嵌入式文本相关声纹识别系统的设计与实现

摘要

随着人们生活水平的不断提高，汽车越来越多的地进入到千家万户，汽车电子在车载这个大平台上所发挥的作用也越来越大，同时对车载系统提出了更高的要求。随着汽车的普及和汽车上电子设备的增多，车载环境下的身份认证问题也逐渐凸显出来。每个人所固有的生物特征，具有与其他人不同的唯一性和在一定时期内不变的稳定性，而且不会丢失、不易伪造和假冒，所以，被认为是终极身份认证媒介。作为生物认证方式的声纹识别以其独特的方便性、经济性和准确性等优势受到世人瞩目，并日益成为人们日常生活和工作中重要且普遍的安全认证方式。随着大规模电路设计的突飞猛进，电脑计算能力和周边存储设备容量的增大，嵌入式系统的身影遍布各个领域，但是，基于嵌入式平台下的声纹识别技术在资源与计算速度方面都比较缺乏。因此，研究声纹识别在车载上的应用是很有意义和价值的。
　　 本文针对驾驶员在行驶过程中利用语音来操作车上电子设备的身份认证问题，设计并开发了适用于车载环境的嵌入式声纹识别系统，实现对驾驶员的身份认证功能。另外，针对嵌入式车载平台资源少的特点，改进了声纹识别特征提取算法，在识别率有所提高的基础上一定程度地减少了系统的运行时间。本论文的主要内容如下:
　　 第一，介绍了声纹识别技术的基本原理以及声纹识别系统的基本组成，对声纹识别系统的系统结构、常用特征提取方法、识别模型、得分规整等进行了阐述;
　　 第二，针对嵌入式的特点，以现有的帧级语音特征为基础，提出了改进的声纹识别特征提取算法—基于段级特征主成分分析的说话人识别算法。该算法在训练和识别阶段以段级特征代替帧级特征，然后用主成分分析方法对段级特征进行降维、去相关，在识别率略有提高的情况下减少了模型训练和识别的时间，同时抑制了噪声的影响;
　　 第三，设计并实现了针对车载环境的嵌入式声纹识别系统，并对系统的硬件结构和系统每个模块的算法做出了描述，然后对系统进行了测试和分析，验证了本文提出的改进算法能够提高识别率和有效抑制噪声。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景和研究意义

1．2 课题涉及的相关技术概述

1．2．1 声纹识别基本原理

1．2．2 声纹识别系统基本结构

1．2．3 声纹识别系统分类

1．3 声纹识别的发展及现状

1．3．1 研究历史

1．3．2 研究现状

1．3．3 嵌入式声纹识别系统发展历程

1．3．4 DSP在声纹识别中的应用

1．4 课题技术难点与需解决的问题

1．4．1 课题技术难点

1．4．2 课题需解决问题

1．5 论文的研究工作和章节安排

1．5．1 主要研究工作

1．5．2 论文章节安排

第二章 文本相关声纹识别基本原理与技术

2．1 文本相关声纹识别系统基础知识

2．1．1 声纹识别系统结构

2．1．2 语音信号产生模型

2．1．3 语音信号数字化

2．2 前端处理

2．2．1 预处理

2．2．2 端点检测

2．2．3 特征提取

2．2．4 非线性分段

2．2．5 主成分分析

2．3 声纹识别模型

2．3．1 动态时间规整

2．3．2 向量量化模型

2．3．3 高斯混合模型

2．3．4 隐马尔可夫模型

2．3．5 人工神经网络模型

2．3．6 最近邻法

2．4 得分规整

2．5 系统评价指标

2．6 本章小结

第三章 基于段级特征主成分分析的声纹识别算法

3．1 基线系统搭建

3．2 算法步骤

3．2．1 NLP分段

3．2．2 PCA降维

3．3 实验配置及结果分析

3．4 本章小结

第四章 嵌入式文本相关声纹识别系统设计

4．1 硬件平台总体设计

4．2 硬件平台选择

4．2．1 DSP选择

4．2．2 ARM选择

4．2．3 音频芯片选择

4．2．4 外扩Flash选择

4．2．5 TFT显示屏选择

4．2．6 DSP与ARM通信方式选择

4．3 系统软件设计

4．3．1 系统流程

4．3．2 数据采集模块

4．3．3 前端处理模块

4．3．4 识别模型

4．3．5 CAN通信模块

4．4 本章小结

第五章 系统测试及结果分析

5．1 实验语料库设置

5．2 参数设定

5．3 测试步骤

5．4 测试结果

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文主要工作总结

6．2 对未来工作展望

致谢

攻读硕士期间从事的研究工作

参考文献