본 논문에서는 잡음에 의해 열화된 오디오 신호를 가변 임계값을 이용한 적응 지각 필터를 사용하여 음질을 개선하는 알고리즘을 제안한다. 제안된 적응 지각 필터는 신호 구간마다 달라지는 신호의 세기와 잡음의 영향 정도를 고려하여 임계값을 가변적으로 조정함으로써 잔여 잡음을 효과적으로 제어하는 방식으로 지각적으로 개선된 음질의 신호를 얻을 수 있다 제안한 방식은 잡음에 의해 열화된 오디오 신호를 주파수 영역으로 변환한 후 임계 대역 기반의 임계 대역 에너지 (Critical intensityenergy)와 마스킹 영향이 고려된 청각 자극 에너지 (Excitation energy)를 계산한 다음, 지각 필터를 기반으로 한 적응 지각 필터 알고리즘으로 각 단계별 지각 필터 응답을 임계값으로 이용하여 가변 임계값이 재조정되는 단계를 결정하게 된다. 신호의 구간별 에너지 크기에 의한 잡음에 의해 열화된 정도의 차이를 가변 임계값을 이용하여 고려함으로써 잔여 잡음의 효과적인 제어가 가능하게 된다. 제안한 방법은 다양한 신호대 잡음비에서 열화된 오디오 신호를 입력으로 사용하였다. 입력 신호대 잡음비가 15dB, 20dB, 25dB와 30dB의 각각의 경우에 대하여 잡음대 마스킹비 (Noise-to-mask ratio, NMR)와 청감 테스트 (Mean opinion score, MOS Test)를 시행하였다. 그 결과, 잡음대 마스킹비의 개선 측면에서 각각의 경우에 대해 17.4dB, 15.3dB, 12.8dB, 9.8dB의 개선을 확인할 수 있었고, 청감 테스트의 개선 측면에서는 각각 2.9, 2.5, 2.3, 1.7의 개선된 음질을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 잡음에 의해 열화된 오디오 신호를 가변 임계값을 이용한 적응 지각 필터를 사용하여 음질을 개선하는 알고리즘을 제안한다. 제안된 적응 지각 필터는 신호 구간마다 달라지는 신호의 세기와 잡음의 영향 정도를 고려하여 임계값을 가변적으로 조정함으로써 잔여 잡음을 효과적으로 제어하는 방식으로 지각적으로 개선된 음질의 신호를 얻을 수 있다 제안한 방식은 잡음에 의해 열화된 오디오 신호를 주파수 영역으로 변환한 후 임계 대역 기반의 임계 대역 에너지 (Critical intensity energy)와 마스킹 영향이 고려된 청각 자극 에너지 (Excitation energy)를 계산한 다음, 지각 필터를 기반으로 한 적응 지각 필터 알고리즘으로 각 단계별 지각 필터 응답을 임계값으로 이용하여 가변 임계값이 재조정되는 단계를 결정하게 된다. 신호의 구간별 에너지 크기에 의한 잡음에 의해 열화된 정도의 차이를 가변 임계값을 이용하여 고려함으로써 잔여 잡음의 효과적인 제어가 가능하게 된다. 제안한 방법은 다양한 신호대 잡음비에서 열화된 오디오 신호를 입력으로 사용하였다. 입력 신호대 잡음비가 15dB, 20dB, 25dB와 30dB의 각각의 경우에 대하여 잡음대 마스킹비 (Noise-to-mask ratio, NMR)와 청감 테스트 (Mean opinion score, MOS Test)를 시행하였다. 그 결과, 잡음대 마스킹비의 개선 측면에서 각각의 경우에 대해 17.4dB, 15.3dB, 12.8dB, 9.8dB의 개선을 확인할 수 있었고, 청감 테스트의 개선 측면에서는 각각 2.9, 2.5, 2.3, 1.7의 개선된 음질을 확인할 수 있었다.
In this paper, a new adaptive perceptual filter using variable threshold to enhance audio signals degraded by additively nonstationary noise is proposed. The adaptive perceptual filter updates variable threshold each time according to the power of signal and the effect of noise variation. So the noi...
