Các thuật toán sử dụng nâng cao chất lượng tiếng nói

L ỜI CAM Đ OAN

1.7 Các thuật toán sử dụng nâng cao chất lượng tiếng nói

1.7.1 Trừ phổ

Spectral-subtraction (SS) hay còn gọi là trừ phổ là một thuật toán giảm nhiễu đơn giản nhất. Nó dựa trên nguyên lý cơ bản là nó sẽ mô tả và cập nhật nhiễu trong tín hiệu có nhiễu bằng cách thu nhiễu khi không có sự hiện diện của tín hiệu. Và nhiễu đó sẽ được trừ với tín hiệu có nhiễu, kết quả là tín hiệu của chúng ta sau khi xử lý bằng thuật toán này sẽ được loại đi nhiễu và xét trên phương diện lý tưởng thì nó là tín hiệu sạch. SS lúc ban đầu được đề xuất bởi Weiss[8] trong miền tương quan, và sau đó được đề xuất bởi Boll [9] trong miền chuyển đổi Fourier.

1.7.2 Mô hình thống kê

Vấn đề của nâng cao chất lượng tiếng nói là phải đề ra được khung mô tả mang tính thống kê. Nó là một tập các phép đo tương ứng với hệ chuyển đổi Fourier của tín hiệu nhiễu, và chúng ta mong muốn sẽ tìm ra được một phương thức ước lượng tuyến tính hoặc phi tuyến các tham số có lợi, đó là hệ chuyển đổi của tín hiệu sạch. Hai thuật toán được sử dụng đó là thuật toán Wiener và minium mean-squared error(MMSE)[10].

1.8 Tín hiệu tiếng nói

Tín hiệu tiếng nói là tín hiệu liên tục và có phổ năng lượng thay đổi theo thời gian. Tuy nhiên khi khảo sát trong một khoảng thời gian đủ ngắn (khoảng 10 đến 30 ms) thì đặc tính phổ của nó coi như không thay đổi.

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Diệp Trang 27

Hình 1.7 Dạng sóng tín hiệu tiếng nói của câu “The wife helped her husband” và dạng sóng của phụ âm “f” trong từ “wife, dạng sóng của đoạn

nguyên âm “er” trong từ “her” [11].

Dạng sóng của tín hiệu có thểđược chia thành một số phân đoạn tương ứng với các âm/từ. Trong ví dụ trên ta thấy một số phân đoạn có dạng sóng gần như tuần hoàn còn số khác thì không có tính tuần hoàn và bị nhiễu

Những kiểu của đoạn tiếng nói_chu kỳ, nhiễu, khoảng lặng… thường được tìm thấy trong tiếng nói trôi chảy với sự thay đổi về cường độ, khoảng thời gian và đặc tính phổ.

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Diệp Trang 28

1.9 Cơ chế tạo tiếng nói

1.9.1.1 Bộ máy phát âm của con người

Hình 1.8 mặt cắt dọc của cơ quan tạo tiếng nói [11].

1.9.2 Mô hình kỹ thuật của việc tạo tiếng nói

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Diệp Trang 29

1.9.3 Phân loại âm

Các âm trong tiếng Anh được phân loại gồm: nguyên âm và nguyên âm đôi, bán nguyên âm, âm mũi, âm stops, fricative, africatives, whisper.

Hình 1.10 bảng phân loại âm vị trong tiếng Anh của người Mỹ [11]

1.9.4 Thuộc tính âm học của tiếng nói

Tín hiệu tiếng nói là tín hiệu tương tự, biểu diễn cho thông tin về mặt ngôn ngữ và được thể hiện bằng các âm vị khác nhau. Số lượng các âm vị tuỳ thuộc vào từng ngôn ngữ, vào khoảng 20 đến 30 và không vượt quá 50. Đối với từng loại âm vị nó có đặc tính âm thanh khác nhau.Tổ hợp các âm vị tạo nên âm tiết. Âm tiết đóng vai trò một từ trọn vẹn mang ngữ nghĩa.

1.10 Kết luận chương

Chương này đã trình bày được mục đích chính của speech enhancement là triệt nhiễu hoặc là nén nhiễu trong tín hiệu tiếng nói đã bị nhiễu. Ngoài ra, nội dung của chương cũng đã nêu rõ được các loại nhiễu xuất hiện trong từng môi trường cụ thểđể từđó chúng ta có tìm ra được thuật toán xử lý thích hợp ứng với mỗi trường hợp cụ thể.

