A3 - Programando la Entrada de Audio en el Reconocimiento de Voz PROGRAMMING AUDIO INPUT FOR VOICE RECOGNITION

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1 INSTITUTO MEXICANO DE ACUSTICA y (and) CENTRO INTERDISCIPLINARIO DE INVESTIGACIÓN PARA EL DESARROLLO INTEGRAL REGIONAL, UNIDAD OAXACA 13 CONGRESO INTERNACIONAL MEXICANO DE ACUSTICA 13th MEXICAN INTERNATIONAL CONGRESS ON ACOUSTICS OAXACA, OAXACA, MEXICO OCTUBRE, 2006 A3 - Programando la Entrada de Audio en el Reconocimiento de Voz PROGRAMMING AUDIO INPUT FOR VOICE RECOGNITION Dr. Maximino Peña Guerrero 270

2 Programando la Entrada de Audio en el Reconocimiento de Voz Dr. Maximino Peña Guerrero Septiembre 12, 2006 Academia de Acústica, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica del Instituto Politécnico Nacional, Unidad Profesional Adolfo López Matéos, Zacatenco D.F. RESUMEN Programar en bajo nivel la entrada de sonido en una computadora personal no siempre ha sido una tarea fácil, aún para los expertos. Para experimentar con el sonido de voz, sólo necesitamos de un micrófono conectado a la tarjeta de audio y capturar los datos que provienen de dicho micrófono. Pero, hasta ahora, las diversas versiones de MS-Windows no nos han facilitado las cosas, y en nuestros laboratorios necesitamos hacer muchos experimentos básicos que nos permitan estudiar los fenómenos de la percepción de la palabra hablada (no se diga el reconocimiento y discriminación de sonidos musicales). En este trabajo presentamos cómo obtener los datos que genera la voz, programando la API Win32 de Windows. ABSTRACT Low level the sound entrance programming personal computer has not always been an easy task, still for the experts. In order to experience with the voice sound, we only need from a connected microphone to the audio card and to capture the data that come from this microphone. But, up to now, the diverse MS- Windows versions, they have not facilitated us the things, and in our laboratories we need to make many basic experiments, that they allow us to study the perception spoken word phenomenons (don't be said the recognition and discrimination of musical sounds). In this work we present how to obtain the data that it generates the voice, programming the API Win32 of Windows. 1. Introducción Cuando se diseñaron los sistemas operativos y los lenguajes de programación, en ellos no se contemplaron instrucciones o funciones de biblioteca para la entrada y salida de audio. Esto se debe a que las primeras computadoras se diseñaron básicamente para el cálculo matemático y el procesamiento de texto. Las compañias grabadoras de disco, los estudios de cine, de radio, y de televisión, en sus inicios no tenían computadoras de procesamiento de sonido debido a los altos costos y las velocidades que requiere el procesamiento de las señales digitales de audio en tiempo real. Hoy en día los sistemas operativos y los nuevos lenguajes de programación como la familia de C (C, C++, C#, Java) han facilitado la programación de interfases, pero paradógicamente se ha complicado la programación que nos permite estudiar en detalle ciertos aspectos de los fenómenos físicos como pueden ser el comportamiento de las formas de onda compleja que producen la voz humana, el ruido, o una sala de concierto. Podemos analizar el sonido utilizando las nuevas versiones de MATLAB, Mathematica, DirectX, SDL, u otros sistemas abiertos de UNIX (Linux). Pero como hemos mencionado, queremos analizar el sonido en bruto que entra a la tarjeta de sonido, y no el sonido ya procesado en alguna de las capas lógicas de dichas aplicaciones. Queremos hacer nuestros propios experimentos de reconocimiento de voz utilizando las funciones básicas que son comunes a las diferentes versiones de los sistemas operativos. Para nosotros esto es una ventaja: nos permite transportar nuestro trabajo hacia otros sistemas aprovechando el esfuerzo invertido en el desarrollo de programas de audio. 271

