語音信號數(shù)字處理：11-3 語音編碼器的質(zhì)量評價(jià)

1、第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià)13.2語音質(zhì)量的客觀測量13.1語音質(zhì)量的定義13.4漢語清晰度測量和語音質(zhì)量的診斷13.3語音質(zhì)量的主觀測量13.5典型MOS試驗(yàn)的描述13.6確認(rèn)語音編碼器實(shí)現(xiàn)的方法13.7復(fù)雜度和時(shí)延的測量第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià)13.1語音質(zhì)量語音編碼器的質(zhì)量，會由于輸入信號的變化而受影響。 變化：發(fā)音人、背景噪聲、信號等級、操作條件等。獨(dú)立評價(jià)每種情況的質(zhì)量屬性有意義， 它表示不同操作條件下，語音編碼器的性能?，F(xiàn)實(shí)中許多條件同時(shí)出現(xiàn)，組合條件下對編碼語音的損傷， 經(jīng)常比單獨(dú)條件下的預(yù)計(jì)更為嚴(yán)重。第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià) 13.1語音質(zhì)量的定義 (1) 對發(fā)音者和

2、語言的依賴 很多低比特率的編碼器，其語音質(zhì)量與發(fā)音人有關(guān)。 原因：比特?cái)?shù)少，導(dǎo)致參數(shù)的表示（及范圍）不準(zhǔn)確。 做評價(jià)試驗(yàn)：典型情況下，發(fā)音人男、女相同，及兒童； 如：通常是4男、4女和2童。 LPC技術(shù)的編碼系統(tǒng)，對發(fā)音人的依賴與預(yù)測增益有關(guān)， 選擇平均預(yù)測增益不同的發(fā)音人做可變性試驗(yàn)，是有效的。 語言不同，編碼器的性能可能會不同，測試不同語言很重要，現(xiàn)僅對少數(shù)標(biāo)準(zhǔn)編碼器做了多種語言試驗(yàn)。第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià) 13.1語音質(zhì)量的定義 (2) 對信號功率級的依賴 編碼器輸入應(yīng)有適當(dāng)?shù)墓β始?，其硬件要校?zhǔn)到這個(gè)等級。語音的動(dòng)態(tài)范圍變化，或者使用了錯(cuò)誤的校準(zhǔn)設(shè)備， 語音編碼器的輸入等級可能會

3、高于或低于正常級。N 個(gè)樣本長度的采樣信號，其功率 P 或 L 定義： 或定義參考功率 P0：模數(shù)轉(zhuǎn)換的最大范圍的直流信號的能量， 定義為 P0 =1，它表示模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠分辨的信號等級。例：16 bit 的 A/D 轉(zhuǎn)換器的最大直流信號為 32767， 將它定義為標(biāo)準(zhǔn)信號功率P0 ，也就是 0 dB0V。 定義 -25 dB0V為標(biāo)稱級；一般允許的信號范圍為 10 dB0V 。第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià) 13.1語音質(zhì)量的定義 (3) 背景噪聲 典型噪聲：線路干擾噪聲、街道和車輛的噪聲、音樂噪聲等。通常，信噪比大約為 20 dB，而且只考慮非靜音段上的測量。卡車噪聲信噪比通常為 1015

4、dB，瞬態(tài)噪聲可以為負(fù)值。 噪聲環(huán)境下錄音，可產(chǎn)生帶有背景噪聲的語音樣本。缺點(diǎn)：測量困難，且信噪比難以控制和測量。試驗(yàn)時(shí)，可用數(shù)字技術(shù)，把噪聲混入純凈的語音樣本中。優(yōu)點(diǎn)：噪聲類型和信噪比可控，且可產(chǎn)生多種刺激。強(qiáng)噪聲級下，會改變談話習(xí)慣，這稱為 Lombard 效果。直接記錄語音將導(dǎo)致人為的組合信號反映不出。 其他談話者的干擾也是背景噪聲，例：會議電話情況下。要試驗(yàn)該條件下，發(fā)音人和輔助發(fā)音人的樣本， 可用數(shù)字方法混合，并使得相對級差大約為 10 dB。 第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià) 13.1語音質(zhì)量的定義 (4) 多種編碼的級聯(lián) 通信線路上常使用多于一個(gè)的編解碼方案。在連點(diǎn)上，將信號解碼為采

