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라우드니스 101

LOUDNESS 101

1. Loudness란 ?

Loudness란 인간 청각의 지각 정도에 의해 느끼는 소리의 크기를 뜻합니다. 내가 지금 듣고있는 노래의 크기를 주변 사람에게 알려준다고 가정해봅시다! 일단 소리가 크다면 Loudness가 크다고 할 수 있고, 소리가 작다면 Loudness가 작다고 할 수 있습니다. 하지만 주변 사람에게 소리의 크기를 알려준다고 했을때, Loudness에 대한 인지정도가 나와 같으리라는 보장은 없습니다. 주변 사람의 수가 많아질수록 그 보장성은 줄어들기까지 합니다. 이럴 경우 가장 효율적인 방법은 숫자가 도입된 객관적인 지표(단위)를 통해 전달하는 것입니다. 많은 분야에서 필요로했는지, Loudness 단위에 대한 연구는 활발하게 이루어져왔습니다. 그중에서도 브로드캐스팅, 스트리밍과 같은 시장에서 통용되고 실용성높은 단위를 소개하고자합니다.

소개하고자 하는 단위는 LKFS(Loudness K-Weighted relative to Full Scale)이며, LUFS(Loudness Unit relative to Full Scale)로도 불립니다. 이 단위와 관련된 파라미터들은는 ITU-R(International Telecommunication Union – Radiocommunication), EBU-R(European Broadcasting Union)에 의해 고안되었습니다.

2. Loudness 핵심 요소

가우디오랩

위의 figure 1.는 Loudness를 측정하는 유틸리티의 인터페이스입니다. 관찰력이 좋다면 두 유틸리티에서 공통적으로 쓰이는 파라미터는 Integrated, Short-Term, Momentary loudness, true peak 그리고 Loudness Range가 있는 것을 확인 할 수 있습니다. (다른 Loudness 측정기를 보시더라도 유사한 파라미터가 쓰일 것입니다) 이번 챕터에서는 각 파라미터가 의미하는 바에 대해서 살펴보도록 하겠습니다.

2-1. 핵심 키워드
  • LKFS(LUFS)

Loudness의 단위 중 하나이며, 인간의 청각 특성에 부합하게 설계된 K-weighting filter를 거친 입력 신호에 대한 크기입니다. K-weighting filter는 인간이 비교적 잘 듣는 주파수영역의 신호를 증가시키고, 비교적 잘 들리지 않는 주파수 영역의 신호를 감소시키는 필터로 이해하시면됩니다. Loudness의 종류에는 측정하는 길이에 따라 Momentary, Short-term, Integrated Loudness로 나뉩니다. Momentary Loudness는 0.4초, Short-term Loudness은 3초, Integrated Loudness는 전체 구간에 대한 소리 크기입니다.

  • LU(Loudness units)

LKFS가 측정되는 자체의 값이라면 LU는 상대적인 측정량입니다. 즉, 기준 레벨 대비하여 얼만큼 차이가 나는지, 혹은 Loudness의 범위를 의미할때 쓰입니다. 예를 들어, 컨텐츠 A가 -12LKFS이고 컨텐츠  B가 -20LKFS이면 A 컨텐츠는 B 컨텐츠보다 +8LU 만큼의 Loudness를 가지고있다로 표현 가능합니다.

  • Momentary Loudness

K-weighting filter를 거친 신호의 0.4초 분량에 해당하는 소리크기이며, 75% 오버랩(0.1초)을 하여 측정합니다. 순간순간의 소리크기로 이해하면 됩니다.

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위 그림과 같이 측정한 결과를 히스토그램화 하여 누적하면 아래 그림과 같습니다.

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Momentary Loudness의 히스토그램은 추후 Integrated Loudness를 계산할때 활용됩니다.

  • Short-term Loudness

K-weighting filter를 거친 신호의 3초 분량에 해당하는 소리크기이며, EBU에서는  최소 0.1s 간격으로 갱신 할 것을 권장하고있습니다.

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Short-term Loudness의 히스토그램은 추후 Loudness Range를 계산할때 활용됩니다.

  • Integrated Loudness

전체 구간에서 들리는 소리 크기의 평균이다. 컨텐츠 전반적인 소리 크기를 의미합니다. 구하는 방식은 다음과 같습니다.

Step1) -70LKFS 이하의 momentary loudness 분포값들을 제거한 후, 나머지 분포값들의 평균을 구합니다.

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Step2) step1에서 구한 평균보다 10LU만큼 작은게 relative threshold입니다.

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step3) relative threshold보다 높은 분포값들의 평균이 integrated loudness입니다.

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  • LRA(Loudness Range)

전체 구간에서의 Loudness의 범위입니다. 즉, 소리크기가 어느정도로  분포하고 있는지 알 수 있는 지표입니다. 구하는 방식은 다음과 같습니다.

