СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗБОРЧИВОСТИ РЕЧИ
METHOD FOR MEASURING SPEECH INTELLIGIBILITY

Изобретение относится к измерению разборчивости речи и предназначено для оценки защиты объектов от несанкционированной утечки акустической речевой информации.
Одним из аналогов предложенного способа измерения разборчивости речи является расчетно-экспериментальный способ профессора Покровского Н.Б., основанный на последовательном излучении отдельных тональных составляющих слышимого спектра в месте передачи и определении любыми экспертами порога их слышимости в месте приема, причем фактически в месте приема могут находиться только микрофоны, соединенные через усилители с головными телефонами экспертов [1]. Уровень акустического излучения каждой составляющей увеличивают до порога слышимости ее экспертом. Зафиксированные уровни излучения математически обрабатывают с учетом кривой слышимости человека и таким образом определяют минимальный уровень речевого сигнала для получения заданной разборчивости речи в месте приема. Полученные сведения, естественно, можно использовать также и для определения максимального уровня акустического сигнала, при котором в заданном месте приема речь будет гарантированно неразборчива, т.е. обеспечен заданный уровень защиты от утечки акустической информации.
Однако этот способ очень трудоемок поскольку требует участия многих экспертов и времени. Кроме того, оценка разборчивости производится не на реальном уровне акустических сигналов, а на тех, которые соответствуют порогу слышимости в заданном месте. Это часто недопустимо, поскольку паразитные каналы передачи акустической информации (стены, пол, окна, мебель, двери и т.п.) обычно неравномерно ослабляют частотные составляющие речи и степень защиты информации от утечки, рассчитанная по результатам описанных измерений, может не соответствовать реальным.
Известен способ работы устройства для измерения разборчивости речи [2], суть которого заключается в следующем.
i
i
Спектр речи разбивается на N смежных полос с центральными и граничными частотами. Для каждой полосы экспериментально определяются весовой коэффициент κ, характеризующий вероятность наличия формант речи в данной октавной полосе и формантный параметр ΔA, характеризующий энергетическую избыточность речевого сигнала в данной смежной полосе (избыточность обусловлена наличием в речи неформантных составляющих, к которым относятся основные тоны, области частот между формантами и составляющие, зависящие от индивидуальных особенностей говорящих).
ci
шi
i
i
i
В каждой октавной полосе измеряются уровни речевого сигнала L дБ, и уровни шума L дБ и вычисляются отношение сигнал/шум Q, с учетом формантного параметра ΔA и вероятность слышимости звуков речи p во всех смежных полосах.
i
i
i
Для каждой смежной полосы рассчитывается спектральный индекс артикуляции речи R путем произведения вероятность слышимости звуков речи p на весовой коэффициент κ. Сумма спектральных индексов на всех смежных полосах составляет интегральный индекс артикуляции речи R, который в дальнейшем используется для расчета показателя разборчивости речи W.
Существенным недостатком данного способа является возможность получения недостоверного значения показателя разборчивости речи в случаях, когда:
не учитываются отклонения фактического уровня акустического излучения от заданного в заранее необследованном помещении за счет вторичных акустических сигналов, отраженных от элементов конструкции помещений (стены, потолок, оконные стекла, мебель), от реверберационных помех, от вибрационных, от магнитных, от образованных другими путями, например, искусственными акустическими помехами, создаваемыми техникой, инженерными сооружениями, деятельностью человека);
отношение сигнал/шум в некоторых смежных (октавных) полосах будет стремиться к нулевому значению (низкое отношение сигнал/шум).
Одним из ближайших аналогов предложенного способа измерения является способ измерения разборчивости речи профессора Железняка В.К. [3].
В данном способе осуществляется объектная коррекция тракта измерений, для проведения которой поочередно излучают отдельные частоты испытательного сигнала заданного уровня и на каждой частоте измеряются фактические уровни акустических сигналов в месте их излучения, сравниваются измеренные уровни акустических сигналов с заданными уровнями на тех же частотах, определяются отклонения измеренных уровней акустических сигналов от заданных и корректируется частотная характеристика тракта измерений для компенсации разницы между заданными и измеренными уровнями испытательных сигналов в месте их реального излучения.