5、樣波形，再由下一個(gè)編碼器編碼。這種多次編碼稱為級聯(lián)編碼。有時(shí)使用同一種編碼器，更多的時(shí)候使用不同的編碼器。評價(jià)級聯(lián)性能：習(xí)慣上，采用相同編碼器的級聯(lián)。通常有同步和異步兩種級聯(lián)方式。同步級聯(lián)時(shí)分析幀對齊，可使被分析的語音參量保持相同， 因而產(chǎn)生了較好的效果，降低了因級聯(lián)操作引入的退化量。異步級聯(lián)不要求同步。 很多情況下，級聯(lián)是用數(shù)字實(shí)現(xiàn)的。 有時(shí)，級聯(lián)是模擬域和數(shù)字域之間時(shí)，串入附加的退化。 第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià) 13.1語音質(zhì)量的定義 (5) 信道誤差所產(chǎn)生的影響 通信信道將產(chǎn)生隨機(jī)誤碼或突發(fā)誤碼。某些應(yīng)用，比特流中的剩余用于誤碼檢測。 某些應(yīng)用，并無誤碼檢測和保護(hù)。編碼器試驗(yàn)中，應(yīng)模

6、擬比特流的誤碼和分布。例：幀擦除可用 Markov 鏈模擬。試驗(yàn)材料應(yīng)足夠長，使誤差的效果具有代表性。 語音質(zhì)量的評價(jià)可能有爭議，標(biāo)準(zhǔn)的主觀試驗(yàn)（如 MOS 試驗(yàn)），不能適當(dāng)表示信道誤差的影響；其他試驗(yàn)，例如句子的驗(yàn)證試驗(yàn)可能會更合適一些。 第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià) 13.1語音質(zhì)量的定義 (6) 非語音信號 編碼器的輸入有時(shí)會含有非語音信號成分。打電話時(shí)周圍播放的音樂，這種情況稱為音樂保持； 此時(shí)，音樂保持也是一個(gè)主要的信號成分。通信時(shí)，并不要求低比特率的編碼器忠實(shí)地重現(xiàn)音樂信號， 但要沒有煩惱的效果引起人們的反感。 純音信令也是非語音信號。例：雙音多頻撥號信號、調(diào)制解調(diào)器信號。要求：這

7、些信號經(jīng)編碼器處理后，仍然能夠正確地檢出。 更寬松的要求是這些信號通過編碼器后， 不會引起嚴(yán)重的人為失真。但純音信令動(dòng)態(tài)大、帶寬窄，某些編碼器難以實(shí)現(xiàn)該要求。第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià) 13.1語音質(zhì)量的定義第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià)13.2語音質(zhì)量的客觀測量主要分兩類,共三種方法 信噪比、分段信噪比 譜系數(shù)上的 Euclid 距離 信噪比：最常用的一種客觀誤差的測量方法。 定義式 式中x(n)和y(n)分別為編碼器的輸入和輸出。缺點(diǎn)：信噪比的值會被語音的高能量的區(qū)域所支配。 （語音有許多高能量和低能量區(qū)，均與語音理解密切相關(guān)）第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià) 13.2語音質(zhì)量的客觀測量分段信

