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1、儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開(kāi)題報(bào)告題 目： 用于智能家居的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 專(zhuān) 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師： 講師2015年1月3日1. 選題依據(jù)1.1 選題背景語(yǔ)言作為人類(lèi)信息交流中最重要的和最方便的方式,人與機(jī)器的交流能否像人與人一樣自如,是人們研究的問(wèn)題?？刂普搫?chuàng)始人維納在1950年就曾指出:“通常,我們把語(yǔ)言?xún)H僅看作人與人之間的通信手段,但是,要使人向機(jī)器,機(jī)器向人以及機(jī)器向機(jī)器講話,那也是完全辦得到的”。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和人民生活水平不斷的提高,人們對(duì)家庭住宅需求的概念也發(fā)生了徹底的改變。人們正在從以往追求房屋空間的寬闊和裝飾的亮
2、麗、豪華,向著追求品味、安全、舒適、便捷和智能方向發(fā)展?，F(xiàn)在的家庭不僅要滿足人們生活、工作、娛樂(lè)和交流的需要,同時(shí)還可以提供充分的安全防護(hù)、物業(yè)管理等手段。智能家居是建筑藝術(shù)、生活理念與信息技術(shù)、電子技術(shù)等現(xiàn)代高科技手段完美結(jié)合的產(chǎn)物,它的出現(xiàn)滿足了人們對(duì)住宅高性能、智能化的要求21世紀(jì)信息時(shí)代的到來(lái),IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和人們生活水平的提高,“智能家居”、“家庭自動(dòng)化”、“網(wǎng)絡(luò)家電”、“家庭網(wǎng)絡(luò)”等技術(shù)的推動(dòng),智能家居的生活已經(jīng)近在咫尺。在智能家居中傳統(tǒng)的家用電器的控制,無(wú)外乎兩種控制方式:手動(dòng)或遙控。隨著家用電器的增多,開(kāi)關(guān)和遙控越來(lái)越多,使用極不方便。這時(shí),我們可以釆用語(yǔ)音識(shí)別的方式控制,例如
3、,在觀看電視頻道時(shí),我們可以很方便地直接說(shuō)出“中央一套”來(lái),所以語(yǔ)音識(shí)別及控制在智能家居中尤其重要。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)況1、語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的發(fā)展就技術(shù)而言，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)語(yǔ)音識(shí)別理論及各種實(shí)用算法的研究是一熱點(diǎn)。人們普遍關(guān)心的問(wèn)題是不斷提高語(yǔ)音識(shí)別的識(shí)別率、識(shí)別更多的詞匯量、擴(kuò)大語(yǔ)音識(shí)別的應(yīng)用等研究。語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)發(fā)展到今天，PC 機(jī)的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)己經(jīng)趨于成熟，而且還出現(xiàn)了一些具有實(shí)用價(jià)值和市場(chǎng)語(yǔ)音識(shí)別前景的語(yǔ)音識(shí)別芯片。近幾年來(lái)，個(gè)人消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的廣泛使用，使大量的識(shí)別系統(tǒng)從實(shí)驗(yàn)室 PC 平臺(tái)轉(zhuǎn)移到嵌入式平臺(tái)設(shè)備中，現(xiàn)在嵌入式對(duì)特定人語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別精度己經(jīng)達(dá)到 98%以上。 嵌入式語(yǔ)音識(shí)別
4、系統(tǒng)和 PC 機(jī)的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)相比，雖然其運(yùn)算速度和內(nèi)存容量有一些限制，但是它也有各自的特點(diǎn)。嵌入式系統(tǒng)體積小、可靠性高、耗電低、投入小、便于移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，是嵌入式語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)和 PC 機(jī)的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)相比的最大優(yōu)勢(shì)。