[논문]머리전달함수의 심리음향적 특성을 이용한 전/후 음상정위 특성 개선

구교식; 차형태

머리전달함수의 심리음향적 특성을 이용한 전/후 음상정위 특성 개선
Improvement of front/back Sound Localization Characteristics using Psychoacoustics of Head Related Transfer Function 원문보기

방송공학회논문지 = Journal of broadcast engineering, v.11 no.4, 2006년, pp.448 - 457

구교식 (숭실대학교 전자공학과,멀티미디어시스템 연구실) , 차형태 (숭실대학교 전자공학과,멀티미디어시스템 연구실)

초록
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일반적으로 3D 입체음향을 생성하기 위해서는 소리가 음원으로부터 청자의 두 귀에 이르는 정보를 포함하고 있는 머리전달함수를 사용한다. 그러나 HRTF의 비개인화적인 특성 때문에 양쪽 귀까지의 거리가 같아지는 혼돈원추상에서는 앞/뒤 방향지각에 대한 혼돈을 주게 됨으로써 입체감을 저하시키게 된다. 이에 본 논문에서는 인간의 청각특성에 따른 여기에너지를 이용하여 앞/뒤 음상정위의 특성을 개선하는 방법을 제안하고자 한다. 서로 대칭되는 각 HRTF의 여기 에너지를 계산하고 각 bark 대역에 따른 에너지의 비율을 추출하는 방식으로써 각 HRTF의 스펙트럼 특성을 부각시키는 방법을 제안하였으며 청감테스트를 통해서 제안한 방식이 기존 방법보다 방향감을 개선시킴을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

HRTF DB, including the information of the sounds which is arrived to our ears, is generally used to make a 3D sound. But it can decline some three-dimensional effects by the confusion between front and back directions due to the non-individual HRTF depending on each listener. In this paper, we propose a new method to use psychoacoustic theory that reduces the confusion of sound image localization. And we make use of an excitation energy by the sense of hearing. This method is brought HRTF spectrum characteristics into relief to draw out the energy ratio about the bark band. Informal listening tests show that the proposed method improves the front-back sound localization characteristics much better than the conventional methods.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 앞/뒤 음상정위의 혼돈을 개선하기 위해 심리음향적인 특성을 이용하는 알고리즘을 제안하고자 한다.
이 때 마스킹 효과나 절대가청한계 등의 인간의 청각 특성으로 인해 지각적으로 무관한 정보는 인간의 청각에 영향을 끼치지 못하게 된다. 따라서 본 논문에서는 인간의 청각 특성을 기반으로 한 알고리즘을 제안한다.
본 논문에서는 HRTF를 이용한 3D 입체음향 생성과정에서 심리음향을 이용한 앞/뒤 방향지각의 혼돈을 개선하기 위한 알고리즘을 제안한다. 바이노럴 시스템에서 HRTF 를 이용하여 3D 입체음향을 생성할 경우 시간이나 레벨의 차 등 소리가 음원에서 인간의 두 귀에 도달하는 정보를 이용하게 된다.
본 논문은 HRTF를 이용하여 3D 입체 음향을 생성하는 과정에서 발생하는 앞/뒤 음상정위 특성에 대한 혼돈을 개선하기 위한 알고리즘을 제안한다.

제안 방법

더불어 본 알고리즘이 음질에 미치는 영향을 확인하기 위하여 음질테스트를 실시하였다. 비교대상은 원 HRTF, 주파수 대역별로 가중치를 주는 방식 및 제안된 알고리즘이며 테스트 방법은 오디오 전문 분야에 종사하지 않는 남녀 10명을 대상으로 하여 음질이 가장 떨어지는 신호를 1 로 하여 각 방향에 대한 결과를 제시하도록 하였다.
차를 이용하는 방법이 있다[7]. 먼저 서로 대칭되는 방향의 스펙트럼차를 이용하여 가중치 함수를 생성한 후 원 HRTF에 적용함으로써 HRTF를 수정하게 된다.
실시하였다. 비교대상은 원 HRTF, 주파수 대역별로 가중치를 주는 방식 및 제안된 알고리즘이며 테스트 방법은 오디오 전문 분야에 종사하지 않는 남녀 10명을 대상으로 하여 방향감이 가장 떨어지는 신호를 1로 기준을 삼아서 개선 정도를 점수로 나타내도록 하였다.
음질테스트를 실시하였다. 비교대상은 원 HRTF, 주파수 대역별로 가중치를 주는 방식 및 제안된 알고리즘이며 테스트 방법은 오디오 전문 분야에 종사하지 않는 남녀 10명을 대상으로 하여 음질이 가장 떨어지는 신호를 1 로 하여 각 방향에 대한 결과를 제시하도록 하였다.
에서 측정한 것을 사용하였다. 사운드 신호재생을 위해 청취자의 귀에 밀착되는 헤드폰(audio- technica ATH-ES7)을 사용하였으며 청취자가 사전에 음원의 종류를 인지할 수 없도록 하기 위하여 청취자와 실험에 사용된 컴퓨터와 거리를 두도록 하였으며 무순서로 음원을 재생하였다.
이렇게 구해진 가중치를 원 HRTFa 주파수 스펙트럼에 적용하여 각 방향에 따른 우세한 대역을 증폭시켜 준다. 그러면 스펙트럼 상의 피크나 노치 같은 성분이 강조되어 결과적으로는 혼돈방향의 두 HRTF의 청각자극에너지 차이가 부각되는 효과를 얻게 된다.
이에 각 시스템에서의 신호 에너지 표현인 임계 대역 에너지와 각 임계 대역 에너지에 대한 지각적인 응답을 나타내는 자극 에너지를 이용하여 각 방향에 대해 인간의 귀에 영향을 크게 끼치는 부분을 수정하는 알고리즘을 제안하였다. 이러한 청각적 자극 에너지를 이용한 개선 방식은 사운드가 인간의 청각에 미치는 영향을 직접 제어함으로써 주파수 스펙트럼을 이용한 기존의 방식에 비해 정확한 방향감을 생성할 수 있었다.
제안된 알고리즘의 성능을 평가하기 위하여 (0/180°, 30 7150°, 457135°, 607120°의 네 방향에 대하여 청감테스트를 실시하였다. 비교대상은 원 HRTF, 주파수 대역별로 가중치를 주는 방식 및 제안된 알고리즘이며 테스트 방법은 오디오 전문 분야에 종사하지 않는 남녀 10명을 대상으로 하여 방향감이 가장 떨어지는 신호를 1로 기준을 삼아서 개선 정도를 점수로 나타내도록 하였다.

