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模式识别技术概论.doc

1、 引 言 : 模 式 识 别 技 术 是 人 工 智 能 的 基 础 技 术 , 21 世 纪 是 智 能 化 、 信 息 化 、 计 算化 、 网 络 化 的 世 纪 , 在 这 个 以 数 字 计 算 为 特 征 的 世 纪 里 , 作 为 人 工 智 能 技 术 基 础 学 科 的模 式 识 别 技 术 , 必 将 获 得 巨 大 的 发 展 空 间 。 在 国 际 上 , 各 大 权 威 研 究 机 构 , 各 大 公 司 都纷 纷 开 始 将 模 式 识 别 技 术 作 为 公 司 的 战 略 研 发 重 点 加 以 重 视 . 关 键 词 : 语 音 识 别 技 术 生 物 认 证

2、 技 术 声 纹 识 别 指 纹 识 别 数 字 水 印 技 术模 式 识 别 从 20 世 纪 20 年 代 发 展 至 今 , 人 们 的 一 种 普 遍 看 法 是 不 存 在 对 所 有 模 式识 别 问 题 都 适 用 的 单 一 模 型 和 解 决 识 别 问 题 的 单 一 技 术 , 我 们 现 在 拥 有 的 只 是 一 个 工 具袋 , 所 要 做 的 是 结 合 具 体 问 题 把 统 计 的 和 句 法 的 识 别 结 合 起 来 , 把 统 计 模 式 识 别 或 句 法模 式 识 别 与 人 工 智 能 中 的 启 发 式 搜 索 结 合 起 来 , 把 统 计 模

3、 式 识 别 或 句 法 模 式 识 别 与 支 持向 量 机 的 机 器 学 习 结 合 起 来 , 把 人 工 神 经 元 网 络 与 各 种 已 有 技 术 以 及 人 工 智 能 中 的 专 家系 统 、 不 确 定 推 理 方 法 结 合 起 来 , 深 入 掌 握 各 种 工 具 的 效 能 和 应 有 的 可 能 性 , 互 相 取 长补 短 , 开 创 模 式 识 别 应 用 的 新 局 面 。1、 语 音 识 别 技 术语 音 识 别 技 术 , 也 被 称 为 自 动 语 音 识 别 Automatic Speech Recognition, (ASR),其 目 标 是 将

4、 人 类 的 语 音 中 的 词 汇 内 容 转 换 为 计 算 机 可 读 的 输 入 , 例 如 按 键 、 二 进 制 编 码或 者 字 符 序 列 。 与 说 话 人 识 别 及 说 话 人 确 认 不 同 , 后 者 尝 试 识 别 或 确 认 发 出 语 音 的 说 话人 而 非 其 中 所 包 含 的 词 汇 内 容 。 语 音 识 别 技 术 的 应 用 包 括 语 音 拨 号 、 语 音 导 航 、 室 内 设 备 控 制 、 语 音 文 档 检 索 简单 的 听 写 数 据 录 入 等 。 语 音 识 别 技 术 与 其 他 自 然 语 言 处 理 技 术 如 机 器 翻

5、译 及 语 音 合成 技 术 相 结 合 , 可 以 构 建 出 更 加 复 杂 的 应 用 , 例 如 语 音 到 语 音 的 翻 译 。目 前 , 主 流 的 大 词 汇 量 语 音 识 别 系 统 多 采 用 统 计 模 式 识 别 技 术 。 典 型 的 基 于 统 计 模 式识 别 方 法 的 语 音 识 别 系 统 由 以 下 几 个 基 本 模 块 所 构 成 信 号 处 理 及 特 征 提 取 模 块 。 该 模 块 的 主 要 任 务 是 从 输 入 信 号 中 提 取 特 征 , 供 声 学 模型 处 理 。 同 时 , 它 一 般 也 包 括 了 一 些 信 号 处 理

6、技 术 , 以 尽 可 能 降 低 环 境 噪 声 、 信 道 、 说话 人 等 因 素 对 特 征 造 成 的 影 响 。 统 计 声 学 模 型 。 典 型 系 统 多 采 用 基 于 一 阶 隐 马 尔 科 夫模 型 进 行 建 模 。 发 音 词 典 。 发 音 词 典 包 含 系 统 所 能 处 理 的 词 汇 集 及 其 发 音 。 发 音 词 典实 际 提 供 了 声 学 模 型 建 模 单 元 与 语 言 模 型 建 模 单 元 间 的 映 射 。 语 言 模 型 。 语 言 模 型对 系 统 所 针 对 的 语 言 进 行 建 模 。 理 论 上 , 包 括 正 则 语 言

