KR101476139B1

KR101476139B1 - 가상 스피커를 이용한 음원 신호 출력 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101476139B1
Application number: KR1020070121999A
Authority: KR
Inventors: 김영태; 김정호; 고상철
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2007-11-28
Publication date: 2014-12-30
Anticipated expiration: 2027-11-28
Also published as: US8804969B2; KR20090055203A; US20090136045A1

Abstract

본 발명은 가상 스피커를 이용한 음원 신호 출력 방법 및 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 음원 신호 출력 방법은 입력 음원 신호로부터 입력 음원 신호의 샘플링 비율에 따른 최소 지연값이 아닌 가상의 지연값만큼 지연된 가상의 음원 신호를 생성하고, 입력 음원 신호와 가상의 음원 신호에 기초하여 샘플링 비율이 변경된 스피커 출력 신호를 생성하여 출력함으로써, 어레이 스피커를 통해 방사되는 사운드의 왜곡을 일으키는 불균일 방사 패턴을 제거하고, 제어 가능한 음원 신호의 주파수 대역의 한계를 극복하여 안정적인 사운드를 제공할 수 있다.

어레이 스피커, 불균일 방사 패턴, 지향성, 샘플링

Description

가상 스피커를 이용한 음원 신호 출력 방법 및 장치{Method and apparatus for generating the sound source signal using the virtual speaker}

본 발명은 가상 스피커를 이용한 음원 신호 출력 방법 및 장치에 관한 발명으로서, 복수 개의 스피커들로 구성된 어레이 스피커 시스템에서 발생하는 불균일 방사 패턴를 제거하여 사용자에게 음질의 왜곡없이 집중된 음향을 전달하는 개인형 사운드 존(personal sound zone)을 제공하기 위한 음원 신호 출력 방법 및 장치에 관한 것이다.

어레이 스피커는 다수의 스피커를 조합하여 재생하려는 음의 방향을 조절하거나, 특정 지역으로 음을 보내고자 할 때 사용된다. 목적으로 하는 위치나 방향으로 음을 조절하기 위해서는 다수의 음원 신호를 포함하는 어레이가 필요하다. 일반적으로 지향성(directivity)라고 불리는 음의 전달 원리는 다수의 음원 신호들의 위상 차이를 이용하여 특정 방향으로 신호의 세기가 커지도록 신호를 중첩시킴으로써 신호를 특정 방향으로 전달하게 된다. 따라서, 특정 위치에 따라 배치된 다수의 스피커들을 통해 출력되는 음원 신호들의 위상을 조절함으로써 이러한 지향성을 구현하게 된다. 이러한 지향성 원리를 이용하여 특정 청취자의 위치로 음을 포커 싱(focusing)할 수 있는데, 포커싱으로 인해 음장(sound field)이 형성된 지역을 개인형 사운드 존(personal sound zone)이라고 한다.

이하에서 음원(sound source)이란 소리(sound)가 방사되어 나오는 소스(source)로서 어레이 스피커를 구성하는 개별 스피커를 의미하는 용어로서 사용되고, 음장이란 음원으로부터 방사된 소리가 형성하는 가상적인 영역으로서, 음향 에너지가 미치는 영역을 의미하는 용어로서 사용될 것이다. 또한, 음압(sound pressure)이란, 음향 에너지가 미치는 힘을 압력의 물리량을 사용하여 표현한 것이다.

한편, 어레이 스피커를 통해 음원 신호들을 출력함에 있어서 어레이 스피커로부터 특정 거리 이내의 위치에서는 각각의 스피커들로부터 방사된 음원 신호들이 서로 간섭이 충분치 못하여 방사 특성이 불균일하게 나타나는 현상이 발생한다. 이는 다수의 스피커들로부터 방사된 음향이 어레이 스피커의 근거리에서는 방사된 개별 음원 신호들의 간섭이 충분치 못하여 원하는 음장을 형성하지 못하기 때문에 발생하는 현상으로 이러한 현상을 근접장 효과(near field effect)라고 한다. 또한, 어레이 스피커로부터 방사되는 음장을 시각적인 패턴(pattern)으로 표현하였을 경우, 이러한 근접장 효과는 불균일한 방사 패턴으로 나타나게 된다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 어레이 스피커를 구성하는 스피커들로부터 음원 신호를 출력함에 있어서 발생하는 불균일 방사 패턴으로 인해 청취자가 제대로 소리의 방향성을 감지할 수 없는 문제점을 해결하고, 고정된 어레이 스피커의 크기로 인하여 제어 가능한 음원 신호의 주파수 대역이 제한되는 한계를 극복하는 음원 신호 출력 방법 및 장치를 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 음원 신호 출력 방법은 입력 음원 신호로부터 상기 입력 음원 신호의 샘플링 비율에 따른 최소 지연값이 아닌 가상의 지연값만큼 지연된 가상의 음원 신호를 생성하는 단계; 상기 입력 음원 신호와 상기 생성된 가상의 음원 신호에 기초하여 샘플링 비율이 변경된 스피커 출력 신호를 생성하는 단계; 및 상기 생성된 스피커 출력 신호를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상기 기재된 음원 신호 출력 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 음원 신호 출력 장치는 입력 음원 신호로부터 상기 입력 음원 신호의 샘플링 비율에 따른 최소 지연값이 아닌 가상의 지연값만큼 지연된 가상의 음원 신호를 생성하는 가상 신호 생성부; 상기 입력 음원 신호와 상기 지연된 음원 신호에 기초하여 샘플링 비율이 변경된 스피커 출력 신호를 생성하는 스피커 신호 생성부; 및 상기 생성된 스피커 출력 신호를 출력하는 신호 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예들을 상세히 설명한다.

