KR102003520B1 - 신호 처리 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

신호 처리 장치 및 그 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 신호 처리 장치는 골 전도 마이크를 통해 제1 음성 신호를 입력받는 입력부, 제1 음성 신호의 주파수 성분을 이용하여 기설정된 임계 주파수 대역에 포함되는 주파수를 가지는 제2 음성 신호를 생성하고, 제1 및 제2 음성 신호를 조합하여 확장 음성 신호를 생성하는 음성 신호 처리부, 글로벌 필터가 저장된 저장부, 제1 음성 신호의 주파수 성분을 고려하여, 글로벌 필터를 조정하는 필터 조정부 및 조정된 글로벌 필터값이 적용된 확장 음성 신호의 노이즈를 제거하는 노이즈 제거부를 포함한다. 이에 따라, 고 잡음 환경에서도 골 전도 마이크를 이용하여 사용자에게 높은 수준의 음질을 제공할 수 있다.

Description

신호 처리 장치 및 그 방법{Signal processing apparatus and method thereof}
본 발명은 신호 처리 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 골 전도 마이크를 통해 입력되는 음성 신호에 대한 음질 향상을 위한 신호 처리 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 사용자의 발화 음성은 고 잡음 환경에서 발화 음성에 섞여있는 노이즈로 인해 정확한 음성 구간 검출이 불가능하며, 이런 잡음으로 인하여 입력된 음성 자체의 고유한 특징을 추출하기가 어렵다.
이 같은 문제를 개선하기 위해서 골 전도 마이크(Bone Conduction Microphone)이 이용된다. 이 같은 골 전도 마이크는 사용자의 음성 발성으로 인한 뼈와 두개골의 진동을 측정하여 음성 신호를 출력하는 마이크로써, 공기를 통해 전달되는 동안 발화 음성에 노이즈가 섞이는 일반 에어 마이크(Air conduction Microphone)과 달리 진동을 측정하여 취득되는 특성상의 요인으로 노이즈의 유입이 적어 고 잡음 환경에서 유용하게 이용된다. 그러나, 이 같은 골 전도 마이크는 뼈와 두개골의 진동을 측정하여 음성 신호를 출력하기 때문에, 일반 에어 마이크와 달리 입력되는 음성 신호의 고주파 성분이 많이 감쇄된다. 따라서, 골 전도 마이크를 통해 출력되는 음성 신호를 스피커를 통해 들을 경우, 사용자의 발화 음성은 명확하지 않고 둔탁한 느낌을 받게 된다.
따라서, 이 같은 문제점을 개선하기 위해서 종래의 신호 처리 장치는 골 전도 마이크와 일반 에어 마이크를 사용하는 2채널 방식 또는 골 전도 마이크와 일반 에어 마이크 2개를 사용하는 3 채널 방식을 통해 골 전도 마이크로부터 입력되는 음성 신호에 대한 음질을 개선하였다.
구체적으로, 종래의 신호 처리 장치는 개별 사용자에 맞추어 미리 골 전도 마이크 및 에어 마이크를 통해 입력된 발화 음성에 대한 음성 신호의 구간 별 메그니튜드(magnitude) 비를 계산한 후, 각 메그니튜드 값이 평균값을 통해 필터값을 획득한다. 이후, 사용자의 발화 음성에 대한 음성 신호가 골 전도 마이크를 통해 입력되면, 신호 처리 장치는 입력된 음성 신호 별 메그니튜드에 기획득한 필터값을 곱해주어 출력 음성 신호를 생성한다.
그러나, 이 같은 필터값을 생성하는 과정에 있어서, 특정 사용자의 조건에 기초하여 필터값이 생성되기 때문에, 또다른 사용자의 발화 음성에 대한 음성 신호가 골 전도 마이크를 통해 입력될 경우, 신호 처리 장치는 해당 사용자의 조건에 기초하여 전술한 필터값 생성 과정을 재수행해야 하는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 필요성에 따라 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 고 잡음 환경에서도 골 전도 마이크를 이용하여 사용자에게 높은 수준의 음질을 제공하기 위함을 목적으로 한다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호 처리 장치는 골 전도 마이크를 통해 제1 음성 신호를 입력받는 입력부, 상기 제1 음성 신호의 주파수 성분을 이용하여 기설정된 임계 주파수 대역에 포함되는 주파수를 가지는 제2 음성 신호를 생성하고, 상기 제1 및 상기 제2 음성 신호를 조합하여 확장 음성 신호를 생성하는 음성 신호 처리부, 글로벌 필터가 저장된 저장부, 상기 제1 음성 신호의 주파수 성분을 고려하여, 상기 글로벌 필터를 조정하는 필터 조정부 및 상기 조정된 글로벌 필터값이 적용된 상기 확장 음성 신호의 노이즈를 제거하는 노이즈 제거부를 포함한다.
그리고, 상기 음성 신호 처리부는, 상기 제1 음성 신호와 상기 제2 음성 신호를 가산한 후 정규화를 수행하여 상기 확장 음성 신호를 생성할 수 있다.
