周曉武

（寶雞文理學(xué)院 外語(yǔ)系，陜西 寶雞721000）

嵌入式實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

周曉武

（寶雞文理學(xué)院 外語(yǔ)系，陜西 寶雞721000）

針對(duì)本次英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之中，應(yīng)用嵌入式技術(shù)，可以應(yīng)用嵌入式DSP語(yǔ)音芯片，以連續(xù)隱含馬爾可夫模型為基本識(shí)別框架，優(yōu)化設(shè)計(jì)英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)。結(jié)果證實(shí)，設(shè)計(jì)出基于嵌入式的實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，可以在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)時(shí)識(shí)別出不同的英語(yǔ)語(yǔ)音，而且也能夠提升系統(tǒng)在應(yīng)用中對(duì)于英語(yǔ)語(yǔ)音的識(shí)別率，提升29.0%，對(duì)于英語(yǔ)語(yǔ)音的識(shí)別速度也快，發(fā)揮積極應(yīng)用效益。研究結(jié)論表明，設(shè)計(jì)嵌入式的實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，具有可行性，不僅可以提升系統(tǒng)識(shí)別英語(yǔ)語(yǔ)音的速度，也發(fā)揮積極的應(yīng)用效益，可以在實(shí)踐中推廣該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

語(yǔ)音識(shí)別；實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)；嵌入式設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)語(yǔ)音系統(tǒng)

speech system

針對(duì)本次研究中，分析研究關(guān)于實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題，還能夠基于嵌入式現(xiàn)代信息技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)的英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，以便利用嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)語(yǔ)音識(shí)別算法程序，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，發(fā)揮積極影響。以下本篇對(duì)此做具體分析。

1 嵌入式技術(shù)

對(duì)于我國(guó)當(dāng)前信息化技術(shù)發(fā)展前提下，嵌入式技術(shù)也不斷被推廣應(yīng)用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、教育信息化等多種領(lǐng)域。實(shí)際中，嵌入式技術(shù)，就是將設(shè)備控制程序?qū)戇M(jìn)芯片中，將芯片嵌入到設(shè)備中，從而通過(guò)該嵌入式芯片控制設(shè)備完成相應(yīng)操作的技術(shù)。并且嵌入式技術(shù)在語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，也具備一定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，將嵌入式技術(shù)應(yīng)用到語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)中，在識(shí)別特定人的語(yǔ)音方面，可以使系統(tǒng)的識(shí)別精度提升到98%以上[1]。其次，在實(shí)際應(yīng)用中，嵌入式技術(shù)還具備可靠性高、體積小以及耗電低的優(yōu)勢(shì)，可以節(jié)約語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本，發(fā)揮積極應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。而且在設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)中，應(yīng)用嵌入式技術(shù)，可以在用戶講話后，實(shí)時(shí)傳輸處理語(yǔ)音信號(hào)，提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能[2-6]。在實(shí)際中，應(yīng)用嵌入式技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)施英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，發(fā)揮積極應(yīng)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

設(shè)計(jì)嵌入式實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，能夠應(yīng)用嵌入式芯片，簡(jiǎn)化系統(tǒng)體積，也可以獲得更為簡(jiǎn)化的人際交互模式，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能[7]。對(duì)于實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，還應(yīng)該確保該系統(tǒng)具備很好的人機(jī)交互平臺(tái)，確保系統(tǒng)用戶可以個(gè)性化應(yīng)用該系統(tǒng)，消除人機(jī)交互過(guò)程中的語(yǔ)言障礙[8-13]。目前英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)中，語(yǔ)言識(shí)別準(zhǔn)確性不會(huì)達(dá)到百分百[14]；英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別受特定人、口音以及方言的影響，會(huì)降低英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的精度；對(duì)此，可以應(yīng)用嵌入式技術(shù)，在系統(tǒng)中應(yīng)用嵌入式語(yǔ)音識(shí)別算法，確保系統(tǒng)可以快速實(shí)時(shí)識(shí)別英語(yǔ)語(yǔ)音，提高系統(tǒng)識(shí)別英語(yǔ)語(yǔ)音的識(shí)別率與識(shí)別速度[15]。同時(shí)，對(duì)于本文設(shè)計(jì)嵌入式的實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)中，也應(yīng)該確保系統(tǒng)具備很好的工作穩(wěn)定性好，提升英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別率，提升系統(tǒng)在工作中的抗噪聲能力，確保設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)滿足實(shí)際用戶應(yīng)用需求。

