KR101035726B1 - 오디오 출력 신호 이득 조정 방법 - Google Patents

오디오 출력 신호 이득 조정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 주변의 배경 잡음 예측을 통해 오디오 기기의 오디오 출력 신호 이득을 조정하는 방법에 있어서, 주파수 구간별로 상기 음향 신호의 에너지를 측정하는 단계; 상기 측정된 음향 신호의 에너지에 대하여 상기 주파수 구간별로 신호대 접음비와 분산을 산출하여 상기 음향 신호가 배경 잡음인지의 여부를 판단하는 단계; 상기 음향 신호가 배경 잡음으로 판단된 경우, 배경 잡음 에너지 추정치를 업데이트 하는 단계; 및 상기 배경 잡음 에너지 추정치를 기준으로 상기 오디오 출력 신호의 이득 조정 여부를 결정하고, 상기 오디오 출력 신호를 조정하도록 결정된 경우, 상기 오디오 출력 신호의 이득을 조정하는 단계;를 포함하는 오디오 출력 신호 이득 조정 방법을 제공한다.
오디오 출력 신호, 이득, 배경 잡음, 이득 조정, 디지털 멀티미디어

Description

오디오 출력 신호 이득 조정 방법{Method for adjusting gain of audio output signal}
본 발명은 오디오 출력 신호의 이득을 조정하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 발명은 디지털 멀티미디어 방송 수신기 또는 디지털 멀티미디어 재생 단말기 등에 있어서 외부에서 입력되는 음향 신호에 따라 오디오 출력의 이득을 제어하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-048-03, 과제명: 오디오 비디오 신호처리용 임베디드 DSP Platform].
최근 출시되고 있는 디지털 멀티미디어 방송 수신기 또는 디지털 멀티미디어 재생 단말기의 경우, 사용자가 위치한 환경에 따라 디지털 오디오에 대한 청취 감도가 현저히 달라진다. 예를 들어, 길을 걸어가다 디지털 멀티미디어 방송을 청취할 경우에, 주위에 지나가는 자동차 소음으로 인하여 청취에 방해를 받을 수 있으며, 특히, 자동차 내에서 청취할 경우, 차량의 속도에 따른 소음으로 인해 청취 감도가 현저하게 떨어지게 된다.
따라서, 종래 기술에 따르면 청취 감도를 증대시키기 위해서는 사용자가 주위 소음에 따라 볼륨을 일일이 조작하여야 사용하는 불편한 점이 있었다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 디지털 멀티미디어 방송수신기 또는 디지털 멀티미디어 재생 단말기의 사용자가 위치한 환경의 배경 잡음 정도에 따라 단말기의 오디오 출력에 대한 이득을 자동으로 조정할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 이러한 상기 목적을 달성하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 오디오 출력 신호 이득 조정 방법은, 주변의 배경 잡음 예측을 통해 오디오 기기의 오디오 출력 신호 이득을 조정하는 방법에 있어서, 주파수 구간별로 상기 음향 신호의 에너지를 측정하는 단계; 상기 측정된 음향 신호의 에너지에 대하여 상기 주파수 구간별로 신호대 접음비와 분산을 산출하여 상기 음향 신호가 배경 잡음인지의 여부를 판단하는 단계; 상기 음향 신호가 배경 잡음으로 판단된 경우, 배경 잡음 에너지 추정치를 업데이트 하는 단계; 및 상기 배경 잡음 에너지 추정치를 기준으로 상기 오디오 출력 신호의 이득 조정 여부를 결정하고, 상기 오디오 출력 신호를 조정하도록 결정된 경우, 상기 오디오 출력 신호의 이득을 조정하는 단계;를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 배경 잡음인지의 여부를 판단하는 단계는, 상기 신호대 잡음비에 대응하는 신호 매트릭의 값이 기설정된 값 이하인 경우 상기 음향 신호를 배경 잡음으로 판단할 수 있다.
또한, 다른 실시예에서, 상기 배경 잡음인지의 여부를 판단하는 단계는, 일련의 연속된 프레임에 대하여 상기 음향 신호의 에너지의 합이 기설정된 값 이상이고, 상기 음향 신호의 에너지의 분산이 기설정된 값 이하인 경우 상기 음향 신호를 배경 잡음으로 판단할 수 있다.
