數(shù)字變聲器的設(shè)計(jì)蘭州理工大學(xué)

1、*實(shí)踐教學(xué)*蘭州理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院2012年春季學(xué)期計(jì)算機(jī)通信與網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)題目:數(shù)字變聲器設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí):通信工程一班姓名:學(xué)號(hào):指導(dǎo)教師:藺瑩成績(jī):摘要變聲器的原理是通過(guò)改變輸入聲音頻率,進(jìn)而改變聲音的音色、音調(diào),使輸出聲音在感官上與原聲音不同。變聲器是借助對(duì)聲音音色和音調(diào)的雙重復(fù)合改變,實(shí)現(xiàn)輸出聲音的改變。通過(guò)自己發(fā)聲,共振峰頻率的改變是基于重采樣實(shí)現(xiàn)的。目前,語(yǔ)音偽裝系統(tǒng)(變聲器被廣泛應(yīng)用于社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。語(yǔ)音偽裝設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:為了防止打擊報(bào)復(fù),保護(hù)舉報(bào)人的人身安全的匿名舉報(bào)系統(tǒng);記者采訪時(shí)對(duì)采訪對(duì)象聲音的處理,保護(hù)被采訪人的安全;應(yīng)用于電臺(tái)或電視臺(tái),可對(duì)熱線電話進(jìn)行

2、聲音的處理。獨(dú)居女士和小孩;可用變聲器應(yīng)付騷擾電話和陌生人來(lái)訪。另外,在智能手機(jī)或者平板電腦等便攜式移動(dòng)終端中利用變聲器開發(fā)的小游戲等。因此,變聲器的應(yīng)用范圍及其廣泛。關(guān)鍵字:變聲器共振峰頻率語(yǔ)音偽裝目錄摘要 (2目錄 (3第一章數(shù)字變聲器概述 (41.1變聲器定義 (41.2變聲器原理概述 (4第二章變聲器原理及實(shí)現(xiàn) (52.1基本原理 (52.2數(shù)字變聲器的實(shí)現(xiàn) (62.3數(shù)字變聲器的MATLAB實(shí)現(xiàn) (72.4仿真結(jié)果及分析 (122.5結(jié)果分析 (16第三章課設(shè)總結(jié) (17參考文獻(xiàn) (19致謝 (20第一章數(shù)字變聲器概述1.1變聲器定義變聲器是通過(guò)改變輸入音頻的音色、音調(diào),將變聲后的音

3、頻輸出的工具。根據(jù)變聲器材質(zhì)不同,變聲器分為變聲器硬件和變聲器軟件。變聲器硬件,即通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)變聲的工具,譬如,知名動(dòng)畫名偵探柯南中,柯南偵破案件時(shí)扮演毛利小五郎時(shí),使用的蝴蝶結(jié),就是一種變聲器,柯南正是通過(guò)這一蝴蝶結(jié),模擬成毛利小五郎的聲音,進(jìn)行案件偵破的,這一變聲器可稱之為蝴蝶結(jié)變聲器。變聲器軟件,即通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)變聲的工具,軟件類變聲器,運(yùn)行平臺(tái)皆為電腦系統(tǒng)。1.2變聲器原理概述無(wú)論是硬件變聲器,還是軟件變聲器,其原理都是,通過(guò)改變輸入聲音頻率,進(jìn)而改變聲音的音色、音調(diào),使輸出聲音在感官上與原聲音不同。我們每個(gè)人的聲音不同,源于我們的每個(gè)人的音色和音調(diào)不同,我們所說(shuō)的男中音、男高音,就是音

4、調(diào)的不同,而即便音調(diào)一致,我們依然能區(qū)分出兩個(gè)不同人的聲音,或不同樂(lè)器的聲音,這就是音色的不同。變聲器,正是借助對(duì)聲音音色和音調(diào)的雙重復(fù)合改變,實(shí)現(xiàn)輸出聲音的改變。共振峰頻率的改變是基于重采樣實(shí)現(xiàn)的,從重采樣原理知道,這也同時(shí)引發(fā)了基頻的變化,為保證基頻變化和共振峰頻率變化的獨(dú)立、互不相關(guān),在基頻移動(dòng)時(shí)必須考慮抵消重采樣帶來(lái)的偏移,理論上只要基頻檢測(cè)足夠精確,確實(shí)可以保證基頻改變和共振峰頻率改變間的互不相關(guān)。保證變聲效果的自然度主要是沒(méi)有采用基音檢測(cè)將基音移動(dòng)和共振峰變化徹底隔離的緣故。重采樣使得信號(hào)的樣本數(shù)目增加或減少,若以不變的采樣頻率播放,速度會(huì)變慢或變快,因此需要進(jìn)行保持聲調(diào)不變的變速

