[논문]국내 독서장애인을 위한 Math Expression Reader의 구현 및 사용성 평가

이재화; 이종우; 임순범

doi:10.9717/kmms.2012.15.7.951

문제 정의

본 장에서는 이렇게 변환된 수식의 독음들을 직접 사용자들에게 들려줌으로 수식 독음으로 변환된 수식을 정확하게 이해하는지, 일반인 및 중학생들과 독서 장애인들을대상으로 테스트를 실시 해 보았다.
이러한 2차 Test 결과를 보다 확실히 입증하기 위해 본 논문에서는 실험 표본 집단을 중학생 15명으로 확장하여 다시 동일한 실험을 진행해보았다. 실험에 참가한 중학생들은 중학교 수학 전 과정을 배운 중학교 3학년학생을 대상으로 실시되었으며, 실험 내용은 위의 일반인 실험 내용과 동일하게 진행 되었다.
이에 본 논문에서는 국내 독서 장애인들을 위해 일반 문서에 삽입되어 있는 수식표현을 한글로 읽어주는 수식의 음성 변환 기법을 제안한다. 이를 위해 현재 중학교에서 사용되고 있는 20개의 수학교과서를 분석 및 분류하여, 각 영역에서 쓰이는 수학 기호를 정리하여 한글 독음 규칙을 정의하였으며 이러한 한글 독음 규칙을 바탕으로 일반 문서에 입력된 수식을 한글 표현으로 읽을 수 있는 ‘Math Expression Reader’를 구현하였다.
이에 본 논문에서는 수식의 복수 독음 혼용을 최소화하기 위해 표 4에서와 같이 수식의 한글 독음정의 시 복수 독음이 가능한 수학 기호에 대해 하나의 대표 독음을 정의하였다.
현재 외국에서 사용 중인 음성 서비스 시스템들은 영어로 표현되는 수식독음을 독서 장애인에게 서비스 하고 있으며 이를 국내에 적용할 시 한글-영어간의 언어적 차이로 인해 영어의 수식독음을 다시 한글독음에 맞게 재구성해야 하는 불필요한 과정을 거치게 된다. 이에 본 논문에서는 한컴 오피스, 워드, PDF 등과 같이 일반문서에 입력된 수식을 앞서 정의한 한글 독음 규칙과 적용시켜 국내 독서 장애인들에게 수식의 음성 서비스를 제공하는 수식의 한글 음성변환 기법을 제안하다.

