KR20190062902A - 오디오 신호 출력 장치 및 방법, 이를 이용한 디스플레이 장치 - Google Patents

오디오 신호 출력 장치 및 방법, 이를 이용한 디스플레이 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 오디오 신호 출력 장치는, 적어도 하나의 프로세서를 구비하고 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 동작이 제어되며, 사운드 소스로부터 2이상의 채널 신호를 생성하는 채널 처리기와, 상기 생성된 2이상의 채널 신호를 렌더링하는 신호 처리기와, 상기 렌더링된 신호로부터 가청 사운드를 복원하여 출력하는 지향성 스피커를 포함한다.
여기서 상기 신호 처리기는, 상기 생성된 2이상의 채널 신호를 주파수 변환하여 주파수 영역의 채널 신호를 생성하는 주파수 변환부와, 상기 생성된 주파수 영역의 채널 신호 중에서 적어도 일부의 채널 신호에 대한 채널 게인을 상기 채널 게인에 대한 조정값만큼 변경하는 리패너를 포함하며, 상기 조정값의 크기는 상기 주파수 영역의 채널 신호가 갖는 주파수가 커짐에 따라 단조 변화한다.

Description

오디오 신호 출력 장치 및 방법, 이를 이용한 디스플레이 장치{Device and method for outputting audio signal, and display device using the same}
본 발명은 하나 이상의 지향성 또는 무지향성 스피커가 탑재된 오디오 신호 출력 장치 또는 디스플레이 장치를 활용하여 사용자에게 실감 오디오를 제공하는 기술에 관한 것이다.
3차원 오디오를 재생하기 위한 음향 시스템으로 홈씨어터 시스템이 널리 알려져 있다. 이러한 시스템은 일반적으로 5.1채널 또는 그 이상의 채널들로 구성되며 정면(C), 전면좌측(FL), 전면우측(FR), 후방좌측(SL), 후방우측(SR) 채널과 저주파수(LFE) 채널을 재생하는 서브우퍼(subwoofer)를 포함하여 구성된다.
하지만, 공간적 제약이나 케이블 연결의 불편 등으로 인해, 가정에서 이러한 완성된 홈씨어터 시스템을 갖추는 것은 쉽지 않은 일이며, 이러한 홈씨어터 수준의 사운드 시스템을 사용하지 않고 실감 오디오 효과를 나타내기에도 한계가 있었다.
이러한 문제점을 고려한 대안으로, 다수의 서로 같거나 다른 주파수를 재생하는 스피커들의 조합으로 이루어진 사운드바나, 개인화된 사운드 경험을 위한 헤드폰이 개발되었다. 하지만 음상(auditory image)을 변경하기 위해서는 고유 방식으로 신호를 처리한 후, 각각의 처리된 신호를 대응되는 스피커를 통해 출력해야 한다. 그러나, 이러한 신호 처리 및 신호 분배 과정에서 출력 유닛의 수, 각 유닛의 특성, 청취 환경 등이 종합적으로 고려되기는 어려운 실정이다.
오디오 신호를 수신하고 신호 처리하여 출력 유닛으로의 분배하는 과정을 포함한 전체 과정을 사운드 렌더링이라고 부른다. 상기 언급한 홈씨어터의 대안 수단들은 출력 채널의 수가 부족하므로 상기 사운드 렌더링 과정에서 가상화 기술이 적용되어야 한다. 그러나, 사용자 개인의 신체정보나 청취 환경이 매우 다양하기 때문에 일정 이상의 효과를 기대하기는 어렵다.
예를 들어, 미국특허 9,172,901 B2에서 제시하는 디스플레이 장치는 멀티채널 오디오 플랫폼을 제공한다. 상기 디스플레이 장치에서, 멀티채널 스피커들은 디스플레이 패널의 전면 베젤을 따라 장착되고, 이러한 분산 배치된 스피커들의 게인 조절을 통해 상기 가상화를 달성한다. 그러나, 이와 같이 디스플레이 전면에 탑재된 스피커들로 인하여, 음상의 위치는 전면 디스플레이를 내로 제약된다. 따라서, 청취 공간 및 사용자의 자세 변경 등에 의해 제대로 된 음향 효과를 제공하기에는 한계가 있다.
이외에도, HRTF (Head-related transfer function)와 같은 개인 맞춤화 기술을 이용할 수 있다. 그러나, 이 기술도 일정한 음향 효과를 제공하기에는 물리적인 한계가 분명히 존재하며, 이러한 한계는 시스템 사양, 추가적인 맞춤화 등 다양한 요인에서 기인한다.
따라서, 홈씨어터를 구비하기 어려운 환경에서도 오디오 신호 출력 장치 또는 디스플레이 장치에 배치된 스피커들만으로도 충분한 실감 및 음장감을 제공하는 오디오 신호 처리 기술을 창안할 필요가 있다.
미국등록특허 제 9,172,901호 (2015.10.27. 등록)
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 서라운드 및 하이트 음향 효과를 사용자에게 전달하기 위해 디스플레이 장치의 일측에 장착된 하나 이상의 무지향성 스피커와, 디스플레이 장치 후면에 부착된 하나 이상의 지향성 스피커를 추가적으로 활용하여, 사용자에게 실감 오디오를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 지향성 스피커에서 방사된 음파가 다양한 실내 환경에서 반사됨으로 인해 발생하는 음상의 이분화 현상을 감소시켜 사용자에게 보다 자연스러운 오디오를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 언급된 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 오디오 신호 출력 장치는, 적어도 하나의 프로세서를 구비하고 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 동작이 제어되며, 사운드 소스로부터 2이상의 채널 신호를 생성하는 채널 처리기; 상기 생성된 2이상의 채널 신호를 렌더링하는 신호 처리기; 및 상기 렌더링된 신호로부터 가청 사운드를 복원하여 출력하는 지향성 스피커를 포함하며,
상기 신호 처리기는, 상기 생성된 2이상의 채널 신호를 주파수 변환하여 주파수 영역의 채널 신호를 생성하는 주파수 변환부; 및 상기 생성된 주파수 영역의 채널 신호 중에서 적어도 일부의 채널 신호에 대한 채널 게인을, 상기 채널 게인에 대한 조정값만큼 변경하는 리패너를 포함하되, 상기 조정값의 크기는 상기 주파수 영역의 채널 신호가 갖는 주파수가 커짐에 따라 단조 변화(monotonic change)한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이 장치는, 전면에 디스플레이 패널이 설치되는 외장 하우징; 상기 외장 하우징 내에 수납되고, 사운드 소스로부터 생성된 2이상의 채널 신호를 처리하여 출력에 적합한 신호로 렌더링하는 오디오 신호 출력 장치; 및 상기 외장 하우징의 전면에 대향하는 배면 및 상기 외장 하우징의 측면 중 적어도 하나에 설치되고, 상기 렌더링된 신호를 가청 사운드로 변환하여 특정 방향으로 출력하는 2이상의 채널을 갖는 지향성 스피커를 포함하고,
상기 오디오 신호 출력 장치는, 상기 생성된 2이상의 채널 신호를 주파수 변환하여 주파수 영역의 채널 신호를 생성하는 주파수 변환부; 및 상기 생성된 주파수 영역의 채널 신호 중에서 적어도 일부의 채널 신호에 대한 채널 게인을, 상기 채널 게인에 대한 조정값만큼 변경하는 리패너를 포함하되, 상기 조정값의 크기는 상기 주파수 영역의 채널 신호가 갖는 주파수에 따라 적어도 일부가 상이하다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 적어도 하나의 프로세서에 의해 수행되는 오디오 신호 출력 방법은, 상기 사운드 소스로부터 2이상의 채널 신호를 생성하는 단계; 상기 생성된 2이상의 채널 신호를 주파수 변환하여 주파수 영역의 채널 신호를 생성하는 단계; 상기 생성된 주파수 영역의 채널 신호 중에서 적어도 일부의 채널 신호에 대한 채널 게인을, 상기 채널 게인에 대한 조정값만큼 변경하는 단계; 및 상기 채널 게인이 변경된 채널 신호로부터 상기 가청 사운드를 복원하여 출력하는 단계를 포함하되, 상기 조정값의 크기는 상기 주파수 영역의 채널 신호가 갖는 주파수가 커짐에 따라 단조 변화한다.
이러한 본 발명의 실시예들에 따르면, 충분한 성능의 홈씨어터 시스템을 구축하지 않고서도, 오디오 신호 출력 장치 또는 디스플레이 장치에 지향성 스피커와 무지향성 스피커를 적절하게 배치하고, 스피커로 입력되는 신호를 상기 배치에 적합하게 렌더링함으로써, 제약된 실내 환경 내에서 충분한 실감 및 음장감을 제공할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 디스플레이 장치 후면에 배치된 지향성 스피커 사용시에 발생하는 음상의 이분화 현상을 리패닝(re-panning) 과정을 통해 제거함으로써 사용자에게 보다 자연스러운 음감 및 향상된 음질을 제공할 수 있다는 장점도 있다.
도 1은 네트워크를 통해 사운드 소스가 미디어 재생 장치로 제공되는 환경을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 오디오 신호 출력 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이 장치를 앞쪽에서 바라본 정면도이다.
도 4는 도 3의 디스플레이 장치를 위쪽에서 바라본 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 스피커를 보다 자세히 도시한 분해사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 스피커를 보다 자세히 도시한 종단면도이다.
도 7은 디스플레이 장치의 후면에 설치된 지향성 스피커가 갖는 방사 특성을 보여주는 도면이다.
도 8은 무지향성 스피커로 전달된 오디오 신호와 그로부터 일정 거리에 배치된 마이크로폰 측정 신호간 임펄스 응답을 측정한 그래프이다.
도 9는 지향성 스피커에 의해 전달되는 음향 특성을 도시한 그래프이다.
도 10은 도 8 및 도 9에 도시된 특성을 주파수밴드별로 구분하여 도시한 도면이다.
도 11은 도 10에 도시된 바와 같은 주파수별 상이한 전달 경로를 도식적으로 표현한 도면이다.
도 12는 주파수밴드별로 상이한 방사 특성을 도식화한 도면이다.
도 13은 상기 비균일한 음상을 주파수 대역별로 나타낸 모식도이다.
도 14는 조정 주파수 구간 내에서 균일한 음상을 제공하기 위해 리패닝을 수행하는 예를 보여주는 모식도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리기의 보다 자세한 구성을 보여주는 도면이다.
도 16은 룸 내에서 측정 장비에 의해 측정된 신호와 이에 대응하는 룸 게인을 보여주는 그래프이다.
도 17은 도 15의 리패너(re-panner)의 구성을 보다 자세히 보여주는 블록도이다.
도 18a 및 도 18b는 매핑함수의 예를 보여주는 그래프들이다.
도 19a 및 도 19b는 각각 리니어 패닝에서 채널 게인 및 파워를 도시한 그래프들이다.
도 20a 및 도 20b는 각각 페어와이즈 균일 파워 패닝에서 채널 게인 및 파워를 도시한 그래프들이다.
도 21은 코사인/사인 패닝에서 회전 이동되는 위치를 보여주는 모식도이다.
도 22는 VBAP에서 가상 소스 벡터와 두 채널 벡터 간의 관계를 보여주는 모식도이다.
도 23은 주파수 가중치 함수의 일 예를 보여주는 그래프이다.
도 24은 본 발명의 다른 실시예에 따른 신호 처리기의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 오디오 신호 처리 방법을 도시한 흐름도이다.
도 26a 및 도 26b는 각각 본 발명에서 제안하는 리패닝 과정을 적용하지 않았을 때의 주파수밴드 파워 그래프와, 상기 리패닝 과정을 적용했을 때의 주파수밴드 파워 그래프를 보여주는 도면들이다.
도 27a 내지 도 27c는 알려져 있는 다양한 형태의 지향성 스피커들을 예시한 도면들이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 몇몇 실시예들을 설명한다.
도 1은 통신 매체(5)를 통해 사운드 소스가 미디어 재생 장치(7a, 7b, 9a, 9b)로 제공되는 환경을 보여주는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 방송 송신소(1), 위성(2), 스트리밍 서버(3)로부터 제공되는 미디어 스트림은 통신 매체(5)를 통해 미디어 재생 장치(7a, 7b, 9a, 9b)에 전달될 수 있다. 여기서 방송 송신기(1)는 지상파 방송을 전송하기 위한 송신기 또는 중계기이고, 위성(2)은 원거리 간에 데이터나 미디어 전송을 위한 통신용 위성이며, 스트리밍 서버(3)는 IPTV, 케이블 TV를 송출하는 통신망 상의 서버(3)일 수 있다. 통신 매체(5)는 예를 들어, 지상파 방송이나 위성 방송의 경우 공중(air) 매체일 수 있으며, IPTV나 케이블 TV의 경우 구축된 유선 또는 무선 통신망일 수 있다. 상기 통신망은 무선 셀망, 인터넷, WAN(wide area network), LAN(local area network), 유선 전화 네트워크, 케이블망 등을 포함한다.
또한, 미디어 재생 장치(7a, 7b, 9a, 9b)에는 비디오 및 오디오를 함께 재생할 수 있는 디스플레이 장치(7a, 7b)만이 아니라 오디오만 재생할 수 있는 오디오 신호 출력 장치(9a, 9b)를 포괄한다. 상기 디스플레이 장치(7a, 7b)는 대표적으로 텔레비전 장치일 수 잇지만 이에 한하지 않고 모니터, 스마트 폰, 데스크톱 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 네비게이션, 디지털 사이니지(digital signage) 등과 같은 디스플레이를 구비하면서, 비디오 및 오디오를 재생하고 각각 디스플레이 및 스피커를 통해 출력할 수 있는 장치이다.
