6 장 사운드

1. 6장 사운드 Understanding of Multimedia

2. 사운드의 개요 • 사운드 • 공기 분자의 진동을 나타내는 하나의 파형으로 사람이 소리를 듣는다는 것은 공기의 분자를 진동시킴으로써 그 진동이 귀에 전달되어 소리를 듣게 되는 것 • 주파수(Frequency) • 초당사운드 파형의 반복횟수를 의미하며 주기와는 역수 값의 관계가 있고, 소리의 높낮이에 관계가 있는 양 • 단위로는 Hz를 사용하고 초당 진동수를 의미함 • 주파수가 크면 높은음이 나며 낮으면 저음이 나게 됨

3. 사운드의 개요 • 진폭(Amplitude) • 아래그림의 사운드 파형에서 기준선에서 최고점까지의 거리를 의미하며 소리의 크기와 관련이 있음 • 소리의 크기는 데시벨(dB)로 나타내는데 아래의 식과 같이 표현할 수 있음 • 음색(Tone Color) • 고유한 소리의 특징 • 소리는 각 소리마다 주파수가 있는데 이것을 기본파라 하고, 이 기본파의 정수배에 해당하는 고조파라는 것을 갖는데 이러한 기본파와 고조파가 합성되어 고유한 음색을 갖음

4. 사운드의 개요 • 샘플률 • 초당 추출되는 데이터의 수를 의미하는 것으로 비디오에서의 FPS와 같은 개념 • 샘플률의 단위를 KHz를 사용함 • CD 수준의 샘플률인 44.1KHz는 1초에 44,100번 데이터를 추출한다는 것의 의미함 • 충실도 • 추출되는 데이터에 할당된 비트 수 • 주로 8비트와 16비트가 사용되며 8비트를 사용한다는 것은 소리의 크기 범위를 256가지로 정하여 추출한다는 것을 의미함

5. 사운드의 디지털화 • 사운드의 디지털화 • 컴퓨터에서 처리하려면 이미지와 마찬가지로 디지털의 형태로 변환해야 함 • 아날로그 신호가 컴퓨터를 거쳐 사람의 귀에 사운드가 들리는 과정 • 사람이 내는 소리나 주변의 환경에서 나는 소리는 아날로그 형태인데 그 소리가 마이크를 통해 ADC(Analog-to-Digital Converter)장치를 거쳐 디지털 형태로 변환 • 그 디지털 데이터가 DAC(Digital-to-Analog Converter) 장치를 거쳐 아날로그 형태로 변형되고 나서 스피커를 통해 사람의 귀에 전달됨

6. 사운드의 디지털화 • 표본화(Sampling) • 아날로그신호를 디지털 신호로 변환하려고 아날로그 신호에서 표본을 취하는 것 • 사운드의 표본화율(Sampling Rate)은 1초 동안에 취한 표본의 수를 말하며 단위는 Hz를 사용 • 아래 그림은 아날로그 파형에서 표본화하는 예를 나타내며, 왼쪽의 그림은 아날로그 신호를 나타내고, 오른쪽 그림은 일정한 간격으로 표본화한 데이터

7. 사운드의 디지털화 • 양자화(Quantizing) • 표본화과정에서 디지털화된 데이터를 얼마나 자세하게 표현할 것인가 하는 것 • 이 범위를 얼마나 세밀하게 나누는지가 정밀도와 관련이 있게 되는데 8bit로 양자화하게 되면 사운드를 256단계의 값으로 양자화할 수 있고, 16bit로 양자화하게 되면 65,536단계의 값으로 양자화 할 수 있음 • 아래 그림은 디지털화된 데이터를 양자화시킨 예 • 왼쪽 그림은 디지털화된 데이터이고 오른쪽 그림은 왼쪽 그림의 디지털화된 데이터를 빨간 점에 해당하는 대표 값으로 양자화시킨 결과

8. 사운드의 디지털화 • 양자화(Quantizing) • 아래 그림은 양자화의 레벨에 따라 사운드의 정밀도가 달라지는 예를 나타냄 • 왼쪽은 세밀하게 양자화함으로써 원래의 음원에 가깝게 나타낼 수 있지만 세밀하게 양자화하는 만큼 많은 비트 수가 필요하기 때문에 데이터의 양이 커지게 됨 • 오른쪽은 드문드문 양자화함으로써 원래의 음원과 차이가 많이 나게 되지만 적은 비트 수를 사용하기 때문에 데이터의 크기가 작아진다는 이점이 있음

