基于Julius的機(jī)器人語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)建

摘要：隨著機(jī)器人技術(shù)不斷發(fā)展，本文提出機(jī)器人的語(yǔ)音識(shí)別這一智能人機(jī)交互方式。在研究了基于HMM語(yǔ)音識(shí)別基本原理的情況下，在實(shí)驗(yàn)室的機(jī)器人平臺(tái)上，利用HTK和Julius開源平臺(tái)，構(gòu)建了一個(gè)孤立詞的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)。利用該語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)可以提取語(yǔ)音命令用于機(jī)器人的控制。
關(guān)鍵詞：機(jī)器人；語(yǔ)音識(shí)別；HMM；HTK；Julius

引言
    隨著現(xiàn)代科技和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們?cè)谂c機(jī)器的信息交流中，需要一種更加方便、自然的交互方式，實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的語(yǔ)音交互，讓機(jī)器聽懂人話是人們夢(mèng)寐以求的事情。語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，使得這一理想得以實(shí)現(xiàn)，把語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)與機(jī)器人控制技術(shù)相結(jié)合，正成為目前研究的熱點(diǎn)，不但具有較好的理論意義，而且有較大的實(shí)用價(jià)值。
    語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人系統(tǒng)大多是針對(duì)特定的環(huán)境，設(shè)計(jì)出語(yǔ)音命令來(lái)進(jìn)行控制的。只需要對(duì)幾十個(gè)字或詞的命令行進(jìn)語(yǔ)音識(shí)別，便可使得原本需要手工操作的工作由語(yǔ)音輕松完成。本文針對(duì)現(xiàn)有機(jī)器人平臺(tái)，設(shè)計(jì)一個(gè)非特定人的孤立詞語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)。

1 語(yǔ)音識(shí)別原理及JuliUS簡(jiǎn)介
1．1 基于HMM的語(yǔ)音識(shí)別原理
    語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)是一種模式識(shí)別系統(tǒng)，系統(tǒng)首先對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分析，得到語(yǔ)音的特征參數(shù)，然后對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行處理，形成標(biāo)準(zhǔn)的模板。這個(gè)過程稱為訓(xùn)練或?qū)W習(xí)。當(dāng)有測(cè)試語(yǔ)音進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)將對(duì)這些語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理，然后進(jìn)行參考模板的匹配，得出結(jié)果。此時(shí)便完成了語(yǔ)音識(shí)別的過程。
    目前，HMM作為語(yǔ)音信號(hào)的一種統(tǒng)計(jì)模型，是語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的主流建模方法，正在語(yǔ)音處理各個(gè)領(lǐng)域中獲得廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在許多商用語(yǔ)音軟件，以及各種具有優(yōu)良性能的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，都是在此模型上開發(fā)的，已經(jīng)形成了完整的理論框架。
    基于HMM模式匹配算法的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)表現(xiàn)為：在訓(xùn)練階段，采用HMM訓(xùn)練算法為每一個(gè)詞條建立一個(gè)HMM模型。詞條經(jīng)過反復(fù)訓(xùn)練后，將得到的對(duì)應(yīng)HMM模型加入HMM模型庫(kù)中以數(shù)據(jù)的形式保存。在匹配階段，也就是識(shí)別階段，采用HMM匹配算法將輸入的未知語(yǔ)音信號(hào)與訓(xùn)練階段得到的模型庫(kù)中的模型進(jìn)行匹配，輸出語(yǔ)音識(shí)別的結(jié)果。
1．2 JuliUS簡(jiǎn)介
    Julius是日本京都大學(xué)和日本IPA(Information-tech-nology Promotion Agency)聯(lián)合開發(fā)的一個(gè)實(shí)用高效雙通道的大詞匯連續(xù)語(yǔ)音識(shí)別引擎。目前已經(jīng)能較好地應(yīng)用于日語(yǔ)和漢語(yǔ)的大詞匯量連續(xù)的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)。Julius由純C語(yǔ)言開發(fā)，遵循GPL開源協(xié)議，能夠運(yùn)行在Lin-ux、Windows、Mac：OS X、Solaris以及其他Unix平臺(tái)。Julius最新的版本采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，使得各功能模塊可以通過參數(shù)配置。
    Julius的運(yùn)行需要一個(gè)語(yǔ)言模型和一個(gè)聲學(xué)模型。利用Julius，通過結(jié)合語(yǔ)言模型和聲學(xué)模型，可以很方便地建立一個(gè)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)。語(yǔ)言模型包括一個(gè)詞的發(fā)音字典和語(yǔ)法約束。Julius支持的語(yǔ)言模型包括：N-gram模型，以規(guī)則為基礎(chǔ)的語(yǔ)法和針對(duì)孤立詞識(shí)別的簡(jiǎn)單單詞列表。聲學(xué)模型必須是以分詞為單位且由HMM定義的。
    應(yīng)用程序可以有兩種方式與Julius交互：一種是基于套接字的服務(wù)器一客戶端通信方式，另一種是基于函數(shù)庫(kù)的嵌入方式。在這兩種情況下，要識(shí)別過程結(jié)束，識(shí)別結(jié)果就被送入應(yīng)用程序中，應(yīng)用程序就能得到Julius引擎的現(xiàn)有狀態(tài)和統(tǒng)計(jì)，并可以操作官。Julius概述如圖1所示。

