電子科技大學(xué)數(shù)字信號(hào)處理DSP課程設(shè)計(jì)-鋼琴音符識(shí)別
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. 2014級(jí)數(shù)字信號(hào)處理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題目:鋼琴音符識(shí)別 姓名:邱晨曦 學(xué)號(hào):2014010909008 答辯時(shí)間:2016/12/9 一. 題目要求: (1) 播放和記錄一段鋼琴音樂(lè)中的音符; (2) 記錄到音符以后,找到音符所對(duì)應(yīng)的現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)鋼琴的鋼琴鍵,并分析結(jié)果。 二. 課程設(shè)計(jì)思路: (1) 涉及到的知識(shí)點(diǎn): 快速傅里葉變換、鋼琴音頻信號(hào)的時(shí)域和頻域的特性、能熵比的概念、頻率校正、頻率與音符的轉(zhuǎn)換關(guān)系。 (2) 方案分析: A. 預(yù)處理部分: 1. 直接用audioread函數(shù)讀出來(lái)的原始數(shù)據(jù)。 優(yōu)點(diǎn):準(zhǔn)確率較高; 缺點(diǎn):數(shù)據(jù)量較大,采樣頻率為44kHz,遠(yuǎn)大于奈奎斯特采樣率。 2. 以11kHz的采樣率重新采樣,并轉(zhuǎn)換為單聲道。 優(yōu)點(diǎn):數(shù)據(jù)量小了很多,易于處理; 缺點(diǎn):犧牲了部分的準(zhǔn)確率,但對(duì)于音符的判斷影響可以忽略。 B. 端點(diǎn)檢測(cè)算法: <1> . 雙門限法: 1. 計(jì)算短時(shí)能量(高門限)和過(guò)零率(低門限); 2. 選取一個(gè)較高的門限,語(yǔ)音信號(hào)的能量包絡(luò)大部分都在此門限之上,進(jìn)行一次初判,語(yǔ)音起止點(diǎn)位于該門限與短時(shí)能量包絡(luò)交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔之外; 3. 根據(jù)噪聲能量,確定一個(gè)較低的門限,并從初判起點(diǎn)往左,從初判終點(diǎn)往右搜索,分別找到能零比曲線第一次與門限相交的兩個(gè)點(diǎn),兩點(diǎn)之間段就是用雙門限方法所判定的語(yǔ)音段; 4. 以短時(shí)平均過(guò)零率為準(zhǔn),從低門限點(diǎn)往左右搜索,找到短時(shí)平均過(guò)零率低于某閾值的兩點(diǎn),為語(yǔ)音的起止點(diǎn); 圖1:雙門限法示意圖 說(shuō)明:算法中的閥值是根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程調(diào)節(jié)的。 該算法在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中發(fā)現(xiàn):在語(yǔ)音信號(hào)頻率分布較為集中的時(shí)候,端點(diǎn)檢測(cè)出來(lái)的結(jié)果比較準(zhǔn)確,但當(dāng)語(yǔ)音信號(hào)頻率分布比較分散的時(shí)候,很難通過(guò)控制固定的閥值來(lái)檢測(cè)到每個(gè)音符; <2>. 自相關(guān)法: 由于兩種信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)存在極大的差異,可以利用這種差別來(lái)提取語(yǔ)音端點(diǎn)。根據(jù)噪聲的情況,設(shè)置兩個(gè)閾值和,當(dāng)相關(guān)函數(shù)最大值大于時(shí),便判定是語(yǔ)音;當(dāng)相關(guān)函數(shù)最大值大于或小于時(shí),則判定為語(yǔ)音信號(hào)的端點(diǎn)。 該算法同樣存在當(dāng)語(yǔ)音信號(hào)頻率分布較廣的時(shí)候,閥值比較難控制的問(wèn)題。 <3>. 基于譜熵的端點(diǎn)檢測(cè): 基于譜熵語(yǔ)音端點(diǎn)檢測(cè)方法是通過(guò)檢測(cè)譜的平坦程度,來(lái)進(jìn)行語(yǔ)音端點(diǎn)檢測(cè)的,為了更好進(jìn)行語(yǔ)音端點(diǎn)檢測(cè),采用語(yǔ)音信號(hào)的短時(shí)功率譜構(gòu)造語(yǔ)音信息譜熵,從而對(duì)語(yǔ)音段和噪聲段進(jìn)行區(qū)分。檢測(cè)思路: 1. 對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分幀加窗; 2. 計(jì)算每一幀的譜能量; 3. 計(jì)算出每一幀中每個(gè)樣本點(diǎn)的概率密度函數(shù); 4. 計(jì)算出每一幀的譜熵值(由信息論知識(shí)知道,熵值在自變量服從均勻分布的時(shí)候,熵值達(dá)到最大值,所以噪聲的熵值是比較大的,而鋼琴音符的熵值是比較小的,由此區(qū)別了噪聲和音符); 5. 