KR100312965B1 - 공간 음상 정위를 위한 특성치의 환산 방법 및 이를이용한 삼차원 음향 녹음 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 인간이 청각구조(어깨, 머리, 좌/우측 귀)와 인지특성에 의하여 음원의 위치에 대한 삼차원적(거리, 방위각 및 고도) 정보를 인지하는 원리를 이용하여 음의 공간적 정위를 실현할 수 있는 방법 및 이를 이용하여 3차원 녹음을 할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.
실험을 통하여 얻어진 공간 음상 정위에 가장 효과적인 환산 방법은 다음과 같이 두 단계로 구성된 인지량적 머리전달함수의 특성치 환산 방법이며, 그 과정은 다음과 같다. 먼저 기준점의 좌우측 머리전달함수에 대하여 임의 공간에서 측정된 좌우측 머리전달함수 HL및 HR의 상대적 양 IL및 IR을 식 1 및 식 2에 따라 환산하고,
식 1:
식 2:
임의 밴드폭 내의 머리전달함수의 유효 진폭 LL(fc) 및 LR(fc)를 식 3 및 식 4에 따라 환산하고,
식 3:
식 4:
주파수 대역별 양 귀 인지량적 음압레벨 차이 dBL및 dBR을 식 5 및 식 6에 의해 구하고,
식 5:
식 6:
양 귀의 음압 도달 시간 τL과 τR의 상대적 차이τR,L을 식 7, 식 8 및 식 9에 의해 구하는 단계로 구성된다.
식 7:
식 8:
식 9:
청취자와 음원의 상대적 공간 정보가 주어지면, 좌우 귀의 인지량적 음압레벨 데이터베이스로부터 좌/우측 음향 채널의 대역별 이퀄라이저 설정값이 결정되며, 이를 이용하여 좌우 채널의 이퀄라이저 이득율을 조정하고, 원음에 대하여 양귀 음압레벨 차이를 코딩한 이퀄라이저의 출력신호를 얻게되며, 양귀 음압 도달 시간차이의 설정값 또한 결정된다. 이때 좌측과 우측 중 음압 도달 시간이 늦은 채널에 상대적 지연시간을 설정하여 삼차원 공간 음상 정위를 구현한다.
Description
본 발명은 인간이 청각구조(어깨, 머리, 좌/우측 귀)와 인지특성에 의하여 음원의 위치에 대한 삼차원적(거리, 방위각 및 고도) 정보를 인지하는 원리를 이용하여 음의 공간적 정위를 실현할 수 있는 방법 및 이를 이용하여 3차원 녹음을 할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 음원에서 양 귀까지의 거리, 방위각 및 고도에 따라 변화되는 양귀의 인지량적 음압레벨 차이(Perception- Based Interaural Level Difference, PB-ILD)와 음압 도달시간 차이 (Interaural Time Difference, ITD)를 이용하여 삼차원 공간의 음상 정위를 실현하고 이를 이용하여 3차원적으로 녹음을 할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 음원의 공간 위치에 대한 단순 물리량적 기존의 머리전달함수 (Head-Related Transfer Function, HRTF)로부터 청각기관의 인지량적 특성치 (PB-ILD, ITD)의 환산 기법과 이들을 이용한 음원의 삼차원 공간 정위를 구현하는 소프트웨어 기술을 포함한다. 특히, 양귀의 인지량적 환산 기법을 이용하여 얻어진 양귀의 인지량적 음압레벨 차이(PB-ILD)와 음압 도달시간 차이 (ITD)를 이용한 공간 음상정위 기술은 기존의 머리전달함수를 이용한 음상 정위 기술의 한계점인 음색 왜곡과 음질 저하의 문제점을 획기적으로 개선하기 위하여 개발된 기술이다.
본 기술은 하나의 음원에 대한 공간 정보(거리, 방위각 및 고도) 뿐만 아니라 다수의 음원들 또한 공간에 정위할 수 있는 기술을 제공한다. 그리고, 청음자의 위치 기준 좌표계에 대하여 복합 음원들의 상대적 위치 좌표계로 음상을 정위하는 기법을 사용하기 때문에, 청음자의 공간 이동에 의한 복합 음원의 공간적 청음 특성 재현뿐 아니라 다수 음원들의 개별적 공간 이동에 대한 청음자의 공간 청음 특성 또한 실현할 수 있다. 이러한 공간 음상 정위 기술은 기존의 스테레오 녹음용 장비 (그래픽 이퀄라이저, 시간 지연기)들과 개인용 컴퓨터의 단순 조합으로 삼차원의 고 품질 음향 녹음을 구현할 수 있는 장점을 제공한다. 따라서, 본 발명에서 제안하는 기술들은 기존의 녹음 기기를 사용하는 분야(음반, TV 및 라디오 방송, 오락)에 직접 적용될 수 있는 새로운 삼차원 음향 기록 기술로 전문 녹음 기사들의 창의성 향상과 더불어 아직 들어보지 못한 고품위 음의 창조에도 크게 기여할 수 있다.
기존의 녹음 기술 분야에서 가장 널리 이용되고 있는 헤드폰 재생에 의한 스테레오 녹음방식(제1도 참고)은 음상(sound image)이 양 귀의 선상(102)에만 음이 정위 되게 된다. 즉, 모노 입력 신호에 대해 팬폿을 12시 방향에 설정하면 음상은 머리의 중앙(103)에 맺히게 되고 3시 방향으로 설정하면 오른쪽 귀 가까운 부분(104)에 맺히게 되고 9시 방향에 설정하면 왼쪽 귀 가까운 부분(105)에 맺히게 된다. 따라서, 녹음 기사는 삼차원상에 위치한 각각의 소리를 단지 팬폿을 이용하여 적당히 양귀 선상에 음을 정위 시키게 된다. 이러한 방법은 모노의 녹음 방식에 비해 다소 개선된 녹음 방식이긴 하지만 공간적 현실감을 느낄 수 있는 삼차원적 음향의 재생에는 한계가 있다.
