[논문]여러 대의 스마트폰을 이용한 입체 음향 시스템 구현

김기준; 명창호; 박호종

doi:10.5909/jbe.2014.19.6.810

[국내논문] 여러 대의 스마트폰을 이용한 입체 음향 시스템 구현
Implementation of Stereophonic Sound System Using Multiple Smartphones 원문보기

방송공학회논문지 = Journal of broadcast engineering, v.19 no.6, 2014년, pp.810 - 818

김기준 (광운대학교 전자공학과) , 명창호 (광운대학교 전자공학과) , 박호종 (광운대학교 전자공학과)

초록
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본 논문에서는 여러 대의 스마트폰을 이용하여 입체 음향을 재현하는 시스템을 제안한다. 기존의 스마트폰을 이용한 음향 시스템은 여러 기기에서 동일 신호를 재생하는 방식이기 때문에 입체감을 제공하기 어렵다. 이를 해결하기 위하여 본 논문에서는 다른 위치에 있는 기기 별로 서로 다른 신호를 재생하고 진폭 패닝 기법을 사용하여 임의의 위치에 가상 음원을 생성하는 시스템을 제안한다. 제안한 방법을 사용하면 기존 방법보다 우수한 입체감을 제공할 수 있으며, 사용자의 설정에 따라 자유롭게 입체 음향 효과를 조정할 수 있다. 상용 스마트폰을 이용하여 제안하는 시스템을 구현하였으며, 구현한 시스템이 원하는 입체 음향 효과를 제공하는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a stereophonic sound system using multiple smartphones. In the conventional sound systems using smartphones, all devices play the same signal so that it is difficult to provide true stereophonic effect. In order to solve this problem, we propose a novel sound system which can generate a virtual sound source at any location in such a way that smartphones at different locations play different signals with amplitude panning. By using the proposed system, we can generate more realistic stereophonic effect than the conventional system, and can control the sound effect by user's command. We developed the proposed system using commercial smartphones and verified that the developed sound system effectively provides the desired stereophonic effect.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

3개의 스피커 기기가 그림과 같이 반원 위에 있고 3개의 신호 음원 A, B, C를 가지고 있다고 가정한다. 각 신호가 객체인지 아니면 기존 스테레오 또는 5.1 채널의 채널 신호인지는 구분하지 않으며, 객체 또는 채널에 관계없이 각 모노 신호별로 위치를 제어하여 최종 입체 음향을 제공하는 것을 목표로 한다.
본 논문에서는 여러 대의 스마트폰을 이용한 입체 음향 시스템을 제안하고, 상용 스마트폰을 이용하여 시스템을 구현하였다. 제안한 방법은 여러 대의 스마트폰 중에서 한 개의 마스터 기기를 선택하고, 나머지 기기를 스피커 기기로 설정하고, 마스터 기기를 통하여 사용자가 원하는 입체 효과를 입력한다.
이상의 배경에 따라, 본 논문에서는 여러 대의 스마트폰을 이용한 입체 음향 시스템을 제안한다. 제안한 시스템에서 스마트폰은 마스터 기기 또는 스피커 기기 역할을 수행하고, 사용자는 마스터 기기를 통하여 원하는 입체 음향 효과를 입력하고, 마스터 기기는 입력된 효과를 재현하기 위한 재생 파라미터를 계산하여 각 스피커 기기로 전송하고, 각 스피커 기기는 전달받은 정보에 따라 신호를 재생한다.
제안하는 입체 음향 시스템의 목표는 여러 대의 스마트폰을 3차원 공간에 배치하고, 주어진 제어 명령에 따라 각 스마트폰에서 신호를 출력하여 원하는 가상 위치에 음원을 정위시켜 입체 음향 효과를 제공하는 것이다. 이를 위해 여러 대의 스마트폰을 사용하며, 그중 한 대는 사용자가 음향 효과를 입력하고 제어 신호를 생성하는 마스터 기기로 사용하며, 나머지 기기들은 다채널 스피커 역할을 수행하는 스피커 기기로 사용한다.

