Đồ án tốt nghiệp PDF by http://www .ebook.edu.vn SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Diệp Trang 1 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN Kính g ửi: Hội đồng bảo vệ đồ án tốt nghiệp Khoa Điện tử _ Viễn thông _ Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng. Em tên là: Nguyễn Thị Ngọc Diệp Hiện đang học lớp 04ĐT1- Khoa: Điện tử - Viễn thông – Trường: Đại học Bách Khoa Đà Nẵng. Nhóm em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước. Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Ngọc Diệp SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Diệp Trang 2 Đồ án tốt nghiệp PDF by http://www .ebook.edu.vn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN 1 MỤC LỤC 2 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ CÁC THUẬT NGỮ TIẾNG ANH 8 MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TIẾNG NÓI 13 1.1 Giới thiệu chương 13 1.2 Nâng cao chất lượng tiếng nói là gì ? 13 1.3 Lý thuyết về tín hiệu và nhiễu 15 1.3.1 Tín hiệu, hệ thống và xử lý tín hiệu 15 1.3.1.1 Tín hiệu 15 1.3.1.2 Nguồn tín hiệu 15 1.3.1.3 Hệ thống và xử lý tín hiệu 16 1.3.1.4 Phân loại tín hiệu 16 1.4 Lý thuyết về nhiễu 17 1.4.1 Nguồn nhiễu 17 1.4.2 Nhiễu và mức tín hiệu tiếng nói trong các môi trường khác nhau 19 1.5 Tín hiệu rời rạc theo thời gian 20 1.5.1 Tín hiệu bước nhảy đơn vị 21 1.5.2 Tín hiệu xung đơn vị 21 1.5.3 Tín hiệu hàm mũ 21 1.5.4 Tín hiệu hàm sin rời rạc 21 1.6 Phép biến đổi Fourier của tín hiệu rời rạc DTFT 22 1.6.1 Sự hội tụ của phép biến đổi Fourier 22 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Diệp Trang 3 Đồ án tốt nghiệp PDF by http://www .ebook.edu.vn 1.6.2 Quan hệ giữa biến đổi Z và biến đổi Fourier 22 1.6.3 Phép biến đổi Fourier ngược 23 1.6.4 Các tính chất của phép biến đổi Fourier 23 1.6.5 Phân tích tần số (phổ) cho tín hiệu rời rạc 24 1.6.6 Phổ tín hiệu và phổ pha 25 1.7 Các thuật toán sử dụng nâng cao chất lượng tiếng nói 26 1.7.1 Trừ phổ 26 1.7.2 Mô hình thống kê 26 1.8 Tín hiệu tiếng nói 26 1.9 Cơ chế tạo tiếng nói 28 1.9.1.1 Bộ máy phát âm của con người 28 1.9.2 Mô hình kỹ thuật của việc tạo tiếng nói 28 1.9.3 Phân loại âm 29 1.9.4 Thuộc tính âm học của tiếng nói 29 1.10 Kết luận chương 29 CHƯƠNG 2 : ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TIẾNG NÓI 30 2.1 Giới thiệu chương 30 2.2 Phương pháp đánh giá chủ quan 30 2.2.1 Các phương pháp đánh giá tuyệt đối 31 2.2.1.1 Phương pháp đánh giá tuyệt đối ACR 31 2.2.2 Các phương pháp đánh giá tương đối 31 2.2.2.1 Đánh giá bằng phương pháp so sánh các mẫu tín hiệu 31 2.2.2.2 Phương pháp đánh giá theo sự suy giảm chất lượng 32 2.3 Phương pháp đánh giá khách quan 33 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Diệp Trang 4 Đồ án tốt nghiệp PDF by http://www .ebook.edu.vn 2.3.1 Đo tỷ số tín hiệu trên nhiễu trên từng khung 33 2.3.2 Đo khoảng cách phổ dựa trên LPC 35 2.3.2.1 Phương pháp đo LLR 35 2.3.2.2 Phương pháp đo IS 36 2.3.2.3 Phương pháp đo theo khoảng cách cepstrum 36 2.3.3 Đánh giá mô phỏng theo cảm nhận nghe của con người 37 2.3.3.1 Phương pháp đo Weighted Spectral Slope 37 2.3.3.2 Phương pháp đo Bark Distortion 38 2.3.3.3 Phương pháp đánh giá cảm nhận chất lượng thoại PESQ 39 2.4 Kết luận chương 39 CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN SPECTRAL–SUBTRACTION VÀ WIENER FILTERING 41 3.1 Giới