KR20120077763A - 공간 음향에너지 분포 제어장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

어레이 스피커를 사용하여 청취자 위치에서 개인 음향 공간을 형성하는 장치 및 방법을 제공한다. 공간 음향에너지 분포 제어장치는 어레이 스피커를 통하여 방사되는 음향에너지의 전달을 저감하려는 저감영역과 상기 음향에너지의 전달을 집중시키려는 집중영역 간의 음향에너지비율 및 상기 집중영역의 음향에너지효율을 고려하여, 입력신호의 음향에너지 분포를 제어하는 필터계수들을 계산하고, 상기 입력신호의 주파수 변화에 따라, 상기 음향에너지비율이 최대가 되는 경우의, 스피커 어레이 사이즈를 결정한다.

Description

공간 음향에너지 분포 제어장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING DISTRIBUTION OF SPATIAL SOUND ENERGY}
기술분야는 어레이 스피커를 사용하여 청취자 위치에서 개인 음향 공간을 형성하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근에는 주변 타인에게 소음 공해를 발생시키지 않고, 이어폰이나 헤드셋 없이 특정 청취자에게만 소리를 전달할 수 있는 개인음향공간(personal sound zone, 이하 PSZ라 함)에 관한 기술이 활발이 이루어지고 있다.
개인 음향 공간을 형성하는 방법으로는 다수의 스피커에서 방사되는 소리의 방향을, 각 스피커에서 방사되는 소리의 지연을 이용하여 특정영역으로 집중시키는 방법이 있고,
고출력 및 고주파수의 진동이 가능한 특별한 스피커 또는 음파 가이드(sound wave guide)를 이용하여 소리의 지향성을 높이는 방법이 있다.
일 측면에 있어서, 공간 음향에너지 분포 제어장치는 어레이 스피커를 통하여 방사되는 음향에너지의 전달을 저감하려는 저감영역과 상기 음향에너지의 전달을 집중시키려는 집중영역 간의 음향에너지비율 및 상기 집중영역의 음향에너지효율을 고려하여, 입력신호-상기 입력신호는 음원신호로서 광대역 주파수를 가짐-의 음향에너지 분포를 제어하는 필터계수들을 계산하는 필터계수 계산부 및 상기 입력신호의 주파수 변화에 따라, 상기 음향에너지비율이 최대가 되는 경우의, 스피커 어레이 사이즈를 결정하는 어레이 사이즈 결정부를 포함한다.
상기 필터계수 계산부는 상기 입력신호의 다양한 주파수 중에서 필터계수를 계산하려는 주파수에 대한 반응모델에 기초하여 상기 저감영역 및 상기 집중영역의 음향에너지를 계산하는 음향에너지 계산부, 상기 저감영역의 음향에너지와 상기 집중영역의 음향에너지에 기초하여 상기 음향에너지비율 및 상기 음향에너지효율을 계산하는 음향에너지비율 및 음향에너지효율 계산부 및 상기 음향에너지비율 및 상기 음향에너지효율 각각에 부여되는 가중치를 결정하는 가중치 결정부를 포함하고, 상기 가중치를 적용한, 상기 음향에너지비율 및 상기 음향에너지효율의 조합으로 구성된 비용함수에 기초하여, 상기 필터계수를 계산하려는 주파수에 대응하는 필터계수를 계산할 수 있다.
상기 어레이 사이즈 결정부는 상기 입력신호의 각 주파수에 대응하는 상기 음향에너지비율을 계산하여, 상기 각 주파수에서 상기 음향에너지비율이 최대인 경우의 어레이 사이즈를 결정할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 공간 음향에너지 분포 제어장치는 상기 필터계수들에 따라 상기 입력신호를 필터링하여, 상기 집중영역으로 상기 음향에너지의 전달을 집중시키는 복수의 출력신호들을 생성하는 신호 생성부 및 상기 결정된 스피커 어레이 사이즈에 기초하여, 상기 복수의 출력신호들을 출력하는 출력부를 더 포함할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 공간 음향에너지 분포 제어장치는 상기 입력신호의 주파수 대역을 기 설정된 기준에 기초하여 저주파수 대역, 중주파수 대역, 고주파수 대역으로 분할하는 대역 분할부를 더 포함하고, 상기 신호 생성부는 상기 입력신호를 상기 분할된 대역별로 상기 계산된 필터계수들에 따라 필터링을 수행하는 대역별 필터세트를 포함할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 공간 음향에너지 분포 제어장치는 상기 저감영역 및 상기 집중영역을 포함하는 제어영역을 설정하는 제어영역 설정부를 더 포함할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 공간 음향에너지 분포 제어장치는 음원을 포함하는 멀티채널 입력신호들을 수신하는 수신부를 더 포함하고, 상기 필터계수 계산부는 상기 멀티채널 입력신호들 각각에 대하여, 상기 저감영역과 상기 집중영역 간의 음향에너지비율 및 상기 집중영역의 음향에너지효율을 고려하여, 필터계수들을 계산할 수 있다.
상기 수신부는 상기 멀티채널 입력신호들을 2 채널 입력신호로 변환하는 채널변환필터 및 상기 2 채널 입력신호 간의 크로스토크(crosstalk)를 제거하는 크로스토크 제거필터를 포함할 수 있다.
상기 어레이 스피커는 복수의 스피커를 포함하되, 상기 복수의 스피커 간에 격막을 통해 분리된 형태로 구성되고, 상기 결정된 어레이 사이즈에 따라, 상기 복수의 스피커를 통하여 가변적으로 어퍼쳐(aperture) 사이즈가 결정될 수 있다.
일 측면에 있어서, 공간 음향에너지 분포 제어장치는 상이한 음원을 포함하는 제1 입력신호 및 제2 입력신호를 수신하는 수신부, 어레이 스피커를 통하여 방사되는 상기 제1 입력신호의 음향에너지의 전달을 저감하려는 제1 저감영역과 상기 제1 입력신호의 음향에너지의 전달을 집중시키려는 제1 집중영역 간의 음향에너지비율 및 상기 제1 집중영역의 음향에너지효율을 고려하여, 상기 제1 입력신호의 음향에너지 분포를 제어하는 필터계수들을 계산하는 제1 필터계수 계산부, 상기 제2 입력신호의 음향에너지를 적어도 두 개의 분리된 사운드 빔을 통해, 상기 제2 입력신호의 음향에너지의 전달을 집중시키려는 적어도 두 개의 제2 집중영역으로 전달하여, 상기 제2 입력신호의 음향에너지 분포를 제어하는 필터계수들을 계산하는 제2 필터계수 계산부 및 상기 필터계수들에 따라 상기 제1 입력신호 및 상기 제2 입력신호를 필터링하여, 상기 제1 집중영역 및 상기 제2 집중영역으로 상기 음향에너지의 전달을 집중시키는 복수의 출력 신호들을 생성하는 신호 생성부를 포함한다.
다른 일 측면에 있어서, 공간 음향에너지 분포 제어장치는 상기 복수의 출력 신호들의 각 주파수에 대응하는, 상기 음향에너지비율이 최대가 되는 경우의, 스피커 어레이 사이즈를 결정하는 어레이 사이즈 결정부 및 상기 결정된 스피커 어레이 사이즈에 기초하여, 상기 복수의 출력 신호들을 출력하는 출력부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 입력신호는 음성정보를 포함하는 신호이고, 상기 제2 입력신호는 상기 음성정보의 전달을 차단하는 마스킹(masking) 사운드일 수 있다.
상기 제2 필터계수 계산부는 상기 제2 입력신호에 대하여, 적어도 두 개의 사운드 빔의 빔패턴 간의 간섭이 최소가 되도록 상기 적어도 두 개의 사운드 빔을 생성하는 필터계수를 계산하는 빔패턴 필터계수 계산부를 포함할 수 있다.
상기 빔패턴 필터계수 계산부는 상기 적어도 두 개의 사운드 빔, 각각에 대한 상대적인 위상을 서로 다르게 결합하여 상기 적어도 두 개의 사운드 빔을 생성하도록 필터계수를 계산할 수 있다.