그리고, 방송실에서 널리 이용되고 있는 방법은 두 개의 모니터 스피커를 이용한 2 채널 녹음 방식(제2도 참고)이다. 이 방식 또한 녹음 기사는 3차원 공간상에 위치한 음들을 팬폿으로 적당히 두 스피커를 잇는 선상(201)에 음을 정위시킨다. 즉, 팬폿을 12시 방향에 설정하면 음상은 머리의 중앙(204)에 맺히게 되고, 3시 방향에 설정하면 오른쪽 가까운 부분(205)에 맺히게 되고 9시 방향에 설정하면 왼쪽 귀 가까운 부분(206)에 맺히게 된다. 이러한 2채널 방식에 의한 녹음은 3차원 공간상의 음을 1 차원 선상(203)에 위치시킬 수밖에 없었기 때문에 현실감 있는 소리들을 재생하기 어려웠고 녹음기사가 할 수 있는 일은 단지 팬폿으로 음을 좌우의 적당한 위치에 정위 시키는 일 뿐이어서 녹음기사의 창의력을 충분히 발휘할 수 없다.
이러한 1차원적 선상의 음상 정위에 대한 한계를 극복하기 위해 나온 개념이 멀티 채널 녹음/재생 방법이다. 이는 청취자의 귀 높이에 해당되는 평면의 전면에 2개의 스피커와 뒷면에 2개의 스피커를 각각 위치시킨다 (제3도 참조). 본 녹음 방식은 전면에 위치한 스피커 선상의 위치에 음상을 정위 시키기 위해 2채널 스피커 재생방식처럼 팬폿으로 조절하여 스피커를 잇는 선상(305)에 음을 정위시킬 수 있다. 이렇게 전면 스피커 선상에 맺힌 음상을 청취자 귀 높이의 평면상으로 펼치기 위해서는 청취자 앞(301,302), 뒤(303,304)의 스피커의 음량을 조절하여 소리를 선상(305)에서 평면상의 위치(307)로 이동시킬 수 있다. 또한 뒷면에 위치한 스피커(303, 304)의 음량을 전면 스피커에 비해 크게 했을 때 전방 음상 (307)의 위치를 청취자의 뒷면(308)으로 음상 위치를 이동할 수 있게 된다. 부수적으로 뒤 스피커의 재생 시간차를 이용하여 음이 앞에서 뒤로 혹은 그 반대로 움직이는 효과도 재생할 수 있어 보다 현실감 있는 음의 재생이 가능하다. 그러나, 방송과 음반의 경우 채널 수가 2 개로 고정되어 있어 멀티 채널의 도입에 많은 현실적 한계점이 있다. 단지, 영화나 대형 오락 시설 등의 특수한 용도에서는 이미 멀티채널 녹음/재생 방법이 도입되고 있을 뿐이다. 이러한 서라운드 방식 또한 아래와 같은 문제점들을 안고 있다.
첫째, 이 방식에서도 3차원(방위각, 고도, 거리)에 위치한 소리들을 재생할 수가 없다. 기존의 2채널 방식의 한계점인 선상의 정위를 단순 2 차원적 평면상으로 넓히기는 했지만 청취자의 위 혹은 아래에서 나는 소리의 정위는 실현할 수는 없다.
둘째, 기존의 2 채널 녹음 방법을 직접 사용할 수가 없다. 영화나 오락 같은 특수한 시설을 갖춘 용도에서는 문제점이 없지만, 공중파 방송(라디오, 텔레비전)이나 음반 분야에서 현재 채널 수 확장은 사실 불가능한 실정이다. 따라서, 공중파 방송, 음반 분야에서 이 방식을 적용하기 의해서는 멀티채널 녹음을 2채널로 바꿔주는 인코더, 이 인 코딩된 신호를 멀티채널로 바꿔주는 디코더를 사용해야 한다. 이것은 결국 소비자의 입장에서 보면 개별적으로 디코더를 구입해야 되기 때문에 많은 금전상의 손해를 보아야 한다.
셋째, 실제의 가정에서 4개의 스피커를 청취자의 앞뒤에 두고 음을 청취할 만큼 공간이 충분치 않다. 도시 아파트 생활을 하는 가정에서 멀티 채널 재생은 많은 어려움에 직면하게 된다.
현재 국내에서 이용되고 있는 두 채널 및 다 채널 녹음 방법의 문제점들을 소개하였다. 이러한 문제점은 사실 국내 음반 및 방송 분야에 종사하는 전문 녹음 기술자의 공통된 애로 사항이며, 향후 고 품질의 음반 생산과 방송국의 음향 분야에 대한 기술적 한계점 극복에 대한 필요성은 본 발명의 개발에 동기를 부여하였다.
본 발명의 목적은 3차원 공간상에 음을 정위시키고 재생할 수 있는 공간 음상 정위를 위한 특성치의 환산 방법 및 이를 이용한 3차원 음향 녹음 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 인코더나 디코더와 같은 별도로 추가적인 장비가 필요치 않고 기존의 장비만으로 구현이 가능한 공간 음상 정위를 위한 특성치의 환산 방법 및 이를 이용한 3차원 음향 녹음 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 음원 스피커의 음향 특성, 마이크로폰의 전기적, 음향학적 특성, 청음자의 체위 인자들에 의한 음향학적 특성 또는 실험실의 음향 특성치 등에 의한 영향을 최소화할 수 있는 공간 음상 정위를 위한 특성치의 환산 방법 및 이를 이용한 3차원 음향 녹음 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 기존의 스테레오 녹음용 장비들과 개인용 컴퓨터의 단순 조합으로 삼차원의 고 품질 음향 녹음을 구현할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
제1도는 2 채널 녹음 시 헤드폰 재생을 통한 음상 정위 개념도이다.
