谱减法降噪技术研究

基本概念
MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、 通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及 计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的 专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环境，以解决 这些应用领域内特定类型的问题。
语音和噪声
• 语音特点 语音信号是一种非平稳的随机信号，但在短时内可看作 平稳随机信号。这是因为人类发声过程的变化速度有一定的 限度，一般在较短的时间内(10～30ms)人的声带与声道的 形状有相对的稳定性，可认为语音是物理特性与频谱特性近 似不变的。语音的短时特性是语音信号分析和处理的基础， 利用这一特性就可以应用平稳随机过程来分析和处理语音信 号。 语音信号的最重要的特征表现在它的“短时频谱”(简称 为“短时谱”)上。如果从语音流中使用加窗的方法取出其中 的一个短段，再对其进行傅立叶变换，就可以得到该段语音 的短时谱。
谱减法
增强后的语音中含有明显的“音乐噪声”，这是由频谱 相减而产生的一种残留噪声，具有一定的节奏起伏感，故而 得名“音乐噪声”。“音乐噪声”产生的原因是因为在谱相 减法过程中，是以无声期间统计平均的噪声方差代替当前分 析帧的噪声频谱分量。而噪声频谱具有高斯分布，即其幅度 随变化范围很宽，因此相减时，若该帧某频率点噪声分量较 大，就会有很大一部分保留，在频谱上呈现随机出现的尖峰， 在听觉上形成有节奏性起伏的类似音乐的残留噪声。
语音和噪声
• 人耳的感知特性 因为语音增强效果的最终度量是人的主观感受，所以语 音增强过程除了考虑到信号客观质量的改善之外还要考虑到 人的主观感受。语音感知问题涉及到生理学、心理学、声学 和语音学等诸多领域，目前已有一些有影响的结论可以应用 在语音增强中。
Fra Baidu bibliotek减法
• 谱减法的概述 谱相减方法是基于人的感觉特性，即语音信号的短时幅 度比短时相位更容易对人的听觉系统产生影响，从而对语音 短时幅度谱进行估计，适用于受加性噪声污染的语音。 七十年代后半期提出了不少语音增强的处理算法，其中 谱减法(Spectral Subtraction)因为其简单和有效而倍受关 注，当时的实验比较证明它是那时诸多方法中最有效的语音 增强算法。 谱减法由美国Utah大学的StevenF.Boll提出。Boll的研 究起源是为了改进噪声中的线性预测(LP-LinearPrediction) 分析，随后发展成估计噪声频谱并进行扣除的经典频谱减法。 其它研究人员提出了谱减方法的一些变形方式，最重要的改 进是由Berouti等人提出的。
基本概念
• MATLAB目前已经成为国际上最流行的科学与工程计 算软件工具，现在的MATLAB已经不仅仅是一个“矩阵实 验室”了，它已经成为一种具有广泛应用前景的全新的计 算机高级编程语言，有人称它为“第四代”计算机语言， 它在国内外高校和研究部门中正扮演着重要的角色。 MATLAB语言的功能也越来越强大，不断适应新的要求提 出新的解决方法。可以预见，在科学计算、自动控制与科 学绘图领域，MATLAB语言将长期保持其独一无二的地位 。
含噪信号1窄带语图
信号1去噪后窄带语图
分析实验
三星I9300手机在较强的机械噪声中的含噪录音信号与谱 减法降噪后的语音信号的宽带语图，对比两个图也可以看出 ，谱减法去噪后，语音的声纹清晰度得到提高。
含噪信号1窄带语图
信号1去噪后窄带语图
分析实验
• 雨声噪声 iphone4s手机在雨天中的含噪录音信号的波音图，从此 波形图可以看出噪声比较嘈杂，语音信号细节丢失，语音的 清晰度及可懂度受到限制。
iphone4s含噪录音信号2
分析实验
iphone4s手机在雨天中的含噪录音信号经过MATLAB的 谱减法程序降噪后的语音波形图，从此波形图可以看出录音 中的噪声大部分被去除，语音信号的清晰度及可懂度都得到 很大的提高。
谱减法降噪后的iphone4s含噪录音信号2
分析实验
iphone4s手机在雨天中的含噪录音信号与谱减法降噪后 的语音信号的波形对比图，其中蓝色部分为含噪信号绿色部 分为去噪后的信号。