또한, 상기 오디오 신호 출력 장치(9a, 9b)는 오디오만을 재생하여 출력할 수 있도록 적어도 스피커를 구비하는 장치이다. 예를 들어, 오디오 신호 출력 장치(9a, 9b)는, 라디오 장치, 오디오 장치, 축음기, 음성 인식 스피커 장치, 스피커가 설치된 콤팩트 디스크 플레이어, DAP(Digital Audio Player), 차량용 오디오 장치, 스피커가 설치된 가전 기기, 또는 기타 사운드의 출력 동작을 수행할 수 있는 각종 장치 등을 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이 장치 및 오디오 신호 출력 장치는 적어도, 사운드 소스로부터 오디오를 재생하여 렌더링하기 위한 오디오 신호 처리 장치와, 상기 렌더링된 오디오를 출력하는 스피커를 포함한다. 또한, 개념적으로 상기 디스플레이 장치는 상기 오디오 신호 출력 장치에 더하여, 디스플레이 및 비디오 재생 장치를 더 구비하는 것으로 볼 수 있으므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 오디오 신호 출력 장치는 자체로 완결된 장치에 국한되지 않고, 상기 디스플레이 장치의 일부로서 상기 디스플레이 장치에 탑재된 구성 장치로 구현될 수도 있다.
또한, 전술한 도 1에서는 오디오 내지 사운드 소스는 미디어 재생 장치(7a, 7b, 9a, 9b)의 외부로부터 통신 매체(5)를 통해 제공되는 것으로 예시되어 있다. 그러나, 이에 한하지 않고 상기 사운드 소스가 USB(Universal Serial Bus), SD(Secure Digital) 메모리 카드 등과 같은 휴대용 저장 매체, 광 저장 매체 등을 통해 미디어 재생 장치(7a, 7b, 9a, 9b) 내로 이동될 수도 있다. 또는, 상기 사운드 소스가 미디어 재생 장치(7a, 7b, 9a, 9b) 자체의 하드 디스크 드라이브(HDD), 시스템 메모리(Rom, BIOS 등)에 탑재되어 제공될 수도 있을 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 오디오 신호 출력 장치(100)의 블록도이다.
도 2를 참조하면, 오디오 신호 출력 장치(100)는, 적어도 하나의 프로세서(10)를 구비하고 상기 적어도 하나의 프로세서(10)에 의해 전체적인 동작이 제어되는 오디오 신호 처리 장치(50)와, 복수의 사운드 출력 장치(30a, 30b, 30n)를 포함하며, 기타 구성요소들(11, 12, 13, 14, 15)을 더 포함할 수 있다.
특히, 오디오 신호 처리 장치(50)는 상기 프로세서(10)와 더불어, 사운드 소스로부터 2이상의 채널 신호를 생성하는 채널 처리기(110), 상기 생성된 2이상의 채널 신호를 처리하여 출력에 적합한 신호로 렌더링하는 신호 처리기(130), 및 상기 렌더링된 신호를 출력하는 신호 분배기(150)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 프로세서(10)는, 채널 처리기(110), 신호 처리기(130) 및 신호 분배기(150)의 동작을 제어하도록 전용으로 마련되거나, 다른 구성요소들(11 내지 14)까지 포함한 사운드 출력 장치(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있도록 마련된 것일 수 있다. 그러나, 이에 한하지 않고 상기 프로세서(10)는, 채널 처리기(110), 신호 처리기(130) 및 신호 분배기(150) 중에서 적어도 하나 또는 일부에 통합된 형태로 제공될 수도 있다.
뿐만 아니라, 채널 처리기(110), 신호 처리기(130) 및 신호 분배기(150)도 하나 또는 그 이상의 기능 모듈로 통합되어 형성될 수도 있다. 예를 들면, 채널 처리기(110), 신호 처리기(130)가 통합되어 하나의 신호 처리 모듈로 형성되거나, 신호 처리기(130)와 신호 분배기(150)와 통합되어 하나의 신호 처리 모듈로 형성될 수도 있다. 또는, 채널 처리기(110), 신호 처리기(130) 및 신호 분배기(150) 모두가 통합되어 하나의 신호 처리 모듈로 형성될 수도 있을 것이다.
프로세서(10)는, 예를 들어, 중앙 처리 장치(CPU, Central Processing Unit), 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU, Micro Controller Unit), 마이컴(Micom, Micro Processor), 전자 제어 유닛(ECU, Electronic Control Unit) 또는 애플리케이션 프로세서(AP, Application Processor) 및/또는 각종 연산 처리 및 제어 신호의 생성이 가능한 다른 전자 유닛 등을 포함할 수 있다. 프로세서(10)는, 미리 정의된 애플리케이션(프로그램 또는 앱으로 지칭 가능함)을 구동시키거나, 입력 인터페이스(14)를 통한 사용자의 조작 및 설정에 의해 다양한 제어 동작들을 수행하도록 설계될 수 있다.
또한, 상기 사운드 소스는 복원되었을 때 파동의 형태로 전달 가능한 음성, 음악, 효과음 또는 기타 다양한 포맷을 포함할 수 있다. 여기서, 사운드 소스는 적어도 하나의 채널의 오디오 데이터를 포함하며, 오디오 데이터에 대한 정보를 포함하는 메타 데이터를 더 포함할 수도 있다. 적어도 하나의 채널의 오디오 데이터는, 예를 들어, 2채널, 3채널, 5채널 오디오 데이터 등일 수 있고, 서브우퍼에 의해 재생되는 오디오 데이터를 더 포함하여 2.1 채널, 5.1 채널, 7.1 채널 오디오 데이터 등일 수 있다. 뿐만 아니라, 적어도 하나의 채널 오디오 데이터는, 하이트(height) 효과를 위한 상향 스피커 채널을 더 포함하여 5.1.2 채널, 7.1.4 채널 오디오 데이터 등일 수도 있다. 이외에도 사운드 소스는 설계자가 고려할 수 있는 다양한 형태로 정의되는 오디오 데이터를 포함할 수 있음은 물론이다.
신호 분배기(150)에 의해 출력된 아날로그 신호는 지원되는 채널 수에 따른 복수의 사운드 출력 장치(30a, 30b, 30n)에 의해 가청 사운드(음파)로 방사되어 사용자에 의해 청취될 수 있다. 복수의 사운드 출력 장치(30a, 30b, 30n)는, 프로세서(10)의 제어에 따라서 각각 서로 상이한 사운드를 출력할 수도 있고, 또는 모두 동일한 사운드를 출력할 수도 있다. 상기 복수의 사운드 출력 장치(30a, 30b, 30n)는 오디오 신호 출력 장치(100)에 내장되어 설치된 것일 수도 있고, 또는 오디오 신호 출력 장치(100)와 독립적으로 통신 가능하게 마련된 것일 수도 있다. 상기 복수의 사운드 출력 장치(30a, 30b, 30n)는 상기 렌더링된 신호로부터 가청 사운드를 복원하고 상기 가청 사운드를 특정 방향으로 방사하는 지향성 스피커를 포함할 수 있으며, 상기 지향성 스피커와는 다른 채널 신호의 사운드를 출력하는 무지향성 스피커를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 지향성 스피커는 서라운드 신호(Ls, Rs)를 담당하고, 상기 무지향성 스피커는 프런트 신호(L, R)를 담당하는 스피커를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 상기 무지향성 스피커는 음성과 같이 방향성이 낮은 센터 신호(C)나 우퍼 신호(LFE)를 담당하는 스피커 및 서브우퍼를 더 포함하여 구성될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면 프로세서(10)는, 메모리(11), 유/무선 통신부(12, 13) 또는 입력 인터페이스(14)를 통해 사운드 소스가 전달되면 상기 사운드 소스를 디코딩하여 비압축 형태의 포맷으로 변환한다. 여기서 디코딩이란, MP3(MPEG Layer-3), AAC(Advanced Audio Coding), AC-3(Audio Codec-3), DTS(Digital Theater System), FLAC(free lossless audio codec), WMA(Windows Media Audio) 등 오디오 압축 포맷에 의해 압축된 오디오 데이터를 비압축 형태의 오디오 데이터로 복원하는 과정을 의미한다. 물론, 사운드 소스가 압축되어 있지 않다면 이러한 디코딩 과정은 생략될 수 있다. 상기 복원된 오디오 데이터는 하나 이상의 채널을 포함할 수 있다. 예를 들어, 사운드 소스가 5.1 채널의 오디오 데이터인 경우에 상기 하나 이상의 채널은 서브우퍼 신호를 포함하여 6개의 채널(L, R, C, LFE, Ls, Rs)이 될 것이다. 이와 같이, 프로세서(10)는 채널 처리기(110)에 상기 복원된 오디오 데이터를 제공함과 동시에, 채널 처리기(110), 신호 처리기(130) 및 신호 분배기(150)의 동작을 제어하기 위한 제어(control) 신호를 생성하여 전달한다.
채널 처리기(110)는 상기 제공된 오디오 데이터가 사운드 출력 장치 내지 스피커 장치(30a, 30b, 30n)의 수와 대응되는지를 판단하고 필요에 따라 채널 매핑을 수행할 수 있다. 예를 들어, 사운드 소스가 채널 처리기(110)의 입력 채널 수보다 상대적으로 적은 채널 수의 오디오 데이터를 포함하는 경우, 채널 처리기(110)는 업-믹싱(up-mixing)을 수행하여 사운드 소스의 채널을 더 증가시켜 신호 처리기(130)에 제공한다. 또한, 반대로 사운드 소스가 스피커 장치(30a, 30b, 30n)의 수보다 상대적으로 많은 수의 채널의 오디오 데이터를 포함하는 경우, 채널 처리기(110)는 다운-믹싱(down-mixing)을 수행하여 사운드 소스의 채널이 스피커 장치(30a, 30b, 30n)의 수에 대응하도록 감소시킬 수도 있다. 물론, 사운드 소스의 채널 수가 스피커 장치(30a, 30b, 30n)의 수와 동일하다면 신호 처리기(110)는 별도의 업-믹싱이나 다운-믹싱 처리를 수행하지 않을 수 있다.
신호 처리기(130)는 채널 처리기(110)로부터 입력되는 복수의 채널 신호를 처리하여 출력에 적합한 신호로 렌더링하여 신호 분배기(150)에 제공한다. 특히, 신호 처리기(130)는 상기 생성된 복수의 채널 신호를 주파수 변환하여 주파수 영역의 채널 신호를 생성한 후, 상기 생성된 주파수 영역의 채널 신호 중에서 조정 주파수 구간에 속하는 주파수 영역의 채널 신호에 대한 채널 게인을 대응되는 조정값만큼 변경한다. 신호 처리기(130)는 또한 실내 공간 내의 반사 특성이나 스피커 장치(30a, 30b, 30n)에 포함된 지향성 스피커(30-1, 30-2)의 지향성을 고려하여 신호 처리를 수행하기 때문에, 사용자는 오디오 신호 출력 장치(100)로부터 더욱 실감나는 사운드를 청취할 수 있게 된다. 신호 처리기(130)에서 수행되는 보다 구체적인 동작은 도 3을 참조하여 후술하기로 한다.
전술한 채널 처리기(110) 및 신호 처리기(130)는 물리적으로 분리 가능한 것일 수도 있고, 또는 논리적으로 분리 가능한 것일 수도 있다. 물리적으로 분리 가능한 경우, 상술한 채널 처리기(110) 및 신호 처리기(130)는 각각 별도의 회로나 반도체 칩을 이용하여 구현될 수 있다.
신호 분배기(150)는 신호 처리기(130)에서 렌더링된 오디오 신호에 대해 채널 매핑을 수행할 수 있다. 구체적으로, 신호 분배기(150)는 각각의 채널을 복수의 스피커 장치(30a, 30b, 30n)에 분배하여 출력할 오디오 데이터를 결정할 수 있다. 이 경우, 신호 분배기(150)는 별도로 제공된 메타 데이터를 기반으로 각각의 채널을 복수의 스피커 장치(30a, 30b, 30n)에 분배할 수도 있다. 이상의 과정에 따라 복수의 스피커 장치(30a, 30b, 30n) 각각이 출력할 오디오 데이터가 결정된다.
한편, 신호 분배기(150)는 채널 매핑에 의해 출력되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 DAC 회로(Digital-Analog Converter) 및/또는 상기 아날로그 신호를 증폭하는 신호 증폭기(signal amplifier)를 더 포함할 수 있다. 이와 같이, 아날로그 신호로 변환되어 증폭된 신호는 통상의 패시브 스피커들로 전달되어 가청 사운드로 변환될 수 있다. 다만, 스피커 장치(30a, 30b, 30n) 자체에 신호 증폭기가 구비된 액티브 스피커나, DAC가 장착된 스피커들이 구비된 환경, 또는 별도의 오디오 리시버나 앰프 장치가 구비된 환경에서는 이와 같은 신호 분배기의 DAC나 증폭 기능을 생략될 수도 있을 것이다.
다시 도 2를 참조하면, 오디오 신호 출력 장치(100)는, 메모리(11), 무선 통신부(12), 유선 통신부(13) 및 입력 인터페이스(14) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며 시스템 버스(15)에 의해 프로세스(10)와 전기적으로 연결되어 있을 수 있다. 메모리(11), 무선 통신부(12), 유선 통신부(13) 및/또는 입력 인터페이스(14)는, 각각 독립적으로 또는 함께 동작하여 프로세서(10)에 사운드 소스를 제공할 수 있도록 마련된다.
메모리(11)는 사운드 소스를 일시적 또는 비일시적으로 저장하고, 프로세서(10)의 호출에 따라서 사운드 소스를 프로세서(10)에 전달한다. 또한, 메모리(11)는, 프로세서(10)의 연산, 처리 또는 제어 동작 등에 필요한 각종 정보를 전자적 포맷으로 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리(11)는 프로세서(10)의 동작에 필요한 각종 데이터나, 애플리케이션이나, 필터나, 알고리즘 등의 전부 또는 일부를 저장하고 있을 수 있으며, 필요에 따라서 이를 프로세서(10)에 제공할 수 있다. 여기서, 애플리케이션은 무선 통신부(12) 또는 유선 통신부(13)를 통해 접속 가능한 전자 소프트웨어 유통망을 통하여 획득된 것일 수 있다.