設(shè)置判決門限; 6. 根據(jù)各幀的譜熵值進(jìn)行端點(diǎn)檢測(cè)。 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn):依然存在當(dāng)語(yǔ)音信號(hào)頻率分布較廣時(shí),閥值不太好控制的問(wèn)題。因此對(duì)該方法進(jìn)行改進(jìn),引入,能熵比的概念: 譜熵值類似于過(guò)零率,能熵比的表示為。由于噪聲和信號(hào)的能熵比差別很大。因此在能熵比的圖像中,每一個(gè)“尖刺”就代表了一個(gè)特定頻率的語(yǔ)言信號(hào)。 圖2:能熵比圖中的“尖刺” 在檢測(cè)過(guò)程中,依然不能通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)置閥值的辦法來(lái)進(jìn)行端點(diǎn)檢測(cè),原因是語(yǔ)音頻率分布較廣時(shí),每個(gè)音符的能熵比變化范圍差別較大,如下圖所示,有的“尖刺”完全在門限之上,而有的則完全在門限之下。 圖3:88階全音的能熵比圖 因此,采用檢測(cè)能熵比中的“低谷點(diǎn)”(該點(diǎn)比左右兩邊的一定數(shù)目的點(diǎn)的能熵比都小)的方法。語(yǔ)音信號(hào)一定位于兩個(gè)低谷點(diǎn)之間的部分,再對(duì)低谷點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖笥乙苿?dòng)作為語(yǔ)音信號(hào)的起止點(diǎn)。如下圖所示: 圖4:標(biāo)記起止點(diǎn)的能熵比圖 (綠色為起始點(diǎn),紅色為截止點(diǎn)) (3) 設(shè)計(jì)框架和流程: 1. 用audioread函數(shù)讀入鋼琴音樂(lè),并用sound函數(shù)播放; 2. 為了方便處理,對(duì)信號(hào)以11.025kHz的頻率進(jìn)行重新采樣,并統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成單聲道的信號(hào); 3. 因?yàn)檎Z(yǔ)言信號(hào)可以在短時(shí)間內(nèi)認(rèn)為是平穩(wěn)的,因此對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分幀的處理,設(shè)置幀長(zhǎng)320,為了減小誤差,兩幀之間設(shè)置重疊部分,因此幀移取80; 4. 計(jì)算每一幀的能熵比; 5. 找到能熵比中的“低谷點(diǎn)”(該點(diǎn)比左右兩邊的一定數(shù)目的點(diǎn)的能熵比都?。? 6. 如果兩個(gè)低谷點(diǎn)之間的距離大于miniL(認(rèn)為持續(xù)長(zhǎng)度超過(guò)一定長(zhǎng)度的為音符,最小長(zhǎng)度miniL可自行設(shè)置)。則低谷點(diǎn)右移sr (即shift right,數(shù)值可自行調(diào)節(jié))幀作為一段信號(hào)的起始點(diǎn),將低谷點(diǎn)左移sl(即shift left,數(shù)值可自行調(diào)節(jié))幀作為截止點(diǎn)[注:采用該方法的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)能適應(yīng)多種情況,缺點(diǎn)是檢測(cè)環(huán)境發(fā)生較大變化時(shí),需要重新設(shè)置參數(shù)]; 7. 將找到的語(yǔ)音段轉(zhuǎn)換成未分幀時(shí)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)的語(yǔ)音段,并對(duì)每段做快速傅里葉變換; 8. 找到每段快速傅里葉變換中的最大值以及最大值所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)(fft點(diǎn)),將橫坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率,得到的頻率即為該段音符的頻率; 9. 利用比值法進(jìn)行頻率的校正,窗函數(shù)選擇矩形窗; 10. 根據(jù)檢測(cè)到的頻率確定音符,計(jì)算公式為:,為第幾個(gè)按鍵,再通過(guò)查表得到對(duì)應(yīng)音符; 11. 分析結(jié)果。 三. 具體設(shè)計(jì)過(guò)程: (1) 部分代碼(測(cè)試部分缺?。? 