※ 참고: 샘플링 레이트와 비트 레이트 / Dolby Atmos

 

 

  1.  Sampling Rate와 Bit Rate

 

  데이터의 전송 속도를 결정짓는 디지털 오디오의 특성은 다음과 같은 두 가지 요소가 중요한데, 첫째는 샘플링 레이트(sampling rate)이고, 둘째는 비트 깊이(bit depth)이다.

​

 

  1.1  Sampling rate

 

    아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위해서는 일정한 주기로 신호의 크기를 측정하는 표본화(sampling) 작업을 한다. 이러한 표본화 작업을 초당 몇번 수행하는지를 나타내는 척도가 샘플링 레이트이다. 샘플링 레이트는 임의의 값을 가질 수 있으나, 일반적으로 사용되는 값들이 있는데, 그중에서도 8kHz, 44.1kHz, 48kHz등이 대표적으로 자주 사용이 된다.

​

    8kHz의 경우에는 사람의 음성만을 샘플링의 대상으로 삼는 경우에 적합하다. 왜냐하면 사람의 음성의 경우 대부분의 에너지가 100Hz 부터 4kHz사이에 집중되기 때문이다. 표본화 정리(sampling theorem) 또는 나이퀴스트-섀넌 표본화 정리(Nyquist-Shannon sampling theorem)에 의하면, 표본화 주파수가 신호의 대역의 두 배 이상이라면 표본으로부터 연속 시간 기저 대역 신호를 완전히 재구성할 수 있으므로, 4kHz의 2배에 해당하는 8kHz 표본화를 사용하는 것이다. 대표적인 사용 예가 전화기 시스템이다. 단, 일반 가정용 전화기에서 디지털화되는 것은 아니며, 표본화는 전화국이 갖고 있는 백본망에서 이루어진다. 일반 가정용 전화기는 아날로그이며, 사용자의 음성은 아날로그 구리선을 통해서 전화국까지 전송이 된다.

​

일반전화기보다는 넓은 대역폭을 가질 수 있는 VoIP(Voice over IP)의 경우에는 8kHz와 16kHz중에서 선택하여 사용할 수 있다.

​

    44.1kHz는 CD(Compact Disc)가 나오면서 유명해진 샘플링 레이트이다. 8kHz나 48kHz처럼 소수점이 없이 딱 떨어지는 자연수가 아닌, 애매한 숫자로 정해졌는데, 이 수치는 소니에서 처음 사용되기 시작하였고, 이후 업계의 표준이 되었다. 왜 44.1kHZ가 되었는지에 대해서 규격을 만든 사람들로부터의 명확한 설명은 없고, 다만 후세 사람들의 해석만 있을 뿐이다. 첫번째 해석은 다음과 같다. 사람이 들을 수 있는 가청주파수는 20Hz ~ 20000Hz이고, 나이퀴스트-섀넌 표본화 정리에 의하면 20000 x 2 = 40kHz로 표본화를 하면 원래의 소리를 만들어 복원해 낼 수 있다. 그런데, 표본화 작업을 진행하기 전에 20kHz이하의 신호만을 얻기 위해서 저역 필터(low pass filter)를 사용해야 한다. 이 저역 필터가 20kHz에서 정확하게 신호를 잘라 내서 20kHz이하의 신호만 통과시켜야 하는데, 이는 현실적으로 불가능하다. 약간의 여유를 두어서 20kHz이상의 신호도 일부 저역 필터를 통과할 수 있도록 해야 하는데, 그렇다면 어느 정도까지 여유를 둘 것인가가 문제가 된다. 여유 구간(Transition band)를 짧게 잡을 수록 구현 비용이 높아지게 된다. 따라서 경제성을 고려해서 선택한 여유 구간의 길이가 2.05kHz이다. 그 결과 샘플링의 대상이 되는 주파수 구간은 20Hz~22050Hz가 된 것이고, 이를 나이퀴스트-섀넌 표본화 정리에 적용하면, 샘플링 레이트는 22050 x 2 = 44.1kHz가 되어야 한다.

​

    두번째 해석은 당시의 비디오 표준과 관련이 있다. 오디오는 혼자 존재할 수 있어도, 비디오는 항상 오디오가 같이 있어야 한다(무성영화에도 음악은 있었다). 따라서 오디오 규격을 만들 때, 비디오 규격과 공존할 수 있는 포맷이라면 효율적이라는 것을 생각해 볼 수 있다. CD가 나올 당시의 비디오 포맷은 PAL/NTSC가 있었는데, PAL의 경우에는 초당 50개의 필드(짝수번째의 라인, 혹은 홀수번째 라인으로 구성되는 프레임)가 있었고, 필드마다 294개의 라인 있었고(즉 프레임에는 588개의 라인이 있었음), 필드마다 3번씩 샘플링을 했으므로, 이들을 모두 곱하면 초당 44100번의 샘플링 회수가 나온다.

