基于嵌入式TTS的漢語(yǔ)語(yǔ)音系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

使計(jì)算機(jī)、帶有人機(jī)交互的電器、儀表等能像人一樣開(kāi)口“說(shuō)話(huà)”是科技工作者多年的研究目標(biāo)。語(yǔ)言是人與人交流信息的一種手段，文語(yǔ)轉(zhuǎn)換TTS（Text To Speech）是自動(dòng)將輸入文字轉(zhuǎn)換成語(yǔ)音輸出,并盡量使輸出的語(yǔ)音效率流暢、自然的一類(lèi)技術(shù)。

TTS系統(tǒng)主要需解決兩個(gè)問(wèn)題：

①文本分析,即語(yǔ)言學(xué)分析。該任務(wù)是將以文本廣度輸入的字符串轉(zhuǎn)換成語(yǔ)言學(xué)的表述;

②語(yǔ)音合成。即根據(jù)語(yǔ)言學(xué)的內(nèi)在表述信息合成語(yǔ)音。

TTS系統(tǒng)中的語(yǔ)音合成方法分為時(shí)域和頻域兩大類(lèi)：頻域方法主要有LPC參數(shù)合成及其振峰合成兩種,其實(shí)質(zhì)是在工程上實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音生成模型,進(jìn)而在終端特性上模擬發(fā)音器官。在目前階段,頻域方法形成的發(fā)音尚不自然,且需要的計(jì)算量很大,不適宜在低端的嵌入式芯片上使用。波形編輯法是將較短的數(shù)字音頻段（即合成基元）拼接并進(jìn)行段音平滑后生成連續(xù)語(yǔ)流的方法。這種方法占用的存儲(chǔ)空間大,但計(jì)算量小、計(jì)算速度快,而且合成語(yǔ)音自然度較高,顯然比較適合于芯片性能較弱的嵌入式系統(tǒng)方面的應(yīng)用。

　　采用波形編輯法的嵌入式TTS系統(tǒng)由于成本低、性能完善、自然度高,隨著波形修改算法的不斷提出以及微處理器和非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)功能的不斷增強(qiáng),正日益受到人們的關(guān)注。本系統(tǒng)即采用時(shí)域波形編輯技術(shù),采集GB2312漢字編碼字符集中所有字符發(fā)音作為原始材料,通過(guò)使用改進(jìn)的游程編碼算法壓縮生成可適用于當(dāng)前Flash存儲(chǔ)器的語(yǔ)音庫(kù),并采用多重查找表設(shè)計(jì)及預(yù)存儲(chǔ)命令字技術(shù)有效地加快語(yǔ)音庫(kù)的尋址速度,在基于Atmel公司的AT89S52單片機(jī)上成功實(shí)現(xiàn)了一個(gè)TTS語(yǔ)音系統(tǒng),經(jīng)測(cè)試取得了令人滿(mǎn)意的效果。該系統(tǒng)應(yīng)用簡(jiǎn)便,具有很小的尺寸和很低的功耗及通用的串行接口,可以廣泛用于有關(guān)的漢語(yǔ)語(yǔ)音應(yīng)用系統(tǒng)中。

　　1 系統(tǒng)原理

　　圖1為系統(tǒng)原理圖框圖以及主要操作流程。系統(tǒng)采用串行口與外界交互,任何具有標(biāo)準(zhǔn)串口的設(shè)備均可與本系統(tǒng)相連。欲發(fā)音漢字的國(guó)標(biāo)碼（GB碼）由串口送入MCU,MCU將其映射為Flash存儲(chǔ)器地址表中對(duì)應(yīng)項(xiàng)的地址,然后根據(jù)此地址取得對(duì)應(yīng)項(xiàng)中的命令字,由MCU根據(jù)該命令字讀取該漢字發(fā)音對(duì)應(yīng)的語(yǔ)音數(shù)據(jù),連續(xù)讀出語(yǔ)音數(shù)據(jù)并以游程碼解碼算法解碼后,按照語(yǔ)音采樣時(shí)的固定速率通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換和功率放大播放。本文中語(yǔ)音采樣速率為11025B/s。為滿(mǎn)足應(yīng)用需求,本文首先構(gòu)建易于快速解碼的語(yǔ)音庫(kù),根據(jù)特定Flash存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)格式,以快速多查找表尋址及命令字預(yù)先存儲(chǔ)的方式組織并存儲(chǔ)在Flash存儲(chǔ)器中,以滿(mǎn)足語(yǔ)音播放的實(shí)時(shí)要求。同樣,MCU的代碼也要優(yōu)先考慮速度而犧牲諸如模塊化、可讀性方面的要求。最后,出于實(shí)用性考慮,系統(tǒng)中需加入足夠的輸入緩沖區(qū)支持,以滿(mǎn)足一次輸入多個(gè)流字或整句的要求。

　　原始語(yǔ)音數(shù)據(jù)的采集和處理

　　本系統(tǒng)共采集了1335種發(fā)音,內(nèi)含1306個(gè)流字發(fā)音,26個(gè)英文字母發(fā)音及3個(gè)停頓音,語(yǔ)音采集卡AD轉(zhuǎn)換整編11025B/s,分辨率8位,樣本值域0～255,靜默值為80H。原始語(yǔ)音以WAV文件的格式保存在PC機(jī)中。