In this paper, a new adaptive perceptual filter using variable threshold to enhance audio signals degraded by additively nonstationary noise is proposed. The adaptive perceptual filter updates variable threshold each time according to the power of signal and the effect of noise variation. So the noisy audio signal is enhanced by the method which controls a residual noise effectively. The proposed algorithm uses the perceptual filter which transforms a time domain signal into frequency domain and calculates an intensity energy and an excitation energy in bark domain. In this method. the stage updated the response of filter is decided by threshold. The proposed algorithm using vairable threshold effectively controls a residual noise using the energy difference of audio signals degraded by the additive nonstationary noise. The proposed method is tested with the noisy audio signals degraded by nonstationary noise at various signal -to-noise ratios (SNR). We carry out NMR and MOS test when the input SNR is 15dB. 20dB. 25dB and 30dB. An approximate improvement of 17.4dB. 15.3dB, 12.8dB. 9.8dB in NMR and enhancement of 2.9, 2.5, 2.3, 1.7 in MOS test is achieved with the input signals. respectively.
In this paper, a new adaptive perceptual filter using variable threshold to enhance audio signals degraded by additively nonstationary noise is proposed. The adaptive perceptual filter updates variable threshold each time according to the power of signal and the effect of noise variation. So the noisy audio signal is enhanced by the method which controls a residual noise effectively. The proposed algorithm uses the perceptual filter which transforms a time domain signal into frequency domain and calculates an intensity energy and an excitation energy in bark domain. In this method. the stage updated the response of filter is decided by threshold. The proposed algorithm using vairable threshold effectively controls a residual noise using the energy difference of audio signals degraded by the additive nonstationary noise. The proposed method is tested with the noisy audio signals degraded by nonstationary noise at various signal -to-noise ratios (SNR). We carry out NMR and MOS test when the input SNR is 15dB. 20dB. 25dB and 30dB. An approximate improvement of 17.4dB. 15.3dB, 12.8dB. 9.8dB in NMR and enhancement of 2.9, 2.5, 2.3, 1.7 in MOS test is achieved with the input signals. respectively.
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문제 정의
오디오 신호에 대해 분석이 이루어지는 대역폭은 음에 따라 다르게 되는데, 음에 따라 반응하는 대역으로 나누어 놓은 주파수 대역을 임계 대역 (Critical band)이라고 한다. 본 논문에서는 오디오 신호의 주파수 대역에 대하여 인간의 청각 특성인 주파수 변별력을 나타내는 임계 대역으로 잡음에 의해 열화된 오디오 신호를 변환하고, 마스킹 특성이 고려된 청각 자극 에너지를 이용한 지각 필터를 적응적인 방법으로 적용함으로써 잡음에 의해 열 화된 오디오 신호의 음질을 개선하고 잔여 잡음을 제어하는 알고리즘을 제안한다. 제안하는 알고리즘은 신호 구간마다 신호의 세기와 잡음의 영향이 변화한다는 것을 고려하기 위해 가변 임계값을 이용한다.
오디오 신호에 대해 분석이 이루어지는 대역폭은 음에 따라 다르게 되는데, 음에 따라 반응하는 대역으로 나누어 놓은 주파수 대역을 임계 대역 (Critical band)이라고 한다. 본 논문에서는 오디오 신호의 주파수 대역에 대하여 인간의 청각 특성인 주파수 변별력을 나타내는 임계 대역으로 잡음에 의해 열화된 오디오 신호를 변환하고, 마스킹 특성이 고려된 청각 자극 에너지를 이용한 지각 필터를 적응적인 방법으로 적용함으로써 잡음에 의해 열 화된 오디오 신호의 음질을 개선하고 잔여 잡음을 제어하는 알고리즘을 제안한다. 제안하는 알고리즘은 신호 구간마다 신호의 세기와 잡음의 영향이 변화한다는 것을 고려하기 위해 가변 임계값을 이용한다.