메모리(11)는, 예를 들어, 주기억장치 및 보조기억장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 주기억장치는 롬(ROM) 및/또는 램(RAM)과 같은 반도체 저 장 매체를 이용하여 구현된 것일 수 있다. 롬은, 예를 들어, 통상적인 롬, 이피롬(EPROM), 이이피롬(EEPROM) 및/또는 마스크롬(MASK-ROM) 등을 포함할 수 있다. 램은 예를 들어, 디램(DRAM) 및/또는 에스램(SRAM) 등을 포함할 수 있다. 보조기억장치는, 플래시 메모리 장치, SD(Secure Digital) 카드, 솔리드 스테이트 드라이브 (SSD, Solid State Drive), 하드 디스크 드라이브(HDD, Hard Disc Drive), 자기 드럼, 컴팩트 디스크(CD), 디브이디(DVD) 또는 레이저 디스크 등과 같은 광 기록 매체(optical media), 자기 테이프, 광자기 디스크 및/또는 플로피 디스크 등과 같이 데이터를 영구적 또는 반영구적으로 저장 가능한 적어도 하나의 저장 매체를 이용하여 구현될 수 있다.
무선 통신부(12)는, 외부의 서버 장치(1, 2, 3) 중 적어도 하나와 무선 통신 네트워크를 기반으로 통신 가능하게 마련되며, 다른 단말 장치나 서버 장치로부터 사운드 소스를 수신하고 수신한 사운드 소스를 프로세서(10)로 전달한다. 이러한 무선 통신부(12)는 전자기파를 외부로 송신하거나 또는 외부에서 전달된 전자기파를 수신할 수 있는 안테나, 통신 칩 및 기판 등을 이용하여 구현될 수 있다.
또한, 무선 통신부(12)는, 무선 통신 기술을 이용하여 외부의 서버 장치(1, 2, 3) 중 적어도 하나와 통신을 수행할 수 있도록 마련되거나, 이동 통신 기술을 이용하여 원격지에 위치한 서버 장치(1, 2, 3) 중 적어도 하나와 통신을 수행할 수 있도록 마련된 것일 수도 있다.
이러한 무선 통신 기술로는, 예를 들어, 블루투스(Bluetooth), 저전력 블루투스(Bluetooth Low Energy), 캔(CAN) 통신, 와이 파이(Wi-Fi), 와이파이 다이렉트(Wi-Fi Direct), 초광대역 통신(UWB, ultra-wide band), 지그비(zigbee), 적외선 통신(IrDA, infrared Data Association) 또는 엔에프씨(NFC, Near Field Communication) 등을 포함하며, 상기 이동 통신 기술로는, 3GPP, 와이맥스(Wi-Max), LTE(Long Term Evolution) 등을 포함한다.
유선 통신부(13)는 외부의 서버 장치(1, 2, 3) 중 적어도 하나와 유선 통신 네트워크를 기반으로 통신 가능하게 마련되며, 다른 단말 장치나 서버 장치로부터 사운드 소스를 수신하고 수신한 사운드 소스를 프로세서(10)로 전달한다. 여기서, 유선 통신 네트워크는, 예를 들어, 페어 케이블, 동축 케이블, 광섬유 케이블 또는 이더넷 케이블 등 물리적인 케이블을 이용하여 구현 가능하다.
다만, 무선 통신부(12) 및 유선 통신부(13)는 실시예에 따라 어느 하나가 생략될 수도 있다. 따라서, 오디오 신호 출력 장치(100)는 무선 통신부(12)만을 포함하거나 유선 통신부(13)만을 포함할 수 있다. 뿐만 아니라, 오디오 신호 출력 장치(100)는 무선 통신부(12)에 의한 무선 접속과 유선 통신부(13)에 의한 유선 접속을 모두 지원하는 통합된 통신부를 구비할 수도 있다.
입력 인터페이스(14)는, 오디오 신호 출력 장치(100)와 별도로 마련된 다른 장치, 예를 들어 외부 저장 장치와 연결 가능하게 마련되며, 다른 장치로부터 사운드 소스를 수신하고 수신한 사운드 소스를 프로세서(10)로 전달할 수 있다. 예를 들어, 입력 인터페이스(14)는, 범용 직렬 시스템 버스(USB: Universal Serial Bus) 단자일 수 있으며, 이외에도 HDMI(High Definition Multimedia Interface) 단자나, 썬더볼트 단자 등과 같은 다양한 인터페이스용 단자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이 장치(200)를 앞쪽에서 바라본 정면도이고, 도 4는 상기 디스플레이 장치(200)를 위쪽에서 바라본 평면도이다. 디스플레이 장치(200)는 전술한 바와 같이 오디오 신호 처리 장치(50) 및 스피커 장치(30)를 포함하여 구성될 수 있다. 오디오 신호 처리 장치(50)는 디스플레이 장치(200)에 내장되거나 별도로 연결되어 있을 수 있는데 도 3에서는 그 도시가 생략되어 있다.
디스플레이 장치(200)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 디스플레이 패널(201)과 디스플레이 패널(201)을 고정하면서 내측에 디스플레이 장치(200)의 동작 에 관련된 각종 부품을 내장 가능한 하우징(210)을 포함할 수 있다. 디스플레이 패널(201)은, 화상을 표시하여 사용자에게 제공한다. 디스플레이 패널(201)은, 예를 들어, 액정을 이용하는 액정 디스플레이(LCD, Liquid Crystal Display), 단독으로 발광하는 발광 다이오드(LED, Light Emitting Diode)를 이용하는 디스플레이 패널, 유기 발광 다이오드(OLED, Organic Light Emitting Diode) 내지 능동형 유기 발광 다이오드(Active-Matrix Organic Light Emitting Diode)를 이용하는 디스플레이 패널, 또는 QD(Quantum Dot) 디스플레이 패널 등을 포함할 수 있다.
또한, 디스플레이 장치(200)는 필요에 따라 디스플레이 패널(201)에 광을 공급하기 위한 백 라이트 유닛(미도시, BLU, Back Light Unit)을 더 포함할 수도 있으며, 백 라이트 유닛은 하우징(210)에 내장되어 있을 수 있다. 디스플레이 패널(201)은 실시예에 따라 리지드(Rigid) 디스플레이 패널일 수도 있고, 또는 플렉서블(flexible) 디스플레이 패널일 수도 있다.
하우징(210)은, 전방에 디스플레이 패널(201)이 노출되어 설치되고, 바람직하게는 후면(210h)에 지향성 스피커(30-1, 30-2)가 설치될 수 있도록 마련된다. 다만, 지향성 스피커(30-1, 30-2)가 반드시 디스플레이 패널(201)의 후면에 설치되어야 하는 것은 아니고, 방사된 음파가 사용자에게 직접 전달되지 않고 반사되는 경로가 일부라도 존재하기만 한다면, 디스플레이 패널(201)의 상면, 측면, 하면 등 다른 위치에 설치될 수도 있다.
실시예에 따라서, 하우징(210)에는 디스플레이 장치(200)를 지지하기 위한 스탠드(203)가 더 구비될 수 있다. 스탠드(203)는, 디스플레이 장치 (100)의 저면이나 후면(210h) 등 적절한 위치에 설치될 수 있다. 디스플레이 장치(200)가 벽면에 장착되도록 마련된 경우에는, 스탠드(203)는 생략 가능하다.
하우징(210)의 후면(210h)의 일 위치에는 지향성 스피커(30-1, 30-2)가 설치될 수 있으며, 이와 다른 위치에 추가 스피커(30-3, 30-4)를 더 포함할 수 있다. 지향성 스피커(30-1, 30-2)의 설치를 위해 하우징 후면(210h)에 별도의 수용 브라켓(204-1, 40-2)이 더 구비될 수 있다. 또한, 상기 추가 스피커(30-3, 30-4)는 실시예에 따라 지향성 또는 무지향성 스피커일 수 있지만, 이하 본 발명의 실시예에서는 무지향성 스피커를 예로 들어 설명하는 것으로 한다.
이러한 무지향성 스피커(30-3, 30-4)는 통상적인 스피커 장치를 이용하여 구현 가능하며, 하우징(210)에서 전방향 또는 하방향으로 형성된 통공을 통해 가청 사운드를 방사하도록 하우징(210) 내에 설치될 수 있다. 도 3의 실시예에서, 디스플레이 장치(200)는 두 개의 무지향성 스피커를 구비하는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한하지 않고 하나의 무지향성 스피커만을 구비하거나, 센터 스피커 및/또는 서브우퍼를 포함하여 셋 이상의 무지향성 스피커를 구비할 수도 있다.
지향성 스피커(30-1, 30-2)는 하우징 (210)의 후면(210h)에 설치되는 것이 바람직하나 이에 한하지 않고, 디스플레이 장치(200)의 전체적인 두께를 감소시키기 위해 후면(210h)의 상단부에 설치될 수도 있다. 또한, 지향성 스피커(30-1, 30-2)는 도 3에 도시된 바와 같이 하우징 후면(210h)의 상단부에 근접하여 설치되는 것이 바람직하나, 하우징 후면(210h)의 중단부나 하단부에 근접하여 설치될 수도 있을 것이다.
또한, 지향성 스피커(30-1, 30-2)는 각각의 사운드 생성부(도 5의 31)가 중심 쪽을 향하고, 캡(도 5의 34)이 좌측 또는 우측 경계를 향하도록 설치될 수 있다. 이 경우, 지향성 스피커(30-1, 30-2)는 하우징(210)의 상측 경계와 대체적으로 평행하게 하우징 후면(210h)에 설치된다. 물론, 지향성 스피커(30-1, 30-2)는 하우징(210)의 상측 경계와 소정의 각도로 기울어져 후면(210h)에 설치되는 것도 가능하다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 스피커(30-1)를 보다 자세히 도시한 분해사시도 및 종단면도이다. 지향성 스피커(30-2)도 지향성 스피커(30-1)와 배치에만 차이가 있을 뿐이고 구조적으로 동일하므로, 이하 지향성 스피커(30-1)에 대해서 설명하기로 한다.
지향성 스피커(30-1)는 도 5 및 6에 도시된 바와 같이 종단 방사기(end-fire radiator)의 구조를 갖는다. 구체적으로 지향성 스피커(30-1)는, 사운드를 발생시키는 사운드 생성부(31)와, 중공의 관 형상으로 형성되며 사운드 생성부(31) 측에서 전달된 사운드가 외부로 방사되도록 안내하는 가이드 관(32)과, 사운드 생성부(31)과 가이드 관(32) 사이에 배치되어 일단에 사운드 생성부(31)이 설치되고 타단이 가이드 관(32)의 일단과 연결되는 스로트 관(33)과, 개방된 가이드 관(32)의 타단을 덮는 캡(34)을 포함할 수 있다.
사운드 생성부(31)는 도 5에 도시된 바와 같이 전기 신호를 전달받아 자력을 발생시키는 전자석(31a)과, 전자석(31a)에 의해 진동하며 사운드를 발생시키는 다이아프램(31b)을 포함한다. 스로트 관(33)은 중공의 관 형상으로 형성되되, 스로트 관(33)의 내 부는 점진적으로 증가하는 폭을 갖도록 형성된다. 따라서 스로트 관(33)은 사운드 생성부(31)에서 발생한 사운드를 가이드 관(32)으로 안내하되, 급격한 압력 변화에 따라 발생할 수 있는 노이즈를 감소시킬 수 있도록 되어 있다.
가이드 관(32)은 도 5에 도시한 바와 같이 적어도 하나의 측면에 가이드 관(32)의 길이 방향으로 나란히 마련되어 사운드가 외부로 방사될 수 있도록 하는 복수의 방사공(32a)들을 포함할 수 있다. 복수의 방사공(32a)들은 서로 동일한 간격으로 이격되어 가이드 관(32)의 적어도 하나의 측면에 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 방사공(32a)들은 사운드 생성부(31) 측에 위치 한 가이드 관(32)의 일단 측에서 그 반대측에 위치한 타단 측으로 진행하며 증가하는 크기를 갖도록 형성될 수 있다. 이는 가이드 관(32)의 타단 측에 위치한 방사공 (32a)을 통해서 보다 많은 양의 사운드가 방사되도록 함으로써 가이드 관(32)의 길이 방향과 대응하는 방향으로 형성되는 사운드의 지향성이 보다 증가될 수 있도록 하기 위한 것이다.
또한, 복수의 방사공(32a)들은 도 5에 도시된 바와 같이 가이드 관(32)의 하나의 측면에 하나의 열로 배치될 수도 있으나, 실시예에 따라서, 복수의 방사공(32a)들이 가이드 관(32)의 하나의 측면에 복수의 열로 배치되는 것도 가능하다. 또한, 복수의 방사공(32a)들이 가이드 관(32)의 복수의 측면 에 하나 또는 복수의 열로 배열되는 것도 가능하다. 중공으로 형성된 가이드 관(32)은 그 내부가 대략 사각형 단면을 갖도록 형성될 수 있다. 그러나, 이는 예시적인 것으로 실시예에 따라서 그 내부는 원형이나 삼각형 등과 같은 다른 단면을 갖는 것도 가능하다.
중공으로 형성된 가이드 관(32)은 방사공(32a)들이 형성된 면이 사운드가 방사되는 방사면(32b)을 형성한다. 상술한 바와 같이 가이드 관(32)의 방사면(32b)에 방사공(32a)들이 일렬로 마련되도록 하면, 스로트 관(33)를 통해 전달된 사운드는 가이드 관(32)을 통과하는 과정에서 방사공(32a)들 각각을 통해 사운드의 일부가 외부로 방사된다.
