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문제 정의
- ROC 분석은 미세한 신호(signal)가 서서히 증가하는 구간에서 경계 영역을 추정하는 방법으로, 진단 검사에서 얻을 수 있는 민감도(sensitivity)와 특이도(specificity)의 모든 조합을 보여준다는 점에서 진단 정확도를 기술하는데 적합하다(Metz, 2006). 또한 합성시료의 포먼트 변화가 판정에 미치는 영향력을 분석하고 청지각적 판단을 예측하고자 하였다. 이를 위하여 로지스틱 회귀분석을 수행하여 회귀방정식과 이에 따른 확률 값을 구하고 분류 정확도를 살펴보았다.
- 이러한 배경으로부터 다음과 같은 문제를 제기할 수 있다. 첫째, 다른 요인을 통제하였을 때 F1, F2의 변화가 /오/-/우/의 청지각적 변별에 영향을 미치는가? 둘째, 만약 영향을 미친다면 그 기여도는 어느 정도인가? 셋째, F1과 F2 중 /오/와 /우/에 대한 지각판정에 더 큰 영향을 미치는 변인은 무엇인가? 본 연구에서는 F1, F2 두 개의 포먼트를 변조한 합성시료를 이용하여 두 포먼트의 변화가 /오/와 /우/의 지각에 어떤 변화를 초래하는지 살펴보았다. /오/-/우/는 조음 및 지각적 측면에서 연속적인 소리다.
- 본 연구에서는 지각실험을 통해 /오/와 /우/를 잇는 실험자극 연속체가 F1·F2의 변화에 따라 어떻게 지각되는지 알아보았다.
가설 설정
- 이러한 배경으로부터 다음과 같은 문제를 제기할 수 있다. 첫째, 다른 요인을 통제하였을 때 F1, F2의 변화가 /오/-/우/의 청지각적 변별에 영향을 미치는가? 둘째, 만약 영향을 미친다면 그 기여도는 어느 정도인가? 셋째, F1과 F2 중 /오/와 /우/에 대한 지각판정에 더 큰 영향을 미치는 변인은 무엇인가? 본 연구에서는 F1, F2 두 개의 포먼트를 변조한 합성시료를 이용하여 두 포먼트의 변화가 /오/와 /우/의 지각에 어떤 변화를 초래하는지 살펴보았다. /오/-/우/는 조음 및 지각적 측면에서 연속적인 소리다.
제안 방법
- F1, F2를 공변량으로 투입한 로지스틱 회귀분석(df = 1)에서 task0의 F1 변수는 Wald 통계량이 0.020(p = .887)으로 유의하지 않아 제외시키고 F2변수만을 투입한 회귀방정식을 구하였다. 회귀모형은 task0 [X2 (1) = 2511.
- MedCalc ver. 12.3.0.0 프로그램에서 실험자극에 대한 피험자의 지각판단(perceptual judgement)을 바탕으로 개인별7), 과제별(‘entire_data’), 남녀별(‘female’, ‘male’), 집단별(‘group0’, ‘group1’) 데이터의 ROC 분석을 수행하였다.
- Praat (version 5.3.23) 프로그램을 이용하여 남성 아나운서의 모음 발화 음성을 10000Hz로 다운샘플링하고, LPC(burg) 객체를 생성한 후 인버스 필터링(inverse filtering)으로 성문파를 추출하였다. 포먼트그리드(formantGrid)에서 F1, F2, F3, F4값을 설정한 후 앞서 얻은 성문파와 합성해 음성을 변조하였다.
- 과제 수행 순서가 실험 결과에 영향을 미칠 가능성을 고려하여 이들 전체 피험자를 남성과 여성이 각각 8명씩 포함된 두 개의 실험집단('group0', 'group1')으로 나누고 집단 간 과제 수행 순서를 달리하였다.
- 이를 위하여 로지스틱 회귀분석을 수행하여 회귀방정식과 이에 따른 확률 값을 구하고 분류 정확도를 살펴보았다. 나아가 합성시료의 F1과 F2를 로지스틱 다중(multiple) 회귀분석의 공변량으로 투입하여 두 변인이 지각판정에 미치는 영향에 차이가 있는지 알아보았다.
