KR20100072751A - 잡음 제거 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 잡음 제거 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 잡음환경에서의 음성인식을 위해 잡음이 포함된 입력음성으로부터 동적 잡음이 제거된 깨끗한 음성을 추정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호 : 2006-S-036-03, 과제명 : 신성장동력산업용 대용량 대화형 분산 처리 음성인터페이스 기술개발].
주지하는 바와 같이, 음성인식 기술의 상용화를 위해 가장 큰 장애가 되는 문제는 잡음으로 인한 인식 성능 저하이다. 깨끗한 잡음 환경에서는 거의 완벽한 성능을 갖는 음성인식 시스템도 잡음이 존재하는 실제 환경에서는 인식 성능이 크게 저하되는 것을 흔하게 볼 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 지금까지 여러 가지 접근방식이 제시되었는데, 대표적으로 신호처리 기반에서의 스펙트럼 향상(signal-processing based spectral enhancement) 기법과 통계모델 기반 모델적응(statistical-model-based model adaptation) 기법이 있다.
스펙트럼 향상 기법은 음성이 존재하지 않는 구간에서의 잡음 스펙트럼을 추정한 후 이 값을 잡음이 부가된 입력신호의 스펙트럼으로부터 차감하는 방식이며, 스펙트럼 차감(spectrum subtraction) 기법과 결정 지향(decision-directed) 기반의 워너(wiener) 필터(wiener filter with the decision directed) 기법이 가장 널리 많이 쓰이는 방식이다. 결정 지향 기반 워너 필터는 2 스테이지(stage)로 확장된 형태로 ETSI AFE(Advanced Front-End) 표준으로 채택되었고, 정적 잡음(stationary noise)을 제거하는 데에 매우 효과적이라 알려져 있다.
통계모델 기반 모델적응 기법은 입력 잡음신호를 수정하는 대신 음향모델 (일반적으로 은닉 마르코브 모델(hidden markov model))을 잡음상황에 맞도록 변환하는 방식으로 대표적으로 PMC(Parallel Model Compensation) 기법이 있다. PMC는 깨끗한 음성과 잡음을 각각 다른 모델로 표현하고 이 두 모델을 결합하여 잡음이 섞인 음성을 모델링하는 방식으로 잡음 모델에 포함된 잡음 환경에 대해서는 다른 기법에 비해 좋은 성능을 보이고 있다.
전술한 바와 같이 종래 기술에 의하면 잡음이 존재하는 환경에서의 음성인식 성능 향상을 위해 여러 가지의 잡음 제거 기술이 제시되었으나 음성인식의 성능 저 하는 여전히 발생하며, 잡음 환경에서 동적 잡음의 제거 효율이 정적 잡음에 비해 미진하여 만족할만한 음성인식 성능을 보장하지 못하는 문제점이 있다. 예컨대, 워너 필터는 잡음 변화가 심한 환경과 여러 가지의 잡음이 혼재하는 환경에서 성능 향상이 제한되는 단점이 있다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안한 것으로서, 잡음 변화가 심한 환경과 여러 가지의 잡음이 혼재하는 환경에서 잡음 제거 효율을 향상시켜 깨끗한 음성을 보다 정확히 추정하여 음성 인식 성능을 높일 수 있는 잡음 제거 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 제 1 관점으로서 잡음 제거 장치는, 입력 음성신호에 포함된 잡음성분을 추정할 수 있는 잡음 추정부와, 추정한 상기 잡음성분으로부터 사후 확률값을 추정할 수 있는 사후 확률 추정부와, 추정한 상기 사후 확률값에 의거하여 잡음 가우시안 혼합 모델을 상기 입력 음성신호에 적응할 수 있는 잡음 파라미터 적응부와, 적응한 상기 잡음 가우시안 혼합 모델과 음성 가우시안 혼합 모델 및 상기 입력 음성신호를 입력으로 하여 잡음과 음성신호를 1차적으로 분리할 수 있는 음성/잡음 분리부와, 분리한 상기 음성신호에 남아있는 잔여 잡음성분을 제거할 수 있는 잡음 제거부를 포함한다.
여기서, 상기 잡음 추정부는, IMCRA(Improved Minima Controlled Recursive Average) 방식을 사용하여 상기 잡음성분을 추정한다.
상기 잡음 파라미터 적응부는, 상기 사후 확률 추정부에 의해 얻어진 상기 사후 확률값에 비례해서 상기 잡음 가우시안 혼합 모델의 각 가우시안 혼합의 가중치값을 조정한다.
상기 음성/잡음 분리부는, 소프트 마스킹(soft masking) 기법을 사용하여 상기 잡음과 상기 음성신호를 분리한다.
상기 잡음 제거부는, 결정 지향 기반의 워너 필터를 이용하여 상기 잔여 잡음성분을 제거한다.
