王子瑋 吳義青 王文斌
摘 要:本文主要研究了基于小波變換去噪的理論和方法,首先概述了小波語音去噪在當(dāng)前的應(yīng)用與發(fā)展,其次簡述了幾種常用的小波變換去噪的原理和方法;對小波閾值去噪進(jìn)行了重點的討論,提出一種改進(jìn)的閾值函數(shù)進(jìn)行去噪,通過實驗數(shù)據(jù)比較分析,列出實驗結(jié)果,總結(jié)優(yōu)缺點。
關(guān)鍵詞:語音去噪;小波變換;閾值去噪
引言
語音在人們?nèi)粘I钪凶鳛橐环N傳遞信息的手段占有很重要的地位。在實際生活中,語音不可避免地會受到外界各式的噪聲干擾,會對語音設(shè)備的功能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因此,對被干擾的語音信號進(jìn)行去噪處理,改善語音質(zhì)量,去除和降低含噪語音信號中的噪聲分量顯得十分必要。語音去噪的作用就是增加語音的清晰度,降低含噪語音信號中的噪聲。
一、小波語音去噪的應(yīng)用與發(fā)展
小波變換是一種可以在時域和頻域內(nèi)進(jìn)行局部分析的方法。小波變換具有良好的時頻局部化特性,同時擁有一個隨著頻率改變而改變的時間頻率窗口。小波分析方法是一種窗口大小 (即窗口面積) 固定、但窗口的形狀可變、時間窗和頻率窗都可改變的時頻局部化分析方法。在目前小波分析是信號信息采集與處理領(lǐng)域的一項高新技術(shù),在國際上得到了廣泛的認(rèn)可。
二、基于小波變換的語音去噪的原理及方法
(一)模極大值去噪
信號的奇異點就是指信號中的突變點, 往往包含了信號的重要特征信息。數(shù)學(xué)上用Lipshchitz指數(shù) (簡稱Lip指數(shù)) 描述函數(shù)在某點的奇異性大小。
設(shè)有正整數(shù)n, n<α≤n+1, 如果存在常數(shù)A>0和k>0及n次多項式pn(x):
小波變換模極大值定義為:若對屬于x0的某一鄰域內(nèi)的任意點, 有|Wf (s0, x) |≤|Wf (s0, x0) |, 則稱x0為小波變換在尺度s下的局部模極大值點, 尺度空間所有極大值點的連線稱為模極大值線。小波變換模極大值與Lip函數(shù)之間關(guān)系如下:
因此, 可根據(jù)上面的理論, 采用合適的算法, 從信號的所有小波變換極大值去除噪聲的模極大值, 將剩下的模極大值用來重構(gòu)信號, 可以達(dá)到去噪的目的。
(二)相關(guān)性去噪
噪聲部分的小波變換系數(shù)所含的相關(guān)性很差,所以為了增強(qiáng)語音中有用的信息,可把相鄰尺度的小波系數(shù)做乘積運算,以此減少信號中的噪聲。該方法需要估計噪聲方差,計算量較大,但其在分析信號的邊緣方面有優(yōu)勢。
三、小波閾值去噪
根據(jù)語音和噪聲在各尺度上的小波變換后,它們的小波系數(shù)呈現(xiàn)不同特性。計算出一個預(yù)定的閾值,一般噪聲的小波系數(shù)都小于該閾值,因此可以把噪聲的小波系數(shù)全置零。
(一)硬閾值法
硬閾值法在閾值點不連續(xù),會使信號產(chǎn)生附加振蕩,使其不具有原始信號的平滑性。
(二)軟閾值法
軟閾值法去噪可使去噪信號是原始信號的近似最優(yōu)估計且估計信號至少和原始信號同樣光滑且不會產(chǎn)生附加振蕩。但是它的缺點是過度光滑,容易使信號失真。
(三)改進(jìn)的閾值函數(shù)
對閾值函數(shù)的改進(jìn)算法:
該函數(shù)是對軟閾值和硬閾值函數(shù)的改進(jìn),軟閾值函數(shù)估算的結(jié)果其絕對值總比小波系數(shù)小λ,因為Wj, k是由信號小波系數(shù)和噪聲小波系數(shù)組成的,加上α因子后,可在0和1內(nèi)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整α的值來得到更好的去噪效果。我們在實驗中取α=0.45。該算法改善了軟閾值法過度光滑易使信號失真和硬閾值法不連續(xù)的缺點。
四、實例及結(jié)果
本實驗中截取一段音樂作為原始信號如圖1,通過Matlab編程產(chǎn)生正態(tài)隨機(jī)噪聲,含噪信號如圖2,選用小波基sym8小波,對含噪信號進(jìn)行3層分解,將信號高頻部分置0,進(jìn)行強(qiáng)制消噪,然后重構(gòu)此信號如圖3所示。用ddencmp函數(shù)得到信號的默認(rèn)閾值,用默認(rèn)閾值進(jìn)行消噪,然后用waverec重構(gòu)該信號,如圖4所示。用改進(jìn)函數(shù)計算出高頻部分的軟閾值,然后通過軟閾值進(jìn)行消噪,最后用waverec重構(gòu)此信號,如圖5所示。
五、結(jié)束語
小波分析屬于時頻分析的一種類型,它是從傅里葉變換分析中演變過來的,本身比傅里葉分析優(yōu)秀。小波閾值去噪法由于其在計算上的簡單而被普遍地運用。它在分析和解決實際問題的快速算法帶來巨大方便,在聲音、圖像、圖形、通訊、地震、生物醫(yī)學(xué)、機(jī)械振動、電腦和其他領(lǐng)域的應(yīng)用都非常的出色。本文的工作是研究基于小波變換的圖像去燥方法。總結(jié)全文,主要完成了以下幾個方面的工作。
1)對Matlab有關(guān)小波變換部分的功能進(jìn)行了深入的學(xué)習(xí),對小波變換進(jìn)行了系統(tǒng)性的學(xué)習(xí),掌握了部分小波變換的理論知識,對所學(xué)到的知識進(jìn)行了總結(jié)與應(yīng)用,深入學(xué)習(xí)了小波變換在語音去噪領(lǐng)域中的應(yīng)用。
2)通過查閱和學(xué)習(xí)資料總結(jié)了部分去噪的方法,通過Matlab對改進(jìn)的閾值去噪法進(jìn)行實驗得到了不錯的效果。
以下是還需要進(jìn)一步探討的問題:在實際生活中語音環(huán)境復(fù)雜多變,本文只對加性噪聲進(jìn)行了研究討論,該方法是否能適應(yīng)各種環(huán)境還需要進(jìn)一步討論。對清音和濁音的不同特性的去噪效果還需進(jìn)一步探究。
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項目信息:本文系揚州大學(xué)2019年大學(xué)生科創(chuàng)基金項目,項目編號X20190392