Random Forest를 결정로직으로 활용한 로봇의 실시간 음향인식 시스템 개발

2.1 다양한 음향 클래스 선정

본 논문에서는 가정 환경에서 나타날 수 있는 다양한 음향 이벤트들을 서로 겹치지 않으며 명확한 정의가 되도록 클래스들을 선정하였다. 만약, 일부 클래스들이 서로 겹치는 부분이 있을 경우 개발된 네트워크는 해당 클래스에 대한 성능이 떨어질 수 있다. 예를 들어 ‘children playing’클래스가 ‘speak’클래스와 같이 클래스 리스트에 들어가게 되면, 어린이들이 노는 환경에 여성의 목소리가 들어 있는 경우가 많아 학습된 모델은 ‘children playing’클래스의 소리를 여성의 목소리가 포함된 ‘speak’로 인식할 수 도 있다. 클래스들간의 배타적 정의가 중요한 요소인 것처럼, 이벤트의 명확성은 음향 인식 시스템에 있어서도 중요하다. 특정 클래스의 정의가 모호한 경우 수집된 음향 파일이 훈련된 네트워크 모델 학습에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 이와 같은 것들을 고려하여 본 논문에서는 로봇에서 인식할 29개의 클래스를 선택하였다.

29개의 선정된 클래스 외에 ‘noise’라는 이름의 추가 클래스를 하나 더 선정하였다. 해당 클래스는 입력된 오디오 버퍼에 29개의 클래스 중 선택할 클래스가 없을 때 선택되어야 할 필수적인 클래스이다. 본 클래스의 DB는 사람이 없고 특별한 이벤트가 없는 무인환경의 거실에서 소리를 녹음하여 수집하였다. 다른 클래스는 다양한 방법으로 수집하였다. 일부 음원은 일반적인 가정 환경이나 실험실에서 녹음하였다. 또 다른 음원들은 크라우드 워커를 사용하여 취득되기도 하였다. 선정된 클래스 목록은 [Table 1]에 정리되어 있다.

[Table 1]

A List of Primary Sound Events

2.2 데이터 증강

제안된 네트워크 모델을 로봇에 적용해서 다양한 환경에 강인하게 음향인식을 사용하기 위해 다양한 방법으로 데이터를 증가하였다. 첫 번째 방법은 다양한 임펄스 응답에 대한 데이터 증강 방법이다. 임펄스 응답은 [8]과 같이 학습에 사용되는 환경과 테스트에 사용되는 환경이 달라지면 성능이 하락하기 때문에 실시간 음향 인식에 있어서 중요한 요소이다. 이에 따라, 다양한 임펄스 응답을 얻기 위해 여러 공간에서 측정을 하였고 0.21에서 1.10 사이의 12개의 각각 다른 T₆₀를 가지는 임펄스 응답을 얻었다. 추가적으로 SNR에 따라 음향 인식 성능이 크게 변할 수 있으므로, 측정된 임펄스 응답들을 원본 파형 오디오에 필터링하며 10 dB 및 20 dB의 두 가지 SNR환경으로 카페에서 취득된 잡음을 추가하여 데이터 증강을 하였다.

잡음 취득은 서울의 한 카페에서 1시간 동안 녹음되었으며, 임의의 시작점을 사용하여 신호의 무작위성을 보장하였다. 최종적으로 12개의 임펄스 응답과 2가지 SNR조합인 24가지 데이터 세트에 원본 세트까지 더해 총 25가지의 증강된 데이터 세트를 사용하였다.

2.3 음향 인식 Feature 추출

본 논문에서 사용되는 증강된 DB의 sample rate는 16 kHz, 즉 1초에 16000샘플을 가지고 있다. 이 때, 한 프레임을 0.02초인 320개의 샘플로 구성하였고 길이 640 샘플의 Hann window로 모든 320개 샘플을 이동하여 프레임별로 파워 스펙트럼으로 변환했다. 퓨리에 변환의 경우 1024포인트를 사용하였으며, 1.92초 오디오 파일에서 총 96프레임의 스펙트럼을 추출하고, 최종적으로 각 스펙트럼을 멜스케일의 128 bin으로 병합하였다. 이에 따라, 모델에 입력되는 feature의 최종 크기는 [128 x 96 x 1]이 된다. 해당 feature는 실시간 테스트를 위한 로봇에 동일하게 적용된다.

