[논문]음성기술을 이용한 정신피로 측정에 관한 타당성 연구

송승규; 김종열; 장준수; 권철홍

doi:10.13064/ksss.2013.5.1.003

문제 정의

두 가지 단조작업에 대해 실험 결과를 분석하여 어떤 단조 작업이 음성과 피로와의 상관관계에 대해서 증명해 줄 수 있는지, 음성과 피로와의 상관관계를 나타내는 음성 파라미터에는 어떤 것이 있는지 알아보았다. 단조작업 A에서는 파라미터들의 평균값 변화는 일정하나 변수의 의미와 맞지 않는 변화를 보여, 단조작업 A는 적합한 실험이 아니라고 판단된다.
본 논문에서는 인간의 피로가 음성에 어떠한 영향을 주는지에 대한 실험을 토대로 인간의 음성과 정신피로간의 상관관계를 규명하고자 한다. 이를 위하여 정신피로를 측정할 수 있는 주관적 설문지를 두 가지 설계하여 수행한 작업이 단조작업인가 여부를 알아보고, 실험 결과 의미 있는 설문지 항목을 선정하여 새로운 설문지를 제안한다.
본 논문에서는 피로와 상관관계가 있는 음성 파라미터를 찾기 위하여, [11]에서 제시한 음성신호의 음원 정보와 관련된 파라미터()와 성도필터와 관계된 파라미터()들을 광범위하게 조사한다.
본 논문은 음성기술을 이용하여 음성과 정신피로와의 상관관계를 알아보기 위한 연구로, 주관적 설문지와 단조작업을 각각 두 가지 설계하고, 피험자 30명이 단조작업을 수행하면서, 단계별로 설문지 항목에 대한 응답과 음성 녹음 데이터를 수집하고, 두 가지의 단조작업 중 어느 것이 음성과 피로와의 상관관계를 증명해 줄 수 있는지, 그리고 음성 파라미터 중에서 정신피로와 상관관계가 있는 유의한 변수에는 어떤 것들이 있는지에 대해 알아보았다.
본 장에서는 음성과 정신피로와의 상관관계를 통하여 피로가 사람의 음성에 얼마나 영향을 주는지에 대해 알아본다. 이를 위하여 30명이 단조작업 A, B를 수행하면서, 7개의 모음(아, 어, 오, 우, 음, 이, 에)과, <표 1>, <표 2>에 보이는 단문 11개, 문단 1개에 대한 음성 데이터를 수집하고, 모음과 문장마다 <표 3>, <표 4>에서 설명한 음성 파라미터를 추출한다.
이러한 점들을 고려하여 차후에 진행될 연구에 사용하기 위하여 과 같은 주관적 설문지를 제안한다.
정신적 작업 피로감은 긴장성 작업에 의한 것과 단조성 작업에 의한 것으로 분류할 수 있는데[4], 본 논문에서는 단조성 작업에 의한 피로감을 평가한다.
정신피로와 음성간의 상관관계에 대해 알아보기 위하여 두가지의 단조작업을 설계하여 어느 단조작업이 피험자에게 피로를 부과할 수 있는지 알아본다. 피험자는 단조작업을 수행하면서 피로를 평가할 수 있는 주관적 설문지에 대해 응답을 하고 음성 데이터를 녹음한다.