제2도는 2채널 녹음 시 스테레오 스피커 재생을 통한 음상 정위 개념도이다.
제3도는 멀티채널 녹음 시 멀티채널 스피커를 이용한 음상 정위 개념도이다.
제4도는 측정된 머리전달함수의 진폭 및 위상 주파수 특성이다.(거리 r=1.5 m, 고도각 φ=0˚)
제5도는 인지량적 머리전달함수의 진폭 특성이다.
제6도는 방위각의 변화에 대한 좌우측 귀에 도달하는 음압도달 시간에 관한 그래프이다.(기준점은 방위각과 고도가 0°인 점을 선정)
제7도는 이퀄라이저와 시간지연기를 이용한 삼차원 공간 음향기록 장치의 개략도이다.
제8도는 일반적 믹싱 콘솔의 개념도이다.
제9도 내지 제12도는 인지량적 양귀 음압레벨 및 음압도달 시간차이를 이용한 삼차원 공간 음향 녹음 기술에 관한 제1실시예 내지 제4실시예의 개념도이다.
<도면의 주요부에 대한 부호의 설명>
101: 헤드폰 102: 양 귀를 잇는 선
103: 헤드폰 재생 시 팬폿을 12시 방향 설정 시 음상 위치
104: 헤드폰 재생 시 팬폿을 3시 방향 설정 시 음상 위치
105: 헤드폰 재생 시 팬폿을 9시 방향 설정 시 음상 위치
106: 청취자의 머리 201: 왼쪽 스피커
202: 오른쪽 스피커 203: 두 스피커를 잇는 선
204: 스테레오 스피커 재생 시 팬폿을 12시 방향 설정 시 음상 위치
205: 스테레오 스피커 재생 시 팬폿을 3시 방향 설정 시 음상 위치
206: 스테레오 스피커 재생 시 팬폿을 9시 방향 설정 시 음상 위치
207: 청취자의 머리 301: 전면 왼쪽 스피커
302: 전면 오른쪽 스피커 303: 후면 왼쪽 스피커
304: 후면 오른쪽 스피커 305: 전면 스피커 사이를 잇는 선
306: 전면 왼쪽, 후면 왼쪽 스피커를 잇는 선
307: 전면 두개의 스피커 사이를 잇는 선상에 위치한 음을 뒷면에 위치한 스피커의 음량에 비해 전면 스피커의 음량을 크게 했을 때의 음상 정위 위치
308: 전면 두 개의 스피커 사이를 잇는 선상에 위치한 음을 뒷면에 위치한 스피커의 음량에 비해 전면 스피커의 음량을 작게 했을 때의 음상 정위 위치
309: 청취자의 머리
인간은 좌우 2개의 귀를 가지고 있으며, 이를 이용하여 공간상의 모든 소리의 방향을 파악할 뿐 아니라 거리감까지도 인식할 수 있다. 이러한 3차원 공간 음의 인지 원리는 Lord Rayleigh (1907, On our perception of sound direction,Philosophical Magzine)가 처음 소개한 두 가지의 양, 즉 양귀 음압레벨 (Interaural Level Difference, ILD)과 음압 도달시간 차이 (Interaural Time Difference, ITD)로 정량화 될 수 있다. 이러한 고전적 개념에서 비추어 볼 때 앞서 소개한 기존 스테레오 음향 기록기술은 팬폿을 이용하여 양귀 음압레벨 차이(ILD)만을 조정할 뿐 양 귀의 시간 차이(ITD)를 이용한 음향 기술은 아직도 현실화되지 못하고 있다. 사실, Lord Rayleigh의 고전적 음상 인식 개념은 양 귀의 음압레벨 차이와 시간 차이의 두 특성치를 동시에 조정할 때 청각 기관은 공간적 음상을 올바르게 인식한다는 점을 의미한다. 따라서, 좌우 음압레벨 조절용 팬폿만을 사용하는 기존 스테레오 음향 기록 기술은 우선 양 귀 음압 도달 시간지연 조절용 또 하나의 팬폿이 필요할 뿐 아니라 선정된 음압 조절용 팬폿의 설정치에 대한 적절한 시간지연 팬폿 설정의 정량화된 방법 또한 필요함을 알 수 있다. 따라서, 양 귀 음압의 레벨차이와 도달시간 설정용 팬폿의 동시 설정 방법은 삼차원 공간 음상 정위의 가장 핵심적 기술 요소임을 알 수 있다.
음상 공간 정위의 핵심적 두 특성치인 양귀 음압 차이와 도달시간 차이를 동시에 설정하는 방법을 1970∼80년대 수행된 머리전달함수, 즉 음원의 공간적 위치 (방위각, 고도)에 따른 양 귀까지의 음향학적 머리전달함수 (Head-RelatedTransfer Function, 이하 'HRTF'라 약칭)의 실험 결과들을 이용하여 추정하는 방법을 본 발명에서 새로이 고안하였다. 머리전달 함수(HRTF)는 방위각과 고도를 미세하게 세분하여 약 700 개 이상의 구형 공간에 위치한 기준 음원에 대한 좌우측 외이부(귓구멍)에서 측정된 음압의 주파수 전달 특성을 포함하고 있다. 음원에서 양귀 중심점까지의 거리를 r, 음원과 양귀 중심점의 좌우 방위각(Azimuth Angle)을 θ, 그리고 음원과 양귀 중심점이 이루는 상하 고도각(Elevation Angle)을 φ라 하면, 좌측 귀에서 측정된 머리전달함수 HL(f; r, θ, φ)과 우측 귀에서 측정된 머리전달함수 HR(f; r, θ, φ)을 동시에 측정할 수 있다. 제 4도는 거리 r = 1.5 m이고 고도각 φ = 0˚ 경우, 표준(연)에서 측정한 머리전달함수의 진폭 크기와 위상의 주파수 특성을 방위각에 따라 보여주고 있다.
