[논문]기식 등급에 따른 CPP (Cepstral Peak Prominence) 분석 비교

강영애; 구본석; 조철우

doi:10.13064/ksss.2015.7.1.021

Abstract ▼ AI-Helper

The aim of this study is to synthesize pathological breathy voice and to make a cepstral peak prominence (CPP) table following breathiness ranks by cepstral analysis to supplement reliability of the perceptual auditory judgment task. KlattGrid synthesizer included in Praat was used. Synthesis parame...

The aim of this study is to synthesize pathological breathy voice and to make a cepstral peak prominence (CPP) table following breathiness ranks by cepstral analysis to supplement reliability of the perceptual auditory judgment task. KlattGrid synthesizer included in Praat was used. Synthesis parameters consist of two groups, i.e., constants and variables. Constant parameters are pitch, amplitude, flutter, open phase, oral formant and bandwidth. Variable parameters are breathiness (BR), aspiration amplitude (AH), and spectral tilt (TL). Five hundred sixty samples of synthetic breathy vowel /a/ for male were created. Three raters participated in ranking of the breathiness. 217 were proved to be inadequate samples from perceptual judgment and cepstral analysis. Finally, 343 samples were selected. These CPP values and other related parameters from cepstral analysis are classified under four breathiness ranks (B0~B3). The mean and standard deviation of CPP is $16.10{\pm}1.15$ dB(B0), $13.68{\pm}1.34$ dB(B1), $10.97{\pm}1.41$ dB(B2), and $3.03{\pm}4.07$ dB(B3). The value of CPP decreases toward the severe group of breathiness because there is a lot of noise and a small quantity of harmonics.

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문제 정의

기식음성의 청기각 평가에 대해 보완적 음향정보를 제공하기 위해, 본 연구에서는 음향변수를 정량적으로 통제한 기식음성합성을 통해 기식등급별 CPP 수치를 알아보고자 한다. 이런 기식등급별 CPP 정보는 주관적 평가의 일관성 문제를 객관적 음향 정보로 보완해 줄 것으로 생각한다.
본 연구는 기질-기능성 음성장애에서 흔히 관찰되는 기식음성에 대하여 음향변수를 정량적으로 분배한 합성음을 생성하고 이를 기식등급별 CPP 수치를 제시한 것이다.
본 연구의 의의는 정량적으로 기식성을 배분한 음성합성 기법을 소개한 것과 기식등급별 CPP 수치를 만든 것이라고 할 수 있다. 또한 본 연구에서 소개된 음성합성 기법을 기식음성 이외 다른 음질, 예를 들어 쥐어짜는 음성, 목쉰 음성 같은 음성 합성에도 이용 가능하므로 병리적 장애 음성합성 및 연구에 이용 가능할 것으로 생각한다.

제안 방법

Breathiness(BR), Aspiration Amplitude(AH), Spectral Tilt(TL)는 기식성에 직접적으로 영향을 주는 변수로, 사전실험에서 변수를 하나씩만 선택하고 두 개의 다른 변수는 고정한 상태에서 선택 변수를 0~100까지 5 단위씩 대응시켜 이중음이 나오지 않는 범위를 구하였으며 이는 에 ‘선별된 합성 대응값’에 제시하였고, ‘예외’ 값은 기식음성의 심한 장애음성 특성이 합성시료에 반영되는 것이 임상적 현실성이 있다는 판단 하에 이중음이 나오지 않는 범위에 있는 90 수치를 동일하게 선택하였다.
, 2011). 본 연구에서는 거론된 변수들을 참고하여 Praat에 탑재된 KlattGrid 합성기능을 사용하여 합성하였고, 절차는 아래와 같다.
단계 1. 모든 파일의 합성길이(Total Duration, TD)는 4초로 하였다.
단계 2. 남성음 합성이므로 F0 130 Hz로 하였고, 음도티어 (pitch tier) 3개(0.1, TD/2, TD-0.1)를 두었다.
단계 3. 음성 강도(Voicing Amplitude)는 60 dB로 음도 티어와 동일 시간 위치에 두었으며 평탄화(flat) 처리를 하였다.
5)는 상수로 처리하였다. 두 변수를 상수로 처리한 이유는 Flutter 수치가 1에 가까워질수록 음성떨림(tremor) 특성이 커져 기식성 평가에 방해를 주었고 0으로 처리하거나 변수를 뺄 경우 자연스러운 음성 흔들림 특성이 없어지므로, 사전실험을 거쳐 기식성 평가에 영향을 주지 않으면서 자연스러운 음성을 합성하기 위해 Flutter 값을 0.1로 선택하였다. 선행연구(Bangayan et al.
단계 6. 공명주파수 (oral formant, F)와 공명주파수대역 (bandwidth, BW)을 각 4개씩 선정하였고, F1 685 Hz, F2 1110 Hz, F3 2850 Hz, F4 3500 Hz로, BW1 50, BW2 50, BW3 50, BW4 50이다.
560개 합성파일을 대상으로 GRABS 척도 중 기식성 (Breathiness) 만을 평가하였다. 청지각 평가단은 다년간 음성 청지각 평가를 수행 해온 총 3인으로 언어병리학 전공자 2명 (박사 1명, 석사 1명, 종합병원 근무자로 임상경력 5년 이상), 이비인후과 전공의(3년차) 1명으로 구성하였고, 3인 모두 순음 청력검사결과 10dB 이하 역치를 보여 청력에는 문제가 없었다.
청지각 평가는 Praat의 스크립트 기능을 이용하여 무작위 (random) 방식으로 자동 재생되도록 구성하였고(강영애 외, 2012a) 반복재생을 원할 경우 원하는 횟수만큼 음성을 들을 수 있게 하였으며 재생강도는 60dB로 세팅하였다.
켑스트럼 분석은 CSL(computerized speech lab, Kay Pentax Inc., USA)의 ADSV^TM 프로그램을 사용하였다. 기식음성은 F0주기성을 찾기 어려워 기존 스펙트럼 분석에서 오류를 많이 보인다.
독자의 이해를 위해 합성 후 변수를 달리하여 기식성에 차이를 준 합성파일의 파형과 스펙트로그램을 에 제시하였다.

대상 데이터

이상을 정리하면, 합성변수는 상수변수 12개(F0, Voicing Amplitude, Flutter, Open Phase, F1, F2, F3, F4, BW1, BW2, BW3, BW4)와 유동적인 대응값을 갖는 변수 3개(BR, AH, TL) 이며, 3개의 변수에 선별된 합성대응값을 각 10개, 7개, 8개를 조합하여 총 560개(10×7×8=560) 합성파일을 생성하였다.
본 연구는 남성 모음/아/를 연구대상으로 삼고 합성하였다. 음성합성은 병리적 장애음성 합성에 적절하다는 평가를 받은 KlattGrid 합성기(Bangayan et al.
본 연구는 남성 모음/아/를 연구대상으로 삼고 합성하였다. 음성합성은 병리적 장애음성 합성에 적절하다는 평가를 받은 KlattGrid 합성기(Bangayan et al., 1997; Weenink, 2009)를 사용 하였다. 합성기를 간략히 설명하면 포먼트 합성방식을 기반으로하며 음원부와 비강 공명기(2개), 성도 공명기(6개), 무성음 합성을 위한 병렬 공명구조로 구성되어 있고 모음은 일반적으로 6개의 직렬 공명기를 통해서 생성한다.
평가자 3인의 기식성 평가가 불일치 할 경우, 다수 의견을 따랐으며 3명 모두 평가 불일치일 경우 재평가를 실시하여 기식등급을 매겼고, 평가자 중 한명이라도 합성불합격으로 평가했다면 나머지 두 명이 기식성이 일치하여도 해당 파일은 제외하였다. 평가자 내 신뢰도 검증을 위하여 합성음성 파일 중 10%에 해당하는 56개 파일을 무작위로 선택하여 2차에 걸쳐 실시하였다. 평가자 내 신뢰도는 [평가자 A] Cronbach's α계수 0.

데이터처리

합성음성 560개 파일 중 이중음으로 평가된 77개 파일과 켑스트럼 분석시 F0 측정 분석오류를 보인 140개 파일을 제외한 최종 343개 파일에 대하여 SPSS 20.0^TM(SPSS Inc., Chicago, IL)로 기식등급별 CPP 일원분산분석, 선형회귀분석, 기술통계분석을 실시하였다.

