KR101406531B1 - 스테레오 오디오 신호로부터 바이노럴 비트를 발생시키는 장치 및 방법 - Google Patents

스테레오 오디오 신호로부터 바이노럴 비트를 발생시키는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 뇌파 유도를 위한 바이노럴 비트를 발생시키는 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 스테레오 오디오 신호로부터 뇌파 유도를 위한 바이노럴 비트를 발생시키는 방법에 있어서, 스테레오 오디오 신호가 입력되면 상기 스테레오 오디오 신호의 양쪽 채널에 공통적으로 존재하는 공통 성분을 추출하고, 상기 추출된 공통 성분을 제외한 나머지 스테레오 성분을 각각 출력하는 과정; 상기 추출된 공통 성분의 주파수를 쉬프트시켜 상기 바이노럴 비트가 포함된 공통 성분을 발생시키는 과정; 및 상기 출력된 바이노럴 비트가 포함된 공통 성분과 상기 나머지 스테레오 성분을 각각 결합하여 출력하는 과정을 포함하는 스테레오 오디오 신호로부터 바이노럴 비트를 발생시키는 방법 및 이를 수행하는 스테레오 오디오 신호로부터 바이노럴 비트를 발생시키는 장치를 제공한다.
스테레오 신호, Binaural Beat , Monaural Beat, Frequency Shift

Description

스테레오 오디오 신호로부터 바이노럴 비트를 발생시키는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING A BINAURAL BEAT FROM A STEREO AUDIO SIGNAL}
본 발명은 뇌파 유도를 위한 바이노럴 비트를 발생시키는 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 스테레오 신호로부터 뇌파 유도를 위한 바이노럴 비트를 발생시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.
삭제
일반적으로 뇌파 유도기는 일정한 주파수 차이의 정현파를 양 귀에 들려주는 것과 동시에 사용자의 두 눈에 상기와 같은 주파수 차이를 갖는 빛을 발생시켜 원하는 주파수의 뇌파가 발생하도록 유도하는 장치를 말한다. 그리고 이러한 뇌파 유도기는 상용화되어 폭넓게 이용되고 있다.
뇌를 연구하는 신경과학(neuro-science)의 한 분야로 자리잡은 신경전류에 의한 뇌파연구에 의하면, 외부자극이 뇌에 영향을 미치면 뇌파의 전위가 가능하다고 한다. 예를 들어, 베타단계에 있는 사람에게 10Hz의 파를 자극시키면 긴장이 풀리는 안정된 상태에 빠지게 되며, 이러한 외부 자극의 수단으로 가장 쉽게 접근할 수 있는 방법은 청각을 통한 방법이며, 바이노럴 비트(binaural beat)라는 기법이 이용된다.
바이노럴 비트란, 인간이 낮은 주파수를 인지할 수 없기 때문에 뇌에 영향을 주는 외부파를 형성하기 위해, 입력 오디호 신호를 인간이 청음할 수 있는 가청 주파수(20~20,000Hz) 대역의 음으로 변조하고, 뇌에 영향을 주도록 효과적으로 조합한 음을 말한다. 즉, 알파단계에 속하는 11Hz는 사람이 들을 수 없는 비가청 주파수 대역으로 스테레오 사운드를 이용하여 왼쪽 귀에는 가청 주파수 대역인 300Hz를, 오른쪽 귀에는 311Hz의 사운드를 공급하여 11Hz의 주파수 차이를 주게되며, 이때 두 소리는 뇌에서 조합되어 11Hz의 차이를 받아들이게 되고 뇌파 유도 자극이 된다.
300Hz - 311Hz
왼쪽 귀 : 300Hz, 오른쪽 귀 : 311Hz
뇌는 300Hz - 311Hz = 11Hz 인식
사람의 뇌파는 머리표면에서 발생하는 전기적 신호인데, 이것의 근원은 흥분뉴런의 세포막을 통해 지나가는 이온들에 의해 발생되는 전류이다. 상기 뇌파는 예를 들어 EEG(Electro Encephalo Graphy)라는 장비를 이용하여 사람의 머리표면에 부착된 (+, -)전극을 통해 측정되는데, 상기 (+, -)전극으로부터 검출된 전압이 대략 10만배로 전압증폭이 되어야 상기 뇌파가 측정되어 두뇌의 상태를 간접적으로 파악할 수 있게 된다. 상기 측정된 뇌파는 주파수 범위에 따라, 각기 다른 사람의 심리 상태를 나타내는데, 각 주파수 범위에 따른 뇌파 및 심리상태는 하기의 <표 1>과 같다.
