基于MATLAB的皮膚聽聲器系統(tǒng)的研究

摘要：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，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了語音信號的錄制、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，而后者造價太高，不適于推廣。為徹底解決耳聾問題，李建文教授針對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)換讓皮膚獲得對電流信號的感覺，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)了一個基于MATLAB的皮膚聽聲器系統(tǒng)，該系統(tǒng)以MATLAB軟件為平臺，依次實(shí)現(xiàn)語音信號的錄制、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十分重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。本文設(shè)計(jì)了一個皮膚聽聲器系統(tǒng)，基本能夠辨析簡單的語音。該系統(tǒng)以MATLAB軟件為平臺，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，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：對前面錄制的語音信號進(jìn)行去除噪聲、預(yù)加重和端點(diǎn)檢測處理，為后續(xù)工作提供更加清晰有效的信號。
2)分段濾波：對經(jīng)預(yù)處理后語音信號進(jìn)行分段濾波，將不同的頻率的語音信號分離開，使得皮膚能夠更好地感應(yīng)語音信號。
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，從每個頻率段內(nèi)提取一個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)造一個特征向量，將其作為表征該語音信號的特征參數(shù)，為后面的辨析工作提供一個較為可靠的參考數(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。