5、處理(變速不變調(diào),恢復(fù)到原來(lái)的樣本數(shù)目。同時(shí)為了改變信號(hào)的基頻,還必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行變調(diào)處理即基頻移動(dòng),在運(yùn)用變調(diào)因子時(shí),必須抵消重采樣引起的基頻變化。第二章變聲器原理及實(shí)現(xiàn)2.1基本原理語(yǔ)音科學(xué)家將人類發(fā)聲過(guò)程視作一個(gè)由聲門源輸送的氣流經(jīng)以聲道、口、鼻腔組成的濾波器調(diào)制而成的。人類語(yǔ)音可分為有聲語(yǔ)音和無(wú)聲語(yǔ)音,前者是由聲帶振動(dòng)激勵(lì)的脈沖信號(hào)經(jīng)聲腔調(diào)制變成不同的音,它是人類語(yǔ)言中元音的基礎(chǔ),聲帶振動(dòng)的頻率稱為基頻。無(wú)聲語(yǔ)音則是聲帶保持開啟狀態(tài),禁止振動(dòng)引發(fā)的。一般來(lái)說(shuō),由聲門振動(dòng)決定的基頻跟說(shuō)話人的性別特征有關(guān),如下表,而無(wú)聲語(yǔ)音則沒(méi)有體現(xiàn)這個(gè)特征。說(shuō)話人的個(gè)性化音色和語(yǔ)音的另外一個(gè)聲學(xué)參數(shù)共振峰

6、頻率的分布有關(guān)。兒童由于聲道短,其共振峰頻率高于成年人,成年女性的聲道一般短于成年男性,所以女性的共振峰頻率一般高于男性。表2.1 男聲、女聲和童聲基頻、共振峰頻率關(guān)系表人群基頻分布Hz 共振峰頻率分布男聲50, 180 偏低女聲160, 380 中童聲400, 1000 偏高由上可知,在進(jìn)行性別變聲時(shí),主要考慮基頻和共振峰頻率的變化。當(dāng)基頻伸展,共振峰頻率也同時(shí)伸展時(shí),可由男聲變成女聲,女聲變成童聲;反之,基頻收縮,共振峰頻率也同時(shí)收縮時(shí),則由童聲變女聲,女聲變男聲。為了獲得自然度、真實(shí)感較好的變聲效果,基頻和共振峰頻率通常必須各自獨(dú)立地伸縮變化如圖2.1。圖2.1 基頻和共振峰頻率分布的變

7、化共振峰頻率的改變是基于重采樣實(shí)現(xiàn)的,從重采樣原理知道,這也同時(shí)引發(fā)了基頻的變化,為保證基頻變化和共振峰頻率變化的獨(dú)立、互不相關(guān),在基頻移動(dòng)時(shí)必須考慮抵消重采樣帶來(lái)的偏移,理論上只要基頻檢測(cè)足夠精確,確實(shí)可以保證基頻改變和共振峰頻率改變間的互不相關(guān)。2.2數(shù)字變聲器的實(shí)現(xiàn)頻率圖2.2語(yǔ)音處理實(shí)現(xiàn)框圖共振峰頻率基頻男聲區(qū)女聲區(qū)童聲區(qū)v 1v 2V1 男聲變童聲V 2 男聲變女聲語(yǔ)音信號(hào)讀入 進(jìn)行頻譜分析實(shí)現(xiàn)快、慢放語(yǔ)音信號(hào)恢復(fù) 改變基頻變聲進(jìn)行濾波處理實(shí)現(xiàn)步驟:1語(yǔ)音信號(hào)的錄制與讀入。2語(yǔ)音信號(hào)的頻譜分析。3實(shí)現(xiàn)慢錄快放和快錄慢放功能4設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器和畫出其頻率響應(yīng)。5用濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。6