2 系統(tǒng)框架
2．1 硬件結(jié)構(gòu)
    在語(yǔ)音識(shí)別的機(jī)器狗控制系統(tǒng)中Atom Z510為訓(xùn)練學(xué)習(xí)機(jī)大腦(1．1 GHz主頻的Intel Atom Z510嵌入式控制平臺(tái))，它主要完成語(yǔ)音識(shí)別的功能。PXA270控制器(Intel公司于2003年底推出的性能強(qiáng)勁的PXA27x系列嵌入式處理器，基于ARMv5E的XScale內(nèi)核，最高頻率可達(dá)624MHz)作為機(jī)器狗本體上的核心智能控制器，接收Atom Z510識(shí)別后的結(jié)果，發(fā)出控制命令。ATmega128控制器(Atmel公司的8位系列單片機(jī)中的一種，運(yùn)行頻率16 MHz)完成基于串行總線的數(shù)字舵機(jī)控制，完成對(duì)機(jī)器狗的前后腿以及尾巴等關(guān)節(jié)控制。機(jī)器狗硬件結(jié)構(gòu)平臺(tái)如圖2所示。

2．2 軟件結(jié)構(gòu)
    整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)包括3個(gè)模塊：Julius語(yǔ)音識(shí)別模塊、GUI人機(jī)界面、機(jī)器人控制模塊。Julius將識(shí)別的語(yǔ)音命令提交給GUI模塊，并在GUI上顯示；同時(shí)GUI將語(yǔ)音命令轉(zhuǎn)化為動(dòng)作控制命令并發(fā)給機(jī)器人控制模塊；GUI還可以控制Julius的啟動(dòng)和停止。其中機(jī)器人控制模塊主要在PXA270上，而語(yǔ)音識(shí)別和GUI是在Atom Z510上。系統(tǒng)軟件模型如圖3所示。

