이 내용은 하마사키 스퀘어의 제안자인 NHK의 K.Hamasaki가 제24차 AES International Conference (BANFF, 2003)에서 발표한 페이퍼 "Reproducing Spatial Impression with Multichannel Audio"를 번역한 것입니다.

REPRODUCING SPATIAL IMPRESSION WITH MULTICHANNEL AUDIO

Introduction

공연장과 같이 잔향이 많은 공간에서의 공간감을 재생해내는 것은 multi-channel audio에 있어서 중요한 목표들중 하나입니다.
Diffuse sound field를 (적합하게) 재생해내기 위해 필요한 스피커의 최소 갯수와 그것을 어떻게 배열할 것인가에 관한 연구가 진행되었었습니다.
(그리고) 24개의 스피커가 설치된 무향실에서 청취자가 여러 다양한 스피커 배열을 비교할 수 있게 하는 주관적인 감청 테스트가 있었습니다.
이러한 연구를 통해 4개의 스피커로도 Diffuse sound field를 재현할 수 있음을 확인할 수 있었습니다. 또한 이 스피커 배열은 ITU-R BS 775-1의 5.1서라운드 스피커 배열과도 잘 일치하였습니다.
이러한 실험들을 통해 5.1서라운드 스피커 배열에 있어서도 적절한 마이크 테크닉을 사용하먄 컨서트홀의 공간감을 재생해낼 수 있음이 확인되었습니다.

컨서트 홀의 공간감을 재생해내기 위해서는 4개의 상호간의 연관성이 적은 (‘uncorrelated’) 신호 입력이 Left, Right, Left Surround, Right Surround로 주어져야만 한다는 사실이 밝혀졌습니다. .
그러므로 컨서트 홀의 리버브를 재생해내기 위해서 4개의 상호간의 연관성이 적으면서도 동시에 직접음이 아닌 신호를 잡아낼 수 있는 마이크 테크닉이 필요합니다.

이를 위해서 디자인 된 마이크 array ‘Hamasaki-Sqaure’는 4개의 fig-8마이크로 구성됩니다. 이 마이크 어래이는 유럽의 많은 엔지니어들에 의해 사용되었으며 좋은 결과를 가져오는 것으로 알려졌습니다. 이 페이퍼에서는 각 마이크간의 거리, 컨서트 홀에서의 적절한 위치 등과 같은 위에서 말한 마이크 어레이를 사용하는데에 필요한 정보들을 중심으로 하려고 합니다.

또한 적절한 음의 정위와 공간감을 재현하기 위한 5.1 서라운드를 위한 실제적이고도 탄력적인 녹음기법에 대해서도 논하게 될 것이다. 이 페이퍼에서는 Main(마이크) 어레이와 Ambience어레이로 구성된 마이크 기법을 제안하고 있는데, 그것은 공간감을 쉽게 컨트롤 해줄뿐 아니라 넓은 청취 장소에서도 음의 정위를 가질 수 있게 해주고 있습니다.

청취 공간을 적절한 방법으로 넓혀주기 위해서, 그리고 적합한 공간감을 갖기 위해서 5.1에 대안하는 서라운드 시스템에 관해서도 논의하고자 합니다. NHK는 4000개의 주사선을 가지는 ultra HD비디오 시스템을 개발하였으며, 또한 '21.2' 서라운드을 통해 위의 새로운 비디오 시스템에 합하는 “현실감”을 구현하고자 하였다.

