語音增強是語音信號處理研究領(lǐng)域的一個重要分支。在過去的幾十年中,有很多無監(jiān)督的語音增強方法被提出,它們主要是通過先估計噪聲的譜信息,然后從帶噪語譜中將估計的噪聲譜減掉以得到對干凈語音譜的預(yù)測。但是由于噪聲的隨機性和突變性,使得對噪聲的跟蹤和估計變得困難。同時在傳統(tǒng)的語音增強方法中,考慮到噪聲和語音間的相互作用關(guān)系很復(fù)雜,就需要一些對信號間的獨立性假設(shè)以及對特征分布的高斯性假設(shè),而這些假設(shè)通常是不合理的。首先,傳統(tǒng)的語音增強方法會殘留很多噪聲,甚至是音樂噪聲。其次,語音的細節(jié)也在較大程度上受到破壞,這主要體現(xiàn)在對低信噪比語音的增強中。再者,極端非平穩(wěn)噪聲一直是傳統(tǒng)語音增強方法中比較棘手的地方,因為非平穩(wěn)噪聲的突發(fā)性,使得它始終處于被欠估計狀態(tài),難以從帶噪語音中去掉,可實際聲學(xué)環(huán)境中,各種非平穩(wěn)噪聲又是大概率發(fā)生事件。最后,傳統(tǒng)的語音增強方法易引入一些非線性失真,使得其對后端的語音識別或語音編碼產(chǎn)生不良影響。 近年來,隨著深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Deep Neural Network, DNN)在語音識別領(lǐng)域的成功應(yīng)用,給了語音增強任務(wù)的研究人員很多啟發(fā)。DNN的深層非線性結(jié)構(gòu)可以被設(shè)計成一個精細的降噪濾波器。同時基于大數(shù)據(jù)訓(xùn)練,DNN可以充分學(xué)習(xí)帶噪語音和干凈語音之間的復(fù)雜的非線性關(guān)系。另外DNN的訓(xùn)練是離線學(xué)習(xí)的,如同人一樣,它能記住一些噪聲的模式,因而可以很好地抑制一些非平穩(wěn)噪聲。而在本論文中,我們提出一種幾乎無任何假設(shè)的基于DNN的語音增強方法,并針對實際環(huán)境中語音增強問題展開了一系列系統(tǒng)性的研究。 首先我們提出了基于DNN的語音增強方法框架,對數(shù)功率譜被用作訓(xùn)練DNN模型的特征。DNN則作為映射函數(shù),可以從帶噪語音中預(yù)測出干凈語音。而DNN的訓(xùn)練是分兩步進行的,即預(yù)訓(xùn)練和有監(jiān)督訓(xùn)練。預(yù)訓(xùn)練是基于受限玻爾茲曼機(Restricted Boltzmann Machine, RBM)的逐層貪婪式初始化,它可以防止DNN陷入局部最優(yōu)。而有監(jiān)督調(diào)優(yōu)可以精準(zhǔn)地學(xué)習(xí)帶噪語音和干凈語音之間的非線性關(guān)系。 其次,DNN是一種有監(jiān)督的學(xué)習(xí)模型,凡是有監(jiān)督的模型都存在如何應(yīng)對測試集不匹配問題,也即如何提升系統(tǒng)的泛化能力。上百種類型的噪聲數(shù)據(jù)被用來構(gòu)建大規(guī)模訓(xùn)練數(shù)據(jù),以此提高DNN模型對未見的測試噪聲環(huán)境的適應(yīng)性。同時我們發(fā)現(xiàn),通過此種方法,系統(tǒng)對非平穩(wěn)噪聲有非常強的抑制能力。噪聲告知訓(xùn)練也可以進一步地增強模型對測試噪聲環(huán)境的預(yù)見能力。而丟棄(Dropout)法可以防止訓(xùn)練出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象。另外,我們還針對DNN作為回歸模型出現(xiàn)的過平滑問題,提出了全局方差均衡方法以提升增強的語音的聽感。 再者,對測試中的不匹配帶噪語音需要做自適應(yīng),這個不匹配主要有：能量不匹配,噪聲環(huán)境不匹配和語言不匹配等方面。因此我們分別在特征層面,提出了均值移位方法,來解決測試語音的特征分布不一致的問題。而對于噪聲類型不匹配問題,我們提出了一種動態(tài)的噪聲告知訓(xùn)練方法,即先用IBM動態(tài)地估計每一幀的噪聲,然后用來輔助DNN的學(xué)習(xí)。語言不匹配問題,主要存在于跨語種測試的時候,由于不同語系發(fā)音上的差異性導(dǎo)致的丟音問題。我們提出了通過轉(zhuǎn)移學(xué)習(xí)的方法,來自適應(yīng)地解決這個問題。 最后,對數(shù)功率譜上的最小均方誤差是訓(xùn)練DNN的目標(biāo)函數(shù),但是直接去優(yōu)化這個目標(biāo)函數(shù)有一定困難的。我們提出了一種間接的目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化方式。考慮到對數(shù)功率譜域上的各個維度間是相互獨立的,因此我們把梅爾倒頻譜參數(shù)(Mel Frequency Cepstrum Coefficient, MFCC)融合到系統(tǒng)中來,讓DNN去聯(lián)合優(yōu)化對數(shù)功率譜特征和MFCC特征。利用MFCC的每個參數(shù)都包含了頻率各個維度間的相關(guān)性來限制對對數(shù)功率譜的估計,以得到一個在頻率各個維度上誤差更具有一致性的特征預(yù)測。除了MFCC這種連續(xù)性信息,我們還可以用一些具有分類特性的元信息來作為對對數(shù)功率譜預(yù)測的輔助項,比如IBM,它顯式地表征了當(dāng)前時間頻率單元是噪聲主導(dǎo)的還是語音主導(dǎo)的。另外,經(jīng)過聚類的噪聲編碼也用來輔助DNN對對數(shù)功率譜特征的學(xué)習(xí)。 在本論文的最后,我們給出了全文總結(jié),并對該課題的未來進行了展望。

【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN912.35;TP183
【目錄】：

【共引文獻】

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