9. 사운드의 디지털화 • 부호화(Coding) • 표본화와 양자화의 단계를 거친 후에는 양자화된 데이터를 실제 컴퓨터에서 처리되는 디지털 데이터로 표현해야 하는데 사운드 파일은 일반적으로 파일의 용량이 크기 때문에 이 과정에서 압축하여 저장함 • 기본적으로는 PCM 방식으로 부호화되지만 실질적으로는 이 PCM 방식이 용량이 크기 때문에 ADPCM 방식을 주로 사용함

10. 부호화(Coding) • PCM(Pulse Coded Modulation) • 입력된값을 2진 코드 그대로 저장하는 방법으로 압축하는 과정을 전혀 거치지 않기 때문에 용량이 큼 • 잡음과 간섭에 강하고 전송 중 코딩된 신호를 효과적으로 재생할 수 있음 • 같은 포맷으로 공통된 네트워크에서 다른 디지털 데이터와 합칠 수 있고 TDMA 시스템에서 신호를 빼거나 삽입하기가 쉬우며 특수한 변조법이나 암호화를 적용하기가 쉬움 • 아래 그림은 양자화된 데이터를 각각 PCM 방식으로 부호화한 것 • 빨간 선에 해당하는 양이 부호화되는 것

11. 부호화(Coding) • ADPCM(Adaptive Differential Pulse Coded Modulation) • 차이만을 그대로 저장하는 DPCM(Differential Pulse Coded Modulation)으로처리하면 그 차만을 이용하므로 용량이 작아질 수는 있지만 차이가 클 때 DPCM 방식도 효율이 떨어지게 됨 • ADPCM은 인접한 값과의 차이가 크면 진폭을 나누는 단계를 크게 하고, 인접한 값과의 차이가 작으면 진폭을 나누는 단계를 작게 하여 정밀하게 표시 • 아래 그림은 양자화된 데이터를 각각 ADPCM 방식으로 부호화한 것 • 빨간 선에 해당하는 양이 부호화되는 것

12. 압축 • ADPCM • DPCM에서 양자화의 단계 폭을 신호의 진폭에 따라 적응적으로 변경시키는 방식 • 진폭이 큰 곳에서는 단계 폭을 크게 하여 신호의 변화에 따라서 적응적으로 예측치와 실제치의 차분 만을 부호화하여 전송 • ITU-T 권고 G.721 • 표본화 주파수를 8KHz로 하고 차분 양자화 비트 수를 4bit로 압축하여 32Kbps로 전송하는 규격 • 이 규격의 ADPCM 대규모 집적회로가 개발되어 전송 회선뿐만 아니라 음성 사서함 등에 이용되고 있음 • ITU-T 권고 G.722 • 표본화주파수를 16KHz로 하고, 차분 양자화 비트 수를 14bit로 압축하여 64Kbps로 전송하는 규격 • 종합정보통신망(ISDN)의 64Kbps 디지털 회선 등과의 정합성이 높음

13. 압축 • A-Law, -Law • PCM에서 사운드를 양자화하는 한 방법 • 표본화된 사운드의 값은 무한대의 가지 수를 가지게 되는데 이러한 값을 표현하려면 많은 수의 bit가 필요함 • 양자화는 이런 무한대의 값을 유한한 몇 가지의 대표 값으로 바꾸어 주는 데 이런 과정에서 양자화 잡음이 발생 • 양자화 잡음을 줄이려면 대표 값의 개수를 늘려 각 대표 값들 간의 간격을 줄이면 가능해짐 • 이렇게 하면 하나의 값을 표현하기 위한 bit가 많아지게 되므로, 하나의 값을 표현하기 위한 양자화 값의 개수를 같게 유지한채 양자화 잡음을 줄이는 방법이 A-Law, -Law방법임

