대구보청기 전문ㅣ보청기에 AI 기능이 탑재되면? ft. Beltone Envision™ 보청기

 

Beltone Envision™ 은 듀얼 칩 기반으로 새롭게 출시된 AI 보청기입니다!

보청기에 AI 기능이 탑재되면? [Beltone Envision™]

대구보청기 전문, 대명보청기 이진태 전문청능사(Audiologist)입니다. 

최근 들어 분야를 막론하고 큰 이슈가 되고 있는 기능이 하나 있습니다. 바로 우리의 일상생활에 알게 모르게 깊숙이 스며든 인공지능(Artificial Intelligence, AI) 기능입니다.

간단하게는 AI 기능을 통해 특정 웹사이트의 핵심 내용을 요약해 준다거나, 사용자가 원하는 그림을 생성해 주기도 하고, 말의 앞뒤 문맥을 파악하고, 이전 대화 내용을 기억하며, 대충 말해도 잘 알아듣는 AI와의 자연스러운 대화까지 가능해졌는데요.

이처럼 좋든 싫든 이미 우리 삶에 깊이 관여하고 있는 AI 기능이 보청기 분야에도 본격적으로 적용되기 시작해, 다소 잠잠했던 보청기 기술 분야에 박차를 가하게 되는 계기가 될 것으로도 보여지는데요. 따라서 이번 시간에는 듀얼 칩, 트리플 프로세싱 기술과 함께 대표적인 AI 보청기로 자리매김한 Beltone Envision™ 보청기에 대해 자세히 한번 살펴볼까 합니다.

듀얼 칩이 탑재 되었지만, Serene™ 과 같은 microRIE 타입으로 출시된 Envision™

일단, AI 기능이 추가된 Beltone Envision™ 보청기의 첫인상으로는 기존 플랫폼인 Serene™ 의 microRIE 타입과 동일한 폼팩터를 유지하고 있다는 점이 인상적이었습니다. 왜냐하면 Beltone 의 AI 기능은 펌웨어 수준에서의 AI 기능이 아닌, 물리적으로 AI 전용 칩이 하나 더 추가된 듀얼 칩 구조가 적용되었기 때문인데요.

즉, 소리를 분류하고 자동으로 제어해 주는 기존 360 칩에 효율적으로 훈련된 DNN(Deep Neural Network)을 활용한 AI 칩이 추가되었음에도 standard 보는 물론, mini 보다도 작은 microRIE 타입으로 출시돼, Serene™ 에서 경험할 수 있었던 안정적인 착용감이 Beltone Envision™ 에서도 그대로 유지된다는 장점이 있는 것입니다. 후술하겠지만 이는 보청기 기능과 DNN 칩의 크기, 전력 소비 간의 관계를 최적화하여 기능과 효율성의 균형을 맞춘, Beltone Envision™ 의 철학이 잘 드러나는 결과물이라고도 볼 수 있는데요.

그렇다면 이제 본격적으로 보청기에 AI 기능이 탑재되면 어떤 이점들이 있는지, Beltone Envision™ 보청기에 탑재된 DNN 칩의 특징은 무엇인지에 대해 본격적으로 살펴봅시다.

보청기에 AI 기능이?

우선, 보청기에 AI 기능이 왜 필요한 지에 대해서 간단히 한번 살펴볼까 하는데요. 청력 손실이 있는 경우 보청기 착용을 통해 손실된 청력을 보완할 수 있지만, 시끄러운 배경 소음이 있는 청취 환경에서는 보청기를 착용하더라도 말소리 청취나 이해에 어려움을 겪을 수 있습니다.

물론 전통적인 보청기의 소음 감소 기능은 마이크로 유입되는 소음의 스펙트럼을 파악하고, 음성 신호의 시간 및 스펙트럼 특징에 대한 정보를 활용해, 배경 소음은 줄이고 음성의 가청도를 유지해 주긴 하지만, 실제 청취 환경에서의 배경 소음은 매우 역동적인 데다가, 그 크기와 주파수 특징이 빠르게 변화하기도 해 수많은 청취 환경에서 매 순간 음성 신호와 배경 소음의 스펙트럼 특징과 같은 구체적인 정보를 파악하기에는 한계가 있을 수밖에 없습니다.