제안 방법

단조감을 유발시키기 위하여 실험 시작 전에 작업을 충분히 연습시켜 긴장감을 감소시키고, 휴식 없이 작업을 반복한다. 녹음/설문지 구간은 각 5분씩 7회를 실시하며, 음성 데이터 녹음과 주관적 설문지에 응답을 한다. 녹음 부분은 아, 어, 오, 우, 음, 이, 에, 문장1(11개의 단문), 문장2(한 문단) 버튼을 순서대로 눌러 녹음을 실시하여 음성 데이터를 수집하고, 설문지 부분에서는 설문지 버튼을 눌러 주관적 설문지에 대한 응답 데이터를 수집한다.
단조작업 A의 설문지는 PSS를 기초로 긴장, 편안함, 활기참, 의욕감퇴, 집중곤란, 졸림, 지루함 등을 평가하기 위한 9개의 질문과 신체적 피로감과 정신적 피로감을 평가하기 위한 2개의 질문이 포함된 전체 11개의 질문으로 구성하였고, ‘매우 그렇지 않다’ ~ ‘매우 그렇다’의 5개 구간으로 각각 1~5의 점수를 주도록 구성하였다().
이를 위하여 30명이 단조작업 A, B를 수행하면서, 7개의 모음(아, 어, 오, 우, 음, 이, 에)과, <표 1>, <표 2>에 보이는 단문 11개, 문단 1개에 대한 음성 데이터를 수집하고, 모음과 문장마다 <표 3>, <표 4>에서 설명한 음성 파라미터를 추출한다. 단조작업 횟수별로 음성 파라미터의 평균값을 구하여 이 평균값이 일정하게 변화하는지와 실험 전과 후의 평균값 변화를 분석해 본다.
그리고 두 가지 단조작업을 설계하여 실험을 수행하고, 두 가지의 단조작업 중에서 어느 것이 피험자에게 피로를 부과할 수 있는 작업인가를 밝힌다. 마지막으로, 정신피로에 따른 인간의 음성 변화를 평가하기 위하여 단조작업 수행 시 녹음한 음성 데이터에서 음성 파라미터를 추출하여 음성특징과 정신피로와의 정량적인 상관관계를 도출해 낸다.
설문지각 항목별로 1~5점의 점수를 부과하여 평균을 구한 후, 횟수마다 변화추이를 살펴보았다(<그림 4>). 설문지 항목 중에서 의미가 있는 것으로 분류한 항목은, 1회와 7회를 비교하여 평균값이 0.5 이상 차이가 나면서 지속적으로 증가하거나 감소하는 것을, 그렇지 않은 것은 의미가 없는 항목으로 분류하였다. 피험자가 설문지 항목에 체크할 때 최저점수와 최고점수를 체크하지 않는 경향이 있어, <그림 4>를 보면 점수가 1.
설문지각 항목별로 1~5점의 점수를 부과하여 평균을 구한 후, 횟수마다 변화추이를 살펴보았다().
피로의 주관적인 평가를 위한 설문지는 일본에서 작성한 피로 스트레스 설문지(Phasic Stress Scale : PSS)와 피로 각성 설문지(Rouken Arousal Scale : RAS)가 있다[14]. 이 설문지들을 기초로 하여 한국인의 정서에 맞는 항목을 골라 두 가지 설문지를 설계하였다.
녹음 부분은 아, 어, 오, 우, 음, 이, 에, 문장1(11개의 단문), 문장2(한 문단) 버튼을 순서대로 눌러 녹음을 실시하여 음성 데이터를 수집하고, 설문지 부분에서는 설문지 버튼을 눌러 주관적 설문지에 대한 응답 데이터를 수집한다. 이 작업은 단계별로 10분씩 120개의 문제를 풀고 총 6회를 실시한다.
이를 위하여 30명이 단조작업 A, B를 수행하면서, 7개의 모음(아, 어, 오, 우, 음, 이, 에)과, , 에 보이는 단문 11개, 문단 1개에 대한 음성 데이터를 수집하고, 모음과 문장마다 , 에서 설명한 음성 파라미터를 추출한다.
본 논문에서는 인간의 피로가 음성에 어떠한 영향을 주는지에 대한 실험을 토대로 인간의 음성과 정신피로간의 상관관계를 규명하고자 한다. 이를 위하여 정신피로를 측정할 수 있는 주관적 설문지를 두 가지 설계하여 수행한 작업이 단조작업인가 여부를 알아보고, 실험 결과 의미 있는 설문지 항목을 선정하여 새로운 설문지를 제안한다. 그리고 두 가지 단조작업을 설계하여 실험을 수행하고, 두 가지의 단조작업 중에서 어느 것이 피험자에게 피로를 부과할 수 있는 작업인가를 밝힌다.
정신피로를 유발시키는 단조작업을 설계하고, 설계한 작업이 단조로운가를 평가하기 위하여 주관적 설문지를 사용한다. 피로의 주관적인 평가를 위한 설문지는 일본에서 작성한 피로 스트레스 설문지(Phasic Stress Scale : PSS)와 피로 각성 설문지(Rouken Arousal Scale : RAS)가 있다[14].
주관적 설문지 항목별로 1~5점의 점수를 주고 각 항목마다 단계별로 평균을 내어 변화를 분석하여 의미 있는 항목과 의미 없는 항목으로 분류하였다. 그 결과 단조작업 A, B 모두에서 7개의 항목이 의미 있는 항목으로, 4개의 항목이 의미 없는 항목으로 분류되었다.
피로는 다양한 활동에서 오는 일종의 신체적 및 정신적 소진으로 정의할 수 있다[1]. 피로는 육체적 요인과 정신적 요인에 의한 것으로 나눌 수 있는데, 본 논문에서는 정신피로를 다룬다.
정신피로와 음성간의 상관관계에 대해 알아보기 위하여 두가지의 단조작업을 설계하여 어느 단조작업이 피험자에게 피로를 부과할 수 있는지 알아본다. 피험자는 단조작업을 수행하면서 피로를 평가할 수 있는 주관적 설문지에 대해 응답을 하고 음성 데이터를 녹음한다. 이 두 가지의 단조작업은 [14]에서 제안한 작업을 참고하여 설계하였다.
피험자는 편안히 앉은 상태에서 독립된 7개의 모음(아, 어, 오, 우, 음, 이, 에)을 각각 2초간 2회씩 반복하여 발성하고, 연속해서 에 보이는 11개의 단문을 발성하고, 이어서 에 보이는 한 문단을 발성하였다.