8、比較濾波前后語(yǔ)音信號(hào)的波形及頻譜。7通過(guò)搬移、改變基波頻率實(shí)現(xiàn)變聲。8語(yǔ)音信號(hào)恢復(fù)。9在MATLAB下繪制出各個(gè)部分的輸出波形,前后對(duì)比。2.3數(shù)字變聲器的MATLAB實(shí)現(xiàn)各部分程序如下:%讀取聲音信號(hào)并處理x,fs=wavread('gg' %讀聲音文件N=length(x;n=0:N-1;X= fft(x; %讀入音頻傅里葉變換Fs=1*fs;T=1/Fs;f=n/N*Fs; %點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換成頻率figure(1;subplot(2,1,1;plot(n,x; %畫出原聲音信號(hào)title('原聲音信號(hào)'ylabel('Y'xlabel('

9、X'subplot(2,1,2;plot(f,abs(X; %原聲音信號(hào)的幅度譜title('語(yǔ)音的幅度譜'ylabel('Y'xlabel('X'sound(x,fs;%提速處理與播放w=1.6;M=w*fs; %1.6被語(yǔ)速的快放sound(x,M;%減速處理與播放w=0.6;M=w*fs; %0.6被語(yǔ)速的慢放sound(x,M;%語(yǔ)音信號(hào)恢復(fù)s=ifft(X;figure(2subplot(2,1,2;plot(s; %恢復(fù)的語(yǔ)音信號(hào)title('恢復(fù)的語(yǔ)音信號(hào)'ylabel('Y'xlabel(&

10、#39;X'subplot(2,1,1;plot(x; %恢復(fù)的語(yǔ)音信號(hào)title('讀入的語(yǔ)音信號(hào)'ylabel('Y'xlabel('X'%低通濾波器的設(shè)計(jì)fp1=1200;fs1=1500; %設(shè)定低通濾波器通帶截止頻率和阻帶截止頻率wp1=2*fp1/Fs; ws1=2*fs1/Fs;rp=1;as=100;N1,wp1=ellipord(wp1,ws1,rp,as; %計(jì)算低通濾波器階數(shù)和通帶邊界頻率B,A=ellip(N1,rp,as,wp1; %計(jì)算低通濾波器系統(tǒng)函數(shù)系數(shù)y1=filter(B,A,x; %濾波器軟件實(shí)現(xiàn)Y1

11、=abs(fft(y1;%低通濾波器設(shè)計(jì)與輸出figure(3subplot(2,1,1;t=n*T;plot(t,y1;title('濾波后的音頻信號(hào)'xlabel('X'ylabel('Y'subplot(2,1,2;plot(f,abs(fft(y1;title('濾波后的幅度譜'xlabel('X'ylabel('Y'sound(y1,fs;%男聲變童聲y2,fs=wavread('gg'p=fft(y2;xaa=p;N=500;pa=0.3*xaa(1:N,2.5*xaa(

12、1:180000,0.3*xaa(1:N;Y1=3*real(ifft(pa;figure(4subplot(2,1,2;plot(Y1; %變聲后的音頻輸出title('變聲后的音頻輸出'xlabel('X'ylabel('Y'sound(Y1,fs;subplot(2,1,1;plot(x; %讀入的原始音頻title('讀入的原始音頻'xlabel('X'ylabel('Y'figure(5subplot(2,1,1;plot(abs(X; %原始音頻的幅度譜title('原始音頻的幅

13、度譜'xlabel('X'ylabel('Y'subplot(2,1,2;plot(abs(pa; %變聲后的幅度譜title('變聲后的幅度譜'xlabel('X'ylabel('Y'%男聲變老人聲y2,fs=wavread('gg'p=fft(y2;xaa=p;N=500;pa=0.3*xaa(1:N,2.5*xaa(1:450000,0.3*xaa(1:N;Y1=3*real(ifft(pa;figure(6subplot(2,1,2;plot(Y1; %變聲后的音頻輸出title(&

