIO CHANNEL SEPARATION USING SPATIAL FILTERING}
본 발명은 공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스테레오 오디오 신호로부터 검출된 음원 위치와 채널간 상호상관값을 이용하여 그 스테레오 오디오 신호를 공간 필터링함으로써, 더욱 정확하게 특정 방향의 음원들을 구분하고 구분된 음원들이 동시에 재생될 수 있도록 공간 필터링된 신호로부터 용이하게 각 채널(센터채널, 좌채널, 우채널 및 후방채널) 신호로 분리할 수 있는, 공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2007-S-004-01, 과제명: 무안경 개인형 3D 방송기술개발].
디지털 방송, 영화 및 DVD 등을 제공하는 고품질 미디어 서비스에서 오디오 채널의 개수가 증가하고 있다. 이에 따라, 일반적인 스테레오 오디오 신호와의 호환성 및 멀티채널 오디오의 효율적인 전송을 위하여, 채널 개수를 축소하거나 확대해 달라는 요구가 계속되고 있다. 현재까지 이러한 스테레오 오디오 신호를 분리하는 채널 분리 기술은 주로 매트릭스에 의한 채널 분리 기술이 이용되고 있다.
하지만, 이러한 채널 분리 기술은 연산에 의해 음상이 변화하거나 위상에 따라 신호가 변화되는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해, 적응필터를 이용한 서라운드 오디오 신호의 생성 기술이 개발되었다. 하지만, 이러한 서라운드 오디오 신호의 생성 기술은 음상 변화의 문제를 해결하지 못하고 있다. 이러한 접근 방법들은 모두 시간 영역에서의 채널 분리 기술이라고 할 수 있다.
최근 들어, 주파수 영역에서의 채널 분리 기술이 대안으로 떠오르고 있다. 예를 들면, "크리에이티브 연구소"는 주파수 영역에서 공간요인을 이용하여 직접 음과 간접 음을 구분함으로써 멀티채널 오디오 신호를 혼합(Downmix)하고, 다시 분리(Upmix)하는 방법을 소개하고 있다. "로잔공대(epfl: Swiss Federal Institute of Technology Lausanne) 연구소"는 주파수 영역에서의 공간요인 및 음원 분리 기술을 이용하여 칵테일파티 효과를 기반으로 두는 채널 분리 기술을 소개하고 있다.
한편, 스테레오 오디오 신호에는 공간적으로 분리되어 있는 다양한 음원들이 포함되어 있다. 공간 영역에서 채널간 음량차이(ICLD: Inter-channel Level Difference) 및 시간차이(ICTD: Inter-channel Time Difference)와 같은 공간요인이 이용됨으로써, 대략적인 음원의 위치가 파악될 수 있다. 하지만, 다수의 음원이 포함되어 있는 경우에 주파수 영역에서 음원들이 중첩되기 때문에, 대부분 정확한 음원의 위치를 파악하는 것은 곤란하다는 문제점이 있다.
그러나 현저한 음원의 경우, 공간 영역에서의 에너지 분포가 이용되어 위치 파악이 가능하다. 이로부터 각 주파수 대역의 채널간 상호상관값(ICC: Inter-channel Cross-correlation Coefficient)에 따라, 잘못 추정된 음원 위치인 경우에도 주어진 음원에 대한 기여 정도가 추정될 수 있다. 이러한 기술들을 이용하면 공간 영역에서의 특정 방향의 음이 구분되어 추출될 수 있다. 이는 원래의 음색을 최대한 유지시킬 수 있게 된다.
따라서 상기와 같은 종래 기술은 다수의 음원이 포함되어 있는 경우에 주파수 영역에서 음원들이 중첩되기 때문에, 대부분 정확한 음원의 위치를 파악하는 것이 곤란하다는 문제점이 있으며, 이러한 문제점을 해결하고자 하는 것이 본 발명의 과제이다.
따라서 본 발명은 스테레오 오디오 신호로부터 검출된 음원 위치와 채널간 상호상관값을 이용하여 그 스테레오 오디오 신호를 공간 필터링함으로써, 더욱 정확하게 특정 방향의 음원들을 구분하고 구분된 음원들이 동시에 재생될 수 있도록 공간 필터링된 신호로부터 용이하게 각 채널(센터채널, 좌채널, 우채널 및 후방채널) 신호로 분리할 수 있는, 공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여, 스테레오 오디오 신호로부터 검출된 음원 위치와 채널간 상호상관값을 이용하여 그 스테레오 오디오 신호를 공간 필터링하는 것을 특징으로 한다.