이론/모형

적용한다. 다음으로 방향지각에 혼돈을 일으키는 a의 대칭방향, b의 머리전달함수, HRTFb의 주파수 스펙트럼 특성을 확인하기 위하여 Fourier Transfbrm을 적용한다.
먼저 음상을 정위시킬 방향, a의 머리전달함수, HRTFa 의 주파수 스펙트럼 특성을 확인하기 위하여 Fourier Transfbrm을 적용한다. 다음으로 방향지각에 혼돈을 일으키는 a의 대칭방향, b의 머리전달함수, HRTFb의 주파수 스펙트럼 특성을 확인하기 위하여 Fourier Transfbrm을 적용한다.

성능/효과

느낄 수 있도록 하는 것이다. 5.1ch나 7.1ch 등의 다채널 재생 시스템에서 입체음향은 서라운드 출력 채널을 증가시킴으로 인해 그 효과를 증가시킬 수 있으나 설치비. 용 및 복잡성의 증가와 공간적인 제약이 뒤따른다는 단점이 있다.
[표 3]과 [표 4]에서 확인할 수 있듯이 제안된 방법이 기존의 방법에 비해서 효과가 있음을 확인할 수 있다. 이는 제안된 방법을 이용하여 원 HRTF의 스펙트럼에서 각 방향에 따라 인간의 청각에 끼치는 영향이 큰 대역을 조절해 줌으로서 결과적으로 방향 결정대역이 갖는 에너지를 증가시켜주어 그에 따른 청각에 미치는 영향을 조절할 수 있기 때문이다.
[표 6]은 각 방향에 대한 음질 테스트 결과를 나타내고 있으며 제안된 알고리즘을 통해 생성된 입체음향의 음질이 기존 알고리즘의 음질보다 개선되었음을 알 수 있다.
이러한 청각적 자극 에너지를 이용한 개선 방식은 사운드가 인간의 청각에 미치는 영향을 직접 제어함으로써 주파수 스펙트럼을 이용한 기존의 방식에 비해 정확한 방향감을 생성할 수 있었다. 또한 제안된 알고리즘의 개선 결과를 확인하기 위해서 오디오 비전문가를 대상으로 청감테스트를 실시하여 기존의 알고리즘에 비해 앞/뒤 방향지각의 혼돈 문제가 개선됨을 확인할 수 있었다.
이러한 청각적 자극 에너지를 이용한 개선 방식은 사운드가 인간의 청각에 미치는 영향을 직접 제어함으로써 주파수 스펙트럼을 이용한 기존의 방식에 비해 정확한 방향감을 생성할 수 있었다. 또한 제안된 알고리즘의 개선 결과를 확인하기 위해서 오디오 비전문가를 대상으로 청감테스트를 실시하여 기존의 알고리즘에 비해 앞/뒤 방향지각의 혼돈 문제가 개선됨을 확인할 수 있었다.

후속연구

있어서 현실감을 더해줄 것이다. 그러나 이러한 청각 모델링이 상당히 주관적인 특색을 가지므로 모든 사람들에게 동일한 효과를 느끼게 하기에는 한계가 있으므로 청각 모델링의 오차를 낮추기 위한 여러 가지 연구가 동반되어야 할 것이다.
본 알고리즘은 사람이 단지 2개의 귀로 입사되는 음향으로 모든 음감을 지각한다는 점을 감안하여 음원으로부터 인간의 고막까지를 전달 경로로 모델링하는 실감 음향기술에 있어서 현실감을 더해줄 것이다. 그러나 이러한 청각 모델링이 상당히 주관적인 특색을 가지므로 모든 사람들에게 동일한 효과를 느끼게 하기에는 한계가 있으므로 청각 모델링의 오차를 낮추기 위한 여러 가지 연구가 동반되어야 할 것이다.

참고문헌 (14)

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Chong-Jin Tan, Woon-Seng Gan, 'User-defined spectral manipulation of HRTF for improved localisation in 3D sound systems', Electronics letters Vol.34 No.25, 1998

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김학진, '크로스토크 제거를 통한 입체 음향 구현에 과한 연구', 전자 공학회논문지 제 41권 SP편 제 2호, 2004
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Ming Zhang, Kah-Chye Tan, M.H.Er, 'A Refined Algorithm of 3D Sound Synthesis', ICSP98, 1998

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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