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)嵌入式實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于本次設(shè)計(jì)的嵌入式技術(shù)支持下的實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)之中，對(duì)于系統(tǒng)中，主要可以由“嵌入式的中央處理器、只讀存儲(chǔ)器、外圍控制電路、可讀寫存儲(chǔ)器以及外圍設(shè)備”等組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

并且，對(duì)于本次設(shè)計(jì)的嵌入式實(shí)時(shí)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，應(yīng)該盡量降低系統(tǒng)體積，提升系統(tǒng)語(yǔ)音識(shí)別正確率。由相應(yīng)的語(yǔ)音解碼芯片轉(zhuǎn)換語(yǔ)音信號(hào)，通過(guò)S3C2440的計(jì)算和處理，轉(zhuǎn)換成控制指令（可以由數(shù)碼管或二極管對(duì)輸出進(jìn)行檢測(cè)），最好可以在控制處設(shè)立顯示界面以便于操作者進(jìn)行監(jiān)控。

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

具備語(yǔ)音訓(xùn)練的功能：對(duì)于本次設(shè)計(jì)的嵌入式實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，確保可以根據(jù)用戶輸入的英語(yǔ)語(yǔ)音，經(jīng)過(guò)嵌入式算法對(duì)用戶的語(yǔ)音機(jī)械能若干次的訓(xùn)練，并可以預(yù)處理語(yǔ)音，提取出在該英語(yǔ)語(yǔ)音中的特征參數(shù)，從而可以根據(jù)特征矢量參數(shù)進(jìn)程特征建模，建立系統(tǒng)中基于英語(yǔ)語(yǔ)音訓(xùn)練的參考模型，以便能夠提升系統(tǒng)對(duì)于用戶語(yǔ)音的識(shí)別精度。

語(yǔ)音識(shí)別的功能：系統(tǒng)可以將輸入的語(yǔ)音，根據(jù)語(yǔ)音的特征矢量參數(shù)，與系統(tǒng)中的參考模型庫(kù)進(jìn)行相似性度方面的比較，之后可以將相似性高的特征矢量，當(dāng)作英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別的結(jié)果在系統(tǒng)中輸出。

3.3 嵌入式語(yǔ)音識(shí)別算法

基于HMM（隱馬爾科夫）模型，使用馬爾科夫鏈來(lái)模擬信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性變化，可以由三元的參數(shù)函數(shù)進(jìn)行表示，其之間關(guān)系如下。

HMM（隱馬爾科夫）模型中，簡(jiǎn)化該模型參數(shù)后可以得到：

N：表示模型之中的Markov鏈。其狀態(tài)的集合表示為S={s1，s2，…，sN}。

初始狀態(tài)的概率分布矢量。 π=（π1，π2，…，πN），其中

初始狀態(tài)分布滿足如下條件：

對(duì)于HMM中，Markov鏈可以由π，A進(jìn)行描述，能夠產(chǎn)生狀態(tài)序列。

在本次設(shè)計(jì)的嵌入式實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)中，在系統(tǒng)中嵌入HMM算法芯片，可以對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行預(yù)加重以及分幀、FFT變換等處理，提出實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音信號(hào)，以確保系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)識(shí)別出英語(yǔ)語(yǔ)音。