제안 방법

그리고 ‘Math Expression Reader’를 통해 생성된 한글 수식 독음을 일반인과 시각장애인들에게 각각 들려줌으로 생성된 한글수식독음을 얼마나 정확히 이해하고 알아들을 수 있는지 평가하고 그 결과를 비교 분석하였다.
이에 본 논문에서는 다양한 케이스를 분석하여 한글 독음 규칙의 필요성을 제기 하고, 이를 바탕으로 중학교 수학 교과서를 분석하여 한글 독음 규칙을 정의하였으며, 수식을 한글 독음으로 생성해주는 ‘Math Expression Reader’를 구현하였다. 또한 생성된 수식의 한글 독음을 직접 사용자들에게 테스트 해봄으로 생성된 한글수식독음을 얼마나 정확히 이해하고 알아들을 수 있는지 평가하고 그 결과를 비교 분석하였다. 그 결과 수식을 읽어주는 속도와 수식기호의 사전 교육의 여부에 따라 한글 수식독음의 이해도에 영향을 받으며 수식 한글 독음의 정확한 이해를 위해서는 한글 수식독음의 서비스 부분(수학 기호와 관련된 도움말 및 Help기능) 및 수식을 읽어주는 속도 등에도 향후 지속적인 연구가 계속해서 이루어 져야 함을 알 수 있었다.
1차 Test때 사용한 수식 15개를 각각 보통속도와 보통속도보다 25～30%빠른 속도로 녹음하여 일반인 5명(1차 테스트에 참여하지 않은 사람들)에게 들려준다. 또한, 다른 15개의 수식 샘플을 준비하여 실험에 앞서 간략하게 실험에 사용될 수식기호에 대해알려주고, 각각 속도를 달리하여 그 이해도를 측정해 보았다.
본 논문에서는 현재 중학교에서 사용하고 있는 20개의 수학교과서를 분석하여 크게 5영역(수와 연산, 문자와 식, 함수, 확률과 통계, 기하)로 분류하고 각 영역별로 수학 기호를 정리하여 이를 다시 연산자(Operator)와 기호(Symbol)로 구분하였다. 중학교 교과서에서 사용되는 수학기호는 대략 44개로 본 논문에서는 연산자 41개와 기호 3개(공집합, 파이, 콤마)로 정의하였다.
이를 바탕으로 독서 장애인에게도 실험을 진행 해보았다. 실험 방법은 앞서 실행한 방법과 동일한 4가지 방법으로 행해 졌으며, 측정 방법은 일반인들과 달리 이해도를 3개의 범주로 나누어 측정하였다.
이를 바탕으로 독서 장애인에게도 실험을 진행 해보았다. 실험 방법은 앞서 실행한 방법과 동일한 4가지 방법으로 행해 졌으며, 측정 방법은 일반인들과 달리 이해도를 3개의 범주로 나누어 측정하였다.
이를 위해 현재 중학교에서 사용되고 있는 20개의 수학교과서를 분석 및 분류하여, 각 영역에서 쓰이는 수학 기호를 정리하여 한글 독음 규칙을 정의하였으며 이러한 한글 독음 규칙을 바탕으로 일반 문서에 입력된 수식을 한글 표현으로 읽을 수 있는 ‘Math Expression Reader’를 구현하였다.
국내에서 제작되는 전자도서들은 현재 문서 내에 작성된 수식 및 수학 기호들은 음성으로 변환하지 못하여 독서 장애인들에게 제약적인 음성서비스를 제공하고 있다. 이에 본 논문에서는 다양한 케이스를 분석하여 한글 독음 규칙의 필요성을 제기 하고, 이를 바탕으로 중학교 수학 교과서를 분석하여 한글 독음 규칙을 정의하였으며, 수식을 한글 독음으로 생성해주는 ‘Math Expression Reader’를 구현하였다. 또한 생성된 수식의 한글 독음을 직접 사용자들에게 테스트 해봄으로 생성된 한글수식독음을 얼마나 정확히 이해하고 알아들을 수 있는지 평가하고 그 결과를 비교 분석하였다.
이는 수식을 한글로 읽을 경우 수식에 나타난 수학 기호의 범위가 어디까지 적용이 되는지 그 경계가 뚜렷하지 않아 나타나는 현상들이다. 이에 본 논문에서는 이렇게 하나의 수식에 대해 상이한 해석이 가능한 수식 유형들을 분류하여 이를 최소화하기 위해 그룹핑(Grouping) 독음을 정의하였으며, 표 5는 한글 독음 규칙 중 그룹핑 독음을 정의한 부분이다.
이에 한글 독음을 읽어주는 속도와 수학 기호 교육여부에 따라 수식의 한글 독음의 이해도에 변화가 생기는지 알아보기 위해 이들을 독립 변수로 하는 2차 Test를 실시하였다.
중학교 수학 교과서의 다섯 영역에서 수식 15개 (표 7)를 선정하여 이를 본 연구에서 제안한 Math Expression Reader를 실행하여 한글 독음으로 생성한 뒤, 일반인 5명에게 들려주어 그 이해도를 측정하였다. 실험 방법과 측정 방법을 다음 표 8과 같다.
첫째, 중학교 수학 교과서에서 명시 하고 있는 수학기호의 독음을 적용하여 분류된 수학 기호의 독음을 정의한다.

대상 데이터

실험 방법과 측정 방법을 다음 표 8과 같다. 본 실험에서 사용한 수식 15개는 앞의 표 7의 영역별 실행 사례를 사용하였다.
이러한 2차 Test 결과를 보다 확실히 입증하기 위해 본 논문에서는 실험 표본 집단을 중학생 15명으로 확장하여 다시 동일한 실험을 진행해보았다. 실험에 참가한 중학생들은 중학교 수학 전 과정을 배운 중학교 3학년학생을 대상으로 실시되었으며, 실험 내용은 위의 일반인 실험 내용과 동일하게 진행 되었다.
본 논문에서는 현재 중학교에서 사용하고 있는 20개의 수학교과서를 분석하여 크게 5영역(수와 연산, 문자와 식, 함수, 확률과 통계, 기하)로 분류하고 각 영역별로 수학 기호를 정리하여 이를 다시 연산자(Operator)와 기호(Symbol)로 구분하였다. 중학교 교과서에서 사용되는 수학기호는 대략 44개로 본 논문에서는 연산자 41개와 기호 3개(공집합, 파이, 콤마)로 정의하였다.