또한, 상기 음성 신호 처리부는 아래 수식을 이용하여 상기 제2 음성 신호 및 상기 확장 음성 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 장치
Figure 112012076938011-pat00001
,
Figure 112012076938011-pat00002
이며, 여기서,
Figure 112012076938011-pat00003
은 상기 제1 음성 신호를 저주파 필터에 통과시킨 신호값,
Figure 112012076938011-pat00004
는 상기 제2 음성 신호값,
Figure 112012076938011-pat00005
는 상기 확장 음성 신호값, k는 주파수 값, l은 시간축 프레임 값, i는 입력된 제1 음성 신호의 로우 밴드의 주파수 값(low_b)에서 하이 밴드의 주파수 값(high_b) 사이의 주파수 값일 수 있다.
그리고, 상기 글로벌 필터는 복수의 피실험자에 의해 발화된 테스트 음성에 대한 골 전도 마이크의 센싱값 및 일반 에어 마이크의 센싱값을 각각 복수의 구간으로 구분하고, 각 구간 별로 두 센싱값을 비교한 비교 결과의 평균값을 산출한 후 산출된 평균값을 수집하여 생성한 이퀄라이제이션 필터일 수 있다.
또한, 상기 조정된 글로벌 필터는 아래 수식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 신호 처리 장치
Figure 112012076938011-pat00006
이며, 여기서,
Figure 112012076938011-pat00007
는 글로벌 필터값, k는 주파수값, αagg는 변수일 수 있다.
그리고, 상기 필터 조정부는, 상기 입력부에 입력된 제1 음성 신호의 크기가 기설정된 임계값을 초과하면 상기 변수를 1로 설정하고, 상기 임계값 미만이면 상기 변수를 0 내지 1 사이값으로 설정하여, 상기 글로벌 필터를 조정할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 신호 처리 장치에서 골 전도 마이크를 통해 입력된 음성 신호에 대한 음질 향상을 위한 신호 처리 방법에 있어서, 상기 방법은 상기 골 전도 마이크를 통해 제1 음성 신호를 입력받는 단계, 상기 제1 음성 신호의 주파수 성분을 이용하여 기설정된 임계 주파수 대역에 포함되는 주파수를 가지는 제2 음성 신호를 생성하고, 상기 제1 및 상기 제2 음성 신호를 조합하여 확장 음성 신호를 생성하는 단계, 상기 제1 음성 신호의 주파수 성분을 고려하여, 기저장된 글로벌 필터를 조정하는 단계 및 상기 조정된 글로벌 필터값이 적용된 상기 확장 음성 신호의 노이즈를 제거하는 단계를 포함한다.
그리고, 상기 확장 음성 신호를 생성하는 단계는, 상기 제1 음성 신호와 상기 제2 음성 신호를 가산한 후 정규화를 수행하여 상기 확장 음성 신호를 생성할 수 있다.
또한, 상기 확장 음성 신호를 생성하는 단계는, 아래 수식을 이용하여 상기 제2 음성 신호 및 상기 확장 음성 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법
Figure 112012076938011-pat00008
,
Figure 112012076938011-pat00009
이며, 여기서,
Figure 112012076938011-pat00010
은 상기 제1 음성 신호를 저주파 필터에 통과시킨 신호값,
Figure 112012076938011-pat00011
는 상기 제2 음성 신호값,
Figure 112012076938011-pat00012
는 상기 확장 음성 신호값, k는 주파수 값, l은 시간축 프레임 값, i는 입력된 제1 음성 신호의 로우 밴드의 주파수 값(low_b)에서 하이 밴드의 주파수 값(high_b) 사이의 주파수 값일 수 있다.
그리고, 상기 글로벌 필터는 복수의 피실험자에 의해 발화된 테스트 음성에 대한 골 전도 마이크의 센싱값 및 일반 에어 마이크의 센싱값을 각각 복수의 구간으로 구분하고, 각 구간 별로 두 센싱값을 비교한 비교 결과의 평균값을 산출한 후 산출된 평균값을 수집하여 생성한 이퀄라이제이션 필터일 수 있다.
또한, 상기 조정된 글로벌 필터는 아래 수식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법
Figure 112012076938011-pat00013
이며, 여기서,
Figure 112012076938011-pat00014
는 글로벌 필터값, k는 주파수값, αagg는 변수일 수 있다.
그리고, 상기 기저장된 글로벌 필터를 조정하는 단계는, 상기 입력된 제1 음성 신호의 크기가 기설정된 임계값을 초과하면 상기 변수를 1로 설정하고, 상기 임계값 미만이면 상기 변수를 0 내지 1 사이값으로 설정하여, 상기 글로벌 필터를 조정할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 신호 처리 장치는 골 전도 마이크의 장점을 극대화시키면서, 나아가, 골 전도 마이크를 통해 출력되는 음성 신호의 고주파 성분을 보상하여 일반 에어 마이크에서 출력되는 음성 신호의 수준으로 음질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호 처리 장치의 블록도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리 장치에서 골 전도 마이크를 통해 입력된 음성 신호에 대한 음질 향상 방법의 흐름도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하며 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호 처리 장치의 블록도이다.
일반적으로, 골 전도 마이크는 사용자의 음성 발화로 인한 뼈와 두개골의 진동을 측정하여 사용자의 발화 음성을 오디오 신호로 전환하는 마이크이다. 이 같은 골 전도 마이크는 사용자의 발화 음성이 공기를 통해 전달되는 동안 발생할 수 있는 노이즈를 상당부분 차단할 수 있는 장점을 가지고 있으나, 에어 마이크와 같은 일반 마이크와는 달리 입력되는 음성 신호의 고주파 성분의 수집이 어려워 오디오 신호로 출력되는 사용자의 발화 음성은 다소 둔탁하게 출력되는 단점이 있다. 따라서, 본 발명에 따른 신호 처리 장치는 후술할 도 1의 각 구성을 통해 골 전도 마이크의 장점을 극대화시키면서, 나아가, 골 전도 마이크를 통해 출력되는 음성 신호의 고주파 성분을 보상하여 에어 마이크에서 출력되는 음성 신호의 수준으로 음질을 개선할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 신호 처리 장치는 입력부(110), 음성 신호 처리부(120), 저장부(130), 필터 조정부(140) 및 노이즈 제거부(150)를 포함한다.
