한국음향학회 1998년도 제15회 음성통신 및 신호처리 워크샵(KSCSP 98 15권1호)
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pp.427-431
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1998
스테레오, MIDI, MP3 등등의 신호를 입력으로 하여 음상의 공간감, 거리감, 방향감, 확산감, 위치감 등이 지각을 느끼게 하는 공간적 현장감 시스템을 제안한다. 본 제안은 2채널로 기록된 매체를 2채널 또는 다채널로 표현이 가능하며 영상과 더불어 두 개의 스피커만으로도 입체 음향을 즐길 수 있다. 음악의 경우는 장르에 따라 각각의 특징을 가지고 있다. 그러한 특징은 위치감과 방향감에 의해 음장의 형태를 구현하고 공간감 거리감을 부과하므로 입체 음장 구현을 도모한다. 그리고 확산감을 부과하므로써 실조화 공간 음장을 구현할 수있다. 본 논문은 특정한 음색을 변화하기 위하여 이퀄라이저를 이용할 필요가 없으며, 다양한 음장 형태를 DSP를 이용 알고리즘화 하여 구현하던 것을 본 RSF는 아날로그 방식으로 구현하므로써 노이즈 측면과 PCB 패턴 부분 고려등을 고려하지 않고도 구현할 수 있다.
사회활동이 활발하게 됨에 따라 사무실에서의 효율적인 업무수행을 위한 여러 가지 요구사항이 대두되고 있다. 그 일환으로 최근 기업내 회의소집 및 회의시간을 단축하고, 이동에 필요한 여행경비를 절감하기 위하여 원격 화상회의(Video Conference)나 음성회의(Voice Conference) 시스템이 주목을 받게 되었고, 이를 구축하여 활용하는 기업도 증가하고 있다. 원격회의 시스템에서는 다수인이 서로 다른 장소에서 동시에 참가하기 때문에 참가자 전원이 동일장소에 있는 것 같은 현장감을 느끼게 해주어야만 정확한 의사전달이 이루어질 수 있을 것이다. 그러기 위해서는 터미널 상호간에 입체영상정보와 입체 음향정보가 중요한 역할을 한다. 본고에서는 음향의 현장감 통신을 위하여 연구되고 있는 음상제어 방식, Stereo재생 방식, 3차원 음장재생 방식에 관한 특징을 기술하고, 그 장,단점을 비교 고찰한다. 또한 그 구성이 간단하고 다수인이 회의에 참석하기 위한 근거리 음장 재생 방식에 관한 예비실험에 관하여 보고한다.
입체음향이란 음원의 위치에 따라 두 귀에 입력되는 신호를 제어함으로써 시각정보 없이 음상의 위치를 파악할 수 있는 음이다. 헤드폰을 이용하면 음장이 머리 내에 위치하게 됨으로써 거리를 파악하는 것이 매우 힘들다. 본 논문에서는 모노음을 이용하여, 2채널 헤드폰에서 재생할 수 있는 3차원 음을 만들기 위하여 Interaural Time Difference(ITD)와 Interaural Intensity Difference(IID)를 이용한 머리 전달함수(Head Related Transfer Function:HRTF)를 만든 결과와 측정 HRTF 자료인 KEMAR Data를 이용한 결과를 비교하였으며, 거리 효과를 효과적으로 구현하기 위하여 잔향효과를 추가하여 음장을 머리밖으로 꺼냄으로써, 보다 향상된 3차원 음상 제어 시스템을 제안하고 실험하였다.
