SAYISAL SİNYAL İŞLEME YÖNTEMLERİ VE BİR UYGULAMA: ATATÜRK'ÜN 10. YIL NUTKUNUN GÜRÜLTÜDEN ARINDIRILMASI

SAYİSAL SİNYAL İŞLEME YÖNTEMLERİ VE BİR UYGULAMA: ATATÜRK'ÜN 10. YİL NUTKUTNUN GÜRÜLTÜDEN ARINDIRILMASI

Pertev CİNALİOĞLU

Çağımızın önemli kilometre taşlarından biri sayısal sin yal işleme yöntemlerinin ve ilgili teknolojinin gelişmesi dir. Ondan sonradır ki; işlem hızı ve bellek kapasitesi çok yüksek bilgisayarlar geliştirilmiş, cepte taşınabilecek bilgisayarlar üretilmiş, hemen her alanda sayısal sinyal işleme yöntemleri uygulamaya konmuştur. İnsan yaşa mının bir parçası olan ses iletişimi de bu alanlardan yal nızca birisidir.

Ses iletişiminde günümüzdeki sayısal sinyal işleme uygu lamaları şöyle özetlenebilir:

1 Sesin sayısal iletimi ve saklanması:

Ses işlemenin önemli ve ilk uygulamalarından birisi 1930' larda Home Dudley tarafından geliştirilen VOCODER (Voice Coder Ses Kodlayıcı)'dır. Vocoder, çeşitli uygulamalarda ses sinyali iletişim bandını daraltmak için kullanılır. A.yrıca, ses işaretinin çok gelişmiş kod lama yöntemleriyle şifrelenmesi, birçok uygulamada ses işa retlerinin sayısal iletimini çekici yapmıştır.

2 Ses bireşim (sentez) sistemleri:

Günümüzde bilgisayarlar artık konuşmaktadır. Bu, ancak ses bilgisinin bilgisayar belleğinde sayısal olarak saklana biVmesiyle gerçekleşmiştir. Gerçekleştirilen ses bireşim Sistemleri aynı zamanda insanın ses üretmesini anlamada önemli bir rol oynamaktadırlar.

3 konuşmacıyı tanıma ve doğrulama sistemleri:

Belli birtakım bilgilere ulaşmayı veya yasak bir bölgeye girişi denetleyen sistemlerde konuşmacı doğrulama sis temleri kullanılabilir. Evinizin kapısını yalnızca sizin sesi nizle açacak bir sistem olasıdır. Konuşmacıyı tanıyan sis temler ise birçok konuşmacı arasından konuşmayı yapan kişiyi seçebilir.

4 Ses tanıma (recognition) sistemleri :

Ses tanıma, genel olarak, bir konuşma dizisinin aynı bil giyi taşıyan yazıya dönüştürülmesidir. Olası uygulamalar, sesle işleyen daktilo ve bilgisayarlarla tuş takımı yerine sesle bilgi alışverişidir.

5 Özürlülere yardım sistemleri : Bu sistemlerle, ses işareti bilgiyi özürlü insanlar için daha uygun bir biçime sokmak için işlenir, örneğin, kayıtla rın değişebilir hızda dinlenebilmesi görme engellilerinin

verilen ses bilgisini istediği şekilde dinlemesini sağlar. Ayrıca, işitme engelliler için ses bilgisinin görüntüye çev rilmesinde birçok değişik sinyal işleme yöntemi kulla nılır.

6 Sinyal kalitesinin arttırılması:

Sayısal ses işleme yöntemleri, kulakları sağır edecek kadar gürültülü bir ortamda • örneğin helikopter kabinin de yapılan konuşmanın veya sokak gürültüsü varken yapılan konuşmanın veya helium oxijen kullanan dalgıç ların konuşmasının ses kalitesini ve anlaşılırlığım arttır mak için kullanılmaktadır. Ayrıca, eski ses kalitesi ve anlaşılırlığı sayısal ses işleme yöntemleri ayrımıyla artırı labilmektedir. Bu konuda, 1983 yılında ORTA DOĞU TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Elektrik Mühendisliği Bölümü' nde bir çalışma yapılmış ve eski ses kayıtlarındaki dip gürültüyü bastırmak için bir yöntem geliştirilmiştir. Ge liştirilen yöntem, Mustafa Kemal Atatürk'ün Cumhuriye timizin 10. Kuruluş yıldönümünde yaptığı konuşmaya uygulanmıştır. Yapılan çalışma, Mustafa Kemal'in önem li mesajının yeni nesillere gürültüden arındırılmış biçi miyle ulaşmasını sağlayacaktır. Aşağıda, anılan çalışma nın bir özetini bulacaksınız.