주파수 범위 뇌파 상태
> 40 Hz 감마파
13 ~ 40 Hz 베타파 긴장
7~13 Hz 알파파 이완
4 ~ 7 Hz 쎄타파 수면, 명상
< 4 Hz 델타파 매우 깊은 수면
상기 <표 1>에서 알 수 있듯이, 뇌의 주파수 즉, 뇌파는 시시각각으로 변하는 사람의 심리상태를 나타내는데, 강제적인 뇌파유도로 상기 뇌파를 변환시키면 사람의 심리상태가 변한다는 사실이 발견되었다. 이에 인위적으로 사람의 심리상태를 유도하기 위해 상기 뇌파유도기가 고안되었다.
뇌파를 유도하는 상술한 방법은 다양한 상용제품에 사용되고 있는데, 이러한 방법에서 이용하는 정현파는 귀에 거슬리는 경우가 많기 때문에 대부분의 제품에서는 기준 주파수를 변경하기도 하고, 또 다른 방법으로 상기 정현파에 매우 작은 잡음을 더해서 사용자가 좀더 편안하게 들을 수 있게 하는 것도 있다.
하지만, 상기와 같이 기준 주파수를 변경하거나, 작은 잡음을 더하는 방법은 사용자가 귀에 거슬리는 소리를 장시간 참고 들어야 한다. 이는 일정 시간 이상 서로 다른 주파수를 가지는 두 개의 정현파 소리를 들어야만, 바이노럴 비트 효과가 지속되어 뇌파가 유도되기 때문이다.
한편 인터넷 강의 업체들은 학습 중에 집중력을 향상시키기 위해 바이노럴 비트 효과를 이용하고 있으며, 이를 위해 제공중인 컨텐츠에 단순히 정현파를 더해서 재생시킴으로써 뇌파를 유도하고 있다. 하지만 이러한 서비스를 사용하는 경우에도 귀에 거슬리는 정현파를 장시간 들어야 하기 때문에 상기 컨텐츠의 음량을 조절함과 동시에 정현파의 음량을 조절해야 하는 불편함이 존재한다.
최근에는 일반 음성 신호를 이용한 바이노럴 비트 발생 방법에 대한 연구가 진행 중인데, 해당 연구에서는 주파수 쉬프트 블록을 이용하여 L(Left), R(Right) 채널의 정보를 생성해 낸다. 이와 같이 모노 음성 신호를 이용하면 정현파를 사용하지 않고도 자연스러운 바이노럴 비트를 생성할 수 있다.
하지만 일반 음성 신호는 많은 부분이 묵음으로 이루어져 있다. 따라서 실제 음성이 아닌 묵음구간을 이용하여 바이노럴 비트를 발생할 경우, 상기 바이노럴 비트 효과는 음성이 있는 구간에서만 발생하고 묵음구간에서는 발생하지 않기때문에 단절감을 느낄 뿐 아니라, 일정시간 바이노럴 비트 효과에 노출되지 않기 때문에 뇌파유도 효과 역시 감소하는 문제점이 있다. 따라서 최근에 음성검출기를 이용하여 이러한 단절감 문제를 해결한 뇌파유도기를 제안하였다.
또한, 상기한 뇌파 유도 방법을 스테레오 오디오 신호에 적용할 수도 있는데, 이것을 도 1과 도2를 참조하여 설명한다. 도 1은 종래 기술에 따른 뇌파 유도 장치의 내부 블록 구성도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 뇌파 유도 장치에서 서로 다른 주파수를 가지는 두 개의 정현파를 생성하는 도면을 나타낸 것이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 모노신호 생성기(101)에서 입력된 스테레오 오디오 신호를 믹싱하여 모노신호를 생성한 후, 기준 주파수(200)는 주파수 쉬프트기(103)에서 가로축 주파수 방향의 일정한 간격으로 이동되어져 쉬프트된 주파수(210)가 생성되어 출력된다.
