KR0185310B1

KR0185310B1 - 디지털 난청 시뮬레이션 방법

Info

Publication number: KR0185310B1
Application number: KR1019960040428A
Authority: KR
Inventors: 김동욱; 김원기; 정동욱; 윤대희
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 1996-09-17
Filing date: 1996-09-17
Publication date: 1999-04-01
Also published as: KR19980021549A

Abstract

디지털 난청 시뮬레이션 방법이 개시된다. 이 난청 시뮬레이션 방법은, (1) 난청인의 청각특성을 모델링하기 위하여 해당 난청인의 청각 특성표를 입력하여 메모리에 저장하는 단계; (2) 청력 손실표를 계산한 후 상기 메모리에 저장하는 단계; (3) 입력되는 음성신호를 디지털 신호로 변환한 후 상기 메모리에 저장하는 단계; (4) 상기 변환된 디지털 신호를 주파수 영역으로 변환하는 단계; (5) 임계 대역별 평균 파워를 계산하는 단계; (6) 상기 청력 손실표와 상기 임계 대역별 평균 파워를 이용하여 임계 대역별 청력 손실 이득을 계산하는 단계; (7) 상기 임계 대역별 청력 손실 이득에 대응되는 디지털 필터용 계수를 계산하는 단계; (8) 상기 입력신호를 상기 디지털 필터용 계수가 적용된 디지털 필터를 이용하여 필터링하는 단계; (9) 상기 필터링된 신호를 시간 영역으로 변환하는 단계; 및 (10) 상기 시간영역으로 변환된 신호를 아날로그 신호로 변환한 후 음성출력수단에 출력하는 단계를 포함하여 보청기의 성능을 용이하게 평가 할 수 있고 난청의 청각 특성을 용이하게 모델링할 수 있다.

Description

디지털 난청 시뮬레이션 방법

본 발명은 난청 시뮬레이션 방법에 관한 것으로, 특히 실제 난청자에 대한 임상실험을 정상인에 대한 임상실험으로 대체할 수 있고 그 실험결과를 예측할 수 있어 보청기의 성능을 용이하게 평가 할 수 있는 디지털 난청 시뮬레이션 방법에 관한 것이다.

난청에 대한 연구나 보청기를 대상으로 하는 평가 및 비교시에는 직접적으로 난청자들을 대상으로 청력검사를 하고 보청기를 착용케하는 임상실험을 행한다. 방음실이나 청력 측정실에서 난청자에게 다양한 소리나 음성을 들려주어서 이에 대한 평가를 토대로 임상연구를 수행하는 것이다. 하지만, 난청은 사람의 개개인에 따라서 또는 난청의 종류에 따라서 매우 다양하고 복잡한 형태로 나타나게 되며, 이에 대한 실험 또한 개개인이나 난청의 종류에 따라서 다르게 수행되어져야 하므로 많은 시간과 노력이 필요하게 된다. 실제로 보청기의 성능을 평가하는 방법에는 보청기 자체에 대한 성능 평가 및 실제로 보청기를 난청자에게 착용케하여 성능을 평가하는 방법이 있다. 상기 난청자를 직접 대상으로 하는 평가 방법은,

1) 난청자가 대부분 노령인이어서 장시간 동안 실험을 할 수 없고,

2) 난청자와 검사자간의 윤활한 대화가 용이하지 않으며,

3) 다양한 난청 유형 및 개개인의 청각 특성의 차이로 인하여 비숫한 난청군을 형성하기 어렵고,

4) 난청자들이 청각 장애에 대한 증후로 인하여 불확실한 테스트 반응을 나타낼 수 있는 문제점들이 있었다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 실제 난청자에 대한 임상실험을 정상인에 대한 임상실험으로 대체할 수 있고 그 실험결과를 예측할 수 있어 보청기의 성능을 용이하게 평가 할 수 있는 디지털 난청 시뮬레이션 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명 디지털 난청 시뮬레이션 방법이 수행되는 디지털 난청 시뮬레이터의 블럭도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 디지털 난청 시뮬레이션 방법을 도시한 흐름도이다.