대상 데이터

녹음/설문지 구간은 각 5분씩 7회를 실시하며, 음성 데이터 녹음과 주관적 설문지에 응답을 한다. 녹음 부분은 아, 어, 오, 우, 음, 이, 에, 문장1(11개의 단문), 문장2(한 문단) 버튼을 순서대로 눌러 녹음을 실시하여 음성 데이터를 수집하고, 설문지 부분에서는 설문지 버튼을 눌러 주관적 설문지에 대한 응답 데이터를 수집한다. 이 작업은 단계별로 10분씩 120개의 문제를 풀고 총 6회를 실시한다.
단조작업 A를 30명의 피험자가 수행하여, 실험 전(1회)부터 총 7회에 걸쳐서 주관적 설문지 데이터를 수집하였다. 설문지각 항목별로 1~5점의 점수를 부과하여 평균을 구한 후, 횟수마다 변화추이를 살펴보았다(<그림 4>).
모든 음성 데이터는 배경잡음이 30dB 이하인 조용한 공간에서 수집하였으며, 사용된 마이크는 AKG-D880을 마이크 스탠드에 고정하여 입과 마이크 거리가 4-5cm가 되도록 특별한 주의를 기울였다. 음성 데이터는 PCM 16비트, 모노 형식으로 샘플링 주파수 16kHz로 수집하였다.
모든 음성 데이터는 배경잡음이 30dB 이하인 조용한 공간에서 수집하였으며, 사용된 마이크는 AKG-D880을 마이크 스탠드에 고정하여 입과 마이크 거리가 4-5cm가 되도록 특별한 주의를 기울였다. 음성 데이터는 PCM 16비트, 모노 형식으로 샘플링 주파수 16kHz로 수집하였다. 피험자는 편안히 앉은 상태에서 독립된 7개의 모음(아, 어, 오, 우, 음, 이, 에)을 각각 2초간 2회씩 반복하여 발성하고, 연속해서 <표 1>에 보이는 11개의 단문을 발성하고, 이어서 <표 2>에 보이는 한 문단을 발성하였다.
피험자는 신체적으로 이상이 없고 의사소통에 문제가 없으며, 호흡기를 비롯한 성대 및 후두에 대한 병력이 없는 남자 대학생 30명을 선정하였는데, 이들은 20세에서 28세까지의 연령대이다.

이론/모형

피험자는 단조작업을 수행하면서 피로를 평가할 수 있는 주관적 설문지에 대해 응답을 하고 음성 데이터를 녹음한다. 이 두 가지의 단조작업은 [14]에서 제안한 작업을 참고하여 설계하였다.
본 논문에서는 피로와 상관관계가 있는 음성 파라미터를 찾기 위하여, [11]에서 제시한 음성신호의 음원 정보와 관련된 파라미터(<표 3>)와 성도필터와 관계된 파라미터(<표 4>)들을 광범위하게 조사한다. 이들 파라미터는 Praat[12]와 KAY사의 MDVP(Multi-Dimensional Voice Program)[13]를 이용하여 추출하였다.