2.4 음향 인식 모델 설계

제안된 음향 인식 시스템을 실시간 로봇에서 사용하기 위해 본 논문에서는 VGG 모델들^[1] 중 VGG11 모델을 사용하였다. VGG모델은 음향인식 분야에서 일반적으로 사용되는 모델로 RF를 이용한 결정로직의 효과를 증명하고자 본 논문에서도 사용되었다. 다만, 실시간 동작성을 위해 모델 크기를 줄이고자 CNN 레이어에서 padding을 적용하지 않았다. Padding을 적용하지 않으면 CNN 레이어를 통과할 때마다 레이어의 출력이 입력보다 작아지게 되므로, 너무 많은 CNN 레이어를 사용하면 클래스 개수보다 작은 CNN block의 출력이 나오게 된다. 때문에, padding을 사용하지 않는 경우에 VGG모델들 중에서 사용 가능한 모델은 VGG11이었다. 때문에, 본 논문에서는 VGG11모델을 이용해 학습을 진행하였다.

각 CNN block은 [3 x 3] 사이즈의 커널을 사용한 CNN 레이어, ReLU 활성화 레이어를 [Fig. 1]과 같이 가지고 있다. 또한, conv block 1은 CNN 레이어를 1개 conv block 2는 CNN 레이어를 2개 가지고 있다. 커널은 He 정규 분포^[13]로 초기화하였으며, 각각의 conv block은 64, 128, 256, 512 개의 필터를 사용하였다. Conv block들을 거친 이후에 flatten 레이어와 3개의 dense block을 지나 추가적인 dense 레이어를 거친 후 softmax 레이어를 통해 1 x 30 의 음향 인식 확률 벡터를 만든다. Dense block은 1개의 dense 레이어와 1개의 ReLU 활성화 레이어로 구성되어 있다. VGG11 모델의 전체 구조는 [Fig. 1]에 정리되어 있다.

[Fig. 1]

The block diagram of sound recognition model VGG11

3.1 실시간 추론을 위한 추론 주기 결정 방법

로봇에서 음향 인식 시스템을 사용할 때 가장 어려운 부분은 얼마나 자주 추론을 수행할지를 결정하는 것이다. 음향 이벤트가 발생했을 때, 빠른 응답속도를 얻기 위해서는 모델의 입력이 되는 feature의 한 프레임이 업데이트 될 때 마다 추론을 수행하는 것이 좋다. 하지만, 로봇에는 여러 가지 어플리케이션들이 동시에 동작하는 환경이 대부분이며, 이에 따라, 음향인식에 할당되는 리소스는 제한이 많이 된다. 제한된 환경에서 안정적으로 음향인식 모델을 추론하기 위해서는 안정적이면서 실시간으로 추론을 할 수 있는 추론 주기를 환경에 맞춰 결정해줘야 한다. 이를 위해서는 한 번의 음향인식 추론을 수행하는데 걸리는 최대 시간과 한 번의 추론에 필요한 실시간 오디오 샘플의 개수를 함께 고려해야 한다.

모든 실시간 오디오 샘플들에 대하여 추론을 수행하기 위해서는 한 번의 추론에 걸리는 시간보다 더 많은 시간에 해당되는 오디오 샘플들이 업데이트된 오디오 버퍼와 그에 해당하는 feature를 이용하여 한 번의 추론이 수행되어야 한다. 이 때, 한 번의 추론에 사용된 새롭게 업데이트 되는 feature 프레임의 개수를 본 논문에서는 추론 주기 s라고 정의하였다. 또한, 한 프레임의 시간을 t_frame, i번째 추론에 걸린 시간을 t_i이라 하였을 때, 한 프레임의 시간을 t_frame이라 하면 다음과 같은 부등식이 성립한다.