도 1은 어레이 스피커에서 나타나는 불균일 방사 패턴을 예시한 도면으로서, 어레이 스피커로부터 방사되는 음장을 시각적인 패턴과 그래프로 도시한 것이다.

도 1의 방사 패턴(radiation pattern) 110은 어레이 스피커로부터의 거리에 따라 음원 신호의 방사 특성이 어떻게 변화하는지를 나타내고 있다. 방사 패턴 110에서 가로축은 어레이 스피커로부터의 거리를 나타내고, 세로축은 어레이 스피커의 중심으로부터 가장자리로의 거리를 나타낸다. 방사 패턴 110에서는 가로축의 0 m, 세로축의 0 m에 해당하는 지점에 어레이 스피커가 위치한 경우를 가정한다. 앞서 설명한 바와 같이 근접장 효과란 어레이 스피커의 가까이에서 방사되는 음이 왜곡되는 현상을 말하는 것으로서, 이러한 근접장 효과는 불균일 방사 패턴이 발생하는 부분을 확인하는 것으로서 파악할 수 있다. 예시된 방사 패턴 110에서는 어레이 스피커로부터 약 1 m 이내의 거리에서 불균일 방사 패턴이 나타나고 있는 것을 볼 수 있다. 만약 청취자가 어레이 스피커로부터 불균일 방사 패턴이 나타나고 있는 거리보다 더 가까이에서 음향을 청취할 경우, 방사 특성이 균일하게 제어되지 않아 재생되는 사운드 청취에 어려움이 있을 것이다.

도 1의 120은 어레이 스피커로부터 방사되는 음장을 빔 패턴(beam pattern)으로 표현한 그래프이다. 빔 패턴의 가로축은 어레이 스피커를 중심으로 한 빔의 방사 각도를 나타낸 것이고, 세로축은 방사되는 음원의 이득(gain)을 수치화하여 나타낸 것이다. 빔 패턴이라 함은 스피커 및 안테나 등의 신호 출력 장치에서 방사되는 전자기파의 전계강도(electric field strength)를 측정하여 그래프로 표시한 것을 말한다. 이러한 빔 패턴은 출력 신호를 측정하는 측정기를 이용하여 측정하고자 하는 스피커에서 신호를 수신하여 각각의 측정 각도별로 수신된 전계강도를 그래프나 폴라 차트(polar chart)상에 파형으로 도시함으로써 얻어진다. 따라서, 그래프의 기준점으로부터 멀리 떨어져 있을수록 전계강도가 크다는 것을 의미하고, 이는 해당 방향으로 지향성을 갖는다는 것을 의미한다.

빔 패턴 120에서는 중앙의 메인 로브(main robe)를 중심으로 좌우로 작고 가는 빔 패턴들이 나타나는 것을 볼 수 있다. 지향성이 강하게 나타나는 메인 로브를 제외한 작고 가는 빔 패턴들을 사이드 로브(sibe robes)라고 하며, 이러한 사이드 로브는 방사 패턴 110에서의 불균일 방사 패턴으로서 나타나게 된다. 그 결과, 사이드 로브 또는 불균일 방사 패턴은 음향 기기에서의 지향성과 같은 음장 특성을 왜곡하여 개인형 사운드 존이 형성되는 것을 저해하는 요인이 된다.

이러한 어레이 스피커의 문제점은 어레이 스피커를 구성하는 복수 개의 개별 스피커들이 물리적으로 연속해 있지 않기 때문에 발생한다. 즉, 어레이 스피커를 구성하는 개별 스피커들이 비록 일렬도 배치되어 있더라도 스피커들 간의 물리적인 간격이 존재할 수 밖에 없고, 이로 인해 각각의 스피커들로부터 방사된 사운드가 상호 작용하며 특정한 음장을 형성하는 과정에서 불균일 방사 패턴이 나타나게 되는 것이다. 일반적으로 사이드 로브의 영향을 최소화하기 위해서는 스피커들 간의 간격이 좁을 것을 요구하는데, 이러한 간격을 줄이는데는 현실적인 어려움이 있다. 또한, 어레이 스피커의 물리적인 크기가 고정되어 있기 때문에 어레이 스피커의 양 끝단에서는 음장이 제대로 형성되지 않는 현상이 발생한다.

도 2는 어레이 스피커 시스템에서 지향성을 구현하기 위해 음원 신호를 지연하는 방법을 도시한 도면으로서, 그 과정은 다음과 같다. 우선, 하나의 음원 신호가 입력되면 이를 어레이 스피커를 구성하는 개별 스피커의 개수(또는 출력하고자 하는 채널의 수가 될 수 있다.)만큼 복제한다. 다음으로, 출력하려는 사운드의 방향이나 음향 에너지를 집중시키고자 하는 포커싱 위치 등 음원 신호를 가공하고자 하는 목적에 따라 각각의 음원 신호들을 얼마만큼 지연시킬 것인지를 연산한다. 이상의 과정을 도 2의 지연부(210)를 중심으로 설명한다.