사운드는 공기를 매질로 하는 압력 변화에 의해 전파되는 음파이므로, 가이드 관(32)에 일렬로 마련된 방사공(32a)들을 통해 시차를 가지고 방사된 사운드들은 서로 소멸 간섭 및 보강 간섭을 하게 되며, 이와 같이 사운드들이 서로 간섭하는 과정에서 가이드 관(32)의 길이 방향에 대응하는 방향으로의 지향성을 갖는다. 이에 따라 지향성 스피커(30-1, 30-2)는 상술한 방사공(32a)들이 마련된 가이드 관(32)의 구조로 인해 지향성 스피커(30-1, 30-2)로 동작할 수 있게 된다.
가이드 관(32)에 전달된 사운드는 가이드 관(32)을 통과하는 과정에 서 방사공(32a)들을 통해 차례로 방사된다. 따라서, 만약 가이드 관(32)의 내부 단면적이 점진적으로 감소되도록 하면, 가이드 관(32)을 통과하는 과정에는 음압이 점진적으로 감소함에도 불구하고, 가이드 관(32)의 타단 측에 인접한 방사공(32a)에 서도 다른 방사공(32a)들과 동일한 수준의 사운드가 방사되도록 할 수 있게 된다.
또한, 가이드 관(32)의 내부의 단면적이 가이드 관(32)의 일단에서 타단으로 진행하며 점진적으로 줄어들도록 하면, 가이드 관(32)을 통과하는 사운드 의 대부분은 방사공(32a)들을 통해 외부로 방사되므로, 사운드 생성부(31)에서 발생한 사운드가 보다 효율적으로 외부로 방사된다. 또한, 이와 같이 방사공(32a)을 통해 외부로 방사되는 사운드가 많아질수록 가이드 관(32)의 타단 측에 위치한 캡 (34)에 전달되는 사운드는 감소하게 된다. 즉, 가이드 관(32) 내부의 단면적이 줄어들도록 함으로써 캡(34)에 도달한 사운드가 사운드 생성부(31)측으로 다시 반사될 경우 발생하는 노이즈를 감소시킬 수 있다.
방사면(32b)은 도시한 바와 같이 가이드 관(32)의 길이 방향과 예각을 이루도록 연장될 수 있다. 방사공(32a)은 상술한 바와 같이 방사면(32b)에 마련되어 있으므로, 사운드는 방사면(32b)에 의해 안내되어 방사된다. 지향성 스피커(30-1, 30-2)(30)의 방사면(32b)이 가이드 관(32)의 길이 방향에 대해 소정의 각도(θ)를 가질 수 있다. 사운드는 방사면(32b)에 의해 안내되어 방사되므로, 가이드 관(32)의 길이 방향과 방사면(32b)이 이루는 각도(θ)에 따라서 지향성 스피커(30-1, 30-2)(30)의 지향성이 변화한다. 구체적으로 가이드 관(32)의 길이 방 향과 방사면(32b)이 이루는 각도(θ)증가하면 증가할수록 지향성 스피커(30-1, 30-2) (30)의 지향성은 이에 거의 대응하여 증가한다.
캡(34)은 개방된 가이드 관(32)의 타단에 설치되어 가이드 관(32)의 타단을 폐쇄하도록 마련된다. 또한 가이드 관(32)의 타단과 대향되는 캡(34)의 내면은 점진적으로 감소하는 상하 폭을 갖도록 형성되며, 서로 만나 대략 V자 형상을 홈(34a)을 형성한다. 이에 따라 캡(34)에 도달한 사운드는 캡(34)의 내면에 의해 반사되면서 소멸 간섭하게 되고, 가이드 관(32)의 타단에 도달한 사운드가 다시 사운드 생성부(31)측으로 반사될 경우 발생하는 노이즈가 보다 감소하게 된다.
도 7은 디스플레이 장치(200)의 후면에 설치된 지향성 스피커(30-1, 30-2)가 갖는 방사 특성을 보여주는 도면이다. 상술한 바와 같이, 지향성 스피커(30-1, 30-2)가 방사공 (32a)이 상방향으로 노출되도록 후면(210h)의 상단 경계 부근에 형성된 수용 브라켓(40-1, 40-2)에 설치되어 있다. 이 때, 도 7에 도시된 바와 같이 지향성 스피커(30-1, 30-2)에서 방출된 사운드는, 디스플레이 장치 (100)의 양측 상단 모서리 주변에, 상방향, 측방향 및 후방향을 포함하는 범위(Z1) 내에서 퍼지게 된다. 이 경우, 상방향으로는 상대적으로 낮은 주파수(f1)의 사운드가 방사되고, 측방향으로는 상대적으로 높은 주파수(f2)의 사운드가 방사된다.
이와 같이, 디스플레이 장치(200)의 후면에 설치된 지향성 스피커(30-1, 30-2)가 갖는 방사 특성은 몇가지 물리적 특성을 나타낸다. 먼저, 디스플레이 패널(201)로 인해 지향성 스피커(30-1, 30-2)에서 방사되는 사운드가 직접 사용자에게 전달되지 않는다. 또한, 지향성 스피커(30-1, 30-2)에서 방사되는 사운드의 지향성이 상기 디스플레이 패널(201)에서 반사됨으로 인해 변화된다. 그리고, 일반 사용자의 룸 환경을 고려할 때, 지향성 스피커(30-1, 30-2)에 의해 방사되는 사운드는 천정 및 좌우 벽면에 의해 반사되어 다중 경로(multi-path)를 통해 사용자에게 전달된다. 이러한 물리적 특성에 따른 지향성 스피커(30-1, 30-2)로부터 방사되는 사운드가 시청자에게 전달되는 경로 및 그 성질에 대해서 보다 자세히 살펴본다.
먼저, 무지향성 스피커(30-3, 30-4)에 의해 전달되는 음향 특성이 도 8에 도시된다. 여기서, 가로축은 시간을 나타내고 세로축은 음파의 진폭을 나타낸다. 구체적으로 도 8은 무지향성 스피커(30-3, 30-4)로 전달된 오디오 신호와 그로부터 일정 거리(1m)에 배치된 마이크로폰 측정 신호간 임펄스 응답(impulse response)을 측정한 그래프이다.
도시된 바와 같이, 무지향성 스피커(30-3, 30-4)와 마이크로폰 간의 거리에 해당되는 3ms에서 직접파에 의한 피크(P1)가 발생한다. 또한, 그 후 바닥면에 의한 반사에 의해 6.5ms 근처에서 두번째 피크(P2)가 발생한다. 이는 지향성 스피커(30-3, 30-4)로 전달된 신호는 주파수에 독립적으로 마이크로폰으로 도달함을 나타낸다.
한편, 지향성 스피커(30-1, 30-2)에 의해 전달되는 음향 특성은 도 9에 도시된다. 여기서도 측정 환경 및 가로축, 세로축의 의미는 도 8과 동일하다. 지향성 스피커(30-1, 30-2)는 디스플레이 장치(200)의 후면에 배치되었으며 마찬가지로 임펄스 응답을 측정하여 도 9에 도시되었다. 먼저, 지향성 스피커(30-1, 30-2)와 마이크로폰 간의 직접적 경로(direct path)는 디스플레이 패널에 의해 차단되어 있으므로 스피커와 마이크로폰 간 간격에 해당되는 3ms 근방에서 피크가 존재하지 않는다. 그 이후 무지향성 스피커(30-3, 30-4)와 달리 다양한 경로를 통해 마이크로폰으로 음파가 전달되는 것을 확인할 수 있다.
도 8 및 도 9에 도시된 특성을, 주파수밴드별로 구분하여 도시하면 도 10에 도시된 바와 같다. 도 10에서 가로축은 1/3 옥타브 대역(octave band)이고 세로축은 시간축을 나타낸다. 도 10에서 알 수 있듯이, 주파수 대역별로 피크가 발생하는 시간축 상의 위치가 상이함을 알 수 있다. 대략 2.2kHz 이하 음파(CDS2)는 10~13ms 내외의 지연시간을 가지고 마이크로 폰에 전달되고 있는 반면, 2.2kHz 이상의 음파에서는 전달 경로가 두개로 분기되는 것을 확인할 수 있다.
이 중 하나(CDS3)는 17~22ms 내외의 지연시간을 가지고 전달되는 음파이며, 다른 하나(CDS1)는 다른 경로를 통해 7~8ms 내외의 지연시간을 가지고 전달되는 음파이다. 결국, 대략 2.2kHz 이하의 음파(CDS2)는 천정 반사를 통해 마이크로 폰으로 전달되며, 대략 2.3kHz 이상의 음파는 후면 벽면에서 반사된 신호(CDS1) 또는 좌우측 벽면에서 반사된 신호(CDS3)로 마이크로 폰으로 전달되는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일시예에 따른 지향성 스피커(30-1, 30-2)를 디스플레이 장치(200)의 후면(210h)에 배치할 경우, 주파수에 따라 전달 특성이 다른 형태로 시청자에게 전달된다는 것을 알 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같은 주파수별 상이한 전달 경로를 도식적으로 표현하면 도 11과 같다. 도 11을 참조하면, 우측 지향성 스피커(30-2)로부터 방사된 음파는 대략 4개의 반사 경로(R1~R4)를 통해 사용자(20)에게 전달될 수 있다. 먼저, 1.1~2.2kHz의 저주파수의 음파는 천정(21)에서 반사되는 경로(R1)를 통해 사용자(20)에게 전달된다. 물론 이보다도 낮은 주파수의 음파는 반사되지 않고도 방향성이 없이 회절되어 사용자(20)에게 전달될 수 있다.
또한, 이보다 높은 4~9kHz의 음파는 천정(21)을 거치지 않고 후면 벽면(23)에서 반사되는 경로(R2)로 사용자(20)에게 전달된다. 그리고, 천정(21) 및 측 벽면(22b)에서 모두 반사되는 경로(R3) 또는 우측 벽면(22b)에서 반사되는 경로(R4)로 2.2~10kHz의 음파가 사용자(20)에게 전달된다. 도 11에 도시된 경로들은 우측의 지향성 스피커(30-2)를 기준으로 표시한 것이다. 만약, 우측 벽면(22b)이 좌측 벽면(22a)과 좌우대칭으로 위치한다면, 좌측의 지향성 스피커(30-1)에 의한 음파의 반사 경로도 도 11에 도시된 경로에 대해 좌우대칭으로 형성될 것이다.
이와 같이 지향성 스피커(30-1, 30-2)가 갖는 지향성, 그리고 디스플레이 장치(200)의 후면에 배치된 특성, 그리고 천정, 후면 벽면, 측 벽면 등의 룸 구조로 인해, 지향성 스피커(30-1, 30-2)에서 방사되는 음파는 그 주파수에 따라 상이한 경로로 반사되어 전달되는 특성을 갖는다. 따라서, 이러한 환경은 일점 소스(point-source)의 가정이 성립하지 않기 때문에, 지향성 스피커(30-1, 30-2)의 디스플레이 장치(200) 내의 배치 및 룸 환경에 따른 사운드 특성을 고려한 실감 오디오 렌더링 방식이 요구된다.
구체적으로, 도 10에서 도시된 주파수밴드 별로 상이한 전파 특성(지연시간)은, 지향성 스피커(30-1, 30-2)가 디스플레이 장치(200)의 후면에 고정적으로 배치되더라도 관찰될 수 있다. 즉, 지향성 스피커(30-1, 30-2)가 가지는 주파수별로 상이한 방사 방향으로 인해, 주파수별로 반사 위치도 달라질 수 있다.
따라서, 이러한 주파수밴드별로 상이한 방사 특성을 도식화하면 도 12에 도시된 바와 같다. 디스플레이 장치(200)의 후면에 배치된 지향성 스피커(30-1, 30-2)에서 방사된 음파 중에서 2.2kHz 미만의 성분은 중앙 평면(MP: median plane)에 근접한 위치(25a, 25b)에서 천정에 반사된다. 또한, 상기 방사된 음파 중에서 2.2kHz를 초과하는 성분은 중앙 평면(MP)에서 이격된 위치(24a, 24b)에서 좌우측 벽면에 반사된다. 이 때, 사용자(20)는 반사가 발생하는 위치에서 소리가 발생하는 것(즉, 가상 사운드 소스가 존재하는 것)으로 인지하게 된다.
이러한 측 벽면에 의한 반사의 위치(24a, 24b)는 룸 환경에 따라 상이할 수 있지만 측면 방향으로 대략 30~40도 사이에서 형성될 수 있다. 즉, 2.2kHz를 기준으로 이하 영역에서는 천정 반사에 의해 음상이 맺히는 위치가 중앙 평면에 근접함에 비해, 그 이상의 주파수 영역에 대해서는 좌우측 벽면 반사가 발생하기 때문에 음상이 맺히는 위치가 중앙 평면에서 급격히 이격된다는 점을 확인할 수 있다.
한편, 방사된 음파의 후면 벽면에 의한 반사는 그 앞에 위치한 디스플레이 장치(200)의 방향에서 발생하므로 무지향성 스피커(30-3, 30-4)의 음파와 믹스될 가능성이 높다. 따라서, 이하 본 명세서의 리패닝(re-panning) 과정에서는 지향성 스피커(30-1, 30-2)에서 방사되어 후면 벽면에서 반사된 음파에 의한 영향은 무시하는 것으로 한다.
