Wpływ typu rejestratora na rozmieszczenie formatów sygnału mowy.pdf

Z PRAKTYKI

Wp³yw typu rejestratora

na rozmieszczenie formantów sygna³u mowy

Rozwój myœli technicznej w dzie-

dzinie nagrywania i odtwarzania

dŸwiêku z wykorzystaniem noœników

magnetycznych, zapocz¹tkowany

przez Valdemara Poulsena ponad sto

lat temu [1], by³ jedn¹ z przes³anek

powstania pó³ wieku póŸniej dzia³u

kryminalistyki o nazwie „fonoskopia”

(³ac. fono – dŸwiêk, skopeo – pa-

trzeæ). Przedmiotem badañ fonosko-

pijnych s¹ dzisiaj analizy wszelkich

zapisów sygna³ów akustycznych bez

wzglêdu na typ noœnika i rejestratora.

Utworzenie pierwszej w Polsce

placówki fonoskopii niemal zbieg³o

siê w czasie ze skonstruowaniem

w 1963 r. przez firmê Philips pierwo-

wzoru kasety magnetofonowej typu

Compact [4]. By³ to krok milowy

w upowszechnianiu rejestracji ma-

gnetycznej dŸwiêku, który przez lata

stanowi³ najbardziej popularny no-

œnik, obecnie wypierany przez gene-

racjê cyfrow¹.

Zarówno w przypadku techniki

analogowej, jak i cyfrowej rynek za-

akceptowa³ ca³y szereg noœników,

pocz¹wszy od wspomnianej kasety

typu Compact, przez mikrokasetê

(ró¿nych formatów, zale¿nie od pro-

ducenta), liczne typy i standardy ka-

set wideo rejestruj¹cych œcie¿kê

dŸwiêkow¹, do taœm DAT, dyktafo-

nów cyfrowych z wbudowanymi lub

wymiennymi pamiêciami pó³prze-

wodnikowymi flash, komputerowych

dysków twardych itd. Przedmiotem

zleconych badañ fonoskopijnych mo-

g¹ byæ nagrania dokonane na

wszystkich typach dostêpnych noœni-

ków dŸwiêku. W zakres takich badañ

najczêœciej wchodzi spisanie treœci

rozmowy dowodowej, badanie auten-

tycznoœci nagrania i identyfikacja

mówców.

Jednym z etapów identyfikacji

mówców jest analiza rozmieszczenia

formantów w widmie sygna³u mowy.

Ich uk³ad jest bowiem zale¿ny m.in.

