基于字典学习和稀疏表示的单通道语音增强算法综述*

如何从带噪语音信号中恢复出干净的语音信号一直都是信号处理领域的热点问题。近年来研究者相继提出了一些基于字典学习和稀疏表示的单通道语音增强算法,这些算法利用语音信号在时频域上的稀疏特性,通过学习训练数据样本的结构特征和规律来构造相应的字典,再对带噪语音信号进行投影以估计出干净语音信号。针对训练样本与测试数据不匹配的情况,有监督类的非负矩阵分解方法与基于统计模型的传统语音增强方法相结合,在增强阶段对语音字典和噪声字典进行更新,从而估计出干净语音信号。本文首先介绍了单通道情况下语音增强的信号模型,然后对4种典型的增强方法进行了阐述,最后对未来可能的研究热点进行了展望。     

基于稀疏编码和禁忌优化的故障信号抽取方法

为了克服经典正交匹配算法获取原子集时遍历冗余字典具有较大时间开销的缺点,提出了一种基于压缩感知理论和禁忌优化算法的的稀疏故障信号特征提取方法;首先引入了压缩感知模型并描述了基于信号稀疏表示的故障诊断原理,设计了满足RIP准则以最小化l₁范数为目标的稀疏信号解的求解方法,然后定义了一种基于正交匹配算法的稀疏信号重构算法,并以最小化余量为目标函数,采用改进的禁忌搜索算法在原子空间中搜索满足目标函数的最优原子集,最后,给出了基于稀疏编码和禁忌优化混合模型的故障信号提取算法;在Matlab仿真环境下对滚动轴承故障信号进行试验,仿真结果表明:文章方法能有效地对具有强噪声的故障信号进行稀疏重构,不仅具有较高的信噪比,而且具有较小的余量误差和仿真时间,与其它方法相比,具有较大的优越性。      

基于离散余弦变换的语音压缩采样和编码算法

针对语音无线通信中带宽资源受限的问题,提出基于压缩采样的低速率语音编码算法。以基尼系数为指标,比较不同稀疏变换域下语音信号的稀疏性,分析常见重构算法对语音信号压缩采样观测信号的重构特性。对标准耳蜗滤波器——伽马啁啾滤波器组的参数进行研究,并以梯度投影稀疏重建(GPSR)算法重构语音信号。利用语音质量感知评估(PESQ)、信噪比和主观听觉测试,对编解码后的合成语音信号进行了质量评估。实验表明,基于压缩感知的语音编码器以4 kbps的低速率对语音进行编码时,PESQ得分可达到3.16,计算复杂度相对较低,可以用于实际的语音编码环境。     

基于压缩感知的欠定源信号恢复算法比较

构建了基于压缩感知的欠定盲源分离源信号恢复模型,比较研究了基于互补匹配追踪算法(CMP)、基于L1范数的互补匹配追踪算法(L1CMP)和基于修正牛顿的径向基函数算法(NRASR)实现欠定源信号恢复的应用效果。结果表明:源信号时域充分稀疏情况下,CMP,L1CMP和NRASR的恢复效果接近,但L1CMP算法计算复杂度最低;变换域充分稀疏情况下,CMP和L1CMP恢复效果接近,NRASR恢复效果较差;时域非充分稀疏情况下,CMP效果较差,L1CMP和NRASR效果接近。综合考虑,L1CMP算法效果最佳;在观测信号数和源数较少的情况下,算法在时域恢复信号精度会下降;稀疏表示法结合压缩感知重构能够提高源信号恢复的效果。     

基于听觉感知的语音稀疏表示及压缩感知*

本文针对语音信号稀疏表示及压缩感知问题,将听觉感知引入稀疏系数筛选过程,用掩蔽阈值筛选重要系数,以得到更符合听觉感受的语音稀疏表示。通过对一帧浊音信号分别采用掩蔽阈值和能量阈值方法进行系数筛选对比实验,结果表明掩蔽阈值法具有更好的稀疏表示效果。为验证听觉感知对语音压缩感知性能的影响,与能量阈值法对照对测试语音进行压缩感知观测和重构,通过压缩比、信噪比、主观平均意见分等主客观指标评价其性能,结果表明,掩蔽阈值法可有效地提高压缩比且保证重构语音具有较高的主观听觉质量。     