Step1)  -70LKFS 이하의 short-term loudness 분포값들을 제거한 후, 나머지 분포값들의 평균보다 20LU 작은 값(relative threshold)을 구합니다.

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Step2) relative threshold를 넘는 분포값들 중 하위 10%와 상위 5%의 범위가 Loudness Range입니다.

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  • True-peak

192kHz 샘플링 주파수로 변환하였을때의 피크값이며 단위는 dBTP입니다.  재생환경 중에서 충분히 높은 샘플링 주파수(192kHz)일때 열화를 방지하기 위한 값으로 이해하면 됩니다. 일반적으로 소비되는 음원의 샘플링 주파수는 44.1, 48kHz이기때문에 업샘플링을 하는게 일반적인데, 이때 기존의 sample peak 값보다 커질 수 있습니다. 업샘플링에 대한 예시입니다.

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중축이 되는 업샘플링 기법 외에도 표현 범위를 넘어가는걸 방지하기 위한 attenuation, upsampling 이후에 유효한 신호들만 남기기위한 필터링, 데시벨 단위로 환산하기 위한 로그화 등이 진행됩니다. 아래 block diagram은 샘플링 주파수가 48kHz일때 true-peak를 구하는 일련의 과정입니다.

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2-2. 라우드니스 감 익히기
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3. 그 외

3-1. 왜 하필 LKFS(LUFS)인가요?

기존에는 RMS(Root-mean-square)를 활용하여 Loudness를 측정했지만 실제 인간의 청각 능력과는 매칭이 잘 안됐습니다. 이후 ITU, EBU에서 K-weighting 필터를 활용하여 인간의 청각 능력을 반영하고, 크기를 구하는 과정에서 보았듯이 소리크기를 느끼는데 있어 영향력이 없는 부분에 대한 열외처리를 하는 등 보다 정교한 방법으로 Loudness를 계산합니다. 다른 단위보다 정교하기때문에 대세로 자리잡지않았나 싶네요!

3-2. 각종 플랫폼의 Loudness 규제 및 권장 현황
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(https://www.masteringthemix.com 발췌)

3-3. Loudness War에 관한 사견

Loudness와 관련된 이슈를 하나 말씀드리려합니다. 다들 아실수도 있는 ‘Loudness War’입니다. 제 마음대로 요약을 하면 컨텐츠 제작자가 “다른 창작물보다 나의 창작물의 소리를 더 크게 함으로써 청취자들로부터 하여금 더 주목받을 것이다. 보너스로 음질이 더 좋아진것처럼 청취자의 착각을 불러일으킬 것이다.“와 같은 마인드로 컨텐츠를 생산하는 것입니다. 혹은 “다른 창작물보다 나의 창작물의 소리를 더 키우진 않겠지만 차이가 크게 나지않도록 만들것이다.“와 같은 마인드도 될 수 있겠네요.

소리가 커지면 음질이 개선된다고 생각이 될지 모르겠지만, 실제로는 Dynamic이 좁아 표현력도 떨어지고, 클리핑 발생의 빈도가 높아져 음질 열화 확률은 더 높아집니다.  소리를 과하게 키우면 음원의 질 자체는 오히려 떨어진다는 것을 많은 소비자가 인지하여 소비의 패턴이 바뀌기를 희망합니다.

3-4. LKFS? LUFS?

Loudness의 단위를 최초 고안한것은 ITU에서하고 단위를 LKFS로 정의하였습니다. 이후 디스플레이 방식이나 Momentary, Short-term, Integrated Loudness, LRA 등의 용어와 디스플레이 방식 등을 정의 한것은 EBU에서 고안하면서 LUFS로 명칭을 변경하였지요. 따라서 북미권에서는 LKFS를 쓰고, 유럽권에서는 LUFS를 쓰는 경향을 보이네요.

((이 글은 상기 표준에서 내포한 철학을 필자 나름의 핵심 요소를 추린것이기에 보다 자세하고 깊은 내용을 원하시면 ITU-R BS.1770-4, EBU-R Tech 3341,3342를 정독하는 것을 권장합니다.))


Gaudio Lab 은…

가우디오랩(주)은 VR/AR, 스트리밍 미디어, 모바일, 홈 등 소리가 있는 어디에서나 사람들에게 훌륭한 소리 경험을 제공하는 일을 합니다. 가상세계를  더욱 현실처럼 만드는 소리, 현실을 넘어 초현실적인 소리를 만드는 혁신적인 기술들로 전세계를 누비며 활약하는 국가대표 오디오 공학집단입니다. “올해의 최고 VR 혁신 기업상 수상(VR Awards, 런던, 2017)“, “ISO/IEC MPEG-H 3D Audio 국제표준 채택 (2013,2018)“으로 혁신성을 인정받은 6인의 음향공학박사와 오디오 Geek들은 실리콘밸리와 서울에 있습니다. The Science of Sound.

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