od anatomicznego ukszta³towania

struktur zaanga¿owanych w mówie-

nie [3]. Silna korelacja rozmieszcze-

nia formantów w wypowiedziach do-

wodowych i porównawczych to jedno

z kryteriów (przy identyfikacji mówcy

oprócz analizy formantowej przepro-

wadza siê tak¿e analizê struktury jê-

zykowej wypowiedzi), pozwalaj¹ce

na sformu³owanie wniosku, ¿e auto-

rem obydwu porównywanych wypo-

wiedzi jest ten sam mówca. W prak-

tycznych zastosowaniach analizy for-

mantowej korelacja ta nigdy jednak

nie osi¹ga wartoœci zupe³nej (wspó³-

czynnik korelacji r=1). Wp³ywa na ni¹

bowiem szereg czynników, takich jak

subtelne ró¿nice pomiêdzy poszcze-

gólnymi realizacjami s³ownymi tych

samych ci¹gów alofonów, ró¿nica ja-

koœci nagrania dowodowego i porów-

nawczego czy b³¹d

pomiaru [5]. W prak-

tyce badañ fonosko-

pijnych do utrwalenia

wypowiedzi porów-

nawczych wykorzy-

stuje siê profesjonal-

ne urz¹dzenia reje-

struj¹ce mowê, po-

nadto czynnoœæ ta

najczêœciej odbywa

siê w warunkach

zbli¿onych do studyj-

nych. Zapisy dowo-

dowe realizowane s¹

z u¿yciem ró¿nych

typów rejestratorów

analogowych i cyfro-

wych, przy czym wiêkszoœæ rejestra-

torów cyfrowych wykorzystuje zjawi-

sko kompresji, w tym tak¿e tzw. kom-

presji stratnej (w celu wyd³u¿enia

czasu nagrywania), która w zale¿no-

œci od zastosowanego stopnia wp³y-

wa na jakoœæ utrwalanego sygna³u

mowy. Powsta³a zatem koniecznoœæ

rozstrzygniêcia w¹tpliwoœci, czy sto-

sowanie ró¿nych rejestratorów ma

wp³yw na rozmieszczenie formantów

w widmie sygna³u dowodowego i po-

równawczego. Celem wyjaœnienia ni-

niejszego problemu przeprowadzono

stosowny eksperyment w warunkach

izolacji akustycznej.

Materia³ i metody

Materia³ do badañ stanowi³y wy-

powiedzi mê¿czyzny, utrwalane rów-

noczeœnie przez piêæ rejestratorów.

Dobór warunkowany by³ chêci¹ prze-

œledzenia ewentualnych zmian roz-

k³adu formantów – w odniesieniu do

zapisu analogowego – przy ró¿nych

typach rejestratorów cyfrowych. Wy-

korzystano:

Ryc. 1. Rozmieszczenie mikrofonów urz¹dzeñ rejestruj¹cych

Fig. 1. Placement of microphones connected to recording devices

Analogowy magnetofon repor-

terski firmy Marantz, model CP 430;

prêdkoœæ przesuwu taœmy – 4,75 cm/s,

taœmê kompaktow¹ firmy TDK typu

D60. Do urz¹dzenia pod³¹czono dwa

mikrofony pojemnoœciowe firmy

PROBLEMY KRYMINALISTYKI 253/06

Z PRAKTYKI

Dysk twardy komputera. Zapis

na dysku odbywa³ siê w nastepuj¹cy

sposób: sygna³ z mikrofonu stoj¹ce-

go firmy Creative (bez oznaczeñ,

charakterystyka kierunkowa) poprzez

zewnêtrzn¹ kartê dŸwiêkow¹ (USB)

Exdigy Sound Blaster firmy Creative

transmitowany by³ z u¿yciem sieci in-

ternetowej i komputerowego oprogra-

mowania o nazwie „Skype”, s³u¿¹ce-

go do internetowych rozmów telefo-

nicznych w standardzie VoIP (ang.

Voice over Internet Protocol). Na-

stêpnie na drugim zestawie kompute-

rowym, poprzez wewnêtrzn¹ kartê

AC97 firmy ASUS, rejestrowano

sygna³ zwrotny, wykorzystuj¹c

oprogramowanie Cool Edit Pro

w wersji 2.0 firmy Syntrillium.

Telefon komórkowy firmy Sie-

mens, model SL45i (urz¹dzenie nie

by³o po³¹czone z sieci¹ telefonii ko-

mórkowej – usuniêto kartê SIM). Da-

ne audio zapisywane s¹ w pamiêci

telefonu, z w³asn¹ kompresj¹ stratn¹,

do plików w formacie .vmo.

nijny ³ad”. W celu eliminacji przypad-

kowych b³êdów jêzykowych, samo-

g³oski i kwestie zdaniowe powtórzo-

no trzykrotnie. Zgromadzony materia³

dŸwiêkowy zosta³ nastêpnie zarchi-

wizowany na dysku twardym kompu-

tera w postaci plików .wav z kodowa-

niem Windows PCM, o czêstotliwoœci

próbkowania 44,1 kHz i rozdzielczo-

œci 16 bitów.

Kolejnym etapem eksperymentu

by³a analiza widmowa dla wszystkich

nagrañ pod k¹tem wyznaczenia po³o-

¿enia poszczególnych formantów

w odpowiadaj¹cych sobie alofonach.

