動態時間歸整演算法

2021-08-15 02:31:31 字數 3406 閱讀 6794

無論在訓練和建立模板階段還是在識別階段,都先採用端點演算法確定語音的起點和終點。已存入模板庫的各個詞條稱為參考模板,乙個參考模板可表示為r=,m為訓練語音幀的時序標號,m=1為起點語音幀,m=m為終點語音幀,因此m為該模板所包含的語音幀總數,r(m)為第m幀的語音特徵向量。所要識別的乙個輸入詞條語音稱為測試模板,可表示為t=,n為測試語音幀的時序標號,n=1為起點語音幀,n=n為終點語音幀,因此n為該模板所包含的語音幀總數,t(n)為第n幀的語音特徵向量。參考模板與測試模板一般採用相同型別的特徵向量(如mfcc,lpc係數)、相同的幀長、相同的窗函式和相同的幀移。

假設測試和參考模板分別用t和r表示,為了比較它們之間的相似度,可以計算它們之間的距離 d[t,r],距離越小則相似度越高。為了計算這一失真距離,應從t和r中各個對應幀之間的距離算起。設n和m分別是t和r中任意選擇的幀號,d[t(n),r(m)]表示這兩幀特徵向量之間的距離。距離函式取決於實際採用的距離度量,在dtw演算法中通常採用歐氏距離。

若n=m則可以直接計算,否則要考慮將t(n)和r(m)對齊。對齊可以採用線性擴張的方法,如果n若把測試模板的各個幀號n=1~n在乙個二維直角座標系中的橫軸上標出,把參考模板的各幀號m=1~m在縱軸上標出,通過這些表示幀號的整數座標畫出一些縱橫線即可形成乙個網路,網路中的每乙個交叉點(n,m)表示測試模式中某一幀的交匯點。dp演算法可以歸結為尋找一條通過此網路中若干格點的路徑,路徑通過的格點即為測試和參考模板中進行計算的幀號。路徑不是隨意選擇的,首先任何一種語音的發音快慢都有可能變化,但是其各部分的先後次序不可能改變,因此所選的路徑必定是從左下角出發,在右上角結束

為了描述這條路徑,假設路徑通過的所有格點依次為(n1 ,m1 ),……,(ni ,mj ),……,(nn ,mm ),其中(n1 ,m1 )=(1,1),(nn ,mm )=(n,m)。路徑可以用函式m = oslash;(n )描述,其中n =i,i=1,2,……,n,ø(1)=1,ø(n)=m。為了使路徑不至於過傾斜,可以約束斜率在0.5~2的範圍內,如果路徑已經通過了格點(n ,m ),那麼下乙個通過的格點(n ,m )只可能是下列三種情況之一:

(n ,m )=(n +1,m)

(n ,m )=(n +1,m +1)

(n ,m )=(n ,m+1 )

用r表示上述三個約束條件。求最佳路徑的問題可以歸結為滿足約束條件r時,求最佳路徑函式m =ø(n ),使得沿路徑的積累距離達到最小值,即:

搜尋該路徑的方法如下:搜尋從(n, m)點出發,可以展開若干條滿足ŋ的路徑,假設可計算每條路徑達到(n, m)點時的總的積累距離,具有最小累積距離者即為最佳路徑。易於證明,限定範圍的任一格點(n, m)只可能有一條搜尋路徑通過。對於(n, m),其可達到該格點的前乙個格點只可能是(n-1, m)、(n-1, m -1)和(n, m-1),那麼(n, m)一定選擇這3個距離之路徑延伸而通過(n, m),這時此路徑的積累距離為:

d[(n,m)]=d[t(n),r(m)]+min

這樣可以從(n ,m )=(1,1)出發搜尋(n ,m ),對每乙個(n ,m )都儲存相應的距離,這個距離是當前格點的匹配距離與前乙個累計距離最小的格點(按照設定的斜率在三個格點中進行比較)。搜尋到(n ,m )時,只保留一條最佳路徑。如果有必要的話,通過逐點向前尋找就可以求得整條路徑。這套dp演算法便是dtw演算法。

