语音端点检测的概念和意义（语音处理/语音识别基础（六）- 语音的端点检测（EPD/VAD)）

端点检测（End-point Detection    
    
    
，简称 EPD）的目标


     


     


 ，是要找到音频信号（音讯）的开始和结束的位置
 




 




 ，所以又可以称为 Speech Detection 或是 VAD (Voice Activity Detection)    
    
 。端点检测在语音处理与识别中   

   

   

，扮演重要的角色 

     

     

，可以基于时域

  




  




  ，或者基于频域来做 EPD     


     


     。

本文尝试解答如下问题：

1).为什么使用基于频域的方法来做音频的分析？

2).什么是语谱图  


  


  

，语谱图有什么作用？

3).语谱图中  
     
     
，如何区分出来清音    
    
 、噪音和浊音？

4).如何衡量数据的多样性？

5).音频帧的熵值如何计算？

读完此文以及前面的系列文章


   




   




  ，你应当可以解答这些问题




 




 




。

常见的端点检测方法与相关的特征参数 



 



 

，可以分成两大类：

时域（Time Domain）的方法：

计算量比较小             ，因此比较容易移植到计算能力较差的计算机平台
   

   

。

1).音量

：只使用音量来进行端点侦测



    




    




  ，是最简单的方法











，但是会对气音造成误判     

     

     。不同的音量计算方式也会造成端点侦测结果的不同              ，至于是哪一种计算方式比较好



     



     



  ，并无定论










，需要靠大量的资料来测试得知 




  




  



。

2).音量和过零率：以音量为主    
    
    
，过零率为辅


     


     


 ，可以对气音进行较精密的检测

  


  


。

频域（Frequency Domain）的方法：

计算量比较大
 




 




 ，因此比较难移植到计算能力较差的计算机平台     
     
    。

频谱的 Variance(spectral variances)

：浊音的频谱变化较规律   

   

   

，Variance 较低 

     

     

，可作为判断端点的基准  




   




   


。

频谱的Entropy：浊音的规则的频谱幅度会产生低的熵值

  




  




  ，因此我们可以使用使用 Entropy 来做为 EPD 检测的一个条件


 



 



。

简单地说  


  


  

，若只是对声音波形做一些较简单的运算  
     
     
，就是属于时域的方法             。另一方面


   




   




  ，凡是要用到傅立叶转换（Fourier Transform）来产生声音的频谱 



 



 

，就是属于频谱的方法   




    




    

。这种分法常被用来对音讯处的方法进行分类             ，但有时候有一些模糊地带













。

频域的分析有效果



    




    




  ，对于声音信号











，实际上是因为人对于频域的敏感性远超时域特征的敏感度            。 可以认为人耳就是一个频谱分析仪              ，还是一台非常准确的频谱分析仪（只能说是准确



     



     



  ，不能说精确










，因为单纯人耳不能精确地量化声音信号）    



     



     
。

一     


     


     、基于时域（Time Domain） 的 EPD 检测

1）.基于音量的端点检测

第一种方法    
    
    
，是直接使用音量来进行端点侦测的方法














。

这是一种最简单的方法


     


     


 ，只要音量小于某个门槛值
 




 




 ，我们就认定是静音或是杂讯   

   

   

，至于这个门槛值如何决定 

     

     

，除了靠人的直觉外

  




  




  ，比较客观的方法  


  


  

，还是靠大量的测试资料来决定最佳值    
    
 。

在计算音量时  
     
     
，请务必记得要先经过零点校正（参考前面一篇  声音的音量


   




   




  ，过零率 



 



 

，音高的计算 中的“零调整    
    
    
”）     


     


     。否则噪音的影响非常大




 




 




。

选择一个 Vth 作为静音的音量标记             ，一帧的音量小于 Vth 认为是静音



    




    




  ，大于 Vth 是有声音的片段
   

   

。如图绿线的标记为声音的开头











，紫色线是结尾              ，图中共有 5 段声音     

     

     。

如何确定门槛值 Vth



     



     



  ， 简单的方法










， 可以使用如下三个音量中的一个作为门槛值    
    
    
，来进行端点侦测：

A.音量最大值的 0.1：此方法在音量忽大忽小时或杂讯太强时


     


     


 ，会发生错误 




  




  



。

B.音量最小值的 5 倍：此方法在杂讯太强时
 




 




 ，会发生错误

  


  


。

C.第一个音帧的音量的 4 倍：此方法假设一开始是静音   

   

   

，但若一开始就有声音 

     

     

，或是录音器材一开始有偏移

  




  




  ，此做法就很容易发生错误     
     
    。

D.也可以使用加权平均的方法来找一个合适的参数： 

volTh=(volMax-volMin)*epdPrm.volRatio+volMin;

volTh=(volMax-volMin)*epdPrm.volRatio+volMin;

where epdPrm.volRatio is 0.1, and volMin and volMax are 3% and 97% percentiles of the volumes in an utterance, respectively.

