음성 신호를 압축한 후, 주관적 왜곡 없이 복원하기 위한 부호화 연구는 대역 제한된 채널에 적용하기 위해 전송률을 더욱 낮추기 위한 연구 분야와 전송률은 높더라도 복잡도 및 성능 면에서 효과적인 연구 분야로 나눌 수 있다. 본 논문에서는 기존 시스템의 절반에 해당하는 전송률에서도 비슷한 성능을 유지함으로써 디지털 셀룰라 표준화안으로의 가능성이 가장 높은 음성 부호화 방법들에 대해 비교 설명하고, 전송률을 좀 더 낮추기 위해 진행되고 있는 새로운 연구 경햐에 대해 고찰한다. 또한, 전송률은 높더라도 기존 방법에 비해 복잡도는 매우 낮은 부호화기에 대한 설명을 통해 향후 연구 방향에 대해 언급하고자 한다.
본 논문에서는 음성 신호 시간축 분할의 새로운 기법으로, 비트율과 왜곡을 함께 고려한 기법이 제안되었다. 시간축 분할에 필요한 보간 함수는 학습 음성 데이터로부터 얻어진다. 보간 함수는 두 타겟간의 길이에 따라 유일하게 결정되므로 보간 함수는 추가 정보없이 표현된다. 타겟 샘플은 비트율을 최소화시키면서 동시에 최대 스펙트럼 오차가 문턱 치보다 작게 되도록 선택하였다. 제안된 기법은 음성 부호화기의 스펙트럼 변수로 널리 사용되는 LSP계수의 부호화에 적용되었으며, 모의실험 결과 평균적으로 8 bits/Frame의 비트율에서 1.4 dB의 스펙트럼 왜곡이 얻어짐을 알 수 있었다.
한국음향학회 1998년도 제15회 음성통신 및 신호처리 워크샵(KSCSP 98 15권1호)
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pp.3-11
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1998
정보통신 문화가 발달함에 따라 디지털 이동통신이나, 멀티미디어, 음성우편 시스템 등 음성을 이용한 여러 가지 새로운 산업들이 급속히 성장하고 있다. 이 중에서도 특히 디지털 이동통신분야에 대한 연구가 활발한데, 이는 디지털 시스템에서는 부호화기를 사용하여 음성신호를 압축하기 때문에 아날로그 시스템에 비해 패널 증대를 가져올 수 있기 때문이다. 이처럼 음성 부호화기는 실질적인 상업화와 매우 밀접한 관계를 갖고 있기 때문에 그에 대한 연구가 화발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 먼저 일반적인 음성부호화 방법들에 대해 살펴본 다음에, 현재 디지털 셀룰라 시스템에서 사용하고 있는 full-rate 음성 부호화기 및 half-rate 음성 부호화기의 표준화 동향과 최근에 여러 응용분야에서 널리 사용되고 있는 음성 부호화기에 대해서 설명하기로 한다. 또한 ITU-T 의 표준화 동향 및 4kbps 이하의 전송률을 갖는 음성 부호화기의 연구추세에 대해서 살펴보기로 한다.
본 논문에서는 디지털방송과 인터넷의 융합에 따른 MPEG-2/4/7 방송 및 인터넷 콘텐츠를 비롯한 게임등과 같은 다양한 멀티미디어 서비스를 제공하기 위한 차세대 지능형 고품질 홈 엔터테인먼트 시스템 Platform 개발에서 사용될 MPEG-4 오디오를 개발한다. 인터넷 상에서의 스트리밍 서비스를 위해서는 저 전송률과 고 품질의 비디오/오디오 알고리즘이 필요하다. 이러한 서비스를 제공하기 위하여 MPEG-4 오디오는 음성에서 고품질의 다중 채널의 오디오까지, 그리고 자연음(Natural Sound)에서 합성음에 이르기까지 다양한 알고리즘을 제공한다. 본 논문에서는 지능형 고품질 미디어 에이전트 시스템에 적합한 MPEG-4 AAC, MPEG-1 Layer-3인 MP3, G.723.1을 구현하고, 이 시스템에 알맞은 7㎑ 대역폭을 가지는 광대역(Wideband) 음성신호를 16kbps로 압축하는 음성 압축기를 제안 및 개발한다.
오디오 부호화 기술에서 SBR은 고대역의 시판-주파수 정보를 저대역으로부터 구하고 보정 파라미터를 이용하여 고대역 정보를 보정하여 고대역 신호를 합성하는 기술이다. SBR은 고대역 정보의 부호화를 위하여 보정 파라미터만 전달하므로 매우 적은 비트로 오디오 신호를 압축할 수 있도록 하며, MPEG-4 HE-AAC의 핵심 모듈로 사용되고 있다. SBR은 원래 오디오 신호를 기반으로 개발되었기 때문에 음성 입력에 대하여 성능이 저하되는 문제점을 가지며, 성능 저하의 대표적인 이유는 톤 성질이 부정확하게 계산되어 잡음 레벨이 높게 설정되고 복원된 고대역 정좌에 과도한 잡음이 포함되기 때문이다. 본 논문에서는 음성 신호에 대한 SBR 성능 저하 문제를 해결하기 위하여 잡음 레벨을 입력 음성 신호의 특성에 맞게 가변적으로 적용하는 기술을 제안한다. 제안하는 SBR은 기존의 SBR과 호환성을 유지하며, 주관적 평가를 통하여 기존 SBR에 비하여 남성 음성에 대한 성능이 향상된 것을 확인하였다.
