KR20160113224A - 오디오 신호를 압축하는 오디오 압축 시스템 - Google Patents

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페터 그로셰
위에 랑
칭 장
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Abstract

본 발명은, 입력 오디오 신호를 압축하는 오디오 압축 시스템(100)에 관련된다. 오디오 압축 시스템(100)은 입력 오디오 신호를 필터링 하는 디지털 필터(101)를 포함한다. 디지털 필터(101)는 주파수에 따른 크기를 가진 주파수 전달 함수를 포함하고, 주파수에 따른 크기는, 필터링된 오디오 신호를 획득하기 위해, 인간 청력의 등음량 곡선에 의해 형성된다. 압축기는 필터링된 오디오 신호를 기반으로 입력 오디오 신호를 압축하여 압축된 오디오 신호를 획득하도록 구성된다.

Description

오디오 신호를 압축하는 오디오 압축 시스템{AN AUDIO COMPRESSION SYSTEM FOR COMPRESSING AN AUDIO SIGNAL}
본 발명은 오디오 신호 처리분야에 관한 발명이다.
오디오 신호의 다이나믹 레인지(dynamic range)의 감소는 음향 녹음(sound recording), 음향 재생(sound reproduction) 및 방송 분야에서 중요한 주제이다. 다이나믹 레인지의 감소는, 오디오 장지가 사용한 물리적 기능에서 오디오 신호의 특성 조정에 대해 상대적일 수 있다.
오디오 신호의 다이나믹 레인지의 감소를 위해 압축기가 사용될 수 있다. 압축기의 압축 특성은 오디오 신호의 인지된 음질에 지대한 영향을 미치는 복수의 압축 파라미터로 조정될 수 있다.
이러한 파라미터의 조정은, 인간 음향 인지의 복잡성으로 인해 어려울 수 있고, 오디오 신호의 속성에 크게 영향 받는다.
G. W. McNally의 "Dynamic Range Control of Digital audio signals", Journal of the Audio Engineering Society(vol. 32, pp. 316-327, 1984)에 압축기를 사용한 다이나믹 레인지가 설명되어 있다.
본 발명의 목적은, 압축된 오디오 신호의 인지된 고음질이 가능한, 효과적으로 입력 오디오 신호를 압축하는 오디오 압축 시스템을 제공하기 위함이다.
이러한 목적은 독립항의 특징으로 달성된다. 추가로, 구현 형태는 종속항, 발명의 설명 및 도면으로부터 자명하다.
본 발명은, 디지털 필터에 의해 오디오 신호가 필터링 될 수 있는 것을 찾는 것에 기초하고, 주파수에 대한 디지털 필터의 주파수 전달 함수의 크기는 인간 청력의 등음량 곡선에 의해 형성될 수 있다. 디지털 필터에 의해 입력 오디오 신호를 필터링 하여, 인간 청력의 낮은 음량 민감도를 가진 입력 오디오 신호의 부분은 증폭되고, 인간 청력의 높은 음량 민감도를 가진 입력 오디오 신호의 부분은 약화될 수 있다. 다시 말하면, 인간의 소리 인식 특성은 본 발명에 따른 오디오 신호 처리에 대해 고려된다. 압축기는 필터링된 오디오 신호를 기반으로 입력 오디오 신호를 연속적으로 압축하여 압축된 오디오 신호를 획득할 수 있다. 따라서, 압축은 인간 청력의 낮은 음량 민감도를 가진 입력 오디오 신호의 부분에 집중할 수 있고, 따라서, 압축된 오디오 신호의 인지된 음질이 향상된다.
제1 측면에 따르면, 본 발명은 입력 오디오 신호를 압축하기 위한 오디오 압축 시스템에 관련되고, 이러한 오디오 압축 시스템은, 주파수에 따른 크기(magnitude over frequency)를 가진 주파수 전달 함수를 포함하고, 상기 입력 오디오 신호를 필터링하여 필터링된 오디오 신호를 획득하도록 구성된 디지털 필터; 및 상기 필터링된 오디오 신호를 기반으로 상기 입력 오디오 신호를 압축하여 압축된 오디오 신호를 획득하도록 구성된 압축기를 포함하고, 상기 크기는 인간 청력의 등음량 곡선(equal loudness curve)에 의해 형성된다. 따라서, 압축된 오디오 신호의 인지된 높은 음질이 달성된다.
입력 오디오 신호는 샘플링 및/또는 양자화된 오디오 신호 일수 있다. 입력 오디오 신호는 모노 오디오 신호, 스테레오 오디오 신호 또는 다채널 오디오 신호 일수 있다.
디지털 필터는, FIR(finite impulse response) 필터 또는 IIR(infinite impulse response) 필터로 구현될 수 있다. 디지털 필터의 필터링 특성은 주파수 전달 함수를 사용하여 주파수 영역에서 결정될 수 있다.
인간 청력의 등음량 곡선은 퓨어톤 및/또는 스테디 톤을 사용하여 인간이 일정한 음량을 인지하는 주파수에 대한 음압 곡선이다. 인간 청력의 등음량 곡선은 ISO 226:2003에 따른 등음량 곡선일 수 있다.
필터링된 오디오 신호는 샘플링 및/또는 양자화된 오디오 신호일 수 있다. 필터링된 오디오 신호는 모노 오디오 신호, 스테레오 오디오 신호, 또는 다채널 오디오 신호를 포함할 수 있다.
압축기는 디지털 압축기 일 수 있다. 압축기는 입력 오디오 신호와 필터링된 오디오 신호를 결합하여 압축된 오디오 신호를 획득하도록 구성된다.
압축된 오디오 신호는 샘플링 및/또는 양자화된 오디오 신호 일수 있다. 압축된 오디오 신호는 모노 오디오 신호, 스테레오 오디오 신호 또는 다채널 오디오 신호를 포함할 수 있다.
제1 측면에 따른 오디오 압축 시스템의 제1 구현 형태에서, 디지털 필터는, 시간 영역에서 시간 영역 입력 오디오 신호를 시간 영역 필터링하여 필터링된 오디오 신호를 제공하는 시간 영역 필터이다. 따라서 입력 오디오 신호 필터링의 낮은 지연이 달성된다.
시간 영역 입력 오디오 신호는, 시간 영역 필터에 의해 필터링될 수 있는 샘플의 시퀀스를 획득하고, 필터링된 오디오 신호의 샘플의 시퀀스를 획득하기 위해 샘플링될 수 있다. 시간 영역 필터는 예를 들어, 디렉트 형식 구조(direct form structure) 또는 래티스 구조(lattice structure)를 사용하여 구현될 수 있다.
제1 측면 또는 전술한 제1 측면의 구현 형태 중 어느 하나에 따른 오디오 압축 시스템의 제2 구현 형태에서, 주파수 전달 함수는, 미리 결정된 주파수보다 높거나 또는 그보다 낮은 때에는 일정한 크기를 갖는다. 따라서 주파수 전달 함수의 진폭의 전체 범위가 제한될 수 있다.
주파수 전달 함수가, 미리 결정된 주파수보다 낮은 일정한 크기이면, 미리 결정된 주파수는 예를 들어, 10Hz일 수 있다. 주파수 전달 함수가 미리 결정된 주파수 높은 경우, 미리 결정된 주파수는 7kHz일 수 있다.
주파수 전달 함수의 진폭은 주파수에 따라 정규화될 수 있다.
주파수에 따른 주파수 전달 함수의 진폭의 평균값은 1의 값을 가질 수 있다.
제1 측면 또는 전술한 제1 측면의 구현 형태에 따른 오디오 압축 시스템의 제3 구현 형태에서, 주파수 전달 함수의 위상은, 주파수에 따라 선형으로 증가하거나 감소한다. 따라서 디지털 필터의 일정한 그룹 지연이 달성된다.
제1 측면 또는 전술한 제1 측면의 구현 형태에 따르면, 오디오 압축 시스템의 제4 구현 형태에서, 주파수 전달 함수의 위상은, 주파수에 따라 일정한, 구체적으로는 0이다. 따라서 디지털 필터가 효과적으로 구현될 수 있다.
