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机器手语音识别控制的研究与实现

作　者: 马宁
导　师: 郁道银
学　校: 天津大学
专　业: 光学工程
关键词: 动态时间规整特定人嵌入式系统参考模版
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

微创手术是目前十分普遍的外科手术形式，它将手术器械和内窥镜通过体表上的微创孔送入人体，对人体内腔器官实施手术，其关键技术之一是内窥镜的稳定定位和对焦。传统的人工手持方式虽然在操作灵活性方面具有优势，但人工操作难以长时间维持某一固定姿势，从而导致图像抖动和模糊，影响医生正常诊断和治疗。内窥镜自动定位装置解决了以上问题。但传统的操作模式会增加医生的负担，影响手术效率。本文在自动定位装置的基础上，提出了智能化的语音识别控制方式。医生通过语音口令控制内窥镜的移动和定位，操作方式上更加方便快捷。根据系统实际应用环境，完成了语音自动控制系统的整体方案设计，研究了基于动态时间规整（DTW）的语音识别算法，并提出了归一化平均动态时间规整算法（NA-DTW）。与传统算法相比，系统识别率和计算速度都得到了提高和改善。以片上Windows CE操作系统和ARM为软硬件平台，实现了基于嵌入式的机器手语音自动控制功能。论文主要工作：研究分析国内外常用的语音识别算法，对不同算法的性能进行总结，根据内窥镜自动定位系统对语音识别算法的要求，完成语音识别系统方案设计，选择基于动态时间规整(DTW)的语音识别算法作为核心算法；对语音识别算法流程中的预处理、端点检测、特征参数提取、模式识别等模块进行深入研究。针对传统DTW存在的缺点，提出了改进的归一化平均动态时间规整算法（NA-DTW），使算法在识别率和运算速度上都获得了较大改善；以片上Windows CE操作系统和ARM（S3C2440）为软硬件平台，实现算法的嵌入式移植。通过Embedded Visual C++（EVC++）编译软件完成语音识别控制中应用程序、控制程序和用户操作界面的C语音程序编写。完成语音识别模块的嵌入式软件开发；完成识别算法的MATLAB仿真实验，验证了NA-DTW算法与传统DTW算法相比，识别率从96.6%提高到99.76%，运算时间从469ms缩短到241ms。完成嵌入式系统整体功能验证，测试了语音识别系统中端点检测和语音识别的实际效果，验证系统在嵌入式硬件中运行的有效性和可靠性。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-9
第一章绪论  9-16
  1.1 研究背景  10-12
    1.1.1 内窥镜自动定位装置  10-11
    1.1.2 语音识别技术  11-12
  1.2 课题研究目的和意义  12-13
  1.3 国内外研究现状  13-14
    1.3.1 国外研究现状  13-14
    1.3.2 国内研究现状  14
  1.4 论文的主要内容  14-15
  1.5 本章小结  15-16
第二章语音识别系统的概述  16-25
  2.1 语音信号处理的基础知识  16-19
    2.1.1 语音的声学特征  16-17
    2.1.2 语音信号的感知特性  17-18
    2.1.3 语音信号的线性产生模型  18-19
  2.2 语音识别的基本原理  19-21
    2.2.1 端点检测  20
    2.2.2 特征参数  20-21
  2.3 常用的语音识别算法  21-23
    2.3.1 矢量量化技术（VQ）  21-22
    2.3.2 动态时间规整（DTW）  22
    2.3.3 基于隐马尔可夫模型（HMM）  22-23
  2.4 系统选用的语音识别算法  23-24
  2.5 本章小结  24-25
第三章 NA-DTW 语音识别算法的研究  25-37
  3.1 NA-DTW 的语音识别算法  25
  3.2 预处理  25-28
    3.2.1 语音采样  26
    3.2.2 预加重  26
    3.2.3 分帧加窗  26-28
  3.3 端点检测  28-30
  3.4 特征参数提取  30-31
  3.5 动态时间规整（DTW）算法  31-34
  3.6 归一化平均改进算法  34-36
  3.7 本章小结  36-37
第四章机器手语音识别的嵌入式实现  37-53
  4.1 Windows CE 开发环境的简介  37-39
    4.1.1 Windows CE 应用程序的开发流程  37-38
    4.1.2 Embedded Visual C++ 编译环境的介绍  38-39
  4.2 机器手语音识别控制系统的结构  39-40
  4.3 机器手语音识别软件实现方案和设计流程  40-44
    4.3.1 语音识别处理模块的实现方案  40-41
    4.3.2 控制模块的设计流程  41-42
    4.3.3 用户控制界面的设计流程  42-44
  4.4 机器手语音识别软件开发过程  44-52
    4.4.1 录音模块  44-48
    4.4.2 识别模块  48-50
    4.4.3 控制模块  50-52
  4.5 本章小结  52-53
第五章系统验证与结果分析  53-65
  5.1 语音识别 MATLAB 仿真实验结果与分析  53-59
    5.1.1 端点检测 MATLAB 仿真结果  53-55
    5.1.2 DTW 算法仿真结果与分析  55-58
    5.1.3 NA-DTW 算法性能仿真结果与分析  58-59
  5.2 嵌入式系统验证  59-64
    5.2.1 录音模块  60
    5.2.2 端点检测  60-62
    5.2.3 语音识别  62-63
    5.2.4 控制实验  63-64
  5.3 本章小结  64-65
第六章总结与展望  65-67
  6.1 工作总结  65-66
  6.2 工作展望  66-67
参考文献  67-70
发表论文和参加科研情况说明  70-71
致谢  71

机器手语音识别控制的研究与实现

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