실험적으로 측정된 머리전달함수는 음원 스피커의 음향 특성 (음향 출력 및 방향성 등), 양귀 음압 측정용 마이크로폰의 전기적 그리고 음향학적 특성, 청음자의 체위 인자들 (양 귀, 머리, 어깨, 및 상체의 크기 및 형상)에 의한 반사, 회절, 산란 등에 의한 음향학적 특성, 그리고 실험실의 음향 특성치 (잔향 시간, 반사 및 흡음 특성)에 의한 복합적 영향 인자를 포함하고 있다. 이러한 복합적 영향인자들이 포함된 단순 측정량인 머리전달함수를 음원의 공간 음상 정위에 이용할 경우, 제4도 (a)와 (b)에 표시된 바와 같이 머리전달함수의 진폭과 위상에 포함된 수많은 피크치들은 원음의 음색 왜곡과 음질의 저하를 초래하게 된다. 이와 같이 단순 측정 머리전달함수를 이용한 공간 음상 정위에 수반되는 음색 왜곡과 음질 저하는 아직도 삼차원 공간 음상 정위 기술이 공중파 방송 (TV, 라디오), 음반 그리고 영화의 응용분야에 활용되지 못하는 가장 주된 요인이 되고 있다. 이러한 문제점을 해결할 수 있는 방안을 소개한다. 사람의 청각기관이 과연 제4도 (a)의 진폭 특성에서 보인 수 없는 최대 최소 피크치들을 식별하여 정확히 인식할 수 있는가 하는 점이다. 인간의 청각기관은 다수의 소리를 동시에 들을 경우 'Masking' 현상 (일부 소리의 묻힘 현상)때문에 최소치들에 대한 음향 성분은 인식이 불가능하며 그리고 근접한 두 최대 피크치의 미세한 식별 또한 불가능하다. 이러한 원리를 구체화한 예들이 음악의 음계 (Octave, 옥타브)나 혹은 임계 밴드폭 (Critical Bandwidth)을 이용한 인간 청각 기관의 인식 모델이다.
사실, 방송국이나 음반업계의 전문 음향 기사들이나 음향 연구원들이 이용하고 있는 1/3-옥타브로 구성된 이퀄라이저 (1/3-Octave Band Equaliser, 혹은 그래픽 이퀄라이저)는 음계 모델을 이용한 음향 기기이다. 이와 같이 청각기관의 주파수 대역에 대한 인지량에 직접 관련된 양으로 머리전달함수의 주파수 특성을 환산하는 방법을 제안한다.
수많은 사람의 실험을 통하여 얻어진 공간 음상 정위에 가장 효과적인 환산 방법은 다음과 같이 두 단계로 구성된 인지량적 머리전달함수의 특성치 환산 방법이다. 첫 단계는 기준점의 좌우측 머리전달함수 HL(f; r0, θ0, φ0)과 HR(f; r0, θ0, φ0)에 대하여 임의 공간에서 측정된 좌우 측 머리전달함수 HL(f; r, θ, φ)과 HR(f; r, θ, φ)의 상대적 양을 다음 수학식 1 및 2에 따라 환산한다.
위 수학식 1과 2에서 위첨자 *는 공액복소수를 표시한다. 그리고, 기준점에 대한 선정은 사용자의 편의에 따라 선정할 수 있다. 본 발명에서는 사용한 기준점은 고도각 φ0= 0°으로 고정하고 방위각 θ0= 0°와 θ0= 30°두 가지의 값을 사용하며 이러한 선정은 스피커를 구성하는 방법에 따라 다른 값을 사용한다. 두 개의 스피커가 매우 근접한 상태에서 설치될 경우 기준점은 고도각 φ0= θ0= 0°를 사용하며, 그리고 두 개의 스피커를 좌우 30°대칭되게 설치할 경우 기준점은 고도각 φ0= 0°와 방위각 θ0= 30°를 선정한다. 수학식 1과 2에서 보인 상대적 머리전달함수 환산 기법은 음원의 공간 정보와는 무관한 다음 3 가지 항목에 대한 머리전달함수의 영향인자의 효과를 최소화할 수 있는 효과적 방법이다.
(1) 음원 스피커의 음향 특성 (음향 출력 및 방향성 등) 인자
(2) 양귀 음압 측정용 마이크로폰의 전기적 그리고 음향학적 특성 인자
(3) 실험실의 음향 특성 (잔향 시간, 반사 및 흡음 특성) 인자
그리고, 머리전달함수의 측정 및 분석 장치들에서 수반되는 측정 오차 인자들의 영향 또한 최소화 할 수 있다.
두 번째 단계는 수학식 1과 2에 따라 환산된 결과를 이용하여 인간 청감 특성에 따른 공간 특성 인자를 추정하는 방법이다. 즉, 음악의 음계 (Octave, 옥타브)나 혹은 임계 밴드폭 (Critical Bandwidth)을 이용하여 인간 청감 주파수 대역에 따라 공간 음상 특성치를 환산하는 과정이다. 1/3 옥타브 혹은 임계 밴드의 임의 중심 주파수를 fc, 하한 주파수와 상한 주파수를 각각 fL와 fU라 하자. 임의 밴드폭 내의 머리전달함수의 유효 진폭은 다음과 같이 환산한다.