3.4 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

對(duì)于本次設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)中，其硬件設(shè)計(jì)部分，主要包括主控核心部分以及語(yǔ)音識(shí)別部分。在識(shí)別實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音方面，嵌入式的微處理器芯片，應(yīng)用ST公司生產(chǎn)的STM32F103C8T6芯片作為主控制器；對(duì)于STM32芯片中，不僅有內(nèi)置64 KB高速存儲(chǔ)器，還有增強(qiáng)I／O端口，滿足本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。語(yǔ)音識(shí)別部分，是應(yīng)用ICRoute公司生產(chǎn)的LD33 20芯片，在該芯片中，集成優(yōu)化的語(yǔ)音識(shí)別算法，該英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別算法，實(shí)時(shí)識(shí)別語(yǔ)音的準(zhǔn)確率高。

3.5 系統(tǒng)軟件代碼實(shí)現(xiàn)

針對(duì)嵌入式的實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)用C語(yǔ)言進(jìn)行代碼編程。部分代碼實(shí)現(xiàn)如下：

4 分析系統(tǒng)的應(yīng)用效益

對(duì)于本次設(shè)計(jì)的嵌入式實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，在實(shí)際中為保證應(yīng)用該系統(tǒng)能夠正確識(shí)別出英語(yǔ)語(yǔ)音，因此針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，基于系統(tǒng)的語(yǔ)音識(shí)別率進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)嵌入式實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)做了相應(yīng)的測(cè)試。設(shè)置的測(cè)試環(huán)境分別是安靜的環(huán)境，以及嘈雜環(huán)境，然后可以應(yīng)用5條英語(yǔ)語(yǔ)音方面的指令，針對(duì)傳統(tǒng)的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)以及本次設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試；對(duì)于每條語(yǔ)音指令，可以針對(duì)系統(tǒng)分別測(cè)試10次，并且可以在每個(gè)不同環(huán)境下，對(duì)特定人進(jìn)行試驗(yàn)，總的試驗(yàn)次數(shù)是50次，然后可以記錄系統(tǒng)成功識(shí)別英語(yǔ)語(yǔ)音的次數(shù)。語(yǔ)音信號(hào)的采樣頻率設(shè)為12 500 Hz，16 bit量化，加入的噪聲控制系統(tǒng)在進(jìn)行英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別過(guò)程中的信噪比，可以從-5～20 dB信噪比范圍內(nèi)，根據(jù)5 dB遞增產(chǎn)生不同的信噪比，并可以基于MVDR波束，采樣分析英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別率。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試中兩個(gè)特定環(huán)境中，綜合分析其識(shí)別率，設(shè)計(jì)的嵌入式實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，其識(shí)別實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音的正確識(shí)別率能夠達(dá)到89%，而對(duì)于傳統(tǒng)的聲音識(shí)別系統(tǒng)，其對(duì)于英語(yǔ)語(yǔ)音的識(shí)別率為60%，兩種系統(tǒng)相互對(duì)比，可知本次設(shè)計(jì)的嵌入式實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，其實(shí)際的識(shí)別率可以提升29.0%。因而，對(duì)于當(dāng)前時(shí)代下，設(shè)計(jì)出嵌入式的實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，不僅能夠運(yùn)用該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的識(shí)別英語(yǔ)語(yǔ)音，而且也能夠提升系統(tǒng)在應(yīng)用中對(duì)于英語(yǔ)語(yǔ)音的識(shí)別率，提升29.0%，對(duì)于英語(yǔ)語(yǔ)音的識(shí)別速度也快，發(fā)揮積極應(yīng)用效益。設(shè)計(jì)嵌入式實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，不僅提升系統(tǒng)中語(yǔ)音識(shí)別算法的實(shí)時(shí)性，也可以在保證識(shí)別率的前提下，提升對(duì)于實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音的識(shí)別速度，即能夠語(yǔ)音發(fā)出后，應(yīng)在最短的時(shí)間內(nèi)識(shí)別出來(lái)，用來(lái)發(fā)出準(zhǔn)確控制命令，提升系統(tǒng)應(yīng)用效益，發(fā)揮積極影響。