위의 부등식에서 max(t_i) 및 t_frame는 각각 1보다 작다고 가정되었다. 식 (2)가 충족되면 오디오 샘플이 누락되지 않고 강인한 음향 인식 결과를 얻을 수 있다. 따라서 로봇에서 추론을 반복 수행하여 최대 추론 시간 max(t_i)을 확인하여 식 (2)를 통해 최소 추론 주기 s를 얻을 수 있다. 하지만, 추론에서의 f1-score는 추론 주기 s가 변경됨에 따라 같이 변경될 수도 있다. 정확한 추론을 위해서는 해당 버퍼에 충분한 음향 이벤트 샘플이 있어야 하며, 어떤 음향 이벤트를 대상으로 하느냐에 따라 충분한 샘플의 수 도 변경될 수 있다. 따라서, 최적의 추론 주기 s 는 경험적으로 결정될 수 있다.

3.2 실시간 입력 정규화 방법

실시간 음향 인식 시스템에서 고려되어야 할 또 하나의 중요 포인트는 음향 신호의 크기 변화에 대한 통제의 문제가 있다. 고양이 울음 소리, 강아지 짖는 소리와 같은 음향 이벤트들은 음원이 이동하며 발생할 수 있기 때문에, 입력 신호의 진폭이 실시간으로 변화될 수 있다. 또한, 음향을 취득하는 로봇도 이동할 수 있기 때문에, 이러한 모든 진폭변화를 데이터 증강으로 모델 학습에 반영시키기는 어렵다. 따라서 본 논문에서는 멜스펙트로그램의 최대값을 확인하여 실시간 입력 정규화를 각 음향인식 모델의 추론에 사용하였다.

[14]에서는 멜스펙트로그램 Mel(f)가 가중 평균 스펙트로그램의 결과로 아래와 같이 정의될 수 있다고 한다.

S(f)는 스펙트로그램을 Γ(j)는 j번째 멜필터를 뜻한다. 식 (3)은 결국 아래의 식과 같이 멜스펙트로그램에 관한 비례식으로 표현될 수 있다.

χ는 입력 오디오 벡터를 뜻한다. 따라서, 한 번의 추론을 수행할 때, feature 프레임을 구성하는 최대값을 저장해 놓으면, 각각의 추론 직전에 오디오 샘플을 정규화할 수 있다. 현재 프레임 이 n번째 프레임 일때, feature 한 개를 구성하는 프레임들의 각각의 최대값들로 구성된 벡터를 m(n)은 아래와 같이 정의할 수 있다.

m(n)은 n번째 프레임의 절대값 중 최대값을, N은 한 번의 추론에 사용되는 프레임 개수를 말한다. 그렇다면, 멜스펙트로그램의 실시간 표준화는 아래와 같이 수행될 수 있다.

ϵ은 로봇 소프트웨어에서 사용 가능한 가장 작은 숫자로 분모가 0이되어 멜스펙트로그램 값이 무한대로 발산되는 것을 방지하기 위한 값이다.

4.1 이벤트 결정 로직

음향 인식 확률 벡터에서 감지된 이벤트를 결정하는 가장 쉬운 방법은 매번 가장 높은 확률 값의 이벤트를 취하는 것이다. 그러나, [Table 1]의 대상 클래스에 포함되지 않은 음향 이벤트, 예를 들어 세탁기 소리가 발생한다면, 주방 후드 클래스처럼 세탁기 소리와 유사한 소리의 확률 값이 가장 높을 수 있다. 이런 경우 정상적인 결정 로직의 결과는 ‘noise’ 클래스여야 하기 때문에, 세탁기 소리로 결정함은 잘못된 결과를 얻게 되는 것이다. 또한 모델의 추론 결과는 음원 또는 로봇의 구동 소음이 유입되거나 불확실한 소음이 발생됨에 따라 변경될 수도 있다. 따라서 정확한 음향 인식 결과 도출을 위해서는 다양한 확률 벡터로부터 인식된 이벤트를 결정하기 위한 결정 로직이 필요하다.

