KR20100134648A - 필터 특징을 발생시키는 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

사운드 재생 구역에 관련하여 규정된 위치들에서 적어도 3개의 라우드스피커들에 연결가능한 필터들에 대한 필터 특징들을 발생시키는 장치는 시간-반전된 임펄스 응답들을 획득하기 위해 상기 라우드스피커들에 관련된 임펄스 응답들을 시간-반전하는 임펄스 응답 반전기(10)를 포함한다. 상기 장치는 또한, 시간-반전된 임펄스 응답의 최대값 이전에 발생한 임펄스 응답 부분들이 상기 필터들에 대한 상기 필터 특징들을 획득하기 위해 진폭에서 감소되도록 상기 시간-반전된 임펄스 응답들 또는 반전 이전에 상기 라우드스피커들에 관련된 상기 임펄스 응답들을 변경하는 임펄스 응답 변경기(14)를 포함한다.

Description

필터 특징을 발생시키는 장치 및 방법{Apparatus and Method for Generating Filter Characteristics}
본 발명은 오디오 기술에 관한 것으로 더욱 상세하게는 사람의 머리 또는 사람의 귀의 위치와 같은 특정 위치에서 사운드 재생 구역(zone)에 사운드 포커싱 위치들을 발생시키는 목적을 위한 사운드 포커싱 분야에 관한 것이다.
음향의 전반적인 분야를 살피면, "사운드 포커싱"이라는 용어는 매우 다양한 어플리케이션들에서 언급된다. 수중 음향 통신, 초음파 진단, 비수술적 쇄석술, 비파괴 의료 검사들이 몇 개의 가능한 사용 케이스들이다.
오디오 재생의 측면에서, 포커싱은 뛰어난 지각적 효과를 발생시키는 효과적인 방법이다. 한편으로, 사운드 포커싱은 예컨대, 홀로포닉(holophonic) 오디오 재생 방법들을 위해 가상 음향 리얼리티를 생성할 가능성들을 제공한다. 다른 한편으로, 본 발명의 포커스인 개별적인 또는 개인적인 오디오로 문을 여는 공간적으로 선택적인 오디오 재생을 용이하게 하는 높은 가능성이 있다.
개인적인 사운드 구역들은 많은 어플리케이션들에서 사용될 수 있다. 사용자가 예컨대, 그녀 또는 그의 텔리비전 장치의 앞에 앉아 있고, 사운드 에너지가 포커스되고, 사용자가 TV 앞에 앉아 있을 때 사용자의 머리가 위치될 것으로 예상되는 장소에 위치되는 사운드 구역들이 발생되는 어플리케이션이 있다. 이는 모든 다른 장소들에서, 사운드 에너지가 감소되고 룸에서 다른 사람들은 스피커 셋업에 의해 발생된 사운드에 의해 전혀 방해받지 않거나, 사운드 포커싱이 특정 사운드 포커싱 위치에서 발생하도록 수행되지 않는 직접적인(straightforward) 셋업에 비해 더 작은 정도만 방해됨을 의미한다.
다른 유용한 어플리케이션들이 공공 정보 설비들인데, 여기에서, 사운드 구역이 공공 알림 설비의 정면에서 발생되어, 알림 설비의 정면에서 또는 그의 특정 위치 앞에 있는 사람들만이 설비로부터의 정보를 이해하고, 사운드 포커싱 구역들에 위치하지 않은 다른 사람들은 공표된 정보를 이해하지 못한다.
다른 어플리케이션들은 헤드폰이 없는 개인적인 어플리케이션들이다. 매우 좋은 사운드 포커싱 어플리케이션들에서, 사용자는 바로앞 라우드스피커들에 의해 그 또는 그녀의 개인 정보를 수신할 수 있지만, 사용자만이 내용을 이용하고 룸에 있는 다른 사람들은 사운드 포커싱 구역에 있지 않기 때문에 정보를 이해하지 못한다.
추가적인 어플리케이션들은 엔터테인먼트 분야이다. 특히, 사용자들은 랩탑 디스플레이 또는 심지어 이동 전화기 또는 이동 플레이어 디스플레이와 같은 작은 디스플레이 상에서 영화를 보는 것에 관심이 있으며, 사용자는 예컨대, 테이블 상에서 사용자의 앞에 장치를 위치시키는 것에 관심이 있다. 사운드 포커싱은 사운드가 사용자가 위치된 곳에 집중되게 되며, 이는 작은 스피커들임에도 불구하고 사용자의 귀 주변에 만족할 만한 볼륨이 발생될 수 있음을 의미한다. 또한, 사용자가 직접적인 방식(straightforward way)으로 이동 전화기를 사용하는 경우조차, 사용자 귀의 예상된 배치로 향하는 사운드 포커싱은 스피커들을 동작시키기 위해 더 적은 스피커들을 사용하고 더 적은 파워를 사용하는 것을 허용하며, 그에 따라, 사운드 에너지가 더 큰 구역에서 방사되지 않지만, 더 큰 사운드 재생 구역 내에서 특정 사운드 포커싱 위치에 집증된다는 사실로 인해, 대체로 배터리 파워가 절약될 수 있다. 당연히, 라우드스피커들이 더 파워를 소비하지만, 포커싱 구역에서 파워의 집중이 동일한 개수의 스피커들을 이용한 비-포커싱된 방사에 비해, 더 적은 배터리 파워를 요구한다.
사운드 포커싱은 사운드 재생 구역 내에서 다른 위치들의 다른 정보가 위치되는 것을 허용하기 조차 한다. 예시적으로, 스테레오 신호의 좌측 채널이 사람의 좌측 귀 주위에 집중하고, 스테레오 신호의 우측 채널은 사람의 우측 귀 주위에 집중될 수 있다.
게다가, 여기에서 이들 사운들 간에 간섭이 적게만 실현되거나 아예 간섭이 실현되지 않는 경우, 동일한 라우드스피커 셋업을 사용함으로써 완전히 서로 다른 정보가 공간적으로 다른 위치들에서 사운드 재생 구역 내에 재생될 수 있다.
몇 개의 사운드 포커싱 어플리케이션들이 존재한다. 하나의 사운드 포커싱 어플리케이션은 ME-LMS-최적화(ME-LMS= multiple error least mean square)를 사용한 역 필터의 수치적 계산이다. ME-LMS 알고리즘은 계산에서 발생하는 메트릭스를 인버트(invert)하는 방법으로서 사용된다. N개의 전송기들(라우드스피커들) 및 N개의 수신기들(마이크로폰들)로 이루어진 장치(arrangement)는 사이즈 M×N을 갖는 선형 방정식들(equations)의 시스템을 사용하는 수학적 방식으로 나타낼 수 있다. 스피커들 및 마이크로폰들의 위치들이 공지되어 있으면, 입력과 출력 간의 고유한 관계는 데카르트 좌표(cartesian coordinate) 시스템과 같은 각 좌표 시스템에서 파동 방정식(wave equation)의 해를 계산함으로써 발견될 수 있다. (가상의) 마이크로폰 위치들에서 사운드 압력과 같은 원하는 해를 제공함으로써, 라우드스피커들을 위한 각 필터들에 의해 원래의 오디오 신호로부터 도출되는 필수적인 입력 신호들을 라우드스피커들로 계산하는 것이 가능하다.
이러한 방정식들의 다-차원적 선형 시스템의 해의 계산은 최적화 방법들을 이용하여 수행될 수 있다. 다수의 엘리먼트 최소 평균 자승 방법이 유용한 방법이지만, 나쁜 수렴 동작을 가지며, 수렴 동작은 필터들을 위한 시작 조건들 또는 시간 값들에 크게 좌우된다.
시간-반전 프로세스는 어떤 매체에서 음향적 사운드 전파의 시간 상반성(time reciprocity)에 기반한다. 이러한 상황에서, 전송기로부터 수신기로의 사운드 전파는 반전 가능하다. 사운드가 어떤 지점으로부터 전송되다면 또는 이 사운드가 경계 볼륨(bounding volumn)의 가장자리에서 녹음된다면, 볼륨에 대한 사운드 소스는 시간-반전된 방식으로 신호를 재생할 수 있다. 이는 원래의 전송기 위치로 사운드 에너지를 포커싱하게 한다.
시간-반전 미러(Time-reversal mirror: TRM)는 단일 지점에서 사운드 포커싱을 발생시킨다. 이 타겟은 가능한 작은 포커스 지점을 갖는 것인데, 이 포커스 지점은 의료 어플리케이션에서, 신장 결석으로 많은 양의 사운드를 인가함으로써 신장 결석이 파괴될 수 있도록 예컨대, 신장 결석에 대해 직접적으로 위치된다.
