Fakulta elektrotechnická. Hlasového pole

ˇ ´ vysoke ´ uc ˇen´ı technicke ´ v Praze Cesk e ´ Fakulta elektrotechnicka

Bakal´ aˇ rsk´ a pr´ ace Hlasov´ eho pole

Praha, 2008

Autor: Jan Sova

Prohl´ aˇ sen´ı Prohlaˇsuji, ˇze jsem svou bakaláˇrskou pr´ aci vypracoval samostatnˇe a pouˇzil jsem pouze podklady, (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v pˇriloˇzeném seznamu.

V Praze dne podpis

i

Podˇ ekov´ an´ı ˇ Dˇekuji pˇredevˇs´ım vedouc´ımu bakal´ aˇrské pr´ ace doc. Ing. Romanu Cmejlovi, Csc. za trpˇelivé veden´ı a mnoˇzstv´ı cenn´ ych rad. Dˇekuji Dr. Ing Janu Vokˇra´lovi za moˇznost spolupr´ ace a za specifikaci aplikace. Dˇekuji vˇsem, kteˇr´ı mi umoˇznili (nˇekdy n´ aroˇcn´ y) v´ yvoj aplikace a testov´ an´ı, tedy pˇredevˇs´ım sv´ ym rodiˇc˚ um.

ii

Abstrakt C´ılem této bakal´ aˇrské pr´ ace je vytvoˇrit informaˇcn´ı systém pro on-line vyˇsetˇren´ı hlasového pole, kter´ y bude dostupn´ y bˇeˇzn´ ym foniatrick´ ym ordinac´ım. Vyˇsetˇren´ı hlasového pole umoˇzn´ı lékaˇri z´ıskat objektivn´ı akustické parametry hlasu, tj. v naˇsem pˇr´ıpadˇe rozsah intenzit a t´ on˚ u, kter´ y je v moˇznostech pacienta. Z´ıskané parametry pomohou lékaˇri se rozhodnout pro dalˇs´ı, jiˇz n´ aroˇcnˇejˇs´ı vyˇsetˇren´ı, ˇci urˇcit postup léˇcby. Hlavn´ım problémem, kter´ y tato pr´ ace ˇreˇs´ı, je on-line v´ ypoˇcet a zobrazován´ı akustick´ ych parametr˚ u hlasu do hlasového pole. Pro v´ ypoˇcet základn´ı hlasivkové frekvence je pouˇzita autokorelac´ı funkce, jej´ıˇz v´ ypoˇcet je proveden ve frekvenˇcn´ı oblasti (pomoc´ı algoritm˚ u FFT a iFFT). Neménˇe d˚ uleˇzité je spr´ avné urˇcen´ı stabiln´ıch u ´sek˚ u hlasu pomoc´ı integrace energie a n´ asledné hled´ an´ı maxim. Souˇcást´ı programu je datab´ aze pacient˚ u a diagn´ oz, která umoˇzn ˇuje nejen ukl´ adat v´ ysledky vyˇsetˇren´ı, ale také sledovat dlouhodobé zmˇeny bˇehem léˇcby pacienta. Realizace softwaru je v prostˇred´ı C# .NET Framework, DirectSound, GDI++ a PostgreSQL. Program pracuje na kaˇzdém PC s operaˇcn´ım systémem Windows XP, kter´ y je vybaven zvukovou kartou a mikrofonem. Kl´ıˇ cov´ a slova: hlasové pole, FFT, DFT, integr´ ator, autokorelaˇcn´ı funkce, autokorelaˇcn´ı anal´ yza, on-line zpracov´ an´ı, z´ akladn´ı hlasivkov´ y t´ on

iii

Abstract The aim of this thesis is to present an informatic system named VoiceField for on-line inspection of human voice parameters based on voice field measurement that is an objective method that enables the assessment of basic physical voice characteristics. The application helps to gather information about voice range, voice pitch (pitch is the perceived fundamental frequency of a sound) and its limits. The main questions that are handled in this thesis is on-line processing and determine the periodicity of the voice. Fundamental frequency is computed by autocorrelation function. Very important is do this enough fast and this is why FFT and iFFT is used. An important part of digital signal processing is find a stable part of voice signal by integration of power signal. The database of patiens is implemented. With the database the phonologist will be able to assess the time evaluation of patients voice limits (for instance after surgery). The implementation is in C# .NET Framework and DirectSound, GDI++ and PostgreSQL is used. Aplication is designed to run under PC with Windows XP, soundcard and microfone. Keywords: voice field, voice range, FFT, DFT, integration, autocorrelation function, online processing, fundamental voice frequency

iv

vloˇzit origin´ aln´ı zad´ an´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı !!!!!

v

Obsah Seznam obr´ azk˚ u

x

Seznam tabulek

xii

´ 1 Uvod

1

1.1

C´ıl pr´ ace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1.2

Pouˇzité technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

´ 2 Uvod do problematiky

4

2.1

Hlasové u ´stroj´ı ˇclovˇeka a jeho model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

2.2

Hlasové u ´stroj´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

2.2.1

Hrtan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

2.2.2

Hlasivky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

2.2.3

Hlasov´ y trakt a v´ alcov´ y model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

2.2.4

Zjednoduˇsen´ y fyziologick´ y model produkce ˇreˇci . . . . . . . . . . . . . . .