Предложенные изменения позволяются устранить один из недостатков ранее описанного [2] способа измерения разборчивости речи повышая тем самым точность полученного результата. Однако при низких отношениях сигнал/шум результаты расчета показателя разборчивости речи будут не достоверны.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности и достоверности измерения уровня разборчивости речи.
ci
шi
j
j
Способ измерения разборчивости речи, предусматривающий последовательное измерение уровней речевого сигнала L и уровней шума L для каждой октавной полосы в рамках слышимого спектра речи, а также вычисления отношения сигнал/шум, и отличающийся тем, что для расчета разборчивости речи учитываются значения вероятности слышимости звуков речи для всех октавных полос на основе нормального распределения случайной величины, вероятности слышимости звуков речи в каждой комбинации октавных полос, которые составляют полную группу событий, при условии возникновения событий в которых октавные полосы могут участвовать, а могут и не участвовать в расчетах, и осуществляется с помощью произведения вероятности слышимости звуков речи во всех комбинациях P(A) на вероятность правильного распознания всех слов текста с учетом слышимости звуков речи во всех комбинациях P(W|A).
Предложенный способ измерения разборчивости речи является новым, поскольку не использует существующий формантный подход.
В данном способе используются следующие признаки, которые применяются впервые:
вероятность слышимости звуков речи для всех октавных полос осуществляется с помощью интеграла вероятности, который позволяет учесть коэффициенты, зависящие от вида сигнала, вида шума и индивидуальных особенностей аудиторов на основе нормального распределения случайной величины;
вероятность слышимости звуков речи в каждой комбинации определяется полной группой событий. В расчете учитываются все значения (в том числе и низкие) отношения сигнал/шум для комбинации октавных полос.
Для проведения измерений разборчивости речи данным способом необходимо наличие приемника акустических сигналов, который вычисляет уровень акустического сигнала, и средств(а) активной защиты в выделенном помещении.
Способ измерения разборчивости речи проводится в следующей последовательности:
ci
шi
i
В каждой октавной полосе измеряются уровень речевого сигнала L дБ, и уровень шума L дБ, и рассчитывается отношение сигнал/шум q, дБ:
i
В соответствии с рассчитанными отношениями сигнал/шум (q) определяются вероятности слышимости звуков речи в каждой октавной полосе по формуле:
где:  - интеграл вероятности;
i
q - отношение сигнал/шум в i-й октавной полосе, дБ;
1
2
Q и Q - коэффициенты, зависящие от вида сигнала, вида шума и индивидуальных особенностей аудиторов.
j
На основе полученных вероятностей слышимости звуков речи рассчитываются вероятности слышимости звуков речи для всех комбинаций октавных полос P(A) по следующей формуле:
i
i
i
i
где: B=P(Δf) - событие, при котором i-й октавная полоса присутствует в комбинации A;
i
i
i
i
B=[1-P(Δf)] - событие, при котором i-й октавная полоса отсутствует в комбинации A;
i
i
P - вероятность того, что оператор услышит звуки речи в i-й октавной полосе при измеренном отношении сигнал/шум в октавной полосе, равном q.
Расчет вероятностей для каждой комбинации определяется полной группой событий, при котором в расчете участвуют все октавные полосы, и представляют собой следующие формулы.
Далее рассчитывается общая разборчивость речи W по формуле:
j
j
где: W - словесная разборчивость речи для случая, когда оператор услышит звуки речи в A комбинации;
j
j
i
P(A) - вероятность того, что оператор услышит звуки речи в A комбинации при отношении сигнал/шум в октавных полосах, равных q;
j
j
P(W|A) - вероятность того, что оператор правильно распознает все слова текста при условии, что он услышит звуки речи в A комбинации. Данные значения вероятности определены на основе экспериментальных исследований в соответствии со способом профессора Покровского Н.Б. [1];
n - количество комбинаций октавных полос;
N - количество октавных полос.
Полученное значение сравнивается с требуемым значением показателя разборчивости речи и делается вывод об эффективности защиты акустической речевой информации и полноте применяемых средств защиты информации.
Для практической реализации предлагаемого технического решения необходимо использовать два вида средств:
акустические или акустовибрационные измерительные устройства (шумомеры или вибромеры), осуществляющие измерения уровня акустического сигнала;
средства активной защиты, которые осуществляют защиту информации от ее утечки по техническим каналам в выделенном помещении.
Таким образом, предложенный способ позволил повысить точность и достоверность измерения уровня разборчивости речи за счет:
определения вероятности слышимости звуков речи для всех октавных полос с помощью интеграла вероятности, который позволил учесть коэффициенты, зависящие от вида сигнала, вида шума и индивидуальных особенностей аудиторов на основе нормального распределения случайной величины;
использования в расчетах низких значений отношения сигнал/шум;
определения вероятности правильного распознания слов в тексте.
Источники информации:
1 Покровский Н.Б. Расчет и измерение разборчивости речи. - М.: Связьиздат, 1962. - 391 с.
2 Полезная модель RU №27259, опубликовано 10.01.2003.
3 Патент РФ RU №2284585, опубликовано 27.09.2006, Бюл. №27 - прототип.