KR100307622B1 - 위치 조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치 및그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 필터 계수를 바꾸지 않고, 가상 음상의 위치를 제어할 수 있는 삼차원 오디오 형성 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 같은 내용을 갖는 두개의 가상음상을 삼차원 공간상에 형상한 뒤, 각 음상에 적용되는 파워의 크기와 각 신호의 위상차이들을 조절함으로써, 삼차원 공간상의 제3의 위치에 위치 조절이 가능한 새로운 가상 음상을 형성시키는 것을 특징으로 한다.

Description

위치 조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치 및 그 방법
본 발명은 오디오 재생장치에 관한 것으로서, 특히 휴대용/개인 다중-채널 오디오 플레이어(Portable/Personal Multi-channel Audio Player), 휴대용/개인 디지털 오디오 방송 수신기(Portable/Personal Digital Audio Broadcasting Receiver), 멀티미디어 개인용 컴퓨터(Multimedia PC), 고품위 텔레비젼(HD Television), 오디오/비디오 가정용 극장 시스템(A/V Home Theatre System), 화상 회의 등에 사용되는, 위치 조절이 가능한 가상 음상을 이용한 헤드폰/이어폰용 오디오 재생 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
청취자가 라우드스피커(loudspeaker)를 이용하여 오디오 신호를 들을 때에는 청취자가 원하는 대로 스피커 사이의 간격 또는 각도들을 조절할 수 있으나, 헤드폰을 이용하여 오디오 신호를 재생할 때에는 일반적으로 오디오 재생장치가 제공되는 대로 음상(sound image)을 느낄 수 밖에 없었다. 따라서, 헤드폰을 이용한 오디오 신호의 재생시에도 오디오 재생장치가 음상의 위치를 제어할 수 있는 능력이 있다면 청취자의 기호를 더욱 만족시킬 수가 있다.
종래의 스테레오 강조 기술의 경우에는 삼차원 공간상의 특정 위치에 가상 음상을 위치시킬 수가 없다.
한편, 삼차원 공간 상에서 가상 음상의 위치를 이동 시켜주기 위한 종래의 방법은 삼차원 공간상의 특정 위치에 가상음상을 형성하기 위하여 미리 결정하여 둔 특정한 전달함수들을 사용하는 방법이다. 이 경우, 가상 음상의 위치를 바꾸어야 하는 경우에는 그 바꾸어야 하는 위치에 해당하는 전달함수를 전달함수 데이터 베이스로부터 읽어와 오디오 신호 처리에 사용하여야 한다. 따라서, 이 방법에 의하면, 이동되는 각 위치에 대응한 전달함수들을 저장하기 위한 많은 용량의 메모리의 사용 및 위치 이동에 따른 전달함수가 변경 요구가 있은 후, 변경된 전달함수에 의한 제대로 된 결과가 출력될 때까지의 응답 지연의 문제가 있다.
디.브이.디(DVD, Digital Video Disk) 시장 확대, 디지털 텔레비젼 및 고품위 텔레비젼(HDTV) 방송 실시에 따라, 다채널 오디오 서비스가 제공될 때, 다채널 오디오를 즐기기 위해서는 그 채널 수에 해당하는 수의 스피커들이 필요하므로, 휴대용 기기에서의 재생, 즉 헤드폰 또는 이어폰을 사용한 재생에 의해서는 다채널 오디오의 효과를 누릴 수 없다는 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 다채널 오디오를 2채널로 재생하면서도 다채널 스피커 재생시와 유사한 효과를 제공해 줄 수 있는 방법의 제공이 요청된다.
삼차원 공간상에서 여러개의 가상 음상을 제공해 줄 필요가 있는 경우, 종래의 방법에 의하면 가상음상을 하나 형성할 때마다 오른쪽 귀 및 왼쪽 귀에 대응하는 한 세트의 전달함수를 사용한다. 이 방법에 의하면, 가상 음상을 N개 형성해 줄 경우, N개의 오른쪽 귀에 대한 전달함수와 N개의 왼쪽귀에 대한 전달함수가 필요하다. 도 1a에 의하면, 하나의 가상음상을 형성하기 위해 가상음상형성부(1a10)는 1 세트의 전달함수들을 필요로 한다. 도 1b에 의하면, 2개의 가상 음상을 형성하기 위하여 가상음상형성부(1b10)는 2 세트의 전달함수들을 필요로 하고, 가산기(1b20)는 2개의 가상 신호들을 결합한다. 도 1c에 의하면, 3개의 가상 음상을 형성하기 위하여 가상음상형성부(1c10)는 3 세트의 전달함수들을 필요로 하고, 가산기(1c20)는 3개의 가상 신호들을 결합한다. 따라서, 형성해 주고자 하는 가상음상의 수에 비례하여 연산의 복잡도가 증가한다. 이때, 제공하고자 하는 각 위치의 가상음상에 대한 별도의 전달함수들을 저장함에 따라 필요로 하는 메모리의 용량도 증가한다.
메모리 크기에 대한 복잡도 문제를 줄이기 위해서는, 근사한 식을 이용하여 매 각도에 대한 계수들을 형성시킴으로써, 전달함수를 만들어 사용할 수도 있다. 그런데, 이 방법에 의하면 계수를 구하는데 지연시간이 발생하며, 식을 풀기 위한 연산능력을 필요로 하여 복잡한 프로세서가 아닌 간단한 제어기로는 구현이 곤란하다는 문제가 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 필터 계수를 바꾸지 않고, 가상음상의 위치 이동을 가능하게 하는 위치 조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치 및 방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
도 1a는 헤드폰 재생 환경에서 머리전달함수를 가지고서 한 개의 입력신호에 대한 한 개의 가상 음상을 형성시켜주는 기존의 삼차원 오디오 처리 장치의 블록도이다.
도 1b는 헤드폰 재생 환경에서 머리전달함수를 가지고서 두 개의 입력신호에 대한 두 개의 가상 음상을 형성시켜주는 기존의 삼차원 오디오 처리 장치의 블록도이다.
도 1c는 헤드폰 재생 환경에서 머리전달함수를 가지고서 세 개의 입력신호에 대한 세 개의 가상 음상을 형성시켜주는 기존의 삼차원 오디오 처리 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명에서 가중치를 이용하여 가상 공간의 위치를 제어하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에서 위상 지연값을 이용하여 가상 공간의 위치를 제어하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 위치 조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치의 일실시예를 도시한 블록도이다.
도 5는 도 4의 실시예를 모노 오디오 입력신호에 적용한 보다 구체적인 실시예의 블록도이다.
도 6은 본 발명에 의한 위치 조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치의 다른 실시예를 도시한 블록도이다.
도 7은 도 6의 실시예를 모노 오디오 입력신호에 적용한 보다 구체적인 실시예의 블록도이다.
도 8은 도 7에서 가중치 및 위상지연값을 처리하는 부분을 결합한 다른 실시예의 블록도이다.
도 9는 도 8에서 가상 음상 형성을 위한 전달함수 중 하나를 공통으로 한 다른 실시예의 블록도이다.
도 10은 도 6의 실시예를 스테레오 오디오 입력신호에 적용한 보다 구체적인 실시예의 블록도이다.
도 11은 도 10에서 전방 중앙부의 신호를 강조한 다른 실시예의 블록도이다.
도 12는 도 6의 실시예를 다채널 오디오 입력신호에 적용한 보다 구체적인 실시예의 블록도이다.