7

Fyzik´ aln´ı vlastnosti hl´ asek a foném˚ u ˇceského jazyka . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.3.1

Hl´ asky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.3.2

Samohl´ asky (vok´ aly) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.3.3

Souhl´ asky (konsonanty) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2.3

2.4

Pouˇzit´ı modelu a navrˇzená metoda odhadu parametr˚ u . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.5

Postup vyˇsetˇren´ı hlasového pole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3 Pouˇ zit´ e technologie 3.1

12

Pracovn´ı r´ amec .NET Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.1.1

Spoleˇcn´ y jazyk CLR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.1.2

.NET Unified Class Library

3.1.3

WinForms a GDI+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.1.4

Jazyk C# . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.1.5

ADO.NET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

vi

3.2

3.3

Projekt Mono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.2.1

Technologie podporované v Mono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.2.2

System.Drawing v Mono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

PostgreSQL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.3.1

Z´ akladn´ı parametry PostgreSQL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4 Anal´ yza, n´ avrh a modelov´ an´ı aplikace

20

4.1

Metodika n´ avrhu aplikace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.2

Postup n´ avrhu aplikace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.3

Specifikace poˇzadavk˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.4

4.3.1

Poˇzadavky na hlasové pole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.3.2

Poˇzadavky na datab´ azi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.3.3

Poˇzadavky na pouˇzité technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Pˇr´ıpady uˇzit´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 4.4.1

Hlavn´ı scén´ aˇr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.4.2

Alternativn´ı scén´ aˇre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.5

Diagramy pˇr´ıpad˚ u uˇzit´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.6

Diagram tˇr´ıd a seskupen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.7

4.6.1

Seskupen´ı DSProcessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.6.2

Seskupen´ı VoiceField . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.6.3

Seskupen´ı Karotéka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.6.4

Seskupen´ı Npgsql . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.6.5

Seskupen´ı on-line modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.6.6

Diagram aktivit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

N´ avrh datab´ aze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.7.1

Pˇrehled tabulek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.7.2

E-R model datab´ aze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.7.3

Tabulka Pacient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.7.4

Tabulka Diagnozy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.7.5

Tabulka Pojistovna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.7.6

Tabulka Lekar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5 Algoritmy pro v´ ypoˇ cet hlasov´ eho pole

33

5.1

Blokové schéma systému . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

5.2

Vzorkov´ an´ı sign´ alu a parametry zvukové karty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 5.2.1

Vzorkov´ an´ı sign´ alu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

5.2.2

Kvantov´ an´ı sign´ alu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

5.2.3

Zvukov´ a karta a jej´ı nastaven´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 vii

5.3

Pˇredzpracov´ an´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

5.4

DFT a FFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

5.5

5.6

5.7

5.8

5.4.1

Diskrétn´ı Fourierova transformace (DFT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

5.4.2

Definiˇcn´ı vztahy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

5.4.3

Rychl´ a Fourierova transformace (FFT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Detekce základn´ı periody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 5.5.1

Pˇredzpracov´ an´ı, centr´ alni a amplitudové omezen´ı . . . . . . . . . . . . . . 41

5.5.2

Vlastnosti autokorelaˇcn´ı funkce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5.5.3

V´ ypoˇcet autokorelaˇcn´ı funkce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5.5.4

Detekce základn´ı periody ve frekvenˇcn´ı oblasti . . . . . . . . . . . . . . . 43

5.5.5

Postprocessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

V´ ypoˇcet energie ˇreˇcového sign´ alu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5.6.1

A v´ ahov´ an´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

5.6.2

V´ ypoˇcet energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.6.3

Integrace a klouzav´ y pr˚ umˇer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Statistické charakteristiky hlasového pole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.7.1

Rozsah hlasového pole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5.7.2

Histogramy ˇcetnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

Alternativn´ı algoritmy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.8.1

Cepstr´ aln´ı anal´ yza pro urˇcen´ı základn´ıho t´ onu . . . . . . . . . . . . . . . 50

5.8.2

Vyuˇzit´ı chyby line´ arn´ı predikce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5.8.3

Detekce stabiln´ıch u ´sek˚ u fonace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

6 Implementace a testov´ an´ı aplikace

52

6.1

Referenˇcn´ı program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

6.2

N´ aroˇcné ˇcásti implementace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

6.3

Knihovna DSProcessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

6.4

On-line modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

6.5

Problematika re´ alného ˇcasu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

6.6

Kartotéka pacient˚ u a datab´ aze vyˇsetˇren´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

6.7

Testován´ı algoritm˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

6.8

Testován´ı aplikace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

6.9

Pouˇzité typy soubor˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

6.10 Instalace aplikace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 7 Z´ avˇ er

59

Literatura

62

viii

A Popis audio souboru WAV

I

B Instalace PostgreSQL serveru

II

C Pr´ ace s PostgreSQL v .NET

III

C.1 Datov´ y adaptér . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III C.2 V´ ypis ze zdrojov´ ych k´ od˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III D .NET Framewor Class Model

VI

E Uk´ azky z aplikace

VII

ix

Seznam obr´ azk˚ u 2.1

Hlasové u ´stroj´ı ˇclovˇeka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

2.2

Hlasivky - vlevo je ˇstˇerbina otevˇren´ a, na pravém obr´ azku pˇri tvorbˇe hlasu . . . .

6

3

2.3

Zjednoduˇsen´ y v´ alcov´ y model hlasového traktu

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

2.4

Fyziologick´ y model tvorby ˇreˇci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2.5

Pr˚ ubˇeh hl´ asek ’a’ a ’s’ v ˇcasové oblasti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.6

Spektrum hl´ asek ’a’ a ’s’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2.7

Pr˚ ubˇeh znˇelé samohlásky a odpov´ıdaj´ıc´ı ACF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.1

.NET Framework - schéma modelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.2

Jmenné prostory .NET Frameworku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.3

Schematick´ y model ADO.NET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.4

System.Drawing v Mono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4.1

Diagram pˇr´ıpad˚ u uˇzit´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.2

Diagram seskupen´ı tˇr´ıd

4.3

Diagram aktivit - naplnˇen´ı bufferu zv. karty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.4

E-R diagram datab´ aze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5.1

Blokové schéma systému zpracován´ı ˇreˇci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

5.2

Vzorkov´ an´ı spojitého sign´ alu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