일 측면에 있어서, 공간 음향에너지 분포 제어방법은 어레이 스피커를 통하여 방사되는 음향에너지의 전달을 저감하려는 저감영역과 상기 음향에너지의 전달을 집중시키려는 집중영역 간의 음향에너지비율 및 상기 집중영역의 음향에너지효율을 고려하여, 입력신호-상기 입력신호는 음원신호로서 광대역 주파수를 가짐-의 음향에너지 분포를 제어하는 필터계수들을 계산하는 단계, 상기 필터계수들에 따라 상기 입력신호를 필터링하여, 상기 집중영역으로 상기 음향에너지의 전달을 집중시키는 복수의 출력신호들을 생성하는 단계, 상기 입력신호의 주파수 변화에 따라, 상기 음향에너지비율이 최대가 되는 경우의, 스피커 어레이 사이즈를 결정하는 단계 및 상기 결정된 스피커 어레이 사이즈에 기초하여, 상기 복수의 출력신호들을 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 필터계수들을 계산하는 단계는 상기 입력신호의 다양한 주파수 중에서 필터계수를 계산하려는 주파수에 대한 반응모델에 기초하여 상기 저감영역 및 상기 집중영역의 음향에너지를 계산하는 단계, 상기 저감영역의 음향에너지와 상기 집중영역의 음향에너지에 기초하여 상기 음향에너지비율 및 상기 음향에너지효율을 계산하는 단계 및 상기 음향에너지비율 및 상기 음향에너지효율 각각에 부여되는 가중치를 결정하는 단계를 포함하고, 상기 가중치를 적용한, 상기 음향에너지비율 및 상기 음향에너지효율의 조합으로 구성된 비용함수에 기초하여, 상기 필터계수를 계산하려는 주파수에 대응하는 필터계수를 계산할 수 있다.
상기 스피커 어레이 사이즈를 결정하는 단계는 상기 입력신호의 각 주파수에 대응하는 상기 음향에너지비율을 계산하여, 상기 각 주파수에서 상기 음향에너지비율이 최대인 경우의 어레이 사이즈를 결정할 수 있다.
다른 일 측면에 있어서, 공간 음향에너지 분포 제어방법은 음원을 포함하는 멀티채널 입력신호들을 수신하는 단계를 더 포함하고, 상기 필터계수들을 계산하는 단계는 상기 멀티채널 입력신호들 각각에 대하여, 상기 저감영역과 상기 집중영역 간의 음향에너지비율 및 상기 집중영역의 음향에너지효율을 고려하여, 필터계수들을 계산할 수 있다.
일 측면에 있어서, 공간 음향에너지 분포 제어방법은 음원을 포함하는 제1 입력신호 및 제2 입력신호를 수신하는 단계, 어레이 스피커를 통하여 방사되는 상기 제1 입력신호의 음향에너지의 전달을 저감하려는 제1 저감영역과 상기 제1 입력신호의 음향에너지의 전달을 집중시키려는 제1 집중영역 간의 음향에너지비율 및 상기 제1 집중영역의 음향에너지효율을 고려하여, 상기 제1 입력신호의 음향에너지 분포를 제어하는 제1 필터계수들을 계산하는 단계, 상기 제2 입력신호의 음향에너지를 적어도 두 개의 분리된 사운드 빔을 통해, 상기 제2 입력신호의 음향에너지의 전달을 집중시키려는 적어도 두 개의 제2 집중영역으로 전달하여, 상기 제2 입력신호의 음향에너지 분포를 제어하는 제2 필터계수들을 계산하는 단계 및 상기 제1 필터계수들 및 상기 제2 필터계수들에 따라 상기 제1 입력신호 및 상기 제2 입력신호를 필터링하여, 상기 제1 집중영역 및 상기 제2 집중영역으로 상기 음향에너지의 전달을 집중시키는 복수의 출력 신호들을 생성하는 단계를 포함한다.
다른 일 측면에 있어서, 공간 음향에너지 분포 제어방법은 상기 복수의 출력 신호들의 각 주파수에 대응하는, 상기 음향에너지비율이 최대가 되는 경우의, 스피커 어레이 사이즈를 결정하는 단계 및 상기 결정된 스피커 어레이 사이즈에 기초하여, 상기 복수의 출력 신호들을 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 필터계수들을 계산하는 단계는 상기 제2 입력신호에 대하여, 적어도 두 개의 사운드 빔의 빔패턴 간의 간섭이 최소가 되도록 상기 적어도 두 개의 사운드 빔을 생성하는 필터계수를 계산할 수 있다.
상기 제2 필터계수들을 계산하는 단계는 상기 적어도 두 개의 사운드 빔, 각각에 대한 상대적인 위상을 서로 다르게 결합하여 상기 적어도 두 개의 사운드 빔을 생성하도록 필터계수를 계산할 수 있다.
입력신호에 대해, 제어영역의 음향에너지비율 및 음향에너지효율에 기초하여 계산된 필터계수를 통해 필터링을 수행함으로써, 어레이 스피커에서 방사되는 출력 신호의 방향성을 조절할 수 있다.
또한, 상기 필터계수를 통한 필터링을 수행함으로써, 특정 영역의 음압레벨을 향상시킴과 동시에, 음향 청취를 피하고자 하는 영역의 음압레벨을 저감(reduce)할 수 있다.
또한, 복수의 음원 신호에 대해 상기 필터계수를 통한 필터링을 수행함으로써, 다양한 기능의 서로 다른 빔을 하나의 어레이 스피커를 통해 동시에 방사할 수 있다.
또한, 복수의 음원 신호로 음성정보 및 마스킹 사운드(masking sound)를 이용함으로써, 음성정보는 청취자 위치에 전달이 되지만, 사용자 위치를 제외한 영역에서는 마스킹 사운드의 방사를 통해 음성정보의 전달을 차단할 수 있다.
또한, 다채널 입력신호를 수신하여, 벽면 반사 없이 어레이 스피커 만으로 가상음원을 구현함으로써, 청취자 위치에서만 효과적으로 입체음의 체험이 가능한 개인음향공간을 생성할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 공간 음향에너지 분포 제어장치의 블록도이다.
도 2는 일실시예에 따른 공간 음향에너지의 분포를 제어하는 영역을 나타낸 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 공간 음향에너지 분포 제어장치에서 어레이 스피커의 반응모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 일실시예에 따른 공간 음향에너지 분포 제어장치의 구체적 일 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 일실시예에 따른 복수의 음원을 수신하는 경우의, 공간 음향에너지 분포 제어장치의 블록도이다.
도 7은 일실시예에 따른 복수의 음원을 수신하는 경우의, 공간 음향에너지 분포 제어장치의 구체적 일 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 일실시예에 따른 공간 음향에너지 분포 제어방법의 흐름도이다.
도 9는 일실시예에 따른 복수의 음원을 수신하는 경우의, 공간 음향에너지 분포 제어방법의 흐름도이다.
이하, 일측에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 다만, 후술되는 실시예들은 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 권리범위가 특정 실시예에 한정되지 않는다.
어레이 스피커는 다수의 스피커들을 조합하여, 재생하려는 음의 방향을 조절하거나, 특정 지역으로 음을 보내고자 할 때 사용된다.
지향성(directivity)이라고 불리는 음의 전달 원리는 다수의 음원 신호들의 위상 차이를 이용하여 특정 방향으로 신호의 세기가 커지도록 신호를 중첩시킴으로써 신호가 특정방향으로 전달되는 것을 의미한다. 따라서, 다수의 스피커들을 특정 위치에 따라 배치하고, 어레이 스피커를 통해 출력되는 음원 신호를 조절함으로써 지향성을 구현하게 된다.
어레이 스피커 시스템은 목적하는 주파수 빔패턴을 얻기 위해서 목적하는 빔패턴에 맞게 필터 값, 즉 지연 및 이득 값을 미리 계산하여 사용한다.
일측에 따른 실시예를 설명하는 과정에서 사용되는 용어 중 음압(sound pressure)이란, 음향에너지가 미치는 힘을 압력의 물리량을 사용하여 표현한 것이다. 음장(sound field)이란, 음원을 중심으로 음압이 미치는 영역을 의미한다.
또한, 빔패턴이라 함은 스피커 및 안테나 등의 신호 출력 장치에서 360도의 전방향으로 방사되는 전자기파의 전계강도(electric field strength)를 측정하여 그래프로 표시한 것을 말한다.
빔패턴은 출력 신호를 측정하는 측정기를 이용하여 측정하고자 하는 스피커의 360도 전방향에서 신호를 수신하여 각각의 측정 각도별로 수신된 전계강도를 폴라 차트(polar chart)상에 파형으로 도시함으로써 얻어진다.
도 1은 일실시예에 따른 공간 음향에너지 분포 제어장치의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 공간 음향에너지 분포 제어장치는 수신부(110), 제어영역 설정부(120), 필터계수 계산부(130), 신호 생성부(140), 어레이 사이즈 결정부(150) 및 출력부(160)를 포함한다.
