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다채널 스피커 환경에서 가상 음원을 생성하기 위한 레벨 패닝 알고리즘

Amplitude Panning Algorithm for Virtual Sound Source Rendering in the Multichannel Loudspeaker System

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.30 no.4, 2011년, pp.197 - 206  

전세운 (연세대학교 전기전자공학과) ,  박영철 (연세대학교 컴퓨터정보통신공학부) ,  이석필 (전자부품연구원(KETI) 디지털미디어 연구센터) ,  윤대희 (연세대학교 전기전자공학과)

초록
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본 논문에서는 다채널 스피커를 사용하는 음향 시스템에서의 가상 음원 생성 알고리즘을 제안하고 있다. 영상 신호의 표준은 보다 높은 해상도와 더 넓은 시야각을 제공하는 HD급이나 그 이상의 UHD급 등의 규격이 점차 상용화되고 있다. 그에 따라 음향 신호 또한 더 넓어진 음향 공간에서의 효과적인 음원 생성에 대한 필요성이 증가하고 있다. 기존의 스테레오 스피커 시스템으로는 원하는 사운드 효과를 재생하는데 한계를 가질 수밖에 없기 때문에, 여러 개의 스피커를 사용한 다양한 배치의 다채널 스피커 시스템이 제안되고 있다. 그러나 다수의 스피커를 사용한 시스템에서 기존의 사운드 패닝 알고리즘과 같은 가상 음원 생성 기술을 그대로 적용할 경우, 불연속적인 방향성 문제나 음색 열하 등의 또다른 문제가 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위하여 임의의 배치의 다채널 스피커 시스템에서 적용 가능한 벡터 기반의 가상 음원 생성 알고리즘을 제안하였다. 제안된 알고리즘은 벡터 기반의 게인 조절 함수를 이용하여 음원의 방향감을 쉽고 효과적으로 생성할 수 있으며, 대칭 혹은 비대칭의 다채널 스피커 배치에 대해서 모두 적용 가능하다. 기존에 잘 알려진 VBAP와 MDAP의 레벨 패닝 방법과 의 청취 비교 실험을 통하여 보다 정확한 패닝 성능을 유지할 수 있는 것으로 확인되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we proposes the virtual sound source panning algorithm in the multichannel system. Recently, High-definition (HD) and Ultrahigh-definition (UHD) video formats are accepted for the multimedia applications and they provide the high-quality resolution pixels and the wider view angle. The...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해서 현재까지 가장 많이 제안된 해결책은 좌우 스피커 사이에 추가적인 스피커를 배치하는 방법이다. ITU 3/2스피커 배치에서도 좌우 30도 스피커 사이 중앙에 센터 스피커를 배치하여 전방에서의 가상 음원 생성 과정에서 발생할 수 있는 위와 같은 문제점들을 해결하고자 하였다 [4]. 그리고 HD급 오디오 시스템에서는 둘 이상의 추가 스피커를 전방 스테레오 스피커 사이에 배치하는 방법도 연구되었다 [5,8].
  • 다채널 음원 패닝 알고리즘의 목적은 다채널 환경에서 가장 정확한 음원의 방향성을 얻기 위한 최적의 채널 패닝 게인을 계산하기 위한 것이다. 다채널 스피커 환경에서의 패닝 알고리즘에 대한 연구는 Gerzon으로부터 현재까지 많은 연구가 계속해서 이루어지고 있으며, 좌우 스테레오 채널이 센터로부터 같은 크기의 각도로 대칭인 경우뿐만 아니라, 비대칭인 경우, 그리고 전방 채널 환경뿐만 아니라 측후방 채널까지 청취자를 둘러싼 환경에 대한 연구로 확대되고 있다 [3-12].
  • 따라서 본 논문에서는 현재까지 사용되는 가상 음원 생성 알고리즘의 장점을 유지할 수 있는 새로운 다채널 스피커 쌍을 이용한 패닝 알고리즘을 제안한다. 제안된 알고리즘은 VBAP와 같은 벡터 기반의 간단한 계산만으로 다채널 스피커 쌍을 이용한 패닝 게인을 얻을 수 있으며, 방향 정보에 따른 함수를 사용하여 음의 패닝 게인을 배제할 수 있는 방법을 적용하였다.
  • 특히, 음의 패닝 게인은 매우 제한적인 청취 위치에 대해서만 패닝 성능을 보장한 것이며, 역위상의 문제로 음색의 변화도 일으킬 수 있다. 때문에 본 논문에서는 양의 부호를 갖는 패닝 게인만을 이용하여 다채널 스피커 시스템에서 간단한 계산 방법으로 정확한 패닝 게인을 얻기 위한 가상 음원 생성 알고리즘인 MVBNAP를 제안하였다. 제안된 방법은 VBAP와 같이 벡터 기반의 계산 방법을 토대로 매우 간단한 연산량만으로 임의의 다채널 스피커 배치에서의 패닝 게인을 계산할 수 있다.
  • 다채널 스피커 환경에서의 패닝 알고리즘에 대한 연구는 Gerzon으로부터 현재까지 많은 연구가 계속해서 이루어지고 있으며, 좌우 스테레오 채널이 센터로부터 같은 크기의 각도로 대칭인 경우뿐만 아니라, 비대칭인 경우, 그리고 전방 채널 환경뿐만 아니라 측후방 채널까지 청취자를 둘러싼 환경에 대한 연구로 확대되고 있다 [3-12]. 본 연구에서는 음원의 방향성 생성에 중요한 다채널 스피커 배치의 대칭 또는 임의의 각도의 비대칭 환경에 적합한 가상 음원 생성 알고리즘에 대해 제안한다.
  • 본 장에서는 그림 1의 대칭 혹은 비대칭의 임의의 다채널 스피커 배치에서 최적의 패닝 게인값을 구하기 위한 벡터 기반의 계산 방법을 제안한다. 제안된 패닝 게인 알고리즘은 기존의 스피커쌍을 이용한 패닝 방법이 가진 문제를 해결하기 위하여 MDAP와 같은 다채널 스피커쌍을 동시에 이용하는 방법을 사용하고 있다.
  • 그리고[9]에서 제안한 것과 같이 음상의 퍼짐을 조절하기 위한두 패닝 벡터 사이의 각도 (spread angle)를 20°와 30° 두 가지에 대해 모두 비교하였다. 이는 두 가지 MDAP 방법의 성능 비교를 통해서 측면 방향일수록 패닝 성능이 떨어지는 VBAP의 영향을 확인하기 위한 것이다. 제안된 패닝 방법에 대해서는 그림 4에 표시된 것과 같이 변수을 대칭인 경우 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
다채널 음원 패닝 알고리즘의 목적은? 다채널 음원 패닝 알고리즘의 목적은 다채널 환경에서 가장 정확한 음원의 방향성을 얻기 위한 최적의 채널 패닝 게인을 계산하기 위한 것이다. 다채널 스피커 환경에서의 패닝 알고리즘에 대한 연구는 Gerzon으로부터 현재까지 많은 연구가 계속해서 이루어지고 있으며, 좌우 스테레오 채널이 센터로부터 같은 크기의 각도로 대칭인 경우뿐만 아니라, 비대칭인 경우, 그리고 전방 채널 환경뿐만 아니라 측후방 채널까지 청취자를 둘러싼 환경에 대한 연구로 확대되고 있다 [3-12].
Ambisonics와 같은 가상 음원 생성 알고리즘의 장점은? 스피커 쌍을 이용하는 레벨 패닝 방법과 달리, Ambisonics 와 같이 다수의 스피커를 동시에 사용하는 가상 음원 생성 알고리즘에서는 스피커 패닝 게인에 양의 값과 음의 값을 모두 사용하였다 [8,12]. 이러한 방법은 점으로 정해진 한 지점의 스윗스팟에 대해서는 매우 정확한 패닝 성능을 보여주는 것으로 알려져 있다. 하지만 귀에 먼저도달하는 신호 방향으로 음원이 치우치는 precedence effect라 불리는 현상으로 인하여 청취자의 위치나 시선에 의한 스윗스팟 문제에 민감하고 [13], 또한 음의 패닝게인으로 인한 위상 (phase) 변화의 영향이 음질 열화로나타날 수 있는 단점을 가지고 있다 [11].
스피커 환경에서 레벨 패닝 알고리즘을 사용하는 경우에 생길 수 있는 문제점은? 스피커 환경에서 레벨 패닝 알고리즘을 사용하는 경우, 스피커 사이의 공간에 대해 음상이 퍼짐으로 인해, 음원의 방향성이 부정확해지는 문제점이 생길 수 있다. 이러한 문제를 해결하고 음원의 방향성을 더 정확하게 만들기 위해서 시스템적으로는 추가적인 스피커를 두 스피커 사이에 배치하기도 한다.
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참고문헌 (15)