지각 필터에 의해 개선된 신호는 묵음 구간의 추정 잡음에 따른 오차가 존재하는 신호 구간에서 잔여 잡음이 존재하게 되어 음질의 열화 원인이 되기때문에 음질 개선 측면에서 잔여 잡음에 대한 제어가 요구된다. 본 논문에서는 잔여 잡음을 제어하기 위하여 지각 필터를 적응적으로 적용함으로써 신호의 왜곡을 최소화하면서 잔여 잡음을 효과적으로 제어하고자 한다. 이때, 잔여 잡음은 처음 묵음 구간에서 추정된 잡음의 양과 동일하지 않으므로 적응적으로 적용되는 각 시점에서 얻어지는 결과 신호에 의해, 식 (4)의 지각 필터를 구성하는 묵음 구간 추정 잡음과 잡음에 의해 열화된 신호의 청각 자극 에너지의 관계를 재조정하게 된다.
제안 방법
본 논문에서는 오디오 신호의 주파수 대역에 대하여 인간의 청각 특성인 주파수 변별력을 나타내는 임계 대역으로 잡음에 의해 열화된 오디오 신호를 변환하고, 마스킹 특성이 고려된 청각 자극 에너지를 이용한 지각 필터를 적응적인 방법으로 적용함으로써 잡음에 의해 열 화된 오디오 신호의 음질을 개선하고 잔여 잡음을 제어하는 알고리즘을 제안한다. 제안하는 알고리즘은 신호 구간마다 신호의 세기와 잡음의 영향이 변화한다는 것을 고려하기 위해 가변 임계값을 이용한다. 적응 지각 필터의 초기 응답을 이용하여 가변 임계값을 설정하고, 묵음 구간에서 추정된 잡음의 양과 제거되는 누적 잡음의 비를 임계값으로 이용한다.
즉, 잡음에 의해 열화된 신호는 지각 필터에 의해 잡음 에너지가 감소된 개선 신호를 얻게 된다. 이때, 개선 신호에 남아 음질을 열화시키는 잔여 잡음이 존재할 경우, 지각 필터의 인자인 묵음 구간 추정 잡음과 잡음에 의해 열화된 신호의 청각 자극 에너지를 적응적으로 재 조정함으로써 지각 필터의 응답을 재조정하고자 한다.
즉, 잡음에 의해 열화된 신호는 지각 필터에 의해 잡음 에너지가 감소된 개선 신호를 얻게 된다. 이때, 개선 신호에 남아 음질을 열화시키는 잔여 잡음이 존재할 경우, 지각 필터의 인자인 묵음 구간 추정 잡음과 잡음에 의해 열화된 신호의 청각 자극 에너지를 적응적으로 재 조정함으로써 지각 필터의 응답을 재조정하고자 한다.
그림 2로부터 신호대 잡음비와 평균 지각 필터 응답의 변화에서 유사성을 찾을 수 있다. 평균 지각 필터 응답으로부터 신호의 세기를 추정하고, 크게 추정된 구간에서는 임계값을 적게, 적게 추정된 구간에서는 임계값을 크게하여 이용함으로써 잡음의 영향을 고려하여 적응 지각 필터를 적용하였다. 가변적인 임계값을 로 나타낼 때 다음과 같은 임계값의 범위를 얻을 수 있다.
앞에서 확인한 신호대 잡음비와 잡음대 마스킹비의 수치적 성능 비교를 통하여 확인한 적응 지각 필터의 성능을 주관적인 음질의 개선을 비교하기 위하여 청감 테스트를 수행하였다. 청감 테스트는 실험에서 이용한 4가지 장르의 신호에 대해서 20세 이상 성인 남녀 30명을 대상으로 SNR 15dB의 잡음에 의해 열화된 신호를 1이라고 하고 원음의 음질을 5라고 할 때 원음에 가까운 음질 정도를 기준으로 1과 5사이의 값으로 음질을 표현하도록하여 수행하였으며, 주변 잡음과의 차음성확보를 위해 Etymotic Research사의 Ear-CanaF형 헤드폰 ER4S와 Beyerdynamic사의 레퍼런스 헤드폰 DT-880 및 HeadRoom사의 Headphone Amp를 이용하였다.
