게임사운드기초 8주차 - 사운드 디자인과 기초 음향학

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다음 주 시험 진행

오픈북 아님, 전자기기 사용 불가.

사운드 디자인

주위에 존재하지 않던 소리를 만들어내거나 일상에서 들을 수 있는 소리를 더욱 좋게 전달하는 것.

 

DSP : Digital Signal Processing, 디지털 신호를  처리하는 행위의 총칭.

사운드의 경우 샘플링을 통해 양자화 된 소리 신호를 제어하여 수정, 편집하는 것을 말한다.

샘플링

연속적인 신호인 아날로그 오디오를 주기적인 간격의 값인 디지털 오디오로 바꾸어 주는 작업.

 

 

비트 : y축 해상도

헤르츠 : x축 해상도 (44100)

 

앨리어싱 (Aliasing/Foldover)

녹음하려는 소리보다 샘플링 주파수가 낮아 원래의 파형을 전부 샘플링하지 못한 데이터를

아날로그 신호로 재구성할 경우 소리에 잡음 또는 변조가 발생하는 현상

Nyquist 이론

Harold Nyquist가 1928년 엘리어싱/폴드오버 현상을 막기 위해 제창한 이론

아날로그 신호를 샘플링하여 디지털화 할 경우, 샘플링 주파수는 적어도 샘플링 하려는 아날로그 신호 주파수의 2배가 되어야 한다. 이 이론에 따른 분기점이 되는 나이퀴스트 주파수는 샘플링 주파수의 1/2이 된다.

 

= 사람이 인식할 수 있는 아날로그 데이터보다 2배로 인식하면 사람은 차이를 못 느끼지 않을까 (과학적 근거는 없음)

모니터 프레임과 같이 생각하면 된다.

 

샘플링 비율과 용량

 

퀀타이제이션 에러 (Quantization Error)

아날로그 신호가 양자화될 때 소리는 연속적인 곡선에서 계단형으로 바뀌게 되는데, 이 때 발생하는 차이를 의미한다.

퀀타이제이션 에러는 잡음과 디스토션의 원인이 되며, 아날로그 - 디지털 전환시 뿐만 아니라 고품질 디지털 사운드 데이터를 저품질로 변환할 경우에도 발생한다.

파형의 비트/ 주파수 (Wave bit rate/ Frequency)

Bit rate : 샘플링 시 파형의 진폭(Amplitude)을 양자화 할 때 사용되는 디지털 반복 주기의 간격

Frequency : 샘플링 시 파형의 주파수를 양자화 할 때 사용되는 디지털 반복 주기의 간격

단조화 파(Simple Harmonic Wave/Sinusodial Wave/ Sine Wave)

진폭(Amplitude) : 파형의 단조화 운동시 평형위치로부터 이동하는 움직임의 최대 변위

주기(Period) : 파형의 단조화 운동시 반복되는 시간

주파수(Frequency) : 파형의 단조화 운동시 1초당 반복되는 주기 횟수

움의 강도와 측정

데시벨(Decibel)

두 양 (Quantity)의 비율을 대수(Logarithmic)로 나타낸 것,

사람의 청각 감도가 대수이기 때문에 소리의 크기를 나타낼 때 dB를 사용한다.

 

음향 레벨 미터(Sound Level Meter)

음향 레벨을 측정할 때 주파수 대역별로 가중치를 주는 장비로써 테스트용 마이크로폰과 엠프, 그리고 데시벨로 구성된 미터로 구성된다. 여러 좁은 대역폭의 음향에너지만을 측정 할 수 있어 음향장비의 주파수 특성을 측정하는데 사용된다

 

다이내믹 레인지(Dynamic Range)

8비트 디지털 오디오는 48dB, 16비트 디지털 오디오는 96dB, 24비트 디지털 오디오는 144dB까지 출력 가능하다. 다이내믹 레인지를 넘어서는 소리는 샘플링이 되지 않고 클리핑 (Clipping)이 된다. 클리핑 되는 소리는 디스토션을 발생시키므로 최종적인 소리의 집합은 다이내믹 레인지를 넘어서면 안된다.

 

손톱깎이(클리퍼)로 깎아내듯이 잘라냈다고 해서 클리핑 현상이라고 한다.

[중요] 16비트를 기준으로 96dB 미만으로 해야 한다. 최대치를 치는 순간 이미 클리핑이 발생하는 것.

제로 크로싱

https://dev-sieun.tistory.com/352

게임사운드기초 2주차 - 사운드의 역할 및 특징

 

제로크로싱을 신경쓰지 않으면 디지털 잡음이 끼면서 소리가 깨지게 된다.

청각과 소리의 지각

라우드니스 레벨(Loudness Level)

컴퓨터 사운드에 관심이 있다면 꼭 알아두면 좋은 지식.

 

라우드니스 레벨은 음압과 비슷하지만 사람의 청각 특성이 주파수와 소리의 특성에 따라 인지하는 감도가 다르다는 것을 나타낸다. 사람의 청각 감도는 3500~4000Hz 내외의 주파수 범위에서 가장 민감하며 이는 귓바퀴에서 발생하는 공진 주파수이기 때문이다. 결과적으로 주파수가 이보다 높거나 낮으면 같은 음압의 소리라도 더 작게 느껴지는 경향이 있다.