수학식 3와 4를 이용하여 가청 주파수 범위인 (16 Hz ∼ 25 kHz)에 대한 1/3-옥타브 혹은 임계 밴드별 중심 주파수에 대한 좌/우측 머리전달함수의 진폭을 각각 계산할 수 있다. 그리고, 방위각과 고도에 따라 측정된 모든 머리전달함수들을 위에서 제시한 계산 방법에 따라 환산함으로써 새로운 인지량적 머리전달함수의 진폭에 대한 데이터베이스 즉 { LL(fc; r,θ, φ), LR(fc; r,θ, φ); 0°≤θ≤ 360°, -60°≤φ≤ 90°}를 구축할 수 있다. 좌/우측의 인지량적 머리전달함수 LL(fc; r,θ,φ)과 LR(fc; r,θ,φ)를 이용하면 음원이 위치한 공간에 대한 주파수대역별 양귀 인지량적 음압레벨 차이 (Perception- Based ILD, PB-ILD)를 쉽게 구할 수 있다.
수학식 5 및 6에 의해 연산된 좌우 dB값으로 양귀의 인지량적 음압레벨 차이를 구할 수 있다.
제5도는 지금까지 소개한 연산 과정에 따라 구한 인지량적 머리전달함수의 진폭 특성을 보여 주고 있다. 제5도에 보인 바와 같이 이러한 양귀의 인지량적 음압레벨 {dBL(fc; r, θ,φ), dBR(fc; r, θ,φ) }을 이용하여 청음자에 대한 상대적 음원의 공간 위치 (r,θ, φ)에 음상을 정위하게 된다. 지금까지 소개한 두 번째 연산 단계는 청음자의 기준점에 대한 상대적 측정 음압의 크기를 이용함을 알 수 있다. 반복된 실험적 검증을 거쳐 얻어진 결과로 다음과 같은 장점을 제공한다.
(1) 머리전달함수 측정에 참여한 피시험자의 체격 인자 (양 귀, 머리, 어깨 및 상체의 크기 및 형상)에 대한 영향도 최소화: 기준점에 대한 피 시험자별 변량 (Intervariability)이 최소화되는 기준점을 선정함으로써 청음자 자신의 체격에 맞는 상대적 감응량에 따라 인식도 부여.
(2) 단순 물리량적 측정 머리전달함수에 수반된 수많은 최소/최대 피크치에의한 음색 왜곡 및 음질 저하를 최소화할 수 있는 방안 제공.
(3) dB 단위로 연산된 양귀의 인지량적 음압레벨 {dBL(fc; r, θ,φ), dBR(fc; r,θ,φ) }을 이용하여 기존의 이퀄라이저에 대한 대역별 레벨치을 직접 설정함으로써 공간 음상 정위의 새로운 구현 기법을 제공함.
지금까지 소개된 내용은 양귀의 인지량적 음압레벨 차이 환산 기법, 연산 단계별로 본 기법이 제공하는 장점, 그리고 기존의 음향 장비로 구현할 수 있는 방법을 소개하였다.
지금까지는 양귀의 인지량적 음압레벨 차이(PB-ILD)에 대한 소개를 하였다. 또 하나의 공간 음향 인지량은 양귀에 도달 음압의 시간차이(ITL)에 대한 연산 기법을 소개한다. 수학식 1과 2에 따라 연산된 상대적 머리전달함수의 위상 성분에는 기준점에 대한 좌우측의 측정 음압 도달시간에 비례하는 선형 위상(Linear Phase)성분이 존재한다. 이러한 선형적 위상 성분을 이용하면 기준점에 대한 상대적 음압 도달시간을 매우 정밀하게 추정할 수 있다. 좌/우측의 상대적 머리전달함수의 위상을 ΘL(f; r, θ,φ), ΘR(f; r, θ,φ)하고 각각의 상대적 음압 도달 시간을 τL, τR이라 하면, 다음 식 7과 8에 주어진 최소 자승법의 추정 연산으로부터 정확히 환산된다.
위의 수학식 7과 8에서 f1과 f2는 상대적 머리전달함수의 선형 위상 특성이 잘 만족하는 하단 주파수와 상단 주파수를 각각 나타내며, ΘL(f; r, θ,φ) - ΘR(f1; r, θ,φ)는 하단 주파수 f1에 대한 주파수 f에서의 상대적 위상이다. 상하단의 주파수 선정은 측정 머리전달함수의 실험 장치 정확도 (음원 스피커와 음압 마이크로폰의 정확도, 신호 기록 및 분석 장비의 정확도)에 따라 많은 차이를 보인다. 그러나, 표준연에서 사용된 모든 음압 측정 및 분석 장비들은 매우 높은 정밀도와 정확도를 갖기 때문에, 상/하단 주파수는 f1= 200 Hz 그리고 상단 주파수 f2= 1.25 kHz의 대역에서 상대적 선형 위상을 측정할 수 있었다.
제6도는 방위각과 고도가 0°인 기준점을 선정하였을 때, 수평면에 위치한 음원의 방위각의 변화에 대한 좌우측 귀에 도달된 음압 도달 상대적 시간차를 각각 보이고 있다. 제4도에 보인바와 같이 모든 측정 머리함수에 대하여 수학식 1과 2의 연산 결과로 얻어진 상대 위상 정보와 수학식 7과 8에 제시된 연산과정으로부터 모든 측정 머리전달함수에 대한 좌우측 귀의 음압 도달시간 {τL(r, θ,φ), τR(r, θ,φ) }에 대한 데이터 베이스를 구축할 수 있다. 좌우측 귀에 대한 음압 도달 시간을 이용하여 양귀 사이의 도달 시간차이(ITD)는 다음과 같이 구할 수 있다.
위 수학식 9는 좌측 귀에 대한 우측귀의 음압 도달 시간차이을 나타낸다. 물론 부호를 변경하면 우측 귀에 대한 좌측 귀의 도달 시간 또한 구할 수 있다. 이러한 양귀 음압 도달 시간의 차이는 사용자가 편의에 따라 좌측 혹은 우측 귀를 기준으로 선정할 수 있다. 이렇게 추정된 양귀 시간차이 TR,L(r,θ,φ)를 이용하여 공간에 원하는 음상을 정위하기 위하여 사용자 선정이 가능한 시간 지연장치를 사용하여 원하는 채널에 시간지연을 적용함으로써 쉽게 수행할 수 있다. 그러나, 시간 지연장치가 진폭의 변화를 야기하는 기존의 장치들의 사용은 음상 정위의 명료도를 저하한다는 점을 확인하였다. 진폭 변화를 전혀 수반하자 않는 디지털 시간 지연 장치의 사용하는 것이 가장 정확한 구현 기법임을 강조한다.