　　圖2是“哎”音樣本的時(shí)域波形。所有的采集樣本除具有不同的波形包絡(luò)外,均具有大體相同的結(jié)構(gòu),即一個(gè)完整的漢字發(fā)音均由前后兩個(gè)靜音部分和中間的發(fā)音部分組成。靜音的采集值絕大多數(shù)為80H（一些輕微擾動(dòng)可視為錄音過(guò)程中的噪聲,但尾音部分要另外處理）,因而可將其統(tǒng)一為80H,以提高壓縮比。另由圖2可見(jiàn),00H、01H、FFH、FEH這些邊緣值的出現(xiàn)概率是很小的,這個(gè)特性亦可用于語(yǔ)音的壓縮算法中。

　　本文根據(jù)上述靜默值及邊緣值的分布特點(diǎn),提出了一種改進(jìn)的游程編碼用于語(yǔ)音數(shù)據(jù)的壓縮,具體做法是：用00H代表游程壓縮起始碼,其后是被編碼字符,再下一個(gè)字節(jié)是被編碼字符的重復(fù)碼,如：80 80 80 80 80可以表示為00 80 05。顯然,游程長(zhǎng)度小于等于3時(shí)沒(méi)有編碼的必要,因而不會(huì)出現(xiàn)值為00H、01H和02H的重復(fù)碼。如上所述,在原始語(yǔ)音文件中,00H、01H這些邊緣值是基本上不出現(xiàn)的。因?yàn)榇罅砍霈F(xiàn)這些邊緣值即意味著語(yǔ)音采集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍設(shè)置錯(cuò)誤。盡管如此,為確保原始語(yǔ)音文件中沒(méi)有“多余”邊緣值,需要將語(yǔ)音文件略做處理,將可能存在的00H和01H都改為02H,顯然這樣的處理并不會(huì)影響語(yǔ)音的實(shí)際播放效果。處理后的00H、01H即可作為特殊控制字符使用。圖3是本文提出的改進(jìn)流程壓縮編碼的流程圖。編碼前,1335種原始語(yǔ)音樣本的大小為14978622字節(jié),壓縮后為7767112字節(jié),壓縮比超過(guò)50%。該語(yǔ)音庫(kù)已經(jīng)可以裝入容量為8M字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器中。

　　3 語(yǔ)音庫(kù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

　　本文以8Mbit×8位NAND型Flash存儲(chǔ)器K9F6408U0B為例,描述本系統(tǒng)語(yǔ)音庫(kù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

　　語(yǔ)音庫(kù)的基本內(nèi)容分為兩部分：前端是地址查找表,其后是壓縮后的語(yǔ)音數(shù)據(jù)。地址表中,每4個(gè)字節(jié)代表一個(gè)地址項(xiàng)。GB2312漢字編碼字符集中每個(gè)漢字在地址表中都有一個(gè)對(duì)應(yīng)項(xiàng),其內(nèi)容指向該漢字對(duì)應(yīng)讀音的語(yǔ)音數(shù)據(jù)起始地址。GB碼字符集中共有94個(gè)區(qū),每區(qū)94個(gè)字符,總計(jì)8836個(gè)漢字、英文字母和其它符號(hào),其中實(shí)際使用了7445個(gè),余下的作為預(yù)留區(qū)。本系統(tǒng)亦保留了這些預(yù)留區(qū),以利于將來(lái)的擴(kuò)充。這樣,地址表的大小為94×94×4=35344字節(jié)。語(yǔ)音數(shù)據(jù)區(qū)共存儲(chǔ)1335年發(fā)音,采用流程編碼壓縮存放,并在每段語(yǔ)音數(shù)據(jù)結(jié)尾添加01H作為結(jié)束控制符。

　　對(duì)不同的Flash存儲(chǔ)器,語(yǔ)音庫(kù)需做一些針對(duì)性的處理。對(duì)于K9F6408U0B而言,要對(duì)其C區(qū)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的處理。該芯片中,每個(gè)頁(yè)面（Page）都有A、B、C三個(gè)區(qū),其中A、B區(qū)各256字節(jié),而C區(qū)僅有16字節(jié)。本設(shè)計(jì)中沒(méi)有用到C區(qū),因而在制作寫(xiě)入Flash的二進(jìn)制政府間庫(kù)文件時(shí)必須注意對(duì)C區(qū)進(jìn)行空白碼（FFH）填充?？紤]C區(qū)填充后,地址表對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制語(yǔ)音庫(kù)文件大小的計(jì)算方法改為：512×69+16=35344,表示當(dāng)35344字節(jié)只占據(jù)A區(qū)和B區(qū)時(shí)共需69個(gè)頁(yè)面,多出16字節(jié)。這意味著有69個(gè)C區(qū)需要填充,即寫(xiě)入Flash的地址表的實(shí)際大小應(yīng)該是35344+69×16=36448。相應(yīng)地,語(yǔ)音數(shù)據(jù)區(qū)需要進(jìn)行同樣的處理。