[논문 리뷰] Channel Decorrelation For Stereo Acoustic Echo Cancellation In High-Quality Audio Communication

Jean-Marc Valin|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 10.

Speech and Audio Processing참고 문헌 6인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고주파수에서는 형태가 조절된 콤-모든통과(ScAL) 필터를 사용해 좌우 음성 채널을 분리하고, 저주파수에서는 심리음향적으로 가려진 잡음을 주입하여, 시각적 인식에 기반한 저지연 스테레오 음향 에코 제거 방법을 제안한다. 이 방법은 청취에 거의 영향을 주지 않으면서도 우수한 분리 성능을 달성하여, 객관적 및 주관적 평가에서 기존 방법을 능가하며, 음질과 스테레오 이미지의 무결성을 유지한다.

ABSTRACT

In this paper, we address an important problem in high-quality audio communication systems. Acoustic echo cancellation with stereo signals is generally an under-determined problem because of the generally important correlation that exists between the left and right channels. In this paper, we present a novel method of significantly reducing that correlation without affecting the audio quality. This method is perceptually motivated and combines a shaped comb-allpass (SCAL) filter with the injection of psychoacoustically masked noise. We show that the proposed method performs significantly better than other known methods for channel decorrelation.

연구 동기 및 목표

• 스테레오 음향 에코 제거에서 높은 채널 간 상관관계로 인한 필터 추정 문제의 불확실성을 해결하기 위해.
• 음악과 음성에서 특히 두드러지는 청취에 눈에 띄는 왜곡을 유발하지 않으면서도 채널 간 공명도를 감소시키기 위해.
• 스테레오 이미지 품질을 유지하고, 플랑징이나 갈라지는 소리와 같은 청각적으로 눈에 띄는 잡음이 발생하지 않도록 하기 위해.
• 추가 지연을 유발하지 않아 비디오 회의 시스템의 실시간 성능을 유지하기 위해.
• 기존의 에코 제거 시스템에 통합 가능한 계산 효율성이 높은 방법을 개발하기 위해.

제안 방법

• 비선형 위상 조작을 통해 고주파 성분을 분리하기 위해 시간에 따라 변하는 필터 계수 α와 차수 N을 가진 형태가 조절된 콤-모든통과(ScAL) 필터를 사용한다.
• 블로킹 아티팩트를 방지하기 위해 Vorbis 윈도우를 사용한 겹침 분석 및 합성 윈도우와 가중치 겹침 덧셈(WOLA)을 적용한다.
• 필터 차수 N을 시간에 따라 변화시켜 위상 응답의 영점이 효과적이지 않은 주파수 대역을 피하도록 한다.
• 저주파수에서 심리음향적으로 가려진 잡음을 주입하여 채널 간 공명도를 추가로 감소시키며, 청각적으로 인식되지 않도록 한다.
• 잡음 주입은 원본 신호에서 강한 가림 효과가 있는 영역에서의 청각적 영향을 최소화하도록 형태를 조절한다.
• 전체 과정은 블록 기반이며 지연이 없으며, 시스템의 고유한 지연 외에 추가 지연이 없다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스테레오 음향 에코 제거에서 채널 간 상관관계를 청취 품질이 떨어지지 않도록 효과적으로 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 플랑징이나 잡음과 같은 청각적으로 눈에 띄는 잡음이 최소화되도록 비선형 분리 기법을 어떻게 적용할 수 있는가?
• RQ3 모든통과 필터링과 가려진 잡음 주입의 조합이 기존의 분리 기법보다 얼마나 뛰어나게 성능을 높일 수 있는가?
• RQ4 실시간 시스템에서 계산 복잡도가 최소화되고 추가 지연이 없는 분리 기법을 구현할 수 있는가?
• RQ5 객관적 공명도와 주관적 음질 측면에서 제안된 방법은 다른 대안적 접근법에 비해 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 제안된 방법(P3)은 모든 테스트 신호에서 가장 낮은 채널 간 공명도를 달성했으며, 바르크 기반 제곱 공명도 값은 피아노에서 0.38, 기타에서 0.42, 글록스펠에서 0.35였다.
• P3는 객관적 평가(PEAQ)와 주관적 평가(MUSHRA) 양 측면에서 모든 다른 설정보다 뛰어났으며, 기타 신호에서 객관적 차이 등급은 -0.36이었다.
• 도파그라프의 그림 5에서 보듯이, 고주파에서조차도 높은 분리도 수준에서도 낮은 왜곡을 유지했으며, 스펙트럼 전반에서 유리한 등가 SNR를 확보했다.
• 주관적 청취 테스트 결과, P1, P2, P3는 다른 설정보다 선호되었으며, 다른 알고리즘에 대한 특별한 선호도는 없었다.
• 시간에 따라 변하는 α와 N를 가진 ScAL 필터는 중요한 주파수에서 위상 영점이 효과적으로 피했으며, 저주파수에서의 잡음 주입은 청각적으로 손상되지 않으면서도 일관된 분리를 제공했다.
• 플랑징이나 갈라지는 소리와 같은 잡음은 최소한으로 억제되었으며, 특히 절대값을 평균화하거나 일阶 모든통과 필터보다 청각적으로 더 잘 가려졌다.