지금까지 상대적 머리전달함수를 이용하여 인지량적 양귀 음압 도달시간 차이 TR,L(r,θ,φ)와 음압 레벨차이 {dBL(fc; r, θ,φ), dBR(fc; r, θ,φ) }를 환산하는 방법을 각각 소개하였다. 이러한 결과로부터 청음자와 음원의 상대적 위치 (r, θ,φ)에 음상을 정위하는 문제는 최소한 양귀 음압 레벨차이 {dBL(fc; r, θ,φ), dBR(fc; r, θ,φ) }와 도달시간 차이 TL,R(r,θ,φ)를 동시에 설정을 필요로 함을 알 수 있다. 그리고, 공간 음상 정위에 최소한의 필수 인자인 양귀 음압 레벨차이와 도달시간차이를 실현하는 방법은 기존의 대역별 레벨 설정이 가능한 이퀄라이저와 디지털 시간 지연기를 사용함으로써 실현할 수 있다는 점을 본 발명에서 제안하고 있다.
다음은 앞서 소개한 공간 음상 정위를 위한 특성치 즉 인지량적 양 귀 음압레벨 차이 {dBL(fc; r, θ,φ), dBR(fc; r, θ,φ)}와 도달시간 T(r,θ,φ)에 대한 데이터베이스를 이용하여 원하는 삼차원 공간의 음향 신호 녹음 방법을 기술한다. 본 발명의 녹음 기술의 독창성과 비교 우위성을 명확히 하기 위하여 기존의 머리전달함수를 이용한 삼차원 음향 녹음 기술을 간략히 비교 분석한다. 기존의 삼차원 음향 정위 기술은 양귀의 단순 음압의 측정치인 머리전달함수를 직접 이용하는 방법으로, 측정 머리전달함수인 주파수 영역의 전달함수를 역 푸리에 변환 (Inverse Fourier Transform)하여 얻어진 시간영역의 단위 충격응답(Head-Related Impluse Response, HRIR)을 직접 이용하는 방법이다. 추정된 시간영역의 HRIR을 디지털 필터의 응답함수로 설정한 뒤 입력 음향 시간신호에 대한 디지털 필터링 연산(FIR Filtering)을 수행함으로써 원음에 공간 정보를 코딩하게 된다. 이러한 HRIR을 직접 이용한 디지털 필터링(FIR Filtering)기법의 자세한 연구는 William G. Gardner (1997년 MIT 박사학위 논문)에 자세히 소개되고 있으며, 국내외 대다수의 삼차원 음향 정위 기술은 이러한 디지털 필터링(FIR Filtering) 기법에 속한다. 이러한 기존 기술은 최소한 FIR 필터를 실시간으로 구현할 수 있는 고속 디지털 연산 장치(Digital Signal Processor, DSP)가 필요하며, DSP를 구동하기 위한 연산 소프트웨어 또한 필요하게 된다. 이러한 구현 기법이 음향기기 시장에 현실적 뿌리를 내리지 못하고 있는 원인은 크게 두 가지 원인 때문이다.
첫째, 필터계수로 이용되는 시간영역의 단순 측정치인 HRIR값에 공간 음상정위에 전혀 불필요한 실험 인자들 (스피커의 음향학적 특성, 측정 마이크로폰의 전기/음향학적 특성, 피 시험자의 양귀 머리 상체의 크기 및 형상 변화, 측정 공간 음향 특성 등)이 내재되어 있어 불필요한 음색 왜곡과 음질 저하를 공간 음상 정위 시 피할 수 없다는 점이다. 수많은 전문 음향 기사 및 연구 종사자들이 기존의 공간 음상정위 기술 분야에 대해 지적하고 있는 첫 번째 문제점이 바로 음색 왜곡과 음질 저하이며, 기존 기술이 현실에 뿌리를 내리지 못하는 주된 요인이 되고 있다. 이러한 점은 사실 본 발명을 개발하게된 동기를 제공하였다.
둘째, 디지털 필터링의 연산에 필요한 DSP 관련 하드웨어와 전문 소프트웨어로 구축한 음상재현 시스템은 성능과 고품위성은 최근 음향기기 기술과의 적지 않은 거리감은 아직도 음향 설계분야(음반, 방송, 영화, 멀티미디어 등)에서 매우 낮은 신뢰성을 얻고 있다는 점이다. 영국의 음상정위 관련 DSP 하드웨어와 소프트웨어 전문 기술진(영국 ISVR과 ARL 등)들도 기존의 단순 물리량적 측정 머리전달함수의 직접 사용에 의한 음색왜곡과 음질저하에 대한 한계가 있다는 점을 인정하고 있으며, 효율적 공간 음상 정위를 위한 새로운 필터계수의 추정에 대한 필요성을 느끼고 있다.