- 본 연구에서는 지각실험을 통해 /오/와 /우/를 잇는 실험자극 연속체가 F1·F2의 변화에 따라 어떻게 지각되는지 알아보았다. 두 포먼트값을 변조한 합성시료에 대하여 청지각적 판단을 얻고, ROC 분석을 통해 연속체 내에서 시료가 한국어 /오/와 /우/로 지각되는 구간을 각각 추정하였다.
- 이는 두 모음의 분류에 합성시료의 F1과 F2가 기여하는 정도와 그 차이를 알아보기 위함이다. 마지막으로 여기에서 구해진 확률값을 바탕으로 분류정확도를 살펴보았다.
- 먼저각 합성시료('stimulus')를 공변량으로, 실험참가자의 지각반응 (‘response’)을 종속변인으로 입력하여 분석하였다.
- 본 실험의 과제는 난이도가 낮고 단순한 작업의 반복이기 때문에 피험자가 과제 수행에 쉽게 흥미를 잃고 피로를 느낄 것이라 예상하여, 33시행이 끝날 때마다 잠시 멈추고 쉴 수 있도록 하나의 과제를 다섯 개의 ‘구획’으로 나누어 편성하였다.
- 실험의 표적음소는 사전에 알리지 않고 매 실험 과제의 시작과 동시에 컴퓨터 스크린 상으로 제시하였고, 연습시행이 끝난 후 피험자 본인이 평상시에 듣고 말하는 ‘한국어 발음’을 판단 기준으로 삼도록 지시했다.
- 피험자는 본 실험 시작에 앞서 연습 시행을 하였다. 연습시행에서는 각 집단의 첫 번째 과제와 동일한 과제가 주어졌고 전체 실험자극이 무선적으로 1회씩 제시되어 총 11회의 시행이 이루어졌다. 두 번째와 세 번째 과제에는 연습 시행이 없었다.
- 완성된 합성시료의 안정구간 100ms에 가우시안 윈도를 씌워서 추출한 후 포먼트(burg) 객체에서 F1과 F2 평균값을 구하는 방법으로 11개 자극의 포먼트를 측정하였다(표 1). 일련번호가 0번에서 10번으로 높아질수록 합성시료의 F1값이 하강하고 반대로 F2값은 0번에서 10번으로 갈수록 상승한다.
- 각 구획마다 11개 자극이 3회 반복되었다. 자극은 무선적으로 제시하되, 동일한 실험자극이 연속으로 나오지 않도록 하였다. 한 시행의 응답이 완료되면 0.
- 23) 프로그램을 이용하여 남성 아나운서의 모음 발화 음성을 10000Hz로 다운샘플링하고, LPC(burg) 객체를 생성한 후 인버스 필터링(inverse filtering)으로 성문파를 추출하였다. 포먼트그리드(formantGrid)에서 F1, F2, F3, F4값을 설정한 후 앞서 얻은 성문파와 합성해 음성을 변조하였다. 두 기준자극의 포먼트 설정에는 조소형(2010)4)과 성철재외(2005)5)의 선행연구에 제시된 20대 성인 남성 포먼트 평균값 및 개별 측정값을 참고하였다.
대상 데이터
- 실험은 충남대학교 인문대학 음성음향실험실의 방음실에서 이루어졌다. Praat에서 제공되는 청지각 실험용 스크립트인 ExperimentMFC를 이용하여 실험용 플랫폼을 구성하였다. 피험자는 노트북 컴퓨터(LG XNOTE LGX14)의 외장 사운드카드(Creactive Sound Blaster X-Fi Surround 5.
- 대전·충남지역에서 18년 이상 거주한 만 19세에서 29세 사이의 대학생 및 대학원생 중에서 정상청력을 가진 남녀 각 16명, 총 32명의 피험자를 모집하였다.