그리고, 상기 배경 잡음 에너지 추정치를 업데이트 하는 단계는, 현재 프레임에 대한 상기 주파수 구간별 에너지와 이전 프레임의 배경 잡음 에너지 추정치를 평활 필터링 하여 상기 배경 잡음 에너지 추정치를 업데이트할 수 있다.
상기 경우에 있어서, 상기 배경 잡음인지의 여부를 판단하는 단계는, 상기 업데이트된 배경 잡음 에너지 추정치를 다음 프레임에서 입력되는 음향 신호에 대한 상기 주파수 구간 별 에너지의 신호대 잡음비를 계산하는 데 이용될 수 있다.
한편, 상기 오디오 출력 신호의 이득을 조정하는 단계는, 상기 평활 필터링된 상기 배경 잡음 에너지 추정치가 기설정된 값 이상인 경우 상기 오디오 출력 신호의 이득을 조정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 디지털 멀티미디어 방송 단말기 또는 디지털 멀티미디어 재생 단말기 등과 같은 음향 기기에 있어서 외부의 배경 잡음이 있더라도 충분한 오디오 출력을 제공할 수 있어, 사용자의 청취 만족도를 향상시키는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 오디오 출력 신호 이득 조정 방법에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오디오 신호 이득 조정 방법에 대한 플로우차트이다.
도 1을 참조하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 오디오 신호 이득 조정 방법은, 주파수 구간별로 음향 신호의 에너지를 측정하는 단계(S110), 측정된 에너지에서 주파수 구간별로 신호대 잡음비와 분산을 계산하여 상기 음향 신호가 배경 잡음인지의 여부를 결정하는 단계(S120), 음향 신호가 배경 잡음으로 판단된 경우(S130-예), 배격 잡음 추정치를 업데이트하는 단계(S140), 추정된 배경 잡음 추정치가 문턱값보다 큰 경우(S150-예), 오디오 출력 신호의 이득을 조정하는 단계(S160)를 포함한다. 특히, 상기 각 단계들은, 오디오 출력 신호의 프레임별로 반복 수행되는 것이 바람직하다.
이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 오디오 출력 신호 이득 조정 방법을 단계별로 도 1 및 2를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
도 2는 도 1에 도시된 오디오 출력 신호 이득 조정 방법을 더욱 상세하게 도시한 플로우차트이다. 먼저, 단말기 등의 입력부(예를 들어, 마이크)를 통해 외부 환경의 음향 신호 S(n)가 입력되면 주파수 영역 분석을 통해 음향 신호의 정보를 추출한다(S210). 또한, 입력된 음향 신호는, 주파수 영역 분석을 위해, 예를 들어, HPF(High Pass Filter)와 같은 전처리 과정이 수행될 수 있다. 음향 신호(S(k))는 DFT(Discrete Fourier Transform)를 이용하여 다음의 수학식 1과 같이 구할 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 다른 방식으로 입력된 신호가 처리될 수 있다.
Figure 112008088466701-pat00001
이와 같이 구해진 S(k)는 다음의 수학식 2를 이용하여 주파수 구간(각각의 주파수 구간을 '서브 밴드'라고도 한다)별로 배경 잡음의 에너지가 측정된다(S220).
Figure 112008088466701-pat00002
여기에서, m은 현재 프레임, Nsb는 주파수 구간의 개수, Emin은 최소 허용 에너지, asb(m)은 에너지 평활 지수(smoothing factor)를 의미한다. 또한, i 번째 주파수 구간의 시작과 끝을 각각 fL(i) 및 fH(i)로 나타내며, 이는 다음의 수학식 3으로 표현될 수 있다.
Figure 112008088466701-pat00003
이와 같이 계산된 주파수 구간별 에너지들은 다음의 수학식 4를 이용하여 신호대 잡음비(SNR(i))를 구한다(S260).
Figure 112008088466701-pat00004
여기에서, SNR(i)은 예로서 0에서 89의 값으로 제한되었으며, 크기 인자(scale factor) SCF_FAC는 0.375로 설정하였다. 상기 SNR(i) 값은 수학식 5와 같은 신호 메트릭(metric)에 대입하여 음향 신호가 배경 잡음인지 아닌지(예를 들어, 정상(stationary) 신호인지 또는 비정상(non-stationay) 신호를 검사함으로써)를 구분하는 하나의 파라미터로서 이용할 수 있다(S50).