Na wstêpie, z wykorzystaniem kom-

puterowego oprogramowania Cool

Edit Pro w wersji 2.1. firmy Syntril-

lium, przeprowadzono analizê spek-

traln¹ struktury zarejestrowanego sy-

gna³u. Badanie wyko-

nano na tym samym

dla wszystkich próbek

odcinku czasowym,

zawieraj¹cym ciszê.

Nastêpnie przyst¹pio-

no do pomiarów sy-

gna³u mowy. Przepro-

wadzono je dwuetapo-

wo. Najpierw za pomo-

c¹ komputerowego

oprogramowania Praat

(wersja 4.2.04) zosta³y

zmierzone wartoœci

formantów dla poje-

dynczych samog³osek

oraz dla samog³osek

w otoczeniu fonetycz-

nym. Dobór i wartoœci

po³o¿enia formantów realizowano

tzw. sposobem rêcznym. Drugim eta-

pem by³a analiza spektralna sygna³u,

a do jej przeprowadzenia wykorzy-

stano wy¿ej opisane oprogramowa-

nie Cool Edit Pro (ustawienia: FFT-

16384, okno Hanninga). W tej czêœci

eksperymentu zliczano maksima am-

plitud zaznaczone uprzednio w tych

samych miejscach po³o¿enia samo-

g³osek i o tej samej d³ugoœci czaso-

wej dla wszystkich analizowanych

próbek. Uzyskane wyniki badañ ze-

stawiono w formie tabelarycznej i na

Przebieg eksperymentu

Spiker (mê¿czyzna, 30 lat) znajdo-

wa³ siê w komorze bezechowej,

bêd¹cej w wyposa¿eniu Akademii

Górniczo-Hutniczej w Krakowie. W³a-

snoœci komory: objêtoœæ 60 m 3 , po-

ziom ciœnienia akustycznego (SPL)

ok. 16 dB w charakterystyce A. Przed

mówc¹, w odleg³oœci ok. 1 m od ust,

na wyœcie³anym stoliku umieszczono

mikrofony pod³¹czone do opisanych

Cyfrowy dyktafon firmy Olym-

pus, model DW-90, tryb SP (Nor-

mal), czêstotliwoœæ próbkowania

11 kHz. Urz¹dzenie rejestruje

z kompresj¹ bezstratn¹ w postaci

plików WAVE.

Portadisc (MiniDisc) firmy

HHB, model MDP500. Urz¹dzenie

zapisuje dŸwiêk na noœnikach mi-

nidisc w postaci PCM, czêstotli-

woœæ próbkowania – 44,1 kHz, roz-

dzielczoœæ 16 bitów, z wykorzysta-

niem kodu ATRAC 4.5. Jest to sys-

tem stratnej kompresji dŸwiêku,

w którym dane ulegaj¹ redukcji

w proporcji 5:1 z wykorzystaniem fi-

zjologicznych w³asnoœci s³yszenia

(np. maskowanie tonów cichych

przez wspó³brzmi¹ce tony g³oœne

o s¹siednich czêstotliwoœciach), co

jest wykorzystywane przez liczne al-

gorytmy kompresji stratnej [2]. Do

urz¹dzenia pod³¹czono dwa mikrofo-

ny pojemnoœciowe firmy Schoeps;

pierwszy o symbolu CCM40 i charak-

terystyce kardioidalnej, a drugi

o symbolu BLM03C i charakterystyce

dookólnej.

Ryc. 2. Widok pomieszczenia badawczego – komory bezechowej

Fig. 2. Examination room

powy¿ej rejestratorów. Ze wzglêdu

na poziom generowanych zak³óceñ

zestaw komputerowy znajdowa³ siê

na zewn¹trz pomieszczenia badaw-

czego.

