지상파 DMB 환경에서의 멀티채널 오디오 서비스

DMB기술의 핵심 이슈

멀티채널 오디오 서비스디지털 신호처리 기술의 발전으로 인해 통신망 또는 방송망을 통해 서비스되는 멀티미디어의 품질이 점점 고품질화 되고 있다. 흑백 TV에서 칼라 TV, 디지털 TV, 디지털 HDTV 등으로 변화하는 방송은 이러한 추세를 대표적으로 보여주는 예가 될 수 있다. 이러한 추세는 영상에만 한정된 것이 아니라 모노에서 스테레오를 거쳐 4채널, 5.1채널, 7.1채널 등과 같이 멀티 채널화 되고 있는 오디오 서비스에서도 볼 수 있다.멀티채널 오디오의 경우 스피커가 청취자의 전방뿐 아니라 측방 및 후방에도 설치되어 있어 스피커가 청취자의 전방에만 설치되는 스테레오 오디오보다 더욱 현장감 있는 사운드를 제공할 수 있다[1]. 이러한 이유로 최근 제작되는 음반, 영화 등은 상당수 멀티채널 오디오로 제작되고 있다.멀티채널 오디오 중 가장 많이 사용되는 것은 5.1채널 오디오로서, 최근에는 DVD로 제작된 음반, 영화 등을 통해 쉽게 접할 수 있다. HDTV에서도 5.1채널 오디오를 지원하도록 되어 있어, 가까운 미래에는 TV를 통해서도 5.1채널 오디오를 접할 수 있을 것이다. 멀티채널 오디오를 소비하는 주요 장소는 가정과 영화관이라 할 수 있는데, 최근에는 자동차에 멀티채널 오디오를 청취할 수 있도록 재생환경을 구축하여 차량에서도 고품질의 오디오를 청취하고자 하는 사람들이 늘고 있다. 국내 및 국외의 고급형 승용차에는 기본적으로 DVD 시청을 위한 멀티채널 오디오 환경이 구비된 경우가 많으며 앞으로는 멀티채널 오디오 재생 환경이 구비된 차량의 수가 점차 증가할 것으로 판단된다.한편, DMB[2]는 차량과 같은 이동환경에서 잡음 없는 영상 및 오디오를 청취할 수 있도록 하는 이동 멀티미디어 방송 서비스로써, 최근 국내외적으로 상용 서비스가 이루어지기 시작한 서비스이다. DMB는 이동환경에서 청취할 수 있다는 특징으로 인해 휴대전화 내장형, 컴퓨터 장착형, 차량 장착형 등 다양한 형태의 수신기가 제작되고 있다. 특히, 최근에 제작되는 네비게이터, PMP 등의 제품에는 대부분 지상파 DMB 수신기능을 포함하고 있어, 차량에서의 DMB 청취인구는 더욱 증가할 전망이다.지상파 DMB 서비스는 QVGA급의 영상과 스테레오 오디오 서비스를 제공하고 있는데, DMB를 통해 멀티채널 오디오 서비스를 제공하게 되면, 차량에서도 방송을 통해 고품질의 오디오 서비스를 제공받을 수 있게 된다. 최근 멀티채널 오디오 재생 환경을 구축한 차량의 증가 추세는 DMB를 통한 멀티채널 오디오 서비스가 새로운 서비스로 자리잡을 수 있음을 나타내는 단서가 될 수 있다.DMB를 통해 멀티채널 오디오 서비스를 제공하기 위해서는, 멀티채널 오디오 전송에 따른 추가적인 데이터율의 증가와 기존 DMB와의 호환성을 유지하는 것이 가장 큰 문제가 된다. 5.1채널 오디오의 경우 스테레오 오디오에 비해 3개의 채널이 더 존재하므로, 그에 따라 전송되는 데이터의 양도 증가하게 되는데, 최근 MPEG(Moving Picture Exerpt Group) 및 ETRI에서 개발된 고효율의 멀티채널 오디오 부호화 기술을 이용하면, 소량의 데이터율 증가만으로 멀티채널 오디오 서비스가 가능하다. 특히, 이 기술들은 기존의 스테레오 시스템과 호환성을 유지할 수 있는 구조를 가지고 있어, 기존 DMB 방송과의 호환성 문제도 해결이 가능하다.ETRI에서는 최근 개발된 고효율의 멀티채널 오디오 부호화기를 이용하여, 기존의 지상파 DMB 시스템과 호환성을 가지며, 소량의 데이터율 증가만으로 멀티채널 오디오 서비스를 제공하는 지상파 DMB 멀티채널 오디오 시스템을 개발하였다. 