1. 들어가는 말
왜 회의실에서는 같은 장비를 사용해도 사람마다 음성이 다르게 들릴까?
지난 코로나 19 펜데믹은 온라인 화상회의의 보편화를 이끌었으며, 이러한 온라인 화상회의와 하이브리드 회의가 일상화되면서 천장형 마이크 어레이는 회의실 설계의 핵심 장비로 자리 잡았다. 이는 기존의 테이블 마이크와 달리 공간 활용도가 높고 여러 사용자의 음성을 동시에 수음할 수 있다는 장점 때문에 기업 회의실, 교육시설, 공공기관 등 다양한 공간에서 널리 사용되고 있다.
그러나 실제 현장에서는 “같은 회의실인데 어떤 사람의 목소리는 또렷하게 들리고, 어떤 사람은 작거나 멀게 들린다”는 이야기를 종종 듣게 된다. 많은 사용자는 이를 장비 성능이나 DSP 설정의 문제로 생각하지만, 실제로는 마이크 어레이의 배열 구조와 지향성 특성, 그리고 사용자의 위치가 복합적으로 영향을 미치는 경우가 많다.
빔포밍 기술은 원하는 방향의 소리를 선택적으로 강조하는 기술이지만, 모든 방향에서 동일한 성능을 제공하는 것은 아니다. 마이크 배열 구조와 빔의 형성 방식에 따라 메인 로브(Main Lobe)의 폭, 부엽(Side Lobe)의 크기, 공간 분해능1 등이 달라지며, 이러한 특성은 실제 회의실에서 사용자 음성 품질의 차이로 이어질 수 있다.
이번 글에서는 Matlab2 기반 시뮬레이션을 이용하여 서로 다른 마이크 배열 구조의 지향성 특성을 비교하고, 이를 바탕으로 실제 회의실에서 사용자와 좌석을 어떻게 배치하면 보다 효율적인 음성 수음이 가능한지 살펴보고자 한다.
1) 공간 분해능 : 서로 가까운 두 점을 별개의 점으로 구분할 수 있는 최소 거리.
2) Matlab : 매스웍스(MathWorks)사에서 개발한 수치 해석 및 프로그래밍 환경을 제공하는 공학용 소프트웨어로, 행렬 연산에 매우 특화되어 있어 과학, 수학, 공학 분야의 데이터 분석, 시뮬레이션, 알고리즘 개발 등에 널리 사용되고 있다.
2. Beamforming은 어떻게 원하는 사람의 목소리를 찾을까?
빔포밍은 복수의 마이크(마이크 어레이)가 동일한 소리를 서로 다른 시간에 수신한다는 물리적 원리에서 출발한다. 음원이 마이크 전면에 있을 때는 소리가 모든 센서에 동시에 도달하지만, 측면으로 이동하면 각 마이크에 도달하는 시간에 미세한 차이가 발생한다. 이를 도달 시간차(TDOA, Time Difference of Arrival)3 라고 한다.
시스템은 이 TDOA를 계산하여 음원의 정확한 위치와 방향을 추정한다. 이후 각 마이크 신호에 정밀한 계산을 거친 지연(Delay)을 적용한다. 타깃 방향에서 오는 신호는 동일한 위상으로 정렬되어 합산(Sum)하고, 원치 않는 방향에서 오는 소음은 위상을 어긋나게 만들어 상쇄시키는 것이다. 이것이 바로 ‘지연-합산(Delay-and-Sum) 빔포밍’의 메커니즘이다.
3) 도달 시간차(TDOA, Time Difference of Arrival) : 소리(신호)가 두 개의 마이크에 도달하는 시간 차이를 이용해, 마이크와 음원 간의 거리 차이를 계산하는 기법.
이해를 돕기 위해 카메라 렌즈에 비유해 보자. 공간 전체의 소리를 가감 없이 받아들이는 일반 마이크가 ‘광각 렌즈’라면, 빔포밍은 복잡한 배경 속에서 특정 피사체에만 초점을 맞추는 ‘망원 렌즈’와 같다. 주변의 불필요한 노이즈는 배경을 흐리게 처리하는 것처럼 억제하고, 오직 원하는 방향의 음성 신호만 돋보이게 만든다.
3. Matlab으로 세 가지 마이크 어레이를 비교하다.
마이크 어레이의 지향성은 단순히 마이크 개수만으로 결정되지 않는다. 동일한 개수의 마이크를 사용하더라도 배열 형태에 따라 형성되는 빔 패턴은 크게 달라질 수 있다.