Eksperyment rozpoczêto od od-

czytania samog³osek w kolejnoœci: a,

e, y, o, u, i. Nastêpnie mówca wypo-

wiedzia³ wczeœniej dobrane s³owa

i zdania: „mama”, „by³em”, „borsuk”,

„kino”, „umizgi”, „wymyty”, „bolo”,

„bergen”, „lufa”, „gaderypoluki” oraz

„Jaka ³adna dziœ pogoda”, „Du¿y dom

sta³ daleko”, „Muzyka buduje harmo-

PROBLEMY KRYMINALISTYKI 253/06

Schoeps, symbol CMC6U (P12-48),

z koñcówk¹ MK-4 o charakterystyce

kardioidalnej. Para rozstawiona

(ustawienie A–B). Wykorzystano

przedwzmacniacz firmy SONOSAX

typu SX-M2.

Z PRAKTYKI

ich podstawie przeprowadzono anali-

zê.

Wyniki i dyskusja

Ryc. 3. Spektrogram wypowiedzi testowej utrwalonej z u¿yciem rejestratora Marantz

Fig. 3. Spectrogram of test utterance recorded with Marantz device

Analiza korelacji po³o¿enia for-

mantów zosta³a przeprowadzona

w odniesieniu do zapisu analogowe-

go, uzyskanego z u¿yciem magneto-

fonu firmy Marantz, model CP 430.

Prezentowane poni¿ej wykresy kore-

lacji to odniesienie uzyskanych wyni-

ków dla nagrañ cyfrowych do pomia-

rów rozk³adu formantów w zapisie

analogowym.

Zaprezentowano równie¿ spektro-

gramy przedstawiaj¹ce rozk³ad ener-

gii w tej samej wypowiedzi, utrwalo-

nej z wykorzystaniem szeœciu torów

transmisji.

W wyniku analizy po³o¿enia for-

mantów ka¿dorazowo uzyskano bar-

dzo wysoki, zbli¿ony do 1, wspó³-

czynnik korelacji. Ma to istotny wp³yw

na praktykê fonoskopijn¹, gdy¿ wyko-

rzystanie tak ró¿nych urz¹dzeñ reje-

struj¹cych nie wprowadzi³o istotnych

ró¿nic w rozk³adzie maksimów lokal-

nych w widmie sygna³u mowy,

uwzglêdnianym w procesie identyfi-

kacji mówców. Dla bieg³ych i techni-

ków kryminalistyki konkluzja ta ozna-

cza, ¿e do utrwalenia wypowiedzi po-

równawczych nie jest wymagane

u¿ycie takiego samego rejestratora

jak dowodowy. Zakres przeprowa-

dzonego eksperymentu nie uprawnia

do wnioskowania o wp³ywie na po³o-

¿enie formantów transmisji telefo-

nicznej czy innych nietestowanych

urz¹dzeñ.

Odwo³anie siê do praktyki fono-

skopijnej pozwala dostrzec, ¿e uzy-

skana wysoka korelacja po³o¿enia

formantów w obrêbie rejestratorów

u¿ytych do eksperymentu jest silniej-

sza ni¿ w realiach kryminalistycz-

nych. W nagraniach dowodowych do-

datkowo pojawiaj¹ siê bowiem czyn-

niki, które nie wyst¹pi³y w ekspery-

mencie, jak np. odmienny stan emo-

cjonalny mówcy w trakcie wypowie-

dzi dowodowych i porównawczych,

r=9997

Ryc. 4. Stopieñ korelacji wypowiedzi utrwalonych z u¿yciem rejestratorów Marantz i portadisc (mikrofon

kardioidalny). Poni¿ej spektrogram wypowiedzi testowej utrwalonej z u¿yciem rejestratora portadisc (mi-

krofon kardioidalny).

Fig. 4. Correlation of utterances recorded with Marantz devices and portadisc (cordioidal microphone).

Below: spectrogram of test utterance recorded with portadisc (cardioidal microphone)

4500

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

r=9996

500

1000 2000 3000 4000

minidisc-dook

Ryc. 5. Stopieñ korelacji wypowiedzi utrwalonych z u¿yciem rejestratorów Marantz i portadisc (mikrofon

dookólny). Poni¿ej spektrogram wypowiedzi testowej utrwalonej z u¿yciem rejestratora portadisc (mikro-

fon dookólny).