基于压缩感知理论的PIE显微成像研究

为了克服PIE成像中所面临的数据量过大的问题,将压缩感知理论用于PIE成像。将采样到的衍射斑稀疏变换并压缩后,可以显著减少需要存贮的数据量。再现过程中选用子空间匹配追踪算法(SP)或者正交匹配追踪算法(OMP)重构出散射斑的原始分布,用常规的PIE算法进行图像重建。模拟和实验结果均表明,当压缩采样率在30%的时候就能重构出很好的图像。和OMP重构算法相比,SP算法更适合在PIE成像中应用。     

倒谱参数稀疏分解下的汉语音谎言检测

为了提高汉语语音的谎言检测准确率,提出了一种对信号倒谱参数进行稀疏分解的方法。首先,采用小波包滤波器组对语音信号进行多频带划分,求得子频带对数能量并进行离散余弦变换以提取小波包频带倒谱系数,结合梅尔频率谱系数得到倒谱参数;其次,依据K-奇异值分解方法分别利用说谎和非说谎两种状态下的语音倒谱参数集训练得到过完备混合字典,在此字典上根据正交匹配追踪算法对参数集进行稀疏编码提取稀疏特征;最终进行多种分类模型下的识别实验·实验结果表明,稀疏分解方法相比传统参数降维方法具有更好的优化性能,本文推荐的稀疏谱特征最佳识别率达到78.34%,优于其他特征参数,显著提高了谎言检测识别准确率。      

一种利用分布式传声器阵列的声源三维定位方法

为了提高噪声和混响条件下分布式传声器阵列进行声源定位的性能,提出一种利用空间稀疏性和压缩感知原理的声源三维定位方法。该方法首先通过两次离散余弦变换方式提取出声音信号特征,并用该特征来构建稀疏定位模型,以便能够综合利用语音信号的短时和长时特性,同时降低模型维数;然后利用在线字典学习技术动态调整字典,克服稀疏模型与实际信号之间的失配问题,增强稀疏定位模型的鲁棒性;进而提出一种改进的平滑l₀范数稀疏重构算法来进行声源位置解算,以提高低信噪比条件下的重构精度。仿真结果表明该方法不仅可以实现多目标定位,而且具有较强的抗噪声和抗混响能力.      

基于压缩感知和改进自适应正交匹配的稀疏信号重构

针对传统香农-奈奎斯特采样定理指出在保证原始信号重构精度的前提下,采样频率必须为原始信号频率的2倍,提出了一种基于压缩感知理论和改进的自适应正交匹配追踪算法的稀疏信号重构方法;首先引入了压缩感知模型和信号重构目标函数,然后在对经典正交匹配追踪类算法进行分析和总结的基础上,为克服其不足,设计了一种二次筛选支配原子集的方法,即通过计算信号的QR分解并计算具有最大势能的原子从而得到能量候选原子集,通过计算余量与原子的相关性选出相关性最大的原子从而得到相关候选原子集,并将能量候选原子集和相关候选原子集的交集作为最终支配原子集;最后定义了具体的采用自适应正交匹配算法实现信号重构的算法;在Matlab仿真环境下试验,结果表明:文章方法能有效地进行稀疏信号重构,具有较小的重构误差,且与其它方法相比,具有收敛速度快和重构效果好的优点。     

基于OMP算法的图像重构研究与FPGA实现

针对高分辨率的图像在采集过程中存在数据量较大的问题,提出了一种基于正交匹配追踪(OMP)算法的图像重构方法,设计了OMP算法的硬件结构,并在FPGA平台上进行了仿真验证;首先,研究了压缩感知算法的基本原理;然后,分别基于匹配追踪算法(MP)和正交匹配追踪算法实现了图像的重构;最后,通过仿真对比分析了这两种方法的图像重构结果,OMP算法误差在10-15量级,明显优于MP算法的10-3误差量级,并且OMP算法的迭代收敛性也优于MP算法。     

基于稀疏分解的大功率半导体激光器1/f噪声参数估计的新方法

本文结合1/f噪声信号功率谱随频率成反比变化的关系, 以及稀疏分解可以根据信号灵活构造原子库的特点, 提出一种基于稀疏分解估计大功率半导体激光器1/f噪声的新方法, 构造了具备1/f噪声特点的过完备库. 在该过完备库中通过Matching Pursuit(MP)算法完成了白噪声与1/f噪声混叠信号的稀疏分解. 实验结果显示:该方法估计出淹没在白噪声环境中1/f噪声的γ 参数, 与频谱分析仪的测量结果有较好的一致性, 通过对比不同的过完备库证明了所构造的过完备库的优越性.     