이 글에서는 ETRI에서 개발한 지상파 DMB 멀티채널 오디오 시스템 및 관련 연구내용에 대해 설명하고, 서비스 및 산업전망에 대해 기술한다.멀티채널 오디오 부호화 알고리즘멀티채널 오디오 신호의 부호화를 위한 연구는 오래 전부터 이루어져 왔으며, MPEG-4 AAC(Advanced Audio Codec), HE-AAC, Dolby사의 AC-3 등과 같은 멀티채널 오디오 부호화 규격이 DVD, HDTV 등에 사용되고 있다[3]’[4].최근 MPEG에서는 기존의 멀티채널 오디오 부호화 알고리즘보다 더욱 효율적인 압축 성능을 가지면서 스테레오 오디오 시스템과 역호환성을 가지는 멀티채널 오디오 부호화기의 표준화가 진행 중이다. MPEG은 대표적인 멀티미디어 표준 단체로서, VCD의 표준인 MPEG-1, DVD 및 디지털 방송 표준의 근간인 MPEG-2, 지상파 DMB 표준에 사용되고 있는 MPEG-4 AAC, BSAC(Bit-Sliced Arithmetic Coding) 및 AVC(Advanced Video Codec) 등을 표준화하였다. 새로운 멀티채널 오디오 부호화기 표준화를 위한 작업은 MPEG의 워킹그룹인 MPEG-Surround에서 이뤄지고 있는데, 2003년부터 표준화 작업을 시작하여 2007년에 완료가 될 예정이다[5]. ETRI에서도 이와 동일한 목적으로 SSLCC(Sound Source Location Cue Coding)방식의 멀티채널 오디오 부호화기를 개발하였는데, MPEG-Surround에서 제정된 표준과 거의 동일한 성능을 가지면서도 복잡도가 낮다는 장점이 있다.ETRI에서 개발한 SSLCC 방식의 멀티채널 오디오 부호화기는 멀티채널 오디오 신호를 부호화하여 모노 또는 스테레오 다운믹스(downmix) 오디오 신호와 부가 정보(side information)를 생성하는데, 부가 정보는 다운믹스 오디오 신호로부터 멀티채널 오디오를 재현할 수 있는 음원의 공간정보를 포함하고 있다. 그림 2는 SSLCC 방식의 멀티채널 오디오 부복호화 방식을 나타내는데, 이는 구조적으로 MPEG-Surround의 멀티채널 오디오 부호화 방식과 흡사하지만, 부가 정보의 내용이 서로 다르다는 차이점이 있다.멀티채널 오디오 부호화를 통해 생성된 다운믹스 스테레오 오디오 신호는 PCM형태를 가지며, 이후 BSAC, AAC, MP3 등과 같은 오디오 부호화 방식으로 압축될 수 있다. 부가 정보는 프레임 단위로 생성되는 것으로서, 15~20kbps 정도의 데이터율을 가진다. 이것은 스테레오 오디오의 전송율에 15~20kbps의 데이터율을 추가하면 멀티채널 오디오를 전송할 수 있게 된다는 것을 의미하는데, DMB와 같이 전송 대역폭이 좁은 매체를 통한 멀티채널 오디오 서비스에 매우 유용하다고 할 수 있다.지상파 DMB 멀티채널 오디오 시스템지상파 DMB 시스템지상파 DMB는 이동환경에서 잡음없이 깨끗한 화질과 음질을 제공하기 위한 이동형 디지털 방송 방식이다. DMB 방송의 근간이 되는 것은 디지털 오디오 방송(Digital Audio Broadcasting: DAB)[6]으로써, 강한 이동 수신 특성을 가지면서 CD 수준의 고음질 오디오와 다양한 데이터 서비스를 제공한다. DMB는 이러한 DAB 전송 스트림 내에 MPEG-4 시스템 규격[7] 및 오디오/비디오 부호화 규격을 기반으로 오디오와 비디오를 함께 전송하는 서비스이다. 