- 포먼트그리드(formantGrid)에서 F1, F2, F3, F4값을 설정한 후 앞서 얻은 성문파와 합성해 음성을 변조하였다. 두 기준자극의 포먼트 설정에는 조소형(2010)4)과 성철재외(2005)5)의 선행연구에 제시된 20대 성인 남성 포먼트 평균값 및 개별 측정값을 참고하였다. F3과 F4는 모든 시료에서 각각 2500Hz, 3500Hz로 고정되었다.
- 본 연구의 실험자극은 0번에서 10번까지 전체가 조소형 (2010)에 제시된 20대 충남지역 대학생이 발화한 [오] 모음의 F1/F2 음향 공간 안에 수렴되어 있다. 그러나 피험자가 8, 9, 10번 자극에 대해 /오/라고 응답한 사례는 극히 드물었고 0, 1, 2번 자극이 /우/로 지각되는 경우도 거의 없었다.
- 모든 분석 과정에서 각 과제별 총 5개 구획 중 첫 번째와 마지막 구획을 제하고 제 2, 3, 4의 3개 구획에 해당하는 데이터만을 다뤘다. 분석에 사용된 데이터의 전체 사례수는 각 과제별로 3168개였다.
- 실험은 충남대학교 인문대학 음성음향실험실의 방음실에서 이루어졌다. Praat에서 제공되는 청지각 실험용 스크립트인 ExperimentMFC를 이용하여 실험용 플랫폼을 구성하였다.
- 제작된 결과물은 /오/와 /우/의 원형(prototype)에 가까운 두개의 기준자극 0번과 10번을 양 끝점으로 하여 하나의 연속체를 이루는 총 11개의 합성시료다. 연속체를 구성하는 인접 자극간의 포먼트 간격은 10Hz 내외이나 균등하지는 않았다.
- 피험자는 노트북 컴퓨터(LG XNOTE LGX14)의 외장 사운드카드(Creactive Sound Blaster X-Fi Surround 5.1 Pro)에 연결된 헤드폰(Creative Aurvana Live!®)으로 실험자극을 듣고, 무선마우스(Logitech M215)로 화면의 버튼을 클릭하여 응답하였다.
데이터처리
- 구해진 회귀식을 이용하여 확률값을 구하고, 0.5를 기준으로 합성시료를 두 집단으로 분류하여 실제 지각판정 데이터와 비교하였다(표 4). /오/ 식별실험인 task0에서 /오/의 전체 분류 정확도는 87.
- 다음으로 각 시료의 F1, F2 수치를 공변량으로 투입하여 후진단계법(backward stepwise)으로 분석하고 결과를 비교하였다. 이는 두 모음의 분류에 합성시료의 F1과 F2가 기여하는 정도와 그 차이를 알아보기 위함이다.
- 또한 동일한 데이터에 대해 IBM SPSS Statistics ver. 20을 사용하여 자극과 반응간의 함수관계를 추정하기 위한 로지스틱 회귀분석(logistic regression Analysis)을 수행하였다. 먼저각 합성시료('stimulus')를 공변량으로, 실험참가자의 지각반응 (‘response’)을 종속변인으로 입력하여 분석하였다.
- 0 프로그램에서 실험자극에 대한 피험자의 지각판단(perceptual judgement)을 바탕으로 개인별7), 과제별(‘entire_data’), 남녀별(‘female’, ‘male’), 집단별(‘group0’, ‘group1’) 데이터의 ROC 분석을 수행하였다. 모든 절사값 후보 중에서 민감도와 특이도가 최고치에 이르는 Youden 지수의 최댓값(maximum of the Youden index)에 상응하는 값을 모음 간 경계의 규준값(criterion value)으로 취하였다.
- 이러한 오차를 계산에 반영하여 합성시료의 연속체 선상에서 두 모음의 청지각적 경계를 탐색하기 위하여 ROC(Receiver Operating Characteristic) 분석을 활용하였다. ROC 분석은 미세한 신호(signal)가 서서히 증가하는 구간에서 경계 영역을 추정하는 방법으로, 진단 검사에서 얻을 수 있는 민감도(sensitivity)와 특이도(specificity)의 모든 조합을 보여준다는 점에서 진단 정확도를 기술하는데 적합하다(Metz, 2006).
