浅论自动语音识别结构与原理
浅论自动语音识别结构与原理
发表时间：2018-12-05T13:30:59.817Z 来源：《科技新时代》2018年10期作者：黄淑彤[导读] 自动语音识别(Automatic Speech Recognition）简称ASR是目前属于AI领域的一项十分重要的技术，伴随着人工智能的高速发展，智能化生活走向主流，ASR技术已经走进了人们的生活中的方方面面。学校：当阳市第一高级中学，学校地址：湖北省宜昌市，学校邮编：444100 摘要;自动语音识别(Automatic Speech Recognition）简
称ASR是目前属于AI领域的一项十分重要的技术，伴随着人工智能的高速发展，智能化生活走向主流，ASR技术已经走进了人们的生活中的方方面面。先简要介绍了语音识别的发展、语音信号的接收，再重点阐述了ASR运行过程中相关的原理及方法和与ASR技术的基本算法使用语音信号的处理涉及的三大算法即朴素模式算法，KMP算法，及HMM算法。
关键词; 自动语音识别;人工智能;语音识别涉及的三大算法 1.语音识别系统的发展历程
语音即声音，自动语音识别(ASR) 简言之就是：听到人类发出的语音指令后，计算机通过将声音中包含的信息转化为的一系列计算机可理解的参数，之后再进行处理，做出人类所需要的反应的一种智能技术[1]。为了在与计算机交互时同与人类说话一样容易，科学家做出了巨大努力。其中历史性的两大里程碑事件一是戴维斯实验室研发的英文十英文字符语音参数实验系统，二是毕业于卡内基梅隆大学的李开复开拓出了容纳更广的词汇量的语音识别系统sphinx，还为此前种种难题，如不间断语音非特定人语音、声线不平、语音信息模糊等问题提供了解决方案，从此成为如今大多数进入语音识别领域的工作者的必备知识[1]。
追根朔源语音识别是从贝尔发明电话时期初露锋芒的，伴随着1876年电话的发明，语音识别的一系列有关声音的参数如声带振动的频率，振幅，声速等相关影响因素都被予以高度关注及探索，从此为语音研究铺下了良好的基础[1]。紧随其后的是诞生于1946年的计算机，它开创了电子信息新时代，随着计算机发展愈加完善，该技术成为语音识别进步的巨大动力[1]。语音识别的原理是离不开模型的，譬如声学模型，语言模型，概率模型等都是语音识别时的工具，这就如同一串拼音对应多个词组一样，我们要在一段语音中找到概率最大的音频，则需要一些算法来得到转化后的可懂序列[3]。这个过程涉及到一些数据信息的获取和处理，具体技术即下文介绍的语音信号接收操作及三大算法。
2.语音信号接收
作为技术突破的第一步，语音信号的接收是最先发展和突破的，在历史上探索历程也是最漫长的，整个操作过程有重要的两步，即静音切除和分帧操作。
2.1 静音切除
静音切除是与语音有关的必要部分比如声码器，声码器在军事领域运用最为广泛，其工作原理是通过声音震动带来的频率变化转化为数字信号，其中只保留必要的关键词，剪切掉的多余部分作为推测信号会在释放时被重新填补，再通过力传感器产生同按键生压一样的效果，解放双手就能做到发出准确的指令[2][5]。但如果一段音频的时间过长，那么收集其声音参数形成的数据就会很大，这时切除无用信号就显得尤为重要，静音切除用到的基本技术是VAD(virtural address descripter)，它的工作原理是在虚拟的语音环境中识别出指令者声音信息流的停顿空白期，这一段并不含信息源，完全可省略，同开头结尾部分文件头一起还原语音时，与有用信息一起通过语音分组待还原[3][5]。
2.2分帧操作
分帧操作首先是为了分辨频率信号的分布情况，其次是对语音信号进行隔离，一段一段的语音分成组累叠储存比一整段数据携带更为方便，也能够使运作效率提高。而分帧操作时使用的必须是一段平稳清晰的声音帧，为了分清各个频率情况的分布，这里要用到“傅里叶变换”，结合窗函数，收集一系列经过函数加工后得到的声音参数比如声速、声波频率、振幅、声波的波峰波谷等音频信号，利用移动窗函数给各帧函数确定下坐标参数。这里的傅里叶变换是指将满足一定条件的某个函数表示成三角函数，正弦余弦函数等一系列普通可懂函数，之后在同一些积分线性函数相组合结合。从而提高分辨率，两边的幅度下降之后，确定下了秒数之后就可以开始变换了[3]。
3.语音识别的核心三大算法
模式匹配即匹配字符串(一串字符序列)，在主串（比对串）中对子串（待匹配串）进行定位，其实串在计算机是凭借各字符在字符表中的前后位置顺序进行比较的，常用字符也是指对应字符在对应字符集中的序号，正如语音识别中模式匹配需要找到对应格式，字串也要找到指定位置，再填补，增删之后才可使用[6]。模式匹配是使串的长度和对应位置相对应，从而达到使语音匹配正确的目的。
3.1 朴素模式算法(BF算法)
朴素模式算法即依次全部历遍完串直到全部匹配成功,如下表按照上下箭头进行匹配，如果匹配不成功，则接着下一个进行匹配直到待匹配串完全一一对应才算完全成功。其实在BF算法中称P为模式字符串，而T为目标字符串，字符的对应成功就代表着P在T中完全一一对应了[6]。譬如给出T串:A B H O M E W O R K E P P串：H O M E W O R K,在匹配时可以明显发现前面的元素字串无法一一对应时箭头显现红色，后面无对应的箭头显示白色，在这样的情况下，根据朴素模式算法知道，接下来要向后移动模式串P，而T串不动再进行一次匹配，如下图，第二个图对应第二次匹配的过程依然没完成百分之百的对应，接着重复前面的操作得到的第三个图就是对应成功了，且成功对应的串都是用绿色箭头表示的，接着可以直接输出串的位置，序号等参数，从而定下匹配的串，这样朴素模式算法就算完成了。