제1 측면 또는 전술한 제1 측면의 구현 형태에 따른 오디오 압축 시스템의 제5 구현 형태에서, 상기 주파수 전달 함수는 필터 계수에 의해 결정되고, 상기 디지털 필터는, 적어도 하나의 등음량 곡선을 기반으로 상기 필터 계수를 결정하도록 구성된 결정 유닛; 및 상기 결정된 필터 계수를 기반으로 상기 오디오 신호를 필터링 하도록 구성된 필터링 유닛을 포함한다. 따라서 디지털 필터의 필터링 특성의 조정이 달성될 수 있다.
상기 결정유닛은, 디지털 필터 설계 기술, 예를 들어, Parks-McClellan 알고리즘을 사용하여 적어도 하나의 등음량 곡선을 기반으로 하여 필터 계수를 결정하도록 구성될 수 있다. 필터 계수는 실수, 예를 들어, 2.5 또는 7.8이거나 복소수 예를 들어 1+j 또는 4-3j일 수 있다. 필터 계수는 필터 탭(filter tap)을 구성할 수 있다.
필터링 유닛은 FIR(finite impulse response ) 또는 IIR(infinite impulse response)필터를 포함할 수 있다.
제1 측면의 제5 구현 형태에 따른 오디오 압축 시스템의 제6 구현 형태에서, 상기 결정 유닛은, 상기 필터 계수를 결정하기 위해, 상이한 등음량 곡선과 관련된 필터 계수의 세트로부터 상기 등음량 곡선과 관련된 필터 계수를 선택하도록 구성된다. 따라서 디지털 필터는 상이한 등음량 곡선을 사용할 수 있다.
제1 측면의 제6 구현 형태에 따른 오디오 압축 시스템의 제7 구현 형태에서, 상기 상이한 등음량 곡선은, 상기 오디오 신호의 상이한 음량 레벨과 관련되고, 상기 결정 유닛은 추가로, 상기 오디오 신호의 음량 레벨을 결정하고, 상기 결정된 음량 레벨을 기반으로, 상기 등음량 곡선과 관련된 필터 계수를 선택하도록 구성된다. 따라서, 디지털 필터의 주파수 전달 함수는 오디오 신호의 음량 레벨에 따라 조정될 수 있다.
오디오 신호의 음량 레벨은, 미리 결정된 시간 간격 내의 오디오 신호의 평균 에너지와 관련될 수 있다. 미리 결정된 시간 간격은 30ms 또는 100ms 일 수 있다.
제1 측면 또는 전술한 제1 측면의 구현 형태에 따른, 제1 측면에 따른 오디오 압축 시스템의 제8 구현 형태에서, 압축기는, 상기 필터링된 오디오 신호를 기반으로 압축 이득 신호를 결정하고, 상기 입력 오디오 신호와 상기 압축 이득 신호를 결합하여 상기 압축된 오디오 신호를 획득하도록 구성된다. 따라서, 입력 오디오 신호의 압축이 효과적으로 수행될 수 있다.
압축 이득 신호는, 압축 특성 곡선, 예를 들어, 조각별 선형 압축 특성 곡선(piecewise linear compression characteristic curve)에 기반을 두어 필터링된 오디오 신호로부터 유도될 수 있다. 입력 오디오 신호와 압축 이득 신호의 결합은 압축 이득 신호와 입력 오디오 신호의 곱셈(multiplication)을 구성할 수 있다.
제1 측면 또는 전술한 제1 측면의 구현 형태에 따른, 제1 측면에 따른 오디오 압축 시스템의 제9 구현 형태에서, 상기 오디오 시스템은, 주파수에 대해, 인간 청력의 등음량 곡선에 의해 형성된 크기를 가진 주파수 전달 함수를 포함하고, 상기 압축된 오디오 신호를 필터링하는 등화 필터(equalization filter)를 더 포함할 수 있다. 따라서 오디오 시스템의 플랫 주파수 응답(flat frequency response)이 달성될 수 있다.
인간 청력의 등음량 곡선은 퓨어톤 및/또는 스테디 톤을 사용하여 인간이 일정한 음량을 인지하는 주파수에 대한 음압 곡선에 관계될 수 있다. 인간 청력의 등음량 곡선은 ISO 226:2003에 따른 등음량 곡선일 수 있다.
제2 측면에 따르면, 본 발명은 오디오 압축 방법에 관련되고, 이러한 오디오 압축 방법은, 주파수에 따른 크기(magnitude over frequency)를 가진 주파수 전달 함수를 포함하는 디지털 필터(101)에 의해, 상기 입력 오디오 신호를 필터링하여 필터링된 오디오 신호를 획득하는 단계; 및 상기 필터링된 오디오 신호를 기반으로 상기 입력 오디오 신호를 압축하여 압축된 오디오 신호를 획득하는 단계를 포함한다. 따라서, 인지된 고음질의 압축 오디오 신호가 달성될 수 있다.
제1 측면 또는 제1 측면의 구현 형태에 따른 오디오 압축 시스템에서 수행될 수 있는 오디오 압축 방법은 추가로, 제1 측면 또는 제1 측면의 구현 형태에 따른 오디오 압축 시스템의 기능으로부터 직접 발생할 수 있는 오디오 압축 방법의 특징이 있을 수 있다.
제3 측면에 따르면, 본 발명은 오디오 신호를 필터링 하는 디지털 필터에 관련되고, 이러한 디지털 필터는, 주파수에 따른 크기(magnitude over frequency)를 가진 주파수 전달 함수를 포함하고, 상기 크기는 인간 청력의 등음량 곡선으로 형성된다. 따라서 인간 음향 인지와 관련된 어플리케이션을 위한 디지털 필터가 제공될 수 있다.
인간 청력의 등음량 곡선은 퓨어톤 및/또는 스테디 톤을 사용하여 인간이 일정한 음량을 인지하는 주파수에 대한 음압 곡선에 관계될 수 있다. 인간 청력의 등음량 곡선은 ISO 226:2003에 따른 등음량 곡선일 수 있다.
제4 측면에 따르면, 본 발명은 오디오 신호를 필터링하는 디지털 필터링 방법과 관련되고, 이러한 디지털 필터링 방법은, 주파수에 따른 크기(magnitude over frequency)를 가진 주파수 전달 함수를 포함하는 디지털 필터에 의해, 상기 오디오 신호를 필터링 하는 단계를 포함하고, 상기 크기는 인간 청력의 등음량 곡선에 의해 형성된다. 따라서 인간의 음악 지각과 관련된 어플리케이션을 위한 디지털 필터링 방법이 제공될 수 있다.
제3 측면에 따른 디지털 필터에 의해 수행될 수 있는 디지털 필터링 방법은 추가로, 제3 측면에 따른 디지털 필터의 기능으로부터 직접 발생할 수 있는 디지털 필터링 방법의 특징이 있을 수 있다.
제4 측면에 따른 디지털 필터링 방법의 제1 구현 형태에서, 주파수에 따른 크기(magnitude over frequency)를 가진 주파수 전달 함수를 포함하는 디지털 필터에 의해, 상기 오디오 신호를 필터링 하는 단계를 포함하고, 상기 크기는 인간 청력의 등음량 곡선에 의해 형성된다. 따라서, 디지털 필터링 방법의 필터링 특성의 조정이 달성된다.
제4 측면의 제1 구현 형태에 따른 디지털 필터링 방법의 제2 구현 형태에서, 필터 계수를 결정하는 단계는, 필터 계수를 결정하기 위해, 상이한 등음량 곡선과 관련된 필터 계수의 세트로부터 상기 등음량 곡선과 관련된 필터 계수를 선택하는 단계를 포함한다. 따라서, 상이한 등음량 곡선은 디지털 필터링 방법에 의해 사용될 수 있다.
제5 측면에 따르면, 본 발명은, 컴퓨터에서 실행될 때, 제2 측면에 따른 오디오 압축 방법을 수행하는 프로그램 코드, 제4 측면에 따른 디지털 필터링 방법을 수행하는 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램, 또는 제4 측면의 모든 구현 방식에 관련된다. 따라서, 이러한 방법은 자동 및 반복 가능한 방식으로 적용될 수 있다.
