[논문]음성통신망에서 디지털 오디오 신호 음질개선을 위한 전처리방법

송근배; 안철용; 김재범; 박호종; 김석호

문제 정의

이를 위해 입력 신호의 음폭을 조절하고, 빗살형 필터(comb filter) 형태의 피치 이득을 높여주는 방법이 제안되었다지. 낮은 부호화 비트 율로 인해 음의 중간에 끊긴 음이 발생하면 청취자에게 거슬리는 느낌을 주게 되는데 이를 완화시키는 것이 이 방법 의 목표이다.
본 논문에서는 기존 NS 방법에 기초한 음성부호화기에서의 음질개선을 위한 전처리 방법을 제안하였다. 제안된 전 처리기는 입력신호가 보다 효율적으로 부호화되도록 NS와 AGC 동작을 통하여 입력 음악신호의 주파수 스펙트럼 분포를 재배치한다.
여기서 '감추어진 잡음'이란 가상의 잡음을 의미하며, 만약 이 것이 부호화되기 전에 제거될 경우 부호화기는 최적의 음질을 출력하게끔 되며 그렇지 않을 경우 부호화기가 잘 처리하지 못하고 잡음형태로 출력하게 되는 그런 신호를 의미한다. 본 논문에서는 이러한 의미의 '감추어진 잡음'을 원래의 입력 음악 신호에 대한 부호화 오차신호로 근사하 기로 한다. 이와 같은 가정에 하에 입력 음악 신호는 (1)의 잡음 부가된 신호나 #끼에 부호화 오차신호는 (1)의 잡음 신호 #끼에 대응하게 되며, 부호화 오차신호 n[m]가 주어질 경우 기존의 잡음억제 방식을 따라 입력 음악 신호로부터 부호화 오차 신호가 제거되게 된다.
이와 비슷한 접근방법이 음악 입력신호에 적용될 수 있다. 본 논문은 모든 음악 입력신호를 그것이 실제 잡음에 의해 왜곡되었느냐 여부에 상관없이 잡음 부가된 신호로 간주한다. 즉 깨끗한 음악신호라 하더라도 '감추어진 잡음'에 의해 왜곡된 잡음 부가된 신호로 간주하기로 한다.
본 논문은 음성부호화기의 음악입력에 대한 성능을 개선 시키기 위해 새로운 전처리 방법을 제안한다. 이 방법은 잡음억제(noise suppression, NS)및 자동이득제어 방법 (adaptive gain control, AGC)에 기초를 두고 있다.

제안 방법

이들은 다시 20명씩 소그룹으로 나뉘어졌으며 각각의 소그룹은 5개의 테스트 벡터중 하나의 테스트벡터를 평가하도록 하였다. 각각의 소그룹의 참가자들은 그들에게 할당된 테스트 벡터의 두 버전을 무작위의 순서로 들었으며, 세 번 반복하여 청취한 뒤 선호도에 대한 답변을 작성 하였다.
평가는 외부잡음으로부터 차단된 실험실에서 진행되었다. 각각의 평가 버전들은 PC상에서 Sennheizer HD 414 해드폰을 사용하여 재생되었으며 출력 볼륨은 실험관리자에 의해 특정 레벨에 고정되었다. 입력벡터들의 PCM 레벨은 최대 크기의 구형파 기준으로 -17dB 와 -20dB 사이에 분포하고 있다.
이 경우 최종적으로 부호화과정을 거쳐 출력된 음은 거친 부 호화 잡음이 사라지긴 하지만 둔탁하게 들리는 소리 (muffled sound)를 만들어낸다. 본 논문은 이러한 현상을 완화시키기 위해 계산된 부호와 오차신호에 0.5 이득을 곱하여 레벨을 3dB 떨어뜨린 뒤 NS 동작에 적용하였다.
부호화 오차신호로는 일반적으로 정의되는 신호 즉, 원 래신호와 합성신호와의 차 대신 FCB (Fixed Codebook) 잔 차 신호 즉, FCB 목표신호와 탐색된 FCB 벡터 사이의 차를 사용하였다. 이는 EVRC 부호화기의 독특한 특징 즉, 부호화 과정에서 입력신호의 LPC 잔차 신호를 피치등고선 (pitch contour)을 따라 5ms 범위 내에서 재정렬함으로써 생기는 원음 왜곡의 효과를 부호화오차 계산에서 배제시키기 위함이다.
사용된 NS 알고리즘은 필터이득 계산법을 제외하고는 EVRC의 전처 처리단에서 사용되고 있는 NS 알고리즘을 기본 골격으로 구현되었다. 필터이득은 단순히 주파수크기 차감법 (spectral magnitude subtraction method)에 따라 계산되었다.
본 논문에서는 기존 NS 방법에 기초한 음성부호화기에서의 음질개선을 위한 전처리 방법을 제안하였다. 제안된 전 처리기는 입력신호가 보다 효율적으로 부호화되도록 NS와 AGC 동작을 통하여 입력 음악신호의 주파수 스펙트럼 분포를 재배치한다. 이 방법의 하나의 단점은 부호화 오차를 계산하기 위해 사전에 추가적인 부호화 동작이 필요하다는 것이다.
1. 제안하는 전처리 방법.