앞에서 확인한 신호대 잡음비와 잡음대 마스킹비의 수치적 성능 비교를 통하여 확인한 적응 지각 필터의 성능을 주관적인 음질의 개선을 비교하기 위하여 청감 테스트를 수행하였다. 청감 테스트는 실험에서 이용한 4가지 장르의 신호에 대해서 20세 이상 성인 남녀 30명을 대상으로 SNR 15dB의 잡음에 의해 열화된 신호를 1이라고 하고 원음의 음질을 5라고 할 때 원음에 가까운 음질 정도를 기준으로 1과 5사이의 값으로 음질을 표현하도록하여 수행하였으며, 주변 잡음과의 차음성확보를 위해 Etymotic Research사의 Ear-CanaF형 헤드폰 ER4S와 Beyerdynamic사의 레퍼런스 헤드폰 DT-880 및 HeadRoom사의 Headphone Amp를 이용하였다. 청감 테스트를 수행한 결과는 다음 그림 8과 같다.
앞에서 확인한 신호대 잡음비와 잡음대 마스킹비의 수치적 성능 비교를 통하여 확인한 적응 지각 필터의 성능을 주관적인 음질의 개선을 비교하기 위하여 청감 테스트를 수행하였다. 청감 테스트는 실험에서 이용한 4가지 장르의 신호에 대해서 20세 이상 성인 남녀 30명을 대상으로 SNR 15dB의 잡음에 의해 열화된 신호를 1이라고 하고 원음의 음질을 5라고 할 때 원음에 가까운 음질 정도를 기준으로 1과 5사이의 값으로 음질을 표현하도록하여 수행하였으며, 주변 잡음과의 차음성확보를 위해 Etymotic Research사의 Ear-CanaF형 헤드폰 ER4S와 Beyerdynamic사의 레퍼런스 헤드폰 DT-880 및 HeadRoom사의 Headphone Amp를 이용하였다. 청감 테스트를 수행한 결과는 다음 그림 8과 같다.
입력 신호대 잡음비 15dB, 20dB, 25dB 그리고 30dB의 신호에 대하여 잡음 에너지 차감 필터와 지각 필터 그리고 본 논문에서 제안한 방식의 적응 지각 필터의 개선 신호에 대하여 청감 테스트를 진행하였다. 청감 테스트 결과, 적응 지각 필터를 적용함으로써 신호대 잡음비 25dB와 30dB의 경우에는 원음과 거의 흡사한 음질을 얻을 수 있었고, 지각 필터의 결과 신호에 비하여 음질의 개선을 확인할 수 있다.
입력 신호대 잡음비 15dB, 20dB, 25dB 그리고 30dB의 신호에 대하여 잡음 에너지 차감 필터와 지각 필터 그리고 본 논문에서 제안한 방식의 적응 지각 필터의 개선 신호에 대하여 청감 테스트를 진행하였다. 청감 테스트 결과, 적응 지각 필터를 적용함으로써 신호대 잡음비 25dB와 30dB의 경우에는 원음과 거의 흡사한 음질을 얻을 수 있었고, 지각 필터의 결과 신호에 비하여 음질의 개선을 확인할 수 있다.
적응 지각 필터를 적용하여 잡음에 의해 열화된 오디오 신호의 음질을 개선하는 알고리즘을 제안하였다. 이때, 적응 지각 필터의 적용 단계마다 제거된 누적 잡음과 묵음 구간 추정 잡음의 비율을 임계값으로 이용하여 신호의 에너지 변화에 따라 가변적으로 적용하였다.
적응 지각 필터를 적용하여 잡음에 의해 열화된 오디오 신호의 음질을 개선하는 알고리즘을 제안하였다. 이때, 적응 지각 필터의 적용 단계마다 제거된 누적 잡음과 묵음 구간 추정 잡음의 비율을 임계값으로 이용하여 신호의 에너지 변화에 따라 가변적으로 적용하였다. 또한, 필터 응답을 분석함으로써 필터 응답의 적용에 대한 그림 4와 같이 계산량을 개선할 수 있었다.