수신부(110)는 음원을 포함하는 입력 신호를 수신한다. 음원은 다양한 주파수 대역을 포함한다. 또한, 수신부(110)는 음원을 포함하는 멀티채널 입력신호들을 수신한다.
제어영역 설정부(120)는 저감영역 및 집중영역을 포함하는 제어영역을 설정한다. 저감영역은 어레이 스피커를 통하여 방사되는 음향에너지의 전달을 저감하려는 영역을 의미하고, 집중영역은 청취자가 어레이 스피커를 통하여 방사된 음향을 감지할 수 있을 만큼 충분한 음향에너지의 전달을 집중시키려는 영역을 의미한다.
제어영역 설정부(120)는 제어영역으로 설정된 공간에 대한 위치 정보를 필터계수 계산부(130)에 제공한다. 여기서 위치정보는 특정 좌표값을 이용하여 표현될 수도 있고, 어레이 스피커를 중심으로 제어영역과의 거리 및 방향을 통해 표현될 수도 있다.
제어영역 설정부(120)는 저감영역 및 집중영역의 좌표를 사용자로부터 입력 받을 수 있다. 또한, 제어영역 설정부(120)는 기 설정된 복수의 영역들 중에서 적어도 하나의 영역을 선택하는 방식으로 제어영역을 설정할 수 있다.
제어영역 설정부(120)는 저감영역을 별도로 설정하지 않고, 집중영역만을 설정할 수 있다. 또한, 제어영역 설정부(120)는 복수의 집중영역들을 설정할 수 있다.
필터계수 계산부(130)는 저감영역과 집중영역 간의 음향에너지비율 및 상기 집중영역의 음향에너지효율을 고려하여 필터계수들을 계산한다. 여기서, 필터계수들은 어레이 스피커를 통하여 방사되는 음향에너지의 분포를 제어하는 필터에 사용된다.
어레이 스피커를 통하여 집중영역으로 음향에너지가 잘 집중되는지 여부를 판단하는 기준으로 음향에너지비율 및 음향에너지효율을 생각할 수 있다.
음향에너지비율은 저감영역에 대한 집중영역의 음향에너지의 비를 의미하고, 음압의 레벨 차이와 동일한 의미를 가진다. 음향에너지비율이 크다는 것은 저감영역으로 전달되는 음향에너지에 비해 집중영역으로 전달되는 음향에너지가 상대적으로 크다는 것을 의미한다.
음향에너지효율은 입력신호의 음향에너지에 대한 집중영역으로 출력되는 신호의 음향에너지의 비로 표현될 수 있다. 음향에너지효율이 크다는 것은 어레이 스피커에 입력되는 신호의 손실을 최소화하면서 입력신호의 음향에너지의 대부분을 집중영역의 음장형성에 사용할 수 있음을 의미한다.
음향에너지비율 및 음향에너지효율을 이용하여 집중영역으로 음향에너지의 집중여부를 판단하는 이유는 다음과 같다.
여기서, 음향에너지비율은 저감영역과 집중영역에서 측정된 음향에너지의 상대적인 비율을 의미한다. 따라서, 음향에너지비율이 크다고 해서, 청취자가 집중영역에서 방사된 음향을 감지할 수 있을 만큼의 음향에너지 전달이 보장되는 것은 아니다. 즉, 음향에너지비율 저감영역의 음향에너지가 매우 작은 경우에, 집중영역에서의 음압이 청취자가 들을 수 없을 정도로 작더라도, 큰 값을 가질 수 있다. 따라서, 음향에너지비율만을 기준으로 집중영역으로의 음향에너지 집중여부를 판단하기는 어렵다.
또한, 음향에너지효율은 집중영역에서의 음향에너지의 크기에 비례한다. 그러나, 집중영역으로 집중되는 음향에너지를 증가시킴에 따라 저감영역의 음향에너지도 증가할 수 있다. 따라서, 집중영역의 음향에너지와 저감영역의 음향에너지의 상관관계를 이용할 필요가 있다.
필터계수 계산부(130)는 집중영역과 저감영역 간의 음향에너지비율 및 집중영역에서의 음향에너지효율을 고려하여 필터계수를 계산함으로써, 저주파 신호에서도 집중영역으로 음향에너지를 집중시킬 수 있고, 최소한의 스피커 출력을 이용하여 충분한 음압레벨의 차이를 확보할 수 있다.
이하에서, 필터계수 계산부(130)를 좀 더 구체적으로 설명한다.
필터계수 계산부(130)는 음향에너지 계산부(131), 음향에너지비율 및 음향에너지효율 계산부(133) 및 가중치 결정부(135)를 포함할 수 있다.
음향에너지 계산부(131)는 입력신호의 다양한 주파수 중에서 필터계수를 계산하려는 주파수에 대한 반응모델에 기초하여 저감영역 및 집중영역의 음향에너지를 계산한다.
여기서, 반응모델은 어레이 스피커와 제어 영역들간의 관계를 전달함수와 같은 규격화된 표현으로 모델링 한 것을 의미한다. 즉, 반응모델은 어레이 스피커로부터 출력되는 음향신호가 어레이 스피커로부터 특정 거리만큼 떨어진 위치에서 얼마만큼의 음향에너지를 갖는지에 대한 상관관계를, 양 위치 간의 물리적 변수를 통하여 함수로 표현한 것이다. 어레이 스피커로부터 특정 거리만큼 떨어진 위치를 필드 포인트라고 표현한다.
어레이 스피커를 통하여 방사되는 음향 신호에 대한 반응모델은 이론적인 방법 또는 실험적인 방법을 통하여 구할 수 있다.
이론적인 방법은 어레이 스피커와 필드 포인트 간의 음향전파(sound propagation) 관계식을 이용하여 반응모델을 구성한다. 어레이 스피커를 구성하는 하나의 음원, 즉 스피커로부터 특정 거리만큼 떨어진 하나의 필드 포인트에서의 음압이 정의되면, 필드 포인트에서 어레이 스피커를 통해 형성되는 음압은 어레이 스피커의 크기에 대해서 정의된 음압을 적분함으로써 계산할 수 있다.
실험적인 방법은 어레이 스피커를 구성하는 스피커들 중 하나에 인가되어 출력되는 특정 음원신호 및 필드 포인트에서 측정된 상기 특정 음원신호에 기초하여 반응모델을 구할 수 있다. 여기서, 특정 음원신호는 방사된 음원 신호를 측정하기 위해 사용되는 테스트 음원을 의미한다. 특정 음원신호는 임펄스 신호 또는 백색 가우시안 잡음을 포함할 수 있다.
음향에너지비율 및 음향에너지효율 계산부(133)는 음향에너지 계산부(131)에서 계산된 저감영역의 음향에너지와 집중영역의 음향에너지에 기초하여 음향에너지비율 및 음향에너지효율을 계산한다.
가중치 결정부(135)는 음향에너지비율 및 음향에너지효율 각각에 부여되는 가중치를 결정한다. 가중치 결정부(135)는 집중영역의 음향에너지와 저감영역의 음향에너지의 상관관계를 고려하기 위해 가중치를 부여할 수 있다.
필터계수 계산부(130)는 음향에너지비율에 가중치가 적용된 결과 및 상기 음향에너지효율에 가중치가 적용된 결과의 조합으로 구성된 비용함수에 기초하여, 필터계수를 계산한다.
필터계수 계산부(130)는 공간 음향에너지의 분포 제어장치가 구현되는 환경과 실시예에 따라 비용함수에 적용되는 가중치를 조절하여 필터계수를 계산할 수 있다.
필터계수 계산부(130)는 반응모델에 기초하여 음장을 제어하는 필터의 계수를 계산한다. 여기서, 음장을 제어하는 필터는 어레이 스피커의 출력 채널의 개수에 대응하는 다채널 필터이다. 따라서, 필터계수 계산부(130)는 복수의 필터계수들을 계산한다.
필터계수의 계산 과정에 대해서는 도 3에서 좀 더 상세하게 설명한다.
신호 생성부(140)는 필터계수 계산부(130)에서 계산된 필터계수들에 따라 입력신호를 필터링하여, 집중영역으로 음향에너지의 전달을 집중시키는 복수의 출력신호들을 생성한다. 신호 생성부(140)는 입력신호와 필터계수들을 컨볼루션(convolution)하여 출력신호들을 생성할 수 있다.