가설 설정

그림 3은 제안하는 시스템에서 각 음원을 2차원 가상 위치에 정위시키는 방법을 설명한다. 3개의 스피커 기기가 그림과 같이 반원 위에 있고 3개의 신호 음원 A, B, C를 가지고 있다고 가정한다. 각 신호가 객체인지 아니면 기존 스테레오 또는 5.

제안 방법

또한, 사용자는 마스터 기기에 스피커 기기의 배치 위치를 입력하여 초기화 세팅을 완료한다. 다음으로 음향 재생 단계가 진행되며, 사용자는 원하는 입체 음향 효과를 마스터 기기에 입력하고, 마스터 기기는 입력된 정보에 따라 각 스피커 기기에서 재생할 신호의 패닝 이득과 레벨을 계산하고 각 스피커 기기로 전송한다. 각 스피커 기기는 전송된 패닝 이득과 레벨을 내부에 저장된 음악 신호들에 적용하여 재생 신호를 생성하고 출력한다.
이때, 진폭 패닝(amplitude panning) 기법에 따라 각 객체를 가상 위치에 정위시키면 마치 임의로 배치된 위치에서 악기를 합주하는 효과를 구현할 수 있다. 둘째, 기존의 스테레오 또는 5.1 채널 신호가 주어지면, 각 모노(mono) 채널 신호를 독립 음원 신호로 가정하고 각 스마트폰에서 패닝 기법에 따라 하나 또는 다수의 채널 신호를 재생하여 입체 음향 효과를 제공한다. 기존 스테레오와 5.
마스터 기기는 각각의 음원을 진폭 패닝 기법을 통하여 사용자가 원하는 위치로 정위시키기 위한 패닝 이득을 구하여 스피커 기기로 전송하고, 스피커 기기는 전송된 패닝 이득과 레벨을 신호에 적용하여 출력한다. 또한, 음악 재생 중에 음향 효과의 변경이 실시간으로 가능하도록 하여 움직이는 가변 입체 음향 효과를 재현한다. 제안한 시스템을 구동시키기 위한 모든 응용 프로그램을 제작하고 이를 상용 스마트폰에 적용하여 제안한 입체 음향 시스템을 제작하였다.
먼저, 사용자는 각 스마트폰에서 초기화 프로그램을 실행하여 스피커 기기 또는 마스터 기기로 설정하고, 블루투스를 통하여 모든 스피커 기기를 마스터 기기에 접속한다.
음악을 구성하는 보컬과 악기 신호에 해당하는 6개의 객체 신호를 사용한다. 모든 스마트폰은 안드로이드 OS 기반으로 동작하고 삼성 갤럭시 S3와 갤럭시 노트2 모델을 사용하여 구현하였으며, 모든 응용 프로그램 코드는 eclipse 기반으로 개발하였다. 현재는 2차원 반원 형태로 스피커 기기들을 배치하는 것을 구현하였으며, 3차원의 임의의 배치에 대한 것은 구현 중이다.
제안하는 시스템에서 각 신호별로 가상 위치를 설정하여 재생하여야 하며, 이는 진폭 패닝 기법을 사용하여 구현한다^[5]. 2차원 스테레오 진폭 패닝은 식 (1)과 같이 모노 신호 X에 패닝 이득 x_L와 x_R 을 각각 곱하여 스테레오 신호 X_L와 X_R을 생성하는 기법이다^[6,7].
3. 스피커 기기 제어

