KR100323231B1 - 객관적 음질 평가 척도를 이용한 주관적 음질 예측방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동전화 시스템 등의 음질 평가에서 객관적 음질 평가 척도로 주관적 음질을 예측하는 경우 새로운 회귀 함수를 정의하고, 그 정의한 회귀 함수를 이용하여 보다 더 정확히 주관적 음질을 예측토록 한 객관적 음질 평가 척도를 이용한 주관적 음질 예측 방법에 관한 것으로서, 이러한 본 발명은, 음성 데이터 베이스에 대해서 객관적 음질 평가와 주관적 음질 평가를 수행하고, 이렇게 하여 얻어지는 객관적 음질 평가치와 주관적 음질 평가치를 사용하여 주관적 음질 평가 척도의 최소 가능값과 최대 가능값을 점근선으로 갖는 회귀 함수로 회귀 분석을 수행한다. 그리고 왜곡된 음성에 대해 객관적 음질을 평가하고, 상기 회귀 함수에 객관적 음질 평가치를 대입하여 그 결과치를 주관적 음질 예측 값으로 출력한다.

Description

객관적 음질 평가 척도를 이용한 주관적 음질 예측방법{Method for prediction subjective speech quality using objective speech quality measure}

본 발명은 이동통신 시스템에서 객관적 음질 평가 척도(objective speech quality measure)를 이용한 주관적 음질 예측에 관한 것으로, 특히 이동전화 시스템 등의 음질 평가에서 객관적 음질 평가 척도로 주관적 음질을 예측하는 경우 새로운 회귀 함수를 정의하고, 그 정의한 회귀 함수를 이용하여 보다 더 정확히 주관적 음질을 예측토록 한 객관적 음질 평가 척도를 이용한 주관적 음질 예측 방법에관한 것이다.

시간과 장소에 구애받지 않고 자유로운 통신을 하고자하는 인간의 욕구에 부합하여 최근 몇 년간 이동 전화가 널리 보편화되었다. 이러한 이동 전화의 품질을 결정하는 가장 중요한 요소는 통화 성공률과 통화 품질이며, 특히 통화 품질, 즉 음질은 사용자의 청각에 따른 주관에 의해 결정된다. 그러므로 이동 전화망의 설치 및 유지, 보수를 위해서는 지속적인 음질 평가가 반드시 필요하다.

현재 이동 전화망을 통해 전송되는 음성 신호는 음성 부호화기로 압축된 디지털 신호들로 표현되며, 이 신호들이 재생되는 음성 신호의 음질에서 차지하는 중요도는 크게 차이가 있다. 따라서 이동 전화망의 음질은 음성 신호의 특성을 고려한 방법으로 평가하여야 한다.

음질 평가는 기본적으로 여러 사용자의 반복 청취실험을 통한 주관적 음질 평가 방법에 의해 이루어질 수 있다. 그러나 이 방법은 이용자의 체감 음질과 직접적인 관계가 있다는 장점에도 불구하고, 다양한 환경에서 반복해서 수행하기에는 많은 시간과 노력 및 비용이 소모되므로 적합하지 않다. 따라서 주관적 음질과 상관 관계가 높은 객관적 척도로 주관적 음질을 예측하는 것이 바람직하다.

한편, 음질 평가는 평가하고자 하는 음성 신호를 음질 평가 실험자가 직접 듣고 주관적 판단에 따라 음질을 평가하는 주관적 음질 평가 방법과 계산에 의한 원 음성 신호와 왜곡 음성 신호의 대수적 차이를 이용하는 객관적 음질 평가 방법이 있다.

먼저, 주관적 음질 평가 방법은, 양방향 청취에 의한 대화식 평가법과 단방향 청취에 의한 청취법으로 대별된다. 이중 대화식 평가법은 완벽한 통신 시스템이 완성된 단계에서만이 이루어질 수 있으며, 음성 부호화기의 개발 단계나 이동 전화망의 설치 단계 등에서는 적용이 불가능하다. 따라서 수행이 용이한 청취식 평가법이 보편적으로 사용된다.