  1. J. Blauert, Spatial Hearing: The Psychophysics of Human Sound Localization. Cambridge, MA: MIT Press, 1997. 

  2. F. Rumsey, Spatial Audio, Focal Press, Music Technology Series, 2001. 

  3. M. A. Gerzon, "Hierarchical system of surround sound transmissionfor HDTV," AES 92nd Convention, paper no. 3339, Vienna, Mar. 1992. 

  4. G. Theile, "The new sound format 3/2-stereo," AES 94th Convention, paper no. 3550a, Berlin, Mar. 1993. 

  5. G. Theile, "On the performance of two-channel and multichannelstereophony," AES 88th Convention, paper no. 2887, Montreux, Mar.1990 

  6. B. Bernfeld, "Attempts for better understanding of the directionalstereophonic listening mechanism," AES 44th Convention, paper no. C-4, Bucharest,Mar. 1973. 

  7. V. Pulkki, "Virtual sound source positioning using vector base amplitude panning," J. Audio Eng. Soc., vol. 45, no. 6, pp. 456-466, 1997. 

  8. M. A. Gerzon, "Panpot laws for multispeaker stereo," AES 92nd Convention, paper no. 3309,Vienna, Mar. 1992. 

  9. V. Pulkki, "Uniform spreading of amplitude panned virtual sources," in Proc. IEEE Workshop on Application of Signal Processing to Audio and Acoustics (WASPAA), New York, USA, 1999. 

  10. V. Pulkki and T. Hirvonen, "Localization of virtual sources in multichannel audio reproduction," IEEE Trans. on Speech and Audio Processing, vol. 13, no. 1, pp. 105-119, 2005. 

  11. G. Monro, "In-phase corrections for ambisonics," Int. Computer Music Conf. (ICMC ), pp. 292-295, Berlin, Germany, 2000. 

  12. P. G. Craven, "Continuous surround panning for 5-speakerreproduction," AES 24th Int. Conf. on Multichannel Audio: The New Reality, paper no. 9, Jun, 2003. 

  13. V. Pulkki, "Spatial sound generation and perception by amplitude panning technique," PhD thesis, Helsinki University of Technology, Espoo, Finland, 2001. 

  14. S. Haykin, Adaptive Filter Theory, 4th ed. Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 2002. 

  15. B. L. Cardozo, "Adjusting the method of adjustment: SD vs DL," J. Acoust. Soc. Am., vol. 37, no. 5, pp. 768-792, 1965. 

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