數(shù)字圖像處理與深度學習技術應用 課件 第12章 基于深度學習CNN模型的語音識別

第12章基于深度學習CNN模型的語音識別目錄12.1語音識別系統(tǒng)設計12.2語音信號預處理及特征提12.2.1語音信號預處理12.2.2MFCC特征提取12.3構建語音識別模型12.3.1構建卷積神經網絡模型12.3.2識別模型訓練12.4語音識別模型檢驗12.1語音識別系統(tǒng)設計語音識別系統(tǒng)一般包含學習和識別兩個過程。圖12-1語音識別系統(tǒng)功能圖（1）數(shù)據收集和準備。（2）對語音信號進行預處理。包括語音信號分幀、預加重、提取語音信號的MFCC特征等操作。（3）構建語音信號訓練集。將收集的語音信號進行預處理，按照幀的時間順序和特征值轉換成二維圖像。（4）選擇卷積神經網絡（CNN）模型結構。（5）模型構建。在深度學習框架中構建語音識別模型，包括輸入層、卷積/循環(huán)層、全連接層等組件，并選擇適當?shù)募せ詈瘮?shù)。（6）模型訓練。將數(shù)據集劃分為訓練集、驗證集和測試集。使用訓練集對模型進行訓練，使用驗證集對模型進行模型調優(yōu)，監(jiān)控模型在訓練集和驗證集上的性能。（7）模型評估。使用測試集對模型進行評估，計算準確率、WER（WordErrorRate）等性能指標。語音處理技術與深度學習相結合的識別過程：（1）獲取待識別語音信號。（2）對待識別的語音信號進行與學習過程相同的預處理，包括包括語音信號分幀、預加重、提取語音信號的MFCC特征等操作，按照幀的時間順序和特征值轉換成二維圖像。（3）使用訓練好的模型對新的語音圖像進行識別。（4）部署和應用。（5）誤差分析和改進。（6）用戶界面設計（可選）。12.2語音信號預處理及特征提取基本原理（1）語音信號預加重預加重的主要目的是為了使語音信號的頻譜變得平坦。值取的是0.97，（2）分幀（2）將n個采樣點結合在一起作為一個觀測點位，成為一幀。為了解決相鄰兩幀變化過大的問題，相鄰幀之間會有一段重疊區(qū)域，重疊區(qū)域的大小為n的值的二分之一或三分之一。（3）加窗加窗的意思就是加漢明窗，把漢明窗與每一幀相乘，以增加幀的連續(xù)性。的值為0.9<<1.0，本模塊中基本原理式中，X(n)為語音信號，N為傅里葉變換點數(shù)。（4）快速傅里葉變換得到語音信號頻譜上的分布。W(n)公式如下實現(xiàn)步驟實現(xiàn)步驟如下：①獲取語音信號；②語音信號預加重；③語音信號分幀；④語音信號加窗；⑤語音信號快速傅里葉變換。12.2.2MFCC特征提取基本原理（1）三角帶通濾波器作用是使頻譜更平滑，并消除諧波，增強原語音的共振峰。濾波器的公式為：（2）計算經過濾波器組后的語音信號對數(shù)能量公式如下：式中（3）通過離散余弦變化（DCT）得到MFCC特征MFCC特征提取步驟MFCC特征提取步驟如下：①獲取語音信號；②語音信號預加重；③語音信號分幀；④語音信號加窗；⑤語音信號快速傅里葉變換；⑥語音信號的頻譜數(shù)據通過三角帶通濾波器；⑦三角帶通濾波器輸出結果對數(shù)運算；⑧對數(shù)運算結果進行離散余弦變換得到MFCC特征矩陣；⑨根據MFCC特征矩陣值把特征矩陣轉換為圖像。效果展示提取MFCC特征后，需要將特征矩陣轉換為圖像組成訓練集來進行訓練。圖12-2一條語音MFCC特征圖像12.3構建語音識別模型12.3.1構建卷積神經網絡模型（神經網絡有十三層，步驟如下：①第一層為卷積層，filters為32，卷積核3*3，步長為1，padding為same。激活函數(shù)ReLU()激活，加入Dropout避免過度擬合；②第二層為卷積層，filters為32，卷積核3*3，步長為1，padding為same。激活函數(shù)ReLU()激活；③第三層為池化層，池化層進行MaxPool2d()取最大值，核的大小為2*2；④第四層為卷積層，filters為64，卷積核3*3，步長為1，padding為same。激活函數(shù)ReLU()激活，加入Dropout避免過度擬合；⑤第五層為卷積層，filters為64，卷積核3*3，步長為1，padding為same。激活函數(shù)ReLU()激活；⑥第六層為池化層，池化層進行MaxPool2d()取最大值，卷積核2*2，加入Dropout避免過度擬合；⑦第七層為卷積層，filters為128，卷積核3*3，步長為1，padding為same。激活函數(shù)ReLU()激活，加入Dropout避免過度擬合；⑧第八層為卷積層，filters為128，卷積核3*3，步長為1，padding為same。激活函數(shù)ReLU()激活；⑨第九層為池化層，池化層進行MaxPool2d()取最大值，卷積核2*2，加入Dropout避免過度擬合；⑩第十層為卷積層，filters為128，卷積核3*3，步長為1，padding為same。激活函數(shù)ReLU()激活，加入Dropout避免過度擬合；

第十一層為卷積層，filters為128，卷積核3*3，步長為1，padding為same。激活函數(shù)ReLU()激活；第十二層為池化層，池化層進行MaxPool2d()取最大值，卷積核1*1，加入Dropout避免過度擬合；第十三層為卷積層，filters為128，卷積核3*3，步長為1，padding為same。激活函數(shù)ReLU()激活，加入Dropout避免過度擬合；第十四層為卷積層，filters為128，卷積核3*3，步長為1，padding為same。激活函數(shù)ReLU()激活；第十五層為池化層，池化層進行MaxPool2d()取最大值，核的大小為1*1；第十六層為Reshape層，調整為（200，3200），加入Dropout避免過度擬合；第十七層為全連接層，共有128個神經元，并且加入Dropout（0.3）避免過度擬合；第十八層為全連接層，共有49個神經元，并且使用Softmax激活函數(shù)進行轉換，經全連接層分類后輸出為49個類別。將卷積神經網絡保存到Model中，并且為其定義損失函數(shù)以及優(yōu)化器。12.3.2識別模型訓練模型訓練的步驟如下：①獲取訓練集的路徑；②加載數(shù)據集，統(tǒng)計數(shù)據集中數(shù)據總數(shù)；③設置batch_size的大小，計算出保存的步數(shù)；④調用訓練的模型函數(shù)，模型為上步創(chuàng)建的卷積神經網絡模型；⑤將訓練出的結果數(shù)據保存在模型中，給識別過程使用。12.4語音識別模型檢驗語音識別步驟語音識別步驟如下：①獲取待識別語音；②語