대상 데이터
실험에 이용한 오디오 신호는 Classic, Jazz, Rock, Vocal등의 4가지 장르의 오디오 신호를 백색 가우 시안잡음 (White Gaussian Noise)에 의해 신호대 잡음비 (Signal。-noise ratio, SNR) 15dB, 20dB, 25dB 그리고 30dB로 열화시킨 신호를 이용하여 실험을 하였다.
실험에 이용한 오디오 신호는 Classic, Jazz, Rock, Vocal등의 4가지 장르의 오디오 신호를 백색 가우시안 잡음 (White Gaussian Noise)에 의해 신호대 잡음비 (Signal-to-noise ratio, SNR) 15dB, 20dB, 25dB 그리고 30dB로 열화시킨 신호를 이용하여 실험을 하였다.
성능/효과
적응 지각 필터에 의해 개선된 음질을 얻는 과정에서 가변 임계값을 이용하여 적응 지각 필터를 적용한 결과는 신호의 세기와 잡음의 영향이 변화함에 따라 임계값을 가변적으로 조정하고, 필터 응답에 대한 분석을 통하여 응답을 적응시키기 위한 복잡한 계산량을 줄이며 지각적으로 보다 나은 음질 개선을 확인할 수 있었다.
적응 지각 필터에 의해 개선된 음질을 얻는 과정에서 가변 임계값을 이용하여 적응 지각 필터를 적용한 결과는 신호의 세기와 잡음의 영향이 변화함에 따라 임계값을 가변적으로 조정하고, 필터 응답에 대한 분석을 통하여 응답을 적응시키기 위한 복잡한 계산량을 줄이며 지각적으로 보다 나은 음질 개선을 확인할 수 있었다.
필터의 적용 단계마다 동일한 양의 잡음이 제거되는 것이 아니라 초기의 잡음량보다 적응 지각 필터의 적용 단계를 거칠수록 잔여 잡음의 영향이 줄어들기 때문에 점차 적은 양의 잡음이 제거됨을 알 수 있다. 또한, 25바크 대역의 제거된 누적 잡음 에너지가 다른 임계 대역에 비해 많은 양의 잡음을 제거함을 확인할 수 있다. 이로부터 고주파에 해당하는 임계 대역에서 대부분의 잔여 잡음을 제거할 수 있다.
표 1에서 확인할 수 있듯이 제안한 방법에 의해 다양한 입력 신호대 잡음비의 신호에 대해 6.4dB, 5.4dB, 4.3dB, 3.4dB의 개선을 얻을 수 있었다. 각각의 경우에 대한 잡음대 마스킹비 (NMR, Noise-to-mask ratio)를 비교한 결과는 다음 그림 7과 같다.
입력 신호대 잡음비 15dB, 20dB, 25dB 그리고 30dB의 신호에 대하여 잡음 에너지 차감 필터와 지각 필터 그리고 본 논문에서 제안한 방식의 적응 지각 필터의 개선 신호에 대하여 청감 테스트를 진행하였다. 청감 테스트 결과, 적응 지각 필터를 적용함으로써 신호대 잡음비 25dB와 30dB의 경우에는 원음과 거의 흡사한 음질을 얻을 수 있었고, 지각 필터의 결과 신호에 비하여 음질의 개선을 확인할 수 있다.
잡음 에너지 차감 필터나 지각 필터와 비교할 때 제안한 방식의 적응 지각 필터의 개선 신호에서 SSNR, NMR 개선을 확인할 수 있었고, 청감 테스트의 경우 신호대 잡음비 25dB와 30dB에서는 원음을 구분할 수 없을 정도의 원음에 가까운 음질을 얻을 수 있었다.
잡음 에너지 차감 필터나 지각 필터와 비교할 때 제안한 방식의 적응 지각 필터의 개선 신호에서 SSNR, NMR 개선을 확인할 수 있었고, 청감 테스트의 경우 신호대 잡음비 25dB와 30dB에서는 원음을 구분할 수 없을 정도의 원음에 가까운 음질을 얻을 수 있었다.
후속연구
향후 과제로 적응 지각 필터 방법은 필터 응답을 적응시키기 위하여 사용되는 많은 계산량을 줄이기 위한 방안의 연구와 다양한 잡음 환경에 응용할 수 있는 연구가 진행될 예정이다.
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