도 3은 청력손실함수 그래프이다.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

S20...청각특성표 입력단계,S22...청력손실표 계산단계,

S24...아날로그/디지털 변환단계,S26...주파수영역 변환단계,

S28...임계 대역별 평균 파워 계산단계,S30...청력손실이득 계산단계,

S32...필터 계수 계산단계,S34...필터링단계,

S36...시간 영역으로의 변환단계,S38...디지털/아날로그 변환단계.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 디지털 난청 시뮬레이션 방법은, (1) 난청인의 청각 특성을 모델링하기 위하여 해당 난청인의 청각 특성표를 입력하여 메모리에 저장하는 단계; (2) 상기 난청인의 청각 특성표와 미리 저장되어 있는 정상인의 청각 특성표를 이용하여 그 차이값으로 청력 손실표를 계산한 후 상기 메모리에 저장하는 단계; (3) 음성입력수단으로 입력되는 음성신호를 디지털 신호로 변환한 후 상기 메모리에 저장하는 단계; (4) 상기 변환된 디지털 신호를 고속 푸리에 변환 알고리즘을 이용하여 주파수 영역으로 변환하는 단계; (5) 상기 주파수 영역으로 변환된 신호의 임계 대역별 평균 파워를 계산하는 단계; (6) 상기 청력 손실표와 상기 임계 대역별 평균 파워를 이용하여 임계 대역별 청력 손실 이득을 계산하는 단계; (7) 상기 임계 대역별 청력 손실 이득에 대응되는 디지털 필터용 계수를 계산하는 단계; (8) 상기 단계 (3)에서 디지털 신호로 변환되어 상기 메모리에 저장된 입력신호를 상기 디지털 필터용 계수가 적용된 디지털 필터를 이용하여 필터링하는 단계; (9) 상기 필터링된 신호를 역 고속 푸리에 변환 알고리즘을 이용하여 시간 영역으로 변환하는 단계; 및 (10) 상기 시간영역으로 변환된 신호를 아날로그 신호로 변환한 후 음성출력수단에 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 단계 (4)의 고속 푸리에 변환 알고리즘은 샘플링 주파수가 12kHz인 경우 1/2 중첩된 128포인트 고속 푸리에 변환 알고리즘인 것이 바람직하다.

또한, 상기 단계 (5)의 임계 대역은 그 대역폭이 저주파 대역에서 고주파 대역으로 올라갈수록 지수 함수의 형태로 커지는 19개의 대역으로 된 것이 바람직하다.

또한, 상기 단계 (4) 내지 상기 단계 (10)은 128개의 샘플들로 구성된 블럭 단위로 수행되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 단계 (8)에서의 상기 디지털 필터는 주파수 표본화 필터인 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 따른 디지털 난청 시뮬레이션 방법의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.