청취식 평가법에는 왜곡된 음성 신호만을 듣고 평가를 내리는 절대 음질 평가법(ACR : Absolute Category Rating), 원 음성 신호와 왜곡된 음성 신호를 듣고 왜곡 정도를 평가하는 왜곡 음질 평가법(DCR : Degradation Category Rating)과 두 개의 왜곡된 음성 신호를 듣고 비교하는 비교 음질 평가법(CCR : Comparison Category Rating)이 있다.

그 중에서 실제 전화 이용 환경과 가장 유사하게 비교 음성 신호 없이 음질 평가를 실시하는 절대 음질 평가법은, MOS(Mean Opinion Score) 평가방법을 이용한다. 상기 MOS 평가방법은 실험자가 왜곡된 음성 신호를 들은 후 음성 신호의 왜곡 정도를 아래의 [표1]과 같이 5단계로 평가하는 방법이다.

MOS 평가 등급

Rate	Speech Quality	Level of Distortion
5	Excellent	Imperceptible
4	Good	Just perceptible but not annoying
3	Fair	Perceptible and slightly
2	Poor	Annoying but not objetionable
1	Bad	Very annoying and objectionable

그러나 이러한 주관적 음질 평가 방법은 주지한 바와 같이, 사람에 의해서 직접적으로 평가되므로 실제 사용자의 체감 음질을 가장 잘 표현할 수 있다는 장점이 있는 반면에, 시간과 비용이 많이 소요되는 단점이 있다.

이러한 주관적 음질 평가 방법의 단점을 개선하기 위해서, 근래 각광받고 있는 음질 평가 방법이 객관적 음질 평가 방법이다.

객관적 음질 평가 방법은, 평가가 이루어지는 영역에 따라 시간 영역에서의 평가, 주파수 영역에서의 평가 및 심리 음향 영역에서의 평가로 분류할 수 있다.

먼저 시간 영역에서의 객관적 음질 평가는 신호 대 잡음비(SNR : Signal to Noise Ratio), 구간별 신호대 잡음비(SegSNR : Segmental SNR)가 있다. 이 방법들은 원 음성 신호와 왜곡된 음성 신호간의 자승 평균 오차를 이용하는 방법으로, 32Kbps이상의 전송률을 갖는 파형 부호화기의 성능 평가에 적합하다.

주파수 영역에서의 객관적 음질 평가는 스펙트랄 거리(SD : Spectral Distance), 대수적 스펙트랄 거리(LSD : Log Spectral Distance) 등이 있다. 이러한 방법 중 LPC-CD는 음성 신호의 포락선 성분의 차이를 계산하며, 16 ~ 32 Kbps의 전송률을 갖는 음성 부호화기의 성능 평가에 적합하다.

심리 음향 영역에서의 객관적 음질 평가는 원 음성 신호와 왜곡된 음성 신호에 인간의 청각적 특성을 반영한 심리 음향 모델을 이용하여 두 음성 신호의 왜곡정도를 측정하는 방법으로, BSD(Bark Spectral Distortion), PLP-CD(Perceptual Linear Predictive-Cepstrum Distance), MNB(Measuring Normalizing Blocks), PSQM(Perceptual Speech Quality Measure) 등이 있다.

한편, 상기와 같은 객관적 음질 평가 척도로 주관적 음질을 예측할 수 있으며, 첨부한 도면 도 1은 종래 객관적 음질 평가 척도로 주관적 음질을 예측하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 1에서 Phase Ⅰ의 훈련 단계에서는 이동 전화망에서 왜곡된 음성 신호에 대해 사람들이 느끼는 보편적인 경향을 직접 소리를 듣고 평가하는 주관적 평가(Subjective Test)를 통하여 분석한 뒤, 이에 대한 객관적 평가(Obiective Test)와의 관계를 분석한다.

이를 통하여 Phase Ⅱ의 평가 단계에서 객관적 평가 방법만으로도 왜곡된 음성에 대해 사람들이 느끼는 주관적 음질을 계산을 통하여 예측할 수 있도록 한다.