Figure 112008088466701-pat00005
여기에서, V는 다음의 수학식 6으로 표현될 수 있다.
Figure 112008088466701-pat00006
다음으로, 이상에서 계산된 v(m), Etot(m) 및 DEVE(m)을 이용하여 오디오 신호의 이득의 업데이트 여부를 결정한다(S240).
먼저, 상술한 바와 같이 신호대 잡음비로부터, 예를 들어, 상기 음성 매트릭을 통해 계산된 값 v(m)이 기설정된 값 이하인 경우, 즉, 음향 신호 대비 신호의 신호대 잡음비가 낮은 경우에는 음향 신호는 배경 잡음으로 분류되어 오디오 출력 신호를 업데이트하도록 결정된다(S240). 예를 들어, 음성 신호의 경우 음성의 특성상 고정적으로 깔려있는 신호에 비하여 신호대 잡음비가 크며, 이에 따라 음향 신호 중 음성에 의한 신호는 배경 잡음으로 분류하지 않는다. 예를 들어, 디지털 멀티미디어 방송 수신기 또는 디지털 멀티미디어 재생 단말기 등을 청취하는 경우, 다른 사람의 대화 등에 의해 들리는 잡음은 의사 소통 및 청취자의 안전을 위해서 음성에 의한 신호가 입력된다 하더라도 이를 오디오 출력 신호의 이득을 조정하는데에는 이용하지 않아, 청취 만족도를 더 높일 수 있다.
음향 신호가 배경 잡음이 아닌 것으로 판단된 경우(즉, v(m)이 기설정된 값을 초과하는 경우)(도 1의 S130-아니오), 다시 음향 신호를 분석한다. 먼저, 음향 신호의 에너지의 합과 분산을 다음의 수학식 7 및 8을 이용하여 계산한다(S230).
상기 주파수 구간별 에너지(Esb(m,i))들은 전술한 바와 같은 파라미터를 구하는데 이용되는 이외에도, 에너지의 합(Etot(m))과 분산(DEVE(m))을 구하는데에도 이용된다).
Figure 112008088466701-pat00007
Figure 112008088466701-pat00008
여기에서,
Figure 112008088466701-pat00009
이고,
Figure 112008088466701-pat00010
이며, a(m)은 지수함수 윈도우 지수(exponential windowing facrtor)로서 현재 입력에 대한 함수를 나타내며, 큰 입력에 대하여 긴 지수의 윈도우(exponential window)가 적용되는 효과를 갖는다.
다음으로, 계산된 음향 신호의 에너지의 합과 분산을 이용하여 오디오 출력 신호의 이득의 업데이트 여부가 결정되는데(S140, S240), 도 1의 단계 S130에서 음향 신호가 배경 잡음으로 분류되지 않더라도, 음향 신호의 에너지의 합이 기설정된 값보다 크고, 분산이 기설정된 값보다 더 작은 경우는 상기 음향 신호는 배경 잡음으로 분류된다. 주변에 깔린 잡음들이 일정한 에너지 이상을 가지는 경우 청취를 방해할 수 있고, 특히 청취에 방해가 되는 잡음들은 각 주파수별로 고르게 분포하는 경향이 있으므로, 에너지의 합이 일정 수준 이상이고 분산이 일정 수준 이하라면 이는 배경 잡음으로 분류되어 오디오 출력 신호의 업데이트를 필요로 한다.
업데이트를 하도록 결정된 경우, 오디오 출력 신호의 이득이 조정된다. 이 때, 주파수 구간별 배경 잡음의 에너지는 평활 필터를 이용하여 다음의 수학식 9와 같이 해당 프레임의 배경 잡음이 계산되며(S270), 계산된 배경 잡음에 따라 배경 잡음 추정 및 이득 조정 플래그가 설정되어(S280) 오디오 출력 신호의 이득이 조정될 수 있다.
Figure 112008088466701-pat00011
여기에서, Emin는 0.0625이며. 각 주파수 구간별 최소 허용 에너지를 나타내며, an 는 0.9로 각 주파수 구간별 평활 지수를 나타낸다.
