오디오 데이터 - 1

소리란?

• 소리는 물체의 진동이 매질(공기, 물, 고체 등)을 통해 전달되며, 에너지가 이동하면서 발생합니다. 예를 들어, 목소리는 성대의 진동으로 공기 분자가 압축과 팽창을 반복하며 전달됩니다.
• 이때 소리는 파형(Waveform)으로 시각화할 수 있습니다. 이는 시간에 따른 공기압 변화를 나타내며, 주요 특성으로 주파수(Frequency)와 진폭(Amplitude)가 있습니다. 주파수는 음의 높이를, 진폭은 소리의 크기를 결정합니다.
• Y축은 진폭(Amplitude) , X축은 시간(Time) 입니다.

주기와 주파수의 개념 및 관계

 

• Period (주기): 주기는 반복적인 파동이나 진동에서 특정 지점에서 같은 상태가 다시 나타날 때까지 걸리는 시간을 의미합니다. 단위는 초(s)로 표현됩니다. 예를 들어, 진동이 1초에 한 번 발생한다면, 그 주기는 1초입니다.
• Frequency (주파수): 주파수는 1초 동안 얼마나 많은 주기가 반복되는지를 나타내며, 단위는 헤르츠(Hz)입니다. 예를 들어, 1초에 100번의 주기가 발생하는 경우, 그 주파수는 100Hz입니다. 주파수가 높을수록 음이 더 높게 들리고, 주파수가 낮을수록 음이 더 낮게 들립니다.
• Frequency와 Period의 관계:

• 여기서 f는 Frequency, T는 Period를 의미합니다.
• 사람의 가청 주파수 범위: 약 20Hz에서 20KHz까지 입니다.

 

• Pitch(음의 높낮이)는 초당 진동 수(주파수)에 의해 결정되며, 높은 주파수일수록 높은 음을 형성한다.
• Loudness(음량)는 진폭(Amplitude)과 관련이 있으며, 대체로 진폭이 클수록 소리 크기도 커진다.

Analog Digital Conversion(ADC)

• Analog Digital Conversion(ADC)은 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환하는 과정입니다. 오디오 데이터는 본래 연속적인 형태(아날로그)로 존재하지만, 이를 딥러닝이나 디지털 처리에 사용하려면 이산적인 데이터로 변환해야 합니다. 이 변환 과정은 샘플링(Sampling)과 양자화(Quantization)라는 두 단계로 이루어집니다.

오디오 데이터 변환 과정

1. 샘플링(Sampling)
   샘플링은 연속적인 아날로그 신호에서 일정 간격으로 데이터를 추출하는 과정입니다.
   • 샘플링 속도(Sample Rate): 초당 추출되는 샘플의 개수를 나타내며, 단위는 Hz입니다.
     예를 들어, 44100Hz의 샘플링 속도는 1초에 44100개의 샘플을 추출한다는 뜻입니다.
   • 나이퀴스트 법칙(Nyquist Law): 신호를 원래대로 복원하려면 신호 내 최고 주파수의 2배 이상의 샘플링 속도로 데이터를 추출해야 합니다.
     예를 들어, 사람의 가청 주파수 범위가 약 20Hz에서 20KHz이므로, 이를 정확히 기록하려면 최소 40KHz 이상의 샘플링 속도가 필요합니다.
     • 실제로는 오차와 업계 표준을 고려해 44.1KHz(44100Hz)가 많이 사용됩니다.
2. 양자화(Quantization)
   양자화는 샘플링된 데이터를 연속 값에서 이산적인 값으로 근사하는 과정입니다.
   • 비트 깊이(Bit Depth): 양자화의 정밀도를 결정하며, 각 샘플을 몇 비트로 표현할지 정의합니다.
     예를 들어, 16비트 양자화에서는 하나의 샘플이 2¹⁶(65536) 단계로 세분화됩니다.
   • 비트 깊이가 높을수록 더 세밀한 표현이 가능하지만, 데이터 크기가 커집니다.
3. PCM 인코딩
   양자화된 데이터는 PCM(Pulse Code Modulation) 방식으로 0과 1의 이진수 비트로 변환됩니다.
   • PCM Word: 여러 개의 비트가 모여 하나의 샘플을 표현하며, 이를 PCM Word라 합니다.
     예를 들어, 16비트 양자화된 오디오는 16비트 크기의 PCM Word를 사용합니다.

오디오 데이터 변환의 중요성

ADC는 아날로그 신호를 디지털화하여 다양한 디지털 장치와 애플리케이션에서 활용할 수 있게 합니다. 음악, 음성 인식, 딥러닝 모델 입력 등 다양한 분야에서 필수적인 단계이며, 샘플링 속도와 비트 깊이는 변환된 데이터의 품질을 결정하는 핵심 요소입니다.

 

참고자료

• https://hyunlee103.tistory.com/54