 

라우드니스 등청감 곡선

 

 

사람이 인식하는 사운드.

사람의 귀는 성능이 좋지 않고, 동일한 에너지여도 인식하는 정도가 다르다.

저음은 적게 인식하고, 고음은 많이 인식한다.

마스킹 효과(Masking Effect)

같은 장소에서 두 음이 존재할 때 약한 소리가 강한 소리에 의해 들리지 않게되는 것을 말하며, 고음은 저음보다 마스킹 되기 쉽고 마스킹의 효과는 주파수들이 가까울 때 가장 크고 주파수들이 멀리 떨어질 때 감소한다.

 

베이스와 킥드럼이 같이 나오면 주파수 대역이 겹치면서 둘 다 뭉개지는 현상이 발생한다.

피치(Pitch)

피치는 음원 진동수에 대한 사람의 주관적인 청각 감각 특성으로, 음높이를 나타낸다. 순음 의 피치는 주로 주파수에 의해 결정되며, 음악적인 스케일에서 피치의 기본 단위는 옥타브(Octave)이고 한 옥타브는 두 주파수의 비율이 2:1일 때를 말한다. 가청 주파수는 10개의 옥타브로 이루어져 있고 한 옥타브는 12 세미톤(Semitone)으로 나누어지며 하나의 세미톤은 100센트(Cent)이다

엔벨로프 (Envelope)

 시간이 지남에 따라 소리가 어떻게 변하는지를 의미한다.

 

실제 음원의 정위

수평 정위(Lateral Localization)

1) 시간차 : 음원에서 방사되는 소리가 양 귀에 도달하는 소리의 시간차를 통해 소리의 위치를 구분하게 된다.

2) 강도차 : 음원의 위치에 따라 머리와 귓바퀴, 귓구멍의 외형, 그리고 고막에서 일어나는 회절과 흡음 현상에 의해 소리의 위치를 구분하게 된다.

 

수직 정위(Vertical Localization)

정확하게 밝혀지지 않음. 수평면의 경우보다 훨씬 정확하지 않고, 사람에 따라서도 큰 차이를 보이지만 평균적으로 8kHz는 뒤,  3kHz는 앞에서 전달되는 것처럼 자각하는 경향이 있다.

 

거리 정위(Distance Localization)

거리의 정위에 가장 큰 역할을 하는 것은 음웡늬 강도변화, 직접음과 반사음의 비율, 그리고 스펙트럼의 변화이다.

음원의 소리 강도는 거리가 두 배 떨어질 때 마다 6dB씩 감소한다.

직접음과 반사음 사이의 시간차는 음원의 거리가 멀어질수록 커지게 되는데, 이는 음원의 거리가 따른 반사음의 이동거리가 직접음에 비해 더 크기 때문이다.

 

공기 흡수 현상(Air Absorption)

사운드가 공기중에 흡수될 때 거리가 멀어질 수록 고주파가 더 많이 감쇄되는 현상을 의미한다.

 

원음에 비해서 반사음은 더 먼 거리를 이동하고, 시간 차이가 발생하게 된다. (ex : 산에서 야호 외치기)

 

거리의 표현

1. 거리에 따라서 소리의 볼륨이 줄어드는 볼륨 감쇄 현상을 재현한다.

2. 이퀄라이저이저의 하이컷 필터를 통해 공기 흡수 현상을 구현한다.

3. 리버브의 프리 딜레이 컨트롤러를 활용해서 원음 거리가 멀수록 원음과 반사음의 시간차를 줄여주고, 가까울수록 늘려준다.

시그널프로세서

이퀄라이저

소리 파형의 전체적인 주파수 특성을 조절하기 위한 장치

볼륨과는 다르게, 특정 범주의 주파수를 변화시키는 것.

 

1. 이퀄라이저의 사용 목적

A. 소리의 전체적인 주파수 비율을 평준화

B. 원치 않거나 좋지 않은 주파수 감쇄/제거

C. 주파수 증폭을 통한 사운드 강조

 

2. 이퀄라이저의 표준적인 컨트롤러 종류

A.  Frequency (Freq) : 조절하기 위한 주파수를 선택

B. Quality Factor (Q) : 선택된 주파수를 중심으로 적용되는 조절 범위를 조정

C. Gain : 선택된 주파수를 증폭하거나 감쇄

 

3. 이퀄라이저에 사용되는 필터의 종류

A. Hi/Low-Cut : 선택된 주파수를 기준으로 Hi-Cut일 경우 고주파, Low-Cut일 경우 저주파를 제거. Hi/Low-Pass로 불리기도 하며 동일원리이지만 반대로 작동 (Hi-Pass일 경우 저주파를 제거, Low-Pass일 경우 고주파를 제거)