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Diệp Trang 30

CHƯƠNG 2 : ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TIẾNG NÓI

2.1 Giới thiệu chương

Cho đến nay đã có rất nhiều thuật toán nâng cao chất lượng tiếng nói, nhưng làm thế nào đểđánh giá đúng hiệu quả của chúng. Phần này cung cấp các phương pháp đánh giá khác nhau được sử dụng để đánh giá hiệu quả của thuật toán nâng cao tiếng nói

Đánh giá chất lượng có thể thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp đánh giá theo cảm nhận của người nghe theo một thang đo đã được xác định trước (Subjective Evaluation_ SE) hoặc dựa trên phép đo các thuộc tính của tín hiệu (Objective Evaluation_ OE). Dù OE có giá trị thì nó vẫn phải tương quan với cảm nhận của người nghe

Phần này sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về các phương pháp đánh giá chất lượng của tiếng nói đã được xử lý

2.2 Phương pháp đánh giá chủ quan

Đánh giá chất lượng chủ quan là đánh giá chất lượng dựa trên cảm nhận nghe của con người đối với tiếng nói

Chất lượng là một trong các thuộc tính của tín hiệu tiếng nói. Về bản chất thì chất lượng có tính chủ quan cao và khó có thể đánh giá một cách đáng tin cậy.Nó chỉ đóng vai trò phần nào trong kỹ thuật đánh giá vì mỗi cá nhân người nghe có những tiêu chuẩn riêng về chất lượng “tốt” hay “xấu”, chất lượng là kết quả của sự cảm nhận và phán đoán chủ quan của người nghe, dẫn đến sự chênh lệch lớn trong kết quảđánh giá. Chất lượng có rất nhiều chỉ tiêu không thể đếm hết được. Tùy vào các mục đích thực tế và tùy vào mỗi ứng dụng mà chỉ tập trung vào một số chỉ tiêu chất lượng tiếng nói.

Đánh giá chất lượng tiếng nói là một công việc đầy khó khăn do tính đa chỉ tiêu và tính chủ quan cao. Có một số lượng lớn các đặc trưng để đánh giá khi thực hiện phương pháp nghe chủ quan này. Để kết quả đánh giá là đáng tin cậy thì sự lựa chọn đúng đắn các tham số cho việc đánh giá là điều cần thiết. Dựa

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Diệp Trang 31 trên thực tế đó ITU-T đã đưa ra các khuyến nghị ban hành trong các chuẩn từ ITU-T Rec P.800 đến ITU-T Rec P.899. Có hai loại đánh giá chính là Tuyệt đối và Tương đối. Sự đánh giá dựa trên các thang điểm chuẩn đã được đề ra trong chuẩn ITU-T Rec.P.800[11]

2.2.1 Các phương pháp đánh giá tuyệt đối

2.2.1.1 Phương pháp đánh giá tuyệt đối ACR

ACR được sử dụng rộng rãi. ITU-T[11] đã khuyến nghị dùng phương pháp này trong hầu hết các ứng dụng. Thang đo được khuyến là

¾ Mean Opinion Scores (MOS)

Được mô tả trong khuyến nghị P.800 của ITU-T, MOS là một phép đo chất lượng thoại nổi tiếng. Đây là một phương pháp đo chất lượng mang tính chất chủ quan. Có hai phương pháp kiểm tra là đánh giá đàm thoại và đánh giá độ nghe.

Bảng 2.1.Thang điểm đánh giá chất lượng tiếng nói theo MOS [12]

Score Quality of the Speech Level of Distortion

5 Excellent Imperceptible

4 Good Just perceptible, but not annoying

3 Fair Perceptible and slight annoying

2 Poor Annoying but not Objectinable

1 Bad Very annoying and Objectionable

2.2.2 Các phương pháp đánh giá tương đối

Nhìn chung phương pháp đánh giá này có độ nhạy cao hơn đối với sự suy giảm chất lượng của tín hiệu đã qua xử lý

2.2.2.1 Đánh giá bằng phương pháp so sánh các mẫu tín hiệu

Dạng đơn giản nhất của phương pháp này là thích nghe mẫu nào hơn

Preference test hay còn gọi là so sánh đánh giá theo từng cặp tín hiệu Paired Comparison Test. Đối với phương pháp này thì người nghe sẽđược nghe hai mẫu thoại và sẽđánh giá thích mẫu tín hiệu nào hơn

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Diệp Trang 32

Đánh giá bằng cách so sánh Comparison Category Rating (CCR) được khuyến nghị bởi ITU-T để đánh giá các hệ thống dùng nâng cao chất lượng tiếng nói. [13]

Bảng 2.4. Thang điểm đánh giá chất lượng tín hiệu tiếng nói theo CCR

Theshold Test hay còn gọi là Isopreference Test là một biến thể của

Preference Test. Phương pháp này là so sánh tín hiệu đã qua xử lý với tín hiệu gốc chuẩn mà độ suy giảm chất lượng của nó có thể được kiểm soát. Được đề ra trong chuẩn ITU-T Rec.P.810

