DTW 动态时间规整

单位要做唤醒,同事扔来了一个MFCC-DTW的就完了,大致研究了一下,下面内容摘自各博客和对照代码的总结。

问题描述

DTW主要解决两段语音的相似性问题:当数据在时间线上不对齐的时候,使用传统的匹配方法,是无法使用传统的全局匹配度量法的。该算法基于动态规划(DP)的思想,解决了发音长短不一的模板匹配问题,是语音识别中出现较早、较为经典的一种算法,用于孤立词识别。

算法简介

给定两个时间序列,长度分别为n和m:
Q = q_1, q_2,…,q_i,…, q_n ;
C = c_1, c_2,…, c_j,…, c_m ;
由于m和n不等长,因此需要对其两组序列,但是由于不清楚两组数据的局部缩放情况,所以不能整段缩放(对应后面矩阵应该是一条直线),因此需要采用动态规划的方法(dynamic programming)
动态规划的核心思想可以用一幅图来解释
构造一个距离矩阵矩阵元素(i,j)表示两个序列对应元素的距离d( q_i,c_j),矩阵元素就表示这两个点之间的距离,或者说是相似度,距离越小,相似度越高。
而动态规划的主要目的,就是需要一条最优路径,使两段语音的累积路径和最小,可以得到的两段语音的相似性越高。用公式描述即:
DTW(Q,C ) = min{( \frac {\sum_{k= 1}^{K}W_k}{ K})}
其中,W_k是距离, K是规划的路径长度。
W_k满足的约束条件:

  • 1)边界条件:w_1=(1, 1)w_K=(m, n)。任何一种语音的发音快慢都有可能变化,但是其各部分的先后次序不可能改变,因此所选的路径必定是从左下角出发,在右上角结束。
  • 2)连续性:如果w_k-1= (a’, b’),那么对于路径的下一个点w_k=(a, b)需要满足 (a-a’) \leq 1(b-b’)\leq 1。也就是不可能跨过某个点去匹配,只能和自己相邻的点对齐。这样可以保证Q和C中的每个坐标都在W中出现。
  • 3)单调性:如果w_k-1= (a’, b’),那么对于路径的下一个点w_k=(a, b)需要满足0\leq (a-a’)0\leq (b-b’)。这限制W上面的点必须是随着时间单调进行的。以保证图B中的虚线不会相交。

斜着的是最小的路径

定义累积距离:
其他位置的元素的值则需要逐步计算,具体值的计算方法为

D[(n, m)]=d[T(n),R(m)]+min{D(n-1,m),D(n-1,m-1),D(n,m-1)}

γ(i,j)=d(q,c)+Min\{M_c(i−1,j−1),M_c(i−1,j),M_c(i,j−1)\}
求γ最小的过程即为寻找最优路径的过程

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参考博客1
参考博客2

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