제안하는 입체 음향 시스템은 마스터 기기를 통하여 모든 스피커 기기를 제어하므로 마스터 기기와 스피커 기기 간의 통신이 필요하다. 마스터 기기와 스피커 기기 간의 통신은 스마트폰에서 기본으로 제공하는 블루투스 통신을 사용하며, 마스터 기기는 서버 역할을 수행하고 스피커 기기는 클라이언트 역할을 수행한다.
제안하는 입체 음향 시스템을 실제 상용 스마트폰을 사용하여 구현하였다. 총 7대의 스마트폰을 사용하였으며, 1대의 스마트폰은 마스터 기기로 사용하고 나머지 6대는 스피커 기기로 사용한다.
본 논문에서는 여러 대의 스마트폰을 이용한 입체 음향 시스템을 제안하고, 상용 스마트폰을 이용하여 시스템을 구현하였다. 제안한 방법은 여러 대의 스마트폰 중에서 한 개의 마스터 기기를 선택하고, 나머지 기기를 스피커 기기로 설정하고, 마스터 기기를 통하여 사용자가 원하는 입체 효과를 입력한다. 마스터 기기는 각각의 음원을 진폭 패닝 기법을 통하여 사용자가 원하는 위치로 정위시키기 위한 패닝 이득을 구하여 스피커 기기로 전송하고, 스피커 기기는 전송된 패닝 이득과 레벨을 신호에 적용하여 출력한다.
이상의 배경에 따라, 본 논문에서는 여러 대의 스마트폰을 이용한 입체 음향 시스템을 제안한다. 제안한 시스템에서 스마트폰은 마스터 기기 또는 스피커 기기 역할을 수행하고, 사용자는 마스터 기기를 통하여 원하는 입체 음향 효과를 입력하고, 마스터 기기는 입력된 효과를 재현하기 위한 재생 파라미터를 계산하여 각 스피커 기기로 전송하고, 각 스피커 기기는 전달받은 정보에 따라 신호를 재생한다. 음악 재생 중에 사용자가 입체 음향 효과를 변경할 수 있으며, 변경된 내용은 마스터 기기에서 각 스피커 기기로 실시간 전송되어 신호 재생에 적용된다.
또한, 음악 재생 중에 음향 효과의 변경이 실시간으로 가능하도록 하여 움직이는 가변 입체 음향 효과를 재현한다. 제안한 시스템을 구동시키기 위한 모든 응용 프로그램을 제작하고 이를 상용 스마트폰에 적용하여 제안한 입체 음향 시스템을 제작하였다. 시스템을 구동하여 음악을 청취한 결과, 원하는 입체 효과를 확인하였으며, 특히 이동 입체감이 정상적으로 재현되는 것을 확인하였다.

대상 데이터

총 7대의 스마트폰을 사용하였으며, 1대의 스마트폰은 마스터 기기로 사용하고 나머지 6대는 스피커 기기로 사용한다. 음악을 구성하는 보컬과 악기 신호에 해당하는 6개의 객체 신호를 사용한다. 모든 스마트폰은 안드로이드 OS 기반으로 동작하고 삼성 갤럭시 S3와 갤럭시 노트2 모델을 사용하여 구현하였으며, 모든 응용 프로그램 코드는 eclipse 기반으로 개발하였다.
제안하는 입체 음향 시스템을 실제 상용 스마트폰을 사용하여 구현하였다. 총 7대의 스마트폰을 사용하였으며, 1대의 스마트폰은 마스터 기기로 사용하고 나머지 6대는 스피커 기기로 사용한다. 음악을 구성하는 보컬과 악기 신호에 해당하는 6개의 객체 신호를 사용한다.

이론/모형

탄젠트 법칙은 사인 법칙에 비하여 청취자가 가상 음원 방향으로 머리를 돌렸을 때 좀 더 정확한 결과를 제공한다^[8]. 따라서 본 논문에서는 식 (2)로 표현되는 탄젠트 법칙을 사용한다.
만일 스피커 기기가 3차원 공간에 위치하면, 각 음원을 3차원 가상 위치에 정위시키기 위해 VBAP(vector based amplitude panning) 방법을 사용한다^[8]. 그림 4와 같이 3개의 스피커가 구(sphere) 표면에 위치할 때, S₁, S₂, S₃ 는 각 스피커 위치의 3차원 단위 벡터이고, V는 가상 음원 위치의 단위벡터이다.