입력부(110)는 골 전도 마이크를 통해 제1 음성 신호를 입력받는다. 그리고, 음성 신호 처리부(120)는 제1 음성 신호의 주파수 성분을 이용하여 기설정된 임계 주파수 대역에 포함되는 주파수를 가지는 제2 음성 신호를 생성하고, 제1 및 상기 제2 음성 신호를 조합하여 확장 음성 신호를 생성한다. 저장부(130)는 글로벌 필터가 저장되며, 필터 조정부(140)는 제1 음성 신호의 주파수 성분을 고려하여, 글로벌 필터를 조정한다. 그리고, 노이즈 제거부(150)는 필터 조정부(140)를 통해 조정된 글로벌 필터값이 적용된 확장 음성 신호의 노이즈를 제거한다.
구체적으로, 골 전도 마이크를 통해 생성된 제1 음성 신호가 입력부(110)를 통해 입력되면, 음성 신호 처리부(120)는 제1 음성 신호의 주파수 성분을 이용하여 기설정된 임계 주파수 대역에 포함되는 주파수를 가지는 제2 음성 신호를 생성한다. 여기서, 제2 음성 신호는 제1 음성 신호의 하이 밴드(High Band) 영역이 확장된 음성 신호로써, 음성 신호 처리부(120)는 제1 음성 신호의 로우 밴드(Low Band) 영역의 주파수 성분을 이용하여 제2 음성 신호를 생성할 수 있다.
실시예에 따라, 음성 신호 처리부(120)는 제1 음성 신호의 로우 밴드의 트랜스포지션(Transposition)을 이용한 대역 확장 기법(Artificial Bandwidth Extension : ABE)을 통해 제1 음성 신호의 하이 밴드 영역에 대한 확장된 음성 신호인 제2 음성 신호를 생성할 수 있다. 여기서, 대역 확장 기법은 저주파수 영역인 로우 밴드 영역으로부터 고주파수 영역인 하이 밴드 영역의 음성 신호를 확장하여 원래의 음성 성분을 살려내는 기법이다.
그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 음성 신호 처리부(120)는 스펙트럼 폴딩(Spectral Folding) 기법과 같이, 제1 음성 신호에 포함된 하이 밴드 영역의 음성 신호를 확장하는 기법을 이용할 수 있다. 한편, 전술한 바와 같이, 대역 확장 기법을 통해 제1 음성 신호의 하이 밴드 영역에 대한 확장된 음성 신호인 제2 음성 신호를 생성하는 알고리즘은 아래[수학식 1]와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112012076938011-pat00015
여기서,
Figure 112012076938011-pat00016
는 제2 음성 신호값이 되며, Thr은 주파수 임계값, k는 주파수 빈(bin)에 대한 주파수 값, l은 시간축 프레임 값, i는 입력된 제1 음성 신호의 로우 밴드의 주파수 값(low_b)에서 하이 밴드의 주파수 값(high_b) 사이의 주파수 값이 될 수 있다. 여기서, 로우 밴드의 주파수 값(low_b)과 하이 밴드의 주파수 값(high_b)은 제2 음성 신호를 생성하기 위한 기설정된 구간이 될 수 있다.
따라서, 주파수 빈에 대한 주파수 값(k)이 기설정된 주파수 임계값(Thr)보다 작으면, 음성 신호 처리부(120)는 제1 음성 신호에 포함된 하이 밴드 영역에 대한 제2 음성 신호를 생성하지 않는다.
한편, 주파수 빈에 대한 주파수 값(k)이 기설정된 주파수 임계값(Thr) 이상, 종료 주파수 임계값(End) 미만이면, 음성 신호 처리부(120)는 제1 음성 신호의 로우 밴드 영역의 주파수 성분을 이용하여 기설정된 구간 즉, low_b에서 high_b 사이의 구간에 음성값을 이용하여 임계값(Thr) 이상, 종료 주파수 임계값(End) 미만 구간에 대한 제2 음성 신호를 생성할 수 있다.
예를 들어, 8KHz의 샘플링 레이트(Sampling Rate)를 가지는 제1 음성 신호가 골 전도 마이크를 통해 입력될 수 있다. 이 경우, 최대 주파수 값이 4KHz이고, 기설정된 주파수 임계값(Thr)이 2KHz이면, 음성 신호 처리부(120)는 0 에서 2KHz에 해당하는 음성 신호에 기초하여 2KHz에서 4KHz에 해당하는 음성 신호를 제2 음성 신호로 생성할 수 있다. 또다른 예를 들어, 최대 주파수 값이 4KHz인 제1 음성 신호가 입력되었을 때, 기설정된 주파수 임계값(Thr)이 3KHz이면, 음성 신호 처리부(120)는 0 에서 1KHz에 해당하는 음성 신호에 기초하여 3KHz에서 4KHz에 해당하는 음성 신호를 제2 음성 신호로 생성할 수 있다.