​

294 active lines/field × 50 fields/second × 3 samples/line = 44,100 samples/second

​

NTSC의 경우에는 초당 60개의 필드(짝수번째의 라인, 혹은 홀수번째 라인으로 구성되는 프레임)가 있었고, 필드마다 245개의 라인 있었고(즉 프레임에는 588개의 라인이 있었음), 필드마다 3번씩 샘플링을 했으므로, 이들을 모두 곱하면 초당 44100번의 샘플링 회수가 나온다.

​

245 active lines/field × 60 fields/second × 3 samples/line = 44,100 samples/second

​

다시 한번 밝히는 바, 위의 해석은 후대 사람들에 의해 만들어진 것이며, 이에 대해서 소니의 개발 당사자들 한번도 44.1kHz의 배경에 대해서 언급한 적이 없다고 한다. 이후 44.1kHz 는 CD 의 보급과 함께 오디오 신호의 대표적인 샘플링 레이트가 되었다.

​

1987년에 소니에 의해서 DAT(Digital Audio Tape) 표준이 소개되면서, 48kHz의 샘플링 레이트가 사용되기 시작하였다. 48 kHz는 44.1kHz보다 여유있는 저역필터(low pass filter)사용이 가능해졌다. DVD와 블루레이는 48kHz의 샘플링 레이트만 사용한다.

​

[표] 샘플링 레이트

샘플링 레이트	이용
8,000 Hz	표준 전화, 암호화된 워키토키, 무선 인터콤, 무선 마이크로폰 전송에 사용.
11,025 Hz	서브우퍼 대역 주파수 오디오 분석을 위한 MPEG 오디오, 낮은 품질의 PCM에 사용됨.
16,000 Hz	VoIP에서 사용(대역폭이 충분한 경우)
22,050 Hz	낮은 품질의 PCM과 MPEG 오디오, 그리고 낮은 주파수 에너지의 오디오 분석을 위해 사용됨.
32,000 Hz	미니DV 디지털 비디오캠코더, 고품질 디지털무선 마이크로폰 등 CD 수준의 품질이 요구되지 않은 경우에 일반적으로 사용됨. 1980년대 FM 라디오에서 사용됨(영국과 일본).
37,800 Hz	CD-XA 오디오
44,056 Hz	NTSC를 위한 디지털 오디오에 사용.
44,100 Hz	오디오 CD, MPEG-1 오디오(VCD, SVCD, MP3)에서 사용됨. 믹서, 이퀄라이저, 압축기, 리버브, 크로스오버, 녹음 장치, CD 품질 암호화 무선 마이크로폰에서 사용됨
47,250 Hz	닛폰 컬럼비아가 개발한 세계 첫 상용 PCM 소리 녹음기에 사용
48,000 Hz	테입 레코더, 비디오 서버, 비전 믹서 등 전문 디지털 영상 장비에 사용되는 표준 오디오 샘플링 레이트. 이 샘플링 레이트는 22 kHz 주파수 응답으로 전송할 수 있으며 25, 30, 24 FPS와 마찬가지로 29.97 FPS NTSC 영상으로 작동하기 때문에 채택된다.
50,000 Hz	3M과 사운드스트림에서 70년대 후반의 첫 상용 디지털 오디오 녹음기.
50,400 Hz	미쓰비시 X-80 디지털 오디오 녹음기가 사용하는 샘플링 레이트.
88,200 Hz	CD를 위해 사용할 때에 몇몇 전문 녹음 장비가 사용하는 샘플링 레이트.
96,000 Hz	DVD-Audio, 몇몇 LPCM DVD 트랙, 블루레이 디스크 오디오 트랙, HD DVD 오디오 트랙. 대부분의 전문 오디오 장비는 믹서, 이퀄라이저, 압축기, 리버브, 크로스오버, 녹음 장치에서 사용.
176,400 Hz	CD 제작을 위한 HDCD 녹음기와 다른 전문 소프트웨어에 사용되는 샘플링 레이트.
192,000 Hz	DVD 오디오, 몇몇 LPCM DVD 트랙, 블루레이 디스크 오디오 트랙, HD DVD 오디오 트랙, HD 오디오 녹음 기기 및 오디오 편집 소프트웨어.
352,800 Hz	1비트 DSD가 편집에 적합하므로 수퍼 오디오 CD를 기록하고 편집하는데 사용
2,822,400 Hz	SACD(Super Audio CD)에서 사용됨.주파수 범위 20 Hz – 50 kHz를 지원.

