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KR101038574B1 - 3차원 오디오 음상 정위 방법과 장치 및 이와 같은 방법을 구현하는 프로그램이 기록되는 기록매체 - Google Patents

3차원 오디오 음상 정위 방법과 장치 및 이와 같은 방법을 구현하는 프로그램이 기록되는 기록매체 Download PDF

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KR101038574B1
KR101038574B1 KR1020090003761A KR20090003761A KR101038574B1 KR 101038574 B1 KR101038574 B1 KR 101038574B1 KR 1020090003761 A KR1020090003761 A KR 1020090003761A KR 20090003761 A KR20090003761 A KR 20090003761A KR 101038574 B1 KR101038574 B1 KR 101038574B1
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bumping
panning
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signal
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박영철
윤대희
최택성
이석필
현동일
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전자부품연구원
연세대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 3차원 오디오 음상 정위 방법과 장치 및 이와 같은 방법을 구현하는 프로그램이 기록되는 기록매체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 본 발명은 범핑 주파수 영역과 비범핑 주파수 영역을 서로 다른 패닝 방법으로 수행함으로써 보다 정확한 음상 정위를 구현할 수 있는 3차원 오디오 음상 정위 방법과 장치 및 이와 같은 방법을 구현하는 프로그램이 기록되는 기록매체에 관한 것이다.
본 발명의 일례에 따른 3차원 음상 정위 처리 방법은 음원 신호의 주파수 영역 신호로부터 범핑(Bumping)이 발생하는 범핑 주파수 대역을 추출하는 범핑 주파수 추출단계; 및 범핑 주파수 대역의 신호에 대해 음상 정위가 이루어지도록 귀간 시간 지연 차이(Interaural time difference; ITD)를 재생하기 위한 위상 변조값인 채널간 시간 지연값(Inter channel time difference ;ICTD)과 귀간 레벨 차이(Interaural level difference; ILD)를 재생하기 위한 크기 변조값인 채널간 레벨 차이값(Inter channel level difference ;ICLD)을 계산하는 복소 패닝 계산(Vector Base Complex Amplitude Panning; VBCAP) 단계;를 포함한다.
또한, 본 발명의 일례에 따른 3차원 음상 정위 처리 장치는 음원 신호의 주파수 영역 신호로부터 범핑(Bumping)이 발생하는 범핑 주파수 대역과 범핑 주파수 대역을 제외한 비범핑 주파수 대역을 각각 추출하는 주파수 추출부;와 음원 신호에 대해 음상 정위가 이루어지도록 하기 위해 범핑 주파수 대역의 신호에 대해서는 위상 변조값인 채널간 시간 지연값(Inter channel time difference ;ICTD)과 크기 변 조값인 채널간 레벨 차이값(Inter channel level difference ;ICLD)을 구하고, 비범핑 주파수 대역의 신호에 대해서는 크기 변조값인 벡터 기반 크기 패닝(Vector Base Amplitude Panning; VBAP) 값을 계산하는 패닝 계산부; 및 범핑 주파수 대역의 신호에 대해서는 채널간 레벨 차이값(ICLD)과 채널간 시간 지연값(ICTD)을 복수의 스피커에 입력되는 신호 각각에 음상 정위가 이루어지도록 적용하고, 비범핑 주파수 대역의 신호에 대해서는 크기 패닝 값을 복수의 스피커에 입력되는 신호 각각에 음상 정위가 이루어지도록 적용하는 패닝값 적용부;를 포함할 수 있다.
음상 정위, 머리 전달 함수, 귀간 시간 지연 차이, 귀간 레벨 차이

Description

3차원 오디오 음상 정위 방법과 장치 및 이와 같은 방법을 구현하는 프로그램이 기록되는 기록매체 {3D Audio localization method and device and the recording media storing the program performing the said method}
본 발명은 3차원 오디오 음상 정위 방법과 장치 및 이와 같은 방법을 구현하는 프로그램이 기록되는 기록매체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 본 발명은 범핑 주파수 영역과 비범핑 주파수 영역을 서로 다른 패닝 방법으로 수행함으로써 보다 정확한 음상 정위를 구현할 수 있는 3차원 오디오 음상 정위 방법과 장치 및 이와 같은 방법을 구현하는 프로그램이 기록되는 기록매체에 관한 것이다.
오디오 비쥬얼 기술은 빠른 속도로 통합 미디어 기술로 수렴되고 있다. 오디오 비쥬얼 기술에 대한 연구는 최근 빠른 속도로 증가되어 왔다. 멀티미디어의 발전이 오디오와 음향 분야에 새로운 응용분야와 연구주제를 제공하였고, 대표적인 연구 주제가 가상 현실, 가상 음향 환경이다.
버츄얼 사운드 소스의 정확한 3차원 음상 정위는 오디오 비쥬얼 기술에 가장 핵심 연구 분야중 하나이다. 이와 같은 3차원 오디오 시스템의 목적은 청취자의 귀 주변에서 의도한 소리의 재생을 하는 것이다.
이와 같은 3차원 음상 정위를 위해 일반적으로 사용되는 벡터 기반 크기 패닝(Vector Base Amplitude Panning; VBAP) 방법은 똑 같은 음원 소스를 청취자로부터 등간격의 2개 혹은 그 이상의 스피커에 적절한 크기를 가지고 전달하는 방법이다. 이때 청취자는 임의의 한 지점에서 오디토리 오브젝트를 인지하게 되는데, 이때 인지된 오디토리 오브젝트를 버츄얼 소스 혹은 팬텀 소스라고 부른다.