8、噪比：局部信噪比的平均值。 定義式 式中，SNRseg是一幀內(nèi)（1020 ms）內(nèi)的信噪比（局部計(jì)算） 對分段信噪比的精細(xì)處理是去除最大值和最小值，并排除靜音段來計(jì)算。 信噪比的缺點(diǎn)：未給出誤差與頻率的關(guān)系。 對波形未對準(zhǔn)和相位失真很靈敏，譜系數(shù)上的 Euclid 距離： 定義式式中，Cx,I 和 Cy,I 分別是 x(n) 和 y(n) 的某種譜系數(shù)。 一段語音的平均距離是多幀的平均譜距離。第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià) 13.2語音質(zhì)量的客觀測量第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià)13.3語音質(zhì)量的主觀測量主觀測量：由人利用其聽覺評判。評判方法：編碼的語音回放給測試收聽者，由他們回答這些 語音信號質(zhì)

9、量的等級。試驗(yàn)人數(shù)：收聽者最少為 16 人，最高可達(dá) 64 人。特點(diǎn)： 語音質(zhì)量與人的主觀感受一致， 試驗(yàn)難度大，成本高，結(jié)果因人而異，不十分穩(wěn)定試驗(yàn)用換能器：選用與應(yīng)用相一致的換能器回放語音。三種主觀收聽試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果高度相關(guān)。 (1) 絕對等級評定試驗(yàn)（ACR） (2) 降低等級評定試驗(yàn)（DCR） (3) 診斷測量試驗(yàn)（DAM）第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià) 13.3語音質(zhì)量的主觀測量 絕對等級評定試驗(yàn)（ACR） 收聽者面對被處理的語料給出 5 記分等級（表13.1） 測試系統(tǒng)所獲得的全部選票的平均為平均判斷得分（MOS） 對某些應(yīng)用，如電話用戶，若評分的百分?jǐn)?shù)得到差和壞 的等級時(shí)，則要對用

10、戶的認(rèn)可作進(jìn)一步的驗(yàn)證。表13.1 ACR 質(zhì)量的評分描述優(yōu)秀好中等差壞評分54321第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià) 13.3語音質(zhì)量的主觀測量 降低等級評定試驗(yàn)（DCR）方法：收聽者先收聽未處理的信號， 再收聽處理后的信號，并比較， 評定感覺的降低程度。 （分值見表13.2)也稱為降級的平均判斷得分（DMOS）。 DCR 試驗(yàn)還有許多細(xì)化之處（略）。特點(diǎn)：該類試驗(yàn)，對于編碼器引起的質(zhì)量降低更為靈敏。 對于噪聲條件也是一種很好的試驗(yàn)。表13.2 DCR 質(zhì)量的評分描 述評分 沒有感覺到降低5 感覺到降低，但不煩惱4 感覺到降低，稍有煩惱3 對降低感覺到煩惱2 對降低非常煩惱1第13章語音編碼器的

11、質(zhì)量評價(jià) 13.3語音質(zhì)量的主觀測量 診斷測量試驗(yàn)（DAM） 上述兩種等級評定試驗(yàn)對于多維信號給出了單一度量。 導(dǎo)致設(shè)計(jì)者使用這些信息優(yōu)化其編碼系統(tǒng)時(shí)，有困難。 為此，可以利用診斷測量試驗(yàn)（DAM）。DAM 在 16 個(gè)分隔開的標(biāo)度上，評價(jià)應(yīng)用信號。全部標(biāo)度從 0 到 100 點(diǎn)。標(biāo)度屬于信號質(zhì)量、背景質(zhì)量和總體質(zhì)量三種，取其一種。16 個(gè)標(biāo)度的加權(quán)平均，構(gòu)成組合測量，表示語音編碼系統(tǒng)的最終性能。收聽試驗(yàn)是由有經(jīng)驗(yàn)的主體，使用公眾認(rèn)可的語料來做。試驗(yàn)僅是由商業(yè)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行，有關(guān)試驗(yàn)細(xì)節(jié)未發(fā)表。 第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià) 13.3語音質(zhì)量的主觀測量 通話試驗(yàn) 整個(gè)系統(tǒng)的屬性，如延遲、可變