7、, 上 下 文 无 关 文 法 在 内 的 各 种 语言 模 型 都 可 以 作 为 语 言 模 型 , 但 目 前 各 种 系 统 普 遍 采 用 的 还 是 基 于 统 计 的 N 元 文 法及 其 变 体 。 解 码 器 。 解 码 器 是 语 音 识 别 系 统 的 核 心 之 一 , 其 任 务 是 对 输 入 的 信 号 , 根据 声 学 、 语 言 模 型 及 词 典 , 寻 找 能 够 以 最 大 概 率 输 出 该 信 号 的 词 串 。 从 数 学 角 度 可以 更 加 清 楚 的 了 解 上 述 模 块 之 间 的 关 系 。 首 先 , 统 计 语 音 识 别 的 最

8、基 本 问 题 是 , 给 定 输入 信 号 或 特 征 序 列 , 符 号 集 ( 词 典 ) , 求 解 符 号 串 使 得 : W = argmaxP(W | O) 通 过 贝 叶 斯 公 式 , 上 式 可 以 改 写 为 由 于 对 于 确 定 的 输 入 串 O, P(O)是 确 定 的 , 因 此 省 略 它 并 不 会 影 响 上 式 的 最 终 结果 , 因 此 , 一 般 来 说 语 音 识 别 所 讨 论 的 问 题 可 以 用 下 面 的 公 式 来 表 示 , 可 以 将 它 称 为 语音 识 别 的 基 本 公 式 。 W = argmaxP(O | W)P(W)

9、从 这 个 角 度 来 看 , 信 号 处 理 模 块 提 供 了 对 输 入 信 号 的 预 处 理 , 也 就 是 说 , 提 供 了 从采 集 的 语 音 信 号 (记 为 S)到 特 征 序 列 O 的 映 射 。 而 声 学 模 型 本 身 定 义 了 一 些 更 具 推 广性 的 声 学 建 模 单 元 , 并 且 提 供 了 在 给 定 输 入 特 征 下 , 估 计 P(O | uk)的 方 法 。 为 了 将 声 学 模 型 建 模 单 元 串 映 射 到 符 号 集 , 就 需 要 发 音 词 典 发 挥 作 用 。 它 实 际 上 定义 了 映 射 的 映 射 。 为 了

10、 表 示 方 便 , 也 可 以 定 义 一 个 由 到 U 的 全 集 的 笛 卡 尔 积 , 而 发音 词 典 则 是 这 个 笛 卡 尔 积 的 一 个 子 集 。 并 且 有 : 最 后 , 语 言 模 型 则 提 供 了 P(W)。 这 样 , 基 本 公 式 就 可 以 更 加 具 体 的 写 成 : 对 于 解 码 器 来 所 , 就 是 要 在 由 ,ui 以 及 时 间 标 度 t 张 成 的 搜 索 空 间 中 , 找 到 上 式所 指 明 的 W。 语 音 识 别 是 一 门 交 叉 学 科 , 语 音 识 别 正 逐 步 成 为 信 息 技 术 中 人 机 接 口 的

11、关 键 技 术 ,语 音 识 别 技 术 与 语 音 合 成 技 术 结 合 使 人 们 能 够 甩 掉 键 盘 , 通 过 语 音 命 令 进 行 操 作 。 语 音技 术 的 应 用 已 经 成 为 一 个 具 有 竞 争 性 的 新 兴 高 技 术 产 业 。2、 生 物 认 证 技 术生 物 认 证 技 术 (Biometrics)本 世 纪 最 受 关 注 的 安 全 认 证 技 术 , 它 的 发 展 是 大 势 所 趋 。人 们 愿 意 忘 掉 所 有 的 密 码 、 扔 掉 所 有 的 磁 卡 , 凭 借 自 身 的 唯 一 性 来 标 识 身 份 与 保 密 。 国际 数 据

12、 集 团 ( IDC) 预 测 : 作 为 未 来 的 必 然 发 展 方 向 的 移 动 电 子 商 务 基 础 核 心 技 术 的 生物 识 别 技 术 在 未 来 10 年 的 时 间 里 将 达 到 100 亿 美 元 的 市 场 规 模 。3、 声 纹 识 别所 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 类 语 言 的 产 生 是 人 体 语 言 中 枢 与 发 音 器 官 之 间 一 个 复 杂 的 生 理 物 理 过 程 , 人 在 讲话 时 使 用 的 发 声 器 官 -舌 、 牙 齿 、

