[논문]가상현실을 위한 스테레오 스피커 기반 3차원 입체음향 재생 시스템 구현

김용국; 이영한; 김홍국

가상현실을 위한 스테레오 스피커 기반 3차원 입체음향 재생 시스템 구현
An Implementation of a 3D Audio Production System Using Stereo Loudspeakers for Virtual Reality 원문보기

김용국 (광주과학기술원 정보기전공학부) , 이영한 (광주과학기술원 정보기전공학부) , 김홍국 (광주과학기술원 정보기전공학부)

In this paper, we first implement an audio playback system for virtual reality by providing 3D audio effects to listeners. In general, such a 3D audio playback system utilizes a sound localization technique using head related transfer function (HRTF) to generate 3D audio effect. However, the 3D audio effect is degraded due to the crosstalk in the stereo loudspeaker environment. To enhance the 3D sound effect, we implement the crosstalk cancellation technique proposed by Atal and Schroeder and apply it to the 3D audio system.

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문제 정의

본 논문에서는 3차원 입체음향 생성 및 스피커 환경에서의 3차원 입체음향의 효과를 증강시키기 위한 상호간섭 제거기를 구현하였다. 상호간섭 제거기의 기본구조는 Atal-Schroeder에 제안된 방식을 따랐으며, 실제 구현을 위해 KEMAR HRTF로부터 얻은 HRTF 행렬과 수식에 의한 HRTF 모델로부터 얻은 HRTF 행렬을 이용하였다.

제안 방법

생성한 3차원 입체음향을 스테레오 스피커를 통해 재생하는 경우, 각 채널 출력신호가 청취자의 반대측 귀에도 영향을 끼치게 되는 상호간섭 (crosstalk) 현상이 발생하게 되고 이는 3 차원 입체효과를 심각하게 감쇄시키는 요인이 된다. 따라서 본 논문에서는 KEMAR HRTF 및 HRTF 모델에 기반하여 3차원 입체음향을 생성하고, 스피커를 통한 음향 재생시 발생하는 상호간섭을 줄이기 위해 상호간섭 저〕거기를 구현한다. 이를 통해 가상현실에서보다 충실한 3차원 입체음향 효과를 느낄 수 있도록 한다.
이러한 HRTF는 음원에서 고막까지 경로 상의 머리, 귀, 흉부 등에 의한 모든 반사 및 회절에 대한 효과를 포함하고 있다. 본 절에서는 KEMAR 모델에 근거하여 HRTF를 측정하는 방식과 이를 수학적으로 표현한 HRTF 모델을 다음의 2.1 절 및 2.2절에 기술하기로 한다.
그림 6의 시스템은 사용자가 직접 마우스를 이용해 원하는 모의 방위각과 모의 거리에 해당하는 곳을 클릭함으로써 그 지점에서 음상이 정위되도록 하여 입체감을 느낄 수 있도록 하였다. 입체음향 재생시스템에 사용된 음원으로는 총소리와 컵의 깨지는 소리, 헬리콥터 소리를 사용해 사용자가 클릭하는 즉시 3차원 입체감을 느낄 수 있도록 설계하였다.
입체음향 재생시스템은 헤드폰 또는 스피커를 통해 재생하는 두 가지 재생 모드를 선택할 수 있다. 헤드폰으로 재생하는 경우 상호간섭 제거과정 없이 2.1 절의 KEMAR HRTF 또는 2.2 절의 수식에 의한 HRTF 모델을 이용해서 3차원 입체음향을 생성 및 재생되도록 설계되었다. 반면, 스피커로 재생하는 경우 헤드폰으로 재생하는 경우와 달리 3차원 입체음향을 생성한 뒤에 스피커에서 발생한 상호 간섭을 제거하기 위해 제 3 절의 상호간섭 제거기를 거쳐 재생하였다.

대상 데이터

측정한 HRTF의 사양을 나타낸다 [3]. 표 1에서 보는 바와 같이, 14개의 고도 및 각각의 방향각에 대한 710개 위치에서 측정한 HRTF를 배포하고 있으며, 측정된 HRTF의 단위충격응답 표본화 주파수는 44.1 kEz이며 각각의 HRTF의 필터차수는 512이다. r -

이론/모형

거리 변화에 따른 원거리 HRTF 모델은 기존의 구조적 HRTF 모델로 생성된 left/right stereo 사운드에 inverse square law를 적용한다. 이를 위한 사운드 크기는 식 (1)을 통해 얻을 수 있다.
본 논문에서 사용된 HRTF 모델은 기존의 구조적 HRTF 모델(structural HRTF model)에 거리변화에 따른 모델을 적용한 그림 1과 같은 모델을 사용하였다 [8]. 그림 1에서 보는 것과 같이 제안한 모델은 음의 레벨을 표준화하는 블록(Level Normalization Block)과 원거리 HRTF 모델 블록과 근거리 HRTF 모델 블록으로 나뉜다.
거기를 구현하였다. 상호간섭 제거기의 기본구조는 Atal-Schroeder에 제안된 방식을 따랐으며, 실제 구현을 위해 KEMAR HRTF로부터 얻은 HRTF 행렬과 수식에 의한 HRTF 모델로부터 얻은 HRTF 행렬을 이용하였다. 또한, 구현된 방식은 3차원 입체음향 재생시스템에 적용하여 스피커 환경에서의 몰입감을 증강시킴을 확인할 수 있었다.

성능/효과

3차원 입체음향을 KEMAR HRTF를 이용해 생성하는 경우 음색이 변하는 문제가 발생하는 반면에 HRTF 모델의 경우 거의 원음에 가까운 입체음향을 생성 할 수 있었다. 그 뿐만 아니라 HRTF 모델을 사용하여 상호간섭 제거기를 구현하였을 경우 KEMAR HRTF의 경우와 거의 비슷한 상호간섭 제거효과를 느낄 수 있었다.
그 뿐만 아니라 HRTF 모델을 사용하여 상호간섭 제거기를 구현하였을 경우 KEMAR HRTF의 경우와 거의 비슷한 상호간섭 제거효과를 느낄 수 있었다. 또한 KEMAR HRTF의 경우 측정 시와 비슷한 환경(스피커와 청취자간의 거리 1.4 m, dummy head와 근사한 머리크기) 하에서 상호간섭 제거효과가 높지만 HRTF 모델을 사용하는 경우 재생환경이 변하더라도 그에 맞는 변수를 적용시켜 HRTF 모델을 생성함으로써 재생환경 변화에 유연한 상호간섭 제거기를 구현할 수 있었다.
상호간섭 제거기의 기본구조는 Atal-Schroeder에 제안된 방식을 따랐으며, 실제 구현을 위해 KEMAR HRTF로부터 얻은 HRTF 행렬과 수식에 의한 HRTF 모델로부터 얻은 HRTF 행렬을 이용하였다. 또한, 구현된 방식은 3차원 입체음향 재생시스템에 적용하여 스피커 환경에서의 몰입감을 증강시킴을 확인할 수 있었다.

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