[테마특강] 순국산 3S(Spectral Surround System) 서라운드기술

崔 坪

80년 연세대학교 전자공학과 졸업

85년 미국 오하이오 주립대 전기공학 석사

90년 미국 조지아 공대 전기공학 박사

90∼92년 경북대학교 전임강사

92년∼현재 경북대학교 공과대학 전자전기공학부 부교수

서라운드란 청취자를 중심으로 앞쪽, 뒤쪽, 왼쪽, 오른쪽 전방향에서 사운드 이미지를 발생시켜 음의 입체감을 형성하는 기술을 말한다. 서라운드의 원류는 미국 돌비사의 돌비 프로로직이다. 현재 영화관에서 많이 활용되고 있는 이 음향기술은 관객에게 실제와 같은 생생한 입체감을 전달하고 동시에 객석 어디에서도 음의 편차없이 균일한 상태로 사운드를 들을 수 있다. 하지만 서라운드 방식은 앰프가 최소 4개 채널 이상 있어야 할 뿐 아니라 별도의 디코드 장치, 최소 4개 이상의 스피커들을 배치해야 하는 번거로움이 있다. 설치방법 또한 일반인이 다루기에는 어렵다는 점이 보급에 걸림돌이 되고 있다.

물론 기존 2개 스피커를 이용하여 어느 정도의 입체감 효과를 달성할 수 있는 가상 서라운드 혹은 의사(擬似) 서라운드가 확대 보급되고 있기도 하다. 2스피커 의사 서라운드 기술은 외국의 SRS, Q사운드 등이 있으며 국내 순수기술로는 경북대 전자전기공학부가 개발한 3S(Spectral Surround System)가 있다.

의사 서라운드 시스템의 연구는 그동안 입체감의 정도에 많은 관심을 두었으나 최근에는 입체감 효과처리에 필수적으로 뒤따르는 음의 분리도 및 음의 왜곡을 얼마나 최소화하느냐가 초점이 되고 있다. 외국기술은 대부분 입체감 생성을 위한 신호 재처리 과정에서 원 신호의 열화와 함께 음의 분리도를 해치는 결과를 초래했다. 최근 발표된 순수 국산기술인 3S방식은 이러한 문제를 해결한 이상적인 3차원 입체 서라운드 시스템이라는 게 전문가들의 평가다.

국내기업들이 외국기술을 도입, 사용하는 대가로 지불하는 로열티 중 값비싼 기술이 2개의 스피커를 이용한 입체음 생성기술이다. 입체음 생성시스템은 일종의 스테레오 사운드 이미지 확장 시스템이다. 스테레오 사운드 이미징의 일반적인 개념은 복잡하지 않지만 이 개념을 사용하고 실행하는 것은 상당히 어렵다.

스테레오 사운드의 이미지 폭은 스피커에 제공된 정보뿐 아니라 청취자의 위치에 왼쪽우된다. 가장 이상적인 것은 청취자가 스피커로부터 등거리에 있는 경우다. 대부분의 스피커 시스템은 청취자가 듣는 소리가 근접한 스피커로부터만 발생하는 것처럼 인식하게 된다. 이러한 현상은 각각의 스피커에 제공된 정보가 그다지 상이하지 않을 경우 더욱 뚜렷해진다. 그러나 청취자가 스피커로부터 등거리에 위치해 있을 경우 인식된 사운드 이미지는 스피커들의 중앙에 위치해 있고 청각환상 현상은 스피커들 사이의 영역 이상 연장되지 않는다.

기존 스테레오 사운드 재생시스템은 스피커 또는 헤드폰의 위치가 고정되어 있어 재생된 사운드가 방사되고 있는 방향에 대해 오류신호를 청취자들이 수신하게 된다. 예컨대 스피커가 전방에 배치된 경우 측면으로 들려와야 하는 사운드가 전방으로부터 들려와 측면으로부터 방사되는 사운드로 인식하지 못한다.

이는 스피커 혹은 헤드폰의 배치상태에 따른 결과로 재생된 사운드 이미지를 실제 사운드 이미지와 비교할 경우 원근감 및 방향성이 부정확하다. 하지만 스테레오 사운드 이미지 확장 시스템에 의해 재생된 사운드는 상이한 위치로부터 발생하는 것처럼 인식되어 실황공연을 체험하는 것과 같은 느낌을 받는다.