본 논문에서는 다양한 채널을 가진 음악 과일에 대하여 입체 음향 효과를 줄 수 있는 시스템을 개발 하였다. 그러기 위하여 3D 사운드 기술 중에 가장 대표적으로 알려진 HRTF(머리전달 함수)를 원음에 콘볼루션(Convolution)하는 방식으로 음상정위 모듈을 구현하였으며 음장감을 부여하기 위해 잔향 효과(Reverberation)효과를 추가하고 크로스토크 현상 제거를 위해 트랜스오럴(Transaural) 필터를 추가하였다. 이런 입체음향 기술을 가지고 여러 채널을 가진 음악 파일에 적용시켜서 다채널 입체음향 효과를 낸 수 있는 시뮬레이터를 구현해 보았다. 시스템 구현에는 한정된 채널이 아닌 다양한 채널에 대한 효과를 낼 수 있도록 하였으며 기본적인 실험으로는 미디를 바탕으로한 5개의 채널에 대하여 실험하여 이를 증명해 보았다.
디지탈 오디오 방송(DAB)과 디지털 텔레비전(DTV), 고선명 텔레비전(HDTV) 방송의 실용화가 다가오면서 대용량의 디지털 오디오 신호를 주관적인 왜곡없이 압축, 복원할 수 있는 고음질 오디오 부호화 방식이 방송음향 기술전반에 응용되고 있다[1][2]. 또한 방송 채널에 있어서도 기존의 스테레오에서 다채널 오디오 시스템으로 진전하면서 가상 현실, 입체음향 등에 필수적인 음장재생 기술이 적용되고 있다[3][4]. 위와 같은 기술은 디지털 오디오 신호처리 기술의 발전이 가져온 결과로 미래의 방송기술을 변화시키고 있다. 본 고에서는 디지털 방송 시스템에 있어서 디지털 신호처리 기술의 응용 분야를 살펴보고 새로운 기술을 소개하기로 한다.
고화질, 고품질 방송에 대한 관심이 크게 증가하면서 영상 신호 뿐만 아니라 음향 신호의 고품질화를 요구하는 목소리도 높아지고 있다. 음향 신호의 고품질화에 기여하는 요소 중 하나는 가령, 10.2채널, 22.2채널 등과 같은 재생 채널 수의 확장이지만 이는 많은 수의 스피커를 설치해야만 하는 문제점이 발생한다. 이와 같은 문제를 해결하기 위한 한 가지 방법으로 전방 스피커 어레이를 통한 입체 음향 재생 방식을 들 수 있는데 본 논문에서는 스피커 어레이 기반 음장 재생 방식인 음장합성 기술 (Wave Field Synthesis, WFS)에 대한 소개 및 이론적인 분석을 하고 이 기술로 구현한 전방 스피커 어레이 시스템의 입체 음향 재현 성능을 확인하기 위한 주관 청취 평가 결과를 제시한다. 결론적으로, WFS에 기반한 전방 스피커 어레이 재생 방식이 디스크리트 5.1채널 재생 방식과 비교하여 만족스러운 음장감을 제공한다는 것을 알 수 있었다.
3D 산업의 발달과 함께 음원을 통해 현장에서 느낄 수 있는 입체감을 재현하는 실감 음향 기술에 대한 관심 또한 증가하고 있다. 정확한 실감 음향을 구현하기 위해서 헤드폰과 스피커 시스템을 이용한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히 스피커를 이용하는 실감 음향 연구는 초다채널 스피커를 이용하여 물리적 음장 재현을 목표로 하는 방법과 소채널 스피커를 이용하여 사용자의 특성을 적용한 인지적 음장 재현을 목표로 하는 방법으로 나뉜다. 헤드폰과 스피커를 이용한 기존 연구들이 사용하는 기술들에 대해서 알아보고, 기존 기술의 장점과 단점에 대해서 분석해본다. 이를 통해 사용자 맞춤형 실감 음향 기술의 구현을 위한 연구 방향과 새롭게 적용할 수 있는 기술들에 제시하고자 한다.
