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초음파 도플러를 이용한 음성 인식
Automatic speech recognition using acoustic doppler signal 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.35 no.1, 2016년, pp.74 - 82  

이기승 (건국대학교 전자공학과)

초록
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본 논문에서는 음성 신호 대신 초음파 도플러 신호를 이용하여 음성을 인식하는 새로운 음성 인식 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 주변 잡음에 대한 강인성과 무 접촉식 센서 사용에 따른 사용자의 불편함 감소를 포함하는 기존의 음성/무음성 인식 방법에 비해 몇 가지 장점을 갖는다. 제안된 방법에서는 40 kHz의 주파수를 갖는 초음파 신호를 입 주변에 방사하여, 반사된 신호를 취득하고, 취득된 신호의 도플러 주파수 변화를 이용하여 음성 인식을 구현하였다. 단일 채널 초음파 신호를 사용하는 기존의 연구와 달리, 다양한 위치에서의 취득된 초음파 신호를 음성 인식에 사용하기 위해 다채널 취득 장치를 고안하였다. PCA(Principal Component Analysis)특징 변수를 사용한 음성 인식에는 좌-우 모델을 갖는 은닉 마코프 모델을 사용하였다. 제안된 방법의 검증을 위해 60개의 한국어 고립어에 대해 6명의 화자로부터 취득된 초음파 도플러 신호를 인식에 사용하였으며, 기존 음성기반 음성인식 기법과 비교할 만한 수준의 인식율을 얻을 수 있었다. 또한 실험 결과 제안된 방법은 기존의 단일 채널 음성 인식 방법과 비교하여 우수한 성능을 나타내었으며, 특히 잡음 환경에서도 90 % 이상의 인식율을 얻을 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, a new automatic speech recognition (ASR) was proposed where ultrasonic doppler signals were used, instead of conventional speech signals. The proposed method has the advantages over the conventional speech/non-speech-based ASR including robustness against acoustic noises and user comf...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 무음성 전달 방법의 하나로서, 초음파 도플러 신호를 이용한 인식 방법을 한국어 고립어 인식에 적용하여 결과를 살펴보았다. 초음파를 이용한 인식은 초기에 손이나 발의 동작 인식에 사용되었고[9,10] 이후 음성을 발성하고 있는 화자의 입주변에 초음파를 방사하고 반사되어 돌아오는 신호의 도플러 신호를 분석하는 연구가 진행되었다.

가설 설정

  • [11-14]초음파를 이용한 동작 및 음성 분석은 움직임이 있는 손, 발, 입주변 근육에 초음파를 방사하면, 각 부위의 변위로 인한 속도변화가 도플러 현상을 발생시킨다는 사실에 바탕을 두고 있다. 이때 발생되는 도플러 주파수가 특정 움직임 패턴에 의해 각기 다르게 나타난다고 가정하면, 도플러 주파수 패턴을 이용하여 손발의 움직임과 음성을 인식할 수 있게 된다.
  • 초음파를 이용한 인식은 초기에 손이나 발의 동작 인식에 사용되었고[9,10] 이후 음성을 발성하고 있는 화자의 입주변에 초음파를 방사하고 반사되어 돌아오는 신호의 도플러 신호를 분석하는 연구가 진행되었다.[11-14]초음파를 이용한 동작 및 음성 분석은 움직임이 있는 손, 발, 입주변 근육에 초음파를 방사하면, 각 부위의 변위로 인한 속도변화가 도플러 현상을 발생시킨다는 사실에 바탕을 두고 있다. 이때 발생되는 도플러 주파수가 특정 움직임 패턴에 의해 각기 다르게 나타난다고 가정하면, 도플러 주파수 패턴을 이용하여 손발의 움직임과 음성을 인식할 수 있게 된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
초음파 도플러를 이용한 음성인식의 장점은 무엇인가? 7 %의인식율을 얻는 것으로 보고하였다.[9] 초음파 도플러를 이용한 음성인식은 초음파 신호가 가청 음역대의 잡음에 영향을 받지 않으며, 신호의 취득 시 기존의 무음성 전달 방법이 주로 접촉식 센서를 사용하는 것과 비교하여 비접촉식 센싱 방법을 사용하여 사용자에게 불편감을 주지 않는다는 장점을 지닌다. 이러한 장점으로 초기에는 음성과 묵음을 구분(Voice Activity Detection, VAD)하여 초음파 도플러를 이용하였는데,[11]잡음의 크기와 종류에 무관하게 92 ~ 97 %의 인식율을 나타내었으며, 이는 잡음에 의해 손상된 음성을 사용하는 경우 단지 10 % 인식율이 얻어지는 것과 비교하여 잡음 환경에 매우 적합한 방법임을 나타내었다.
무음성 전달 방법에는 무엇이 있는가? 이러한 특수한 상황에서 적용 가능한 음성 정보 전달 방법으로 무음성 전달(silence speech interface)[1]이 제안되었다. 무음성 전달 방법으로서, 입주변에서 발생하는 근전도 신호를 이용하는 방법,[2] NAM(Non-Audible Microphone)을 입주변에 부착하여 음성을 취득하는 방법,[3]자석과 자계센서를 이용하는 방법,[4]구강 및 비강의 초음파 영상을 이용한 방법,[5] GHz microwave를 이용하는 방법,[6]초음파 신호를 이용하는 방법[7]등을 들 수 있다. 본 논문에서는 무음성 전달 방법의 하나로서, 초음파 도플러 신호를 이용한 인식 방법을 한국어 고립어 인식에 적용하여 결과를 살펴보았다.
여러 채널에서 획득된 특징 변수들을 조합하는 방법 중 Late Integration 방법은 무엇인가? 이와 같은 방법은 인식을 위한 우도(likelihood)값을 얻기 전에 특징 변수를 조합 시키므로 Early Integration(EI) 방법이라 한다. 또 다른 조합 방법으로, 각 채널의 특징 변수들로 독립적인 HMM을 생성하고, 각 채널별 사후 확률(posterior probability)를 구하고, 이들 확률을 조합하는 방법으로, 입력벡터 O = {o1, o2, o3, o4}의 모델λ = {λ1, λ2, λ3, λ4}에 대한 우도는 다음과 같다.
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참고문헌 (15)