스테레오 이미지의 폭은 왼쪽 스피커와 오른쪽 스피커에 각각 제공된 정보 사이의 유사성 또는 상이성에 크게 좌우된다. 각각의 스피커에 제공된 정보가 동일하면 사운드 이미지는 스피커와 스피커 사이 중앙무대에 중심이 맞추어지게 된다. 이와 대조적으로 각각의 스피커에 제공된 정보가 서로 상이하면 영상 이미지의 범위에 걸쳐 2개의 스피커에서 방사된다.

스테레오 이미지를 분산 및 확장시키는 방법으로는 왼쪽 및 오른쪽 스테레오 원신호에 선택적으로 처리된 차 신호 및 합 신호를 가, 감산해 이룰 수 있다는 것은 주지의 사실이다. 특히 차신호를 증가시키면 확장된 스테레오 이미지를 발생시킬 수 있다. 그러나 차신호를 무분별하게 증가시키면 차신호의 강한 주파수 성분들이 중역 및 고역 대역에 집중되는 문제점이 발생하며 이로 인해 재생된 사운드는 매우 귀에 거슬리게 된다.

이 문제점을 해결하기 위해 기존 스테레오 이미지 확장 시스템은 신호의 고정 또는 가변지연을 이용하고 있다. 그러나 신호의 지연을 이용한 이미지 확장시스템은 실황공연중 지연요인이 무엇이든 녹음시 이미 지연이 존재하기 때문에 재생된 사운드의 정확성은 떨어지게 된다. 더욱이 이러한 신호지연을 구현하기 위해서는 회로의 복잡성을 가중시키고 청취자의 위치를 제한할 수밖에 없다.

또 다른 사운드 이미지 확장방법은 신호증폭기 및 스피커를 부가적으로 사용하는 방식이다. 그러나 이 경우 스테레오 이미지는 스피커의 배치상태에 의해 제한된다. 스피커를 상이한 위치에 배치시키더라도 반드시 정확한 사운드 원근감이 제공되는 것은 아니며 별도의 튜닝작업이 요구되고 스피커의 배치도 전문적인 작업이 필요하다.

3S의 입체음 생성 알고리듬은 기존 생성기법과 완전히 다르다. 입체음 생성 알고리듬은 원래의 스테레오 신호와 그 역상신호가 스테레오 이미지를 최대로 확장시킬 수 있다는 것을 기본으로 하고 있다. 예를 들면 스테레오의 왼쪽 신호는 왼쪽 스피커에 제공될 정보를 가지고 있는데 이를 오른쪽 스피커로 보낼 경우 왼쪽, 오른쪽 신호의 정보는 동일해 사운드 이미지는 스피커와 스피커 사이 중앙에 위치하게 된다.

하지만 왼쪽 신호의 정보를 역상으로 만들어 오른쪽 스피커에 제공하게 되면 왼쪽, 오른쪽 스피커에 제공되는 정보는 서로 상이하여 왼쪽 사운드 이미지는 왼쪽, 오른쪽으로 확장하게 된다. 왼쪽, 오른쪽 스피커에 제공되는 정보의 유사성이 전혀 존재하지 않아 스피커 사이 중앙에 존재해야 할 사운드 이미지는 사라지게 된다. 이 현상이 일어나게 되면 사운드 이미지는 확장될 수 있으나 청취자의 전방에서 오는 사운드 이미지가 전혀 생성되지 않아 자연스러운 음을 청취할 수 없게 된다.

따라서 스피커와 스피커 사이 중앙에 존재해야 할 사운드 이미지 생성을 위해 스테레오의 왼쪽, 오른쪽 신호의 정보를 각각 왼쪽, 오른쪽에 다시 제공함으로써 중앙 사운드 이미지를 생성할 수 있다.

3S의 스테레오 이미지 확장기능은 왼쪽, 오른쪽의 원래 스테레오 신호에다 주파수 대역별로 크기가 조절된 스테레오 역상신호를 가산해 이루어진다. 원래의 왼쪽 신호정보는 왼쪽 스피커에 인가하고 주파수 대역별로 크기가 조절된 왼쪽 신호정보의 역상을 오른쪽 스피커에 제공함으로써 왼쪽 신호에 대한 이미지를 오른쪽으로 확장시킬 수 있다. 오른쪽도 동일하지만 문제는 스피커와 스피커 사이 존재해야 할 중앙 음이 사라지게 된다는 점이다. 이를 방지하기 위해 왼쪽, 오른쪽 신호를 각각 왼쪽, 오른쪽 채널에 다시 제공함으로써 중앙 음을 되살리는 구조로 되어 있다.

3S에서 생성된 확장된 스테레오 이미지는 모든 가청주파수 대역에서 일정한 크기를 갖지 않는다. 주파수 대역별로 이미지의 선택적인 강조는 다음 이유로 인해 스테레오 이미지를 더욱 확장시킨다. 실황공연에서는 주의반사 및 잔향필드가 직접사운드에 의해 차단되지 않지만 녹음공연시에는 주변사운드가 직접 사운드에 의해 차단되어 실황공연에서와 같은 동일한 느낌으로 인식되지 않는다. 3S에서는 이러한 주변 사운드를 되살려 실황공연과 같은 효과를 부여하는 것이다. 음의 조화를 위해 저역대역에 관련되는 신호성분들은 강조하고, 중역대역의 신호는 원음과 같은 크기를 유지하며 고역대역에서는 스테레오 이미지를 확정함으로써 청취자가 편안한 분위기를 느낄 수 있도록 하는 것이다.

3S의 사운드 원근감 보정기능는 왼쪽 및 오른쪽 스테레오 신호에 각 주파수별로 크기 및 위상이 조절된 역상신호를 가산한 후 가청 주파수 대역에서 상대적으로 크기를 조절하여 원근감 보정을 달성했다. 스피커가 청취자의 전방에 배치되는 경우 역상신호는 선택적으로 증가되므로 측면 사운드가 측면으로부터 방사한 것과 같은 레벨로 회복된다. 이로 인해 청취자는 스피커로부터 등거리에 있어야 한다는 제한을 받지 않는다. 3S 시스템은 스테레오 이미지 증강기능과 사운드 원근감 보정기능을 동시에 수행할 수 있도록 되어 있다.

입체음 생성기술인 3S는 2개의 스피커만으로 3차원 입체음향 효과를 낼 수 있으며 스테레오 원음의 재처리 과정을 최소함으로써 원음의 충실도를 유지할 수 있다. 가청 주파수대의 3대역에 대한 선별적 신호처리를 함으로써 보컬대역의 신호를 원음과 같은 수준으로 유지해 최대의 입체음향을 생성할 수 있다. 그뿐만 아니라 보컬대역 신호 및 입체감을 제어할 수 있는 기능을 동시에 갖고 있는 것이다.

3S의 최대 장점은 외국제품과 동등이상의 성능을 가지고 있음에도 불구하고 재료비가 약 2백만원 미만이라는 점이다. 산업체에서 실제 채용하거나 집적회로화할 경우를 고려하여 개발초기의 큰 규모의 회로로부터 알고리듬 및 회로구조의 최적화를 통해 매우 간단한 구조로 구성됐다. 사실상 3S는 세계에서 가장 간단한 구조라 할 수 있다. 국내에서 개발된 3S 알고리듬은 스테레오 이상급으로 녹화된 비디오 매체에도 그 효과가 탁월하다.

3S시스템과 외국사 제품과 비교해 볼 경우 음의 분리도, 음의 균형, 중앙 사운드 이미지의 위치, 왼쪽, 오른쪽 스테레오 이미지 확장각도의 대칭성, 음질, 음색, 부품비 등 모든 면에서 우수한 것으로 평가받고 있다. 기존 외국사의 서라운드 기술은 지나친 신호처리로 인해 음의 왜곡, 음압의 비대칭, 왼쪽, 오른쪽 음의 분리가 명확지 않아 장시간의 청취가 어려우며 또 음의 명료성이 떨어져 청취피로가 수반되는 경우가 많다. 3S는 이러한 문제점들을 해결해 스테레오 음악에 대해서는 생생한 라이브감을, 비디오 소프트류에는 3차원의 입체감을 제공할 수 있다.

3S의 적용범위는 컴퓨터 사운드카드, 스테레오 TV 및 VCR, 가정용 하이파이 오디오, 휴대형 오디오, 멀티미디어 PC용 스피커, 카오디오, 노래반주기, 디지털 음향기기, 전자게임기 등 사운드 재생 시스템이 스피커를 이용하는 어떠한 매체에도 적용 가능하다. 또 기존 톤 컨트롤 회로와 조합하여 새로운 IC를 개발하거나 3S 자체만을 IC화 할 수 있다. 3S의 알고리듬을 사운드효과 디지털 시그널 프로세싱(DSP) 칩에 프로그래밍할 경우 신호의 지연을 위한 메모리가 필요 없으며 간단한 신호의 연산처리만으로 3D효과를 가능케 하므로 비용절감의 효과를 크게 누릴 수 있을 것이다.