성능/효과

2.2절에서 기술한 여러 가지 음성 파라미터들을 분석한 결과, 성도필터 파라미터는 모두 관련이 없고 음원 정보 파라미 터인 F0_mean, F0_std, Jitter, Shimmer 등이 의미 있는 실험 결과를 보여 주었다. F0_mean은 기본 주파수의 평균을, F0_std는 기본주파수 평균의 표준편차를, Jitter는 피치주기의 변화율을, Shimmer는 진폭의 변화율을 나타낸다.
4.1절의 기준대로 평균값 변화가 큰 의미가 있는 항목은 ‘두근두근’, ‘생각이 무디다’, ‘집중 곤란’, ‘편안하다’, ‘일하기 싫다’, ‘신체적 피로’, ‘정신적 피로’ 등이고, 의미가 없는 항목은 ‘긴장된다’, ‘느긋하다’, ‘적극 적인 기분’, ‘심리적 피로’ 등이다.
주관적 설문지 항목별로 1~5점의 점수를 주고 각 항목마다 단계별로 평균을 내어 변화를 분석하여 의미 있는 항목과 의미 없는 항목으로 분류하였다. 그 결과 단조작업 A, B 모두에서 7개의 항목이 의미 있는 항목으로, 4개의 항목이 의미 없는 항목으로 분류되었다. 이렇게 분류된 항목 중 의미 없는 항목들은 제외시키고, 의미 있는 항목들로 하나의 주관적 설문지를 설계하여 제안하였는데, 이 설문지를 향후 연구에 적용한다면 보다 정확한 데이터 수집에 도움이 될 것이다.
단조작업 A와 B의 주관적 설문지 결과를 분석한 결과 4.1절과 4.2절에 기술한 바와 같이, 중복된 항목을 제외하고 9가지의 의미 있는 항목과 6가지의 의미 없는 항목으로 분류되었다. 이 실험결과를 바탕으로 차후에 진행될 정신피로에 관련된 연구에서는, 의미 없는 항목들은 제외시키고 의미 있는 항목들을 가지고 주관적 설문지를 설계하면, 연구에 필요한 보다 정확한 데이터를 얻을 수 있을 것이라고 생각한다.
단조작업 B에서 F0_mean, F0_std, Jitter, Shimmer의 평균값 변화를 살펴본 결과, 평균값이 일정하게 변할 뿐만 아니라 변수의 의미에 맞게 평균값이 변화하여 이 파라미터들은 음성과 정신피로와의 상관관계에서 유의한 변수라고 판단된다. 따라서 단조작업 B가 음성과 피로와의 상관관계를 증명해 줄 수 있는 실험이라고 본다.
실험을 수행한 피험자들은 설문지의 각 항목에 있는 응답(‘매우 그렇지 않다’ ~ ‘매우 그렇다’)이 선택하기에 애매하게 느꼈다고 대답했고, 점수의 폭이 넓지 않아 평균값의 차이가 크게 벌어지지 않아 분석하기에 어려움이 있었다. 따라서 이 점수분포를 대신하여 각 항목마다 0~100점을 주는 점수제나, 본 논문에서 적용한 것을 더욱 세분화 하여 0~10점을 주는 점수제로 대체하면 보다 정확한 데이터를 얻을 수 있다고 생각한다.
피로를 부과하였을 경우에 기본주파수의 변화 폭이 감소하므로 F0_std의 평균값들이 감소해야 한다. 실험 결과 F0_std의 실험 후 평균값이 실험 전에 비해 감소하는 것을 알 수 있다.
Jitte와 Shimmer의 경우에는 실험 전과 후의 평균값을 비교하였을 때 그 값이 감소해야 한다. 실험 결과 평균값이 감소하는 것을 볼 수 있어 그 의미로 보았을 때 Jitter와 Shimmer 모두 유의한 파라미터로 볼 수 있다.
Jitter의 경우에는 실험 전과 후의 평균값을 비교하였을 때 그 값이 감소해야 한다. 실험 결과 평균값이 감소하는 것을 볼 수 있어 그 의미로 보았을 때 유의한 파라미터로 볼 수 있다.
단조작업 B는 4개 파라미터들의 평균값 변화가 일정하고 변수의 의미와 맞는 변화를 보여, 단조작업 B를 통하여 음성과 피로와의 상관관계를 증명할 수 있다고 본다. 여러 가지 음성 파라미터들을 분석한 결과, 성도필터 파라미터는 정신피로와 모두 관련이 없고 음원 정보 파라미터인 F0_mean, F0_std, Jitter, Shimmer 등이 의미 있는 결과를 보여 주었다.