5.3

Kvantov´ an´ı navzorkovaného sign´ alu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

5.4

Princip segmentace a v´ ahov´ an´ı oknem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.5

Pr˚ ubˇeh a frekvenˇcn´ı charakteristika Hannova okna . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.6

Amplitudové a centráln´ı omezen´ı sign´ alu pˇred v´ ypoˇctem ACF . . . . . . . . . . . 41

5.7

V´ ypoˇcet F0 pomoc´ı v´ ypoˇctu autokorelaˇcn´ı funkce ve spektr´ aln´ı oblasti . . . . . . 43

5.8

Urˇcen´ı F0 z pr˚ ubˇehu autokorelaˇcn´ı funkce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

5.9

A v´ ahov´ an´ı (modr´ a), B (ˇzlut´ a), C (ˇcervená), D v´ ahov´ an´ı (ˇcerná) . . . . . . . . . 45

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5.10 Hled´ an´ı lok´ aln´ıch maxim filtrace pr˚ ubˇehu energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 5.11 Hled´ an´ı lok´ aln´ıch maxim filtrace pr˚ ubˇehu energie - hl. pole . . . . . . . . . . . . 47 5.12 Z´ akladn´ı statistiky hlasového pole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 x

5.13 Histogramy ˇcetnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 6.1

Obr´ azek záznamn´ıku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

6.2

Formul´ aˇr z kartotéky pacient˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

6.3

Pˇrihlaˇsovac´ı formul´ aˇr do datab´ aze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

D.1 .NET Framework - schéma modelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI E.1 Aplikace hlasového pole - vyˇsetˇren´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII E.2 Aplikace hlasového pole - anal´ yza statistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIII E.3 Kartotéka pacient˚ u - tisk vyˇsetˇren´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIII

xi

Seznam tabulek 3.1

Z´ akladn´ı parametry PostgreSQL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

5.1

Nastavitelné parametry zvukové karty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

5.2

Zvolené parametry zvukové karty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

A.1 Popis hlaviˇcky souboru WAV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

xii

I

Kapitola 1

´ Uvod Bˇehem rozhovoru s druh´ ym ˇclovˇekem automaticky vyhodnocujeme mnoho parametr˚ u ˇreˇci, které n´ am pomáhaj´ı se v situaci hovoru orientovat a spolu se slovn´ım obsahem vytv´ aˇrej´ı n´ aˇs u ´sudek o tom, ˇceho se ˇreˇc t´ yk´ a. Mezi d˚ uleˇzité akustické parametry, které tvoˇr´ı obsah ˇreˇci jistˇe patˇr´ı v´ yˇska a intenzita hlasu. Jinou v´ yˇsku hlasu m´ a ˇclovˇek rozzlobenn´ y, jinou vesel´ y, ˇst’astn´ y, smutn´ y apod. V´ yˇska hlasu je také charakteristick´ a pro vˇek a pohlav´ı mluvˇc´ıho. Schopnost ovl´ adat v´ yˇsku a intenzitu hlasu ve vhodném rozsahu patˇr´ı do naˇseho základn´ıho vyjadˇrovac´ıho reperto´ aru a to podobnˇe jako napˇr´ıklad mimika. Nen´ı proto divu, ˇze omezen´ı v této doménˇe jsou vpodstatˇe omezen´ım naˇs´ı moˇznosti komunikace a neseme je velmi tˇeˇzce. Vzniká tak pˇrirozenˇe snaha post´ıˇzen´ı hlasu odstranit vhodnou léˇcbou. Pˇred léˇcbou je vˇsak nutné situaci analyzovat. A pr´ avˇe zde je u ´loha objektivn´ıch metod pro charakteristiku hlasu. Pr´ ace se zab´ yv´ a tvorbou aplikace pro vyˇsetˇren´ı hlasového pole pacienta. Ta hodnot´ı základn´ı t´ onov´ y a intenzitn´ı rozsah hlasu. To se dˇeje od tiché aˇz po hlasitou fonaci na maxim´ aln´ım t´ onovém rozsahu, kterého je pacient schopen dos´ ahnout. Vyˇsetˇren´ı se prov´ ad´ı pˇredepsan´ ym zp˚ usobem a s definovanou vzd´ alenost´ı mikrofonu od u ´st. Hlas je po sejmut´ı z mikrofonu zpracov´ av´ an metodou kr´ atkodobé anal´ yzy a v kaˇzdém mikrosegmentu (trvaj´ıc´ım 50 ms) je urˇcen tón a intenzita hlasu. Vyhodnocené parametry hlasu jsou vyn´ aˇseny do oblasti hlasového pole. Na osu x je vyn´ aˇsena frekvence hlasu, na osu y pak intenzita. Tato vizualizace dat pˇrin´ aˇs´ı dalˇs´ı kvalitu a je d´ıky n´ı moˇzné pozorovat charakteristiky, které by nebyly zjevné pouze z v´ yˇctu t´ on˚ u a pˇr´ısluˇsn´ ych intenzit. Datab´ aze pacient˚ u a diagn´ oz umoˇzn ˇuje uloˇzit nejen základn´ı informace o pacientovi a jeho zdravotn´ım stavu, ale také sledovat dlouhodob´ y v´ yvoj stavu a hodnotit tak napˇr´ıklad u ´spˇeˇsnost operace ˇci léˇcby. Pˇrin´ aˇs´ı tedy opˇet dalˇs´ı informaci, kter´ a by z jednoho vyˇsetˇren´ı nemohla b´ yt patrn´ a. Koneˇcnˇe m˚ uˇze tento informaˇcn´ı systém slouˇzit i hlasov´ ym profesion´ al˚ um, kdy se postup vyˇsetˇren´ı prakticky nemˇen´ı a v´ ysledkem vyˇsetˇren´ı je informace o hlasov´ ych schopnostech. 1