어레이 사이즈 결정부(150)는 어레이 스피커 중 출력신호를 방사할 스피커를 설정할 수 있다. 또한, 어레이 사이즈 결정부(150)는 사용자로부터 출력신호를 방사하는데 사용될 스피커의 위치 또는 스피커의 개수를 입력 받을 수 있다.
어레이 사이즈 결정부(150)는 입력신호의 주파수 변화에 따라, 집중영역과 저감영역 간의 음향에너지비율을 계산한다. 입력신호는 다양한 주파수를 포함하는 음원신호이므로, 어레이 사이즈 결정부(150)는 입력신호의 다양한 주파수에 대응하는 음향에너지비율을 계산할 수 있다.
어레이 사이즈 결정부(150)는 입력신호의 각 주파수에서, 음향에너지비율이 최대인 경우의 어레이 사이즈를 출력신호를 방사하기 위한 어레이 스피커의 어레이 사이즈로 결정한다. 따라서, 입력신호의 각 주파수에 따라, 어레이 사이즈가 달라질 수 있다. 즉, 어레이 스피커에서 어레이 사이즈는 가변이고, 어레이 스피커를 구성하는 복수의 스피커들 중에서 출력신호를 방사하는 스피커들은 입력신호의 주파수에 따라 바뀔 수 있다.
어레이 사이즈 결정부(150)는 신호 생성부(140)에서 생성된 출력 신호들을 결정된 어레이 사이즈에 기초하여 어레이 스피커에 전달할 수 있다.
출력부(160)는 어레이 사이즈 결정부(150)에서 결정된 스피커 어레이 사이즈에 기초하여, 신호 생성부(140)에서 생성된 복수의 출력신호들을 출력한다. 출력부(160)는 어레이 스피커를 구성하는 복수의 스피커들 중에서, 결정된 어레이 사이즈의 범위에 해당하는 스피커들을 통하여 출력신호들을 출력할 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 공간 음향에너지의 분포를 제어하는 영역을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 어레이 스피커(200)로부터 방사되는 음향은 어레이 스피커(200)의 전방 및 일부 측면으로 전달된다. 어레이 스피커(200)의 주변에 위치한 청취자들은 음향을 청취하기 원하는지 여부와 관계없이 상기 방사된 음향을 듣는 불편함을 겪게 된다.
일실시예에 따른 공간 음향에너지 분포 제어장치는 어레이 스피커(200)의 주변영역을 집중영역(220) 및 저감영역(210,230)으로 구별하여, 어레이 스피커(200)를 통해 방사되는 음향에너지의 분포를 제어한다.
집중영역(220)은 어레이 스피커(200)를 통해 방사되는 음향에너지가 집중되는 영역을 의미하고, 청취공간, 개인음향공간, 브라이트 존(bright zone)이라고도 할 수 있다. 공간 음향에너지 분포 제어장치는 어레이 스피커(200)의 지향성을 조절하여 음압이 강화된 음향신호를 집중영역(220)에 전달할 수 있다.
저감영역(210,230)은 어레이 스피커(200)를 통해 방사되는 음향에너지가 잘 전달되지 않는 영역을 의미하고, 정숙공간(quiet zone), 다크 존(dark zone)이라고도 할 수 있다. 공간 음향에너지 분포 제어장치는 어레이 스피커(200)의 지향성을 조절하여, 저감된 음향신호를 저감영역(210,230)에 전달할 수 있다.
공간 음향에너지 분포 제어장치는 어레이 스피커(200)를 구성하는 개별 스피커들에 인가되는 신호들의 지연값 조절 및 개별 스피커들 간의 간격 조절 등 다양한 지향성 조절 파라미터들을 변화시켜, 집중 영역(220) 및 저감 영역(210,230)으로의 음향에너지 분포를 제어할 수 있다.
도 3은 일실시예에 따른 공간 음향에너지 분포 제어장치에서 어레이 스피커의 반응모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 필터(310)를 통해 필터링 된 신호들은 어레이 스피커를 구성하는 복수의 스피커들(331,333,335)에 전달된다. 필터(310)는 N개의 채널로 구성된 다채널 필터로서, 각각의 채널들은 어레이 스피커를 구성하는 각각의 스피커들(331,333,335)에 대응된다. 청각영역(Auditory space)(320)은 복수의 스피커들(331,333,335)을 통하여 방사된 출력신호들이 전달될 수 있는 영역을 의미한다.
복수의 스피커들(331,333,335)을 통하여 방사된 출력신호들은 어레이 스피커의 반응모델에 기초하여 임의의 필드 포인트(350)에서 음압으로 표현될 수 있다. 임의의 필드 포인트(350)는 어레이 스피커의 중심을 나타내는 원점(340)으로부터
Figure pat00001
만큼 떨어져 있다. 스피커(333)는 어레이 스피커의 중심을 나타내는 원점(340)으로부터
Figure pat00002
만큼 떨어져 있다. 임의의 필드 포인트(350)의 음압은 어레이 스피커를 구성하는 개별 스피커들의 반응모델에 필터계수가 곱해진 형태로 표현될 수 있다. 임의의 필드 포인트(350)에서의 음압은 다음의 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00003
여기서,
Figure pat00004
는 음압을 나타내고,
Figure pat00005
은 원점(440)으로부터 필드 포인트(450)까지의 벡터를 나타내고,
Figure pat00006
는 입력신호의 주파수를 나타내고,
Figure pat00007
는 n번째 스피커의 반응모델을 나타낸다.
Figure pat00008
는 n번째 스피커에 대응하는 n번째 필터의 필터계수이다. 수학식 1의 음압을 벡터 형태로 표현하면 [수학식 2]와 같다.
[수학식 2]
Figure pat00009
필터계수 계산부(130)의 음향에너지 계산부(131)는 제어영역에서의 음압에 기초하여 제어영역의 음향에너지의 평균을 계산할 수 있다. 여기서, 음향에너지의 평균은 제어영역의 필드 포인트를 이용하여 산술적인 평균을 통해 계산할 수 있다. 집중영역의 음향에너지의 평균은 [수학식 3]과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00010
여기서,
Figure pat00011
는
Figure pat00012
의 에르미트 전치행렬(Hermitian transpose)을 나타내고,
Figure pat00013
는 필터계수
Figure pat00014
의 에르미트 전치행렬을 나타내며,
Figure pat00015
는 집중영역의 공간 상관성(spatial correlation)을 나타낸다.
Figure pat00016
는 집중영역을 나타낸다.
음향에너지 계산부(131)는 [수학식 3]을 이용하여 집중영역 및 저감영역의 음향에너지를 계산할 수 있다.
음향에너지비율 및 음향에너지효율 계산부(133)는 [수학식 3]을 이용하여 계산된 집중영역의 음향에너지 및 저감영역의 음향에너지에 기초하여 음향에너지비율 및 음향에너지효율을 계산할 수 있다.
음향에너지효율은 입력신호의 에너지 크기에 대한 집중영역에서의 에너지 크기의 비율로 정의된다. 음향에너지효율은 다음의 [수학식 4]와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00017
여기서,
Figure pat00018
는 음향에너지효율을 나타내고,
Figure pat00019
는 입력신호로부터 집중영역에 전달할 수 있는 최대음향에너지를 나타내며,
Figure pat00020
은 단위입력파워로부터 제어영역에 전달할 수 있는 음향에너지를 나타내는 것으로, 분자와 분모의 물리량을 에너지로 일치시키기 위해 도입된 변수이다.
음향에너지비율은 저감영역에서의 에너지 크기에 대한 집중영역에서의 에너지 크기의 비율로 정의된다. 음향에너지비율은 다음의 [수학식 5]와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00021
여기서,
Figure pat00022
는 음향에너지비율을 나타내고,
Figure pat00023
는 저감영역의 음향에너지를 나타낸다.
가중치 결정부(130)는 음향에너지효율과 음향에너지비율 각각에 가중치를 부여한다. 이때, 가중치는 공간 음향에너지 분포 제어장치가 구현되는 환경과 실시예에 따라 결정될 수 있다.
필터계수 계산부(130)는 음향에너지효율과 음향에너지비율을 모두 고려한 비용함수에 기초하여 필터계수를 계산할 수 있다. 비용함수는 음향에너지효율과 음향에너지비율 각각에 가중치가 부여된, 결과들의 조합으로 구성된다. 비용함수의 일 예는 다음의 [수학식 6]과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00024
여기서,
Figure pat00025
는 비용함수를 나타내고,
Figure pat00026
및
Figure pat00027
는 음향에너지효율 및 음향에너지비율에 부가될 수 있는 가중치를 나타낸다. [수학식 6]의 비용함수는 가중치
Figure pat00028
를 중심으로, 저감영역에서의 음향에너지와 집중영역에 전달될 수 있는 최대음향에너지가 서로 배타적으로 결합된 형태를 가진다. 비용함수는 음향에너지효율 및 음향에너지비율을 고려하여 다양한 형태로 설계될 수 있다.