본 연구에서는 실제 상용 천장형 마이크 제품의 설계 개념을 참고하여 총 28개의 마이크 캡슐을 사용하는 세 가지 배열 구조를 Matlab에서 구현하였다. 모든 모델은 동일한 주파수와 동일한 조건에서 시뮬레이션을 수행하여 배열 구조만이 결과에 미치는 영향을 비교하였다.
그림 2. 세 가지의 대칭형 마이크 배열 구조
1) 구조 A – 십자형 어레이 (Cross Array)
십자형 어레이는 대각선 방향(±45°)으로 두 개의 직선 축이 교차하는 구조이다. 총 28개의 마이크 캡슐을 각 축에 14개씩 대칭 배치하여, 회의실 대각 영역을 포함한 2차원 평면의 기본적인 직교 지향성을 평가한다.
2) 구조 B – 원형 어레이 (Circular Array)
원형 어레이는 서로 다른 반경을 가진 두 개의 동심원 상에 마이크 캡슐을 분할 배치한 구조이다. 360도 전방위 수음의 균일성과 동심원 반경 변화에 따른 배열 인자 특성을 분석한다.
3) 구조 C – 혼합형 어레이 (Hybrid Array)
혼합형 어레이는 중심의 원형 배열 구조와 대각선 방향의 십자형 동선을 결합한 하이브리드 형태의 구조로, 두 배열 구조의 지향성 특성을 절충적으로 반영하기 위한 가상 모델이다. 총 28개의 캡슐 중 16개는 내부 원형 어레이 상에 배치하고, 나머지 12개는 원 외곽의 대각선 십자 축 동선에 연장하여 배치한다. 이를 통해 원형 어레이와 십자형 어레이의 지향성 특성 차이를 비교·분석하고, 사용자 배치 관점에서의 활용 가능성을 검토하고자 하였다.
| 구조 | 배열 형태 | 마이크 캡슐 배치 | 주요 분석 목적 |
| A | ✚ 십자형 (Cross Array) | 28개 (14개씩 비균일 간격의 대칭 배치) | • 축 방향 지향성 분석 • 부엽(Side Lobe) 억제 특성 평가 |
| B | ⊙ 원형 (Circular Array) | 동심원 구조의 균일 분할 배치 | • 360° 방향 균일성 평가 • 공간 분해능 분석 |
| C | ✚⊙ 혼합형 (Hybrid Array) | 원형 배열 16개 +십자 연장 배열 12개 | • 안정적인 빔 형성 • 넓은 수음 영역 확보 |
표 1. 마이크 배열 구조별 특징
4. 구조에 따라 빔 패턴은 어떻게 달라질까?
앞에서 살펴본 세 가지 배열 구조는 동일한 개수의 마이크 캡슐을 사용하지만, 배열 형상에 따라 형성되는 빔 패턴은 서로 다른 특성을 보인다. 이러한 차이를 확인하기 위해 Matlab 환경에서 동일한 조건을 적용하여 빔 패턴을 시뮬레이션하였다. 또한 실제 회의 환경에서는 발언자의 위치가 항상 정면에만 존재하지 않기 때문에, 조향각(Steering Angle)을 0°, 22.5°, 45°, 67.5°로 변화시키며 각 배열 구조의 지향성 변화를 비교하였다.
그림 3. 조향각 변화에 따른 구조별 빔 패턴
1) 구조 A – 십자형 어레이 (Cross Array) 빔 패턴 분석
십자형 어레이는 특정 직교 및 대각 축 방향에서는 날카로운 주엽을 형성한다. 하지만 22.5°, 67.5°와 같이 조향각이 축을 벗어날 때 주엽의 폭이 넓어지며 측엽의 크기와 분포가 조향각에 따라 변화하는 특성을 보였으며, 특정 조향각에서는 지향성 패턴의 비대칭성이 증가하는 경향이 나타났다.
그림 4. 십자형 어레이 구조의 빔 패턴
2) 구조 B – 원형 어레이 (Circular Array) 빔 패턴 분석
원형 어레이는 전방위(360°)에 걸쳐 비교적 균일한 빔 패턴을 형성하였다. 또한 모든 조향각에서 유사한 지향 특성을 유지하여 방향에 따른 성능 편차가 적게 나타났다. 시뮬레이션 결과, 세 구조 중 가장 좁은 주엽을 형성하여 높은 공간 분해능을 나타냈다. 다만 일부 조향각에서는 부엽이 상대적으로 높게 형성되어 특정 환경에서는 불필요한 음원이 일부 유입될 가능성을 확인하였다.