主函數(shù)部分: [x,fs]=audioread(鋼琴音頻.WAV); format short; wlen=320; inc=80; % 分幀的幀長(zhǎng)和幀移 overlap=wlen-inc; % 幀之間的重疊部分 sound(x,fs); % 播放音樂(lè) x=calsample(x,fs); % 為了方便處理,重新以11025Hz的頻率采樣,并轉(zhuǎn)換成單聲道 x=x-mean(x); % 消去直流分量 x=x/max(abs(x)); % 幅值歸一化 y = Enframe(wlen,inc,x); % 分幀 fn = size(y,2); % 取得幀數(shù) time = (0 : length(x)-1)/11025; % 計(jì)算時(shí)間坐標(biāo) frameTime = frame2time(fn, wlen, inc, 11025); % 計(jì)算各幀對(duì)應(yīng)的時(shí)間坐標(biāo) sr=2;sl=13;miniL=33; % 配置左右移動(dòng)的幀數(shù)和要求的最短幀數(shù) [voicesegment,vos,Ef]=get_segment(y,fn,sr,sl,miniL); % 獲得語(yǔ)音段 [real_f,ft,ax]=get_f(x,voicesegment,vos,wlen,inc); % 檢測(cè)頻率的結(jié)果 for i=1:length(real_f) real_f(i)=roundn(real_f(i),-4); end for i=1:length(real_f) real_node(i)=get_node(real_f(i)) end %**********************************繪圖部分******************************** subplot 211; stem(real_f); title(頻率檢測(cè)結(jié)果);xlabel(音符/個(gè));ylabel(頻率/Hz); subplot 212; stem(real_node,r); title(音符檢測(cè)結(jié)果);xlabel(音符/個(gè));ylabel(對(duì)應(yīng)按鍵); figure(2); subplot 211; plot(Ef); title(能熵比圖及語(yǔ)音起止點(diǎn));xlabel(幀數(shù)/個(gè));ylabel(能熵比); for i=1:length(voicesegment) text(voicesegment(i).begin,Ef(voicesegment(i).begin),o,color,g) text(voicesegment(i).end,Ef(voicesegment(i).end),o,color,r) end subplot 212, plot(time,x,k); title(語(yǔ)音信號(hào)端點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果) axis([0 max(time) -1 1]); ylabel(幅值); for k=1 : vos % 標(biāo)出有話段 nx1=voicesegment(k).begin; nx2=voicesegment(k).end; nxl=voicesegment(k).duration; fprintf(%4d %4d %4d %4d\n,k,nx1,nx2,nxl); subplot 212 line([frameTime(nx1) frameTime(nx1)],[-1 1],color,r,linestyle,-); line([frameTime(nx2) frameTime(nx2)],[-1 1],color,r,linestyle,--); end 其中的用到的子函數(shù): 1.calsample.m (調(diào)整采樣率和聲道) function sample = calsample(sampledata,FS) temp_sample = resample(sampledata,1,FS/11025); %調(diào)整采樣頻率 [~,n] = size(temp_sample); if (n == 2) %轉(zhuǎn)換成單聲道 sample = temp_sample(:,1); else sample = temp_sample; end end 2. Enframe.m (分幀函數(shù)) function f=Enframe(len,inc,x) %對(duì)讀入的語(yǔ)音進(jìn)行分幀,len為幀長(zhǎng), %inc為幀重疊樣點(diǎn)數(shù),x為輸入語(yǔ)音數(shù)據(jù) fh=fix(((size(x,1)-len)/inc)+1); %計(jì)算幀數(shù) f=zeros(fh,len); %設(shè)置一個(gè)零矩陣,行為幀數(shù),列為幀長(zhǎng) i=1; n=1; while i<=fh %幀間循環(huán) j=1; while j<=len %幀內(nèi)循環(huán) f(i,j)=x(n); j=j+1; n=n+1; end n=n-len+inc; %下一幀開(kāi)始位置 i=i+1; end 3. frame2time.m(坐標(biāo)刻度轉(zhuǎn)換) function frameTime=frame2time(frameNum,framelen,inc,fs) frameTime=(((1:frameNum)-1)*inc+framelen/2)/fs; % 求對(duì)應(yīng)的時(shí)間坐標(biāo) 4.get_segment.m(端點(diǎn)檢測(cè),確定音符段) function [voicesegment,vos,Ef]=get_segment(y,fn,sr,sl,miniL) if size(y,2)~=fn, y=y; end % 把y轉(zhuǎn)換為每列數(shù)據(jù)表示一幀語(yǔ)音信號(hào) wlen=size(y,1); % 取得幀長(zhǎng) for i=1:fn Sp = abs(fft(y(:,i))); % FFT取幅值 Sp = Sp(1:wlen/2+1); % 只取正頻率部分 Esum(i) = sum(Sp.