이에 대해 보다 자세하게 설명하면, 2개 혹은 그 이상의 스피커들이 청취자로부터 등간격으로 서로 다른 방향에 위치한다고 가정할 때, 벡터 기반 크기 패닝(VBAP) 방법에 의하면 각각의 스피커에 입력되는 신호는 xi(t)=gi*x(t), i=1, 2,...,N 으로 표현할 수 있다.
여기서, xi(t)는 시간 t에서 i 번째 스피커에 입력되는 신호, x(t)는 시간 t에서 동일한 크기의 사운드 신호, gi는 각각의 스피커의 채널에 따른 크기 게인(gain)이고, N은 스피커의 개수이다.
이와 같은 각각의 스피커에 입력되는 신호 xi(t)가 스피커를 통해 증폭되어 청취자의 귀에 도달할 때 신호들은 청취자의 귀에서 합쳐지고 새로운 신호를 형성하게 된다. 이러한 신호의 성질들이 인지된 음상 정위를 규정하게 되고, 이를 합 음상 정위라고 한다.
한편, 이와 같은 종래의 벡터 기반 크기 패닝(VBAP) 방법을 이용한 음상 정위 방법 및 장치에 의한 경우 특정 주파수 대역에서는 범핑(Bumping)으로 인해 청취자의 귀에서 원하는 귀간 시간 지연 차이(Interaural time difference; ITD)와 귀간 레벨 차이(Interaural level difference; ILD) 정보를 만들어 내지 못하는 문제점이 있었다.
예를 들어, 도 1과 같이 두 개의 스피커(10, 20)가 청취자의 전방 수평 평면 방향으로 양면에 대칭적으로 놓여지고, 스피커들이 펼쳐진 각도(θ0)가 60도인 경우, 1700Hz 주변의 주파수 대역에서 귀간 시간 지연 차이(ITD)와 귀간 레벨 차이(ILD)는 심한 범핑(bumping)으로 제대로된 정보를 만들어 내지 못하여 청취자로서는 가상 음원(30)의 각도인 θT를 구체적으로 인지하지 못하게 되는 문제점이 있다.
이는 음원 신호의 주파수 대역이 1700Hz인 경우 파장은 대략 190mm가 된다. 그리고, 스테레오 청취환경에서 하나의 스피커와 양귀에서의 전달 경로 길이의 차이가 80-100 mm이다. 이러한 주파수 영역에서는 청취자의 왼쪽 귀방향으로 타측면의 스피커(20)로부터 도착하는 음원 신호는 일측면 스피커(10)로부터 도착하는 음원신호와 비교하였을 때 대략 반주기 정도의 시간 지연이 생긴다. 이때 일어나는 신호의 상쇄가 귀간 레벨 차이 (ILD)에 범핑을 일으키고 또한 귀간 시간 지연 (ITD) 에 범핑을 일으키기 때문이다.
본 발명은 3차원 음상 정위를 구현하기 위해 범핑 주파수 영역과 비범핑 주파수 영역의 음원 신호를 서로 다른 패닝 방법을 사용하여 계산하고 이를 스피커의 입력 신호에 적용함으로써, 보다 정확한 3차원 음상 정위를 구현할 수 있는 3차원 오디오 음상 정위 방법과 장치 및 이와 같은 방법을 구현하는 프로그램이 기록되는 기록매체를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일례에 따른 3차원 음상 정위 처리 방법은 음원 신호의 주파수 영역 신호로부터 범핑(Bumping)이 발생하는 범핑 주파수 대역을 추출하는 범핑 주파수 추출단계; 및 범핑 주파수 대역의 신호에 대해 음상 정위가 이루어지도록 귀간 시간 지연 차이(Interaural time difference; ITD)를 재생하기 위한 위상 변조값인 채널간 시간 지연값(Inter channel time difference ;ICTD)과 귀간 레벨 차이(Interaural level difference; ILD)를 재생하기 위한 크기 변조값인 채널간 레 벨 차이값(Inter channel level difference ;ICLD)을 계산하는 복소 패닝 계산(Vector Base Complex Amplitude Panning; VBCAP) 단계;를 포함한다.
또한, 3차원 음상 정위 처리 방법은 채널간 레벨 차이값(ICLD)과 채널간 시간 지연값(ICTD)을 복수의 스피커에 입력되는 신호 각각에 음상 정위가 이루어지도록 적용하는 범핑 주파수 패닝값 적용 단계;를 더 포함할 수 있다.,
여기서, 범핑 주파수 패닝값 적용 단계는 복수의 스피커가 2 개인 경우, 2개의 스피커에 입력되는 각각의 신호의 크기는 ICLD 값과 1-ICLD값이고, 복수의 스피커 중 음상 정위를 위해 시간 지연이 필요한 스피커에 입력되는 신호에는 ICTD값을 곱 할 수 있다.
여기서, 범핑 주파수 대역은 1.1KHz~2.6KHz일 수 있다.
또한, 범핑 주파수 대역은 1.5KHz~1.9KHz의 N배수일 수 있다.
또한, 채널간 레벨 차이값(ICLD)인 a(θ,m,k)은 하기의 수학식으로 표현할 수 있다.