성능/효과

5로 처리하였다. 또한 사전실험에서 낮은 수치에서 쥐어짜는 음질(strained voice) 발생과 0.5에서 안정적인 음질형성을 확인하였다.
청지각 평가 따른 기식등급별 CPP 평균과 표준편차는 16.10±1.16(B0), 13.68±1.34(B1), 10.97±1.41(B2) 3.03±0.19(B3) 로, 기식성이 높게 평가될수록 CPP는 감소하였다(, 참조).
기식등급별 CPP 일원분산분석 결과, F0.05(3, 339) = 1328.47 (p<0.001)로 유의미한 차이를 보였고 Tukey 사후검정 결과에서 모든 기식등급별 간 유의미한 차이가 있었다.
연구결과를 정리하면, 기식성이 높을수록 CPP는 낮아진다. 이는 기존의 장애음성 연구에서 기식성이 많을수록 스펙트럼 상에서 조화음의 양과 강도가 줄고 소음의 양이 증가하므로 켑스트럼 상에서도 조화음에 상응하는 화조음(rahmonics)의 돋들림이 낮아짐과 같은 의미로 해석된다.

후속연구

따라서 어느 정도 기식성이 적은 음성 합성은 유효하지만 기식성이 많은 음성 합성은 현재의 기술로는 근본적 한계가 있다. 이는 앞으로 계속적인 합성기 분야의 연구가 뒷받침되어야 할 것이다.
본 연구의 의의는 정량적으로 기식성을 배분한 음성합성 기법을 소개한 것과 기식등급별 CPP 수치를 만든 것이라고 할 수 있다. 또한 본 연구에서 소개된 음성합성 기법을 기식음성 이외 다른 음질, 예를 들어 쥐어짜는 음성, 목쉰 음성 같은 음성 합성에도 이용 가능하므로 병리적 장애 음성합성 및 연구에 이용 가능할 것으로 생각한다. 기식등급별 CPP 자료는 임상에서 청지각 평가 과제에서 많이 지적받는 평가자 간-내 신뢰도 문제를 극복하는데 뒷받침해 줄 보조도구로 활용할 수 있기 때문에 앞으로 청지각 평가의 취약점을 보완해 줄 수 있을 것으로 생각한다.
또한 본 연구에서 소개된 음성합성 기법을 기식음성 이외 다른 음질, 예를 들어 쥐어짜는 음성, 목쉰 음성 같은 음성 합성에도 이용 가능하므로 병리적 장애 음성합성 및 연구에 이용 가능할 것으로 생각한다. 기식등급별 CPP 자료는 임상에서 청지각 평가 과제에서 많이 지적받는 평가자 간-내 신뢰도 문제를 극복하는데 뒷받침해 줄 보조도구로 활용할 수 있기 때문에 앞으로 청지각 평가의 취약점을 보완해 줄 수 있을 것으로 생각한다. 하지만 켑스트럼 분석 정보가 임상에서 활용되기 위해서는 후속 연구로 본 연구의 기식등급별 켑스트럼 분석자료 기반으로 실제 환자 음성을 대상으로 기식등급별 분류가 잘 이루어지는지 확인 작업이 필요하며 이는 추후 진행할 예정이다.
기식등급별 CPP 자료는 임상에서 청지각 평가 과제에서 많이 지적받는 평가자 간-내 신뢰도 문제를 극복하는데 뒷받침해 줄 보조도구로 활용할 수 있기 때문에 앞으로 청지각 평가의 취약점을 보완해 줄 수 있을 것으로 생각한다. 하지만 켑스트럼 분석 정보가 임상에서 활용되기 위해서는 후속 연구로 본 연구의 기식등급별 켑스트럼 분석자료 기반으로 실제 환자 음성을 대상으로 기식등급별 분류가 잘 이루어지는지 확인 작업이 필요하며 이는 추후 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기식음성이란?	기식음성(breathy voice)은 성대의 불완전 내전으로 공기가 성문으로 새어나와 발생하는 음질로 성대마비, 외전형 연축성 발성장애, 후두외상, 후두 종양 등의 문제로 야기된다.
	Liljencrants-Fant(LF) 음성합성 모델에서 기식음성의 원인은 무엇이라 하였는가?	Liljencrants-Fant(LF) 음성합성 모델에서 기식음성은 진동하는 성대 사이로 빠르게 나오는 난기류에 의해 형성된 소음으로, 발성하는 동안 성대 뒤쪽, 피열연골 근처에 성문(glottal opening chink)이 직접적인 원인으로 설명된다(Mehta & Quatieri, 2005).
	Multi-Dimensional Voice Program이 기성음성분석에 사용되지 않는 이유는?	객관적 평가로 대표적인 음향 분석은 Multi-Dimensional Voice Program(MDVP) 사용이 일반적이다. 이 프로그램은 기본주파수를 기반으로 분석이 이루어지므로 기본주파수 검출이 안 될 정도로 나쁜 음질의 경우는 분석 에러가 발생하며, 특히 기식음성에서 그런 경우가 자주 발생한다. 이런 방법론적인 문제점 때문에 기식음성분석에서는 Cepstral Peak Prominence(CPP) 변수의 유용성이 보고되었다 (Awan et al.