도 13은 도 12에서 전방 중앙부의 신호를 강조한 다른 실시예의 블록도이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 위치 조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치의 일실시예는 입력된 하나 또는 그 이상의 오디오 신호들에 대하여 삼차원 공간상에 다수의 1차 가상 음상들을 형성하는 가상음상형성부; 하나 또는 그 이상의 2차 가상 음상들이 형성될 위치를 조절하기 위한 조절인자들을 생성하는 제어부; 상기 가상음상형성부에서 다수의 1차 가상 음상이 형성된 하나 또는 그 이상의 오디오 신호를 상기 제어부에 의해 생성된 조절인자들로 제어하여 하나 또는 그 이상의 2차 가상 음상이 형성될 위치를 조절하는 출력위치조절부; 및 하나 또는 그 이상의 2차 가상 음상이 형성될 위치가 조절된 하나 또는 그 이상의 오디오 신호들을 가산하여 하나 또는 그 이상의 2차 가상 음상이 형성된 좌/우 오디오 신호들을 생성하는 가산기를 포함함을 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 위치 조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치의 다른 실시예는 2차 가상 음상이 형성될 위치를 조절하기 위한 조절인자들을 생성하는 제어부; 입력된 하나 또는 그 이상의 오디오 신호들을 상기 제어부에 의해 생성된 조절인자들로 제어하여 하나 또는 그 이상의 2차 가상 음상이 형성될 위치를 조절하는 출력위치조절부; 위치가 조절된 하나 또는 그 이상의 오디오 신호들에 대하여 삼차원 공간상에 다수의 1차 가상 음상을 형성하는 가상음상형성부; 및 다수의 1차의 가상음상이 형성된 하나 또는 그 이상의 오디오 신호들을 가산하여 하나 또는 그 이상의 2차 가상 음상이 형성된 좌/우 오디오 신호들을 생성하는 가산기를 포함함을 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 위치 조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치의 또 다른 실시예는 입력된 모노 오디오신호에 대하여 소정의 A 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 A 위치의 1차 가상음상형성신호들 및 소정의 B 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 B 위치의 1차 가상음상형성신호들을 생성하는 가상음상형성부; 상기 소정의 A 위치 및 상기 소정의 B 위치를 기준으로 2차 가상 음상이 형성될 위치 C를 조절하기 위한 가중치 및 위상 지연값을 생성하는 제어부; 상기 A 위치의 1차 가상음상형성신호들 및 상기 B 위치의 1차 가상음상형성신호들에 상기 가중치 및 상기 위상 지연값을 적용하여 2차 가상 음상이 형성될 위치를 조절하는 출력위치조절부; 및 상기 2차 가상 음상이 형성될 위치가 조절된 A 위치의 1차 가상음상형성신호들 및 B 위치의 1차 가상음상형성신호들을 각각 청취자의 오른쪽 귀에 대응하는 신호 및 청취자의 왼쪽 귀에 대응하는 신호로 구분하여 가산하여, 2차 가상 음상을 제공하는 좌/우 신호들을 생성하는 가산기를 포함함을 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 위치 조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치의 또 다른 실시예는 입력된 모노 오디오신호에 대하여 제1 가상 음상을 형성하는 소정의 A 위치 및 소정의 B 위치를 기준으로 2차 가상 음상이 형성될 위치 C를 조절하기 위한 가중치 및 위상 지연값을 생성하는 제어부; 상기 입력된 모노 오디오신호를 둘로 분할하고, 분할된 모노 오디오신호들에 대하여 각각 상기 가중치 및 상기 위상 지연값을 적용하여 2차 가상 음상이 형성될 위치를 조절하는 출력위치조절부; A 위치를 기준으로 위치 조절된 모노 오디오신호들에 대해서는 상기 소정의 A 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하는 A전달함수처리부 및 B 위치를 기준으로 위치 조절된 모노 오디오신호들에 대해서는 상기 소정의 B 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하는 B전달함수처리부를 구비하는 가상음상형성부; 및 상기 소정의 A 및 B 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수들이 처리된 오디오신호들을 각각 청취자의 오른쪽 귀에 대응하는 신호 및 청취자의 왼쪽 귀에 대응하는 신호로 구분하여 가산하여, 2차 가상 음상을 제공하는 좌/우 신호들을 생성하는 가산기를 포함함을 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 위치 조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치의 또 다른 실시예는 입력된 스테레오 오디오신호 중 좌측신호 L과 우측신호 R에 대하여 제1 가상 음상을 형성하는 소정의 A 위치 및 소정의 B 위치를 기준으로 2차 가상 음상이 형성될 위치 C-left 및 C-right를 조절하기 위한 가중치 및 위상 지연값을 생성하는 제어부; 상기 좌측신호 L에 소정의 A 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호와 상기 우측신호 R에 소정의 B 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호를 합하여 A 위치기준신호로 두고, 상기 우측신호 R에 소정의 A 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호와 상기 좌측신호 L에 소정의 B 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호를 합하여 B 위치기준신호로 두어 2차 가상 음상이 형성될 위치를 조절하는 출력위치조절부; 상기 A 위치기준신호에 대해서는 상기 소정의 A 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하는 A전달함수처리부 및 상기 B 위치기준신호들에 대해서는 상기 소정의 B 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하는 B전달함수처리부를 구비한 가상음상형성부; 및 상기 가상음상형성부에서 전달함수들이 처리된 신호들을 각각 청취자의 오른쪽 귀에 대응하는 신호 및 청취자의 왼쪽 귀에 대응하는 신호로 구분하여 가산하여, C-left 및 C-right에서의 2차 가상 음상들을 제공하는 좌/우 신호들을 생성하는 가산기를 포함함을 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 위치 조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치의 또 다른 실시예는 입력된 5채널 오디오신호 중 왼쪽신호 L, 오른쪽신호 R, 후방 왼쪽신호 SL, 후방 오른쪽신호 SR, 중앙신호 C에 대하여 제1 가상 음상을 형성하는 소정의 A 위치 및 소정의 B 위치를 기준으로 2차 가상 음상이 형성될 위치 C-left 및 C-right를 조절하기 위한 가중치 및 위상 지연값을 생성하는 제어부; 상기 좌측신호 L에 소정의 A 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호, 상기 우측신호 R에 소정의 B 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호, 후방 왼쪽신호 SL 및 중앙신호 C를 합하여 A 위치기준신호로 두고, 상기 우측신호 R에 소정의 A 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호, 상기 좌측신호 L에 소정의 B 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호, 후방 오른쪽신호 SR 및 중앙신호 C를 합하여 B 위치기준신호로 두어 2차 가상 음상이 형성될 위치를 조절하는 출력위치조절부; 상기 A 위치기준신호에 대해서는 상기 소정의 A 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하는 A전달함수처리부 및 상기 B 위치기준신호들에 대해서는 상기 소정의 B 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하는 B전달함수처리부를 구비한 가상음상형성부; 및 상기 가상음상형성부에서 전달함수들이 처리된 신호들을 각각 청취자의 오른쪽 귀에 대응하는 신호 및 청취자의 왼쪽 귀에 대응하는 신호로 구분하여 가산하여, C, SL, SR, C-left 및 C-right에서의 2차 가상 음상들을 제공하는 좌/우 신호들을 생성하는 가산기를 포함함을 특징으로 한다.
상기의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 위치 조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 방법의 일실시예는 입력된 오디오 신호에 대하여, 삼차원 공간에서 위치 조절이 가능한 영역에 다수의 1차 가상 음상들을 형성하는 단계; 및 상기 다수의 1차 가상 음상들의 중요도를 조절하여, 다수의 1차 가상 음상들이 형성된 오디오 신호에 대하여 2차 가상 음상의 위치를 조절하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.
상기의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 위치 조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 방법의 다른 실시예는 입력된 오디오 신호에 대하여, 삼차원 공간상의 소정의 A 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 A 위치의 1차 가상 음상 형성 신호 및 소정의 B 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 B 위치의 1차 가상 음상 형성 신호를 생성하는 단계; 상기 A 위치의 1차 가상 음상 형성 신호 및 상기 B 위치의 1차 가상 음상 형성 신호에 대하여 각각 가중치 및 시간지연을 적용하여 공간상에서의 위치 및 위상차를 조절하는 단계; 및 상기 공간상에서의 위치 및 위상차가 조절된 신호들을 각각 청취자의 오른쪽 귀에 대응하는 신호 및 청취자의 왼쪽 귀에 대응하는 신호로 구분하여 가산하여, 2차 가상 음상을 제공하는 좌/우 신호들을 생성하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.
상기의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 위치 조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 방법의 또 다른 실시예는 입력된 모노 오디오 신호에 대하여 각각 소정의 A 위치 및 소정의 B 위치의 가중치 및 시간지연을 적용하여 공간상에서의 2차 가상 음상이 형성될 위치를 조절하는 단계; 소정의 A 위치를 기준으로 위치 조절된 오디오신호들에 대해서는 상기 소정의 A 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하고, 소정의 B 위치를 기준으로 위치 조절된 오디오신호들에 대해서는 상기 소정의 B 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하는 단계; 및 상기 소정의 A 및 B 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수들이 처리된 오디오신호들을 각각 청취자의 오른쪽 귀에 대응하는 신호 및 청취자의 왼쪽 귀에 대응하는 신호로 구분하여 가산하여, 2차 가상 음상을 제공하는 좌/우 신호들을 생성하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.