[수학식]
Figure 112009002969537-pat00001
여기서, 아래첨자 R은 청취자의 오른쪽 귀, L은 청취자의 왼쪽 귀이고, θ는 청취자의 정면과 스피커 사이의 각도, k는 크리티컬 밴드 인덱스(Critical band index), m은 시간 인덱스, A(k)는 미리 설정된 스피커의 크기 보정값,
Figure 112009002969537-pat00002
는 스피커의 페이즈 응답 값,
Figure 112009002969537-pat00003
,
Figure 112009002969537-pat00004
는 청취자의 양쪽 귀에서 원하는 각도 θ에 해당하는 머리 전달 함수(Head related transfer function; HRTF)이다.
또한, 채널간 시간 지연값(ICTD)인 b*는 하기의 수학식으로 표현 할 수 있다.
[수학식]
Figure 112009002969537-pat00005
여기서, 채널간 시간 지연값(ICTD)을 시간 지연이 필요한 스피커의 입력 신호에 곱하는 경우,
Figure 112009002969537-pat00006
형태로 곱해진다.
또한, 3차원 음상 정위 처리 방법은 음원 신호를 시간 영역의 신호에서 주파수 영역의 신호로 변환하는 푸리에 분석단계;를 더 포함할 수 있다.
여기서, 주파수 영역의 신호는 범핑 주파수 대역과 범핑 주파수 대역을 제외한 비범핑 주파수 대역을 포함하고, 3차원 음상 정위 처리 방법은 음원 신호의 주 파수 영역 신호로부터 비범핑 주파수 대역을 추출하는 비범핑 주파수 추출단계;와 비범핑 주파수 대역의 신호에 대해 음상 정위가 이루어지도록 하기 위해 벡터 기반 크기 패닝 값을 계산하는 크기 패닝 계산(Vector Base Amplitude Panning; VBAP) 단계; 및 비범핑 주파수 대역의 신호에 대한 크기 패닝 값을 복수의 스피커에 입력되는 신호 각각에 음상 정위가 이루어지도록 적용하는 비범핑 주파수 패닝값 적용 단계;를 더 포함할 수 있다.
여기서, 3차원 음상 정위 처리 방법은 범핑 주파수 패닝값이 적용된 주파수 대역의 신호와 비범핑 주파수 패닝값이 적용된 주파수 대역의 신호를 합산하는 합산 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일례에 따른 3차원 음상 정위 처리 장치는 음원 신호의 주파수 영역 신호로부터 범핑(Bumping)이 발생하는 범핑 주파수 대역과 범핑 주파수 대역을 제외한 비범핑 주파수 대역을 각각 추출하는 주파수 추출부;와 음원 신호에 대해 음상 정위가 이루어지도록 하기 위해 범핑 주파수 대역의 신호에 대해서는 위상 변조값인 채널간 시간 지연값(Inter channel time difference ;ICTD)과 크기 변조값인 채널간 레벨 차이값(Inter channel level difference ;ICLD)을 구하고, 비범핑 주파수 대역의 신호에 대해서는 크기 변조값인 벡터 기반 크기 패닝(Vector Base Amplitude Panning; VBAP) 값을 계산하는 패닝 계산부; 및 범핑 주파수 대역의 신호에 대해서는 채널간 레벨 차이값(ICLD)과 채널간 시간 지연값(ICTD)을 복수의 스피커에 입력되는 신호 각각에 음상 정위가 이루어지도록 적용하고, 비범핑 주파수 대역의 신호에 대해서는 크기 패닝 값을 복수의 스피커에 입력되는 신호 각각 에 음상 정위가 이루어지도록 적용하는 패닝값 적용부;를 포함할 수 있다.
여기서, 3차원 음상 정위 처리 장치는 음원 신호를 시간 영역의 신호에서 주파수 영역의 신호로 변환하는 푸리에 분석부;를 더 포함할 수 있다.
여기서, 3차원 음상 정위 처리 장치는 범핑 주파수 패닝값이 적용된 주파수 대역의 신호와 비범핑 주파수 패닝값이 적용된 주파수 대역의 신호를 합산하는 합산부;를 더 포함할 수 있다.
여기서, 주파수 추출부는 범핑 주파수 대역을 추출하는 범핑 주파수 추출부와 비범핑 주파수 대역을 추출하는 비범핑 주파수 추출부를 포함할 수 있다.
여기서, 범핑 주파수 대역은 1.1KHz~2.6KHz 일 수 있다.
여기서, 범핑 주파수 대역은 1.5KHz~1.9KHz의 N배수일 수 있다.
여기서, 패닝 계산부는 복소 패닝 계산(Vector Base Complex Amplitude Panning; VBCAP)부와 크기 패닝 계산(Vector Base Amplitude Panning; VBAP)부를 포함하고, 복소 패닝 계산(VBCAP)부는 범핑 주파수 대역의 신호에 대해 음상 정위가 이루어지도록 귀간 시간 지연 차이(Interaural time difference; ITD)를 재생하기 위한 위상 변조값인 채널간 시간 지연값(Inter channel time difference ;ICTD)과 귀간 레벨 차이(Interaural level difference; ILD)를 재생하기 위한 크기 변조값인 채널간 레벨 차이값(Inter channel level difference ;ICLD)을 계산하고, 크기 패닝 계산(VBAP)부는 비범핑 주파수 대역의 신호에 대해 음상 정위가 이루어지도록 벡터 기반 크기 패닝 값을 계산 할 수 있다.