´ KAPITOLA 1. UVOD

1.1

2

C´ıl pr´ ace

C´ılem pr´ ace je navrhnout a vytvoˇrit software pro on-line (tedy bezprostˇredn´ı) anal´ yzu hlasového pole. Jde o software, kter´ y na z´ akladˇe anal´ yzy hlasového sign´ alu z mikrofonu vykresluje do dvojrozmˇerného pole (mˇr´ıˇze) intenzitu a t´ on hlasu. Na osu x je vyn´ aˇsena v´ yˇska tónu ve shodˇe s tónovou stupnic´ı, tedy pˇr´ımo pˇr´ısluˇsn´ y t´ on, na osu y je pak vyn´ aˇsena intenzitu t´ onu v decibelech. Takto vznikl´ y n´ ahled umoˇzn ˇuje pˇrehled o hlasov´ ych schopnostech pacienta a naz´ yv´ a se hlasov´ ym polem. Souˇcást´ı programu bude datab´ aze pacient˚ u a vyˇsetˇren´ı. Ta je d˚ uleˇzitá pro sledov´ an´ı dlouhodobého zdravotn´ıho stavu pacieta. Souˇcást´ı datab´ aze bude moˇznost tisknout jednotlivé diagn´ ozy. Software mus´ı b´ yt navrˇzen tak, aby byl snadno dostupn´ y kaˇzdé foniatrické ordinaci vybavené PC s operaˇcn´ım systémem Windows XP (s .NET Frameworkem 2.0 a vyˇsˇs´ım), zvukovou kartou a kvalitn´ım mikrofonem. MS Windows je zdaleka nejˇcastˇejˇs´ım operaˇcn´ım systémem v lékaˇrsk´ ych pracovn´ ach. Byl proto zvolen jako z´ akladn´ı systém pro vytv´ aˇrenou aplikaci. Ta je vˇsak d´ıky pouˇzité technologii .NET (alespoˇ n teoreticky) na operaˇcn´ım systému nezávisl´ a. V´ıce je k této problematice ˇreˇceno v kapitole 3.2, kde je diskutov´ an zaj´ımav´ y projekt Mono, kter´ y slibuje portaci .NET na dalˇs´ı operaˇcn´ı systémy Dalˇs´ım d˚ uleˇzit´ ym poˇzadavkem je navrhnout software s ohledem na co nejniˇzˇs´ı poˇrizovac´ı cenu. Tomu byl podm´ınˇen v´ ybˇer pouˇzit´ ych technolog´ı. Zde byl kladen d˚ uraz na co nejniˇzˇs´ı cenu softwaru, kter´ y by se pro bˇeh programu musel dokupovat. Z toho d˚ uvodu byl volen datab´ azov´ y server PostgreSQL a nikoli MSSQL. Jedin´ ym komerˇcn´ım softwarem, kter´ y je k bˇehu programu vyˇzadov´ an tak z˚ ust´ av´ a MS Windows. Ostatn´ı softwarové prostˇredky jsou bud’ bˇeˇznou ˇci volitelnou souˇcást´ı MS Windows nebo open source.

1.2

Pouˇ zit´ e technologie

N´ asleduje seznam technolgi´ı, které jsou pro bˇeh programu z´ avazné • operaˇcn´ı systém MS Windows XP ˇci vyˇsˇs´ı • .NET Framework 2.0 ˇci vyˇsˇs´ı [23] • Postgre SQL [22] (open source SQL server) • DirectX jako jedna z moˇznost´ı záznamu zvuku • GDI+ pro vykreslov´ an´ı hlasového pole (souˇcást .NET Frameworku)

´ KAPITOLA 1. UVOD

3

Pˇred spuˇstˇen´ım programu je tˇreba zajistit, aby byly tyto technologie na lok´ aln´ım serveru spr´ avnˇe nainstalované a aby sluˇzby, které maj´ı bˇeˇzet jako deamon (SQL server) také jako deamon bˇeˇzely. Bez toho nem˚ uˇze aplikace fungovat. Seznam pouˇzit´ ych v´ yvojov´ ych prostˇred´ı, n´ astroj˚ u a knihoven: • MS Visual Studio 2008 Express Edition [23] - v´ yvojové prostˇred´ı pro psan´ı aplikac´ı v .NET • DBDesigner4 - open source nástroj pro datové modelován´ı • Violet UML editor [25] - open source n´ astroj pro UML modelov´ an´ı a n´ avrh aplikace • AForge.NET [21] - open source knihovna numerick´ ych a DSP algoritm˚ u • iTextSharp [24] - open source knihovna pro generov´ an´ı PDF tiskov´ ych dokument˚ u

Kapitola 2

´ Uvod do problematiky V této kapitole jsou shrnuty z´ akladn´ı informace z fonetiky a foniatrie, které jsou v´ıce ˇci ménˇe nezbytné pro navrˇzen´ı spr´ avného softwarového ˇreˇsen´ı. Pro podrobnˇejˇs´ı vysvˇetlen´ı zde nast´ınˇen´ ych informac´ı doporuˇcuji ke studiu prim´ arn´ı prameny, z kter´ ych bylo pˇri tvorbˇe kapitoly ˇcerpáno, tj. pˇredevˇs´ım [1], [8], [4], [6], [9], lékaˇrské a anatomické informace byly ˇcerpány z [11], [12].