Fig. 5. Correlation of utterances recorded with Marantz devices and portadisc (surround microphone).

Below: spectrogram of test utterance recorded with portadisc (surround microphone)

PROBLEMY KRYMINALISTYKI 253/06

Z PRAKTYKI

4500

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

r=9994

500

r=9993

1000 2000 3000 4000

olympus

1000 2000 3000 4000

siemens

Ryc. 6. Stopieñ korelacji wypowiedzi utrwalonych z u¿yciem rejestratorów

Marantz i Olympus. Poni¿ej spektrogram wypowiedzi testowej utrwalonej

z u¿yciem rejestratora Olympus.

Fig. 6. Correlation of utterances recorded with Marantz and Siemens

devices. Below: spectrogram of test utterance recorded with Olympus

recorded

Ryc. 7. Stopieñ korelacji wypowiedzi utrwalonych z u¿yciem rejestratorów

Marantz i Siemens. Poni¿ej spektrogram wypowiedzi testowej utrwalonej

z u¿yciem rejestratora Siemens.

Fig. 7. Correlation of utterances recorded with Marantz and Siemens

devices. Below: spectrogram of test utterance recorded with Siemens

recorder

4000

sposób rejestracji

i dobór próbek za-

wsze wp³ywa na

os³abienie korela-

cji rozk³adu for-

mantów, tak ¿e

nie jest ona rów-

na 1.

– uogólnienie uzyskanych wyni-

ków na nagrania utrwalone z wyko-

rzystaniem transmisji telefonicznej

wymaga przeprowadzenia kolejnego

eksperymentu.

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

r=9995

Grzegorz Œlusarczyk

Jacek Rzeszotarski

Tadeusz Sikora

Jacek Wierzbicki

zdj.: autorzy

1000 2000 3000 4000

voip

Wnioski

Na podstawie

przeprowadzo-

nych badañ sfor-

mu³owano nastê-

puj¹ce wnioski:

– sposób zapi-

su rejestratorów

cyfrowych u¿y-

tych w ekspery-

mencie nie wp³y-

wa w istotny spo-

sób na rozmiesz-

czenie formantów w widmie sygna³u

mowy;

– identyfikacja mówców w oparciu

o analizê formantow¹ nie wymaga

wiernego odwzorowania specyfiki za-

pisu dowodowego w nagraniu porów-

nawczym;

BIBLIOGRAFIA

Ryc. 8. Stopieñ korelacji wypowiedzi utrwalonych z u¿yciem rejestratorów

Marantz i VoIP. Poni¿ej spektrogram wypowiedzi testowej utrwalonej z u¿y-

ciem rejestratora VoIP.

Fig. 8. Correlation of utterances recorded with Marantz and VolP devices.

Below: spectrogram of test utterance recorded with VolP recorder

1. Blair Benson K.: Audio Engine-

ering Handbook, McGraw-Hill Book Com-

pany, 1988.

2. Haines R.: Cyfrowe przetwarzanie

dŸwiêku, Wydawnictwo MIKOM, Warsza-

wa 2002.

3. Jassem W.: Podstawy fonetyki aku-

stycznej, Pañstwowe Wydawnictwo Na-

ukowe, Warszawa 1973.

4. Kominek M.: Zaczê³o siê od fono-

grafu, Polskie Wydawnictwo Muzyczne,

Kraków 1986.

5. Rzeszotarski J., Witkowska-Pa-

wlak W.: Identyfikacja mówców w obrêbie

materia³u dowodowego, „Problemy Kry-

minalistyki” 2004, nr 246, s. 15–18.

nie zawsze pe³na zgodnoœæ ci¹gów

alofonów w badanych samog³o-

skach.

Odrêbne zagadnienie stanowi

b³¹d pomiaru po³o¿enia formantów.

Nale¿y przyj¹æ, ¿e jest to jeden

z czynników, który bez wzglêdu na

PROBLEMY KRYMINALISTYKI 253/06

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: