CN103390305B - 文本提示型声纹门禁系统 - Google Patents

Abstract

文本提示型声纹门禁系统，涉及门禁系统。提供一种加入嵌入式声纹识别系统的文本提示型声纹门禁系统。设有主处理器、触摸屏模块、语音采集模块、语音输出模块、存储模块、RS232通信接口模块、电源和电控锁。所述触摸屏模块与主处理器的输入输出端口连接，语音采集模块的输出端接主处理器的输入端口，语音输出模块的输入端接主处理器的输出端口，存储模块和RS232通信接口模块分别与主处理器的输入输出端口连接，电源为主处理器、触摸屏模块、语音采集模块、语音输出模块、存储模块、RS232通信接口模块和电控锁提供电源，电控锁与RS232通信接口模块连接。

Description

文本提示型声纹门禁系统

技术领域

本发明涉及门禁系统，尤其是涉及一种文本提示型声纹门禁系统。

背景技术

所谓声纹（Voiceprint），是用电声学仪器显示的携带言语信息的声波频谱。人的发声系统由声带、口腔、鼻腔、舌、齿、唇、肺等45个生理结构各有差异的“构件”组成，而每个“构件”因讲话习惯和方法各不相同，在发声时又可取100种不同的“姿势”，结果就使每个人都有独具一格的声音特征。现代科学研究表明，声纹既具有特定性，又具有稳定性。成年以后，人的声音可保持长期相对稳定不变。实验证明，无论讲话者是故意模仿他人声音和语气，还是耳语轻声讲话，即使模仿得惟妙惟肖，其声纹却始终相同。声纹是人的生物个性特征，几乎不存在声纹完全一样的两个人。

根据对于语音内容的限制，声纹识别可以分为三类：(1)文本相关（Text-Dependent，TD），即要求验证语音与注册语音所对应的文本内容完全一致；（2）文本无关（Text-Independent，TI），即不要求验证语音与注册语音所对应的文本内容一致；(3)文本提示型（Text-Prompt，TP），即要求验证语音文本内容为系统随机指定的文本，该文本不一定与注册语音所对应的文本内容一致。其中，文本提示型可以有效的防止录音冒充问题。

目前市场上的门禁产品种类繁多，应用技术上可分为刷卡类和生物识别类两种。刷卡类主要包括磁卡，条形卡，IC卡三类；生物识别类主要包括指纹门禁和虹膜门禁两类。传统的刷卡类门禁虽然价格相随较低，但是使用时间过久就会产生磁卡和磁头损坏的情况，卡片成本和机械故障率也比较高，而且还存在一些问题，比如“代打卡问题”，“卡丢失问题”，“一卡多用问题”。新型的生物识别技术类门禁，成本较高，对使用者要求也比较高，在指纹识别过程中，如果手指沾有灰尘，划伤，摆放位置不准确等很容易被拒识，而且在识别过程中指纹接触性也让人感觉不卫生。

中国专利CN1936967公开一种声纹考勤机，其语音采集模块采用说话人输入的语音ID号码口令，将其转换成数字信号，并把数字信号传送至语音处理模块；语音预处理模块对输入语音的数字信号进行语音分析处理，并输出处理得到的语音的微特征参数传送至训练模块；训练模块接收语音预处理的数据，对指定的语音样本进行训练，形成声纹考勤模板，存入存储系统模块中的员工档案中；考勤时，识别模块调用存储系统中的利用训练模块生成的现有声纹考勤模板和从语音预处理模块得到的说话人语音微特征参数，找出合法ID，进入声纹识别模块进行说话人确认，声纹识别模块识别出说话人，找出说话人所对应的ID号，在将这个ID号所对应的员工信息显示在液晶显示模块的显示屏上。中国专利CN101064043公开一种声纹门禁系统，包括微处理器、指示灯、键盘模块、内存、数据存储器、语音芯片、串行通讯接口模块和程序存储器；微处理器、门磁模块、防拆模块、报警模块和开锁模块；其中微处理器分别连接指示灯和键盘模块，且与程序存储器、内存、数据存储器、语音芯片和串行通讯接口模块互相连接；微处理器分别连接门磁模块、防拆模块、报警模块和开锁模块；微处理器和微处理器互相连接。该嵌入式声纹门禁系统的缺点是，存在录音冒充问题，严重影响门禁的安全性，另外门禁模块内嵌至门锁内，无可视化操作界面，用户使用不方便、接受程度不高。