국내 지상파 DMB의 경우 비디오 및 오디오의 부호화 방식에 MPEG-4 AVC[8]와 MPEG-4 BSAC을 사용하고 있으며, MPEG-4 시스템 규격을 포함하여 다양한 대화형 서비스까지 제공할 수 있도록 규정하고 있다. 왼쪽의 표 1은 지상파 DMB 멀티미디어의 규격을 간단하게 나타낸 것이다.지상파 DMB 서비스를 위한 전송 시스템의 일반적인 구조도는 그림 3과 같다. 영상 신호는 MPEG-4 AVC로 부호화되고, 모노 또는 스테레오 오디오 신호는 MPEG-4 BSAC로 부호화 된다. 부호화된 영상 신호 및 오디오 신호는 MPEG-4 시스템 규격 및 MPEG-2 시스템 규격[9]에 따라 SL 패킷화, PES 패킷화를 거쳐 MPEG-2 TS로 패킷화 된다.이와 함께 MPEG-4 시스템 및 MPEG-2 시스템의 시그널링을 위한 정보인 IOD(Initial Object Descriptor), OD(Object Descriptor), BIFS(BInary Format for Scene), PAT(Program Association Table), PMT(Program Map Table) 등도 MPEG-2 TS로 패킷화 된다.지상파 DMB 멀티채널 오디오 시스템지상파 DMB 멀티채널 오디오 시스템에서는 지상파 DMB 시스템에 멀티채널 오디오를 전송하는 기능이 추가되어야 한다. 앞서 멀티채널 오디오 부호화 알고리즘에 대해 간단하게 설명한 것과 같이, AAC, AC-3 등과 같은 기존의 멀티채널 오디오 부호화기는, 스테레오만을 지원하는 시스템과의 호환성을 유지하는 것에 어려움이 있으며, 멀티채널 전송으로 인한 데이터율의 증가도 크기 때문에 DMB에 적용하기는 힘들다. 최근에 개발된 MPEG-Surround 및 SSLCC 방식의 멀티채널 오디오 부호화기는 멀티채널 오디오 신호를 부호화하여 모노 또는 스테레오의 다운믹스 오디오 신호와 부가 정보로 분리하기 때문에, 스테레오 오디오 신호를 지상파 DMB 시스템과 같이 MPEG-4 BSAC로 부호화하여 전송하고, 부가 정보를 사적인 데이터로 전송하는 방법을 이용함으로써, 지상파 DMB 시스템과의 호환성을 유지할 수 있게 된다.위의 그림 4는 지상파 DMB 멀티채널 오디오 전송 시스템의 구성도를 나타내고 있는데, 지상파 DMB 전송 시스템과 비교하였을 때, SSLCC 부호화기가 포함되어 있다는 점과, 부가 정보를 전송한다는 차이점이 있다. 지상파 DMB 멀티채널 오디오 전송 시스템에서는 멀티채널 오디오 신호를 SSLCC 방식으로 부호화하여 스테레오 다운믹스 오디오 신호와 부가 정보를 생성한 후, 스테레오 다운믹스 오디오 신호는 BSAC 부호화기를 통해 부호화하고, 패킷화하여 전송하고, 부가 정보는 그대로 패킷화하여 전송한다.수신기에서는 이와 반대 순서로 동작하는데, BSAC 디코더를 통해 생성되는 스테레오 오디오 신호와 사적 데이터로 전송된 부가정보를 이용하여 멀티채널 오디오 신호를 생성하여 출력하게 된다. 위의 그림 5는 지상파 멀티채널 오디오 DMB 단말의 구성도를 나타낸다.그림에서 흰색 블록으로 나타낸 모듈은 기존의 지상파 DMB 재생기에도 포함되어 있는 블록이며, 회색 블록으로 나타난 SSLCC 복호화기 모듈이 멀티채널 오디오 서비스를 위하여 추가된 부분이다. SSLCC 복호화기는 멀티채널 오디오의 재생을 위해 추가된 것으로서, BSAC 디코딩을 거쳐 생성된 스테레오 오디오 신호와 사적인 데이터 형태로 전송된 부가 정보를 이용하여 멀티채널 오디오 신호를 생성한다.