thiệu chương 41 3.2 Sơ đồ khối chung của Spectral Subtraction và Wiener Filtering 41 3.3 Thuật toán Spectral Subtraction 41 3.3.1 Giới thiệu chung 41 3.3.2 Spectral subtraction đối với phổ biên độ 42 3.3.3 Spectral subtraction đối với phổ công suất 43 3.4 Thuật toán Wiener Filtering 45 3.4.1 Giới thiệu chung 45 3.4.2 Nguyên lý cơ bản của Wiener Filtering 46 3.5 Overlap và Adding trong quá trình xử lý tín hiệu tiếng nói 48 3.5.1 Phân tích tín hiệu theo từng frame 48 3.5.2 Overlap và Adding 49 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Diệp Trang 5 Đồ án tốt nghiệp PDF by http://www .ebook.edu.vn 3.6 Ước lượng và cập nhật nhiễu 50 3.6.1 Voice activity detection 51 3.6.2 Quá trình ước lượng và cập nhật nhiễu 51 3.7 Kết luận chương 52 CHƯƠNG 4: THỰC HIỆN VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC THUẬT TOÁN 53 4.1 Giới thiệu chương 53 4.2 Quy trình thực hiện và đánh giá thuật toán 53 4.3 Lưu đồ thuật toán Spectral Subtraction 55 4.4 Lưu đồ thuật toán Wiener Filtering 56 4.5 Thực hiện thuật toán 57 4.6 Đánh giá chất lượng tiếng nói đã được xử lý 59 4.6.1 Cơ sở dữ liệu cho việc đánh giá 59 4.6.2 Tổng quan về quy trình đánh giá 59 4.6.3 Kiểm tra độ tin cậy của các phương pháp đánh giá 60 4.6.4 Thực hiện đánh giá 62 4.6.4.1 Đánh giá thuật toán với các hệ số dự đoán ban đầu 62 4.6.4.2 Tối ưu hệ số alpha cho thuật toán WF 65 4.6.4.3 Hệ số gamma cho thuật toán SS 67 4.6.4.4 Đánh giá thuật toán sau khi đã tối ưu 68 4.6.4.5 Đánh giá độ ổn định của thuật toán trong môi trường nhiễu khác 69 4.6.5 Kết luận chương 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 KẾT LUẬN ĐỒ ÁN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 75 PHỤ LỤC 76 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Diệp Trang 6 Đồ án tốt nghiệp PDF by http://www .ebook.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG Hình 1.1 Tín hiệu tiếng nói [2]. 15 Hình 1.2 Dạng và sự phân bố phổ năng lượng trung bình nhiễu trên xe [4] 18 Hình 1.3 Dạng và sự phân bố phổ năng lượng trung bình của nhiễu trên tàu [4]. 18 Hình 1.4 Dạng và sự phân bố phổ năng lượng trung bình của nhiễu trong nhà hàng[4]. 19 Hình 1.5 Mức nhiễu và tiếng nói (được đo bằng SPL dB) trong các môi trường khác nhau [4]. 20 Hình 1.6 Mẫu tiếng nói “eee” được lấy mẫu với tần số lấy mẫu 8kHz [11]. 25 Hình 1.7 Dạng sóng tín hiệu tiếng nói của câu “The wife helped her husband” và dạng sóng của phụ âm “f” trong từ “wife, dạng sóng của đoạn nguyên âm “er” trong từ “her” [11] 27 Hình 1.8 mặt cắt dọc của cơ quan tạo tiếng nói [11] 28 Hình 1.9 mô hình kỹ thuật tạo tiếng nói[11]. 28 Hình 1.10 bảng phân loại âm vị trong tiếng Anh của người Mỹ [11] 29 Bảng 2.1.Thang điểm đánh giá chất lượng tiếng nói theo MOS [12] 31 Bảng 2.4. Thang điểm đánh giá chất lượng tín hiệu tiếng nói theo CCR 32 Bảng 2.5. Thang đánh giá DCR 32 Hình 3.1 Sơ đồ khối cho hai thuật toán SS và WF 41 Hình 3.2 Sơ đồ khối của thuật toán Spectral subtraction [26]. 45 Hình 3.3 Sơ đồ khối của thuật toán Wiener Filtering. 48 Hình 3.4 Phân tích tín hiệu thành các frame [31] 49 Hình 3.5 quá trình thực hiện overlap và adding [32]. 