로봇에서 음향인식을 사용하기 위해 필요한 결정로직을 실험적으로 결정하고자 여러 방식의 튜닝을 진행했으며, 실험의 결과에 따라 결정 로직을 설계하는 방식이 결과적으로 각각의 이벤트별 확률값을 조건으로 결정하는 방식으로 이어졌고, 그와 같은 과정을 데이터 학습을 통해 얻을 수 있는 RF를 본 논문에서는 최종 결정 로직으로 선정하였다.

RF를 결정 로직으로 사용하기 위해 모델의 추론 결과인 확률 벡터를 RF에 입력으로 전달한다. 그러면 RF는 어떤 이벤트를 선택해야 하는지 결정하고 선택된 클래스의 인덱스인 정수를 출력한다. 이 RF 로직은 모델의 출력인 확률 벡터와 실제 클래스 번호로 학습된다. ‘noise’클래스 또한 RF의 ‘noise’클래스를 학습하는 데에도 사용된다. RF는 [Fig. 2]에 표시된 대로 최대 깊이가 100인 15개의 decision tree로 구성된다. RF의 깊이 및 decision tree 개수는 여러 번의 테스트에 따라 가장 좋은 성능을 보인 개수로 결정하였다.

[Fig. 2]

The block diagram of random forest logic

RF는 보다 구체적인 타겟 이벤트를 인식하는 데도 사용할 수 있다. 섹션 2.1 에서 설명한 것처럼 [Table 1]에는 가능한 많은 클래스인 30개의 클래스들이 있다. 그러나 일반적으로 하나의 응용 프로그램들은 모든 클래스들을 필요로 하지는 않는다. 보통 실시간 어플리케이션들은 소수의 클래스만 필요로 한다. 본 논문에서는 타겟을 가정용 로봇으로 설정하여 RF 로직의 타겟 이벤트를 [Table 2]에 명시한 9개의 클래스로 축소시켰다. 이와 같은 상황에서, 9개의 클래스에 포함되지 않은 클래스들은 ‘noise’클래스로 인식 결과가 변경되어야 한다.

[Table 2]

A List of Random Forest Sound Events

예를 들면, 인식 결과가‘fan’클래스일지라도 실제 발생한 음향 이벤트는 로봇에서 멀리 떨어진 지점에서 발생한 ‘kitchen hood’인 경우도 있으며, 이렇게 모델의 결과가 잘못 되었을 지라도, RF에서는 실제 발생한 이벤트로 결정하여야 한다. 이런 경우에는‘kitchen hood’소리의 인식 확률 벡터를 RF에서 학습시켜 해당 음향 확률 벡터의 패턴이 RF를 통해 학습되어 음향 인식 결과를 개선할 수 있다. 이는 기존의 임계값을 이용한 결정로직보다 더 복잡한 판단을 내릴 수 있게 됨으로써 보다 높은 성능을 얻을 수 있다. 또한, 일부 ‘fan’ 소리는 ‘kitchen hood’로 감지될 수 있지만 해당 음향의 인식 결과를 ‘noise’로 처리해 줌으로써도 최종 성능을 높일 수도 있다.

RF 결정 로직은 sklearn-porter^[15]라는 파이썬 툴킷을 사용하여 실시간 시스템으로 로봇에 적용할 수 있다. 해당 툴킷은 파이썬의 RF 모델로부터 C++ 코드를 자동으로 생성할 수 있게 해줌으로써 C++ 언어로 설계된 실시간 디바이스 프로그램에 쉽게 적용할 수 있다. 자동 생성된 코드는 매우 빠르게 동작할 수 있어 실시간 동작성에 문제가 없다.