필터계수 계산부(130)는 비용함수에 대해 고유치(eigen value) 해석 방법을 이용하여 입력신호의 각 주파수
Figure pat00029
에 대한 필터계수를 계산할 수 있다.
필터계수가 결정되면, 입력신호를 필터링하여 생성된 출력 신호들은 어레이 스피커를 통하여 방사될 수 있다. 이때, 출력신호들은 어레이 스피커를 구성하는 단순 간격으로 배치된 복수의 스피커들을 통하여 방사될 수 있다.
그런데, 저감영역과 집중영역간의 음향에너지비율이 최대가 되는 어레이 스피커의 어레이 사이즈는 입력신호의 주파수에 따라 다르다. 예를 들면, 입력신호의 주파수들 중에서 상대적으로 저주파 대역은 음향에너지비율이 최대가 되는 어레이 사이즈가 고주파 대역의 경우보다 크다. 어레이 사이즈는 출력신호를 실제로 방사하도록 배열된 스피커들의 전체 사이즈를 의미한다.
어레이 사이즈 결정부(150)는 일정 개수의 스피커로 구성되는 어레이 스피커의 경우에, 입력신호의 주파수가 상대적으로 저주파 대역이면, 출력신호가 전달되는 스피커들 간의 간격이 넓어지도록 스피커들을 배치할 수 있다. 이때, 신호 생성부(140)는 복수의 출력신호들을 넓은 간격으로 배치된 스피커들에 전달할 수 있다.
또한, 어레이 사이즈 결정부(150)는 일정 개수의 스피커로 구성되는 어레이 스피커의 경우에, 입력신호의 주파수가 상대적으로 고주파 대역이면, 출력신호가 전달되는 스피커들 간의 간격이 좁아지도록 스피커들을 배치할 수 있다. 이때, 신호 생성부(140)는 복수의 출력신호들을 좁은 간격으로 배치된 스피커들에 전달할 수 있다.
도 4는 일실시예에 따른 공간 음향에너지 분포 제어장치의 구체적 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 공간 음향에너지 분포 제어장치는 대역 분할부(410), 필터계수 계산부(420), 신호 생성부(430) 및 출력부(440)를 포함할 수 있다.
대역 분할부(410)는 입력신호의 주파수 대역을 기 설정된 기준에 기초하여 저주파수 대역, 중주파수 대역, 고주파수 대역으로 분할한다. 여기서, 입력신호는 광대역 주파수들을 포함하는 음원신호를 의미한다. 또한, 기 설정된 기준은 음원신호에 대하여 일반적으로 인정되는 주파수 대역에 의하여 결정될 수 있다. 대역 분할부(410)는 입력신호를 주파수 대역에 따라 분할하기 위해 고역통과필터(High Pass Filter), 대역통과필터(Band Pass Filter) 및 저역통과필터(Low Pass Filter)를 포함할 수 있다.
필터계수 계산부(420)는 저감영역과 집중영역 간의 음향에너지비율 및 상기 집중영역의 음향에너지효율을 고려하여 고역통과필터의 필터계수, 대역통과필터의 필터계수 및 저역통과필터의 필터계수들을 계산한다.
신호 생성부(430)는 입력신호를 대역 분할부(410)에서 분할된 대역별로 필터계수 계산부(420)에서 계산된 필터계수들에 따라 필터링을 수행한다. 신호 생성부(430)는 제1 필터세트(431), 제2 필터세트(433) 및 제3 필터세트(435)를 포함할 수 있다.
제1 필터세트(431)는 고역통과필터(High Pass Filter)(411)를 통과한 고주파 대역의 입력신호에 대해 제1 필터링을 수행할 수 있다. 제2 필터세트(433)는 대역통과필터(Band Pass Filter)(413)를 통과한 주파수 대역의 입력신호에 대해 제2 필터링을 수행할 수 있다. 제3 필터세트(435)는 저역통과필터(Low Pass Filter)(413)를 통과한 저주파 대역의 입력신호에 대해 제3 필터링을 수행할 수 있다.
제1 필터링을 통해 생성된 출력신호들은 어레이 스피커의 중앙에 위치한 스피커들(441)에 전달될 수 있다. 제2 필터링을 통해 생성된 출력신호들은 어레이 스피커의 중앙으로부터 좀 더 넓은 간격에 위치한 스피커들(443)에 전달될 수 있다. 제3 필터링을 통해 생성된 출력신호들은 어레이 스피커의 중앙으로부터 가장 넓은 간격에 위치한 스피커들(445)에 전달될 수 있다.
즉, 입력신호의 주파수 대역에 따라 어레이 스피커의 어레이 사이즈(441,443,445)가 달라질 수 있다. 고주파 대역에서 어레이 사이즈가 가장 작고, 저주파 대역에서 어레이 사이즈가 가장 크다.
출력부(440)는 어레이 스피커를 통하여 신호 생성부(430)에서 생성된 각 주파수 대역의 출력신호들을 출력한다. 출력부(440)는 입력신호의 주파수 대역에 대응하는, 음향에너지비율이 최대 값을 갖는 경우의 어레이 사이즈에 따라, 어레이 스피커를 구성하는 복수의 스피커들을 통하여 출력신호들을 출력할 수 있다.
어레이 스피커는 복수의 스피커를 포함하되, 상기 복수의 스피커 간에 격막을 통해 분리된 형태로 구성될 수 있다. 스피커 간에 격막으로 분리된 구조는 각 스피커에서 출력되는 음향에너지가 다른 스피커에 미치는 간섭을 감소시킬 수 있다.
어레이 스피커는 입력신호의 주파수에 대응하는 어레이 사이즈에 따라, 가변적으로 어퍼쳐(aperture) 사이즈가 결정될 수 있다. 여기서 어퍼쳐 사이즈는 어레이 스피커를 구성하는 복수의 스피커들 간의 간격을 의미할 수 있다.
즉, 동일한 개수의 스피커로 구성된 어레이 스피커에서, 고주파 대역의 출력신호는 스피커 간의 간격이 좁은, 어레이 스피커의 중앙에 위치한 스피커들을 통하여 출력된다. 이때, 어퍼쳐 사이즈는 작다.
또한, 저주파 대역의 출력신호는 어레이 스피커에 넓은 간격으로 위치한 복수의 스피커들을 통하여 출력된다. 이때, 어퍼쳐 사이즈는 크다.
도 5는 일실시예에 따른 공간 음향에너지 분포 제어장치의 구체적 일 예를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 공간 음향에너지 분포 제어장치는 수신부(510), 제1 필터세트(520), 제2 필터세트(530) 및 어레이 스피커(540)를 포함할 수 있다.
수신부(510)는 음원을 포함하는 멀티채널 입력신호들을 수신한다. 수신부(510)는 채널변환필터(511) 및 크로스토크 제거필터(513)를 포함할 수 있다. 멀티채널 입력신호들은 채널변환필터(511)에 입력된다.
채널변환필터(511)는 멀티채널 입력신호들을 2 채널 입력신호로 변환한다. 예를 들면, 5.1채널의 멀티채널 입력신호들을 2 채널의 스테레오 입력신호로 변환할 수 있다. 채널변환필터(511)는 멀티채널 입력신호들을 2 채널뿐만 아니라, 상기 멀티채널보다 작은 개수의 채널신호로 변환할 수 있다.
크로스토크 제거필터(513)는 변환된 2 채널 입력신호 간의 크로스토크를 제거한다. 크로스토크란 서로 다른 채널의 신호간에 발생하는 간섭을 의미한다. 음원 신호에서 크로스토크는 혼선을 의미할 수 있다.
제1 필터세트(520)는 제1 필터계수에 기초하여 출력신호를 생성할 수 있다. 이때, 제1 필터계수는 2채널의 스테레오 입력신호 중 우측신호의 음향에너지가 청취자(555)의 오른쪽 귀에 집중되도록 계산될 수 있다.
제2 필터세트(530)는 제2 필터계수에 기초하여 출력신호를 생성할 수 있다. 이때, 제2 필터계수는 2채널의 스테레오 입력신호 중 좌측신호의 음향에너지가 청취자(555)의 왼쪽 귀에 집중되도록 계산될 수 있다.
