CN107369447A - 一种基于语音识别的室内智能控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于语音识别的室内智能控制系统，包括智能家居装置，至少还包括语音接收模块、语音转换模块、中央控制系统模块和指令执行模块，所述语音接收模块用于接收外部的语音输入信息；所述语音转换模块用于将所述语音接收模块传递的语音输入信息转化为文本信息；所述中央控制模块用于将所述语音转换模块传递的文本信息进行解析生成控制指令并判断传递方式；所述指令执行模块用于根据所述中央控制模块生成的控制指令向智能家居发出动作指令。本申请可使得人们在无需借助任何手持只能终端的前提下，便可实现对室内电器设备的语音控制，从而提高了家庭的智能化水平。

Description

一种基于语音识别的室内智能控制系统
技术领域
本发明涉及智能控制技术领域，特别是一种基于语音识别的室内智能控制系统。
背景技术
随着家庭智能化的发展，当前人们可以通过自身产生的声音来对室内的特定电气设备进行控制，如控制智能电视的开启等，从而提高了家庭的智能化水平和住户的便捷性。
然而，当前针对家庭电气设备的语音控制技术中，在人们需要通过语音来控制家庭电气设备时，人们需要将利用手机等智能终端来接收自己产生的语音，一旦人们的身边没有手机等智能终端，便无法实现对家庭电气设备的语音控制，从而不利于家庭智能化水平的提高。
综上所述可以看出，如何在无需借助任何手持智能终端的前提下，实现对室内电气设备的语音控制，以提高家庭的智能化水平是目前亟待解决的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种基于语音识别的室内智能控制系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
一种基于语音识别的室内智能控制系统，包括智能家居装置，至少还包括语音接收模块、语音转换模块、中央控制系统模块和指令执行模块，所述语音接收模块用于接收外部的语音输入信息；所述语音转换模块用于将所述语音接收模块传递的语音输入信息转化为文本信息；所述中央控制模块用于将所述语音转换模块传递的文本信息进行解析生成控制指令并判断传递方式；所述指令执行模块用于根据所述中央控制模块生成的控制指令向智能家居发出动作指令。
其中所述智能家居装置至少包括远程接收指令模块和动作执行装置，所述远程接收指令模块用于接收所述指令执行模块传递的动作指令；所述动作执行装置用于执行所述远程接收指令传递的动作。
本发明的有益效果为：本申请可使得人们在无需借助任何手持只能终端的前提下，便可实现对室内电器设备的语音控制，从而提高了家庭的智能化水平。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1本发明的框架结构图；
图2是本发明语音转换模块的框架结构图。
附图标记：
语音接收模块1、语音转换模块2、中央控制模块3、指令执行模块4、智能家居装置5、语音指令检测单元20、语音指令增强单元21、特征提取单元22和语音指令识别单元23。
具体实施方式
结合以下应用场景对本发明作进一步描述。
一种基于语音识别的室内智能控制系统，包括智能家居装置5，参考图1所示，至少还包括语音接收模块1、语音转换模块2、中央控制系统模块3和指令执行模块4，所述语音接收模块1用于接收外部的语音输入信息；所述语音转换模块2用于将所述语音接收模块传递的语音输入信息转化为文本信息；所述中央控制模块3用于将所述语音转换模块传递的文本信息进行解析生成控制指令并判断传递方式；所述指令执行模块4用于根据所述中央控制模块生成的控制指令向智能家居发出动作指令。
进一步地，所述智能家居装置5至少包括远程接收指令模块和动作执行装置，所述远程接收指令模块用于接收所述指令执行模块传递的动作指令；所述动作执行装置用于执行所述远程接收指令传递的动作。
优选地，还包括网络控制模块，所述网络控制模块用于连接网络，并通过无线网络与所述的智能家居连接，接收所述指令执行模块发出的指令程度欢送至所述智能家居的远程接收指令模块。
优选地，还包括红外发射模块，用于接收所述指令执行模块发出的动作指令，并通过红外编码发送至所述智能家居。
优选地，参考图2所示，所述语音转换模块2包括语音指令检测单元20，语音指令增强单元21，特征提取单元22和语音指令识别单元23，所述语音指令检测单元20用于检测并提取出语音输入信息中有效的语音指令信息部分；所述语音指令增强单元21用于对语音指令信息部分进行增强处理，获取增强后的语音指令信息部分；所述特征提取单元22用于对增强后的语音指令信息部分进行指令特征参数的提取；所述音指令识别单元23用于根据所述指令特征参数对进行识别，获取相应的文本信息。
