為了使皮膚聽聲器能夠辨析語音,，設(shè)計(jì)了基于MATLAB的皮膚聽聲器系統(tǒng),。該系統(tǒng)以MATLAB軟件為平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了語音信號(hào)的錄制,、播放,、預(yù)處理、分段濾波,、特征提取等功能,，并利用特征參數(shù)辨析語音。本系統(tǒng)達(dá)到了辨析簡單語音的要求,，但仍有需改進(jìn)的地方,，如：能否構(gòu)造更合適的特征參數(shù)，能否辨析比較復(fù)雜的語音,。
關(guān)鍵詞：皮膚聽聲,；采集；處理,；語音辨析,；MATLAB
目前，世界上有許多的耳聾患者,，他們要么是皋天性耳聾,，要么是后天造成的耳聾。當(dāng)前解決耳聾問題主要通過傳統(tǒng)助聽器和電子耳蝸,，但兩者都有明顯的缺陷,，前者只使用于輕度耳聾患者，而后者造價(jià)太高,，不適于推廣,。為徹底解決耳聾問題，李建文教授針對(duì)全聾人的聽覺問題發(fā)明了變壓式皮膚聽聲器,，其實(shí)質(zhì)是利用聲-電轉(zhuǎn)換讓皮膚獲得對(duì)電流信號(hào)的感覺,，使全聾人通過皮膚獲得一定的聽覺，從根本上解決了聾啞人士的聽力問題,。
但是,，變壓式皮膚聽聲器僅僅使用戶感受到電刺激，而不能辨析語音。為解決此問題,，本文提出了一種基于MATLAB的皮膚聽聲器系統(tǒng),。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)語音信號(hào)的錄制、播放,、預(yù)處理,、分段濾波、特征提取等功能,，并能夠辨析簡單的語音,。
1 皮膚聽聲技術(shù)與皮膚聽聲器
皮膚聽聲技術(shù)是一門比較前沿的技術(shù)，其目韻是利用皮膚解決耳聾患者的聽聲問題,。而皮膚聽聲器就是通過皮膚聽聲技術(shù)解決耳聾患者聽覺問題的電子工具,，其特點(diǎn)類似于助聽器并涉及醫(yī)學(xué)、電子學(xué),、聲學(xué)和生理學(xué),，進(jìn)一步的發(fā)展將依賴于數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)等學(xué)科，屬于典型的多學(xué)科高科技領(lǐng)域,。它通過皮膚傳遞聲音信號(hào)且不依賴于人的任何殘余聽力,，實(shí)用效果明顯，容易佩戴,，幾乎無副作用,，任何聽力損失的人均可使用。
由李建文教授發(fā)明并研制的第一代皮膚聽聲器已經(jīng)達(dá)到聽聲的效果,，接下來皮膚聽聲器要達(dá)到能夠辨析語音的要求,。這需要將原來的模擬電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字電路，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行語音辨析,。而本文就設(shè)計(jì)了一個(gè)基于MATLAB的皮膚聽聲器系統(tǒng)，該系統(tǒng)以MATLAB軟件為平臺(tái),，依次實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的錄制,、播放、預(yù)處理,、分段濾波,、特征提取和最后的辨析語音等功能。
2 系統(tǒng)功能介紹
2．1 主要功能
皮膚聽聲器的作用就是解決耳聾患者的聽聲問題,，因此是皮膚聽聲器能量辨析語音是一個(gè)十分重要的技術(shù)環(huán)節(jié),。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)皮膚聽聲器系統(tǒng)，基本能夠辨析簡單的語音,。該系統(tǒng)以MATLAB軟件為平臺(tái),，主要功能有錄制語音、播放語音、預(yù)處理,、分段濾波,、特征提取和最后的辨析語音。平臺(tái)功能劃分如圖1所示,。
2．2 核心模塊
根據(jù)本文皮膚聽聲器系統(tǒng)的各個(gè)功能,，將其分成三大核心模塊，分別是采集模塊,、處理模塊和辨析模塊,。
2．2．1 采集模塊
系統(tǒng)采集模塊的功能包括：錄制語音，播放語音,。
1)錄制語音：通過麥克風(fēng)錄入聲音,，并保存為．wav的格式，以備后用,。
在MATLAB中,，用函數(shù)wavrecord錄制語音。得到的是數(shù)字化的語音數(shù)據(jù)串,，可直接作為Matlab變量參與各種運(yùn)算,。然后用函數(shù)wavwrite(y，filename)將變量y中儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)寫入名為filename的WAVE文件中,。