时频字典学习的单通道语音增强算法

针对以往语音增强算法在非平稳噪声环境下性能急剧下降的问题,基于时频字典学习方法提出了一种新的单通道语音增强算法。首先,提出采用时频字典学习方法对噪声的频谱结构的先验信息进行建模,并将其融入到卷积非负矩阵分解的框架下;然后,在固定噪声时频字典情况下,推导了时变增益和语音时频字典的乘性迭代求解公式;最后,利用该迭代公式更新语音和噪声的时变增益系数以及语音的时频字典,通过语音时频字典和时变增益的卷积运算重构出语音的幅度谱并用二值时频掩蔽方法消除噪声干扰。实验结果表明,在多项语音质量评价指标上,本文算法都取得了更好的结果。在非平稳噪声和低信噪比环境下,相比于多带谱减法和非负稀疏编码去噪算法,本文算法更有效地消除了噪声,增强后的语音具有更好的质量。      

结合幅度谱和功率谱字典的语音增强方法

从双路字典学习、噪声功率谱估计、语音幅度谱重构角度提出了一种改进的谱特征稀疏表示语音增强方法。在字典学习阶段,融合功率谱与幅度谱特征,采用区分性字典降低语音字典和噪声字典的相干性;在语音增强阶段,提出一种噪声功率谱估计方法对非平稳噪声进行跟踪估计;考虑到幅度谱和功率谱特征对不同噪声的适应程度不同,设计了语音重构权值表。对分别由幅度谱和功率谱恢复而来的两路信号进行自适应加权重构,结合相位补偿函数得到增强后的语音信号。实验结果表明,该方法在平稳、非平稳噪声环境下相比于单一谱特征的语音增强方法平均提高31.6%,改善了语音增强方法的性能。      

Matching pursuit of an adaptive impulse dictionary for bearing fault diagnosis

The sparse decomposition based on matching pursuit is an adaptive sparse expression of the signals. An adaptive matching pursuit algorithm that uses an impulse dictionary is introduced in this article for rolling bearing vibration signal processing and fault diagnosis. First, a new dictionary model is established according to the characteristics and mechanism of rolling bearing faults. The new model incorporates the rotational speed of the bearing, the dimensions of the bearing and the bearing fault status, among other parameters. The model can simulate the impulse experienced by the bearing at different bearing fault levels. A simulation experiment suggests that a new impulse dictionary used in a matching pursuit algorithm combined with a genetic algorithm has a more accurate effect on bearing fault diagnosis than using a traditional impulse dictionary. However, those two methods have some weak points, namely, poor stability, rapidity and controllability. Each key parameter in the dictionary model and its influence on the analysis results are systematically studied, and the impulse location is determined as the primary model parameter. The adaptive impulse dictionary is established by changing characteristic parameters progressively. The dictionary built by this method has a lower redundancy and a higher relevance between each dictionary atom and the analyzed vibration signal. The matching pursuit algorithm of an adaptive impulse dictionary is adopted to analyze the simulated signals. The results indicate that the characteristic fault components could be accurately extracted from the noisy simulation fault signals by this algorithm, and the result exhibited a higher efficiency in addition to an improved stability, rapidity and controllability when compared with a matching pursuit approach that was based on a genetic algorithm. We experimentally analyze the early-stage fault signals and composite fault signals of the bearing. The results further demonstrate the effectiveness and superiority of the matching pursuit algorithm that uses the adaptive impulse dictionary. Finally, this algorithm is applied to the analysis of engineering data, and good results are achieved.     

snapMRF: GPU-accelerated magnetic resonance fingerprinting dictionary generation and matching using extended phase graphs

Purpose:Magnetic resonance fingerprinting (MRF) is a state-of-the-art quantitative MRI technique with a computationally demanding reconstruction process, the accuracy of which depends on the accuracy of the signal model employed. Having a fast, validated, open-source MRF reconstruction would improve the dependability and accuracy of clinical applications of MRF.Methods:We parallelized both dictionary generation and signal matching on the GPU by splitting the simulation and matching of dictionary atoms across threads. Signal generation was modeled using both Bloch equation simulation and the extended phase graph (EPG) formalism. Unit tests were implemented to ensure correctness. The new package, snapMRF, was tested with a calibration phantom and an in vivo brain.Results:Compared with other online open-source packages, dictionary generation was accelerated by 10–1000× and signal matching by 10–100×. On a calibration phantom, T₁ and T₂ values were measured with relative errors that were nearly identical to those from existing packages when using the same sequence and dictionary configuration, but errors were much lower when using variable sequences that snapMRF supports but that competitors do not.Conclusion:Our open-source package snapMRF was significantly faster and retrieved accurate parameters, possibly enabling real-time parameter map generation for small dictionaries. Further refinements to the acquisition scheme and dictionary setup could improve quantitative accuracy.     

