《MATLAB 神经网络43个案例分析》：第1章 BP神经网络的数据分类——语音特征信号分类

《MATLAB 神经网络43个案例分析》：第1章 BP神经网络的数据分类——语音特征信号分类

1. 前言

《MATLAB 神经网络43个案例分析》是MATLAB技术论坛（www.matlabsky.com）策划，由王小川老师主导，2013年北京航空航天大学出版社出版的关于MATLAB为工具的一本MATLAB实例教学书籍，是在《MATLAB神经网络30个案例分析》的基础上修改、补充而成的，秉承着“理论讲解—案例分析—应用扩展”这一特色，帮助读者更加直观、生动地学习神经网络。

《MATLAB神经网络43个案例分析》共有43章，内容涵盖常见的神经网络（BP、RBF、SOM、Hopfield、Elman、LVQ、Kohonen、GRNN、NARX等）以及相关智能算法（SVM、决策树、随机森林、极限学习机等）。同时，部分章节也涉及了常见的优化算法（遗传算法、蚁群算法等）与神经网络的结合问题。此外，《MATLAB神经网络43个案例分析》还介绍了MATLAB R2012b中神经网络工具箱的新增功能与特性，如神经网络并行计算、定制神经网络、神经网络高效编程等。

近年来随着人工智能研究的兴起，神经网络这个相关方向也迎来了又一阵研究热潮，由于其在信号处理领域中的不俗表现，神经网络方法也在不断深入应用到语音和图像方向的各种应用当中，本文结合书中案例，对其进行仿真实现，也算是进行一次重新学习，希望可以温故知新，加强并提升自己对神经网络这一方法在各领域中应用的理解与实践。自己正好在多抓鱼上入手了这本书，下面开始进行仿真示例，主要以介绍各章节中源码应用示例为主，本文主要基于MATLAB2015b(32位)平台仿真实现，这是本书的第一章语音信号预测分类实例，话不多说，开始！

2. MATLAB 仿真示例

打开MATLAB，点击“主页”，点击“打开”，找到示例文件

选中chapter1_1.m，点击“打开”

chapter1_1.m源码如下：

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%功能：该代码为基于BP网络的语言识别
%环境：Win7，Matlab2015b
%Modi: C.S
%时间：2022-06-08%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 清空环境变量
clc
clear

%% 训练数据预测数据提取及归一化
tic
%下载四类语音信号
load data1 c1
load data2 c2
load data3 c3
load data4 c4

%四个特征信号矩阵合成一个矩阵
data(1:500,:)=c1(1:500,:);data(501:1000,:)=c2(1:500,:);data(1001:1500,:)=c3(1:500,:);data(1501:2000,:)=c4(1:500,:);%从1到2000间随机排序
k=rand(1,2000);[m,n]=sort(k);%输入输出数据
input=data(:,2:25);
output1 =data(:,1);%把输出从1维变成4维
output=zeros(2000,4);for i=1:2000switchoutput1(i)case1output(i,:)=[1000];case2output(i,:)=[0100];case3output(i,:)=[0010];case4output(i,:)=[0001];
    end
end

%随机提取1500个样本为训练样本，500个样本为预测样本
input_train=input(n(1:1500),:)';
output_train=output(n(1:1500),:)';
input_test=input(n(1501:2000),:)';
output_test=output(n(1501:2000),:)';%输入数据归一化
[inputn,inputps]=mapminmax(input_train);%% 网络结构初始化
innum=24;
midnum=25;
outnum=4;%权值初始化
w1=rands(midnum,innum);
b1=rands(midnum,1);
w2=rands(midnum,outnum);
b2=rands(outnum,1);