컴퓨터 프로그램은 기계-판독 가능한 프로그램 코드의 형태로 제공될 수 있다.
본 발명은 하드웨어 및/또는 소프트웨어로 구현될 수 있다.
추가로, 본 발명의 실시예는 이하의 도면에 대해여 설명한다.
도 1은 구현 형태에 따른, 입력 오디오 신호를 압축하기 위한 오디오 압축 시스템의 도면이다.
도 2는, 구현 형태에 따른, 입력 오디오 신호를 압축하기 위한 오디오 압축 방법의 도면이다.
도 3은 구현 형태에 따른, 오디오 신호를 필터링 하기 위한 디지털 필터의 도면이다.
도 4는 구현 형태에 따른, 오디오 신호를 필터링 하기 위한 디지털 필터링 방법의 도면이다.
도 5는 구현 형태에 따른, 높은 다이나믹 레인지 오디오 신호 및 압축된 오디오 신호의 도면이다.
도 6은 구현 형태에 따른, 다이나믹 레인지 압축 원리의 도면이다.
도 7은 구현 형태에 따른, 지수 감쇠를 사용한 템포럴 스무딩(temporal smoothing)의 도면이다.
도 8은 구현 형태에 따른, 입력 오디오 신호 압축을 위한 오디오 압축 시스템이다.
도 9는 구현 형태에 따른, 상이한 등음량 곡선의 도면이다.
도 10은 구현 형태에 따른, 오디오 신호 필터링을 위한 디지털 필터의 도면이다.
도 11은 구현 형태에 따른, 인간 청력의 음량 민감도를 모델링하는 데 사용된 디지털 필터의 주파수 응답의 도면이다.
도 12는 구현 형태에 따른, 입력 오디오 신호 압축을 위한 압축기의 도면이다.
도 13은 구현 형태에 따른, 등화 필터의 주파수 응답 도면이다.
도 14는 구현 형태에 따른, 입력 오디오 신호에서 오디오 압축 시스템의 효과를 나타낸 도면이다.
도 15는 구현 형태에 따른, 입력 오디오 신호를 압축하기 위한 오디오 압축 시스템의 도면이다.
도 16은 구현 형태에 따른, 입력 오디오 신호를 압축하기 위한 압축기의 도면이다.
도 17은 구현 형태에 따른, 오디오 신호를 필터링하기 위한 디지털 필터의 도면이다.
도 1은 구현 형태에 따른, 입력 오디오 신호를 압축하기 위한 오디오 압축 시스템(100)의 도면이다.
오디오 시스템(100)은 입력 오디오 신호를 필터링하는 디지털 필터(101) 및 압축기(103)를 포함한다. 디지털 필터(101)는 필터링된 오디오 신호를 획득하기 위해, 주파수에 대해, 인간 청력의 등음량 곡선에 의해 형성된 크기를 포함하는 주파수 전달 함수를 포함한다. 압축기(103)는 필터링된 오디오 신호를 기반으로 입력 오디오 신호를 압축하여 압축된 오디오 신호를 획득하도록 구성된다.
입력 오디오 신호는 샘플링 및/또는 양자화된 오디오 신호일 수 있다. 입력 오디오 신호는 모노 오디오 신호, 스테레오 오디오 신호, 또는 다채널 오디오 신호일 수 있다.
디지털 필터(101)는 FIR(finite impulse response) 필터 또는 IIR(infinite impulse response) 필터로 구현될 수 있다. 디지털 필터(101)의 필터링 특성은 주파수 전달 함수를 사용하여 주파수 영역에서 결정될 수 있다.
인간 청력의 등음량 곡선은, 퓨어 톤(pure tone) 및/또는 스테디 톤(steady tone)을 사용하여 인간이 일정한 음량을 인지하는 주파수에 대한 음압 곡선과 관련된다. 인간 청력의 등음량 곡선은 ISO 226:2003에 따른 등음량 곡선일 수 있다.
필터링된 오디오 신호는 샘플링 및/또는 양자화된 오디오 신호일 수 있다. 필터링된 오디오 신호는 모노 오디오 신호, 스테레오 오디오 신호, 또는 다채널 오디오 신호일 수 있다.
압축기(103)는 디지털 압축기 일 수 있다. 압축기(103)는 입력 오디오 신호와 필터링된 오디오 신호를 결합하여 압축된 오디오 신호를 획득하도록 구성된다.
압축된 오디오 신호는 샘플링 및/또는 양자화된 오디오 신호일 수 있다. 압축된 오디오 신호는 모노 오디오 신호, 스테레오 오디오 신호, 또는 다채널 오디오 신호 일 수 있다.
도 2는, 구현 형태에 따른, 입력 오디오 신호를 압축하기 위한 오디오 압축 방법(200)의 도면이다.
오디오 압축 방법(200)은 디지털 필터가 입력 오디오 신호를 필터링하는 단계(201) 및 필터링된 오디오 신호를 기반으로 입력 오디오 신호를 압축하여 압축된 오디오 신호를 획득하는 단계(203)를 포함하고, 디지털 필터는, 필터링된 오디오 신호를 획득하기 위해, 주파수에 대한, 인간 청력의 등음량 곡선으로 형성된 크기를 가진 주파수 전달 함수를 포함한다.
오디오 압축 방법(200)은 도 1의 오디오 압축 시스템(100)에 의해 수행될 수 있다. 추가로 오디오 압축 방법(200)의 특징은 도 1의 오디오 압축 시스템(100)의 기능으로 부터 직접 발생할 수 있다.
도 3은 구현 형태에 따른, 오디오 신호를 필터링 하기 위한 디지털 필터(101)의 도면이다.
디지털 필터(101)는 주파수에 대해 인간 청력의 등음량 곡선으로 형성된 크기를 가진 주파수 전달 함수를 포함한다.
인간 청력의 등음량 곡선은, 퓨어 톤 및/또는 스테디 톤을 사용하여 인간이 일정한 음량을 인지하는 주파수에 대한 음압 곡선과 관련될 수 있다. 인간 청력의 등음량 곡선은 ISO 226:2003에 따른 등음량 곡선일 수 있다.
도 4는 구현 형태에 따른, 오디오 신호를 필터링 하기 위한 디지털 필터링 방법(400)의 도면이다.
디지털 필터링 방법(400)은 디지털 필터가 오이도 신호를 필터링하는 단계(401)를 포함하고, 디지털 필터는 주파수에 대해, 인간 청력의 등음량 곡선에 의해 형성된 크기를 가진 주파수 전달함수를 포함한다.
디지털 필터링 방법(400)은 도 3의 디지털 필터(101)에 의해 수행될 수 있다. 추가로, 디지털 필터링 방법(400)의 특징은 도 3의 디지털 필터(101)의 기능으로부터 직접 발생할 수 있다.
도 5는 구현 형태에 따른, 높은 다이나믹 레인지 오디오 신호 및 압축된 오디오 신호의 도면이다. 도 5의 왼쪽에는 피크 진폭(peak amplitude)이 1인 원래의 높은 다이나믹 레인지 오디오 신호가 도시되어 있다. 도 5의 오른쪽에는 피크 진폭이 1인 압축된 오디오 신호이지만, 다이나믹 레인지는 감소된 압축된 오디오 신호가 도시되어 있다.
태블릿 또는 스마트폰과 같은 모바일 장치는 전형적으로 작고, 저음질의 마이크로 스피커 및 저 전력 앰프가 장착되어 있다. 그 결과로서, 이러한 장치의 일렉트로 어쿠스틱 시스템(electro-acoustic system)에서 재생될 수 있는 음향의 음질은 제한될 수 있다. 구체적으로, 생성 가능한 최대 음압 레벨은 제한될 수 있다. 이것은 높은 레벨에서의 신호 왜곡 및 제한된 다이나믹 레인지를 초래할 수 있다.
더욱이, 이러한 장치는 높은 출력 레벨이 요구되는 시끄러운 환경에서 음향을 재생하는 데 종종 사용된다. 더 나아가, 추가로, 스피커들 사이의 짧은 거리를 보상하기 위해 스테레오 와이드닝(stereo widening)과 같은 처리는 최대 출력을 추가로 감소시킬 수 있다.