결국, 주파수별 상이한 전파 및 반사 경로에 의해 특정 주파수 대역(예: 2.2kHz)에서 음상의 위치가 균일하지 않고 분리되는 현상, 즉 주파수 이분화 현상이 발생한다. 이러한 비균일한 음상은 주파수의 변화에 따라 일부 주파수 구간에서 점프하는 현상을 일으킨다. 이는 음질 및 3차원 입체 오디오(3D Spatial Audio) 효과에 악영향을 끼칠 수 있으며 또한 사용자의 피로도를 증가시킨다. 예를 들면, 시간에 따라 사운드의 주파수가 상승하는 장면(예: 사용자를 통과하여 지나가는 자동차의 소리)에서 사용자(20)는 어떠한 주파수 위치에서 갑자기 음상이 공간적으로 점프하는 매우 부자연스러운 음감을 느끼게 된다. 따라서, 이와 같은 비균일한 음상을 제거하고 특정 음상의 크기를 증대할 수 있는 신호 처리 과정이 필요하다.
도 13은 상기 비균일한 음상을 주파수 대역별로 나타낸 모식도이다. 여기서, 세로축은 주파수를 나타내고, 가로축은 공간적 좌우 위치를 나타낸다. 상기 좌우 위치의 가장 좌측은 좌측 벽면(22a)으로, 가장 우측은 우측 벽면(22b)으로 이해할 수 있다.
도 13을 참고하면 중앙 평면으로부터의 근접 위치(25a, 25b)에서 반사된 음파의 음상들(27a, 27b)은 1.0~2.2kHz의 저주파 대역으로서 주파수에 상관없이 상기 근접 위치(25a, 25b)에 형성된다. 또한, 중앙 평면으로부터의 이격 위치(26a, 26b)에서 반사된 음파의 음상들(28a, 28b)은 2.2~10kHz의 고주파 대역으로서 주파수에 상관없이 상기 이격 위치(26a, 26b)에 형성된다. 따라서, 2.2kHz 근처의 천이 구간에 속하는 사운드에는 상기 주파수 이분화 현상이 발생될 수 있다.
도 14는 조정 주파수 구간 내에서 균일한 음상을 제공하기 위해 리패닝(re-panning)을 수행하는 예를 보여주는 모식도이다. 도 13과 비교하면 1.0~2.2kHz의 저주파 대역에서는 음상의 위치가 변화되지 않았지만, 2.2~10kHz의 고주파 대역에서는 주파수가 낮을수록 리패닝을 위한 조정값(JR1 내지 JR5, JL1 내지 JL5)을 크게 부여하여 2.2kHz 근처의 천이 구간에서도 음상의 분리가 발생하지 않게 된다. 상기 조정 주파수 구간이란 이와 같은 리패닝이 적용되는 구간을 의미하며, 도 14의 예에서는 2.2~10kHz의 구간이다. 여기서, 1.0~2.2kHz의 저주파 대역에는 리패닝을 적용하지 않는 이유는 저주파의 음파는 지향성이 낮고 실제로 중앙 평면의 근처, 즉 디스플레이 장치(200)의 부근에 음상이 형성되므로 리패닝의 필요성이 낮기 때문이다. 또한, 10kHz 이상의 구간까지 리패닝을 적용하지는 않는 이유는 룸 환경의 좌우 벽면(22a, 22b)으로 인한 패닝의 한계가 존재할 뿐만 아니라, 지나친 패닝은 오히려 음질을 감소시키기 때문이다.
이와 같이, 조정 주파수 구간은 하한 주파수와 상한 주파수에 의해 정의될 수 있지만, 반드시 이에 한하는 것은 아니고 하한 주파수나 상한 주파수 중 어느 하나가 제거될 수도 있다. 가장 극단적으로는 0.02~20kHz의 가청 주파수 범위 전체를 조정 주파수 구간으로 설정할 수도 있을 것이다.
이와 같이, 특정 위치에서 형성되는 음상(가상 소스)의 위치를, 복수의 스피커(예: 좌우의 2채널 스피커)의 채널 게인을 조절함으로써 변경하는 과정은, 일반적으로 패닝 조정 또는 리패닝(re-panning)이라고 명명될 수 있다. 이하, 본 명세서에서는 도 14와 같이 특정 주파수에서 음상이 분리되는 것을 방지하기 위한 채널 게인의 조절 과정을 통칭하여 리패닝이라고 표현하는 것으로 한다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리기(도 2의 130)의 보다 자세한 구성을 보여주는 도면이다. 신호 처리기(130)는 통상 DSP(Digital Signal Processor)라고 불리는 집적 회로로 구현될 수 있지만, 이에 한하지 않고 시스템 메모리에 로딩되어 프로세서(10)에 의해 실행되는 소프트웨어 프로그램으로 구현될 수도 있다.
신호 처리기(130)는 주파수 변환부(131), 리패너(140)를 포함하여 구성될 수 있으며, 룸 게인 조정부(133)나 역 주파수 변환부(135)를 더 포함할 수 있다.
주파수 변환부(131)는 도 2의 채널 처리기(110)에서 생성된 2이상의 채널 신호(multi-channel signal)를 시간-주파수 변환하여 주파수 영역의 채널 신호를 생성한다. 통상 상기 채널 신호는 샘플링된 파형으로서 이산 값(discrete value)을 가지므로, 바람직하게는 상기 시간-주파수 변환으로 DFT(Discrete Fourier Transform)가 사용될 수 있다. 그러나, 이에 한하지 않고 FFT(Fast Fourier Transform), DCT(Discrete Cosine Transform), DST(Discrete Sine Transform) 등 다른 종류의 시간-주파수 변환 기법이 사용될 수도 있다.
예를 들어, 시간상 n번째 오디오 샘플에 대한 2개의 채널(L, R)의 레벨 값에 대해 DFT를 적용한다면 다음의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, n은 오디오 샘플의 번호이고, w는 주파수밴드를 나타낸다. 그리고, L(n) 및 R(n)은 시간 도메인에서의 좌우 채널의 레벨 값이고, L(w) 및 R(w)는 주파수 도메인에서의 좌우 채널의 레벨 값이다.
리패너(re-panner)(140)는 상기 생성된 주파수 영역의 채널 신호 중에서 조정 주파수 구간에 속하는 주파수 영역의 채널 신호에 대한 채널 게인을 대응되는 조정값만큼 변경한다. 이 때, 상기 조정값은 상기 주파수 영역의 채널 신호가 갖는 주파수에 따라 적어도 일부가 상이하게 결정될 수 있다. 바람직하게는, 상기 조정값의 크기는 상기 주파수 영역의 채널 신호가 갖는 주파수가 커질수록 작아지도록 설정될 수 있다(도 14 참조).
다만, 이에 한하지 않고 상기 조정값의 크기가 상기 주파수 영역의 채널 신호가 갖는 주파수가 클수록 커지도록 설정할 수도 있다. 도 13에서 만약 저주파 음상 위치(25b)와 고주파 음상 위치(24b)가 상당히 근접하여 음상의 이분화가 발생하지 않고, 오히려 대부분의 채널 신호가 한 점에 근접하여 집중되는 경우라면, 고주파 음상 위치(24b)에서의 채널 신호의 주파수가 클수록 조정값을 더 크게 설정하여 우측으로 더 많이 패닝되도록 할 수도 있을 것이다.
이와 같이, 리패너(140)는 조정 주파수 구간에 속하는 주파수 영역의 채널 신호에 대한 조정값을, 주파수가 커짐에 따라 단조 변화(monotonic change)하도록 설정할 수 있다. 이러한 단조 변화는 단조 증가(monotonic increase) 및 단조 감소(monotonic decrease)를 포함한다. 여기서, 상기 조정값의 단조 증가란, 상기 주파수가 커짐에 따라 상기 조정값이 감소되는 구간이 없이, 동일하거나 커지는 패턴을 의미한다. 마찬가지로, 상기 조정값의 단조 감소란, 상기 주파수가 커짐에 따라 상기 조정값이 증가되는 구간이 없이, 동일하거나 감소되는 패턴을 의미한다. 이러한 단조 변화의 패턴으로는 대표적으로 도 14에 도시된 바와 같은 직선형 패턴이 있으나, 이에 한하지 않고 단조 변화하는 방향의 반대로 움직이는 구간이 발생하지 않는 경우라면 다른 곡선형의 패턴이어도 무방하다.
전술한 도 13를 참조하면, 지향성 스피커(30-1, 30-2)에서 사운드가 방사되어 형성되는 음상 위치는 적어도 저주파 음상 위치(25a, 25b)와 고주파 음상 위치(24a, 24b)를 포함한다. 이 때, 상기 저주파 음상 위치(25a, 25b)보다 상기 고주파 음상 위치(24a, 24b)가 중앙 평면(median plane)을 기준으로 보다 바깥쪽에 위치한다.
리패닝이 적용되는 상기 조정 주파수 구간은 다양하게 설정될 수 있지만, 상기 고주파 음상 위치(24a, 24b)에 방사되는 사운드의 주파수(2.2~10kHz) 중 최하위 주파수(2.2kHz)와 최상위 주파수(10kHz) 사이로 설정될 수 있다. 그러나, 이에 한하지 않고 실제 청취 환경에 따라 상기 최하위 주파수 및 최상위 주파수보다 넓게 또는 그보다 좁게 설정할 수도 있을 것이다.
이러한 리패닝에서 사용되는 주파수밴드별 조정값은, 상기 주파수 영역의 채널 신호 중에서 좌측 채널 신호 및 우측 채널 신호에 대해 각각 적용되며, 상기 좌측 채널 신호에 대해 변경된 채널 게인과 상기 우측 채널 신호에 대해 변경된 채널 게인의 합이 일정하게(리니어 패닝) 유지되도록 할 수도 있고, 제곱의 합이 일정하게 유지되도록 할 수 있다(페어와이즈 균일 파워 패닝). 이러한 리패너(140)의 보다 구체적인 동작은 도 17을 참조하여 후술하기로 한다.
다시 도 15를 참조하면, 룸 게인 조정부(133)는 상기 전체 채널 신호를 역주파수 변환하기 전에 상기 주파수밴드별로 상이한 룸 게인 내지 파라미터 EQ(parametric equalization)를 적용한다. 실내 공간에 존재하는 천장과 측 벽면에 의해 반사된 소리는 서로 다른 방향에서 사용자에게 전달된다. 이 때, 전달 경로 거리차 및 방향에 의해 지향성 스피커(30-1, 30-2)로 전달된 주파수 파워가 변화하게 되는데 이를 보상하는 과정을 룸 게인 조정 또는 파라미터 EQ라고 한다. 이는 자유-필드 마이크(free-field microphone)을 이용하거나 더미 헤드(Dummy Head)와 같은 측정 장비를 이용하여 측정된 바이내츄럴 레코딩(Binaural Recording) 정보를 이용하여 룸 게인(EQ 파라미터)를 결정할 수 있고, 이렇게 결정된 룸 게인을 리패너(140)에서 제공된 각각의 채널 신호(Lo(w), Ro(w))에 승산하는 방식으로 룸 게인을 적용할 수 있다.
예를 들어, 도 16에 도시된 바와 같이, 상기 측정 장비에 의해 측정된 신호(SM)는 룸 환경이나 사용자의 위치에 따라, 주파수별로 일정하지 않은 게인을 갖는다. 여기서, 가로축은 주파수(Hz)를, 세로축은 특정 채널 신호의 게인 값(dB)을 나타낸다. 이와 같이, 제로 게인을 기준으로, 측정된 신호(SM)는 주파수에 따라 상하로 변화하므로 주파수별로 룸 게인(REQ)을 조정하면 전체 주파수 대역에서 제로 게인이 되도록 만들 수 있다. 도 16의 예에서, 평균적으로 측정된 신호(SM)와 반대의 진폭을 갖는 룸 게인(DR1, DR2 등)을 전체 주파수 대역에 적용하면 평탄한 제로 게인을 얻을 수 있다.
이러한 룸 게인의 조정은 사용자의 위치 및 룸 환경에 의존하는 실시간 측정에 기반하여 수행되기 때문에 전술한 자유-필드 마이크, 더미 헤드 등의 장비가 필요하고 사용자의 위치에 따라 상이해질 수 있으므로 전체 신호 처리 과정에서 생략될 수도 있다.
룸 게인 조정부(133)에서 조정된 2이상의 채널의 레벨 값(Lo'[w], Ro'[w]) 또는 룸 게인 조정부(133)가 생략된 경우 리패너(140)에서 출력된 2이상의 채널의 레벨 값(Lo[w], Ro[w])은 역 주파수 변환부(135)에 제공된다. 역 주파수 변환부(135)는 상기 제공된 채널 신호 내지 채널의 레벨 값을 역주파수 변환하여 시간 도메인의 채널 신호를 복원한다. 상기 시간 도메인의 채널 신호는 지향성 스피커(30-1, 30-2)로 출력되는 2개의 서라운드 신호(Lo[n], Ro[n])일 수 있다. 역 주파수 변환부(135)에서 시간 영역으로 변환되는 채널 신호는, 예를 들어, 리패너(140)에서 채널 게인이 변화된 주파수 성분뿐만 아니라, 채널 게인이 변화되지 않은 주파수 성분까지 포함한 전체 주파수 범위의 채널 신호이다. 그 결과, 역 주파수 변환부(135)에서 출력되는 채널 신호(Lo[n], Ro[n])는 신호 분배기(도 2의 150)에 제공되며, 신호 분배기(150)는 상기 채널 신호(Lo[n], Ro[n])를 복수의 지향성 스피커(30-1, 30-2)로 분배한다.
도 17은 도 15의 리패너(140)의 구성을 보다 자세히 보여주는 블록도이다. 리패너(140)는 패닝 인덱스 산출부(141)와, 패닝 게인 산출부(143) 및 패닝 게인 조정부(144)를 포함하며, 매핑 적용부(142)나 주파수 가중치 적용부(145)를 더 포함할 수 있다.
