Исследование инвариантов нелинейной динамики речи и принципы построения системы аудиоанализа психофизиологического состояния

• Автор: Перервенко, Юлия Сергеевна
• Шифр специальности: 05.11.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Таганрог
• Количество страниц: 175 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1.1 Голосовые анализаторы эмоциональных реакций
1.2 Физиологические нелинейности речевого тракта
1.3 Методы нелинейной динамики применительно к анализу речевых
сигналов
1.4 Цели и задачи диссертационной работы
2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ НЕЛИНЕЙНОЙ ДИНАМИКИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К АНАЛИЗУ РЕЧИ
2.1 Исследование речи на хаотичность и стационарность
2.2 Графический анализ эмоциональной речи методами нелинейной
динамики
2.3 Вычисление инвариантов нелинейной динамики
2.4 Выводы
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЧИ ЧЕЛОВЕКА ОПЕРАТОРА В УСЛОВИЯХ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
3.1 Акустические характеристики рабочего помещения
3.2 Описание системы экспериментального исследования речи
человека-оператора в реальных условиях
3.3 Выводы по эксперименту
4 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ АНАЛИЗА РЕЧЕВОГО СИГНАЛА
4.1 Обобщенная блок-схема системы анализа речевого сигнала
4.2 Алгоритм обработки речевого сигнала
5.3 Описание программного обеспечения
5.4 Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Труд человека в системах управления техникой (деятельность человека-оператора) связан с периодическим, иногда довольно длительным и интенсивным воздействием (или ожиданием воздействия) экстремальных значений профессиональных, социальных, экологических факторов, которое сопровождается негативными эмоциями, перенапряжением физических и психических функций, деструкцией деятельности. Наиболее характерным психическим состоянием, развивающимся под влиянием указанных факторов у человека-оператора, является психологический стресс. Развитие стресса в экстремальных условиях операторской деятельности может быть связано также с возможностью, ожиданием, угрозой воздействия на человека-оператора разнообразных раздражителей, физико-химической, психологической (личностной), организационной и, прежде всего, профессиональной природы [24].
Анализ состояния человека в процессе его трудовой деятельности предполагает оперативное получение информации [101]. Для мониторинга психофизиологического состояния оператора существует множество способов [102-110], как правило, они заключаются в замере физиологических показателей (ЧСС, кровяного пульсонаполнения, КГР и т.д.), однако все эти методы нуждаются в установке контактных датчиков.
В связи с этим создание системы непрерывного слежения за эмоциональным состоянием человека-оператора, использующей в качестве диагностического критерия динамические изменения в структуре его речевых сигналов, является наиболее перспективным.
Акустическая информация, используемая при речевой коммуникации,

характеризуется двойственной природой: с одной стороны, она материальна, так как распространяется в форме звуковых волн, с другой стороны, она является инструментом, с помощью которого передаются и понимаются мысли партнерами по коммуникации.
Речевые знаки обладают исключительной силой выражения. Они могут адекватно передавать даже сложнейшие нюансы мышления при условии, что они правильно и хорошо сформулированы и слушатель обладает способностью их воспринимать [95-100]. Эта форма передачи внутренних состояний мыслительного сознания одного партнера другому называется рациональной функцией речи. Однако существует еще одна функция речи -эмоциональная. Ее изучению частично посвящена данная диссертация.
Значительный прорыв в исследовании стохастических и детерминистских нелинейных временных рядов и их моделировании был достигнут за последние годы. В настоящее время обработка речевых сигналов методами нелинейной динамики и последующий анализ нелинейных характеристик приобретает все большее значение в области речевой акустики. В данной диссертации ставится вопрос о возможности нахождения классификационных признаков эмоций с помощью методов нелинейной динамики. Окружающий нас мир полон нелинейных явлений и процессов, правильное представление о которых немыслимо без понимания возможности хаоса, а так же связанных с этим принципиальных ограничений на предсказуемость поведения сложных систем. Одно из направлений применения методов нелинейной динамики связано с проблемой обработки сигналов. За последние годы были предложены методики, позволяющие выяснить, какого типа системой был произведен сигнал, а так же получить информацию о ее свойствах и характеристиках. Таким образом, аппарат нелинейной динамики является инструментом исследования, позволяющим сделать заключение или предположение о структуре объекта, сконструировать его динамическую модель и т.д. Разработку методов и

[59]. Эти теоремы утверждают, что динамические инварианты, рассчитанные из рассматриваемых временных рядов путем реконструкции траекторий фазового пространства, используя задержку координат, будут такие же как и для динамической системы с теми же начальными условиями. Это означает, что инварианты, рассчитанные для стационарных участков речевого сигнала, должны быть такими же как и инварианты, связанные со строением речевого аппарата. Однако, эта связь должна рассматриваться с осторожностью из-за нестационарной природы некоторых категорий фонем, а именно вибрирующих, свистящих шипящих, звонких, [113] которые должны быть исключены из анализа по этим причинам.
Применим методы нелинейного анализа для участков речевого сигнала для выявления признаков «хаотичности» процесса речеобразования.
2.1.1 Рекуррентные графики. Рекуррентные графики применяются для формального анализа речевого сигнала. Рекуррентный график -графическая реализация на плоскости фундаментального свойства рекуррентности (повторяемости траектории динамической системы в фазовом пространстве).
Рекуррентный график изображается в виде двумерной квадратной матрицы, заполненной нулями и единицами. Нули - это светлые точки, единицы - цветные, по осям откладывается время.
Классификационным признаком служит характер распределения точек по квадрату. Детерминированные процессы приводят к появлению диагональных структур, хаотические к неравномерному распределению точек, которые формируются в кластеры, направленные либо диагонально, либо вертикально. Если график заполнен отдельными точками, то он не содержит информации, свидетельствующей о динамике процесса, и следует сделать вывод, что исследуемый сигнал является шумовым (пример, рис. 2,1, Д)-