B. Hi/Low-Shelf :선택된 주파수를 기중느로 Hi-Shelf일 경우 고주파를 Gain 컨트롤러 만큼 조절, Low-Shelf일 경우 저주파를 Gain 컨트롤러 만큼 조절

C. Peak : 선택된 주파수를 중심으로 Q 컨트롤러에 따라 좌우 대칭으로 Gain 컨트롤러만큼 수정

 

4. 이퀄라이저 활용 예시

A. 음원의 주파수 전체를 평준화하여 주파수 전역에 균등한 에너지를 방사하는 음원으로 음질 향상 - 특히 배경 음악에 많이 사용됨

B. 사운드 디자인 - 공기 흡수, 사운드 투과, 무전기 또는 전화기 소리 재현 등에 활용될 수 있다.

C. Surgical EQing - Peak 필터와 Quality Factor를 활용하여 필요한 주파수 대역만 증폭/ 제거하여 원하는 결과물 생성

리버브

소리 파형의 잔향을 조절하기 위한 장치

 

1. 리버브 구성요소

A. Direct Sound : 반사되지 않은 직접음

B. Early Reflection : 한 번 반사된 초기 반사음

C. Late Reflection : 여러번 반사된 후기 반사음

 

2. 리버브의 표준적인 컨트롤러 종류

A. Dry/ Wet Ratio : 원음과 잔향의 비율을 조정

B. Predelay : 원음이 재생된 후 잔향이 발생할 때까지의 시간

C. Reverb Time : 잔향이 발생한 후 사라지기까지 걸리는 시간

 

3. 리버브 타입

A. Room : 방의 울림을 재현, 일반 팝 음악 등에 쓰임

B. Hall : 연주용 홀의 울림을 재현, 관현악 등에 쓰임

C. Plate : 금속판을 사용한 반사판의 울림을 재현, 스네어 드럼에 많이 쓰임

 

4. 리버브 활용 예시

A. 소리 음원에 잔향을 생성하여 영상 미디어에 적합하게 편집 - 동굴, 신전 등의 환경 내부에서 발생하는 사운드 제작 등에 활용

B. 소리의 전/후 정위에 활용 - Direct Sound와 Early Reflection을 활용하여 음원과 청자간의 거리를 표현할 수 있다.

딜레이

소리 파형을 복사해서 그대로 반복하기 위한 장치

 

1. 딜레이의 표준적인 컨트롤러 종류

A. Dry/Wet Ratio : 원음과 생성된 딜레이 사운드의 비율 조정

B. Predelay : 반복되는 소리의 간격 설정 - ms 단위로 표기되는 것이 일반적

C. Feedback : 딜레이가 발생한 후 소리가 사라질 때 까지 걸리는 시간

 

2. 딜레이 활용 예시

A. 소리 음원에 잔향을 생성하여 영상 미디어에 적합하게 편집

리버브를 통한 편집과 다른 점은 공기흡수 현상을 재현하여 저음이 증폭되는 리버브와는 다르게 딜레이는 원음을 그대로 복사하여 재생하기 때문에 주파수대역의 변동이 없어 리버브보다 선명하게 들리는 경향이 있다. 이를 활용하여 소리의 우선권이 높은 음원에 사용한다.

B. 배경음악의 연주에 사용

특히 기타에 많이 사용되며 이를 사용한 대표곡으로 디아블로의 '트리스트럼의 테마'가 있다. 이 때 곡의 템포에 맞춰 딜레이가 발생해야 하므로 템포에 따른 딜레이 수치 계산이 중요해진다.

- 템포에 따른 딜레이 계산법 : 60000ms (1분)을 음원의 템포 값으로 나누면 해당 음원의 4분음표 길이를 ms 단위로 구할 수 있다. 

컴프레서의 컨트롤러 및 활용 예시

컴프레서

소리의 다이내믹 레인지를 줄이거나 클리핑 방지를 위한 장치

 

1. 컴프레서의 일반적인 컨트롤러 종류

A. Threshold : 소리가 압축되기 시작하는 음량을 설정

B. Ratio : 원음 대비 압축되는 소리의 비율 설정

C. Attack : 원음의 음량이 Threshold 값을 넘어서는 순간부터 컴프레서가 정해진 Ratio 수치만큼 압축될 때까지 걸리는 시간

D. Release : 압축 중이던 원음의 음량이 Release 값보다 낮아져서 컴프레서가 기능을 정지할 때 까지 걸리는 시간

 

2. 디지털 컴프레서의 활용 예시

A) 클리핑 현상 방지 – 음원을 클리핑 현상을 방지한 채로 최대 볼륨으로 키우기 위해 사용하거나 동적 음원의 원치 않는 클리핑 현상 방지

B) 사운드 디자인

   - 색채효과 – 컴프레서 고유의 변조효과를 통한 사운드 색채 변화(착색 효과가 있는 컴프레서의 경우)

   - 엔벨로프 컨트롤 – 파형의 구성요소 집합인 엔벨로프(6 페이지 참조) 구성요소들을 조정하기 위해 사용.

     예시) 컴프레서를 활용, 원음에 비해 Hold의 길이를 더 길게 편집하여 소리의 타격감을 강조