dtw演算法可以直接按上面描述來實現,即分配兩個n×m的矩陣,分別為積累距離矩陣d和幀匹配距離矩陣d,其中幀匹配距離矩陣d(i,j)的值為測試模板的第i幀與參考模板的第j幀間的距離。d(n,m)即為最佳匹配路徑所對應的匹配距離

dtw演算法由於沒有乙個有效地用統計方法進行訓練的框架,也不容易將低層和頂層的各種知識用到語音識別演算法中,因此在解決大詞彙量、連續語音、非特定人語音識別問題時較之hmm演算法相形見絀。hmm是一種用引數表示的,用於描述隨機過程統計特性的概率模型。而對於孤立詞識別,hmm演算法和dtw演算法在相同條件下,識別效果相差不大, 又由於dtw演算法本身既簡單又有效,但hmm演算法要複雜得多。它需要在訓練階段提供大量的語音資料,通過反覆計算才能得到引數模型,而dtw演算法的訓練中幾乎不需要額外的計算。

dtw的一般演算法

實現dtw演算法的函式dtw.m

function dist = dtw(t,r)

n=size(t,2);

m=size(r,2);

%%幀匹配距離矩陣

d=zeros(n,m);

fori=1:n

forj=1:m

d(i,j)=(t(i)-r(j)).^2;

endend

%%累積距離矩陣

d=ones(n,m)*realmax;

%%動態規劃

fori=1:n

forj=1:m

ifi==1&&j==1;

d(i,j)=d(1,1);

d1=0;

d2=0;

d3=0;

endifi==1&&j>1

d1=d(i,j-1);

d2=realmax;

d3=realmax;

endifj==1&&i>1

d1=d(i-1,j);

d2=realmax;

d3=realmax;

endifi>1&&j>1

d1=d(i-1,j);

d2=d(i,j-1);

d3=d(i-1,j-1);

endd(i,j)=d(i,j)+min([d1,d2,d3]);

endend

dist=d(n,m);

程式中,首先申請兩個n×m的距陣d和d,分別為累積距離和幀匹配距離。這裡n和m為測試模板與參考模板的幀數。然後通過乙個迴圈計算兩個模板的幀匹配距離距陣d。接下來進行動態規劃,為每個格點(i,j)都計算其三個可能的前續格點的累積距離d1、d2和d3。考慮到邊界問題,有些前續格點可能不存在,因此要加入一些判斷條件。

最後利用最小值函式min,找到三個前續格點的累積距離的最小值作為累積距離,與當前幀的匹配距離d(i,j)相加,作為當前格點的累積距離。該計算過程一直達到格點(n,m),並將d(n,m)輸出,作為模板匹配的結果。

孤立詞識別方案主要有:

(1)採用動態規劃(dynamic programming)的方法。這是一種運算量較大,但技術上較簡單,正識率也較高的方法。其中的失真測度可以用歐氏距離(適於短時譜或倒譜引數),也可以用對數似然比距離(適於lpc引數).決策方法可用最近鄰域準則.

(2)採用向量量化(vector quantization)的方法.它既可用於語音通訊中的波形或引數的壓縮,也可用於語音識別.尤其有限狀態向量量化(fsvqj)方法,對於語音識別更為有效。決策方法一般用最小平均失真準則。

(3)採用隱馬爾柯夫模型(hmm)的方法,該模型的引數既可以用離散概率分布函式,也可以用最新的連續概率密度函式(如:正態高斯密度,高斯自回歸密度等)。決策方法則用最大後驗概率準則.

(4)採用混合技術的方法。例如:用向量量化作為第一級識別(作為預處理,從而得出若干候選的識別結果),然後,再用dtw或hmm方法做最後的識別,因此,可有vq(向量化)/dtw和vq/hmm等識別方法.

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