[논문]아두이노와 DSP를 이용한 물리적 모델링 기반의 현 없는 산조 가야금 구현

서준상; 정인규; 김종면

[국내논문] 아두이노와 DSP를 이용한 물리적 모델링 기반의 현 없는 산조 가야금 구현
Implementation of the Wireless Sanjo Gayageum Based on Physical Modeling Using Arduino and DSP 원문보기

서준상 (울산대학교 전기공학부) , 정인규 (울산대학교 전기공학부) , 김종면 (울산대학교 전기공학부)

본 논문에서는 기존의 산조가야금의 음을 합성하여 아두이노(Arduino)와 DSP(Digital Signal Processor)를 이용한 물리적 모델링 기반의 현 없는 산조 가야금을 구현한다. 아두이노는 저렴한 가격에 마이크로컨트롤러를 효율적으로 제어하며, DSP는 높은 분해능과 빠른 A/D변환 기능을 지원하여 복잡한 음 합성 연산의 빠른 처리를 만족시킨다. 또한 기존 가야금의 복잡한 연주법을 초보자도 쉽게 다루기 위해 가야금의 현을 대신해 터치 패널을 사용한다. 본 논문에서는 기본적인 I/O동작은 아두이노 MEGA 2560보드를, 음 합성의 복잡한 연산을 위해 CCSv5(Code Composer Studio) 툴과 DSP칩을 내장한 DSK5510 보드를 이용하여 기능을 검증한다. 모의실험 결과 현 없는 가야금의 합성음은 기존의 음과 매우 유사하였으며, 초보자도 쉽게 제어하고 연주가 가능한 환경을 구현하였다.

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문제 정의

또한 현악기는 어려운 연주법에 의하여 초보자도 쉽게 연주할 수 있는 시스템이 필요하다. 본 논문에서는 우리나라 전통악기 중 현악기에 해당하는 가야금을 초보자도 쉽게 연주할 수 있도록 현을 대신하여 터치패널로 다루기 편하게 구현하였다. 또한 터치 패널과 소리를 출력하는 스피커의 경우 효율적인 운영을 위하여 아두이노를 이용하여 제어하였고, 복잡한 연산을 하는 음 합성 연산의 경우 DSP를 이용하여 빠른 처리를 가능하게 하였다.
본 논문에서는 초보자도 쉽게 연주할 수 있는 물리적 모델링 기반의 현 없는 가야금을 구현하였다. 기본적인 I/O의 효율적인 제어를 위하여 아두이노를 사용하였으며 음 합성의 복잡한 연산을 빠르게 처리하기 위해 DSP칩을 내장한 DSK5510 보드를 이용하였다.

제안 방법

본 논문에서는 우리나라 전통악기 중 현악기에 해당하는 가야금을 초보자도 쉽게 연주할 수 있도록 현을 대신하여 터치패널로 다루기 편하게 구현하였다. 또한 터치 패널과 소리를 출력하는 스피커의 경우 효율적인 운영을 위하여 아두이노를 이용하여 제어하였고, 복잡한 연산을 하는 음 합성 연산의 경우 DSP를 이용하여 빠른 처리를 가능하게 하였다. 이를 검증하기 위해 아두이노 MEGA 2560 보드, CCSv5툴과 DSP칩을 내장한 DSK5510 테스트베드를 사용하였다.
본 논문에서 사용한 음 합성 알고리즘은 표1과 같이 기존 가야금에서 추출한 excitation 데이터와 연주 방법에 대한 신호를 입력받아 식 (2),(3)을 사용하여 음 합성을 수행한다. 각 현의 음향적 특성으로 지연 라인 길이인 L, 미소 지연 필터인 F(z) 그리고 루프 필터인 Hl(z)가 있다.
아두이노는 자체적으로 A/D 변환기가 내장되어 있기에 전류신호는 A/D 변환기를 거쳐 하나의 좌표로 입력을 받게 된다. 본 논문에서는 각 위치마다 현의 종류를 구별하기 위해 y축 신호를 기준으로 총 12개의 구간으로 나누어 현을 구별하였다. 2번째 터치 패널의 경우 음의 높낮이를 사용자가 직접 제어해 주는 장치로 동일하게 y축의 좌표를 기준으로 음의 높낮이를 구별한다.
DSP 처리 단계에서는 DSK5510의 200Mhz와 고속의 A/D변환 속도는 음 합성 처리의 지연시간을 최소화 시켜준다. 본 논문에서는 DSK5510 보드에서 제공하는 GPIO를 이용하여 아두이노의 출력신호를 인가 받은 후 초당 44100개를 처리하여 고속의 연산을 가능하게한다. 최종적으로 합성된 음은 DAC 처리 되어 보드 자체적으로 내장되어 있는 스테레오 단자를 통하여 음을 출력한다.

