KR20220105463A - 노이즈 감쇠 기능 및 공간 효과 구현 기능을 제공하는 음향 처리 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 노이즈 감쇠 기능 및 공간 효과 구현 기능을 제공하는 음향 처리 시스템은, 음성 처리 유닛과 음악 처리 유닛과 신호 합성 출력 유닛을 포함한다. 음성 처리 유닛은, 복수의 아날로그 음성 신호를 하나의 신호로 합성한 후 디지털 신호로 변환하고, 디지털 신호로부터 레벨을 제어하고 및 노이즈를 감쇠시키고, 레벨제어된 음성 신호와 노이즈감쇠된 음성 신호를 합성하고, 합성된 음성 신호에 음성 공간 위치 효과를 부여한다. 음악 처리 유닛은, 복수의 아날로그 음악 신호의 음량을 서로 매칭시킨 후 디지털 신호로 변환하고, 디지털 변환된 음악 신호에 음악 공간 위치 효과를 부여한다. 신호 합성 출력 유닛은, 음성 공간 위치 효과가 부여된 음성 신호와 음악 공간 위치 효과가 부여된 음악 신호를 합성하여 각각의 출력 채널별로 출력한다.
Description
본 발명은 다수의 입력 채널 또는 다수의 마이크로 입력되는 음성 신호로부터 주변 노이즈 및 전기적 노이즈를 감쇠시키는 기능을 제공하고, 또한 음성 신호에 대한 위치 효과와 음악 신호에 대한 공간 효과를 별도로 처리하여 합성하는, 음향 처리 시스템에 관한 것이다.
마이크로 수음한 음성에서 원하지 않는 노이즈를 제거하기 위한 다양한 방법이 연구되고 있다.
하나의 마이크에서 수음된 음성 신호에 포함된 노이즈를 제거하는 방식으로는, 주기적으로 발생하는 노이즈를 감쇠시키는 방식이 주로 사용된다. 하지만, 이러한 기존의 노이즈 감쇠 방식에서는, 단지 하나의 마이크를 이용하기 때문에, 거리감에 따른 음상 수음이 불가하므로, 근접 상태의 저음과 원거리 상태의 중/고음을 구별하여 조절하기 어려워서, 효과적인 노이즈 제거가 어렵고, 특히, 주변 노이즈와 전기적 노이즈에 포함된 일부의 비주기적 노이즈는 해결할 수 없다.
한편, 다수의 입력 채널 또는 다수의 마이크를 통해 입력되는 다수의 음성 신호로부터 노이즈를 제거하는 방식이 고려된다. 이러한 방식에서는, 먼저, 다수의 음성 신호들을 합성하여 하나의 신호로 만들어야 하는데, 이때, 음성 신호들은 신호 믹싱을 활용하여 그대로 합성된다. 이처럼 신호들을 단순히 믹싱하는 경우에는, 마이크로 유입되는 주변 노이즈들뿐만 아니라 신호 전송 경로에서 유입되는 전기적 노이즈까지도 그대로 합성될 수 있다.
이러한 노이즈들을 개선하기 위해서, 각각의 음성 신호에서 특정 주파수를 조절하는 전처리를 적용하고 있으나, 특정 주파수를 조절하는 동안에 주변 노이즈가 아닌 원래 음성까지도 제거됨에 따라 부자연스러운 음성으로 변형되어 출력될 수 있다.
다수의 입력 채널 또는 마이크를 이용하여 주변 노이즈를 감쇠시키기 위한 개선된 방법으로서, 2개 이상의 모니터링 마이크를 활용하여 수음 거리에 따른 주변 노이즈를 감쇠시키는 빔 포밍(beam forming) 방식이 제안되었다. 이 방식은, 모니터링 마이크가 고정된 상태일 때, 주변 노이즈의 감쇠 효과가 극대화될 수 있다. 만일, 고정되어 있던 모니터링 마이크가 다른 위치로 이동하게 되면, 주변 노이즈 감쇠 효과는 급격히 낮아질 뿐만 아니라, 오히려 또 다른 노이즈를 유발할 수도 있다.
이러한 기존의 기술들은 주변 노이즈를 감쇠시킴에 있어서, 주기적인 노이즈에 대한 감쇠 효과만을 제공할 수 있거나, 고정된 위치에서만 감쇠 효과를 얻을 수 있었다.
등록특허 제10-1551666호(2015.09.03.)(명칭: 노이즈의 프로파일화 및 그 적용이 가능한 보청기, 이를 이용한 노이즈 적용 보청기 시스템)는, 하나의 마이크와 별도의 외부 마이크를 포함하는 보청기에서, 하나의 마이크로부터 입력된 음성 신호에서 외부 마이크로부터 입력된 음향 신호를 차감하여 주변 노이즈를 제거하는 방식을 개시한다.
이러한 신호 차감으로 노이즈를 감쇠시키는 방식에서는, 일반적으로 LMS(Least Mean Square) 관련 기술 및 이를 기반으로 변형된 알고리즘이 적용될 수 있다.
LMS를 이용하는 방식은, 상대적 노이즈를 감쇠시킨다는 구조적 개념에 따라, 주변 노이즈를 수음하기 위한 마이크가 필수적으로 필요하다. 하지만, 마이크가 추가됨에 따라, 다수의 입력 신호들이 생성되고, 이 신호들을 합성하여 한꺼번에 처리해야 하기 때문에, 원하는 음성 신호까지도 함께 일그러질 수 있으며, 신호들이 합성되는 과정에서 추가적인 노이즈가 추가될 수도 있다는 한계를 갖는다.
한편, 마이크를 통해 입력되는 음성 신호와 입력 채널을 통해 입력되는 음악 신호를 동시에 출력하는 음성 및 음향 출력 시스템에서 음성 및/또는 음악에 공간 효과를 구현하기 위한 방법이 연구되고 있다.
기존의 공간 효과 구현 방법은, 서로 다른 채널로부터 입력된 음악 신호와 음성 신호를 합성한 후 여기에 공간 효과 구현 처리를 수행하는 것이었다. 따라서, 음악 신호뿐만 아니라 음성 신호에도 동시에 공간 효과가 적용되기 때문에, 출력되는 음향에서 음성의 위치 효과와 음악의 공간 효과가 섞이게 되어, 음상의 정위감과 위치감이 떨어지는 결과를 초래하였다.
등록특허 제10-2156650호(2016.09.10.)(명칭: 복잡도 관점에서 최적화된 공간 효과를 갖는 사운드 공간화)에서는, 복잡한 관점에서 최적화된 공간 효과를 갖는 사운드 공간화를 개시하고 있다. 하지만, 음향 신호의 스펙트럼 성분에서 시간-주파수에 따른 필터 처리만을 수행하는 방식으로, 음향 신호에 대한 공간 효과만을 적용할 수 있을 뿐이다. 즉, 음성 신호와 음악 신호를 분리하여 처리하는 것은 제공하지 못하고 있다. 즉, 음성 신호와 음악 신호를 합성하여 동시에 공간 효과를 적용하는 것이므로, 전체적인 공간 효과를 얻을 수는 있지만 음성과 음악의 균형적 공간 효과는 얻을 수 없다는 한계를 갖는다.
본 발명은, 음성 신호에 포함된 노이즈를 효과적으로 제거하는 기술을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은, 음성과 음악의 공간 효과를 최적으로 구현할 수 있는 기술을 제공하고자 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 별도의 노이즈 수음용 모니터링 마이크를 사용하지 않으며, 다수의 마이크 전부를 음성 수음용 마이크로 활용할 수 있으며, 음성 수음용 마이크만을 이용하면서도 효과적으로 주변 노이즈와 전기적 유발 노이즈를 함께 감쇠시킬 수 있는 음향 처리 시스템을 제공한다. 또한, 마이크를 통해 입력된 음성 신호에 대한 노이즈 제거 처리와 음악 입력 채널을 통해 입력된 음악 신호의 공간 효과 처리를 분리하여 적용함에 따라, 음상의 정위감과 위치감을 제공한다.
특히, 별도의 노이즈 수음용 모니터링 마이크가 없으므로, 원하는 음성 신호가 일그러지지 않으며 추가 노이즈를 유발하지 않는다.
