Диссертация (Методы, алгоритмы и устройства распознавания речи в ассоциативной осцилляторной среде), страница 15

В данной работе приводится второй вариантклассификации (рис. 63).Историческипервымипоявилисьпрограммируемыелогическиеустройства (ПЛУ). Они представлены простыми ПЛУ (Simple ProgrammableLogic Device – SPLD) и сложными ПЛУ (Complex Programmable Logic Device– CPLD). Первые включают программируемые логические матрицы (ПЛМ) ипрограммируемые массивы логики (ПМЛ, Programmable Array Logic – PAL).Вэтихмикросхемахдизъюнктивнойпользовательскаянормальнойформесфункцияпомощьюреализуетсявпрограммированиясоединений в матрицах «И» и «ИЛИ» [80, 81]. CPLD представляет собойобъединение простых ПЛУ, называемых макроячейками, с помощьюпрограммируемой коммутационной матрицы.FPGA занимают промежуточное положение между программируемымилогическимиустройствамииспециализированнымизаказнымиинтегральными схемами (application specific integrated circuit – ASIC).

Первыеотличаются малым временем и стоимостью изготовления, но не способныподдерживать большие и сложные функции. В ASIC, напротив, можнореализовать сложные функции, но их время изготовления и стоимостьгораздовыше,чемуПЛУ.ДляПЛИСтипаFPGAхарактерныположительные черты этих полярных классов микросхем: доступная цена,возможность программированияи перепрограммирования «на лету»,121возможность реализации сложного функционала. Основным компонентомFPGA является программируемый логический блок (ПЛБ) [80]. Он включаетв себя таблицу поиска (LookUp Table – LUT) – аппаратную реализациюфункции по ее таблице истинности, триггер и мультиплексор.

ПЛБобъединены в матрицу с помощью программируемых внутренних связей.Интегральные микросхемыПЛИСПЛУ (PLD)Простые(SPLD)ПЛМASICFPGAСложные(CPLD)ПМЛРис. 63. Классификация интегральных микросхем.Учитывая тот факт, что аппаратная реализация алгоритма всегдабыстрее программной, а также благодаря одновременному усложнениювнутренней структуры и удешевлению, ПЛИС стали находить применение вбольшом количестве областей:обработка видео и аудио потоков, цифровая обработка сигналов,особенно в режиме реального времени;системы защиты информации, аппаратная реализация алгоритмовшифрования;связующее звено между микросхемами, работающими на физическом иболее высоких уровнях передачи данных.Дляаппаратнойреализациибазовыхклеточныхансамблейассоциативной осцилляторной среды, помимо россыпи элементов И-ИЛИНЕ, необходимо располагать элементами с памятью – триггерами.

Этому122требованию соответствуют ПЛИС, построенные по архитектуре FPGA,поэтому выбор конкретной микросхемы осуществлялся среди ПЛИС данноготипа.На сегодняшний день на рынке ПЛИС доминируют две фирмы: Alteraи Xilinx. Они производят эквивалентную по сложности продукцию.Ассортимент ПЛИС Altera представлен на рисунке 64. Семейства сархитектуройразличаютсяFPGAпостоимости/логическойемкости:наиболее дорогими и высокопроизводительными является Stratix, Arriaзанимает средний сегмент рынка, Cyclone – самые дешевые.AlteraCPLDСемейство MAXFPGAStratixCycloneArriaРис.

64. Семейства ПЛИС фирмы Altera.В отличие от фирмы Altera, Xilinx предлагает программируемыемикросхемы не только архитектур FPGA14 и CPLD15, но также системы накристалле16(System on Crystal – SoC). Последний тип устройств нерассматривался в данной работе, так как представляет собой сложныйкомплексизARM-процессораиFPGA.FPGA-микросхемыXilinxпредставлены следующими семействами: Spartan, Artix, Kintex и Virtex.Последние два существуют в двух вариантах: обычные и UltraScale.

Ониразличаются, в первую очередь, технологическим процессом. Чипы Spartanпроизводятся по 45 нм техпроцессу, Artix, Kintex и Virtex – 28 нм, KintexUltraScale – по 20 нм, а Virtex UltraScale – по 20 нм и 16 нм. При этом Virtex,Virtex UltraScale и Kintex UltraScale выполнены по технологии 3D IC17 (Three14URL: http://www.xilinx.com/products/silicon-devices/fpga/index.htmURL: http://www.xilinx.com/products/silicon-devices/cpld/index.htm.16URL: http://www.xilinx.com/products/silicon-devices/soc/index.htm17URL: http://www.xilinx.com/products/silicon-devices/3dic/index.htm15123Dimensional Integrated Circuit – Трехмерные Интегральные Схемы), чтопозволило повысить степень интеграции.5.3. Упаковка разработанной аппаратной реализации в ПЛИС.

Анализаппаратных затрат и выбор ПЛИС для аппаратной реализации блокараспознаванияУпаковка аппаратной реализации производилась для ПЛИС Altera иXilinx в САПР этих производителей. Результаты компиляции проектов дляAltera и Xilinx приведены в Таблица 10.AlteraПараметрРезультаткомпиляцииCyclone IVEP4CGX150ЗаняторесурсовВсего логическихэлементов2630014976017,6 %Внутренней памяти, байт81920082944098,8 %XilinxПараметрРезультаткомпиляцииKintex-7 XC7K160TЗаняторесурсовSlice LUT9910010140097,7 %Slice registers2570220280012,7 %Таблица 10.

