7. Height Channels 높이 채널 -1

www.aes.org

 

<Immersive Sound: The Art and Science of Binaural and Multi Channel Audio>를 참고하였습니다.

영어 문서를 해석하고 이해하는 과정에서 잘못 이해한 부분들이 있을 수 있습니다 :)

 

7. Height Channels -1

 

 

 

숲을 거닐 때 그 환경에서 들리는 소리를 상상해보세요.

 

밑에서 들리는 자박자박 걷는소리, 옆에 있는 나뭇잎들이 서로 부딪히며 나는 사각거리는 소리, 머리 위로 저멀리 들리는 새소리 등

이 처럼 실제 공간에 있는 청취자들은 사방에서 들어오는 음향 정보에 몰입하게 됩니다.

 

사방에서 들어오는 음향 정보를 듣기 때문에

높이를 인지 할 수 있는 수직면의 음향 정보를 캡쳐하고 재현 하는 것은 몰입감 있는 오디오를 구현하기 위해 필수적입니다.

 

주변 정보를 전달하기 위해 Height Channels이 포함된 여러 멀티채널 사운드 캡처 및 재생 시스템이 개발 되었습니다.

수직 지향 사운드 이미지를 제공함으로써

Height Channels이 있는 시스템은 보다 자연스러우며 몰입감 있는 3D 사운드 환경을 제공합니다.

 

 

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Architectural Acoustics 건축 음향학

 

공간이 음향에 미치는 영향을 이해하기 위해 먼저 건축 음향학에 대한 이야기를 하겠습니다.

 

아주 오래 전 부터 건축 음향학자들은 공간이 원음의 음색과 공간적 특성을 변화시킨다는 것을 알고,

연주를 하는 공간이 청자를 만족시킬 수 있는 공간으로 만들기 위해 노력해왔습니다.

 

동굴에서 퍼져 나오는 소리가 신에 대한 경건한 두려움을 증가 시킨다는 기록이 있는 것을 보면

아주 그 옛날의 성직자들 조차 공간이 음향에 영향을 미친다는 것을 알고 있었던 것 같습니다.

 

음악이 체계적으로 발전함에 따라 음악가들과 관객들 모두 음향 조건이 음악의 감상을 극적으로 변화 시킨다는 것을 알게 되었습니다. 

 

Forsyth(1985)가 저서에서 쓴 것 처럼 Mozart는 음향 조건이 오페라에 미치는 영향을 알았다고 하는데요.

그가 아내에게 보낸 편지에 이런 글이 적혀 있었다고 합니다.

 

. . . By the way, you have no idea how charming the music sounds when you hear it from a box close to the orchestra—it sounds much better than from the gallery. . . . 

 

오케스트라와 가까운 박스에서 음악을 들으면 갤러리보다 훨씬 더 잘 들리기 때문에 더 매력적이다. 라는 내용입니다.

 

* Balcony(gallery) : 어퍼 서클, 발코니, 갤러리 좌석으로 불린다. 일반적으로 층에 관계 없이 평지에서 올라간 난간 형태의 공간을 말한다. 무대에서 멀어서 가격이 저렴한 좌석이다.

 

* BOX : 박스석은 신분이나 계급의 차이를 가장 극명하게 드러내는 공간이다. 박스처럼 별도로 분리된 좌석으로 귀족들이 비싼 돈을 주고 이용하는 좌석이다. 

 

Mozart 그리고 Bach에 이르기까지 많은 작곡가들은

종종 특정 장소의 음악을 고려 했고 특별히 그 공간에서의 음향 조건을 위한 음악을 작곡하기도 했습니다.

이 처럼 공간의 음향 조건은 작곡가나 연주자에게 음악적 창의성을 효과적으로 표현 할 수 있는 하나의 악기로 여겨졌습니다.

음악 공간은 역사적으로 작곡가들에게도 중요한 요소입니다.

 

그래서 건축가들은 음악가와 관객 모두가 음악을 이해하는 데 도움을 줄 수 있는 공간을 만들기 위해 노력해왔으며

이 과정에 걸쳐, 공간에서 음향 정보의 중요성과 공간이 미치는 영향에 대해 알아냈습니다.

 

그 예로 Beranek(2008)은 천장의 유형과 공간의 높이가 직접음의 도착 시간과 첫 번째 반사음의 도착 시간  차이로 정의된

초기 시간 지연 간격 (ITDG)을 변화시킬 수 있음을 보여주었습니다.

 

* ITDG : Initial Time Delay Gap. 초기 시간 지연 간격

 

이 ITDG 값은 '선명도'와 '친밀성'을 포함한 주관적 속성과 높은 상관관계를 가집니다.

따라서 천장 유형 및 높이에 의해 변조된 음향은 공간 내에서 음장이 인식되는 선명도와 친밀도에 영향을 미칠 수 있습니다.

 

* 음향 특성에 영향을 주는 가장 중요한 지표로는 친밀도, 공간감, 잔향시간, 명료도, 음의 따뜻한, 라우드니스 가 있습니다.