또한, 패닝값 적용부는 범핑 주파수 패닝값 적용부와 비범핑 주파수 패닝값 적용부를 포함하고, 범핑 주파수 패닝값 적용부는 채널간 레벨 차이값(ICLD)과 채널간 시간 지연값(ICTD)을 복수의 스피커에 입력되는 신호 각각에 음상 정위가 이루어지도록 적용하고, 비범핑 주파수 패닝값 적용부는 비범핑 주파수 대역의 신호에 대한 크기 패닝 값을 복수의 스피커에 입력되는 신호 각각에 음상 정위가 이루어지도록 적용할 수 있다.
또한, 범핑 패닝값 적용부는 복수의 스피커가 2 개인 경우, 2개의 스피커에 입력되는 각각의 신호의 크기는 ICLD 값과 1-ICLD값이고, 복수의 스피커 중 음상 정위를 위해 시간 지연이 필요한 스피커에 입력되는 신호에는 ICTD값을 곱할 수 있다.
또한, 본 발명의 일례에 따른 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 상기 방법을 구현하는 프로그램이 기록되는 기록매체를 포함한다.
본 발명에 따른 3차원 오디오 음상 정위 방법과 장치 및 이와 같은 방법을 구현하는 프로그램이 기록되는 기록매체는 범핑 주파수 영역의 음원 신호에 대해서는 벡터 기반 복소 크기 패닝 방법(VBCAP)을 사용하고, 비범핑 주파수 영역의 음원 신호에 대해서는 벡터 기반 크기 패닝 방법(VBAP)를 사용하여 패닝값을 구하고, 스피커의 입력신호에 각각 적용함으로써 더욱 향상되고 정확한 음상 정위를 구현시키는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 3차원 음상 정위 처리 장치의 일례를 설명하기 위한 도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 청취자가 느끼는 특정 음원 신호의 발생위치를 가상의 위치에 정위시키는 3차원 음상 정위 처리 장치는 푸리에 분석부(100), 주파수 추출부(200), 패닝 계산부(300), 패닝값 적용부(400) 및 합산부(500)를 포함할 수 있다.
푸리에 분석부(100)는 음원 신호를 시간 영역의 신호에서 주파수 영역의 신호로 변환하는 기능을 한다. 이때 음원 신호를 시간 영역에서 주파수 영역으로 변 환할 때, 소정의 시간 단위로 변환 할 수 있는데, 예를 들면 음원 신호의 프레임 단위로 변환할 수도 있고, 하나의 프레임을 몇 개의 시간 영역으로 구분한 다음 각 시간 영역에 대해 주파수 영역으로 변환할 수도 있다.
이와 같이, 시간 영역의 음원 신호를 주파수 영역의 음원 신호로 변환하는 경우, 도 2b와 같이 주파수 영역의 음원 신호는 범핑 주파수 대역(f1~f2)과 f1~f2를 제외한 비범핑 주파수 대역을 포함한다.
여기서, 범핑 주파수 대역에 대해 보다 자세하게 설명하면, 음상 정위를 구현하기 위해 벡터 기반 크기 패닝(VBAP) 방법만을 이용하는 경우, 특정 주파수 대역에서는 청취자의 귀에서 원하는 귀간 시간 지연 차이(Interaural time difference; ITD)와 귀간 레벨 차이(Interaural level difference; ILD) 정보를 제대로 만들어 내지 못하여 원하는 음상 정위를 구현하지 못하는데, 이와 같은 특정 주파수 대역을 범핑 주파수 대역이라고 한다.
이와 같은 범핑 주파수 대역은 청취자를 기준으로 청취자와 배치된 스피커들 사이의 각도 및 청취자와 배치된 스피커들 사이의 거리에 따라 다르게 나타날 수 있다.
따라서, 이와 같은 범핑 주파수 대역은 청취자와 스피커들 사이의 각도가 좁은 경우, 예를 들어 배치된 스피커들이 청취자의 왼쪽 귀 쪽으로 치우쳐 배치된 경우 범핑 주파수 대역은 거의 나타나지 않을 수 있으나, 배치된 스피커들이 청취자의 양쪽으로 적절하게 각도를 이루어 대칭적으로 배치된 경우 범핑 주파수 대역은 보다 명확하게 나타난다.
이와 같은 범핑 주파수 대역은 예를 들어 스테레오 스피커가 2개이고, 배치되는 스피커가 청취자의 좌우로 대칭적으로 배치되는 경우 보통 1.1KHz ~ 2.6KHz 사이에 형성되고, 청취자를 기준으로 전방 양면으로 좌우 스피커의 각도가 60도인 전형적인 스테레오 청취 환경의 경우 대략 1.7KHz 내외에서 범핑 주파수가 발생하게 된다.
주파수 추출부(200)는 음원 신호의 주파수 영역 신호로부터 범핑(Bumping)이 발생하는 범핑 주파수 대역과 범핑 주파수 대역을 제외한 비범핑 주파수 대역을 각각 추출하는 기능을 한다.
이는 범핑 주파수 대역의 신호와 비범핌 주파수 대역의 신호를 각각 분리하여제대로 된 음상 정위를 실현하기 위하여 패닝 방법을 각각의 주파수 특성에 따라 다르게 적용하기 위함이다.