ATATÜRK'ün 10. yıl Nutku'na uygulanan yöntem, Nutuk'ta varolan dip gürültüyü bastırıp asıl konuşmanın kalitesini yükseltmektedir. "GÖRÜNTÜSEL ÇIKAR MA" olarak adlandırılan bu yöntem ODTÜ Elektrik Mü hendisliği Bölümü'nde INTERDATA 7/32 mini bilgisa yarı ve çevre birimlerini kullanarak uygulanmıştır. Bu nun için, gürültülü ses kaydı 200 Hz 3800 Hz band geçi ren süzgeçten geçirilip, ömeksel/sayısal (Analog/Digital) çevrici kullanılarak bilgisayar belleğine yüklenmiş, geliş tirilen sayısal ses işleme yöntemi uygulanmış ve elde edi len gürültüden arındırılmış sayısal ses bilgisi sayısal/ör neksel çevirici ve 200 Hz 3800 Hz band geçiren süzgeç ten geçirilerek yeniden kaydedilmiştir. Şekil 1 bilgisayar belleğine sayısala dönüştürülmüş kaydı yüklemek ve yön tem uygulandıktan sonra gürültüden arındırılmış sayısal ses işaretini kaydetmek için kullanılan düzenekleri gös termektedir.

"Görüngesel Çıkarma" yöntemi, ses kaydının yalnızca gürültü bulunan kısımlarında gürültünün genlik görüngesi (amplitude spectrum) kestirimi yapılarak, gürültüsüz ses işaretinin genlik görüngesi kestirimini elde etmek için, kayıttaki gürültülü sesin genlik görüngesinden çıkartılma sına dayanır. Çıkarma sonucu kalan gürültünün etkisi ikincil işlemlerle azaltılmıştır. Son olarak, eldeki genlik görünge kestirimi gürültülü sesin evre bilgisiyle birleştiri lerek ses işaretini oluşturmak üzere ters dönüşümü alın mıştır. Ses kaydının yalnızca gürültü bulunan kısımlarını bulmak için, kısa süreli ses enerjisinin, hesaplanmasına

h TBİP

\2oo $%ooHı

6*N*KStL/ SAY/SAL ÇâV/M/C/

s£s

YtİİKifLTfCf

'"7*3""

H 6'*NİKS*L

2oo.$$ooH* mam *;/**"

3ÜIG£ç

T£lf>

)H YUKSBLTSCı

Ş E K İ L 1. Bilgisayar belleğine sayısal ses İşaretini yüklemek ve bellekten gürültüden arındırılmış örnek sel ses İşare tini kaydetmek İçin kullanılan düzenekler.

dayanan bir algoritma geliştirilip kullanılmıştır. Yöntem öbek çizimi Şekil 2'de gösterilmiştir.

Anılan çalışmada, gürültülü örneksel ses sinyalinin, gürül tüsüz ses işareti ile ilişkisiz toplamsal dip gürültüden

(uncorrelated additive background noise) oluştuğu kabul edilir. Ornekselden sayısala çevrimden önce, gürültülü ses sinyali, alçak sıklık gürültüsü (hum) ve Nyquist sıklığın dan daha yüksek sıklıklardaki gürültüyü bastırmak için band geçiren süzgeçten geçirilir. Örnekleme sıklığı 7.8

«IS* 3Ü*gLİ SES

ittuttri mi

BILGISI

GURULTU GINLİK.

//KMCk

ŞEKİL 2. Geliştirilen yöntemin öbek çizimi

2 5 * örnek

grup 26 <> örnek Z56 0rn.lt

n örnek Sayar

Ş E K İ L 3. Sayısal bilginin yarısı çalışan 2 5 6 örneklik gruplara ayrılması

kiloHertz'dır. Sayısala dönüştürülen işaret kısa süreli ola rak işlenir. Bunun nedeni, ses sinyallerinin özelliklerinin, örneğin enerji, korelasyon, sıfır geçme sayılarının, 1 0ms 30 ms zaman süresince değişmemesidir. Kısa süreli sinyal işlemede sayısal zaman dizileri pencere işleviyle çarpılır. Analiz için, gürültülü ses sinyaline ait zaman dizisi 1 2 8 noktası çakışan 2 5 6 noktalık bilgi gruplarına bölünüp her grup 2 5 6 noktalık Hanning pencere işleviyle çarpılır. Şekil 3'de sayısal bilginin 2 5 6 örneklik gruplara bölü nüşü görülmektedir.

Pencere işleviyle çarpılan bilgi gruplarının 2 5 6 noktalık ayrık Fourier Dönüşümü (Discrete Fourier Transform) A F D alınır ve gürültülü sese ait zaman dizisinin genlik görüngesi bulunur.

Gürültünün genlik görüngesi kestirimi, kayıtta konuşma nın bulunmadığı aralıkların bulunarak, bu aralıklarda 2 5 6 noktalık genlik görüngelerinin zaman ortalaması ola rak elde edilir.