3 2. Programando la Tarjeta de Audio Como se puede ver en la Figura [1], básicamente una tarjeta de sonido se encuentra dividida en dos bloques lógicos. El primero es el sistema de procesamiento de señales analógicas que permite grabar y reproducir sonidos WAV. El segundo es el sistema de procesamiento de sonidos musicales MIDI (Musical Instrument Digital Interface). Analizaremos solamente el primero de ellos.. Figura 1: Bloques lógicos que constituyen una tarjeta de sonido. Para capturar la voz, lo primero que hacemos es colocar algunos parámetros en las estructuras WAVEFORMATEX y WAVEHDR con el fin de inicializar la tarjeta, tal como se muestra en el código del programa ENTRADA.C de la Figura [6]. WAVEFORMATEX es la estructura de datos que nos permite definir qué tipo de formato se utiliza para caracterizar las formas de onda que corresponden a la voz. Aquí utilizaremos el formato de modulación por pulsos (PCM, Pulse Code Modulation), pero es posible utilizar otros no muy conocidos. Se puede indicar si vamos a capturar en estéreo o monaural, la relación de muestreo, los bits que tiene cada muestra, y algunos otros parámetros que se muestran en la Figura [2], y programados en el listado de la Figura [6]. typedef struct { WORD wformattag; WORD nchannels; DWORD nsamplespersec; DWORD navgbytespersec; WORD nblockalign; WORD wbitspersample; WORD cbsize; WAVEFORMATEX; Figura 2: Estructura de datos WAVEFORMATEX. Por otro lado, la estructura WAVEHDR define las características del buffer donde se guardarán los datos que serán capturados. Una vez que se encuentran en memoria estos datos binarios, entonces ellos se procesarán aplicando las herramientas matemáticas que permiten el reconocimiento de la voz como podrían ser los modelos de Markov ocultos, la predicción lineal, las transformadas z o de Fourier, entre otras técnicas del procesamiento de señales digitales. 272

4 typedef struct { LPSTR lpdata; DWORD dwbufferlenght; DWORD dwbytesrecorded; DWORD dwuser; DWORD dwflags; DWORD dwloops; struct wavehdr_tag *lpnext; DWORD reserved; WAVEHDR; Figura 3: Estructura de datos WAVEHDR. Regresando con la estructura WAVEHDR, en ella se colocan la dirección del buffer de datos, el tamaño del buffer en bytes, el número de bytes que se han capturado, algunas banderas de control, entre otras variables que se muestran en la Figura [3], y que también se han programado dentro del código que muestra la Figura[6]. De acuerdo con el código de la Figura [6], una vez que se haya inicializado la estructura WAFORAMTEX abrimos el driver de sonido con la función waveinopen(); si toda va bien continúa el proceso de lo contrario se muestra que hubo un error. Asimismo, despues de haber inicializado la estructura WAVEHDR con las especificaciones del buffer, se prepararán las estructuras a fín de que se encuentren listas para la recepción de datos. Esto se logra utilizando las funciones waveinprepareheader() y waveinaddbuffer(). Una vez hecho lo anterior, se procede a la captura de la voz llamando a la función waveinstart(). Es necesario esperar 1 segundo llamando a la función Sleep(), porque waveinstart() corre en segundo plano (background) dentro del sistema operativo. Cuando se ha terminado este intervalo de tiempo, se restablece el driver (waveinreset()), se vuelve a disponer de las estructuras (waveinunprepareheader()), se cierra el driver (waveinclose()), y por último se muestran los datos que se hayan capturado (PrintBufferIn()). 3. Pruebas y Resultados Cuando se compila el programa ENTRADA.C y se ejecuta, éste produce una cadena de números (presentados en la Figura [4]), los cuales corresponden a los datos de voz cuyas palabras se han pronunciando frente a un micrófono conectado al sistema de sonido de una computadora personal. Figura 4: Salida de datos numéricos que corresponden a la captura de voz. 273