지상파 DMB 멀티채널 오디오 재생기에서 DMB 전송 스트림을 처리하여 멀티채널 오디오를 생성하는 대략적인 과정은 다음과 같다. 먼저 DMB 전송 스트림이 MEPG-2 TS형태로 DMB 재생기에 입력되면, TS 역패킷 타이징 과정과 SL 역패킷 타이징 과정을 통해 BSAC로 부호화된 오디오 ES와 부가 정보가 출력되며, 출력된 BSAC 오디오 ES는 BSAC 복호화기를 통하여 PCM 형태의 오디오 신호로 변환된다. SSLCC 복호화기는 PCM 형태의 스테레오 오디오 신호와 부가 정보를 이용하여 멀티채널 오디오 신호를 생성하고, 장면 정보에 따라 렌더링 된 후 스피커를 통해 출력된다.기존의 지상파 DMB 서비스에서는 부가 정보가 전송되지 않기 때문에, 지상파 DMB 멀티채널 오디오 재생기에 지상파 DMB 신호가 수신되는 경우, BSAC 복호화기를 통해 생성된 PCM형태의 스테레오 오디오 신호가 SSLCC 복호화 과정을 거치지 않고 그대로 출력되어 기존의 지상파 DMB 서비스를 청취할 수 있다. 반대로, 기존의 지상파 DMB 재생기에 지상파 DMB 멀티채널 오디오 신호가 수신되는 경우, 개인 데이터로 전송되는 부가 정보가 무시되므로, BSAC 복호화를 거친 스테레오 오디오 신호만이 재생되게 된다. 따라서, 지상파 DMB 멀티채널 오디오 시스템은 기존의 지상파 DMB 시스템과 호환성을 가지게 된다.구현 및 응용ETRI에서는 앞서 기술하였던 방법에 따라 지상파 DMB 멀티채널 오디오 전송 시스템을 구축하고, 단말을 구현하였으며, 멀티채널 오디오 재생 환경이 구축된 차량에서 방송 실험을 하였다. 위의 그림 6은 ETRI에서 구축한 지상파 DMB 멀티채널 오디오 송수신 시스템의 구성도를 나타낸다.지상파 DMB 멀티채널 오디오 전송 시스템 구축을 위해서 실시간으로 동작하는 PC 기반의 지상파 DMB 멀티채널 오디오 미디어 처리기를 구현하였는데, 이는 상용 비디오 캡쳐 카드로 영상 신호를 입력 받고, IEEE1394 인터페이스를 통해 멀티채널 오디오 신호를 입력 받으며, 이들을 부호화하고, 패킷화하여 MPEG-2 TS를 생성하여 출력한다. 그림 7은 지상파 DMB 멀티채널 오디오 미디어 처리기의 동작 화면을 나타낸다.지상파 DMB 멀티채널 오디오 수신 단말은 PC기반의 소프트웨어로 구현하였으며, USB 인터페이스를 이용하는 DAB 수신기를 장착하여 RF 신호를 수신하도록 하였다. 수신 단말이 멀티채널 오디오로 재생되는지, 스테레오 오디오로 재생되는지를 나타내기 위하여, 재생화면의 좌측 상단에 (m)과(S)로 이를 구분할 수 있도록 하였다. 위의 그림 8은 지상파 DMB 멀티채널 오디오 수신 단말의 동작 화면을 나타낸 것으로, 왼쪽 그림이 멀티채널 오디오로 재생되는 상태의 단말을 나타내고, 오른쪽 그림이 스테레오 오디오로 재생되는 상태의 단말을 나타낸다.구현된 수신 단말은 5.1채널 오디오 재생이 가능한 차량에 장착하여, 실시간 방송 실험이 가능하도록 하였다. 그림 9는 실시간 차량 수신 실험을 하고 있는 장면이다. 상용화 및 서비스 전망지상파 DMB는 2006년부터 수도권 지역을 포함한 일부 지역에서 본 방송을 시작하였으며, 2007년에 전국에 걸쳐 본 방송을 실시할 예정이다. 해외에서도 독일을 비롯한 유럽의 일부 지역 및 아시아 일부 지역에서도 본 방송 또는 실험방송이 이루어지고 있다.