본 논문은 2채널 스피커를 사용하여 청취자에게 보다 입체적인 음향 효과를 제시하기 위하여 크로스토크현상을 제거하고 청취자의 보다 자유로운 청취를 위해 최적 청취영역 확대를 위한 실험과 시스템 구현에 관한 것이다. 정면에 위치한 두 스피커로부터 교차경로인 크로스토크를 제거하기 위해 음질의 왜곡을 최소화하는 자유음장 모델을 이용하여 구현한 트랜스오럴 필터 사용하였고 최적 청취영역의 확대를 위해 스피커는 BPF(Band Pass Filter)를 이용하여 저주파와 고주파를 분리하여 각각 재생할 수 있는 스피커를 구성하였으며 저주파 영역은 제외하고 중고주파 영역을 이용하였으며 기존 크로스토크제거 시스템을 사용하여 고정된 한 점의 청취영역에서 좌${\cdot}$우로 5Cm씩 이동하au 100Cm까지 측정한 결과 30Cm, 55Cm, 75Cm, 90Cm, 100Cm에서 크로스토크제거됨을 알 수 있는 음의 분리도가 5dB이상 나타났다. 실험 결과 얻어진 각 지점들로부터 자유음장 모델을 이용하여 트랜스오럴 필터링 하였으며 각각의 간섭현상을 막기 위해 주파수 영역에서 심리음향에 기초한 1/3-Octave Band Pass Filter를 사용하여 음질 보상을 실시하였다. 음원을 제작하여 기존의 2채널 시스템에서 제시하는 음원을 각각의 위치의 음원과 비교하여 음질 평가를 실시하였으며 기존의 트랜스오럴 필터와 비교평가를 실시하였다.
본 논문에서는 5.1채널 입체음향 오디오 신호를 2채널의 헤드폰으로 재생하기 위한 HRTF (Head Related Transfer Function) 기반의 입체음향 생성 시스템에 대하여 다룬다. 각 채널의 모노 입력신호는 HRTF를 이용한 바이노럴(binaural) 필터링을 통해 가상적으로 음상정위되며, 입체감과 공간감을 증가시키기 위해 잔향효과가 추가된다. 연산량 감소를 위해 음상정위 성능을 저하시키지 않는 범위에서 HRTF의 임펄스 응답 탭 수를 줄였으며, 잔향효과를 위한 음장제어부에서는 초기반사열중 주요한 성분만을 지연기로 모델링하였다. 또한 비개인화된 HRTF DB에 의란 앞/뒤 혼돈 문제를 줄이기 위하여 앞/뒤 스펙트럼의 차를 가중치로 하여 HRTF 스펙트럼을 강조하는 방법을 적용하였다. 구현한 시스템의 성능 평가 결과, 단순한 스테레오 방법이나 2채널 Down Mixing 방식에 비해 현실감 있고 방향성 있는 입체음향을 느낄 수가 있었다.
수치해석 방법을 이용하여 실험으로 구한 머리전달함수 (Head Related Transfer Function: HRTF)를 컴퓨터 시뮬레이션으로 대치하고, 청취자의 머리 주변에서의 음장을 가시화하는 방법에 대해 다룬다. 본 논문에서는 경계요소법 (Boundary Element Method)과 무한요소법 (Infinite-Finite Element Method)의 두 가지 방법을 이용한다. 지금까지는 더미헤드 (Dummy-Head)등을 이용한 실험으로 머리전달함수를 구하였는데 이 실험에는 상당한 시간과 장비가 필요하다. 3차원 레이저스캐너를 이용하여 KEMAR 더미헤드의 형상을 측정하고 이것을 여러 다른 요소 수를 가지는 경계요소모델 및 무한요소모델로 변환하여 머리전달함수를 계산하고 모델의 요소 크기와 적용 가능한 주파수 대역과의 관계에 대해 분석한다. 측정을 통해 구한 머리전달함수와 비교하여 모델을 검증하고 음향학의 상반원리를 적용하여 머리전달함수의 데이터베이스를 구한다. 또한 몇 가지 가상음향 시스템에 대한 음장해석을 통해 주파수 및 시간영역에서의 음장을 가시화한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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