13、 喉 头 、 肺 、 鼻 腔 在 尺 寸 和 形 态 方 面 每 个 人 的 差 异 很 大 ,所 以 任 何 两 个 人 的 声 纹 图 谱 都 有 差 异 。 每 个 人 的 语 音 声 学 特 征 既 有 相 对 稳 定 性 , 又 有 变异 性 , 不 是 绝 对 的 、 一 成 不 变 的 。 这 种 变 异 可 来 自 生 理 、 病 理 、 心 理 、 模 拟 、 伪 装 , 也与 环 境 干 扰 有 关 。 尽 管 如 此 , 由 于 每 个 人 的 发 音 器 官 都 不 尽 相 同 , 因 此 在 一 般 情 况 下 ,人 们 仍 能 区 别 不 同 的 人 的 声 音 或

14、 判 断 是 否 是 同 一 人 的 声 音 。声 纹 识 别 的 应 用 有 一 些 缺 点 , 比 如 同 一 个 人 的 声 音 具 有 易 变 性 , 易 受 身 体 状 况 、 年龄 、 情 绪 等 的 影 响 ; 比 如 不 同 的 麦 克 风 和 信 道 对 识 别 性 能 有 影 响 ; 比 如 环 境 噪 音 对 识 别有 干 扰 ; 又 比 如 混 合 说 话 人 的 情 形 下 人 的 声 纹 特 征 不 易 提 取 ; 等 等 。 尽 管 如 此 ,与 其 他 生 物 特 征 相 比 , 声 纹 识 别 的 应 用 有 一 些 特 殊 的 优 势 : (1)蕴 含 声

15、纹 特 征 的 语 音获 取 方 便 、 自 然 , 声 纹 提 取 可 在 不 知 不 觉 中 完 成 , 因 此 使 用 者 的 接 受 程 度 也 高 ; (2)获 取 语 音 的 识 别 成 本 低 廉 , 使 用 简 单 , 一 个 麦 克 风 即 可 , 在 使 用 通 讯 设 备 时 更 无 需 额 外的 录 音 设 备 ; (3)适 合 远 程 身 份 确 认 , 只 需 要 一 个 麦 克 风 或 电 话 、 手 机 就 可 以 通 过 网 路(通 讯 网 络 或 互 联 网 络 )实 现 远 程 登 录 ; (4)声 纹 辨 认 和 确 认 的 算 法 复 杂 度 低 ;

16、(5)配 合一 些 其 他 措 施 , 如 通 过 语 音 识 别 进 行 内 容 鉴 别 等 , 可 以 提 高 准 确 率 ; 等 等 。 这 些优 势 使 得 声 纹 识 别 的 应 用 越 来 越 收 到 系 统 开 发 者 和 用 户 青 睐 , 声 纹 识 别 的 世 界 市 场 占 有率 15.8%, 仅 次 于 手 指 和 手 的 生 物 特 征 识 别 , 并 有 不 断 上 升 的 趋 势 。声 纹 识 别 可 以 应 用 的 范 围 很 宽 , 可 以 说 声 纹 识 别 几 乎 可 以 应 用 到 人 们 日 常 生 活 的 各 个 角落 。 比 如 下 面 举 几 个

17、 例 子 。 (1)信 息 领 域 。 比 如 在 自 动 总 机 系 统 中 , 把 “得 意 ”身 份 证 之 声 纹 辨 认 和 “得 意 ”关 键词 检 出 器 结 合 起 来 , 可 以 在 姓 名 自 动 拨 号 的 同 时 向 受 话 方 提 供 主 叫 方 的 身 份 信 息 。 前 者用 于 身 份 认 证 , 后 者 用 于 内 容 认 证 。 同 样 , 声 纹 识 别 技 术 可 以 在 呼 叫 中 心 (Call Center)应 用 中 为 注 册 的 常 客 户 提 供 友 好 的 个 性 化 服 务 。 (2)银 行 、 证 券 。 鉴 于 密 码 的 安 全

18、性 不 高 , 可 以 用 声 纹 识 别 技 术 对 电 话 银 行 、 远 程炒 股 等 业 务 中 的 用 户 身 份 进 行 确 认 , 为 了 提 供 安 全 性 , 还 可 以 采 取 一 些 其 他 措 施 , 如 密码 和 声 纹 双 保 险 , 如 随 机 提 示 文 本 用 文 本 相 关 的 声 纹 识 别 技 术 进 行 身 份 确 认 (随 机 提示 文 本 保 证 无 法 用 事 先 录 好 的 音 去 假 冒 ), 甚 至 可 以 把 交 易 时 的 声 音 录 下 来 以 备 查 询 。 (3)公 安 司 法 。 对 于 各 种 电 话 勒 索 、 绑 架 、