语音信号序列的Volterra预测模型

对给定的英语音素、单词和语句进行了采集并完成预处理. 分别应用互信息法和Cao 氏法确定了实际采集的语音信号序列的延迟时间和嵌入维数, 以完成语音序列的相空间重构. 通过计算实际采集的语音信号序列的最大Lyapunov指数, 完成了语音信号的混沌特性识别, 判定其具有混沌特性. 引入Volterra级数, 提出了一种具有显式结构的语音信号非线性预测模型. 为克服最小均方误差算法在Volterra模型系数更新时固有的缺点, 在最小二乘法基础上, 应用基于后验误差假设的可变收敛因子技术, 构建了一种基于Davidon-Fletcher-Powell算法的二阶Volterra 模型(DFPSOVF), 并将其应用于具有混沌特性的语音信号序列预测. 仿真结果表明: DFPSOVF非线性预测模型对于单帧和多帧语音信号均具有更好的预测精度, 优于线性预测模型, 并且能够很好地反映语音序列变化的趋势和规律, 完全可以满足语音预测的要求; 可以根据语音信号序列的嵌入维数选取预测模型的记忆长度. 所提出模型可以为语音信号重构和压缩编码开辟一条新途径, 以改善语音信号处理方法的复杂度和处理效果.     

MR fingerprinting reconstruction with Kalman filter

Magnetic resonance fingerprinting (MR fingerprinting or MRF) is a newly introduced quantitative magnetic resonance imaging technique, which enables simultaneous multi-parameter mapping in a single acquisition with improved time efficiency. The current MRF reconstruction method is based on dictionary matching, which may be limited by the discrete and finite nature of the dictionary and the computational cost associated with dictionary construction, storage and matching.In this paper, we describe a reconstruction method based on Kalman filter for MRF, which avoids the use of dictionary to obtain continuous MR parameter measurements. With this Kalman filter framework, the Bloch equation of inversion-recovery balanced steady state free-precession (IR-bSSFP) MRF sequence was derived to predict signal evolution, and acquired signal was entered to update the prediction. The algorithm can gradually estimate the accurate MR parameters during the recursive calculation. Single pixel and numeric brain phantom simulation were implemented with Kalman filter and the results were compared with those from dictionary matching reconstruction algorithm to demonstrate the feasibility and assess the performance of Kalman filter algorithm.The results demonstrated that Kalman filter algorithm is applicable for MRF reconstruction, eliminating the need for a pre-define dictionary and obtaining continuous MR parameter in contrast to the dictionary matching algorithm.     

扩散噪声下协方差矩阵重构的语音分离与降噪

针对传统多通道语音分离算法在扩散噪声下性能下降的问题,提出了一种用于语音分离及降噪的空间协方差模型及参数估计方法。该方法将扩散噪声视为独立声源,利用由导向矢量重构的空间协方差矩阵建模目标声源的空间特性,并通过空间协方差分析方法估计用于语音分离的多通道维纳滤波器。同时,还提出了一种联合该方法的后置滤波器参数框架,为输出信号降噪和失真的折中提供了更多选择。在扩散噪声下的单目标和多目标实验中,所提方法的语音提取和分离性能都优于对比算法,联合参数的后置滤波器可提供更为符合人们要求的降噪语音,验证了所提模型与参数估计方法的有效性。      

采用联合字典优化的噪声鲁棒性语音转换算法

针对含噪语音难以实现有效的语音转换,本文提出了一种采用联合字典优化的噪声鲁棒性语音转换算法。在联合字典的构成中,语音字典采用后向剔除算法(Backward Elimination algorithm,BE)进行优化,同时引入噪声字典,使得含噪语音与联合字典相匹配。实验结果表明,在保证转换效果的前提下,后向剔除算法能够减少字典帧数,降低计算量。在低信噪比和多种噪声环境下,本文算法与传统NMF算法和基于谱减法消噪的NMF转换算法相比具有更好的转换效果,噪声字典的引入提升了语音转换系统的噪声鲁棒性。