前面几种方法的具体代码略过  




   




   


。 可以参考：

http://mirlab.org/jang/books/audiosignalprocessing/example/epdByVolTh01.m

若是声音很干净  


  


  

，噪音不大  
     
     
，那么使用音量来侦测端点可得到不错的效果


 



 



。但是如果碰到下列问题


   




   




  ，这个简单的方法就行不通：

1).噪音比较强

2).清音比较多

3).同一句话的音量变化太大

此时单一音量门槛值的选取就比较不容易 



 



 

，端点侦测的正确率也会下降             。

另外             ，对一般端点侦测而言



    




    




  ，若希望求得高准确度的端点











，我们可以让音框和音框之间的重叠部分加大              ，但是相对而言



     



     



  ，计算量也会跟着变大   




    




    

。

第二种常用的方法










，则是用到了音量和过零率

简述如下：

1).以高音量门槛值（tu）为标准    
    
    
，决定端点


     


     


 ，作为初始短点（如下图 tu 与能量曲线的交点）













。

2).将端点前后延伸到低音量门槛值（tl）处（如下图 N1, N2 点）            。

3).再将端点前后延伸到过零率门槛（tzc）处
 




 




 ，以包含语音中的清音部分    



     



     
。

此方法用到三个参数（tu




 




 




、tl
   

   

、tzc）   

   

   

，若电脑计算能力够强 

     

     

，可用各种搜索法来调整这三个参数

  




  




  ，否则  


  


  

，就只有靠观察法及经验值














。  结合音量/能量（Volume/Energy）和过零率（ZCR）来做端点检测的过程图示：

图中 tl 的范围是完全包含了 tu 的范围    
    
 。为什么还需要第一步  
     
     
，因为仅仅用第2步的话


   




   




  ，噪音的部分会被计算进来 



 



 

，有噪音的时候             ，tl 的范围中



    




    




  ， 会有一部分完全在 tu 的范围之外（跟 tu 没有连接的交集）     


     


     。所以从 tl 的范围开始扩展     

     

     、延伸信号的帧长




 




 




。

端点检测是一个检测SUV 的过程
   

   

。 声音的每一帧被分为 SUV 三个类别     

     

     。

回顾一下过零率的定义： 一帧音频信号中











，采样值穿过0点的次数 




  




  



。

结合过零率找到 SUV 来做端点检测              ，基于如下的特征：

浊音 ZCR < 静音 ZCR < 清音 ZCR



     



     



  ，SUV 三种帧的过零率排序：Voiced < Silence < Unvoiced

对于清音过零率是最高的

  


  


。下面的图中可以看到










， 标注为 u 的是清音    
    
    
，过零率高


     


     


 ，同时信号幅度（能量）小
 




 




 ，Singapore Is A Fine Place 这句话中有4段清音     
     
    。

% 相关类库： http://mirlab.org/jang/books/audiosignalprocessing/example.rar % 结合过零率的端点检测 epdByVolZcr01.m waveFile=singaporeIsAFinePlace.wav; au=myAudioRead(waveFile); opt=endPointDetect(defaultOpt); opt.method=volZcr; showPlot=1; endPoint=endPointDetect(au, opt, showPlot);

代码运行得到下图（图中第二个图的2条红线   

   

   

，分别是使用 tu, tl 识别到的声音范围 

     

     

， 图3中的蓝线的起始点是用 ZCR 检测到的起始点

  




  




  ，如图 Start/End 的标记）

第3种方法：结合音量的高阶差分（High Order Difference）

使用基于音量的端点检测  


  


  

，第3种常用的方法  
     
     
，是结合音量和高阶差分（High Order Difference） 来检测


   




   




  ， 找到清音（Unvoiced Sound）的部分  




   