상기의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 위치 조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 방법의 또 다른 실시예는 (a) 입력된 스테레오 오디오신호 중 좌측신호 L과 우측신호 R에 대하여, 상기 좌측신호 L에 소정의 A 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호와 상기 우측신호 R에 소정의 B 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호를 합하여 A 위치기준신호로 두고, 상기 우측신호 R에 소정의 A 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호와 상기 좌측신호 L에 소정의 B 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호를 합하여 B 위치기준신호로 두어 2차 가상 음상이 형성될 위치 C-left, C-right를 조절하는 단계; (b) 상기 A 위치기준신호에 대해서는 상기 소정의 A 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하고, 상기 B 위치기준신호들에 대해서는 상기 소정의 B 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계에서 전달함수들이 처리된 신호들을 각각 청취자의 오른쪽 귀에 대응하는 신호 및 청취자의 왼쪽 귀에 대응하는 신호로 구분하여 가산하여, C-left 및 C-right에서의 2차 가상 음상들을 제공하는 좌/우 신호들을 생성하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.
상기의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 위치 조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 방법의 다른 실시예는 (a) 상기 입력된 5채널 오디오신호 중 왼쪽신호 L, 오른쪽신호 R, 후방 왼쪽신호 SL, 후방 오른쪽신호 SR, 중앙신호 C에 대하여, 상기 좌측신호 L에 소정의 A 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호, 상기 우측신호 R에 소정의 B 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호, 후방 왼쪽신호 SL 및 중앙신호 C를 합하여 A 위치기준신호로 두고, 상기 우측신호 R에 소정의 A 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호, 상기 좌측신호 L에 소정의 B 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호, 후방 오른쪽신호 SR 및 중앙신호 C를 합하여 B 위치기준신호로 두어 2차 가상 음상이 형성될 위치 C-left, C-right를 조절하는 단계; (b) 상기 A 위치기준신호에 대해서는 상기 소정의 A 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하고, 상기 B 위치기준신호들에 대해서는 상기 소정의 B 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하는 단계; (c) 상기 (b) 단계에서 전달함수들이 처리된 신호들을 각각 청취자의 오른쪽 귀에 대응하는 신호 및 청취자의 왼쪽 귀에 대응하는 신호로 구분하여 가산하여, C, SL, SR, C-left 및 C-right에서의 2차 가상 음상들을 제공하는 좌/우 신호들을 생성하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.
이하에서 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 기초가 되는 사상 중, 먼저 가상 음상 형성 방법을 설명하기로 한다. 가상 음상을 형성하는 방법 중에는 머리 전달 함수(HRTF, Head Related Transfer Function)를 이용하는 방법이 있다.
머리 전달 함수는 음원으로부터 귀의 고막으로 전달되는 경로를 수학적으로 모델링한 필터계수로서, 음원과 머리와의 상대적 위치 관계에 따라 그 값이 다른 성질을 지닌다. 이것은 자유음장(free field)에서 음원으로부터 인간의 귀의 외이도(ear canal)에 이르기까지의 음의 전파를 나타내는 주파수 평면 상에서의 전달 함수를 의미하며, 또한 인간의 머리 부분, 귓바퀴(pinna), 그리고 몸통(torso)으로 인한 주파수 왜곡을 반영한 결과이다.
인간이 소리를 듣는 과정을 간단히 살펴보면 다음과 같다. 인간의 귀는 크게 외이(external ear), 중이(middle ear), 내이(inner ear)로 구분할 수 있다. 흔히 귓바퀴라고 표현되는 외이는 소리를 모아주고, 또한 방향성을 인식하는 역할을 한다. 그리고, 외이도는 직경 약 0.7cm, 길이 2.5cm로 된 고막(ear drum)까지 소리를 유도하는 부분으로서, 대략 한 쪽이 막힌 관 모양을 하고 있어서 특정 주파수 대역의 공진을 유발하며, 이로인해 귀에 더 민감한 주파수 대역이 생기게 된다.
외이도를 통해 고막까지 전달된 소리는 중이부분으로 전달된다. 즉, 고막에 전달된 소리는 고막을 진동시켜 고막 바로 뒤에 위치한 이소골(ossicle)로 전달된다. 이소골은 음압(sound pressure)을 증폭시키는 기능이 있어, 이소골에서 증폭된 소리는 달팽이관(cochlea)으로 전달되고, 달팽이관 안의 기저막(basilar membrane)에 분포되어 있는 청신경에 의해 인식된다.
귀의 구조 측면에서 보면, 귓바퀴의 불규칙한 모양으로 인해 외이도로 소리가 들어가기 전에 귀에 도달하는 소리 신호의 주파수 스펙트럼이 왜곡된다. 이러한 왜곡은 소리의 방향이나 거리 등에 따라서 그 양상이 달라지므로, 인간이 소리의 방향을 인지하는데 있어 이러한 주파수 성분의 변화가 큰 역할을 하게 된다. 이러한 주파수 왜곡의 정도를 나타내는 것이 바로 머리 전달 함수이다.
머리전달 함수는 음원의 위치에 따라 크게 좌우되며, 같은 음원의 위치라도 왼쪽 귀와 오른쪽 귀의 머리 전달 함수는 달라질 수 있다. 또한, 사람마다 귓바퀴, 얼굴 모양이 모두 다르기 때문에 개인에 따라 이 머리 전달 함수는 차이가 있다. 그러므로, 가능한한 많은 사람에 대해 머리 전달 함수의 형태를 조사하여 평균치에 가깝게 모델링된 값을 사용한다.
머리 전달 함수의 측정은 기본적으로 어떤 시스템의 임펄스 응답(impulse response)을 측정하는 것과 동일한 방법을 사용한다. 즉, 개념적으로는 시스템의 입력에 임펄스를 주고 출력을 측정한 것이 임펄스 응답이 되고, 이 임펄스 응답을 주파수 영역으로 변환한 것이 머리 전달 함수라고 하는 것이다.
사람의 머리 전달 함수를 측정하는 위치와 방법은 학자들에 따라 조금씩 다른데, 1960년 Robinson과 Whittle은 외이도 입구에서 바깥쪽으로 6mm~9mm 되는 위치에서 측정하였고, 1947년 Wiener, 1966년 Shaw, 1975년 Burkhard와 Sachs, 1980년 Morimoto와 Ando, 1990년 Lkabe와 Miura 등은 외이도 입구에서 측정을 하였고, 1977년 Mehrgardt와 Mellert는 외이도 입구에서 안쪽으로 2mm되는 위치에서 측정하였고, 1978년 Platt와 Laws, 1979년 Platte, 1984년 Genuit의 경우는 외이도 입구에서 안쪽으로 4mm~5mm되는 위치에서 측정하였고, 1974년 Blauert는 외이도 입구에서 안쪽으로 5mm되는 위치에서 측정하였다. 이와 같은 특징들은 전부 외이도를 막지않고 측정한 경우인데, 외이도를 막고 측정을 하는 경우도 있다.
머리 전달 함수를 측정하는 방법에는 여러 가지가 있을 수 있는데, 주로 음원의 방향과 측정이 이루어지는 외이도의 위치 등에 따라 다른 값들이 나온다. 실험하는 사람에 따라 외이도의 측정 위치는 다양한 위치에서 행하여져 왔지만, 실제 외이도의 입구에서 측정하는 것이 많은 잇점이 있다고 알려져 왔고, 대부분의 경우 외이도의 입구를 기준으로 실험한다. 한편 외이도 내에서는 방향에 대한 정보는 변하지 않지만, 음압은 그 위치에 따라 다르게 나타난다. 그리고 측정에 사용되는 마이크로폰도 측정결과에 영향을 미칠 수 있다.