w2_1=w2;w2_2=w2_1;
w1_1=w1;w1_2=w1_1;
b1_1=b1;b1_2=b1_1;
b2_1=b2;b2_2=b2_1;%学习率
xite=0.1;
alfa=0.01;
loopNumber=10;
I=zeros(1,midnum);
Iout=zeros(1,midnum);
FI=zeros(1,midnum);
dw1=zeros(innum,midnum);
db1=zeros(1,midnum);%% 网络训练
E=zeros(1,loopNumber);for ii=1:loopNumber
    E(ii)=0;for i=1:1:1500%% 网络预测输出 
        x=inputn(:,i);% 隐含层输出
        for j=1:1:midnum
            I(j)=inputn(:,i)'*w1(j,:)'+b1(j);Iout(j)=1/(1+exp(-I(j)));
        end
        % 输出层输出
        yn=w2'*Iout'+b2;%% 权值阀值修正
        %计算误差
        e=output_train(:,i)-yn;E(ii)=E(ii)+sum(abs(e));%计算权值变化率
        dw2=e*Iout;
        db2=e';for j=1:1:midnum
            S=1/(1+exp(-I(j)));FI(j)=S*(1-S);
        end      
        for k=1:1:innum
            for j=1:1:midnum
                dw1(k,j)=FI(j)*x(k)*(e(1)*w2(j,1)+e(2)*w2(j,2)+e(3)*w2(j,3)+e(4)*w2(j,4));db1(j)=FI(j)*(e(1)*w2(j,1)+e(2)*w2(j,2)+e(3)*w2(j,3)+e(4)*w2(j,4));
            end
        end
           
        w1=w1_1+xite*dw1';
        b1=b1_1+xite*db1';
        w2=w2_1+xite*dw2';
        b2=b2_1+xite*db2';
        
        w1_2=w1_1;w1_1=w1;
        w2_2=w2_1;w2_1=w2;
        b1_2=b1_1;b1_1=b1;
        b2_2=b2_1;b2_1=b2;
    end
end
 

%% 语音特征信号分类
inputn_test=mapminmax('apply',input_test,inputps);
fore=zeros(4,500);for ii=1:1for i=1:500%1500%隐含层输出
        for j=1:1:midnum
            I(j)=inputn_test(:,i)'*w1(j,:)'+b1(j);Iout(j)=1/(1+exp(-I(j)));
        end
        
        fore(:,i)=w2'*Iout'+b2;
    end
end

%% 结果分析
%根据网络输出找出数据属于哪类
output_fore=zeros(1,500);for i=1:500output_fore(i)=find(fore(:,i)==max(fore(:,i)));
end

%BP网络预测误差
error=output_fore-output1(n(1501:2000))';%画出预测语音种类和实际语音种类的分类图
figure(1)plot(output_fore,'r')
hold on
plot(output1(n(1501:2000))','b')legend('预测语音类别','实际语音类别')%画出误差图
figure(2)plot(error)title('BP网络分类误差','fontsize',12)xlabel('语音信号','fontsize',12)ylabel('分类误差','fontsize',12)%print -dtiff -r600 1-4

k=zeros(1,4);%找出判断错误的分类属于哪一类
for i=1:500iferror(i)~=0[b,c]=max(output_test(:,i));switch c
            case1k(1)=k(1)+1;case2k(2)=k(2)+1;case3k(3)=k(3)+1;case4k(4)=k(4)+1;
        end
    end
end

%找出每类的个体和
kk=zeros(1,4);for i=1:500[b,c]=max(output_test(:,i));switch c
        case1kk(1)=kk(1)+1;case2kk(2)=kk(2)+1;case3kk(3)=kk(3)+1;case4kk(4)=kk(4)+1;
    end
end

%正确率
rightridio=(kk-k)./kk;disp('正确率')disp(rightridio);
toc
%web browser www.matlabsky.com

添加完毕，点击“运行”，开始仿真，输出仿真结果如下：

正确率
    0.94781.00000.41730.9134

时间已过 6.614268 秒。

3. 小结

将BP神经网络应用到语音识别分类当中已经是比较常见了，记得自己在研一时的语音识别课程中就曾使用BP神经网络对0-9的汉语数字语音进行训练分类识别，具体训练识别调试记录可参考文末链接。对本章内容感兴趣或者想充分学习了解的，建议去研习书中第一章节的内容。后期会对其中一些知识点在自己理解的基础上进行补充，欢迎大家一起学习交流。

研究生语音识别课程作业记录（二） 非特定人孤立词识别