도 2에서는 어레이 스피커(220)가 4 개의 개별 스피커(채널을 의미한다.)들로 구성된 경우를 가정한다. 도 2에서 점선으로 표시된 것은 동일한 위상을 갖는 음원 신호가 방사되는 파면을 나타낸 등위상면(equi-phase wave front)이다. 지연부(210)는 각 채널에 대한 지연값을 계산하고, 계산된 지연값에 따라 각 채널을 0, Δ, 2Δ 및 3Δ 만큼씩 지연시킨다. 그 결과, 어레이 스피커(220)에서는 도 2에 도시된 바와 같이 왼쪽으로 θ 만큼 지향성을 갖는 음원 신호를 출력하게 된다. 여기서 왼쪽으로 θ 만큼 지향성을 갖는 음원 신호를 출력하기 위한 지연값 Δ는 다음의 수학식 1에 따라 산출된다.

여기서 Δ는 지연값이고, λ는 출력하려는 음원 신호의 파장이고, d는 어레이 스피커를 구성하는 개별 스피커 간의 간격이며, θ는 어레이 스피커와 음원 신호의 방사 방향이 이루는 각도이다. 즉, 지연부(210)에서는 개별 스피커 간의 거리 d와 같은 어레이 스피커의 물리적인 특징과 파장 λ와 같은 출력하려는 음원의 성질, 그리고 출력하려는 방향이나 포커싱 위치 등의 다양한 변수들을 고려하여 각 채널별 지연값을 결정하게 된다.

그러나, 앞서 설명한 바와 같이 어레이 스피커를 구성하는 개별 스피커들의 물리적인 배치 간격으로 인하여 어레이 스피커의 근거리에서 불균일 방사 패턴들이 발생하게 된다. 수학식 1을 살펴보면, 각 채널별 지연값 Δ가 작아질수록 음원 신호를 디지털 신호로 구현하기 위해서는 높은 샘플링 비율(sampling rate)가 요구된다. 여기서, 샘플링 비율란 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위해 시간당 몇개의 신호를 샘플로서 취할 것인지를 의미하는 값이다. 이러한 불균일 방사 패턴이 발생하는 것을 억제하기 위해서는 시간당 더 많은 수의 음원 신호 샘플을 취해야 하는데, 이는 디지털 신호 처리해야할 음원의 크기를 증가시켜 시스템에 부하를 주게 된다. 또한, 수학식 1에서 지연값 Δ와 개별 스피커 간의 간격 d가 비례함을 알 수 있는데, 만약 지연값 Δ이 작아진다면, 개별 스피커 간의 간격 d도 줄어들어야만 한다. 그러나, 앞서 설명한 바와 같이 스피커 간의 간격 d를 줄이는 것은 물리적으로 해결하기 어려운 경우가 많다. 따라서, 이하에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 통해 물리적으로 고정되어 있는 스피커들이 아닌 가상의 스피커를 이용하여 샘플링 비율과 무관한 음원 신호를 출력하는 방법 및 장치를 제안하고자 한다.

도 3a 및 도 3b는 아날로그 신호와 디지털 신호를 각각 일정 시간만큼 지연시키는 방법을 예시한 도면으로서, 본 발명의 기본 원리를 설명하기 위해 도시되었다.

도 3a은 연속 신호(continous time signal)를 일정 시간만큼 지연시키는 것을 도시한 그래프로서, 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 신호의 크기를 나타낸다. 도 3a에서 연속 신호는 신호의 크기와 형태를 그대로 유지하면서 시간 t_D만큼 우측으로 이동한 것을 볼 수 있다. 그러나, 이러한 연속 신호는 아날로그 신호가 갖는 파형으로서, 본 발명의 실시예들이 다루고자 하는 디지털 신호와는 성질이 다르다. 일반적으로 디지털 신호는 시스템의 버퍼(buffer)를 이용하여 아날로그 신호를 샘플링 비율의 주기(시간을 의미한다.)만큼 가져와 원래의 신호 중 일부 샘플만을 취하게 된다. 따라서, 디지털 신호는 이산 신호(discrete time signal)(불연속 신호라고도 한다.)이며, 이러한 디지털 신호를 지연하는 것은 샘플링 주기만큼씩 처리하게 된다. 도 3b를 참조하여 디지털 신호를 지연하는데 있어서 발생할 수 있는 제약을 설명한다.

도 3b는 이산 신호를 일정 시간만큼 지연시키는 것을 도시한 그래프로서, 가로축은 샘플링된 신호의 인덱스(index)를 나타내고, 세로축은 신호의 크기를 나타낸다. 또한, 이산 신호의 샘플링 간격은 T인 것으로 가정한다. 도 3b에서 이산 신호를 일정 시간만큼 지연시킬 경우, 이산 신호들 각각은 신호의 크기가 유지되지 않고, D만큼 지연된 형태로 변화하였다. 왜냐하면, 이산 신호는 특정된 샘플링 비 율에 따라 신호를 생성하기 때문에, 만약 샘플링 간격과 지연하고자 하는 시간이 일치하지 않을 경우 샘플링된 신호의 크기가 변화하게 되어 원래 원하는 신호를 정확하게 구현하는 것이 불가능하다. 물론, 드물게 지연하고자 하는 시간이 샘플링 간격의 배수에 해당한다면 신호의 크기는 일치할 수도 있을 것이나, 일반적으로는 신호의 크기가 변화하는 경우가 더 많을 것이다. 도 3b에 도시된 이산 신호의 지연 과정은 다음의 수학식 2와 같이 정의된다.