이와 같은 주파수 추출부(200)는 범핑 주파수 대역을 추출하는 범핑 주파수 추출부(210)와 비범핑 주파수 대역을 추출하는 비범핑 주파수 추출부(220)를 포함할 수 있다.
이와 같이 범핑 주파수 추출부(210)에서 추출되는 범핑 주파수 대역은 1.1KHz이상 2.6KHz이하가 되도록 할 수 있다.
이는 음상 정위를 구현하기 위하여 벡터 기반 크기 패닝(VBAP) 방법만을 이용하는 경우 패닝된 버츄얼 소스의 귀간 시간 지연 차이(Interaural time difference; ITD)는 1100Hz 이하의 저주파 대역에서 일관성을 보이고, 2600Hz이상 의 고주파에서는 귀간 레벨 차이(Interaural level difference; ILD) 정보가 저주파에서의 귀간 시간 지연 차이(ITD) 정보와 거의 일치한다.
그러나, 1100Hz ~ 2600Hz 사이의 주파수 대역에서는 범핑이 발생하는 주파수 대역(1100Hz ~ 2600Hz)에서의 신호 편차가 버츄얼 소스의 방향을 흐트러뜨리게 되어 청취자로 하여금 음원의 방향을 전체적으로 잘못된 방향으로 인지하게 만들기 때문에 귀간 레벨 차이(ILD)와 귀간 시간 지연 차이(ITD) 정보 전부가 귀간 시간 지연 차이 각(Interaural time difference angle; ITDA)으로부터 벗어나 정확한 음상 정위를 구현하지 못하게 된다.
따라서, 이와 같은 범핑 주파수 영역에 대해서는 이후에 설명할 복소 패닝 계산(Vector Base Complex Amplitude Panning; VBCAP) 방법으로 패닝값을 계산하여 보다 정확한 음상 정위를 구현하기 위함이다.
또한, 범핑 주파수 추출부(210)에서 추출되는 범핑 주파수 대역은 1.5KHz~1.9KHz의 N배수가 되도록 할 수 있다.
이는 청취자를 기준으로 스피커의 각도가 좌우 대략 60도 전후로 배치되는 전형적인 스테레오 청취 환경의 경우, 범핑 주파수의 대역이 대략 1.5KHz ~ 1.9KHz의 N배수에서 형성되기 때문이다.
패닝 계산부(300)는 음원 신호에 대해 음상 정위가 이루어지도록 하기 위해 범핑 주파수 대역의 신호에 대해서는 위상 변조값인 채널간 시간 지연값(Inter channel time difference ;ICTD)과 크기 변조값인 채널간 레벨 차이값(Inter channel level difference ;ICLD)을 구하고, 비범핑 주파수 대역의 신호에 대해서는 크기 변조값인 벡터 기반 크기 패닝(Vector Base Amplitude Panning; VBAP) 값을 계산하는 기능을 한다.
보다 자세하게 설명하면, 패닝 계산부(300)는 복소 패닝 계산(Vector Base Complex Amplitude Panning; VBCAP)부(310)와 크기 패닝 계산(Vector Base Amplitude Panning; VBAP)부(320)를 포함할 수 있다.
여기서, 복소 패닝 계산(VBCAP)부(310)는 범핑 주파수 대역의 신호에 대해 음상 정위가 이루어지도록 하기 위해 귀간 시간 지연 차이(Interaural time difference; ITD)를 재생하기 위한 위상 변조값인 채널간 시간 지연값(Inter channel time difference ;ICTD)과 귀간 레벨 차이(Interaural level difference; ILD)를 재생하기 위한 크기 변조값인 채널간 레벨 차이값(Inter channel level difference ;ICLD)을 계산한다.
여기서, 채널간 레벨 차이값(ICLD)인 a(θ,m,k)은 하기의 수학식 1로 표현될 수 있다.
Figure 112009002969537-pat00007
여기서, θ는 청취자의 정면과 스피커 사이의 각도, k는 크리티컬 밴드 인덱스(Critical band index), m은 시간 인덱스, A(k)는 미리 설정된 스피커의 크기 보 정값,
Figure 112009002969537-pat00008
는 스피커의 페이즈 응답 값, 아래첨자 R은 청취자의 오른쪽 귀, L은 청취자의 왼쪽 귀이고,
Figure 112009002969537-pat00009
,
Figure 112009002969537-pat00010
는 양쪽 귀에서 원하는 각도 θ에 해당하는 머리 전달 함수(Head related transfer function; HRTF)이다.
여기서, 머리전달함수(HRTF : head-related transfer function)는 자유 음장에서 어떤 특정한 위치에 있는 음원으로부터 사람 귀의 외이도(ear canal)에 이르기까지의 음원 신호의 전파(sound transmission) 특성을 나타내는 주파수축 상에서의 전달함수를 의미하며, 사람의 머리, 귓바퀴 그리고 상반신 등에 의한 선형왜곡을 포함하고 있다.
또한, A(k)는 미리 설정된 스피커의 크기 보정값으로 청취자와 배치되는 스피커의 위치가 이루는 각도 및 거리에 따라 달라질 수 있다.
또한, 채널간 시간 지연값(ICTD)인 b*는 하기의 수학식 2로 표현될 수 있다.
Figure 112009002969537-pat00011
여기서, 채널간 시간 지연값(ICTD)을 시간 지연이 필요한 스피커의 입력 신호에 곱하는 경우,
Figure 112009002969537-pat00012
형태로 곱해진다.
