머리전달함수(Head Related Transfer Function, HRTF)에 대하여

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서론

오늘은 머리전달함수에 대하여 기술해보고자 한다.

우선 정의는 위키피디아를 통해 가져와본다.

머리전달함수(Head Related Transfer Function, HRTF)은 동일한 소리를 전방위에서 발생시켜 방향에 따른 주파수 반응을 측정하여 3차원 함수로 정리한 것을 말한다. [위키피디아]

위 정의만으로는 정확히 이게 뭐지? 싶을 분들이 많을 듯하여 경험을 토대로 썰을 풀어본다.

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본론

소리가 음원으로부터 발생하여 청자의 귀로 전달될 때 소리는 생각보다 더 다양한 경로를 거친다.

실내에서 발생한 음원을 청취한다고 가정하였을 때 (즉 실내음향 관점), 음원에서 청자의 귀까지 최단거리로 전달되는 직접음이 있다. 또 1차적으로 바닥, 벽체 또는 천장에서 반사되서 들어오는 초기반사음이 있고, 다차적으로 반사, 흡음, 회절 혹은 확산 되어 들어오는 후기반사음이 있다.

그에 대한 전달경로는 실내음향 측정방법인 ISO 3382에 따라 충격음 또는 Sinesweep 레코딩을 통해 획득될 수 있다. (이에 대한 소개는 추후에 할 예정이다 ㅎ)

그런데 마이크의 경우야 수음점이 점으로 가정되어 위에 언급한 실내 물체에 의한 전달경로만 정의되면 되지만, 실제 사람(청자)의 경우에는 신체가 있고, 외이가 존재하여 그에 대한 영향 또한 전달경로로 고려되어야 한다. 그것이 바로 머리전달함수(HRTF)이다~!

이 전달함수에는 가슴팍, 어깨, 외이, 머리, 코 등등의 신체의 형상에 대한 영향이 포함되어 있기 때문에 사실 사람에 따라 다 다르다고 할 수 있다. 때문에 Individual HRTF이 있고 그에 대한 연구도 존재한다.

하지만 일반적으로는 MIT 등의 기관에서 수많은 사람들의 HRTF를 얻어 데이터화한 대표 HRTF 값을 사용하거나 국가별로 그 값이 존재한다. 한국의 경우 카이스트에서 제공하는 Korean HRTF가 있는 것으로 기억한다.

근데 이게 왜 필요하냐?고 생각할 수 있겠다.
그 이유는 보통의 음원 녹음은 일반 마이크를 통해 이루어지는데, 사람이 스피커를 통해서 녹음된 음원을 들을 때는 스피커를 통해 나온 소리가 머리전달함수를 거쳐 나의 귀로 들어오는 것이 되지만 헤드셋의 경우에는 바로 귀로 들어오기 때문에 머리전달함수가 생략되게 된다. 따라서 실제적인 청취감이 생략되게 되는 문제가 있다.  이에 따라 머리전달한수를 통해 가청화를 한번 거쳐서 헤드셋으로 음원을 청취한다면 더 현실적인 음원이라고 할 수 있겠다.

HRTF는 더미헤드라고하는 아래의 사진과 같은 목업 머리통;; 혹은 상체의 귀에 마이크를 심어서 만든 장비로 레코딩을 하여 획득되는 것이 일반적이다.

머리만 있는 Dummy Head

소리의 전달 경로에 상체까지 포함한 Dummy Head

이런 더미헤드를 고정자리에 놓고 방위각 360도 고각 180도, 즉 3차원 전 방향에서 충격음 혹은 sinesweep을 재생하여 레코딩한다. 그 결과로 모든 방향에 대한 Impulse response(IRs)를 저장하면  머리전달함수이다. (360 × 180 × recording time [sec] × recording samplerate 개수로 저장)

전방향 레코딩 그리드

레코딩 과정을 살펴보면 결국 HRTF는 모든 방향에 대한 충격음 응답(IRs)을 이어마이크로폰(더미헤드)을 통해 녹음한 파일임을 알 수 있다. 따라서 가청화를 할때 어떤방향에서 소리가 들린다라는 방향을 표현하고 싶으면 해당방향에 대한 HRTF를 가청화(Convolution)해주면 된다. (물론 헤드셋일때 이야기. 스피커의 경우에는 가청화를 해버리면 머리전달함수가 두 번 필터링 된 것이 된다.)

만약 움직이는 음원에 대한 모사가 하고 싶다면, 움직이는 방향에 대해서 실시간으로 가청화 작업을 하여 청취하면 음원이 움직이는 청감이 반영될 것이다. (예시: 머리위를 날아다니는 드론 소리 등)

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결론

머리전달함수의 정의와 적용, 획득방법에 대해서 기술해보았다.

이와 관련해서는 국가별 HRTF 데이터배이스 확보, 가슴, 어깨, 외이 등애 대한 영향 정량화, 개인별 HRTF 측정방법(즉 맞춤형으로 청취자마다 간이로 빠르게 측정하여 사용하려는 시도) 등에 대해 연구되고 있는 것으로 학회에서 보았다.

* 본 포스팅은 개인의 이해와 경험을 토대로 작성되었으므로 참고용으로 활용하시기 바랍니다.