측정실험에 사용하는 의사머리(dummy head)는 보통 케마르(KEMAR)를 많이 사용한다. 케마르는 노울레스 전자회사(Knowles Electronics)에서 제작한 음향연구에 있어서 거의 표준에 가까운 마네킹이다. 측정은 반사음이 전혀없는 무반향실에서 이루어지는데, 케마르를 방위각(azimuth) 방향으로 360°회전하는 회전체 위에 설치하고, 여러개의 라우드스피커(loudspeaker)를 아크형태로 배열하여 고도(elevation) 방향으로 움직일 수 있는 상태에서 시작된다. 임펄스 응답은 파워앰프의 입력단 전압으로부터 마이크로폰에 측정되는 출력값을 이용하여 측정한다.
이러한 머리 전달 함수는 어떤 한 신호가 공간상의 한 점(예, 스피커 위치)에서 주파수별로 사람의 귀에 전달될 때 생기는 왜곡을 의미한다. 따라서, 그 왜곡을 임의적으로 만들어 사람의 귀에 제공해 주는 경우, 사람은 마치 공간상의 특정한 곳에서 소리가 나는 것과 같이 느끼게 된다.
화상 회의, 게임 시장 등이 확대됨에 따라, 비디오 오브젝트와 연관된 삼차원 오디오 제공이 요구되고 있다. 이러한 분야에서는 삼차원 오디오의 음상이 한 곳에 고정된 것이 아니고, 시시각각에 따라서 그 위치가 옮겨진다. 즉, 음상의 위치 조절 능력이 필요하다. 기존의 방식들에서도 머리 전달 함수를 이용하여 가상의 위치에 음상을 만들어 줄 수는 있으나, 그 위치를 바꾸어 다른 위치에서 소리가 나는 것처럼 하려면 머리 전달 함수를 바꾸고자 하는 위치에 해당하는 것으로 바꾸어 연산해 주어야 한다. 그 이유는 삼차원 공간상의 특정 위치에 가상음상을 형성해 줄 때, 그 가상음상 형성을 위해 미리 구해놓은 특정의 전달함수를 사용해서 처리해 주어야 하기 때문이다. 그래서, 가상 음상의 위치가 바뀌어야 될 필요가 있을 때에는, 그 바뀌어야 하는 위치에 해당하는 전달함수를 전달함수 데이터 베이스로부터 읽어와서 사용하여야 한다. 위치 이동시 제공하고자 하는 가상 음상의 수가 많은 경우에는 각각의 특별한 전달함수들을 저장할 때 사용되는 메모리의 복잡도 및 위치 이동에 따라 전달함수의 변경 요구가 있은 후 변경된 전달함수에 의한 제대로 된 결과가 출력될 때까지의 응답 지연 등에서 문제를 가지고 있다.
이러한 문제는 본 발명에서 제안하는 바와 같이, 공간상의 두 점에 가상 음상을 위치시킨 뒤, 그 사이에 새로운 가상 음상을 형성하도록 각 공간상의 점 A와 B로부터의 거리를 조절해 줌으로써 해결될 수가 있다. 이 방식에 의하면, 머리 전달 함수를 매번 바꾸는 수고없이, 삼차원 공간상에서 위치 제어가 가능한 가상 음상을 만들어 줄 수가 있다.
이하에서, 본 발명의 기초가 되는 사상 중, 위치 조절이 가능하게 가상 음상을 조절하는 방법을 설명하기로 한다.
공간상에 가상의 두 음원을 만들어 주었는데, 그것이 하나로 들려지는 것에 대한 간단한 예는 다음과 같다. 모노 신호가 있을 때, 그 신호를 라우드스피커의 오른쪽과 왼쪽에 똑같이 전달해 주는 경우, 즉 듀얼 모드로 재생을 하는 경우, 그 신호에 의한 음상은 양 스피커의 중앙부에 있는 것과 같은 착각을 일으킨다. 만약, 두 스피커들 중 하나는 정면에 위치시키고, 다른 하나는 우측 90도에 위치시켜 같은 소리를 재생시켜 준다면, 소리는 두 스피커들 사이의 위치에서 생성되는 것과 같이 느껴진다. 이러한 착각을 이용하여, 모노 신호에 대해 공간상의 두 위치에 가상 음상을 형성하고, 각 가상 음상을 형성하는데 작용하는 신호의 가중치와 위상차를 조절해 줌으로서, 형성된 두개의 가상 음상 사이에서 위치 이동을 시킬 수 있는 제3의 가상 음상을 만들어 낼 수가 있다.
1차 가상 음상 A 및 1차 가상 음성 B가 도 2와 같이 형성된 경우, 2차 가상 음상 C를 형성하기 위해 1차 가상 음상 A 및 1차 가상 음성 B에 적용된 가중치는 각각 w1과 w2이다. 이때, w1+w2=1이다.
예를들어, w1=0.5인 경우, w1=w2=0.5이고, 2차 가상 음상 C는 1차 가상 음상 A와 1차 가상 음상 B의 정가운데 위치하게 된다. w1=0.25인 경우, w2=0.75이고, 2차 가상 음상 C는 1차 가상 음상 B측으로 접근한다. 한편, w1=0.75인 경우, w2=0.25이고, 2차 가상 음상 C는 1차 가상 음상 A측으로 접근한다.
위상차는 다음과 같이 계산된다.
먼저, 도 3의 (a)에서는 기준점에서 1차 가상 음상 A까지의 거리 lA1및 2차 가상 음상 B까지의 거리 lB1까지의 거리가 같은 경우를 도시한 것이다. 여기서, 1차 가상 음상 A에 적용된 값에 지연을 주게 되면, 도 3의 (b)의 A'에 소리가 존재하는 것처럼 되고, 제2차 가상 음상 C는 A'과 B를 연결하는 일직선 상에 존재한다.
한편, 1초당 소리가 전달되는 거리는 340m이므로, 1초당 샘플의 수(샘플링 주파수)를 fs라 하면, 거리 1m 안에 존재하는 샘플의 수 x는
340 : fs= 1 : x
x = fs/ 340 (samples/m)가 된다.
따라서, 도 3의 (b)의 경우와 같이 지연에 의해 가상 음상 A'을 만들기 위해서는 거리의 차를 구하여 그 차에 해당하는 샘플의 수를 구하여야 한다. 즉, 기준점에서 1차 가상 음상 A까지의 거리 lA1및 2차 가상 음상 B까지의 거리 lB1가 같고, A'과 A 사이의 거리가 (lA2-lA1)이면, 지연시켜야 할 샘플의 수는 다음과 같다.
D = (fs/340) * (lA2-lA1) (samples)
이와 같이 가중치 w와 위상차 D 값을 조절하여, 이미 형성된 1차 가상 음상들로부터 새로이 형성되는 2차 가상 음상의 위치를 조절할 수 있다.
도 4에 의하면, 본 발명의 일실시예에 의한 삼차원 공간상에 위치조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치는 가상음상형성부(400), 제어부(420), 출력위치조절부(410) 및 가산기(430)를 포함하여 구성된다.
입력 신호가 들어 오면, 가상음상형성부(400)와 제어부(420)의 제어를 받아 출력위치조절부(410)를 거친 뒤, 가산기(430)를 통과해 헤드폰/이어폰용 출력 신호 L, R을 만들어 준다. 가상음상형성부(400)에서는, 각각의 모노 오디오 신호에 대해서, 삼차원 공간상의 A 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 1차 가상 음상 신호와 B 위치에 가상음상을 형성하는 1차 가상 음상 형성 신호들을 만들어 준다. 출력위치조절부(410)에서는, 가상음상형성부(400)에서 형성된 A와 B 위치에 대한 1차 가상 음상 형성 신호들에 대해서 제어부(420)로부터 받은 가중치와 시간 지연을 적용하여 공간상에서의 위치와 위상차를 조절해 준다. 가산기(430)에서는 출력위치 조절부의 신호를 오른쪽 귀로 보낼 신호와 왼쪽 귀로 보낼 신호로 구분해 더해 주어 공간상의 위치 C에 존재하는 2차 가상음상을 제공해주는 L 과 R 신호를 만들어 출력한다.
도 5에 의하면, 도 4의 본 발명의 일실시예에 의한 삼차원 공간상에 위치조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치를 보다 구체화한 것으로서, 두 개의 가상 음상을 형성시켜주는방법을 응용하여 위치 조절이 가능한 새로운 하나의 음상을 형성시켜주는 장치는 가상음상형성부(500), 제어부(520), 출력위치조절부(510) 및 가산기(530)를 포함하여 구성된다.