성능/효과

1차 Test결과 참여자들의 수식독음 이해도는 예상과 달리 평균 80%의 저조한 이해도를 보였다. 이러한 테스트결과를 바탕으로 참여자들과의 심층 인터뷰를 진행 한 결과 대부분 참여자들은 다음의 두가지 이유 때문에 수식독음 이해도 측정에 방해를 받았음을 알 수 있었다.
57)보다 이해도가 낮았으며, 수학기호의 사전 교육이 실시된 실험에서는 사전교육이 실시되기 전보다 모두 속도와 상관없이 이해도가 증가하는 것을 알 수 있었다. 그리고 실험에 참가한 모든 시각장애인들은 수학기호에 대한 사전 교육이 실시되고, 보통 속도로 수식이 읽어졌을 때, 15개의 수식을 모두 이해하는 100% 이해도를 보여주었다.
둘째, 다양한 독음으로 읽혀지는 수식기호들은 대표 독음을 정의하여 수식의 음성 서비스시 혼란을 최소화 한다.
셋째, 수식을 읽을 시 모호성을 야기 시킬 수 있는 수식은 그룹핑(Grouping) 독음을 추가하여, 수식의 모호성을 제거한다. 수식을 한글로 읽을 경우 하나의 수학 기호에 여러 개의 독음들이 사용되는 경우가 발생한다.
4)로 개인적으로 차이가 있긴 하지만 속도를 천천히 했을 때 보다 수식독음 이해도에 뚜렷한 감소증상을 보였다. 수식 기호를 미리 교육하였을 경우에도 속도가 빠를 경우 평균 10.8 (표준편차 1.4)로 사전 교육이전의 보통 속도로 읽어주었을 때 보다 이해도가 떨어졌으며, 대부분의 참가자들은 수학기호에 대한 사전교육과 보통속도로 수식을 읽어 줄 때, 평균 14.8과 표준편차 0.4로 수식의 한글독음에 대한 이해도가 가장 높았다.
일반인그룹 (일반인과 중학생)과 시각장애인간의 비교에서 알 수 있듯이 일반인그룹은 수식에 대한 사전 교육보다는 수식을 읽어주는 속도에 민감하게 반응하며 속도가 빠르지 않을수록 이해도가 높아졌다. 시각장애인의 경우 수식을 읽어주는 속도보다는 수식 기호의 사전 교육실시 여부에 따라 수식독음의 이해도가 달라지며, 사전교육을 실시 한 경우, 수식의 이해도가 더 높아지는 것을 알 수 있었다. 이에 본 논문에서 구현한 Math Expression Reader를 통해 생성된 한글 수식 독음을 정확하게 이해하기 위해서는 향후 수식독음 음성 서비스 시, 수학기호와 관련된 교육자료 (Help기능추가, 도움말)등이 추가로 제공되어야 할 것이며, 또한 적절한 음성 서비스를 제공하기 위해 향후 TTS 엔진과 연동 시 수식을 읽어주는 속도와 운율 등도 중요하게 연구 되어야 할 것이다.
시각장애인의 경우, 수식의 한글독음을 읽어주는 속도가 빠를 경우 평균 10.6 (표준편차 0.57)로 속도가 보통 일 때 (평균 12.3, 표준 편차 0.57)보다 이해도가 낮았으며, 수학기호의 사전 교육이 실시된 실험에서는 사전교육이 실시되기 전보다 모두 속도와 상관없이 이해도가 증가하는 것을 알 수 있었다. 그리고 실험에 참가한 모든 시각장애인들은 수학기호에 대한 사전 교육이 실시되고, 보통 속도로 수식이 읽어졌을 때, 15개의 수식을 모두 이해하는 100% 이해도를 보여주었다.
위 표 13과 그림 4에서 보여주듯이, 수식을 읽어주는 속도가 빠를수록 수식의 한글 독음의 이해도는 평균 9.2 (표준편차 2.4)와 10.8 (표준편차 1.4)로 개인적으로 차이가 있긴 하지만 속도를 천천히 했을 때 보다 수식독음 이해도에 뚜렷한 감소증상을 보였다. 수식 기호를 미리 교육하였을 경우에도 속도가 빠를 경우 평균 10.
중학교 수학 교과과정의 영역별 대표 수식 및 예제들을 본 논문에서 구현한 ‘Math Expression Reader’로 모두 실행해 보았으며, 그 결과 모든 수식 및 예제들을 앞서 보여준 예제의 실행사례와 동일하게 한글 수식 독음으로 변환됨을 확인 할 수 있었다.