더욱, 음성 신호와 음악 신호에 최적의 공간 효과를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 음성 수음용 마이크를 통해 입력된 복수의 아날로그 음성 신호(Xmics(t))를 하나의 신호로 합성한 후 디지털 신호로 변환하고, 디지털 변환된 음성 신호(Xim(n))의 레벨을 제어하고, 레벨제어된 음성 신호(Xlm(n))로부터 노이즈를 감쇠시키고, 상기 레벨제어된 음성 신호(Xlm(n))와 노이즈감쇠된 음성 신호(Xpnr(n))를 합성하고, 합성된 음성 신호(Xdrc(n))에 음성 공간 위치 효과를 부여하여 상기 공간 위치 효과가 부여된 음성 신호(Xvsc(n))를 생성하는, 음성 처리 유닛; 복수의 음악 입력 채널을 통해 입력된 복수의 아날로그 음악 신호(Xmusics(t))의 음량을 서로 매칭시키고, 매칭된 음악 신호들을 좌측용 및 우측용 디지털 신호로 변환하고, 디지털 변환된 좌측용 및 우측용 음악 신호(XisL(n) 및 XisR(n))에 음악 공간 위치 효과를 부여하여 음악 공간 위치 효과가 부여된 음악 신호(XsscL(n) 및 XsscR(n))를 생성하는, 음악 처리 유닛; 그리고 상기 음성 공간 위치 효과가 부여된 음성 신호(Xvsc(n))와 상기 음악 공간 위치 효과가 부여된 음악 신호(XsscL(n) 및 XsscR(n))를 합성하고, 합성된 음향 신호(Xsl(n) 및 Xsr(n))를 각각의 출력 채널별로 출력하고, 각각의 출력 채널별 상기 음향 신호(Xsl(n) 및 Xsr(n))를 각각 증폭하여 각자의 스피커(Sp_L 및 Sp_R)에 인가하는, 신호 합성 출력 유닛을 포함하는, 노이즈 감쇠 기능 및 공간 효과 구현 기능을 제공하는 음향 처리 시스템이 제공된다.
여기서, 상기 음향 처리 시스템은, 복수의 음성 수음용 마이크를 통해 입력된 상기 복수의 아날로그 음성 신호(Xmics(t))를 모두 합하여 하나의 신호로 합성한 후 디지털 신호로 변환하고 상기 디지털 변환된 음성 신호(Xim(n))의 레벨을 제어하기 위하여: 상기 복수의 아날로그 음성 신호(Xmics(t))의 각각의 음량을 매칭시켜 하나의 신호로 합성하는 음성 임피던스 음량 매칭단; 합성된 아날로그 음성 신호를 상기 디지털 변환된 음성 신호(Xim(n))로 변환하는 A/D 변환단; 및 상기 디지털 변환된 음성 신호(Xim(n))에 임계치 적용 제어에 따른 적응 레벨 변위 제어 기능(Halrc(n))을 수행하는 적응 레벨 범위 제어단을 구비한 적응 레벨 범위 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 음향 처리 시스템은, 상기 레벨제어된 음성 신호(Xlm(n))로부터 노이즈를 감쇠시키기 위하여: 상기 레벨제어된 음성 신호(Xlm(n))를 소정의 블록단위로 샘플링하여 정위상 샘플링 신호(Xsb(n))를 생성하는 신호 정위상 버퍼단(121); 상기 레벨제어된 음성 신호(Xlm(n))를 상기 블록단위로 샘플링한 후 역변환하여 역위상 샘플링 신호(X'sb(n))를 생성하는 신호 역위상 버퍼단; 및 상기 정위상 샘플링 신호(Xsb(n))와 상기 역위상 샘플링 신호(X'sb(n))를 조합하여 주기성 노이즈를 감쇠시키는 적응형 퍼 필터(Fir Filter) LMS 단을 구비한 주기 노이즈 및 전기 노이즈 감쇠 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 노이즈 감쇠 기능 및 공간 효과 구현 기능을 제공하는 음향 처리 시스템.
또한, 상기 음향 처리 시스템은, 상기 레벨제어된 음성 신호(Xlm(n))와 노이즈감쇠된 음성 신호(Xpnr(n))를 합성하기 위하여: 상기 레벨제어된 음성 신호(Xlm(n))를 상기 노이즈감쇠된 음성 신호(Xpnr(n))와 동기시키기 위하여, 상기 레벨제어된 음성 신호(Xlm(n))에 소정의 지연을 부여하는 지연단(Delay1); 및 상기 지연부여된 레벨제어된 음성 신호(Xlm(n))와 상기 노이즈감쇠된 음성 신호(Xpnr(n))를 선택적으로 합성하는 먹스합단을 구비한 지연 및 감쇠 보상부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 음향 처리 시스템은, 상기 합성된 음성 신호(Xdrc(n))에 음성 공간 위치 효과를 부여하여 공간 위치 효과가 부여된 음성 신호(Xvsc(n))를 생성하기 위하여: 상기 합성된 음성 신호(Xdrc(n))의 이득 및 위상을 조정하고, 상기 조정을 적용하기 전의 상기 합성된 음성 신호(Xdrc(n))와 상기 조정을 적용한 상기 합성된 음성 신호(Xdrc(n))를 합성한 후 리버브 효과를 적용하는 음성 공간 위치 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 음향 처리 시스템은, 상기 합성된 음성 신호(Xdrc(n))의 주파수 성분을 분석하여 스펙트럼 신호(Xspec(n))를 생성하는 신호분석부; 및 상기 스펙트럼 신호(Xspec(n))에 근거하여, 상기 신호 정위상 버퍼단(121)과 상기 신호 역위상 버퍼단(122)과 상기 적응 퍼 필터 LMS단(123)의 동작을 제어하는 시스템 운용부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 음향 처리 시스템은, 상기 음악 입력 채널을 통해 아날로그 음악 신호(Xmusics(t))를 수신하고 전처리하기 위해: 2개 이상의 상기 수신된 아날로그 음악 신호(Xmusics(t))의 입력 임피던스를 조정하고, 복수의 음악 입력 채널로부터 입력되는 복수의 아날로그 음악 신호의 음량을 매칭시키는 음악 음량 매칭단; 및 임피던스와 음량이 매칭된 상기 아날로그 음악 신호를 좌측용 및 우측용 채널별로 각각 디지털변환하여 디지털변환된 좌측용 및 우측용 음악 신호(XisL(n) 및 XisR(n))를 생성하는 A/D 변환단; 을 구비한 음악 신호 선택 및 음량 매칭부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 음향 처리 시스템은, 상기 디지털변환된 좌측용 및 우측용 음악 신호(XisL(n) 및 XisR(n))에 음악 공간 위치 효과를 부여하여 공간 위치 효과가 부여된 음악 신호(XsscL(n) 및 XsscR(n))를 생성하기 위해: HRTF 신호 분리, 이득 제어, 위상 제어, 다중 신호합 처리, 리버브 효과 중 적어도 하나를 부여하고, 음악의 공간적 위치를 적용하여 좌측용 및 우측용 음악 신호(XsscL(n) 및 XsscR(n))를 생성하는 음악 공간 위치 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 음향 처리 시스템은, 공간 위치 효과가 부여된 음성 신호(Xvsc(n))와 공간 위치 효과가 부여된 음악 신호(XsscL(n) 및 XsscR(n))를 합성하여 생성된 음향 신호(Xsl(n) 및 Xsr(n))를 각각의 출력 채널로 출력하기 위해: 상기 공간 위치 효과가 부여된 음성 신호(Xvsc(n))를 상기 공간 위치 효과가 부여된 음악 신호(XsscL(n) 및 XsscR(n))와 동기화하기 위하여, 상기 공간 위치 효과가 부여된 음성 신호(Xvsc(n))에 소정의 지연을 제공하고, 그리고 상기 공간 위치 효과가 부여된 음성 신호(Xvsc(n))와 상기 공간 위치 효과가 부여된 음악 신호(XsscL(n) 및 XsscR(n))를 개별적으로 제어하여 합성함으로써, 음성과 음악의 위치 배분을 통해 음상의 정위감을 구현하여 좌측용 및 우측용 음향 신호(Xsl(n) 및 Xsr(n))를 생성하는 귀 지연시간 상관계수 조절부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 음향 처리 시스템은, 상기 각각의 출력 채널별 상기 음향 신호(Xsl(n) 및 Xsr(n))를 각각 증폭하여 각자의 스피커(Sp_L 및 Sp_R)를 통해 출력하기 위해: 상기 출력 채널별 음향 신호(Xsl(n) 및 Xsr(n))를 각각 아날로그변환 처리하여 채널별 아날로그 음향 신호를 생성하고, 생성된 채널별 아날로그 음향 신호를 증폭처리한 후 각자의 스피커(Sp_L 및 Sp_R)에 제공하는 메인 게인 증폭부를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 구성에 의하면, 본 발명은, 음성 수음용 마이크와는 별도로 노이즈 감쇠를 목적으로 하는 모니터링 마이크를 적용하였던 기존의 방식과는 달리, 별도의 노이즈 수음용 모니터링 마이크를 사용하지 않으므로 다수의 마이크를 모두 음성 수음용 마이크로 활용할 수 있으며, 음성 수음용 마이크만을 이용하면서도 효과적으로 주변 노이즈와 전기적 유발 노이즈를 함께 감쇠시킬 수 있는 음향 처리 시스템을 제공할 수 있다. 또한, 마이크를 통해 입력된 음성 신호에 대한 공간 효과와 음악 입력 채널을 통해 입력된 음악 신호의 공간 효과를 분리하여 처리함에 따라, 음상의 정위감과 위치감을 제공한다.