성능/효과

개발한 시스템을 동작시키고 실제 음악을 청취한 결과, 사용자가 마스터 기기를 조정함에 따라 각 음원의 패닝 이득과 레벨이 조절되어 지정한 위치에 가상 음원이 생성되고 원하는 입체 음향 효과를 뚜렷이 느낄 수 있었다. 또한, 실시간 음원 위치 조정을 통하여 입체감이 움직이는 효과를 확인하였으며, 이러한 이동 효과로 인해 각각의 음원들이 움직이면서 가변적인 입체 음향 효과를 제공하는 것을 확인할 수 있었다.
1 채널 신호가 주어지면, 각 모노(mono) 채널 신호를 독립 음원 신호로 가정하고 각 스마트폰에서 패닝 기법에 따라 하나 또는 다수의 채널 신호를 재생하여 입체 음향 효과를 제공한다. 기존 스테레오와 5.1 채널 시스템은 2차원 구조의 고정된 입체 음향만 제공하지만, 제안한 시스템을 사용하면 스마트폰 위치에 따라 3차원으로 확장된 가변 입체 음향을 재현할 수 있다.
제안한 시스템을 사용하면 사용자 명령에 따라 입체 효과를 실시간으로 조정하여 임의의 방향과 속도로 이동하는 입체감을 쉽게 구현할 수 있고, 기존 음향 시스템이 제공하지 못하는 새로운 느낌의 입체 음향 효과를 재현할 수 있다. 또한, 상용 스마트폰을 여러 개 이용함으로써 추가적인 비용 없이 재미있고 다양한 음향 효과의 제작이 가능하며, 이를 통해 새로운 형태의 음향 콘텐츠 제작도 가능하다.
개발한 시스템을 동작시키고 실제 음악을 청취한 결과, 사용자가 마스터 기기를 조정함에 따라 각 음원의 패닝 이득과 레벨이 조절되어 지정한 위치에 가상 음원이 생성되고 원하는 입체 음향 효과를 뚜렷이 느낄 수 있었다. 또한, 실시간 음원 위치 조정을 통하여 입체감이 움직이는 효과를 확인하였으며, 이러한 이동 효과로 인해 각각의 음원들이 움직이면서 가변적인 입체 음향 효과를 제공하는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 가변 입체감은 기존 입체 음향 시스템으로는 제공할 수 없는 기능이며, 제안한 입체 음향 시스템을 통하여 새로운 입체 음향 효과를 경험할 수 있었다.
시스템을 구동하여 음악을 청취한 결과, 원하는 입체 효과를 확인하였으며, 특히 이동 입체감이 정상적으로 재현되는 것을 확인하였다. 본 시스템을 통하여 기존 입체 음향 시스템이 제공하지 못하는 새로운 입체감을 경험할 수 있으며, 스마트폰을 이용하여 쉽고 재미있게 새로운 음향 효과를 제작할 수 있다.
제안한 시스템을 구동시키기 위한 모든 응용 프로그램을 제작하고 이를 상용 스마트폰에 적용하여 제안한 입체 음향 시스템을 제작하였다. 시스템을 구동하여 음악을 청취한 결과, 원하는 입체 효과를 확인하였으며, 특히 이동 입체감이 정상적으로 재현되는 것을 확인하였다. 본 시스템을 통하여 기존 입체 음향 시스템이 제공하지 못하는 새로운 입체감을 경험할 수 있으며, 스마트폰을 이용하여 쉽고 재미있게 새로운 음향 효과를 제작할 수 있다.
사용자가 입력한 신호 레벨에 따라 각 X_n별 패닝 이득 x_mn에 공통 레벨을 추가로 적용하면 신호별 거리 조정이 가능하다. 이상의 방법을 사용하면 2차원 반원으로 배열된 스피커 기기를 사용한 입체 음향 시스템을 구현할 수 있다.
또한, 실시간 음원 위치 조정을 통하여 입체감이 움직이는 효과를 확인하였으며, 이러한 이동 효과로 인해 각각의 음원들이 움직이면서 가변적인 입체 음향 효과를 제공하는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 가변 입체감은 기존 입체 음향 시스템으로는 제공할 수 없는 기능이며, 제안한 입체 음향 시스템을 통하여 새로운 입체 음향 효과를 경험할 수 있었다.
제안한 시스템을 사용하면 사용자 명령에 따라 입체 효과를 실시간으로 조정하여 임의의 방향과 속도로 이동하는 입체감을 쉽게 구현할 수 있고, 기존 음향 시스템이 제공하지 못하는 새로운 느낌의 입체 음향 효과를 재현할 수 있다. 또한, 상용 스마트폰을 여러 개 이용함으로써 추가적인 비용 없이 재미있고 다양한 음향 효과의 제작이 가능하며, 이를 통해 새로운 형태의 음향 콘텐츠 제작도 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	입체 음향이란?	입체 음향은 음의 고저와 음색뿐만 아니라 방향이나 거리감까지도 재현하여 실제 환경과 유사한 음장감을 제공하는 음향을 의미한다[1]. 최근에는 이와 같은 입체 음향 효과를 다채널 스피커를 기반으로 제공하는 방법에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
	기존의 스마트폰 음향 시스템이 입체감을 제공하기 어려운 이유는?	본 논문에서는 여러 대의 스마트폰을 이용하여 입체 음향을 재현하는 시스템을 제안한다. 기존의 스마트폰을 이용한 음향 시스템은 여러 기기에서 동일 신호를 재생하는 방식이기 때문에 입체감을 제공하기 어렵다. 이를 해결하기 위하여 본 논문에서는 다른 위치에 있는 기기 별로 서로 다른 신호를 재생하고 진폭 패닝 기법을 사용하여 임의의 위치에 가상 음원을 생성하는 시스템을 제안한다.
	마스터 기기가 모든 스피커 기기를 제어하기 위한 통신 방법은?	제안하는 입체 음향 시스템은 마스터 기기를 통하여 모든 스피커 기기를 제어하므로 마스터 기기와 스피커 기기간의 통신이 필요하다. 마스터 기기와 스피커 기기 간의 통신은 스마트폰에서 기본으로 제공하는 블루투스 통신을 사용하며, 마스터 기기는 서버 역할을 수행하고 스피커 기기는 클라이언트 역할을 수행한다. 사용자는 스피커 기기에서 초기화 프로그램을 수행하여 각 스피커 기기의 인식 번호를 설정하고, 이 번호는 마스터 기기에서 스피커 위치 설정과 패닝 이득 전송을 위해 사용된다.