2.1

Hlasov´ eu ´ stroj´ı ˇ clovˇ eka a jeho model

Pr´ ace se zab´ yv´ a n´ avrhem softwaru k vyˇsetˇren´ı hlasivek. Z toho d˚ uvodu je v této kapitole ´ celem modelu je porozumˇen´ı fyzik´ rozepsán z´ akladn´ı model tvorby hlasu. Uˇ aln´ım proces˚ um tvorby hlasu, na z´ akladˇe nichˇz budeme moci urˇcit nejen vhodn´ y postup anal´ yzy poˇzadovan´ ych akustick´ ych parametr˚ u (intenzity a z´ akladn´ıho hlasivkového t´ onu), ale z´ısk´ ame také dobrou pˇredstavu o vyˇsetˇrovaném apar´ atu. Model jasnˇe vymezuje roli hlasivek pˇri tvorbˇe hlasu: hlas je tvoˇren vibrac´ı hlasivek, kter´ ymi je produkov´ an bud’ sign´ al se základn´ı frekvenc´ı F 0 spolu s vyˇsˇs´ımi harmonick´ ymi, nebo nˇekter´ ym z nˇekolika druh˚ u ˇsumu. Frekvence F 0 reprezentuje základn´ı t´ on hlasu (v´ yˇsku hlasu). Takto vznikl´ y sign´ al proch´ az´ı artikulaˇcn´ım traktem ˇclovˇeka, kde je v závislosti na tvaru traktu modifikov´ an. Model d´ ale zd˚ uvodˇ nuje korektnost metody kr´ atkodobé anal´ yzy, kter´ a má své fyzik´ aln´ı opodstatnˇen´ı v ˇcinnosti hlasového traktu a hlasivek.

4

´ KAPITOLA 2. UVOD DO PROBLEMATIKY

2.2

5

Hlasov´ eu ´ stroj´ı

Zdrojem ˇreˇcov´ ych kmit˚ u jsou lidské ˇreˇcové orgány. Ty se skl´ adaj´ı z plic (které jsou zdrojem hlasové energie), hlasivek, dutiny hrdeln´ı, u ´stn´ı a nosn´ı, mˇekkého a tvrdého patra, zub˚ u a jazyka viz obr. 2.11 .

Obr´ azek 2.1: Hlasové u ´stroj´ı ˇclovˇeka

2.2.1

Hrtan

Hrtan je chrupavkami vystuˇzená trubice, kterou proch´ az´ı vzduch do plic a je prvn´ı ˇcást´ı doln´ıch cest d´ ychac´ıch. Hrtan navazuje na hltan, spoleˇcn´ y u ´sek tr´ avic´ı a d´ ychac´ı soustavy, a pˇrecház´ı v pr˚ uduˇsnici. Cel´ y hrtan je pohyblivˇe zavˇeˇsen pod ˇcelist´ı pomoc´ı jazylky, sval˚ u a vaz˚ u. Stˇena hrtanu je zpevnˇena chrupavkami, nejvˇetˇs´ı vystupuje dopˇredu a tvoˇr´ı podklad ohryzku. U ˇclovˇeka jsou mezi chrupavkami napjaté dva hlasivkové vazy, které tovoˇr´ı hlasivky. V pˇr´ıpadˇe chvˇej´ıc´ıch se hlasivek je v´ yˇska tónu (frekvence chvˇen´ı) nastavov´ ana pˇredevˇs´ım napˇet´ım sval˚ u, které hlasivky ovl´ adaj´ı.

2.2.2

Hlasivky

Hlasivky jsou uloˇzeny v hrtanu, tvoˇr´ı je p´ arov´ y hlasivkovit´ y sval, hlasivkov´ y vaz a slizniˇcn´ı hlasivkov´ a ˇrasa, napjaté mezi koncovou a ˇst’´ıtnou chrupavkou. Pˇri pohledu z u ´stn´ı dutiny jsou 1

Obr´ azek byl pˇrevzat z Wikipedie.


6

hlasivky vidˇet hned za hrtanovou pˇr´ıklopkou, kter´ a pˇri polyk´ an´ı chr´ an´ı vstup do hrtanu. Hlasivkové svaly a vazy se nap´ınaj´ı mezi hlasivkov´ ym v´ ybˇeˇzkem koncovité chrupavky a zadn´ım okrajem ˇst´ıtné chrupavky. Hlasivkové ˇrasy jsou velmi pruˇzné. Zjedoduˇsen´ y n´ akresek je na obr. 2.21 , kde vid´ıme schematicky nakreslené otevˇrené hlasivky a hlasivky pˇri tvorbˇe hlasu.

Obr´ azek 2.2: Hlasivky - vlevo je ˇstˇerbina otevˇren´ a, na pravém obr´ azku pˇri tvorbˇe hlasu

2.2.3

Hlasov´ y trakt a v´ alcov´ y model

Obr´ azek 2.3: Zjednoduˇsen´ y v´ alcov´ y model hlasového traktu

3

Hlasov´ y trakt je dutina, kterou se dost´ av´ a vzduch ven z plic pˇri vydechov´ an´ı a ˇreˇci. Akustick´ y model hlasového traktu vych´ az´ı z modelu dutinového rezonátoru, jehoˇz pˇrenosov´ a funkce se


7

vˇsak v naˇsem pˇr´ıpadˇe bˇehem promluvy mˇen´ı. Se zmˇenou parametr˚ u dutin hlasového traktu se mˇen´ı pˇr´ıˇcn´ y pr˚ uˇrez v jednotliv´ ych ˇrezech. Bˇehem ˇreˇci se vyskytuj´ı fixované momenty tvorby hl´ asek, jejichˇz délka je kolem 10 aˇz 50 ms. Bˇehem tˇechto fixovan´ ych moment˚ u se charakteristika hlasového traktu témˇeˇr nemˇen´ı, koeficietny pˇrenosu z˚ ust´ avaj´ı nemˇenné. Z uvaˇzovan´ ych fixn´ıch tvar˚ u m˚ uˇzeme vypoˇc´ıtat pˇrenosovou funkci dutinového rezonátoru. Tak dostaneme koeficienty pˇrenosu pro r˚ uzné hl´ asky. Pokud se podaˇr´ı z´ıskat koeficienty pro vˇsechny hl´ asky, dost´ av´ ame soubor d´ılˇc´ıch model˚ u, které pˇredstavuj´ı celkov´ y model vytv´ aˇren´ı ˇreˇci. Rezonanˇcn´ı kmitoˇcty rezonátoru se naz´ yvaj´ı formanty. Uplatˇ nuje se zde pˇredevˇs´ım dutina hrdeln´ı (F 1) a dutina u ´stn´ı (F 2). Vliv dutiny nosn´ı na tvorbu ˇreˇci je podstatnˇe menˇs´ı neˇz vliv dutiny u ´stn´ı. V praxi se proto ˇcasto model zjednoduˇsuje a dutina nosn´ı se bud’ vypust´ı bez n´ ahrady, nebo je jeji absence korigov´ ana pˇretransformov´ an´ım do modelu dutiny u ´stn´ı. Zn´ azornˇen´ı v´ alcového modelu vid´ıme na obr. 2.31 . I kdyˇz vnitˇrn´ı prostor hlasového traktu nen´ı soumˇern´ y vzhledem k podélné ose, uvaˇzujeme bez velké ztráty pˇresnosti dutinov´ y model ve tvaru soustˇredˇen´ ych v´ alc˚ u.

