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[導(dǎo)讀]在嵌入式語(yǔ)音交互設(shè)備中,如智能音箱、語(yǔ)音遙控器等,語(yǔ)音前端處理至關(guān)重要。它直接影響語(yǔ)音識(shí)別的準(zhǔn)確性和用戶體驗(yàn)。噪聲抑制用于降低環(huán)境噪聲對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的干擾,而語(yǔ)音活動(dòng)檢測(cè)(VAD)則用于判斷語(yǔ)音信號(hào)中是否存在有效語(yǔ)音,避免將噪聲誤判為語(yǔ)音進(jìn)行處理,從而節(jié)省計(jì)算資源。CMSIS-DSP(Cortex Microcontroller Software Interface Standard - Digital Signal Processing)庫(kù)為嵌入式設(shè)備上的數(shù)字信號(hào)處理提供了高效的函數(shù)實(shí)現(xiàn),基于它優(yōu)化噪聲抑制與VAD算法,能有效提升嵌入式設(shè)備的語(yǔ)音處理性能。


引言

在嵌入式語(yǔ)音交互設(shè)備中,如智能音箱、語(yǔ)音遙控器等,語(yǔ)音前端處理至關(guān)重要。它直接影響語(yǔ)音識(shí)別的準(zhǔn)確性和用戶體驗(yàn)。噪聲抑制用于降低環(huán)境噪聲對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的干擾,而語(yǔ)音活動(dòng)檢測(cè)(VAD)則用于判斷語(yǔ)音信號(hào)中是否存在有效語(yǔ)音,避免將噪聲誤判為語(yǔ)音進(jìn)行處理,從而節(jié)省計(jì)算資源。CMSIS-DSP(Cortex Microcontroller Software Interface Standard - Digital Signal Processing)庫(kù)為嵌入式設(shè)備上的數(shù)字信號(hào)處理提供了高效的函數(shù)實(shí)現(xiàn),基于它優(yōu)化噪聲抑制與VAD算法,能有效提升嵌入式設(shè)備的語(yǔ)音處理性能。


CMSIS-DSP庫(kù)簡(jiǎn)介

CMSIS-DSP是ARM公司為Cortex系列微控制器提供的數(shù)字信號(hào)處理庫(kù),包含各種常用的信號(hào)處理函數(shù),如FFT、濾波器、矩陣運(yùn)算等。這些函數(shù)經(jīng)過(guò)高度優(yōu)化,能夠充分利用Cortex處理器的硬件特性,在嵌入式設(shè)備上實(shí)現(xiàn)高效的信號(hào)處理。


噪聲抑制算法優(yōu)化

譜減法原理

譜減法是一種常用的噪聲抑制算法,其基本思想是在頻域上從帶噪語(yǔ)音的功率譜中減去噪聲的功率譜,得到估計(jì)的純凈語(yǔ)音功率譜,再通過(guò)逆傅里葉變換得到時(shí)域的純凈語(yǔ)音信號(hào)。


基于CMSIS-DSP的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化

c

#include "arm_math.h"


#define FRAME_SIZE 256

#define FFT_SIZE 512


void noise_suppression_spectral_subtraction(float32_t *noisy_frame, float32_t *noise_estimate, float32_t *output_frame) {

   float32_t noisy_spectrum[FFT_SIZE];

   float32_t noise_spectrum[FFT_SIZE];

   float32_t output_spectrum[FFT_SIZE];

   float32_t magnitude_noisy[FFT_SIZE / 2];

   float32_t magnitude_noise[FFT_SIZE / 2];

   float32_t magnitude_output[FFT_SIZE / 2];

   float32_t phase_noisy[FFT_SIZE / 2];


   // 加窗處理(漢明窗)

   float32_t window[FRAME_SIZE];

   arm_hamm_window_f32(window, FRAME_SIZE);

   arm_mult_f32(noisy_frame, window, noisy_frame, FRAME_SIZE);


   // 補(bǔ)零到FFT長(zhǎng)度

   arm_fill_f32(0.0f, &noisy_frame[FRAME_SIZE], FFT_SIZE - FRAME_SIZE);


   // 計(jì)算帶噪語(yǔ)音的FFT

   arm_rfft_fast_instance_f32 fft_instance;

   arm_rfft_fast_init_f32(&fft_instance, FFT_SIZE);

   arm_rfft_fast_f32(&fft_instance, noisy_frame, noisy_spectrum, 0);