여기서, x(n)은 원래의 이산 신호를 나타내고, y(n)은 x(n)을 D만큼 지연시킨 이산 신호를 의미한다. 여기서 z^-D는 주파수 영역(frequency doamin)에서의 변환을 의미하는 것으로, 도 3b에서는 샘플링 간격 T와 지연하고자 하는 시간이 일치하지 않는 경우, 이러한 샘플링된 신호들은 단순히 이산 신호들을 지연시켜서는 얻을 수 없으며, 리샘플링(resampling) 과정을 통해서 원래의 아날로그 신호를 디지털 신호로 다시 변환함으로써 얻어질 수 있다.

따라서, 디지털 신호 처리 시스템에서 처리 가능한 최소 지연값은 샘플링 비율에 의해 제한된다. 즉, 디지털 신호 처리 시스템은 샘플링 비율을 더 높은 값으로 변경하지 않는 한, 샘플링 비율보다 더 작은 지연값은 구현할 수 없다는 구조적인 한계를 갖는다.

이상과 같은 문제점들을 인식하고, 본 발명의 다양한 실시예들은 물리적으로 고정된 스피커들 간의 간격보다 더 작은 간격을 갖는 가상의 스피커를 이용하여 이산 신호의 샘플링 비율보다 더 작은 지연값만큼 음원 신호를 지연시킴으로써 상기된 한계를 극복하고자 한다. 이를 위한 구성을 도 4를 통해 설명하겠다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가상 스피커를 이용한 음원 신호 출력 장치를 도시한 블럭도로서, 가상 신호 생성부(410), 스피커 신호 생성부(420) 및 신호 출력부(430)를 포함한다.

가상 신호 생성부(410)는 입력 음원 신호로부터 입력 음원 신호의 샘플링 비율에 따른 최소 지연값이 아닌 가상의 지연값만큼 지연된 음원 신호를 생성한다. 여기서, 최소 지연값(단위 지연값이라고도 한다.)이란 음원 신호의 샘플링 비율에 따라 샘플링 비율의 변경(sampling rate conversion)을 통한 리샘플링 없이 지연시킬 수 있는 가장 작은 지연값을 의미한다. 앞서 도 3b를 통해 설명하였듯이 샘플링 비율은 음원 신호의 최소 지연값을 결정한다. 따라서, 샘플링 비율의 변경없이 이러한 최소 지연값보다 더 작은 지연값만큼 음원 신호를 지연시키는 것은 불가능하다. 가상 신호 생성부(410)는 이러한 최소 지연값이 아닌 가상의 지연값을 사용하여 최소 지연값에 상관없이 음원 신호를 지연시킬 수 있다. 이상의 과정을 도 5 내지 도 7을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 음원 신호 출력 장치에서 가상 신호 생성부(510)를 상세하게 도시한 블럭도로서, 지연값 결정부(511) 및 필터(512)를 포함한다.

지연값 결정부(511)는 샘플링 비율에 따른 최소 지연값을 고려하여 가상의 지연값을 결정한다. 가상의 지연값은 최소 지연값보다 작은 값인 것이 일반적일 것이며, 샘플링 비율에 무관하게 결정될 수 있는 값이다. 또한, 지연값 결정부(511)는 어레이 스피커를 구성하는 개별 스피커 간의 간격 내의 어느 위치에 가상 스피커가 존재하는지에 따라 미리 가상의 지연값을 산출하여 특정한 값으로 결정할 수 있을 것이다. 예를 들어, 개별 스피커 간의 지연값이 Δ라고 할 때, 개별 스피커 간의 중간에 가상 스피커가 위치한다고 하면, 지연값 결정부(511)는 지연값을 Δ/2으로 결정할 것이다.

필터(512)는 지연값 결정부(511)를 통해 결정된 가상의 지연값에 따라 입력 음원 신호를 여과한다. 필터(512)의 여과 과정을 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 음원 신호 출력 장치에서 지연 신호를 생성하기 위한 필터를 예시한 블력도로서, 입력된 음원 신호에 대해 N 개의 지연 처리가 가능한 N차 FIR 필터(N th-order FiR filter)를 도시하였다. N차 FIR 필터는 N 개의 지연부(610)와 N 개의 합산부(630)를 포함한다.

앞서 디지털 신호의 지연 처리는 버퍼를 이용하여 샘플링 비율의 주기만큼 처리 가능하다고 설명하였다. 도 6에서는 N 개의 지연부(610)를 통해 입력 신호를 각각 일정 시간씩 지연시키고, 지연된 신호들을 합산부(630)를 통해 합산한다. 이러한 FIR 필터는 다음의 수학식 3과 같이 정의된다.

여기서, h(n)은 지연된 신호에 승산되는 필터 계수(620)를 의미하며, H(z)는 전체 FIR 필터를 나타낸다. 즉, 수학식 3은 지연부(610)를 통해 지연된 신호와 각각의 필터 계수(620)를 승산한 값들의 합으로 표현된다. 각각의 필터 계수(620)는 전체 FIR 필터를 구함으로써 결정될 수 있다. 이하에서는 도 7을 참조하여 필터 H(z)를 구하는 방법을 설명한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 음원 신호 출력 장치에서 입력 음원 신호를 여과하는 필터의 계수를 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 개방형 피드-포워드(open-loop feed-forward) 시스템을 예시하고 있다.

개방형 피드-포워드 시스템이란 신호 처리 시스템이 관리자 내지 사용자가 원하는 결과를 출력할 수 있도록 신호 처리 시스템의 특정 구성이 가질 수 있는 변수를 제어하는 시스템을 말한다. 또한, 시스템을 구성하는 일련의 과정이 측정과 수행이 반복되는 폐-루프(close-loop)를 갖지 않고, 제어값을 검출하여 결과를 변화시키는 예측 제어 방식을 사용한다. 이러한 개방형 피드-포워드 시스템의 구체적인 동작 원리는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 파악할 수 있는 것이다.