谱减法降噪后的三星I9300含噪录音信号1
分析实验
三星I9300手机在较强的机械噪声中的含噪录音信号与谱 减法降噪后的语音信号的波形对比图，其中蓝色部分为含噪 信号绿色部分为去噪后的信号。
谱减法降噪后的三星I9300含噪录音信号1
分析实验
三星I9300手机在较强的机械噪声中的含噪录音信号与谱 减法降噪后的语音信号的窄带语图，对比两个图可以看出， 谱减法去噪后，语音的声纹清晰度得到提高。
基本概念
• 语音增强是解决噪声污染的一种有效方法，它的一个 主要目标是从带噪语音信号中提取尽可能纯净的原始语音。 • 语音增强的目的主要有两个：一是改进语音质量，消 除背景噪声，使听者乐于接受，不感觉疲劳，这是一种主 观度量；二是提高语音可懂度，这是一种客观度量。 • 噪声来源众多，随应用场合而异，它们的特性也各不 相同，因此针对不同的噪声，我们将采取不同的语音增强 对策。语音增强中的谱减法是处理宽带噪声的最通用技术， 即从带噪语音估值中减去噪声频谱估值，而得到纯净语音 的频谱。
谱减法降噪 技术研究
基本概念
论文摘要
语音和噪声
语音特点 噪声特点 人耳感知
引言部分
MATLAB
谱减法
谱减法概述 谱减法思想 谱减法优缺点
分析实验
三种噪声 实际案例 分析结论
基本概念
• 论文摘要 • 语音在传输过程中不可避免地要受到来自周围环境和 传输媒介引入的噪声、通讯设备内部噪声、乃至其它讲话 者语音的干扰。使用未经处理的语音对具有个体特征的语 音数据进行分析时会产生干扰和困难，这就要求我们有更 高的科学技术和方法，本文使用matlab程序对语音中含 有不同类型噪声的语音数据段进行分析，然后通过谱减法 对其进行语音降噪，便能到更清晰的语音，提高语音的可 懂度。通过这种语音的处理方法，达到提高语音鉴定精度 的目的。
基本概念
• 引言部分 • 我国自1982年10月1日起试行的《 中华人民共和国民 事诉讼法(试行)》第五十五条规定：“证据有下列几种： (一)书证; (二)物证; (三)视听资料;(四)证人证言; (五)当事人 的陈述;(六)鉴定结论;(七)勘验笔录。以上证据必须经过查证 属实，才能作为认定事实的根据。第一次将视听资料作为独 立的诉讼证据予以规定。 • 我国在1996年3月17日在修改刑事诉讼法时增加了视 听资料这一证据种类，从而视听资料在我国三大诉讼证据体 系中的地位得到全面确立，都把视听资料规定为独立证据， 进而完善了我国证据制度。
含噪信号2宽带语图
信号2去噪后宽带语图
分析实验
• 发动机噪声 黑莓手机在发动机旁的含噪录音信号的波音图，从此波 形图可以看出噪声比较嘈杂，语音信号细节丢失，语音的清 晰度及可懂度受到限制
黑莓含噪录音信号3
分析实验
黑莓手机在发动机旁的含噪录音信号经过MATLAB的谱 减法程序降噪后的语音波形图，从此波形图可以看出录音中 的噪声大部分被去除，语音信号的清晰度及可懂度都得到很 大的提高。
分析实验
• 机器噪声 三星I9300手机在较强的机械噪声中的含噪录音信号的波 音图，从此波形图可以看出噪声非常嘈杂，语音信号完全淹 没在噪声信号中，语音的可懂度受到限制。
三星I9300含噪录音信号1
分析实验
三星I9300手机在较强的机械噪声中的含噪录音信号经过 MATLAB的谱减法程序降噪后的语音波形图，从此波形图可 以看出录音中的噪声大部分被去除，语音信号的清晰度及可 懂度都得到很大的提高。
分析实验
• 实验材料的选取 实验分别采用以下手机作为实验的录音工具： 三星I9300 iphone4s 黑莓 比对实验分析方法和步骤 实验用三星I9300、iphone4s、黑莓3种手机在3种不 同的噪声环境下录制含噪语音信号，然后通过MATLAB分别 对这3种含噪语音进行谱减法降噪，绘制出去噪前后含噪语 音信号的波形图及语图,并对这些波形图和语图进行对比。
iphone4s含噪录音信号2和滤波后语音对比图
分析实验
iphone4s手机在雨天中的含噪录音信号与谱减法降噪后 的语音信号的窄带语图，对比两个图可以看出，谱减法去噪 后，语音的声纹清晰度得到提高。
含噪信号2窄带语图
信号2去噪后窄带语图
分析实验
iphone4s手机在雨天中的含噪录音信号与谱减法降噪后 的语音信号的宽带语图，对比两个图也可以看出，谱减法去 噪后，语音的声纹清晰度得到提高。