한편, 추정된 배경 잡음 에너지는 저장되어(S290) 음향 신호의 신호대 잡음비 신호를 계산하는데 더 이용될 수 있다(S260).
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 오디오 신호 이득 조정 방법에서 입력되는 음향 신호를 주파수 분석을 통해 정성성(stationarity)을 검사함으로써 배경잡음 여부를 판단하여 배경 잡음으로 판단된 경우 배경 잡음 추정치를 업데이트하도록 결정하는 과정에 대한 플로우차트를 도시한다.
이러한 과정은 다음과 같은 의사 코드로 코딩될 수 있다.
update_flag = FALSE;
if (v(m) ≤ UPDATE_TH) {
update_count = 0;
update_flag = TRUE;
}
else if((Etot(m) > NOISE_FLOOR) and (DEVE(m) < DEV_TH)) {
update_cnt += 1;
if (update_cnt ≥ UPDATE_CNT_TH)
update_flag = TRUE;
}
if (update_cnt == last_update_cnt)
hysteresis_cnt += 1;
else
hysteresis_cnt = 0;
last_update_cnt = update_cnt
if (hysteresis_cnt > HYSTERESIS_CNTTH)
update_cnt = 0;
상기 의사 코드와 도 3을 함께 설명하면, 먼저 업데이트 플래그(update_flag)가 FALSE로 리셋된다(S310). 그 다음, 수학식 5에서 얻어진 신호 매트릭 v(m)이 업데이트 문턱값(UPDATE_TH) 이하인지 판단된다(S320). v(m)<UPDATE_TH이면(S320-예), 업데이트 플래그를 "TRUE"로 설정하고(S330), 업데이트 카운터도 0으로 설정한다(S340). 만약 v(m)이 UPDATE_TH 이상이면(S320-아니오), 음향 신호 에너지의 합인 Etot(m)과 기설정된 값인 NOISE_FLOOR가 비교되며, 동시에 음향 신호 에너지의 분산인 DEVE(m)이 분산의 문턱값인 DEV_TH와 비교된다(S350). Etot(m)이 NOISE_FLOOR 보다 크고 DEVE(m)이 DEV_TH보다 작으면(S350-예) 업데이트 카운터를 증가시키며(S360), 업데이트 카운터의 값(update_cnt)이 업데이트 카운터 문턱값인 UPDATE_CNT_TH보다 같거나 큰 경우에는 업데이트 플래그를 "TRUE"로 설정한다(S360-예). 즉, 음향 신호의 에너지의 합이 기설정된 값 이상이고, 음향 신호의 에너지의 분산이 기설정된 값 이하라면, 배경 잡음 판단을 위한 업데이트 카운터를 증가시키고(S360), 현재 프레임에서 업데이트 카운터가 기설정된 값(UPDATE_CNT_TH) 이상인 경우, 즉, 연속된 일련의 프레임들이 잠정적인 배경 잡음으로 판정된 경우 배경 잡음 에너지를 추정하기 위해 업데이트 플래그를 "TRUE"로 설정한다(S340).
이때, 업데이트 카운터의 값(update_cnt)은 직전 프레임의 업데이트 카운터의 값(last_update_cnt)과 비교되며, 서로 같은 값이라면, 이력 카운터 값을 증가 시키며 그렇지 않은 경우 이력 카운터 값을 0으로 설정한다. 그 다음, 이전 업데이트 카운터의 값을 현재의 업데이트 카운터의 값으로 설정하며, 이력 카운터 값을 기설정된 이력 카운터 문턱값과 비교하여 업데이트 카운터 값을 0으로 설정한다. 즉, 현재 프레임의 업데이트 카운터가 기설정된 개수의 연속된 프레임 동안 직전 프레임의 업데이트 카운터와 동일한 경우(S380), 업데이트 카운터를 리셋(S390)하여, 업데이트 카운터가 일정한 연속 프레임 구간 동안 동일한 값을 유지하는 경우 배경 잡음 구간이 종료된 것으로 판단한다.
이렇게 하여 구해진 배경 잡음 에너지 추정치인 En(m)가 기설정된 임계값인 "ENERGY_BGN_TH"와 같거나 클 경우, 이득 조정 플래그인 gain_ctl_flag가 "TRUE" 설정된다 이 과정에 대한 의사 코드는 다음과 같다.
gain_ctl_flag = FALSE;
if (En(m) ≥ ENERGY_BGN_TH) {
gain_ctl_flag = TRUE;
}
이와 같은 이득 조정 플래그가 TRUE로 설정된 경우, 오디오 기기는 오디오 신호의 출력 이득을 증대시키게 한다.