어레이 스피커(540)는 제1 필터세트(520)에서 생성된 출력신호를 출력한다. 이때, 출력신호의 음압은 청취자(555)의 오른쪽 귀에서 최대(551)가 되도록 제1 필터계수를 통해 설정되어 있다.
어레이 스피커(540)는 제2 필터세트(530)에서 생성된 출력신호를 출력한다. 이때, 출력신호의 음압은 청취자(555)의 왼쪽 귀에서 최대(553)가 되도록 제2 필터계수를 통해 설정되어 있다.
도 6은 일실시예에 따른 복수의 음원을 수신하는 경우의, 공간 음향에너지 분포 제어장치의 블록도이다.
도 6을 참조하면, 공간 음향에너지 분포 제어장치는 수신부(610), 제1 필터계수 계산부(620), 제2 필터계수 계산부(630), 신호 생성부(640), 어레이 사이즈 결정부(650) 및 출력부(660)를 포함한다.
수신부(610)는 상이한 음원을 포함하는 제1 입력신호 및 제2 입력신호를 수신한다. 제1 입력신호는 음성정보를 포함하는 신호이고, 제2 입력신호는 상기 음성정보의 전달을 차단하는 마스킹(masking) 사운드일 수 있다. 마스킹 사운드는 음성정보와는 관계없는 클래식 음악 등을 포함하는 음원 신호일 수 있다
제1 필터계수 계산부(620)는 제1 저감영역과 제1 집중영역 간의 음향에너지비율 및 제1 집중영역의 음향에너지효율을 고려하여, 제1 입력신호의 음향에너지 분포를 제어하는 필터계수들을 계산한다. 제1 저감영역은 제1 입력신호의 음향에너지의 전달을 저감하려는 영역을 의미하고, 제1 집중영역은 제1 입력신호의 음향에너지의 전달을 집중시키려는 영역을 의미한다.
즉, 제1 필터계수 계산부(620)는 음성정보가 청취자의 양 귀에서 높은 음압으로 전달되도록 필터계수들을 계산할 수 있다.
제2 필터계수 계산부(630)는 제2 입력신호의 음향에너지를 적어도 두 개의 분리된 사운드 빔을 통해, 제2 입력신호의 음향에너지의 전달을 집중시키려는 적어도 두 개의 제2 집중영역으로 전달하여, 제2 입력신호의 음향에너지 분포를 제어하는 필터계수들을 계산한다.
제2 집중영역은 제1 집중영역과 중복되지 않는 영역으로, 제어영역 설정부(120)에서 설정될 수 있다. 제2 집중영역은 제1 집중영역으로 전달되는 음성정보와 관계없는 마스킹 사운드(masking sound)가 전달되는 영역이다. 즉, 제2 집중영역에 위치한 청취자는 제1 집중영역에 위치한 청취자가 듣는 음성정보와는 다른 마스킹 사운드를 들을 수 있다.
분리된 빔을 생성하는 가장 간단한 방법은 단순히 방사 방향이 다른 복수의 사운드 빔을 동시에 발생시키는 것이다. 예를 들면, 적어도 두 개의 사운드 빔패턴을 대칭으로 발생시키는 경우를 생각하면, 한 쪽의 사운드 빔의 빔 패턴(P1(θ))을 먼저 결정하고, 상기 빔패턴(P1(θ))을 축 대칭한 빔 패턴(P2(θ) = P1(-θ))을 생성한 후, 두 사운드 빔을 단순히 결합하는 방법을 생각할 수 있다.
제2 필터계수 계산부(630)는 빔패턴 필터계수 계산부(631)를 포함할 수 있다. 빔패턴 필터계수 계산부(631)는 제2 입력신호에 대하여, 적어도 두 개의 사운드 빔의 빔패턴 간의 간섭이 최소가 되도록 상기 적어도 두 개의 사운드 빔을 생성하는 필터계수를 계산할 수 있다.
또한, 빔패턴 필터계수 계산부(631)는 상기 적어도 두 개의 사운드 빔, 각각에 대한 상대적인 위상을 서로 다르게 결합하여 상기 적어도 두 개의 사운드 빔을 생성하도록 필터계수를 계산할 수 있다.
사운드 빔의 빔패턴 간에 간섭을 최소화하는 방법은 결합할 적어도 두 개의 사운드 빔의 위상을 빔패턴에 따라 조절하여, 결합된 후의 메인로브(mainlobe)나 사이드로브(sidelobe)의 손상을 최소화하는 것이다. 즉, 서로 다른 방향을 향하는 적어도 두 개의 사운드 빔(P1, P2)의 경우,
Figure pat00030
의 형태가 될 수 있다.
여기서, 최적의 위상값
Figure pat00031
는 제2 집중영역의 음압 대비 제2 집중영역 보다 먼 거리의 원거리 음압이 최소가 되는 조건으로부터 결정될 수 있다. 또한, 최적의 위상값
Figure pat00032
는 제2 집중영역에 청취자가 위치한다면, 청취자의 양쪽 귀 위치의 음압 대비 원거리 음압이 최소가 되는 조건으로부터 결정될 수 있다. 이때, 원거리는 어레이 스피커의 중심으로부터 청취자의 위치보다 먼 거리를 의미한다.
신호 생성부(640)는 제1 필터계수 계산부(620)에서 계산된 필터계수들에 따라 제1 입력신호를 필터링하여, 제1 집중영역으로 음향에너지의 전달을 집중시키는 복수의 출력 신호들을 생성한다.
또한, 신호 생성부(640)는 제2 필터계수 계산부(630)에서 계산된 필터계수들에 따라 제2 입력신호를 필터링하여, 적어도 두 개의 제2 집중영역으로 음향에너지의 전달을 집중시키는 복수의 출력 신호들을 생성한다.
어레이 사이즈 결정부(650)는 신호 생성부(640)에서 생성된 복수의 출력 신호들의 각 주파수에 대응하여, 음향에너지비율이 최대가 되는 경우의, 스피커 어레이 사이즈를 결정한다.
출력부(660)는 어레이 사이즈 결정부(650)에서 결정된 스피커 어레이 사이즈에 기초하여, 신호 생성부(640)에서 생성된 복수의 출력 신호들을 출력한다.
도 7은 일실시예에 따른 복수의 음원을 수신하는 경우의, 공간 음향에너지 분포 제어장치의 구체적 일 예를 나타낸 도면이다.
음성정보를 포함하는 스피치 사운드(speech sound)는 제1 필터세트(710)에 입력될 수 있다. 음성정보와 관계없는 음원을 포함하는 마스킹 사운드(masking sound)는 제2 필터세트(720)에 입력될 수 있다.
제1 필터세트(710)는 제1 필터세트 계산부(620)에서 계산된 필터계수에 기초하여 스피치 사운드를 제1 집중영역(731)으로 집중시킬 수 있는 출력신호들을 생성한다.
제2 필터세트(720)는 제2 필터세트 계산부(630)에서 계산된 필터계수에 기초하여 마스킹 사운드를 적어도 두 개의 제2 집중영역(733,735)으로 집중시킬 수 있는 출력신호들을 생성한다.
어레이 스피커(730)는 제1 필터세트(710)에서 전달된 출력신호들을 제1 집중영역(731)로 방사하고, 제2 필터세트(720)에서 전달된 출력신호들을 적어도 두 개의 제2 집중영역(733,735)으로 방사한다.
이때, 어레이 스피커(730)의 어레이 사이즈는 스피치 사운드 및 마스킹 사운드에 포함된 음원의 주파수에 따라 변할 수 있다. 즉, 음원의 주파수가 기 설정된 기준에 기초하여 고주파이면 어레이 사이즈는 작고, 저주파이면 어레이 사이즈는 크다.
도 8은 일실시예에 따른 공간 음향에너지 분포 제어방법의 흐름도이다.
810단계에서, 공간 음향에너지 분포 제어장치는 저감영역과 집중영역 간의 음향에너지비율 및 상기 집중영역의 음향에너지효율을 고려하여, 입력신호의 음향에너지 분포를 제어하는 필터계수들을 계산한다. 이때, 입력신호는 음원신호로서 다양한 주파수를 포함할 수 있다.
저감영역은 어레이 스피커를 통하여 방사되는 음향에너지의 전달을 저감하려는 영역을 의미하고, 집중영역은 청취자가 어레이 스피커를 통하여 방사된 음향을 감지할 수 있을 만큼 충분한 음향에너지의 전달을 집중시키려는 영역을 의미한다.