참고로 EHIMA(European Hearing Instrument Manufacturers Association)의 주도로 Anovum(스위스 리서치 기관)이 실시하는 '청력 손실과 보청기 사용에 관한 다국가 비교 연구’의 일환으로 실시된 KoreaTrak 2024 의 연구 조사 결과를 참고하면, ‘보청기 소유자들이 보청기를 사용하지 않는 이유’ 중 첫 번째 이유가 된 답변이 바로 '소음이 많은 곳에서는 잘 작동하지 않아서'이기도 합니다(이 문항의 경우 표본의 크기가 너무 작아 일반화하기엔 무리가 있긴 해요).

이처럼 기존 보청기 기능만으로는 해결하기 어려웠던 소음 속 청취의 어려움을 해소하기 위해, 최근 주목받는 AI 기능이 보청기에도 적용되고 있으며, 보청기 분야에서는 이 AI 기능을 통해 듣고자 하는 음성 신호와 원치 않는 배경 소음을 보다 효과적으로 구별해 더욱 향상된 청취 경험을 제공해 줄 수 있는 것입니다.

AI or IA

전통적인 의미에서 AI 라고 하면 '기계가 스스로 학습하고 판담함'이라는 의미를 내포하고 있는데요. 예를 들어, 주변 환경을 인식하고 주행 상황을 판단해 스스로 차량을 제어하는 자율주행차의 경우 자동화 중심의 우리가 흔히 생각하는 AI 기술의 대표적인 예라고 볼 수 있습니다. 그러나 Beltone Envision™ 에서 AI 기술이 적용된 방식은 자율성 중심의 접근 방식이 아닌 '인간의 판단을 보조하고 강화함'이라는 의미를 지니고 있는, 보다 인간 중심적 접근 방식인 Intelligence Augmented 방식이 적용되었는데요.

그도 그럴 것이 청각이란 매우 개인화된 영역이고, 그 무엇보다 상황 의존적이며, 개개인의 청취 환경은 매우 다양하기도 해, AI가 적용된 청각 기술이 수많은 청취 환경에 대한 사용자의 청취 선호도를 완전히 반영하지는 못하기에(아직은 말이죠), AI가 인간의 판단이나 지능을 대체하기보다는, AI에 의해 인간의 판단이나 지능(Intelligence)이 증강(Augmented)될 것이라는 의미를 지닌 사용자 중심의 Intelligence Augmented 방식이 Beltone Envision™ 에 적용된 것이죠.

예를 들어 여러 사람의 말소리가 동시에 들려오는 청취 환경에서 내가 듣고자 하는 음성 신호에만 집중하기 위해서는 AI 기능 뿐만 아니라 binaural hearing 기반의 듣고자 하는 소리와 원치 않는 소리를 구분할 수 있는 우리 뇌의 도움이 필수적입니다. 즉, 사용자가 보청기 기능을 완전히 통제할 수 있지만, 청취 환경에 따라 추가적인 도움이 필요하다면, 무엇을 들을지 최종 결정할 수 있는 우리 뇌의 자연스러운 처리 능력과 효율적으로 훈련된 DNN(Deep Neural Network, 심층 신경망) 기반의 AI 기능을 결합한 사용자 의도 기반의 청취 최적화를 Beltone Envision™ 보청기에서 경험하실 수 있는 것입니다.

True Noise Reduction + (upgraded) 4-microphone binaural beamformer = True Focus  

True Focus

기존 Serene 플랫폼의 대표적인 방향성 모드가 Ultra Focus 2 였다면, Beltone Envision™ 에서는 업그레이드된 4-microphone binaural beamformer 와 AI 기반 소음 감소 기능인 True Noise Reduction 이 결합된 True Focus 가 대표적인 방향성 옵션이라고 할 수 있는데요. 즉, Beltone Envision™ 과 함께 도입된 True Focus 는 사용자의 청각 경험을 향상시키기 위해 새롭게 탑재된 DNN 칩과 함께, 주파수 범위를 확장시킨 4-microphone binaural beamformer 를 결합하여 전방의 듣고자 하는 소리에 오롯이 집중할 수 있도록 도와주는 것입니다.

