基于Python的BIC語音分割算法的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用*

王方麗 傅嘉俊

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院計算機(jī)工程學(xué)院 廣州 510800）

1 引言

目前，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們可以通過各種不同的途徑獲得各種視頻資源，但有些視頻資源少有翻譯版本，不利于學(xué)習(xí)和使用。因此，如果能夠?qū)τ谝曨l中的音頻進(jìn)行直接翻譯并加載到視頻中，就能大大方便人們獲取和利用資源。要實(shí)現(xiàn)這一功能，主要是對于視頻中的音頻進(jìn)行識別、分割和翻譯。語音分割是語音識別以及翻譯處理的基礎(chǔ)，很多語音分割技術(shù)都是基于BIC算法實(shí)現(xiàn)的，如運(yùn)用改進(jìn)型BIC算法對語音進(jìn)行分割［1～3］、檢測說話人改變實(shí)現(xiàn)語音分割［4］，綜合利用BIC及PSO［5］實(shí)現(xiàn)語音識別；文獻(xiàn)［6］以基于BIC的說話人分割系統(tǒng)作為基線系統(tǒng)，對比分析重疊語音檢測對說話人分割性能影響等。

本文主要采用基于貝葉斯信息準(zhǔn)則的語音分割原理對于獲取的聲音資源進(jìn)行分割，并運(yùn)用Python技術(shù)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的算法。在語音分割前，主要利用FFmpeg工具進(jìn)行視頻的聲音提?。徽Z音分割后，利用IBM接口實(shí)現(xiàn)語言識別和有道接口進(jìn)行翻譯，最后字幕加載采用FFmpeg開源工具。

2 語音分割算法的研究

2.1 基于貝葉斯信息準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)語音分割

音頻分割是指將音頻流分為若干片段，使得每個片段在內(nèi)容類別上具有一致性［7］?；贐IC的分割方法不需要先驗知識，不需要設(shè)定門限閾值，且具有較好的準(zhǔn)確度［8］，因此被廣泛采用。貝葉斯信息準(zhǔn)則作為一種常見的模型選擇準(zhǔn)則［9］，可用于判斷模型好壞。假設(shè)給定數(shù)據(jù)y=｛y1，y2，…yn｝，候選的模型集合為Mk=｛Mk1，Mk2，…MkL｝，并假設(shè)任一個候選的模型Mk都是有獨(dú)特的參數(shù)向量qk定義，定義如式（1）所示：

音頻分割也稱跳變點(diǎn)檢測［10～11］，假設(shè)有一段語音對話，在第i時刻有一個跳變點(diǎn)，則可以把連續(xù)的高斯過程和有跳變點(diǎn)的高斯過程這兩個假設(shè)模型進(jìn)行選擇的問題作為跳變點(diǎn)問題的等價問題，采用獨(dú)立多變量高斯分布描述這兩個模型的語音信號的特征序列，如式（2）和式（3）所示：

其中：xi∈Rd（i=1，2…N，是觀測數(shù)據(jù)），N是多變量高斯模型，m和S是該模型的參數(shù)，d是特征向量維數(shù)。使用貝葉斯信息準(zhǔn)則進(jìn)行判斷，如果第一個模型的概率比第二個模型概率大表明該語音在第i時刻無跳變點(diǎn)，反之則表明該語音在第i時刻存在跳變點(diǎn)。

假設(shè)跳變點(diǎn)存在，那么對應(yīng)的對數(shù)最大似然比為式（4）：

其中，Σ是所有數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣，Σ1是開始時刻到第i時刻的數(shù)據(jù)集{x1…xi}的協(xié)方差矩陣，Σ2是第i時刻后的數(shù)據(jù)集{xi+1…xN}的協(xié)方差矩陣。符號 ||Σ代表矩陣Σ的行列式。

比較兩個模型：一個模型的數(shù)據(jù)符合兩個高斯過程，另一個模型的數(shù)據(jù)只符合一個高斯過程。它們之間的不同通過對貝葉斯信息準(zhǔn)則添加懲罰項來修正，得到貝葉斯信息準(zhǔn)則值的計算，見式（5）：

其中，R(i)是上面定義的對數(shù)最大似然比，懲罰項的權(quán)重λ一般取為1，而P為式（6）：

式（5）與式（1）相比，有一個-1/2的系數(shù)，因此問題解決的關(guān)鍵從求解貝葉斯信息準(zhǔn)則值的極小值變?yōu)闃O大值，即式（7）：