本发明上述实施例，可使得人们在无需借助任何手持只能终端的前提下，便可实现对室内电器设备的语音控制，从而提高了家庭的智能化水平。
优选地，所述语音指令检测单元20用于检测并提取出语音输入信息中有效的语音指令信息部分，包括：
(1)使用汉明窗，对语音输入信息按帧间50％的重叠进行分帧处理，获取每一帧语音输入信息；
优选地，在本单元中分帧时选择帧长N＝30ms；
(2)分别获取每一帧语音输入信息的动态特征，包括：
(21)采用下列的函数获取每一帧语音输入信息的对数能量特征：
LE(i)＝lg(E(i)+α)-lgα
其中，
式中，LE(i)表示语音输入信息的第i帧的对数能量特征，E(i)表示语音输入信息第i帧的短时能量，|si(n)|2表示语音输入信息的第i帧在不同时刻的能量值，N表示所述汉明窗的长度，α表示设定的对数能量因子；
优选地，α＝105；
(22)对每一帧语音输入信息进行短时傅里叶变换，得到能量普T(fl)，其中fl表示频率分量，采用下列函数获取能量普T(fl)的归一化谱密度分布，具体为：
式中，p(l,i)表示语音输入信息第i帧频率分量为fl的概率密度，Ti(fl)表示第i帧语音输入信息的能量普中频率分量为fl的能量强度，L表示短时傅里叶变换的窗长度，与汉明窗长度相等，即L＝N；
(23)采用下列函数获取每一帧语音输入信息的谱熵特征：
式中，H(i)表示语音输入信息第i帧的谱熵特征，p(l,i)表示语音输入信息第i帧频率分量为fl的概率密度；
(24)采用下列函数获取每一帧语音输入信息的动态特征：
LESE(i)＝(1+|(LE(i)-AveE)(H(i)-AveH)|)β
式中，LESE(i)表示语音输入信息第i帧的动态特征，LE(i)表示语音输入信息的第i帧的对数能量特征，H(i)表示语音输入信息第i帧的谱熵特征，AveE和AveH分别表示前10帧语音输入信息的对数能量和谱熵特征的平均值，β表示设定的动态特征因子，β∈[9,10]；
(3)根据语音输入信息的动态特征，将每一帧语音输入信息动态特征和设定的阈值进行比较，保留动态特征大于阈值的对应的语音输入信息帧并记为语音指令信息部分作进一步处理，其余部分记为无声部分。
本优选实施例，相比于传统的语音检测方法，采用上述方法对从语音接收模块接收到的语音输入信息进行语音检测，结合对数能量特征和谱熵特征对语音输入信息进行描述，能够更加准确的获取语音指令信息部分，特别在低信噪比的情况下有良好的效果，为室内智能控制准确识别语音指令提供了保障。
优选地，所述语音指令增强单元21用于对语音指令信息部分进行增强处理，获取增强后的语音指令信息部分，包括：
(1)对语音指令信息部分进行快速傅里叶变换，获取语音指令信息部分的幅度谱x(f)，其中f表示频率；
(2)采用下列自定义的语音增强函数对语音指令信息部分进行语音增强处理：
式中，x′(f)表示语音增强处理后语音指令信息部分的幅度谱，x(f)表示语音指令信息部分的幅度谱，|x(f)|2表示语音指令信息部分的功率谱，μ和λ表示可调节的增益效果调整因子，表示噪声的功率谱的估计，通过获取所述语音指令信息部分之前的所述无声部分的噪声功率谱获得，可表示为：其中表示对当前帧噪声功率谱的估计，φ′(f)表示前面帧的噪声功率谱的估计，φ(f)表示当前帧获得的噪声功率谱，γ表示当前帧噪声功率谱的权重，需注意的是噪声功率谱只在所述无声部分进行更新，在所述语音指令信息部分不进行更新；
(3)对自定义滤波器的结果进行逆快速傅里叶变换，得到增强后的语音指令信息部分。
本优选实施例，采用上述的方法对语音指令信息部分进行增强，能够根据所获取的语音输入信息本身的无声部分来获取所需要的噪声功率谱估计，然后对语音指令信息部分进行增强处理，能够将带噪声的语音指令信息部分增强到一个信噪比比较高的水平，为之后的语音指令识别提供了保证。
优选地，所述特征提取单元22用于对增强后的语音指令信息部分进行指令特征参数的提取，包括：
(1)对增强后的语音指令信息部分进行分帧、加汉明窗处理，
优选地，在本单元中分帧时选择帧长N＝30ms，帧间重叠为10ms；
(2)获取增强后的语音指令信息部分每一帧的特征参数，具体为：
(21)依次选取语音指令信息部分中的一帧进行快速傅里叶变换，获取频谱X(f)；
(22)将频谱X(f)转化为Mel频率X(f‘)，并采用下列自定义滤波器组获取语音指令信号的特征能量谱B(m)，具体为：
其中，