1) Diffuse sound field의 공간감의 재생

Multichannel Sound System에 있어서Diffuse sound field의 공간감을 재생하는데 얼마나 많은 스피커가 필요한가 하는 것을 알아내는 것은 무척이나 중요하다.
이점을 확인하기 위해 몇몇의 주관적인 (감청)테스트들이 이루어졌었다. 동심원상의 24개의 스피커가 15도의 각도로 무향실내에 놓이게 세팅하였다. 이와같은 셋업에서 2차원적인Diffuse sound field를 약 8kHz이하에서 재현할 수 있었다. 이와 같은 환경을 기준(레퍼런스)로 하여 12, 8, 6, 5, 4, 3, 2의 순으로 스피커 갯수를 줄여가며 공간감을 비교하였다. 청취자와 스피커사이의 거리는 1.2m였다. 각각의 스피커는 청취자의 귀와 동일한 높이에 놓여지게 하였다. 화이트 노이즈, 밴드 패스 노이즈, 그리고 다양한 음원들이 평가를 위한 소스로 사용되었다.
테스트 방법은 ‘Double-blind triple-stimulus with hidden reference’기법에 근거하였다. ((정확한 의미는 확률, 통계 관련 용어를 보아야 할 것 같지만 문맥상으로는 기준되는 신호를 알려주지 않은체 세번에 걸쳐서 소스를 들려주게 하여 비교하게 하는 방법인 것 같습니다.)) 각각의 스피커에 주어진 각각의 사운드는 서로 같은 레벨이면서 서로 별개인 (‘uncorrelated’) 신호였다.

Fig-1는 95%의 신뢰한계와 편차 정도의 평균값을 각각의 스피커들을 같은 거리만큼씩 떨어지게 한 경우(Fig-2)의 실험에 대해 보여주고 있다.
(White Noise가 소스로 사용되었다) 편차정도 (difference grade)는 24개의 스피커 모두를 사용한 것을 (알려지지 않은) 기준으로 했을때를 근거로 해 계산 되었다. 여기서 알수 있듯이 4개의 스피커일때 부터 급속도로 24개의 스피커를 사용했을때와의 차이가 현격해짐을 보이고 있다. (Fig-1)
즉 동일한 간격으로 스피커를 배치한 경우에은Diffuse sound field를 얻기위해 최소한 6개의 스피커가 필요함을 나타내준다.

Fig-3은 이와 달리 스피커들이 각기 서로 다른 간격으로 놓여있고, 3가지 종류의 Band-pass Noises들이 소스로 사용된 경우를 보여주고 있다. (100Hz-1.8kHz / 1.8kHz ­ 7kHz / 7kHz ­ 20kHz). 100Hz-1.8kHz의 경우 [30,60],[30,90],[30,120],[60,150] & [120,150]은 8개 이상의 스피커가 사용된 경우와 동일하였다. [x,y]가 의미하는 것은 x,y의 각돌로 4개의 스피커가 놓여졌다는 의미로 Fig-4를 참고하기 바란다. 그러나 고주파 영역에서 편차정도(difference grades)는 두쌍의 스피커가 모두 앞 혹은 모두 뒤에 놓인 경우가 아닐때는 좋지 않았다. 모든 주파수 대역에 있어서 [30,90]과 [30,120]은 8개 이상의 스피커가 사용된 경우와 동일한 결과를 내주었다. 즉, 이것은 위와 같은 스피커 배열을 통해Diffuse sound field의 공간감을 얻을 수 있음을 의미한다.

이 실험의 결론은 동일 간격으로 스피커를 놓을때Diffuse sound field의 공간감을 얻기 위해 6개의 스피커를 사용하는데 반해 ‘동일 간격’이라는 혹을 떼어버리면 두 쌍(네개)의 스피커로 같은 공간감을 얻을 수 있다는 것이다. (Fig-5) Fig-5는 또한 위에서 이제껏 논의한 스피커 배열이 ITU-R BS 775-1이 추천하는 멀티채널 스피커 구성과 잘 일치함을 보여준다. 즉 3-2스테레오는 청취자가Diffuse sound field의 공간감을 인식할 수 있게 해주는데 있어 최적의 스피커 배열중 하나인것을 보여주고 있다.

2) 5.1 서라운드에서 공간의 느낌 재생 ((공간의 느낌 ­ Spatial Impression))

위에서 논의된 바와 같이 5.1서라운드에서도 4개의 스피커로 서로 별개인 (‘uncorrelated’)신호들이 공급된다면 공간감을 재생해낼 수 있게 된다. 이를 위해서는 컨서트 홀과 같은 곳에서의 잔향이 많은 사운드 field내에서 서로 별개인 신호를 수음할 수 있는 마이크 기법이 필요하다.