다른 효과들은 라우드스피커 어레이의 모델-기반 제어이다. 하나의 모델-기반 접근법이 빔포밍(beam forming)이다. 특히, 빔포밍은 송신기 또는 수신기 그룹의 방향적 특성의 의도된 변화를 의미한다. 이들 그룹들을 위한 계수들/필터들은 모델에 기반하여 계산될 수 있다. 라우드스피커 어레이의 지향적 방사는 각 라우드스피커에 대해 개별적으로 방사된 신호의 적절한 조절에 의해 획득될 수 있다. 신호 지연 및/또는 신호 스케일링을 포함할 수 있는 라우드스피커 특정 디지털 계수들을 사용함으로써, 지향성은 어떤 제한들 내에서 제어 가능하다. 라우드스피커들 간의 신호 전파 지연 및 의도된 포커스 구역이 인버트되고, 이 인버트된 신호 지연이 각 라우드스피커 채널을 위한 오디오 신호의 라우드스피커-특정 신호 지연으로서 사용되면 포커스 구역이 생성될 수 있다. 지연 계수들의 분포 및 라우드스피커-특정 신호 값들의 선택 또는, 일반적으로 말해, 라우드스피커 전달 함수들의 선택은 포커스 구역에 영향을 미친다.
다른 모델-기반 방법들이 파동장(wave field) 합성 또는 바이노럴 스카이(binaural sky)이다. 모델-기반은 파동장 합성 또는 바이노럴 스카이를 위한 필터들 또는 계수들을 발생시키는 방식에 관련된다. 라우드스피커-특정 신호 조정을 수행하여, 방사된 신호는 모든 라우드스피커들의 파동장 기여분들의 중첩(superposition)이 합성될 음장(sound field)의 근사화된 이미지를 초래하는 방식으로 조정된다. 이 파동장은 어떤 제한들에서 합성된 사운드 소스의 위치적으로 정확한 검출을 허용한다. 소위 포커스된 소스들의 경우에, 사람은 포커스 위치에 그렇게 근접하지 않은 위치에서, 소스의 환경에 비해 포커스된 소스의 위치에 근접하여 상당한 신호 레벨 증가를 인지한다. 모델-기반 파동장 합성 어플리케이션들은 개별적인 라우드스피커들을 위한 지연들 및 스케일링들을 계산하는 것을 포함하는 디지털 필터링을 이용하여 파동장의 객체-지향 제어형 합성에 기반한다.
바이노럴 스카이는 청취자(listener)의 위치를 검출하는 시스템에 기초하여 청취자의 귀 앞에 위치되는 포커스된 소스들을 사용한다. 빔 포밍 방법들 및 포커스된 파동장 합성 소스들은 어떤 라우드스피커 설비들을 이용하여 수행될 수 있으며, 그에 따라 복수개의 포커스 구역들이, 신호 또는 멀티-채널 렌더링이 획득 가능하도록 발생될 수 있다. 모델-기반 방법들은 필요한 계산 자원에 대해 이익이 되며, 이들 방법들은 측정에 필수적으로 기반하지 않는다.
출판물 "Time-reversal of ultrasonic fields - Part I: basic principles", M. Fink, IEEE transactions on ultrasonic, ferroelecric, and frequency control, Vol. 39, #5 September 1992 에는 시간-반전(time-reversal) 포커싱 기술을 개시한다.
기술 출판물 "The Binaural Sky: A Virtual Headphone for Binaural Room Synthesis". Menzel et al., IRT Munich Report, 2005, available under http://www.tonmeister.de/symposium/2005/np_pdf/RQ4.pdf 에는 이론 및 실무 상의 가상 음향의 재생을 위한 시스템을 개시한다. 이 시스템은 파동장 합성, 바이노럴 기술 및 트랜스오럴(transaural) 오디오를 결합한다. 가상 소스들을 위한 안정적인 위치는 청취자들이 뒤돌아보고 자신의 머리를 돌릴 수 있도록 허용되도록 달성된다. 청취자의 머리 위에 위치된 원형 어레이 및 라우드스피커들에 연결된 필터들을 위한 FIR 필터 계수들은 머리-추적기(head-tracker)에 의해 전달된 방위각 정보에 기초하여 계산된다.
WO 2007/110087 A1는 복수개의 라우드스피커들에 의한 바이노럴 신호들(인공-머리 신호들)의 재생을 위한 장치를 개시한다. 재생된 바이노럴 신호들에서 크로스토크 성분들을 필터링하는 동일한 크로스토크 제거 필터는 모든 머리 방향에 대해 사용될 수 있다. 라우드스피커 재생은 라우드스피커 어레이의 도움으로 사운드-필드 합성을 이용하여 가상 트랜스오럴(transauralization) 소스에 의해 영향을 받는다. 가상 트랜스오럴 소스의 위치는 청취자의 머리의 확인된 위치에 기초하여 동적으로 변경될 수 있으며, 그에 따라 청취자의 귀들과 트랜스오럴 소스의 상대적 위치는 어떤 머리 회전에 대해서도 일정하다.
TRM 방법이 기설정된 위치들에서 상당한 사운드 포커싱 효과가 획득될수 있도록 필터 계수들에 대한 유용한 결과들을 제공함이 밝혀졌다. 그러나, 또한 TRM 방법이 쇄석술을 위한 의료 어플리케이션들에 효과적으로 적용되면서, 음악 또는 음성을 포함하는 오디오 신호가 포커싱되어야 하는 오디오 어플리케이션들에 대해 중요한 단점을 갖는다는 것이 밝혀졌다. 포커싱 구역에서 그리고 포커싱 구역 외의 위치에서 지각된 신호의 품질은 TRM 방법에 의해 획득된 필터 특징들에 의해 유발된 상당한 귀찮은 프리-에코들로 인해, 이들 필터 특징들이 시간-반전 프로세스로 인해 필터 임펄스 응답의 "주요 부분(main portion)"이 후속하는 임펄스 응답의 긴 첫번째 부분을 갖기 때문에, 저하된다.
본 발명의 목적은 필터 특징들을 발생시키는 개선된 컨셉을 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1에 따라 필터 특징을 발생시키는 장치 또는 청구항 14에 따라 필터 특징을 발생시키는 방법 또는, 청구항 15에 따른 컴퓨터 프로그램에 의해 달성된다.
본 발명에 따라, 프리-에코들에 관련된 문제는 시간-반전된 임펄스 응답의 최대값 이전에 발생한 임펄스 응답 부분들은 진폭에서 감소되도록 비반전된 또는 반전된 임펄스 응답을 변경함으로써 해결된다.
바람직한 실시예에서, 임펄스 응답 부분의 진폭 감소는 사람 귀의 프리-마스킹 속성들을 기술하는 심리음향적 프리-마스킹 특성에 기초하여 문제적 부분들의 검출 없이 수행될 수 있다. 그러나, 반전된 임펄스응답에서 발생하는 모든 반향음들을 완전히 감쇠하는 것이 바람직하지 않다. 바람직하게, 반전된 또는 비반전된 임펄스 응답들에서 가장 강한 불연속적(discrete) 반향음들(reflections)은 검출되며, 이들 가장 강한 반향음들 각각은 -이 반향음 이전에- 프리-마스킹 특성을 이용한 감쇠가 수행되며, 이 반향음 후에 포스트-마스킹 특성을 이용한 감쇠가 수행되도록 처리된다.
다른 어플리케이션에서, 지각 가능한 프리-에코들을 유발하는 임펄스 응답의 문제적 부분들의 검출이 수행되고, 이들 부분들 중 선택된 감쇠가 수행된다. 다른 실시예에서, 검출은 반전된 임펄스 응답의 다른 부분들이 되며, 더 나은 경험을 획득하기 위해 향상/증가될 수 있다. 이러한 상황에서, 라우드스피커 필터를 위한 필터 특징을 획득하기 위해 임펄스 응답 최대값 이전 또는 이후에 위치될 수 있는 임펄스 응답의 위치들이 있다.
변경은 통상적으로 사람의 프리-마스킹 시간 범위가 심리음향학으로부터 공지된 바와 같은 포스트-마스킹 시간 범위보다 훨씬 작다는 사실로 인해 시간 상에서 시간-반전된 임펄스 응답의 최대값 이전의 위치들이 최대값 후의 위치들보다 더 조정되어야 하는 상황을 초래한다.
다른 실시예에서, 시간-반전 미러링에 의해 획득된 필터 특징들은 덜 샤프한 포커싱 및 그에 따라 더 큰 포커싱 구역이 획득되도록 랜덤 방식으로 바람직하게 시간 및/또는 진폭에 대해 조정된다.