더욱 구체적으로, 본 발명은, 오디오 채널 분리 장치에 있어서, 스테레오 오디오 신호를 분석하여 서브밴드 단위로 구분하기 위한 서브밴드 분석 수단; 상기 서브밴드 단위로 구분된 스테레오 오디오 신호로부터 서브밴드별 채널 신호의 파워를 산출하기 위한 채널파워 산출 수단; 상기 산출된 서브밴드별 채널 신호의 파워를 이용하여 음원 위치를 검출하기 위한 음원위치 검출 수단; 상기 서브밴드 단위로 구분된 스테레오 오디오 신호로부터 채널간 상호상관을 산출하기 위한 상호상관 산출 수단; 및 상기 검출된 음원 위치와 상기 산출된 채널간 상호상관값을 이용한 공간 필터링을 통해 상기 스테레오 오디오 신호를 각 채널 신호로 분리하기 위한 채널 신호 분리 수단을 포함한다.
또한, 상기 본 발명은, 상기 스테레오 오디오 신호가 시간 영역의 신호이면, 상기 스테레오 오디오 신호를 주파수 영역으로 변환하여 상기 서브밴드 분석 수단으로 전달하기 위한 신호 변환 수단을 더 포함한다.
한편, 본 발명은, 오디오 채널 분리 방법에 있어서, 스테레오 오디오 신호를 분석하여 서브밴드 단위로 구분하는 서브밴드 분석 단계; 상기 서브밴드 단위로 구분된 스테레오 오디오 신호로부터 서브밴드별 채널 신호의 파워를 산출하는 채널파워 산출 단계; 상기 산출된 서브밴드별 채널 신호의 파워를 이용하여 음원 위치를 검출하는 음원위치 검출 단계; 상기 서브밴드 단위로 구분된 스테레오 오디오 신호로부터 채널간 상호상관을 산출하는 상호상관 산출 단계; 및 상기 검출된 음원 위치와 상기 산출된 채널간 상호상관값을 이용한 공간 필터링을 통해 상기 스테레오 오디오 신호를 각 채널 신호로 분리하는 채널 신호 분리 단계를 포함한다.
또한, 상기 본 발명은, 상기 스테레오 오디오 신호가 시간 영역의 신호이면, 상기 스테레오 오디오 신호를 주파수 영역으로 변환하는 신호 변환 단계를 더 포함한다.
상기와 같은 본 발명은, 스테레오 오디오 신호로부터 검출된 음원 위치와 채널간 상호상관값을 이용하여 그 스테레오 오디오 신호를 공간 필터링함으로써, 더욱 정확하게 특정 방향의 음원들을 구분하고 구분된 음원들이 동시에 재생될 수 있도록 공간 필터링된 신호로부터 용이하게 각 채널(센터채널, 좌채널, 우채널 및 후방채널) 신호로 분리할 수 있는 효과가 있다.
즉, 본 발명은, 스테레오 오디오 신호에 대해 공간적으로 가운데에 있는 음원을 분리함으로써 정확한 센터채널 신호를 생성할 수 있다. 또한, 본 발명은, 나머지 신호로 좌, 우 채널을 생성하고 이들 차이에 의해 후방채널 신호를 생성함으로써, 원래의 스테레오 오디오 신호의 음상이 변화되지 않고, 멀티채널 스피커에 의해 재생될 때 원래의 스테레오 오디오 신호의 음색이 그대로 유지될 수 있는 효과가 있다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은, 일반적인 스테레오 음악 신호를 입력받아 공간 정보 및 공간 영역에서의 공간 필터를 이용하여 특정 방향의 음원을 추출하기 위한 것이다. 즉, 본 발명은, 특정 음원을 분리하기보다는 스테레오 오디오 신호에서 센터채널 신호, 좌채널, 우채널 및 후방채널 신호를 추출하기 위한 것이다.
우선, 본 발명의 설명하기 전에, 두 채널의 신호의 레벨 비율로서 음원의 위 치를 추정할 수 있는 방식과, 두 채널 신호의 상호상관에 의해 음원이 분포하는 넓이를 추정할 수 있는 방식에 대해 설명하기로 한다.
도 1 은 일반적인 일정 파워 패닝에 의한 스테레오 패닝에 대한 설명도이다.
채널간 음량차이(ICLD)와 시간차이(ICTD)는 각각 고주파 영역과 저주파 영역에서 공간 정보를 더욱 정확히 나타낼 수 있다. 실제로 음악 콘텐츠의 경우에, 음악 콘텐츠 음원은 일정 파워 패닝(CPP: Constant Power Panning)에 의해 공간상에 렌더링되고 있다. 음악 콘텐츠 음원은 채널간 음량차이(ICLD)에 더욱 많이 의존한다고 볼 수 있다. 여기서, 주로 음악 씨디의 음악 콘텐츠를 대상으로 하므로, 채널간 음량차이만이 음원의 위치정보 추출에 이용되고 있다. 채널간 음량차이는 주어진 대역의 스펙트럼 에너지를 좌채널 및 우채널 사이에 비교하는 것에 의해 계산될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 좌채널 및 우채널 사이의 음원 렌더링은 일정 파워 패닝 기법에 따라 이루어지고 있다. 따라서 좌채널 및 우채널에 도 1의 곡선과 같은 에너지 비율로 신호를 할당될 때 그에 해당하는 음상이 얻어질 수 있다.