14、#39;變聲后的音頻輸出'xlabel('X'ylabel('Y'sound(Y1,fs;subplot(2,1,1;plot(x; %讀入的原始音頻title('讀入的原始音頻'xlabel('X'ylabel('Y'figure(7subplot(2,1,1;plot(abs(X; %原始音頻的幅度譜title('原始音頻的幅度譜'xlabel('X'ylabel('Y'subplot(2,1,2;plot(abs(pa; %變聲后的幅度譜title(&#

15、39;變聲后的幅度譜'xlabel('X'ylabel('Y'%女聲變男聲y5,fs=wavread('cc'p=fft(y5;xaa=p;N=100;pa=0.1*xaa(1:3*N,1.2*xaa(1:420000,0.1*xaa(1:100*N;Y3=1*real(ifft(pa;figure(8subplot(2,1,1;plot(y5;title('讀入的原始音頻'xlabel('X'ylabel('Y'subplot(2,1,2;plot(Y3; %變聲后的音頻輸出xlabel(

16、'X'ylabel('Y'sound(y5,fs;sound(10*Y3,fs;2.4仿真結(jié)果及分析(1原始與恢復(fù)音頻對(duì)比 圖2.3原始與恢復(fù)音頻對(duì)比采集到的男子聲音信號(hào)大都分布在較低的頻段上,即男子話音的基頻較低。(2濾波前后波形對(duì)比 圖2.4濾波前后波形對(duì)比信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器處理后,保留了有效的頻率成分,一定程度上去除了干擾信號(hào)。(3男聲變童聲后音頻對(duì)比 圖2.5男聲變童聲后音頻對(duì)比變聲前后,音頻信號(hào)的時(shí)域波形被壓縮,總體形狀無(wú)太大變化。(4男聲變童聲后頻譜對(duì)比 圖2.6男生變童聲后頻譜對(duì)比改變信號(hào)的基頻可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的變調(diào)。零頻附近的信號(hào)被削弱,而對(duì)應(yīng)于【100

17、00,24000】頻點(diǎn)部分的信號(hào)得到加強(qiáng)(5男聲變老人聲音音頻對(duì)比 圖2.7男聲變老人聲音音頻對(duì)比男聲變老人聲前后,音頻的時(shí)域波形被展寬,總體形狀變化不大。(6男聲變老人聲頻譜對(duì)比 圖2.8男聲變老人聲頻譜對(duì)比男聲變老人聲前后聲音的高頻成分被削弱,而低頻成分得到加強(qiáng)?！?,18000】頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的信號(hào)得以加強(qiáng),【18000,30000】頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的信號(hào)則被削弱。(7女聲變男聲后音頻對(duì)比 圖2.9女聲變男聲后音頻對(duì)比由上圖可知,女聲變男聲后音頻信號(hào)的時(shí)域波形被展寬,信號(hào)的總體形狀無(wú)太大變化。2.5結(jié)果分析1、采集到的男子聲音信號(hào)大都分布在較低的頻段上,而女子的聲音信號(hào)大都分布在較高的頻段上。即男子話

18、音的基頻較低,女子的話音基頻較高。2、信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器處理后,保留了有效的頻率成分,一定程度上去除了干擾信號(hào)。對(duì)于男子的聲音影響較小,原因?yàn)槟凶拥脑捯粲杏眯盘?hào)大都分布在較低的頻段上,通過(guò)低通濾波器后,噪聲等無(wú)用信號(hào)被濾除。3、改變信號(hào)的基頻可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的變調(diào)。變聲前后,音頻的時(shí)域波形基本變化不大,而信號(hào)的頻域波形發(fā)生較大變動(dòng)。男聲變女聲后信號(hào)的頻譜被搬到較高的頻帶上,男聲變童音后,信號(hào)的頻譜被搬移到更高的地方。女聲變男聲則反過(guò)來(lái)。4、通過(guò)改變輸出頻率,可以實(shí)現(xiàn)聲音的提速或減速播放。將頻率過(guò)大,輸出為提速效果,將頻率乘以小于一的數(shù)后,可以實(shí)現(xiàn)減速播放效果。5、男聲變老人的聲音可以通過(guò)變速實(shí)現(xiàn),變速