   


。

High Order Diffrence: 计算多次差分（diff）


 



 



。差分就是用后一个信号减去前一个信号的值             。

差分的计算方法 



 



 

， 对于 (-1 1 -1 1 -1 1 -1 1) 这一帧信号（这是一帧清音信号）来说             ，

一阶差分 diff(s)  = (2 -2 2 -2 2 -2 2) 



    




    




  ，  

二阶差分 diff(diff(s)) = (-4 4 -4 4 -4 4)

三阶差分 diff(diff(diff(s))) = (8 -8 8 -8 8)

如下图的计算过程   




    




    

。 通过 Volume + SOD 来识别清音(U)的部分











，使用高阶差分              ，计算出来清音的值很高













。这样就能跟静音区分开来            。

实现的 matlab 代码如下

% highOrderDiff01.m waveFile=singaporeIsAFinePlace.wav; au=myAudioRead(waveFile); y=au.signal; fs=au.fs; frameSize = 256; overlap = 128; y=y-mean(y); % zero-mean substraction frameMat=buffer2(y, frameSize, overlap); % frame blocking frameNum=size(frameMat, 2); % no. of frames volume=frame2volume(frameMat); sumAbsDiff1=sum(abs(diff(frameMat))); sumAbsDiff2=sum(abs(diff(diff(frameMat)))); sumAbsDiff3=sum(abs(diff(diff(diff(frameMat))))); sumAbsDiff4=sum(abs(diff(diff(diff(diff(frameMat)))))); subplot(2,1,1); time=(1:length(y))/fs; plot(time, y); ylabel(Amplitude); title(Waveform); subplot(2,1,2); frameTime=frame2sampleIndex(1:frameNum, frameSize, overlap)/fs; plot(frameTime, [volume; sumAbsDiff1; sumAbsDiff2; sumAbsDiff3; sumAbsDiff4], .-); legend(Volume, Order-1 diff, Order-2 diff, Order-3 diff, Order-4 diff); xlabel(Time (sec));

显示图如下 （图中红色的清音信号 通过 HOD 被大幅加强



     



     



  ，跟静音完全区分开来了）

在上图中










，随着我们对 frameMat 的一再差分    
    
    
，清的音量就会越来越明显


     


     


 ，因此可用来侦测清音的存在    



     



     
。

 一个可能的组合计算音量 volume 和 HOD 来做端点检测的方法如下:

1).计算音量 （VOL）和 n阶差分(HOD) 的绝对值和














。

2).在 [0, 1] 内选择一个加权因子 w 以计算新曲线 VH = w*VOL + (1-w)*HOD    
    
 。

3).找到一个比率 r 来计算 VH 的阈值 t 以确定端点     


     


     。 阈值等于 VHmin+(VHmax-VHmin)*r




 




 




。

上述方法涉及三个待确定的参数：n 




  




  



、w

  


  


、r
   

   

。 这些参数的典型值为 n = 1     
     
    、w = 0.76 和 r = 0.012     

     

     。 但是
 




 




 ，这些值因数据集而异 




  




  



。 始终建议使用目标数据集来调整这些值以获得更稳健的结果

  


  


。

使用音量和 HOD 的更完整的 EPD 检测版本是 SAP 工具箱中的 epdByVolHod.m     
     
    。

http://mirlab.org/jang/matlab/toolbox/sap.zip

epdByVolHod.m 使用音量和 HOD 来进行端点侦测   

   

   

，参考下例  




   




   


。

% epdByVolHod.m waveFile=singaporeIsAFinePlace.wav; au=myAudioRead(waveFile); opt=endPointDetect(defaultOpt); opt.method=volHod; showPlot=1; endPoint=endPointDetect(au, opt, showPlot);

检测出来的声音起点 

     

     

，终点:

当有噪音的时候

  




  




  ， HOD 也不管用了


 



 



。 噪音的 HOD 也很高  


  


  

，跟清音区分不开来             。这个时候需要用到频域的信号分析   




    




    

。

二  




   




   


、基于频域（Frequency Domain） 的 EPD 检测

为什么要使用基于频域做 EPD 检测













。 因为以下几个原因：

1.如上面的计算和验证过程  
     
     
， 使用时域的信号


   




   




  ，不能有效地处理各种情况 



 



 