14. 압축 • TrueSpeech • DSP(Digital Speech Projects) 그룹의 TrueSpeech는 작게 축소됨 • 1bit 길이를 가지고 모노(mono)에서 8,000Hz까지 신호를 줄임 • 사운드가 초당 1K 비율로 지나간다는 것을 의미함 • WAV, AIFF 파일처럼 가장 작은 PCM 사운드 크기와 파일속도의 8분의 1에 해당되며 가장 작은 ADPCM 파일 크기의 4분의 1에 해당함

15. 압축 • MP3 또는 MPEG Layer3 • MPEG1에서 정한 고음질의 오디오 압축기술의 하나로써 음반 CD에 가까운 음질을 유지하면서 CD의 50배로 압축이 가능한 기법 • TCP를 바탕으로 인터넷 상에서 AOD와 인터넷 FM 라디오방송 등에 널리 이용되고 있음 • MP3를 이용하여 압축된 양질의 많은 음악은 이를 그대로 복제하여 전송할 수 있음 • RealAudio • 인터넷 상에서 음성을 실시간으로 재생할 수 있는 방식 • 주문형 오디오(AOD)의 하나로 서버용과 클라이언트용이 있음 • 저명한 음악가의 연주회 등을 인터넷으로 중계할 수 있음

16. 파일형식 • WAV • 윈도우운영체제에서 사용되는 오디오 포맷의 하나 • 소리나 음악을 듣거나 녹음하는데 사용하며, 8bit 또는 16bit 모드로 11KHz, 22KHz, 44KHz의 샘플로 기록됨 • AU • -Law 방식으로 압축된 사운드 포맷으로 유닉스 환경에서 오래전부터 사용해온 가장 일반적인 포맷 • 다른 포맷으로 변화하기 위한 크로스 플랫폼 형식 • MP2, MP3 • 압축효과가 뛰어나며 음질도 우수한 포맷 • 인터넷 상에서 음악을 압축하는데 매우 많이 사용됨 • 인터넷 상의 AOD(Audio on Deman)에서 사용하고 있으며 최근 휴대용으로 MP3 형식의 노래를 들을 수 있는 플레이어가 대중화되었음

17. 파일형식 • VQF(Vector Quantization Format) • 일본 NTT사가 개발한 TwinVQ라는 오디오 압축 기술로 만들어진 포맷 • TwinVQ는 MP3 수준의 음질을 인터넷에서 스트리밍 형식으로 사용하며, VQF인코더 프로그램을 이용하면 원래 음악을 최소 1/12 수준으로 압축할 수 있음 • 각각의 음악 데이터를 직접 부호화하는 것이 아니라 여러 개의 데이터를 일정한 패턴으로 만들고 미리 준비한 표준 패턴과 비교하여 가장 유사한 표준 패턴을 골라내어 그 표준 패턴의 번호를 압축 부호로 전송함

18. 파일형식 • RealAudio(.ra, .rm) • 인터넷 상에서 스트리밍 기술을 이용하여 실시간으로 사운드를 전송받으며 플레이할 수 있는 새로운 개념의 사운드 포맷 • 전송속도가 동적으로 변함에 따라 전송되는 음질의 종류도 동적으로 변화시키는 SureStreaming이라는 기술을 이용하여 대역폭이 동적으로 변함에 따라 음질도 동적으로 변화시켜 전송 • ASF(Advanced Streaming Format) • 1996년 Intel사가 만든 차세대 멀티미디어 파일 포맷이자 통합 멀티미디어 파일로 파일 안에는 오디오, 비디오, 이미지, URL, 실행 프로그램까지 들어갈 수 있음 • 스트리밍 기술을 이용하여 인터넷에서 파일을 다운로드 하면서 동시에 재생할 수 있음

19. 미디(MIDI) • 미디(MIDI: Musical Instrument Digital Interface) • 전자 악기와 컴퓨터 간의 상호 정보교환을 위한 규약 • 직접적인 음에 대한 정보가 있는 것이 아니라 음을 어떻게 연주하라는 정보를 표현 • 미디라는 통신규약이 있기 전에는 악기마다 독자적인 제어 방식을 갖고 있어서 한 프로그램에서 여러 악기를 한꺼번에 제어하기 어려웠음 • 컴퓨터와 전자 악기간의 통신을 표준화시킨 미디가 탄생하여 여러 악기를 제어할 수 있게 되었음