반대로 말하면, 음악 콘텐츠의 좌채널 및 우채널 신호 레벨 비율을 알면, 음상의 위치가 추정될 수 있다. 예를 들면, 좌채널과 센터채널 사이에 위치한 음상의 위치(103)는 좌채널 신호 레벨(101)과 우채널 신호 레벨(102)을 통해서 추정되게 된다.
도 2 는 좌채널 및 우채널 신호 레벨에 의한 음상의 위치 추정에 대한 설명도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 음상의 위치(Si[deg])는 좌채널 신호의 파워(Pl)와 우채널 신호의 파워(Pr) 및 사이각(Aint)에 의해 결정된다. 음상의 위치(Si[deg])를 구하는 식은 하기의 [수학식 1]과 같다.
Si[deg] = Aint × (Pr / (Pl + Pr))
여기서, Si[deg]는 음상의 위치, Aint는 사이각, Pl는 좌채널 신호의 파워, Pr는 우채널 신호의 파워를 나타낸다.
도 3 및 도 4 는 단일 음원 및 중첩된 혼합 음원에 의한 음상의 위치 추정에 대한 예시도이다.
하나의 음원 또는 서로 다른 주파수 영역에서 격리된 음원에 대해서, 음상의 위치는 정확하게 추정될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 서로 다른 주파수 영역에서 격리된 두 음원은 0°와 -20°사이와 10°와 20°사이에 각각 위치해 있다.
하지만, 도 4에 도시된 바와 같이, 주파수 영역에서 서로 중첩되어 있는 혼합 음원들에 대해서, 주파수 대역에 따라 정확한 위치를 추정하는 것이 곤란하다. 그러나 혼합 음원이라도 음원이 주파수 영역에서 중첩되지 않고 상호상관이 1에 가까운 현저한 음원의 경우에, 각 위치에서의 에너지를 비교하는 것에 의해 음상의 위치는 비교적 정확하게 추정될 수 있다.
음원이 중첩되어 있는 대역에 대해서, 도 4에 나타낸 것과 같이 상호상관값이 적어지게 된다. 이때는 상호상관값과 추정 음원의 거리에 따라 임의 음원의 주파수 대역에 따른 레벨 유추가 가능함을 가정할 수 있다.
한편, 상호상관은 시간 영역에서 하기의 [수학식 2] 및 [수학식 3]과 같이 상호상관 함수의 최대값으로 계산될 수 있다. 반면에, 상호상관은 주파수 영역에서 하기의 [수학식 4] 및 [수학식 5]와 같이 주파수 대역별 각 채널 신호의 자기상관과 상호상관에 의해 결정되는 값으로 계산된다.
Figure 112008080849775-PAT00001
여기서,
Figure 112008080849775-PAT00002
는 시간영역에서의 상호상관,
Figure 112008080849775-PAT00003
는 상호상관 함수를 나타낸다.
Figure 112008080849775-PAT00004
Figure 112008080849775-PAT00005
여기서,
Figure 112008080849775-PAT00006
는 주파수 영역에서의 상호상관,
Figure 112008080849775-PAT00007
는 주파수 대역별 각 채널 신호의 자기상관,
Figure 112008080849775-PAT00008
는 주파수 대역별 각 채널 신호의 상호상관을 나타낸다.
Figure 112008080849775-PAT00009
도 5 는 상호상관에 의한 음상의 분포에 대한 설명도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상호상관값의 크기에 따라 스테레오 스피커 사이에서 음원의 분포 넓이가 결정될 수 있다. 즉, 상호상관값이 1인 경우는 음원 1과 같이 한점에 집중되어 있는 것으로 간주될 수 있다. 상호상관값이 2인 경우는 음원 2와 같이 음원 1 주위에 있는 것으로 간주될 수 있다. 반면에, 상호상관값이 0에 가까운 경우는 음원 3과 같이 두 채널의 사이에 퍼져있는 넓은 음원으로 간주되거나, 두 채널의 신호가 전혀 상관이 없는 독립적인 음원을 포함하고 있음을 의미한다. 이는 상호상관값에 의해 관측하려는 위치에서의 음원의 존재 확률이 결정된다고 할 수 있다. 이는 주어진 위치의 음원의 레벨이 결정될 수 있다고 할 수 있다.