여기서 중요한 점은 앞서 언급했던 사용자 의도 기반 청취의 일환으로 우리가 말소리를 들을 때 듣고자 하는 방향을 바라보는 것처럼, 듣고 싶은 말소리의 효과적인 청취를 위해서 시선을 대화 상대방 쪽으로 향해야 한다는 점. 그리고 Beltone Envision™ 의 AI 기능은 DNN 학습을 통해 강화된 선택적 처리 기술이기 때문에, 즉 실제로 어떤 소리에 집중하고 싶은지는 AI 기능이 아닌 우리의 뇌에서 결정하기 때문에, 사용자가 '집중'을 원할 때 수동으로, 직접 활성화 해야 한다는 점 입니다.

예를 들어, 버전을 업그레이드 하면서 유례없는 파급력을 보여주고 있는 한 대화형 AI 서비스의 경우, 단순하고 빠른 응답이 필요한 질문에는 기본 모델이 답변하지만, 사용자가 의도적으로 "더 깊이 생각해줘"와 같은 요청을 하면 작동하는 모델 자체가 달라지는 것처럼, Beltone Envision™ 의 AI 기능 역시 사용자가 필요에 따라 의도적으로 사용할 수 있다는 것입니다.

물론, 청취의 공간 정보를 활용해 입체감 있는 청취력을 제공해 주는 CrossLink Directionality 4(ENV17 기준) 기능은 Beltone Envision™ 에서도 그대로 경험하실 수 있는데요. CrossLink Directionality 는 보청기가 주변의 청취 환경을 실시간으로 모니터링하고, 해당 환경이 조용한 청취 환경인지, 역동적인 청취 환경인지, 시끄러운 청취 환경인지 분석한 후 최적의 세팅값을 가진 모드로 자동 전환해 주는 자동 제어 솔루션입니다. 

따라서, 일반적인 청취 환경에서는 Beltone Envision™ 의 자동 제어 솔루션을, 보다 도전적인 청취 환경에서는 Beltone Envision™ 에서 새롭게 추가된 True Focus 기반의 Hear in Noise 프로그램을 통해 각각의 해당 환경에 최적화된 청취 경험을 할 수 있는 것입니다.

Data-driven DNN

보청기의 소음 감소 기능에 있어 전통적인 방식의 소음 감소는 사전에 정의된 특정 규칙을 기반으로 이뤄지는데요. 예를 들어, '특정 주파수의 특정 SNR(Signal-to-noise ratio)은 소음으로 처리한다'와 같은 명시적 규칙이 존재하는 것이죠.

그러나 Beltone Envision™ 의 True Noise Reduction 에 적용된 데이터 기반 학습은 사전에 정의된 명시적 규칙 없이, 대량의 입출력 데이터로부터 패턴과 규칙을 자동으로 학습하게 됨으로써, 복잡한 청취 환경에서도 보다 높은 정확도를 보여준다는 이점이 있습니다.

이처럼 Beltone Envision™ 에 적용된 True Noise Reduction 기능은 우리 뇌와 신경계의 뉴런 구조를 모방하기 위해 만들어진 DNN 을 활용하여 구축되는데요.

Conceptual diagram of DNN

DNN 은 데이터를 입력 받는 Input Layer, 기능을 처리하고 추출하는 여러 개의 Hidden Layer, 최종 예측을 생성하는 Output Layer 로 구성됩니다. 각 원은 신경망 내의 한 Node(교점)를 나타내며, 각 노드는 뇌의 뉴런과 유사하게 서로 연결되어 있는데요. 신경망 내의 정보는 인접한 노드 간에 매우 빠르게 전달되며, 최종적으로 학습을 통해 가중치와 편향을 조정하여, 오류를 최소화하고 정확도를 향상시켜주는 것입니다.

image source - https://www.amazon.com.au/Guess-Who-Game-Retro-1988/dp/B01JVQX76W

DNN 과 관련해서 조금 더 쉬운 이해를 위해, 상대방이 선택한 캐릭터를 예/아니오 질문을 통해 추리해, 누구를 골랐는지 맞히면 승리하는 게임인 'Guess Who?(언어적 질문과 대답만으로 캐릭터를 추리해 실제 청능재활 분야에서도 활용되는 Barrier Game 의 한 형태)’를 생각해 봅시다.