2)播放語音：播放已錄制的語音WAVE文件,，并輸出其波形圖和語譜圖。
在此,，用wavread和sound函數(shù)分別讀取,、播放語音。求取波形圖和語譜圖時(shí),，要用到length函數(shù)和FFT變換,。
2．2．2 處理模塊
該模塊的功能有預(yù)處理、分段濾波和特征提取,。
1)預(yù)處理：對(duì)前面錄制的語音信號(hào)進(jìn)行去除噪聲,、預(yù)加重和端點(diǎn)檢測(cè)處理，為后續(xù)工作提供更加清晰有效的信號(hào),。
2)分段濾波：對(duì)經(jīng)預(yù)處理后語音信號(hào)進(jìn)行分段濾波,，將不同的頻率的語音信號(hào)分離開，使得皮膚能夠更好地感應(yīng)語音信號(hào),。
3)特征提?。赫Z音的特征參數(shù)能有效地體現(xiàn)說話人語音所包含的與其他說話人不同的特點(diǎn)，它在整個(gè)辨析過程中起著至關(guān)重要的作用,。本文在語音濾波后,，從每個(gè)頻率段內(nèi)提取一個(gè)能夠表征該段語音的參數(shù),，在把所有參數(shù)結(jié)合在一起構(gòu)造一個(gè)特征向量，將其作為表征該語音信號(hào)的特征參數(shù),，為后面的辨析工作提供一個(gè)較為可靠的參考數(shù)據(jù),。
2．2．3 辨析模塊
該模塊的功能包括：模板建庫、模式匹配和輸出結(jié)果,。
1)模板建庫：講話者多次重復(fù)語音單元,，從原始語音樣本中去除冗余信息，保留關(guān)鍵數(shù)據(jù),，獲得表示識(shí)別基本單元共性特點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù),，以此構(gòu)成參考模板，將所有能識(shí)別的基本單元的參考模板結(jié)合在一起,，建立參考模板庫,。
2)模式匹配：新錄入的語音經(jīng)特征提取后，與庫中模板按某種原則進(jìn)行比較,，找出相似度最高的參考模板所對(duì)應(yīng)的發(fā)音,，即為辨析的結(jié)果。
3)輸出結(jié)果：輸出前面的辨析結(jié)果,，以使用戶能夠更好的通過皮膚聽聲器辨析語音,。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在MATLAB主窗口中，選擇File菜單中的New菜單項(xiàng),，再選擇其中的GUI命令,，就會(huì)顯示圖形用戶界面的設(shè)計(jì)模板。本文系統(tǒng)主要包含3個(gè)功能：語音采集,、語音處理和和語音辨析,。
3．1 采集模塊
系統(tǒng)將通過電腦麥克風(fēng)進(jìn)行錄音。MATLAB中用y=wavrecord(n,，fs,，ch，dtype)來完成錄音,，式中n為采樣的點(diǎn)數(shù),。決定了錄音長度；fs為采樣頻率,，默認(rèn)值為11 025 Hz，還可根據(jù)要求自己選擇合適的采樣率,；ch為聲道數(shù),，默認(rèn)值為1，表示單聲道,，如果指定為2,，則采樣為雙聲道立體聲數(shù)據(jù)；dtype為采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式，用字符串指定,，可以是‘double’,、‘single’、‘int16’,、‘int8’,，指定存儲(chǔ)格式的同時(shí)也就規(guī)定了每個(gè)采樣值量化的精度，int8對(duì)應(yīng)8位精度采樣,，其他都是16位采樣精度,。
錄音完成后，系統(tǒng)將把上面錄制的語音信號(hào)保存成WAVE文件,。在此用函數(shù)wavwrite來完成,。
最后將播放前面的語音WAVE文件，并生成其波形圖和語譜圖,，為后續(xù)處理提高依據(jù),。
3．2 處理模塊
系統(tǒng)將對(duì)前面錄制的語音信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理工作，包括：對(duì)語音信號(hào)去噪,、預(yù)加重和端點(diǎn)檢測(cè)處理,。去除噪聲就是盡量去除語音信號(hào)中無用信息(噪聲)，而保留其中的有用信息(語音),。預(yù)加重的目的是提升高頻部分,，使信號(hào)的頻譜變得平坦，以便于進(jìn)行頻譜分析或聲道參數(shù)分析,。語音的端點(diǎn)檢測(cè)就是確定語音的起點(diǎn)和終點(diǎn),，從語音信號(hào)中排除無聲段，為后續(xù)處理工作提供操作對(duì)象,。
