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문제 정의
- 본 논문에서는 Liu 알고리듬을 개선하기 위해 복원이 시 작되는 주파수 영영을 추정해 고주파 대역을 복원한다. 또한, IMDCT 변환 이후의 32개 대역 신호의 에너지 분포를 이용하여 주파수 포탁선을 추정하며, 고주파 복원에 저주파 복사뿐만 아니라 AWGN 을 이용한 방법도 고려하였다.
- 본 논문에서는 MP3 오디오 형식을 그대로 유지하면서 고주파 성분을 복원하여 MP3 오디오의 음질을 향상시키는 방법으로 Liu가 제시한 고주파 복원 알고리듬[6]을 기초로 해서 MP3 오디오의 음질 향상을 얻을 수 있는 개선 방법을 고찰한다. 그리고 주관적 음질 평가를 통해 그 성능을 평가한다.
- 본 논문에서는 MP3 오디오의 형식을 그대로 유지하면서 제거된 고주파 성분을 복원할 수 있는 Liu의 고주파 복원 알고리듬에 기초하여 새로운 음질 향상 방법을 고찰하였다.
- 음질 평가를 수행하였다. 본 논문에서는 음질 평가에 익숙하지 않은 초보자들을 대상으로 주관적 평가를 시행했다. 초보자의 경우 MP3 오디오와 원본 CD 오디오를 비교하면서 듣는 기회가 거의 없고, 대부분 가장 보편적인 오디오 형식인 MP3 오디오에 익숙해져 있다는 특징이있다.
제안 방법
- 2. 오디오 형식을 알려주고, 두 오디오를 다시 들려줌으로써 MP3 오디오와 원본 CD 오디오의 특성을 유의해서 들을 수 있게 하고 두 오디오형식의 차이를 알게 한다.
- it again"(4분07초) 등 3 곡이다. 3개의 실험 오디오에 대해 위와 같은 방식으로 각각 서로 다른 4가지 형식의 오디오의 품질을 평가하였다. 각 실험 오디오는 후럼으로 들어가기 전부터 후렴부분을 포함하는 약 15~20초 구간을 선택해서 고주파 대역에 대한 느낌을 비교할 수 있도록 했다.
- 4. 서로 다른 4가지 표현 형식의 오디오 음질을 개별적으로 평가한다.
- Part 1 구간은 nc, 번째 대역부터 28번째 대역까지로 구성되는데, 이 구간에서는 선형 모델로 추정한 포락선을 통해 대역별 에너지를 구하여 복원하고, part 2 구간20KHz 이상 대역)에서는 선형 모델에 의해 얻어진 포락선 추정치를 Nyquist 주파수까지 추가적으로 감쇠가 일어나도록 설정하였다. 감쇠는 part 2 내의 대역 신호의 포락선이 단조 감소를 하되, Nyquist 주파수를 포함하는 마지막 대역에서 약 -30dB 만큼 추가적으로 감쇠가 일어나도록 설정하였디.
- 3개의 실험 오디오에 대해 위와 같은 방식으로 각각 서로 다른 4가지 형식의 오디오의 품질을 평가하였다. 각 실험 오디오는 후럼으로 들어가기 전부터 후렴부분을 포함하는 약 15~20초 구간을 선택해서 고주파 대역에 대한 느낌을 비교할 수 있도록 했다. 음질 평가는 표 .
- 그리고 고주파 대역 신호에 상세 정보를 채워 넣는 방법으로 본 논문에서는 저주파 대역 신호를 복사하는 방법과 AWGN 신호를 삽입하는 방법 두 가지를 이용했다. 저수파 대역 신호를 복사하는 방법은 Liu 알고리듬과 유사하다.
- 804KHz 의 MP3 파일을 얻었다. 그리고 본 논문에서 수행한 고주파 복원을 통한 음질 향상 알고리듬은 Window XP 환경의 PC에서 Microsoft Visual Studio 6.0과 C 언어를 이용해 버전 3.97의 Lame 복호기를 수정하여 구현하였다.
- 얻을 수 있는 개선 방법을 고찰한다. 그리고 주관적 음질 평가를 통해 그 성능을 평가한다.
- 로그 크기 스펙트럼이 개별적인 값으로 나타나는데 반해 대역 신호들은 대역당 18개의 샘플을 갖는다. 그리고 크기 스펙트럼에 비해 에너지 스펙트럼이 통계학적으로 견실한 특성을 보이므로 대역별 에너지를 이용하여 선형 모델 계수를 추정한다. 또한, 크기 스펙트럼은 주파수에 대해 지수 함수적으로 감소하므로, 에너지의 로그 값은 주파수 영역에서 선형적으로 감소하는 함수로 나타내어져 계산상 더 편리하다.
- 영영을 추정해 고주파 대역을 복원한다. 또한, IMDCT 변환 이후의 32개 대역 신호의 에너지 분포를 이용하여 주파수 포탁선을 추정하며, 고주파 복원에 저주파 복사뿐만 아니라 AWGN 을 이용한 방법도 고려하였다.