현재의 지상파 DMB 서비스는 스테레오 오디오 기반으로 서비스가 되고 있으나, 지상파 DMB 멀티채널 오디오 서비스를 제공하기 위해서는 멀티채널 오디오의 송수신을 위한 효율적인 전송방법 등에 대한 연구가 추가적으로 이루어져야 하며, 이를 기반으로 국내외 표준화가 이루어져야 할 것이다. 또한, 지상파 DMB 멀티채널 오디오 서비스를 위해 새로이 추가되는 SSLCC 인코더 및 디코더 등이 상업적으로 활용될 수 있을 만큼 최적화 되어야 하며, 이를 기반으로 상용 지상파 DMB 멀티채널 오디오 인코더와 소프트웨어 및 하드웨어 단말 등이 제작되어야 할 것이다.이를 위해 ETRI에서는 2006년에 SSLCC 인코더와 디코더의 최적화 작업을 수행하여, SSLCC 인코더 및 디코더가 일반 PC에서 동작하는데 전혀 문제가 없을 정도로 프로그램을 최적화하였으며, 이를 라이브러리화하여 쉽게 애플리케이션에 적용할 수 있도록 하였다. 특히, SSLCC 디코더의 경우 DSP(Digital Signal Processor)에 탑재될 것을 고려하여, 부동소수점(floating point) 연산 프로그램을 고정 소수점(fixed point) 연산 프로그램으로 변환하였고, ARM9, TI C5510 플랫폼용 라이브러리를 개발하였으며, 모바일 기기에 탑재 가능한 DSP 라이브러리 모듈도 개발하였다.한편, 지상파 DMB 멀티채널 오디오 서비스는 기존에 소개되지 않은 새로운 서비스이기 때문에 아직 국내외 표준화 작업은 이루어지고 있지는 않은 상황이다. 그러나 기존 지상파 DMB와는 차별화된 고품질의 오디오 서비스를 제공할 수 있다는 장점과 지상파 DMB와 호환성이 있다는 장점이 있어, 산업화에 대한 가능성이 높다고 판단된다. 이에 ETRI에서는 지상파 DMB 멀티채널 오디오 서비스에 대한 산업화 가능성에 대한 조사를 추가적으로 할 예정이며, DMB 방송사, 방송 장비 제작업체, 단말 제작업체 등과 함께 2007년부터 국내 표준화를 추진할 계획이다.표준화 제정 필요지상파 DMB 멀티채널 오디오 서비스는 최근 이슈가 되고 있는 지상파 DMB에 멀티채널 오디오 부호화 기술을 적용하여, 이동환경에서 고품질의 오디오를 제공하는 서비스로서, 최근 고품질화 되어가는 멀티미디어의 추세와 잘 부합되는 멀티미디어 서비스라 할 수 있다. DMB 환경에서의 고품질 오디오 서비스는 유료 채널 서비스로도 활용될 수 있어, DMB 방송에서의 새로운 비즈니스 모델을 제시할 수도 있을 것으로 예상된다. 또한, 지상파 DMB 개발을 통해 이동 멀티미디어 방송 기술을 선도하고 있는 우리나라가 지속적으로 DMB 기술 종주국으로서의 자리를 지속하기 위해서는, 더욱 진화된 DMB 기술의 개발이 필요할 것으로 생각되는데, 지상파 DMB 멀티채널 오디오 서비스 기술이 이러한 진화된 DMB 기술의 하나가 될 수 있을 것이라 생각된다.한편, 지상파 DMB 멀티채널 오디오 서비스가 산업화되기 위해서는 표준의 제정과 상용 제품 개발이 반드시 수반되어야 한다. 이를 위해서는 산학연이 협력하여 국내 표준을 마련하고, 상용 제품을 개발하는 것이 무엇보다 중요하며, 특히, DMB 방송사, 방송장비 제작업체, 단말 제작업체 등의 적극적인 국내 표준화 참여가 필요할 것이다.

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김의겸 (webmaster@techworld.co.kr)

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