다른 실시예들은 근접하게 위치된 몇 개의 포커싱 지점들에 대해 측정을 수행함으로써 더 넓은 포커싱 사운드를 획득한다. 포커스 지점들을 중첩함으로써 더 넓은 포커스 구역이 획득된다.
본 발명의 다른 실시예들은 시간 반전 미러링 결과에 기초하여 수치적 최적화를 위한 시작값을 발생시키는 방법에 관한 것이다. 이들 시작값들은 최종 결과물에 매우 가까워야 하며, 그에 따라 양호하고 빠른 변환 성능을 초래하는 수치적 최적화를 초래한다.
본 발명의 다른 실시예들은 포커싱 구역들을 발생시키는 모델-기반 방법들에 기초한다. 카메라 및 이미지 분석기는 사람의 머리 또는 사람 귀의 위치 또는 방위를 가시적으로 검출하는데 사용될 수 있다. 그러므로, 이 시스템은 가시적 머리/얼굴 추적을 수행하고, 빔 포밍 또는 파동장 합성 포커싱 알고리즘과 같은 모델-기반 포커싱 알고리즘을 제어하기 위해 이 가시적 머리/얼굴 추적의 결과를 이용한다.
본 발명에 따라 필터 특징들을 발생시키는 개선된 컨셉이 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 이하 설명된다.
도 1은 일 실시예에 따른 필터 특징을 발생시키는 장치를 나타내며;
도 2는 일 실시예에 따른 비주얼 머리/얼굴 추적 시스템과 연결된 라우드스피커 설비를 나타내고;
도 3a-3f는 측정된 임펄스 응답, 시간-반전된/미러링된 임펄스 응답 및 몇 개의 변경된 반전된 임펄스 응답들을 도시한다.
도 4a는 사운드 재생 구역 내의 하나 이상의 사운드 포커싱 위치를 갖는 구현의 도식적 표현을 나타내며;
도 4b는 수치적 최적화를 위한 시작 값들을 발생시키는 프로세스의 개략적인 도면을 나타내며;
도 5a는 도 2의 실시예를 위한 필터 특징 발생기의 바람직한 구현을 나타내며;
도 5b는 도 2의 필터 특징 발생기의 다른 구현을 나타내며;
도 6은 임펄스 응답 변경이 기반할 수 있는 인간 청취 시스템의 마스킹 특성을 나타내며;
도 7a는 도 2의 실시예를 위한 파동장 합성에 관련된 호이겐스의 원리(huygen's principle)를 나타내며;
도 7b는 도 2의 실시예에 대해 포커스 소스(좌측)의 이론 및 21/2-D 포커싱 오퍼레이터(우측)의 파생을 도시하며;
도 7c는 도 2의 실시예에 대해 스피커 어레이의 후위에(좌측) 위치된 가상 소스 및 스피커 어레이의 정면(우측)에 위치된 가상 소스를 위한 재생 사운드들을 도시하며;
도 8a는 레코딩 태스크(좌측) 및 재생 태스크(우측)를 포함하는 시간-반전된 미러링(TRM) 프로세스를 나타내며;
도 8b는 시간-반전된/미러링된 임펄스 응답들을 획득하는데 유용한 계산들을 나타내며;
도 9는 TRM 프로세스와 같은 측정-기반 프로세스들로부터 시작 값들을 수신하도록 구성된, 청취 룸에서 사운드 전파의 수치적 모델을 도시하며;
도 10은 도 9의 실시예에서 유용한 1차 함수 및 2차 함수로 구성된 전자-음향 전달 함수들을 나타낸다.
도 1은 사운드 재생 구역에 대해 규정된 위치들에서 적어도 3개의 라우드스피커들에 접속가능한 필터들을 위한 필터 특징을 발생시키는 장치를 도시한다. 바람직하게, 10개 이상의 또는 심지어 15개 이상의 라우드스피커들과 같은 많은 라우드스피커들이 사용된다. 장치는 상기 라우드스피커들에 관련된 임펄스 응답들을 시간-반전하는 임펄스 응답 반전기(10)를 포함한다. 라우스스피커들과 관련된 이들 임펄스 응답들은 임펄스 응답 발생기(12)에 의해 수행된 측정-기반 프로세스에서 발생될 수 있다. 임펄스 응답 발생기(12)는 측정 태스크 동안 TRM 측정을 수행할 때 일반적으로 사용되는 바와 같은 임펄스 응답 발생기일 수 있다.
임펄스 응답 반전기(10)는 시간-반전된 임펄스 응답들을 출력하도록 구성되는데, 여기에서 각 임펄스 응답은, 사운드 재생 구역 내의 사운드-포커싱 위치로부터 임펄스 응답과 관련된 라우드스피커까지의 사운드 전송 채널 또는 상기 위치로부터 스피커까지의 반전 채널을 기술한다.
도 1에 도시된 장치는 라인(14a)에 의해 도시된 시간-반전된 임펄스 응답들을 변경하거나 라인(14b)에 의해 도시된 반전 이전의 임펄스 응답을 변경하는 임펄스 응답 변경기(14)를 더 포함한다.
일 실시예에서, 임펄스 응답 변경기(14)는 시간-반전된 임펄스 응답들을 변경하여, 시간-반전된 임펄스 응답의 최대값 이전에 발생한 임펄스 응답 부분들이 필터들에 대한 필터 특징들을 획득하도록 진폭에서 감소되도록 한다. 변경되고 반전된 임펄스 응답들은 라인 16에 의해 도시된 프로그래머블 필터들을 직접 제어하는데 사용될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 이들 변경되고 반전된 임펄스 응답들은 이들 임펄스 응답들을 처리하는 프로세서(18)로 입력될 수 있다. 처리 방식들은 서로 다른 포커싱 구역들에 대한 응답들의 결합, 더 넓은 포커싱 구역들을 획득하는 랜덤 변경, 또는 변경되고 반전된 임펄스 응답들을 시작값 등으로서 수치적 최적화기(numeric optimizer)로의 입력을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 상기 장치는 임펄스 응답 발생기(12) 출력 또는 임펄스 응답 반전기(10) 출력에 연결되거나, 라우드스피커들에 의해 발산된 사운드를 분석하는 임의의 다른 사운드 분석 스테이지에 연결되는 아티펙트 검출기(19)를 포함한다. 아티펙트 검출기(19)는 임펄스 응답 또는 시간-반전된 임펄스 응답의 어떤 부분이 필터들에 연결된 라우드스피커들에 의해 발산된 사운드 필드에서 아티펙트에 대해 응답 가능한 지를 알아내기 위해 입력 데이터를 분석하도록 동작하는데, 상기 필터들은 시간-반전된 임펄스 응답들 또는 변경된 시간-반전된 임펄스 응답들을 사용하여 프로그래밍된다. 따라서, 아티펙트 검출기(19)는 변경자 제어 신호 라인(11)을 통해 임펄스 응답 변경자(14)에 연결된다.
도 2는 사운드 재생 구역 내에 하나 이상의 사운드 포커싱 위치들을 갖는 사우드 필드를 발생시키는 사운드 재생 시스템을 도시한다. 사운드 재생 시스템은 필터링된 오디오 신호를 수신하는 복수개의 라우드스피커들 LS1, LS2,..., LSN를 포함한다. 라우드스피커들은 도 2에 도시된 바와 같이, 사운드 재생 구역에 대해 특정된 공간적으로 서로 다른 위치들에 위치된다. 복수개의 라우드스피커들은 선형 어레이(linear array), 원형 어레이 또는 더 바람직하게는 라우드스피커들의 열과 행으로 이루어진 2차원 어레이와 같은 라우드스피커 어레이를 포함한다. 어레이는 필수적으로 직사각형 어레이일 필요는 없지만, 어떤 평편한 또는 만곡형 면에 적어도 3개의 라우드스피커들의 어떤 2차원 배열도 포함할 수 있다. 3개 이상의 라우드스피커들은 2차원 배열에 사용될 수 있지만, 3차원 배열에 사용될 수도 있다.
사운드 재생 시스템은 복수개의 프로그래머블 필터들(20a-20e)을 포함하며, 각 필터는 관련 라우드스피커에 연결되며, 각 필터는 라인(21)을 통해 제공된 시간-변화하는 필터 특징으로 프로그램가능하다. 시스템은 라우드스피커들에 관련되어 규정된 위치에 위치된 적어도 하나의 카메라(22)를 포함한다. 카메라는 사운드 재생 구역에서 머리의 이미지를 발생시키거나, 서로 다른 시간 순간들에서 사운드 재생 구역에서 머리의 일부분의 이미지를 발생시킨다. 이미지 분석기(23)는 카메라에 연결되어 각 시간 순간에서 머리의 위치 또는 방위을 결정하도록 이미지를 분석한다.
