달팽이관 필터뱅크 및 EUZ 청각모델에 기반한 이간시차 추정기법

Abstract

본 연구는 잡음 환경에서 최소의 입력 채널로 화자의 위치를 추적하기 위해, 인간의 청각계 (auditory system)를 모사하여 두 채널 간의 이간시차(耳間時差, interaural time difference, ITD)를 추정하는 방법을 제시하였다. 제안된 모델에서는 인간의 중이(middle ear) 및 내이(inner ear)의 응답을 신호 처리로 모사하였다. 중이의 응답은 2차 고역통과필터로 모사하였으며, 내이, 즉 달팽이관의 응답은 기저막(basilar membrane)의 진행파 및 내유모세포(inner hair cell, IHC)의 신경 발화 무늬(neural firing pattern)로 모사하였다. 기저막의 진행파는 일련의 대역통과필터처럼 기능하는 달팽이관 필터뱅크(cochlear filter bank)로, 내유모세포의 신경 발화 무늬는 본 연구에서 제안한 상향 영교차 간 에너지(energy between upward zero-crossings, EUZ) 청각모델로 각각 구현하였다. EUZ 청각모델은 필터뱅크를 통과한 각 기저막 응답에 대해 상향 영교차(upward zero-crossing) 지점 간 주기와 에너지를 사용하여 내유모세포의 신경 발화 무늬를 모사한다. 두 채널 사이의 ITD는 각 채널의 EUZ 신경 발화 무늬에 대한 상호상관도(cross-correlogram)를 구함으로써 추정하였다. 이러한 접근법은 뇌줄기(brainstem)에서 ITD를 처리하는 것으로 알려진 내측 상올리브(medial superior olive, MSO)에 대한 생리학 연구에 의해 뒷받침 되고 있다. 제안된 방법의 ITD 추정 성능을 평가하기 위해 정규분포를 갖는 잡음이 부가된 음성 신호에 대해 모의실험을 진행하였다. 먼저 본 기법으로 ITD를 추정한 후, 기존의 ZCPA (zero-crossing peak-amplitudes) 청각모델에 의한 ITD 추정값 및 상호상관함수(cross-correlation function, CCF) 에 의한 ITD 추정값과 비교해 보았다. 모의실험 결과, 잡음이 부가된 음성 신호의 경우 본 기법의 ITD 추정값이 기존 방법보다 실제 ITD 값에 더 근접하는 것을 확인할 수 있었다.