하지만 상기와 같은 단순한 주파수 쉬프트 방식의 경우 스테레오 오디오 신호를 모노신호로 믹싱하는 과정에서 음악 감상을 위해 반드시 필요한 스테레오 감이 완전히 사라지는 문제가 발생하게 된다. 또한, 이 경우 스테레오 양쪽에 공통적으로 존재하는 신호인 보컬 신호는 강조되지만 두 채널에 다른 위상과 크기로 입력되는 반주 부분은 상대적으로 작아지기 때문에 음질의 열화가 매우 심하게 나타나기 때문에 상기 도 1 및 도 2에서 제안하는 종래 뇌파 유도 방법은 스테레오 오디오 신호에 직접 적용할 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 스테레오 오디오 신호로부터 바이노럴 비트를 발생시키는 장치 및 방법을 제공한다.
삭제
또한 본 발명은 스테레오 오디오 신호로부터 바이노럴 비트를 발생시키면서 상기 스테레오 오디오 신호의 왜곡을 방지할 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스테레오 오디오 신호로부터 바이노럴 비트를 발생시키는 장치에 있어서, 스테레오 오디오 신호가 입력되면 스테레오 오디오 신호의 양쪽 채널에 공통적으로 존재하는 공통 성분을 추출하고, 상기 추출된 공통 성분을 제외한 나머지 스테레오 성분을 각각 출력하는 역상관기; 상기 추출된 공통 성분의 주파수를 쉬프트시켜 상기 바이노럴 비트가 포함된 공통 성분을 발생시키는 주파수 쉬프트기; 및 상기 출력된 바이노럴 비트가 포함된 공통 성분과 상기 나머지 스테레오 성분을 각각 결합하여 출력하는 제1 및 제2 믹서를 포함한다.
또한, 상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스테레오 오디오 신호로부터 바이노럴 비트를 발생시키는 방법에 있어서, 스테레오 오디오 신호가 입력되면 스테레오 오디오 신호의 양쪽 채널에 공통적으로 존재하는 공통 성분을 추출하고, 상기 추출된 공통 성분을 제외한 나머지 스테레오 성분을 각각 출력하는 과정; 상기 추출된 공통 성분의 주파수를 쉬프트시켜 바이노럴 비트가 포함된 공통 성분을 발생시키는 과정; 및 상기 출력된 바이노럴 비트가 포함된 공통 성분과 상기 나머지 스테레오 성분을 각각 결합하는 출력하는 과정을 포함한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 스테레오 오디오 신호로부터 바이노럴 비트를 발생시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 스테레오 오디오 신호로부터 바이노럴 비트를 발생시킴으로써 뇌파를 원하는 상태로 유도할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 스테레오 오디오 신호로부터 바이노럴 비트를 발생시키면서 스테레오 오디오 신호의 왜곡을 방지하여 사용자에게 음질 열화가 없는 오디오 신호를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설 명한다. 또한, 하기 설명에서는 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 상세한 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 스테레오 오디오 신호로부터 바이노럴 비트를 발생시키는 장치의 내부 블록 구성도이다. 상기 바이노럴 비트를 발생시키는 장치는 본 발명에 따라 역상관기(301), 주파수 쉬프트기(303), 비트 검출기(305), 제1가변기(307L), 제2가변기(307R), 제1믹서(309L), 제2믹서(309R)를 포함한다. 상기 도면에서 생략된 구성부들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사항이므로 특별히 언급하지 않더라도 본 문서의 전반을 걸쳐 기재된 내용으로부터 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.
상기 역상관기(301)는 스테레오 오디오 신호가 입력되면 스테레오 오디오 신호의 양쪽 채널(L 채널, R 채널)에 공통적으로 존재하는 공통 성분을 추출하고, 상기 공통 성분을 제외한 나머지 스테레오 성분(L' R')을 각각 출력한다.
상기 주파수 쉬프트기(203)는 상기 추출된 공통성분의 주파수를 쉬프트시켜 바이노럴 비트 효과를 발생시킨다.
상기 비트검출기(205)는 상기 입력되는 스테레오 오디오 신호의 모노럴 비트의 빠르기를 검출한다.
상기 제1가변기(307L) 및 제2가변기(307R)는 상기 비트 검출기(305)를 통해 검출된 모노럴 비트의 빠르기에 따라 상기 바이노럴 비트 효과를 갖는 공통 성분 즉, 상기 바이노럴 비트가 포함된 공통 성분의 세기를 각각 조절하여 출력한다.