​

 

 

  1.2  Bit depth

 

둘째, 디지털 오디오의 중요한 속성은 비트 깊이(bit depth)이다. 샘플링 레이트에 따라서 얻어진 신호의 크기를 몇 비트로 표현할 것인가를 나타낸다. 흔히 이를 양자화(Quantization)라고 한다. 보다 많은 비트를 사용해서 표현할수록 더 섬세한 신호의 크기를 표현할 수 있고, 극단적인 경우에는 한 비트로 신호가 있고 없고를 나타낼 수도 있다. 일반적으로 많이 사용되는 비트 깊이는 8비트, 16비트, 24비트 등이다. CD는 16비트를 사용하며, DVD-Audio는 16, 20, 24 비트를 사용할 수 있었다(DVD-Audio는 2007년부로 사장되었다). 아래에는 BD-ROM에서 사용되고 있는 오디오들의 샘플링 레이트와 비트 깊이를 나타낸다.

​

[표] 샘플링 레이트와 비트 깊이

	LPCM (Linear PCM)	돌비 디지털	돌비 디지털 플러스	돌비 TrueHD (무손실)	DTS 디지털 서라운드	DTS-HD (무손실)	Dynamic Resolution Adaptation
비트/샘플	16, 20, 24	16-24	16-24	16-24	16, 20, 24	16-24	16
샘플 주파수	48 kHz, 96 kHz, 192 kHz	48 kHz	48 kHz	48 kHz, 96 kHz, 192 kHz	48 kHz	48 kHz, 96 kHz, 192 kHz	48 kHz

 

 

 

샘플링 레이트를 이용해서 초당 전송되는 데이터의 량, 즉 비트 레이트를 구한다. CD의 경우에는 44.1kHZ 의 샘플링 레이트일 경우, 1.411mbps 의 비트 레이트가 나오는 것을 확인하였다. 이 수식에는 중요한 단서가 있는데, 그것은 압축되지 않은 음원이라는 사실이다. 따라서 샘플링에서 만들어 낸 비트 수 만큼 스피커로 전송을 하게 되고, 샘플링 레이트와 비트 레이트는 배수의 관계를 갖게 된다.

​

그러나, 음원이 압축이 되면 이야기는 상황이 복잡해 진다. 먼저 mp3의 경우를 보자. CD에서 추출한 원본 데이터는 비록 초당 1,411mbps의 데이터를 갖고 있다고 하더라도 mp3로 압축이 되면, 일반적으로 용량은 10분의 1로 줄어든다. 그리고 압축을 풀더라도 원래의 데이터를 복원할 수 없다. Mp3 의 컨셉 자체가 인간이 잘 인지할 수 없는 영역에 있는 오디오 데이터는 버리는데 있기 때문이다. 따라서, mp3에 있어서는 샘플링 레이트가 중요한 것이 아니라, 압축한 결과 초당 얼마만큼의 데이터를 보유하고 있는가를 나타내는 비트 레이트가 중요해지고, 더 이상 샘플링 레이트는 의미가 없다. 샘플링 레이트가 88.2kHz이더라도, 44.1kHz인 경우보다 초당 갖고 있는 데이터의 양은 더 적을 수 있으므로, 오디오의 품질이 더 좋다고 할 수 없다.

​

아래는 mp3가 가질 수 있는 비트 레이트를 보여주고 있다. mp3의 최고 비트레이트가 320 kbit/s이므로 CD의 비트 레이트인 1.411mbit/s 보다 훨씬 낮다. 일반적으로 스마트폰에 담아서 다니는 mp3의 경우 파일의 크기가 대략 3.5MB 인데, 대부분 192 kbit/s의 비트 레이트를 갖고 있다. 이 경우 원래의 음원은 대략 30MB 의 크기를 갖는다.

​

[표] 비트 레이트

​

마지막으로 살펴 볼 내용은 mp3와 I2S의 관계이다. 결론부터 보자면, mp3는 I2S를 통해서 직접 전송이 될 수는 없다. I2S 는 PCM 데이터, 즉 압축되지 않은 오디오 데이터만을 전송한다. 따라서 mp3는 CPU에 의해서 메모리에서 PCM데이터 형태로 변환이 된 후에 I2S를 통해서 스피커로 전송이 된다.

 

 

 

  2.  Dolby Atmos

 

돌비 애트모스는 돌비 연구소에서 개발한 첨단 오디오 기술로, 영화관, 홈시어터, 모바일 기기, 심지어 자동차까지 다양한 환경에서 사운드를 경험하는 방식을 혁신적으로 변화시켰습니다. 2012년 픽사의 애니메이션 영화 메리다와 마법의 숲에서 처음 선보인 이후, 여러 플랫폼에서 몰입형 오디오 경험의 표준으로 자리 잡았습니다.[2][3]

 

  2.1  돌비 애트모스의 주요 특징

 

    - 객체 기반 오디오: 고정된 채널을 사용하는 기존 서라운드 사운드 시스템과 달리, 돌비 애트모스는 사운드를 3차원 공간에 정확하게 배치하고 이동시킬 수 있는 개별 객체로 취급합니다. 이를 통해 더욱 역동적이고 몰입감 넘치는 사운드 경험을 제공합니다.[3][4]

    - Height 채널: 돌비 애트모스는 오디오에 수직적인 차원을 더하여 청취자의 머리 위에서 소리가 들리도록 합니다. 이를 통해 더욱 현실적이고 몰입감 있는 사운드 환경을 조성합니다.[2][3]

    - 확장성: 이 시스템은 확장성이 뛰어나 다양한 스피커 구성을 지원합니다. 영화관에서는 최대 64개의 스피커 피드를 지원할 수 있으며, 가정에서는 간단한 사운드바부터 복잡한 멀티 스피커 시스템까지 다양한 구성이 가능합니다[2][4].

 

 

  2.2  응용 분야

 

    - 영화관: Dolby Atmos는 영화관에서 정확한 사운드 배치와 움직임을 제공하여 영화의 청각적 경험을 향상시키는 데 널리 사용됩니다[2].
    - 홈 엔터테인먼트: 가정용으로도 적용되어 AV 리시버, 사운드바, 헤드폰 등에 통합될 수 있습니다. 이를 통해 사용자는 가정에서도 호환되는 콘텐츠로 몰입감 넘치는 오디오 경험을 즐길 수 있습니다[4].
    - 모바일 기기 및 헤드폰: Dolby Atmos 기술은 모바일 기기와 헤드폰에서도 사용할 수 있으며, 바이너럴 프로세싱을 통해 두 개의 스피커를 통해 서라운드 사운드 경험을 구현합니다[3][4].

    - 자동차: 최근 Dolby Atmos는 차량용 오디오 시스템에 통합되어 운전자와 탑승객에게 몰입감 넘치는 청취 경험을 제공하고 있습니다[5][6].

 

 

  2.3  콘텐츠 및 호환성

 

Dolby Atmos 콘텐츠는 다양한 미디어 플랫폼에서 점점 더 많이 이용 가능해지고 있습니다. Netflix, Disney Plus, Apple Music과 같은 스트리밍 서비스는 Dolby Atmos 형식으로 믹싱된 영화, TV 프로그램, 음악 트랙을 제공합니다. 또한 TV, 스마트폰, 게임 콘솔과 같은 많은 최신 기기들이 Dolby Atmos 재생을 지원합니다[4][8].

 

전반적으로 Dolby Atmos는 다양한 환경과 기기에서 더욱 몰입감 있고 현실적인 청취 경험을 제공함으로써 오디오 기술의 중요한 발전을 나타냅니다.

 

인용:
[1] Dolby Atmos - Official Site https://www.dolby.com/technologies/dolby-atmos
[2] Dolby Atmos - Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Dolby_Atmos
[3] What is Dolby Atmos and how can you get it? - SoundGuys https://www.soundguys.com/what-is-dolby-atmos-25191/
[4] What Is Dolby Atmos? the Surround Sound Format, Explained. https://www.businessinsider.com/guides/tech/what-is-dolby-atmos
[5] Dolby Vision and Dolby Atmos unveiled at CES 2024 https://professional.dolby.com/events/ces-2024/
[6] Dolby Showcases the Growing Reach of Dolby Vision and Dolby ... https://news.dolby.com/en-WW/233555-dolby-showcases-the-growing-reach-of-dolby-vision-and-dolby-atmos-at-ces-2024
[7] Google & Samsung's Dolby Atmos rival to roll out in 2024 to TVs ... https://www.flatpanelshd.com/news.php?id=1705914749&subaction=showfull
[8] The new global megatrend: Dolby Atmos Music at BDME 2024 https://berlin-dance-music-event.com/?news=%F0%9F%94%8A-the-new-global-megatrend-dolby-atmos-music-at-bdme-2024
[9] Dolby Atmos Workflows in 2024 | EBU Technology & Innovation https://tech.ebu.ch/events/2024/dolby-atmos-workflows-in-2024