본 발명의 제 2 관점으로서 잡음 제거 방법은, 입력 음성신호에 포함된 잡음성분을 추정하는 단계와, 추정한 상기 잡음성분으로부터 사후 확률값을 추정하는 단계와, 추정한 상기 사후 확률값에 의거하여 잡음 가우시안 혼합 모델을 상기 입력 음성신호에 적응하는 단계와, 적응한 상기 잡음 가우시안 혼합 모델과 음성 가우시안 혼합 모델 및 상기 입력 음성신호를 입력으로 하여 잡음과 음성신호를 1차적으로 분리하는 단계와, 분리한 상기 음성신호에 남아있는 잔여 잡음성분을 제거하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 잡음성분을 추정하는 단계는, IMCRA 방식을 사용하여 상기 잡음성분을 추정한다.
상기 입력 음성신호에 적응하는 단계는, 상기 사후 확률값을 추정하는 단계에 의해 얻어진 상기 사후 확률값에 비례해서 상기 잡음 가우시안 혼합 모델의 각 가우시안 혼합의 가중치값을 조정한다.
상기 1차적으로 분리하는 단계는, 소프트 마스킹 기법을 사용하여 상기 잡음과 상기 음성신호를 분리한다.
상기 잔여 잡음성분을 제거하는 단계는, 결정 지향 기반의 워너 필터를 이용하여 상기 잔여 잡음성분을 제거한다.
본 발명에 의하면 잡음 변화가 심한 환경과 여러 가지의 잡음이 혼재하는 환경에서 잡음 제거 효율을 향상하기 위해, 소프트 마스킹 기법 등과 같은 음성/잡음 분리기법을 통해 음성과 잡음의 분리 기능을 강화하고, 잡음 가우시안 혼합 모델이 입력 신호에 대한 잡음성분을 모델링하는데 한계가 있는 점을 보완하기 위해 잡음적응 기법을 사용함으로써, 깨끗한 음성을 보다 정확히 추정하여 음성 인식 성능을 높이는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 일부 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 잡음 제거 장치의 블록 구성도이다.
이에 나타낸 바와 같이 본 발명의 잡음 제거 장치는, 입력 음성신호에 포함된 잡음성분을 추정할 수 있는 잡음 추정부(130)와, 추정한 잡음성분으로부터 사후 확률값을 추정할 수 있는 사후 확률 추정부(140)와, 추정한 사후 확률값에 의거하여 잡음 가우시안 혼합 모델(110)을 입력 음성신호에 적응할 수 있는 잡음 파라미터 적응부(150)와, 적응한 잡음 가우시안 혼합 모델(110)과 음성 가우시안 혼합 모델(120) 및 입력 음성신호를 입력으로 하여 잡음과 음성신호를 1차적으로 분리할 수 있는 음성/잡음 분리부(160)와, 분리한 음성신호에 남아있는 잔여 잡음성분을 제거할 수 있는 잡음 제거부(170) 등을 포함한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 잡음 제거 장치에 의한 잡음 제거 과정을 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.
먼저, 잡음 추정부(130)는 잡음과 음성이 혼합된 입력 음성신호로부터 대략적인 잡음성분의 추정치를 얻어낸다(S205). 잡음추정을 위해서는 예컨대, IMCRA 등의 방식을 사용할 수 있다. 이렇게 추정된 잡음성분은 잡음 가우시안 혼합 모델(110)을 현재 잡음상태에 맞게 적응하는 데에 사용하게 된다.
사후 확률(posterior probability) 추정부(140)는 잡음 추정부(130)로부터 추정된 잡음성분이 잡음 가우시안 혼합 모델(110)에서 갖는 사후 확률값을 얻어낸다(S207). 이는 아래의 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
잡음 가우시안 혼합 모델(110)은 음성인식 시스템이 사용되는 실제환경(가정환경, 자동차, 전시장 등)에서 수집한 잡음 데이터베이스를 이용해서 미리 훈련(S201)된 것으로서 해당 시스템이 사용되는 환경의 잡음을 모델링한다. 음성 가우시안 혼합 모델(120)은 잡음이 없는 환경에서 수집된 음성 데이터베이스로부터 훈련(S203)되어 잡음이 제거된 깨끗한 음성을 모델링한다. 잡음 가우시안 혼합 모델(110)과 음성 가우시안 혼합 모델(120)은 K개의 혼합으로 이루어진 가우시안 혼합 모델을 가정하면 아래의 수학식 2와 같이 기술할 수 있다.
잡음 파라미터 적응부(150)는 사후 확률 추정부(140)에 의해 얻어진 사후 확률값에 비례해서 잡음 가우시안 혼합 모델(110)의 각 가우시안 혼합의 가중치값을 조정한다. 즉, 사후 확률값이 높은 가우시안은 현재 상태에서의 잡음성분을 더 잘 모델링한다고 가정하고, 해당 가우시안 혼합의 값을 사후 확률값에 비례하여 조정한다(S209).