시스템은 이미지 분석기(23)에 의해 결정된 머리의 위치 또는 방위에 응답하여 프로그래머블 필터들을 위한 시간-변화하는 필터 특징들(21)을 발생시키는 필터 특징 발생기(24)를 또한 포함한다. 일 실시예에서, 필터 특징 발생기(24)는 시간 상에서의 사운드 포커싱 위치가 시간에 따른 머리의 위치 또는 방위의 변화에 따라 변화하도록 필터 특징들을 발생시키도록 구성된다.
필터 특징 발생기(24)는 도 1과 관련하여 설명된 바와 같이 구현될 수 있으며, 또는 다르게는 도 5a 또는 5b와 관련하여 설명되는 바와 같이 구현될 수 있다.
도 2에 도시된 오디오 재생 시스템은 CD, DVD 플레이어와 같은 임의의 오디오 스스 또는 MP3나 MP4 디코더와 같은 오디오 디코더 등이 될 수 있는 오디오 소스(25)를 또한 포함한다. 오디오 소스(25)는 동일한 오디오 신호는 특정된 라우드스피커들(LS1-LSN)와 관련된 몇 개의 필터들(20a-20e)에 공급하도록 구성된다. 오디오 소스(25)는 동일한 사운드 재생 구역에 관련하여 배치될 수 있는, 도 2에 도시되지 않은 다른 복수개의 라우더스피커들에 연결된 다른 오디오 신호들을 위한 추가적인 출력들을 포함할 수 있다.
도 3a는 예컨대, TRM 시나리오에서 전송 채널들을 측정함으로써 획득될 수 있는 예시적인 임펄스 응답을 도시한다. 당연히, 실제 임펄스 응답은 도 3a에 도시된 바와 같은 이러한 샤프한 에지들 또는 직선형 라인들을 가지지 않는다. 그러므로, 실제 임펄스 응답은 덜 명확한 윤곽을 가질 수 있지만, 최대값 부분(30a), -이상적인 경우- 무한 증가를 갖는 통상적으로 급격히 증가하는 부분(30b), 감소하는 부분(30c) 및 확산 잔향 부분(30d)을 통상적으로 갖는다. 통상적으로, 임펄스 응답은 한계가 있으며, T와 동일한 전체 길이를 갖는다.
도 3b는 시간-반전된/미러링된 임펄스 응답을 나타낸다. 서로 다른 부분들은 도 3b에 도시된 바와 같이, 동일한 순서를 유지하지만, 반전되어 있다. 이제, 최대값 부분이 도 3a에서 최대값 부분 tm의 시작보다 큰 시간 tm에서 시작하는 것이 명백해진다. 시간 상에서, 시간 tm의 나중 지점으로의 쉬프트는 프리-에코 아티펙트를 생성하는데 응답 가능하다. 특히, 프리-에코 아티펙트는 도 3b에서 시간-반전된 임펄스 응답 부분들(30c, 30d)에 의해 나타나는 사운드 재생 구역에서의 사운드 반사에 의해 발생된다. 도 3b에 추가적으로 도시된 바와 같이, 시간-반전된 임펄스 응답은 도 3a 임펄스 응답을 도 3b에서 인수(argument) h에서의 "-p"에 의해 나타나는 종좌표축에 대해 미러링함으로써 발생될 수 있다. 이후, 미러링된 임펄스 응답은 도 3b에서 인수 h에서의 "2T"에 의해 도시된 2T만큼 우측으로 쉬프트된다.
이어서, 임펄스 응답 또는 시간-반전된 임펄스 응답의 바람직한 변경이 도 3c-3f을 참조하여 설명된다. 임펄스 응답의 변경은 도 1의 14a 또는 14b에 의해 도시된 바와 같이 반전 이전에 또는 이후에 발생한다.
도 3c에서, 확산 부분(30d)은 검출되어 0으로 설정된다. 이 검출은 도 3c에 도시된 바와 같이, 어떤 임계 진폭 a1 아래의 진폭을 갖는 임펄스 응답 부분을 구함으로써 도 1의 아티펙트 검출기(19)에서 수행될 수 있다. 바람직하게, 이 진폭 a1은 임펄스 응답의 최대값 진폭 am의 50% 보다 작으며, 임펄스 응답의 최대값 진폭 am의 10% 와 50% 사이에 있다. 이는 귀찮은 프리-에코들에 대해 기여하는 것으로 밝혀졌지만, 또한 시간-반전된 미러링 효과에 상당히 기여하지 않는 것으로 밝혀진 확산 반사들을 제거한다. 이 실시예에서, 임펄스 응답 변경기(14)는 시간-반전된 임펄스 응답 또는 임펄스 응답의 한 부분, 즉 시간-반전된 임펄스 응답의 시작으로부터 시간-역전된 임펄스 응답의 진폭(a1)이 발생하는 위치까지 연장하는 부분 즉, 시간-반전된 임펄스 응답의 최대값 진폭(am)의 10% 내지 50% 사이에 있는 부분을 제로로 설정하도록 동작한다.
바람직하게, 임펄스 응답 변경기(14)는 최대값(am)의 시간(tn)까지 시간 상에서 후속하는 시간-반전된 임펄스 응답의 변경을 초래하는 변경을 수행하지 않도록 동작하는데, 변경되지 않아야 하는 부분들(30a, 30b)은 50 내지 100 ms 사이의 값을 갖는 시간 길이를 갖는다.
도 3d는 추가 변경을 도시하는데, 여기에서 선택적으로 또는 부분(30d)의 변경에 추가하여, 부분(30c)가 또한 변경된다. 이 변경은 도 6에 도시된 심리음향적 마스킹 특성에 의해 영향을 받는다. 이 마스킹 특성 및 관련 효과들은 "Fastl, Zwicker," Psychoacoustics, Facts and Models, Springer, 2007, pages 78-84에 설명되어 있다. 도 6이 도 3d와 비교되면, 임펄스 응답의 부분(30b)이 도 6에 "포스트-마스킹" 커브의 어떤 정도까지 숨겨지기 때문에 지각가능한 포스트-에코들을 제거하거나 최소한 감소할 만큼 충분히 길다는 것이 명백하다. 그러나, 긴 부분들(30c, 30d)은 이 프리-마스킹 효과의 시간 확장이 약 25 밀리초이기 때문에 도 6에서 프리-마스킹 커브 하에 숨겨지지 않는다. 도 6의 상황과 본 발명의 어플리케이션 사이의 차이는 도 6에서 마스커(masker)는 200 ms 노이즈 신호이고 반향음이 200 ms 보다 짧다는 점이다. 그럼에도 불구하고, 불연속적 반향음들을 식별하고, 반향음에 후속하는 영역들보다 더 짧은 시간 상수를 갖는 반향음 이전의 영역을 감쇠하는 것이 지각가능한 장점을 가져오는데, 여기에서 감쇠를 위해 비교적 긴 시간 상수가 사용된다. 이 절차는 마스킹 특성이 각 불연속적 반향음에 대해 적용되도록 각 개별 반향음에 대해 반복된다.
그러므로, 부분(30c)이 변경되도록 한 시간-반전된 임펄스 응답의 변경이 비용납적 방식으로 사운드 포커싱 효과에 부정적으로 영향을 미치는 일 없이 귀찮은 프리-에코들의 상당한 감소를 초래함이 밝혀졌다. 바람직하게, 도 3d에 도시된 바와 같은 감소(decaying) 지수 함수와 같은 단조롭게 감소하는 함수가 사용된다. 바람직하게, 이 함수의 특성은 프리-마스킹 함수에 의해 결정된다. 실시예들에서, 변경은 시간 tm 이전 25 밀리초에서, 부분(30c)이 마스킹 커브와 같이 제로에 근접하지 않도록 이루어진다. 그러나, 변경이 최대값 시간 tm 이전 25 밀리초의 시간에서, 시간-반전된 임펄스 응답이 최대값 진폭 am의 50% 아래 또는 심지어 10% 아래에 있는 진폭 a2을 갖는 진폭 값을 갖도록 변경이 수행되면, 포커싱을 유지하면서 프리-에코들의 감소가 달성된다.
도 3e는 선택된 반향음이 어떤 정도만큼 감쇠되는 상황을 도시한다. 진폭 응답에서 선택된 반향음의 시간 좌표 ts는 "다른 분석" 처럼 도 1에서 지시된 분석을통해 식별될 수 있다. 이 다른 분석은 예컨대, 감쇠된 선택된 반향음들 없이 필터들에 의해 발생된 사운드 필드의 분해에 기반할 수 있는 경험적 분석일 수 있다. 다른 선택들은 선택된 반향음들의 경험적 감쇠들의 세팅 및 이러한 절차가 더 적은 프리-에코를 초래하거나 초래하지 않는 지의 후속 분석이다.