5 Hemos escrito programas un poco más elaborados (no presentados en este reporte) conservando la sencillez y utilizando al mínimo los recursos funcionales en la programación. Por ejemplo, en la Figura [5] se muestra una interfase gráfica que contiene botones para controlar la captura y la reproducción de la voz. El programa que produce esta salida utiliza la interfase API Win32 de bajo nivel, la cual permite al usuario un control mas sencillo de la captura. Figura 5: Interfase gráfica que controla la captura y la reproducción de la voz. 4. Conclusiones Hemos descrito la forma con la cual es posible capturar la voz utilizando las estructuras de datos que son comunes para los diversas versiones del sistema operativo Win32. De esta forma, es posible garantizar que los programas escritos para una máquina virtual en particular han de funcionar en las versiones siguientes. Para ello, decidimos compilar el código con una de las herramientas de software abierto de GNU (Gnu Not Unix), el compilador GCC para windows, el cual nos permite la portabilidad de dicho código fuente. Pero también utilizamos los compiladores, Visual C++.NET Express 2005, Visual C++ 6.0, logrando los mismos resultados. Cabe reiterar que solamente presentamos en este reporte la técnica de captura de datos que utilizamos para el reconocimiento de la voz en nuestros experimentos de laboratorio. Agradecimientos Agradezco el apoyo de la Academia de Acústica de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica del Instituto Politécnico Nacional (ESIME-Z), de la Comisión de Operación y Fomento de Actividades Académicas (COFAA) del IPN, de la Coordinación General de Posgrado e Investigación (CGPI), de este mismo Instituto Politécnico Nacional. Bibliografía [1] Gold Ben, Nelson Morgan, Spech and Audio Signal Processing: Processing an Perception of Spech and Music, John Wiley & Sons Inc., pgs. [2] Pesce Mark D., Programming Microsoft DirectShow for Digital Video and Television, Microsoft Press, pgs. [3] Petzold Charles, Exploring Wave Form Audio Generating Sine Waves in Software, PC Magazine, November 26, 1991, pp [4] Petzold Charles, Programming Windows: The definitive guide to the Win32 API, Fifth Edition,Microsoft Press, pp. 274

6 #include<windows.h> #include<mmsystem.h> #include<stdio.h> #include<malloc.h> #include<math.h> #define MAXBUF 5000 // tamaño del buffer de entrada de voz #define SAMPLE_RATE // muestreo a Hz VOID PrintBufferIn(LPBYTE); HWAVEIN fdin; // driver de entrada WAVEFORMATEX wf; // estructura de formato WAVEHDR wh1; // estructura de eencabezado LPBYTE buf1; // buffer de datos int main() { int j; buf1=(char *)malloc(maxbuf); for (j=0;j<maxbuf;j++) *(buf1+j)=0; // asignar memoria al buffer // borrar buffer // Inicializar el WAVEFORMATTEX. // formatp PCM // estereo // taza de muestreo // bits por muestra wf.wformattag=wave_format_pcm; wf.nchannels=2; wf.nsamplespersec=sample_rate; wf.wbitspersample=16; wf.nblockalign=wf.nchannels * (wf.wbitspersample/wf.wbitspersample); wf.navgbytespersec=wf.nsamplespersec * wf.nblockalign; wf.cbsize=0; // abrir driver de sonido if (waveinopen(&fdin,wave_mapper,&wf,0,0,callback_null)){ printf("waveinopen(): error\n"); return(0); // iniciar WAVEHDR wh1.lpdata = buf1; // asignar buffer de datos wh1.dwbufferlength = MAXBUF; // tamaño del buffer wh1.dwbytesrecorded = 0; // No. de bytes capturados. wh1.dwuser = 0; wh1.dwflags = 0; wh1.dwloops = 1; // una repetición wh1.lpnext = NULL; wh1.reserved = 0; // preparar buffer de entrada waveinprepareheader(fdin,&wh1,sizeof(wavehdr)); waveinaddbuffer(fdin,&wh1,sizeof(wavehdr)); // iniciar captura de voz waveinstart(fdin); // esperar hasta llenar buffer Sleep(1000); // desactivar driver y salir waveinreset(fdin); waveinunprepareheader(fdin,&wh1,sizeof(wavehdr)); waveinclose(fdin); PrintBufferIn(buf1); return 0; // mostrar los datos de la captura de voz VOID PrintBufferIn(LPBYTE buffer) { int i; for(i=0;i<maxbuf;i++) { printf("[%u]",buf1[i]); Figura 6: Código fuente en C del programa ENTRADA.C que captura los datos voz de un micrófono y los muestra en pantalla. 275

7 Acerca del autor: Dr. Maximino Peña Guerrero: Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica (ESIME-IPN 1983); Maestro en Ciencias en Ingeniería Eléctrica (CINVESTAV-IPN 1987); Doctor en Ciencias en Ingeniería elécttrica (CINVESTAV 2005); Sistema Nacional de Investigadores ( ); Profesor investigador en el CINVESTAV-IPN ( ); Profesor investigador en el Instituto Politécnico Nacional (ESIME- CENAC-CIC) desde

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