2.2.2.2 Phương pháp đánh giá theo sự suy giảm chất lượng

Đánh giá sự suy giảm chất lượng Degradation Category Rating (DCR) Sự giảm sút về chất lượng của tín hiệu đã qua xử lý so với tín hiệu chất lượng cao chưa qua xử lý được xác định qua năm thang điểm

Bảng 2.5. Thang đánh giá DCR

Rating Degradation

1 Very annoying

2 Annoying

3 Sightly annoying

4 Audible but not annoying 5 Inaudible

Rating Quality of Speech

3 Much better

2 Better

1 Slightly Better

0 About the Same

-1 Slightly Worse

-2 Worse

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Diệp Trang 33

2.3 Phương pháp đánh giá khách quan

Đánh giá chất lượng khách quan là phương pháp đánh giá chất lượng dựa trên các phép đo thuộc tính của tín hiệu

2.3.1 Đo tỷ số tín hiệu trên nhiễu trên từng khung

Đo SNR trên từng khung trong miền thời gian là một trong những phương pháp đánh giá về mặt toán đơn giản nhất. Để phương pháp này có hiệu quả thì điều quan trọng là tín hiệu gốc và tín hiệu đã qua xử lý phải trong cùng miền thời gian và độ lệch pha hiện tại phải được hiệu chỉnh chính xác. SNRseg được xác định như sau

[12] (2.1)

Trong đó : tín hiệu gốc (tín hiệu sạch) : tín hiệu đã được tăng cường

N: chiều dài khung (thường được chọn từ 15-20ms)

M: số khung của tín hiệu

Một vấn đề tiềm ẩn với phương pháp đánh giá SNRseg là năng lượng của tín hiệu trong suốt khoảng lặng của tín hiệu thoại (xuất hiện nhiều trong các đoạn hội thoại) sẽ rất bé, dẫn đến kết quả là giá trị của ai số SNRseg lớn làm sai lệch toàn bộ đánh giá. Phương án giải quyết duy nhất là loại trừ những khung lặng trong biểu thức trên bằng cách đo mức năng lượng trong thời gian ngắn nén giá trị SNRseg ngưỡng đến một giá trị bé. Nếu giá trị SNRseg được giới hạn trong khoảng [-10dB, 35dB] [14] sẽ tránh được việc cần phải dùng bộ tách tín hiệu thoại và khoảng lặng

Sự xác định trước của SNRseg dựa trên tín hiệu vào gốc và tín hiệu đã được xử lý. Ta có thể dùng tín hiệu được xử lý qua bộ lọc dự đoán thường được sử dụng trong thuật toán CELP [15]. Sau khi đưa tín hiệu gốc và tín hiệu đã qua xử lý qua các bộ lọc này, ta có thể tính toán SNRseg dựa trên tín hiệu ra của các bộ

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Diệp Trang 34 lọc[16]. Sựước tính SNR này mang lại hệ số tương quan cao đối với các phương pháp đánh giá chủ quan

Một cách xác định SNRseg khác được đề xuất bởi Richards [17] trong đó hàm log có thay đổi so với công thức 3.1

(2.2)

Như vậy có thể tránh được các giá trị sai lệch lớn trong suốt các khoảng lặng của tín hiệu tiếng nói. Chú ý rằng giá trị nhỏ nhất có thể đạt được của SNRsegR bây giờ là 0 thì đã tốt hơn nhiều so với những giá trị âm vô cùng. Ưu điểm chính của việc xác định trước phân đoạn SNR là tránh được việc cần thiết phải làm rõ ràng giữa các khoảng tiếng nói và khoảng lặng

Đo SNR cho từng khung có thểđược mở rộng trong miền tần số theo

(2.3)

Trong đó Bj : Trọng lượng tại dải tần số thứ j

K : Số dải tần

M : Tổng số khung tín hiệu

F(m,j) : Dãy tín hiệu gốc qua bọ lọc đã được khuếch đại tại dải

lần thứj và khung thứm

: Dãy tín hiệu đã được tăng cường qua lọc khuếch đại ở cùng một dải tần với F(m,j)

Ưu điểm chính của việc sử dụng SNRseg trên miền tần số thay vì miền thời gian tăng thêm tính linh động của việc phân bố trọng số của phổ khác nhau cho những dải tần khác nhau

Một cách khác, trọng số của mỗi dải có thể thu được bằng cách dùng phương pháp phân tích hồi quy, còn gọi là phương pháp đánh giá chủ quan biến đổi tần số. Bằng cách này , trọng số có thểđược chọn để có hệ số tương quan lớn nhất giữa đánh giá khách quan và đánh giá chủ quan. Với phương pháp này, tổng

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Diệp Trang 35 của K (cho mỗi dải) của các phương pháp đánh giá khách quan khác nhau và Dj được ước tính cho mỗi dãy, tại Djđược cho như sau[12]