而且嵌入式語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)多為實(shí)時(shí)系統(tǒng)，當(dāng)用戶講話后，系統(tǒng)能夠立即完成詞條識(shí)別并作出反應(yīng)。這些特點(diǎn)決定了嵌入式語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的應(yīng)用十分廣泛。可以預(yù)測(cè)在近幾年內(nèi)，嵌入式語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的應(yīng)用將更加廣泛。各種語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)將出現(xiàn)在市場(chǎng)上。根據(jù)美國(guó)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，具有語(yǔ)音識(shí)別功能的產(chǎn)品可達(dá) 50 億美元。在短期內(nèi)還不可能具有和人相比擬的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，要建成這樣一個(gè)系統(tǒng)仍然是人類(lèi)面臨的一大挑戰(zhàn)，我們正一步步
5、朝著改進(jìn)語(yǔ)音系統(tǒng)的方向邁進(jìn)。我國(guó)語(yǔ)音識(shí)別研究工作一直緊跟國(guó)際水平,國(guó)家也很重視,并把大詞匯量語(yǔ)音識(shí)別的研究列入“863”計(jì)劃,由中科院聲學(xué)所、自動(dòng)化所及北京大學(xué)等單位研究開(kāi)發(fā),取得了高水平的科研成果,如中科院自動(dòng)化所研制的非特定人、連續(xù)語(yǔ)音聽(tīng)寫(xiě)系統(tǒng)和漢語(yǔ)語(yǔ)音人機(jī)對(duì)話系統(tǒng),其字準(zhǔn)確率或系統(tǒng)響應(yīng)率可達(dá) 90 %以上。鑒于中國(guó)未來(lái)龐大的市場(chǎng),國(guó)外也非常重視漢語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別的研究。美國(guó)、新加坡等地聚集了一批來(lái)自大陸、臺(tái)灣、香港等地的學(xué)者,研究成果已達(dá)到相當(dāng)高水平。2、智能家居的發(fā)展智能家居起源于上世紀(jì)80年代的美國(guó),在上世紀(jì)末來(lái)到中國(guó),經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展,特別是伴隨住宅產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步,智能家居在中國(guó)己經(jīng)顯出春筍
6、出露的局面。當(dāng)家庭智能網(wǎng)關(guān)將家庭中各種各樣的家電通過(guò)家庭總線技術(shù)連接在一起時(shí),就構(gòu)成了功能強(qiáng)大、高度智能化的現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)。在國(guó)內(nèi),智能家居作為一項(xiàng)新興產(chǎn)業(yè),發(fā)展前景毋庸置疑。在2011年;建設(shè)部出臺(tái)的規(guī)劃中,也表示未來(lái)60%以上的新房都具有一定的“智能型家居”功能；顯然，智能家居正在形成一種產(chǎn)業(yè),蘊(yùn)含著巨大的市場(chǎng)潛力。目前的智能家居主要采用國(guó)外的一些技術(shù)和產(chǎn)品,當(dāng)然也有一些企業(yè)推出自己的產(chǎn)品。例如,海爾公司的“e家庭”和清華同方的“e-home數(shù)字家園”。3、發(fā)展趨勢(shì)語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)是非常重要的人機(jī)交互技術(shù)，有著非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)前景。應(yīng)用語(yǔ)音的自動(dòng)理解和翻譯，可消除人類(lèi)相互交往的語(yǔ)言障
7、礙。通信技術(shù)的飛速發(fā)展，語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)將為網(wǎng)上會(huì)議、商業(yè)管理、醫(yī)藥衛(wèi)生、教育培訓(xùn)等各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)極大的便利。目前語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)主要應(yīng)用有以下幾方面： 高檔智能玩具(比如能和兒童交流的語(yǔ)音娃娃、聲控玩具汽車(chē)等)、汽車(chē)電子語(yǔ)音導(dǎo)航系統(tǒng)（通過(guò)語(yǔ)音實(shí)現(xiàn)地名和各種命令的輸入）、汽車(chē)免提電話（語(yǔ)音撥號(hào)），家電語(yǔ)音智能控制（比如空調(diào)、冰箱、消毒柜、洗衣機(jī)、電燈等）、手機(jī)（比如語(yǔ)音撥號(hào)）、PDA 等。4、存在問(wèn)題（1）目前使用的語(yǔ)言模型只是概率模型，所以準(zhǔn)確性不會(huì)達(dá)到百分百；（2）語(yǔ)音識(shí)別受特定人、口音或者方言的影響；（3）環(huán)境雜音或者噪音對(duì)語(yǔ)音識(shí)別效果影響較大。2.課題基本內(nèi)容2.1課題目標(biāo)以智能家居控制的語(yǔ)音識(shí)