일반적으로 감음신경성 난청은 내이로부터 뇌중추에 걸친 감음계와 신경계의 장애에 의해 생기며, 이 경우 주파수 영역 상에서 가청 레벨이 주파수에 따라 균일하지 않게 상승할 뿐만 아니라 전음성 난청과는 달리 가청 대역이 주파수에 따라 달라지게 된다. 본 발명에서는 특히 상기한 감음신경성 난청의 경우를 모델링의 대상으로 하고 있다. 정상인들로 하여금 감음신경성 난청자와 같은 청각효과를 갖게 하기 위해서는 정상인들의 청각특성이 난청자들의 청각특성을 나타낼 수 있도록 입력신호를 변형시켜야 하는 데, 이렇게 하기 위해서는 입력 신호에 가해지는 이득도 주파수와 입력 레벨별로 가변시켜야 한다. 이를 위해서는 입력신호의 주파수 스펙트럼을 분석하여 주파수별 입력 레벨의 측정과 더불어 입력레벨에 따른 비선형적 이득 계산과정이 필요하다. 본 발명에서는 입력되는 음성신호의 레벨을 디지털 필터링에 의해 임계 대역별로 적절히 낮추어 줌으로써 이것을 실현하고 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 디지털 난청 시뮬레이션 방법이 실시되는 디지털 난청 시뮬레이터의 블럭도이다. 도 1에 도시된 디지털 난청 시뮬레이터는 음성을 입력하는 음성 입력부(10)와, 음성 입력부(10)의 출력을 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기(12)와, 본 발명에 따른 디지털 난청 시뮬레이션 방법이 저장되어 있고 소정의 데이터를 저장하는 메모리(16)와, 상기 메모리(16)에 저장된 디지털 난청 시뮬레이션 방법을 수행하는 마이크로프로세서(14)와, 외부로부터 데이터를 입력하는 데이터 입력부(15)와, 처리된 데이터를 아날로그 신호로 변환하는 디지털/아날로그 변환기(18) 및 디지털/아날로그 변환기(18)의 출력을 음성으로 변환하여 출력하는 음성출력부(19)로 구성되어 있다. 상기에서 마이크로프로세서(14) 대신에 디지털신호처리를 행하는 디지털 신호 처리기를 사용할 수도 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 디지털 난청 시뮬레이션 방법을 도시한 흐름도이다. 본 디지털 난청 시뮬레이션 방법은 메모리(16)에 저장되어 있으며, 이것은 마이크로프로세서(14)에 의해 수행된다. 본 디지털 난청 시뮬레이션 방법은 입력되는 음성신호의 주파수 스펙트럼 분석 단계, 청력 손실 이득 계산 단계 및 필터링단계를 포함하며, 도 1 및 도 2를 참조하여 이를 상술하기로 한다. 우선 청각특성표 입력단계(S20)에서는, 사용자가 해당 난청인의 청각특성 데이터를 포함하는 청각특성표를 데이터 입력부(15)를 통하여 입력시키면 이를 메모리(16)에 저장한다. 청력손실표 계산단계(S22)에서는 메모리(16)에 미리 저장되어 있는 정상인의 청각 특성표와 메모리(16)에 저장된 난청인의 청각 특성표를 이용하여 청력손실표를 계산한 후 이를 메모리(16)에 저장한다. 정상인의 가청 대역을 감음신경성 난청자의 가청 대역으로 전이시키기 위해서는 각 주파수에서의 입력신호 레벨과 출력되는 신호레벨 사이의 비선형적 이득관계가 정의되어져야 하므로 본 방법에서는 청력손실함수의 개념을 도입하여 난청 현상으로 인해 입력신호의 레벨이 줄어드는 현상을 모델링하였다.

도 3에 상기한 청력손실함수의 그래프를 도시하였다. 도 3에 도시된 청력손실함수는 하나의 주파수 대역에 대한 입력신호 레벨과 출력신호 레벨의 그래프이다. 청력손실함수는 디지털 보청기 알고리즘에서 사용하는 라우드니스 보상함수와 비슷한 개념으로서 여기서는 각 주파수별 입력신호 레벨에 따른 출력신호 레벨을 정의하여 난청자의 청력손실에 의해 감소되는 이득(GAIN)을 계산하였다. 청력손실함수는 좁아진 가청대역을 모델링하기 위한 입력 파라미터로서 가청대역의 경계를 나타내는 최저가청레벨과 UCL(Uncomfortable Level)을 사용한다. 그리고 감음신경성 난청자의 상승된 라우드니스를 모델링하기 위한 입력 파라미터로서 MCL(Most Comfortable Level)을 사용한다. 여기서 UCL은 불쾌치로서 소리가 너무 커서 불쾌하다고 느끼기 시작하는 레벨이고 MCL은 소리가 가장 편안하다고 느끼는 레벨이다. 라우드니스 상승 현상을 이상적으로 모델링하기 위해서는 난청자와 정상인의 등가 라우드니스 곡선 정보가 필요하지만 모든 주파수와 전 레벨에 대하여 이것을 측정한다는 것은 불가능한 일이며, 라우드니스 자체가 전적으로 인간의 주관적인 느낌을 기준으로 한 것이므로 정확한 측정이 매우 힘들다. 이에 비해 MCL은 등가 라우드니스 곡선의 특성을 가지면서 특히 가청 대역이 좁은 감음신경성 난청자들의 경우 비교적 정확한 측정이 가능한 것으로 알려져 있으므로, 불균등한 라우드니스 상승을 가장 효율적으로 모델링하는 데 필요한 파라미터로 사용하였다.