 

 

< Beranek의 Koussevitzky Music Shed 공연장에서 천장 반사의 중요성을 보여준 프로젝트, 1959년 >

 

문제

: 홀의 소리는 분명하지 않고 흐리고 탁하게 들렸으며 음악은 공간과 따로 노는 것 처럼 들렸다.

 

해결

: 오케스트라와 관객 앞 부분에 덮개를 권했다.

50% 열린 이 덮개는 커다란 삼각형 모양인데 절반의 소리는 삼각형 사이 열려 있는 공간으로 빠져 나가고

절반은 덮개에 반사되어 관객에게 반사음이 전해짐으로써 선명함과 친밀감을 더해준다.

 

 

< Miyazaki의 Yamaha Ginza Hall 프로젝트, 2010년 >

 

문제

: 홀 내부 공간이 폭이 좁으면서 높이가 높다.

폭이 좁아서 측면 반사가 강했고, 초기 반사가 강하니 부자연스럽게 넓은 음향 이미지를 만들었다.

 

해결

: 측면 벽에 다각 반사 판넬을 사용하여 측면에서의 확산을 증가시켜 직접적인 측변 반사를 감소시켰다.

 

또 문제

: 그러나 완전한 너비에 필요한 음향 에너지가 충분하지 않았다.

 

또 해결

: 불룩한 표면과 이동 할 수 있는 리플렉터를 추가하였다. (무대 뒤와 천장)

리플렉터는 직접음을 보강해 선명한 악기음을 제공하며 전면과 측면 음향 에너지의 균형을 조정해준다.

또한 리플렉터의 높이를 사용하여 사운드 소스 이미지의 인식 범위를 제어 할 수 있다.

 

* Moveable Stage Reflector : 이동식 음향반사판 (사진에서 천장 참고)

 

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Multi Loudspeaker Reproductio of Immersive Audio 몰입형 오디오의 멀티 라우드스피커 재현

 

5.1 서라운드 사운드 시스템은 청취자가 다른 공간에 있는 것처럼 느끼게 할 수 있지만, 수평적인 이미지에 제한됩니다.

청취자에게 3D 청취 경험을 제공하고 수평적으로 한계가 있던 것을 수직적으로 확장하기 위해 새로운 전자 음향 시스템을 조사했습니다.

 

이러한 시스템은 일반적으로

바이너럴 시스템, 사운드 필드 합성 시스템, 개별 채널 기반 시스템 이 세 가지 시스템 중 하나에 속합니다.

 

개별 채널 기반 시스템에 대해 중점적으로 보자면,

개별 채널 기반 시스템은 지정된 채널을 통해 다수의 독립적인 신호를 캡처하거나 재생합니다.

 

예를 들어 모노, 스테레오, 5.1 서라운드 사운드는 개별 채널 시스템입니다.

그러나 최신 시스템은 Audio Objects를 사용하며 채널에 종속되지 않습니다.

Dolby ATMOS와 같은 하이브리드 시스템은 채널 기반과 객체 기반 시스템을 결합한 형태입니다.

 

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Fundamental Psychoacoustics of Height Channel Perception 높이 채널 인식에 대한 기본 음향심리학

 

음장의 수평면에서 음원의 위치는 청각간 레벨차인 ILD 와 청각간 시간차인 ITD를 차이를 통해 알아냅니다.

 

* ILD : Interaural Level Difference

* ITD : Interaural Time Difference

 

수평면에 위치한 음원의 직접음 보다 ILD, ITD 이러한 차이 값들이

elevated sound 즉, 수직 위치에 대한 음원의 방향을 인식 하는데 도움을 주고 공간 정보를 결정하는 데 중요합니다.

수직 위치의 음원에 대한 인식은 특히 음원이 정중앙에 위치할 때 어깨와 머리에 의한 스펙트럼 변형으로 인식됩니다.

Blauert(1996)는 이 현상을 조사한 결과

특정 스펙트럼 대역이 음원 위치에 따라 상승하고 감쇄되는 것을 발견하고 이를 'Directional Bands'라고 칭했습니다.

directional bands는 높이에 대해 재생되는 음원에 따라 높이를 인지합니다.

 

 

< 8kHz 대역대에 대한 청취자 응답 비율 >

 

소스의 대역폭, 지속시간, 스피커 위치 등 다양한 물리적 요인이 인식 위치에 미치는 영향을 조사했는데

이 요인들이 수직 위치에 대한 음원의 인식에 영향을 미친다는 것을 알아냈다.

 

FH는 앞쪽 높은 위치, A는 머리 위, BH는 뒤쪽 높은 위치를 뜻한다.

8kHz 대역대는 오버헤드 소스의 위치와 연관되는데 실험 결과로 보아

반응이 FH, A, BH에서 더 높은 위치로 인식되는 것으로 나왔다.