특히, 별도의 노이즈 수음용 모니터링 마이크가 없으므로, 원하는 음성 신호가 일그러지지 않으며 추가 노이즈를 유발하지 않는다.
또한, 음성 신호에 대한 노이즈 제어 처리 및 음악 신호에 대한 공간 효과 구현 처리를 병행함으로써, 음성/음악의 명료도 및 음색을 최적화할 수 있다.
또한, 청취하는 음성 신호와 음악 신호의 공간 효과를 분리하여 개별 제어함으로써, 청취자의 청각적 음상과 시각이 중첩되는 현상을 제거할 수 있게 되어, 청취자의 시각적 피로도를 줄이고 장시간 동안 음성/음악을 청취하더라도 귀 또는 머리의 통증과 어지러움을 방지할 수 있다.
또한, 음성 수음용 마이크만 필요하므로, 헤드셋 또는 이어셋에 마이크를 배치하는 데에도 제약이 적다.
또한, 주기적인 노이즈뿐만 아니라 전기적 노이즈에 대해서도 감쇠 기능을 제공할 수 있다. 또한, 음성 신호에는 공간 효과를 구현하지 않고, 음악 신호에만 공간 효과를 구현함으로써, 음성 신호와 음악 신호가 합성되었을 때 균형적 공간 효과를 제공할 수 있다.
도 1은, 다수의 입력 채널 또는 다수의 마이크로 입력되는 음성 신호로부터 주변 노이즈 및 전기적 노이즈를 감쇠시키는 기능을 제공하고, 또한 음성 신호에 대한 위치 효과와 음악 신호에 대한 공간 효과를 별도로 처리하여 합성하는, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 처리 시스템의 전체적인 블록도를 도시한다.
도 2는, 마이크 입력 임피던스 및 음량 매칭부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a은, 다수의 마이크를 통해 수음되는 음성들의 음량을 조절하는 적응 레벨 범위 제어부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3b는, 도 3a에 도시된 적응 레벨 범위 제어부의 레벨 적응 커브 제어단의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 주기 노이즈 및 전기적 노이즈 감쇠 제어부를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 주기 노이즈 및 전기적 노이즈 감쇠 제어부를 구성하는 적응 퍼 필터(Fir Filter)로 구현된 LMS단을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a는, 신호 처리에 의한 지연 시간 및 신호 감쇠를 보상하는, 지연 및 감쇠 보상부를 설명하기 위한 도면이다.
도 6b는 신호 감쇠를 보상하기 위한 감쇠 조절 선택 처리를 설명하기 위한 도면이다.
도 7a는 음성 공간 위치 제어부를 설명하기 위한 도면이다.
도 7b는 리버브(Reverb) 효과 처리를 설명하기 위한 도면이다
도 8은 신호 분석부를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 음악 신호를 입력받는 음악 신호 선택 및 음량 매칭부를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 음악 신호 공간 위치 제어부를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 음성 신호와 음악 신호를 합성하는, HRTF 귀 상관 계수 조절부를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는, 마이크 입력 임피던스 및 음량 매칭부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a은, 다수의 마이크를 통해 수음되는 음성들의 음량을 조절하는 적응 레벨 범위 제어부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3b는, 도 3a에 도시된 적응 레벨 범위 제어부의 레벨 적응 커브 제어단의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 주기 노이즈 및 전기적 노이즈 감쇠 제어부를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 주기 노이즈 및 전기적 노이즈 감쇠 제어부를 구성하는 적응 퍼 필터(Fir Filter)로 구현된 LMS단을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a는, 신호 처리에 의한 지연 시간 및 신호 감쇠를 보상하는, 지연 및 감쇠 보상부를 설명하기 위한 도면이다.
도 6b는 신호 감쇠를 보상하기 위한 감쇠 조절 선택 처리를 설명하기 위한 도면이다.
도 7a는 음성 공간 위치 제어부를 설명하기 위한 도면이다.
도 7b는 리버브(Reverb) 효과 처리를 설명하기 위한 도면이다
도 8은 신호 분석부를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 음악 신호를 입력받는 음악 신호 선택 및 음량 매칭부를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 음악 신호 공간 위치 제어부를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 음성 신호와 음악 신호를 합성하는, HRTF 귀 상관 계수 조절부를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 노이즈 감쇠 기능 및 공간 효과 구현 기능을 제공하는 음향 처리 시스템을 설명한다. 상기 시스템은, 다수 마이크에 의한 음성 신호로부터 노이즈 감쇠 및 공간 위치 제어를 수행하고 다수 음악 신호를 공간 위치 제어하고, 처리된 음성 신호와 음악 신호의 HRTF(Head Related Transform Function) 관계를 조절한다. 여기서, 본 발명의 각 구성 요소를 지칭하는 용어들은 그 기능을 고려하여 예시적으로 명명된 것이므로, 용어 자체에 의하여 본 발명의 기술 내용을 예측하고 한정하여 이해해서는 안 될 것이다.
먼저, 본 명세서에서 사용된 용어 중, "음성"은, 인간 또는 전자적으로 생성된 언어 또는 특정의 의미가 있는 발성을 포함하는 소리(즉, 음향)를 의미하는 것으로 한다. 또한, "음악"은 박자, 가락, 음성 따위를 갖가지 형식으로 조화하고 결합하여 만들어지는 사상 또는 감정을 나타내는 소리를 의미하는 것으로 한다. 그리고 "음향"은 음성과 음악을 포함하는 모든 소리를 의미하는 것으로 한다.
도 1은, 다수의 입력 채널 또는 다수의 마이크로 입력되는 음성 신호로부터 주변 노이즈 및 전기적 노이즈를 감쇠시키는 기능을 제공하고, 또한 음성 신호에 대한 위치 효과와 음악 신호에 대한 공간 효과를 별도로 처리하여 합성하는, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 처리 시스템의 전체적인 블록도이다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 음향 처리 시스템은, 음성 처리 유닛(10)과, 음악 처리 유닛(20)과, 신호 합성 출력 유닛(30)으로 구현될 수 있다.
음성 처리 유닛(10)은, 다수의 음성 수음용 마이크를 통해 입력된 다수의 아날로그 음성 신호(Xmics(t))들을 모두 합하여 하나의 신호로 합성한 후, 합성된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, 디지털 변환된 음성 신호(Xim(n))의 레벨을 제어하고, 레벨제어된 음성 신호(Xlm(n))로부터 노이즈를 감쇠시키고, 상기 레벨제어된 음성 신호(Xlm(n))와 노이즈감쇠된 음성 신호(Xpnr(n))를 합성하고, 합성된 음성 신호(Xdrc(n))에 음성 공간 위치 효과를 부여하여 공간 위치 효과가 부여된 음성 신호(Xvsc(n))를 생성할 수 있다.
음악 처리 유닛(20)은, 하나 또는 복수의 음악 입력 소스로부터 각각의 음악 신호(Xmusics(t))를 수신한다. 각각의 L/R채널의 음악신호(Xmusics(t))에 음악 공간 위치 효과를 부여하기 위하여, 각각 L/R채널의 값의 일부를 상대 채널에 부가할 수 있는데, HRTF 방식의 이득과 위상 조절을 통하여 공간 위치 효과가 부여된 음악 신호(XsscL(n) 및 XsscR(n))를 생성할 수 있다.
신호 합성 출력 유닛(30)은, 공간 위치 효과가 부여된 음성 신호(Xvsc(n))와 공간 위치 효과가 부여된 음악 신호(XsscL(n) 및 XsscR(n))를 합성하고, 합성된 음향 신호(Xsl(n) 및 Xsr(n))를 각각의 출력 채널별로 출력하고, 각각의 출력 채널별 상기 음향 신호(Xsl(n) 및 Xsr(n))를 각각 증폭하여 각자의 스피커(Sp_L 및 Sp_R)를 통해 출력할 수 있다.