12、比特率等，應(yīng)采用通話試驗(yàn)。試驗(yàn)通信能力要求具備實(shí)時(shí)硬件。通話試驗(yàn)包含兩人間的談話。更為實(shí)際的方法是給兩個(gè)主叫方分配一個(gè)任務(wù)， 如執(zhí)行閱讀，每一個(gè)主叫方有一個(gè)稍有差別的同樣文本， 要求他們找出這些差別，并建立一個(gè)時(shí)間限制。系統(tǒng)的性能，可以用間接的任務(wù)分配量而得到測量。第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià) 13.3語音質(zhì)量的主觀測量 主觀質(zhì)量的預(yù)測 主觀試驗(yàn)，昂貴和耗時(shí)。 可對原始信號和編碼信號的某些計(jì)算處理，獲得主觀性能。常用方法：計(jì)算專門的客觀測度值，使用聚類算法把這些值 與主觀試驗(yàn)的結(jié)果相匹配。對高速率語音編碼器，MOS 得分與客觀測量值相關(guān)得很好，更有效的測度是倒譜失真測量。注：預(yù)測低、中速率編碼

13、器時(shí)，結(jié)果不可靠。 還有其他方法在開發(fā)。第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià) 13.3語音質(zhì)量的主觀測量第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià)13.4漢語清晰度測量和語音質(zhì)量的診斷 國標(biāo) GB/T 13504-1992 和原部標(biāo) SJ 2467-84： 規(guī)定了漢語清晰度的測試方法。 是專為評定語音通信設(shè)備和傳輸系統(tǒng)的清晰度而制定的。漢語音質(zhì)量的測試分兩類： 音節(jié)以下（如音素、聲母、韻母）的語音單元測試， 稱為清晰度測試； 音節(jié)以上（如詞、句）語音單元的測試，稱為可懂度測試。 該方法可按條件從小單元的清晰度算出大單元的可懂度來。以 SJ 2467-84 標(biāo)準(zhǔn)為例，介紹清晰度和可懂度的測試方法。表13.4：測試基本

14、字表。第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià) 13.4漢語清晰度測量和語音質(zhì)量的診斷 表13.4漢語清晰度測試基本字表字序表號字序表號一二三四五一二三四五1尼/ni急/ji移/yi席/xi提/ti26家/jia京/jing江/jiang階/jie驕/jiao2乳/ru土/tu斧/fu苦/ku普/pu27耐/nai弄/nong鬧/nao納/na內(nèi)/nei3許/xu取/qu女/nv舉/ju雨/yu28日/ri入/ru肉/rou潤/run熱/re4代/dai在/zai派/pai賣/mai拜/bai29談/tan臺/tai豚/tun糖/tang團(tuán)/tuan5梅/mei圍/wei雷/lei陪/pei肥/fei30

15、鼠/shu省/sheng手/shou史/shi水/shui6好/hao掃/sao搞/gao早/zao考/kao31北/bei本/ben扁/bian板/ban比/bi7甘/gan班/ban彎/wan番/fan三/san32盆/pen貧/pin爬/pa婆/po排/pai8笨/ben奮/fen認(rèn)/ren趁/chen恨/hen33冒/mao妙/miao莫/mo命/ming滅/mie9放/fang胖/pang抗/kang讓/rang唱/chang34風(fēng)/feng飛/fei分/fen夫/fu方/fang10列/lie業(yè)/ye謝/xie竊/qie借/jie35盾/dun到/dao斷/duan豆/dou但/d

16、an11巧/qiao了/liao攪/jiao咬/yao秒/miao36顛/dian爹/die丁/ding刁/diao燈/deng12糾/jiu丟/diu秋/qiu流/liu休/xiu37偷/tou拖/tuo禿/tu滔/tao他/ta13片/pian面/mian電/dian變/bian念/nian38亮/liang浪/lang爛/lan六/liu練/lian14迎/ying形/xing明/ming寧/ning晴/qing39爐/lu輪/lun樓/lou驢/lv龍/long15蛙/wa夸/kua花/hua瓜/gua抓/zhua40鬼/gui狗/guo給/gei改/gai拐/guai16駝/tuo活