다른 변경들이 심지어 선택된 반향음들을 증가시킨다. 어떤 반향음들이 증폭되는 지의 분석 및 임펄스 응답에서의 대응하는 시간 좌표는 도 3e와 관련하여 설명된 바와 유사한 방식으로 검출될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, 시간 임펄스 응답들은 프리-에코들을 최소화하기 위해 변경되거나 윈도우잉되어, 더 나은 신호 품질이 획득된다. 그러나, 시간적으로 다이렉트 신호 이전에 임펄스 응답(필터에서)에서 인코딩된 정보, 즉 최대값 부분은 포커싱 성능에 대해 책임이 있다. 그러므로, 이 부분은 완전히 제거되지 않는다. 대신, 임펄스 응답 또는 시간-반전된 임펄스 응답의 변경은 시간-반전된 임펄스 응답의 한 부분만이 제로로 감쇠되는 반면, 다른 부분들은 전혀 감쇠되지 않거나 제로 값 이상이 되도록 어떤 퍼센티지만큼 감쇠되는 방식으로 발생한다. 최대값 이전의 전체 부분이 감쇠되지만, 이 전체 부분보다 작은 부분이 제로로 설정되거나 어떠한 부분도 전혀 제로로 설정되지 않는 방식으로만 감쇠되며, 감쇠 이전의 값에 대해 적어도 10%만큼 감쇠되도록 다른 변경들이 이루어진다.
바람직하게, 관련된 반향음들은 임펄스 응답에서 검출된다. 이들 검출된 임펄스 응답들은 신호 품질을 상당히 감소시키는 일 없이 임펄스 응답에서 유지될 수 있다. 따라서, 아티펙트 검출기(19)는 아티펙트들에 대해 반드시 검출기가 될 필요는 없지만, 유용한 검출을 위한 검출기가 될 수 있으며, 이는 유용하지 않은 반향음들이 비관련 반향음에 관련된 임펄스 응답의 진폭을 감쇠시킴으로써 감쇠되거나 제거될 수 있는 아티펙트 발생 반향음들인 것으로 고려됨을 의미한다.
따라서, 다이렉트 신호 이전에 즉, 시간 tm 이전에 방사된 에너지는 감소되어, 신호 품질의 개선을 초래한다.
도 4a는 예컨대, 도 2에서 도시된 복수개의 사운드 포커싱 위치들을 발생시키는 프로세스의 바람직한 구현을 도시한다. 단계 40에서, 제1 및 제2 그리고, 아마도 더 많은 사운드 포커싱 위치들을 위한 스피커들에 대한 임펄스 응답들이 제공된다. 예컨대, 20개의 라우드스피커들이 존재하면, 하나의 포커싱 구역에 대해 20개의 필터 특징들이 제공된다. 그러므로, 2개의 사운드 포커싱 구역들 및 20개의 라우드스피커들이 존재하면, 단계 40은 40개의 필터 특징들의 발생/제공을 유발한다. 이들 필터 특징들은 바람직하게 필터 임펄스 응답들이다. 단계 41에서, 모든 이들 40개의 임펄스 응답들은 시간-반전된다. 단계 42에서, 각 시간-반전된 임펄스 응답이 도 1 및 도 3a-3f와 관련하여 설명된 절차들 중 임의의 하나에 의해 변경된다. 그런 다음, 단계 43에서, 변경된 임펄스 응답들은 결합된다. 특히, 하나의 동일한 라우드스피커와 관련된 변경된 임펄스 응답들은 시간 임펄스 응답들이 시간-이산 형태로 주어지면, 어떤 샘플 방식에 의해 샘플에서 결합되며, 바람직하게 합산된다. 2개의 사운드 포커싱 구역들 및 20개의 스피커들의 실시예에서, 2개의 변경된 임펄스 응답들은 하나의 라우드스피커를 위해 가산된다.
다른 실시예에서, 단계 42는 단계 41 이전에 수행될 수 있다.
또한, 비변경된 임펄스 응답들은 함께 가산될 수 있으며, 이어서 각 스피커에 대해 결합된 임펄스 응답의 변경이 수행될 수 있다.
따라서, 몇 개의 포커스 지점들이 동시에 발생되어, 포커스 지점들의 거리 및 수량이 사운드 포커싱 구역들의 의도된 커버리지에 의해 결정된다. 포커스 지점들중 최상 지점은 더 넓은 포커스 구역을 초래한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 단일 포커스 구역에 대해 획득된 임펄스 응답들은 포커싱 효과를 감소시키기 위해, 시간 상에서 변경되거나 손상된다. 이는 더 넓은 포커스 구역을 초래한다. 바람직한 실시예에서, 임펄스 응답들은 변경 이전에 대응하는 상태(attitude)의 10 퍼센트 이하의 진폭량 또는 시간량 만큼 변경된다. 바람직하게, 시간 상에서의 변경은 1 퍼센트와 같은 시간 값의 10 퍼센트보다 더 작을 수 있다. 바람직하게, 시간 및 진폭에서의 변경은 랜덤하게 또는 의사-랜덤하게 제어되거나, 예컨대, 경험적으로 발생될 수 있는 완전 결정 패턴에 의해 제어된다.
이 절차에 따라 작은 포커스 지점 주위에 사운드 압력의 공간적으로 규정되고 제한된 증가가 나타나며, 이에 따라 지점형 포커싱 구역이 획득될 뿐 아니라 사람의 머리를 커버하는 영역과 같은 더 큰 영역을 갖는 사운드 포커싱이 획득된다. 사운드 에너지 집중은 물론 급격히 감소하지 않는다. 그러므로, 사운드 포커싱 위이의 경계는 사운드 포커싱 위치에서 최대 사운드 에너지에 비해 50 퍼센트만큼 사운드 에너지의 감소와 같은 어떤 측정에 의해 규정될 수 있다. 다른 측정들이 사운드-포커싱 구역의 경계를 규정하기 위해 또한 적용될 수 있다.
도 4b는 예컨대, 도 1의 프로세서(18)에 구현될 수 있는 다른 바람직한 실시예를 나타낸다. 단계 44에서, 수치적 최적화를 위한 최적화 목표가 규정된다. 이들 최적화 목표들은 바람직하게 포커싱 구역들에서 어떤 공간적 위치들에서의 사운드 에너지 값들이며, 또한 다르게 또는 추가적으로 특정 지점들에 위치되어야 하는 상당히 감소된 사운드 에너지를 갖는 위치들에서의 사운드 에너지 값들이다. 단계 45에서, 단계 44에서 결정된 이러한 최적화 목적에 관련된 필터들에 대한 필터 특징들은 전술한 TRM-방법와 같은 측정-기반 방법을 이용하여 제공된다. 단계 46에서 수치적 최적화는 측정-기반 필터 특징들을 시작 값들로서 사용하여 수행된다. 단계 47에서, 최적화 결과 즉, 단계 46에서 결정된 필터 특징들은 사운드 재생 동안 오디오 신호 필터링을 위해 적용된다. 이 절차는 수치적 최적화 알고리즘의 개선된 수렴 성능을 유발하여 더 작은 계산 시간 및 그에 따라 수치적 최적화 알고리즘의 더 좋은 사용 성능이 획득된다. 특정 어플리케이션은 측정 방법에 기반한 필터 특징들의 제공이 계산 시간량 및 그에 따른 계산 자원을 상당히 감소시키는 효과에 대한 이동 장치들을 위한 것이다. 이 절차는 추가적으로 이용가능한 라우드스피커 설비(setup)에 의해 규정된 어떤 주파수 범위에 대한 사운드 압력의 규정된 증가를 초래한다.
도 5a는 도 2의 필터 특징 발생기(24)의 모델-기반 구현을 도시한다. 구체적으로, 필터 특징 발생기(24)는 파라미터화된 모델-기반 필터 발생기 엔진(50)을 포함한다. 발생기 엔진(50)은 입력으로서, 이미지 분석기(23)에 의해 계산된 위치 또는 방위 파라미터와 같은 파라미터를 수신한다. 이 파라미터에 기초하여, 필터 발생기 엔진(50)은 파동장 합성 알고리즘, 빔 포밍 알고리즘 또는 방정식들의 닫힌계(closed system)와 같은 모델 알고리즘을 사용하여 필터 임펄스 응답들을 발생시키고 계산한다. 필터 발생기 엔진의 출력은 재생을 위해 직접 적용될 수 있거나, 선태적으로 수치적 최적화 엔진(52)으로 시작 값들로서 입력된다. 다시 말해, 시작 값들은 매우 유용한 솔루션들을 나타내며, 그에 따라 수치적 최적화는 높은 수렴 성능을 갖는다.