(2.4) Trọng lượng tối ưu cho mỗi Dj của mỗi dải đạt được khi dùng phương pháp phân tích hồi quy tuyến tính bậc K, cho ra đánh giá chủ quan biến đổi tần số:

(2.5)

: Các hệ số hồi quy, Dj : được cho bởi (3.4), K là số dải .Phân tích hồi quy không tuyến tính cũng có thể được sử dụng như một cách để chuyển hóa đánh giá khách quan biến đổi tần số

2.3.2 Đo khoảng cách phổ dựa trên LPC

LPC (Linear Prediction Coefficient)s :Hệ số dựđoán tuyến tính

Gồm các phương pháp phổ biến là LLR (Log Likelihood Ratio) , IS (Itakura Saito) và đo theo khoảng cách cepstrum

2.3.2.1 Phương pháp đo LLR (2.6) (2.6) :hệ số LPC của tín hiệu sạch :hệ số của tín hiệu đã được tăng cường chất lượng Rx là (p+1)*(p+1)ma trận tự tương quan(Toeplitz) của tín hiệu sạch Biểu thức trên được viết lại trong miền tần số như sau[9]

[17] (2.7) và lần lượt là phổ của và . Biểu thức trên chỉ ra sự khác nhau giữa phổ tín hiệu và phổ tăng cường có ảnh hưởng nhiều hơn khi

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Diệp Trang 36 lớn, thường gần với đỉnh tần số formant. Do đó, cách đo này xác định sự khác nhau vị trí của đỉnh tần số formant

2.3.2.2 Phương pháp đo IS

Đo IS được xác định như sau

[12] (2.8)

và lần lượt là hệ số khuếch đại của tín hiệu sạch và tín hiệu tăng cường. Hệ số khuếch đại có thểđược tính như sau:

(2.9)

chứa hệ số tự tương quan của

tín hiệu sạch (nó cũng là hàng đầu tiên của ma trận tự tương quan )

2.3.2.3 Phương pháp đo theo khoảng cách cepstrum

Không giống với đo LLR, IS chú trọng sự khác nhau giữa hệ số khuếch đại , sự khác nhau về mức phổ của tín hiệu sạch và tín hiệu tăng cường. Bên cạnh đó cũng có thể là hạn chế của đánh giá IS, sự khác nhau giữa các mức phổ có tác động nhỏđến chất lượng[18]

Hệ số LPC cũng có thể xuất phát từ khoảng cách đo được dựa trên hệ số cepstrum. Khoảng cách này quy định sựước lượng khoảng cách log của phổ của giữa hai phổ tín hiệu. Hệ số cepstrum có thể thu được từ phép đệ quy hệ số LPC {aj} sử dụng công thức sau

(2.10)

Với p là bậc của phân tích LPC .Phép đo dựa trên hệ số cepstrum có thể được tính như sau [19]

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Diệp Trang 37 Với và lần lượt là hệ số của tín hiệu sạch và tín hiệu đã được tăng cường

2.3.3 Đánh giá mô phỏng theo cảm nhận nghe của con người

Những phương pháp đánh giá đã được đề cập trên được ưa dùng vì tính đơn giản để thực hiện và dễ dàng đánh giá. Tuy nhiên, khả năng dựđoán chất lượng chủ quan của chúng thì hạn chế khi mà các phương pháp xử lý tín hiệu đó không tính đến phạm vi nghe của con người.

2.3.3.1 Phương pháp đo Weighted Spectral Slope

Phương pháp đánh giá này được tính bởi dốc phổ đầu tiên được tìm thấy của mỗi dải phổ. Xét Cx(k) là phổ dải tới hạn của tín hiệu sạch và là của tín hiệu tăng cường, xét trong đơn vị dB. Phương trình sai phân bậc nhất được dùng để tính độc dốc phổđược cho như sau:

(2.12) Với và lần lượt biểu diễn cho độ dốc dải tần thứ k của tín hiệu sạch và tín hiệu tăng cường. Sự khác nhau giữa các độ dốc phổ phụ thuộc vào trọng số một là dải tần gần với đỉnh hoặc rãnh, hai là đỉnh là đỉnh lớn nhất của phổ. Trọng số của dải thứk, ký hiệu W(k)được tính như sau

[12] (2.13) độ rộng loga lớn nhất của phổ trong tất cả các băng, là giá trị của đỉnh gần với băng k nhất, và , là hằng số có được bằng phép phân tích hồi quy để cực đại hóa sự tương quan giữa đánh giá chủ quan và giá trị của đánh giá khách quan. Với những thí nghiệm đã được thực hiện thì người ta tìm được sự tương quan lớn nhất sẽ có được với =20 và =1[18]

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Diệp Trang 38 Phép đo WSS tính cho mỗi khung của tín hiệu thoại:

(2.14)

Với L là số lượng dải tới hạn

Giá trị WSS được tính bằng cách lấy trung bình các giá trị WSS thu được từ