- 본 논문에서는 차단 주파수 전후의 에너지 차이는 패우크다는 점은 참조하여 대역 간 에너지차가 10dB이상일 때 복원 시작대역으로 설정하였다. 또한, 복원 시작 대역을 탐색하는 주파수 범위는 13.0~16.5KHz로 설정하여 14~16KHz 범위의 차단 주파수 검색 및 차폐에 의해 손실된 복원 단위에 의한 영향을 최소화할 수 있도록 하였다.
- 다음으로 선형 모델로 주파수 포락선을 추정할 때, IMDCT 변환 이후의 32개 대역으로 분리된 대역 신호의 에너지에 기초하여 주파수 포락선을 추정함으로써 보다 견실하고 정확한 주파수 포락선 추정이 가능해졌다. 마지막으로 복원 시작 대역부터 추정된 주파수 포락선에 맞게 고주파 신호를 채워넣되, 저주파 성분을 고주파 영역에 복사하여 채워 넣는 방법과 함께 AWGN 신호를 채워 넣는 방법을 함께 고려하였다.
- 주정을 통해 가변적으로 설정하도록 했다. 먼저 차단 주파수근방의 일정한 주파수 범위를 설정하고, 그 주파수 범위 내에서 대역별에너지를 비교한다. 만약 한 대역의 에너지가 이전 대역의 에너지에 비해 매우 작고 그 에너지가 계속 유지되면, 그 대역을 복원 시작 대역n로 결정한다.
- 먼저, MP3 압축 S/W에 따라 차단 주파수가 다를 수 있다는 것을 고려하여, 입력된 오디오로부터 차단 주파수를 추정하여 추정된 차단주파수를 복원시작 대역으로 결정하였다. 다음으로 선형 모델로 주파수 포락선을 추정할 때, IMDCT 변환 이후의 32개 대역으로 분리된 대역 신호의 에너지에 기초하여 주파수 포락선을 추정함으로써 보다 견실하고 정확한 주파수 포락선 추정이 가능해졌다.
- 저수파 대역 신호를 복사하는 방법은 Liu 알고리듬과 유사하다. 복사에 이용할 저주파 대역 구간을 정한 후, 그 대역의 에너지를 선형 모델로 추정된 에너지가 되도록 대역 신호의 크기를 수정해 이용한다.
- 본 논문에서 고찰한 고주파 복원 기법의 성능을 평가하기 위해 주관적 음질 평가를 수행하였다. 본 논문에서는 음질 평가에 익숙하지 않은 초보자들을 대상으로 주관적 평가를 시행했다.
- 본 논문에서는 Liu 알고리듬과 마찬가지로 별다른 변환이 필요하지 않도록 복호화 과정 내 주파수 도메인의 신호를 이용 한다. 다만 본 논문에서는 32개 대역으로 분해된 대역 신호를 이용한다.
- 본 논문에서는 이러한 점을 고려하여 고주파수 복원 이전에 차단주파수를 주정을 통해 가변적으로 설정하도록 했다. 먼저 차단 주파수근방의 일정한 주파수 범위를 설정하고, 그 주파수 범위 내에서 대역별에너지를 비교한다.
- 만약 한 대역의 에너지가 이전 대역의 에너지에 비해 매우 작고 그 에너지가 계속 유지되면, 그 대역을 복원 시작 대역n로 결정한다. 본 논문에서는 차단 주파수 전후의 에너지 차이는 패우크다는 점은 참조하여 대역 간 에너지차가 10dB이상일 때 복원 시작대역으로 설정하였다. 또한, 복원 시작 대역을 탐색하는 주파수 범위는 13.
- 앞 절에서 구한 선형 모델 추정에 의한 고주파 대역 신호의 포락선을 이용해 고주파 성분을 복원하기 위해 본 논문에서는 복원 구간을 그림 1 과 같이 두 구간으로 나누었다.
- 우선 CD에 수록된 오디오를 Adobe Audition 1.5를 이용해 표본화 주파수 44.1KHZ, 샘플 당 16bits로 표현된 2 채널 스테레오의 원본 WAVE파일을 얻었다. 이 WAVE파일을 Adobe Audition 1.
대상 데이터
- 평가에 사용된 실험 오디오는 그룹 QUEEN의 "don't stop me now"(일부, 4()초과 이문세의 "조조할인"(3분 58초), WESTLIFE의 "swear it again"(4분07초) 등 3 곡이다. 3개의 실험 오디오에 대해 위와 같은 방식으로 각각 서로 다른 4가지 형식의 오디오의 품질을 평가하였다.
- 1 과 같이 5단계로 품질을 평가하였다. 그리고 평가자는 17명의 20대 학생들이다.
- 다만 본 논문에서는 32개 대역으로 분해된 대역 신호를 이용한다. 로그 크기 스펙트럼이 개별적인 값으로 나타나는데 반해 대역 신호들은 대역당 18개의 샘플을 갖는다.
- 본 노문에서는 복원 구간과 선형 예측 구간의 연관성을 위해 lOKHz 이상인 대역 신호들을 이용하는데, 10KHz를 포함하는 14번째 대역부터 앞 절에서 구한 복원 시작 대역 직전 nc一 1 번째 대역까지의 구간을 선형 예측 구간으로 이용하였다. 이 구간 내 n번째 대역에 대한 에너지의 로그값 log10|En|을 얻는다.