공간 음향에너지 분포 제어장치는 입력신호의 다양한 주파수 중에서 필터계수를 계산하려는 주파수에 대한 반응모델에 기초하여 상기 저감영역 및 상기 집중영역의 음향에너지를 계산할 수 있다.
공간 음향에너지 분포 제어장치는 상기 저감영역의 음향에너지와 상기 집중영역의 음향에너지에 기초하여 상기 음향에너지비율 및 상기 음향에너지효율을 계산할 수 있다.
공간 음향에너지 분포 제어장치는 상기 음향에너지비율 및 상기 음향에너지효율 각각에 부여되는 가중치를 결정할 수 있다.
공간 음향에너지 분포 제어장치는 상기 가중치를 적용한, 상기 음향에너지비율 및 상기 음향에너지효율의 조합으로 구성된 비용함수에 기초하여, 상기 필터계수를 계산하려는 주파수에 대응하는 필터계수를 계산할 수 있다.
820단계에서, 공간 음향에너지 분포 제어장치는 상기 필터계수들에 따라 상기 입력신호를 필터링하여, 상기 집중영역으로 상기 음향에너지의 전달을 집중시키는 복수의 출력신호들을 생성한다.
830단계에서, 공간 음향에너지 분포 제어장치는 상기 입력신호의 주파수 변화에 따라, 상기 음향에너지비율이 최대가 되는 경우의, 스피커 어레이 사이즈를 결정한다.
공간 음향에너지 분포 제어장치는 상기 입력신호의 각 주파수에 대응하는 상기 음향에너지비율을 계산하여, 상기 각 주파수에서 상기 음향에너지비율이 최대인 경우의 어레이 사이즈를 결정할 수 있다.
840단계에서, 공간 음향에너지 분포 제어장치는 상기 결정된 스피커 어레이 사이즈에 기초하여, 상기 복수의 출력신호들을 출력한다.
또한, 공간 음향에너지 분포 제어장치는 음원을 포함하는 멀티채널 입력신호들을 수신할 수 있다.
또한, 공간 음향에너지 분포 제어장치는 상기 멀티채널 입력신호들 각각에 대하여, 상기 저감영역과 상기 집중영역 간의 음향에너지비율 및 상기 집중영역의 음향에너지효율을 고려하여, 필터계수들을 계산할 수 있다. 즉, 공간 음향에너지 분포 제어장치는 멀티채널 입력신호들의 각 채널 입력신호들에 대하여 필터계수들을 계산할 수 있다.
도 9는 일실시예에 따른 복수의 음원을 수신하는 경우의, 공간 음향에너지 분포 제어방법의 흐름도이다.
910단계에서, 공간 음향에너지 분포 제어장치는 음원을 포함하는 제1 입력신호 및 제2 입력신호를 수신한다.
920단계에서, 공간 음향에너지 분포 제어장치는 제1 저감영역과 제1 집중영역 간의 음향에너지비율 및 제1 집중영역의 음향에너지효율을 고려하여, 제1 입력신호의 음향에너지 분포를 제어하는 제1 필터계수들을 계산한다. 제1 저감영역은 제1 입력신호의 음향에너지의 전달을 저감하려는 영역을 의미하고, 제1 집중영역은 제1 입력신호의 음향에너지의 전달을 집중시키려는 영역을 의미한다.
930단계에서, 공간 음향에너지 분포 제어장치는 제2 입력신호의 음향에너지를 적어도 두 개의 분리된 사운드 빔을 통해, 제2 입력신호의 음향에너지의 전달을 집중시키려는 적어도 두 개의 제2 집중영역으로 전달하여, 제2 입력신호의 음향에너지 분포를 제어하는 제2 필터계수들을 계산한다.
공간 음향에너지 분포 제어장치는 상기 제2 입력신호에 대하여, 적어도 두 개의 사운드 빔의 빔패턴 간의 간섭이 최소가 되도록 상기 적어도 두 개의 사운드 빔을 생성하는 필터계수를 계산할 수 있다.
공간 음향에너지 분포 제어장치는 상기 적어도 두 개의 사운드 빔, 각각에 대한 상대적인 위상을 서로 다르게 결합하여 상기 적어도 두 개의 사운드 빔을 생성하도록 필터계수를 계산할 수 있다.
940단계에서, 공간 음향에너지 분포 제어장치는 상기 제1 필터계수들 및 상기 제2 필터계수들에 따라 상기 제1 입력신호 및 상기 제2 입력신호를 필터링하여, 상기 제1 집중영역 및 상기 제2 집중영역으로 상기 음향에너지의 전달을 집중시키는 복수의 출력 신호들을 생성한다.
950단계에서, 공간 음향에너지 분포 제어장치는 상기 복수의 출력 신호들의 각 주파수에 대응하는, 상기 음향에너지비율이 최대가 되는 경우의, 스피커 어레이 사이즈를 결정한다.
960단계에서, 공간 음향에너지 분포 제어장치는 상기 결정된 스피커 어레이 사이즈에 기초하여, 상기 복수의 출력 신호들을 출력한다.
일실시예에 따른 공간 음향에너지 분포 제어장치는 독립적인 음향 공간(sound zone)을 필요로 하는 다양한 오디오 신호 전송 장치에 적용될 수 있다. 다양한 오디오 신호 전송 장치는 복수의 스피커가 장착된 어레이 장치, 모니터, 휴대용 음악 재생장치, 디지털 TV 및 PC 등을 포함할 수 있다.
상술한 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (22)

  1. 어레이 스피커를 통하여 방사되는 음향에너지의 전달을 저감하려는 저감영역과 상기 음향에너지의 전달을 집중시키려는 집중영역 간의 음향에너지비율 및 상기 집중영역의 음향에너지효율을 고려하여, 입력신호-상기 입력신호는 음원신호로서 광대역 주파수를 가짐-의 음향에너지 분포를 제어하는 필터계수들을 계산하는 필터계수 계산부; 및
    상기 입력신호의 주파수 변화에 따라, 상기 음향에너지비율이 최대가 되는 경우의, 스피커 어레이 사이즈를 결정하는 어레이 사이즈 결정부
    를 포함하는 공간 음향에너지 분포 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 필터계수 계산부는
    상기 입력신호의 다양한 주파수 중에서 필터계수를 계산하려는 주파수에 대한 반응모델에 기초하여 상기 저감영역 및 상기 집중영역의 음향에너지를 계산하는 음향에너지 계산부;
    상기 저감영역의 음향에너지와 상기 집중영역의 음향에너지에 기초하여 상기 음향에너지비율 및 상기 음향에너지효율을 계산하는 음향에너지비율 및 음향에너지효율 계산부; 및
    상기 음향에너지비율 및 상기 음향에너지효율 각각에 부여되는 가중치를 결정하는 가중치 결정부를 포함하고,
    상기 가중치를 적용한, 상기 음향에너지비율 및 상기 음향에너지효율의 조합으로 구성된 비용함수에 기초하여, 상기 필터계수를 계산하려는 주파수에 대응하는 필터계수를 계산하는
    공간 음향에너지 분포 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 어레이 사이즈 결정부는
    상기 입력신호의 각 주파수에 대응하는 상기 음향에너지비율을 계산하여, 상기 각 주파수에서 상기 음향에너지비율이 최대인 경우의 어레이 사이즈를 결정하는
    공간 음향에너지 분포 제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 필터계수들에 따라 상기 입력신호를 필터링하여, 상기 집중영역으로 상기 음향에너지의 전달을 집중시키는 복수의 출력신호들을 생성하는 신호 생성부; 및
    상기 결정된 스피커 어레이 사이즈에 기초하여, 상기 복수의 출력신호들을 출력하는 출력부
    를 더 포함하는 공간 음향에너지 분포 제어장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 입력신호의 주파수 대역을 기 설정된 기준에 기초하여 저주파수 대역, 중주파수 대역, 고주파수 대역으로 분할하는 대역 분할부를 더 포함하고,
    상기 신호 생성부는 상기 입력신호를 상기 분할된 대역별로 상기 계산된 필터계수들에 따라 필터링을 수행하는 대역별 필터세트를 포함하는
    공간 음향에너지 분포 제어장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 저감영역 및 상기 집중영역을 포함하는 제어영역을 설정하는 제어영역 설정부
    를 더 포함하는 공간 음향에너지 분포 제어장치.