이를 좀 더 상세히 설명하면, 이동전화 시스템에서 음성은 단말기의 음성 부호화기에 의하여 부호화 된 후 무선 채널을 거쳐 기지국에 전달된다. 부호화된 음성은 다시 복호화되어 공중전화망(PSTN)을 거쳐 일반 사용자에게 들려진다. 이 때에 사용자가 느끼는 음질 저하는 음성 부호화기, 채널 에러, PSTN 등에 기인한다.

도 1에서 훈련 단계의 셀룰러 시스템은 상기와 같은 음성 부호화기나 MNRU(Modulated Noise Reference Unit)등에 의하여 왜곡된 음성을 출력하는 부분이며, 이렇게 왜곡된 음성은 주관적 평가를 위한 부분과 객관적 평가를 위한 부분에 동시에 전달된다.

주관적 음질 평가 부분에서는 MOS(Mean Opinion Score) 평가를 수행하여 주관적 음질 평가를 한다. 즉, MOS 평가는 한 샘플의 음성에 대하여 여러 명의 청취자가 듣고, 각각 1점(최하 점수 : 음질이 아주 나쁜 상태)에서 5점(최고 점수 : 음질이 아주 좋은 상태)사이의 주관적인 평가를 내린후 이의 평균값을 주관적 평가치로 출력한다.

객관적 음질 평가 부분에서는 원음과 왜곡음의 유사성의 차이를 수학적으로 계산한다. 음질을 평가하는 전통적인 방법으로 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio : SNR), 구간별 신호대 잡음비(Segmental SNR : SegSNR)등이 사용된다. SNR은 시간 영역에서 원음과 왜곡음의 대수적 차이를 의미하는 데 주로 파형 부호화기의 음질을 평가하는 데 적합하다. 음성 주파수 스펙트럼의 포락선 차이를 나타내는 선형 예측 켑스트랄 거리(Linear Predictive Coefficient-Cepstral Distance : LPC_CD)는 16k ~ 32kbps 음성 부호화기의 음질을 평가하기 위하여 사용되었다. 최근에 와서 주관적 음질과 상관 관계를 높이기 위하여 인간의 청각적 특징을 이용하여 음질을 평가하는 방법들이 많이 연구되고 있다.

다음으로 훈련 단계의 회귀 분석 부분에서는 상기 주관적 평가 방법에서 얻어지는 주관적 음질 평가치와 상기 객관적 평가 방법에서 얻어지는 객관적 음질 평가치를 회귀 분석을 하여 주관적 음질을 예측하기 위한 예측 함수를 추출한다.

다음으로, 평가 단계에서의 셀룰러 시스템은 훈련 단계에서와 같이 왜곡된 음성 신호를 출력하고, 객관적 평가 부분에서는 원 음성 신호와 상기 셀룰러 시스템에서 출력되는 왜곡된 음성을 전술한 바와 같이 수학적으로 계산하여 객관적 음질 평가치를 출력한다.

그러면 회귀 함수에 객관적 평가치를 매핑하는 부분에서, 훈련 단계에서 얻어지는 회귀 함수에 입력 음성에 대한 객관적 평가치를 대입하여 그 결과치를 주관적 음질 예측값(Estimated MOS)으로 출력한다.

즉, 주관적 음질 평가 방법을 계산에 의한 객관적 음질 평가 방법으로 대체함으로써 소모되는 많은 시간과 비용 및 노력을 줄일 수 있다.

한편, 객관적 음질평가 척도로 음성의 주관적 음질을 예측하기 위해서 종래에는 아래의 [수학식1]과 같은 2차 회귀 함수를 사용한다.

여기서 x는 객관적 음질 척도, y는 예측된 주관적 음질, 그리고 a,b,c는 회귀 계수이다.

왜곡음에 대하여 객관적 음질평가 결과가 나오면 미리 결정된 상기 [수학식1]에 대입하여 주관적 음질을 예측한다.

일반적으로 객관적 음질평가 결과는 왜곡의 정도에 따라 왜곡이 없을 경우에는 '0'의 값을 갖고, 왜곡의 정도에 따라 양의 값을 갖는다.

첨부한 도면 도 2는 종래 음성 데이터에 대하여 주관적/객관적 음질 평가를 실시한 후 회귀 분석을 한 결과이다.