19、电 话 人 身 攻 击 等 案 件 , 声 纹 辨 认 技 术 可以 在 一 段 录 音 中 查 找 出 嫌 疑 人 或 缩 小 侦 察 范 围 ; 声 纹 确 认 技 术 还 可 以 在 法 庭 上 提 供 身 份确 认 的 旁 证 。 (4)军 队 和 国 防 。 声 纹 辨 认 技 术 可 以 察 觉 电 话 交 谈 过 程 中 是 否 有 关 键 说 话 人 出 现 ,继 而 对 交 谈 的 内 容 进 行 跟 踪 (战 场 环 境 监 听 ); 在 通 过 电 话 发 出 军 事 指 令 时 , 可 以 对 发出 命 令 的 人 的 身 份 进 行 确 认 (敌 我 指 战 员 鉴

20、别 )。 目 前 该 技 术 在 国 外 军 事 方 面 已 经 有 所应 用 , 据 报 道 , 迫 降 在 我 国 海 南 机 场 的 美 军 EP-3 侦 察 机 中 就 载 有 类 似 的 声 纹 识 别 侦听 模 块 。 (5)保 安 和 证 件 防 伪 。 如 机 密 场 所 的 门 禁 系 统 。 又 如 声 纹 识 别 确 认 可 用 于 信 用 卡 、银 行 自 动 取 款 机 、 门 、 车 的 钥 匙 卡 、 授 权 使 用 的 电 脑 、 声 纹 锁 以 及 特 殊 通 道 口 的 身 份 卡 ,把 声 纹 存 在 卡 上 , 在 需 要 时 , 持 卡 者 只 要 将

21、 卡 插 入 专 用 机 的 插 口 上 , 通 过 一 个 传 声 器 读出 事 先 已 储 存 的 暗 码 , 同 时 仪 器 接 收 持 卡 者 发 出 的 声 音 , 然 后 进 行 分 析 比 较 , 从 而 完 成身 份 确 认 。 同 样 可 以 把 含 有 某 人 声 纹 特 征 的 芯 片 嵌 入 到 证 件 之 中 , 通 过 上 面 所 述 的 过 程完 成 证 件 防 伪 。4 指 纹 识 别指 纹 , 由 于 其 具 有 终 身 不 变 性 、 唯 一 性 和 方 便 性 , 已 几 乎 成 为 生 物 特 征 识 别 的 代名 词 。 指 纹 是 指 人 的 手 指

22、 末 端 正 面 皮 肤 上 凸 凹 不 平 产 生 的 纹 线 。 纹 线 有 规 律 的 排 列 形 成不 同 的 纹 型 。 纹 线 的 起 点 、 终 点 、 结 合 点 和 分 叉 点 , 称 为 指 纹 的 细 节 特 征 点 。指 纹 识 别 系 统 是 一 个 典 型 的 模 式 识 别 系 统 , 包 括 指 纹 图 像 获 取 、 处 理 、 特 征 提 取 和比 对 等 模 块现 在 的 计 算 机 应 用 中 , 包 括 许 多 非 常 机 密 的 文 件 保 护 , 大 都 使 用 “用 户 ID+密 码 ”的 方法 来 进 行 用 户 的 身 份 认 证 和 访 问

23、 控 制 。 但 是 , 如 果 一 旦 密 码 忘 记 , 或 被 别 人 窃 取 , 计算 机 系 统 以 及 文 件 的 安 全 问 题 就 受 到 了 威 胁 。 随 着 科 技 的 进 步 , 指 纹 识 别 技 术 已 经 开 始 慢 慢 进 入 计 算 机 世 界 中 。 目 前 许 多 公司 和 研 究 机 构 都 在 指 纹 识 别 技 术 领 域 取 得 了 很 大 突 破 性 进 展 , 推 出 许 多 指 纹 识 别 与 传 统IT 技 术 完 美 结 合 的 应 用 产 品 , 这 些 产 品 已 经 被 越 来 越 多 的 用 户 所 认 可 。 指 纹 识 别 技