도 7의 개방형 피드-포워드 시스템은 목표 프로세스(가상의 지연값에 해당한 다.)(710), FIR 필터(720), 시스템 프로세스(시스템의 최소 지연값에 해당한다.)(730) 및 감산부(740)를 포함한다.

목표 프로세스(710)에서 필터를 결정하기 위해, 우선 입력 음원 신호를 가상의 지연값만큼 지연시킨 음원 신호를 목표 신호로 정의한다. 이러한 목표 신호는 이상적인 환경하에서 설정된 값으로서 미리 산출되어 특정 인자(parameter)로서 주어질 수 있다. 이어서, FIR 필터(720)에서 시스템 프로세스(730)의 지연 신호와 정의된 목표 신호와의 차이가 최소화되도록 필터를 조절한다. 즉, 실제 시스템의 필터를 조절하여 지연 신호가 이상적인 신호에 근접하도록 한다. 이렇게 생성된 목표 신호와 실제 시스템의 지연 신호를 감산부(740)를 통해 감산하면 이론적으로 양 신호의 차이값은 0이 되고, 이 때 FIR 필터 H(z)가 결정된다. 차이값을 통해 FIR 필터를 결정하는 과정을 간단하게 표현하면 다음의 수학식 4와 같다.

수학식 4는 시스템의 지연 신호 H(e^j ^ω)와 이상적인 목표 신호 H_id(e^j ^ω)의 차이인 E(e^j ^ω) 값을 나타내고 있으며, 필터는 이러한 차이값 E(e^j ^ω)가 최소화될 때 결정될 수 있다.

도 7에서 모든 프로세스 및 변수는 계산의 편의를 위해 시간 영역(time domain)에서 주파수 영역(frequency doamin)(z)로 변환된 후 산출되므로, H(z)를 결정하는 과정을 행렬 곱으로 표현하면 다음과 같다.

수학식 5는 가상의 지연 신호를 표현한 것으로, 입력 신호 u와 목표 프로세스 e^-jωD의 곱으로 표현하였다.

수학식 6은 FIR 필터를 통해 지연된 신호를 표현한 것으로, 입력 신호 u, FIR 필터 H 및 시스템 프로세스 C의 곱으로 표현하였다. w를 통해 수학식 5 및 수학식 6을 정리하면 다음의 수학식 7과 같다.

여기서, 수학식 7의 양변에 시스템 프로세스 C의 역행렬 C^-1을 승산하면 다음의 수학식 8과 같다.

결과적으로 구하고자 하는 FIR 필터는 수학식 8과 같이 결정된다. 그러나, 수학식 8은 행렬 C가 스퀘어(square) 및 넌-싱귤러(non-singular)의 특성을 갖는 이상적인 조건 하에서 산출될 수 있으므로, 실제 구현 환경에서는 역행렬 산출이 제한될 수 밖에 없다. 따라서, 현실적으로는 근사값을 통하여 다음의 수학식 9와 같은 H를 구하게 된다. 이러한 근사값을 구하는 방법으로는 최소 자승법(least square estimation)이 널리 알려져 있다.

여기서 C⁺는 C의 의사 역행렬(pseudo-inverse)을 나타내고, C^H는 에르미트 전치 행렬(Hermitian transpose)을 나타낸다.

이상에서 도 5 내지 도 7을 참조하여 도 4의 가상 신호 생성부(410)에서 지연 필터를 조절하는 방법을 상세하게 설명하였다. 가상 신호 생성부(410)는 이렇게 조절된 계수에 따라 입력 신호를 여과함으로써 샘플링 비율이 변화한 가상의 음원 신호를 생성하게 된다.

다음으로, 스피커 신호 생성부(420)는 입력 음원 신호와 가상 신호 생성부(410)를 통해 지연된 가상의 음원 신호에 기초하여 샘플링 비율이 변경된 스피커 출력 신호를 생성한다. 스피커 신호 생성부(420)는 입력 음원 신호로부터 단위 지연값에 따라 지연된 또 다른 음원 신호와 가상의 음원 신호를 합성하는 신호 합성 부(미도시)를 포함한다. 마지막으로, 신호 출력부(430)는 스피커 신호 생성부(420)를 통해 생성된 스피커 출력 신호를 출력한다. 이상의 과정을 도 8a 및 도 8b를 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 음원 신호 출력 장치에서 스피커 출력 신호를 생성하는 방법을 도시한 도면이다. 도 8a에서 스피커 A 및 스피커 B는 어레이 스피커를 구성하는 실제 스피커이고, 스피커 C는 실제 스피커 A 및 B 사이에 위치한 가상의 스피커이다. 이러한 가상의 스피커는 실제로 존재하는 물리적인 스피커가 아니라 이론적으로 특정 위치에 존재한다고 가정한 스피커이다. 가상의 스피커는 이하에서 설명할 특정값만큼 지연된 가상의 음원 신호를 인가받기 위해 도입된 개념적인 스피커이다.

한편, 가상 신호 생성부(810)는 앞서 설명한 가상의 음원 신호를 생성하는 역할을 하지만, 본 실시예에서는 그와 더불어 실제 스피커에 인가될 지연된 음원 신호들을 공급하는 역할도 수행한다. 실제 스피커에는 샘플링 비율에 따라 최소 지연값의 배수만큼 지연된 신호들이 인가될 것이다.