*Sp); % 計(jì)算能量值 prob = Sp/(sum(Sp)); % 計(jì)算概率 H(i) = -sum(prob.*log(prob+eps)); % 求譜熵值 end hindex=find(H<0.1); H(hindex)=max(H); Ef=sqrt(1 + abs(Esum./H)); % 計(jì)算能熵比 Ef=Ef/max(Ef); % 歸一化 [x1,y1] = get_max(Ef); % 找到能熵比中的“高峰點(diǎn)” [x2,y2] = get_min(Ef); % 找到能熵比中的“低估點(diǎn)” voicesegment(1).begin = x1(1)-8; % 由于僅僅靠低谷點(diǎn)無(wú)法檢測(cè)出第一個(gè)音符起始位置, 因此將高峰點(diǎn)的第一個(gè)值左移8幀作為第一個(gè)音符的起始點(diǎn) voicesegment(1).end = x2(1)-sl; % 將第一個(gè)低谷點(diǎn)作為第一個(gè)音符的截止點(diǎn) voicesegment(1).duration=voicesegment(1).end -voicesegment(1).begin+1; % 一個(gè)音符的持續(xù)幀數(shù) j=1; for k=2 : length(x2) % 將找到的低谷點(diǎn)作為音符的起止點(diǎn) if x2(k)-x2(k-1)>=miniL % 剔除持續(xù)幀長(zhǎng)度小于miniL的音符段 j=j+1; temp1=x2(k-1)+sr; % 將低谷點(diǎn)右移sr個(gè)幀,作為一個(gè)音符的起始點(diǎn) voicesegment(j).begin=temp1; temp2=x2(k)-sl; % 將低谷點(diǎn)左移sl個(gè)幀,作為一個(gè)音符的截止點(diǎn) voicesegment(j).end=temp2; voicesegment(j).duration=voicesegment(j).end-voicesegment(j).begin+1; %音符持續(xù)幀數(shù) end end vos=length(voicesegment); %返回音符個(gè)數(shù) end 5.get_max.m(找到高峰點(diǎn)) function [max_x,max]=get_max(x) l=length(x); %獲得數(shù)組的長(zhǎng)度 max=[]; max_x=[]; j=1; for i=20:l-15 %找到“峰值點(diǎn)” if (x(i)>x(i-1))&&(x(i)>x(i-2))&&(x(i)>x(i-3))&&(x(i)>x(i-4))&&(x(i)>x(i-5))... &&(x(i)>x(i-6))&&(x(i)>x(i-7))&&(x(i)>x(i-8))&&(x(i)>x(i-9))&&(x(i)>x(i-10))... &&(x(i)>x(i-11))&&(x(i)>x(i-12))&&(x(i)>x(i-13))&&(x(i)>x(i-14))... &&(x(i)>x(i-15))&&(x(i)>x(i-16))&&(x(i)>x(i-17))... &&(x(i)>x(i+1))&&(x(i)>x(i+2))&&(x(i)>x(i+3))&&(x(i)>x(i+4))&&(x(i)>x(i+5))... &&(x(i)>x(i+6))&&(x(i)>x(i+7))&&(x(i)>x(i+8))&&(x(i)>x(i+9))&&(x(i)>x(i+10))... &&(x(i)>x(i+11))&&(x(i)>x(i+11))&&(x(i)>x(i+12))&&(x(i)>x(i+13))&&(x(i)>x(i+14))... &&(x(i)>x(i+15))&&(x(i)>x(i+16))... &&(x(i)>0.1) max_x(j)=i; %找到后賦值給返回參數(shù) max(j)=x(i); i=i+1; j=j+1; else i=i+1; end end end 6.get_min.m(找到低谷點(diǎn)) function [min_x,min]=get_min(x) l=length(x); %獲得數(shù)組的長(zhǎng)度 min=[]; min_x=[]; j=1; for i=100:l-10 %尋找低谷點(diǎn) if (x(i)- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問(wèn)題本站不予受理。
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