17、/huo博/bo奪/duo羅/luo41控/kong愧/kui快/kuai跨/kua困/kun17歲/sui銳/rui最/zui退/tui對/dui42哈/ha酣/han嗨/hai亨/heng黑/hei18捆/kun滾/gun蠢/chun損/sun穩(wěn)/wen43句/ju就/jiu架/jia見/jian近/jin19莊/zhuang窗/chuang雙/shuang汪/wang光/guang44勸/quan氣/qi確/que恰/qia慶/jing20從/cong農(nóng)/nong同/tong紅/hong榮/rong45琴/qin前/qian茄/qie權(quán)/quan群/qun21特/te客/ke賀/he這/

18、zhe舍/she46霞/xia循/xun雄/xiong詳/xiang徐/xu22丑/chou抖/dou簍/lou口/kou吼/hou47漲/zhang指/zhi整/zheng者/zhe找/zhao23盟/meng成/cheng繩/sheng能/neng逢/feng48床/chuang除/chu蟲/chong陳/chen愁/chou24斌/bin今/jin拼/pin親/qin心/xin49說/shuo沙/sha刷/shua師/shi書/shu25歡/huan專/zhuan端/duan川/chuan寬/kuan50瓦/wa我/wo網(wǎng)/wang偉/wei晚/wan定義音節(jié)字的清晰度：正確的接受被傳送

19、的、相互無聯(lián)系的 漢語單字的百分?jǐn)?shù)。測試材料選自基本字表，方法如下：基本字表：含 250 個(gè)常用漢字，考慮聲母、韻母， 和音調(diào)出現(xiàn)率的平衡。由基本字表派生出測試用的發(fā)音字表。 制成 5 張基本字表，每次測試可任選一張。 其中前 25 行改變聲母；后 25 行改變韻母。 每一列為一張基本字表任選一張基本表，隨機(jī)改變 50 個(gè)字次序，即得發(fā)音字表。發(fā)音字表不給聽音者看見。將此 50 個(gè)字隨機(jī)放入基本字表的每行，得測試記錄表。例：如果聽對 45 個(gè)字，聽錯(cuò) 5 個(gè)字，則清晰度應(yīng)為：第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià) 13.4漢語清晰度測量和語音質(zhì)量的診斷 測試人員選擇：發(fā)音人男女各 1 人，聽音人 4 人

20、。 則每次測試有 8 份記錄（聽音人可多于 4 人）。測聽室的混響時(shí)間不大于 0.5 s（在 500 Hz 條件下）， 環(huán)境噪聲小于 35 dB（用耳機(jī)時(shí)應(yīng)小于 40 dB）。使用基本字表訓(xùn)練發(fā)音人和聽音人。發(fā)音先報(bào)表號并有引導(dǎo)句“第行讀字”， 發(fā)音速度為每引導(dǎo)句小于 2 s，每句之間停頓 34 s。第 i 張記錄表的清晰度按下式計(jì)算： 式中，T 為發(fā)音字?jǐn)?shù)，Ri 為聽對字?jǐn)?shù)，Ei 為聽錯(cuò)字?jǐn)?shù)， N=5 為每列字?jǐn)?shù)，n 為記錄表總數(shù)。清晰度的平均值為： 第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià) 13.4漢語清晰度測量和語音質(zhì)量的診斷 第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià)13.5典型MOS試驗(yàn)的描述 絕對等級評定（

21、ACR）試驗(yàn)是最常用的 MOS 試驗(yàn)。以評價(jià)蜂窩電話中 7 種原型語音編碼器為目的。試驗(yàn)中，原型編碼器與無線或網(wǎng)絡(luò)中某些標(biāo)準(zhǔn)編碼器比較。測試過程如下： (1) 試驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì) (2) 語料的選擇和處理 (3) 試驗(yàn)結(jié)果第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià) 13.5典型MOS試驗(yàn)的描述 (1) 試驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法：絕對等級評定試驗(yàn)（ACR）。主觀收聽使用短刺激，典型情況是每次 8 s；評定語音使用 5 級分制（表13.1的記分方法）；全部分?jǐn)?shù)的算術(shù)平均就是平均判斷得分（MOS）。實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)：確定編碼器的數(shù)目和語料的數(shù)量。 400 個(gè)長度為 8 s 刺激供試驗(yàn)選擇；參考條件：噪聲水平分別設(shè)