여기서, 음성 처리 유닛(10)은, 마이크 입력 임피던스 및 음량 매칭부(100)와, 적응 레벨 범위 제어부(110)와, 주기 노이즈 및 전기 노이즈 감쇠 제어부(120)와, 지연/감쇠 보상부(130)와, 음성 공간 위치 제어부(140)와, 신호 분석부(150)와, 시스템 운용부(200)를 포함할 수 있다.
또한, 음악 처리 유닛(20)은, 음악 신호 선택 및 음량 매칭부(160)와, 음악 신호 위치 제어부(170)를 포함할 수 있다.
또한, 신호 합성 출력 유닛(30)은, HRTF 귀 지연시간 상관계수 조절부(180)와, 메인 게인 증폭부(190)를 포함할 수 있다.
하나 또는 다수의 입력 채널을 통해 입력된 음성 신호 및/또는 하나 또는 다수의 마이크로부터 직접 수음된 음성 신호(Xmics(t))는 마이크 입력 임피던스 및 음량 매칭부(100)로 입력된다.
다수의 마이크들(예를 들면, 지향성 마이크 및/또는 무지향성 마이크들을 포함할 수 있음)로부터의 음성 신호(Xmics(t))들 사이의 임피던스 및 음량이 서로 매칭될 수 있다. 임피던스 및 음량이 매칭된 각 음성 신호(Xmics(t))들은 하나의 신호로 통합된 후 디지털 변환된다.
즉, 다수의 마이크에 의해 생성되는 아날로그 음성 신호인 수음 신호(Xmics(t))(즉, 원하는 음성과 주변 노이즈가 혼합된 상태의 신호)는 하나로 통합된 후, Hilm(t) 처리를 통하여 디지털 신호(Xim(n))로 변환된다.
참고로 본 명세서에서, X는 아날로그/디지털 신호의 함수 표현이다. 특히, X(t)는 아날로그 신호를, X(n)은 디지털 신호를 의미한다. H는 상기 신호에 적용되는 전달 함수를 의미한다.
적응 레벨 범위 제어부(110)는, 마이크로부터 생성되어 디지털 변환된 신호(Xim(n))에 대하여, 적응 레벨 변위 제어 기능(Halrc(n))을 수행함으로써 임계치를 적용하여 레벨이 적응된(제어된) 출력 신호(Xlm(n))를 생성한다. 이때, 전증폭(Pre-G) 및/또는 후증폭(Post-G)이 적용될 수 있다.
이것은, Xlm(n) = [ [Pre-G × Xim(n)] × Halrc(n) × Post-G ] 로 표현될 수 있다.
주기 노이즈 및 전기 노이즈 감쇠 제어부(120)는, 적응 레벨 범위 제어부(110)에서 출력되는 신호(Xlm(n)) 중에서, 주기적 파형 패턴을 갖는 주기 신호와 전기 장치로부터 생성되어 유입된 주기적 전기 신호를 노이즈로 판단하여 감쇠시킨다. 주기 노이즈 및 전기 노이즈 감쇠 제어부(120)는 주기 신호와 전기 신호가 감쇠된 신호(Xpnr(n))를 출력한다.
주기 노이즈 및 전기 노이즈 감쇠 제어부(120)는, 신호 정위상 버퍼단(121)과 신호 역위상 버퍼단(122)과 적응 퍼 필터로 구현된 LMS단(123)을 포함한다. LMS는 최소 제곱 평균(Least Mean Square) 처리를 의미한다. 주기적 노이즈 감쇠된 신호(Xpnr(n))는, Xpnr(n) = X'sb(n) × Wm(n) 로 표현될 수 있다. Wm(n)는 퍼 필터의 각 LMS단을 통과한 신호를 의미한다.
이것은, Xpnr(n) = ∑ [ Wm(n) × X'sb(n-m) ] 로 표현될 수 있다.
지연/감쇠 보상부(130)는, 적응 레벨 범위 제어부(110)에서 출력되는 신호(Xlm(n))와 주기적 신호들이 감쇠된 신호(Xpnr(n)) 간의 신호처리의 시간차를 고려하여, 예를 들면, 신호(Xlm(n))를 지연시킴으로써, 양 신호를 동기화한다. 각 신호는 지연/감쇠를 보상하기 위한 처리(Hddc(n))가 적용되어, 출력 신호(Xdrc(n))를 생성한다.
이것은, Xdrc(n) = ∑ [ Xpnr(n) × Filter ] + [ (Delay) + Xlm(n)× Filter ] 로 표현될 수 있다.
음성 공간 위치 제어부(140)는, 지연/감쇠 보상 처리에 따른 출력 신호(Xdrc(n))에 음성 공간 위치 효과(Hvsc(n))를 적용한다. 즉, 이득과 위상을 제어한 후 신호를 합하고 또한 리버브(Reverb) 효과를 적용함으로써, 각 마이크의 공간적 위치에 따른 공간 위치 효과를 부여하여 출력 신호(Xvsc(n))를 생성한다.
여기에서 리버브 기능은, 일반적인 전역 통과(All Pass) 필터 개념의 리버브 효과가 아닌, 특정 음성 영역에 포함된 잔향 신호만을 처리하는 것으로서, BPF(Band Pass Filter)와 함께 LPF(Low Pass Filter)를 혼합하여 리버브 효과를 얻는다. 그 결과로서 출력 신호(Xvsc(n))가 생성된다.
이것은, Xvsc(n) = { ∑ [ Dg × Xdrc(n) ] + [ Pg × Phase + Xdrc (n) ] } × Reverb 로 표현될 수 있다.
여기서, Dg 및 Pg는 신호에 대해 개별적으로 주어지는 증폭도이다. Phase는 위상 지연을 나타낸다. Reverb는 잔향 효과를 나타낸다.
리버브 효과를 수식으로 표현하면,
F_h = [ (g4 × Delay) + (1 + g5) + (LPF × Delay ×(g1 + g2)) ]× F_c - (g3 × BPF)× F_h 로 정리할 수 있다.
신호 분석부(150)는, 노이즈 감쇠 처리된 후 지연/감쇠 보상처리된 신호(Xdrc(n))의 주파수 성분을 분석하여, 스펙트럼 신호(Xspec(n))를 생성한다. 이 스펙트럼 신호를 바탕으로, 적응 레벨 범위 제어에 사용되는 Halrc(n)를 생성할 수 있다.
한편, 하나 또는 다수의 입력 채널을 통해 입력되는 하나 또는 다수의 음악 신호(Xmusics(t))는, 음악 신호 선택 및 음량 매칭부(160)로 입력된다.
음악 신호 선택 및 음량 매칭부(160)는, 다수 채널로 입력되는 다수의 음악 신호 중에서 음향 효과를 부여하고자 하거나 스피커로 출력하고자 하는 하나 또는 다수의 신호, 특히 2개 이상의 신호를 선택하고 선택된 음악 신호들의 음량을 서로 매칭시킨다. 이어서, 아날로그 신호인 음악 신호(Xmusics(t))에 대해 Hssim(t) 처리를 수행하여 디지털 신호(Xis(n))로 변환한다. 특히, 음악 신호는 좌측 스피커용 채널과 우측 스피커용 채널로 각각 구분되어 개별적으로 및 병렬로 처리가 이루어지게 된다(XisL(n) 및 XisR(n)). 물론, 더 많은 채널(예를 들면, 좌측전방 채널, 우측전방 채널, 좌측후방 채널, 우측후방 채널 등)로 구분될 수도 있으며, 각각의 채널별로 개별적으로 및 병렬로 처리가 적용될 수 있을 것이다. 만일, 본 명세서에서 단일 신호에 대해 처리하는 것처럼 기재되었더라도, 그것은 각 채널별로 개별적으로 및 병렬로 수행될 수 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
음악 공간 위치 제어부(170)는, 선택되어 음량 매칭된 후 디지털 변환된 채널별 출력 신호(XisL(n) 및 XisR(n))에 대해, HRTF 신호 분리, 이득 제어, 위상 제어, 다중 신호합, 리버브 효과 부여를 통해서 음악의 공간적 위치를 부여함으로써, 좌측용 및 우측용 신호(XsscL(n) 및 XsscR(n))를 생성한다.
여기에서 리버브 기능은, 일반적인 전역 통과(All Pass) 필터 개념의 리버브 효과가 아닌, 특정 음성 영역에 포함된 잔향 신호만을 처리하는 것으로서, BPF(Band Pass Filter)와 함께 LPF(Low Pass Filter)를 혼합하여 리버브 효과를 얻는다. 그 결과로서 출력 신호(XsscL(n), XsscR(n))가 생성될 수 있다.