  7. 제1항에 있어서,
    음원을 포함하는 멀티채널 입력신호들을 수신하는 수신부를 더 포함하고,
    상기 필터계수 계산부는 상기 멀티채널 입력신호들 각각에 대하여, 상기 저감영역과 상기 집중영역 간의 음향에너지비율 및 상기 집중영역의 음향에너지효율을 고려하여, 필터계수들을 계산하는
    공간 음향에너지 분포 제어장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 수신부는
    상기 멀티채널 입력신호들을 2 채널 입력신호로 변환하는 채널변환필터; 및
    상기 2 채널 입력신호 간의 크로스토크(crosstalk)를 제거하는 크로스토크 제거필터
    를 포함하는 공간 음향에너지 분포 제어장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 어레이 스피커는
    복수의 스피커를 포함하되, 상기 복수의 스피커 간에 격막을 통해 분리된 형태로 구성되고,
    상기 결정된 어레이 사이즈에 따라, 상기 복수의 스피커를 통하여 가변적으로 어퍼쳐(aperture) 사이즈가 결정되는
    공간 음향에너지 분포 제어장치.
  10. 상이한 음원을 포함하는 제1 입력신호 및 제2 입력신호를 수신하는 수신부;
    어레이 스피커를 통하여 방사되는 상기 제1 입력신호의 음향에너지의 전달을 저감하려는 제1 저감영역과 상기 제1 입력신호의 음향에너지의 전달을 집중시키려는 제1 집중영역 간의 음향에너지비율 및 상기 제1 집중영역의 음향에너지효율을 고려하여, 상기 제1 입력신호의 음향에너지 분포를 제어하는 필터계수들을 계산하는 제1 필터계수 계산부;
    상기 제2 입력신호의 음향에너지를 적어도 두 개의 분리된 사운드 빔을 통해, 상기 제2 입력신호의 음향에너지의 전달을 집중시키려는 적어도 두 개의 제2 집중영역으로 전달하여, 상기 제2 입력신호의 음향에너지 분포를 제어하는 필터계수들을 계산하는 제2 필터계수 계산부; 및
    상기 필터계수들에 따라 상기 제1 입력신호 및 상기 제2 입력신호를 필터링하여, 상기 제1 집중영역 및 상기 제2 집중영역으로 상기 음향에너지의 전달을 집중시키는 복수의 출력 신호들을 생성하는 신호 생성부
    를 포함하는 공간 음향에너지 분포 제어장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 출력 신호들의 각 주파수에 대응하는, 상기 음향에너지비율이 최대가 되는 경우의, 스피커 어레이 사이즈를 결정하는 어레이 사이즈 결정부; 및
    상기 결정된 스피커 어레이 사이즈에 기초하여, 상기 복수의 출력 신호들을 출력하는 출력부
    를 더 포함하는 공간 음향에너지 분포 제어장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 입력신호는 음성정보를 포함하는 신호이고, 상기 제2 입력신호는 상기 음성정보의 전달을 차단하는 마스킹(masking) 사운드 임을 특징으로 하는
    공간 음향에너지 분포 제어장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제2 필터계수 계산부는
    상기 제2 입력신호에 대하여, 적어도 두 개의 사운드 빔의 빔패턴 간의 간섭이 최소가 되도록 상기 적어도 두 개의 사운드 빔을 생성하는 필터계수를 계산하는 빔패턴 필터계수 계산부
    를 포함하는 공간 음향에너지 분포 제어장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 빔패턴 필터계수 계산부는
    상기 적어도 두 개의 사운드 빔, 각각에 대한 상대적인 위상을 서로 다르게 결합하여 상기 적어도 두 개의 사운드 빔을 생성하도록 필터계수를 계산하는
    공간 음향에너지 분포 제어장치.
  15. 어레이 스피커를 통하여 방사되는 음향에너지의 전달을 저감하려는 저감영역과 상기 음향에너지의 전달을 집중시키려는 집중영역 간의 음향에너지비율 및 상기 집중영역의 음향에너지효율을 고려하여, 입력신호-상기 입력신호는 음원신호로서 광대역 주파수를 가짐-의 음향에너지 분포를 제어하는 필터계수들을 계산하는 단계;
    상기 필터계수들에 따라 상기 입력신호를 필터링하여, 상기 집중영역으로 상기 음향에너지의 전달을 집중시키는 복수의 출력신호들을 생성하는 단계;
    상기 입력신호의 주파수 변화에 따라, 상기 음향에너지비율이 최대가 되는 경우의, 스피커 어레이 사이즈를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 스피커 어레이 사이즈에 기초하여, 상기 복수의 출력신호들을 출력하는 단계
    를 포함하는 공간 음향에너지 분포 제어방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 필터계수들을 계산하는 단계는
    상기 입력신호의 다양한 주파수 중에서 필터계수를 계산하려는 주파수에 대한 반응모델에 기초하여 상기 저감영역 및 상기 집중영역의 음향에너지를 계산하는 단계;
    상기 저감영역의 음향에너지와 상기 집중영역의 음향에너지에 기초하여 상기 음향에너지비율 및 상기 음향에너지효율을 계산하는 단계; 및
    상기 음향에너지비율 및 상기 음향에너지효율 각각에 부여되는 가중치를 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 가중치를 적용한, 상기 음향에너지비율 및 상기 음향에너지효율의 조합으로 구성된 비용함수에 기초하여, 상기 필터계수를 계산하려는 주파수에 대응하는 필터계수를 계산하는
    공간 음향에너지 분포 제어방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 스피커 어레이 사이즈를 결정하는 단계는
    상기 입력신호의 각 주파수에 대응하는 상기 음향에너지비율을 계산하여, 상기 각 주파수에서 상기 음향에너지비율이 최대인 경우의 어레이 사이즈를 결정하는
    공간 음향에너지 분포 제어방법.
  18. 제15항에 있어서,
    음원을 포함하는 멀티채널 입력신호들을 수신하는 단계를 더 포함하고,
    상기 필터계수들을 계산하는 단계는 상기 멀티채널 입력신호들 각각에 대하여, 상기 저감영역과 상기 집중영역 간의 음향에너지비율 및 상기 집중영역의 음향에너지효율을 고려하여, 필터계수들을 계산하는
    공간 음향에너지 분포 제어방법.
  19. 음원을 포함하는 제1 입력신호 및 제2 입력신호를 수신하는 단계;
    어레이 스피커를 통하여 방사되는 상기 제1 입력신호의 음향에너지의 전달을 저감하려는 제1 저감영역과 상기 제1 입력신호의 음향에너지의 전달을 집중시키려는 제1 집중영역 간의 음향에너지비율 및 상기 제1 집중영역의 음향에너지효율을 고려하여, 상기 제1 입력신호의 음향에너지 분포를 제어하는 제1 필터계수들을 계산하는 단계;
    상기 제2 입력신호의 음향에너지를 적어도 두 개의 분리된 사운드 빔을 통해, 상기 제2 입력신호의 음향에너지의 전달을 집중시키려는 적어도 두 개의 제2 집중영역으로 전달하여, 상기 제2 입력신호의 음향에너지 분포를 제어하는 제2 필터계수들을 계산하는 단계; 및
    상기 제1 필터계수들 및 상기 제2 필터계수들에 따라 상기 제1 입력신호 및 상기 제2 입력신호를 필터링하여, 상기 제1 집중영역 및 상기 제2 집중영역으로 상기 음향에너지의 전달을 집중시키는 복수의 출력 신호들을 생성하는 단계
    를 포함하는 공간 음향에너지 분포 제어방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 복수의 출력 신호들의 각 주파수에 대응하는, 상기 음향에너지비율이 최대가 되는 경우의, 스피커 어레이 사이즈를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 스피커 어레이 사이즈에 기초하여, 상기 복수의 출력 신호들을 출력하는 단계
    를 더 포함하는 공간 음향에너지 분포 제어방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 제2 필터계수들을 계산하는 단계는
    상기 제2 입력신호에 대하여, 적어도 두 개의 사운드 빔의 빔패턴 간의 간섭이 최소가 되도록 상기 적어도 두 개의 사운드 빔을 생성하는 필터계수를 계산하는
    공간 음향에너지 분포 제어방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제2 필터계수들을 계산하는 단계는
    상기 적어도 두 개의 사운드 빔, 각각에 대한 상대적인 위상을 서로 다르게 결합하여 상기 적어도 두 개의 사운드 빔을 생성하도록 필터계수를 계산하는
    공간 음향에너지 분포 제어방법.
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