음성/잡음 분리부(160)는 음성 가우시안 혼합 모델(120)과 잡음 파라미터 적응부(150)에 의해 현재 잡음환경에 대해 적응된 잡음 가우시안 혼합 모델(110)과 입력 음성신호를 입력으로 하여 음성/잡음을 1차적으로 분리하는 기능을 수행한다. 예컨대, 소프트 마스킹 기법 등의 음성/잡음 분리 기법을 사용할 수 있다(S211).
음성/잡음 분리부(160)에서 음성으로 분리된 성분에는 잔여 잡음성분이 존재할 수 있기에 이를 제거하기 위해 잡음 제거부(170)는 1차적으로 분리한 음성신호에 남아있는 잔여 잡음성분을 제거하여 최종의 깨끗한 음성을 추정한다(S213). 잡음 제거부(170)는 예컨대, 결정 지향 기반의 워너 필터를 이용하여 음성이 존재하지 않는 구간에서의 잡음 스펙트럼을 추정한 후 이 값을 잡음이 부가된 입력신호의 스펙트럼으로부터 차감하는 스펙트럼 향상 기법을 이용할 수 있다.
이렇게 추정된 깨끗한 음성은 실제 음성인식 시스템의 입력으로 사용된다.
본 발명에 의한 잡음 제거 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성 가능하다. 이 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 해당 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 정보저장매체(computer readable media)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 잡음 제거 방법을 구현한다. 정보저장매체는 자기 기록매체, 광 기록매체 및 캐리어 웨이브 매체를 포함한다.
지금까지 본 발명에 대하여 그 일부 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 잡음 제거 장치의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 잡음 제거 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 잡음 가우시안 혼합 모델 120 : 음성 가우시안 혼합 모델
130 : 잡음 추정부 140 : 사후 확률 추정부
150 : 잡음 파라미터 적응부 160 : 음성/잡음 분리부
170 : 잡음 제거부
Claims (10)
- 입력 음성신호에 포함된 잡음성분을 추정할 수 있는 잡음 추정부와,추정한 상기 잡음성분으로부터 사후 확률값을 추정할 수 있는 사후 확률 추정부와,추정한 상기 사후 확률값에 의거하여 잡음 가우시안 혼합 모델을 상기 입력 음성신호에 적응할 수 있는 잡음 파라미터 적응부와,적응한 상기 잡음 가우시안 혼합 모델과 음성 가우시안 혼합 모델 및 상기 입력 음성신호를 입력으로 하여 잡음과 음성신호를 1차적으로 분리할 수 있는 음성/잡음 분리부와,분리한 상기 음성신호에 남아있는 잔여 잡음성분을 제거할 수 있는 잡음 제거부를 포함하는 잡음 제거 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 잡음 추정부는, IMCRA(Improved Minima Controlled Recursive Average) 방식을 사용하여 상기 잡음성분을 추정하는잡음 제거 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 잡음 파라미터 적응부는, 상기 사후 확률 추정부에 의해 얻어진 상기 사후 확률값에 비례해서 상기 잡음 가우시안 혼합 모델의 각 가우시안 혼합의 가중치값을 조정하는잡음 제거 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 음성/잡음 분리부는, 소프트 마스킹(soft masking) 기법을 사용하여 상기 잡음과 상기 음성신호를 분리하는잡음 제거 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 잡음 제거부는, 결정 지향 기반의 워너 필터를 이용하여 상기 잔여 잡음성분을 제거하는잡음 제거 장치.
- 입력 음성신호에 포함된 잡음성분을 추정하는 단계와,추정한 상기 잡음성분으로부터 사후 확률값을 추정하는 단계와,추정한 상기 사후 확률값에 의거하여 잡음 가우시안 혼합 모델을 상기 입력 음성신호에 적응하는 단계와,적응한 상기 잡음 가우시안 혼합 모델과 음성 가우시안 혼합 모델 및 상기 입력 음성신호를 입력으로 하여 잡음과 음성신호를 1차적으로 분리하는 단계와,분리한 상기 음성신호에 남아있는 잔여 잡음성분을 제거하는 단계를 포함하는 잡음 제거 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 잡음성분을 추정하는 단계는, IMCRA(Improved Minima Controlled Recursive Average) 방식을 사용하여 상기 잡음성분을 추정하는잡음 제거 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 입력 음성신호에 적응하는 단계는, 상기 사후 확률값을 추정하는 단계에 의해 얻어진 상기 사후 확률값에 비례해서 상기 잡음 가우시안 혼합 모델의 각 가우시안 혼합의 가중치값을 조정하는잡음 제거 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 1차적으로 분리하는 단계는, 소프트 마스킹(soft masking) 기법을 사용하여 상기 잡음과 상기 음성신호를 분리하는잡음 제거 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 잔여 잡음성분을 제거하는 단계는, 결정 지향 기반의 워너 필터를 이용하여 상기 잔여 잡음성분을 제거하는잡음 제거 방법.
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