이와 같이, 제2 음성 신호가 생성되면, 음성 신호 처리부(120)는 입력부(110)를 통해 입력된 제1 음성 신호와 생성된 제2 음성 신호를 가산처리하여 확장 음성 신호를 생성한다. 이와 같이, 음성 신호 처리부(120)를 통해 제1 및 제2 음성 신호를 가산처리하여 확장 음성 신호를 생성하는 알고리즘은 아래[수학식 2]와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112012076938011-pat00017
여기서,
Figure 112012076938011-pat00018
는 제1 음성 신호 중 로우 밴드 영역의 음성 신호가 될 수 있다. 이 같은 제1 음성 신호 중 로우 밴드 영역의 음성 신호는 저대역 필터를 통과한 음성 신호가 될 수 있으며,
Figure 112012076938011-pat00019
는 [수학식 1]을 통해 산출된 제2 음성 신호이다. 이와 같이, 음성 신호 처리부(120)는 골 전도 마이크를 통해 입력된 제1 음성 신호 중 저대역 필터를 통과한 음성 신호와 [수학식 1]을 통해 산출된 제2 음성 신호를 가산하여 확장 음성 신호인
Figure 112012076938011-pat00020
를 생성할 수 있다.
한편, [수학식 1]에서 주파수 값(k)이 기설정된 주파수 임계 값(Thr) 미만인 경우, 확장 음성 신호는 입력된 제1 음성 신호가 될 수 있다.
이와 같이, 확장 음성 신호가 생성되면, 음성 신호 처리부(120)는 생성된 확장 음성 신호에 대한 정규화를 수행한다. 이 같이, 확장 음성 신호에 대한 정규화를 수행하는 것은 저대역 필터를 통과한 음성 신호와 제2 음성 신호가 자연스럽게 연결되도록 하기 위한 것으로써, 음성 신호 처리부(120)는 아래[수학식 3]와 정의된 정규화 알고리즘을 통해 확장 음성 신호에 대한 정규화를 수행할 수 있다.
Figure 112012076938011-pat00021
[수학식 3]에서 정의된 바와 같이, 주파수 값(k)이 기설정된 주파수 임계값(Thr) 미만이면, 음성 신호 처리부(120)는 확장 음성 신호에 대한 모든 시간축 프레임에 대해서 동일한 필터를 적용한다. 즉, 주파수 값(k)이 기설정된 주파수 임계값(Thr) 미만이면, 음성 신호 처리부(120)는 확장 음성 신호에 대한 각각의 시간축 프레임별 주파수 빈에 해당하는 주파수 값에 1을 곱한다.
한편, 주파수 값(k)이 기설정된 주파수 임계값(Thr) 이상이면, 신호 처리 장치는
Figure 112012076938011-pat00022
를 통해 산출된 제1 결과값을
Figure 112012076938011-pat00023
를 통해 산출된 제2 결과값으로 나누어 각 프레임 별로 적용할 변수값인
Figure 112012076938011-pat00024
을 생성한다. 여기서, 제1 결과값은 제1 음성 신호의 기설정된 주파수 임계값(Thr)부터 종료 주파수 임계값(End)까지의 합이 될 수 있으며, 제2 결과값은 제2 음성 신호에 해당하는 주파수 임계값(Thr)부터 종료 주파수 임계값(End)까지의 합이 될 수 있다. 이 같은 제1 결과값을 제2 결과값으로 나누어 각 프레임 별로 적용할 변수값이 생성되면, 음성 신호 처리부(120)는 각 프레임 별로 적용할 변수값을 각 프레임별 주파수 빈에 해당하는 주파수 값에 곱하여 확장 음성 신호에 대한 정규화를 수행할 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 골 전도 마이크를 통해 입력된 제1 음성 신호의 주파수 성분을 고려하여, 저장부(130)에 기저장된 글로벌 필터를 조정하는 필터 조정부(140)는 글로벌 필터 조정 알고리즘을 통해 기저장된 글로벌 필터를 조정할 수 있다. 여기서, 저장부(130)에 기저장되는 글로벌 필터는 복수의 피실험자에 의해 발화된 테스트 음성에 대한 골 전도 마이크의 센싱값 및 일반 에어 마이크의 센싱값을 각각 복수의 구간으로 구분하고, 각 구간 별로 두 센싱값을 비교한 비교 결과의 평균값을 산출한 후, 산출된 평균값을 수집하여 생성한 이퀄라이제이션(Equalization) 필터가 될 수 있다. 이 같이, 저장부(130)에 기저장되는 글로벌 필터는 아래[수학식 4]와 같이 정의된 글로벌 필터 알고리즘을 통해 생성될 수 있다.
Figure 112012076938011-pat00025
여기서, FBC(k)는 글로벌 필터값이며, k는 프레임 빈에 대한 주파수 값, l은 시간축 프레임 값, m은 사용자의 인덱스를 의미한다. 이와 같은 글로벌 필터 알고리즘을 통해 복수의 피실험자에 의해 발화된 테스트 음성에 대한 골 전도 마이크의 센싱값 및 일반 에어 마이크의 센싱값을 각각 복수의 구간으로 구분하고, 각 구간 별로 두 센싱값을 비교한 비교 결과의 평균값을 산출한 후, 산출된 평균값을 수집하여 복수의 피실험자들에 대한 글로벌 필터를 획득할 수 있다.
