王華朋孫殿臣劉 波楊洪臣

（1 中國(guó)刑警學(xué)院 遼寧 沈陽(yáng) 110035；2 丹東市公安局刑偵支隊(duì) 遼寧 丹東 118000；3 烏海市公安局海南分局 內(nèi)蒙古 烏海 016000）

譜減法增強(qiáng)語(yǔ)音證據(jù)技術(shù)研究

王華朋1孫殿臣2劉 波3楊洪臣1

（1 中國(guó)刑警學(xué)院 遼寧 沈陽(yáng) 110035；2 丹東市公安局刑偵支隊(duì) 遼寧 丹東 118000；3 烏海市公安局海南分局 內(nèi)蒙古 烏海 016000）

在偵查辦案中，使用未經(jīng)處理的語(yǔ)音對(duì)具有個(gè)體特征的語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)會(huì)產(chǎn)生干擾和困難，本文使用MATLAB程序?qū)φZ(yǔ)音中含有不同類型加性噪聲的語(yǔ)音數(shù)據(jù)段進(jìn)行分析，并通過(guò)譜減法對(duì)其進(jìn)行語(yǔ)音降噪，對(duì)降噪前后的語(yǔ)音信號(hào)的波形圖和語(yǔ)圖進(jìn)行了比較。

MATLAB 譜減法 噪聲 語(yǔ)音增強(qiáng)

1 引言

在偵查辦案當(dāng)中獲取的犯罪嫌疑人語(yǔ)音資料，因其產(chǎn)生過(guò)程中不可避免地要受到來(lái)自周圍環(huán)境和傳輸媒介引入的噪聲、通訊設(shè)備內(nèi)部噪聲和其它講話者語(yǔ)音的干擾。在這些情況下則需要對(duì)含噪語(yǔ)音進(jìn)行語(yǔ)音增強(qiáng)處理，以消除背景噪聲，提高語(yǔ)音質(zhì)量。語(yǔ)音增強(qiáng)是一種提取有用的語(yǔ)音信號(hào)，抑制、降低噪聲干擾的技術(shù)，它的一個(gè)主要目標(biāo)是從含噪語(yǔ)音信號(hào)中提取盡可能純凈的原始語(yǔ)音。

語(yǔ)音增強(qiáng)中的譜減法對(duì)含噪語(yǔ)音中加性噪聲的去除具有良好的效果，本文利用MATLAB開發(fā)譜減法降噪程序，并針對(duì)公安工作中嫌疑人在機(jī)械噪聲、雨聲和發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲環(huán)境下的語(yǔ)音檢材進(jìn)行譜減法降噪，從而得到比較清晰的、可懂度更高的語(yǔ)音資料證據(jù)，為偵查破案提供線索和證據(jù)。

2 譜減法的基本原理

譜相減方法是基于人的感覺特性，其基本思想是在假定加性噪聲與短時(shí)平穩(wěn)的語(yǔ)音信號(hào)相互獨(dú)立的條件下，從含噪語(yǔ)音的功率譜中減去噪聲功率譜，得到較為純凈的語(yǔ)音頻譜，再?gòu)念l譜轉(zhuǎn)換到時(shí)域，從而得到了純凈語(yǔ)音的時(shí)域信號(hào)。

由于人耳對(duì)語(yǔ)音頻譜分量的相位不敏感，因而這種方法主要針對(duì)短時(shí)幅度譜。原理如下:

假定語(yǔ)音為平穩(wěn)信號(hào)，而噪聲和語(yǔ)音為加性信號(hào)且彼此不相關(guān)。此時(shí)含噪語(yǔ)音信號(hào)可表示為

式中，s(t)為純凈語(yǔ)音信號(hào)，n(t)為噪聲信號(hào)。而用Y(w)，S(w)和N(w)表示y(t)、s(t)和n(t)的傅立葉變換，則有下列關(guān)系存在

對(duì)功率譜則有

因?yàn)榧俣ㄔ肼暈椴幌嚓P(guān)的，所以不會(huì)出現(xiàn)有信號(hào)與噪聲的乘積項(xiàng)。只要從中減去便可恢復(fù)。因?yàn)樵肼暿蔷植科椒€(wěn)的，故可以認(rèn)為發(fā)語(yǔ)音前的噪聲與發(fā)語(yǔ)音期間的噪聲功率譜相同，因而可以利用發(fā)語(yǔ)音前(或后)的“寂靜幀”來(lái)估計(jì)噪聲。