HRTF 귀 지연시간 상관계수 조절부(180)는, 음성 공간 위치 제어부(140)에서 출력하는 하나 또는 다수의 마이크로부터 수음된 후 노이즈가 제거되고 음성 공간 위치가 제어된 음성 신호(Xvsc(n))와, 음악 공간 위치 제어부(170)에서 출력하는 하나 또는 다수의 입력 채널을 통해 입력된 후 음량이 매칭되고 음악 공간 위치가 제어된 좌/우 채널별 음악 신호(XsscL(n), XsscR(n))를, 음성과 음악 각각의 위치 배분을 적용하여 합성함으로써 음상의 정위감을 구현한 좌/우 채널별 출력 신호(Xsl(n) 및 Xsr(n))를 생성한다.
음성 신호에 DelayL 및 DelayR를 추가로 부여함으로써, 합성된 음향에서 위치감과 거리감을 강조하여, 향상된 위치 이동감을 구현할 수 있게 된다.
D/A 메인 게인 증폭부(190)는, HRTF 귀 지연시간 상관계수 조절부(180)의 출력 신호(Xsl(n)/Xsr(n))에 대해 D/A 처리를 수행하여 아날로그 신호로 변환하고, 생성된 아날로그 신호를 증폭처리하여(Hma(t)), 최종으로 스피커를 통해 청각적인 소리로써 출력한다.
이와 같은 구성에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른, 다수 입력 채널 및/또는 다수 마이크를 구비한 공간 효과 구현 기능을 제공하는 음향 처리 시스템은, 다수의 마이크로 유입되는 수음 신호로부터 다양한 출력 신호들(Xlm(n), Xpnr(n), Xdrc(n))을 생성하고, 이들 중 하나 또는 복수를 가중 혼합함으로써 최적의 노이즈 감쇠 효과를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 시스템은, 음성과 음악을 통합하여 각종 음향 효과를 부여하는 것이 아니라, 음성과 음악을 분리하여 각각 개별적으로 공간 효과를 부여한 다음 이들을 합성처리함으로써, 음악과 음성의 정위감이 손상되지 않기 때문에 장시간 음향을 청취하여도 불편하지 않게 된다.
이하에는, 본 발명의 일 실시예에 따른 다수 마이크를 포함하는 노이즈 감쇠 기능 및 공간 효과 구현 기능을 제공하는 음향 처리 시스템의 구성 및 동작을 각 도면을 참조하여 구체적으로 상세하게 설명한다.
도 2는 마이크 입력 임피던스 및 음량 매칭부를 더욱 상세하게 설명하기 위한 도면이다. 마이크 입력 임피던스 및 음량 매칭부(100)는 음성 임피던스 음량 매칭단(101)과 A/D 변환단(102)을 포함한다.
다수 마이크로부터 수음되어 생성된 입력 신호(Xmics(t))는 아날로그 신호로서, 음성뿐만아니라 주변의 노이즈 또한 포함하고 있다.
음성 임피던스 음량 매칭단(101)은 다수의 마이크 각각의 임피던스를 출력측의 임피던스와 매칭시켜서, 유입되는 입력 신호의 최대 전력 전송을 실현한다. 각각의 마이크의 임피던스는 수 Ω 내지 수 kΩ일 수 있다. 만일, 입력 임피던스가 낮은 경우에는 음압에 의한 신호 전달을 고려해야 한다. 한편, 입력 임피던스가 높은 경우에는, 해당 마이크는 콘덴서 마이크일 수 있으며, 이 경우에는 팬텀 전원을 고려해야 하는데, 음성 임피던스 음량 매칭단(101)을 추가함으로써 이러한 고려사항이 해소될 수 있다. 음성 임피던스 음량 매칭단(101)은 임피던스와 음량이 매칭된 다수의 입력 신호(Xmics(t))들을 하나의 신호로 통합한다.
한편, A/D 변환단(102)은, 입력 신호(Xmics(t))들이 통합된 신호를 디지털 신호(Xim(n))로 변환한다. 즉, 본 발명에 따른 음향 처리 시스템은, 디지털 신호 처리 시스템이다.
도 3a은 적응 레벨 범위 제어부의 구체적인 구성을 도시하는 도면이다. 마이크 입력 임피던스 및 음량 매칭부(100)를 통해 출력되는 신호는, 각각의 마이크마다 응답 반응 특성이 다르므로, 이러한 응답 반응 특성들을 평균적으로 조정할 필요가 있다. 이를 위하여, 적응 레벨 범위 제어부(110)는, 시스템 운용부(200)에서 제공하는 분석값(상기 분석값은 신호 분석부(150)에서 생성됨)을 신호에 적용한다.
적응 레벨 범위 제어부(110)는, 전처리 이득단(Pre G))과, 적응 레벨 적용 범위 제어단(111)과, 후처리 이득단(Post G)을 포함하여 구성된다. 전처리 이득단과 후처리 이득단은 신호의 레벨을 평준화하기 위해 적용된다. 적용 레벨 적용 범위 제어단(111)은 평균 레벨 범위에 따른 순간 레벨을 순응시키기 위한 것이다.
도 3b는 적응 레벨 범위 제어부(110)에서 레벨을 제어하기 위한 방법의 예시로서, 입력 신호 대 출력 신호의 레벨 증폭비를 그래프로 보여준다. 그래프에서, 가로축은 입력신호의 음량값이고, 세로축은 출력신호의 음량값이다. 그래프에서 일정한 기울기를 가진 직선은 신호의 입력 대 출력의 비가 선형적으로 증가하는 기준선을 나타낸다. 시스템 운용부(200) 또는 청취자가 입력값의 증폭 이득을 임의의 부분은 기준선보다 높이고 다른 임의의 부분은 기준선보다 낮추는 방식으로, 레벨 적응이 이루어질 수 있다. 이로써, 청취자는 원하는 음량의 음성을 청취할 수 있다. 이러한 제어 방식을 임계치 적용 제어라고 정의한다.
즉, 임계치 적용 제어는, 예를 들어, 조절 레벨을 -90dB에서 0dB까지로 설정하였다면, 레벨을 10dB 간격으로 범위를 나누고, 각각의 10dB 단위 구간마다 신호에 적용할 가중치인 α값을 달리 설정하여, 신호에 적용하는 방식으로 구현될 수 있다.
도 4는 주기 노이즈 및 전기 노이즈 감쇠 제어부를 더욱 상세하게 설명하기 위한 도면이다. 주기 노이즈 및 전기 노이즈 감쇠 제어부(120)는, 적응 레벨 범위 제어부(110)에서 출력되는, 출력 신호의 음량에 대해 평균화 처리가 수행되고 적응 레벨 적용 범위가 매칭된 신호(Xlm(n))를 입력으로 받아들인다. 그리고 이 신호(Xlm(n))를 구성하는 신호 성분들 중에서 외부에서 유입된 신호 및 전기적으로 유발되어 유입된 신호에 포함된 주기적 노이즈를 감쇠시킨 노이즈 감쇠된 신호(Xpnr(n))를 출력한다.
주기 노이즈 및 전기 노이즈 감쇠 제어부(120)는, 신호 역위상 버퍼단(121)과 신호 역위상 버퍼단(122)과 적응형 퍼 필터인 LMS단(123)을 포함한다.
주기 노이즈 및 전기 노이즈 감쇠 제어부(120)는 적응 레벨 범위 제어부(110)에서 출력한 매칭된 신호(Xlm(n))를 다음과 같이 처리한다. 먼저, 신호 정위상 버퍼단(121)은 Xlm(n) 신호를 소정의 블록단위로 샘플링하고, 샘플링된 블록 단위에 대하여, 주기성 노이즈를 감쇠시키기 위하여 적응형 퍼 필터(Fir Filter)를 통과한 Xpnr(n)을 다시 피드백시킨 신호와 비교하여 에러 신호(Xerr(n))를 다시 얻는 처리를 수행한다.
신호 역위상 버퍼단(121)은 Xlm(n) 신호를 위와 같은 블록단위로 샘플링한 신호를 역변환 처리하고, 에러 신호(Xerr(n))에 따른 LMS 능동 계수를 반영하기 위한 신호 처리를 수행한다. 결과적으로 정위상 버퍼단(Xsb(n))과 역위상 버퍼단(X'sb(n))에 능동 계수를 반복하여 반영함으로써 에러 신호(Xerr(n))가 0에 가까워지게 되면, 주기적 신호는 제거되고 비주기적 성분만 남는 노이즈 제거된 신호(Xpnr(n))가 생성되는 것이다.
이런 방법으로 신호 정위상 버퍼단(121)과 신호 역위상 버퍼단(122)과 적응 퍼 필터로 구현된 LMS단(123)을 다양하게 구성하여 최적의 신호 처리 경로를 조합하여, 노이즈가 감쇠된 신호(Xpnr(n))를 출력할 수 있게 된다.
적응 퍼 필터 LMS단(123)에 대해서는, 도 5를 참조하여 보다 상세하게 설명한다. LMS(최소 제곱 평균(Least Mean Square)) 처리를 통해서 능동 계수를 구하고, 구해진 능동 계수를 퍼 필터 계수로서 활용하여 신호처리가 수행된다. 적응 퍼 필터 계수는 LMS 처리에 따른 결과 가중치인 능동 계수에 의해 제어될 수 있는 한편, T주기, G가중치는 시스템 운용부(200)로부터 제공되거나 퍼 필터 LMS단(123)에서 자체 생성될 수 있다. 이로써, 주기 노이즈 및 전기 노이즈 감쇠 제어부(120)의 신호 정위상 버퍼단(121)과 신호 역위상 버퍼단(122)과 적응 퍼 필터 LMS단(123)의 순환 신호 처리가 이루어질 수 있게 된다.
특히, 적응 퍼 필터 LMS단(123)은 에러 신호(Xerr(n))를 생성할 수 있는데, 이 에러 신호(Xerr(n))가 0이 될 때까지 적응 퍼 필터 계수가 반복 수정되어 순환 처리될 수 있다. 즉, 퍼 필터는 필연적으로 탭(tap) 딜레이가 발생하게 되는데, 각 탭에 가중치 W0(n) ~ Wm(n)를 적용한 다음의 LMS 처리의 결과로부터 주기 신호(또는, 에러 신호(Xerr(n)))를 판단하게 된다. 이러한 주기 신호가 0이 될 때까지 능동 계수를 조정하여 재차 적용하는 순환 방법으로 노이즈를 감쇠시킨다.
주기 신호가 0이 되었다는 것은, 주기성을 갖는 주변 음향, 즉, 주변 노이즈가 대부분 감쇠되었다는 것을 의미한다.
한편, 본 발명에서 퍼 필터를 이용하는 이유는, 노이즈를 감쇠 처리가 수행될 신호의 선형 위상을 유지하기 위함이다. 즉, 퍼 필터가 선형성을 가지므로, 주기적 신호의 역상을 혼합할 때, 주기적 신호만 선형적으로 제거될 수 있다.
퍼 필터를 통과한 신호(즉, 역위상 신호(X'sb(n))에 가중치(Wm(n))가 적용된 신호)는, 노이즈 감쇠된 신호(Xpnr(n))로서, Xpnr(n) = ∑ Wm(n) × X'sb(n-m)로 표현될 수 있다.
주기 노이즈 및 전기적 노이즈 감쇠 제어부(120)는, 능동 알고리즘을 이용하여 역위상 신호(X'sb(n))에 적응 퍼 필터 계수(Wm(n))를 적용하기 위한 것으로서, 평균 제곱의 에러로 인지되는 신호를 최소화하게 된다.
한편, 적응 퍼 필터 LMS단(123)으로 입력되는 에러 신호는, 도 5를 참고할 때, Xerr(n) = Xsb(n) + Xpnr(n) 일 수 있다. 여기서, 신호 정위상 버퍼단(121)의 전달 함수를 Hs(n)으로 하고, 신호 역위상 버퍼단(122)의 전달 함수를 H's(n)라고 하면, Xsb(n) = Xlm(n) × Hs(n)라고 정리되며, 마찬가지로 X'sb(n) = Xlm(n) × H's(n)라고 정리된다. 결국, Xerr(n) = Xsb(n) + Xpnr(n)이므로, 여기에 능동 알고리즘의 평균 제곱근을 취하면, 다음과 같이 정리된다.
▽²Xerr(n) = 2 Xerr(n)×(dXerr(n)/dW(n))
= 2 Xerr(n)×d{ Xsb(n) + (X'sb(n) × [Wm(n)]T) }/dW(n)
즉, Xsb(n)와 X'sb(n)는 서로 역상 관계에 있는 신호이므로, [Wm(n)]T와 같이 능동 계수 벡터 테이블에 의한 [Wm(n)]T의 주기적 상호 상쇄 처리를 수행하면, Xerr(n)는 0에 근접하게 될 것이고, 마침내 Xpnr(n)는 비주기적 신호만을 포함하게 될 것이다.
한편, 통상적으로 LMS 능동 알고리즘만으로도 주기적인 신호를 대부분 제거할 수는 있다. 하지만, 어느 정도까지를 주기 신호로 볼 것인지에 대한 판단과, 판단된 주기 신호를 어느 정도까지 감쇠시킬 것인지에 대한 조정이 필요하다.
이러한 판단과 조정은, 시스템 운용부의 자체적인 판단 또는 청취자의 선택에 의존할 수 있는데, 예를 들면, 시스템 운용부(200)가 신호 정위상 버퍼단(121)과 신호 역위상 버퍼단(122)과 적응 퍼 필터 LMS단(123)에 적용되는 T(주기)와 G(가중치)를 제어함으로써 조절될 수 있다.
음성 신호로부터 주기적 신호를 감쇠시키는 정도가 커지면, 오히려, 잔상 효과를 일으키는 노이즈가 유발될 수 있다. 그래서 이러한 부작용을 해결하기 위해, 적응 레벨 범위 제어부의 출력 신호인 Xlm(n)을 이용하는 지연/감쇠 보상부(130)가 추가된다.
도 6a는 음성 신호로부터 주기적 신호를 감쇠시키는 동안 발생할 수 있는, 잔상 효과로 인한 유발 노이즈를 마스킹하기 위한 지연/감쇠 보상부를 도시한다. 위한 지연/감쇠 보상부(130)는, 적응 레벨 범위 제어부(110)의 출력 신호인 Xlm(t)를 활용하여, 주기 노이즈 및 전기 노이즈 감쇠 제어부(120)에서 발생한 Δt만큼의 지연(Delay)을 보상한다. Δt만큼의 지연을 보상한, 즉, Δt만큼의 지연을 추가한 Xlm(n)과 주기 노이즈가 감쇠된 Xpnr(n)에 대해 신호 합 처리를 수행하면, 원래의 신호와 유사하면서 주기 노이즈가 감쇠된 음성 신호가 생성되고, 여기에서는 소리의 시간차를 느낄 수 없게 된다.
즉, Xpnr(n)은, Xlm(n)에 LMS 필터에 의한 지연 시간(Delay1)이 포함된 신호이다. 따라서, Xlm(n)에 지연 시간(Delay1)을 적용한 후, 이것을 Xpnr(n)과 합성하게 된다. 신호의 합성은, 도 6b에 도시된 바와 같이, 먹스 합(Mux Add)단(132)에서 이루어질 수 있다. Xpnr(n)에 필터(Filter 1)를 적용한 Xs1(n)에 임의의 가중치(G1)를 적용하고, 또한, Xlm(n)에 지연 시간(Delay1)과 필터(Filter 3)를 적용한 Xlmd(n)에 임의의 가중치(G2)를 적용하고, 이들을 선택적으로(sw1 또는 sw2를 이용한 제어) 합성함으로써, 지연 보상된 신호(Xdrc(n))가 생성된다.
도 7a는 음성 신호에 공간 효과를 부여함으로써, 음성의 공간 위치를 제공하는 음성 공간 위치 제어부의 구성을 도시한다. 음성 공간 위치 제어부(140)는, 지연/감쇠 보상 처리에 따른 출력 신호(Xdrc(n))의 일부에 대해 위상(Phase)을 조정하여 재합성하고, 여기에 잔향 효과를 적용한다.
먼저, 이득(Dg)을 적용한 Xdrc(n)와, 이득(Pg)을 적용하고 위상을 조정한 Xdrc(n)를 합성하여 신호(F_c)를 생성한다. 신호(F_c)는 리버브(RVB)단(142)을 통해 리버브 효과가 부여된 신호(F_h)로 된다. 리버브 효과가 부여된 신호(F_h)는 신호(Xvsc(n))로서 출력된다.
일반적인 RVB단은 전역 통과(All Pass) 필터 개념의 리버브 효과를 적용하고 있으나, 본 발명에서의 RVB단에서는 특정 음성 영역에 대해서만 잔향 효과를 부여하기 위해서, BPF(Band Pass Filter)와 LPF(Low Pass Filter)를 혼합하여 적용할 수 있다.
이것은, Xvsc(n) = { ∑[ Dg × Xdrc(n) ] + [ Pg × Phase + Xdrc (n) ] } × Reverb) 로 표현될 수 있다.
리버브 효과를 구현하는 리버브단(142)의 예시적 구성은, 도 7b와 같이 표현될 수 있다.