4개의 옴니 마이크들간의 거리를 적당히 조절하여 놓아서 ‘서로 별개인’ 사운드를 잡아낼 수 도 있다. 하지만 실제적인 녹음 상황에서는 그러한 단순한 해법이 가능하지는 않다. (역주 - 의문의 여지가 남는 말이긴 합니다만...)
컨서트 홀에서는 오케스트라가 무대에서 연주를 한다. 4개의 옴니가 청중석에 놓여있을때 이 마이크들은 공간감을 재생해내는데 필요한 간접음(indirect sound)를 받을 뿐 아니라 무대로 부터의 직접음(direct sound)도 받게 된다.
만약 이 정보들이 rear스피커에 너무 많이 공급된다면 front 스피커 영역에 있어서의 음원의 정위가 심각하게 손상될 수도 있다. 그러므로 마이크 어레이가 가능한 적은 직접음의 정보를 가지면서 주로 간접음을 받을 수 있어야 한다.

이러한 목적으로 Hamasaki-Square라 불리우는 마이크 어레이가 제안되었다 (Fig-6a).

이 어레이는 네개의 figire-8마이크 ((Bi-directional))로 구성되어 주로 측면 반사음을 받으며 직접음과 뒷벽으로 인해 생기는 좋지 않은 Echo들을 최소한으로 만든다. Hamasaki-Square는 네개의 마이크를 어떤것으로 선택하느냐에 따라 다르게 구성될 수도 있다. 컨서트 홀이 청중석 뒤편으로 부터 음향적으로 좋은 소리를 가져온다면 뒤에 놓일 두개의 figure-8대신 directional 마이크를 뒤쪽을 향하게 놓을 수도 있다. (Fig-6b)

이러한 조합이 때때로 녹음이 이루어지는 컨서트홀의 공간감을 재생하는데 도움이 되기도 한다. 하지만 이러한 구성에 있어서는 뒷벽에서 생길 수 있는 반사음에 주의를 기울여야 한다. 이러한 반사음이 지각될 수 있을 정도라면 뒷 스피커로 가는 신호가 앞과 뒤 스피커 사이에 좋지않은 딜레이를 가져올수도 있다. 이런 경우에는 Hamasaki-Square와 두개의 Cardioid마이크를 이용한 조합이 유용하게 쓰일 수 있다. (Fig-6c) 그것은 홀의 공간감을 유지하면서 뒷벽에서 오는 반사음을 조절할 수 있기 때문이다.

이러한 접근을 해나갈때 무대로 부터 오는 직접음을 줄이는 것이 무척 중요하다.

이 어레이에서 각 마이크 간의 거리는 계산에 의해서 그리고 주관적인 감청 테스트들에 의해 결정되었다. Fig-7은 Reverb sound field에서 두개의 옴니 마이크가 주파수에 따라서 cross correlation coefficient가 어따한지 나타내주고 있다.
만약 거리가 2m 라면 네개의 마이크에서 각각의 사운드는 100Hz이상에 대해 서로 별개의 신호가 된다.

Fig-8은 열 한명의 레코딩 엔지니어에게 앞쪽의 메인 어레이로 부터의 거리를 1m, 2m, 3m로 다르게 하여 공간감을 비교하도록 물은 주관적인 감청테스트의 결과이다. 이 그래프는 각기 주어진 영역에 대해 다른 것들이 얼마나 더 선호되는지를 보여주는 것이다. ((첫번째 1m의 경우는 2m,3m가 훨씬 선호되고 있음을 보여주고 마지막 3m의 경우에는 1m를 선호한 경우는 하나도 없음을 보여주는 것입니다.)) 이를 통해 최소한 2m는 되어야지 적합한 공간감을 재생해낼 수 있는 것임을 알 수 있다.

3) 컨서트 홀에서 오케스트라를 녹음하는데 있어서의 실제적인 녹음기법


생방송 혹은 실황 녹음등과 같은 실제적인 녹음환경에 있어서 적절한 공간감을 멀티채널을 통해 얻는 것이 쉽지는 않다. 왜냐하면 컨서트 홀의 음향환경이 관객이 있을때와 없을때에 따라 극적으로 변화하기 때문이다. 그리고 마이크를 적절하게 조절할 시간이 부족한 것도 사실이다. 그렇기에 직접음과 간접음의 비율을 조절하면서 멀티채널 재생의 고음질을 쉽게 유지시켜주는 마이크 테크닉이 필요하다.