이러한 문제를 해결하는 해결수단은 고음질의 스피커 및 더 높은 출력 전력을 가진 앰프를 집적하는 것이다. 그러나 이것은 작은 모바일 장치에 집적될 수 없는 대형 스피커 및 배터리로부터 더 많은 에너지를 소비하는 앰프가 필요하다. 따라서, 이러한 모바일 장치가 생성하는 어쿠스틱 사운드(acoustic sound)가 인지되는 음량을 높일 수 있는 신호 처리 기술이 필요하다. 오디오 신호의 DRC(Dynamic range compression)는 음량 개선 기술일 수 있다. DRC의 목적은 일렉트로 어쿠스틱 시스템(electro-acoustic system) 성능의 한계 내에서 최대 에너지를 유지하면서 평균 신호 에너지를 증가시키는 것일 수 있다. 이러한 영향을 달성하기 위해, 약한 신호 요소의 레벨을 개선할 수 있는 전략이 있을 수 있다.
오디오 신호의 DRC의 영향이 도 5에 도시되어 있다. 왼쪽 도면은 전형적인 음악의 신호 진폭의 예가 도시되어 있다. 정기적으로 발생하는 높은 진폭 피크는 일반적으로 드럼 히트(drum hit)에 대응한다. 신호는 일렉트로 어쿠스틱 시스템이 처리 가능한 최대 진폭에 대응하는 최대 진폭 1을 획득하기 위해 신호는 정상화(normalized)될 수 있다. 디지털 오디오 신호의 진폭은 전형적으로 간격 [-1;1]으로 제한된다. 이러한 제한을 초과하는 진폭은 클리핑(clipping)이 발행할 수 있다. 즉, 이러한 진폭은 한계 내로 제한될 수 있다. 이것은 큰 신호 왜곡을 유발한다. 이러한 피크 진폭(peak amplitude)은 높은 다이나믹 레인지에서 거의 발생하지 않기 때문에 신호의 전체적이 출력을 제한할 수 있다. 신호의 대부분은 낮은 진폭을 가질 수 있다. 이러한 신호에 수행된 다이나믹 레인지 압축 작업 결과는 도 5의 오른쪽의 진폭 플롯(amplitude plot)이 될 수 있다. 결과 신호의 피크 진폭은 여전히 1이고, 인지되는 평균 음량을 정의할 수 있는 평균 크기는 좀 더 크다. 구체적으로, 낮은 진폭을 갖는 요소는 크게 개선된다. 높은 에너지 성분에 대한 낮은 에너지 성분의 비율로 정의될 수 있는 다이나믹 레인지는 감소될 수 있다.
도 6은 구현 형태에 따른, 다이나믹 레인지 압축 원리의 도면이다.
피크 진폭 탐지를 기반으로 한 스태틱 압축 곡선(static compression curve)을 사용한 다이나믹 레인지 압축의 기본 원리가 도시되어 있다. 압축되지 않은 경우는 실선으로 도시되어 있다. -15 dB의 압축 임계치를 사용한 압축 및 3:1 압축 비율은 점선으로 도시되어 있다.
입력 신호 x와 압축된 신호
Figure pct00001
간의 전달 함수는 이하의 동작을 나타낸다. 입력 신호 x의 레벨이 주어진 dB로 구체화된 임계치 T 이하인 경우에는, 수정될 수 없다. 즉, 압축된 신호
Figure pct00002
는 X와 같다. 입력 신호 x의 레벨이 임계치 T를 초과하는 경우,
Figure pct00003
는 주어진 압축 비율 R만큼 감소될 수 있다. 압축 비율은 출력 신호의 레벨 변화에 대한 입력 신호의 레벨 변화에 관련될 수 있다. 본 실시예에서, 압축 비율 R=3은 입력 신호에서 3dB 만큼 초과한 레벨이 출력 신호에서 임계치를 1dB 레벨 초과하는 레벨로 감소될 수 있는 것을 나타낸다. 결과로서, 시간 베리언트 이득(time variant gain) g(t)에 따라, 입력 신호의 레벨
Figure pct00004
와 비교하여, 압축된 신호의 레벨
Figure pct00005
은 감소될 수 있다.
수학식 1은 이하와 같다.
Figure pct00006
이 수학식 1은 다이나믹 레인지 압축의 기본적 원리가 될 수 있다. DRC는 음약 녹음 및 생성에 중요한 주제이기 때문에, 아날로그 영역에서 매우 다양한 구현 및 확장이 적용 가능하다. 구체적으로, 도 6에 도시되어있는 조각별 선형 압축 곡선(piecewise linear compression curve)은 예를 들어, 무릎(knee)이 있거나, S자와 같은 포화 압축 곡선(saturating compression curve such as a sigmoid)이 있는 부드러운 압축 곡선(soft compression curve)으로 대체될 수 있다.
도 7은 구현 형태에 따른, 지수 감쇠를 사용한 템포럴 스무딩(temporal smoothing)의 도면이다. 지수 감쇠(exponential decays)를 사용한 템포럴 스무딩(temporal smoothing)은 어택 시간(attack time) 및/또는 감쇠 시간을 모델링하기 위해 사용될 수 있다. 실선은 Px를 나타낸다. 점선은 30ms로 일정한 어택 필터링 시간(attack filtering time) 및 150ms로 일정한 릴리즈 필터링 시간(release filtering time)을 나타낸다.
템포럴 스무딩 없이, 출력 신호의 레벨은 너무 빨리 변할 수 있기 때문에, 다이나믹 레인지 압축은 많은 아티펙트(artifact)를 도입할 수 있다. 출력 신호는 입력 신호의 특성과 유사할 수 없다. DRC의 가청 아티펙트(audible artifact)를 줄이기 위해, 압축 이득은 천천히 변할 수 있다.
이러한 효과를 달성하는 방식은, 도 7에 도시된 어택 시간 및 릴리즈 시간에 지수 감쇠를 더하여 피크 진폭의 탐지를 원활하게 하는 것 일 수 있다. 어택 인덱스 A 및 릴리즈 인덱스 R 각각에 대하여 구체적 상이한 시간 상수
Figure pct00007
는 어쿠스틱 이벤트의 상이한 상태에 대해 원활한 효과를 제어할 수 있게 한다. 어택(Attack)은 신호 레벨에서 증가하는 이벤트의 시작을 나타낼 수 있다. 릴리즈(Release)는, 전형적으로 느린 이러한 이벤트의 에너지 감쇠를 나타낼 수 있다. 어택 및 릴리즈에 대한 지수 감쇠는 이하의 수식으로 계산될 수 있다.
Figure pct00008
및
Figure pct00009
수학식 2는 이하와 같다.
Figure pct00010
Figure pct00011
는 수학식 1 또는 2에서
Figure pct00012
를 대체하는 시간 베리언트 이득(time variant gain) g(t)의 계산을 위해 사용될 수 있다.
예를 들어 분리(decouple), 분기(branching), 피드 포워드(feed-forward), 피드백(feedback), 사이드 체인(side-chain), 바이어스(bias), 및/또는 포스트 게인(post gain) 구현과같은 상이한 구현이 사용될 수 있다.
템포럴 스무딩 파라미터(temporal smoothing parameter) 설정은 상대적일 수 있고, 압축량과 음질 사이의 트레이드 오프(trade-off), 즉 아티펙트를 구성할 수 있다. 구체적으로 그것들은 드럼 또는 트랜션트(transient)로부터 발생한 영향 받을 수 있는 진폭 피크에 영향을 줄 수 있다. 롱 릴리즈 시간 상수(a long release time constant)의 경우 피크 또는 트랜션트(transient) 후, 신호는 오랫동안 감쇠될 수 있고, Py는 과도하게 줄어들 수 있다. 숏 릴리즈 시간 상수(short release time constant)의 경우, 트랜션트 후 신호 레벨에 점프가 발생할 수 있다. 롱 어택 타임 상수(long attack time constant)의 경우, 트랜션트는 어택 시간보다 짧을 수 있기 때문에, 트랜션트는 감쇠되지 않을 수 있고, 피크 레벨은 여전히 높을 수 있다. 숏 어택 시간 상수(short attack time constant)의 경우, 선명도의 부족으로 인해 트랜션트는 눌릴 수 있고, 레벨은 과도하게 줄어들 수 있으며, 트랜션트의 레벨은 트랜션트 바로 전 신호의 레벨과 동일할 수 있다.