50 Hình 4.1. Sơ đồ thực hiện và đánh giá thuật toán tăng cường 53 Hình 4.2 Lưu đồ thuật toán SS 55 Hình 4.3 Lưu đồ thuật toán WF 56 Hình 4.4 dạng sóng và spectrogram của tín hiệu sạch 57 Hình 4.5 Dạng sóng và phổ của tín hiệu bị nhiễu xe hơi với SNR = 10dB 57 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Diệp Trang 7 Đồ án tốt nghiệp PDF by http://www .ebook.edu.vn Hình 4.6 Dạng sóng và spectrogram của tín hiệu sau khi xử lý nhiễu xe hơi bằng SS với SNR = 10dB. 58 Hình 4.7 Dạng sóng và spectrogram của tín hiệu sau khi xử lý nhiễu xe hơi bằng WF với SNR = 10dB. 58 Hình 4.8 Quy trình thực hiện đánh giá 60 Hình 4.9. Đồ thị kiểm tra độ ổn định của đánh giá OE đối với nhiễu xe hơi 61 Hình 4.10. Đồ thị kiểm tra độ ổn định của đánh giá OE đối với nhiễu người nói xung quanh 61 Hình 4.11 Đồ thị đánh giá Objective với hệ số IS=0.2, NoiseMargin=3 63 Hình 4.12 Đồ thị đánh giá Objective với hệ số IS=0.15, NoiseMargin=2 64 Hình 4.14 Đồ thị đánh giá objective với hệ số alpha=0.5, 0.8,0.9 với IS=0.15 và NoiseMargin = 2 66 Hình 4.15 Đồ thị đánh giá objective với hệ số gamma = 1 và gamma = 2. 67 Hình 4.16 Đồ thị đánh giá với IS=0.15 NoiMargin= 2 và alpha = 0.8 cho thuật toán WF, gama=1 cho thuật toán SS 69 Hình 4.17 Đồ thị đánh giá OE với nhiễu người nói xung quanh. 70 SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Diệp Trang 8 Đồ án tốt nghiệp PDF by http://www .ebook.edu.vn DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ CÁC THUẬT NGỮ TIẾNG ANH Từ viết tắt Tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt SNR Signal Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu PC Personal Computer Máy tính cá nhân SPL Sound Pressure Level Mức áp suất của âm thanh MMSE Minium Mean-Squared Error Tối thiểu hoá sai lệch trung bình bình phương SVD Singular Value Decomposition Phép phân tích giá trị đơn DFT Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier rời rạc FFT Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier nhanh DTFT Discrete-Time Fourier Transform Phép biến đổi Fourier của tín hiệu rời rạc. ZT Z Transform Phép biến đổi Z ROC Region of Convergence Miền hội tụ IDTFT Inverse Discrete Fourier Transform Phép biến đổi ngược Fourier rời rạc LTI Linear Time-Invariant Hệ thống tuyến tính và bất biến theo thời gian ITU-T InternationalTelecommunications Union-Telecommunication Hiệp hội tiêu chuẩn viễn thông quốc tế ACR Absolute Categories Rating Đánh giá theo giá trị tuyệt đối MOS Mean Opinion Scores Đánh giá theo quan điểm người nghe CCR Comparison Category Rating Đánh giá bằng cách so sánh DCR Degradation Category Rating Đánh giá suy giảm chất lượng SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Diệp Trang 9 Đồ án tốt nghiệp PDF by http://www .ebook.edu.vn SE Subjective Evaluation Đánh giá chủ quan OE Objective Evaluation Đánh giá khách quan IS Itakura_Saito LLR Log likehook Raito WSS Weighted Spectral Slope Đo theo trọng số của phổ LPC Linear Prediction Coefficients Hệ số dự đoán tuyến tính VAD Voice Activity Detection Thăm dò sự hoạt động của tiếng nói Speech Enhancement Nâng cao chất lượng tiếng nói SS Spectral Subtraction Thuật toán giảm nhiễu tín hiệu tiếng nói bằng phương pháp trừ phổ. WF Wiener Filter Thuật toán giảm nhiễu tín hiệu tiếng nói bằng cách sử dụng bộ lọc Wiener. Statistical-model-based Thuật toán giảm nhiễu tín hiệu tiếng nói dựa trên nguyên lý thống kê Frame Khung tín hiệu. Hamming Cửa sổ Hamming Overlap và Adding Xếp chồng và cộng SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Diệp Trang 10 Đồ án