기존의 측정 머리전달함수와 디지털 필터링 기술을 이용한 방법과는 달리 본 발명에서는 청각기관의 공간인식에 대한 고전적 Lord Rayleigh의 개념인 양 귀의 음압레벨 차이와 도달시간을 이용하여 삼차원 음상 정위를 구현하는 기술이다. 음상정위의 두 가지 특성치인 양귀 음압레벨과 도달시간 차이를 최근의 실험적으로 구축된 머리전달함수를 이용한 추정 방법과 이를 이용한 공간적 두 특성치의 데이터베이스 {dBL(fc; r,θ,φ), dBR(fc; r,θ,φ), TL,R(r,θ,φ)}를 구축한다는 점이다. 이러한 특성치들의 공간에 대한 데이터베이스는 사용자가 음원과 청취자의 상대적 삼차원 좌표값 (r, θ,φ)으로부터 양귀의 인지량적 음압레벨 차이 {dBL(fc; r, θ,φ), dBR(fc; r, θ,φ)}와 도달시간 차이 TL,R(r,θ,φ)를 호출하여 사용하게 된다. 삼차원 좌표값 (r, θ,φ)으로부터 호출된 양 귀의 인지량적 음압레벨 차이는 이퀄라이저의 대역별 레벨값의 설정에 각각 이용되며, 양귀의 도달 시간차이는 좌측 혹은 우측의 입력 신호에 대한 시간지연 장치의 설정치로 입력된다. 이러한 구현 방법은 앞서 설명한 DSP를 이용한 디지털 필터링 기법을 이용한 기존 삼차원 음향 설계 기술보다는 매우 간단할 뿐 아니라 현장 음향 전문 기술자나 연구자들이 사용하고 있는 음향장치(이퀄라이저와 시간 지연기)로 구현이 가능하다.
제7도는 이퀄라이저와 시간 지연기를 이용한 공간 음향 기록 구성도를 보이고 있다. 우선 청취자와 음원의 상대적 공간 정보 (r, θ,φ)가 주어지면, 좌우 양 귀의 인지량적 음압레벨 데이터베이스로부터 좌/우측 음향 채널의 대역별 이퀄라이저의 설정값 {dBL(fc; r,θ,φ), dBR(fc; r,θ,φ)}이 결정되며, 이들을 이용하여 좌우 채널의 이퀄라이저 이득율을 조정한다. 이렇게 설정된 좌우 이퀄라이저를 이용하여 입력된 원음 S(t)에 대하여 공간 음상 정위에 필요한 양귀 음압레벨 차이를 코딩한 이퀄라이저의 출력신호 EQL(t)와 EQR(t)를 각각 얻게된다. 그리고, 설정 공간정보 (r, θ,φ)에 따라 양귀 음압 도달 시간차이의 설정값 {TL,R(r,θ,φ)} 또한 결정되며, 이때 좌측과 우측 중 음압 도달 시간이 늦은 채널에 상대적 지연시간을 설정한다. 만약 우측 채널의 음압 도달시간이 늦을 경우 즉, 음원이 청취자의 좌측에 위치한 경우, 이퀄라이저의 출력신호 EQL(t)와 EQR(t)가 입력되면 시간 지연기는 EQL(t)와 EQR(t-TL,R) 신호를 출력한다 (제7도에 보인 예 참고). 이와 같이 좌우측 이퀄라이저와 시간 지연기로 구성된 장치를 공간 음상 정보에 따라 동시에 설정하여 삼차원 공간 음상 정위를 구현한다. 현재 상용화된 외장형 디지털 이퀄라이저와 디지털 딜레이의 구동은 컴퓨터 상에서 미디 컨트롤 혹은 시리얼 케이블을 통한 컨트롤이 가능하며 이들은 20 Bit 양자화와 48/96kHz 샘플링(sampling rate)성능을 동시에 제공하기 때문에 기존 CD 음질 이상의 고 음질 입체음향의 녹음을 실시간으로 구현할 수 있다.
지금까지의 구현 기술은 하드웨어로 구성된 음향장비를 이용한 삼차원 음향 녹음의 실시간 기법을 설명하였다. 이러한 하드웨어 장치를 이용한 구현 기법을 디지털신호 처리 소프트웨어로 또한 구현할 수 있다. 즉, 기존의 상용화되어 있는 신호처리 소프트웨어로 작성된 디지털 이퀄라이저 모사 장치와 디지털 시간 지연기의 모사 장치를 사용하여 앞서 제시된 하드웨어 장치의 설정방법과 동일하게 삼차원 공간 음상 정위를 또한 구현할 수 있다. 따라서, 신호처리용 소프트웨어를 이용하여 본 발명에서 제시한 양귀 인지량적 음압레벨 차이에 따라 대역별 이퀄라이저의 기능 수행과 좌우 채널간의 시간 지연을 수행하여 삼차원 공간에 음상을 정위하는 기법들은 본 발명의 내용에 포함된다.
다음은 위에서 개시된 기술을 이용한 본 발명의 삼차원 녹음 장치에 대하여 설명한다. 제8도는 기존의 믹싱 콘솔의 개요도이고 제 9, 10, 11, 12도는 본 발명의 3차원 녹음 방법 및 장치의 제1실시예 내지 제4실시예의 개요도이다.
본 발명의 3차원 녹음 장치는 마이크로폰, 신디사이저 또는 샘플러에서의 출력신호를 받아들이는 입력단, 상기 입력단에서 출력되는 신호의 크기를 최적으로 조절하는 입력신호 조절단, 양 귀의 인지량적 음압레벨의 차이와 양 귀 음압 도달시간의 차이를 이용한 신호처리단, 음량 조절단으로 구성되며, 음색 편집단 또는 효과기기 추가단이 추가될 수 있다.
현재의 녹음은 입력단, 출력 단을 제외한 거의 모든 부분들이 디지털화 되어 있으며 컴퓨터를 이용하여 자동화 되어있다. 본 발명의 특징은 디지털화된 기존의 녹음장비를 교체할 필요 없이 기존의 일차원 선상에서의 녹음을 3차원 입체 공간으로 확장 녹음할 수 있다.
입력단은 마이크로폰, 신디사이저, 샘플러 등에서의 출력신호를 받아들이며, 모든 신호는 모노이며 이펙트가 빠진 드라이 신호여야 한다. 현재의 대부분의 녹음은 녹음 부스에서 행해지기 때문에 마이크를 이용한 녹음은 드라이 신호이며 라인을 이용한 입력 시에는 기계 자체에서 드라이 신호를 만들면 된다.