그림 5. 원형 어레이 구조의 빔 패턴
3 )구조 C – 혼합형 어레이 (Hybrid Array) 빔 패턴 분석
혼합형 어레이는 원형 배열과 십자형 배열의 지향성 특성을 절충적으로 반영한 구조이다. 시뮬레이션 결과, 조향각 변화에 따라 비교적 안정적인 빔 패턴을 유지하는 특성을 나타냈다. 주엽 폭은 다른 구조에 비해 상대적으로 넓게 형성되었으나, 넓은 영역에 분포한 음원을 포괄적으로 수음할 수 있는 장점을 보였다. 또한 조향각이 변화하더라도 지향성 패턴의 왜곡이 급 격하게 증가하지 않아 다수의 사용자가 분산되어 있는 회의 환경에서 안정적인 지향성 특성을 제공할 수 있음을 확인하였다.
그림 6. 혼합형 어레이 구조의 빔 패턴
4) 구조별 지향성 특성 비교
각 구조의 지향성 특성을 정량적으로 비교하기 위하여 HPBW(Half-Power Beam Width)4와 MSLL(Maximum Side Lobe Level)5을 산출하였는데, 아래 표 2는 각 구조의 평균 HPBW와 평균 MSLL을 비교한 결과이다.
| 구조 | 평균 HPBW(°) | 평균 MSLL(dB) |
| [A] 십자형 어레이 | 18.7 | -7.23 |
| [B] 원형 어레이 | 13.8 | -5.57 |
| [C] 혼합형 어레이 | 28.8 | -6.47 |
표 2. 구조별 평균 HPBW 및 MSLL 비교 결과
4) HPBW(Half-Power Beam Width)는 주엽의 폭을 나타내며 공간 분해능을 평가하는 지표이다.
5) MSLL(Maximum Side Lobe Level)은 가장 큰 부엽의 레벨을 의미하며 불필요한 방향의 음원 유입 억제 성능을 평가하는 지표이다.
두 가지의 지표를 바탕으로 각 구조별 지향성 특성을 분석한 결과, 구조 B는 평균 HPBW가 13.8°로 가장 좁은 주엽을 형성하여 높은 공간 분해능을 나타냈다. 이는 특정 방향의 음원을 선택적으로 수음하는 환경에 적합한 특성을 의미한다.
구조 A는 평균 MSLL이 -7.23 dB로 가장 낮게 나타나 부엽 억제 성능이 우수한 것으로 분석되었다. 특히 조향각 45°에서 가장 낮은 MSLL을 나타내어 불필요한 방향의 음원 유입을 효과적으로 억제할 수 있음을 확인하였다.
구조 C는 평균 HPBW가 28.8°로 가장 넓은 주엽을 형성하였다. 이는 공간 분해능 측면에서는 상대적으로 불리하지만, 넓은 영역을 포괄적으로 수음할 수 있는 특성을 제공한다. 또한 조향각 변화에 따른 패턴 변화가 비교적 안정적으로 유지되어 다수의 사용자가 분산된 회의 환경에 적용 가능성을 확인하였다.
따라서 구조 B는 공간 분해능이 중요한 환경에, 구조 A는 부엽 억제가 중요한 환경에, 구조 C는 넓은 수음 영역이 요구되는 환경에 각각 적합한 특성을 갖는 것으로 판단된다. 이는 동일한 마이크 수를 사용하더라도 배열 구조에 따라 지향성 특성이 달라질 수 있음을 시사한다.
5. 회의실에서는 어떻게 적용해야 할까?
Beamforming 기술은 원하는 방향의 음성을 선택적으로 수음할 수 있도록 해 주지만, 실제 회의실에서는 사용자의 위치와 움직임, 테이블 형태, 공간의 크기 등 다양한 요소가 동시에 영향을 미친다. 따라서 동일한 천장형 마이크를 사용하더라도 공간 구성에 따라 수음 성능은 크게 달라질 수 있다.