한편, 두 개 이상의 음원이 혼합된 신호의 경우에 중첩된 주파수 대역에서 음원의 위치가 다르게 추정되고 상호상관도 낮아지게 된다. 이때, 관심 음원의 대략적인 레벨은 상호상관 및 관심 음원과 추정된 음원의 거리에 대한 함수로서 결정될 수 있다.
도 6 은 현저한 음원의 위치에 대한 공간 필터에 대한 예시도이다.
우선, 도 4를 다시 살펴보면, 도 4의 혼합 음원에서 두 개의 현저한 음원이 존재하고 있음을 시각적으로 확인할 수 있다. 도 6과 같이 현저한 음원의 위치에 대해 공간적으로 필터링하는 것에 의해 음원의 주성분들이 추출될 수 있다. 그러나 다른 음원과 중첩되어 있는 주파수 대역에 대해서, 음원의 위치가 다르게 추정되므로 중첩된 주파수 대역의 음원들은 함께 추출될 수 없다.
도 7 은 본 발명에 따른 상호상관에 의한 공간 필터에 대한 일실시예 예시도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상호상관에 의한 공간 필터는 두 채널간 상호상관(ICC)을 이용함으로써, 음원의 주파수 영역에서의 신호를 더욱 근사할 수 있다. 즉, 상호상관의 크기와 음원의 추정위치와의 거리에 의해 특정 주파수 대역에서의 주어진 음원의 레벨에 대한 기여도가 산출되는 것이다.
여기서, 음원의 대역별 레벨을 산출하는 식은 하기의 [수학식 6]과 같다.
Sn(i) = ICC(i) * f(1/d) * S(i)
여기서, Sn은 임의의 현저한 음원, ICC는 상호상관, d는 현저한 음원의 위치와 임의대역의 추정 음원의 위치 사이의 거리, S는 입력된 혼합 신호, i는 나누어진 주파수 대역을 나타낸다.
상기 [수학식 6]과 같이, 음원의 대역별 레벨은 상호상관의 값에 비례하고, 추정 음원의 거리에 반비례하는 함수로서 나타낼 수 있다. 그리고 추정 음원은 상호상관의 값에 반비례하는 검색영역(701) 내에 포함되어 있는 것만 고려되어 진다. 즉, 상호상관이 높으면 그 대역의 에너지가 대부분 하나의 음원에 기여하는 것으로 간주될 수 있다. 이때, 추정 음원은 실제의 한 음원에 더 가까이 위치한다고 할 수 있다.
추정음원의 위치가 도 7에 표시하는 검색영역(701)에 포함되지 않는 경우에는 임의의 현저한 음원(Sn)에 기여하는 것이 없다. 그러므로 그 대역의 에너지는 0이 된다. 이 검색영역(701)은 두 채널간 상호상관과 반비례하여 변화된다.
전술한 바와 같이, 두 채널의 혼합 음원이 있을 경우, 구분된 주파수 대역에서 음원의 위치가 추정될 수 있다. 즉, 현저한 음원의 위치에 기반하여 채널간 상호상관(ICC)값에 따라 가변되는 공간 영역의 폭을 가지는 공간 필터가 이용될 수 있다. 이러한 공간 필터에 의해 음원을 추출하는 방법이 도 7에 설명되어 있다.
그러나 실제 음악 콘텐츠에 있어서는 음원의 개수가 매우 많아 현저한 음원이 검출되는 주파수 대역의 개수가 적다. 그러므로 이러한 방법만으로 음원을 추출 하는 것이 곤란하다. 따라서 다른 음원 추출 기술들과의 병용에 의해 음원의 추출효율을 높일 수 있다. 본 발명은 도 7에 설명된 공간 필터를 이용하여 센터채널 신호를 생성하고, 그 생성된 센터채널 신호를 이용하여 좌우 채널 신호를 분리할 수 있는 공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
이상의 설명에 기반한 오디오 채널 분리 장치는 도 8과 같이 구현될 수 있다.
도 8 는 본 발명에 따른 오디오 채널 분리 장치의 일실시예 구성도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 오디오 채널 분리 장치는 주파수 변환부(810), 서브밴드 분석부(820), 채널파워 산출부(830), 음원위치 검출부(840), 채널간 상호상관 산출부(850) 및 채널 신호 분리부(860)를 포함한다. 여기서, 채널 신호 분리부(860)는 센터신호 필터링부(861), 제1 감산부(862) 및 제2 감산부(863)를 포함한다.
주파수 변환부(810)는 입력된 스테레오 오디오 신호를 20ms 전후의 시간 단위로 자른 후 푸리에 변환에 의해 주파수 영역의 신호로 변환한다. 즉, 주파수 변환부(810)는 입력된 스테레오 오디오 신호가 시간 영역의 신호이면, 스테레오 오디오 신호를 주파수 영역으로 변환하여 서브밴드 분석부(820)로 전달한다.