式中，B(m)表示滤波器组中第m个滤波器输出对应的特征能量谱B(m)，m＝1,2,…,M，M表示滤波器组中滤波器的个数，X(f‘)表示转化到Mel频率后得到的频谱，f‘表示Mel频率，Cm表示滤波器组中第m个滤波器的质心参数，wm(f)表示滤波器组中第m个滤波器，hm、om、lm分别表示滤波器组中第m个滤波器的上限、中心、下限，其中om＝hm-1＝lm+1，
优选地，取滤波器组中滤波器数量为M＝13；
其中，所述Mel(梅尔)频率是一种基于人耳对等距的音高变化的感官判断而定的非线性频率刻度，Mel频率f‘和频率f的赫兹的关系为：
(23)对获取的特征能量谱B(m)取对数，然后进行DCT离散余弦变换，获取DCT后的前M个系数作为本帧语音指令信息部分的M维语音特征参数；
(24)重复步骤(21)至(23)直到获取增强后的语音指令信息部分每一帧的特征参数。
本优选实施例，所述特征提取单元采用上述的方法进行语音特征提取，引入了对应不同频率滤波器的质心参数，能更准确地描述语音指令信号的特征参数，提高语音特征参数提取的鲁棒性，从而提高室内智能控制系统在吵杂环境下的指令识别的准确性。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.一种基于语音识别的室内智能控制系统，包括智能家居装置，其特征在于，至少还包括语音接收模块、语音转换模块、中央控制系统模块和指令执行模块，所述语音接收模块用于接收外部的语音输入信息；所述语音转换模块用于将所述语音接收模块传递的语音输入信息转化为文本信息；所述中央控制模块用于将所述语音转换模块传递的文本信息进行解析生成控制指令并判断传递方式；所述指令执行模块用于根据所述中央控制模块生成的控制指令向智能家居发出动作指令。
2.根据权利要求1所述的一种基于语音识别的室内智能控制系统，其特征在于，所述智能家居装置至少包括远程接收指令模块和动作执行装置，所述远程接收指令模块用于接收所述指令执行模块传递的动作指令；所述动作执行装置用于执行所述远程接收指令传递的动作。
3.根据权利要求1所述的一种基于语音识别的室内智能控制系统，其特征在于，还包括网络控制模块，所述网络控制模块用于连接网络，并通过无线网络与所述的智能家居连接，接收所述指令执行模块发出的指令程度欢送至所述智能家居的远程接收指令模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于语音识别的室内智能控制系统，其特征在于，还包括红外发射模块，用于接收所述指令执行模块发出的动作指令，并通过红外编码发送至所述智能家居。
5.根据权利要求1所述的一种基于语音识别的室内智能控制系统，其特征在于，所述语音转换模块包括语音指令检测单元，语音指令增强单元，特征提取单元和语音指令识别单元，所述语音指令检测单元用于检测并提取出语音输入信息中有效的语音指令信息部分；所述语音指令增强单元用于对语音指令信息部分进行增强处理，获取增强后的语音指令信息部分；所述特征提取单元用于对增强后的语音指令信息部分进行指令特征参数的提取；所述音指令识别单元用于根据所述指令特征参数对进行识别，获取相应的文本信息。
6.根据权利要求5所述的一种基于语音识别的室内智能控制系统，其特征在于，所述语音指令检测单元用于检测并提取出语音输入信息中有效的语音指令信息部分，包括：
(1)使用汉明窗，对语音输入信息按帧间50％的重叠进行分帧处理，获取每一帧语音输入信息；
(2)分别获取每一帧语音输入信息的动态特征，包括：
(21)采用下列的函数获取每一帧语音输入信息的对数能量特征：
LE(i)＝lg(E(i)+α)-lgα
其中，
<mrow> <mi>E</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mo>|</mo> <msub> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> </mrow>
式中，LE(i)表示语音输入信息的第i帧的对数能量特征，E(i)表示语音输入信息第i帧的短时能量，|si(n)|2表示语音输入信息的第i帧在不同时刻的能量值，N表示所述汉明窗的长度，α表示设定的对数能量因子；
(22)对每一帧语音输入信息进行短时傅里叶变换，得到能量普T(fl)，其中fl表示频率分量，采用下列函数获取能量普T(fl)的归一化谱密度分布，具体为：