2.2.4

Zjednoduˇ sen´ y fyziologick´ y model produkce ˇ reˇ ci

Dosud uvedené vˇedomosti o tvorbˇe ˇreˇci shrneme do celkového fyziologického modelu tvorby ˇreˇci [1], kter´ y je zn´ azornˇen na obr. 2.42 .

Obr´ azek 2.4: Fyziologick´ y model tvorby ˇreˇci

Znˇelé ˇcásti ˇreˇci jsou tvoˇreny pouze pˇri periodickém kmitán´ı hlasivek. Takto vznikl´ y sign´ al 2

Obr´ azek byl pˇrekreslen podle [1].


8

obsahuj´ıc´ı periodu z´ akladn´ıho t´ onu proch´ az´ı fixovan´ ym hlasov´ ym traktem, kde je vytvoˇrena pˇr´ısluˇsná znˇelá hl´ aska. Na svém vstupu je hlasov´ y trakt buzen tlakov´ ymi impulsy vzduchu, které vytv´ aˇr´ı hlasivky sv´ ym kmit´ an´ım s periodou v ˇra´dech milisekund. Hrtan a hlasivky vytv´ aˇrej´ı periodick´ y sign´ al pro znˇelé a ˇsumov´ y sign´ al pro neznˇelé hl´ asky. Bud´ıc´ı sign´ al má proto jiˇz pˇri vstupu do hlasového traktu vˇzdy jiné spektráln´ı charakteristiky.

2.3

Fyzik´ aln´ı vlastnosti hl´ asek a fon´ em˚ uˇ cesk´ eho jazyka

2.3.1

Hl´ asky

Hl´ aska je základn´ı jednotka (segment) zvukové stránky ˇreˇci, kterou se zab´ yv´ a fonetika a fonologie. Hl´ asky se vyznaˇcuj´ı r˚ uzn´ ym stupnˇem otevˇrenosti (apertury). Samohl´ asky jsou na této ˇskále nejv´ıce otevˇrené, zat´ımco souhlásky jsou zavˇrenˇejˇs´ı a pˇri jejich vytv´ aˇren´ı se vytv´ aˇr´ı pˇrek´ aˇzka (striktura) v proudu vzduchu. Pˇrek´ aˇzka je r˚ uzného stupnˇe: od pouhého pˇribl´ıˇzen´ı (aproximace) artikulaˇcn´ıch org´ an˚ u, pˇres u ´ˇzinu (konstrikce) aˇz po u ´pln´ y závˇer (okluze), tedy kr´ atké pˇreruˇsen´ı proudˇen´ı vzduchu.

2.3.2

Samohl´ asky (vok´ aly)

Samohl´ asky jsou hl´ asky, jejichˇz charakteristick´ ym rysem je pˇr´ıtomnost F 03 . Na rozd´ıl od souhl´ asek nevznik´ a pˇri jejich artikulaci ˇsum a jsou tvoˇreny v ust´ alené poloze hlasového traktu. Detail hlasky "a"

Detail hlasky "s" 0.04 amplituda

amplituda

0.2 0 −0.2

0.02 0 −0.02 −0.04 −0.06

−0.4 0.01

0.02

0.03 0.04 cas [s]

0.05

0.06

0.01

0.02

0.03 0.04 cas [s]

0.05

0.06

Obr´ azek 2.5: Pr˚ ubˇeh hl´ asek ’a’ a ’s’ v ˇcasové oblasti

Spisovn´ a ˇceˇstina m´ a 10 samohláskov´ ych foném˚ u (v´ yznamotvorné hl´ asky): 5 kr´ atk´ ych a 5 dlouh´ ych. Vyznaˇcuj´ı se témˇeˇr periodick´ ym pr˚ ubˇehem signálu (viz ˇcasov´ y pr˚ ubˇeh hl´ asky 3

Pˇr´ıtomnost F 0 naz´ yv´ ame znˇelost, hl´ asky pak oznaˇcujeme za znˇelé.