DRC에 대해 다른 해결수단이 적용될 수 있다. DRC 비율 알고리즘에 4가지 주요한 기준은 음질, 압축 비율, 계산 복잡도, 및 사용자 제어가능성일 수 있다. 고 압축은 전형적으로 낮은 음질을 초래하기 때문에, 압축과 음질 사이에는 트레이드 오프(trade-off)가 있을 수 있다. 파형의 피크, 예를 들어 트랜션트 또는 어택은 높은 압축 이득을 획득하기 위해 감쇠될 수 있다. 이것은 지각 선명도가 부족해진다. TV 및 라디오 방송에 사용되는 고음질 다이나믹 레인지 압축 시스템은 전형적으로 주파수 영역 또는 풀-밴드 신호의 서브-밴드 분해에서 작동한다. 이것은 높은 계산 복잡성을 초래할 수 있다. 구체적으로, 모바일 장치에 대해, 휴대 기기, 계산 및 에너지 리소스가 제한될 수 있다.
고음질을 유지하면서 많은 양의 압축을 획득하기 위한 파라미터 설정은 중요할 수 있다. 최적 파라미터 설정은 또한 구체적 오디오 신호와 청취 환경에 의존할 수 있다. 파라미터는 전형적으로 컨저버티브(conservative)하거나 덜 최적 세팅을 사용하여 미리 결정될 수 있다. 사용자는 끄거나 키는 것을 제외한 메커니즘을 제어하지 않을 수 있다.
도 8은 구현 형태에 따른, 입력 오디오 신호 압축을 위한 오디오 압축 시스템(100)이다. 오디오 압축 시스템(100)은 다이나믹 레인지 압축 시스템을 포함할 수 있다.
오디오 압축 시스템(100)은 디지털 필터(101), 압축기(103), 등화 필터(equalization filter, 801), 및 피크 리미터(peak limiter, 803)를 포함한다. 압축기(103)는 압축 게인 제어(805) 및 압축 유닛(807)을 포함한다. 압축 유닛(807)은 파라미터 구체화 유닛(809), 이득 추정 유닛(811), 제1 앰프(813), 및 제2 앰프(815)를 포함한다. 파라미터 구체화 유닛(809)은 압축 임계치, 압축 비율, 어택 필터링 타임 정수, 및 릴리즈 필터링 타임 정수를 이득 추정 유닛(811)에 제공한다.
많은 접근 방식이 음악 생성 어플리케이션에 초점을 맞추고 있다. 본 발명은 특히, 고음질, 낮은 연산 복잡성, 및 낮은 전력 소비 또는 낮은 배터리 전력 소비를 유지하는 스마트폰 및/또는 태블릿과 같은 모바일 장치의 스피커에서 실시간으로 생성되는 평균 출력 레벨을 증가시킬 수 있는 모바일 음악 재생 시나리오에 대해 설명한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명은 개선된 오디오 압축 시스템(100) 또는 다이나믹 레인지 압축 시스템과 관련될 수 있다. 인간 청력의 민감도의 주파수 특성을 고려하기 위해, 오디오 압축 시스템(100)은 인간 음약 인지의 모델 즉, 디지털 필터(101) 또는 음량 등화 필터 모듈을 포함할 수 있다. 신호의 선명도를 유지하면서도 트랜션트의 레벨을 줄이기 위해, 오디오 압축 시스템(100)은 캐스케이드 다이나믹 레인지 압축 시스템 즉, 압축기(103) 또는, 피크 리미터(803) 또는 피크 리미터 모듈과 케스케이드 된 다이나믹 레인지 압축 모듈을 포함할 수 있다. 오디오 압축 시스템(100) 또는 시스템은, 연속적인 방식으로 사용자 또는 소비자가 제어 가능한 압축 이득 G를 갖는 단일 제어 파라미터를 포함할 수 있다. 오디오 압축시스템(100) 또는 시스템은 모바일 장치에서 실시간 어플리케이션의 시간 영역에서 낮은 복잡도의 풀-밴드 구현을 포함할 수 있다.
오디오 압축 시스템(100) 또는 시스템의 흐름도가 도 8에 도시되어 있다. 주어진 입력 신호 x(t)에 대해, 오디오 압축 시스템(100) 또는 시스템은 이하의 단계를 실행한다.
첫 번째로, 디지털 필터(101) 또는 음량 등화 필터 모듈이 적용될 수 있다. 즉, 음량 등화된 입력 신호 xl(t)를 획득하기 위해, 등음량 곡선으로 입력 신호 x(t)를 필터링하여 단순화되 음량 모델을 적용하는 전처리 작업이 적용될 수 있다. 전처리의 목적은 인간 청력이 덜 민감한 신호의 주파수를 강조하는 것일 수 있다. 두 번째로, 압축기(103) 또는 다이나믹 레인지 압축 모듈이 적용될 수 있다. 이것은 파라미터 구체화 유닛(809) 또는 파라미터 구체화 모듈을 포함한다. 외부에서 주어진, 예를 들어 dB에서 사용자가 지정한 원하는 압축 이득, 내부의 다이나믹 레인지 압축 파라미터
Figure pct00013
는 최적 방식으로 조정될 수 있다. 이것은 추가로,
음량 등화된 입력 신호 xl(t)로부터 시간 베리언트 이득(time variant gain ) g(t)를 추정할 수 있는 이득 추정 유닛(811) 또는 이득 추정 모듈을 포함할 수 있다. 획득된 압축은, 인간 청력이 덜 민감한 영역에 대응할 수 있는 등화에 의해 강조된 영역에서 강화될 수 있다. 결과적으로, 다이나믹 레인지 압축의 아티펙트(artifact)는 덜 들릴수 있고 강력한 압축이 적용될 수 있다. 압축된 신호 xc(t)를 획득하기 위해, 입력 신호 x(t)의 다이나믹 레인지 압축은 시간 베리언트 이득 g(t) 및 입력 신호 x(t)에 대해 원하는 압축 이득 G를 적용하여 수행될 수 있다. 세 번째로, 주파수 의존 압축을 수정하고, 신호 xe(t)의 플랫 주파수 응답을 재현하기 위해, xc(t)에 등화를 적용할 수 있는 등화 필터(801) 또는 등화 모듈은 선택적으로 적용될 수 있다. 이것은 또한 라우드 스피커의 주파수 응답을 고려할 수 있다. 네 번째로, 피크 리미터(803)가 선택적으로 적용될 수 있다. 출력 신호 y(t)를 획득하도록, 피크 및/또는 트랜션트의 부드러운 제한은 강한 어택 위상에서 클리핑을 막기 위해 적용될 수 있다.
도 9는 구현 형태에 따른, 상이한 등음량 곡선의 도면이다.
청각은 모든 주파수에 동일하게 민감하지 않다. 도 9는, 동일한 음량으로 인식된 음압 레벨을 나타내는 곡선의 세트로서, 전체 가청 범위에서 상이한 주파수에 대한 응답을 나타낸다. 낮고 높은 주파수에서, 중간 주파수로서 동일하게 인식된 음량을 획득하기 위해, 음압 레벨은 훨씬 더 높을 수 있다. 곡선은, 2kHz로부터 5kHz까지의 범위에서 청각이 가장 민감한 주파수를 나타내는 4kHz의 딥(dip)으로 가장 낮을 수 있다. 음량의 동일한 임프레션(impression)을 생성하기 위해, 더 높거나 더 낮은 톤의 강도 레벨은 상당히 상승할 수 있다. 이러한 결과는 출력 신호의 더 높은 음질을 얻기 위해 이용될 수 있다. 이러한 개념은, 인간 청력이 덜 민감한 주파수 영역에서 더 강한 다이나믹 레인지 압축에 적용될 수 있다.
도 10은 구현 형태에 따른, 오디오 신호 필터링을 위한 디지털 필터(101)의 도면이다. 디지털 필터(101)는 음량 등화 필터 모듈을 포함한다.