8、別為應(yīng)用背景，利用嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)語(yǔ)音識(shí)別算法程序，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)。2.2研究?jī)?nèi)容（1）學(xué)習(xí)掌握基于ARM的嵌入式控制系統(tǒng)；（2）學(xué)習(xí)和研究語(yǔ)音識(shí)別算法并運(yùn)用在ARM中進(jìn)行編程。2.3預(yù)期成果提交一套嵌入式（ARM）語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，包括嵌入式語(yǔ)音識(shí)別算法，系統(tǒng)具有較高識(shí)別率和識(shí)別速度。3開(kāi)題前期基礎(chǔ)及實(shí)施方案3.1了解語(yǔ)音識(shí)別原理 （1）語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)學(xué)模型 語(yǔ)音是由聲道激勵(lì)發(fā)生共振而產(chǎn)生的，由于在發(fā)聲過(guò)程中聲道是運(yùn)動(dòng)的，因此可以用一個(gè)時(shí)變線性系統(tǒng)來(lái)描擬。當(dāng)在一個(gè)較短的時(shí)間間隔內(nèi)表示語(yǔ)音信號(hào)時(shí)，可以采用線性時(shí)不變模型，如圖1表示信號(hào)產(chǎn)生模型。圖1 信號(hào)產(chǎn)生模型三部分模型有各自相應(yīng)表
9、達(dá)式，最終的輸出信號(hào)由各部分模型串聯(lián)組成。(2)語(yǔ)音信號(hào)的處理語(yǔ)音信號(hào)中含有豐富的信息，從中提取對(duì)語(yǔ)音識(shí)別有用信息的過(guò)程，就是特征提取。特征提取方法是整個(gè)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的基礎(chǔ)，對(duì)語(yǔ)音識(shí)別率有極其重要的影響。它主要分為 3 類(lèi)：基于 LPC 的倒譜參數(shù)分析；基于 FFT 的頻譜余弦變換分析；采用前沿?cái)?shù)字信號(hào)處理技術(shù)的特征分析手段，如小波分析、時(shí)頻域分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。語(yǔ)音識(shí)別的過(guò)程可以看作模式匹配的過(guò)程，模式匹配是指根據(jù)一定的準(zhǔn)則，使未知模式與模型庫(kù)中的某個(gè)模型獲得最佳匹配的過(guò)程。模式匹配要用到參考模板，這些模板通過(guò)模板訓(xùn)練獲得。模板訓(xùn)練就是指按照一定的準(zhǔn)則，從大量已知模式中獲取表征該模式本質(zhì)特
10、征的模型參數(shù)。（3）語(yǔ)音識(shí)別原理語(yǔ)音識(shí)別屬于模式識(shí)別，與人的認(rèn)知過(guò)程一樣，分為訓(xùn)練和識(shí)別兩個(gè)過(guò)程。在訓(xùn)練階段，語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)對(duì)人類(lèi)語(yǔ)言進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)結(jié)束，把學(xué)習(xí)內(nèi)容組成語(yǔ)音庫(kù)存儲(chǔ)起來(lái)；識(shí)別階段就可以把人們當(dāng)前輸入的語(yǔ)音在語(yǔ)音庫(kù)中查找相應(yīng)的詞義或語(yǔ)義。從信號(hào)處理的角度，任何一個(gè)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)都能以圖2來(lái)表示：圖2 語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)3.2語(yǔ)音識(shí)別模型語(yǔ)音識(shí)別基本原理是對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行特征提取。目前常用的語(yǔ)音識(shí)別算法有基于模式匹配的動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整法（DTW：Dynamic Time Warping），基于統(tǒng)計(jì)模型 DSP 的隱馬爾可夫模型法（HMM：Hidden Markov Model）以及基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)