9

’a’), pˇriˇcemˇz periodick´ a bud´ıc´ı funkce je také dobˇre vidˇet ve spektru hl´ asky (viz obr. 2.5). Pro samohlásky je charakteristick´ a rovnˇeˇz relativnˇe vysoká amplituda sign´ alu4 . Základn´ı frekvence F 0 je u vˇsech samohlásek stejná (závisl´ a na individu´ aln´ıch hlasov´ ych charakterisik´ ach kaˇzdého ˇclovˇeka) a je vytv´ aˇrena kmitán´ım hlasivek. Jednotlivé samohlásky se liˇs´ı barvou t´ on˚ u, kter´ a je d´ ana vlivem spolupod´ılej´ıc´ıch se vedlejˇs´ıch formant˚ u, které vznikaj´ı rezonanc´ı v dutin´ ach hlasového traktu. Rezonance je ovlivnˇena zmˇenami tvaru tˇechto dutin bˇehem ˇreˇci urˇcenou polohy mluvidel. Podle stoupaj´ıc´ı frekvence se formanty oznaˇcuj´ı F 1, F 2 a F 3, pˇriˇcemˇz vzájemn´ y pomˇer F 1 a F 2 maj´ı pro znˇen´ı hl´ asky zásadn´ı v´ yznam. Z naˇseho hlediska je existence formant˚ u d˚ uleˇzitá pˇri n´ avrhu algoritmu pro detekci F 0, nebot’ formantov´ a struktura ˇreˇci m˚ uˇzeme pˇri detekci F 0 ˇcinit pot´ıˇze a jedn´ım z moˇzn´ ych ˇreˇsen´ı je tzv. klipov´ an´ı. Na okraj uved’me, ˇze na detekci pomˇer˚ u formant˚ u F 1 a F 2 je zaloˇzeno rozpoznáv´ an´ı hl´ asek pˇri automatickém zpracován´ı ˇreˇci.

2.3.3

Souhl´ asky (konsonanty)

Souhl´ asky jsou podstatnˇe kratˇs´ı a jejich délka silnˇe závis´ı na kontextu (samostatnˇe vyslovené ’r’ m´ a napˇr. okolo 30 ms, zat´ımco ’r’ ve slovˇe ’srnec’ i 100 ms a v´ıce podle mluvˇc´ıho). Ve srovn´ an´ı s vokály se jako v´ yznamn´ y rys souhl´ asek jev´ı pˇr´ıtomnost charakteristického ˇsumu, kter´ y vznik´ a specifick´ ym postaven´ım ˇci pohybem hlasivek a hlasového traktu. Vznik ˇsumu souvis´ı s tvoˇren´ım ˇ pˇrek´ aˇzky v mluvidlech (viz v´ yˇse), která zp˚ usobuje turbulence v proudu vzduchu. Sum m˚ uˇzeme pozorovat jednak v ˇcasové oblasti (viz obr. 2.5), jednak ve spektr´ aln´ı oblasti (viz obr. 2.6). Zat´ımco v ˇcasové oblasti je u samohl´ asky ’a’ jasnˇe pozorovateln´ y témˇeˇr periodick´ y sign´ al, u hl´ asky ’s’ tak tomu nen´ı a pr˚ ubˇeh hl´ asky je bl´ıˇze pr˚ ubˇehu ˇsumu. Spektrum hlasky "s"

8

0.4

6

0.3

amplituda

amplituda

Spektrum hlasky "a"

4 2

0.2 0.1

2000

4000 6000 frekvence [Hz]

8000

2000

4000 6000 frekvence [Hz]

Obr´ azek 2.6: Spektrum hl´ asek ’a’ a ’s’ 4

To je opˇet pozorovatelné na ˇcasovém pr˚ ubˇehu hl´ asky.

8000


10

Zat´ımco samohlásky jsou generov´ any v ust´ alené poloze hlasového traktu, souhl´ asky odpov´ıdaj´ı pˇrechodov´ ym stav˚ um hlasového traktu a charakteristick´ y pr˚ ubˇeh z´ısk´ avaj´ı postaven´ım pˇrek´ aˇzky do proudu protékaj´ıc´ıho vzduchu. Vzhledem k tˇemto a dalˇs´ım okolnostem je i identifikace souhl´ asek podstatnˇe tˇeˇzˇs´ı. Existuj´ı tzv. znˇelé souhl´ asky, u kter´ ych se ve spektru také vyskytuje z´ akladn´ı t´ on. Ten ovˇsem nen´ı pˇr´ıliˇs v´ yrazn´ y ve srovn´ an´ı se ˇsumovou ˇcásti spektra. Urˇcité náznaky formant˚ u jsou u souhl´ asek obecnˇe na vyˇsˇs´ıch kmitoˇctech, neˇz je tomu u samohl´ asek. Nˇekteré znˇelé souhl´ asky maj´ı v´ yrazné formanty (napˇr. souhl´ aska ’j’) a jsou vytv´ aˇreny podobnˇe jako samohl´ asky.

2.4

Pouˇ zit´ı modelu a navrˇ zen´ a metoda odhadu parametr˚ u

Obr´ azek 2.7: Pr˚ ubˇeh znˇelé samohlásky a odpov´ıdaj´ıc´ı ACF

Z v´ yˇse uvedeného modelu tvorby ˇreˇci vypl´ yv´ a, ˇze F 0 je moˇzné bezpeˇcnˇe detekovat pouze u hl´ asek5 a to z d˚ uvodu jejich znˇelosti, kdy kmitaj´ı hlasivky a hlasov´ y trakt je fixov´ an. Z 5

Jak jiˇz bylo ˇreˇceno, existuj´ı i znˇelé souhl´ asky, v jejich spektru je vˇsak siln´ a pˇr´ıtomnost ˇsumu.


11

fixace hlasového traktu také vych´ az´ı opr´ avnˇenost krátkodobé anal´ yzy, kdy je sign´ al rozdˇelen na mikrosegmenty po 50 ms v nichˇz jsou poˇc´ıt´ any poˇzadované parametry. Na základˇe uveden´ ych fakt˚ u m˚ uˇzeme poˇc´ıtat s alespoˇ n ˇcásteˇcnou periodicitou ˇreˇcového sign´ alu6 .