이 같은 글로벌 필터가 저장부(130)에 저장되면, 필터 조정부(140)는 골 전도 마이크를 통해 입력된 제1 음성 신호의 주파수 성분을 고려하여, 저장부(130)에 기저장된 글로벌 필터를 조정할 수 있다. 이 같은 필터 조정부(140)는 아래[수학식 5]와 같이 정의된 글로벌 필터 조정 알고리즘을 통해 저장부(130)에 기저장된 글로벌 필터를 조정할 수 있다.
Figure 112012076938011-pat00026
여기서,
Figure 112012076938011-pat00027
는 글로벌 필터값이며, k는 주파수 값, αagg는 변수이다. 즉, 필터 조정부(140)는 입력부(110)를 통해 골 전도 마이크로부터 입력된 제1 음성 신호의 크기가 기설정된 임계값을 초과하면, 변수 αagg를 1로 설정하고, 임계값 미만이면, 변수 αagg를 0 내지 1 사이 값으로 설정하여 글로벌 필터를 조정할 수 있다. 다시 말해, 제1 음성 신호의 크기가 기설정된 임계값을 초과할 경우, 변수 αagg를 1로 설정함으로써, 입력된 제1 음성 신호는 기저장된 글로벌 필터값으로 보상될 수 있다. 한편, 제1 음성 신호의 크기가 기설정된 임계값 미만이면, 변수 αagg를 0 내지 1 사이 값으로 설정함으로써 보상의 정도를 결정하며, 변수 αagg가 0이면, 입력된 제1 음성 신호는 기저장된 글로벌 필터값으로의 보상이 이루어지지 않는다.
이와 같이, 입력된 제1 음성 신호에 대한 글로벌 필터가 조정되면, 음성 신호 처리부(120)는 아래[수학식 6]와 같이 정의된 출력 음성 신호 알고리즘을 통해 출력 음성 신호를 생성할 수 있다.
Figure 112012076938011-pat00028
즉, 음성 신호 처리부(120)는 위에서 정의된 [수학식 2], [수학식 3], [수학식 5]를 통해 산출된 각각의 결과값에 대한 곱으로 출력 음성 신호인
Figure 112012076938011-pat00029
를 생성할 수 있다.
이와 같이, 출력 음성 신호가 생성되면, 노이즈 제거부(150)는 생성된 출력 음성 신호에 남아있는 노이즈를 제거한다. 실시예에 따라, 노이즈 제거부(150)는 OM-LSA(Optimally Modified Log-spectral Amplitude) 및 IMCRA(Improved Minima Controlled Recursive Average) 기법 중 적어도 하나를 이용하여 게인값을 산출한다. 이후, 노이즈 제거부(150)는 산출된 게인값과 음성 신호 처리부(120)로부터 생성된 출력 음성 신호를 곱셈하여 노이즈가 제거된 출력 음성 신호를 출력한다. 전술한 기법 중 OM-LSA(Optimally Modified Log-spectral Amplitude) 기법은 노이즈 성분 추정 기법을 통해 추정된 노이즈 성분을 이용하여 게인값을 산출하는 기법으로써, 이 같은 기법은 공지된 기술이기에 본 발명에서는 상세한 설명을 생략하도록 한다.
또다른 기법인 IMCRA(Improved Minima Controlled Recursive Average) 기법은 입력된 음성 신호에 대한 노이즈 성분을 추정하는 기법으로써, 이 같은 기법 역시 공지된 기술이기에 본 발명에서는 상세한 설명을 생략하도록 한다. 또한, 본 발명에서는 OM-LSA(Optimally Modified Log-spectral Amplitude) 및 IMCRA(Improved Minima Controlled Recursive Average) 기법에 대해서만 한정하였으나, 이에 한정되지 않으며, 노이즈 성분을 추정 및 제거하는 또다른 기법이 이용될 수 있음이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 신호 처리 장치는 골 전도 마이크의 장점을 극대화시키면서, 나아가, 골 전도 마이크를 통해 출력되는 음성 신호의 고주파 성분을 보상하여 일반 에어 마이크에서 출력되는 음성 신호의 수준으로 음질을 향상시킬 수 있다. 지금까지, 본 발명에 따른 신호 처리 장치의 각 구성에 대해서 상세히 설명하였다. 이하에서는, 본 발명에 따른 신호 처리 장치에서 골 전도 마이크를 통해 입력된 음성 신호에 대한 음질을 향상시키는 방법에 대해서 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리 장치에서 골 전도 마이크를 통해 입력된 음성 신호에 대한 음질 향상 방법의 흐름도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 신호 처리 장치는 골 전도 마이크를 통해 사용자의 발화 음성에 대한 제1 음성 신호를 입력받는다(S210). 이 같은 사용자의 발화 음성에 대한 제1 음성 신호가 골 전도 마이크를 통해 입력되면, 신호 처리 장치는 입력된 제1 음성 신호의 주파수 성분을 이용하여 기설정된 임계 주파수 대역에 포함되는 주파수를 가지는 제2 음성 신호 및 입력된 제1 음성 신호와 제2 음성 신호를 조합하여 확장 음성 신호를 생성한다(S220).