5.1 VGG11 모델 학습

모델 학습에 사용되는 데이터는 최대 10초 길이의 음향 파일들로 구성되어 있다. 모든 오디오는 16 kHz로 resampling되었으며 최대값으로 정규화를 거쳤다. 하나의 클래스는 약 1시간 정도 분량이 있지만, 일부 클래스들은 1시간 미만의 분량을 가지고 있다. 모델의 feature들은 30 클래스 데이터 세트에서 추출되었다. 학습된 모델을 평가하기 위해 81%의 데이터를 학습에 사용하고 9%의 데이터를 검증에 사용하였다. 나머지 데이터 세트의 10%는 테스트에 사용되었다.

제안된 네트워크는 기본 파라미터의 Adam optimizer^[16]를 사용하여 최적의 모델을 학습하였다. Categorical focal loss 함수를 α = 0.5, γ = 2로 설정하여 사용하였다. 효율적 학습을 위해 180 크기의 batch를 사용하고 최대 epoch는 150으로 설정했다. 2개의 NVIDIA 2080Ti GPU를 사용하여 증강된 데이터 세트의 VGG11 모델을 훈련하는 데에는 약 4주가 걸렸다. 이는 클래스, feature 또는 다른 파라미터들을 변경하는 데 너무 오래 걸리는 시간이다. 만약 더 많은 SNR환경도 학습에 사용되면 4주 이상의 시간이 소요된다. 하지만, RF 결정 로직은 사전에 훈련된 모델의 음향 인식 확률 벡터로 훈련하여 훨씬 짧은 시간이 소요된다.

5.2 Random Forest 결정 로직 학습

RF 결정 로직 훈련에는 이벤트가 없는 무음구간을 ‘noise’클래스로 학습시키기 위해 이벤트 사이 무음구간도 존재하는 stream 음원을 만들어 사용하였다. 해당 stream 음원에 대한 설명은 5.4에 작성되어 있다. 생성된 음원은 실시간 동작성 평가를 위해 버퍼 핸들 방식을 통하여 제안된 음향 인식 시스템에 전송된다. 버퍼 핸들 방식은 256 샘플의 오디오 데이터를 음향 인식 시스템으로 보내고 시스템 내부 버퍼는 320 샘플의 프레임을 feature 추출 시스템으로 전달된다. 그 후 모든 추론 주기 s마다 모델에서 음향 인식 확률 벡터를 추론한다. 추론된 확률 벡터에서 독립적인 이벤트들 중 80%에 해당하는 이벤트들의 확률 벡터는 RF 학습에 사용하였고 나머지 20%는 RF 테스트에 사용하였다. 무음구간 포함하여 이벤트별로 나눈 이유는 오디오의 연속성을 보장하면서도 독립적인 이벤트를 통해 성능을 평가하기 위해서이다.

5.3 로봇에서의 시간 소요

본 논문에서 제안된 시스템의 시간 소요를 테스트하기 위해 음향 인식 모델을 keras로 학습시키고 TensorRT^[11]에서 사용할 수 있는 ONNX 모델로 변환하였다. 변환된 ONNX 모델의 추론은 C++ 코드로 개발되어 NVIDIA Xavier^[10]에서 Tegra GPU 및 디바이스에 연결시킨 외부 마이크를 사용하여 테스트하였다.

정확한 측정을 위해 10번의 테스트 버퍼가 지나간 후 제안된 알고리즘으로 1,000번의 추론을 수행하였고 각 추론은 0.02 s에 해당하는 프레임을 96개(1.92 s) 수집하도록 하는 오디오 버퍼 핸들을 이용하여 추출된 feature를 사용하여 수행되었다. 한 프레임 feature 추출부터 한 번의 추론까지 평균적으로 6.575 ms가 소요되었다. 추론에 걸린 최대 시간은 10.646 ms으로 이를 식 (2)에 적용하여 최소 추론 주기 s는 1로 얻을 수 있다. 즉, 제안된 시스템은 최대 10.646 ms 이내의 시간에서 음향 이벤트를 인식할 수 있다. 추가적으로, 동시에 사용되는 다른 프로그램이 있으면 최대 추론 시간은 더 늘어날 수 있다. RF 결정 로직도 동일한 환경에서 테스트한 결과 약 0.2 ms의 시간이 소요되어 제안된 시스템의 최대 소요 시간은 10.846 ms이다. 또한 섹션 3.1에서 설명한 것처럼 추론 주기 s를 경험적으로 6으로 사용하였다.