그리고 서브밴드 분석부(820)는 주파수 변환부(810)로부터 전달받은 스테레오 오디오 신호를 분석하여 서브밴드 단위로 구분한다. 즉, 서브밴드 분석부(820)는 적절한 밴드 폭을 가지는 서브밴드로 주파수 영역의 신호를 조합하여 서브밴드 단위로 세분한다.
그리고 채널파워 산출부(830)는 서브밴드 분석부(820)에서 구분된 서브밴드 단위로 주파수 성분의 파워를 더하여 서브밴드별 채널 신호의 파워를 산출한다. 채널파워 산출부(830)는 서브밴드 내의 모든 주파수 성분의 파워를 더하는 것에 의해 서브밴드의 파워를 산출할 수 있다.
이어서, 음원위치 검출부(840)는 채널파워 산출부(830)에서 산출된 서브밴드별 채널 신호의 파워를 비교하여 음원 위치를 검출한다. 즉, 음원위치 검출부(840)는 서브밴드 단위로 채널 신호의 파워를 비교하는 것에 의해 파워 패닝을 반대로 적용하여 음원의 방향을 검출한다.
한편, 채널간 상호상관 산출부(850)는 서브밴드 분석부(820)에서 구분된 서브밴드 단위로 채널간 상호상관을 산출한다. 즉, 채널간 상호상관 산출부(850)는 서브밴드 단위로 주파수 성분의 자기상관과 상호상관의 비율을 이용하여 채널간 상호상관을 산출한다.
그리고 채널 신호 분리부(860)는 음원위치 검출부(840)에서 검출된 음원 위치와 채널간 상호상관 산출부(850)에서 산출된 채널간 상호상관값을 이용하여 스테레오 오디오 신호를 공간 필터링한다. 그리고 채널 신호 분리부(860)는 그 공간 필터링된 신호로부터 각 채널 신호로 분리한다. 여기서, 채널 신호 분리부(860)는 스테레오 오디오 채널에 의해 생성되는 음향 공간의 가운데 위치의 음원을 구분하는 기능을 수행한다.
그리고 센터신호 필터링부(861)는 음원위치 검출부(840)에서 검출된 음원 위치와 채널간 상호상관 산출부(850)에서 산출된 채널간 상호상관값을 이용해 주파수 변환부(810)로부터 전달받은 스테레오 오디오 신호를 공간 필터링하여 센터채널 신호를 생성한다. 즉, 센터신호 필터링부(861)는 음원위치 검출부(840)에서 검출된 음원 위치와 채널간 상호상관 산출부(850)에서 산출된 채널간 상호상관값에 따라 공간적 넓이와 이득이 변화되는 공간 필터를 이용하여 스테레오 오디오 신호를 공간 필터링한다. 또한, 센터신호 필터링부(861)는 센터채널 신호의 영역을 넓게 가정한 공간 필터를 이용하여 스테레오 오디오 신호를 공간 필터링한다.
그리고 제1 감산부(862)는 주파수 변환부(810)로부터 전달받은 스테레오 오디오 신호에서 센터신호 필터링부(861)에서 추출된 센터채널 신호를 감산하여 좌채널 및 우채널 신호를 생성한다. 즉, 전방 좌채널 및 우채널 신호는 스테레오 오디오 신호에서 센터채널 신호 성분을 제외한 나머지 값으로 생성된다.
이어서, 제 2 감산부(863)는 제1 감산부(862)에서 생성된 좌채널 및 우채널 신호의 차에 의해 후방채널 신호를 생성한다. 즉, 후방채널 신호는 새롭게 생성된 좌채널 및 우채널 신호의 차에 의해 생성된다.
도 9 는 본 발명에 따른 센터채널 신호 분리를 위한 공간 필터에 대한 일실시예 예시도이다.
센터채널 신호는 대개 보컬을 포함하고 있으며, 콘텐츠에 따라 다른 악기들의 음원들이 배치될 수 있다. 공간상 두 채널의 가운데 위치에 음원이 있다는 가정 하에 센터신호 필터링부(861)는 센터신호를 추출하게 된다. 센터신호 필터링부(861)는 상호상관의 크기에 반비례하여 센터채널 신호의 영역을 가변하게 된다. 이때, 음원의 대역별 레벨은 상호상관에 비례하고 추정음원의 거리에 반비례하는 함수로서 산출된다. 대개 채널간 음량차이(ICLD)만을 가지고 음원의 위치를 추정하는 것은 약간의 오차를 수반하게 된다. 주파수 대역이 넓을수록 오차가 커지므로 이를 고려하여 센터채널 신호의 영역은 더욱 넓은 영역으로 가정하게 된다. 또한, 상호상관이 일정한 값 이하로 작아지면, 센터채널에 대한 기여가 현저히 줄어들게 됨으로써 최소값이 동일하게 적용된다.