여기서, 제2 음성 신호는 제1 음성 신호의 하이 밴드 영역이 확장된 음성 신호로써, 신호 처리 장치는 제1 음성 신호의 로우 밴드 영역의 주파수 성분을 이용하여 제2 음성 신호를 생성할 수 있다. 실시예에 따라, 신호 처리 장치는 제1 음성 신호의 로우 밴드의 트랜스포지션을 이용한 대역 확장 기법을 통해 제1 음성 신호의 하이 밴드 영역에 대한 확장된 음성 신호인 제2 음성 신호를 생성할 수 있다. 여기서, 대역 확장 기법은 저주파수 영역인 로우 밴드 영역으로부터 고주파수 영역인 하이 밴드 영역의 음성 신호를 확장하여 원래의 음성 성분을 살려내는 기법이다.
그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 신호 처리 장치는 스펙트럼 폴딩 기법과 같이, 제1 음성 신호에 포함된 하이 밴드 영역의 음성 신호를 확장하는 기법을 이용할 수 있다. 한편, 대역 확장 기법을 통해 제1 음성 신호의 하이 밴드 영역에 대한 확장된 음성 신호인 제2 음성 신호를 생성하는 알고리즘은 전술한 [수학식 1]와 같이 정의될 수 있다. 따라서, 신호 처리 장치는 [수학식 1]과 같이 정의된 알고리즘을 통해 제1 음성 신호에 포함된 하이 밴드 영역에 대한 제2 음성 신호인
Figure 112012076938011-pat00030
를 생성할 수 있다.
즉, 주파수 빈에 대한 주파수 값(k)이 기설정된 주파수 임계값(Thr)보다 작으면, 신호 처리 장치는 제1 음성 신호에 포함된 하이 밴드 영역에 대한 제2 음성 신호를 생성하지 않는다. 한편, 주파수 빈에 대한 주파수 값(k)이 기설정된 주파수 임계값(Thr) 이상, 종료 주파수 임계값(End) 미만이면, 신호 처리 장치는 기설정된 구간 즉, low_b에서 high_b 사이의 구간의 로우 밴드 영역의 제1 음성 신호의 주파수 성분을 이용하여 기설정된 주파수 임계값(Thr) 이상, 종료 주파수 임계값(End) 미만 구간에 대한 제2 음성 신호를 생성할 수 있다.
예를 들어, 8KHz의 샘플링 레이트(Sampling Rate)를 가지는 제1 음성 신호가 골 전도 마이크를 통해 입력될 수 있다. 이 경우, 최대 주파수는 4KHz이고, 기설정된 주파수 임계값(Thr)이 2KHz이면, 0에서 2KHz에 해당하는 음성 신호에 기초하여 2KHz에서 4KHz에 해당하는 음성 신호를 제2 음성 신호로 생성할 수 있다. 또다른 예를 들어, 최대 주파수 값이 4KHz인 제1 음성 신호가 입력되었을 때, 기설정된 주파수 임계값(Thr)이 3KHz이면, 0에서 1KHz에 해당하는 음성 신호에 기초하여 3KHz에서 4KHz에 해당하는 음성 신호를 제2 음성 신호로 생성할 수 있다.
이와 같이, 제2 음성 신호가 생성되면, 신호 처리 장치는 골 전도 마이크를 통해 입력된 제1 음성 신호와 전술한 단계 220에서 생성된 제2 음성 신호를 가산처리하여 확장 음성 신호를 생성한다. 이와 같이, 제1 음성 신호 및 제2 음성 신호를 가산처리하여 확장 음성 신호를 생성하는 알고리즘은 전술한 [수학식 2]와 같이 정의될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 음성 신호 중 로우 밴드 영역의 음성 신호는 저대역 필터를 통과한 음성 신호가 될 수 있으며, 제2 음성 신호는 전술한 [수학식 1]을 통해 산출될 수 있다. 따라서, 신호 처리 장치는 전술한 [수학식 2]에서 정의된 알고리즘에 따라 골 전도 마이크를 통해 입력된 제1 음성 신호 중 저대역 필터를 통과하는 음성 신호와 제2 음성 신호를 가산처리하여 확장 음성 신호인
Figure 112012076938011-pat00031
를 생성할 수 있다.
한편, 전술한 [수학식 1]에서 주파수 값(k)이 기설정된 주파수 임계값(Thr) 미만인 경우, 확장 음성 신호는 입력된 제1 음성 신호가 될 수 있다.
이와 같이, 확장 음성 신호가 생성되면, 신호 처리 장치는 생성된 확장 음성 신호에 대한 정규화를 수행한다. 이 같이, 확장 음성 신호에 대한 정규화를 수행하는 것을 저대역 필터를 통과한 음성 신호와 제2 음성 신호가 자연스럽게 연결되도록 하기 위한 것으로써, 신호 처리 장치는 전술한 [수학식 3]을 통해 정의된 정규화 알고리즘을 통해 확장 음성 신호에 대한 정규화를 수행할 수 있다.
전술한 [수학식 3]에서 설명한 바와 같이, 주파수 값(k)이 기설정된 주파수 임계값(Thr) 미만이면, 신호 처리 장치는 확장 음성 신호에 대한 모든 시간축 프레임에 대해서 동일한 필터를 적용한다. 즉, 주파수 값(k)이 기설정된 주파수 임계값(Thr) 미만이면, 신호 처리 장치는 확장 음성 신호에 대한 각각의 시간축 프레임별 주파수 빈에 해당하는 주파수 값에 1을 곱한다.