5.4 Stream 데이터를 이용한 실험 결과

본 논문에서 사용된 Stream 데이터는 모든 이벤트 사이에 2.56 s초의 무음구간이 존재하며, 제일 처음 부분에 10초의 무음 구간도 있다. 그렇게 생성된 stream 음원은 48 kHz sample rate, 96,000개 샘플 및 [5×8×2.5]의 공간 크기를 가진 rir-generator^[17]로 생성된 0.3, 0.5 및 0.7의 T₆₀특성을 가진 3개의 임펄스 응답에 필터링 된다. 필터링된 음원들은 브라운 노이즈가 SNR -10, 0, 10 및 20 dB의 4가지 경우로 더해진다. 생성된 음원은 버퍼 핸들 방식을 통하여 제안된 음향 인식 시스템에 전송된다. 음향인식 시스템에서 feature가 추출되고 모든 추론 주기 s마다 모델에서 음향 인식 확률 벡터를 추론한다.

여러 환경으로 믹싱된 stream 음원들을 사용한 실험 결과를 통해 각 추론에 대한 f1-score를 계산하였다. 정확한 비교 결과를 얻기 위해 복잡한 음향 환경의 특성을 제한하여 생성된 stream 음원들을 사용하였다. [Table 3]은 결정 로직이 있는 경우와 없는 경우를 비교한 실험 결과를 보여준다. 결정 로직을 사용하지 않는 경우에는 다른 일반적인 음향 인식 시스템들과 마찬가지로 가장 높은 확률 값을 갖는 클래스를 인식된 이벤트로 결정하였다.

[Table 3]

F1-scores of experiments in various environments

[Fig. 3]에서는 T₆₀이나 잡음의 세기에 따른 모델의 성능을 보여주고 있다. 잡음의 파워가 커질수록 성능이 떨어지는 경향이 있지만 10 dB, 20 dB SNR 환경에서는 DB 증강의 영향으로 인해 해당 경향성이 거의 없음을 볼 수 있다. 또한, 제안된 결정 로직이 전반적으로 모델의 성능을 약 20% 향상시키는 것을 볼 수 있다.

[Fig. 3]

Experimental results with or without random forest

환경 변화에 따른 성능 변화를 클래스별로 관찰하기 위해 [Fig. 4], [Fig. 5]에서는 0.3 T₆₀을 사용하는 여러 SNR 환경에서 결정 로직이 없을 때와 RF 결정 로직을 사용할 때의 성능 변화를 보여준다. 두 그래프를 비교했을 때 ‘kitchen hood’, ‘scream’, ‘speak’등 긴 소리가 있는 일부 클래스 외에도‘cat’, ‘dog’와 같은 짧은 소리 클래스의 f1-score도 증가했다. [Fig. 6], [Fig. 7]에서는 SNR을 20 dB로 고정하였을 때, 다양한 T₆₀ 환경에서 제안된 결정 로직에 따른 성능 변화를 보여준다. [Fig. 4], [Fig. 5]에서와 마찬가지로 ‘cat’, ‘dog’ 클래스 성능이 약 30~40% 증가하였다. [Figs. 4~7]에서 제안된 시스템은 T₆₀과 SNR이 악화되더라도 여러 클래스들의 성능이 개선되는 것을 보여준다.

[Fig. 4]

Experimental results of each classes without random forest decision logic in 0.3 T60

[Fig. 5]

Experimental results of each classes with random forest decision logic in 0.3 T60

[Fig. 6]

Experimental results of each classes without random forest decision logic in 20 dB SNR

[Fig. 7]

Experimental results of each classes with random forest decision logic in 20 dB SNR