여기서, 센터채널 신호를 위한 검색영역이 도 9에 도시되어 있다. 센터신호 필터링부(861)는 이러한 공간 필터를 통해 좌우 채널과의 분리도를 높여 센터채널 신호를 추출할 수 있다.
Sc(i) = ICC(i) * f(1/d) * (Sl(i) + Sr(i))
스테레오 채널 신호의 합신호로부터 채널간 상호상관(ICC)과 센터채널의 위치와 추정음원 사이의 거리에 반비례하는 센터신호의 생성을 위한 수식은 상기의 [수학식 7]에 개념적으로 표현되어 있다.
여기서, 센터신호 필터링부(861)에서 이용되는 윈도우는 여러 가지로 고려될 수 있다. 이러한 윈도우는 거리에 따른 공간 필터 이득의 변화를 나타내고 있으며, 정형파 형태의 윈도우가 가장 바람직할 것이다. 즉, 센터신호 필터링부(861)는 정형파 형태의 윈도우를 가지는 공간 필터를 통해 공간 필터의 이득을 변화시켜 스테레오 오디오 신호를 공간 필터링한다. 왜냐하면, 여러 음원에 의해 음원의 위치 추 정에 대한 오차가 많으면, 윈도우에 의해 잘리는 부분의 경계 부분에 있는 음상들이 센터 신호에 많은 영향을 끼치지 않아야 하기 때문이다. 그러나 윈도우의 형태에 따른 변화가 실제로는 거의 상쇄되기 때문에 필요에 따라 직선과 같이 간단한 윈도우를 사용할 수 있다.
이렇게 생성된 센터채널 신호, 좌채널 신호 및 우채널 신호는 주파수 영역의 매스킹에 의해 생성된 것이다. 따라서 스펙트럼 영역에서 빈 구간이 발생하면서 블로킹 오차가 발생하게 된다. 이를 해결하기 위해서, 센터신호 필터링부(861)는 스테레오 오디오 신호가 위치한 스펙트럼 영역의 블록 경계에서 블로킹 오차를 감소시키는 공간 필터를 이용하여 필터링한다.
한편, 제1 감산부(862)는 센터신호 필터링부(861)에서 추출된 센터채널 신호와 주파수 변환부(810)로부터 스테레오 오디오 신호를 전달받아 좌채널 및 우채널 신호를 생성할 수 있다. 제2 감산부(862)는 제1 감산부(862)에서 생성된 좌채널 및 우채널 신호가 센터신호가 빠진 신호이기 때문에, 매트릭스에 의해 더욱 정확한 후방채널 신호를 생성할 수 있다.
여기서, 제2 감산부(862)는 사이드 신호(좌채널 및 우채널 신호)의 차로서 간단히 후방채널 신호를 생성한다. 여기서, 센터채널 신호에 의한 원치 않는 주파수 스펙트럼의 감쇠나 강조 효과가 발생하지 않으므로, 제2 감산부(862)는 더욱 정확한 후방채널 신호를 생성할 수 있다.
도 10 은 본 발명에 따른 공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
먼저, 주파수 변환부(810)는 입력된 스테레오 오디오 신호를 20ms 전후의 시간 단위로 자른 후 푸리에 변환에 의해 주파수 영역의 신호로 변환한다(1002). 즉, 주파수 변환부(810)는 입력된 스테레오 오디오 신호가 시간 영역의 신호이면, 스테레오 오디오 신호를 주파수 영역으로 변환하여 서브밴드 분석부(820)로 전달한다.
그리고 서브밴드 분석부(820)는 주파수 변환부(810)로부터 전달받은 스테레오 오디오 신호를 분석하여 서브밴드 단위로 구분한다(1004).
그리고 채널파워 산출부(830)는 서브밴드 분석부(820)에서 구분된 서브밴드 단위로 주파수 성분의 파워를 더하여 서브밴드별 채널 신호의 파워를 산출한다(1006). 이때, 채널파워 산출부(830)는 서브밴드 내의 모든 주파수 성분의 파워를 더하는 것에 의해 서브밴드의 파워를 산출할 수 있다.
이어서, 음원위치 검출부(840)는 채널파워 산출부(830)에서 산출된 서브밴드별 채널 신호의 파워를 비교하여 음원 위치를 검출한다(1008). 즉, 음원위치 검출부(840)는 서브밴드 단위로 채널 신호의 파워를 비교하는 것에 의해 파워 패닝을 반대로 적용하여 음원의 방향을 검출한다.
한편, 채널간 상호상관 산출부(850)는 서브밴드 분석부(820)에서 구분된 서브밴드 단위로 채널간 상호상관을 산출한다(1010). 즉, 채널간 상호상관 산출부(850)는 서브밴드 단위로 주파수 성분의 자기상관과 상호상관의 비율을 이용하여 채널간 상호상관을 산출한다.