한편, 주파수 값(k)이 기설정된 주파수 임계값(Thr) 이상이면, 신호 처리 장치는
Figure 112012076938011-pat00032
를 통해 산출된 제1 결과값을
Figure 112012076938011-pat00033
를 통해 산출된 결과값으로 나누어 각 프레임 별로 적용할 변수값인
Figure 112012076938011-pat00034
을 생성한다. 여기서, 제1 결과값은 제1 음성 신호의 기설정된 주파수 임계값(Thr)부터 종료 주파수 임계값(End)까지의 합이 될 수 있으며, 제2 결과값은 제2 음성 신호에 해당하는 주파수 임계값(Thr)부터 종료 주파수 임계값(End)까지의 합이 될 수 있다. 이 같은 제1 결과값을 제2 결과값으로 나누어 각 프레임 별로 적용할 변수값이 생성되면, 음성 신호 처리부(120)는 각 프레임 별로 적용할 변수값을 각 프레임 별 주파수 빈에 해당하는 주파수 값에 곱하여 확장 음성 신호에 대한 정규화를 수행할 수 있다.
이후, 신호 처리 장치는 골 전도 마이크를 통해 입력된 제1 음성 신호의 주파수 성분을 고려하여 기저장된 글로벌 필터를 조정한다(S230). 여기서, 저장부에 기저장되는 글로벌 필터는 복수의 피실험자에 의해 발화된 테스트 음성에 대한 골 전도 마이크의 센싱값 및 일반 에어 마이크의 센싱값을 각각 복수의 구간으로 구분하고, 각 구간 별로 두 센싱값을 비교한 비교 결과의 평균값을 산출한 후, 산출된 평균값을 수집하여 생성한 이퀄라이제이션 필터가 될 수 있다. 이 같이, 저장부에 기저장되는 글로벌 필터는 전술한 [수학식 4]와 같이 정의된 글로벌 필터 알고리즘을 통해 생성될 수 있다.
[수학식 4]에서 정의된 글로벌 필터 알고리즘을 통해 글로벌 필터가 생성되어 저장되면, 신호 처리 장치는 전술한 [수학식 5]와 같이 정의된 글로벌 필터 조정 알고리즘을 통해 기저장된 글로벌 필터를 조정할 수 있다.
[수학식 5]에서 설명한 바와 같이, 골 전도 마이크로부터 입력된 제1 음성 신호의 크기가 기설정된 임계값을 초과하면, 신호 처리 장치는 변수 αagg를 1로 설정하고, 임계값 미만이면, 변수 αagg를 0 내지 1 사이 값으로 설정하여 글로벌 필터를 조정할 수 있다. 다시 말해, 제1 음성 신호의 크기가 기설정된 임계값을 초과할 경우, 신호 처리 장치는 변수 αagg를 1로 설정함으로써, 입력된 제1 음성 신호는 기저장된 글로벌 필터값으로 보상될 수 있다. 한편, 제1 음성 신호의 크기가 기설정된 임계값 미만이면, 신호 처리 장치는 변수 αagg를 0으로 설정함으로써, 입력된 제1 음성 신호는 기저장된 글로벌 필터값으로의 보상이 이루어지지 않는다.
이와 같이, 골 전도 마이크를 통해 입력된 제1 음성 신호에 대한 글로벌 필터가 조정되면, 신호 처리 장치는 전술한 [수학식 6]에서 정의된 출력 음성 신호 알고리즘을 통해 출력 음성 신호를 생성할 수 있다.
[수학식 6]에서 설명한 바와 같이, 신호 처리 장치는 전술한 [수학식 2], [수학식 3], [수학식 5]에서 정의된 각각의 알고리즘을 통해 산출된 결과값에 대한 곱으로 출력 음성 신호를 생성할 수 있다. 이와 같이, 제1 음성 신호에 대한 출력 음성 신호가 생성되면, 신호 처리 장치는 생성된 출력 음성 신호에 남아있는 노이즈를 제거한다(S240). 실시예에 따라, 신호 처리 장치는 OM-LSA(Optimally Modified Log-spectral Amplitude) 및 IMCRA(Improved Minima Controlled Recursive Average) 기법 중 적어도 하나를 이용하여 게인값을 산출한다. 이후, 신호 처리 장치는 산출된 게인값과 [수학식 6]에서 정의된 알고리즘을 통해 생성된 출력 음성 신호를 곱셈하여 노이즈가 제거된 출력 음성 신호를 출력한다. 한편, 본 발명에서는 입력된 음성 신호에 대한 노이즈 제거 기법으로써, OM-LSA 및 IMCRA 기법에 대해서 한정하였으나, 이에 한정되지 않으며, 노이즈 성분을 추정 및 제거하는 또다른 기법이 이용될 수 있음이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 신호 처리 장치는 출력 음성 신호에 남아있는 노이즈를 제거함으로써, 골 전도 마이크의 장점을 극대화시키면서, 나아가, 골 전도 마이크를 통해 출력되는 음성 신호의 고주파 성분을 보상하여 일반 에어 마이크에서 출력되는 음성 신호의 수준으로 음질을 향상시킬 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
110 : 입력부 120 : 음성 신호 처리부
130 : 저장부 140 : 필터 조정부
150 : 노이즈 제거부

Claims (12)

  1. 골 전도 마이크를 통해 제1 음성 신호를 입력받는 입력부;
    상기 제1 음성 신호의 로우 밴드(low band) 영역의 주파수 성분을 이용하여 기설정된 구간 내의 주파수를 가지는 제2 음성 신호를 생성하고, 상기 제1 및 상기 제2 음성 신호를 조합하여 확장 음성 신호를 생성하는 음성 신호 처리부;
    글로벌 필터가 저장된 저장부;
    상기 제1 음성 신호의 주파수 성분을 고려하여, 상기 글로벌 필터를 조정하는 필터 조정부; 및
    상기 조정된 글로벌 필터값이 적용된 상기 확장 음성 신호의 노이즈를 제거하는 노이즈 제거부;
    를 포함하고,
    상기 글로벌 필터는,
    복수의 피실험자에 의해 발화된 테스트 음성에 대한 골 전도 마이크의 센싱값 및 일반 에어 마이크의 센싱값을 각각 복수의 구간으로 구분하고, 각 구간 별로 두 센싱값을 비교한 비교 결과의 평균값을 산출한 후 산출된 평균값을 수집하여 생성한 이퀄라이제이션 필터인 것을 특징으로 하는 신호 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 음성 신호 처리부는,