패닝 인덱스 산출부(141)는 상기 주파수 영역의 채널 신호 중에서 좌측 채널 신호와 우측 채널 신호 간의 레벨비를 이용하여 주파수밴드 별로 패닝 인덱스를 산출할 수 있다. 다른 방법으로는 좌우측 채널 신호의 코히어런스(coherence) 성분비, 크로스-스펙트럴 밀도 함수(cross-spectral density function) 또는 오토스펙트럴 밀도 함수(autospectral density function) 등을 이용하여 패닝 인덱스를 정의할 수도 있다.
패닝 인덱스는 소정의 값의 범위를 가지며, 좌측 채널 신호와 우측 채널 신호 간의 레벨비에 따라 가상 사운드 소스의 위치, 즉 음상의 위치를 나타내는 지표이다. 이러한 패닝 인덱스는 개념적으로 좌측 채널과 우측 채널 사이에서 음상의 위치를 나타내는 각도의 의미를 갖는다. 예를 들어, 패닝 인덱스가 -1에서 1사이의 값을 갖는다고 할 때, 패닝 인덱스가 -1이면 좌측 채널에서만 사운드가 출력되는 경우를, 패닝 인덱스가 1이면 우측 채널에서만 사운드가 출력되는 경우를 각각 나타낸다. 또한, 패닝 인덱스가 0이면 좌측 채널의 주파수밴드 파워와 우측 채널의 주파수밴드 파워가 동일하다는 의미이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서 패닝 인덱스 산출부(141)는 좌측 채널 신호(L[w])와 우측 채널 신호(R[w]) 간의 레벨비(r)를 이용하여 상기 패닝 인덱스(PI[w])를 다음의 수학식 2와 같이 산출할 수 있다.
Figure pat00002
여기서, w는 주파수밴드, r=R[w]/L[w]이고, L[w]2는 좌측 채널 신호의 주파수밴드 파워를, R[w]2는 우측 채널 신호의 주파수밴드 파워를 나타낸다. 상기 PI[w]는 양 채널간 주파수밴드 파워의 차이를 주파수밴드 파워의 합으로 나누어 정규화하여 산출되었기 때문에, -1에서 1사이의 값을 갖게 된다. 상기 수학식 2에서는 상대적으로 우측 채널 신호의 주파수밴드 파워가 클수록 패닝 인덱스가 증가하는 것으로 하였으나, 이는 표기법(notation)의 문제이므로 R[w]와 L[w]의 위치를 바꾼다면 좌측 채널 신호의 주파수밴드 파워가 클수록 패닝 인덱스가 증가하게 할 수도 있다.
매핑 적용부(142)는 상기 패닝 인덱스 산출부에서 산출된 패닝 인덱스(PI)에 매핑함수(f(x))를 적용하여 상기 패닝 인덱스를 조절한 후 상기 패닝 게인 산출부(143)에 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 있어서 매핑함수는 반드시 적용하여야 하는 것은 아니지만, 매핑함수를 적용하게 되면 특정 주파수밴드(w)에서의 좌우 채널 신호 간의 차이를 증폭시키거나 감소시킬 수 있는 효과가 제공된다.
도 18a는 입력(PI)과 출력(f(x))이 동일한 매핑함수의 예를 도시한 그래프이다. 여기서, 가로축은 패닝 인덱스(PI)이고 세로축은 매핑함수(f(x))를 적용한 결과 값이다. 이와 같이 패닝 인덱스(PI)의 수치 범위 내에서 완전히 비례하는 매핑함수를 적용하면, 매핑함수를 적용하지 않은 경우와 동일한 결과가 된다. 그러나 이러한 매핑함수를 곡선 형태로 변형한다면 전술한 바와 같이 좌우 채널 신호간의 차이를 증폭/감소할 수 있는 효과가 발생한다.
도 18b는 입력(PI)에 비해 출력(f(x))이 증폭된 매핑함수의 예를 도시한 그래프이다. 도 18b의 그래프에서 패닝 인덱스(PI)가 0에서 1로 증가하는 동안 출력(f(x))는 상대적으로 급격히 상승하고 곧 f(x)=1에서 포화된다. 따라서, 이 경우에는 같은 패닝 인덱스(PI)의 입력으로도 높은 출력값이 발생하므로 패닝 효과, 즉 음상의 이동 효과가 커지는 결과가 된다.
다시 도 17을 참조하면, 패닝 게인 산출부(143)는 상기 패닝 인덱스에 특정 패닝 스킴(panning scheme)을 적용하여 상기 좌측 채널 신호에 대한 변경된 채널 게인(GL[w])과 상기 우측 채널 신호에 대한 변경된 채널 게인(GR[w])을 산출하여 패닝 게인 조정부(144)에 제공한다. 이러한 패닝 게인 산출을 위한 패닝 스킴으로는 리니어 패닝(linear panning), 페어와이즈 균일 파워 패닝(pairwise constant power panning), 벡터 기반의 진폭 패닝(vector based amplitude panning) 등 기타 다양한 방법들이 있을 수 있다.
먼저, 도 19a 및 도 19b를 참조하여 리니어 패닝 기법을 살펴본다. 도 19a 및 도 19b에서, 가로축은 패닝 인덱스(PI) 내지 음상이 형성되는 패닝 위치이다. 그리고, 도 19a 및 도 19b의 세로축은 각각 채널 게인 및 파워이다.
도 19a에 도시된 바와 같이 좌측 채널 신호의 채널 게인(GL)과 우측 채널 신호의 채널 게인(GR)은 패닝 인덱스(PI)의 변화에 따라 선형적으로 증감한다. 따라서, 임의의 위치(PI)에 존재하는 음상의 좌우측 채널 게인의 합은 1로 일정하므로 간단한 수식으로 계산될 수 있다. 다만, 도 19b에 도시된 바와 같이, 파워는 일정하지 않고 중앙 평면(PI=0)에서 최소의 값, 즉 -3dB를 갖는다. 따라서, 중앙 평면 근처로 음상을 이동시키는 경우에는 출력이 낮아진다는 점에서 부자연스러운 측면이 있다.
이와 같은 간단한 리니어 패닝을 도 13과 같이 음상이 이분화된 상황에서 우측의 음상들(27b, 28b)에 적용하여 채널 게인(GL, GR)을 산출하는 예는 다음의 표 1에 기재된 바와 같다. 여기서, JR은 변경전 채널 게인과 변경후 채널 게인의 차이, 즉 조정값을 의미한다.
GL GR JR
1.0kHz 0.1 0.9 0
1.5kHz 0.1 0.9 0
2.0kHz 0.1 0.9 0
3.0kHz 0.4 0.6 0.3
4.0kHz 0.3 0.7 0.2
6.0kHz 0.2 0.8 0.1
8.0kHz 0.1 0.9 0
여기서, 조정 주파수 구간은 전술한 바와 같이 2.2~10kHz 정도이고, 패닝을 적용하기 전의 좌측 채널의 게인 및 우측 채널의 게인은 주파수에 상관없이 각각 0.1 및 0.9로 일정한 것으로 가정한다.
우선, 2.0kHz 이하의 주파수 구간은 조정 주파수 구간에 속하지 않으므로 패닝을 적용하지 않는다. 따라서, 1.0, 1.5 및 2.0kHz에서 좌측 채널 게인(GL) 및 우측 채널 게인(GR)은 각각 0.1 및 0.9로 변동이 없다. 이에 비해, 3.0kHz 이상의 주파수 구간은 전술한 리니어 패닝에 따라 채널 게인이 대응되는 조정값(JR)만큼 변경되도록, 즉 가산되거나 감산되도록 조절된다. 예를 들어, 상기 조정값(JR)은 3.0, 4.0, 6.0, 8.0kHz 각각에 대하여 0.3, 0.2, 0.1 및 0.0이다. 조정 전후 어느 주파수에서도 좌측 채널 게인(GL) 및 우측 채널 게인(GR)의 합은 1로 일정하다.
이와 같이, 조정 주파수 구간 내에서는 주파수가 낮을수록 높은 조정값이 적용됨을 알 수 있다. 패닝 스킴의 관점에서 우측 채널 신호의 채널 게인의 감소폭 및 좌측 채널 신호의 채널 게인의 증가폭이 크다는 것은 특정 주파수의 음상이 우측 채널쪽에서 좌측 채널쪽으로 이동한다는 것을 의미한다. 따라서, 도 14에 도시된 바와 같이 2.2kHz 부근의 천이 구간에서 음상의 이분화 현상이 제거되고 주파수 변화에 따른 보다 자연스러운 음감이 얻어질 수 있다.
다음으로, 도 20a 및 도 20b를 참조하여 페어와이즈 균일 파워 패닝(pairwise constant power panning) 기법을 살펴본다. 도 20a 및 도 20b에서, 가로축은 패닝 인덱스(PI) 내지 음상이 형성되는 패닝 위치이다. 그리고, 도 20a 및 도 20b의 세로축은 각각 채널 게인 및 파워이다.
도 20a를 참조하면 패닝 인덱스(PI)가 변화함에 따라 좌측 채널 신호의 채널 게인(GL) 및 우측 채널 신호의 채널 게인(GR)은 sine, cosine과 같은 삼각함수의 형태로 증감한다. 채널 신호의 전체 파워는 일반적으로 GL의 제곱 및 GR의 제곱의 합으로 계산되는데 이와 같은 삼각함수의 특성으로 인하여, 도 20b에 도시된 바와 같이 파워는 패닝되는 음상의 위치와 상관없이 0dB로 일정하게 유지된다는 장점이 있다.
이러한 삼각함수에 따른 패닝에 따라 π/4 즉 45°의 위치를 기준위치로 정하면 도 21에 도시된 바에 따라, 다음의 수학식 3과 같이 채널 게인(GR, GL)이 계산될 수 있다.
Figure pat00003
Figure pat00004
여기서, 파워를 나타내는 GR[w]의 제곱과 GL[w]의 제곱의 합은 2로 일정하다. 또한, m은 2보다 큰 자연수로서, 사용자의 위치에 대한 좌우측 스피커의 배치 위치에 따라 다른 값이 사용될 수 있다. 예를 들어, 사용자를 기준으로 좌우측 스피커의 배치가 90°를 이룬다고 가정하면 상기 m은 4가 된다.
이상과 또다른 패닝 스킴으로서 벡터 기반의 진폭 패닝(VBAP: vector based amplitude panning)을 사용할 수도 있다. 전술한 페어와이즈 균일 파워 패닝은 삼각함수를 이용하여 파워를 일정하게 유지하는 방식이었다. 그런데 이와 같이 sine, cosine 값을 따라 가상 소스를 패닝하는 것이 대체로 심리적인 인식과 일치한다고 알려져 있지만 그 이론적 근거가 명확히 제시된 것은 아니다. VBAP는 이러한 이론적인 근거를 제시하고자 가상 소스의 위치 및 스피커들의 위치를 벡터로 표시하고 그 벡터들의 합이 가상 소스의 위치가 되도록 한다.
도 22에 도시된 바와 같이, VBAP에서는 세 개의 벡터가 정의된다. 상기 세 개의 벡터는 좌측 채널(채널 1)의 스피커와 사용자(20)를 연결하는 벡터 A, 두번째는 우측 채널(채널 2)의 스피커와 사용자(20)를 연결하는 벡터 B, 및 그로 인해 결정되는 가상 소스의 위치와 사용자를 연결하는 벡터 C이다.
사용자(20)의 머리의 위치의 좌표는 (0,0), 벡터 A의 좌표는 (ax, ay), 벡터 B의 좌표는 (bx, by)라고 하면, 가상 소스의 위치(음상의 위치)인 벡터 C의 좌표 (cx, cy)는 다음의 수학식 4와 같이 정의될 수 있다. 여기서, GL은 좌측 채널의 채널 게인이고, GR은 우측 채널의 채널 게인이다.
Figure pat00005
여기서, 벡터 A, B 및 C는 모두 알 수 있는 값이므로, 상기 수학식 4로부터 GL 및 GR을 구할 수 있다. 이러한 GL 및 GR은 임의의 벡터 C의 방향을 정확하게 표현할 수 있으나 방향에 따라서 파워가 달라지므로 다음의 수학식 5와 같이 정규화를 추가로 수행할 수 있다.
Figure pat00006
Figure pat00007
이와 같이 구해진 GL' 및 GR'은 두 개의 스피커 사이를 연결하는 액티브 아크(active arc)를 따라서 움직이는 벡터 C를 형성한다. 따라서, VBAP 기법에 따르면 스피커의 위치에 대해 독립적으로 음상의 패닝을 구현할 수 있다. 만약, 스피커들의 위치가 변경된다고 해도 수학식 4에서 벡터 A 및 B의 정보만을 변경함으로써 GL 및 GR을 구할 수 있는 것이다.
다시 도 17을 참조하면, 이상과 같이 패닝 게인 산출부(143)에서 주파수대역 별로 산출된 채널 게인(GL[w], GR[w])은 패닝 게인 조정부(144)에 제공된다. 패닝 게인 조정부(144)는 최초에 리패너(140)에 입력된 주파수 영역의 채널 신호(L[w], R[w])에 상기 채널 게인(GL[w], GR[w])을 각각 승산함으로써 출력 채널 신호(Lo[w], Ro[w]), 즉 랜더링된 신호를 신호 분배기(150)로 출력한다.
한편, 패닝 게인 산출부(143)에서 보다 정확한 패닝 게인을 산출하기 위해서는 주파수 가중치를 추가적으로 적용할 수도 있다. 상기 주파수 가중치 적용부(145)는 특정 주파수 이상의 대역에서 패닝 효과를 낮추기 위해 상기 패닝 인덱스에 주파수 가중치를 적용한 후 상기 주파수 가중치가 적용된 패닝 인덱스를 상기 패닝 게인 산출부(145)에 제공한다. 왜냐하면, 특정 주파수 이상의 대역에서까지 패닝 효과를 적용하는 것은 지향성 스피커의 특성을 고려할 때 적합하지 않기 때문이다.