中国专利CN102708867A公开一种基于声纹和语音的防录音假冒身份识别方法，根据用户读取带用户ID的固定文本的语音建立用户的声纹模型和语音模型，并保存该带用户ID的固定文本和声纹模型及语音模型；提示文本生成；在待识别人读出提示文本时，采集待识别人的语音；对采集的待识别人语音与保存的用户声纹模型进行识别，并根据保存的语音模型对待识别人语音进行识别，如果声纹识别和语音识别都成功，则接受待识别人身份，否则不接受。中国专利CN102314877A公开一种字符内容提示的声纹识别方法，步骤一、通过随机种子产生一个长度为N的随机字符串，N为≥2的正整数；步骤二、每次显示一个字符，检测是否已完成单个字符的录音，如果已完成单个字符的录音再弹出下一个字符，直至最后一个字符被录音；步骤三、完成整个字符串的录音后，进行声纹验证。该项防录音冒充方法的缺点是，文本提示型声纹识别过程分为了声纹识别和语音识别两个过程，两个过程均需要采集用户语音，不仅使验证时间变长，而且需要专门的语音识别系统，增加用户的使用负担，使用过程较为复杂。

发明内容

本发明的目的在于针对现有嵌入式门禁对录音冒充的防止能力较弱、步骤较为繁琐等问题，提供一种加入嵌入式声纹识别系统的文本提示型声纹门禁系统。

本发明设有主处理器、触摸屏模块、语音采集模块、语音输出模块、存储模块、RS232通信接口模块、电源和电控锁；

所述触摸屏模块与主处理器的输入输出端口连接，语音采集模块的输出端接主处理器的输入端口，语音输出模块的输入端接主处理器的输出端口，存储模块和RS232通信接口模块分别与主处理器的输入输出端口连接，电源为主处理器、触摸屏模块、语音采集模块、语音输出模块、存储模块、RS232通信接口模块和电控锁提供电源，电控锁与RS232通信接口模块连接。

所述语音采集模块的输出端与主处理器的输入端口之间可设有语音预处理模块、语音注册模块和声纹验证模块，语音采集模块的输出端接语音预处理模块的输入端，语音预处理模块的输出端接语音注册模块的输入端和声纹验证模块的输入端，语音注册模块的输出端接声纹验证模块的输入端，声纹验证模块的输出端接主处理器的输入输出端口。

所述RS232通信接口模块与主处理器的输出端口之间可设有信号接收模块、信息确认模块和信号发送模块，信号接收模块接主处理器的输出端口，获得主处理器的处理结果，信号确认模块连接信号信号接收模块，对接收到的信号进行确认，信号发送模块连接信号确认模块，根据信号确认结果信号发送模块向电控锁发送开门或拒绝开门信号。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用基于Android平台的嵌入式系统进行文本提示型的声纹识别，不仅工作性能稳定，人机界面良好，操作简单易行，并且利用验证语音的随机性和声纹识别确保门禁的安全性，克服了原有嵌入式声纹门禁方案对录音冒充等因素比较敏感的问题，使得声纹验证更加可靠，同时简化了原有语音+声纹模式下需要两次语音采集的过程，不需要语音识别，更加方便用户使用，更适合在实际环境中应用。

2、本发明基于Android平台的可视化操作，增强了人机交互，简化了用户操作，可以和智能移动终端进行无缝连接，更具远程操作和远程身份验证的推广价值。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成示意图。

图2为本发明实施例的语音处理过程框架图。

图3为本发明实施例的语音注册过程。

图4为本发明实施例的声纹识别过程。

图5为本发明实施例的文本提示型声纹门禁系统的整体工作流程图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1～5，本发明实施例设有主处理器1、触摸屏模块2、语音采集模块3、语音输出模块4、存储模块5、RS232通信接口模块6、电源7和电控锁8。所述触摸屏模块2与主处理器1的输入输出端口连接，语音采集模块3的输出端接主处理器1的输入端口，语音输出模块4的输入端接主处理器1的输出端口，存储模块5和RS232通信接口模块6分别与主处理器1的输入输出端口连接，电源7为主处理器1、触摸屏模块2、语音采集模块3、语音输出模块4、存储模块5、RS232通信接口模块6和电控锁8提供电源，电控锁8与RS232通信接口模块6连接。