이러한 과정을 통하여, 배경 잡음이 있는 경우, 배경 잡음의 에너지를 추정 하여 오디오 신호의 출력 이득을 조절할 때, 입력되는 음향 신호의 정상성(stationarity)을 기준으로 비정상(non-stationary) 신호(예를 들어, 음성 등)의 영향을 배제함으로써 이를 채용한 디지털 멀티미디어 방송 수신기/재생 단말기 등의 사용자에 대한 청취 품질의 만족도를 높일 수 있다. 한편, 상기 설명에서는 본 발명의 실시예들이 디지털 멀티미디어 기기에 적용되는 것으로 기재되었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 다양한 오디오 기기에 적용될 수 있다.
이상, 본 발명의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명되었다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이며, 이 또한 첨부된 청구범위에 기재된 기술적 사상에 속한다 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오디오 출력 신호 이득 조정 방법에 대한 플로우차트이다.
도 2는 도 1의 오디오 출력 신호 이득 조정 방법에 대한 더욱 상세한 플로우차트이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 오디오 신호 이득 조정 방법에서 음향 신호를 주파수 분석을 통해 배경잡음 여부를 판단하여 배경 잡음 추정치를 업데이트 결정하는 과정에 대한 플로우차트이다.

Claims (6)

  1. 주변의 배경 잡음 예측을 통해 오디오 기기의 오디오 출력 신호 이득을 조정하는 방법에 있어서,
    주파수 구간별로 음향 신호의 에너지를 측정하는 단계;
    상기 측정된 음향 신호의 에너지에 대하여 상기 주파수 구간별로 신호대 접음비와 분산을 산출하여 상기 음향 신호가 배경 잡음인지의 여부를 판단하는 단계;
    상기 음향 신호가 배경 잡음으로 판단된 경우, 배경 잡음 에너지 추정치를 업데이트 하는 단계; 및
    상기 배경 잡음 에너지 추정치를 기준으로 상기 오디오 출력 신호의 이득 조정 여부를 결정하고, 상기 오디오 출력 신호를 조정하도록 결정된 경우, 상기 오디오 출력 신호의 이득을 조정하는 단계;
    를 포함하는 오디오 출력 신호 이득 조정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배경 잡음인지의 여부를 판단하는 단계는, 상기 신호대 잡음비에 대응하는 신호 매트릭의 값이 기설정된 값 이하인 경우 상기 음향 신호를 배경 잡음으로 판단하는 것을 특징으로 하는 오디오 출력 신호 이득 조정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배경 잡음인지의 여부를 판단하는 단계는, 일련의 연속된 프레임에 대하여 상기 음향 신호의 에너지의 합이 기설정된 값 이상이고, 상기 음향 신호의 에너지의 분산이 기설정된 값 이하인 경우 상기 음향 신호를 배경 잡음으로 판단하는 것을 특징으로 하는 오디오 출력 신호 이득 조정 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배경 잡음 에너지 추정치를 업데이트 하는 단계는,
    현재 프레임에 대한 상기 주파수 구간별 음향신호의 에너지와 이전 프레임의 배경 잡음 에너지 추정치를 평활 필터링 하여 상기 배경 잡음 에너지 추정치를 업데이트 하는 것을 특징으로 하는 오디오 출력 신호 이득 조정 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 오디오 출력 신호의 이득을 조정하는 단계는, 상기 평활 필터링된 상기 배경 잡음 에너지 추정치가 기설정된 값 이상인 경우 상기 오디오 출력 신호의 이득을 조정하는 것을 특징으로 하는 오디오 출력 신호 이득 조정 방법.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배경 잡음인지의 여부를 판단하는 단계는, 상기 업데이트된 배경 잡음 에너지 추정치를 다음 프레임에서 입력되는 음향 신호에 대한 상기 주파수 구간 별 음향신호의 에너지의 신호대 잡음비를 계산하는 데 이용되는 것을 특징으로 하는 오디오 출력 신호 이득 조정 방법.
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