가상음상형성부(500)는 참조번호 502에서 입력된 모노 오디오신호에 대하여 소정의 A 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 A 위치의 1차 가상음상형성신호들을 생성하고, 참조번호 504에서 입력된 모노 오디오신호에 대하여 소정의 B 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 B 위치의 1차 가상음상형성신호들을 생성한다.
제어부(520)는 소정의 A 위치 및 소정의 B 위치를 기준으로 2차 가상 음상이 형성될 위치 C를 조절하기 위한 가중치 및 위상 지연값을 생성한다.
출력위치조절부(510)는 참조번호 512에서 A 위치의 1차 가상음상형성신호들에 A 위치를 기준으로 한 가중치(W11, W12) 및 위상 지연값(D11, D12)을 적용하고, 참조번호 514에서 B 위치의 1차 가상음상형성신호들에 B 위치를 기준으로 한 가중치(W21, W22) 및 위상 지연값(D21, D22)을 적용하여 2차 가상 음상이 형성될 위치를 조절한다.
가산기(530)는 2차 가상 음상이 형성될 위치가 조절된 A 위치의 1차 가상음상형성신호들 및 B 위치의 1차 가상음상형성신호들을 각각 청취자의 왼쪽 귀에 대응하는 신호를 구분하여 2차 가상 음상을 제공하는 좌 신호를 가산하고(532), 청취자의 왼쪽 귀에 대응하는 신호로 구분하여 2차 가상 음상을 제공하는 우 신호를 가산한다(534).
도 6에 의하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 삼차원 공간상에 위치조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치는 제어부(620), 출력위치조절부(610), 가상음상형성부(600) 및 가산기(630)를 포함하여 구성된다.
도 6에 도시된 다른 실시예는 도 4에 도시된 실시예와는 달리, 입력 신호가 들어 오면 먼저 제어부(620)의 제어를 받아 출력위치조절부(610)를 거친 뒤 가상음상형성부(600) 및 가산기(630)를 통과해 헤드폰/이어폰용 출력 신호 L, R을 만들어 준다. 제어부(620)는 2차 가상 음상이 형성될 위치를 조절하기 위한 조절인자들을 생성하고, 출력위치조절부(610)는 입력된 하나 또는 그 이상의 오디오 신호들을 제어부(620)에 의해 생성된 조절인자들로 제어하여 하나 또는 그 이상의 2차 가상 음상이 형성될 위치를 조절한다. 가상음상형성부(600)는 위치가 조절된 하나 또는 그 이상의 오디오 신호들에 대하여 삼차원 공간상에 다수의 1차 가상 음상을 형성한다. 가산기(630)는 다수의 1차의 가상음상이 형성된 하나 또는 그 이상의 오디오 신호들을 가산하여 하나 또는 그 이상의 2차 가상 음상이 형성된 좌/우 오디오 신호들을 생성한다.
도 7에 의하면, 도 6에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 의한 삼차원 공간상에 위치조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치를 보다 구체화한 것으로서, 모노 오디오 신호를 입력받아 위치 조절이 가능한 새로운 하나의 음상을 형성시켜주는 장치는 제어부(720), 출력위치조절부(710), 가상음상형성부(700) 및 가산기(730)를 포함하여 구성된다.
제어부(720)는 입력된 모노 오디오신호에 대하여 제1 가상 음상을 형성하는 소정의 A 위치 및 소정의 B 위치를 기준으로 2차 가상 음상이 형성될 위치 C를 조절하기 위한 가중치 및 위상 지연값을 생성한다.
출력위치조절부(710)는 입력된 모노 오디오신호를 둘로 분할하고, 그 중 하나의 신호에 대하여 A 위치를 기준으로 한 가중치(W11,W12) 및 위상 지연값(D11,D12)을 적용하여 2차 가상 음상이 형성될 위치를 조절하는 부분(712)과 다른 하나의 신호에 대해서는 B 위치를 기준으로 한 가중치(W21,W22) 및 위상 지연값(D21,D22)을 적용하여 2차 가상 음상이 형성될 위치를 조절하는 부분(714)을 구비한다.
가상음상형성부(700)는 A 위치를 기준으로 위치 조절된 모노 오디오신호들에 대해서는 소정의 A 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하는 A전달함수처리부(702)와 B 위치를 기준으로 위치 조절된 모노 오디오신호들에 대해서는 소정의 B 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하는 B전달함수처리부(724)를 구비한다.
가산기(730)는 소정의 A 및 B 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수 처리된 오디오신호들을 각각 청취자의 오른쪽 귀에 대응하는 신호 및 청취자의 왼쪽 귀에 대응하는 신호로 구분하여 가산하여(732, 734), 2차 가상 음상을 제공하는 좌/우 신호들을 생성한다.
도 7에서 소정의 위치 A 및 B의 위치가 삼차원 공간상에서 전방 중앙부에 대칭이면, 도 8에 도시된 바와 같이 출력위치조절부 안에서 처리하는 가중치를 곱해지는 부분을 묶어서 처리하여 연산의 복잡도를 줄일 수 있다. 즉, 필터 계수를 오른쪽 귀와 왼쪽 귀에 해당하는 전달 함수 한 세트만을 가지고서, 도 8과 같이 구현할 수 있다. 이 경우 저장에 사용되는 전달 함수의 계수들을 줄일 수가 있다.
만약, 1차 가상 음상이 중앙부와 전방의 한쪽 부분으로 치우친 경우를 원한다면, 전달함수 가운데, 1차 가상 음상을 형성해주는 전달 함수 A_Left 와 A_right는 값이 같은 공통인 부분이므로 도 9과 같이 묶어서 처리해 주는 구현이 가능하다. 이 경우, 중앙에 위치하는 음상에 대한 강조가 가능하다. 이러한 구현에서 가중치 W1, W2를 제어부를 통해 조절해 줌으로서, 전달함수에 의해 형성된 가상 공간에서 새로이 형성되는 가상음상의 위치 조절이 가능하게 된다.
도 7, 도 8, 도 9에서는 모노 오디오 신호에 대한 실시예를 보였다. 이것을 스테레오 또는 두 개의 모노 오디오 신호에 적용하려면 다음과 같이 구현해 주어야 한다.
도 10에 의하면, 도 6에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 의한 삼차원 공간상에 위치조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치를 보다 구체화한 것으로서, 스테레오 오디오 신호 L 및 R을 입력받아 위치 조절이 가능한 새로운 하나의 음상을 형성시켜주는 장치는 제어부(1020), 출력위치조절부(1010), 가상음상형성부(1000) 및 가산기(1030)를 포함하여 구성된다.
제어부(1020)는 입력된 스테레오 오디오신호 중 좌측신호 In1과 우측신호 In2에 대하여 제1 가상 음상을 형성하는 소정의 A 위치 및 소정의 B 위치를 기준으로 2차 가상 음상이 형성될 위치 C-left 및 C-right를 조절하기 위한 가중치 및 위상 지연값을 생성한다.
출력위치조절부(1010)는 상기 좌측신호 In1에 소정의 A 위치에 대한 가중치(W1) 및 위상 지연값(D1)을 처리한 신호와 상기 우측신호 In2에 소정의 B 위치에 대한 가중치(W2) 및 위상 지연값(D2)을 처리한 신호를 합하는 가산기(1012)를 구비하여 A 위치기준신호를 생성하고, 상기 우측신호 In2에 소정의 A 위치에 대한 가중치(W1) 및 위상 지연값(D1)을 처리한 신호와 상기 좌측신호 In1에 소정의 B 위치에 대한 가중치(W2) 및 위상 지연값(D2)을 처리한 신호를 합하는 가산기(1014)를 구비하여 B 위치기준신호를 생성함으로써, 2차 가상 음상이 형성될 위치를 조절한다.
가상음상형성부(1000)는 A 위치기준신호에 대해서는 소정의 A 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하는 A전달함수처리부(A_Left, A_right) 및 B 위치기준신호들에 대해서는 상기 소정의 B 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하는 B전달함수처리부(A_Left, A_right)를 구비한다.