利用Python［14］實(shí)現(xiàn)貝葉斯信息準(zhǔn)則計算主要采用語音的Mel頻率參數(shù)進(jìn)行，該參數(shù)可以用矩陣表示。當(dāng)獲得該參數(shù)時，先計算該段語音的Mel頻率矩陣的平均協(xié)方差矩陣和最小值。得到這些參數(shù)后，先對整個語音段進(jìn)行遍歷，選出模型的分割點(diǎn)（可能不存在分割點(diǎn)），再將整個語音段按照一個步數(shù)進(jìn)行劃分（如該語音段長50，以步數(shù)5進(jìn)行劃分則分成10個部分）。對這些部分進(jìn)行遍歷，假設(shè)遍歷到第i段，則將語音端分成part1和part2兩個部分，再分別計算它們的似然矩陣det1和det2，再計算貝葉斯信息準(zhǔn)則量，最后將該貝葉斯信息準(zhǔn)則量存到一個數(shù)組x中，Python實(shí)現(xiàn)如下：

遍歷完成，就得到一個根據(jù)指定步數(shù)對語音端劃分的貝葉斯信息準(zhǔn)則量數(shù)組，由貝葉斯信息準(zhǔn)則量越大則越大幾率符合該模型的定理可以知道，只需要對該數(shù)組求最大值就能判斷出語音端的說話人分割點(diǎn)。

2.2 語音多點(diǎn)分割

對語音進(jìn)行多點(diǎn)分割時，先設(shè)置一段窗口范圍作為語音的檢測窗口，通過這個檢測窗口對語音進(jìn)行貝葉斯信息準(zhǔn)則量的計算。如果在這一段存在分割點(diǎn)，記錄分割點(diǎn)位置，移動檢測窗口檢測下一部分；如果不存在分割點(diǎn)，則調(diào)整檢測窗口的大小繼續(xù)檢測。一直重復(fù)上述過程直到這段語音檢查結(jié)束，最后輸出該語音段的分割點(diǎn)位置數(shù)組。該算法偽代碼如下：

輸入：該語音段的Mel頻率倒譜系數(shù)矩陣Mel=［mij］

輸出：通過貝葉斯信息準(zhǔn)則計算的該語音段分割點(diǎn)數(shù)組［r1，r2，…，rn］，

1）初始化檢測窗口，設(shè)置為［wStart，wEnd］。

2）在［wStart，wEnd］這個時間段內(nèi)運(yùn)用貝葉斯信息準(zhǔn)則算法檢測是否有分割點(diǎn)。

3）根據(jù)2）計算的貝葉斯信息準(zhǔn)則量進(jìn)行判斷：

（1）如果值大于0，存在分割點(diǎn)，記錄該分割點(diǎn)位置wStart+BICioc，調(diào)整檢測窗口位置。

（2）如果值小于等于0，則不存在分割點(diǎn)，則增大檢測窗口。

重復(fù)2）、3）步直至語音段檢測完畢，算法結(jié)束，輸出該語音段的分割點(diǎn)位置數(shù)組。

2.3 使用語音活性檢測對分割點(diǎn)進(jìn)行篩選

語音活性檢測（Voice Activity Detection，VAD）是對連續(xù)帶噪語音信號進(jìn)行檢測，準(zhǔn)確地定位語音的起止位置，其檢測結(jié)果直接影響著語音識別效果［15］。將語音進(jìn)行分割后，可能會把一些靜音的語音端也切割處理，此時就可以運(yùn)用語音活性檢測進(jìn)行分割點(diǎn)的篩選。

假設(shè)一段由四個說話段組成的語音，使用貝葉斯信息準(zhǔn)則計算語音分割點(diǎn)，結(jié)果如圖1所示。貝葉斯信息準(zhǔn)則基本上可以將這段語音完美的分割，但是它把語音開頭的靜音部分也進(jìn)行了切割，實(shí)際上不需要將該段靜音段切割開來，這樣反而增添了后續(xù)處理的復(fù)雜度。因此，就需要使用語音活性檢測對分割點(diǎn)進(jìn)行篩選，將靜音的分割點(diǎn)去除，使貝葉斯信息準(zhǔn)則計算出的分割數(shù)組更符合實(shí)際應(yīng)用情況。

圖1 貝葉斯信息準(zhǔn)則語音分割點(diǎn)示例

圖2 語音活性檢測處理過的語音分割點(diǎn)示例

語音活性檢測過程如下：先運(yùn)用BIC計算分割點(diǎn)，再使用語音活性檢測檢測每段劃分的語音，如果語音活性檢測檢測不到有語音端點(diǎn)，則剔除該分割點(diǎn)；如果語音活性檢測檢測到有語音端點(diǎn)，則保存該分割點(diǎn)不做處理。對圖1中的語音經(jīng)過語音活性檢測處理過的語音分割點(diǎn)數(shù)組如圖2所示，對比沒有進(jìn)行語音活性檢測的分割點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了語音活性檢測的分割點(diǎn)數(shù)組更加貼近實(shí)際，更具有使用價值。