그리고, 크기 패닝 계산(VBAP)부(320)는 비범핑 주파수 대역의 신호에 대해 음상 정위가 이루어지도록 스피커의 이득값인 벡터 기반 크기 패닝 값을 계산한다.
이와 같은 벡터 기반 크기 패닝(VBAP) 값의 연산식은 스피커가 2개인 경우 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112009002969537-pat00013
여기서 g1, g2가 각각의 스피커에 전달될 이득값이고, θT는 청취자의 정면과 가상 음원이 이루는 각도이고, θ0는 청취자의 정면과 좌우 대칭된 스피커 사이의 각도이다.(도 1 참조)
패닝값 적용부(400)는 범핑 주파수 대역의 신호에 대해서는 채널간 레벨 차이값(ICLD)과 채널간 시간 지연값(ICTD)을 복수의 스피커에 입력되는 신호 각각에 음상 정위가 이루어지도록 적용하고, 비범핑 주파수 대역의 신호에 대해서는 크기 패닝 값을 복수의 스피커에 입력되는 신호 각각에 음상 정위가 이루어지도록 적용하는 기능을 한다.
보다 구체적으로 패닝값 적용부(400)는 범핑 주파수 패닝값 적용부(410)와 비범핑 주파수 패닝값 적용부(420)를 포함할 수 있다.
여기서, 범핑 주파수 패닝값 적용부(410)는 채널간 레벨 차이값(ICLD)과 채널간 시간 지연값(ICTD)을 복수의 스피커에 입력되는 신호 각각에 음상 정위가 이루어지도록 적용할 수 있다.
예를 들면, 범핑 주파수 패닝값 적용부(410)는 스피커가 2 개인 경우, 2개의 스피커에 입력되는 각각의 신호의 크기는 ICLD 값과 1-ICLD값이고, 복수의 스피커 중 음상 정위를 위해 시간 지연이 필요한 스피커에 입력되는 신호에는 ICTD값을 곱하여 범핑 주파수의 복소 패닝 계산값을 적용할 수 있다.
이와 같은 복소 패닝 계산값이 각각의 스피커에 적용되는 식의 일례는 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112009002969537-pat00014
여기서, YL(θ, m, k)는 청취자의 왼쪽 스피커로 입력되는 복소 패닝 계산값이 적용된 신호이고, YR(θ, m, k)는 청취자의 오른쪽 스피커로 입력되는 복소 패닝 계산값이 적용된 신호이다.
이와 같이, 복소 패닝 계산값이 각각의 스피커에 적용되는 경우, 청취귀의 귀로 입력되는 신호는 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112009002969537-pat00015
여기서, XL(θ, m, k)는 청취자의 왼쪽 귀로 입력되는 음원 신호이고, XR(θ, m, k)는 청취자의 오른쪽 귀로 입력되는 음원 신호이다.
이와 같이, 청취자의 일측면 귀로 입력되는 음원 신호는 청취자의 타측면에 배치되는 스피커의 입력 음원 신호에 미리 설정된 스피커의 크기 보정값과 귀간 지연 시간(ICTD)에 대한 위상 변조값이 곱해진 값과 청취자의 일측면에 배치되는 스피커의 입력 음원 신호와의 합으로 표현되어 음원 신호의 위상차로 인한 범핑 문제를 해결할 수 있는 것이다.
또한, 비범핑 주파수 패닝값 적용부(420)는 비범핑 주파수 대역의 신호에 대한 크기 패닝 값을 복수의 스피커에 입력되는 신호 각각에 음상 정위가 이루어지도록 적용하는 기능을 한다. 이와 같은 비범핑 주파수 패닝값 적용부(420)가 패닝 값을 복수의 스피커에 입력되는 신호 각각에 음상 정위가 이루어지도록 적용하는 방법은 주파수 영역에서 통상적으로 벡터 기반 크기 패닝(Vector Base Amplitude Panning; VBAP) 값을 각각의 스피커 입력 신호에 적용하는 방법과 동일하다.
합산부(500)는 범핑 주파수 패닝값이 적용된 주파수 대역의 신호와 비범핑 주파수 패닝값이 적용된 주파수 대역의 신호를 합산하는 기능을 한다.
이후에는 통상적으로 사용되는 3차원 음상 정위 처리 방법에 의하여 정확한 음상 정위를 구현할 수 있는 것이다.
이와 같은 본 발명에 따른 3차원 음상 정위 처리 장치는 종래 스피커의 크기만 조절하여 음상 정위를 구현하는 방법에서 문제되었던 특정 주파수 대역에서의 범핑 문제를 결과적으로 비범핑 주파수 대역에 대해서는 벡터 기반 크기 패닝(Vector Base Amplitude Panning; VBAP) 방법을 사용하고, 범핑 주파수 대역에 대해서만 채널간 시간 지연값(ICTD)과 채널간 레벨 차이값(ICLD)을 곱해지도록 벡터 기반 복소 패닝(Vector Base Complex Amplitude Panning; VBCAP) 방법을 사용함으로써 해결할 수 있는 것이다.
한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, ROM, 플로피 디스크, 하드 디스크, 자기 테이프 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, CD-ROM, DVD, 광데이터 저장장치 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장매체를 포함한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것 이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 종래의 벡터 기반 크기 패닝(VBAP) 방법을 이용한 음상 정위의 문제점을 설명하기 위한 도.