가산기(1030)는 가상음상형성부(1000)에서 전달함수들이 처리된 신호들을 각각 청취자의 오른쪽 귀에 대응하는 신호 및 청취자의 왼쪽 귀에 대응하는 신호로 구분하여 가산하여(1032, 1034), C-left 및 C-right에서의 2차 가상 음상들을 제공하는 좌/우 신호들을 생성한다.
도 10에 도시된 장치의 동작과정을 설명하면 다음과 같다. 입력 In1은 도 7에서의 경우와 같이, 제어부(1020)에 의해 제어받는 출력위치조절부(1010)를 지난뒤, 가상음상형성부(1000)를 거치고, 가산기(1030)로 전달되어 삼차원 공간상에 위치시키는 가상음상형성신호 C-left가 생성된다. 이때, 입력 In2가 없다면, 입력 In1만이 출력위치조절부(1010) 내의 가산기들(1012, 1014)의 입력이 되기 때문에, 모노에 대한 경우인 도 7과 같은 구조를 갖음을 볼 수가 있다. 입력 In2가 0이 아니라면, 입력 In2는 제어부(1020)에 의해 제어받는 출력위치조절부(1010)을 지나, 가상음상형성부(1000)을 지나, 가산기(1030)을 통해, 출력되는 입력 In2를 삼차원 공간상에 위치시키는 가상음상형성신호 C-right를 만든다. 그 결과, 입력 In_1은 C-left 위치에 가상 음상을 형성하고, 입력 In_2는 C-right의 위치에 가상 음상을 형성할 수 있는 신호로 변형된다. 가상 음상 C-left, C-right를 전방에 대하여 대칭으로 하기 위해서 가중치와 지연값, 필터 계수들을 맞추어 주면 된다. 형성된 가상음상 C-left 와 C-right는 가산기(1030)를 통해 왼쪽 출력 신호 및 오른쪽 출력 신호로 출력되어 슈퍼포지션된 2개의 가상 음상을 청취자에게 제공해준다.
도 11은 중앙 위치의 신호를 강조하면서, 음상을 정면에 대칭으로 형성시켜주기 위한 경우를 도시한 것이다. 도 11에 의하면, 입력신호는 제어부(1120)의 제어를 받아 출력위치조절부(1110)와 가상음상형성부(1100)를 거친뒤, 가산기(1130)로 전달된다. 여기에서, 입력 In2가 존재하지만 입력 In1이 0인 경우, 출력위치조절부(1110)가 구비한 가산기(1112)의 출력은 In2가 통과한 값이 되어 도 9와 같이 된다.
스테레오 입력 In1과 In2가 같이 존재할 때, 제어부(1120)의 제어에 의해, In1은 가상 음상 A측으로 영향을 미칠 가중치(W1)와, 위상지연(D1) 처리를 해주고, In1이 가상음상 B측으로 영향을 미칠 가중치(W2)와 위상지연(D2) 처리를 해준 뒤, 가산기(1112)에 입력한다. In2는 가상 음상 B측으로 영향을 미칠 가중치(W2)와 위상지연(D2) 처리를 해주고, In2가 가상음상 A측으로 영향을 미칠 가중치(W1)와 위상지연(D1) 처리를 해준 뒤, 가산기(1112)에 입력한다. 가산기(1112)의 입력 값들은 합해져서, 중앙부의 신호를 강조하는데 사용된다.
가상음상형성부(1100)에서는 왼쪽에 위치할 가상 음상 A와 중앙에 위치할 가상 음상 C, 오른쪽에 위치할 가상 음상 B를 만들어 주기위한 전달함수 연산을 한다. C 음상의 경우, 오른쪽 귀에 대한 전달함수와 왼쪽 귀에 대한 전달함수가 같기 때문에 하나의 전달함수에 의한 처리 결과를 나누어 사용한다.
가상음상형성부(1100)에서 생성된 신호들은 가산기(1130)에서 합해서, 2차 가상음상 C-left와 C-right를 만들어 준다.
도 12에 의하면, 도 6에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 의한 삼차원 공간상에 위치조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치를 보다 구체화한 것으로서, DVD나 HDTV용 5 채널 오디오신호를 헤드폰으로 간단히 재생하는 장치는 제어부(1220), 출력위치조절부(1210), 가상음상형성부(1200) 및 가산기(1230)를 포함하여 구성된다.
5 채널 오디오 신호는 중앙신호 C, 전방 왼쪽신호 L, 전방 오른쪽 신호 R, 후방 왼쪽신호 SL, 후방 오른쪽신호 SR로 구성된다.
입력된 5채널 오디오신호 L, C, R, SL, SR에 대하여 위치 조절이 가능한 가상 음상을 형성하는 장치에 있어서,
제어부(1220)는 입력된 5채널 오디오신호 중 왼쪽신호 L, 오른쪽신호 R, 후방 왼쪽신호 SL, 후방 오른쪽신호 SR, 중앙신호 C에 대하여 제1 가상 음상을 형성하는 소정의 A 위치 및 소정의 B 위치를 기준으로 2차 가상 음상이 형성될 위치 C-left 및 C-right를 조절하기 위한 가중치 및 위상 지연값을 생성한다.
출력위치조절부(1210)는 좌측신호 L에 소정의 A 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호, 우측신호 R에 소정의 B 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호, 후방 왼쪽신호 SL 및 중앙신호 C를 합하여 A 위치기준신호로 두고, 우측신호 R에 소정의 A 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호, 좌측신호 L에 소정의 B 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호, 후방 오른쪽신호 SR 및 중앙신호 C를 합하여 B 위치기준신호로 두어 2차 가상 음상이 형성될 위치를 조절한다.
가상음상형성부(1200)는 A 위치기준신호에 대해서는 소정의 A 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하는 A전달함수처리부 및 B 위치기준신호들에 대해서는 소정의 B 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하는 B전달함수처리부를 구비한다.
가산기(1230)는 가상음상형성부(1200)에서 전달함수들이 처리된 신호들을 각각 청취자의 오른쪽 귀에 대응하는 신호 및 청취자의 왼쪽 귀에 대응하는 신호로 구분하여 가산하여, C, SL, SR, C-left 및 C-right에서의 2차 가상 음상들을 제공하는 좌/우 신호들을 생성한다.
도 13은 전방 중앙 위치의 신호를 강조하면서, 음상을 정면에 대칭으로 형성시켜주는 경우를 보인다.
전방 신호를 강조해주면서 다채널 오디오 처리를 하는 경우, 출력위치 조절부(1310)에서 전방 신호용 성분과, 좌, 우측 음상 성분을 구해주고, 구해진 성분들은 헤드폰용 가상음상형성부(1300)에서, 삼차원 공간상의 위치에 가상음상을 형성하게끔 처리된다. 처리된 가상 음상들을 중첩시키는 것은 가산기(1330)에서 담당한다.
본 발명에 의하면, 첫째, 가상 음상의 위치를 조절하는 처리가 가능하게 된다. 둘째, 전달 함수를 한 세트를 가지고 여러 위치에 가상 음상을 형성시킬 수가 있다. 셋째, 중앙처리기같은 복잡한 연산기없이도 처리가 가능하다. 넷째, 스피커의 수가 적은 경우에도 다채널 오디오 효과를 재생할 수가 있다. 다섯째, 처리하는 가상 음상의 수에 따라 증가하는 복잡도가 적다.

Claims (19)

  1. 입력된 하나 또는 그 이상의 오디오 신호들에 대하여 삼차원 공간상에 다수의 1차 가상 음상들을 형성하는 가상음상형성부;
    하나 또는 그 이상의 2차 가상 음상들이 형성될 위치를 조절하기 위한 조절인자들을 생성하는 제어부;
    상기 가상음상형성부에서 다수의 1차 가상 음상이 형성된 하나 또는 그 이상의 오디오 신호를 상기 제어부에 의해 생성된 조절인자들로 제어하여 하나 또는 그 이상의 2차 가상 음상이 형성될 위치를 조절하는 출력위치조절부; 및
    하나 또는 그 이상의 2차 가상 음상이 형성될 위치가 조절된 하나 또는 그 이상의 오디오 신호들을 가산하여 하나 또는 그 이상의 2차 가상 음상이 형성된 좌/우 오디오 신호들을 생성하는 가산기를 포함함을 특징으로 하는 삼차원 공간상에 위치조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치.