도 5b는 다른 실시예를 도시하는데, 여기에서 도 5a의 파라미터화된 모델-기반 필터 발생기 엔진(50)은 룩업 테이블(54)에 의해 대체된다. 룩업 테이블(54)은 입력 인터페이스(55a) 및 출력 인터페이스(55b)를 갖는 데이터베이스로서 만들어질 수 있다. 데이터베이스의 출력은 보간기(56)를 통해 포스트-처리될 수 있거나 필터 특징으로서 직접 사용될 수 있거나, 도 5a의 아이템 52와 관련하여 설명된 수치적 최적화기로의 입력으로서 사용될 수 있다. 룩업 테이블(54)은 각 라우드스피커를 위한 필터 특징들이 어떤 위치/방위에 관련하여 저장된다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이 어떤 광 검출된 머리 또는 귀의 위치 또는 방위는 인터페이스(55a)로 입력된다. 그런 다음, 데이터베이스 프로세서(도 5b에서 도시 생략)는 이 위치/방위에 대응하는 필터 특징들을 찾는다. 발견된 필터 특징들은 출력 인터페이스(55b)를 통해 출력된다. 위치/방위는 데이터베이스에 저장된 2개의 위치/방위 값들 사이의 값을 가지면, 이들 필터 특징들의 2개의 세트들은 출력 인터페이스를 통해 출력될 수 있으며, 보간기(56)에서의 보간을 위해 사용될 수 있다.
파동장 합성 방법은 도 7a 내지 7c와 관련하여 상세히 설명되는 바와 같이, 도 2의 필터 특징 발생기(24)에 바람직하게 적용된다.
홀로그래픽 접근방법을 음향학에 적용함으로써, 파동장 합성(WFS)이라고 하는 새로운 사운드 재생 방법이 1980년대 후반에 소개되었다. 홀로포닉 오디오 시스템들은 광범위한 청취 영역 상에서 원래의 사운드 파면의 재생을 목적으로 하기 때문에, WFS는 전체 청취 영역에서 원래의 파동장에 대해 그 고유의 시간 및 공간 속성들로 정확한 재생을 가능하게 하여, 정교한 청취 경험을 제공한다.
WFS에 대한 기본적인 물리적 이론은 호이겐 이론(도 7a-좌측)이다. 파의 만곡 부분 상의 모든 지점은 다른 파면의 기원(origin)으로 볼 수 있다. 이들 2차 파면들의 중첩(superposition)은 원래의(1차) 소스의 파동장을 재생한다.
근접하게 간격진 라우드스피커들의 어레이들은 목적한 (또는 1차) 사운드 필드의 재생을 위해 사용된다. 각 라우드스피커를 위한 오디오 신호는 1차 및 2차 소스들의 위치에 따라, 잘 밸런스된 이득들 및 시간 지연들 즉, WFS 파라미터들에 의해 개별적으로 조정된다. 이들 파라미터들의 계산을 위해 오퍼레이터가 개발되었다. 소위 21/2D-오퍼레이터(Eq.)가 2차원 라우드스피커 설비에 이용가능하며, 이는 모든 라우드스피커들이 청취 영역을 규정하는 플레인에 위치됨을 의미한다(도 7a-우측).
파동 방정식의 시간-불변 특성들로 인해, 청취 영역(도 7b에서 Eq.) 내에 위치된 오디오 이벤트의 합성을 달성하는 오퍼레이터를 개발할 수 있다. 라우드스피커 어레이는 현재 공간에서 하나의 단일 지점 즉, 소위 포커스 지점에 수렴하는 오목 파(concave wave)를 발산한다. 이 지점을 지나서, 파면의 만곡 부분은 볼록하고 갈라지는데, 이는 "자연적인" 지점 소스에 대한 경우이다. 이 사실로, 소위 포커싱된 소스는 포커스 지점의 정면에서 청취자에 대해 정확하게 지각 가능하다(도 7c).
포커싱된 소스(도 7b 참조)에 대한 21/2D-오퍼레이터의 공식을 보면 다음 2가지 주요 차이점을 지적한다.
· 위상 쉬프트를 초래하는 주파수 의존 부분의 변경
· 볼록 파면 전파에 대응하는 지수에서의 변화
이어서, TRM 기술(시간-반전된 미러링 기술)은 도 8a 및 8b를 참조하여 더 상세히 설명된다.
시간-반전된 음향은 음향학에서 전파 시간을 반전하는 것에 기초한 매우 다양한 경험 및 어플리케이션을 위한 일반적인 명칭이다. 프로세스는 신장 결석을 파괴하거나, 재료에서의 결함을 검출하거나 잠수함의 수중 통신을 향상시키기 위해 시간-반전 미러들을 위해 사용될 수 있다.
시간-반전된 음향학은 오디오 범위에 적용될 수 있다. 이 이론에 적합하게, 포커싱된 오디오 이벤트들은 반향적 환경에서 달성될 수 있다.
소스 프리 볼륨(source free volume)으로 공기중으로의 사운드의 전파는 특징 파동 방정식에 의해 주어진다.
임의의 물리적인 프로세스의 시간 반전은 2개의 가정을 가정한다. 무엇보다도, 물리적 프로세스는 예컨대, 선형 음향을 위한 케이스인 시간 반전에 대해 불변이어야 한다. 두번째 전제조건으로서, 프로세스의 경계 조건들을 신중히 고려해야 한다. 흡수(absorption)는 시간 반전된 재구성 프로세스를 방해하는 정보에 대한 부재를 이끌 수 있다. 이 조건은 실제 구현들에 대해 커버하기 어렵고 어떤 간략화(simplifications)에 대한 필요성을 유발한다. 추가적으로 흡수는 시간 반전된 재구성 프로세서에 영향을 미치는 정보의 부재를 가져온다.
도 8a에서 시간 반전 프로세스의 설명이 나타나 있다. 트랜스듀서(transducer)와 소스 사이에는 이종(heterogeneous) 매체가 또한 존재할 수 있다. 프로세느는 2가지 서브태스크로 나누어질 수 있다.
레코딩 태스크: 원하는 포커스 지점에 위치된 소스는 사운드를 발산한다. 음향 파면은 소스를 향해 전파한다. 이 파면은 볼륨 경계에서 레코딩되어야 한다.
재생 태스크: 이 단계에서, 레코딩된 오디오 신호는 거꾸로(backwards) 전송되는데, 이는 신호의 시간 반전된 버전이 볼륨 경계로부터 발산됨을 의미한다. 형성된 파면은 최초 소스를 향한 방향으로 전파되고 원래의 소스 위치에서 재포커싱되어 포커싱된 사운드 이벤트를 생성한다.
도 8b의 방정식들을 사용하여, 시간 반전 미러의 구현이 설명될 수 있다. 실제로, 포커싱 지점과 라우스스피커들 사이의 전자 음향 전달 함수(EATF) hi(t)가 결정되어야 한다. 재생 단계 동안, 시간 반전된 EATF의 hi(-t)가 임의의 원하는 입력 신호 x(t)와의 컨볼루션(convolution)에 적합한 필터들로서 사용된다. 컨볼루션은 이하에서
Figure pct00001
에 의해 지시된다.
재생 단계(Eq. 도 8b에서)의 결과 ri(t)는 전달 함수 hi(t)의 공간 자기상관 hac,I(t)으로서 해석될 수 있다.
이어서, 수치적 최적화/최적화된 제어 기술은 도 9 및 10을 참조하여 설명된다.
파동 방정식의 수치적 해에 기초하여, 예컨대, 통상적인 청취 룸에서의 사운드 전파는 일련의 트랜스듀서들과 수신기들(도 9) 사이에서 음향 조건을 기술하는, 다차원 선형 방정식 시스템을 이용하여 모델링될 수 있다. 원하는 사운드 필드 재생을 획득하는 일반적인 접근방법은 적절한 보상 필터들을 이용하여 라우드스피커 구동 신호들을 프리-필터링하는 것이다.
출력 신호 y[k]는 필터 매트릭스 W로 입력 신호 x[k]를 컨볼루션한 결과이다. 최적화 프로세스 중에, 에러 출력 e[k]는 실제 음향 조건들을 보상하기 위해 W의 적응(adaption)을 위해 사용된다.
이러한 "다중 입력 다중 출력" 시스템(MIMO)은 적응 제어 기술로부터 이용가능하며, 가상 음향에 대한 어플리케이션을 위해 적합하다. 역 필터의 문제의 최적화는 잘 공지된 몇 개의 접근방법를 사용함으로써 달성될 수 있다.