Результаты компиляции в САПР Altera и Xilinx.По этим результатам были выбраны подходящие ПЛИС этих фирм. Длямикросхем Altera благодаря использованию встроенной памяти аппаратныезатраты оказались невелики, на уровне бюджетных чипов семейства CycloneIV E, однако требования к объему внутренней памяти не позволяютиспользовать эти дешевые устройства. Наиболее близко по объемувнутренней памяти лежат ПЛИС семейства Cyclone IV GX, напримерEP4CGX150.САПР ISE 14.7 Web Pack при компиляции потоковой модели автоматически определил в ней описание памяти RAM, что позволило124эффективно распределить ресурсы ПЛИС и задействовать доступную память.По оценкам аппаратных затрат синтезатора, для реализации блокараспознаванияподойдутчипыXilinxсемейтванапримерKintex-7,XC7K160T.ВыводыПятая глава была посвящена анализу типов ПЛИС, выбору ПЛИС иразработке аппаратной реализации метода распознавания без учета порядказвуков.

В ней:1.разработана структура блока распознавания по методу без учетапорядка звуков и модуля вычисления вероятности log для СММ .2.приведено VHDL-описание и временная диаграмма работы аппаратнойреализации клеточного ансамбля «Дифференциал»;3.разработаноVHDL-описаниемодулявычислениявычислениявероятности log , в котором используются клеточные ансамбли«Проводник» и «Сумматор». На созданных компонентах разработанасхемная реализация блока распознавания.4.рассмотрены различные типы ПЛИС – FPGA и CPLD. проанализировансостав семейства ПЛИС фирм Altera и Xilinx.

По результатам синтеза RTLописания, выбрана подходящая ПЛИС для аппаратной реализации;5.описан синтез аппаратной реализации блока распознавания; порезультатам синтеза подобраны микросхемы ПЛИС фирм Altera и Xilinx дляупаковки.125ЗаключениеВдиссертационнойработерешенанаучно-техническаязадачаисследования и разработки новых методов и средств распознавания речи вассоциативных средах.Основные результаты работы заключаются в следующем:1.Проведен анализ задачи представления и распознавания речи,выделены основные компоненты систем автоматического распознаванияречи.2.Рассмотреныметодыпредварительнойобработкиивыделенияпризнаков речевого сигнала, среди которых выбран подход, основанный нанахождении мел-кепстральных коэффициентов.3.Рассмотрены методы распознавания речи и выбран аппарат скрытыхМарковских моделей.4.Разработан и исследован метод выделения участков с речью в сигнале,основанный на анализе распределенияеголокальных экстремумов.

Созданаего программная реализация.5.Разработан метод реализации алгоритма прямого хода в ассоциативнойосцилляторной среде, основанный на представлении вероятности с помощьюинтенсивности потока спайков. Предложена реализация на элементахассоциативной осцилляторной среды.6.Разработана модификация алгоритма прямого хода, в которойупрощено вычисление логарифма вероятности прямого хода. Предложенареализация на элементах ассоциативной осцилляторной среды.7.Разработан метод распознавания речи, не учитывающий порядокследованиязвуковречи.Предложенареализациянаэлементахассоциативной осцилляторной среды.8.Разработан программный комплекс, позволяющий создавать речевыебазы и включающий программные модели предложенных реализацийраспознавания речи в осцилляторной среде.1269.Сформирована речевая база русских слов, которая была использованадля обучения и тестирования разработанной системы распознавания.10.Насозданнойречевойбазебылиисследованыпредложенныереализации распознавания в осцилляторной среде.

Была произведена оценкаразработанныхметодовраспознавания,выполненосравнениестрадиционным подходом к распознаванию, а также получены зависимоститочности от различных параметров: выбранной длины последовательностиспайков, количества распознаваемых различных слов (классов).11.Разработана аппаратная реализация блока распознавания речи вассоциативной осцилляторной среде на ПЛИС с использованием САПРQUARTUS II 13.1 Web Edition и ISE 14.7 Web Pack.127Список литературы1. A. Ronzhin, A.

Karpov, Russian Voice Interface // Pattern Recognition andImage Analysis, 2007. Vol. 17, No. 2, pp. 321–336.2. A. Schmitt, D. Zaykovskiy, W. Minker, Speech recognition for mobiledevices// International Journal of Speech Technology, Springer, 2008. Vol.11, Pp. 63-72.3. M. Pinola, Speech recognition through the decades: how we ended up withSiri,[Электронныйресурс]//PCWorld,2011.URL:http://www.techhive.com/article/243060/speech_recognition_through_the_decades_how_we_ended_up_with_siri.html?page=0.4. B.

Johnson, How Siri works, [Электронный ресурс] // How Stuff Works.URL:http://electronics.howstuffworks.com/gadgets/high-tech-gadgets/siri2.htm.5. A. Egozi, IAI's REX robot to face first operational trial, [Электронныйресурс]//IsraelDefence,2012.URL:http://www.israeldefense.com/?CategoryID=411&ArticleID=1515.6. C. Englund, Speech recognition in the JAS 39 Gripen aircraft – adaptation tospeech at different G-loads. Master degree thesis / Royal Institute ofTechnology, Stockholm, 2004.7.

M. Mazo, F. J. Rodriguez, J. L. Lazaro, J. Urena, J. C. Garcia, E. Santiso, P.Revenga, J. J. Garcia, Wheelchair for Physically Disabled People withVoice, Ultrasonic and Infrared Sensor Control // Autonomous Robots, 1995.Vol.

2. – pp. 203-224.8. V. V. Ngoc, J. Whittington, J. Devlin, Real-time Hardware Feature Extractionwith Embedded Signal Enhancement for Automatic Speech Recognition //Speech Technologies, Intech, 2011. – Pp. 29-54.9. M. Bahoura, H. Ezzaidi, Hardware implementation of MFCC featureextraction for respiratory sounds analysis // 8th Workshop on Systems,Signal Processing and their Applications, 2013.