11、別法（ANN）等。（1）隱馬爾可夫模型法（HMM）HMM 作為語(yǔ)音信號(hào)的一種統(tǒng)計(jì)模型，在語(yǔ)音處理領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用。HMM 是在馬爾可夫鏈的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。由于實(shí)際問(wèn)題比馬爾可夫鏈模型所描述的更為復(fù)雜，觀察到的事件并不是與狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)，而是通過(guò)一組概率分布相聯(lián)系，這樣的模型就稱(chēng)為 HMM。它是一個(gè)雙重隨機(jī)過(guò)程，其中之一就是馬爾可夫鏈，這是基本隨機(jī)過(guò)程，它描述狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。另一隨機(jī)過(guò)程描述狀態(tài)與觀察值的統(tǒng)計(jì)對(duì)應(yīng)關(guān)系。站在觀察者的角度，只能看到觀察值，不能直接看到狀態(tài)，而是通過(guò)一個(gè)隨機(jī)過(guò)程去感知狀態(tài)的存在及其特性。因而稱(chēng)之為“隱”馬爾可夫模型。隱馬爾可夫模型法可用于大多數(shù)大詞匯量、連續(xù)語(yǔ)音的非特定
12、人語(yǔ)音識(shí)別，它很好的模仿了人的發(fā)音系統(tǒng)的狀態(tài)與語(yǔ)音信號(hào)這兩個(gè)隨機(jī)過(guò)程，是一種較為理想的語(yǔ)音模型，但是他的缺點(diǎn)在于統(tǒng)計(jì)模型的建立需要依賴(lài)一個(gè)較大的語(yǔ)音庫(kù)。這在實(shí)際工作中占有很大的工作量。且模型所需要的存儲(chǔ)量和匹配計(jì)算(包括特征矢量的輸出概率計(jì)算)的運(yùn)算量相對(duì)較大,通常需要具有一定容量SRAM 的 DSP 才能完成。（2）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) （ANN）ANN 在語(yǔ)音識(shí)別領(lǐng)域的應(yīng)用是在 20 世紀(jì) 80 年代中后期發(fā)展起來(lái)的。其思想是用大量簡(jiǎn)單的處理單元并行連接構(gòu)成一種信息處理系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可以進(jìn)行自我更新,且有高度的并行處理及容錯(cuò)能力,因而在認(rèn)知任務(wù)中非常吸引人。但是 ANN 相對(duì)于模式匹配而言,在反映
13、語(yǔ)音的動(dòng)態(tài)特性上存在重大缺陷。單獨(dú)使用 ANN 的系統(tǒng)識(shí)別性能不高,所以目前 ANN 通常在多階段識(shí)別中與 HMM 算法配合使用。（3）動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整（DTW）語(yǔ)音識(shí)別中，不能簡(jiǎn)單地將輸入模板直接比較，因?yàn)檎Z(yǔ)音信號(hào)具有相當(dāng)大的隨機(jī)性，即使同一個(gè)人，在不同時(shí)刻的同一句話發(fā)的同一個(gè)音，也不可能具有完全相同的時(shí)間長(zhǎng)度，因此時(shí)間規(guī)整必不可少。DTW 是時(shí)間規(guī)整與距離測(cè)度結(jié)合的非線性規(guī)整技術(shù)。假設(shè)參考模板特征矢量序列為 a1，a2，am，aM；輸入語(yǔ)音特征矢量序列為 b1，b2，bn，bN，MN，那么動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整是要尋找時(shí)間規(guī)整函數(shù) m=(n)，它把輸入模板的時(shí)間軸 n 非線性地映射到參考模板的時(shí)間軸 m
14、。上式中，d n,(n)是第 n 幀輸入矢量和第 m 幀參考矢量的距離，D 是相應(yīng)于最優(yōu)時(shí)間規(guī)整下一個(gè)模板的距離測(cè)度。DTW 是一個(gè)典型的最優(yōu)化問(wèn)題，它用滿足一定條件的時(shí)間規(guī)整函數(shù) (n)描述輸入模板和參考模板的時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系，求解兩模板匹配時(shí)的累計(jì)距離最小所對(duì)應(yīng)的規(guī)整函數(shù)。DTW 算法通過(guò)將待識(shí)語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)間軸進(jìn)行不均勻的扭曲和彎曲，使其特征與模板特征對(duì)齊，并在兩者之間不斷的進(jìn)行兩個(gè)矢量最小的匹配路徑計(jì)算，從而獲得兩個(gè)矢量匹配時(shí)累計(jì)距離最小的歸整函數(shù)。這是一個(gè)將時(shí)間歸整和距離測(cè)度有機(jī)結(jié)合在一起的非線性歸整技術(shù)，保證了待識(shí)別特征與模板特征之間最大的聲學(xué)相似特征和最小的時(shí)差失真，是成功解決匹配問(wèn)題