우선, 스피커 A와 스피커 B는 가상 신호 생성부(810)로부터 각각 음원 신호

및

를 인가받아 출력한다. Δ는 지연값을 의미하며, 앞서 설명한 음원 신호의 샘플링 비율에 의해 결정된다. 어레이 스피커를 구성하는 개별 스피커들은 각각 인접한 스피커보다 Δ만큼 지연된 음원 신호를 출력하게 되므로, 스피커 B는 스피커 A보다 Δ만큼 지연된 음원 신호를 출력한다.

만약, 지연값 Δ가 최소 지연값이라면 본 실시예의 음원 신호 출력 장치는 리샘플링 없이 Δ보다 더 작은 지연값은 처리할 수 없다. 이를 해결하기 위해 실제 스피커 A 및 스피커 B 사이의 정가운데에 가상 스피커 C를 위치시킨다. 가상 신호 생성부(810)는 실제 스피커 A에 인가하는 신호

보다 Δ/2만큼 지연된 가상의 음원 신호인

를 생성하여 가상 스피커 C에 인가한다. 즉, 실제 스피커 A, 가상 스피커 C, 실제 스피커 B의 순서로 음원 신호를 출력한다. 그런데, 가상 스피커 C는 실제로 존재하는 스피커가 아니므로 물리적인 음원 신호를 출력할 수 없다. 따라서, 가상 스피커 C에 인가되어야 할 음원 신호는 가상 스피커 C의 바로 옆에 위치한 실제 스피커 B를 통해 출력하게 된다. 즉, 실제 스피커 B는 원래 자신이 출력하여야 할 신호

와 가상 스피커 C에 인가되어야 할 신호

를 합성하여 출력하게 된다. 이러한 합성 신호는 원래의 입력 신호의 샘플링 비율과는 다른 샘플링 비율을 갖는 스피커 출력 신호가 된다.

도 8b는 도 8a의 음원 신호 출력 장치에서 스피커 출력 신호를 생성하는 방법을 시간 순서에 따라 도시한 도면으로서, 그래프의 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 음원 신호를 나타낸다. 도 8b에서 각각의 그래프 X, Y 및 Z는 각각 도 8a의 스피커 A, 스피커 B 및 스피커 C에 인가되는 음원 신호를 의미한다. 먼저 시간 T에 실제 스피커 A에 신호 X가 인가되고, 시간 T+Δ에 실제 스피커 B에 신호 Y가 인가된다. 한편, 시간 T와 T+Δ의 사이의 시간 T+Δ/2에 가상 스피커 C에 신호 Z가 인가된다. 그러나 스피커 C는 가상의 스피커이므로 실제 스피커 B를 통해 시간 T+Δ 이후에 비로소 출력되게 된다. 따라서, T+Δ/2에서 T+Δ 사이의 구간에서 신호 Z는 점선으로 도시되었다.

이상에서 도 4의 가상 스피커를 이용한 음원 신호 출력 장치를 전체적으로 설명하였다. 본 실시예에 따르면 실제 어레이 스피커를 구성하는 개별 스피커 간의 간격보다 더 작은 간격의 가상 스피커를 이용함으로써 이산 신호의 샘플링 비율보다 작은 지연값에 해당하는 음원 신호를 출력할 수 있게 된다. 그 결과 물리적으로 불연속인 스피커 배치로 인하여 발생하는 근접장 효과 및 불균일 방사 패턴의 발생을 억제하고, 청취자로 하여금 제대로 소리의 방향성을 감지할 수 있게 한다. 또한, 고정된 어레이 스피커의 크기로 인하여 제어 가능한 음원 신호의 주파수 대역이 제한되는 한계를 극복할 수 있다.

도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 일 실시예에 따른 음원 신호 출력 장치에서 스피커 출력 신호를 합성하는 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 이상에서 설명한 음원 신호 출력 장치를 이용하여 실제 어레이 스피커 시스템을 구현하는 다양한 실시예들을 제시한다.

도 9a는 실제 스피커(902)들 사이에 가상 스피커(901)를 배치하고, 가상 스피커에 인가되는 가상 음원 신호를 인접한 실제 스피커를 통해 출력하는 구성을 예시하고 있다. 도 9a에서 실제 스피커들 간의 간격이 d라고 할 때, 가상 스피커를 이용하여 음원 신호를 합성하여 출력함으로써, 스피커들 간의 간격이 d/2인 것과 같은 효과가 나타난다. 이러한 가상 스피커를 더 많이 사용할수록 불연속적으로 배 치된 실제 스피커들이 상대적으로 연속에 가까운 형태로 배치되는 효과가 나타나고, 그로 인해 불균일 방사 패턴이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

도 9b는 가상 신호 생성부(910)를 통해 생성된 지연된 가상 신호와 원래의 음원 신호를 합성하는 구성을 도시한 도면으로서, 필터(912) 및 보정부(915)를 포함하는 가상 신호 생성부(910)와 신호 합성부(920)를 구성된다. 도 5 및 도 6을 통해 설명하였듯이 필터(912)는 지연값을 조절하여 가상 음원 신호를 생성한다. 그런데, 이렇게 생성된 가상 음원 신호를 그대로 원래의 음원 신호와 합성하게 되면, 음압이 변하거나 지향성 패턴(directivity pattern)이 사용자가 의도한대로 나타나지 않을 우려가 있다. 따라서, 보정부(915)는 필터(912)를 통해 지연된 가상의 음원 신호에 대하여 이득(gain) 또는 지향성 특성을 보정한다. 마지막으로, 신호 합성부(920)는 입력 음원 신호로부터 최소 지연값에 따라 지연된 음원 신호와 가상 신호 생성부(910)을 통해 생성된 가상의 음원 신호를 합성함으로써, 샘플링 비율이 변경된 스피커 출력 신호를 생성한다.