도 7b는 특정 영역에 대해서 리버브 효과를 구현하기 위하여, BPF, LPF, 초기 지연(D)을 더 포함하는 방식을 보여주며, 수식적 관계는 다음과 같다.
F_h = [ (g4 × Delay) + (1 + g5) + (LPF × Delay ×(g1 + g2))] × F_c - (g3 × BPF) × F_h
도 8은, 자연스러운 음성을 구현하기 위해서 지연 감쇠 보상부(130)의 출력 신호(Xdrc(n))를 이용하여 주파수 성분을 분석함으로써, 스펙트럼 신호(Xspec(n))를 생성하는 신호 분석부를 도시한다. 신호 분석부(150)는, Xim(n)을 레벨 적응시키기 위한 적응 레벨 변위 제어 요소를 추출하기 위해서 직렬 연결되며 각각의 이득(g1, g2 ... gN)이 설정된 등화 처리용 다단 필터(필터1, 필터2 ... 필터N)를 구비하고, 또한, 각 다단 필터의 이득을 제어하는 이득 기울기 제어단(Gain Slop Control; GSC)을 포함하여 구성된다.
스펙트럼 신호(Xspec(n))는 다음과 같이 처리된다.
Xspec(n) = [ gN 필터N ] × GSC
[ gN 필터N ]은, 음성 신호의 특정 주파수를 선별하기 위하여 주파수 대역의 레벨 감지를 위한 것으로서, 대역 통과 필터로 구성된다.
이득 기울기 제어단(GSC)에서는, 소리의 시간 변형을 제어하는 Attack, Release, Sustain, Delay Time에 따른 음파의 변형과, 음량의 높낮이에 따른 이득 기울기를 제어함으로써, 마이크 감도에 따른 순간 음성 레벨을 제어할 수 있다.
도 9는 다수의 소스로부터 들어오는 음악 신호(또는, 음악 신호)를 선택하고, 음량을 매칭하는 음악 신호 선택 및 음량 매칭부를 도시한다. 음악 신호 선택 및 음량 매칭부(160)는, 음악 임피던스 음량 매칭단(161)과 A/D 변환단(162)을 포함한다.
다수의 입력 소스로부터 유입되는 다수의 음악 신호(Xmusics(t))는 각각 아날로그 신호일 수 있다. 음악 신호 각각의 소스는 출력하는 음량값이 서로 달라서, 그에 따른 음악 임피던스 음량 매칭단(161)을 통해 임피던스와 음량이 매칭되는 것이 바람직하다. 즉, 2개 이상의 입력 채널을 선택하고, 선택된 입력 채널들 간의 임피던스를 서로 매칭시키고, 입력되는 2개 이상의 음악 신호들을 입력받은 후, 각 음악 신호들의 음량을 서로 매칭시킨다.
임피던스와 음량이 매칭된 다수의 음악 신호들은, 출력 채널별로 합성될 수 있다. 즉, 좌측 스피커 출력용으로 하나의 신호로 합성될 수 있으며, 우측 스피커 출력용으로 하나의 신호로 합성될 수 있다.
한편, A/D 변환단(162)은 아날로그 음악 신호를 디지털 신호(Xis(n))로 변환한다. 즉, 좌측 채널용 및 우측 채널용 디지털 신호(XisL(n) 및 XisR(n))가 생성된다.
도 10은 음악 공간 위치 제어부를 도시한다. 음악 공간 위치 제어부(180)는, L채널/R채널별 음악 신호(XisL(n) 및 XisR(n))의 각각을 위상 변조단(LPhase/RPhase)을 통해 위상 변조하고, 위상 변조된 신호와 L채널/R채널별 음악 신호(XisL(n) 및 XisR(n))를 각각 합성하고, 이들의 각각에 대해 리버브 효과를 적용하여 음악 공간 효과를 부여한다.
즉, 좌측 채널용 및 우측 채널용 디지털 신호(XisL(n) 및 XisR(n))의 각각에 대해서, HRTF 신호 분리 처리를 통하여 이득 제어(Lg/Rg)와 위상 제어(LPhase/RPhase)를 수행하고, 이들을 각각 원래의(이득과 위상 제어하기 전의) 음악 신호(XisL(n) 및 XisR(n))에 대하여 서로 교차하여 신호합 처리함으로써 채널별 음악 신호(F_cL/F_cR)를 구성하고, 각 채널별 음악 신호(F_cL/F_cR)의 각각에 리버브 효과를 부여하여 신호(F_hL/F_hR)를 생성한다. 이것은, 음악 신호가 스피커로 출력될 것인데, 그렇다면, 청취자는, 좌측 스피커를 통해 출력되는 음악도 우측 귀를 통해 들을 수 있고, 마찬가지로 우측 스피커를 통해 출력되는 음악도 좌측 귀를 통해 들을 수 있게 된다. 따라서, 한쪽 스피커용 음악 신호에 반대쪽 스피커용 음악 신호의 일부를 합성함으로써, 청취자가 향상된 음악 공간 효과를 느낄 수 있게 될 것이다. 생성된 신호(F_hL/F_hR)는 각각 XsscL(n)/XsscR(n)로 표현된다.
여기서, 리버브 효과는 특정 음악 장르에 적합한 잔향 신호만을 처리하기 위해서 BPF(Band Pass Filter)와 함께 LPF(Low Pass Filter)를 혼합하여 처리된다.
XsscL(n) = { ∑[ 1 +[ Lg × L Phase × Xis(t) ]] × Reverb }
XsscR(n) = { ∑[ 1 +[ Rg × R Phase × Xis(t) ]] × Reverb }
리버브 효과를 제공하는 블록(172)은 도 7b와 동일하게 설계될 수 있으며, L채널의 리버브 효과를 수식으로 표현하면 다음과 같다.
XsscL(n) = F_hL = [ (g4 × Delay) + (1 + g5) + (LPF × Delay ×(g1 + g2))] × F_cL - (g3 × BPF) × F_hL
마찬가지로, R채널의 리버브 효과를 수식으로 표현하면 다음과 같다.
XsscR(n) = F_hR = [ (g4 × Delay) + (1 + g5) + (LPF × Delay ×(g1 + g2)) ] × F_cR - (g3 × BPF) × F_hR
도 11은, L/R채널 신호인 음악 신호와 1채널 모노(Mono) 신호인 음성 신호 간에 상호 음상 균형을 부여하기 위한, HRTF 귀 지연시간 상관계수 조절부를 도시한다. HRTF 귀 지연시간 상관계수 조절부(180)는, 음성 공간 위치 제어부(140)의 출력 신호(Xvsc(n))와 음악 공간 위치 제어부(170)의 출력 신호(XsscL(n) 및 XsscR(n))를 합성한다. 즉, 음성과 음악의 위치 배분을 통하여 공간 음향의 정위감이 구현된 출력 신호(Xsl(n)/Xsr(n))를 생성하여 출력한다.
HRTF 귀 지연시간 상관계수 조절부(180)는, 음성 신호(Xvsc(n))에 채널별 지연(DelayL/DelayR)을 별도로 부여함으로써 또한 각 채널별 음성 신호에 개별적인 증폭률을 적용함으로써 좌측용 및 우측용 음성 신호를 구현하고, 이것을 각 채널용 음악 신호와 합성함으로써 음성의 위치감과 거리감을 강조하면서도 음악 신호의 공간감에 따라 음성 신호의 위치 이동감이 구현된 음향을 생성할 수 있게 된다.
D/A 메인 게인 증폭부(190)는 음성/음악 처리 과정이 완료된 신호(Xsl(n)/Xsr(n))를 아날로그 신호로 변환하고, 생성된 아날로그 신호를 증폭하여 각각의 스피커(210)에 제공한다. 이로써, 스피커(210)를 통해 소리가 청취자에게 제공될 수 있다.