앞서 Matlab 시뮬레이션을 통해 도출된 지향성 분석 결과를 바탕으로 회의실 환경에서 사용자의 착석 위치가 수음 품질에 미치는 영향을 검토하였다. 특히 구조 C는 넓은 수음 영역과 안정적인 지향성 특성을 나타내어 다수의 사용자가 분산되어 있는 회의 환경에 적용 가능성을 확인하였고, 이를 기반으로 공간의 목적에 따른 사용자 배치 방안을 제안한다.
그림 7. 회의실 내 사용자 배치 제안
먼저 고정형 회의실에는 마이크 어레이의 직하방향 중심으로부터 일정한 반경(R)을 유지하도록 원형 또는 정방형 탁자를 배치하는 것이 균일한 수음 레벨을 확보하는 데 가장 유리하다. 그리고 주요 발언자의 좌석은 마이크 중심축을 기준으로 균형 있게 분산하여 배치하는 것이 유리하며, 특정 영역에 발언자가 집중되지 않도록 좌석 배치를 구성하는 것이 바람직하다. 또한 구조 C는 빔 패턴의 특성상 주엽 중심축에서 크게 벗어난 위치에서는 수음 감도가 감소할 수 있다. 따라서 발언 빈도가 높은 사용자는 마이크 중심축과 가까운 영역에 배치하고, 좌석 간격은 빔 폭을 고려하여 균형 있게 구성하는 것이 바람직하다.
해당 공간을 일반적인 직사각형 구조의 강의실 또는 세미나실로 활용할 경우, 강의자나 발표자의 ‘이동성’과 학생이나 청중의 ‘격자형 배치’를 고려하여 사용자 배치를 설계해야 한다. 강의실 환경에서는 강의자의 이동성을 고려하여 교탁의 위치와 강의자의 주 이동 동선이 마이크 어레이 중심을 기준으로 균형 있게 형성되도록 설계하는 것이 바람직하다.
그림 8. 강의실 내 사용자 배치 제안
또한 학생 좌석은 전체가 유효 수음 반경(R) 내에 위치하도록 배치하고, 발언 빈도가 높은 좌석은 중심부에 우선 배치하는 것이 효과적이다. 반면 수음 성능이 상대적으로 낮은 외곽 영역에는 통로나 기자재를 배치하여 공간 활용 효율을 높일 수 있다.
6. 맺음말
지금까지 천장형 마이크 어레이의 지향성 특성을 고려한 효율적인 사용자 배치 방안을 고찰하였다. 이를 위해 십자형, 원형, 혼합형의 3가지 대칭형 구조를 Matlab 가상 모델로 설계하고, 조향각 변화에 따른 빔 패턴을 비교 분석하였다.
분석 결과, 구조 B(원형 어레이)는 가장 좁은 HPBW를 형성하여 우수한 공간 분해능을 나타냈으며, 구조 A(십자형 어레이)는 가장 낮은 MSLL을 통해 우수한 부엽 억제 성능을 보였다. 구조 C(혼합형 어레이)는 가장 넓은 수음 영역과 비교적 안정적인 지향성 특성을 나타내어 다수의 사용자가 분산된 회의 환경에 적용 가능성을 확인하였다.
이를 바탕으로 회의실 및 강의실 환경에서의 사용자 배치 방안을 제안하였으며, 마이크 어레이의 지향성 특성을 고려한 공간 설계를 통해 수음 품질을 향상시킬 수 있는 가능성을 확인하였다. 본 연구는 마이크 어레이의 물리적 지향 특성과 사용자 배치 간의 관계를 분석하고 실용적인 운용 방안을 제시하였다는 점에서 의의가 있으며, 다양한 음성 수음 환경에서 효율적인 공간 설계와 운영 방안을 수립하는 데 유용한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
참고 문헌
[1] Don H. Johnson, Dan E. Dudgeon, Array Signal Processing: Concepts and Techniques, Prentice-Hall, (1993).
[2] Barry D. Van Veen, Kevin M. Buckley, Beamforming: Aversatile approach to spatial filtering, IEEE ASSP Magazine, (1988).
[3] Michael Brandstein, Darren Ward, Microphone Arrays: Signal Processing Techniques and, Springer Science & Business Media, (2001).
[4] Charles H. Knapp, G. Clifford Carter, The generalized correlation method for estimation of time, IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, (1976)
유 지 현
대림대학교 방송음향네트워크과 수료
주식회사 브릭스컴퍼니 과장