，特别是噪音的场景            。

2.声音在频域里面             ，特征更加明显    



     



     
。

3.人耳实际上是一个频谱分析仪



    




    




  ，对于频域信号的感知强烈














。

有声的语音信号在频谱上会有重复的谐波结构（harmonic structures）











，因此我们也可以使用频谱的 Variance 或是 Entropy 来进行端点侦测    
    
 。此外              ，能量分布将主要偏向低频段     


     


     。 因此



     



     



  ，我们可以在 EPD 的光谱上应用简单的数学函数




 




 




。 对于能量的含义










，参考前面的分享文章
   

   

。

什么是频谱图： 以时间为横轴    
    
    
， 频率为纵轴


     


     


 ，同时用不能颜色标记能量值的语音信号图     

     

     。 如下图示例
 




 




 ，颜色中   

   

   

，红色表示高能量的部分 

     

     

，蓝色是低能量的部分 




  




  



。 

FFT 变换之后

  




  




  ，可以显示频谱图

  


  


。

对于清音  


  


  

，高频的能量高于低频的能量     
     
    。 基于这个特性可以区分出清音的部分  




   




   


。 

频谱的展示

% epdShowSpec01.m waveFile=SingaporeIsAFinePlace.wav; au=myAudioRead(waveFile); time=(1:length(au.signal))/au.fs; subplot(211); plot(time, au.signal); axis([min(time), max(time), -1, 1]); ylabel(Amplitude); title(waveFile); subplot(212); frameSize=256; overlap=frameSize/2; [S,F,T]=spectrogram(au.signal, frameSize, overlap, 4*frameSize, au.fs); magSpec=abs(S); specgram=log(magSpec); imagesc(T, F, specgram); axis xy xlabel(Time (sec)); ylabel(Freq (Hz)); audioPlayButton(au); colormap jet;

幅度图和频谱图 展示图如下   
     
     
，

图中3段清音的部分


   




   




  ， 如下图左图的标记 



 



 

， 对于清音部分高频的能量远高于低频区域的能量


 



 



。

以下是对于有背景噪音的一段音频的分析

% epdShowSpec02.m waveFile=noisy4epd.wav; au=myAudioRead(waveFile); time=(1:length(au.signal))/au.fs; subplot(211); plot(time, au.signal); axis([min(time), max(time), -1, 1]); ylabel(Amplitude); title(waveFile); subplot(212); frameSize=256; overlap=frameSize/2; [S,F,T]=spectrogram(au.signal, frameSize, overlap, 4*frameSize, au.fs); magSpec=abs(S); specgram=log(magSpec); imagesc(T, F, specgram); axis xy xlabel(Time (sec)); ylabel(Freq (Hz)); audioPlayButton(au); colormap jet;

包含噪音语音的幅度图


 



 



、频谱图             ，展示如下

图中因为有噪音



    




    




  ， 看得到在低频的部分











，始终有能量             。 因此需要找到更好的特征来区分噪音的部分   




    




    

。

如何聚合频谱              ，得到一个单一的特征



     



     



  ，使得频谱的能量分布分散时值更大？可以使用如下两种方法：

1). 熵函数

2). 几何平均/算术平均 

熵函数的定义 （下图中的 p 是在 i 点的概率分布










，总共 n 个点    
    
    
，整体的熵函数如下）

一帧频谱的熵值计算

图中 s(fi) 表示 i 点的频率上的信号值













。p 是一个概率分布            。同时为了更好的效果


     


     


 ，做一个规范化
 




 




 ，对于 fi < 250 Hz, fi > 6000 Hz 的情况   

   

   

，都把 s(fi) 当做 0 处理    



     



     
。 同时当 pi 过大或者过小时也当做0 来处理














。

对于语音的每一帧 

     

     

，做熵值的计算

  




  




  ，计算出来的值会呈现如下的规律：

清音的熵值大（可以理解成混乱度高  


  


  

，熵值越大有序性阅读）  
     
     
，静音             、浊音的分散度小    
    
 。

原因是因为清音的频率能量分散度大


   




   




  ，P 的分散大 



 



 

，而静音             ，浊音的分散度小     


     


     。（参考前面的图）

几何平均与算术平均的计算：

熵值



    




    




  ，几何均值/算法均值











，都可以用来衡量多样化              ，从而可以用来区分清音和浊音/静音




 




 




。