'Guess Who?' 게임에서는 상대방의 캐릭터를 추측하기 위해 '안경을 썼나요?', '수염이 있나요?' 등과 같은 다양한 특징들을 질문하며 후보들을 하나씩 제거해 나가며, DNN 의 기본적인 개념 역시, 입력된 데이터가 여러 개의 Hidden Layers 를 거치며 각 특징들을 분석하고, 점점 후보를 좁혀가며 최종 예측을 하게 된다는 것입니다.

DNN 다이어그램에 Guess Who? 게임을 적용해 보았습니다! 정답은 'Max!'

즉, 'Guess Who?' 게임에서 우리는 캐릭터의 특징들을 하나씩 질문하며 후보를 좁혀가고, 만약 답이 없는 경우에는 첫 부분의 질문이 잘못된 방향으로 가지 않았나 다시 확인도 해 가며 결국에는 하나의 정답을 추론하게 되는 것이고, DNN 역시 데이터가 입력되면 여러 층을 거치며 점점 더 중요한 특징들을 추출하고, 학습 중 오답을 바탕으로 가중치를 수정하며 결국 올바른 정답을 예측하는 방식으로, 둘의 데이터 분류 방식은 상당히 유사하다고 볼 수 있는 것이죠.

결국 이와 같은 개념의 우리 뇌의 신경망 구조를 모방한 DNN 이 Beltone Envision™ 보청기에 탑재된 True Focus / True Noise Reduction 기능에 반영되면서 소음이 혼재하는 청취 환경에서도 음성을 인식하고 분리할 수 있도록 훈련되었으며, 동시에 소음에만 영향을 미치는 이득 감소 설정을 산출할 수 있도록 학습된 것입니다.

Omni vs True Focus(DNN) spectrogram

Balancing Performance & Efficiency

DNN 기반의 소음 감소 알고리즘은 기존의 소음 감소 방식보다 훨씬 더 많은 처리 능력이 요구됩니다. 그러나 보청기는 그 크기가 작아, 전력 자원이 제한되어 있기 때문에 보청기와 같은 소형 기기에 DNN 기능을 적용할 때는 전력 소비 측면의 효율성(Efficiency)을 극대화하는 것이 중요할 수밖에 없습니다. 따라서 Beltone Envision™ 에 탑재된 DNN 칩의 아키텍처와 학습 프로세스는 DNN 기능과 효율성이라는 두 가지 모두를 충족시키기 위해 설계되었습니다.

앞서 살펴본 DNN 다이어그램을 다시 한번 떠올려 보면, 신경망 내의 노드 수가 많을수록 알고리즘을 실행하는 데 더 많은 처리 자원이 필요해지겠죠. 신경망의 노드 수가 많아진다건, 마치 'Guess Who?' 게임에서 각 캐릭터들의 얼굴 그림 뿐만 아니라 전신 그림까지 있어서, 더욱 많은 질문을 해야 하고 기억해야 할 특징들도 많아진다는 것과 유사하다랄까요? 

마찬가지로 DNN 학습에 사용되는 음성 및 소음의 샘플 역시, 훈련에 사용되는 샘플이 많아질수록 이를 실행하는 데 보청기의 전력이 더 많이 필요해지는 것이죠. 따라서 Beltone Envision™ 의 DNN 칩은 가능한 적은 수의 노드를 사용하여 음성과 소음 간의 대비를 이룰 수 있도록 최적화되었으며, 실제 사용자가 명백한 소음원으로 간주할 수 있는 것을 포함, 실제 청취 환경에서 흔히 경험할 수 있는 의미 있는 사운드 샘플을 사용하여 훈련이 이뤄졌습니다.