후속연구

또한 생성된 수식의 한글 독음을 직접 사용자들에게 테스트 해봄으로 생성된 한글수식독음을 얼마나 정확히 이해하고 알아들을 수 있는지 평가하고 그 결과를 비교 분석하였다. 그 결과 수식을 읽어주는 속도와 수식기호의 사전 교육의 여부에 따라 한글 수식독음의 이해도에 영향을 받으며 수식 한글 독음의 정확한 이해를 위해서는 한글 수식독음의 서비스 부분(수학 기호와 관련된 도움말 및 Help기능) 및 수식을 읽어주는 속도 등에도 향후 지속적인 연구가 계속해서 이루어 져야 함을 알 수 있었다. 또한 본 연구는 중학교 교과서라는 한정된 범위 내에서 수식의 한글 독음을 정의 하였다.
또한 본 연구는 중학교 교과서라는 한정된 범위 내에서 수식의 한글 독음을 정의 하였다. 따라서 향후 고등학교 수학 교과서를 바탕으로 수식의 한글 독음 규칙에 대한 정의도 계속해서 연구가 되어야 할 것이다.
시각장애인의 경우 수식을 읽어주는 속도보다는 수식 기호의 사전 교육실시 여부에 따라 수식독음의 이해도가 달라지며, 사전교육을 실시 한 경우, 수식의 이해도가 더 높아지는 것을 알 수 있었다. 이에 본 논문에서 구현한 Math Expression Reader를 통해 생성된 한글 수식 독음을 정확하게 이해하기 위해서는 향후 수식독음 음성 서비스 시, 수학기호와 관련된 교육자료 (Help기능추가, 도움말)등이 추가로 제공되어야 할 것이며, 또한 적절한 음성 서비스를 제공하기 위해 향후 TTS 엔진과 연동 시 수식을 읽어주는 속도와 운율 등도 중요하게 연구 되어야 할 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Math Expression Reader이란?	이에 본 논문에서는 국내 독서 장애인들을 위해 일반 문서에 삽입되어 있는 수식표현을 한글로 읽어주는 수식의 음성 변환 기법을 제안한다. 이를 위해 현재 중학교에서 사용되고 있는 20개의 수학교과서를 분석 및 분류하여, 각 영역에서 쓰이는 수학 기호를 정리하여 한글 독음 규칙을 정의하였으며 이러한 한글 독음 규칙을 바탕으로 일반 문서에 입력된 수식을 한글 표현으로 읽을 수 있는 ‘Math Expression Reader’를 구현하였다.
	MathPlayer은 어떠한 역할을 하는가?	MathPlayer[5]는 웹브라우저에서 MathML[6]을 포함하는 웹 페이지를 브라우징 할 때, 해당 페이지의 수식을 디스플레이 해주며, 수식 읽어주기(speak expression) 기능을 통해 MathML로 표현된 수식을 읽어준다.
	외국의 음성 도서 서비스를 그대로 국내에 적용할 경우 발생하는 문제는?	있지만, 이러한 외국 시스템을 그대로 국내에 적용하게 될 경우, 언어 구조의 차이로 인해 영어로 표현된 수식을 다시 한국어 표현에 맞게 재가공해야 하는 문제가 발생한다.

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