입력신호 조절단은 과부하 혹은 포화 입력을 방지하기 위해 입력 신호의 크기를 최적으로 조절한다.
음색 편집단은 입력 신호의 음색을 임의로 변경하고자 할 때 사용되며, 원 신호를 그대로 사용하고자 할 시에는 제9도에서처럼 바이패스 시키면 된다.
양귀의 인지량적 음압레벨 차이와 양귀 음압 도달시간 차이를 이용한 신호처리 단은 청취자와 음원의 상대적 공간 인자를 입력함으로써 원하는 삼차원 공간상에 음상 정위를 수행하는 음향처리작업 수행되는 단이다.
효과기기 추가 단은 기존의 디지털 전용 특수 효과기를 사용하여 기계적인 특수효과를 추가할 수 있도록 하였으며, 자연스러운 공간 음을 재생하고자 할 시에는 효과 기기를 바이패스(제9도, 제10도)시키면 된다.
음량 조절단은 미세한 음량조절이 가능하도록 하였으며 멀티 채널 녹음 시 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명의 삼차원 공간 음향 믹싱 콘솔 기술은 국내외에서 아직까지 제품화되지 않은 새로운 기술이다. 이러한 기술은 기존의 음향 믹싱 콘솔을 직접 이용하여 삼차원의 공간 음향을 전문 음향기사들이 직접 제작할 수 있을 뿐 아니라, 이들 장비들이 수행하는 신호처리과정을 현재 상품화된 전문 음향 기사용 소프트웨어로도 수행이 가능하다. 특히, 본 발명은 하나의 음원에 대한 공간 정보(거리, 방위각, 그리고 고도) 뿐 아니라 다수의 음원들 또한 공간에 정위시킬 수 있다. 그리고, 청음자의 위치 기준 좌표계에 대하여 복합 음원들의 상대적 위치 좌표계로 음상을 정위하는 기법을 사용하기 때문에, 청음자의 공간 이동에 의한 복합 음원의 공간적 청음 특성 재현뿐 아니라 다수 음원들의 개별적 공간 이동에 대한 청음자의 공간 청음 특성 또한 실현할 수 있다. 이러한 공간 음상 정위 기술은 기존의 스테레오 녹음용 장비(그래픽 이퀄라이저, 시간 지연기)들과 개인용 컴퓨터의 단순 조합으로 삼차원의 고 품질 음향 녹음을 구현할 수 있는 장점을 제공한다. 따라서, 본 발명에서 제안하는 기술들은 기존의 녹음 기기를 사용하는 분야(음반, TV 및 라디오 방송, 오락)에 직접 적용될 수 있는 새로운 삼차원 음향 기록 기술로 전문 녹음 기사들의 창의성 향상과 더불어 아직 들어보지 못한 고품위 음의 창조에도 크게 기여할 수 있다.
Claims (6)
- 기준점의 좌우측 머리전달함수에 대하여 임의 공간에서 측정된 좌우측 머리전달함수 HL및 HR의 상대적 양 IL및 IR을 다음 식 1 및 식 2에 따라 환산하고;식 1:식 2:임의 밴드폭 내의 머리전달함수의 유효 진폭 LL(fc) 및 LR(fc)를 다음 식 3 및 식 4에 따라 환산하고;식 3:식 4:주파수 대역별 양 귀 인지량적 음압레벨 차이 dBL및 dBR을 다음 식 5 및 식 6에 의해 구하고; 그리고,식 5:식 6:양 귀의 음압 도달 시간 τL과 τR의 상대적 차이τR,L을 다음 식 7, 식 8 및 식 9에 의해 구하는 단계;식 7:식 8:식 9:로 구성되는 것을 특징으로 하는 공간 음상 정위를 위한 특성치의 환산 방법.
- 양 귀의 음압레벨과 도달시간의 차이를 제1항의 공간 음상 정위를 위한 특성치의 환산 방법에 의해 계산하여 데이터베이스를 구축하고;음원과 청취자 사이의 상대적 삼차원 좌표값을 입력하고;상기 좌표값으로부터 양 귀의 음압레벨과 도달시간의 차이를 상기 데이터베이스로부터 호출하고;호출된 인지량적 음압레벨의 차이로부터 좌우측 음향 채널의 대역별 이퀼라이저의 설정값을 결정한 다음 좌우 채널의 이퀼라이저 이득율을 조절하고;설정된 좌우 이퀼라이저를 이용하여 입력된 원음에 대하여 공간 음상 정위에 필요한 양 귀 음압레벨 차이를 코딩한 이퀼라이저 출력신호를 얻고; 그리고,호출된 양 귀의 도달 시간차이의 설정값으로부터 좌우측 채널 중 음압 도달 시간이 늦은 채널에 상대적 지연시간을 설정하는 단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 공간 음상 정위의 특성치를 이용한 삼차원음향 녹음 방법.
- 제2항에서, 상대적 지연시간의 설정은 디지털 시간 지연장치를 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 공간 음상 정위의 특성치를 이용한 삼차원 음향 녹음 방법.
- 마이크로폰, 신디사이저 또는 샘플러에서의 출력신호를 받아들이는 입력단;상기 입력단에서 출력되는 신호의 크기를 최적으로 조절하는 입력신호 조절단;양 귀의 인지량적 음압레벨의 차이와 양 귀 음압 도달시간의 차이를 이용한 신호처리단; 및,음량 조절단;으로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 음향 녹음 장치.
- 제4항에서, 입력신호 조절단과 신호처리단 사이에 음색 편집단을 더 추가하는 것을 특징으로 하는 3차원 음향 녹음 장치.
- 제4항 또는 제5항에서, 상기 신호처리단과 상기 음량 조절단의 사이에 효과기기 추가단을 더 설치하는 것을 특징으로 하는 3차원 음향 녹음 장치.
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