디지털 필터(101)는 결정 유닛(1001) 및 필터링 유닛(1003)을 포함한다. 결정 유닛(1001)은 필터 파라미터 구체화를 위해 사용될 수 있고, 등음량 곡선은, 필터 계수를 획득하기 위해, 결정 유닛(1001)에 제공될 수 있다. 필터링 유닛(1003)은, 등화된 신호 xl(t)를 획득하도록, 필터 계수에 따라 입력 신호 x(t)를 필터링 할 수 있다.
음량 모델은, 등음량 곡선으로의 필터링하여 인간 청력의 민감도를 모델링하는 데 적용될 수 있다. 이것은 인간 청력이 덜 민감한 주파수를 높일 수 있고, 인간 청력이 많이 민감한 주파수를 감쇠할 수 있다.
도 11은 구현 형태에 따른, 인간 청력의 음량 민감도를 모델링하는 데 사용된 디지털 필터의 주파수 응답의 도면이다. 저주파에서, 증폭은 제한될 수 있고 스피커에 의해 재생되지 않을 수 있다. 고주파에서, 증폭은 제한될 수 있고, 전형적으로 스피커에 의해 개선될 수 있다.
도 10을 참조하면, 이하의 과정은 이러한 효과를 획득하는 데 사용될 수 있다. 등음량 곡선과 유사한 필터 응답으로 필터링을 수행한다. 이것은 인간 청력이 덜 민감한 주파수에서의 레벨을 높이고 인간 청력이 많이 민감한 주파수를 감쇠할 수 있다. 그때, 이후의 다이나믹 레인지 압축은 인간 청력이 덜 민감한 주파수 영역 즉, 높고 낮은 주파수에서 집중될 수 있다. 그 결과, 압축 아티펙트는 덜 들릴 수 있다. 구체적으로 2-5kHz의 주파수 범위 또는 2-6kHz 주파수 범위는 다이나믹 레인지 압축으로 수정될 수 없다. 이 범위는 소리 선명도에서 가장 중요하다.
도 11에 도시된 바와 같이, 필터 응답은 등음량 곡선에 기초할 수 있으나, 일부 측면에 따라 수정될 수 있다. 마이크로 스피커 특성 및 성능을 고려하면, 최저 및 최고 주파수의 증폭은 상한에 의해 제한될 수 있다. 이러한 제한의 동기는 작은 스피커 사용을 고려한 어플리케이션 시나리오에 기초할 수 있다. 여기에서, 최저 주파수는 스피커에 의해 재생되지 않을 수 있고, 높은 주파수는 전형적으로 이러한 스피커에 의해 증폭될 수 있다. 증폭의 제한은 이것을 고려한 것이다. 증폭의 전체 범위, 즉, 필터 응답의 최대 및 최소 사이의 차이는 15dB 범위로 제한될 수 있다. 도 9로부터, 단일 등음량 곡선의 음압 레벨에서 최대값 및 최소값 사이의 차이는 80dB에 도달할 수 있다. 다이나믹 레인지 압축에서, 임계치 T는, 전형적 어플리케이션 시나리오에서, 6과 20dB 사이의 값으로 설정될 수 있다. 그 결과, 다른 것들과 비교하여 특정 주파수를 80dB로 증폭하는 등화를 적용하는 것은, 많이 압축된 이러한 주파수에서만 발생할 수 있다. 그러나 다른 주파수는 임계치에 도달하지 않을 수 있고, 따라서, 압축되지 않을 수 있다. 증폭의 전체 범위를 제한하는 것은 상이한 주파수 영역에서, 다이나믹 렝니지 압축의 강도를 제어할 수 있다.
도 12는 구현 형태에 따른, 입력 오디오 신호 압축을 위한 압축기(103)의 도면이다. 압축기(103)는 압축 유닛(807) 또는 다이나믹 레인지 압축 모듈을 포함한다.
압축 유닛(807)은 파라미터 구체화 유닛(809), 이득 추정 유닛(811), 제1 곱셈기(813), 및 제2 곱셈기(815)를 포함한다. 파라미터 구체화 유닛(809)은 압축 임계치 T, 압축 비율 R, 어택 필터링 시간 상수(attack filtering time constant) 및 릴리즈 필터링 시간 상수(release filtering time constant)
Figure pct00014
를 이득 추정 유닛(811)에 제공한다. 음량 등화된 오디오 신호 xl(t)는 이득 추정 유닛(811)이 제공할 수 있다. 입력 오디오 신호 x(t)는 제2 곱셈기(815)에 제공될 수 있다. 압축된 오디오 신호 xc(t)는 제2 곱셈기(815)가 제공할 수 있다.
결과적으로 다이나믹 레인지 압축은 도 12에 도시된 바와 같이, 입력 신호에 적용될 수 있다. 다이나믹 레인지 압축은 이하에서의 일반적인 설명을 따르고 동일한 표기를 사용할 수 있다.
첫 번째로, 주어진 원하는 압축 이득 G, 예를 들어, 사용자가 구체화한 다이나믹 레인지 압축을 위한 파라미터
Figure pct00015
가 이하에서 도출될 수 있다. 클리핑(clipping) 없이 재생될 수 있는, xc(t)의 피크 진폭과 최대값 Pmax 사이에서 G의 헤드룸(headroom)이 생성될 수 있도록, 신호를 압축할 수 있다.
Figure pct00016
이러한 결과는 원하는 이득 G를 획득하기 위한 것이고, R 및 T의 상이한 값이 가능하다. 임계치를 낮추는 것은 높은 G를 획득하는 것이 가능하나, 동시에 또한 DRC에 의해 영향받을 수 있는 신호 요소의 양이 증가할 수 있다. 압축 비율 R이 증가하면, 임계치를 초과하는 요소는 많이 압축될 수 있다. 지각 음질 면에서 최적 R 및 T의 값을 선택하는 것은 어려운 일이다. 임계치 T와 압축 비율 R 사이의 특정 관계를 찾는 것은 고음질을 획득하기 위해 바람직하다. 더욱이, 광범위한 청취 테스트는 이하와 같을 때, 다이나믹 레인지 압축의 지각 음질이 최적인 것을 나타낸다.
Figure pct00017
템포럴 스무딩 상수(temporal smoothing constants)
Figure pct00018
는 높은 지각 음질을 획득하기 위해 중요한 시간적 연속성(temporal continuity)을 확보하기 위해, 압축량을 줄여서 DRC 결과에 영향을 미친다. 그 결과 마지막 압축은 원하는 G보다 낮다. 스무딩이 강할수록, 즉 큰 시상수
Figure pct00019
일수록, 달성된 압축은 낮다. 최고로 가증한 지각 음질을 획득하기 위해, 시상수에 대한 파라미터는 원하는 압축 이득 G에 따라 선택될 수 있다.
Figure pct00020
지각 청취 테스트는 최상의 결과로 이어지는 시상수와 G 사이의 선형 의존성을 나타낸다. G의 값의 증가에 대해 시상수는 선형으로 감소할 수 있다.
스무딩의(smoothing) 결과로,
Figure pct00021
일 수 있다. 따라서,
Figure pct00022
인 허용 오차(tolerance)의 추가는 원하는 압축 이득 G가 달성될 수 있도록 하기 위해 바람직하다. 허용 오차는 빠른 트랜션트가 어택 감쇠로 누락될 수 있으며, 높은 신호 피크의 결과가 될 수 있음을 고려한 것이다. 따라서, 허용 오차의 값은 어택 시상수에 따라 선택될 수 있다.
Figure pct00023
최적 파라미터 세팅을 유도한 후, 시간 베리언트 이득 g(t)는 등화된 음량 신호
Figure pct00024
로 부터 추정될 수 있다.
Figure pct00025
마지막으로, 이득은 원하는 압축 이득 G에 의해 곱해지거나 증폭될 수 있고 마지막으로 원래 입력 신호 x(t)에 곱해지지만, 음량 등화된 신호에는 곱해지지 않는다. 이것은, 원래의 신호가 음량 모델에 의해 변경되지 않고 단지 수정된 음량 이득(loudness-corrected gain)에 의해서만 변경된 것으로서 가능한 최고의 음질을 제공한다 .
