电子阔少

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声纹识别技术

语音识别、声纹识别、语义识别的区别
很多除接触AI的小伙伴, 不清楚语音识别和声纹识别的区别,经常混淆概念,以为语音识别、声纹识别、语义识别是同一回事,其实不然。
声纹识别和语音识别在原理上一样,都是通过对采集到的语音信号进行分析和处理,提取相应的特征或建立相应的模型,然后据此做出判断。但二者的根本目的,提取的特征、建立的模型是不一样的。
语音识别的目的: 识别语音的内容。并以电脑自动将人类的语音内容转换为相应的文字。
声纹识别的目的: 识别说话人的身份。又称说话人识别,是生物识别技术的一种。
语义识别的目的: 对语音识别出来的内容进行语义理解和纠正。比如同声翻译机。
声纹识别,是通过语音波形中反映说话人生理和行为特征的语音参数,进而连接到声纹库,一般式公安部声纹数据库,鉴别人的身份。所承载的功能特点和人脸识别是一样的,都是为了证明,“你是张三,还是李四”。
因此,声纹识别不注重语音信号的语义,而是从语音信号中提取个人声纹特征,挖掘出包含在语音信号中的个性因素。
而语音识别是从不同人的词语信号中寻找共同因素
声纹识别的基础概念
1. 为什么分帧处理
在对语音信号进行分析和处理之前,必须对其进行预加重、分帧、加窗等预处理操作。这些操作的目的是消除因为人类发声器官本身和由于采集语音信号的设备所带来的混叠、高次谐波失真、高频等等因素,对语音信号质量的影响。尽可能保证后续语音处理得到的信号更均匀、平滑,为信号参数提取提供优质的参数,提高语音处理质量。
分帧贯穿于语音分析全过程的是“短时分析技术”。语音信号具有时变特性,但是在一个短时间范围内(一般认为在10 ~ 30ms的短时间内),其特性基本保持不变即相对稳定,因而可以将其看作是一个准稳态过程,即语音信号具有短时平稳性。所以任何语音信号的分析和处理必须建立在“短时”的基础上,即进行“短时分析”,将语音信号分段来分析其特征参数,其中每一段称为一“帧”,帧长一般取为10~30ms。这样,对于整体的语音信号来讲,分析出的是由每一帧特征参数组成的特征参数时间序列。
音信号处理常常要达到的一个目标,就是弄清楚语音中各个频率成分的分布。做这件事情的数学工具是傅里叶变换。傅里叶变换要求输入信号是平稳的,当然不平稳的信号你想硬做也可以,但得到的结果就没有什么意义了。而语音在宏观上来看是不平稳的——你的嘴巴一动,信号的特征就变了。但是从微观上来看,在比较短的时间内,嘴巴动得是没有那么快的,语音信号就可以看成平稳的,就可以截取出来做傅里叶变换了。这就是为什么语音信号要分帧处理,截取出来的一小段信号就叫一「帧」。
那么一帧有多长呢?帧长要满足两个条件:从宏观上看,它必须足够短来保证帧内信号是平稳的。前面说过,口型的变化是导致信号不平稳的原因,所以在一帧的期间内口型不能有明显变化,即一帧的长度应当小于一个音素的长度。正常语速下,音素的持续时间大约是 50~200 毫秒,所以帧长一般取为小于 50 毫秒。从微观上来看,它又必须包括足够多的振动周期,因为傅里叶变换是要分析频率的,只有重复足够多次才能分析频率。语音的基频,男声在 100 赫兹左右,女声在 200 赫兹左右,换算成周期就是 10 毫秒和 5 毫秒。既然一帧要包含多个周期,所以一般取至少 20 毫秒。这样,我们就知道了帧长一般取为 20 ~ 50 毫秒,20、25、30、40、50 都是比较常用的数值,甚至还有人用 32(在程序猿眼里,这是一个比较「整」的数字)。
加窗的目的是让一帧信号的幅度在两端渐变到 0。渐变对傅里叶变换有好处,可以提高变换结果(即频谱)的分辨率,具体的数学就不讲了。加窗的代价是一帧信号两端的部分被削弱了,没有像中央的部分那样得到重视。弥补的办法是,帧不要背靠背地截取,而是相互重叠一部分。相邻两帧的起始位置的时间差叫做帧移,常见的取法是取为帧长的一半,或者固定取为 10 毫秒。
2. 什么是声纹识别
声纹识别,生物识别技术的一种,也称为说话人识别,有两类,即说话人辨认和说话人确认。不同的任务和应用会使用不同的声纹识别技术,如缩小刑侦范围时可能需要辨认技术,而银行交易时则需要确认技术。声纹识别就是把声信号转换成电信号,再用计算机进行识别。
所谓声纹(Voiceprint),是用电声学仪器显示的携带言语信息的声波频谱。人类语言产生是人体语言中枢与发音器官之间一个复杂的生理物理过程,人在讲话时使用的发声器官–舌、牙齿、喉头、肺、鼻腔在尺寸和形态方面每个人的差异很大,所以任何两个人的声纹图谱都有差异。每个人的语音声学特征既有相对稳定性,又有变异性,不是绝对的、一成不变的。这种变异可来自生理、病理、心理、模拟、伪装,也与环境干扰有关。尽管如此,由于每个人的发音器官都不尽相同,因此在一般情况下,人们仍能区别不同的人的声音或判断是否是同一人的声音。
声纹识别(Voiceprint Recognition, VPR),也称为说话人识别(Speaker Recognition),有两类,即说话人辨认(Speaker Identification)和说话人确认(Speaker Verification)。前者用以判断某段语音是若干人中的哪一个所说的,是“多选一”问题;而后者用以确认某段语音是否是指定的某个人所说的,是“一对一判别”问题。不同的任务和应用会使用不同的声纹识别技术,如缩小刑侦范围时可能需要辨认技术,而银行交易时则需要确认技术。不管是辨认还是确认,都需要先对说话人的声纹进行建模,这就是所谓的“训练”或“学习”过程。



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