3 語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)建
    一個(gè)完整的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)一般包括3部分：聲學(xué)模型、語(yǔ)言模型和識(shí)別器。在本系統(tǒng)中只建立基于控制命令(動(dòng)詞)的識(shí)別語(yǔ)法，其他詞忽略，因此沒有構(gòu)建語(yǔ)言模型；識(shí)別器采用Julius開源平臺(tái)，此部分只用配置參數(shù)和相關(guān)文件。本文主要工作是聲學(xué)模型訓(xùn)練和語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)建。
3．1 聲學(xué)模型訓(xùn)練
    聲學(xué)模型是識(shí)別系統(tǒng)的底層模型，是語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一部分，它是每個(gè)聲學(xué)單元的聲學(xué)模型參數(shù)集合。本系統(tǒng)的聲學(xué)模型是使用HTK對(duì)采集的語(yǔ)音庫(kù)進(jìn)行多次迭代訓(xùn)練后提取的，基于詞的聲學(xué)特征向量集。HTK(HMM Tools Kit)是由英國(guó)劍橋大學(xué)工程系的語(yǔ)音視覺和機(jī)器人技術(shù)工作組(Speech Vision and Robotics Group)開發(fā)，專門用于建立和處理HMM的實(shí)驗(yàn)工具包，主要應(yīng)用于語(yǔ)音識(shí)別領(lǐng)域，也可用于語(yǔ)音模型的測(cè)試和分析。其具體訓(xùn)練步驟如下：
    (1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備
    收集漢語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)普通話的語(yǔ)料庫(kù)，并將語(yǔ)料庫(kù)中的語(yǔ)音標(biāo)記，創(chuàng)建語(yǔ)音識(shí)別單元元素列表文件。
    (2)特征提取
    本系統(tǒng)采用MFCC進(jìn)行語(yǔ)音的特征參數(shù)提取，訓(xùn)練中將每一個(gè)語(yǔ)音文件用工具HCopy轉(zhuǎn)換成MFCC格式。
    (3)HMM定義
    在訓(xùn)練HMM模型時(shí)要給出模型的初始框架，本系統(tǒng)中的HMM模型選擇同一個(gè)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。該模型包含4個(gè)活動(dòng)狀態(tài){S2，S3，S4，S5)，開始和結(jié)束(這里是S1．S6)，是非發(fā)散狀態(tài)。觀察函數(shù)bi是帶對(duì)角矩陣的高斯分布，狀態(tài)的可能轉(zhuǎn)換由aij表示。

    (4)HMM訓(xùn)練
    本系統(tǒng)先使用HInit工具對(duì)HMM模型進(jìn)行初始化，再用HCompv工具來(lái)對(duì)模型進(jìn)行平坦初始化。HMM模型的每個(gè)狀態(tài)給定相同的平均向量和變化向量，在整個(gè)訓(xùn)練集上全局計(jì)算而得。最后用HRest的多次估計(jì)迭代，估計(jì)出HMM模型參數(shù)的最佳值，經(jīng)多次迭代，將訓(xùn)練得到的單個(gè)HMM模型整合到一個(gè)hmmsdef．mmf文件中。聲學(xué)模型HTK訓(xùn)練流程如圖5所示。