所述语音采集模块3的输出端与主处理器1的输入端口之间可设有语音预处理模块31、语音注册模块32和声纹验证模块33，语音采集模块3的输出端接语音预处理模块31的输入端，语音预处理模块31的输出端接语音注册模块32的输入端和声纹验证模块33的输入端，语音注册模块32的输出端接声纹验证模块33的输入端，声纹验证模块33的输出端接主处理器1的输入输出端口。

所述RS232通信接口模块6与主处理器1的输出端口之间可设有信号接收模块、信息确认模块和信号发送模块，信号接收模块接主处理器1的输出端口，获得主处理器1的处理结果，信号确认模块连接信号信号接收模块，对接收到的信号进行确认，信号发送模块连接信号确认模块，根据信号确认结果信号发送模块向电控锁8发送开门或拒绝开门信号。

本发明在传统的门禁系统中加入嵌入式文本提示型声纹系统，通过系统随机给出的N位（如4位）数字语音提示验证者进行跟读，将采集的跟读语音与注册语音进行声纹识别验证，如果得分超过设定阈值（即验证通过），则发送开门信号并提示用户开门，如果验证没通过，则提示用户重新验证。在图1中，标记A表示输入功能，B表示显示功能。

本发明的创新点还在于，有两种认证方式可供用户自由选择：其一，文本提示型声纹识别验证方式，如图2所示，这种方式的安全级别较高，适用于安全需求较高的场合；其二，密码方式，与传统的密码门禁方式完全一样。通过这样两种认证方式，用户可以根据实际情况自由地配置整个门禁系统。同时，在文本提示型声纹识别验证方式中，将现有的文本提示型声纹识别过程的两个步骤整合到一个步骤中进行，简化了用户的操作和配合，易用性更好。

本发明是通过以下方法实现的：

1.先在门禁系统管理员模式下，通过触摸屏模块操作进入系统注册功能，进行新用户的注册，同时语音输出模块进行注册提醒和说明；

2.注册过程如图3所示，通过语音采集模块采集说话人输入的语音口令（顺序朗读0～9），系统将其转化为数字信号，并把数字信号传送至语音处理模块；

3.语音预处理模块对输入语音的数字信号进行语音分析处理，包括语音口令检测，静音处理，预加重，加窗，分帧，去噪，对语音进行分割，将分割后得到的每个数字语音片段传送到存储系统模块中；

4.存储模块接收到这些语音片段，将其存入存储系统模块中，语音输出模块提醒注册成功，同时通过触摸屏模块显示出注册者所分配到的ID号；

5.验证时，通过触摸屏模块触发声纹验证功能，系统会随机产生一个N位（建议N=4）的数字串，同时语音处理模块根据产生的这N位数字调用存储模块内每个注册ID所对应的存储空间内相应的N段单个数字语音片段分别进行语音拼接，拼接成所有ID对应的含有N个数字的语音段后，对这些语音段进行MFCC特征提取分析处理，并输出处理得到的语音的特征参数传送至注册模块，通过触摸屏模块的显示功能将随机产生的这N位数字显示在屏幕上，同时语音输出模块读出这N位数字，并提醒验证用户进行跟读；

6.语音采集模块采集说话人根据系统提示的N位随机数字进行跟读的语音口令，将其转换为数字信号，并把数字信号传送至语音处理模块，语音预处理模块对输入语音的数字信号进行语音分析处理，提取语音特征参数。

7.将采集到的待验证者的语音信号特征参数传送至识别模块，声纹的识别过程如图4所示，识别模块调用注册模块生成的声纹模型特征参数进行匹配比较，得到该特征与所有声纹模型的匹配得分Scores；

8.将所有匹配得分Scores与阈值进行比较，如果存在大于阈值的Score，则声纹识别成功，即待验证者的身份得到确认，语音输出模块给出识别成功提醒，结束；如果所有的得分均小于阈值，则声纹验证失败，即待验证者的身份不能确定，语音输出模块给出识别失败提醒，结束。