참고문헌 (9)

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S. W. Jeon, Y. C. Park, S. P. Lee and D. H. Youn, "Amplitude panning algorithm for virtual sound source rendering in the multichannel loudspeaker system," Journal of the Acoustical Society of Korea, Vol. 30, No. 4, pp. 197-209, May. 2011

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K. S. Koo and H. T. Cha, "Enhancement of the 3D sound's performance using perceptual characteristics and loudness," Journal of Broadcast Engineering, Vol. 16, No. 5, pp. 846-860, Sep. 2011

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http://global.samsungtomorrow.com/?p30090
Y. G. Kim and H. G. Kim, "MPEG surround based multi-channel audio panning using channel level difference parameters," Journal of Korea Information and Communications Society Fall Conference, pp. 225-228, Nov. 2008
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S. Y. Jeon, Y. C. Park, S. P. Lee and D. H. Youn, "A study on multiple vector base panning algorithm using angle dependent channel gain control method," Journal of Korea Information and Communications Society Summer Conference, pp. 1091-1092, Jun. 2010
V. Pulkki, "Virtual sound source positioning using vector base amplitude panning," Journal of the Audio Engineering Society, Vol. 45, No. 6, pp. 456-466, Jun. 1997

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P. Zahorik, "Auditory display of sound source distance," Proceedings of the 2002 International Conference on Auditory Display, pp. 326-332, Jul. 2002

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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