대상 데이터

20대에서 30대의 총 100명(남자 88명 여자 12명)의 청취자가 실험에 참가하였다. 이들은 모두 이메일로 모집된 삼성전자 직원들로 본 작업과 직접적인 관련이 없는 사람들이다.
따라서 주관적인 선호도 조사가 수행되었다. C, KI, K2, El, E2로 명명된 5개의 테스트 벡터가 인기 음악 연결음 목록으로부터 선택되었다. 여기서 C는 클래식 음악, K1과 K2는 2개의 한국 가요, E1과 E2는 각각 영어 가사의 팝송을 나타낸다.
여기서 C는 클래식 음악, K1과 K2는 2개의 한국 가요, E1과 E2는 각각 영어 가사의 팝송을 나타낸다. 각각의 음악은 오리지날 사운드트랙에서 추출된 30초 내외의 모노, 16bit/8kHz PCM 신호들이다. 선택된 두 영어 가사의 팝송은 다음과 같다:
본 논문의 전처리 방법을 적용하여 평가하기 위한 부호 화기로서 현재 CDMA (Code Division Multiple Access) 이동통신망의 주요 부호화기인 EVRC를 선정하였다가.
이에 대한 정량적인 설명이 그림 2에 나타나 있다. 여기에 제시된 신호들은 E1과 E2의 원래 파형 그리고 그들 각각의 부호화 오차신호들이다. 그림 2에서 보여진 바와 같이 E1의 잔차 신호 레벨이 E2보다 크다.

이론/모형

사용된 NS 알고리즘은 필터이득 계산법을 제외하고는 EVRC의 전처 처리단에서 사용되고 있는 NS 알고리즘을 기본 골격으로 구현되었다. 필터이득은 단순히 주파수크기 차감법 (spectral magnitude subtraction method)에 따라 계산되었다. 입력 음악신호와 부호화 오차신호의 스펙트럼 크기는 매 프레임마다 다음 식에 의해 갱신 된다:

성능/효과

이 문제와 관련하여 그동안 몇 가지 의미 있는 연구들이 있었다. 가령 R. Hagen과 그의 동료들은 기존 부호화기에서 사용하는 10차 선형예측모델의 한계를 극복하기 위해 독특한 후처리기를 제안하였는데, 이는 복호화된 신호의 고조파특성 (harmonic characteristic)을 분석하여 고조파의 골짜기에 해당하는 부분을 감쇠시켜 줌으로써 복호화된 신호의 고조파 구조가 원래 신호의 고조파 구조와 유사해지 게끔 하는 방법이다 이를 통하여 제안한 방법은 음악신 호처리에 의해 발생하는 부호화잡음을 상당히 줄일 수 있었으며 음질개선효과를 거둘 수 있었다. 그러나 좋은 결과에도 불구하고, 제안한 후처리 방법은 다소 경험적 방법 (heuristic procedure)를 사용하고 있다는 문제점을 안고 있다.
이 AGC 처리에 의해 앞서 NS에 의해 원래 입력 신호로부터 빠져나간 부호화 오차신호의 에너지는 전체적으로 주파수 스펙트럼 상에 고루 재분배된다. 결론적으로, 이와 같은 NS와 AGC의 결합에 의한 본 전 처리 방법은 높은 신호대 양자화 잡음 비 (signal-to-quantization noise ratio, SQNR) 를 가지는 입력신호의 주파수 성분은 상대적으로 강조하며 그렇지 못한 주파수 성분은 억제시키는 동작을 한다. 여기서 각각의 주파수성분에 대한 SQNRe 다음과 같이 정의 된다.
Hagen과 그의 동료들은 기존 부호화기에서 사용하는 10차 선형예측모델의 한계를 극복하기 위해 독특한 후처리기를 제안하였는데, 이는 복호화된 신호의 고조파특성 (harmonic characteristic)을 분석하여 고조파의 골짜기에 해당하는 부분을 감쇠시켜 줌으로써 복호화된 신호의 고조파 구조가 원래 신호의 고조파 구조와 유사해지 게끔 하는 방법이다 이를 통하여 제안한 방법은 음악신 호처리에 의해 발생하는 부호화잡음을 상당히 줄일 수 있었으며 음질개선효과를 거둘 수 있었다. 그러나 좋은 결과에도 불구하고, 제안한 후처리 방법은 다소 경험적 방법 (heuristic procedure)를 사용하고 있다는 문제점을 안고 있다. 따라서 보다 널리 적용될 수 있는 보다 일반화된 방법 개발의 필요하다.
즉, 입력 오디오신호는 잡음 부가된 신호에, 그 오디오 신호의 부 호화 오차신호는 잡음신호에 각각 대응되며 기존의 잡음억 제 방법과 비슷한 과정을 통하여 부호화 오차신호가 입력 오디오 신호로부터 사전에 억제된다. 다음으로 자동이득제 어기가 적용되어 잡음 억제된 입력 오디오 신호 레벨을 원 래의 입력 오디오 신호 레벨로 끌어 올리게 되는데, 결과적 으로 이러한 전체적인 전처리 과정은 (미리계산 된) 부호 화 오차신호 정보에 기반 하여 입력 오디오 신호의 주파수 분포를 재분배하는 효과가 있다. 실험결과 이러한 재분배 방식은 전처리된 신호가 보다 효과적으로 부호화 되게끔 하여 주며 음질실험결과에서도 좋은 결과를 확인할 수 있었다.
본 논문에서 제안된 방법은 원래 신호에 대한 변형을 기본 전제로 하고 있으므로 성능평가에 있어서 SNR 형태의 객관적인 측도들은 적합하지 않다. 따라서 주관적인 선호도 조사가 수행되었다.
다음으로 자동이득제 어기가 적용되어 잡음 억제된 입력 오디오 신호 레벨을 원 래의 입력 오디오 신호 레벨로 끌어 올리게 되는데, 결과적 으로 이러한 전체적인 전처리 과정은 (미리계산 된) 부호 화 오차신호 정보에 기반 하여 입력 오디오 신호의 주파수 분포를 재분배하는 효과가 있다. 실험결과 이러한 재분배 방식은 전처리된 신호가 보다 효과적으로 부호화 되게끔 하여 주며 음질실험결과에서도 좋은 결과를 확인할 수 있었다.
FCB 목표신호는 피치성분이 배제된 신호로, 따라서 이로부터 계산된 FCB 잔차 신호를 부호화 오차신 호로 사용할 경우 이러한 왜곡효과가 부호화 오차신호에 반영되지 않게 된다. 실험결과에 의하면 FCB 잔차 신호를 부호화 오차신호로 사용하는 것이 더 좋은 결과를 가져옴 을 확인할 수 있었다.
기의 결과를 얻었다. 이를 통하여 제안된 방법이 일반적인 음성신호에 대해서 해가 되지 않음을 알 수 있었다.
표 1은 전체적인 결과를 나타낸다. 전체적으로 86%의 참가자들이 제안한 방법이 우수하거나 동등하다고 평가하였다. 특히, 복잡한 음악 K1과 E1에 대해서는 대부분의 참가자들이 제안된 방법을 선호하였다.
이는 E2의 음질은 전처리를 하지 않더라고 그리 나쁘지 않은 데서 연유하는 것으로 보인다. 제안된 방법을 또한 순수 음성 신호에도 적용하여 보았는데 주관적인 평가와 객관적인 평가 즉, PESQ MOS값에 있어서 어떤 뚜렷한 차이점 도 발견할 수 없었다 정상레벨의 깨끗한 음성남녀 각각 10개씩의 테스트 벡터에 대한 PESQ MOS값 측정결과 제안한 전처리 방법을 적용할 경우 평균 3.73, 그렇지 않은 경우 3.기의 결과를 얻었다. 이를 통하여 제안된 방법이 일반적인 음성신호에 대해서 해가 되지 않음을 알 수 있었다.
이것은 복잡한 신호 E1 을 부호화하는 것이 단순한 신호 E2를 부호하는 것 보다 더 어렵다는 것을 의미하며, E1의 부호화 과정에서 더 큰 음질 저하가 발생하게 됨을 의미한다. 제안된 전처리 방법을 적용한 뒤 각각의 SQNRe E1은 5.77dB에서 7.63dB로, E2는 9.01dB에서 11.55dB로 개선되었다. 객관적으로는 E2에 대한 개선이 더 커 보인다.
제안된 전처리방법에 의한 NS 동작을 수행함에 있어 계산된 부호화 오차신호를 그대로 적용할 경우 과도한 잡 음억제에 의한 심한 음질 왜곡이 발생됨이 관찰되었다. 이 경우 최종적으로 부호화과정을 거쳐 출력된 음은 거친 부 호화 잡음이 사라지긴 하지만 둔탁하게 들리는 소리 (muffled sound)를 만들어낸다.
반면, 이 방법은 일반적인 구조를 가지고 있으며 따라서 기존의 여러 음성 부호화기에 쉽게 적용될 수 있다는 장점을 가진다. 주관적인 선호도 조사결과 제안된 방법이 복잡한 음악신호로 기인한 성가신 잡음을 사전에 억제해 주며 결과적으로 음질개선을 가져다준다는 것을 확인할 수 있었다.

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