MATLAB语音识别系统[声纹识别]

一、语音识别的简单介绍

基于VQ的说话人识别系统，矢量量化起着双重作用。在训练阶段，把每一个说话者所提取的特征参数进行分类，产生不同码字所组成的码本。在识别(匹配)阶段，我们用VQ方法计算平均失真测度(本系统在计算距离d时，采用欧氏距离测度)，从而判断说话人是谁。

语音识别系统结构框图如图1所示。

语者识别的概念

语者识别就是根据说话人的语音信号来判别说话人的身份。语音是人的自然属性之一，由于说话人发音器官的生理差异以及后天形成的行为差异，每个人的语音都带有强烈的个人色彩，这就使得通过分析语音信号来识别说话人成为可能。用语音来鉴别说话人的身份有着许多独特的优点，如语音是人的固有的特征，不会丢失或遗忘；语音信号的采集方便，系统设备成本低；利用电话网络还可实现远程客户服务等。因此，近几年来，说话人识别越来越多的受到人们的重视。与其他生物识别技术如指纹识别、手形识别等相比较，说话人识别不仅使用方便，而且属于非接触性，容易被用户接受，并且在已有的各种生物特征识别技术中，是唯一可以用作远程验证的识别技术。因此，说话人识别的应用前景非常广泛：今天，说话人识别技术已经关系到多学科的研究领域，不同领域中的进步都对说话人识别的发展做出了贡献。说话人识别技术是集声学、语言学、计算机、信息处理和人工智能等诸多领域的一项综合技术，应用需求将十分广阔。在吃力语音信号的时候如何提取信号中关键的成分尤为重要。语音信号的特征参数的好坏直接导致了辨别的准确性。

特征参数的提取

对于特征参数的选取，我们使用mfcc的方法来提取。MFCC参数是基于人的听觉特性利用人听觉的屏蔽效应，在Mel标度频率域提取出来的倒谱特征参数。

MFCC参数的提取过程如下：

1. 对输入的语音信号进行分帧、加窗，然后作离散傅立叶变换，获得频谱分布信息。

设语音信号的DFT为：

（1）

其中式中x(n)为输入的语音信号，N表示傅立叶变换的点数。

2. 再求频谱幅度的平方，得到能量谱。

3. 将能量谱通过一组Mel尺度的三角形滤波器组。

我们定义一个有M个滤波器的滤波器组（滤波器的个数和临界带的个数相近），采用的滤波器为三角滤波器，中心频率为f(m),m=1,2,3,···，M

本系统取M=100。

4. 计算每个滤波器组输出的对数能量。

（2）

其中

为三角滤波器的频率响应。

5. 经过离散弦变换（DCT）得到MFCC系数。

MFCC系数个数通常取20—30，常常不用0阶倒谱系数，因为它反映的是频谱能量，故在一般识别系统中，将称为能量系数，并不作为倒谱系数，本系统选取20阶倒谱系数。

用矢量量化聚类法生成码本

我们将每个待识的说话人看作是一个信源，用一个码本来表征。码本是从该说话人的训练序列中提取的MFCC特征矢量聚类而生成。只要训练的序列足够长，可认为这个码本有效地包含了说话人的个人特征，而与讲话的内容无关。

本系统采用基于分裂的LBG的算法设计VQ码本，

为训练序列，B为码本。

具体实现过程如下：

1. 取提取出来的所有帧的特征矢量的型心(均值)作为第一个码字矢量B1。

2. 将当前的码本Bm根据以下规则分裂，形成2m个码字。

（4）

其中m从1变化到当前的码本的码字数，ε是分裂时的参数，本文ε=。

3. 根据得到的码本把所有的训练序列(特征矢量)进行分类，然后按照下面两个公式计算训练矢量量化失真量的总和

以及相对失真(n为迭代次数，初始n=0，

=∞，B为当前的码书)，若相对失真小于某一阈值ε，迭代结束，当前的码书就是设计好的2m个码字的码书，转５。否则，转下一步。

量化失真量和：

（5）

相对失真：

（6）

4. 重新计算各个区域的新型心，得到新的码书，转3。

5. 重复２ ，３ 和４步，直到形成有M个码字的码书(M是所要求的码字数)，其中D0=10000。

VQ的说话人识别

设是未知的说话人的特征矢量

，共有T帧是训练阶段形成的码书，表示码书第m个码字，每一个码书有M个码字。再计算测试者的平均量化失真D，并设置一个阈值，若D小于此阈值，则是原训练者，反之则认为不是原训练者。