도 9c는 도 9b에서 설명한 스피커 출력 신호를 생성하는 구성을 다수의 스피커들로 구성된 어레이 스피커에서 구현하는 방법을 예시한 도면이다. 도 9c에서 개별 스피커별로 가상 신호 생성부(910)와 신호 합성부(920)를 구비하고, 각각의 개별 스피커(930)들을 통해 합성된 음원 신호들을 출력한다. 즉, 지연 신호 생성부(910)와 신호 합성부(920)를 어레이 스피커의 채널의 수만큼 구비하여 지연된 가상의 신호와 실제 스피커에 인가될 음원 신호를 합성함으로써 샘플링 비율과 상관없이 스피커 출력 신호를 지연시킬 수 있다.

이상의 실시예들에 따르면 실제 어레이 스피커를 구성하는 개별 스피커 간의 간격보다 더 작은 간격의 가상 스피커를 이용함으로써 이산 신호의 샘플링 비율보다 작은 지연값에 해당하는 음원 신호를 출력할 수 있게 된다. 특히, 가상의 음원 신호의 이득 또는 지향성 특성을 보정함으로써, 더욱 정확한 스피커 출력 신호를 얻을 수 있다.

도 10a 및 도 10b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 음원 신호 출력 장치에서 어레이 스피커의 크기를 확장하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 일반적으로 어레이 스피커는 물리적으로 특정 크기로서 고정되어 있으며, 어레이 스피커의 양 끝단에서는 스피커로부터 방사되는 출력 신호가 부족하므로 지향성 패턴이 제대로 형성되지 않는 문제(truncation error)가 발생한다. 이러한, 문제점을 해결하기 위해 실제 스피커의 양 끝단에 가상의 스피커를 배치하고, 가상의 스피커에 인가될 가상의 음원 신호를 생성하여 양 끝단의 실제 스피커를 통해 출력하게 되면, 마치 어레이 스피커의 전체 크기가 가상 스피커의 배치 간격만큼 확장된 것과 같은 효과가 나타난다. 즉, 물리적인 어레이 스피커의 크기 변경없이 확장된 크기의 어레이 스피커를 사용할 수 있게 된다.

도 10a에서는 어레이 스피커의 양 끝단(1000)에 가상의 스피커에 인가될 가상 음원 신호를 양 끝단에 위치한 실제 스피커를 통해 출력하는 구성을 예시하고 있다. 이 경우 양 끝단을 제외한 어레이 스피커의 나머지 부분에서는 가상의 스피커를 사용하지 않거나, 필요에 따라서 선택적으로 사용할 수 있을 것이다.

도 10b는 도 10a에서 예시한 어레이 스피커의 구조를 보다 상세하게 도시한 도면이다. 어레이 스피커의 양 끝단(1000)에 위치한 실제 스피커에만 지연 신호 생성부(1010)와 신호 합성부(1020)를 포함하고 있는 것을 볼 수 있다.

이상의 실시예들에 따르면 어레이 스피커의 양 끝단에서 가상의 스피커에 인가될 가상의 음원 신호를 양 끝단의 실제 스피커를 통하여 출력함으로써, 실제 어레이 스피커의 크기를 확장하는 효과가 나타나고, 그 결과 어레이 스피커의 양 끝단에서 지향성 패턴이 제대로 형성되지 못하는 문제점이 해소될 수 있다.

도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가상 스피커를 이용한 음원 신호 출력 방법을 도시한 흐름도로서, 다음과 같은 단계들을 포함한다.

1110 단계에서는 입력 음원 신호로부터 상기 입력 음원 신호의 샘플링 비율에 따른 최소 지연값이 아닌 가상의 지연값만큼 지연된 가상의 음원 신호를 생성한다. 이러한 가상의 음원 신호는 입력 음원 신호의 샘플링 비율과 무관한 가상의 지연값을 결정하고, 결정된 가상의 지연값에 따라 입력 음원 신호로부터 가상의 음원 신호를 여과함으로써 얻을 수 있다. 입력 음원 신호를 여과하는 과정은 입력 음원 신호를 가상의 지연값만큼 지연시킨 음원 신호를 목표 신호로 정의하고, 정의된 목표 신호와의 차이가 최소화되도록 필터의 계수를 조절함으로써 결정된 계수에 따라 음원 신호를 여과함으로써 수행된다.

1120 단계에서는 입력 음원 신호와 1110 단계에서 생성된 가상의 음원 신호에 기초하여 샘플링 비율이 변경된 스피커 출력 신호를 생성한다. 이러한 스피커 출력 신호는 입력 음원 신호로부터 음원 신호의 최소 지연값에 따라 지연된 음원 신호와 1110 단계를 통해 생성된 가상의 음원 신호를 합성함으로써 얻을 수 있다.

1130 단계에서는 1120 단계를 통해 생성된 스피커 출력 신호를 출력한다.

본 실시예에 따르면 가상 스피커를 이용하여 입력 음원 신호의 샘플링 비율과 무관하게 음원 신호를 지연시킨 스피커 출력 신호를 생성할 수 있게 된다. 그 결과 물리적으로 불연속인 스피커 배치로 인하여 발생하는 근접장 효과 및 불균일 방사 패턴의 발생을 억제하고, 청취자로 하여금 제대로 소리의 방향성을 감지할 수 있게 한다. 또한, 고정된 어레이 스피커의 크기로 인하여 제어 가능한 음원 신호의 주파수 대역이 제한되는 한계를 극복할 수 있다.