  2. 2차 가상 음상이 형성될 위치를 조절하기 위한 조절인자들을 생성하는 제어부;
    입력된 하나 또는 그 이상의 오디오 신호들을 상기 제어부에 의해 생성된 조절인자들로 제어하여 하나 또는 그 이상의 2차 가상 음상이 형성될 위치를 조절하는 출력위치조절부;
    위치가 조절된 하나 또는 그 이상의 오디오 신호들에 대하여 삼차원 공간상에 다수의 1차 가상 음상을 형성하는 가상음상형성부; 및
    다수의 1차의 가상음상이 형성된 하나 또는 그 이상의 오디오 신호들을 가산하여 하나 또는 그 이상의 2차 가상 음상이 형성된 좌/우 오디오 신호들을 생성하는 가산기를 포함함을 특징으로 하는 삼차원 공간상에 위치조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생장치.
  3. 제2항에서, 상기 제어부에서 생성되는 조절인자들은
    하나 또는 그 이상의 가중치들 및 하나 또는 그 이상의 시간 지연을 위한 인자들을 포함함을 특징으로 하는 삼차원 공간상에 위치조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치.
  4. 제3항에서, 상기 출력위치조절부에서의 위치조절은
    상기 가상음상형성부에서 형성한 1차 가상 음상들의 위치들 사이에서, 상기 상기 제어부에 의해 생성된 조절인자들을 적용하여 이루어짐을 특징으로 하는 삼차원 공간상에 위치조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치.
  5. 제2항에서, 상기 가상음상형성부는
    3차원 공간상의 소정의 가상점에서 청취자의 양 귀로 전달되는 전달함수 특성을 이용하여 상기 위치가 조절된 다수의 오디오 신호들을 필터링하는 것을 특징으로 하는 삼차원 공간상에 위치조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치.
  6. 입력된 모노 오디오신호에 대하여 위치 조절이 가능한 가상 음상을 형성하는 장치에 있어서,
    상기 입력된 모노 오디오신호에 대하여 소정의 A 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 A 위치의 1차 가상음상형성신호들 및 소정의 B 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 B 위치의 1차 가상음상형성신호들을 생성하는 가상음상형성부;
    상기 소정의 A 위치 및 상기 소정의 B 위치를 기준으로 2차 가상 음상이 형성될 위치 C를 조절하기 위한 가중치 및 위상 지연값을 생성하는 제어부;
    상기 A 위치의 1차 가상음상형성신호들 및 상기 B 위치의 1차 가상음상형성신호들에 상기 가중치 및 상기 위상 지연값을 적용하여 2차 가상 음상이 형성될 위치를 조절하는 출력위치조절부; 및
    상기 2차 가상 음상이 형성될 위치가 조절된 A 위치의 1차 가상음상형성신호들 및 B 위치의 1차 가상음상형성신호들을 각각 청취자의 오른쪽 귀에 대응하는 신호 및 청취자의 왼쪽 귀에 대응하는 신호로 구분하여 가산하여, 2차 가상 음상을 제공하는 좌/우 신호들을 생성하는 가산기를 포함함을 특징으로 하는 삼차원 공간상에 위치조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치.
  7. 입력된 모노 오디오신호에 대하여 위치 조절이 가능한 가상 음상을 형성하는 장치에 있어서,
    상기 입력된 모노 오디오신호에 대하여 제1 가상 음상을 형성하는 소정의 A 위치 및 소정의 B 위치를 기준으로 2차 가상 음상이 형성될 위치 C를 조절하기 위한 가중치 및 위상 지연값을 생성하는 제어부;
    상기 입력된 모노 오디오신호를 둘로 분할하고, 분할된 모노 오디오신호들에 대하여 각각 상기 가중치 및 상기 위상 지연값을 적용하여 2차 가상 음상이 형성될 위치를 조절하는 출력위치조절부;
    A 위치를 기준으로 위치 조절된 모노 오디오신호들에 대해서는 상기 소정의 A 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하는 A전달함수처리부 및 B 위치를 기준으로 위치 조절된 모노 오디오신호들에 대해서는 상기 소정의 B 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하는 B전달함수처리부를 구비하는 가상음상형성부; 및
    상기 소정의 A 및 B 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수들이 처리된 오디오신호들을 각각 청취자의 오른쪽 귀에 대응하는 신호 및 청취자의 왼쪽 귀에 대응하는 신호로 구분하여 가산하여, 2차 가상 음상을 제공하는 좌/우 신호들을 생성하는 가산기를 포함함을 특징으로 하는 삼차원 공간상에 위치조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치.
  8. 입력된 스테레오 오디오신호 L 및 R에 대하여 위치 조절이 가능한 가상 음상을 형성하는 장치에 있어서,
    상기 입력된 스테레오 오디오신호 중 좌측신호 L과 우측신호 R에 대하여 제1 가상 음상을 형성하는 소정의 A 위치 및 소정의 B 위치를 기준으로 2차 가상 음상이 형성될 위치 C-left 및 C-right를 조절하기 위한 가중치 및 위상 지연값을 생성하는 제어부;
    상기 좌측신호 L에 소정의 A 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호와 상기 우측신호 R에 소정의 B 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호를 합하여 A 위치기준신호로 두고, 상기 우측신호 R에 소정의 A 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호와 상기 좌측신호 L에 소정의 B 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호를 합하여 B 위치기준신호로 두어 2차 가상 음상이 형성될 위치를 조절하는 출력위치조절부;
    상기 A 위치기준신호에 대해서는 상기 소정의 A 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하는 A전달함수처리부 및 상기 B 위치기준신호들에 대해서는 상기 소정의 B 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하는 B전달함수처리부를 구비한 가상음상형성부; 및
    상기 가상음상형성부에서 전달함수들이 처리된 신호들을 각각 청취자의 오른쪽 귀에 대응하는 신호 및 청취자의 왼쪽 귀에 대응하는 신호로 구분하여 가산하여, C-left 및 C-right에서의 2차 가상 음상들을 제공하는 좌/우 신호들을 생성하는 가산기를 포함함을 특징으로 하는 삼차원 공간상에 위치조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치.
  9. 제8항에서, 상기 제1 가상 음상을 형성하는 소정의 A 위치 및 소정의 B 위치를 전방 중앙에 대칭으로 위치시키는 것을 특징으로 하는 삼차원 공간상에 위치조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치.
  10. 제9항에서, 상기 출력위치조절부는
    상기 좌측신호 L에 소정의 A 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호를 A 위치기준신호로 두고, 상기 우측신호 R에 소정의 A 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호를 B 위치기준신호로 두고, 상기 좌측신호 L에 소정의 B 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호와 상기 우측신호 R에 소정의 B 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호를 합하여 중앙기준신호로 두어, 2차 가상 음상이 형성될 위치를 조절하며,
    상기 가상음상형성부는
    상기 중앙기준신호에 대해서는 상기 소정의 A 위치 및 상기 소정의 B 위치의 중앙에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하는 중앙전달함수처리부를 더 구비하고,
    상기 가산기는
    상기 가상음상형성부에서 전달함수들이 처리된 신호들 중 청취자의 왼쪽 귀에 대응하는 신호들 및 상기 중앙전달함수처리부의 출력신호를 가산하여 좌 신호로 출력하고, 청취자의 오른쪽 귀에 대응하는 신호들 및 상기 중앙전달함수처리부의 출력신호를 가산하여 우 신호들을 생성하는 것을 특징으로 하는 삼차원 공간상에 위치조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치.
