基于MATLAB GUI的变声器设计与实现

2018-09-20孟若兰刘艳丽陈锦苗李昊天王琪瑶

电子测试 2018年17期

关键词：基音变声男声

孟若兰，刘艳丽，陈锦苗，李昊天，王琪瑶

（承德医学院生物医学工程系，河北承德，067000）

关键字： MATLAB GUI；变声器；设计

1 关于MATLAB和 GUI的概念和含义分析

1.1 关于MATLAB的概述

MATLAB是两个词组组合而成的，这两词组分别是matrix和laboratory。其用汉语可以翻译成为矩形实验室或者矩形工厂。其原理或者功能是，MATLAB能够将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，这便为我国的科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域带来了一场全新的变革，其成功为这些科学领域提供了一种全面且科学的解决方案，并且成功突破了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）编辑模式的局限性。总而言之，MATLAB是能够在一定程度上作为代表当今国际科学计算软件水平的一个重要产物。

1.2 关于 GUI的概述

关于 GUI，其英文全称为Graphical User Interface。为了应用方便，都习惯性使用其简称—— GUI。 GUI用汉语翻译称为人机交互图形用户界面设计。从理论层面来进行解释，其主要指的是采用图形方式显示的计算机操作用户界面。GUI和传统意义上所使用的计算机命令界面相比较，其最大的一个优势或者特点便是其所具备的图形界面。但从视觉上来分析，图形界面要比命令界面更具有可接受性，更能够吸引住大众的目光。

2 基于MATLAB GUI 的变声器设计

为了实现变声的目的，从男声变女声、女声变男声、老人变童声等需要在分析语音信号参数的过程当中适时采用短时自相关法提取语音信号的基音周期。与此同时，也会应用到LPC即倒谱分析法分析共振峰的范围，然后再通过MATLAB编写程序来对语音参数进行修改，进而使其更加接近想要的声音的范围，构置GUI界面。

2.1 关于变声原理分析

一般情况下，在进行性别变声的过程中，我们需要考虑的因素主要包括几个方面，诸如基音的周期、基音的频率、共振峰的频率等等，其主要变化诸如以上几个因素的频率来实现声音的转变。下表是不同声音即男声、女声和童声在基频、共振峰方面的关系。

表1 人群中基频和共振峰之间的关系

2.2 参数提取

对语音信号进行低通滤波，借助MATLAB编程采用自相关算法，对基音周期进行估值，然后再继续完成自相关计算。

首先，构建巴特沃斯滤波器。我们需要根据特定人的说话特征在第一时间内确定相应的指标参数，然后根据本段语音设计计算出巴特沃斯模拟滤波器的阶数N是5，3dB截止频率，计算出Ω 为0.175，归一化c低通原型系统函数为：

其中，b0=1.0000，b1=3.2361，b2=5.2361，b3=5.2361，b4=3.2361。将 P= S/ Ωc代入 Ga(p)中，得到低通滤波器：

以设定的滤波器作为根据，进行MATLAB程序的编写，如果有信号经过低通滤波器之后，其必然对会原始信号的滤波产生一定的影响。经过低通滤波器后，其还是会保留原始基音频率。随后我们再用2KHz采用频率进行采用，采样的序列设为X(n)，然后再进行自相关计算。

然后，语音信号的短时自相关函数

我们将语音信号的自相关函数定义为：

在这个公式当中，不同的字母代表着不同的含义：第一，xn(n)代表的是语音信号，K代表的是信号延迟点数，N代表的是语音帧长度。经过低通滤波之后，我们选取了160个样点数，每一个语音帧长度都确定为10ms，对每帧语音求短时自相关，获取到最大点数，这就是其在基音周期当中表现出来的峰值。而峰值之间的间隔平均值也就是我们要计算出的基音周期。在这里笔者想要强调一点内容，因为在图中并不是所有的样点都是有价值的，其会掺杂着很多的野点，因为我们在编写MATLAB程序时，一定要在排除掉这些野点之后计算出对应基音周期。