本發(fā)明涉及一種無(wú)聲信息識(shí)別裝置，尤其是涉及一種基于臉部肌音信號(hào)的無(wú)聲信息識(shí)別系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
早在第二次世界大戰(zhàn)以前，科學(xué)家們就對(duì)在十分嘈雜的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)通信頗感興趣，而推動(dòng)這項(xiàng)事業(yè)前進(jìn)的動(dòng)力來(lái)自軍事需求。最著名的研究就是怎樣實(shí)現(xiàn)飛行員之間以及飛行員與指揮中心的語(yǔ)音通信。起初，科學(xué)家們采用喉部微麥克風(fēng)實(shí)現(xiàn)在嘈雜的環(huán)境中進(jìn)行通信。后來(lái)，隨著該領(lǐng)域的深入，科學(xué)家們逐漸的把重心放在了對(duì)生物信號(hào)的研究上。20世紀(jì)90年代末，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)在一個(gè)名為“延長(zhǎng)人類感官的倡議”的計(jì)劃中，埃姆斯研究中心(AmesResearchCenter)采用EMG(electromyography，肌電圖)作為信號(hào)源，對(duì)人與人之間以及人與機(jī)器之間的通信手段做了系統(tǒng)的評(píng)估。1997年，埃姆斯研究中心的科學(xué)家們?cè)O(shè)想利用EEG和EMG實(shí)現(xiàn)人對(duì)機(jī)器的控制以及人與人之間的通信，并設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了探索。2003年，該研究中心發(fā)現(xiàn)，采用EMG作為單信號(hào)源也可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，并實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)在消防隊(duì)員之間通信的應(yīng)用。2009年12月22日在達(dá)拉斯舉行的德州儀器開(kāi)發(fā)者會(huì)議上，Ambient公司(伊利諾斯州Champaign)的CEO兼創(chuàng)始人之一MichaelCallahan演示了Audeo——一個(gè)能夠?qū)⒂幸庾R(shí)的神經(jīng)沖動(dòng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息并隨后將該信息轉(zhuǎn)換成合成語(yǔ)音的方案。Audeo技術(shù)通過(guò)一個(gè)綁在人們脖子上的無(wú)線傳感器，來(lái)捕捉由大腦傳送給聲帶的神經(jīng)活動(dòng)，然后通過(guò)模擬數(shù)字技術(shù)把它轉(zhuǎn)化為語(yǔ)言，這個(gè)技術(shù)的本質(zhì)就是從大腦獲取神經(jīng)信息并轉(zhuǎn)換成語(yǔ)音，信號(hào)源為EEG(electroencephalograph，腦電圖)。2010年3月2日，在德國(guó)漢諾威國(guó)際信息及通信技術(shù)博覽會(huì)展出一種“無(wú)聲電話”，可把嘴唇活動(dòng)即時(shí)轉(zhuǎn)化為電腦發(fā)聲。使用這種電話，人們無(wú)需發(fā)聲就能讓電話另一端的人聽(tīng)清說(shuō)話內(nèi)容，避免喋喋不休地打擾他人。這種電話由德國(guó)卡爾斯魯厄技術(shù)學(xué)院研發(fā)，通過(guò)電極監(jiān)測(cè)記錄人講話時(shí)嘴部肌肉活動(dòng)變化，并轉(zhuǎn)化成電脈沖后再變?yōu)殡娔X發(fā)聲。這一過(guò)程中，講話者無(wú)需發(fā)出任何聲音。由此可見(jiàn)，目前無(wú)聲信息傳遞技術(shù)的信號(hào)源一般是EEG或EMG，并取得了一定的成果，但無(wú)聲信息傳遞技術(shù)的發(fā)展仍處于初期階段，還不能得到廣泛的實(shí)際應(yīng)用。由于EEG是非常復(fù)雜的，目前對(duì)它的研究還僅限于開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單的腦機(jī)接口裝置，距離臨床使用還有很長(zhǎng)的距離。而EMG又非常微弱(僅uV級(jí))，表面電極檢測(cè)出的肌電信息并不能完全反映人腦對(duì)某一動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)指令，而人體感受到的外電場(chǎng)干擾又相對(duì)十分強(qiáng)大(達(dá)V級(jí))，這些因素都會(huì)影響到無(wú)聲信息傳遞技術(shù)的準(zhǔn)確性。