아날로그/디지털 변환단계(S24)에서는 음성입력부(10)로 입력되는 음성을 아날로그/디지털 변환기(12)를 이용하여 디지털 신호로 변환한 후 메모리(16)에 이를 저장한다. 주파수영역 변환단계(S26)에서는 아날로그/디지털 변환기(12)에서 출력되는 신호를 고속 푸리에 변환 알고리즘을 이용하여 주파수 영역으로 변환하고, 임계 대역별 평균 파워 계산단계(S28)에서는 푸리에 변환된 신호에 대하여 임계대역별로 평균 파워를 계산한다. 이로써, 본 디지털 난청 시뮬레이션 방법중 주파수 스펙트럼 분석 단계가 완료된다. 본 디지털 난청 시뮬레이션 방법에서는 입력되는 음성 신호의 각 주파수 대역별 레벨에 따라 각각의 청력 손실 이득이 달라지므로, 이러한 주파수 대역별 입력신호의 정확한 레벨을 측정하는 것이 매우 중요하다. 이를 위해 아날로그/디지털 변환기(12)에서 12kHz로 샘플링되어 입력되는 음성 신호는 128개의 샘플들로 구성된 블럭들별로 처리된다. 또한, 전이구간을 보상하기 위해 각 블럭들은 50% 중첩되어 실제로 매번 처리되는 샘플수는 64개가 된다. 주파수 스펙트럼 분석은 블랙맨(Blackman) 윈도우를 사용한 단구간(10.67 msec) 고속 푸리에 변환 알고리즘을 통하여 이루어진다. 블랙맨 윈도우는 해밍(Hamming)이나 해닝(Hanning) 같은 다른 윈도우에 비해 매우 작은 사이드-로브(side-lobe) 레벨을 갖는다. 사이드-로브 레벨이 크면 동떨어진 주파수 대역의 정보까지 포함하게 되어 정확한 레벨 보상이 힘든데 특히 고주파 성분은 음성 신호의 경우 저주파 성분에 의해 실제보다 크게 측정되어지는 경우가 많아진다. 이렇게 얻어진 주파수 스펙트럼은 심리 음향 모델을 적용하여 임계 대역 단위로 처리된다. 임계 대역은 기저막의 청신경들이 필터 뱅크와 같이 주파수 영역을 거리에 따라 나누어 음을 인식하게 됨으로써 생긴다. 이러한 임계 대역의 단위를 바크(bark)라 하며 임계 대역에 따라 음의 선택성 및 가청 한계가 달라진다. 임계 대역의 크기는 저주파 대역에서 고주파 대역으로 올라갈수록 대략 지수 함수의 형태를 취하며 커진다. 따라서 인간의 귀는 낮은 주파수 대역의 음에 대해서 선택성이 매우 높으며 높은 주파수 대역의 음은 상대적으로 잘 구별하지 못하게 된다. 그러므로 인간의 청각 특성을 효과적으로 모델링하기 위해서 본 방법에서는 이러한 임계 대역의 개념이 도입되었다. 본 디지털 난청 시뮬레이션 방법에서는 입력 음성신호의 주파수 스펙트럼을 모두 19개의 임계 대역으로 나눈 후, 각 임계 대역에 대하여 평균 파워를 계산하였다.

청력손실이득 계산단계(S30)에서는 임계 대역별 평균 파워 계산단계(S28)에서 계산된 19개의 임계 대역에서의 평균 파워를 청력손실표 계산단계(S22)에서 구한 청력손실표를 적용하여 임계 대역별 청력 손실 이득을 계산한다. 하나의 임계 대역에 속하는 모든 주파수 성분들은 같은 이득을 갖게 되므로 전 주파수 성분들에 대한 각각의 이득이 얻어진다. 이로써 청력 손실 이득 계산 단계가 완료되게 된다.

필터 계수 계산단계(S32)에서는 청력손실이득 계산단계(S30)에서 계산된 임계 대역별 청력 손실 이득을 디지털 필터가 갖도록 필터 계수를 계산한다. 필터링단계(S34)에서는 필터 계수 계산단계(S32)에서 얻어진 필터 계수를 이용하여 아날로그/디지털 변환단계(S24)에서 디지털 신호로 변환되어 메모리(16)에 저장된 입력신호를 필터링한다. 시간 영역으로의 변환단계(S36)에서는 필터링단계(S34)에서 필터링된 신호를 역 고속 푸리에 변환 알고리즘을 이용하여 시간 영역으로 변환하고, 디지털/아날로그 변환단계(S38)에서는 시간 영역으로의 변환단계(S36)에서 시간영역으로 변환된 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 음성출력부(19)로 출력한다. 이로써 필터링단계가 완료되게 된다. 일반적인 다채널의 필터뱅크를 이용하게 되면 밴드간에 왜곡이 커지게 되고 해상도를 높이기 위하여 밴드수를 증가시키면 처리과정이 복잡해지는 문제점이 있기 때문에, 본 발명에서는 주파수 표본화 필터를 사용하였다. 주파수 표본화 필터는 주파수 축상에서 일정 간격으로 떨어져 있는 포인트들에서의 진폭으로부터 필터 계수를 얻기 때문에 윈도우를 이용한 설계 방법보다 임의의 응답특성을 갖도록 필터를 설계하는 데 용이하고 선형 위상을 보장할 수 있는 장점이 있다. 본 발명에서 필터 계수는 매 블럭 마다 새로 계산되며 콘벌루션(convolution)에 의해 필터링이 이루어지게 되는데 실제로 필터링되어 처리되는 부분은 128개 샘플중 가운데 64개 샘플이다.