- 또한 합성시료의 포먼트 변화가 판정에 미치는 영향력을 분석하고 청지각적 판단을 예측하고자 하였다. 이를 위하여 로지스틱 회귀분석을 수행하여 회귀방정식과 이에 따른 확률 값을 구하고 분류 정확도를 살펴보았다. 나아가 합성시료의 F1과 F2를 로지스틱 다중(multiple) 회귀분석의 공변량으로 투입하여 두 변인이 지각판정에 미치는 영향에 차이가 있는지 알아보았다.
성능/효과
- 5를 기준으로 합성시료를 두 집단으로 분류하여 실제 지각판정 데이터와 비교하였다(표 4). /오/ 식별실험인 task0에서 /오/의 전체 분류 정확도는 87.5%, task1에서 /우/의 분류정확도가 88.9%, task2에서 /오/의 분류정확도가 93.1%, /우/의 분류정확도가 86.7%로 전체 분류정확도는 90%였다. 따라서 이 분석에서 얻은 모형을 이용하면 두 음소에 대한 실제 지각판별을 비교적 정확히 예측할 수 있다.
- ROC 분석 결과 추정된 전체데이터(entire_data)의 민감도와 특이도는 task0에서 각각 91.3과 83.6, task1에서 91.5와 87.0, task2에서 86.7과 93.1로 나타났다. 모든 분석 결과를 통틀어 민감도는 88.
- 0001] 모두에서 통계적으로 유의했다. task1, task2에서는 F1, F2변수가 모두 통계적으로 유의하나 그 중 F2변수가 더 유의미하며 /오/와 /우/의 변별에 기여도가 큰 것으로 드러났다.
- task1[AUC＝0.959(95% CI: 0.951 - 0.965), p < .0001], task2[AUC＝0.964(95% CI: 0.957 - 0.970), p < .0001]의 결과에서도 task0이상으로 정확도가 높았고, 분할한 데이터집단의 분석 결과에서도 모두 0.9 이상의 높은 수치로 나타났다(표 2).
- 즉 실험자극 0번부터 5번까지는 한국어 /오/로 식별되는 구간이며, 자극 6번부터 10번까지가 한국어 /우/로 식별되는 구간으로 볼 수 있다. task2에서는 남성(male)과 group1 데이터에서 0번에서 4번까지를 /오/, 5번에서 10번까지를 /우/로 나눌때 민감도와 특이도가 최적값을 가지는 결과를 얻었으나, task2의 나머지 결과인 여성(female), group0, 그리고 전체데이터(entire_data)에서는 0번부터 5번이 /오/, 6번부터 10번까지가/우/의 구간으로 나타났다. 이는 앞선 두 식별실험 task0, task1과 합치하는 결과다.
- 결과적으로 ‘예/아니오’ 유형(task0, task1)과 ‘오/우’ 강제선택 유형(task2)의 실험 방식 차이가 지각판정에 미치는 영향은 실험 결과에 드러나지 않았다.
- 7%로 전체 분류정확도는 90%였다. 따라서 이 분석에서 얻은 모형을 이용하면 두 음소에 대한 실제 지각판별을 비교적 정확히 예측할 수 있다.
- 로지스틱 회귀분석 결과 공변량(covariate)을 실험자극 (‘stimulus’)으로 하였을 때 회귀모형은 task0[X2 (1) = 2467.967, p < .0001], task1[X2 (1) = 2702.988, p < .0001], task2[X2 (1) = 2876.192, p < .0001]에서 모두 통계적으로 유의하였고, 로지스틱 회귀계수의 통계적 유의성을 알려주는 Wald 통계량도 세 개의 실험 과제에서 stimulus 변수와 상수 모두 유의하였다(표 3).
- 1로 나타났다. 모든 분석 결과를 통틀어 민감도는 88.2에서 94.5 사이, 특이도는 79.8에서 93.1 사이에 분포하였다(표 2).