도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 3차원 음상 정위 처리 장치의 일례를 설명하기 위한 도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 도면 부호의 설명>
100 : 푸리에 분석부 200 : 주파수 추출부
300 : 패닝 계산부 400 : 패닝값 적용부
500 : 합산부

Claims (23)

  1. 푸리에 분석부가 입력된 음원 신호를 시간 영역의 신호에서 주파수 영역의 신호로 변환하는 푸리에 분석단계;
    주파수 추출부가 상기 음원 신호의 주파수 영역 신호로부터 귀간 시간 지연 차이(Interaural time difference; ITD)와 귀간 레벨 차이(Interaural level difference; ILD) 정보를 구현하는데 방해되는 범핑(Bumping)이 발생하는 범핑 주파수 대역을 추출하는 범핑 주파수 추출단계; 및
    패닝 계산부가 상기 범핑 주파수 대역의 신호에 대해 음상 정위가 이루어지도록 귀간 시간 지연 차이(Interaural time difference; ITD)를 재생하기 위한 위상 변조값인 채널간 시간 지연값(Inter channel time difference ;ICTD)과 귀간 레벨 차이(Interaural level difference; ILD)를 재생하기 위한 크기 변조값인 채널간 레벨 차이값(Inter channel level difference ;ICLD)을 계산하는 복소 패닝 계산(Vector Base Complex Amplitude Panning; VBCAP) 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 음상 정위 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 3차원 음상 정위 처리 방법은
    패닝값 적용부가 상기 채널간 레벨 차이값(ICLD)과 채널간 시간 지연값(ICTD)을 복수의 스피커에 입력되는 신호 각각에 음상 정위가 이루어지도록 적용하는 범핑 주파수 패닝값 적용 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 음상 정위 처리 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 범핑 주파수 패닝값 적용 단계는
    상기 복수의 스피커가 2 개인 경우,
    상기 패닝값 적용부가 상기 2개의 스피커에 입력되는 각각의 신호의 크기는 ICLD 값과 1-ICLD값이고, 상기 복수의 스피커 중 음상 정위를 위해 시간 지연이 필요한 스피커에 입력되는 신호에는 ICTD값을 곱하는 것
    을 특징으로 하는 3차원 음상 정위 처리 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 범핑 주파수 대역은 1.1KHz~2.6KHz인 것을 특징으로 하는 3차원 음상 정위 처리 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 범핑 주파수 대역은 1.5KHz~1.9KHz의 N배수인 것을 특징으로 하는 3차원 음상 정위 처리 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널간 레벨 차이값(ICLD)인 a(θ,m,k)은 하기의 수학식
    Figure 112011007567269-pat00016
    으로 표현되고, 여기서, 아래첨자 R은 청취자의 오른쪽 귀, L은 청취자의 왼쪽 귀이고, θ는 청취자의 정면과 스피커 사이의 각도, k는 크리티컬 밴드 인덱스(Critical band index), m은 시간 인덱스, A(k)는 미리 설정된 스피커의 크기 보정값,
    Figure 112011007567269-pat00017
    는 스피커의 페이즈 응답 값,
    Figure 112011007567269-pat00018
    ,
    Figure 112011007567269-pat00019
    는 청취자의 양쪽 귀에서 원하는 각도 θ에 해당하는 머리 전달 함수(Head related transfer function; HRTF)인 것을 특징으로 하는 3차원 음상 정위 처리 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널간 시간 지연값(ICTD)인 b*는 하기의 수학식
    Figure 112011007567269-pat00020
    으로 표현되고, 여기서, 채널간 시간 지연값(ICTD)을 시간 지연이 필요한 스피커의 입력 신호에 곱하는 경우,
    Figure 112011007567269-pat00021
    형태로 곱해지는 것을 특징으로 하는 3차원 음상 정위 처리 방법.
  8. 삭제
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 주파수 영역의 신호는 상기 범핑 주파수 대역과 상기 범핑 주파수 대역을 제외한 비범핑 주파수 대역을 포함하고,
    상기 3차원 음상 정위 처리 방법은
    상기 주파수 추출부가 상기 음원 신호의 주파수 영역 신호로부터 비범핑 주파수 대역을 추출하는 비범핑 주파수 추출단계;
    상기 패닝 계산부가 상기 비범핑 주파수 대역의 신호에 대해 음상 정위가 이루어지도록 하기 위해 벡터 기반 크기 패닝 값을 계산하는 크기 패닝 계산(Vector Base Amplitude Panning; VBAP) 단계; 및
    상기 패닝값 적용부가 상기 비범핑 주파수 대역의 신호에 대한 크기 패닝 값을 복수의 스피커에 입력되는 신호 각각에 음상 정위가 이루어지도록 적용하는 비범핑 주파수 패닝값 적용 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 음상 정위 처리 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 3차원 음상 정위 처리 방법은
    합산부가 상기 범핑 주파수 패닝값이 적용된 주파수 대역의 신호와 상기 비범핑 주파수 패닝값이 적용된 주파수 대역의 신호를 합산하는 합산 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 음상 정위 처리 방법.
