智能機器人語音識別技術
加入技術交流群
1．2 隱馬爾可夫模型HMM
隱馬爾可夫模型，即HMM是一種基于概率方法的模式匹配方法。它的應用是20世紀80年代以來語音識別領域取得的重要成果。
一個HMM模型可以表示為：
式中：π為初始狀態(tài)概率分布，πi=P(q1=θi)，1≤i≤N，表示初始狀態(tài)處于θi的概率；A為狀態(tài)轉移概率矩陣，(aij)N×N，aij=P(qt+1 =θj|qt=θi)，1≤i，j≤N；B為觀察值概率矩陣，B={bj(ot)}，j=1，2，…，N，表示觀察值輸出概率分布，也就是觀察值ot處于狀態(tài)j的概率。
1．3 模型訓練
HMM有多種結構類型，并且有不同的分類方法。根據(jù)狀態(tài)轉移矩陣(A參數(shù))和觀察值輸出矩陣(B參數(shù))的不同有不同類型的HMM。
對于CHMM模型，當有多個觀察值序列時，其重估公式由參考文檔給出，此處不再贅述。
1．4 概率計算
利用HMM的定義可以得出P(O|λ)的直接求取公式：
式(2)計算量巨大，是不能接受的。Rabiner提出了前向后向算法，計算量大大減小。定義前向概率：
式(2)表示的是初始前向概率，其中bi(o1)為觀察值序列處于t=1時刻在狀態(tài)i時的輸出概率，由于它服從連續(xù)高斯混合分布，故此值往往極小。根據(jù)大量實驗觀察，通常小于10-10，此值在定點DSP中已不能用Q格式表示。分析式(3)可以發(fā)現(xiàn)，隨著時間t的增加，還會有大量的小數(shù)之間的乘法加法運算，使得新的前向概率值at+1更小，逐漸趨向于0，定點DSP采用普通的Q格式進行計算時便會負溢出，即便不發(fā)生負溢出也會大大丟失精度。因此必須尋找一種解決方法，在不影響DSP實時性的前提下，既不發(fā)生負溢出，又能提高精度。
2 DSP實現(xiàn)語音識別
孤立詞語音識別一般采用DTW動態(tài)時間規(guī)整算法。連續(xù)語音識別一般采用HMM模型或者HMM與人工神經(jīng)網(wǎng)絡ANN相結合。
為了能實時控制機器人，首先需要考慮的是能夠實現(xiàn)實時地語音識別。而考慮到CHMM的巨大計算量以及成本因素，采用了數(shù)據(jù)處理能力強大，成本相對較低的定點數(shù)字信號處理器，即定點DSP。本實驗采用的是TI公司多媒體芯片TMS320DM642。定點DSP要能準確、實時的實現(xiàn)語音識別，必須考慮2點問題：精度問題和實時性問題。
精度問題的產(chǎn)生原因已經(jīng)由1．4節(jié)詳細闡述，這里不再贅述。因此必須找出一種可以提高精度，而又不會對實時性造成影響的解決方法?；谝陨峡紤]，本文提出了一種動態(tài)指數(shù)定標方法。這種方法類似于科學計數(shù)法，用2個32 b單元，一個單元表示指數(shù)部分EXP，另一個單元表示小數(shù)部分Frac。首先將待計算的數(shù)據(jù)按照指數(shù)定標格式歸一化，再進行運算。這樣當數(shù)據(jù)進行運算時，仍然是定點進行，從而避開浮點算法，從而使精度可以達到要求。
對于實時性問題，通常，語音的頻率范圍大約是300～3 400 Hz左右，因而本實驗采樣率取8 kHz，16 b量化?？紤]識別的實現(xiàn)，必須將語音進行分幀處理。研究表明，大約在10～30 ms內，人的發(fā)音模型是相對穩(wěn)定的，所以本實驗中取32 ms為一幀，16 ms為幀移的時間間隔。
解決實時性問題必須充分利用DSP芯片的片上資源。利用EDMA進行音頻數(shù)據(jù)的搬移，提高CPU利用率。采用PING—PONG緩沖區(qū)進行數(shù)據(jù)的緩存，以保證不丟失數(shù)據(jù)。CHMM訓練的模板放于外部存儲器，由于外部存儲器較片內存儲器的速度更慢，因此開啟CACHE。建立DSP／BIOS任務，充分利用BIOS進行任務之間的調度，實時處理新到的語音數(shù)據(jù)，檢測語音的起止點，當有語音數(shù)據(jù)時再進入下一任務進行特征提取及識別。將識別結果用揚聲器播放，并送入到機器人的控制模塊。
實驗中，采用如圖3的程序架構。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/161779.htm
評論