음성부호화의 주요목적은 대역 제한된 전송 대역폭에 전송을 하기위한 음성압축, 명료성과 자연성을 유지하는 고음질 음성합성, 그리고 처리 속도등의 요소에 따라 달라진다. 일반적으로 음성 부호화 방법은 파형 부호화범, 신호원 부화화법, 그리고 혼성 부호화법으로 나누어질 수 있다. 이러한 방법으로 전송되어진 음성은 다시 합성을 하게되는데, 이때 고음질을 유지할 수 있는 PSOLA법을 사용하였다. 본 논문에서 제안한 방법으로 전송되어진 음성은 다시 합성을 하게되는데, 이때 고음질에 유지 할 수 있는 PSOLA법을 사용하였다. 본 논문에서 제안한 방법은 기존의 PSOLA 합성법에서 사용되어지는 hanning 윈도우가 음성이 갖는 golttal wave shape의 특성에 적합하지 않다는 것을 이용하여 기존의 hanning 윈도우가 아닌 비대칭성을 가진 새로운 형태의 비대칭 윈도우(asymmetry window)를 제안하였다. 비대칭 윈도우의 형태는 위도우를 중심으로 왼쪽편은 기울기가 심하고, 오른쪽은 기울기가 완만하여 음성의 기울기에 적합한 웨이팅을 갖는 형태이다. 제안한 비대칭 윈도우를 사용하여 PSOLA 합성을 하였을 경우 SNR 2~3dB 정도 향상되었음을 알 수 있다.
이용 가능한 데이터 영역과 전송전력 등 다양한 제한 요소들로 인하여 지그비 통신의 기술규격에는 음성통신에 대한 기준 사양이 포함되지 않았다. 본 논문에서는 지그비의 기반인 IEEE 802.15.4 표준에 적용하기 위한 음성부호화 기법이 제시된다. 여기서는 높은 압축율과 파형 복구능력이 우수한 파형부호기의 실현이 필수적이다. 이를 위하여 제시된 방법에서는 다단 이산 웨이블릿변환과 두 가지 펄스부호변조로 구성된 이진부호기가 사용된다. 이론적인 분석과 실내 무선 환경에서의 모의실험 결과 2단 웨이블릿변환을 적용한 경우가 압축율과 음성신호 복구능력 면에서 가장 적합한 것으로 판단된다. 직선전파경로 성분이 지배적인 경우 제시된 방법은 중간 정도의 신호 대 잡음비에서도 만족스러운 복구능력을 가진다. 따라서 제시된 음성부호화 방법은 향후 지그비를 이용한 음성통신의 표준 선정에 참고 가능한 기술이 될 수 있을 것으로 사료된다.
본 논문에서는 음성 신호기의 4.8 Kbps에서 효율적인 배음 축척과 결합된 트리 부호기를 실현한다. 음성신호를 2대 1 압축하기 위해 TDHS 알고리즘을 사용한다. 이 과정은 4.8 Kbps에서 6.4 KHz 샘플링율을 적용하면 트리 부호기에 1.5 비트/샘플을 할당할 수 있다. 트리 부호기의 견실성은 short-term 예측기의 적응시 사용되는 입력 신호를 효율적 선택함으로써 개선되어진다. 또한 채널에서 전송에러기 트리 부호기의 성능은 피치 예측기에 스무더를 부가함으로써 개선된다. 배음 축척과 결합된 트리 부호기는 4.8 Kbps 전송률에서 좋은 질의 음성을 출력한다.
본 논문에서는 고음질 음성부호화 및 압축, 음성인식 및 합성등의 성능개선에 있어서 중요한 파라메터인 피치정보를 실시간으로 검출하기 위해 연구를 수행하였다. 이를 위하여 변복조 스폿(spot) 전극을 적용한 새로운 EGG(Electroglottograph) 측정 시스템을 개발하여 이용한 안정된 피치검출 알고리즘을 연구하였다. 구체적으로 EGG 신호에 의한 성문 닫힘시점을 실시간으로 결정하여 EGG 기반의 피치궤적 알고리즘을 개발하였고, 음성신호만의 피치궤적 추적기와 성능비교를 수행하여 우월한 성능을 가짐을 보였다. 또한, EGG 신호를 이용한 음성분석을 수행하여 한국인에 있어서 성문의 다양한 진동신호 패턴의 측정 및 분석을 통해 한국인 음원의 모델과 성문신호 패턴에 대한 정량적인 해석을 하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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