  11. 입력된 음원 신호를 시간 영역의 신호에서 주파수 영역의 신호로 변환하는 푸리에 분석부;
    상기 음원 신호의 주파수 영역 신호로부터 범핑(Bumping)이 발생하는 범핑 주파수 대역과 상기 범핑 주파수 대역을 제외한 비범핑 주파수 대역을 각각 추출하는 주파수 추출부; 및
    상기 음원 신호에 대해 음상 정위가 이루어지도록 하기 위해 상기 범핑 주파수 대역의 신호에 대해서는 위상 변조값인 채널간 시간 지연값(Inter channel time difference ;ICTD)과 크기 변조값인 채널간 레벨 차이값(Inter channel level difference ;ICLD)을 구하고, 상기 비범핑 주파수 대역의 신호에 대해서는 크기 변조값인 벡터 기반 크기 패닝(Vector Base Amplitude Panning; VBAP) 값을 계산하는 패닝 계산부;
    를 포함하는 3차원 음상 정위 처리 장치.
  12. 삭제
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 3차원 음상 정위 처리 장치는
    상기 범핑 주파수 패닝값이 적용된 주파수 대역의 신호와 상기 비범핑 주파수 패닝값이 적용된 주파수 대역의 신호를 합산하는 합산부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 음상 정위 처리 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 주파수 추출부는 상기 범핑 주파수 대역을 추출하는 범핑 주파수 추출부와 상기 비범핑 주파수 대역을 추출하는 비범핑 주파수 추출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 음상 정위 처리 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 범핑 주파수 대역은 1.1KHz~2.6KHz인 것을 특징으로 하는 3차원 음상 정위 처리 장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 범핑 주파수 대역은 1.5KHz~1.9KHz의 N배수인 것을 특징으로 하는 3차원 음상 정위 처리 장치.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 패닝 계산부는 복소 패닝 계산(Vector Base Complex Amplitude Panning; VBCAP)부와 크기 패닝 계산(Vector Base Amplitude Panning; VBAP)부를 포함하고,
    상기 복소 패닝 계산(VBCAP)부는 상기 범핑 주파수 대역의 신호에 대해 음상 정위가 이루어지도록 귀간 시간 지연 차이(Interaural time difference; ITD)를 재생하기 위한 위상 변조값인 채널간 시간 지연값(Inter channel time difference ;ICTD)과 귀간 레벨 차이(Interaural level difference; ILD)를 재생하기 위한 크기 변조값인 채널간 레벨 차이값(Inter channel level difference ;ICLD)을 계산하고,
    상기 크기 패닝 계산(VBAP)부는 상기 비범핑 주파수 대역의 신호에 대해 음상 정위가 이루어지도록 벡터 기반 크기 패닝 값을 계산하는 것
    것을 특징으로 하는 3차원 음상 정위 처리 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 채널간 레벨 차이값(ICLD)인 a(θ,m,k)은 하기의 수학식
    Figure 112011007567269-pat00022
    으로 표현되고, 여기서, 아래첨자 R은 청취자의 오른쪽 귀, L은 청취자의 왼쪽 귀이고, θ는 청취자의 정면과 스피커 사이의 각도, k는 크리티컬 밴드 인덱스(Critical band index), m은 시간 인덱스, A(k)는 미리 설정된 스피커의 크기 보정값,
    Figure 112011007567269-pat00023
    는 스피커의 페이즈 응답 값,
    Figure 112011007567269-pat00024
    ,
    Figure 112011007567269-pat00025
    는 양쪽 귀에서 원하는 각도 θ에 해당하는 머리 전달 함수(Head related transfer function; HRTF)인 것을 특징으로 하는 3차원 음상 정위 처리 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 채널간 시간 지연값(ICTD)인 b*는 하기의 수학식
    Figure 112011007567269-pat00026
    으로 표현되고, 여기서, 채널간 시간 지연값(ICTD)을 시간 지연이 필요한 스피커의 입력 신호에 곱하는 경우,
    Figure 112011007567269-pat00027
    형태로 곱해지는 것을 특징으로 하는 3차원 음상 정위 처리 장치.
  20. 제 11 항에 있어서,
    상기 비범핑 주파수 대역의 신호에 대해서는 상기 크기 패닝 값을 복수의 스피커에 입력되는 신호 각각에 음상 정위가 이루어지도록 적용하는 패닝값 적용부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 음상 정위 처리 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 패닝값 적용부는 범핑 주파수 패닝값 적용부와 비범핑 주파수 패닝값 적용부를 포함하고,
    상기 범핑 주파수 패닝값 적용부는 상기 채널간 레벨 차이값(ICLD)과 채널간 시간 지연값(ICTD)을 복수의 스피커에 입력되는 신호 각각에 음상 정위가 이루어지도록 적용하고,
    상기 비범핑 주파수 패닝값 적용부는 상기 비범핑 주파수 대역의 신호에 대 한 크기 패닝 값을 복수의 스피커에 입력되는 신호 각각에 음상 정위가 이루어지도록 적용하는 것
    을 특징으로 하는 3차원 음상 정위 처리 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 범핑 패닝값 적용부는
    상기 복수의 스피커가 2 개인 경우,
    상기 2개의 스피커에 입력되는 각각의 신호의 크기는 ICLD 값과 1-ICLD값이고, 상기 복수의 스피커 중 음상 정위를 위해 시간 지연이 필요한 스피커에 입력되는 신호에는 ICTD값을 곱하는 것
    을 특징으로 하는 3차원 음상 정위 처리 장치.
  23. 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 있어서,
    제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 구현하는 프로그램이 기록되는 기록매체.
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