여기서 가로축은 객관적 음질 평가 결과, 세로축은 MOS, 실선은 2차 회귀 함수, ''은 실제 음성 샘플의 객관적 음질 평가 결과와 MOS값을 의미한다. 2차 함수는 대칭 축을 중심으로 서로 대칭인 모습을 가지므로 객관적 음질 평가값이 4이상인 경우는 주관적 음질을 제대로 예측할 수 없으며, 2차 함수의 대칭축 오른쪽인 10이상인 경우 음질이 더 나빠짐에도 불구하고 예측 함수 결과는 음질이 좋아지게 되는 등 잘못된 예측 결과가 나타남을 알 수 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 객관적 음질 척도로 주관적 음질의 예측시 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명의 목적은, 이동전화 시스템 등의 음질 평가에서 객관적 음질 평가 척도로 주관적 음질을 예측하는 경우 새로운 회귀 함수를 정의하고, 그 정의한 회귀 함수를 이용하여 보다 더 정확히 주관적 음질을 예측토록 한 객관적 음질 평가 척도를 이용한 주관적 음질 예측 방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

음성 데이터 베이스에 대하여 개관적 음질 평가와 주관적 음질 평가를 수행하고, 이렇게 하여 얻어지는 객관적/주관적 음질 평가치를 사용하여 주관적 음질 평가 척도의 최소 가능값과 최대 가능값을 점근선으로 갖는 회귀 함수로 회귀 분석을 한다. 그런 다음 왜곡된 음성에 대해서 객관적 음질 평가를 수행하고, 상기 회귀 분석에서 얻어지는 회귀 함수에 상기 객관적 음질 평가치를 대입하여 그 결과치를 주관적 음질 예측값으로 출력한다.

도 1은 종래 객관적 음질 평가 척도를 이용한 주관적 음질 예측 방법을 설명하기 위한 설명도이고,

도 2는 종래 주관적 음질 예측 회귀 함수의 그래프도이고,

도 3은 본 발명에 의한 객관적 음질 평가 척도를 이용한 주관적 음질 예측방법을 보인 흐름도이고,

도 4는 본 발명에 의한 주관적 음질 예측 함수의 그래프도이다.

이하 상기와 같은 기술적 사상에 따른 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도면 도 3은 본 발명에 의한 객관적 음질 평가 척도를 사용한 주관적 음질 예측 방법을 보인 흐름도이다.

도시된 바와 같이, 음성 데이터 베이스에 대해서 객관적 음질 평가와 주관적 음질 평가를 수행하는 단계(S10)와, 상기 단계(S10)에서 얻어지는 객관적 음질 평가치와 주관적 음질 평가치를 사용하여 주관적 음질 평가 척도의 최소 가능값과 최대 가능값을 점근선으로 갖는 회귀 함수로 회귀 분석을 수행하는 단계(S20)와, 왜곡된 음성에 대해 객관적 음질을 평가하는 단계(S30)와, 상기 회귀 함수에 객관적 음질 평가치를 대입하여 그 결과치를 주관적 음질 예측 값으로 출력하는 단계(S40)로 이루어진다.

이와 같이 이루어지는 본 발명에 의한 객관적 음질 평가 척도를 이용한 주관적 음질 예측 방법은, 먼저 단계 S10에서 음성 데이터 베이스에 대해서 객관적 음질 평가와 주관적 음질 평가를 수행한다.

여기서 주관적 음질 평가는 MOS(Mean Opinion Score) 평가를 수행하여 주관적 음질 평가를 한다. 즉, MOS 평가는 한 샘플의 음성에 대하여 여러 명의 청취자가 듣고, 각각 1점(최하 점수 : 음질이 아주 나쁜 상태)에서 5점(최고 점수 : 음질이 아주 좋은 상태)사이의 주관적인 평가를 내린후 이의 평균값을 주관적 평가치로 출력한다.