<mrow> <mi>p</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>l</mi> <mo>,</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>l</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>L</mi> </msubsup> <msub> <mi>T</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> <mi>l</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mi>L</mi> </mrow>
式中，p(l,i)表示语音输入信息第i帧频率分量为fl的概率密度，Ti(fl)表示第i帧语音输入信息的能量普中频率分量为fl的能量强度，L表示短时傅里叶变换的窗长度，与汉明窗长度相等，即L＝N；
(23)采用下列函数获取每一帧语音输入信息的谱熵特征：
<mrow> <mi>H</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>l</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mi>p</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>l</mi> <mo>,</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>log</mi> <mi>p</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>l</mi> <mo>,</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中，H(i)表示语音输入信息第i帧的谱熵特征，p(l,i)表示语音输入信息第i帧频率分量为fl的概率密度；
(24)采用下列函数获取每一帧语音输入信息的动态特征：
LESE(i)＝(1+|(LE(i)-AveE)(H(i)-AveH)|)β
式中，LESE(i)表示语音输入信息第i帧的动态特征，LE(i)表示语音输入信息的第i帧的对数能量特征，H(i)表示语音输入信息第i帧的谱熵特征，AveE和AveH分别表示前10帧语音输入信息的对数能量和谱熵特征的平均值，β表示设定的动态特征因子，β∈[9,10]；
(3)根据语音输入信息的动态特征，将每一帧语音输入信息动态特征和设定的阈值进行比较，保留动态特征大于阈值的对应的语音输入信息帧并记为语音指令信息部分作进一步处理，其余部分记为无声部分。
7.根据权利要求6所述的一种基于语音识别的室内智能控制系统，其特征在于，所述语音指令增强单元用于对语音指令信息部分进行增强处理，获取增强后的语音指令信息部分，包括：
(1)对语音指令信息部分进行快速傅里叶变换，获取语音指令信息部分的幅度谱x(f)，其中f表示频率；
(2)采用下列自定义的语音增强函数对语音指令信息部分进行语音增强处理：
<mrow> <msup> <mi>x</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msup> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <mo>|</mo> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mi>&amp;mu;</mi> <mover> <mi>&amp;Phi;</mi> <mo>^</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mo>|</mo> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mi>&amp;lambda;</mi> </msup> </mrow>
式中，x′(f)表示语音增强处理后语音指令信息部分的幅度谱，x(f)表示语音指令信息部分的幅度谱，|x(f)|2表示语音指令信息部分的功率谱，μ和λ表示可调节的增益效果调整因子，表示噪声的功率谱的估计，通过获取所述语音指令信息部分之前的所述无声部分的噪声功率谱获得，可表示为：其中表示对当前帧噪声功率谱的估计，φ′(f)表示前面帧的噪声功率谱的估计，φ(f)表示当前帧获得的噪声功率谱，γ表示当前帧噪声功率谱的权重，需注意的是噪声功率谱只在所述无声部分进行更新，在所述语音指令信息部分不进行更新；
(3)对自定义滤波器的结果进行逆快速傅里叶变换，得到增强后的语音指令信息部分。
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