二算法程序分析

在具体的实现过程当中，采用了matlab软件来帮助完成这个项目。在matlab中主要由采集，分析，特征提取，比对几个重要部分。以下为在实际的操作中，具体用到得函数关系和作用一一列举在下面。函数关系主要有两类函数文件和在调用获取训练录音的vq码本，而调用获取单个录音的mel倒谱系数，接着调用将能量谱通过一组Mel尺度的三角形滤波器组。 在函数文件中调用计算训练录音（提供vq码本）与测试录音（提供mfcc）mel倒谱系数的距离，即判断两声音是否为同一录音者提供。调用获取单个录音的mel倒谱系数。调用将能量谱通过一组Mel尺度的三角形滤波器组。 具体代码说明函数mffc:function r = mfcc(s, fs)---m = 100;n = 256;l = length(s);nbFrame = floor((l - n) / m) + 1; %沿-∞方向取整 for i = 1:nfor j = 1:nbFrameM(i, j) = s(((j - 1) * m) + i); %对矩阵M赋值endendh = hamming(n); %加 hamming 窗，以增加音框左端和右端的连续性M2 = diag(h) * M;for i = 1:nbFrameframe(:,i) = fft(M2(:, i)); %对信号进行快速傅里叶变换FFT endt = n / 2;tmax = l / fs;m = melfb(20, n, fs); %将上述线性频谱通过Mel 频率滤波器组得到Mel 频谱,下面在将其转化成对数频谱n2 = 1 + floor(n / 2);z = m * abs(frame(1:n2, :)).^2;r = dct(log(z)); %将上述对数频谱，经过离散余弦变换(DCT)变换到倒谱域，即可得到Mel 倒谱系数(MFCC参数)函数disteu---计算测试者和模板码本的距离function d = disteu(x, y)[M, N] = size(x); %音频x赋值给【M，N】[M2, P] = size(y); %音频y赋值给【M2，P】if (M ~= M2)error('不匹配！') %两个音频时间长度不相等endd = zeros(N, P);if (N < P)%在两个音频时间长度相等的前提下copies = zeros(1,P);for n = 1:Nd(n,:) = sum((x(:, n+copies) - y) .^2, 1);endelsecopies = zeros(1,N);for p = 1:Pd(:,p) = sum((x - y(:, p+copies)) .^2, 1)';end%%成对欧氏距离的两个矩阵的列之间的距离endd = d.^;函数vqlbg---该函数利用矢量量化提取了音频的vq码本function r = vqlbg(d,k)e = .01;r = mean(d, 2);dpr = 10000;for i = 1:log2(k)r = [r*(1+e), r*(1-e)];while (1 == 1)z = disteu(d, r);[m,ind] = min(z, [], 2);t = 0;for j = 1:2^ir(:, j) = mean(d(:, find(ind == j)), 2);x = disteu(d(:, find(ind == j)), r(:, j));for q = 1:length(x)t = t + x(q);endendif (((dpr - t)/t) < e)break;elsedpr = t;endendend函数testfunction finalmsg = test(testdir, n, code)for k = 1:n % read test sound file of each speakerfile = sprintf('%ss%', testdir, k);[s, fs] = wavread(file);v = mfcc(s, fs); % 得到测试人语音的mel倒谱系数distmin = 4; %阈值设置处% 就判断一次，因为模板里面只有一个文件d = disteu(v, code{1}); %计算得到模板和要判断的声音之间的“距离”dist = sum(min(d,[],2)) / size(d,1); %变换得到一个距离的量%测试阈值数量级msgc = sprintf('与模板语音信号的差值为:%10f ', dist);disp(msgc); %此人匹配 if dist <= distmin %一个阈值，小于阈值，则就是这个人。msg = sprintf('第%d位说话者与模板语音信号匹配,符合要求!\n', k); finalmsg = '此位说话者符合要求!'; %界面显示语句，可随意设定 disp(msg); end %此人不匹配 if dist > distminmsg = sprintf('第%d位说话者与模板语音信号不匹配,不符合要求!\n', k);finalmsg = '此位说话者不符合要求!'; %界面显示语句，可随意设定disp(msg);end end函数testDB这个函数实际上是对数据库一个查询,根据测试者的声音,找相应的文件,并且给出是谁的提示function testmsg = testDB(testdir, n, code)nameList={'1','2','3','4','5','6','7','8','9' }; %这个是我们要识别的9个数for k = 1:n % 数据库中每一个说话人的特征file = sprintf('%ss%', testdir, k);%找出文件的路径[s, fs] = wavread(file);v = mfcc(s, fs); % 对找到的文件取mfcc变换distmin = inf;k1 = 0;for l = 1:length(code) d = disteu(v, code{l}); dist = sum(min(d,[],2)) / size(d,1);if dist < distmindistmin = dist;%%这里和test函数里面一样 但多了一个具体语者的识别k1 = l;endendmsg=nameList{k1}msgbox(msg);end函数train---该函数就是对音频进行训练，也就是提取特征参数function code = train(traindir, n)k = 16;% number of centroids requiredfor i = 1:n % 对数据库中的代码形成码本file = sprintf('%ss%', traindir, i); disp(file);[s, fs] = wavread(file);v = mfcc(s, fs); % 计算 MFCC's 提取特征特征，返回值是Mel倒谱系数，是一个log的dct得到的code{i} = vqlbg(v, k);% 训练VQ码本 通过矢量量化，得到原说话人的VQ码本end函数melfb---确定矩阵的滤波器function m = melfb(p, n, fs)f0 = 700 / fs;fn2 = floor(n/2);lr = log(1 + f0) / (p+1);% convert to fft bin numbers with 0 for DC termbl = n * (f0 * (exp([0 1 p p+1] * lr) - 1));直接转换为FFT的数字模型b1 = floor(bl(1)) + 1;b2 = ceil(bl(2));b3 = floor(bl(3));b4 = min(fn2, ceil(bl(4))) - 1;pf = log(1 + (b1:b4)/n/f0) / lr;fp = floor(pf);pm = pf - fp;r = [fp(b2:b4) 1+fp(1:b3)];c = [b2:b4 1:b3] + 1;v = 2 * [1-pm(b2:b4) pm(1:b3)];m = sparse(r, c, v, p, 1+fn2)；