    상기 제1 음성 신호와 상기 제2 음성 신호를 가산한 후 정규화를 수행하여 상기 확장 음성 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 음성 신호 처리부는 아래 수식을 이용하여 상기 제2 음성 신호 및 상기 확장 음성 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 장치 :
    Figure 112012076938011-pat00035
    ,
    Figure 112012076938011-pat00036
    이며, 여기서,
    Figure 112012076938011-pat00037
    은 제1 음성 신호를 저주파 필터에 통과시킨 신호값,
    Figure 112012076938011-pat00038
    는 상기 제2 음성 신호값,
    Figure 112012076938011-pat00039
    는 상기 확장 음성 신호값, k는 주파수 값, l은 시간축 프레임 값, i는 입력된 제1 음성 신호의 로우 밴드의 주파수 값(low_b)에서 하이 밴드의 주파수 값(high_b) 사이의 주파수 값인 것을 특징으로 하는 신호 처리 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 조정된 글로벌 필터는 아래 수식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 신호 처리 장치 :
    Figure 112018123747995-pat00040
    이며,
    여기서,
    Figure 112018123747995-pat00041
    는 글로벌 필터값, k는 주파수값, αagg는 변수인 것을 특징으로 하는 신호 처리 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 필터 조정부는,
    상기 입력부에 입력된 제1 음성 신호의 크기가 기설정된 임계값을 초과하면 상기 변수를 1로 설정하고, 상기 임계값 미만이면 상기 변수를 0 내지 1 사이 값으로 설정하여, 상기 글로벌 필터를 조정하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 장치.
  7. 신호 처리 장치에서 골 전도 마이크를 통해 입력된 음성 신호에 대한 음질 향상을 위한 신호 처리 방법에 있어서,
    상기 골 전도 마이크를 통해 제1 음성 신호를 입력받는 단계;
    상기 제1 음성 신호의 로우 밴드(low band) 영역의 주파수 성분을 이용하여 기설정된 구간 내의 주파수를 가지는 제2 음성 신호를 생성하고, 상기 제1 및 상기 제2 음성 신호를 조합하여 확장 음성 신호를 생성하는 단계;
    상기 제1 음성 신호의 주파수 성분을 고려하여, 기저장된 글로벌 필터를 조정하는 단계; 및
    상기 조정된 글로벌 필터값이 적용된 상기 확장 음성 신호의 노이즈를 제거하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 글로벌 필터는,
    복수의 피실험자에 의해 발화된 테스트 음성에 대한 골 전도 마이크의 센싱값 및 일반 에어 마이크의 센싱값을 각각 복수의 구간으로 구분하고, 각 구간 별로 두 센싱값을 비교한 비교 결과의 평균값을 산출한 후 산출된 평균값을 수집하여 생성한 이퀄라이제이션 필터인 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 확장 음성 신호를 생성하는 단계는,
    상기 제1 음성 신호와 상기 제2 음성 신호를 가산한 후 정규화를 수행하여 상기 확장 음성 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 확장 음성 신호를 생성하는 단계는,
    아래 수식을 이용하여 상기 제2 음성 신호 및 상기 확장 음성 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법 :
    Figure 112012076938011-pat00042
    ,
    Figure 112012076938011-pat00043
    이며, 여기서,
    Figure 112012076938011-pat00044
    은 제1 음성 신호를 저주파 필터에 통과시킨 신호값,
    Figure 112012076938011-pat00045
    는 상기 제2 음성 신호값,
    Figure 112012076938011-pat00046
    는 상기 확장 음성 신호값, k는 주파수 값, l은 시간축 프레임 값, i는 입력된 제1 음성 신호의 로우 밴드의 주파수 값(low_b)에서 하이 밴드의 주파수 값(high_b) 사이의 주파수 값인 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.
  10. 삭제
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 조정된 글로벌 필터는 아래 수식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법 :
    Figure 112018123747995-pat00047
    이며,
    여기서,
    Figure 112018123747995-pat00048
    는 글로벌 필터값, k는 주파수값, αagg는 변수인 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 기저장된 글로벌 필터를 조정하는 단계는,
    상기 입력된 제1 음성 신호의 크기가 기설정된 임계값을 초과하면 상기 변수를 1로 설정하고, 상기 임계값 미만이면 상기 변수를 0 내 1 사이 값으로 설정하여, 상기 글로벌 필터를 조정하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.
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