  1. B. Denby, T. Schultz, K. Honda, T. Hueber, J. M. Gilbert, and J. S. Brumberg, "Silent speech interfaces," Speech Comm. 52, 270-287 (2010). 

  2. K.-S. Lee, "EMG-based speech recognition using Hidden Markov Models with global control variables," IEEE Trans. on Biomed. Eng. 55, 930-940 (2008). 

  3. T. Toda and K. Shikano, "NAM-to-speech conversion with gaussian mixture models," in Proc. Interspeech, 1957-1960 (2005). 

  4. R. Hope, S. R. Ell, M. J. Fagan, J. M. Gilbert, P. D. Green, R. K. Moore, and S. I. Rybchenko, "Small-vocabulary speech recognition using a silent speech interface based on magnetic sensing," Speech Comm. 55, 22-32 (2013). 

  5. T. Hueber, G. Chollet, B. Denby, G. Dreyfus, and M. Stone, "Continuous-speech phone recognition from ultrasound and optical images of the tongue and lips," in Proc. Interspeech, 658-661 (2007). 

  6. M. Jiao, G. Lu, X. Jing, S. Li, Y. Li, and J. Wang, "A novel radar sensor for the non-contact detection of speech signals," Sensors 10, 4622-4633 (2010). 

  7. S. Srinivasan, B. Raj, and T. Ezzat, "Ultrasonic sensing for robust speech recognition," in Proc. ICASSP, 5102-5105 (2010). 

  8. K. Kalgaonkar and B. Raj, "An acoustic doppler-based front end for hands free spoken user interfaces," in Proc. SLT, 158-161 (2006). 

  9. K. Kalgaonkar and B. Raj, "Acoustic doppler sonar for gait recognition," in Proc. 2007 IEEE Conf. Advanced Video and Signal Based Surveillance, 27-32 (2007). 

  10. K. Kalgaonkar and B. Raj, "One-handed gesture recognition using ultrasonic doppler sonar," Proc. ICASSP, 1889-1892 (2009). 

  11. K. Kalgaonkar, R. Hu, and B. Raj, "Ultrasonic doppler sensor for voice activity detection," IEEE Signal Process. Lett. 14, 754-757 (2007). 

  12. K. Kalgaonkar and B. Raj, "Ultrasonic doppler sensor for speaker recognition," in Proc. ICASSP, 4865-4868 (2008). 

  13. K. Livescu, B. Zhu, and J. Glass, "On the phonetic information in ultrasonic microphone signals," in Proc. ICASSP, 4621-4624 (2009). 

  14. A. R. Toth, B. Raj, K. Kalgaonkar, and T. Ezzat, "Synthesizing speech from doppler signals," in Proc. ICASSP, 4638-4641 (2010). 

  15. L. R. Rabiner and B. H. Juang, Fundamentals of speech recognition (Prentice-Hall, New Jersey, 1993), pp. 69-83. 

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