데이터처리
- 표 2를 보면 세 곡에 대한 평가의 결과를 조합하여, 5단계 평가값의 분포와 함께 평가값의 평균값을 제시하였다. (1.
이론/모형
- 본 논문에서는 blind 방법 중 하나인 Liu의 알고리듬을 기본으로 했다. Liu 알고리듬에서는 MDCT 도메인에서 고주파 영역의 주파수 포락선을 추정하고, 추정된 주파수 포락선에 맞추어 부호화되지 않은 고주파 영역에 저주파 성분을 복사하여 고주파 성분을 복원한다.
성능/효과
- 특히 평가 값 2(poor) 이하인 평가자가 없는 것으로 나타나 항상 기준 이상의 품질을 보장할 수 있음을 보였다. Decl은 MP5에 비해 평가값 5(ExceHent)로 평가한 사람이 감소한 것으로 나타났는데, 이는 저주파 복사를 이용한 고주파 복원이 평가자에 따라 오히려 주관적 품질이 감소될 수 있음을 보여준다. 그러나 평가값 3 혹은 2로 평가한 사람이 MP3에 비해 줄어들었다는 것은 주관적 품질을 전반적으로 향상시켜주는 특성이 있음을 알 수 있다.
- 그리고 본 논문에서는 3가지 실험 오디오를 이용하여 17명의 평가자를 대상으로 주관적 음질 평가를 시행한 결과, 저주파 복사를 이용하여 고주파 성분을 복원하는 방법 과 AWGN을 이용하여 고주파 성분을 복원하는 방법 모두 MP3 오디오의 주관적 품질을 개선함을 알 수 있었다. 특히, AWGN을 이용하여 고주파 성분을 복원하는 방법은 주관적 음질 평가 결과가 원본 CD 오디오와 동등한 것으로 나타나, MP3 오디오의 음질을 크게 개선시킬 수 있음을 알 수 있었다.
- 또한, dec2에서 고주파 복원을 통해 MP3의 단점을 해소함에 따라 평가 값이 상향된 것으로 판단된다. 그리나, wave와 dec2의 평가값 차이는 오차 한계 이내로 볼 수 있으므로, 본 연구에서의 평가 자료에 의하면, 두 방법이 거의 동일한 음질을 제공하는 것으로 간주할 수 있다.
- 복원시작 대역으로 결정하였다. 다음으로 선형 모델로 주파수 포락선을 추정할 때, IMDCT 변환 이후의 32개 대역으로 분리된 대역 신호의 에너지에 기초하여 주파수 포락선을 추정함으로써 보다 견실하고 정확한 주파수 포락선 추정이 가능해졌다. 마지막으로 복원 시작 대역부터 추정된 주파수 포락선에 맞게 고주파 신호를 채워넣되, 저주파 성분을 고주파 영역에 복사하여 채워 넣는 방법과 함께 AWGN 신호를 채워 넣는 방법을 함께 고려하였다.
- 본 논문을 통해 구현한 방법은 실질적으로 원본 CD 오디오의 품질을 완벽하게 복원하지는 못하지만, 고주파 성분의 복원을 통해 보다 공간감 있고, 풍부한 오디오를 재생시킬 수 있음을 보였다. 본 연구에서 고찰한 기법에 고조파 성분을 효과적으로 복원하는 방법, 스테레오 특성을 복원할 수 있는 방법, 차폐된 신호의 복원 등을 고려한다면, MP3 오디오를 한층 더 원본 CD 오디오에 근접한 음질로 재생할 수 있을 것으로 기대한다.
- 저주파 복사를 이용하여 고주파 성분을 복원한 오디오는 MP3에 비해 약간 향상된 성능을 보여주고 있는 반면, AWGN을 이용해 고주파 성분을 복원한 오디오는 비교적 크게 향상된 성능을 보여주고 있다. 특히 평가 값 2(poor) 이하인 평가자가 없는 것으로 나타나 항상 기준 이상의 품질을 보장할 수 있음을 보였다. Decl은 MP5에 비해 평가값 5(ExceHent)로 평가한 사람이 감소한 것으로 나타났는데, 이는 저주파 복사를 이용한 고주파 복원이 평가자에 따라 오히려 주관적 품질이 감소될 수 있음을 보여준다.
- 특히, AWGN을 이용하여 고주파 성분을 복원하는 방법은 주관적 음질 평가 결과가 원본 CD 오디오와 동등한 것으로 나타나, MP3 오디오의 음질을 크게 개선시킬 수 있음을 알 수 있었다.
후속연구
- 있고, 풍부한 오디오를 재생시킬 수 있음을 보였다. 본 연구에서 고찰한 기법에 고조파 성분을 효과적으로 복원하는 방법, 스테레오 특성을 복원할 수 있는 방법, 차폐된 신호의 복원 등을 고려한다면, MP3 오디오를 한층 더 원본 CD 오디오에 근접한 음질로 재생할 수 있을 것으로 기대한다.
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