20. 미디(MIDI) • 시스템의 구성 • 일반적인 미디 시스템의 구성은 아래 그림과 같음 • 샘플러 등의 미디 장치에서 음을 발생시키면 미디 인터페이스 카드를 통해 컴퓨터로 전송됨 • 그 후 전송된 미디 데이터를 컴퓨터가 시퀀싱 프로그램을 사용하여 편집을 하고, 다시 미디 인터페이스 카드를 통해 신시사이저 등의 미디 장치로 음이 전달되면 미디 장치는 그 음을 스피커로 출력하게 됨

21. 미디(MIDI) • 미디 장비 • 신시사이저(Synthesizer) • 모든요소를 자유롭게 조절할 수 있음 • 이 악기는 기본적으로 음원을 발생시키는 부분, 그 배음을 가감하는 부분, 음에 시간적 음량변화를 주는 부분으로 구성됨

22. 미디(MIDI) • 미디 장비 • 샘플러(Sampler) • 악기의모든 음을 가진 것 • 실제 소리를 디지털 방식으로 직접 녹음하여 그 소리를 편집하여 악기나 효과음으로 사용할 수 있도록 해주는 장치 • 좀더 정교한 음을 사용하고자 할 때나 음원에 없는 음을 만들고자 할 때 사용됨

23. 미디(MIDI) • 미디 장비 • 믹서(Mixer) • 여러 개의 사운드 신호를 섞어서 하나의 신호로 만들어 주는 역할을 하는 장치 • 여러 입력 단자에 각 악기의 출력 라인을 하나씩 연결하여 하나의 출력 신호로 만들어 스피커나 앰프, 녹음장치 등으로 내보냄 • 각 출력의 균형 등을 맞춰주는 이퀼라이저(Equalizer)가 장착되어 있어 음악의 균형을 맞춰 녹음하고 연주하는데 있어서 필수적인 장비

24. 미디(MIDI) • 미디 장비 • 미디 인터페이스 카드 • 컴퓨터와 미디 모듈 간의 신호 체계가 달라서 이 신호들을 서로 연결해주는 역할 • 연결 방식으로는 직접적으로 마더보드 PCI 슬롯에 꼽는 PCI 방식과 USB, 1394 등등의여러 가지 형태가 있음

25. 미디(MIDI) • 미디 장비 • 미디 전용 케이블 • 5핀 플러그를 사용 • 미디선의 길이를 50피트로 제한하고 있는데 이 이상의 길이가 라디오 주파수 간섭에 노출되기 쉽기 때문 • 플러그의 5핀은 각각 고유한 용도가 있지만, 이 중에서 가장 중요한 핀은 서로 꼬여있는 실드 역할을 하는 철망으로 쌓여 있음 • 외부 절연체가 이 실드 주위를 덮은 두 개의 전도체임 • 실드의 역할은 라디오 주파수 간섭을 최소화하는데 있음

26. 미디(MIDI) • 미디 장비 • 앰프와 스피커 • 가장 대표적인 음의 출력 장치 • 가정용 오디오에서 사용되는 스피커에 미디 장비를 연결하여 사용할 때 스피커에 손상이 갈 수 있음

27. 미디 소프트웨어 • 작곡용 프로그램(시퀀서, Sequencer) • 악보를직접 만들고 각각의 Voice에 악기와 채널을 배정시킴 • 프로그램의 자체 파일로 저장할 수도 있으며, 미디파일로 저장할 수도 있음 • 작곡용 프로그램 FL Studio

28. 미디 소프트웨어 • 악보용프로그램 • 화면에 악보를 그리고, 프린터로 출력하는 출판용 프로그램 • 편집 기능도 가능하기 때문에 작곡용 프로그램과 더불어 많이 사용되고 있음 • 악보용 프로그램 Finate

29. 미디 소프트웨어 • 음색편집용 프로그램 • 소리를 편집, 수정하는 프로그램으로 미디 음원 모듈이나 신시사이저에 있는 각종 음색과 효과음들을 편집하거나 새로 만들 때 사용되는 프로그램 • 음색 편집용 프로그램 X5DR

30. 디지털사운드 편집(사운드 포지) • 사운드 포지 • MP3까지 로딩이 가능한 프로그램 • 다른 프로그램들보다 훨씬 간단한 인터페이스를 갖음 • 사운드포지의 활용 [교재 205-214 참고]