그리고 채널 신호 분리부(860)는 음원위치 검출부(840)에서 검출된 음원 위치와 채널간 상호상관 산출부(850)에서 산출된 채널간 상호상관값을 이용하여 스테 레오 오디오 신호를 공간 필터링한다(1012). 그리고 채널 신호 분리부(860)는 그 공간 필터링된 신호로부터 각 채널 신호를 분리한다.
여기서, 센터신호 필터링부(861)는 음원위치 검출부(840)에서 검출된 음원 위치와 채널간 상호상관 산출부(850)에서 산출된 채널간 상호상관값을 이용해 주파수 변환부(810)로부터 전달받은 스테레오 오디오 신호를 공간 필터링하여 센터채널 신호를 생성한다. 즉, 센터신호 필터링부(861)는 음원위치 검출부(840)에서 검출된 음원 위치와 채널간 상호상관 산출부(850)에서 산출된 채널간 상호상관값에 따라 공간적 넓이와 이득이 변화되는 공간 필터를 이용하여 스테레오 오디오 신호를 공간 필터링한다. 또한, 센터신호 필터링부(861)는 센터채널 신호의 영역을 넓게 가정한 공간 필터를 이용하여 스테레오 오디오 신호를 공간 필터링한다.
그리고 제1 감산부(862)는 주파수 변환부(810)로부터 전달받은 스테레오 오디오 신호에서 센터신호 필터링부(861)에서 추출된 센터채널 신호를 감산하여 좌채널 및 우채널 신호를 생성한다. 즉, 전방 좌채널 및 우채널 신호는 스테레오 오디오 신호에서 센터채널 신호 성분을 제외한 나머지 값으로 생성된다.
이어서, 제 2 감산부(863)는 제1 감산부(862)에서 생성된 좌채널 및 우채널 신호의 차에 의해 후방채널 신호를 생성한다. 즉, 후방채널 신호는 새롭게 생성된 좌채널 및 우채널 신호의 차에 의해 생성된다.
한편, 전술한 바와 같은 본 발명의 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.　또한, 상기 작성된 프로그램 은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체를 포함한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
도 1 은 일반적인 일정 파워 패닝에 의한 스테레오 패닝에 대한 설명도,
도 2 는 좌채널 및 우채널 신호 레벨에 의한 음상의 위치 추정에 대한 설명도,
도 3 및 도 4 는 단일 음원 및 중첩된 혼합 음원에 의한 음상의 위치 추정에 대한 예시도,
도 5 는 상호상관에 의한 음상의 분포에 대한 설명도,
도 6 은 현저한 음원의 위치에 대한 공간 필터에 대한 예시도,
도 7 은 본 발명에 따른 상호상관에 의한 공간 필터에 대한 일실시예 예시도,
도 8 는 본 발명에 따른 오디오 채널 분리 장치의 일실시예 구성도,
도 9 는 도 8의 센터신호 채널 신호 분리부에서 센터채널 신호 분리를 위한 공간 필터에 대한 일실시예 예시도,
도 10 은 본 발명에 따른 공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
810: 주파수 변환부 820: 서브밴드 분석부
830: 채널파워 산출부 840: 음원위치 검출부
850: 채널간 상호상관 산출부 860: 채널 신호 분리부
861: 센터신호 필터링부 862: 제1 감산부
863: 제2 감산부

Claims (16)

  1. 오디오 채널 분리 장치에 있어서,
    스테레오 오디오 신호를 분석하여 서브밴드 단위로 구분하기 위한 서브밴드 분석 수단;
    상기 서브밴드 단위로 구분된 스테레오 오디오 신호로부터 서브밴드별 채널 신호의 파워를 산출하기 위한 채널파워 산출 수단;
    상기 산출된 서브밴드별 채널 신호의 파워를 이용하여 음원 위치를 검출하기 위한 음원위치 검출 수단;
    상기 서브밴드 단위로 구분된 스테레오 오디오 신호로부터 채널간 상호상관을 산출하기 위한 상호상관 산출 수단; 및
    상기 검출된 음원 위치와 상기 산출된 채널간 상호상관값을 이용한 공간 필터링을 통해 상기 스테레오 오디오 신호를 각 채널 신호로 분리하기 위한 채널 신호 분리 수단
    을 포함하는 공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스테레오 오디오 신호가 시간 영역의 신호이면, 상기 스테레오 오디오 신호를 주파수 영역으로 변환하여 상기 서브밴드 분석 수단으로 전달하기 위한 신 호 변환 수단
    을 더 포함하는 공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 채널 신호 분리 수단은,
    상기 검출된 음원 위치와 상기 산출된 채널간 상호상관값을 이용한 공간 필터링을 통해 상기 스테레오 오디오 신호로부터 센터채널 신호를 생성하기 위한 센터신호 필터링 수단;
    상기 스테레오 오디오 신호에서 상기 생성된 센터채널 신호를 감산하여 좌채널 및 우채널 신호를 생성하기 위한 제1 감산 수단; 및
    상기 생성된 좌채널 및 우채널 신호의 차에 의해 후방채널 신호를 생성하기 위한 제2 감산 수단
    을 포함하는 공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 센터신호 필터링 수단은,