因此，適合的信號(hào)源對(duì)推進(jìn)無(wú)聲信息傳遞技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要，本發(fā)明就將對(duì)以肌音信號(hào)作為信號(hào)源來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)聲信息傳遞，這種信號(hào)對(duì)采集設(shè)備要求較低，容易形成產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便捷性好、可實(shí)現(xiàn)無(wú)聲信號(hào)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確傳遞的基于臉部肌音信號(hào)的無(wú)聲信息識(shí)別系統(tǒng)。本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種基于臉部肌音信號(hào)的無(wú)聲信息識(shí)別系統(tǒng)，包括：傳感器，采集臉部動(dòng)作信號(hào)；信號(hào)調(diào)理電路，與傳感器連接，對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)壓、電壓縮放處理；單片機(jī)，與信號(hào)調(diào)理電路連接，接收經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后的信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)依次進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理、特征提取處理和動(dòng)作分類處理，輸出分類結(jié)果；上位機(jī)接收端，與單片機(jī)連接，接收單片機(jī)的動(dòng)作分類結(jié)果并顯示。所述的傳感器為加速度傳感器。所述的傳感器的頻率范圍為0.5～1000Hz。所述的傳感器設(shè)有兩個(gè)，分別固定在臉部?jī)蓚?cè)的頰肌和咬肌相交處。所述的信號(hào)預(yù)處理包括依次進(jìn)行的數(shù)字濾波處理、歸一化處理和信號(hào)分割處理。所述的數(shù)字濾波處理通過(guò)FIR數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)，所述的歸一化處理通過(guò)線性函數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)。所述的信號(hào)分割處理具體為：1)通過(guò)滑動(dòng)窗將歸一化處理后的信號(hào)分割為多個(gè)部分；2)計(jì)算當(dāng)前滑動(dòng)窗內(nèi)信號(hào)的短時(shí)幀方差和絕對(duì)均值，判斷短時(shí)幀方差和絕對(duì)均值是否均超過(guò)相應(yīng)的閾值，若是，則執(zhí)行步驟3)，若否，則執(zhí)行步驟4)；3)判斷動(dòng)作開(kāi)始發(fā)生并記錄動(dòng)作開(kāi)始時(shí)間，然后提取其后規(guī)定長(zhǎng)度的信號(hào)作為動(dòng)作信號(hào)段；4)移動(dòng)至下一滑動(dòng)窗，返回步驟2)。所述的特征提取處理提取的特征包括絕對(duì)均值、方差、斜率改變次數(shù)、過(guò)零率、均方根、AR模型估計(jì)量、高階累積量、功率譜參數(shù)、倒譜系數(shù)和功率譜非負(fù)矩陣分解系數(shù)。所述的動(dòng)作分類處理具體為：根據(jù)特征提取的特征值采用訓(xùn)練好的二次分類器進(jìn)行動(dòng)作識(shí)別分類。所述的二次分類器的訓(xùn)練過(guò)程如下：令X是訓(xùn)練樣本集，它有L個(gè)特征列，類別標(biāo)記為Υ＝{1,2,…,n}，n為類別總數(shù)，通過(guò)以下公式計(jì)算訓(xùn)練樣本x屬于哪一類：J(x)＝xTAx+bTx+cA、b、c是由訓(xùn)練樣本集X得到的系數(shù)矩陣；那么對(duì)一輸入的測(cè)試樣本y∈Y，如果y對(duì)應(yīng)的函數(shù)值Jy是所有類別中的最大值，那么y即被分類到類別為yt∈Υ中：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)利用肌音信號(hào)實(shí)現(xiàn)無(wú)聲信息傳遞，設(shè)備技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；(2)本發(fā)明系統(tǒng)采用的結(jié)構(gòu)體積小巧，上位機(jī)接收端可采用筆記本電腦等便捷設(shè)備，具備一定便攜性；(3)本發(fā)明通過(guò)單片機(jī)的多特征提取、二次分類器分類等信號(hào)處理過(guò)程可實(shí)現(xiàn)無(wú)聲信息準(zhǔn)確地、實(shí)時(shí)地傳遞。