삭제
상기 제1믹서(309L) 및 제2믹서(309R)는 상기 제1가변기(307L) 및 제2가변기(307R)에서 각각 출력된 공통 성분과 상기 역상관기(301)에서 생성된 각각의 나머지 스테레오 성분(L' ,R')을 각각 결합하여 출력한다.
이하에서 도 4와 도 5를 참조하여 스테레오 오디오 신호를 이용하여 뇌파를 유도하는 과정을 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스테레오 오디오 신호를 이용하여 뇌파를 유도하기 위한 제어 흐름도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가변기의 특성을 나타낸 그래프이다.
401단계에서 스테레오 오디오 신호가 입력되면, 역상관기(301)는 403단계에서 스테레오 양쪽 채널에 공통적으로 존재하는 공통성분을 추출하고, 상기 공통성분을 제외한 나머지 스테레오 성분을 각각 생성한다.
L = C + L'
R = C + R'
상기 <수학식 1>에서 L, R은 입력되는 스테레오 성분을 의미하고, C는 상기 L, R의 공통성분을 의미하며, L'와 R'는 상기 입력되는 스테레오에서 상기 공통성분을 제외한 나머지 스테레오 성분을 의미한다.
405단계에서 상기 역상관기(301)로부터 추출된 공통 성분의 주파수를 주파수 쉬프트기(303)가 쉬프트시켜 바이노럴 비트를 포함하는 공통 성분을 발생시킨다. 이때, 상기 공통 성분에서 바이노럴 비트의 세기는 상기 입력되는 스테레오 오디오 신호의 모노럴 비트의 빠르기에 따라 그 세기가 다르게 느껴진다. 예를 들어, 빠른 비트의 스테레오 오디오 신호에 대해 주파수 쉬프트를 수행할 경우, 바이노럴 비트 효과가 잘 나타나지 않는다. 따라서 이러한 경우에는 상기 주파수 쉬프트를 수행한 공통 성분의 저주파 대역의 신호를 강조하여 바이노럴 비트 효과를 잘 나타내면서 출력되는 오디오 신호의 왜곡을 방지 할 수 있다.
따라서, 407단계에서 비트검출기(305)가 상기 입력되는 스테레오 오디오 신호의 모노럴 비트의 빠르기를 검출하고, 409단계에서 제1가변기(307L) 및 제2가변기(307R)가 상기 비트검출기(305)로부터 검출된 모노럴 비트의 빠르기에 따라 하기의 <수학식 2>를 이용하여 상기 바이노럴 비트가 포함된 공통 성분의 세기를 조절하여 상기 바이노럴 비트의 세기를 조절한다.
H(z) = 1 + αz-1
상기 <수학식 2>에서 α는 상기 모노럴 비트의 빠르기에 대응하는 변수를 의미하며, z는 주파수(frequency)를 의미한다. 이때 상기 α는 상기 모노럴 비트가 빨라질수록 큰 값을 가지게 된다. 도 5의 결과에 따르면, α값이 0.75(510)인 경우에는 α값이 0(500)인 경우보다 저주파 영역은 5dB정도 증가하고 고주파 영역은 8dB정도 감소한다. 따라서, 도시되지 않은 변수제어기를 사용하여 모노럴 비트의 빠르기에 따라 상기 바이노럴 비트가 포함된 공통성분의 세기를 조절하여 바이노럴 비트의 세기를 조절할 수 있다.
411단계에서 제1믹서(309L) 및 제2믹서(309R)가 상기 조절된 공통성분과 상기 403단계에서 생성한 각각의 나머지 스테레오 성분을 각각 결합하여 출력한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 입력되는 스테레오 오디오 신호를 이용하여 스테레오 양쪽 채널에 공통적으로 존재하는 공통 성분과 이를 제외한 나머지 스테레오 성분을 각각 구분하여 처리하고, 상기 공통 성분의 주파수를 쉬프트한 후, 이때 발생하는 바이노럴 비트가 포함된 공통 성분의 세기를 상기 입력되는 스테레오 오디오 신호의 모노럴 비트의 빠르기에 따라 조절하고, 상기 세기가 조절된 공통 성분과 상기 각각의 나머지 스테레오 성분을 각각 결합함으로써 스트레오 감을 그대로 유지하면서도 원하는 뇌파를 유도하기 위한 바이노럴 비트를 발생시키는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 뇌파 유도 장치의 내부 블록 구성도,
도 2는 일반적인 뇌파 유도 장치에서 서로 다른 주파수를 가지는 두 개의 정현파를 생성하는 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 스테레오 오디오 신호로부터 바이노럴 비트를 발생시키는 장치의 내부 블록 구성도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스테레오 오디오 신호를 이용하여 뇌파를 유도하기 위한 제어 흐름도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가변기의 특성을 나타낸 그래프.