한편, 본 발명은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현하는 것을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 다양한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질 적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 어레이 스피커에서 나타나는 불균일 방사 패턴을 예시한 도면이다.

도 2는 어레이 스피커 시스템에서 지향성을 구현하기 위해 음원 신호를 지연하는 방법을 도시한 도면이다.

도 3a 및 도 3b는 아날로그 신호와 디지털 신호를 각각 일정 시간만큼 지연시키는 방법을 예시한 도면이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가상 스피커를 이용한 음원 신호 출력 장치를 도시한 블럭도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 음원 신호 출력 장치에서 가상 신호 생성부를 상세하게 도시한 블럭도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 음원 신호 출력 장치에서 지연 신호를 생성하기 위한 필터를 예시한 블력도이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 음원 신호 출력 장치에서 입력 음원 신호를 여과하는 필터의 계수를 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 음원 신호 출력 장치에서 스피커 출력 신호를 생성하는 방법을 도시한 도면이다.

도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 일 실시예에 따른 음원 신호 출력 장치에서 스피커 출력 신호를 합성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 10a 및 도 10b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 음원 신호 출력 장치에서 어레이 스피커의 크기를 확장하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가상 스피커를 이용한 음원 신호 출력 방법을 도시한 흐름도이다.

Claims

입력 음원 신호로부터 상기 입력 음원 신호의 샘플링 비율(sampling rate)에 따른 최소 지연값이 아닌 가상의 지연값만큼 지연된 가상의 음원 신호를 생성하는 단계;

상기 입력 음원 신호와 상기 생성된 가상의 음원 신호에 기초하여 샘플링 비율이 변경된 스피커 출력 신호를 생성하는 단계; 및

상기 생성된 스피커 출력 신호를 출력하는 단계를 포함하고,

상기 가상의 지연값은 상기 최소 지연값보다 작은 값인 것을 특징으로 하는 음원 신호 출력 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 가상의 음원 신호를 생성하는 단계는

상기 가상의 지연값에 따라 상기 입력 음원 신호로부터 상기 가상의 음원 신호를 여과하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 음원 신호 출력 방법.
삭제
제 2 항에 있어서,

상기 가상의 음원 신호를 여과하는 단계는

상기 입력 음원 신호를 상기 가상의 지연값만큼 지연시킨 음원 신호를 목표 신호로 정의하는 단계;

상기 정의된 목표 신호와의 차이가 최소화되도록 필터의 계수를 조절하는 단계; 및

상기 조절된 계수에 따라 상기 입력 신호로부터 상기 가상의 음원 신호를 여과하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 음원 신호 출력 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 스피커 출력 신호를 생성하는 단계는 상기 입력 음원 신호로부터 상기 최소 지연값에 따라 지연된 음원 신호와 상기 가상의 음원 신호를 합성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 음원 신호 출력 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 가상의 음원 신호에 대하여 이득 또는 지향성 특성 중 적어도 하나를 보정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음원 신호 출력 방법.
제 1 항, 제 2 항, 제 4 항 내지 제 6 항 중에 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위 한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
입력 음원 신호로부터 상기 입력 음원 신호의 샘플링 비율에 따른 최소 지연값이 아닌 가상의 지연값만큼 지연된 가상의 음원 신호를 생성하는 가상 신호 생성부;

상기 입력 음원 신호와 상기 지연된 음원 신호에 기초하여 샘플링 비율이 변경된 스피커 출력 신호를 생성하는 스피커 신호 생성부; 및

상기 생성된 스피커 출력 신호를 출력하는 신호 출력부를 포함하고,

상기 가상의 지연값은 상기 최소 지연값보다 작은 값인 것을 특징으로 하는 음원 신호 출력 장치.
제 8 항에 있어서,

상기 가상 신호 생성부는

상기 가상의 지연값에 따라 상기 입력 음원 신호로부터 상기 가상의 음원 신호를 여과하는 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 음원 신호 출력 장치.
삭제
제 9 항에 있어서,

상기 필터는

상기 입력 음원 신호를 상기 가상의 지연값만큼 지연시킨 음원 신호를 목표 신호로 정의하고,

상기 정의된 목표 신호와의 차이가 최소화되도록 필터의 계수를 조절하며,

상기 조절된 계수에 따라 상기 입력 신호로부터 상기 가상의 음원 신호를 여과하는 것을 특징으로 하는 음원 신호 출력 장치.
제 8 항에 있어서,

상기 스피커 신호 생성부는 상기 입력 음원 신호로부터 상기 최소 지연값에 따라 지연된 음원 신호와 상기 가상의 음원 신호를 합성하는 신호 합성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 음원 신호 출력 장치.
제 8 항에 있어서,

상기 가상의 음원 신호에 대하여 이득 또는 지향성 특성 중 적어도 하나를 보정하는 보정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음원 신호 출력 장치.
제 8 항에 있어서,

상기 신호 출력부는 어레이 스피커(array speaker)이고,

상기 가상 신호 생성부는 상기 가상의 지연값을 조절하여 상기 어레이 스피커의 양 끝단으로부터 상기 가상의 스피커 출력 신호를 출력함으로써 상기 어레이 스피커의 크기를 확장하는 것을 특징으로 하는 음원 신호 출력 장치.