코드북 기반 음성 대역 확장에서 성능향상과 계산량 감소에 관한 연구

Abstract

본 논문은 협대역 음성 신호 [300 Hz ~ 3.4 kHz]를 광대역 음성 신호 [50 Hz ~ 7 kHz]로 인공적으로 대역 확장하는 기술에 관한 연구 결과이다. 기초 연구를 통하여 음성 신호의 광대역 확장 이론, 코드북 기반 스펙트럼 포락선 확장 (Spectral envelop extension) 기술, 다양한 여기 신호 확장 (Excitation signal extension) 기술을 이해하고, 현재 음성 대역확장 방식들의 문제점을 조사하였으며, 기존의 대역확장과 비교하여 음성 품질 성능 개선 및 계산량 감소라는 연구 목적과 연구 방향을 수립하였다. 연구 목적을 달성하기 위해서 기존의 대역확장 이론 중 가장 각광받는 DTE (Decode Then Extend) 대역확장 시스템과 Embedded 대역확장 (Embedded artificial bandwidth extension) 시스템에서의 음성 품질 향상 방법과 계산량 감소에 대한 알고리즘 제안, 시험 그리고 검증을 수행하였다. 그 결과, DTE 대역확장 시스템에서는 classified 코드북 기반의 대역확장 기술, 주파수 가중치 기반의 코드북 검색 그리고 오류 코드북 보정을 이용하여 음성 대역확장 품질을 향상 시켰다. 또한 SDS (Single Distance Search)와 FBC (Forward Backward Comparison) 방식을 통하여 대역확장을 위한 코드북 검색 계산량 감소를 도출하였다. Embedded 대역확장 시스템에서는 기존에 대역확장을 위하여 수행해왔던 코드북 검색을 완전히 생략하는 Search-free 대역확장 개념을 제안하였다. 그 결과 음성 품질의 저하없이 대역확장을 위한 계산량을 획기적으로 줄일 수 있는 방법을 제시하였다. 본 논문을 통하여 정립한 가설과 이론은 AMR-12.2 모드 (Adaptive Multi-Rate codec 12.2kbps mode) 음성부호화기에 적용하여 대역확장의 성능평가를 수행하였다. 주관적 음성 품질 평가, 객관적 음성 품질 평가 그리고 WMOPS 계산량 측정을 통하여 본 논문에서 제안한 성능 향상 알고리즘의 타당성을 확인하였다. DTE 대역확장 시스템 성능평가 결과, 기존 방식보다 본 논문에서 제안한 방식이 PESQ (Perceptual Evaluation of Speech Quality) MOS (Mean Opinion Score) 기준 0.032 개선되었고 주관적 음성 선호도 평가에서는 77%의 평가자들이 협대역 음성보다 제안된 DTE 대역확장 음성을 더 선호하는 것으로 판명되었다. 계산량은 기존 DTE 시스템과 비교하여 코드북 크기에 따라 코드북 모듈의 계산량은 약 45% ~ 50%, DTE 대역확장 전체 계산량은 7% ~ 25% 각각 감소됨을 실험결과로 확인하였다. Search-free 대역확장 방식은 기존의 DTE 대역확장 방식, Embedded 대역확장 방식과 비교하여 음성 품질 저하가 없음을 확인하였고 주관적 음성 품질 평가 결과에서도 90%의 평가자들이 협대역 음성보다 Search-fee 대역확장된 음성을 더 선호하는 것으로 판명되었다. 계산량은 대역확장을 위한 코드북 검색이 완전히 생략되는 관계로 DTE 대역확장 시스템 기준 50%, 기존의 Embedded 대역확장 시스템 기준 37% 감소됨을 알 수 있었다.