제조사 연구 논문에 따르면 음성 식별의 효율성을 극대화하기 위해 다양한 발성(남성, 여성, 속삭임, 큰 소리 등)의 1,350만 개의 음성 문장이 DNN 학습에 사용되었고, 정밀하게 조정된 390만 개의 사운드 파라미터와 함께, Beltone DNN 은 하루에 4조 9,000억 개의 연산을 수행해, 듣고자 하는 말소리를 강조하고 성가신 배경 소음은 줄여 줄 수 있다고 합니다.

그리고 여기에는 또 다른 중요한 측면이 있는데요. 바로 중요한 청취 결정을 내리는 것은 DNN 이 아니라 결국에는 우리의 뇌 라는 것이죠. 만약 DNN 이 빗소리, 해변가의 파도 소리, 모닥불 소리와 같이 사용자 관점에 따라 소음으로 간주될 수도 있고 아닐 수도 있는 모호한 소리로 훈련되면, 보청기의 전력 요구량이 증가할 뿐만 아니라 소음 감소 측면에서의 과잉 처리가 시작돼 사용자가 듣고자 하는 소리에 대한 이득 마저 감소시킬 수 있는 것입니다.

따라서 Beltone Envision™ 의 DNN 학습에서는 훈련에 사용되는 사운드 샘플의 양(quantity)이 아닌 사운드 샘플의 품질(quality)에 중점을 둬, 보다 효과적인 DNN 기반 소음 감소를 제공해 주며, 이는 결국 DNN 칩의 전력 소비 측면에서의 효율성은 물론, 사이즈 측면에서의 효율성까지도 극대화 시켜주는 것입니다.

LE Audio 기반의 Auracast 기능도 Beltone Envision™ 에서 경험하실 수 있어요!

여기까지 듀얼 칩, 트리플(360 chip, DNN chip & Brain) 프로세싱 기술과 함께 대표적인 AI 보청기로 자리매김한 Beltone Envision™ 보청기에 대해 살펴봤는데요. 아무래도 새롭게 탑재된 AI 기능과 관련된 내용에 초점이 맞춰질 수밖에 없었지만, 그만큼 앞으로가 더욱 기대되는 부분이기도 하니까 말이죠. 현재 보청기 분야에서의 DNN 기능은 대규모 데이터로부터 사전 학습된 DNN 을 활용하지만, 혹시 모르죠. 보청기 사용자 개개인의 청취 환경을 학습할 수 있는 가능성도 기대해 볼 수 있지 않을까요?

마지막으로 Beltone Envision™ 의 AI 기능과 관련해서 반드시 알아두셔야 할 몇 가지 내용들을 QnA 형식으로 정리해 봤으니 나가시기 전에 아래 내용들도 꼭 한번 참고합시다.

Beltone Envision™ 관련 Q&A

Q : Beltone Envision™ 의 AI 기능은 편측만 착용했을 때도 경험할 수 있나요?

A : 아니요. Beltone Envision™ 의 AI 기능은 True Noise Reduction 과 업그레이드된 4-microphone binaural beamformer 를 통합한 기능입니다. 따라서 양이 착용 시에만 진정한 AI 기능의 이점을 누리실 수 있습니다.

Q : Beltone Envision™ 배터리식 보청기(312A, 13A)에서도 AI 기능을 경험할 수 있나요?

A : 아니요. Beltone Envision™ 의 AI 기능은 충전식 보청기인 microRIE 모델에만 탑재되어 있습니다. 하지만 업그레이드된 Clear Focus 모드가 탑재되어 있어, 기존 Ultra Focus 모드 보다 향상된 청취 경험을 제공해 줍니다. 사용자의 청취 환경이나 사용 습관 등에 따라 배터리식 보청기가 더 적합할 수도 있다는 것 참고합시다.

Q : Beltone Envision™ 충전식 모델에서는 모든 레벨의 보청기에서 AI 기능을 경험할 수 있나요?

A : 아니요. Beltone Envision™ 충전식 모델 중에서 17 레벨의 최고 등급에서만 AI 기능을 경험하실 수 있습니다(양이 착용 필수). 하지만, Beltone Envision™ 은 사용자의 환경에 따라 최선의 선택을 하실 수 있도록 다양한 레벨의 보청기로 출시되어 있습니다.

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