후속연구

추가적으로, 단조작업을 시작하기 전 피험자들에게 충분한 실험 목적과 방법에 대한 사전 설명과, 주관적 설문지 항목별 점수에 대하여 보다 세밀한 점수 배정이 필요할 것이다. 그리고 본 논문에서는 학생들을 대상으로 테스트했는데, 향후 연구에서는 좀 더 넓은 연령대의 사람들을 상대로 실험하는 것이 바람직할 것이다. 본 논문에서는 피로를 측정하는 방법에 대한 연구에 치중한 반면에, 향후 연구에서는 더 나아가 피로를 진단하는 모델의 고안도 진행할 계획이다.
이러한 기존의 피로 측정방법은 고가의 의료 장비가 필요하며 측정하기 복잡하고 피험자에게 불편한 방법으로, 실제 일상생활에 적용하기에는 어려움이 따른다고 판단된다. 따라서 별도의 장비가 필요하지 않고 측정하기 간편한 방법을 사용하여, 일상생활에서 정량적이고 객관적으로 피로 측정이 가능한 방법에 대한 연구가 요구된다.
그리고 본 논문에서는 학생들을 대상으로 테스트했는데, 향후 연구에서는 좀 더 넓은 연령대의 사람들을 상대로 실험하는 것이 바람직할 것이다. 본 논문에서는 피로를 측정하는 방법에 대한 연구에 치중한 반면에, 향후 연구에서는 더 나아가 피로를 진단하는 모델의 고안도 진행할 계획이다.
본 연구는 음성을 통하여 정신피로를 측정할 수 있는가 여부에 대한 타당성 연구로, 향후 연구에서는 본 논문에서 실험한 단조작업 B와 새롭게 제안한 주관적 설문지를 사용하면 보다 정확한 음성과 정신피로와의 상관관계에 대해 규명할 수 있고 보다 많은 유의한 음성 파라미터를 찾을 수 있을 것이라고 생각된다. 추가적으로, 단조작업을 시작하기 전 피험자들에게 충분한 실험 목적과 방법에 대한 사전 설명과, 주관적 설문지 항목별 점수에 대하여 보다 세밀한 점수 배정이 필요할 것이다.
2절에 기술한 바와 같이, 중복된 항목을 제외하고 9가지의 의미 있는 항목과 6가지의 의미 없는 항목으로 분류되었다. 이 실험결과를 바탕으로 차후에 진행될 정신피로에 관련된 연구에서는, 의미 없는 항목들은 제외시키고 의미 있는 항목들을 가지고 주관적 설문지를 설계하면, 연구에 필요한 보다 정확한 데이터를 얻을 수 있을 것이라고 생각한다.
그 결과 단조작업 A, B 모두에서 7개의 항목이 의미 있는 항목으로, 4개의 항목이 의미 없는 항목으로 분류되었다. 이렇게 분류된 항목 중 의미 없는 항목들은 제외시키고, 의미 있는 항목들로 하나의 주관적 설문지를 설계하여 제안하였는데, 이 설문지를 향후 연구에 적용한다면 보다 정확한 데이터 수집에 도움이 될 것이다.
본 연구는 음성을 통하여 정신피로를 측정할 수 있는가 여부에 대한 타당성 연구로, 향후 연구에서는 본 논문에서 실험한 단조작업 B와 새롭게 제안한 주관적 설문지를 사용하면 보다 정확한 음성과 정신피로와의 상관관계에 대해 규명할 수 있고 보다 많은 유의한 음성 파라미터를 찾을 수 있을 것이라고 생각된다. 추가적으로, 단조작업을 시작하기 전 피험자들에게 충분한 실험 목적과 방법에 대한 사전 설명과, 주관적 설문지 항목별 점수에 대하여 보다 세밀한 점수 배정이 필요할 것이다. 그리고 본 논문에서는 학생들을 대상으로 테스트했는데, 향후 연구에서는 좀 더 넓은 연령대의 사람들을 상대로 실험하는 것이 바람직할 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	피로란 무엇인가?	현대사회에서 피로는 건강 측면에서 중요한 문제이다. 피로는 다양한 활동에서 오는 일종의 신체적 및 정신적 소진으로 정의할 수 있다[1]. 피로는 육체적 요인과 정신적 요인에 의한 것으로 나눌 수 있는데, 본 논문에서는 정신피로를 다룬다.
	인간의 피로가 음성에 어떠한 영향을 주는지에 대한 실험을 토대로 인간의 음성과 정신피로간의 상관관계를 규명하고자 본논문은 무엇을 제안하는가?	본 논문에서는 인간의 피로가 음성에 어떠한 영향을 주는지에 대한 실험을 토대로 인간의 음성과 정신피로간의 상관관계를 규명하고자 한다. 이를 위하여 정신피로를 측정할 수 있는 주관적 설문지를 두 가지 설계하여 수행한 작업이 단조작업인가 여부를 알아보고, 실험 결과 의미 있는 설문지 항목을 선정하여 새로운 설문지를 제안한다. 그리고 두 가지 단조작업을 설계하여 실험을 수행하고, 두 가지의 단조작업 중에서 어느 것이 피험자에게 피로를 부과할 수 있는 작업인가를 밝힌다.
	정신적 작업 피로감을 분류하면 무엇이 있는가?	정신적 작업 피로감은 긴장성 작업에 의한 것과 단조성 작업에 의한 것으로 분류할 수 있는데[4], 본 논문에서는 단조성 작업에 의한 피로감을 평가한다.

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