또한, 객관적 음질 평가는 원음과 왜곡음의 유사성의 차이를 수학적으로 계산한다. 음질을 평가하는 전통적인 방법으로 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio : SNR), 구간별 신호대 잡음비(Segmental SNR : SegSNR)등이 사용된다. SNR은 시간 영역에서 원음과 왜곡음의 대수적 차이를 의미하는 데, 주로 파형 부호화기의 음질을 평가하는 데 적합하다. 음성 주파수 스펙트럼의 포락선 차이를 나타내는 선형 예측 켑스트랄 거리(Linear Predictive Coefficient-Cepstral Distance : LPC_CD)는 16k ~ 32kbps 음성 부호화기의 음질을 평가하기 위하여 사용된다.

다음으로 단계 S20에서는 상기 객관적 음질 평가 수행후 얻어지는 객관적 음질 평가치와 상기 주관적 음질 평가 수행후 얻어지는 주관적 음질 평가치를 사용하여 주관적 음질 평가 척도의 최소 가능값과 최대 가능값을 점근선으로 갖는 다음의 [수학식2]와 같은 회귀 함수로 회귀 분석을 한다.

여기서 x는 객관적 음질 척도, y는 예측된 주관적 음질, a,b는 회귀 계수, min(S)는 주관적 음질평가 값의 최소값, max(S)는 주관적 음질 평가값의 최대값을 나타낸다.

대표적인 주관적 음질 평가 방법인 MOS 평가의 경우, min(S)는 1, max(S)는 5의 값을 갖는다. 상기 [수학식2]는 a가 양수일 때 x가 양수일 경우 증가하는 함수이며, 주관적 음질 평가가 MOS인 경우 1과 5를 점근선으로 가지므로 MOS 결과의 범위와 일치한다.

다음으로, 단계 S30에서 왜곡된 음성에 대해 객관적 음질 평가를 수행하고, 단계 S40에서는 상기 얻어진 회귀 함수에 상기 객관적 음질 평가치를 대입하여 그 결과치를 주관적 음질 예측 값으로 출력한다.

이렇게 새로이 정의한 회귀 함수를 이용하여 회귀 분석을 하고, 객관적 음질평가 척도를 사용하여 주관적 음질을 예측하는 경우, 그 결과치는 도 4와 같다.

즉, 도 4는 도 2와 동일한 음성 데이터로 제안된 회귀 함수를 사용하여 회귀 분석한 결과이다. 그 결과 음성 왜곡이 매우 심하여 객관적 음질 평가값이 매우 증가하였을 때도 도 2와는 달리 계속 낮은 주관적 음질을 예측함을 알 수 있다.

이상에서 상술한 본 발명 '객관적 음질 평가 척도를 사용한 주관적 음질 예측 방법'에 따르면, 회귀 계수가 결정되는 훈련 단계에서 사용된 왜곡 음성보다 심한 왜곡이 발생한 경우에도 최적으로 주관적 음질을 예측할 수 있는 이점이 있다.

또한, 주지한 바와 같이 객관적 음질 평가 척도를 이용하여 정확하게 주관적 음질 예측이 가능하므로, 기존 주관적 음질 평가에 소요되는 시간 및 비용과 노력을 줄일 수 있는 효과도 있다.

Claims (2)

1. 객관적 음질 평가 척도를 이용하여 주관적 음질을 예측하는 방법에 있어서,

   음성 데이터 베이스에 대해서 객관적 음질 평가와 주관적 음질 평가를 수행하는 제 1 단계와;

   상기에서 얻어지는 객관적 음질 평가치와 주관적 음질 평가치를 사용하여 주관적 음질 평가 척도의 최소 가능값과 최대 가능값을 점근선으로 갖는 회귀 함수로 회귀 분석을 수행하는 제 2 단계와;

   왜곡된 음성에 대해 객관적 음질을 평가하는 제 3 단계와;

   상기 회귀 함수에 객관적 음질 평가치를 대입하여 그 결과치를 주관적 음질 예측 값으로 출력하는 제 4 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 객관적 음질 평가 척도를 이용한 주관적 음질 예측방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 단계의 회귀 함수는,

   인 것을 특징으로 하는 객관적 음질 평가 척도를 이용한 주관적 음질 예측방법.

   상기에서, x는 객관적 음질 척도, y는 예측된 주관적 음질, a,b는 회귀 계수, min(S)는 주관적 음질평가 값의 최소값, max(S)는 주관적 음질 평가값의 최대값을 각각 나타낸다.