然而，語(yǔ)音是不平穩(wěn)的，而且實(shí)際上只能用一小段加窗信號(hào)。此時(shí)上式應(yīng)寫為:

式中，下標(biāo)w表示加窗信號(hào)，*表示復(fù)共軛?？梢愿鶕?jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)估計(jì)，其余各項(xiàng)必須近似統(tǒng)計(jì)均值。由于n(t)和s(t)獨(dú)立，則互譜的統(tǒng)計(jì)均值為0，所以原始語(yǔ)音的估值為

為了傅立葉逆變換再現(xiàn)語(yǔ)音，還需要Sw(w)的相位，這里用Ph［Sw(w)］表示。此時(shí)可借用帶噪語(yǔ)音相位，即Yw(w)的相位來(lái)近似。因而

則恢復(fù)的語(yǔ)音是估值的傅立葉反變換。譜減法的原理框圖如圖1所示：

圖1 譜減法的原理框圖

3 語(yǔ)音增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)

本文對(duì)三種情況下的含噪語(yǔ)音進(jìn)行處理，圖2是諾基亞N73手機(jī)在較強(qiáng)的機(jī)械噪聲中的含噪語(yǔ)音信號(hào)與譜減法降噪后的語(yǔ)音信號(hào)的波形對(duì)比圖，其中藍(lán)色部分為含噪信號(hào)，綠色部分為去噪后的信號(hào)。

圖2 機(jī)械噪聲環(huán)境降噪前后波形對(duì)比圖

圖3與圖4分別是諾基亞N73手機(jī)在較強(qiáng)的機(jī)械噪聲中的含噪錄音信號(hào)與譜減法降噪后的語(yǔ)音信號(hào)的窄帶語(yǔ)圖，對(duì)比兩個(gè)圖可以看出，譜減法去噪后，語(yǔ)音的聲紋清晰度得到明顯提高，噪聲得到了明顯的抑制。

圖3 機(jī)械噪聲環(huán)境語(yǔ)音去噪前窄帶語(yǔ)圖

圖4 機(jī)械噪聲環(huán)境語(yǔ)音去噪后窄帶語(yǔ)圖

圖5是諾基亞N73手機(jī)在雨天環(huán)境中錄制的含噪語(yǔ)音信號(hào)與譜減法降噪后的語(yǔ)音信號(hào)的波形對(duì)比圖，其中藍(lán)色部分為含噪信號(hào)綠色部分為去噪后的信號(hào)。

圖5 雨天環(huán)境降噪前后波形對(duì)比圖

圖6是諾基亞N73手機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)旁錄制的含噪錄音信號(hào)與譜減法降噪后的語(yǔ)音信號(hào)的波形對(duì)比圖，其中藍(lán)色部分為含噪語(yǔ)音信號(hào)，綠色部分為去噪后的信號(hào)。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境降噪前后波形對(duì)比圖

從圖5和圖6的時(shí)域波形圖可以看出，噪聲穩(wěn)定段的噪聲得到了良好的控制，信噪比大幅度提升。但是，在聽覺上也會(huì)發(fā)現(xiàn)，某些發(fā)音音量較小的語(yǔ)音信號(hào)部分也受到了影響，甚至被消除或者變聲，總體來(lái)說(shuō)，譜減法應(yīng)用于加性噪聲的語(yǔ)音，具有良好的去噪效果。

4 結(jié)論

根據(jù)語(yǔ)音譜減法降噪的方法，分別對(duì)不同加性噪聲環(huán)境的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行降噪，該方法操作方便，能夠?yàn)楣膊块T快速偵查破案提供幫助，也能為語(yǔ)音鑒定類案件進(jìn)行語(yǔ)音證據(jù)的前期處理，降低背景噪聲，提高信噪比，降低噪聲對(duì)鑒定的干擾。但是還存在如何更好地改善降噪量的大小與語(yǔ)音可懂度之間的矛盾，這也是下一步工作的研究方向。

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