3 算法實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

3.1 視頻語音翻譯流程

視頻語音翻譯流程如圖3所示，其中，視頻轉(zhuǎn)換是采用開源工具FFmpeg提取原視頻的語音文件；語音分割利用第二部分算法對于語音段分割；語音識別是將分割后的每一段小語音都采用IBM的語音轉(zhuǎn)文字接口進(jìn)行語音的識別，將語音轉(zhuǎn)換成文本；語音翻譯則是把上一階段識別出來的語音文本采用有道的外文翻譯接口進(jìn)行翻譯；字幕加載使用FFmpeg工具實(shí)現(xiàn)，字幕加載的時間長度取決于分割的語音段長度。

圖3 語音翻譯流程

3.2 語音分割實(shí)現(xiàn)

語音分割的核心是運(yùn)用貝葉斯信息準(zhǔn)則判斷說話人的語音分割點(diǎn)，該算法可以判斷說話人的停頓點(diǎn)并將一段長語音分割成多個完整的、短小的說話人語音，具體過程如下：首先對文件進(jìn)行處理，通過librosa庫的load方法獲取音頻文件的時間級數(shù)和y，然后根據(jù)該級數(shù)和通過librosa庫來提取Mel頻率矩陣；接著使用speech_segmentation來獲取分割點(diǎn)數(shù)組seg_point；由于該數(shù)組是非時域的，再將數(shù)組乘以步長后進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶畛?，最后的結(jié)果才是語音時間域上的分割點(diǎn)數(shù)組。

獲取最終分割點(diǎn)數(shù)組seg_point后，再對該數(shù)組進(jìn)行語音活性檢測，代碼如下：

for i in range_loop：//range_loop為數(shù)組長度-1

temp=y［seg_point［i］：seg_point［i+1］］//相鄰分割點(diǎn)之間的時間級數(shù)

#計算vad判斷是否為空白點(diǎn)

x1，x2= vad.vad（temp，sr=sr，frame_size=frame_size，frame_shift=frame_shift）

if len（x1）==0 or len（x2）==0：continue//靜音段不處理

else：output_segpoint.append（seg_point［i+1］）

最后輸出的數(shù)組output_segpoint就是剔除靜音段后的語音分割點(diǎn)數(shù)組。

3.3 語音識別模塊

語音識別采用IBM接口實(shí)現(xiàn)，使用開源項目speech_recognition（集結(jié)了主流的語音識別接口并提供統(tǒng)一的Python調(diào)用方法），調(diào)用該接口算法的偽代碼如下：首先要實(shí)例化一個speech_recognition的對象；接著用speech_recognition框架里的Wav-File方法獲得文件的數(shù)據(jù)源；再通過speech_recognition的對象調(diào)用record方法將音頻文件的數(shù)據(jù)源轉(zhuǎn)換成audio類型對象；最后使用speech_recognition對象的recognize_ibm方法來調(diào)用IBM的接口方法即可。該接口會以字符串的格式直接返回翻譯好的譯文。

3.4 語音翻譯模塊

語音翻譯是采用有道接口實(shí)現(xiàn)的，Python實(shí)現(xiàn)如下：

data=get_url_encoded_data（query_text）//獲 取url編碼過的數(shù)據(jù)

target_url=url+‘？’+data//構(gòu)造目標(biāo)url

request=re.Request（target_url，headers=headers）//構(gòu)造請求

response=urlopen（request）//發(fā)送請求

return parse_html（response.read（））//解析，顯示翻譯結(jié)果

其中g(shù)et_url_encoded_data方法是將待翻譯文本進(jìn)行重新編碼，將編碼文本與接口路由拼接獲得target_url，之后使用request庫生成一個url訪問對象，然后使用urlopen方法通過該對象發(fā)送請求獲得接口的請求回復(fù)response，然后解析該結(jié)構(gòu)就可以得到翻譯后的文本。

3.5 功能測試

對于該語音分割算法測試如下：

第一步，進(jìn)入窗口界面，選擇需要識別的視頻（支持MP4、AVI格式），然后可以開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

第二步，轉(zhuǎn)換過程中，進(jìn)度條會顯示轉(zhuǎn)換進(jìn)度，等待一段時間后，系統(tǒng)完成工作。

第三步，查看視頻，即可看到已經(jīng)將翻譯后的字幕加載到視頻中。

通過實(shí)際測試，該項功能能夠正常使用，字幕可以正常翻譯成中文，且字幕加載時長與實(shí)際說話人時長一致。根據(jù)實(shí)際的需要，運(yùn)用其他的翻譯接口，可以對于其他種類的語音資源進(jìn)行翻譯和字幕加載。

4 結(jié)語

本文主要研究了基于貝葉斯信息準(zhǔn)則的語音分割算法。同時，結(jié)合語音識別、翻譯等技術(shù)，將該算法運(yùn)用于具體的實(shí)踐中，用以解決視頻語音翻譯中語音分割和視頻字幕加載時間長度的確定。