Figure pct00026
도 13은 구현 형태에 따른, 등화 필터(801)의 주파수 응답 도면이다.
선택적인 후처리 단계로서, 등화 필터(801)는 신호에 적용될 수 있다. 등화는 다이나믹 레인지 압축에 의존하는 주파수에 대해 보상으로 바람직할 수 있다. 음량 모델에 의해 커지는 주파수 범위는 더 강하게 압축될 수 있고 따라서 음량 모델에 의해 김쇠된 주파수보다 낮은 레벨을 수신할 수 있다. 이러한 방식은, 다이나믹 레인지 압축이, 압축 아티펙트에 대해 인간 청력이 덜 민감한 주파수 범위에 집중될 수 있는 것을 보증하는 반면, 또한 출력 신호에서 플랫 주파수 응답(flat frequency response)을 갖지 않는 결과를 초래한다. 이러한 영향을 보상하기 위해, 등음량 곡선의 베리언트(variant)를 갖는 필터링이 다시 사용될 수 있다.
도 13의 필터 응답은 필터 응답은 이득 g(t)의 계산에 영향을 미치는 동일한 음량에 대한 전처리 필터로부터 발생한 비선형 압축을 보상하기 위해 조정될 수 있다. 이득 g(t)은 등화된 음량 신호로부터 유도되지만, 원래 입력 신호에 적용될 수 있기 때문에, 압축된 신호는 전형적으로 플랫 주파수 응답을 가지지 않을 수 있다. 구체적으로, 낮은 주파수 및 높은 주파수는 감쇠될 수 있다. 도 13에 도시된 필터 응답은, 임계치 T=12dB 및 6dB의 압축 비율 G의 결과인 2:1의 비를 사용한 압축의 예의 경우에 이러한 영향을 보상하기 위해 설계되었다. 이런 경우, 플랫 주파수 응답(flat frequency response)을 달성하기 위해, 주파수 및 높은 주파수는 대략 2dB 만큼 증폭될 수 있다. 상이한 G의 값에 대해, 응답은 선형으로 스케일될 수 있다.
등화는 다이나믹 레인지 압축에 의존하는 주파수를 보상하기 위해 바람직할 수 있다. 등음량 곡선의 베리언트로써 필터링이 사용될 수 있다. 잠재적으로, 등화는 압축 이득에 따라 달라진다. 또한, 타겟 출력 장치는 등화를 정의하는 것으로 간주 될 수 있다.
도 14는 구현 형태에 따른, 입력 오디오 신호에서 오디오 압축 시스템, 예를 들어, 입력 오디오 신호 x(t)의 오디오 압축 시스템(100)의 효과를 나타낸 도면이다. 오디오 압축 시스템은 다이나믹 레인지 압축 시스템을 포함할 수 있다. 첫 번째 파형은 입력 신호 x(t)를 나타내고, 두 번째 파형은 세 번째 단계 후, 즉 등화 후 오디오 신호 xe(t)를 나타내며, 세 번째 파형은 네 번째 단계 후, 즉 피크 리미팅 후 오디오 신호 y(t)를 나타낸다.
마지막 단계로서, 피크 리미터가 출력 신호에 클리핑(Clipping)을 방지하기 위해 적용될 수 있다. 클리핑은 가능한 최대값 Pmax을 초과하는 신호의 크기를 의미할 수 있다. 상수
Figure pct00027
로 수행되는 템포럴 스무딩(temporal smoothing) 때문에, 드럼 히트와 같이 빠르고 강한 트랜션트는 압축되지 않는다. 그 결과 신호 레벨의 빠른 변화는, 높은 지각 음질 또는 신호 선명도를 보장하기 위해 중요한 측면이 될 수 있는 출력 신호에서 보존된다. 하지만, 이러한 피크는 또한 원하는 압력 이득 G가 클리핑 없이 달성되는 것을 막는다. 이러한 문제에 대한 간단한 해결책은, 다이나믹 레인지 압축 모듈에 사용된 시상수를 감소시키는 것이다. 하지만, 음질이 줄어든다.
마지막 처리 단계로서 피크 리미터를 추가할 때 클리핑을 피할 때 고음질이 달성된다. 피크 리미터는 신호의 남은 피크에 영향을 미치기 위해 조정될 수 있는 다이나믹 레인지 압축기일 수 있다. 이러한 목적을 위해, 임계치 T가 높은 임계치, 예를 들어 T=-1dB로 세팅될 수 있고, 압축 비율은 또한 높게, 예를 들어 R=60:1로 세팅될 수 있다. 어택 및 릴리즈 시상수의 낮은 값으로, 이러한 세팅들은 클리핑을 유발하는, 임계치를 넘는 어떠한 피크라도 매우 큰 비, 예를 들어 R=60:1로 압축되는 것을 보장할 수 있다. 그 결과, 임계치를 초과하지 않는 것이 보장되기 위해, 임계치를 초과하는 피크는 강하게 압축되거나 소프트-클립(soft-clipped)될 수 있다.
압축 유닛 또는 다이나믹 레인지 압축 모듈이 수행하는 느린 다이나믹 레인지 압축은, 오디오 신호의 장기 및 중기 특성이 느리게 진화하는 것이 유지될 수 있는 것 및 클리핑을 막기 위해 피크 파라미터의 빠른 대응이 소프트-클리핑(soft-clipping)을 수행하는 것을 보장한다. 구체적으로, 여전히 높은 압축 이득을 확보하면서 신호 품질과 신호 선명도는 최대한 유지할 수 있다.
도 14는 등화 후 압축된 신호xe(t) 뿐 아니라 피크 리미팅 후 출력 신호 y(t)와 입력 신호 x(t)를 비교한다. 다이나믹 레인지 압축 후, 신호의 중기 레벨 특성은 유지되지만, [-1;+1]의 진폭 값을 초과하는 피크는 신호 xe(t)에 남아 있다. 이것은 마지막으고, 신호 y(t)를 획득하기 위해, 피크리미터가 소프트 클립한다.
도 15는 구현 형태에 따른, 입력 오디오 신호를 압축하기 위한 오디오 압축 시스템(100)의 도면이다. 오디오 압축 시스템(100)은 다이나믹 레인지 압축 시스템을 포함한다.
오디오 압축 시스템(100)은 음량 모델을 사용하는 디지털 필터(101), 압축기(103), 등화 필터(801), 및 피크 리미터(803)를 포함한다. 압축기는 압축 이득 제어(805), 내부 파라미터 조정을 위한 파라미터 구체화 유닛(809), 및 다이나믹 레인지 압축을 위한 축소된 압축 유닛(1501)을 포함한다. 입력 오디오 신호는 디지털 필터(101) 및 축소된 압축 유닛(1501)에 제공될 수 있다. 출력 신호는 피크 리미터(803)에 의해 제공될 수 있다.
단순화된 음량 모델, 즉, 디지털 필터(101) 또는 등음량 곡선이 있는 필터는 인간 청력이 덜 민감한 주파수를 강조할 수 있다. 다이나믹 레인지 압축은 달성될 수 있다. 음량 모델 때문에, 청각이 덜 민감한 영역의 압축은 강해질 수 있고, 압축 아티펙트는 덜 들릴수 있다.
주파수에 종속적인 압축을 보정하고, 주파수 응답을 되살리기 위해 등화를 적용하는 것이 바람직할 수 있다. 강한 어택 위상(strong attack phases)에서 클리핑을 막기 위해, 피크 리미터(803)가 사용될 수 있다.
도 16은 구현 형태에 따른, 입력 오디오 신호를 압축하기 위한 압축기(103)의 도면이다. 압축기(103)는 압축 유닛(807) 또는 다이나믹 레인지 압축 모듈을 포함할 수 있다.
압축 유닛(807)은 파라미터 구체화 유닛(809), 이득 추정 유닛, 및 결합 유닛(1601)을 포함한다. 파라미터 구체화 유닛(809)은 압축 임계치, 압축 비율, 어택 필터링 시상수(attack filtering time constant), 및 릴리즈 필터링 시상수(release filtering time constant)를 이득 추정 유닛(811)에 제공한다. 등화된 음량 오디오 신호는 이득 추정 유닛(811)에 제공될 수 있다. 입력 오디오 신호는 결합 유닛(1601)에 제공될 수 있다. 압축된 오디오 신호는 결합 유닛(1601)에 의해 제공될 수 있다.