상기와 같은 과정을 통하여 음성출력부(19)에서 출력되는 음성신호는 난청자가 듣는 것과 같은 왜곡된 음성신호가 출력되게 되므로 정상인으로 하여금 난청자와 같은 청각효과를 갖게 할 수 있다. 따라서, 보청기의 성능 평가시 해당 난청자의 보청기를 정상인에게 착용케한 후, 본 방법을 실시하여 출력되는 음성을 듣도록하면 난청자에게 실시한 것과 동일한 실험결과를 얻을 수 있다.

이상 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 디지털 난청 시뮬레이션 방법에 의하면, 실제 난청 환자에 대한 임상실험을 정상인에 대한 임상실험으로 대체할 수 있고 그 실험결과를 예측할 수 있어 보청기의 성능을 용이하게 평가 할 수 있고 난청의 청각 특성을 용이하게 모델링할 수 있다.

Claims

(1) 난청인의 청각특성을 모델링하기 위하여 해당 난청인의 청각 특성표를 입력하여 메모리에 저장하는 단계; (2) 상기 난청인의 청각 특성표와 미리 저장되어 있는 정상인의 청각 특성표를 이용하여 그 차이값으로 청력 손실표를 계산한 후 상기 메모리에 저장하는 단계; (3) 음성입력수단으로 입력되는 음성신호를 디지털 신호로 변환한 후 상기 메모리에 저장하는 단계; (4) 상기 변환된 디지털 신호를 고속 푸리에 변환 알고리즘을 이용하여 주파수 영역으로 변환하는 단계; (5) 상기 주파수 영역으로 변환된 신호의 임계 대역별 평균 파워를 계산하는 단계; (6) 상기 청력 손실표와 상기 임계 대역별 평균 파워를 이용하여 임계 대역별 청력 손실 이득을 계산하는 단계; (7) 상기 임계 대역별 청력 손실 이득에 대응되는 디지털 필터용 계수를 계산하는 단계; (8) 상기 단계 (3)에서 디지털 신호로 변환되어 상기 메모리에 저장된 입력신호를 상기 디지털 필터용 계수가 적용된 디지털 필터를 이용하여 필터링하는 단계; (9) 상기 필터링된 신호를 역 고속 푸리에 변환 알고리즘을 이용하여 시간 영역으로 변환하는 단계; 및 (10) 상기 시간영역으로 변환된 신호를 아날로그 신호로 변환한 후 음성출력수단에 출력하는 단계를 포함하는 것을 그 특징으로 하는 디지털 난청 시뮬레이션 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 (4)의 고속 푸리에 변환 알고리즘은 샘플링 주파수가 12kHz인 경우 1/2 중첩된 128포인트 고속 푸리에 변환 알고리즘인 것을 그 특징으로 하는 디지털 난청 시뮬레이션 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단계 (5)의 임계 대역은 그 대역폭이 저주파 대역에서 고주파 대역으로 올라갈수록 지수 함수의 형태로 커지는 19개의 대역으로 된 것을 그 특징으로 하는 디지털 난청 시뮬레이션 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 (4) 내지 상기 단계 (10)은 128개의 샘플들로 구성된 블럭 단위로 수행되는 것을 그 특징으로 하는 디지털 난청 시뮬레이션 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 (8)에서의 상기 디지털 필터는 주파수 표본화 필터인 것을 그 특징으로 하는 디지털 난청 시뮬레이션 방법.