24、 术多 用 于 对 安 全 性 要 求 比 较 高 的 商 务 领 域 , 而 在 商 务 移 动 办 公 领 域 颇 具 建 树 的 富 士 通 、 三星 及 IBM 等 国 际 知 名 品 牌 都 拥 有 技 术 与 应 用 较 为 成 熟 的 指 纹 识 别 系 统 , 下 面 就 对 指 纹识 别 系 统 在 笔 记 本 电 脑 中 的 应 用 进 行 简 单 介 绍 。5 数 字 水 印 技 术数 字 水 印 ( Digital Watermarking) 技 术 是 将 一 些 标 识 信 息 (即 数 字 水 印 )直 接 嵌 入数 字 载 体 (包 括 多 媒 体 、 文 档

25、、 软 件 等 )当 中 , 但 不 影 响 原 载 体 的 使 用 价 值 , 也 不 容 易被 人 的 知 觉 系 统 (如 视 觉 或 听 觉 系 统 )觉 察 或 注 意 到 。 通 过 这 些 隐 藏 在 载 体 中 的 信 息 ,可 以 达 到 确 认 内 容 创 建 者 、 购 买 者 、 传 送 隐 秘 信 息 或 者 判 断 载 体 是 否 被 篡 改 等 目 的 。 数字 水 印 是 信 息 隐 藏 技 术 的 一 个 重 要 研 究 方 向 。作 为 数 字 水 印 技 术 基 本 上 具 有 下 面 几 个 方 面 的 特 点 : -安 全 性 : 数 字 水 印 的

26、信 息 应 是 安 全 的 , 难 以 篡 改 或 伪 造 , 同 时 , 应 当 有 较 低 的误 检 测 率 , 当 原 内 容 发 生 变 化 时 , 数 字 水 印 应 当 发 生 变 化 , 从 而 可 以 检 测 原 始 数 据 的 变更 ; 当 然 数 字 水 印 同 样 对 重 复 添 加 有 很 强 的 抵 抗 性 -隐 蔽 性 : 数 字 水 印 应 是 不 可 知 觉 的 , 而 且 应 不 影 响 被 保 护 数 据 的 正 常 使 用 ; 不会 降 质 ; -鲁 棒 性 : 是 指 在 经 历 多 种 无 意 或 有 意 的 信 号 处 理 过 程 后 , 数 字 水

27、 印 仍 能 保 持 部分 完 整 性 并 能 被 准 确 鉴 别 。 可 能 的 信 号 处 理 过 程 包 括 信 道 噪 声 、 滤 波 、 数 /模 与 模 /数转 换 、 重 采 样 、 剪 切 、 位 移 、 尺 度 变 化 以 及 有 损 压 缩 编 码 等 。 主 要 用 于 版 权 保 护 的 数 字水 印 易 损 水 印 ( Fragile Watermarking) , 主 要 用 于 完 整 性 保 护 , 这 种 水 印 同 样 是 在内 容 数 据 中 嵌 入 不 可 见 的 信 息 。 当 内 容 发 生 改 变 时 , 这 些 水 印 信 息 会 发 生 相 应

28、 的 改 变 ,从 而 可 以 鉴 定 原 始 数 据 是 否 被 篡 改 。 -水 印 容 量 : 是 指 载 体 在 不 发 生 形 变 的 前 提 下 可 嵌 入 的 水 印 信 息 量 。 嵌 入 的 水 印信 息 必 须 足 以 表 示 多 媒 体 内 容 的 创 建 者 或 所 有 者 的 标 志 信 息 , 或 购 买 者 的 序 列 号 , 这 样有 利 于 解 决 版 权 纠 纷 , 保 护 数 字 产 权 合 法 拥 有 者 的 利 益 。 尤 其 是 隐 蔽 通 信 领 域 的 特 殊 性 ,对 水 印 的 容 量 需 求 很 大 。结束语:模 式 识 别 技 术 是 人

29、 工 智 能 的 基 础 技 术 , 21 世 纪 是 智 能 化 、 信 息 化 、 计 算化 、 网 络 化 的 世 纪 , 在 这 个 以 数 字 计 算 为 特 征 的 世 纪 里 , 作 为 人 工 智 能 技 术 基 础 学 科 的模 式 识 别 技 术 , 必 将 获 得 巨 大 的 发 展 空 间 。参 考 文 献 :1 边肇祺,张学工等 . 模式识别, 第二版. 清华大学出版社, 20002 刘成林,谭铁牛. 模式识别研究进展. 中国计算机学会通讯,3(12): 45-52, 20073 ( 希 ) 西 奥 多 里 德 斯 等 著 , 李 晶 皎 等 译 国 外 计 算 机 科 学 教 材 系 列 电 子工 业 出 版 社 2006-12-14 孙即祥著. 现代模式识别 高等教育出版社 2007 年 3 月

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