Речь – это неотъемлемая черта каждого человека, которая позволяет ему изучать окружающий мир, делиться с другими людьми своими знаниями и опытом. Благодаря голосовому аппарату человек может осуществлять речевые высказывания в звуковой форме, которые называются «устной речью». Индивидуальное строение голосовых органов характеризуется неповторимыми голосовыми характеристиками для каждого человека.

В связи с развитием информационных технологий и широким распространением средств связи открываются огромные возможности для использования голоса в качестве признака, с помощью которого можно будет устанавливать личность пользователя; помимо этого, голосовая идентификация очень удобна для конечных пользователей и не требует от них наличия сложного технического оборудования.

Средства и технологии голосовой идентификации прекрасно себя чувствуют во многих сферах: электронная коммерция, банковские технологии, криминалистика, безопасность, борьба с терроризмом и др.

В России в 2020 г. было установлено, что с использованием информационно-телекоммуникационных технологий было совершено более 500 тыс. преступлений. Из данных Министерства внутренних дел Российской Федерации следует, что это число на 73,4 % больше, чем было в предыдущем году. Около 410 тыс. преступлений из них были совершены путем кражи или мошенничества [1].

Нельзя забывать, что голос (так же, как и походка, почерк и т.п.) относится к так называемым «поведенческим» или «динамическим» идентификаторам, т.е. голос, под влиянием эмоциональных факторов (настроение человека) или состояния здоровья человека (насморк, бронхит, ангина и т.д.), склонен к серьезным изменениям, что в свою очередь может сильно повлиять на результат идентификации.

Также можно столкнуться и с другими проблемами, если распознавание проводится не в лабораторных условиях. Во-первых, аппаратура, которая записывает и обрабатывает голосовой сигнал, может вызывать искажения. Во-вторых, неизбежно наложение внешних акустических шумов на исходный сигнал, которые могут сильно повлиять на необходимые для идентификации характеристики. Поэтому достичь высокой точности и надежности идентификации – очень сложная задача.

Методы распознавания акустического сигнала бывают дикторозависимые и недикторозависимые [2]. Описываемый в работе метод относится к классу дикторозависимых методов распознавания, который учитывает голосовые признаки диктора. Для исследования голосового сигнала в дикторозависимых методах обычно используют кепстральный анализ [3, 4], который, по сути, является анализом спектра исследуемого сигнала, называемый «кепстром» [5].

Множество работ известных авторов посвящены теории обработки сигнала и методам идентификации диктора. Среди них работы таких авторов, как Матвеев [6], Dehak [7], Раев [8], Пеховский [9] и Симончик [10].

На основе сказанного ранее можно прийти к мнению, что нет сомнений в актуальности автоматизации процесса идентификации пользователя по голосу.

Цель исследования: повышение надежности голосовой идентификации личности в условиях внешнего механического шума.

Материалы и методы исследования

Преобразование Фурье для сигнала используется для получения информации, которая недоступна в исходном виде [11]. Большинство сигналов представляются во временной области, т.е. сигнал представляет зависимость амплитуды от времени. Такое представление не является лучшим, потому что наиболее значимая информация скрыта в частотной области. Преобразование Фурье позволяет перейти от временного представления сигнала к частотному. Временное и частотное измерение представлено на рис. 1.

Интегральное преобразования Фурье задается следующей формулой:

. (1)

Цифровая обработка сигналов работает сигналами с дискретными преобразованиями. Поэтому будет удобно представить сигнал в дискретном виде, воспользовавшись преобразованием Фурье:

. (2)

Необходимо отметить, что существуют недостатки разложения сигналов в ряды Фурье. Поэтому предпочтительнее использовать оконное преобразование Фурье с движущейся по сигналу оконной функцией. Преобразование Фурье выполняется для каждого окна (фрагмента) исходного сигнала, который предварительно был разделен на равные по длительности фрагменты (рис. 2). Тем самым выполняется переход к частотно-временному представлению сигналов, при этом в пределах каждого фрагмента сигнал считается стационарным. Этот способ помогает получать, анализировать и строить в виде спектрограмм динамические спектры и исследовать их поведение во времени. Спектрограмма строится в трех координатах – частота, время и амплитуда.

Рис. 2. Разбиение голосового сигнала на фрагменты

Поскольку анализируемый сигнал не является периодическим, приходится на следующем этапе умножать каждый фрагмент на оконную функцию, устраняющую разрывы на границах периодов. В качестве оконной функции мы выбрали функцию Хэмминга:

. (3)

График, на котором изображена функция Хэмминга, представлен на рис. 3.

Рис. 3. Функция Хэмминга

Оконное преобразование Фурье (ОПФ) в интегральном виде задается следующей формулой:

. (4)

Формула ОПФ в дискретном виде:

(5)

Высота звука, которую человек воспринимает, не связана линейно с его частотой, она связана с тембром и уровнем громкости. Поэтому для измерения высоты воспринимаемого звука была придумана величина «мел».

Рис. 4. График зависимости высоты звука в мелах от частоты колебаний

Переход к новой шкале описывается зависимостью

(6)

График зависимости высоты звука в мелах от частоты колебаний изображен на рис. 4.

Вектор признаков будет состоять из мел-кепстральных коэффициентов. Вычисляются они по формуле

(7)

Задача классификации решалась методом городских кварталов «манхэттенское расстояние», т.е. вычислением расстояния от вектора признаков анализируемого сигнала p до вектора признаков q вектора шаблона:

. (8)

Результаты исследования и их обсуждение

В ходе работы на языке ????# был создан прототип системы распознавания, интерфейс которой приведен на рис. 5.

Рис. 5. Интерфейс программы идентификации диктора по голосу

Результаты серии экспериментов по определению вероятности правильного распознавания приведены в таблице.

Вероятности правильной идентификации дикторов

Заключение

В данной работе было проведено изучение использования систем голосовой биометрии в информационных системах. Были рассмотрены алгоритмы кепстрального анализа. Создан прототип системы распознавания, основанной на использовании мел-кепстрального анализа спектра голосового сигнала. Приведены результаты вероятности правильного распознавания.