주어진 문제에 대해, "다중 입력-출력 역 이론(Multiple Input-Output Inverse Theory)"(MINT)은 이 시점에서는 바람직하지 않다. 메트릭스 W의 크기는 라우드스피커들의 개수 및 필터들의 길이에 의해 규정되며, 그에 따라 1단 역(one-step inversion)을 위한 메인 메모리와 프로세서 파워의 문제를 양산한다.
반복적 반전 프로세스는 W의 반전을 해결하는데 사용되기 때문에, "다중 에러 최소 평균 자승(Multiple Error Least Mean Square)" 방법(ME-LMS)을 사용하여 이 문제를 정정한다. 순수 LMS 최적화의 수렴을 강제하는 것은 덜 중요한 지점들에서 알고리즘의 정확도를 감소하기 위해 공간적 가중 인자를 명백하게 유입하는데 유용할 수 있다. 그런 다음, 에러-함수 e[k]는 변경된다.
전송 경로(도 9)는 각 라우드스피커(2차 소스)와 마이크로폰(2차 EATF) 사이의 EATF에 의해 특징지워진다. 1차 EATF's는 포커스 지점(1차 소스)과 마이크로폰들 사이의 원하는 사운드 전파를 기술한다. 청취자 위치에서의 포커스 지점의 경우, 1차 EATF는 거리-법칙(도 10)에 관하여 용이하게 계산될 수 있다.
측정에 의해, 완전한 전자 음향 전달 함수(2차 EATF)는 라우드스피커 특징을 포함하는, 전송 경로 C에 대한 기술(description)을 전달한다. 추가적으로, 타겟 함수(1차 EATF)는 원하는 사운드 필드 재구성을 규정하도록 설계될 수 있다.
이어서, 임펄스 응답 변경을 위한 다른 실시예가 설명된다. 도 3a 내지 3f에 도시되지 않은 하나의 다른 실시예는 임펄스 응답으로부터 노이즈를 추출하기 위해 임펄스 응답을 필터링하는 것이다. 이 필터링은 임펄스 응답에서 실제 피크들만이유지되고, 피크들 사이의 또는 피크들 이전의 부분들은 제로로 설정되거나 높은 정도로 감쇠되도록 임펄스 응답을 변경하도록 구현된다. 따라서, 임펄스 응답들의 변경은 필터링 동작이며, 여기에서 로컬 최대값들 사이에 있지만 임펄스 응답의 로컬 최대값 그 자체는 아닌 부분들이 감쇠되거나 심지어 제거되는데 즉, 0으로 감쇠된다.
임펄스 응답의 다른 변형들이 마이크로폰 어레이 측정들의 사용에 기초한 TRM 방법들을 초래한다. 이 실시예에서, 마이크로폰 어레이는 원하는 사운드 포커스 지점 주위에 배열된다. 그런 후, 마이크로폰 어레이에서 각 마이크로폰을 위해 계산된 임펄스 응답들에 기초하여, 마이크로폰 어레이에 의해 규정된 영역 내의 어떤 포커스 지점들을 위한 원하는 임펄스 응답들이 계산된다. 특히, 마이크로폰 어레이 임펄스 응답들은 마이크로폰 어레이 내의 특정 포커스 지점에 대한 정보 및 제거되어야 하는 어떤 공간적 방향들에 대한 정보를 수신하도록 구성된 계산 알고리즘으로 입력된다. 그런 다음, 도 2에 도시된 바와 같이 카메라 시스템으로부터 올 수 있는 정보에 기초하여, 실제 임펄스 응답들 또는 실제 시간-반전된 임펄스 응답들이 계산된다.
도 1이 고려되면, 마이크로폰 어레이에서 각 마이크로폰에 대해 발생된 임펄스 응답들은 입력 응답 발생기(12)의 출력에 대응한다. 임펄스 응답 변경기(14)는 입력으로서 어떤 위치 및/또는 공간적 방향의 어떤 선호/비선호를 수신하는 알고리즘에 의해 대표되며, 마이크로폰 어레이 실시예에서 임펄스 응답 변경기의 출력은 임펄스 응답들 또는 반전된 임펄스 응답들을 갖는다.
도 2의 다른 실시예들 즉, 머리/얼굴 추적 실시예는 적어도 하나의 카메라를 이용하여 사운드 재생 구역 내의 청취자의 위치 및 방위를 결정하도록 동작한다. 청취자의 위치 및 방위에 기초하여, 빔포밍 및 파동장 합성과 같은 사운드 포커싱 위치를 발생시키는 모델-기반 방법들이, 적어도 하나의 포커스 구역이 검출된 청취자 위치에 관련하여 변경되도록, 파라미터적으로 제어된다. 포커스 구역의 방위는 적어도 하나의 청취자가 단일-채널 신호를 단일 구역에서 수신하거나 몇 개의 구역에서 멀티-채널 신호를 수신하도록 지향될 수 있다. 특히, 몇 개의 카메라들의 사용이 유용하다.
특히, 얼굴 인식을 위한 방법과 관련된 스테레오 카메라 시스템이 바람직하다. 이미지 프로세싱을 위한 이러한 방법들은 픽처 상의 얼굴의 인식에 기초하여 도 2의 이미지 분석기(23)에 의해 수행된다. 픽처의 분석에 기초하여, 룸에서 얼굴의 위치측정(localization)이 수행된다. 얼굴의 형상에 기초하여, 얼굴/사람의 관점에서 방위 또는 사람의 귀의 위치 및 방향의 검출이 가능하다.
이들 픽처 성능은 단일 목적성 카메라 시스템을 사용하여 획득될 수 있다. 그러나, 다수의 카메라들을 갖는 카메라 시스템은 얼굴 추적을 위해 사용될 때, 청취자의 얼굴 또는 머리나 귀의 위치 및 방위의 더 정확한 결정이 분석될 추가적인 다량의 데이터에 기초하여 수행된다. 사람 시각적 시스템과 유사하게 동작하는 스테레오 카메라 시스템을 사용하면, 몇 개의 이미지들이 비교될 수 있으며, 깊이/거리 정보의 결정을 위해 사용될 수 있다. 그러므로, 이미지 분석기(23)는 바람직하게 카메라 시스템(22)에 의해 제공된 픽처에서 얼굴 검출을 수행하고, 얼굴 검출의 결과에 기초하여 사람의 머리/귀의 방위 또는 위치를 결정하도록 동작한다.
사운드 재생 시스템의 추가적인 실시예에서, 이미지 분석기(23)는 얼굴 검출 알고리즘을 이용하여 이미지를 분석하도록 동작하며, 여기에서 이미지 분석기는 사운드 재생 구역에 대해 카메라의 위치를 이용하여 재생 구역 내에서 검출된 얼굴의 위치를 결정하도록 동작한다.
사운드 재생 시스템의 추가적인 실시예에서, 이미지 분석기(23)는 이미지 내의 얼굴을 검출하는 이미지 검출 알고리즘을 수행하도록 동작하는데, 여기에서 이미지 분석기(23)는 얼굴로부터 도출된 형상 정보(geometrical information)를 이용하여 검출된 얼굴을 분석하도록 동작하는데, 여기에서 이미지 분석기(23)는 형상 정보에 기초하여 머리의 방위를 결정한다.
사운드 재생 시스템의 추가적인 실시예에서, 이미지 분석기(23)는 얼굴로부터 검출된 형상 정보(geometrical information)를 데이터베이스에서 기저장된 일련의 형상 정보와 비교하도록 동작하는데, 여기에서 각 기저장된 형상 정보는 방위 정보(orientation information)에 관련되며, 검출된 형상 정보와 가장 잘 매칭된 형상 정보와 관련된 방위 정보는 방위 정보로 출력된다.
본 발명의 방법들의 어떤 구현 요건에 따라, 본 발명의 방법들이 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현될 수 있다. 구현은 그 위해 저장된 판독가능한 제어 신호를 갖는 디지털 저장 매체, 특히, 플로피 디스크, DVD 또는 CD 상에서 실행될 수 있는데, 이러한 디지털 저장 매체는 프로그래머블 컴퓨터 시스템과 연동하여 본 발명의 방법이 수행될 수 있다. 따라서, 일반적으로 본 발명은 컴퓨터 프로그램 제품이 컴퓨터 상에서 동작할 때 본 발명에 따른 방법을 실행하는 기계-판독가능한 캐리어 상에 저장된 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터 프로그램 제품이다. 다시 말해, 본 발명의 방법은 컴퓨터 프로그램이 컴퓨터 또는 다른 프로세서 수단 상에서 실행할 때, 본 발명의 방법을 실행하는 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터 프로그램이다.