15、的最早、最常用的方法。由于 DTW 模版匹配的運(yùn)算量不大,并且限于小詞表,一般的應(yīng)用領(lǐng)域孤立數(shù)碼、簡(jiǎn)單命令集、地名或人名集的語(yǔ)音識(shí)別，與智能家居的命令相符，所以本次設(shè)計(jì)采用該算法。3.3處理器與方案設(shè)計(jì)嵌入式語(yǔ)音系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要包括中央處理器、外圍控制電路、只讀存儲(chǔ)器、可讀寫(xiě)存儲(chǔ)器和外圍設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)體積小、專(zhuān)用性強(qiáng)的特點(diǎn)決定了其硬件必須根據(jù)實(shí)際需要高效率的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)嵌入式語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng) Linux 平臺(tái)硬件環(huán)境時(shí)，結(jié)合芯片的功能、功耗、體積、成本和可靠性等多方面性能要求，綜合考慮，最終選擇用 Samsung 公司的高性能 S3C2440 ARM 處理器作硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的核心，圍繞它搭建外圍電
16、路，其所需要的外圍電路芯片，購(gòu)買(mǎi)的開(kāi)發(fā)板就可以滿足。下圖圖3為系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)框架：麥克風(fēng)語(yǔ)音處理芯片UDA1341TSARMS3C2440SDRAM顯示屏輸出命令圖3 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)圖由相應(yīng)的語(yǔ)音解碼芯片轉(zhuǎn)換語(yǔ)音信號(hào)，通過(guò)S3C2440的計(jì)算和處理，轉(zhuǎn)換成控制指令（可以由數(shù)碼管或二極管對(duì)輸出進(jìn)行檢測(cè)），最好可以在控制處設(shè)立顯示界面以便于操作者進(jìn)行監(jiān)控。4.重難點(diǎn)（1）語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)學(xué)建模，這是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)；（2）基于嵌入式系統(tǒng)的語(yǔ)音識(shí)別算法的實(shí)現(xiàn)，包含兩方面內(nèi)容：一是語(yǔ)音識(shí)別算法的學(xué)習(xí)，二是算法在ARM中的實(shí)現(xiàn)；（3）語(yǔ)音識(shí)別算法要有實(shí)時(shí)性，在保證識(shí)別率的前提下，識(shí)別速度要快，即語(yǔ)音發(fā)出后，應(yīng)在
17、最短的時(shí)間內(nèi)識(shí)別出來(lái)，用來(lái)發(fā)出準(zhǔn)確控制命令。5.工作進(jìn)度安排（1）2013年12月：查閱相關(guān)資料，進(jìn)行翻譯英文文獻(xiàn)，編寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告，明確畢業(yè)設(shè)計(jì)工作的內(nèi)容，根據(jù)資料，設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程圖；（2）2014年13月：對(duì)ARM進(jìn)行學(xué)習(xí)，掌握并熟練使用ARM完成簡(jiǎn)單功能，學(xué)習(xí)并購(gòu)置元器件； （3）2014年4月：學(xué)習(xí)關(guān)于語(yǔ)音識(shí)別方面算法，實(shí)現(xiàn)初步的語(yǔ)音識(shí)別功能；（4）2014年5月：實(shí)現(xiàn)家居的模型以及語(yǔ)音對(duì)家居的控制，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初步調(diào)試，準(zhǔn)備中期檢查；（5）2014年6月：對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)試。進(jìn)一步完善整個(gè)系統(tǒng)，測(cè)試功能實(shí)現(xiàn)情況，優(yōu)化系統(tǒng)，并嘗試制作顯示界面；（6）2014年6月：撰寫(xiě)畢業(yè)論文，參加答辯
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用于智能家居語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc
