우리 학교 기계공학전공 김양한 교수, 최정우 교수 공동연구팀이 3차원 상에서 자유롭게 가상 스피커를 배치할 수 있는 시스템을 개발했다. 이번 연구는 국제전기전자기술자협회 IEEE에서 올해 발간한 국제저널 <IEEE Transaction of Audio, Speech, and Language Processing>에 게재되었다.

청취자가 착각하게 만드는 ‘가상음원’

소리를 입체적으로 들리게 하려면 소리가 퍼져 나오는 음원을 가상으로 만들어 배치할 수 있어야 한다. 호이겐스의 원리와 파동의 간섭 현상을 이용하면 실제로는 존재하지 않지만 마치 음원이 그 자리에 있는 것같이 만들 수 있다. 예를 들어 원 모양으로 스피커를 배열했다고 하자. 원 바깥의 음원에서 발생한 파동이 스피커에 도달했을 때의 소리 신호를 저장한 후, 음원이 없을 때에도 이를 바탕으로 스피커에서 원 안쪽으로 파동을 생성한다. 이때 파동은 호이겐스의 원리에 따라, 실제 음원의 파동이 스피커가 있는 지점에서 진행했을 것으로 예상하는 모양으로 발생한다. 원 안쪽의 청취자는 원 바깥쪽에 음원이 없는데도 파동의 음원이 원 바깥쪽에 있다고 착각하게 된다. 이같이 실제로 존재하지 않지만 실재하는 것처럼 느끼는 음원을 가상음원이라고 한다.

가상음원, 단극음원으로는 한계 있어

그러나 원 안쪽에 가상음원을 만드는 것은 훨씬 어렵다. 음원은 음파의 파원이기 때문에 파동이 한 지점에서 퍼져 나가야 청취자가 퍼져나가는 음파를 듣고 그 지점을 음원이라고 인식한다. 그러므로 청취자가 어떤 위치에서 소리를 듣더라도 가상음원을 느끼게 하려면 가상음원으로부터 모든 방향으로 퍼져 나가는 파동만 존재해야 한다. 그런데 가상음원을 만들려면 스피커가 발생시킨 파동이 가상음원에 해당하는 지점까지 진행해야 한다. 스피커가 만든 파동이 가상음원에서 모인 후 퍼져 나가야 하기 때문이다. 결과적으로 가상음원으로 모이는 파동이 있으므로, 퍼져 나가는 파동만 존재하게 하는 것은 불가능하다. 이 때문에 가상음원이 단극음원이면 가상음원을 스피커보다 앞쪽에 만들지 못했다. 단극음원이란 일반적인 스피커와 같이 모든 방향으로 일정하게 음파가 퍼져 나가는 음원을 말한다.

스피커 앞쪽에 위치한 가상음원 개발

연구팀은 다극음원을 이용해 이를 가능하게 했다. 단극음원을 여러 개 모아 조절하면 소리가 특정 방향으로만 나가는 다극음원을 만들 수 있다. 다극음원을 사용하면 원 모양으로 스피커를 배열한 경우 청취자 쪽 스피커들은 사용할 필요 없이 반대쪽 스피커들만 사용하면 된다. 그리고 실제 음원의 파동이 스피커에 닿았을 때 소리 신호를 시간을 축으로 뒤집어 거꾸로 틀어준다. 파동의 간섭현상을 이용하면 청취자와 스피커 배열 사이에 파동 에너지가 최대가 되는 지점을 만들 수 있다. 스피커에서 나온 파동들은 이 지점에서 모인 후 다시 퍼져 나가 청취자에게 도달해 청취자는 파동이 모인 지점에 음원이 있다고 착각하게 된다. 연구팀은 가상음원의 이론적 해를 스피커의 위치에 대한 적분방정식으로 풀어냈다. 이 적분방정식을 계산하면 소리가 모이는 음장과 퍼지는 음장을 알 수 있다. 음장은 음파가 존재하는 매질의 영역을 뜻한다.

소리도 ‘튀어나오게’ 할 수 있어

다극음원을 사용할 때 가상음원의 근사해를 구하는 방법은 있었지만, 상황에 따라 매번 새로 계산해야 하는 불편함이 있었다. 이번에 연구팀이 정형화된 식을 제안하면서, 기존 방법보다 간단히 가상 스피커를 자유자재로 3차원 공간에 배치할 수 있게 되었다. 이 가상 스피커 기술을 3D 입체 영상과 결합하면 소리도 3D로 들을 수 있어, 진정한 의미의 3D 콘텐츠를 감상할 수 있을 것으로 보인다.

최 교수는 “스피커 배열 기술 자체는 1~2년 안에 상용화가 가능할 것으로 보인다”라며 “하지만 이와 관련된 기술의 표준화 작업은 아직 시작단계에 불과하다”라고 밝혔다. 최 교수는 이어 “이 작업이 완성된다면 파트별로 나누어진 소리에 따른 가상 스피커의 위치를 일반 가정에서도 청취자가 직접 조절할 수 있을 것이다”라고 덧붙였다.