19、不變調(diào)。改變輸出速度而不用改變聲音頻率。第三章課設(shè)總結(jié)此次課設(shè)題目為數(shù)字變聲器設(shè)計(jì),要求我們利用所學(xué)的信號(hào)處理、MATLAB 知識(shí)完成任務(wù)。綜合了過(guò)去三年所學(xué)的重要專業(yè)知識(shí),可謂是對(duì)過(guò)去所學(xué)知識(shí)的一次全面考察。變聲器的原理是通過(guò)改變輸入聲音頻率,進(jìn)而改變聲音的音色、音調(diào),使輸出聲音在感官上與原聲音不同。變聲器是借助對(duì)聲音音色和音調(diào)的雙重復(fù)合改變,實(shí)現(xiàn)輸出聲音的改變。通過(guò)自己發(fā)聲,共振峰頻率的改變是基于重采樣實(shí)現(xiàn)的。接到課題后,我便積極準(zhǔn)備,到圖書館查閱相關(guān)書籍,上網(wǎng)搜索有關(guān)內(nèi)容,利用MATLAB實(shí)現(xiàn)仿真,并及時(shí)向指導(dǎo)老師回報(bào)進(jìn)度,聽取老師的意見和建議。最終,順利完成了此次課設(shè)任務(wù)。采集到的男子

20、聲音信號(hào)大都分布在較低的頻段上,而女子的聲音信號(hào)大都分布在較高的頻段上。即男子話音的基頻較低,女子的話音基頻較高。信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器處理后,保留了有效的頻率成分,一定程度上去除了干擾信號(hào)。對(duì)于男子的聲音影響較小,原因?yàn)槟凶拥脑捯粲杏眯盘?hào)大都分布在較低的頻段上,通過(guò)低通濾波器后,噪聲等無(wú)用信號(hào)被濾除。改變信號(hào)的基頻可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的變調(diào)。變聲前后,音頻的時(shí)域波形基本變化不大,而信號(hào)的頻域波形發(fā)生較大變動(dòng)。男聲變女聲后信號(hào)的頻譜被搬到較高的頻帶上,男聲變童音后,信號(hào)的頻譜被搬移到更高的地方。女聲變男聲則反過(guò)來(lái)。通過(guò)改變輸出頻率,可以實(shí)現(xiàn)聲音的提速或減速播放。將頻率乘以大于一的數(shù)后,可以實(shí)現(xiàn)減速播放效果。將

21、頻率乘以(0,1內(nèi)的數(shù)后,可以實(shí)現(xiàn)減速播放效果。男聲變老人的聲音可以通過(guò)變速實(shí)現(xiàn),變速不變調(diào)。改變輸出速度而不用改變聲音頻率。通過(guò)這次課設(shè),我對(duì)理論知識(shí)的掌握更加牢固,而且把理論與實(shí)踐聯(lián)系在一起,提高了自己的實(shí)踐能力。而且我認(rèn)識(shí)到了同學(xué)之間的相互合作的重要性,還提高了自己如何在眾多的資料中找到對(duì)自己有用的信息。要想把所學(xué)的內(nèi)容融會(huì)貫通,只學(xué)好課本知識(shí)是不夠的,要把所學(xué)習(xí)的知識(shí)加以利用,這次課設(shè)就給了我們很好的機(jī)會(huì),讓我們不僅鞏固了課本知識(shí),還從理論上升到了實(shí)際。從課題的中心來(lái)看,課題是希望將數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用于某一實(shí)際領(lǐng)域,這里就是指對(duì)語(yǔ)音的處理。作為存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中的語(yǔ)音信號(hào),其本身就是離散化了的向量,我們只需將這些離散的量提取出來(lái),就可以對(duì)其進(jìn)行處理了。在這里,用到了處理數(shù)字信號(hào)的強(qiáng)有力工具M(jìn)ATLAB,通過(guò)MATLAB里幾個(gè)命令函數(shù)的調(diào)用,很輕易的在實(shí)際化語(yǔ)音與數(shù)字信號(hào)的理論之間搭了一座橋。通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì),熟悉并掌握了MATLAB 中有關(guān)語(yǔ)音信號(hào)的讀取,頻譜分析,頻譜的搬移和基頻、語(yǔ)速的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)變聲,分析其頻譜,并與原始信號(hào)頻譜進(jìn)行比較。參考文獻(xiàn)1 高西全、丁玉美編著.數(shù)字信號(hào)處理.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,20