Claims (10)
- 복수의 음성 수음용 마이크를 통해 입력된 복수의 아날로그 음성 신호(Xmics(t))를 하나의 신호로 합성한 후 디지털 신호로 변환하고, 디지털 변환된 음성 신호(Xim(n))의 레벨을 제어하고, 레벨제어된 음성 신호(Xlm(n))로부터 노이즈를 감쇠시키고, 상기 레벨제어된 음성 신호(Xlm(n))와 노이즈감쇠된 음성 신호(Xpnr(n))를 합성하고, 합성된 음성 신호(Xdrc(n))에 음성 공간 위치 효과를 부여하여 상기 공간 위치 효과가 부여된 음성 신호(Xvsc(n))를 생성하는, 음성 처리 유닛;
복수의 음악 입력 채널을 통해 입력된 복수의 아날로그 음악 신호(Xmusics(t))의 음량을 서로 매칭시키고, 매칭된 음악 신호들을 좌측용 및 우측용 디지털 신호로 변환하고, 디지털 변환된 좌측용 및 우측용 음악 신호(XisL(n) 및 XisR(n))에 음악 공간 위치 효과를 부여하여 음악 공간 위치 효과가 부여된 음악 신호(XsscL(n) 및 XsscR(n))를 생성하는, 음악 처리 유닛; 그리고
상기 음성 공간 위치 효과가 부여된 음성 신호(Xvsc(n))와 상기 음악 공간 위치 효과가 부여된 음악 신호(XsscL(n) 및 XsscR(n))를 합성하고, 합성된 음향 신호(Xsl(n) 및 Xsr(n))를 각각의 출력 채널별로 출력하고, 각각의 출력 채널별 상기 음향 신호(Xsl(n) 및 Xsr(n))를 각각 증폭하여 각자의 스피커(Sp_L 및 Sp_R)에 인가하는, 신호 합성 출력 유닛을 포함하는, 노이즈 감쇠 기능 및 공간 효과 구현 기능을 제공하는 음향 처리 시스템. - 제1항에 있어서,
복수의 음성 수음용 마이크를 통해 입력된 상기 복수의 아날로그 음성 신호(Xmics(t))를 모두 합하여 하나의 신호로 합성한 후 디지털 신호로 변환하고, 상기 디지털 변환된 음성 신호(Xim(n))의 레벨을 제어하기 위하여,
상기 복수의 아날로그 음성 신호(Xmics(t))의 각각의 음량을 매칭시켜 하나의 신호로 합성하는 음성 임피던스 음량 매칭단;
합성된 아날로그 음성 신호를 상기 디지털 변환된 음성 신호(Xim(n))로 변환하는 A/D 변환단; 및
상기 디지털 변환된 음성 신호(Xim(n))에 임계치 적용 제어에 따른 적응 레벨 변위 제어 기능(Halrc(n))을 수행하는 적응 레벨 범위 제어단을 구비한 적응 레벨 범위 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 노이즈 감쇠 기능 및 공간 효과 구현 기능을 제공하는 음향 처리 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 레벨제어된 음성 신호(Xlm(n))로부터 노이즈를 감쇠시키기 위하여,
상기 레벨제어된 음성 신호(Xlm(n))를 소정의 블록단위로 샘플링하여 정위상 샘플링 신호(Xsb(n))를 생성하는 신호 정위상 버퍼단(121);
상기 레벨제어된 음성 신호(Xlm(n))를 상기 블록단위로 샘플링한 후 역변환하여 역위상 샘플링 신호(X'sb(n))를 생성하는 신호 역위상 버퍼단; 및
상기 정위상 샘플링 신호(Xsb(n))와 상기 역위상 샘플링 신호(X'sb(n))를 조합하여 주기성 노이즈를 감쇠시키는 적응형 퍼 필터(Fir Filter) LMS 단을 구비한 주기 노이즈 및 전기 노이즈 감쇠 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 노이즈 감쇠 기능 및 공간 효과 구현 기능을 제공하는 음향 처리 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 레벨제어된 음성 신호(Xlm(n))와 노이즈감쇠된 음성 신호(Xpnr(n))를 합성하기 위하여,
상기 레벨제어된 음성 신호(Xlm(n))를 상기 노이즈감쇠된 음성 신호(Xpnr(n))와 동기시키기 위하여, 상기 레벨제어된 음성 신호(Xlm(n))에 소정의 지연을 부여하는 지연단(Delay1); 및
상기 지연부여된 레벨제어된 음성 신호(Xlm(n))와 상기 노이즈감쇠된 음성 신호(Xpnr(n))를 선택적으로 합성하는 먹스합단을 구비한 지연 및 감쇠 보상부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 노이즈 감쇠 기능 및 공간 효과 구현 기능을 제공하는 음향 처리 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 합성된 음성 신호(Xdrc(n))에 음성 공간 위치 효과를 부여하여 공간 위치 효과가 부여된 음성 신호(Xvsc(n))를 생성하기 위하여,
상기 합성된 음성 신호(Xdrc(n))의 이득 및 위상을 조정하고, 상기 조정을 적용하기 전의 상기 합성된 음성 신호(Xdrc(n))와 상기 조정을 적용한 상기 합성된 음성 신호(Xdrc(n))를 합성한 후 리버브 효과를 적용하는 음성 공간 위치 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 노이즈 감쇠 기능 및 공간 효과 구현 기능을 제공하는 음향 처리 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 합성된 음성 신호(Xdrc(n))의 주파수 성분을 분석하여 스펙트럼 신호(Xspec(n))를 생성하는 신호분석부; 및
상기 스펙트럼 신호(Xspec(n))에 근거하여, 상기 신호 정위상 버퍼단(121)과 상기 신호 역위상 버퍼단(122)과 상기 적응 퍼 필터 LMS단(123)의 동작을 제어하는 시스템 운용부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 노이즈 감쇠 기능 및 공간 효과 구현 기능을 제공하는 음향 처리 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 음악 입력 채널을 통해 아날로그 음악 신호(Xmusics(t))를 수신하고 전처리하기 위해,
2개 이상의 상기 수신된 아날로그 음악 신호(Xmusics(t))의 입력 임피던스를 조정하고, 복수의 음악 입력 채널로부터 입력되는 복수의 아날로그 음악 신호의 음량을 매칭시키는 음악 음량 매칭단; 및
임피던스와 음량이 매칭된 상기 아날로그 음악 신호를 좌측용 및 우측용 채널별로 각각 디지털변환하여 디지털변환된 좌측용 및 우측용 음악 신호(XisL(n) 및 XisR(n))를 생성하는 A/D 변환단; 을 구비한 음악 신호 선택 및 음량 매칭부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 노이즈 감쇠 기능 및 공간 효과 구현 기능을 제공하는 음향 처리 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 디지털변환된 좌측용 및 우측용 음악 신호(XisL(n) 및 XisR(n))에 음악 공간 위치 효과를 부여하여 공간 위치 효과가 부여된 음악 신호(XsscL(n) 및 XsscR(n))를 생성하기 위해,
HRTF 신호 분리, 이득 제어, 위상 제어, 다중 신호합 처리, 리버브 효과 중 적어도 하나를 부여하고, 음악의 공간적 위치를 적용하여 좌측용 및 우측용 음악 신호(XsscL(n) 및 XsscR(n))를 생성하는 음악 공간 위치 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 노이즈 감쇠 기능 및 공간 효과 구현 기능을 제공하는 음향 처리 시스템. - 제1항에 있어서,
공간 위치 효과가 부여된 음성 신호(Xvsc(n))와 공간 위치 효과가 부여된 음악 신호(XsscL(n) 및 XsscR(n))를 합성하여 생성된 음향 신호(Xsl(n) 및 Xsr(n))를 각각의 출력 채널로 출력하기 위해,
상기 공간 위치 효과가 부여된 음성 신호(Xvsc(n))를 상기 공간 위치 효과가 부여된 음악 신호(XsscL(n) 및 XsscR(n))와 동기화하기 위하여, 상기 공간 위치 효과가 부여된 음성 신호(Xvsc(n))에 소정의 지연을 제공하고, 그리고
상기 공간 위치 효과가 부여된 음성 신호(Xvsc(n))와 상기 공간 위치 효과가 부여된 음악 신호(XsscL(n) 및 XsscR(n))를 개별적으로 제어하여 합성함으로써, 음성과 음악의 위치 배분을 통해 음상의 정위감을 구현하여 좌측용 및 우측용 음향 신호(Xsl(n) 및 Xsr(n))를 생성하는 귀 지연시간 상관계수 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 노이즈 감쇠 기능 및 공간 효과 구현 기능을 제공하는 음향 처리 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 각각의 출력 채널별 상기 음향 신호(Xsl(n) 및 Xsr(n))를 각각 증폭하여 각자의 스피커(Sp_L 및 Sp_R)를 통해 출력하기 위해,
상기 출력 채널별 음향 신호(Xsl(n) 및 Xsr(n))를 각각 아날로그변환 처리하여 채널별 아날로그 음향 신호를 생성하고, 생성된 채널별 아날로그 음향 신호를 증폭처리한 후 각자의 스피커(Sp_L 및 Sp_R)에 제공하는 메인 게인 증폭부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 노이즈 감쇠 기능 및 공간 효과 구현 기능을 제공하는 음향 처리 시스템.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024080667A1 (ko) * | 2022-10-11 | 2024-04-18 | 삼성전자주식회사 | 스피커의 공진 공간 변경을 검출하기 위한 전자 장치 및 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102473131B1 (ko) | 2022-12-01 |
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