tốt nghiệp PDF by http://www .ebook.edu.vn MỞ ĐẦU Trong cuộc sống, tiếng nói đóng một vai trò rất quan trọng đối với con người. Cùng với tiếng nói là sự xuất hiện của rất nhiều các loại dịch vụ thoại như ngày nay. Tuy nhiên việc bảo toàn được tín hiệu tiếng nói trên các dịch vụ này là điều vô cùng khó khăn do sự mất mát và suy giảm tín hiệu và nhất là ảnh hưởng của nhiễu sẽ làm cho tín hiệu tiếng nói không còn như ban đầu. Vì lý do đó mà các thuật toán về Speech Enhancement ra đời. Tuy không thể bảo toàn được y nguyên tín hiệu ban đầu nhưng sử dụng các thuật toán này ta có thể tăng cường được chất lượng tiếng nói và giảm bớt nhiễu nền để tín hiệu sau khi xử lý đến người nghe vẫn mang đầy đủ nội dung thông tin và không gây khó chịu bởi nhiễu đối với người nghe. Vì vậy, Speech Enhancement đóng một vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực thoại. Xuất phát từ thực tế này nhóm đã bắt tay vào tìm hiểu về Speech Enhancement, nghiên cứu các thuật toán của nó để thực hiện và đánh giá hiệu quả của các thuật toán đó trong môi trường thực tế. Để thực hiện được đồ án, nhóm đã phân chia thành 3 phần tương ứng với 3 thành viên : - Nguyễn Ngọc Trung : nghiên cứu và thực hiện thuật toán xử lý tiếng nói sử dụng phương pháp Spectral Subtraction. - Nguyễn Phúc Nguyên : nghiên cứu và thực hiện thuật xử lý tiếng nói sử dụng bộ lọc Wiener. - Nguyễn Thị Ngọc Diệp : nghiên cứu và thực hiện các phương pháp đánh giá từ các kết quả đạt được của 2 thuật toán trên trong môi trường thực tế. Để thực hiện được nội dung phần của em thì đồ án của em được kết cấu thành 2 phần, gồm 5 chương : Phần 1 : Lý thuyết Chương 1 : Tổng quan về nâng cao chất lượng tiếng nói. Chương này giới thiệu một số khái niệm cơ bản về tín hiệu số, các phép biến đổi, tìm hiểu về các [...]... nói và sự hình thành tiếng nói Bên cạnh đó còn giới thiệu khái quát về một số thuật toán trong Speech Enhancement Chương 2 : Đánh giá chất lượng tiếng nói Chương này giới thiệu một số phương pháp đánh giá hiệu quả của thuật toán giảm nhiễu trong tiếng nói Gồm có đánh giá chủ quan và đánh giá khách quan Chương 3 : Thuật toán Spectral Subtraction và Wiener Filtering Chương này đi sâu vào nghiên cứu nguyên. .. nghiên cứu nguyên lý cơ bản của từng thuật toán Phần 2 : Thực hiện và đánh giá Chương 4 : Thực hiện và đánh giá thuật toán Chương này trình bày các kết quả nhóm đã làm được gồm có thực hiện giảm nhiễu tín hiệu tiếng nói bằng hai thuật toán đã nghiên cứu ở chương 3 Đồng thời so sánh kết quả thu được bằng cách dùng các phương pháp đánh giá đã được giới thiệu ở chương 2 Phương pháp nghiên cứu của đồ án là... xây dựng lưu đồ của thuật toán, thực hiện xử lý tiếng nói bằng các thuật toán đó Dựa trên các kết quả đạt được sau khi xử lý, sau đó sử dụng các phương pháp đánh giá khách quan để đánh giá tính hiệu quả của các thuật toán xử lý trong môi trường thực tế Đồ án của nhóm đã thực hiện được 2 thuật toán xử lý tiếng nói trong Speech Enhancement và đưa ra được các kết quả đánh giá khách quan làm cơ sở để đánh... Các thuật toán sử dụng nâng cao chất lượng tiếng nói 1.7.1 Trừ phổ Spectral- subtraction (SS) hay còn gọi là trừ phổ là một thuật toán giảm nhiễu đơn giản nhất Nó dựa trên nguyên lý cơ bản là nó sẽ mô tả và cập nhật nhiễu trong tín hiệu có nhiễu bằng cách thu nhiễu khi không có sự hiện diện