   // 計(jì)算帶噪語(yǔ)音的幅度譜和相位譜

   arm_cmplx_mag_f32(noisy_spectrum, magnitude_noisy, FFT_SIZE / 2);

   arm_cmplx_mag_squared_f32(noisy_spectrum, noisy_spectrum, FFT_SIZE / 2); // 計(jì)算功率譜(此處簡(jiǎn)化,實(shí)際譜減法常用功率譜)

   arm_cmplx_to_real_f32(noisy_spectrum, noisy_spectrum, phase_noisy, FFT_SIZE / 2); // 僅用于示例,實(shí)際相位處理更復(fù)雜


   // 同樣處理噪聲估計(jì)(假設(shè)已有噪聲估計(jì))

   arm_mult_f32(noise_estimate, window, noise_estimate, FRAME_SIZE);

   arm_fill_f32(0.0f, &noise_estimate[FRAME_SIZE], FFT_SIZE - FRAME_SIZE);

   arm_rfft_fast_f32(&fft_instance, noise_estimate, noise_spectrum, 0);

   arm_cmplx_mag_f32(noise_spectrum, magnitude_noise, FFT_SIZE / 2);

   arm_cmplx_mag_squared_f32(noise_spectrum, noise_spectrum, FFT_SIZE / 2);


   // 譜減法計(jì)算輸出幅度譜(這里簡(jiǎn)單相減,實(shí)際應(yīng)用中可加入過(guò)減因子等)

   for (int i = 0; i < FFT_SIZE / 2; i++) {

       if (magnitude_noisy[i] * magnitude_noisy[i] > magnitude_noise[i] * magnitude_noise[i]) {

           magnitude_output[i] = sqrtf(magnitude_noisy[i] * magnitude_noisy[i] - magnitude_noise[i] * magnitude_noise[i]);

       } else {

           magnitude_output[i] = 0.1f * magnitude_noisy[i]; // 避免負(fù)值,加入殘留噪聲

       }

   }


   // 構(gòu)造輸出頻譜(這里簡(jiǎn)化處理,實(shí)際應(yīng)結(jié)合相位)

   for (int i = 0; i < FFT_SIZE / 2; i++) {

       noisy_spectrum[2 * i] = magnitude_output[i] * cosf(phase_noisy[i]); // 實(shí)際相位處理應(yīng)更精確

       noisy_spectrum[2 * i + 1] = magnitude_output[i] * sinf(phase_noisy[i]);

   }


   // 計(jì)算IFFT

   arm_rfft_fast_f32(&fft_instance, noisy_spectrum, output_frame, 1);


   // 加窗和重疊相加等后續(xù)處理(簡(jiǎn)化示例中省略)

}

VAD算法優(yōu)化

基于能量和過(guò)零率的VAD算法

通過(guò)計(jì)算語(yǔ)音幀的能量和過(guò)零率來(lái)判斷是否存在語(yǔ)音。能量和過(guò)零率超過(guò)一定閾值時(shí),判定為語(yǔ)音幀。


基于CMSIS-DSP的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化

c

#define ENERGY_THRESHOLD 1000.0f

#define ZCR_THRESHOLD 20.0f


int vad_decision(float32_t *frame, int frame_size) {

   float32_t energy = 0.0f;

   float32_t zcr = 0.0f;


   // 計(jì)算能量

   for (int i = 0; i < frame_size; i++) {

       energy += frame[i] * frame[i];

   }


   // 計(jì)算過(guò)零率

   for (int i = 0; i < frame_size - 1; i++) {

       if (frame[i] * frame[i + 1] < 0) {

           zcr++;

       }

   }

   zcr /= frame_size;


   // 判斷是否為語(yǔ)音幀

   if (energy > ENERGY_THRESHOLD && zcr > ZCR_THRESHOLD) {

       return 1; // 語(yǔ)音幀

   } else {

       return 0; // 非語(yǔ)音幀

   }

}

結(jié)論

基于CMSIS-DSP庫(kù)優(yōu)化噪聲抑制與VAD算法,能夠充分利用嵌入式設(shè)備的硬件資源,提高語(yǔ)音前端處理的效率和準(zhǔn)確性。在實(shí)際應(yīng)用中,還需要根據(jù)具體的嵌入式設(shè)備和應(yīng)用場(chǎng)景,對(duì)算法參數(shù)和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整和優(yōu)化,以達(dá)到最佳的語(yǔ)音處理效果。

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