谱减法
• 谱减法的基本思想 谱相减法的原理框图所示:
谱相减法的原理框图 由于人耳对语音频谱分量的相位不敏感，因而这种方法主要 针对短时幅度谱。
谱减法
• 谱减法的优缺点 谱相减法的优点是：总体上运算量较小，容易实时实现， 增强效果也较好，是目前最常用的一种方法。 它的缺点是:谱相减法利用在无声期间统计得到的噪声方 差来代替当前帧的噪声频谱时，若该帧某频点上的噪声分量 较大，则相减后会有较大的噪声残留，频谱上有相应的随机 尖峰出现。增强后的语音会夹杂着有节奏的音乐残留噪声。
基本概念
• MATLAB • MATLAB 是美国MathWorks公司出品的商业数学软 件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算 的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和 Simulink两大部分。 • MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简 称，和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在 数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。 MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、 创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于 工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号 检测、金融建模设计与分析等领域。
谱减法
• 谱减法的基本思想 对带噪语音运用谱减法的就是从输入信号的幅度谱中减 去估计得来的噪声平均幅度谱。其效果相当于在变换域对带 噪信号进行了某种均衡化处理。相对于其它方法，谱相减法 引入的约束条件最少，物理意义最直接，运算量小，而且经 过改进后效果也较好。 处理宽带噪声的最常用的技术是谱相减法，即从带噪语 音估值中减去噪声频谱估值，而得到纯净语音的频谱。谱相 减法是一种经典的噪声控制方法，它主要应用于从语音信号 中消除谱特性变化缓慢的加性噪声。
语音和噪声
(2)冲激噪声 冲激噪声表现为时域波形中突然出现的窄脉冲，它通常 是放电的结果。消除这种噪声可根据带噪语音信号幅度的平 均值确定阈值，当信号幅度超过这一阈值时判为冲激噪声， 然后进行消除。 (3)宽带噪声 宽带噪声的来源很多，如热噪声、气流(如风、呼吸)噪 声及各种随机噪声源等，量化噪声也可视为宽带噪声。由于 宽带噪声与语音信号在时域和频域上完全重叠，因而消除它 最为困难，这种噪声只有在语音间歇期才单独存在。对于平 稳的宽带噪声，通常认为是白色高斯噪声；不具有白色频谱 的噪声，可以先进行白化处理。对于非平稳的宽带噪声，情 况就更为复杂一些。
基本概念
• 语音在传输过程中不可避免地要受到来自周围环境和 传输媒介引入的噪声、通讯设备内部噪声、乃至其它讲话 者语音的干扰。例如：车站、商场、娱乐场所的公用电话 、车载电话、机载电话等都要受到强噪声的干扰。在远距 离通讯中传送的语音信号要受到信道噪声和通讯设备自身 噪声的干扰。在这些情况下则需要对带噪语音进行语音增 强处理，以消除背景噪声，提高语音质量。另外在语音识 别系统、语音编码系统中，由于这些系统在设计时一般针 对的是纯净语音，当这些系统对带噪进行处理的时候将导 致系统性能的急剧恶化，甚至不能正常工作，这时也需要 对带噪语音进行语音增强处理。
语音和噪声
• 噪声特点 噪声来源于实际的应用环境，因而其特性变化无穷，噪 声可以是加性的，也可以是非加性的。考虑到加性噪声更普 遍且易于分析问题，并且对于部分非加性噪声，如乘积性噪 声或卷积性噪声，可以通过同态变换而成为加性噪声，这里 我们仅讨论加性噪声。 加性噪声大致可分为周期性噪声、冲激噪声和宽带噪声： (1)周期性噪声 周期性噪声的特点是有许多离散的窄谱峰，它往往来源于发 动机等周期运转的机械，如50或60Hz交流声会引起周期性 噪声。周期性噪声引起的问题可以通过功率谱发现，并通过 滤波或变换技术将其去掉。