이러한 문제를 다루기 위해 오케스트라의 멀티 채널 녹음을 위한 실제적인 마이크 어레이를 제안하였다.
이 어레리은 Main어레이와 Ambience어레이로 구성되어 있는데 이를 통해 공간감을 쉽게 조절할 뿐 아니라 사운드의 정면 영역의 정위가 안정적임을 알 수 있다.

Fig-9에 컨서트홀에서의 오케스트라 녹음을 위한 마이크 어레이가 나타나있다.

Main어레이에서는 5개의 수퍼Cardioid를 1.5m 간격으로 배열하였고 250Hz에서 LPF(Low Pass Filter)시킨 두개의 옴니를 포함시켰다. 5개의 수퍼 cardioid는 넓은 청취 영역에서도 안정된 정위를 가능하게 해주었고 필터링된 옴니는 수퍼 cardioid에서 부족한 저음역을 보강해준다.
Ambience어레이는 Hamasaki-Square를 이용한다. 이 기법을 이용하면 녹음이 진행될때 직접음과 반사음의 비율을 사운드 소스들의 정위에 영향을 미치지 않고도 쉽게 조절이 가능하게 해준다. 그것은 Ambience어레이가 직접음을 거이 받지 않기 때문이다.

Main어레이와 Ambience 어레이의 거리는 컨서트홀의 음향적인 상태에 따라 결정된다. 또한 Ambience Square의 위치는 충분한 reverb sound와 적은 양의 직접음을 받을 수 있어야 하는 곳이여야 한다.

4) 5.1 서라운드 사운드 시스템의 대안

21.2 멀티채널 사운드 시스템이 4000개의 주사선을 가지는 ultra HD비디오 시스템을 위해 고안되었다. 이 UHD는 시청각이 110도에 이르는 wide화면으로 초현실적인 비디오 이미지를 구현하게 해준다. 21.2 채널 사운드 시스템은 큰 화면의 비디오 이미지와 적절한 조화를 이루어 삼차원적인 정위상, 그리고 삼차원적이 공간감을 가져다 준다. (Fig-9)

21.2 멀티채널 사운드 시스템은 천정에 9개, 청취자의 귀의 위치와 같게끔 8개, 스크린 위에 3개, 스크린 아래에 2개의 채널과 두개의 LFE채널로 구성된다. 이 시스템은 정면, 측면, 후면, 청취자 머리 위 공간에 대해 안정적인 음원의 정위감을 제공한다. 또한 천정의 스피커를 통해 더욱 ‘자연스러운’ 공간감을 얻을 수 있다.

5) 결론

이 페이퍼에서 공간감을 재생해내기 위한 멀티 채널 사운드의 각종 연구에 대해 소개하고 논의하였다. 5.1 서라운드 시스템이 서로 별개인 신호를 공급하는 방식을 통해Diffuse sound field를 재생해낼수 있음을 보았고 오케스트라 녹음을 위한 실제적인 마이크 어레이도 제안하였다. 이 연구들을 계속하여 미래의 방송 시스템이 자연스러우면서도 고품질의 삼차원 사운드를 재생해낼 수 있게 해줄 초현실적 오디오 & 비디오 시스템을 가능케 하여줄 것으로 예측하는 바이다.

References
1] ITU-R BS.775-1, "Multichannel Stereophonic Sound System With and Without Accompanying Picture." (1992-1994)

2] K. Hiyama, S. Komiyama, and K. Hamasaki, "The Minimum Number of Loudspeakers and Its Arrangement for Reproducing the Spatial Impression of Diffuse Sound Field." 113th AES Convention, Preprint 5674

3] K. Hamasaki, "Multichannel Sound in Television: Technical and Aesthtic approach." The 3rd international Multichannel Sound Forum, Preprint pp. 26-41 (200)

4] K. Hamasaki, T. Shinmura, S.Akita, and K. Hiyama, "Approach and Mixing Techniques for Natural Sound Recording of Multichannel Audio." AES 19th International Conference, Preprint pp. 176-181