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明肌音信號(hào)分割處理示意圖；圖3為本發(fā)明工作流程示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖1所示，一種基于臉部肌音信號(hào)的無(wú)聲信息識(shí)別系統(tǒng)，包括依次連接的傳感器1、信號(hào)調(diào)理電路2、單片機(jī)3和上位機(jī)接收端4。1)傳感器1，采集臉部動(dòng)作信號(hào)。傳感器是整個(gè)硬件系統(tǒng)中最為核心的器件，傳感器的選擇遵循以下幾點(diǎn)原則：足夠的靈敏度和分辨力。一般的聲音傳感器能夠響應(yīng)的最小頻率大概在200Hz左右，而肌音信號(hào)的主要頻段為0-50Hz。因此該系統(tǒng)推薦采用響應(yīng)頻率覆蓋肌音信號(hào)頻段，靈敏度適中，重量輕盈，體積微小的加速度信號(hào)傳感器，如北京頤松公司的TD-3型壓電式腿動(dòng)信號(hào)微加速度信號(hào)傳感器，其響應(yīng)頻率范圍0.5～1000Hz，靈敏度150mV/G，重量小于20g。所述的傳感器設(shè)有兩個(gè)，分別固定在臉部?jī)蓚?cè)的頰肌和咬肌相交處。2)信號(hào)調(diào)理電路2，與傳感器1連接，對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)壓、電壓縮放處理。在本系統(tǒng)中由傳感器采集的電壓信號(hào)需通過(guò)單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，要求采集的電壓信號(hào)穩(wěn)定盡量少毛刺，并且電壓范圍在單片機(jī)可接收電壓范圍之內(nèi)。如當(dāng)傳感器采集信號(hào)范圍為-5～5v，而單片機(jī)接收范圍為0～3v，此時(shí)系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理電路需要同時(shí)具備穩(wěn)壓、電壓抬升和縮放的功能，使傳感器采集的信號(hào)范圍轉(zhuǎn)變?yōu)?～3v。3)單片機(jī)3，與信號(hào)調(diào)理電路2連接，接收經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后的信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)依次進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理、特征提取處理和動(dòng)作分類處理，輸出分類結(jié)果。系統(tǒng)中單片機(jī)作用是對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行處理并分類，要求其具備一定的運(yùn)算能力。如采用ARM-Cortex-M3開(kāi)發(fā)板，該單片機(jī)具有開(kāi)源易于編程，運(yùn)算能力強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，能很好的滿足系統(tǒng)對(duì)信號(hào)處理和分類的要求。4)上位機(jī)接收端4，與單片機(jī)3連接，接收單片機(jī)的動(dòng)作分類結(jié)果并顯示。系統(tǒng)采集到的實(shí)時(shí)信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理并分類后，將分類結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C(jī)接收端，用以實(shí)現(xiàn)無(wú)聲信號(hào)的表達(dá)。如接收端可以顯示程序運(yùn)行過(guò)程的信號(hào)數(shù)據(jù)如濾波后信號(hào)、歸一化后信號(hào)數(shù)值等等，以用來(lái)檢驗(yàn)程序運(yùn)行是否出錯(cuò)，并顯示動(dòng)作分類結(jié)果。從肌音信號(hào)中識(shí)別無(wú)聲信息必須利用模式...