    상기 검출된 음원 위치와 상기 산출된 채널간 상호상관값에 따라 공간적 넓이와 이득이 변화되는 공간 필터를 이용하여 상기 스테레오 오디오 신호를 공간 필 터링하는 공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 센터신호 필터링 수단은,
    상기 센터채널 신호의 영역을 가정한 상기 공간 필터를 이용하여 상기 스테레오 오디오 신호를 공간 필터링하는 공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 센터신호 필터링 수단은,
    센터채널 위치를 중심으로 거리에 반비례하여 감소하는 윈도우를 가지는 상기 공간 필터를 통해 상기 공간 필터의 이득을 변화시켜 상기 스테레오 오디오 신호를 공간 필터링하는 공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 센터신호 필터링 수단은,
    상기 스테레오 오디오 신호가 위치한 스펙트럼 영역의 블록 경계에서 블로킹 오차를 감소시키는 상기 공간 필터를 이용하여 필터링하는 공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 장치.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 상호상관 산출 수단은,
    상기 서브밴드 단위로 구분된 스테레오 오디오 신호에 대해서 주파수 성분의 자기상관과 상호상관의 비율을 이용하여 채널간 상호상관을 산출하는 공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 장치.
  9. 오디오 채널 분리 방법에 있어서,
    스테레오 오디오 신호를 분석하여 서브밴드 단위로 구분하는 서브밴드 분석 단계;
    상기 서브밴드 단위로 구분된 스테레오 오디오 신호로부터 서브밴드별 채널 신호의 파워를 산출하는 채널파워 산출 단계;
    상기 산출된 서브밴드별 채널 신호의 파워를 이용하여 음원 위치를 검출하는 음원위치 검출 단계;
    상기 서브밴드 단위로 구분된 스테레오 오디오 신호로부터 채널간 상호상관을 산출하는 상호상관 산출 단계; 및
    상기 검출된 음원 위치와 상기 산출된 채널간 상호상관값을 이용한 공간 필터링을 통해 상기 스테레오 오디오 신호를 각 채널 신호로 분리하는 채널 신호 분리 단계
    를 포함하는 공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 스테레오 오디오 신호가 시간 영역의 신호이면, 상기 스테레오 오디오 신호를 주파수 영역으로 변환하는 신호 변환 단계
    를 더 포함하는 공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 방법.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 채널 신호 분리 단계는,
    상기 검출된 음원 위치와 상기 산출된 채널간 상호상관값을 이용한 공간 필터링을 통해 상기 스테레오 오디오 신호로부터 센터채널 신호를 생성하는 센터신호 필터링 단계;
    상기 스테레오 오디오 신호에서 상기 생성된 센터채널 신호를 감산하여 좌채널 및 우채널 신호를 생성하는 제1 감산 단계; 및
    상기 생성된 좌채널 및 우채널 신호의 차에 의해 후방채널 신호를 생성하는 제2 감산 단계
    를 포함하는 공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 센터신호 필터링 단계는,
    상기 검출된 음원 위치와 상기 산출된 채널간 상호상관값에 따라 공간적 넓이와 이득이 변화되는 공간 필터를 이용하여 상기 스테레오 오디오 신호를 공간 필터링하는 공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 센터신호 필터링 단계는,
    상기 센터채널 신호의 영역을 가정한 상기 공간 필터를 이용하여 상기 스테레오 오디오 신호를 공간 필터링하는 공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 센터신호 필터링 단계는,
    센터채널 위치를 중심으로 거리에 반비례하여 감소하는 윈도우를 가지는 상기 공간 필터를 통해 상기 공간 필터의 이득을 변화시켜 상기 스테레오 오디오 신호를 공간 필터링하는 공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 센터신호 필터링 단계는,
    상기 스테레오 오디오 신호가 위치한 스펙트럼 영역의 블록 경계에서 블로킹 오차를 감소시키는 상기 공간 필터를 이용하여 필터링하는 공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 상호상관 산출 단계는,
    상기 서브밴드 단위로 구분된 스테레오 오디오 신호에 대해서 주파수 성분의 자기상관과 상호상관의 비율을 이용하여 채널간 상호상관을 산출하는 공간 필터링을 이용한 오디오 채널 분리 방법.
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