从上边的实现方法可以看出，确定说话人身份的过程中，系统为每次验证过程产生的N位随机数字，由验证者跟读的N位随机数字语音与注册语音进行声纹的匹配与识别，此时就是一个文本相关的声纹识别过程。声纹识别成功，则说话人的身份确认成功；如果声纹识别失败，则身份确认失败。

本发明较传统门禁更方便、安全。具体有以下特点：

1.使用方便：本发明应用于生活门禁，最大限度的解放了人们的双手，是出入变的非常自由和方便。利用人体自身的声音作为开门的钥匙，只需跟读系统给出的随机口令就可以轻松开门，全程语音提示，简单易用。

2.安全性好：人的语音不会被盗取，并且口令采用文本提示型的随机数字，验证语音的随机性和声纹识别的双重保护使安全性更高。

3.误识率低：误识率可控制在1%以下。

4.拒识率低：拒识率可控制在5%以下。

5.识别速率快：等待时间控制在2秒以内。

6.使用维护成本低：设备不易磨损，易保养和维护。

7.维护操作简单科学：设置普通用户和管理员两种模式，管理员通过声纹和密码验证进入管理员模式，进行声纹的登记和删除，方便管理的统一化和规范化。

8.兼容性好：在不适合使用语音的环境下，用户可以选择密码的开门方式，开门方式是并行的，用户可以自由选择。

本发明的整体工作流程如图5所示（取N=4）：

1、点击触摸屏显示的验证按钮，触发系统验证功能。

2、系统随机选取4位数字，根据这4位数字，系统进行语音拼接和特征提取建模。

3、屏幕显示此4位数字，语音引导用户录入语音。

4、系统判断语音录入是否超时。若超时，则提示用户重新验证，并返回；否则，判断语音录入是否完成。

5、若录音完成，则转至第6步；否则，转到第1步。

6、保存录音，对输入语音进行特征提取，进行声纹验证。

7、将步骤8中的语音特征参数与所有步骤2中的声纹模型进行匹配比较，得到匹配得分。

8、若存在匹配得分大于阈值，则声纹验证成功，发送开门信号，语音提示开门，返回待机页面；否则，语音提示验证失败，并返回待机页面。

本发明在传统的门禁系统中加入了文本提示型的声纹识别过程，通过验证语音的不确定性和声纹识别过程的保证了门禁的安全可靠性。在验证过程中通过文本提示的随机内容，有效的防止了声纹识别过程中的录音冒充问题，而且识别过程仅需要用户的一次语音输入，大大简化了用户的操作，同时采用Android平台的嵌入式系统，不仅使系统运行更加流畅和稳定，同时可视化的操作界面具有良好的用户体验。

Claims (2)

1.文本提示型声纹门禁系统，其特征在于设有主处理器、触摸屏模块、语音采集模块、语音输出模块、存储模块、RS232通信接口模块、电源和电控锁；

所述触摸屏模块与主处理器的输入输出端口连接，语音采集模块的输出端接主处理器的输入端口，语音输出模块的输入端接主处理器的输出端口，存储模块和RS232通信接口模块分别与主处理器的输入输出端口连接，电源为主处理器、触摸屏模块、语音采集模块、语音输出模块、存储模块、RS232通信接口模块和电控锁提供电源，电控锁与RS232通信接口模块连接；

所述语音采集模块的输出端与主处理器的输入端口之间设有语音预处理模块、语音注册模块和声纹验证模块，语音采集模块的输出端接语音预处理模块的输入端，语音预处理模块的输出端接语音注册模块的输入端和声纹验证模块的输入端，语音注册模块的输出端接声纹验证模块的输入端，声纹验证模块的输出端接主处理器的输入输出端口。

2.如权利要求1所述文本提示型声纹门禁系统，其特征在于所述RS232通信接口模块与主处理器的输出端口之间设有信号接收模块、信息确认模块和信号发送模块，信号接收模块接主处理器的输出端口，获得主处理器的处理结果，信号确认模块连接信号接收模块，对接收到的信号进行确认，信号发送模块连接信号确认模块，根据信号确认结果信号发送模块向电控锁发送开门或拒绝开门信号。