然后,，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。濾波器是對(duì)輸入信號(hào)的頻率具有選擇性的一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò),，它允許某些頻率次(通常是某個(gè)頻率范圍)的信號(hào)通過,，而其他頻率的信號(hào)幅值均要受到衰減，從而將不同的頻率的語音信號(hào)分離開,，使得皮膚能夠更好的感應(yīng)語音信號(hào),。小波包變換將頻帶進(jìn)行多層次劃分，并能夠根據(jù)被分析信號(hào)的特征自適應(yīng)地選擇相應(yīng)的頻帶,，使之與信號(hào)頻譜相匹配,，從而提高了時(shí)一頻分辨率。利用小波包的此特點(diǎn),，本文將語音信號(hào)用濾波器分成16個(gè)頻率段,，每個(gè)頻率段為一個(gè)語音通道,，每個(gè)通道連接一個(gè)電極片分別與皮膚接觸。語音頻率范圍劃分如表1所示,。
最后,，點(diǎn)擊“特征提取”按鈕提取語音信號(hào)的特征參數(shù)。計(jì)算上面每個(gè)頻率段的信號(hào)能量值,，再將16個(gè)能量值作為分向量結(jié)合在一起構(gòu)成一個(gè)特征向量,，將其作為語音信號(hào)的特征參數(shù)。能量值反映每個(gè)頻率段內(nèi)語音信號(hào)所攜帶的語音能量,，能夠表征該段語音,，因此可以作為特征參數(shù)。并且,，每個(gè)語音信號(hào)的特征參數(shù)將在最下面的窗口中輸出來,。
3．3 辨析模塊
首先，建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫,。該數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)語音信號(hào)的特征參數(shù),，以SOL Server2003來建庫。
然后,，進(jìn)行模式匹配,。建好數(shù)據(jù)庫后，對(duì)新的語音信號(hào)提取特征參數(shù)后,，將其特征參數(shù)與庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配,，如果找到相似度最接近的模板，則該模板就是待辨析的語音,，并在下面窗口中輸出語音信號(hào),；否則，將新信號(hào)的特征參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫,，以豐富庫中數(shù)據(jù),，并輸出“庫中無此語音!”。
最后,，輸出辨析結(jié)果,。
4 特點(diǎn)分析
本系統(tǒng)的目的就是通過皮膚聽聲器使耳聾患者能夠辨析簡單語音。它通過兩個(gè)方面來完成：1)在系統(tǒng)濾波后,，語音信號(hào)經(jīng)一組(本文用16個(gè))電極片傳遞到皮膚,。由于每個(gè)頻率段的語音信號(hào)能量不同，那么對(duì)皮膚的電刺激也將不同,，用戶會(huì)感受到不同頻率,、不同程度的刺激，在一定程度上將能分辨不同的語音,。2)信號(hào)經(jīng)濾波后,，進(jìn)行特征提取，然后按照一定算法用軟件辨析語音,，最后輸出辨析結(jié)果,。本文利用
小波包變換高分辨率的特點(diǎn)，先對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行分解,，然后通過濾波器濾波,，在此基礎(chǔ)上提取特征參數(shù)，然后利用特征參數(shù)進(jìn)行語音辨析,。
這就是從皮膚感觸和視覺效果兩個(gè)方面來辨析語音,，勢(shì)必將提升皮膚聽聲器辨析語音的能力。
5 結(jié)束語
本文首先介紹了皮膚聽聲技術(shù)與皮膚聽聲器,；然后,，說明了系統(tǒng)的主要功能和模塊劃分，以及每個(gè)模塊使用方法和核心技術(shù),；最后,，總結(jié)了本系統(tǒng)的特點(diǎn)，即從皮膚感觸和視覺效果兩個(gè)方面來辨析語音,，將在一定程度上提高皮膚聽聲器辨析語音的能力,。
當(dāng)然，本系統(tǒng)有不太完善的地方,，如特征參數(shù)能否更詳細(xì),、更有特點(diǎn)?能否辨析比較復(fù)雜的語音?這些都是亟待解決的問題，也是今后研究工作的重點(diǎn),。