22、置在 5,10,15,20 和 25 dB參考編碼器： GSM、IS-54、G.728。試驗(yàn)兩種類型的輸入特性：高質(zhì)量傳聲器記錄的語音， 同一語音通過 IRS 傳輸濾波器濾波后的信號。每種條件用 6 個(gè)發(fā)音人，得到 204 個(gè)刺激量。 （17 個(gè)試驗(yàn)條件，6 個(gè)發(fā)音人，兩種輸入濾波器）第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià) 13.5典型MOS試驗(yàn)的描述 (2) 語料的選擇和處理語料：以語音學(xué)上平衡的句子作為基礎(chǔ)。 8 kHz，16 bit，標(biāo)準(zhǔn)化電平 -25 dB0V，安靜環(huán)境下錄制， IRS 濾波的語料是由原始語料經(jīng) IRS 濾波器得到。 濾波以后再將信號標(biāo)準(zhǔn)化到 -25 dB0V 。語料包括： 3

23、男、3 女各發(fā)出 4 對句子。 分別用平坦頻率響應(yīng)和 IRS 頻率響應(yīng)兩種條件。圖13.1：兩種濾波特性的平均頻譜。 濾波特性平坦的語音有較強(qiáng)的低頻成分， 經(jīng)過 IRS 濾波器的語音有更多的高頻成分。第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià) 13.5典型MOS試驗(yàn)的描述 (a) 未濾波語音的平均頻譜 (b) 經(jīng) IRS 濾波的語音平均頻譜圖13.1兩種濾波特性的平均頻譜 (3) 試驗(yàn)結(jié)果圖13.2：MNRU條件下收聽試驗(yàn)的MOS和Q曲線。不同 Q 值下 MOS 得分，未濾波的語音低于IRS條件下的語音原因：由語音原始材料中，低頻能量過高引起的。語音的相關(guān)噪聲由 MNRU 發(fā)生器產(chǎn)生，使高頻部分信噪比差，降

24、低了語音理解的質(zhì)量。第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià) 13.5典型MOS試驗(yàn)的描述 (a) 未濾波的語音 (b) 經(jīng) IRS 濾波的語音圖13.2MOS 與 Q 的曲線表13.5：給出某試驗(yàn)的參考編碼器的評分。對于數(shù)據(jù)的分析和判斷使用了重復(fù)測量的方差因素分析。4個(gè)實(shí)驗(yàn)因素是：輸入濾波器的形式；收聽者的分組（共4組）；發(fā)音人（6個(gè)發(fā)音人）；編碼器類型。第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià) 13.5典型MOS試驗(yàn)的描述 表13.5每一個(gè)系統(tǒng)MOS得分的結(jié)果匯總條件IRS平坦頻響全體系統(tǒng)類別kbit/sMOSEQMOSEQMOSG.726（ADPCM）323.7727.873.7035.003.74G.728（LD-CELP）163.8830.383.7735.003.83GSM（RPE-LTP）133.6325.583.5633.253.59IS-54（VSELP）83.4923.793.4731.893.48原始信號1284.1035.004.0335.004.06第13章語音編碼器的質(zhì)量評價(jià)13.6確認(rèn)語音編碼器實(shí)現(xiàn)的方法步驟：確定算法高級語言非實(shí)時(shí)模擬軟件DSP實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。 專利和標(biāo)準(zhǔn)編碼算法，則須確認(rèn)其實(shí)現(xiàn)是否符合參考算法。很多語音編碼標(biāo)準(zhǔn)給出了驗(yàn)證規(guī)范。兩種方法驗(yàn)證：算法描述，