예를 들어, 이러한 주파수 가중치를 나타내는 주파수 가중치 함수(FW[w])는 도 23에 도시된 바와 같은 형태로 이루어질 수 있다. 상기 주파수 가중치 함수(FW[w])는, 제1 레벨(L1)로 일정한 저주파 영역과, 상기 제1 레벨(L1)보다 작은 제2 레벨(L2)로 일정한 고주파 영역과, 상기 저주파 영역과 상기 고주파 영역 사이에서 상기 제1 레벨(L1)로부터 상기 제2 레벨(L2)로 천이되는 천이 영역을 포함한다. 이러한 3개의 영역으로의 구분은 주파수 임계치 w1 및 w2에 의해 구분된다.
이와 같이, 패닝 게인 산출부(143)에 주파수 가중치(FW[w])가 제공되면, 패닝 게인 산출부(143)는 주파수 가중치를 반영하여 채널 게인을 구할 수 있다. 이러한 패닝 게인 산출 과정에 있어서, 패닝 인덱스는 상기 PI[w] 대신에 다음의 수학식 6과 같이 주파수 가중치를 곱한 PI'[w]로 수정되어 사용될 수 있다.
Figure pat00008
이상 도 15에 도시된 신호 처리기(130)는 입력된 채널 신호에 대해 주파수 변환, 리패닝, 룸 게인 조정, 역 주파수 변환 등의 과정을 거쳐서 랜더링된 출력 채널 신호를 얻을 수 있다. 그런데, 입력된 좌우 채널 신호에는 상당한 중복성(redundancy)이 존재한다. 이러한 중복성은 유사도(similarity) 내지 상관도(correlation)로도 표현되기도 한다.
예를 들어 사용자가 TV 정면의 비디오를 보면서 오디오를 들을 때, 상기 오디오가 사람의 목소리라면, TV 정면에서 목소리의 음상이 형성되어야 한다. 이는 TV 영상과 TV내의 목소리 성분의 전달 방향이 일치하여야 자연스러운 음감이 제공되기 때문이다. 이러한 일치감을 위해 통상 좌측 채널 및 우측 채널에 목소리 성분이 대략 70%씩 배분된다. 이 때, 공통성분을 제외한 나머지 성분 즉, 비공통성분(La, Ra)은 TV 영상의 위치와 일치시킬 필요가 없으며, 오히려 다양한 오디오 효과(음장 효과, 패닝 효과 등)를 적용하는 것이 실감 오디오 구현에 적합하다. 실제로, TV내 오디오 옵션에는 이러한 효과를 재현하기 위한 다양한 음향 모드가 구비된다.
그런데, 이러한 공통 성분이 두 채널 신호에 포함되어 있을 때, 패닝을 적용하게 되면 사람의 음성이 중앙 평면의 좌우로 스프레드 되며, 이는 매우 부자연스러운 음감을 유발한다. 따라서, 이하에서는 도 15에 다소 변형을 가하여, 두 채널 신호의 공통 성분을 제외한 비공통 성분(앰비언트 신호)만을 리패너(140)로 입력하여 리패닝 과정을 수행하는 실시예에 대하여 설명한다.
도 24은 본 발명의 다른 실시예에 따른 신호 처리기(230)의 구성을 보여주는 블록도이다. 신호 처리기(230)는 통상 DSP(Digital Signal Processor)라고 불리는 집적 회로로 구현될 수 있지만, 이에 한하지 않고 시스템 메모리에 로딩되어 프로세서(10)에 의해 실행되는 소프트웨어 프로그램으로 구현될 수도 있다.
여기서, 신호 처리기(230)는 주파수 변환부(131), 앰비언트 신호 분리부(232) 및 리패너(140)를 포함하여 구성될 수 있으며, 룸 게인 조정부(133), 역 주파수 변환부(135) 또는 신호 보정부(233)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 주파수 변환부(131), 리패너(140), 룸 게인 조정부(133) 및 역 주파수 변환부(135)의 구성 및 동작은 상기 도 15 이하에서 기재된 바와 마찬가지이므로 중복된 설명을 제외하고 차이나는 부분을 위주로 설명하기로 한다.
먼저, 주파수 변환부(131)는 채널 처리기(110)에서 생성된 2이상의 채널 신호를 주파수 변환하여 주파수 영역의 채널 신호를 생성한다.
앰비언트 신호 분리부(232)는 상기 주파수 영역의 채널 신호 중에서 좌측 채널 신호와 우측 채널 신호 간의 공통 성분을 제거한 앰비언트 신호(ambient signal)를 추출한다. 이러한 공통 성분을 얻기 위해 상기 앰비언트 신호 분리부(232)는 상기 좌측 채널 신호와 상기 우측 채널 신호 간의 상관도를 주파수밴드 별로 산출한다.
예를 들어, 상기 상관도는 다음의 수학식 7에 따라서 계산될 수 있다.
Figure pat00009
여기서, GLR(w)는 좌측 채널 L 및 우측 채널 R 사이의 크로스-스펙트럴 밀도(cross-spectral density)이고, GLL(w) 및 GRR(w)는 좌측 채널 L 및 우측 채널 R의 오토-스펙트럴 밀도(autospectral density)이다. 상기 상관도 CohLR[w]는 0 내지 1 사이의 값을 갖는다. 이러한 상관도는 "J. S. Bendat" 등에 의해 1971년에 발표된 "Random Data"에 보다 자세히 설명되어 있다.
또는 상기 공통 성분을 찾기 위한 방법으로, 상기 상관도 대신에 또는 상기 상관도와 함께 유사도(similarity)가 사용될 수도 있다. 이러한 유사도는 "C. Avendano" 등에 의해 2004년에 발표된 "A Frequency-Domain Approach to Multichannel Upmix"에 자세히 설명되어 있다.
본 발명에 따른 일 실시예로서, 신호 처리기(230)는 다음과 같은 수학식 8에 따라 공통 성분 M[w]을 계산할 수 있다.
Figure pat00010
여기서, Coh[w]는 특정 주파수밴드에서의 상관도이고, Sim[w]는 상기 주파수밴드에서의 유사도를 나타낸다. Coh[w]와 Sim[w]를 곱함에 의해 양자가 갖는 고유한 성분을 공통 성분 M[w]에 포함할 수 있다. 다만, 이에 한하지 않고 수학식 8에서 유사도 Coh[w]만 이용하거나, Sim[w]만을 이용하는 것도 가능하다.
앰비언트 신호 분리부(232)는 상기 산출된 상관도 및 유사도의 곱에 상기 좌측 채널 신호(L[w])와 상기 우측 채널 신호(R[w])의 평균을 승산함으로써 상기 공통 성분(M[w])을 획득할 수 있다. 이와 같이, 공통 성분이 얻어지면 좌우측 채널의 앰비언트 신호(La[w], Ra[w])는 각각 다음의 수학식 9와 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00011
Figure pat00012
이와 같이 산출된 앰비언트 신호, 즉 La[w] 및 Ra[w]는 리패너(140)로 입력된다. 입력된 신호가 전술한 L[w] 및 R[w]에서 La[w] 및 Ra[w]로 변경된 것 이외에는 리패너(140)에서 수행되는 리패닝 과정이나, 룸 게인 조정부(133)에서 수행되는 룸 게인 조정 과정은 마찬가지이므로 중복된 설명은 생략한다.
한편, 앰비언트 신호 분리부(232)에서 얻어진 공통 성분 신호 M[w]는 리패너(140)로 입력되지 않고 별도의 신호 보정부(233)로 입력된다. 신호 보정부(233)는 상기 공통 성분 신호에 보정 및 각종 필터링을 수행한다.
마지막으로, 역 주파수 변환부(135)는 룸 게인 조정부(133)로부터의 출력, 또는 룸 게인 조정이 생략되는 경우 리패너(140)로부터의 출력을 수신하여 역 주파수 변환을 수행하고 그 결과 신호(Lao[n], Rao[n])를 신호 분배기(150)로 제공한다. 상기 결과 신호(Lao[n], Rao[n])는 신호 분배기(150)를 거쳐 지향성 스피커(30-1, 30-2)에 의해 가청 사운드로 변환된다. 한편, 신호 보정부(233)에서 보정 및 필터링된 공통 신호(M'[w])도 주파수 영역의 신호이므로 마찬가지로 역 주파수 변환부(135)에 의해 역 주파수 변환이 이루어지며 시간 영역의 신호(M[n])으로 신호 분배기(150)에 제공된다. 상기 공통 성분 신호(M[n])는 최종적으로 지향성 스피커(30-1, 30-2)를 통하여 또는 무지향성 스피커(30-3, 30-4)를 통하여 가청 주파수로 변환될 수 있다.
지금까지 도 2, 도 15, 도 17 및 도 24의 각 구성요소들은 메모리 상의 소정 영역에서 수행되는 태스크, 클래스, 서브 루틴, 프로세스, 오브젝트, 실행 쓰레드, 프로그램과 같은 소프트웨어(software)나, FPGA(field-programmable gate array)나 ASIC(application-specific integrated circuit)과 같은 하드웨어(hardware)로 구현될 수 있으며, 또한 상기 소프트웨어 및 하드웨어의 조합으로 이루어질 수도 있다. 상기 구성요소들은 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 포함되어 있을 수도 있고, 복수의 컴퓨터에 그 일부가 분산되어 분포될 수도 있다.
또한, 각 블록은 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실행예들에서는 블록들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능하다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 그 블록들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 오디오 신호 처리 방법을 도시한 흐름도이다.
채널 처리기(110)는 상기 제공된 오디오 데이터의 채널 수가 스피커 장치(30a, 30b, 30n)의 수와 대응되는지를 판단하고 필요에 따라 채널 매핑을 수행한다(S81). 채널 처리기(110)는 채널 수를 맞추기 위해 업믹싱 또는 다운믹싱을 수행할 수 있다.
주파수 변환부(131)는 채널 처리기(110)에서 생성된 2이상의 채널 신호(multi-channel signal)를 시간-주파수 변환하여 주파수 영역의 채널 신호를 생성한다(S82). 이러한 시간-주파수 변환으로는 DFT, FFT, DCT, DST 등이 이용될 수 있다.
앰비언트 신호 분리부(232)는 상기 주파수 영역으로 변환된 채널 신호 중에서 좌측 채널 신호와 우측 채널 신호 간의 공통 성분을 분리한다(S83). 이러한 공통 성분을 찾기 위해 상기 앰비언트 신호 분리부(232)는 상기 좌측 채널 신호와 상기 우측 채널 신호 간의 상관도를 주파수밴드 별로 산출한다. 앰비언트 신호 분리부(233)는 상기 변환된 채널 신호 각각에서 공통 성분을 차감하여 2채널의 앰비언트 신호를 생성한다.
상기 앰비언트 신호는 패닝 인덱스 산출부(141)로 입력된다. 패닝 인덱스 산출부(141)는 상기 앰비언트 신호 중에서 좌측 채널 신호와 우측 채널 신호 간의 레벨비를 이용하여 주파수밴드 별로 패닝 인덱스를 산출한다(S84).
매핑 적용부(142)는 상기 패닝 인덱스 산출부(141)에서 산출된 패닝 인덱스(PI)에 매핑함수(f(x))를 적용하여 상기 패닝 인덱스를 조절한 후 상기 패닝 게인 산출부(143)에 제공한다(S85). 이와 같이 매핑함수를 적용하게 되면 특정 주파수밴드(w)에서의 좌우 채널 신호 간의 차이를 증폭시키거나 감소시킬 수 있다. 이러한 매핑함수 적용 과정은 생략될 수도 있다.
패닝 게인 산출부(143)는 상기 패닝 인덱스에 특정 패닝 스킴을 적용하여 상기 좌측 채널 신호에 대한 변경된 채널 게인과 상기 우측 채널 신호에 대한 변경된 채널 게인을 산출하여 패닝 게인 조정부(144)에 제공한다(S86). 이 때, 패닝 게인 조정부(144)는 앰비언트 신호에 포함된 2개의 채널 신호에 상기 변경된 채널 게인을 승산하여 출력한다(S86).
룸 게인 조정부(133)는 상기 전체 채널 신호를 역주파수 변환하기 전에 상기 주파수밴드별로 상이한 룸 게인 내지 파라미터 EQ를 적용하여 룸 게인을 조정한다(S87). 이러한 룸 게인 조정 과정도 생략될 수 있다.
역 주파수 변환부(135)는 상기 제공된 채널 신호 내지 채널의 레벨 값을 역주파수 변환하여 시간 도메인의 채널 신호를 복원한다(S88). 이렇게 복원된 시간 영역의 채널 신호는 신호 분배기(150)를 통해 지향성 스피커(30-1, 30-2)로 출력된다(S89).
한편, 앰비언트 신호 분리부(232)에 의해 분리된 공통 성분 신호는 신호 보정부(233)로 입력되며, 신호 보정부(233)는 상기 공통 성분 신호에 보정 및 각종 필터링을 수행한다(S91). 이와 같이 보정 및 필터링된 공통 성분 신호는 역 주파수 변환된 후 무지향성 스피커(30-3, 30-4)로 출력될 수 있으며(S92), 지향성 스피커(30-1, 30-2)로 출력될 수도 있다.
도 26a 및 도 26b는 각각 본 발명에서 제안하는 리패닝 과정을 적용하지 않았을 때의 주파수밴드 파워 그래프와, 상기 리패닝 과정을 적용했을 때의 주파수밴드 파워 그래프를 각각 보여준다. 상기 그래프들에서 가로축은 시간이고 세로축은 주파수밴드 파워이다. 또한, 주파수 w1, w2, w3의 크기는 w3>w2>w1를 만족한다.