참고문헌 (17)

Awan S. N., & Roy N. (2006). Toward the development of an objective index of dysphonia severity: a four factor acoustic model. Clinical Linguistic & Phonetics. 20, 1, 35-49.

상세보기
Awan S. N., & Roy N. (2009). Outcomes measurement in voice disorders: application of an acoustic index of dysphonia severity. Journal of Speech, Language & Hearing Research. 52, 2, 482-499.
Bangayan P., Long C., Alwan A., Kreiman J., & Gerratt B. (1997). Analysis by synthesis of pathological voices using the Klatt synthesizer. Speech communication. 22, 4, 343-368.
Choi S. H.(2013). Speech-language pathologists' voice assessment and voice therapy practices: a survey for standard clinical guideline and evidence-based practice. Communication Sciences & Disorders. 18, 4, 473-485. (최성희(2013). 음성언어재활사의 음성평가와 음성치료의 임상실제: 표준 임상지침과 증거기반중재를 위한 설문조사. 언어청각장애연구. 18, 4, 473-485.)
Eadie T. L., & Baylor C. R.(2006). The effect of perceptual training on inexperienced listener's judgments of dysphonic voice. Journal of Voice. 20, 4, 527-544.

상세보기
Gerratt B. R., & Kreiman, J.(2001). Measuring vocal quality with speech synthesis. Journal of the Acoustical Society of America. 110, 5, 2560-2566.

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Huang D. Z.(1999). Relationship between acoustic measures of voice and judgments of voice quality. http://www.drspeech.com/Paper.html#Relationship
Hillenbrand J., Cleveland R. A., & Erickson R. L.(1994). Acoustic correlates of breathy vocal quality. Journal of Speech and Hearing Research. 37, 769-778.

상세보기
Kang Y. A., Yoon K. C., & Kim J. O.(2012a). An aerodynamic and acoustic analysis of the breathy voice of the patients with thyroidectomy. Journal of the Korean Society of speech Science. 4, 2, 95-104. (강영애, 윤규철, 김재옥(2012a). 갑상선 수술 후 성대마비 환자의 기식 음성에 대한 공기역학적 및 음향적 분석. 말소리와 음성과학. 4, 2, 95-104.)
Kang Y. A. & Seong C. J.(2012b). A Cepstral analysis of breathy voice with vocal fold paralysis. Journal of the Korean Society of speech Science. 4, 2, 89-94. (강영애, 성철재(2012b). 성대마비로 인한 기식 음성에 대한 Cepstral 분석. 말소리와 음성과학. 4, 2, 89-94.)

원문보기 상세보기
Klatt D. H., & Klatt L. C.(1990). Analysis, synthesis, and perception of voice quality variations among female and male talkers. Journal of the Acoustical Society of America. 87, 820-857.

상세보기
Kent R. D., & Read C.(2002). Acoustic analysis fo speech, 2nd ed., United States: Singular.
Kent R. D.(1996). Hearing and believing: Some limits to the auditory-perceptual assessment of speech and voice disorders. Journal of Speech Language Pathology of America. 5, 7-23.

상세보기
Ma E. & Yiu E.(2006). Multiparametric evaluation of dysphonic severity. Journal of Voice. 20, 3, 380-390.

상세보기
Mehta D. & Quatieri, T. F.(2005). Synthesis analysis, and pitch modification of the breathy vowel. 2005 IEEE workshop on applications of signal processing to audio and acoustics.
Shrivastav R., Camacho A., Patel S., & Eddins D. A.(2011). A model for the prediction of breathiness in vowels. Journal of the Acoustical Society of America. 129, 3, 1605-1615.

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Weenink D.(2009). The KlattGrid speech synthesizer, Proceedings of Interspeech2009. 10, 2059-2062, Brighton, United Kingdom, September 6-10.

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