대상 데이터

또한 터치 패널과 소리를 출력하는 스피커의 경우 효율적인 운영을 위하여 아두이노를 이용하여 제어하였고, 복잡한 연산을 하는 음 합성 연산의 경우 DSP를 이용하여 빠른 처리를 가능하게 하였다. 이를 검증하기 위해 아두이노 MEGA 2560 보드, CCSv5툴과 DSP칩을 내장한 DSK5510 테스트베드를 사용하였다.
본 논문에서 제안한 현 없는 가야금을 검증하기 위해 아두이노와 DSP칩을 내장한 DSK5510 테스트 보드를 사용하였다. 아두이노에서는 2개의 터치패널의 전류신호를 받아 위치를 판별하며 판별된 내용은 그림 4와 같이 processing 시뮬레이션을 통해 x,y축의 좌표를 확인한다.
본 논문에서는 초보자도 쉽게 연주할 수 있는 물리적 모델링 기반의 현 없는 가야금을 구현하였다. 기본적인 I/O의 효율적인 제어를 위하여 아두이노를 사용하였으며 음 합성의 복잡한 연산을 빠르게 처리하기 위해 DSP칩을 내장한 DSK5510 보드를 이용하였다. 실험 결과 합성된 음은 기존의 가야금 음과 유사한 소리를 출력하였고 초보자도 손쉽게 가야금을 배울 수 있는 환경을 구축하였다.

성능/효과

그 이후 많은 학자들이 기본 모델을 확장하고 종합해서 매력적인 현악기 소리를 연구하고 시뮬레이션 해왔다[3]. 이러한 연구를 통해서 파동 방정식은 탄성 있는 매질에서 일차 방정식과 확장된 이차 또는 삼차 방정식으로 바꿀 수 있었다. 그러나 현악기 소리를 위한 합성 알고리즘은 많은 계산량 요구로 많은 지연시간을 포함하여 기존의 음과는 다른 소리를 출력한다.
그림 3은 표 1의 12개의 현을 MATLAB을 이용하여 시뮬레이션 한 결과이다. 시뮬레이션 결과에서 보듯이 합성한 음과 기존의 음이 동일한 크기를 보이는 것을 확인할 수 있다.
아두이노에서는 2개의 터치패널의 전류신호를 받아 위치를 판별하며 판별된 내용은 그림 4와 같이 processing 시뮬레이션을 통해 x,y축의 좌표를 확인한다. 실험결과 왼쪽 2개의 좌표는 12개의 현을 입력받는 터치패널의 위치이며, 오른쪽 2개의 좌표는 가야금의 높낮이를 입력받는 터치패널의 위치로 판별되는 것을 확인할 수 있다. 그림 5는 최종 시스템을 보여주며 터치패널로 입력받은 현의 음과 음의 높낮이의 입력을 통해 음을 합성한 후 스테레오 잭을 통해 외부의 스피커로 출력이 된다.
기본적인 I/O의 효율적인 제어를 위하여 아두이노를 사용하였으며 음 합성의 복잡한 연산을 빠르게 처리하기 위해 DSP칩을 내장한 DSK5510 보드를 이용하였다. 실험 결과 합성된 음은 기존의 가야금 음과 유사한 소리를 출력하였고 초보자도 손쉽게 가야금을 배울 수 있는 환경을 구축하였다. 앞으로 설계한 시스템을 하나의 PCB를 이용하여 통합 시스템으로 설계할 것이며 복잡한 연주법 및 다양한 현의 실시간 연주를 위해 멀티코어 프로세서상에서 병렬구현할 것이다.

후속연구

실험 결과 합성된 음은 기존의 가야금 음과 유사한 소리를 출력하였고 초보자도 손쉽게 가야금을 배울 수 있는 환경을 구축하였다. 앞으로 설계한 시스템을 하나의 PCB를 이용하여 통합 시스템으로 설계할 것이며 복잡한 연주법 및 다양한 현의 실시간 연주를 위해 멀티코어 프로세서상에서 병렬구현할 것이다.

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