Claims (8)

  1. 스테레오 오디오 신호로부터 바이노럴 비트(binaural beat)를 발생시키는 장치에 있어서,
    상기 스테레오 오디오 신호가 입력되면, 상기 스테레오 오디오 신호의 양쪽 채널에 공통적으로 존재하는 공통 성분을 추출하고, 상기 추출된 공통 성분을 제외한 나머지 스테레오 성분을 각각 출력하는 역상관기;
    상기 추출된 공통 성분의 주파수를 쉬프트시켜 상기 바이노럴 비트가 포함된 공통 성분을 발생시키는 주파수 쉬프트기; 및
    상기 바이노럴 비트가 포함된 공통 성분과 상기 나머지 스테레오 성분을 각각 결합하여 출력하는 제1 및 제2 믹서를 포함하는 바이노럴 비트를 발생시키는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스테레오 오디오 신호의 모노럴 비트(monaural beat)의 빠르기를 검출하는 비트 검출기; 및
    상기 검출된 모노럴 비트의 빠르기에 따라 상기 바이노럴 비트가 포함된 공통 성분의 세기를 상기 스테레오 오디오 신호의 양쪽 채널에서 각각 조절하여 출력하는 제1 및 제2 가변기를 더 포함함을 특징으로 하는 바이노럴 비트를 발생시키는 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 가변기 각각은, 상기 모노럴 비트의 빠르기에 따라 하기 수학식 3의 가중치 α를 변경함으로써 상기 바이노럴 비트가 포함된 공통 성분의 세기를 조절함을 특징으로 하는 바이노럴 비트를 발생시키는 장치.
    H(z) = 1 + αz-1
    여기서, α는 상기 모노럴 비트의 빠르기에 대응하는 변수를 의미하고, z는 주파수(frequency)를 의미함.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 가변기 각각은, 상기 모노럴 비트의 빠르기에 비례하여 상기 α의 값을 증가시킴을 특징으로 하는 바이노럴 비트를 발생시키는 장치.
  5. 스테레오 오디오 신호로부터 바이노럴 비트(binaural beat)를 발생시키는 방법에 있어서,
    상기 스테레오 오디오 신호가 입력되면, 상기 스테레오 오디오 신호의 양쪽 채널에 공통적으로 존재하는 공통 성분을 추출하고, 상기 추출된 공통 성분을 제외한 나머지 스테레오 성분을 각각 출력하는 과정;
    상기 추출된 공통 성분의 주파수를 쉬프트시켜 상기 바이노럴 비트가 포함된 공통 성분을 발생시키는 과정; 및
    상기 바이노럴 비트가 포함된 공통 성분과 상기 나머지 스테레오 성분을 각각 결합하여 출력하는 과정을 포함하는 바이노럴 비트를 발생시키는 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 바이노럴 비트가 포함된 공통 성분을 발생시키는 과정은,
    상기 입력되는 스테레오 오디오 신호의 모노럴 비트(monaural beat)의 빠르기를 검출하는 과정; 및
    상기 검출된 모노럴 비트의 빠르기에 따라 상기 바이노럴 비트가 포함된 공통 성분의 세기를 상기 스테레오 오디오 신호의 양쪽 채널에서 각각 조절하여 출력하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 바이노럴 비트를 발생시키는 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 바이노럴 비트가 포함된 공통 성분의 세기를 조절하는 과정은,
    상기 모노럴 비트의 빠르기에 따라 하기 수학식 4의 가중치 α를 변경함으로써 상기 바이노럴 비트가 포함된 공통 성분의 세기를 각각 조절하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 바이노럴 비트를 발생시키는 방법.
    H(z) = 1 + αz-1
    여기서, α는 모노럴 비트의 빠르기에 대응하는 변수를 의미하고, z는 주파수(frequency)를 의미함.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 α의 값은 상기 모노럴 비트의 빠르기에 비례하여 증가됨을 특징으로 하는 바이노럴 비트를 발생시키는 방법.
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