5 結(jié) 論

綜上所述，設(shè)計(jì)嵌入式的實(shí)時(shí)英語(yǔ)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，具有可行性，能夠在最短的時(shí)間內(nèi)識(shí)別出來(lái)英語(yǔ)語(yǔ)音，可以根據(jù)英語(yǔ)語(yǔ)音做出系統(tǒng)控制命令。不僅可以提升系統(tǒng)識(shí)別英語(yǔ)語(yǔ)音的速度，也發(fā)揮積極的應(yīng)用效益，可以在實(shí)踐中推廣該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

[1]屈慶琳.嵌入式語(yǔ)音翻譯系統(tǒng)的研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2012.

[2]劉萬(wàn)鳳，胡軍，袁偉偉，等.陸空通話標(biāo)準(zhǔn)用語(yǔ)（英語(yǔ)）的語(yǔ)音指令識(shí)別技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2013，40（7）:131-137.

[3]杜衛(wèi)衛(wèi).英語(yǔ)翻譯器語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J].電子測(cè)試，2015（4）:103-105.

[4]王朔.基于Android平臺(tái)的智能英語(yǔ)發(fā)音訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京郵電大學(xué)，2013.

[5]劉江華.“語(yǔ)音識(shí)別”在中職英語(yǔ)口語(yǔ)教學(xué)中的應(yīng)用[J].江蘇教育（職業(yè)教育版），2013（10）:48-50.

[6]崔金鐘，周遠(yuǎn)彬，陳雷霆，等.基于DHMM的嵌入式語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（6）:930-934.

[7]申小虎，萬(wàn)榮春，張新野，等.一種改進(jìn)動(dòng)態(tài)特征參數(shù)的話者語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2015，32（4）:154-158.

[8]路娜.孤立詞語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) [D].濟(jì)寧：曲阜師范大學(xué)，2014.

[9]于樹(shù)本.基于MFCC的說(shuō)話人語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的研究[J].黑龍江科技信息，2015（27）:69-70.

[10]嚴(yán)家明，李永恒.EMD-SDC方法在機(jī)載連接詞語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2012，48（8）:137-140.

[11]高忠生，高紅琴.計(jì)算機(jī)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)[J].信息記錄材料，2013，14（3）:50-53.

[12]倪曼蒂，李彪，鄒麗萍，等.基于空間增強(qiáng)和譜減法的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)[J].湖南師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，37（3）:63-68.

[13]王赫楠，燕燕，王甜宇，等.DTW算法在嵌入式語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 [J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2014，11（8）:71.

[14]馬寧，陳曉冬，李亞楠，等.內(nèi)窺鏡自動(dòng)定位語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2014（8）:207-210.

[15]韓放.基于Android的英語(yǔ)學(xué)習(xí)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.

The design and research of embedded real time English speech recognition system

ZHOU Xiao-wu
（Department of Foreign Languages，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721000，China）

For the English speech recognition system design，the application of embedded technology，embedded application voice DSP chip，the continuous hidden Markov model as the basic recognition framework for optimal design of English speech recognition system.The results confirm that the design based on embedded real-time English speech recognition system，in the practical application of real-time identification of the different English pronunciation，but also can enhance system in the application for the English speech recognition rate，improve 29.0%，for English speech recognition speed is also fast，play positive effect in application.Research results show that the design of embedded real-time English speech recognition system is feasible，not only can lifting system English speech recognition rate，also play positive benefits for the application and can be popularized in practice the system design method.

speech recognition；real time English speech recognition system；embedded design；design

TN99

：A

：1674-6236（2017）08-0187-04

2016-04-12稿件編號(hào)：201604113

2015年寶雞文理學(xué)院校級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目（ZK15068）

周曉武（1980—），女，陜西安康人，碩士，講師。研究方向：美國(guó)文學(xué)及教學(xué)法。