của tín hiệu Và nhiễu đó sẽ được trừ với tín hiệu có nhiễu, kết quả là tín hiệu của chúng ta sau khi xử lý bằng thuật. .. loại gồm: nguyên âm và nguyên âm đôi, bán nguyên âm, âm mũi, âm stops, fricative, africatives, whisper Hình 1.10 bảng phân loại âm vị trong tiếng Anh của người Mỹ [11] 1.9.4 Thuộc tính âm học của tiếng nói Tín hiệu tiếng nói là tín hiệu tương tự, biểu diễn cho thông tin về mặt ngôn ngữ và được thể hiện bằng các âm vị khác nhau Số lượng các âm vị tuỳ thuộc vào từng ngôn ngữ, vào khoảng 20 đến 30 và không... tìm ra được thuật toán xử lý thích hợp ứng với mỗi trường hợp cụ thể Chương 2 : Đánh giá chất lượng tiếng nói CHƯƠNG 2 : ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TIẾNG NÓI 2.1 Giới thiệu chương Cho đến nay đã có rất nhiều thuật toán nâng cao chất lượng tiếng nói, nhưng làm thế nào để đánh giá đúng hiệu quả của chúng Phần này cung cấp các phương pháp đánh giá khác nhau được sử dụng để đánh giá hiệu quả của thuật toán nâng... hiệu quả của 2 thuật toán trên Đó chính là đi m mới trong đồ án của nhóm so với các đồ án đã có trước trong cùng chủ đề nghiên cứu SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Diệp Trang 11 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Diệp PDF by http://www.ebook.edu.vn Trang 12 Chương 1 : Tổng quan về nâng cao chất lượng tiếng nói CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TIẾNG NÓI 1.1 Giới thiệu chương Nội dung của chương trình... bình của nhiễu trong nhà hàng[4] 1.4.2 Nhiễu và mức tín hiệu tiếng nói trong các môi trường khác nhau Đi m tới hạn trong việc thiết kế các thuật toán của Speech enhancement là sự nhận biết dải biến thiên của tiếng nói và mức độ cường độ nhiễu trong môi trường thực tế Từ đó, chúng ta có thể mô tả miền biến thiên của mức độ tỷ số tín hiệu trên nhiễu(SNR) được bắt gặp trong môi trường thực tế Đi u này. .. đơn thuần là thiết bị vật lý mà còn là phần mềm xử lý tín hiệu hoặc là sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm Ví dụ khi xử lý số tín hiệu bằng mạch logic, hệ thống xử lý ở đây là phần cứng Khi xử lý bằng máy tính số, tác động lên tín hiệu bao gồm một loạt các phép toán thực hiện bởi chương trình phần mềm Khi xử lý bằng các bộ vi xử lý- hệ thống bao gồm kết hợp cả phần cứng và phần mềm, mỗi phần thực... khác nhau, thì mức độ âm của nhiễu nằm trong phạm vi biến thiên từ 50 đến 55 dB SPL, và mức độ âm của tiếng nói là 60 đến 70 dB SPL Và khuyến nghị đưa ra là mức tỷ số SNR có hiệu quả trong các môi trường này là 5 đến 15 dB Mức độ âm của nhiễu rất cao trong các môi trường ở tàu đi n ngầm, ở trên máy bay, nó đạt khoảng 70 đến 75 dB SPL Và mức độ âm của tiếng nói trong các môi trường này cũng đạt mức đó, . của thuật toán giảm nhiễu trong tiếng nói. Gồm có đánh giá chủ quan và đánh giá khách quan. Chương 3 : Thuật toán Spectral Subtraction và Wiener Filtering. Chương này đi sâu vào nghiên cứu nguyên. 39 CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN SPECTRAL SUBTRACTION VÀ WIENER FILTERING 41 3.1 Giới thiệu chương 41 3.2 Sơ đồ khối chung của Spectral Subtraction và Wiener Filtering 41 3.3 Thuật toán Spectral Subtraction. Trung : nghiên cứu và thực hiện thuật toán xử lý tiếng nói sử dụng phương pháp Spectral Subtraction. - Nguyễn Phúc Nguyên : nghiên cứu và thực hiện thuật xử lý tiếng nói sử dụng bộ lọc Wiener. -