 

1, 4, 8kHz 대역이 음원 위치에 따라 상승하고 감쇄되는 directional band를 알게되었는데

이로 인해 앞쪽 높은 위치인 FH 스피커에 하이햇과 심벌과 같은 신호를 할당하는 경우

directional band현상으로 인해 목표한 위치보다 더 높은 위치로 들리게 된다.

따라서 directional band 현상으로 인한 스펙트럼 영향을 고려하여 신호를 할당해야한다.

 

Directional Bands의 활용

- 상승된 사운드 이미지를 가상으로 렌더링 할 수 있다.

- 스펙트럼 내용을 수정하면 라우드 스피커를 물리적으로 높이지 않아도 높이가 상승된 것 같은 인식을 줄 수 있다.

 

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Vertical Localization of a Phantom Image 팬텀(가상) 이미지의 수직 위치 지정

 

양 옆으로 있는 두 스피커는 패닝으로 두 스피커 간에 가상 사운드 이미지를 만들 수 있는데

이는 채널 기반 시스템을 사용하는 이점 중 하나 입니다.

그러면, 스피커와 그 위에 있는 스피커의 수직 팬텀 이미지를 만들기 위해 어떤 조건들이 필요할까요?

 

Lee(2011)는 중앙 평면에서 중간과 상위 스피커 사이의 채널 간 레벨 차이 (ICLD) 관계를 조사한 결과

ICLD가 6~7dB 미만이고, 채널 간 시차 범위가 10ms 내인

Height channel 신호에 대해 수평 인지화만 발생하는 것을 알아냈습니다.

이는 더 높이 있는 스피커에서 7dB 이상의 레벨 차이가 있어야지 인식 이미지를 높일 수 있음을 의미합니다.

 

Theile 와 Wittek(2011)도 한 레이어에서 다른 레이어로 사운드 이미지를 이동하려면

두 레이어 사이에 10dB ICLD가 필요하다고 보고했습니다.

 

Barbour(2003)는 ITU-5 채널 오디오 시스템과 연계하여 상반구에서 음원 위치 확인 제어 실험을 했습니다.

그 결과 효과적인 인식 높이를 설정하기 위해 중앙 위치에서

azimuth 90도, elevation 60도의 라우드 스피커 2개를 사용할 것을 제안했습니다.

 

* 음원 위치의 표현 방법

: Azimuth : 수평 방위각 : 정면에서부터 몇도 옆으로 있는가

: Elevation : 수직각

: Distance : 거리

 

이러한 연구 결과들을 통해 두 개의 스피커를 사용하여 수직 위치를 렌더링 할 수 있지만

수직 이미지가 정면 수평 팬텀 이미지 만큼 정밀하지 않음을 알아냈습니다.

 

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Multichannel Reproduction System With Height Channels 높이 채널이 있는 다중 채널 시스템 

 

청취자들에게 수직으로 확장된 음장을 제공하기 위해

Height Channels을 포함하는 새로운 라우드 스피커 구성을 제안했습니다.

상단, 중간, 하단의 세 가지 레이어를 사용하고 각 레이어의 스피커 수를 사용하여 각 구성을 나타냅니다.

 

* U+M+B 구성

U : 상단 레이어 : 상승 레벨면

M : 중간 레이어 : 수평 (귀 근처) 평면

B : 하단 레이어 : 지상 레벨면

 

기존의 5채널 시스템은 0+5+0 구성으로 표시 할 수 있습니다.

 

 

2+5+0구성 / 2+7+0구성 / 2+8+0구성 (=THX 10.2)

 

중층 5, 7, 8개의 라우드 스피커와 함께 상층에 있는 2개의 라우드 스피커를 사용합니다.

중층의 스피커는 수평 해상도를 높이고, 2개의 상층 스피커는 전체 사운드의 이미지에 존재감을 더해줍니다.

Height Channels를 2개의 상층 스피커를 통해 재생했을 때 3D 사운드 이미지가 만들어진다는 것을 알아냈습니다.

특히, Tomlinson Holman은 THX 10.2 시스템으로 더 잘 알려진 2개의 서브우퍼를 사용하여 2+8+0구성을 제안했습니다.

 

2개의 상층 스피커는 전면 위치에 있을 때 음향 이미지가 더욱 강화되기 때문에 전면 위치에서 사용합니다.

이 2개의 상층 스피커를 전면 위치가 아닌 다양한 위치에서 비교를 해본 결과

전면 위치에 있을 때 전체 음장을 보다 연속적이고 균일하게 제공하기 때문에 청취자들이 전면 위치를 선호한다는 것을 알게되었습니다.

 

Kim, Lee and Pulkki(2010) 몇 개의 스피커가 필요한지 알아보기 위한 연구를 진행 했는데

0, 2, 3, 4개의 상층 스피커 구성과 9개의 상층 스피커 구성을 비교한 결과

9개 이상의 상층 스피커 구성 (9+12+3)이 위치가 잘 인식되고 사운드 이미지가 넓게 형성된다는 것을 알게되었습니다.