3．2 Julius應(yīng)用
3．2．1 Julius部署
    在本系統(tǒng)中語(yǔ)音識(shí)別部分是部署在Atom Z510上，而Atom Z510上首先需要移植linux操作系統(tǒng)(本系統(tǒng)采用的是ubuntu8．10)以上步驟在此不詳細(xì)介紹，文獻(xiàn)中有詳細(xì)說明。語(yǔ)音識(shí)別的核心部分是Julius識(shí)別器，需要將Julius源碼編譯部署到Atom Z510平臺(tái)。其步驟如下：
    ①要確保linux系統(tǒng)中有以下支持庫(kù)：Zlib、flex、OSS音頻驅(qū)動(dòng)接口、ESounD和libsndfile。
    ②從Julius官網(wǎng)下載源代碼Julius-4．1．5。
    ③解壓：tar-zxjf julius-4．1．5。
    ④編譯：％．／configure，％make，％make install。
3．2．2 Julius配置
    Julius全部采用C語(yǔ)言代碼實(shí)現(xiàn)，采用模塊化設(shè)計(jì)方式，而且各功能模塊可配置。在使用前需要將配置參數(shù)寫入jconf文件，此文件作為運(yùn)行參數(shù)載入系統(tǒng)，系統(tǒng)掃描參數(shù)配置并啟動(dòng)各功能塊。其中重點(diǎn)介紹以下幾個(gè)配置參數(shù)：
    ◆-dfa rtdog．dfa，指定語(yǔ)法文件rtdog．dfa；
    ◆-v rtdog．dict，指定字典文件；
    ◆-h rtdog．binhmm，指定HMM模型文件；
    ◆-lv 8000，設(shè)定音頻的閾值便于濾去噪音；
    ◆-rejectshort 600，設(shè)定最小的語(yǔ)音長(zhǎng)度；
    ◆-input mic，設(shè)定語(yǔ)音的輸入方式為microphone。
3．3 語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．3．1 GUI設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)為了方便測(cè)試，采用QT4的圖形庫(kù)來(lái)開發(fā)人機(jī)界面(GUI)，同時(shí)加入了手動(dòng)控制的按鈕。其總體功能如圖6所示。通信線程是本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸樞紐，十分重要。在QT中通過對(duì)線程類QThread繼承來(lái)實(shí)現(xiàn)新的線程設(shè)計(jì)。該類提供了創(chuàng)建一個(gè)新線程以及控制線程運(yùn)行的各種方法。線程是通過QThread：：run()重載函數(shù)開始執(zhí)行的。在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了1個(gè)數(shù)據(jù)通信線程，用它來(lái)不斷地讀取共享內(nèi)存中的語(yǔ)音命令，然后將其轉(zhuǎn)化為控制命令傳給機(jī)器人控制模塊。

3．3．2 模塊間通信
    由于系統(tǒng)的3個(gè)模塊不在同一個(gè)平臺(tái)上部署，運(yùn)行過程中需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。GUI和Julius都部署在Atom Z510平臺(tái)上，但屬于2個(gè)進(jìn)程，它們之間可以通過共享內(nèi)存來(lái)交互數(shù)據(jù)。而GUI和機(jī)器人控制模塊就需要通過網(wǎng)絡(luò)通信來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。這里采用的是基于TCP的socket編程接口來(lái)實(shí)現(xiàn)模塊間的通信，模塊間通信流程如圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試
    演示系統(tǒng)界面如圖8所示。本文使用大量的語(yǔ)音樣本來(lái)完成HTK的訓(xùn)練和模式構(gòu)建，語(yǔ)音樣本采用16 kHz采樣，16位量化。獨(dú)立的語(yǔ)音識(shí)別測(cè)試中，將訓(xùn)練集以及測(cè)試集中語(yǔ)音樣本和識(shí)別結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。本文語(yǔ)音樣本的內(nèi)容包括訓(xùn)練集(語(yǔ)料庫(kù)中的語(yǔ)音成分)和測(cè)試集(本實(shí)驗(yàn)中采集的語(yǔ)音)。由于本系統(tǒng)只用提取語(yǔ)音命令，不需要完整句子的識(shí)別，所以沒有針對(duì)句子做測(cè)試。

    本文對(duì)于訓(xùn)練集基于詞的識(shí)別率為71．7％，測(cè)試集基于詞的識(shí)別率為56．5％，測(cè)試結(jié)果如表1所列。

    表中各符號(hào)所表示的意義如下所示：
    H，正確；S，替代錯(cuò)誤；D，刪除錯(cuò)誤；I，插入錯(cuò)誤；N，標(biāo)記文件中單元總數(shù)；SENT，句子，WORD：基本單元。
   

結(jié)語(yǔ)
    本文在給定的實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人平臺(tái)上，設(shè)計(jì)了基于語(yǔ)音控制的機(jī)器狗系統(tǒng)。其中，語(yǔ)音識(shí)別子系統(tǒng)通過HTK和Julius的開源平臺(tái)構(gòu)建而成。經(jīng)過測(cè)試分析，該系統(tǒng)能夠較好地識(shí)別人發(fā)出的語(yǔ)音命令，簡(jiǎn)化了機(jī)器人的操作，使機(jī)器與人的交互更加智能化。