基于MFCC特征提取和HMM模型的语音合成算法matlab仿真

1.算法运行效果图预览

2.算法运行软件版本

matlab2022A

3.算法理论概述

语音合成是计算机生成自然人类语音的过程，广泛应用于语音助手、语音导航、无障碍通信等领域。基于Mel频率倒谱系数（Mel-frequency cepstral coefficients，MFCC）特征提取和隐马尔可夫模型（Hidden Markov Model，HMM）的语音合成算法，是一种有效的语音合成方法。本文将从数学公式、实现过程和应用领域三个方面详细介绍基于MFCC特征提取和HMM模型的语音合成算法。

理论：

MFCC特征提取： MFCC是一种用于语音和音频信号分析的特征提取方法，主要包括以下步骤：

a. 预加重：对语音信号进行预处理，通过高通滤波器突出高频部分。

b. 分帧：将语音信号分成短帧，通常每帧20-40毫秒。

c. 傅里叶变换：对每帧语音信号进行傅里叶变换，将时域信号转换为频域信号。

d. Mel滤波器组：将频谱图映射到Mel频率刻度上，使用一组Mel滤波器进行滤波。

e. 对数运算：对Mel滤波器组输出取对数，得到对数Mel频率谱。

f. 离散余弦变换：对对数Mel频率谱进行离散余弦变换，得到MFCC系数。

隐马尔可夫模型（HMM）： HMM是一种用于建模时间序列数据的概率模型，用于描述观测序列与隐藏状态序列之间的关系。在语音合成中，HMM用于建模语音信号的时序特性，包括音素的时长和转换。

a. 状态集合： HMM模型包含多个隐藏状态，每个状态代表一个音素或声音单元。

b. 状态转移概率：定义隐藏状态之间的转移概率，表示从一个状态转移到另一个状态的概率。

c. 观测概率：定义每个状态生成观测符号（MFCC特征）的概率分布。

d. 初始状态概率：定义初始时刻各隐藏状态的概率。

实现过程：

MFCC特征提取：对输入的语音信号进行MFCC特征提取，得到每帧的MFCC系数作为输入特征。

HMM模型训练：使用训练数据集，根据已知的音素标签，训练HMM模型的参数，包括状态转移概率、观测概率和初始状态概率。

语音合成：对于待合成的文本，将文本转化为音素序列。然后，通过Viterbi算法等方法，根据HMM模型预测音素序列对应的隐藏状态序列。

合成语音重建：根据预测的隐藏状态序列，利用HMM模型的观测概率，从每个状态生成对应的MFCC特征。

声码器生成：使用声码器，如激励源声码器（Excitation Source Vocoder）或线性预测编码（Linear Predictive Coding，LPC）声码器，将MFCC特征转化为合成语音信号。

总结：

基于MFCC特征提取和HMM模型的语音合成算法能够实现高质量、自然流畅的语音合成。该算法通过从语音信号中提取MFCC特征，然后通过HMM模型建模时序特性，最终生成合成语音信号。在语音助手、无障碍通信、教育培训等领域，该算法都有着重要的应用价值，为人们提供更加便捷和自然的语音交互体验。随着深度学习和人工智能的发展，基于MFCC和HMM的语音合成算法将会得到更多创新和优化，进一步拓展其应用领域和性能。

4.部分核心程序

%hmm是已经建立好的声学模型库
load hmm.mat   
for i=1:length(samples)  
    i
    sample=[];
    for k=1:length(samples{i})
        sample(k).wave=samples{i}{k};
        sample(k).data=[];
        [cepstra,aspectrum,pspectrum]= melfcc(sample(k).wave,Fs);
        mfcc_data{i}{k} = cepstra;
    end
    %训练后的声学模型库
    [hmm2{i},pout,tmp1,tmp2] = train(sample,Fs,[3 3 3 3]); 
end
save R.mat hmm2 mfcc_data Fs
end
  
  
%设置text
Text = ['1 1 1 1 1 0'];
  
  
load R.mat
tic;
%%
%上下文相关HMM序列决策
indx = 0;
for i = 1:length(Text)
    if Text(i)==' '
    else
       indx       = indx+1; 
       data{indx} = [Text(i)]; 
    end
end
  
datalist2=load('samples\datalist.txt');
flag = 1;
%调用模型和参数
for i = 1:length(data)
    indxx   = find(datalist2 == str2num(data{i})); 
    if isempty(indxx) == 1
       msgbox('未找到库中语料，无法合成'); 
       flag = 0;
    end
    Hmmused{i} = hmm2{indxx};
    %对应的语音参数
    Mfccused{i}= mfcc_data{indxx}{1};
end
.................................................................
y=y/max(y);
toc;
%最终滤波
figure;
subplot(211)
plot(y)
xlim([1,length(y)]);
subplot(212)
specgram(y,512,Fs); 
  
sound(y,Fs);
%保存合成后的声音wav文件
audiowrite('new.wav',y,Fs);