Gürültüden arındırılmış ses sinyalinin genlik görünge kes t irimi ise, gürültülü ses sinyalinin genlik göriingesinden, gürültünün genlik görüngesi kestiriminin çıkarılmasıyla elde edilir. Kalan gürültünün cuyulur etkilerini azaltmak için, ikincil işlemler uygulanır. Bunlardan birisi, çıkar ma sonucu sıfırdan küçük olarak elde edilen genlik gö rüngesi değerlerini sıfıra eşitlemektir. İ kincil işlemlerden sonra, gürültülü ses s/nya/ine a i t evre bilgisi ile elde edilen

genlik görüngesi kestirimi birleştirilip Ters AF Dönüşümü (Inverse Discrete Fourier Transform) alınıp gürültüsüz sese ait 2 5 6 ör ne k lik bilgi grubunun zaman dizisi kestiri mi elde edilir. Sayısal/örneksel çeviriciden ve band geçi ren süzgeçten geçirilen gürültüsüz ses sinyali kestirimi yeniden kaydedilir.

SONUÇ işlemenin gürültülü ses sinyaline etkisini görmek için " N e Mut lu Türk'üm Diyene" cümlesine ait işlenmemiş (gürül tülü) ve işlenmiş (gürültüden arındırılmış) ses sinyali za mana karşı bir çizici yardımıyla çizdirilmiştir. Kısa bir cümle için yaklaşık 3 metre çizim kağıdı gerektiği için çizim yalnızca bir cümle için gerçekleştirilmiştir. İşlen memiş ses sinyaline ait çizimde; birisi konuşma bulunan birisi de konuşma bulunmayan aralıkta olacak şekilde iki tane 2 0 0 0 . örneklik bilgi grubu seçilip aynı bilgi grupları işlenmiş ses sinyaline ait çizimde işaretlenmiş tir. Bu bilgi gruplarına ait çizimler Şekil 4'de görülmek tedir.

B ile gösterilen çizim, A çiziminin, D ile gösterilen çizim ise C çiziminin işlenmiş çizimleridir. A ve C çizimleri sırasıyla, gürültülü ses sinyalinde konuşma bulunan ve bulunmayan zaman aralıklarına karşılık gelmektedir. C ile D çizimi karşılaştırıldığında, kayıtta konuşma bu lunmayan zaman aralıklarındaki gürültünün tümüyle silin diği görülmektedir.

193 ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 337

Mt»»

|w ^#^ ^ , v M İ V f'N^H'j f+•*>

2000 SAMPLİS

n = örnek Sayısı, 2000 samples (2000 örnek)

fi:

ŞEKİL 4. İşlemenin gürültülü ses işaretine etkileri

ŞEKİL 5. 4 saniye suren gürültülü ses parçası "Ne Mutlu Türküm Diyene!"nin kısa süreli genlik görüngesi

ŞEKİL 6. "Ne Mutlu Türküm Diyene!" ses işareti parçasının gürültüsüz ses kestiriminin kısa süreli genlik görüngesi

Ayrıca, yapılan işlemlerin gürültülü ses sinyalinin genlik görüngesine etkisini görebilmek için bir bilgisayar progra mı geliştirilmiştir. Bu program kullanılarak, genlik görün gesinin sıklık ve zamana ka.rşı izometrik çizimleri yapıl mıştır. Şekil 5 ve 6, "Ne Mutlu Türk'üm Diyene" cümle sine ait işlenmeden önce ve sonraki çizimleri göstermek tedir. Her çizgi 256 noktalık sıklık analizini göstermekte dir. Zaman aşağıdan yukarıya doğru, sıklıksa soldan sağa doğru artar.

Şekil 5 ve 6 karşılaştırıldığında

1 Konuşma olmayan aralıklarda sinyalin çok fazla bastı rıldığı,

2 Kısa süreli genlik görüngesinde yüksek sıklık bileşenle rinin alçak sıklık bileşenlerine göre çok fazla bastırıldığı görülür.

Çalışma sonunda iki grup Elektrik Mühendisliği Bölümü öğrencisine orijinal ve gürültüden arındırılmış kayıtlar (hangisinin işlenmiş hangisinin orijinal kayıt olduğu belirtilmeden) dinlettirilip bir anket düzenlenmiştir. 1 nci gruba önce işlenmiş, sonra orijinal kayıt dinletti rilmiş, 2 nci grup ise ters sırada dinlettirilmiştir. Anket sonuçları aşağıda gösterilmiştir.

Grup No. i

II l + ll

Hangi kayıt kulağa daha hoş gelmektedir?

İşlenmiş

Hangi kayıt daha anlaşılabilirdir?

işlenmiş

Ankete katılan dinleyici sayısı

9 12 21

«S3

Hizmetinde 7. Y ıl

.Pratiğe Yönelik Teknik Yazılar I Başlıca Üretici Firmalar.nTan.tim. . M a l z e m e Fiyat Listelen . K u ş e Kağıt 5 renkli ofset baskı

AJANS KAYNAK Koli. §ti Tepebaş.. Meşrutiyet Cad.. 129/b