다이나믹 레인지 압축이 달성된다. 이득은 등화 되고 및 원래 입력 신호에 적용된 음량 신호로부터 추정될 수 있다. 다이나믹 레인지 압축의 단순화된 파라미터 세팅은 바람직하다. 연속적 방식으로 사용자는 원하는 압축 비율 G를 구체화할 수 있다. 다이나믹 레인지 압축에 대한 파라미터
Figure pct00028
가 유도될 수 있고 DRC 알고리즘에 제공될 수 있다.
Figure pct00029
일 수 있기 때문에, 원하는 압축 비율 G를 획득하기 위해 허용 오차
Figure pct00030
가 추가될 수 있다.
도 17은 구현 형태에 따른, 오디오 신호를 필터링하기 위한 디지털 필터(101)의 도면이다. 디지털 필터(101)는 음량 등화 필터 모듈을 포함할 수 있다.
디지털 필터(101)는 등음량 곡선을 사용하는 결정 유닛(1001) 및 필터링 유닛(1003)을 포함한다. 필터링 유닛(1003)은 입력 오디오 신호를 필터링하여 등화된 음량 오디오 신호를 제공할 수 있다. 디지털 필터(101)는 음량 모델을 기반으로 한다.
본 발명은, 구체적으로 제한된 일렉트로-어쿠스틱 시스템(electro-acoustic system), 처리 기능, 및 전력 소비를 가진 모바일 장치의 어플리케이션에 맞춰질 수 있다. 높은 음질이 제공될 수 있다. 압축 아티펙트는 인간 청력의 덜 민감한 구간 주파수에서 집중될 수 있다. 느린 압축과 빠른 피크 리미팅은 신호의 느리고 빠른 부분 모두의 원래 속성을 가능한 한 많이 보존할 수 있다. 지각 선명도는 유지될 수 있다. 사용자 조정 가능한 압축의 강도가 제공될 수 있다. 원하는 압축 이득을 구체화하기 위해, 단일 압축 이득 파라미터가 적용될 수 있다. 신호 콘텐츠 및/또는 청취 환경에 맞추기 위해 연속적으로 조정 가능하다. 계산적으로 간단한 구현이 제공될 수 있다. 주파수 영역 및/또는 서브-밴드(sub-band) 처리 대신, 전 대역(full-band) 처리가 사용될 수 있다. 주파수 변환 및/또는 서브- 밴드 분해가 사용되지 않기 때문에, 낮은 지연이 달성될 수 있다.
구현 형태에서, 본 발명은, 인간 청력 민감도의 주파수 특성을 고려하기 위한, 인간 소리 지각의 전 대역 모델(full-band model), 케스케이드 된 다이나믹 레인지 압축, 및 신호 선명도를 유지하면서 트랜션트의 레벨을 감소하는 소프트-클리핑 시스템을 포함하는, 개선된 오디오 신호의 다이나믹 레인지 압축 방법 및 장치에 관련된다.
구현 형태에서, 본 발명은 방법 및 장치에 관련되고, 추가로, 연속적인 방법으로 압축 이득에 대한 단일 제어 파라미터를 사용자가 제어하도록 하는 유닛 및 구체화된 압축 이득 파라미터로부터 최적 파라미터 세팅을 유도하는 내부 컨버터를 포함한다.
구현 형태에서, 본 발명은 단말 및/또는 디코더 특징과 관련된다.

Claims (15)

  1. 입력 오디오 신호를 압축하는 오디오 압축 시스템(100)으로서,
    주파수에 따른 크기(magnitude over frequency)를 가진 주파수 전달 함수를 포함하고, 상기 입력 오디오 신호를 필터링하여 필터링된 오디오 신호를 획득하도록 구성된 디지털 필터(101); 및
    상기 필터링된 오디오 신호를 기반으로 상기 입력 오디오 신호를 압축하여 압축된 오디오 신호를 획득하도록 구성된 압축기(103)
    를 포함하고,
    상기 크기는 인간 청력의 등음량 곡선(equal loudness curve)에 의해 형성된, 오디오 압축 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 필터(101)는, 시간 영역에서 시간 영역 입력 오디오 신호를 시간 영역 필터링하여 필터링된 오디오 신호를 제공하는 시간 영역 필터인, 오디오 압축 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 주파수 전달 함수는, 미리 결정된 주파수보다 높거나 또는 그보다 낮은 때에는 일정한 크기를 가지는, 오디오 압축 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주파수 전달 함수의 위상은, 주파수에 따라 선형으로 증가하거나 감소하는, 오디오 압축 시스템.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주파수 전달 함수의 위상은, 주파수에 따라 일정한, 구체적으로는 0인, 오디오 압축 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주파수 전달 함수는 필터 계수에 의해 결정되고,
    상기 디지털 필터(101)는,
    적어도 하나의 등음량 곡선을 기반으로 상기 필터 계수를 결정하도록 구성된 결정 유닛(1001); 및
    상기 결정된 필터 계수를 기반으로 상기 오디오 신호를 필터링하도록 구성된 필터링 유닛(1003)
    을 포함하는, 오디오 압축 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 결정 유닛(1001)은, 상기 필터 계수를 결정하기 위해, 상이한 등음량 곡선과 관련된 필터 계수의 세트로부터 상기 등음량 곡선과 관련된 필터 계수를 선택하도록 구성된, 오디오 압축 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 상이한 등음량 곡선은, 상기 오디오 신호의 상이한 음량 레벨과 관련되고,
    상기 결정 유닛(1001)은 추가로, 상기 오디오 신호의 음량 레벨을 결정하고, 상기 결정된 음량 레벨을 기반으로, 상기 등음량 곡선과 관련된 필터 계수를 선택하도록 구성된, 오디오 압축 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기(103)는, 상기 필터링된 오디오 신호를 기반으로 압축 이득 신호를 결정하고, 상기 입력 오디오 신호와 상기 압축 이득 신호를 결합하여 상기 압축된 오디오 신호를 획득하도록 구성된, 오디오 압축 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    주파수에 대해, 인간 청력의 등음량 곡선에 의해 형성된 크기를 가진 주파수 전달 함수를 포함하고, 상기 압축된 오디오 신호를 필터링하는 등화 필터(equalization filter)(801)를 더 포함하는 오디오 압축 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    시간 영역에서 상기 압축된 오디오 신호의 최대 크기를 줄이는 피크 리미터(peak limiter)(803)를 더 포함하는 오디오 압축 시스템.
  12. 입력 오디오 신호를 압축하는 오디오 압축 방법(200)으로서,
    주파수에 따른 크기(magnitude over frequency)를 가진 주파수 전달 함수를 포함하는 디지털 필터(101)에 의해, 상기 입력 오디오 신호를 필터링하여 필터링된 오디오 신호를 획득하는 단계(201); 및
    상기 필터링된 오디오 신호를 기반으로 상기 입력 오디오 신호를 압축하여 압축된 오디오 신호를 획득하는 단계(203)
    를 포함하고,
    상기 크기는 인간 청력의 등음량 곡선으로 형성된, 오디오 압축 방법.
  13. 오디오 신호를 필터링하는 디지털 필터(101)로서,
    주파수에 따른 크기(magnitude over frequency)를 가진 주파수 전달 함수를 포함하고,
    상기 크기는 인간 청력의 등음량 곡선으로 형성된, 디지털 필터.
  14. 오디오 신호를 필터링하는 디지털 필터링 방법(400)으로서,
    주파수에 따른 크기(magnitude over frequency)를 가진 주파수 전달 함수를 포함하는 디지털 필터(101)에 의해, 상기 오디오 신호를 필터링 하는 단계를 포함하고,
    상기 크기는 인간 청력의 등음량 곡선에 의해 형성된, 디지털 필터링 방법.
  15. 컴퓨터 프로그램으로서,
    컴퓨터에서 실행될 때, 제12항에 기재된 오디오 압축 방법을 수행하는 프로그램 코드 또는 제14항에 기재된 디지털 필터링 방법을 수행하는 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램.
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