여기서, 주파수밴드별로 밴드패스 필터링 된 화이트 노이즈 신호가 테스트 신호로 사용된다. 상기 테스트 신호의 음상을 -90도에서 +90도까지 변화시키면서 더미 헤드(dummy head)를 통해 좌측 채널 및 우측 채널에서의 파워의 변화를 측정하였다.
먼저, 도 26a를 살펴보면, 시간의 진행에 따라 좌측 채널의 게인(내지 파워)는 선형적으로 감소하고 우측 채널의 게인(내지 파워)은 선형적으로 증가한다. 그런데, 이러한 그래프 패턴은 상기 테스트 신호가 갖는 주파수 성분의 주파수밴드(w)와는 무관하게 일치되어 표시된다. 따라서, 주파수의 변화와 상관없이 동일한 파워를 나타내기 때문에, 예를 들어 도 13에 도시된 바와 같은 음상의 이분화 현상이 발생될 수 있다.
다음으로, 도 26b를 살펴보면, 시간의 진행에 따라 좌측 채널의 레벨(내지 파워)는 선형적으로 감소하고 우측 채널의 게인(내지 파워)은 선형적으로 증가함과 동시에, 주파수밴드 별로도 게인(내지 파워)의 변화가 발생한다. 여기서, 해당 채널 신호의 주파수가 w3, w2, w1로 감소할수록 상기 좌측 채널 및 우측 채널의 게인(내지 파워)의 증가폭(조정값)은 커지게 된다. 따라서, 특정 음상 위치에서 주파수가 감소할수록 게인(내지 파워)의 조정값이 커지기 때문에, 예를 들어 도 14에 도시된 바와 같은 음상의 이분화 현상이 제거되는 효과가 발생될 수 있다.
이상 본 발명의 일 실시예에 따른 오디오 신호 처리 장치(50), 상기 오디오 신호 처리 장치(50)를 포함하는 오디오 신호 출력 장치(100), 및 상기 오디오 신호 출력 장치(100)를 포함하고 디스플레이 패널을 구비한 디스플레이 장치(200)에 관하여 설명하였다. 그리고, 오디오 신호 출력 장치(100) 또는 디스플레이 장치(200)에 장착되는 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 스피커(30-1, 30-2)에 대해서도 설명하였다.
그러나, 본 발명의 일 실시예로 도 15 또는 도 24에 도시된 오디오 신호 처리 장치(50)에서의 리패닝 과정은 반드시 상기 형태의 지향성 스피커(30-1, 30-2)에만 적용될 수 있는 것은 아니다. 특정 방향으로 음파를 집중적으로 방사하는 지향성 스피커의 특성으로 인해 상기 음파가 벽이나 천정에서 반사되면 주파수별로 음상의 분리가 발생할 수 있으므로 다른 형태의 지향성 스피커들에도 상기 리패닝의 필요성이 있다.
도 27a 내지 도 27c는 현재 알려져 있는 다양한 형태의 지향성 스피커들을 예시한다. 도 27a의 지향성 스피커(40)도 도 5에 도시된 지향성 스피커(30-1)와 같은 종단 방사기(end-fire radiator) 구조로 되어 있고 몸체에 다수의 관통공이 구비되어 있다. 다만, 지향성 스피커(40)는 종단을 따라 양방향으로 음파가 방사되고, 좌우 대칭 형상의 중앙에 사운드 생성부가 구비된다는 점에서 특징이 있다.
도 27b의 지향성 스피커(60)는 압전 소자에 의해 구동되는 방식이다. 지향성 스피커(60)는 슬릿 개구부(63)를 갖는 진동판(62), 진동판(62)의 상면에 형성된 압전 소자(61)로 구성된다. 상기 지향성 스피커(60)는 초음파역의 반송파에 가청 사운드를 중첩해 상기 압전 소자에 입력함으로써, 상기 진동판(62)을 진동시켜 음파를 발생시킬 수 있다.
또한, 도 27c의 지향성 스피커(70)는 돔형 스피커 타입으로, 음향 트랜스듀서(71), 상기 음향 트랜스듀서(71)의 후방에 위치한 반사판(73), 음향 트랜스듀서(71)의 전면부와 후면부를 분리시키는 배플(72), 반사판(73)과 상기 음향 트랜스듀서(71)를 연결하는 루프판(74)으로 구성된다.
도 27a 내지 도 27c에 도시된 바와 같이 다양한 타입의 지향성 스피커들이 제시되고 있으며 이러한 지향성 스피커를 본 발명의 실시예로서 지향성 스피커(30-1, 30-2)를 대체하여 오디오 신호 출력 장치(100) 또는 디스플레이 장치(200)에 장착될 수 있고, 지향성의 특성으로 인하여 발생하는 음상의 분리 현상을 감소시키기 위해 전술한 바와 같은 리패닝 과정을 마찬가지로 적용할 수 있다. 다만, 목소리와 같은 저주파 신호는 리패닝 시에 오히려 사용자에게 불편을 유발할 수 있기 때문에, 일정 주파수 이하의 신호는 다른 무지향성 스피커로 밴드패스하여 출력하는 것이 바람직할 것이다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (20)

  1. 적어도 하나의 프로세서를 구비하고 상기 적어도 하나의 프로세서에 의해 동작이 제어되는 오디오 신호 출력장치로서,
    사운드 소스로부터 2이상의 채널 신호를 생성하는 채널 처리기;
    상기 생성된 2이상의 채널 신호를 렌더링하는 신호 처리기; 및
    상기 렌더링된 신호로부터 가청 사운드를 복원하여 출력하는 지향성 스피커를 포함하며,
    상기 신호 처리기는
    상기 생성된 2이상의 채널 신호를 주파수 변환하여 주파수 영역의 채널 신호를 생성하는 주파수 변환부; 및
    상기 생성된 주파수 영역의 채널 신호 중에서 적어도 일부의 채널 신호에 대한 채널 게인을, 상기 채널 게인에 대한 조정값만큼 변경하는 리패너를 포함하되,
    상기 조정값의 크기는 상기 주파수 영역의 채널 신호가 갖는 주파수가 커짐에 따라 단조 변화하는, 오디오 신호 출력 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 신호 처리기는
    상기 채널 게인이 변경된 채널 신호를 역주파수 변환하여 시간 도메인의 채널 신호를 복원하는, 역주파수 변환부를 더 포함하는, 오디오 신호 출력 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 신호 처리기는
    상기 채널 게인이 변경된 채널 신호를 역주파수 변환하기 전에, 주파수밴드별로 상이한 룸 게인을 적용하는 룸 게인 조정부를 더 포함하는, 오디오 신호 출력 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 조정값의 크기는 상기 주파수 영역의 채널 신호가 갖는 주파수가 커질수록 작아지는, 오디오 신호 출력 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 조정값은 상기 주파수 영역의 채널 신호 중에서 좌측 채널 신호 및 우측 채널 신호에 대해 각각 적용되며, 상기 좌측 채널 신호에 대해 변경된 채널 게인과 상기 우측 채널 신호에 대해 변경된 채널 게인의 합 또는 제곱의 합이 일정하게 유지되는, 오디오 신호 출력 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 리패너는
    상기 주파수 영역의 채널 신호 중에서 좌측 채널 신호와 우측 채널 신호 간의 레벨비를 이용하여 주파수밴드 별로 패닝 인덱스를 산출하는 패닝 인덱스 산출부;
    상기 패닝 인덱스에 패닝 스킴을 적용하여 상기 좌측 채널 신호에 대한 변경된 채널 게인과 상기 우측 채널 신호에 대한 변경된 채널 게인을 산출하는 패닝 게인 산출부; 및
    상기 산출된 채널 게인을 상기 주파수 영역의 채널 신호에 적용하는 패닝 게인 조정부를 포함하는, 오디오 신호 출력 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 리패너는
    상기 패닝 인덱스 산출부에서 산출된 패닝 인덱스를 조절한 후 상기 패닝 게인 조정부에 제공하는 매핑 적용부를 더 포함하는, 오디오 신호 출력 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 리패너는
    특정 주파수 이상의 대역에서 패닝 효과를 낮추기 위해 상기 패닝 인덱스에 주파수 가중치를 적용한 후, 상기 주파수 가중치가 적용된 패닝 인덱스를 상기 패닝 게인 조정부에 제공하는 주파수 가중치 적용부를 더 포함하는, 오디오 신호 출력 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 주파수 가중치는
    제1 레벨로 일정한 저주파 영역과, 상기 제1 레벨보다 작은 제2 레벨로 일정한 고주파 영역과, 상기 저주파 영역과 상기 고주파 영역 사이에서 상기 제1 레벨로부터 상기 제2 레벨로 천이되는 천이 영역을 포함하는, 오디오 신호 출력 장치.
  10. 제6항에 있어서, 상기 신호 처리기는
    상기 주파수 영역의 채널 신호 중에서 좌측 채널 신호와 우측 채널 신호 간의 공통 성분을 제거한 앰비언트 신호를 추출하는 앰비언트 신호 분리부를 더 포함하고,
    상기 리패너는 상기 앰비언트 신호 중에서 적어도 일부의 앰비언트 신호에 대한 채널 게인을 상기 조정값만큼 변경하는, 오디오 신호 출력 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 가청 사운드의 출력에 의해 형성되는 음상의 위치는 저주파 음상 위치와 고주파 음상 위치를 적어도 포함하고, 상기 저주파 음상 위치보다 상기 고주파 음상 위치가 중앙 평면(median plane)을 기준으로 보다 외측에 위치하는, 오디오 신호 출력 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 일부의 채널 신호는, 상기 고주파 음상 위치에 출력되는 상기 가청 사운드의 주파수 중 최하위 주파수와 최상위 주파수 사이의 채널 신호인, 오디오 신호 출력 장치.
  13. 전면에 디스플레이 패널이 설치되는 외장 하우징;
    상기 외장 하우징 내에 수납되고, 사운드 소스로부터 생성된 2이상의 채널 신호를 처리하여 출력에 적합한 신호로 렌더링하는 오디오 신호 처리 장치; 및
    상기 외장 하우징의 전면에 대향하는 배면, 상기 외장 하우징의 상면 및 측면 중 적어도 하나에 설치되고, 상기 렌더링된 신호를 가청 사운드로 변환하여 특정 방향으로 출력하는 2이상의 채널을 갖는 지향성 스피커를 포함하는 디스플레이 장치로서,
    상기 오디오 신호 처리 장치는
    상기 생성된 2이상의 채널 신호를 주파수 변환하여 주파수 영역의 채널 신호를 생성하는 주파수 변환부; 및
    상기 생성된 주파수 영역의 채널 신호 중에서 적어도 일부의 채널 신호에 대한 채널 게인을, 상기 채널 게인에 대한 조정값만큼 변경하는 리패너를 포함하되,
    상기 조정값의 크기는 상기 주파수 영역의 채널 신호가 갖는 주파수에 따라 적어도 일부가 상이한, 디스플레이 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 외장 하우징의 전면 또는 하면에 설치되는 2이상의 채널을 갖는 무지향성 스피커를 더 포함하되,
    상기 2이상의 채널을 갖는 지향성 스피커는 서라운드용 스피커이고, 상기 2이상의 채널을 갖는 무지향성 스피커는 프런트용 스피커이며,
    상기 지향성 스피커에 의해 출력되는 상기 가청 사운드의 주파수보다 낮은 주파수 대역의 채널 신호는 상기 무지향성 스피커로 밴드패스 필터링되는, 디스플레이 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 오디오 신호 처리 장치는
    상기 주파수 영역의 채널 신호 중에서 좌측 채널 신호와 우측 채널 신호 간의 공통 성분을 제거한 앰비언트 신호를 추출하는 앰비언트 신호 분리부를 더 포함하고,
    상기 리패너는 상기 앰비언트 신호 중에서 적어도 일부의 앰비언트 신호에 대한 채널 게인을 상기 조정값만큼 변경하는, 디스플레이 장치.
  16. 사운드 소스로부터 가청 사운드를 복원하여 출력하기 위한, 적어도 하나의 프로세서에 의해 수행되는 오디오 신호 출력 방법으로서,
    상기 사운드 소스로부터 2이상의 채널 신호를 생성하는 단계;
    상기 생성된 2이상의 채널 신호를 주파수 변환하여 주파수 영역의 채널 신호를 생성하는 단계;
    상기 생성된 주파수 영역의 채널 신호 중에서 적어도 일부의 채널 신호에 대한 채널 게인을, 상기 채널 게인에 대한 조정값만큼 변경하는 단계; 및
    상기 채널 게인이 변경된 채널 신호로부터 상기 가청 사운드를 복원하여 출력하는 단계를 포함하되,
    상기 조정값의 크기는 상기 주파수 영역의 채널 신호가 갖는 주파수가 커짐에 따라 단조 변화하는, 오디오 신호 출력 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 조정값의 크기는 상기 주파수 영역의 채널 신호가 갖는 주파수가 커질수록 작아지는, 오디오 신호 출력 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 채널 게인이 변경된 채널 신호를 역주파수 변환하여 시간 도메인의 채널 신호를 복원하는 단계를 더 포함하는, 오디오 신호 출력 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 채널 게인이 변경된 채널 신호를 역주파수 변환하기 전에, 주파수밴드별로 상이한 룸 게인을 적용하는 단계를 더 포함하는, 오디오 신호 출력 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 주파수 영역의 채널 신호 중에서 좌측 채널 신호와 우측 채널 신호 간의 공통 성분을 제거한 앰비언트 신호를 추출하는 단계를 더 포함하며,
    상기 채널 게인을 상기 채널 게인에 대한 조정값만큼 변경하는 단계는, 상기 앰비언트 신호 중에서 적어도 일부의 앰비언트 신호에 대한 채널 게인을 상기 조정값만큼 변경하는 단계를 포함하는, 오디오 신호 출력 방법.
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