전술한 실시예들은 본 발명의 이론을 위해서만 개시된 것이다. 여기에 개시된 장치들 그리고 상세사항들에 대한 변형 및 변경은 당업자에게 명백할 것이다. 그러므로, 첨부된 본 발명의 특허청구범위의 범위에 의해서만 제한받고 전술한 실시예들에 대한 기술 및 설명에 의해 나타난 특정 상세들에 의해서 제한받지 않도록 의도된다.

Claims (15)

  1. 사운드 재생 구역에 관련하여 규정된 위치들에서 적어도 3개의 라우드스피커들에 연결가능한 필터들에 대한 필터 특징들을 발생시키는 장치에 있어서,
    시간-반전된 임펄스 응답들을 획득하기 위해 상기 라우드스피커들에 관련된 임펄스 응답들을 시간-반전하는 임펄스 응답 반전기(10)로서, 상기 각 임펄스 응답은 상기 사운드 재생 구역 내의 하나의 위치와 이에 관련된 임펄스 응답을 갖는 하나의 라우드스피커 사이의 사운드 전송 채널을 기술하는 임펄스 응답 반전기(10);
    시간-반전된 임펄스 응답의 최대값 이전에 발생한 임펄스 응답 부분들이 상기 필터들에 대한 상기 필터 특징들을 획득하기 위해 진폭에서 감소되도록 상기 시간-반전된 임펄스 응답들 또는 반전 이전에 상기 라우드스피커들에 관련된 상기 임펄스 응답들을 변경하는 임펄스 응답 변경기(14)를 포함하는 필터 특징 발생 장치.
  2. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 임펄스 응답 변경기(14)는 상기 시간-반전된 임펄스 응답의 한 부분(30c) 또는 시간-반전 이전의 상기 임펄스 응답을 감소하도록 동작하며, 상기 부분(30c)은 단조롭게 감소하는 함수에 따라 상기 시간-반전된 임펄스 응답의 상기 최대값(am) 직전에 발생하는 필터 특징 발생 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 단조롭게 증가하는 함수는 인간 청취 시스템의 프리마스킹(premasking) 특징으로부터 도출되는 필터 특징 발생 장치.
  4. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임펄스 응답 변경기(14)는 상기 변경된 시간-반전된 임펄스 응답이 상기 임펄스 응답의 최대값(am)의 시간(tn)까지 20 ms와 50 ms 사이의 시간 간격에서 상기 최대값(am)의 50 퍼센트 아래의 진폭 값들을 갖도록 변경하도록 동작하는 필터 특징 발생 장치.
  5. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    유용한 반향음들을 유발하거나 사운드 포커싱 위치에서 프리-에코들을 유발하는 상기 임펄스 응답들 또는 상기 시간-반전된 임펄스 응답들의 부분들을 검출하는 검출기(19)를 더 포함하고, 상기 임펄스 응답 변경기(14)는 유용한 반향음들에 관련되지 않은 상기 임펄스 응답에서의 부분들이 감쇠되도록 검출기(19) 출력에 응답하여 변경하도록 동작하는 필터 특징 발생 장치.
  6. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임펄스 응답 변경기(14)는 상기 최대값 (am)의 시간(tn)까지 시간 상에서 후속하는 시간-반전된 임펄스 응답의 변경을 초래하는 변경을 수행하지 않도록 동작하는 필터 특징 발생 장치.
  7. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임펄스 응답 변경기(14)는 상기 시간-반전된 임펄스 응답 또는 시간-반전 이전의 상기 임펄스 응답에서의 로컬 피크들을 결정하고, 상기 피크들을 감쇠하지 않고 두 개의 피크들 사이의 부분들을 감쇠하거나 상기 피크들을 제1 정도(degree)로 감쇠하고 상기 제1 정도보다 큰 제2 정도로 상기 피크들 사이의 상기 부분을 감쇠하도록 동작하는 필터 특징 발생 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 임펄스 응답 변경기는 피크 이전에 제1 값을 갖는 제1 시간 상수를 상기 시간-반전된 임펄스 응답에 대해 적용함으로써 그리고, 상기 피크에 후속하는 제2 값을 갖는 제2 시간 상수를 상기 시간-반전된 임펄스 응답에 대해 적용함으로써 상기 피크들 사이의 상기 부분들을 감쇠하도록 동작하며, 상기 제2 값은 상기 제1 값보다 큰, 필터 특징 발생 장치.
  9. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 사운드 재생 구역은 적어도 2개의 공간적으로 서로 다른 구역 포커싱 위치들을 포함하며,
    상기 임펄스 응답 반전기(10)는 각 라우드스피커에 대한 각 사운드 포커싱 위치를 위한 임펄스 응답을 시간-반전하도록 동작하며,
    상기 임펄스 응답 변경기는 스피커로의 사운드 전송 채널들에 대한 변경된 임펄스 응답들 또는 변경된 시간-반전된 임펄스 응답들이 결합되기(43) 전에 개별적으로 각 임펄스 응답 또는 각 시간-반전된 임펄스 응답을 변경하도록(42) 동작하며, 또는
    결합된 임펄스 응답 또는 시간-반전된 임펄스 응답은 상기 동일한 라우드스피커로의 사운드 전송 채널들과 관련된 상기 임펄스 응답들 또는 시간-반전된 임펄스 응답들을 결합함으로써 도출되며, 상기 임펄스 응답 변경기는 상기 결합된 임펄스 응답을 사용하여 변경을 수행하도록 동작하는 필터 특징 발생 장치.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 사운드 포커싱 위치들은 사람 머리 또는 사람 머리 모델의 귀들 사이의 거리에 근사한 거리를 갖는 필터 특징 발생 장치.
  11. 청구항 9에 있어서, 적어도 3개의 사운드 포커싱 위치들은 상기 라우드스피커들에 의해 규정된 상기 사운드 재생 구역보다 작은 기결정된 사운드 포커싱 위치에 분포되어 있으며, 상기 사운드 포커싱 위치들은, 상기 사운드 포커싱 위치들 사이의 특정된 부분이 상기 사운드 포커싱 영역 밖에서보다 적어도 50 퍼센트만큼 더 큰 사운드 에너지를 가질 만큼 서로 매우 근접한, 필터 특징 발생 장치.
  12. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 사운드 포커싱 위치들에서 실제 사운드 에너지 포커싱 특징에 대해 원하는 사운드 포커싱 특징으로의 최적의 매칭을 획득하기 위해 필터 계수들을 위한 시작 값들을 반복적인 절차로 최적화하도록 구성된 수치적 최적화기를 포함하는 프로세서(80)를 더 포함하며,
    변경되고 반전된 임펄스 응답들은 상기 반복적인 절차를 위한 상기 시작 값들로서 사용되는 필터 특징 발생 장치.
  13. 사운드 재생 구역에 관련하여 규정된 위치들에서 적어도 3개의 라우드스피커들에 연결가능한 필터들에 대한 필터 특징들을 발생시키는 방법에 있어서,
    시간-반전된 임펄스 응답들을 획득하기 위해 상기 라우드스피커들에 관련된 임펄스 응답들을 시간-반전하는 단계(10)로서, 상기 각 임펄스 응답은 상기 사운드 재생 구역 내의 하나의 위치와 이에 관련된 임펄스 응답을 갖는 하나의 라우드스피커 사이의 사운드 전송 채널을 기술하는, 상기 단계(10); 및
    시간-반전된 임펄스 응답의 최대값 이전에 발생한 임펄스 응답 부분들이 상기 필터들에 대한 상기 필터 특징들을 획득하기 위해 진폭에서 감소되도록, 상기 시간-반전된 임펄스 응답들 또는 반전 이전에 상기 라우드스피커들에 관련된 상기 임펄스 응답들을 변경하는 단계(14)를 포함하는 필터 특징 발생 방법.
  14. 컴퓨터 상에서 실행될 때 청구항 13의 방법을 수행하는 프로프램 코드를 갖는 컴퓨터 프로그램.
  15. 사운드 재생 시스템에 있어서,
    청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 따라 필터 특징들을 발생시키는 장치;
    상기 필터 특징들을 발생시키는 상기 장치(24)에 의해 결정된 상기 필터 특징들로 프로그램된 복수개의 프로그래머블 필터들(20a 내지 20e);
    기결정된 위치들에서의 복수개의 라우드스피커로서, 각 라우드스피커는 복수개의 필터들 중 하나에 연결된 복수개의 라우드스피커들(LS1 내지 LSN); 및
    상기 필터들에 연결된 오디오 소스(25)를 포함하는 사운드 재생 시스템.
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