- 이러한 배경으로부터 다음과 같은 문제를 제기할 수 있다. 첫째, 다른 요인을 통제하였을 때 F1, F2의 변화가 /오/-/우/의 청지각적 변별에 영향을 미치는가? 둘째, 만약 영향을 미친다면 그 기여도는 어느 정도인가? 셋째, F1과 F2 중 /오/와 /우/에 대한 지각판정에 더 큰 영향을 미치는 변인은 무엇인가? 본 연구에서는 F1, F2 두 개의 포먼트를 변조한 합성시료를 이용하여 두 포먼트의 변화가 /오/와 /우/의 지각에 어떤 변화를 초래하는지 살펴보았다. /오/-/우/는 조음 및 지각적 측면에서 연속적인 소리다.
- 음성 산출의 측면에서는 젊은 세대의 /오/-/우/의 대립 약화에 대한 연구가 근래에도 이어지고 있으나(Han & Kang, 2013), 본 연구 결과 청지각적 측면에서는 /오/와 /우/의 대립이 여전히 분명하게 지각되며 변별이 비교적 정확하고 일관적인 기준에 따라 이루어지고 있다는 결론을 얻었다.
- 그러나 피험자가 8, 9, 10번 자극에 대해 /오/라고 응답한 사례는 극히 드물었고 0, 1, 2번 자극이 /우/로 지각되는 경우도 거의 없었다. 음소 식별 또는 변별의 정확도를 보여주는 AUC 수치는 모든 데이터에서 0.9 이상으로 나타나 피험자의 음소 변별 수행에 뚜렷한 일관성이 있음이 확인되었다.
- 피험자 개인 및 집단에 따라 다소 차이는 있었으나 전체데이터에서는 세 과제 모두 /오/에 해당하는 0번(F1 = 405Hz, F2= 666Hz)과 /우/에 해당하는 10번자극(F1 = 321Hz, F2 = 743Hz) 사이의 경계가 5번(F1 = 342Hz, F2 = 691Hz)과 6번자극(F1 =336Hz, F2 = 700Hz) 사이에서 결정된다는 결과를 얻었다.
- 피험자가 실험자극을 /오/ 또는 /우/로 지각하는지 여부는 합성시료의 일련번호 증감과 관계가 있으며 특히 시료의 F2가 지각판단에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. F1의 영향 F1/F2의 변화가 한국어 /오/, /우/ 모음의 지각판별에 미치는 영향은 작거나(task1, task2) 통계적으로 유의하지 않았다(task0).
후속연구
- 또한 말소리는 같은 소리일지라도 전후에 어떤 소리가 이어지는가에 따라 다르게 지각될 수 있으나 본 연구에서는 음소 제시 환경을 다루지 않았다. 따라서 추후 연구에서는 이러한 변인이 음소 지각에 미치는 영향도 검토해야 할 것이다.
- 본 연구에서는 피험자 간에 지각변별의 동질성을 확보하기 위하여 실험 대상을 대전·충남지역 출신으로 제한하였으므로 실험 집단이 표준어 사용자 집단을 대표하지 못할 가능성이 있다. 변수 통제의 용이성을 위하여 모음 기술에서 가장 핵심인 F1과 F2만을 연구 대상으로 삼았기 때문에 제 3 포먼트 이상이 일괄적으로 고정된 점도 연구의 한계라 하겠다. 또한 말소리는 같은 소리일지라도 전후에 어떤 소리가 이어지는가에 따라 다르게 지각될 수 있으나 본 연구에서는 음소 제시 환경을 다루지 않았다.
- 본 연구에서는 피험자 간에 지각변별의 동질성을 확보하기 위하여 실험 대상을 대전·충남지역 출신으로 제한하였으므로 실험 집단이 표준어 사용자 집단을 대표하지 못할 가능성이 있다. 변수 통제의 용이성을 위하여 모음 기술에서 가장 핵심인 F1과 F2만을 연구 대상으로 삼았기 때문에 제 3 포먼트 이상이 일괄적으로 고정된 점도 연구의 한계라 하겠다.
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