  11. 입력된 5채널 오디오신호 L, C, R, SL, SR에 대하여 위치 조절이 가능한 가상 음상을 형성하는 장치에 있어서,
    상기 입력된 5채널 오디오신호 중 왼쪽신호 L, 오른쪽신호 R, 후방 왼쪽신호 SL, 후방 오른쪽신호 SR, 중앙신호 C에 대하여 제1 가상 음상을 형성하는 소정의 A 위치 및 소정의 B 위치를 기준으로 2차 가상 음상이 형성될 위치 C-left 및 C-right를 조절하기 위한 가중치 및 위상 지연값을 생성하는 제어부;
    상기 좌측신호 L에 소정의 A 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호, 상기 우측신호 R에 소정의 B 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호, 후방 왼쪽신호 SL 및 중앙신호 C를 합하여 A 위치기준신호로 두고, 상기 우측신호 R에 소정의 A 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호, 상기 좌측신호 L에 소정의 B 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호, 후방 오른쪽신호 SR 및 중앙신호 C를 합하여 B 위치기준신호로 두어 2차 가상 음상이 형성될 위치를 조절하는 출력위치조절부;
    상기 A 위치기준신호에 대해서는 상기 소정의 A 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하는 A전달함수처리부 및 상기 B 위치기준신호들에 대해서는 상기 소정의 B 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하는 B전달함수처리부를 구비한 가상음상형성부; 및
    상기 가상음상형성부에서 전달함수들이 처리된 신호들을 각각 청취자의 오른쪽 귀에 대응하는 신호 및 청취자의 왼쪽 귀에 대응하는 신호로 구분하여 가산하여, C, SL, SR, C-left 및 C-right에서의 2차 가상 음상들을 제공하는 좌/우 신호들을 생성하는 가산기를 포함함을 특징으로 하는 삼차원 공간상에 위치조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치.
  12. 제11항에서, 상기 제1 가상 음상을 형성하는 소정의 A 위치 및 소정의 B 위치를 전방 중앙에 대칭으로 위치시키는 것을 특징으로 하는 삼차원 공간상에 위치조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치.
  13. 제12항에서, 상기 출력위치조절부는
    상기 좌측신호 L에 소정의 A 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호 및 후방 왼쪽신호 SL을 합하여 A 위치기준신호로 두고, 상기 우측신호 R에 소정의 A 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호 및 후방 오른쪽 신호 SR을 합하여 B 위치기준신호로 두고, 상기 좌측신호 L에 소정의 B 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호, 상기 우측신호 R에 소정의 B 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호 및 중앙신호 C를 합하여 중앙기준신호로 두어, 2차 가상 음상이 형성될 위치를 조절하며,
    상기 가상음상형성부는
    상기 중앙기준신호에 대해서는 상기 소정의 A 위치 및 상기 소정의 B 위치의 중앙에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하는 중앙전달함수처리부를 더 구비하고,
    상기 가산기는
    상기 가상음상형성부에서 전달함수들이 처리된 신호들 중 청취자의 왼쪽 귀에 대응하는 신호들 및 상기 중앙전달함수처리부의 출력신호를 가산하여 좌 신호로 출력하고, 청취자의 오른쪽 귀에 대응하는 신호들 및 상기 중앙전달함수처리부의 출력신호를 가산하여 우 신호들을 생성하는 것을 특징으로 하는 삼차원 공간상에 위치조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치.
  14. 제13항에서, 상기 출력위치조절부는
    상기 중앙신호의 중요도에 따라 상기 중앙신호에 가중치 및 위상 지연값을 처리함을 특징으로 하는 삼차원 공간상에 위치조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 장치.
  15. (a) 입력된 오디오 신호에 대하여, 삼차원 공간에서 위치 조절이 가능한 영역에 다수의 1차 가상 음상들을 형성하는 단계; 및
    (b) 상기 다수의 1차 가상 음상들의 중요도를 조절하여, 다수의 1차 가상 음상들이 형성된 오디오 신호에 대하여 2차 가상 음상의 위치를 조절하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 삼차원 공간상에 위치조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 방법.
  16. 입력된 모노 오디오신호에 대하여 위치 조절이 가능한 가상 음상을 형성하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 입력된 오디오 신호에 대하여, 삼차원 공간상의 소정의 A 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 A 위치의 1차 가상 음상 형성 신호 및 소정의 B 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 B 위치의 1차 가상 음상 형성 신호를 생성하는 단계;
    (b) 상기 A 위치의 1차 가상 음상 형성 신호 및 상기 B 위치의 1차 가상 음상 형성 신호에 대하여 각각 가중치 및 시간지연을 적용하여 공간상에서의 위치 및 위상차를 조절하는 단계; 및
    (c) 상기 공간상에서의 위치 및 위상차가 조절된 신호들을 각각 청취자의 오른쪽 귀에 대응하는 신호 및 청취자의 왼쪽 귀에 대응하는 신호로 구분하여 가산하여, 2차 가상 음상을 제공하는 좌/우 신호들을 생성하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 삼차원 공간상에 위치조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 방법.
  17. 입력된 모노 오디오신호에 대하여 위치 조절이 가능한 가상 음상을 형성하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 입력된 모노 오디오 신호에 대하여 각각 소정의 A 위치 및 소정의 B 위치의 가중치 및 시간지연을 적용하여 공간상에서의 2차 가상 음상이 형성될 위치를 조절하는 단계;
    (b) 소정의 A 위치를 기준으로 위치 조절된 오디오신호들에 대해서는 상기 소정의 A 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하고, 소정의 B 위치를 기준으로 위치 조절된 오디오신호들에 대해서는 상기 소정의 B 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하는 단계; 및
    (c) 상기 소정의 A 및 B 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수들이 처리된 오디오신호들을 각각 청취자의 오른쪽 귀에 대응하는 신호 및 청취자의 왼쪽 귀에 대응하는 신호로 구분하여 가산하여, 2차 가상 음상을 제공하는 좌/우 신호들을 생성하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 삼차원 공간상에 위치조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 방법.
  18. 입력된 스테레오 오디오신호 L 및 R에 대하여 위치 조절이 가능한 가상 음상을 형성하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 입력된 스테레오 오디오신호 중 좌측신호 L과 우측신호 R에 대하여, 상기 좌측신호 L에 소정의 A 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호와 상기 우측신호 R에 소정의 B 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호를 합하여 A 위치기준신호로 두고, 상기 우측신호 R에 소정의 A 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호와 상기 좌측신호 L에 소정의 B 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호를 합하여 B 위치기준신호로 두어 2차 가상 음상이 형성될 위치 C-left, C-right를 조절하는 단계;
    (b) 상기 A 위치기준신호에 대해서는 상기 소정의 A 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하고, 상기 B 위치기준신호들에 대해서는 상기 소정의 B 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하는 단계; 및
    (c) 상기 (b) 단계에서 전달함수들이 처리된 신호들을 각각 청취자의 오른쪽 귀에 대응하는 신호 및 청취자의 왼쪽 귀에 대응하는 신호로 구분하여 가산하여, C-left 및 C-right에서의 2차 가상 음상들을 제공하는 좌/우 신호들을 생성하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 삼차원 공간상에 위치조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 방법.
  19. 입력된 5채널 오디오신호 L, C, R, SL, SR에 대하여 위치 조절이 가능한 가상 음상을 형성하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 입력된 5채널 오디오신호 중 왼쪽신호 L, 오른쪽신호 R, 후방 왼쪽신호 SL, 후방 오른쪽신호 SR, 중앙신호 C에 대하여, 상기 좌측신호 L에 소정의 A 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호, 상기 우측신호 R에 소정의 B 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호, 후방 왼쪽신호 SL 및 중앙신호 C를 합하여 A 위치기준신호로 두고, 상기 우측신호 R에 소정의 A 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호, 상기 좌측신호 L에 소정의 B 위치에 대한 가중치 및 위상 지연값을 처리한 신호, 후방 오른쪽신호 SR 및 중앙신호 C를 합하여 B 위치기준신호로 두어 2차 가상 음상이 형성될 위치 C-left, C-right를 조절하는 단계;
    (b) 상기 A 위치기준신호에 대해서는 상기 소정의 A 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하고, 상기 B 위치기준신호들에 대해서는 상기 소정의 B 위치에 존재하는 가상 음상을 형성하는 전달함수를 처리하는 단계;
    (c) 상기 (b) 단계에서 전달함수들이 처리된 신호들을 각각 청취자의 오른쪽 귀에 대응하는 신호 및 청취자의 왼쪽 귀에 대응하는 신호로 구분하여 가산하여, C, SL, SR, C-left 및 C-right에서의 2차 가상 음상들을 제공하는 좌/우 신호들을 생성하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 삼차원 공간상에 위치조절이 가능한 가상 음상을 이용한 오디오 재생 방법.
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