Pro odhadov´ an´ı F 0 bude pouˇzita autokorelaˇcn´ı metoda, kter´ a je ˇcasto uˇz´ıvan´ ym

n´ astrojem pˇri urˇcován´ı periodicity sign´ al˚ u. Pˇredstavu v´ yskytu F 0 v ˇcasovém pr˚ ubˇehu i v maximu autokorelaˇcn´ı funkce dokumentuje obr. 2.7. Ve znˇel´ ych ˇcástech ˇreˇci by mˇela b´ yt hodnota F 0 odhadnuta spr´ avnˇe, v neznˇel´ ych ˇcástech ˇreˇci bude F 0 chybnˇe urˇcena jako pˇr´ıliˇs vysoká, nezapadaj´ıc´ı do uvaˇzovan´ ych mez´ı7 a proto nezat´ıˇz´ı v´ ysledek mˇeˇren´ı chybou. V´ ypoˇcet autokorelaˇcn´ı funkce a v´ ykonu bude z d˚ uvodu efektivnosti algoritmu poˇc´ıt´ an pomoc´ı FFT a iFFT, kdy bude sloˇzitost v´ ypoˇctu n.lon(n). V kaˇzdé znˇelé hl´ asce jsou v´ıce ˇci ménˇe patrné formanty. Ty mohou negativnˇe ovlivnit anal´ yzu chybn´ ym v´ ysledkem a pro zpˇresnˇen´ı mˇeˇren´ı se nˇekdy nejdˇr´ıve pokouˇs´ıme tyto formanty odstranit. To v této pr´ aci uvaˇzovat nebudeme, nebot’ i bez toho bylo dosahov´ ano dobr´ ych v´ ysledk˚ u pouze pomoc´ı klipov´ an´ı.

2.5

Postup vyˇ setˇ ren´ı hlasov´ eho pole

C´ılem vyˇsetˇren´ı je zmˇeˇrit minim´ aln´ı a maxim´ aln´ı intenzitu hlasu v z´ avislosti na frekvenci a to v rozsahu frekvenc´ı, kter´ ych je pacient schopen. Pˇriˇcemˇz pro vyˇsetˇren´ı je vhodn´ a prodlouˇzená fonace vok´ alu ’a’ pro jeho v´ yraznou periodicitu viz obr. 2.5. Pacient je tedy pˇri vyˇsetˇren´ı poˇzád´ an o tichou aˇz hlasitou prodlouˇzenou fonaci vok´ alu ’a’ v t´ onovém rozsahu od nejniˇzˇs´ıho t´ onu, kterého je schopen dos´ ahnout, po t´ on nejvyˇsˇs´ı. Bˇehem fonace jsou urˇcovány akustické parametry hlasu, které jsou zobrazov´ any do oblasti hlasového pole. Takto vznikne hlasové pole, které je moˇzné d´ ale analyzovat. Pro tuto f´ azi je k dispozici n´ astroj pro urˇcen´ı základn´ıch statistick´ ych parametr˚ u. Algoritmus detekce F 0 nen´ı dokonal´ y a v pr˚ ubˇehu F 0 se mohou vyskytnout poruchy8 . Z toho d˚ uvodu byla do aplikace zaˇrazena moˇznost mazán´ı bod˚ u hlasového pole. Po vyˇsetˇren´ı je moˇzné uloˇzit obr´ azek hlasového pole a zvukov´ y záznam; d´ ale je moˇzné vyhledat pacienta z kartotéky a napsat zpr´ avu o vyˇsetˇren´ı. Po vyps´ an´ı diagn´ ozy je moˇzné vytisknout zpr´ avu obsahuj´ıc´ı text diagn´ ozy, základn´ı u ´daje o pacientovi a dalˇs´ı volitelné parametry.

6

Periodicita ani v dobˇe trv´ an´ı fixovan´ ych moment˚ u vˇsak nebude striktnˇe nikdy splnˇena, to pro n´ as vˇsak nen´ı

kritické. 7 a tedy nen´ı d´ ale uvaˇzov´ an 8 Ty mohou vzniknout nejen chybn´ ym urˇcen´ım vyˇsˇs´ı harmonické nam´ısto z´ akladn´ı, ale také napˇr´ıklad v´ ypoˇctem F 0 ze sign´ alu okoln´ıho hluku apod.

Kapitola 3

Pouˇ zit´ e technologie V této kapitole jsou struˇcnˇe pops´ any pouˇzité IT technologie a je zd˚ uvodnˇen jejich v´ ybˇer. Pˇri v´ ybˇeru a n´ asledném popisu programovac´ıho jazyka C# a prostˇred´ı .NET Framework bylo ˇcerpáno z [14] a [15]. Kapitola popisuj´ıc´ı technologii ADO.NET ˇcerpá z knihy [16]. Popis datab´ azového serveru PostgreSQL ˇcerpá ze zdroje [22], tj. ofici´ aln´ıch str´ anek projektu PostgreSQL, ˇcásteˇcnˇe také ze zdroje [26].

3.1

Pracovn´ı r´ amec .NET Framework

Obr´ azek 3.1: .NET Framework - schéma modelu

Od roku 2000 se spoleˇcnost Microsoft rozhodla odstoupit od objektového svˇeta zaloˇzeného na COM a zaˇcala intenzivnˇe vyv´ıjet .NET Framework, tj. ’dot net frejmvork’. Ten se skl´ ad´ a ze dvou hlavn´ıch ˇcást´ı:

12

ˇ E ´ TECHNOLOGIE KAPITOLA 3. POUZIT

13

1. spoleˇcného jazykového prostˇred´ı pro bˇeh aplikac´ı - CLR1 2. .NET Framework class library Prvn´ı souˇcást´ı je bˇehové prostˇred´ı CLR, které se stará o spouˇstˇen´ı a pˇreklad aplikac´ı, spr´ avu pamˇeti, spouˇstˇen´ı proces˚ u apod. Druhou souˇcást´ı je .NET Framework class library, coˇz je plnˇe objektovˇe orientovan´ a kolekce prvk˚ u, které mohou b´ yt pouˇzity pˇri programov´ an´ı aplikac´ı. Tyto vrstvy spolu vytv´ aˇrej´ı prostˇred´ı (pracovn´ı r´ amec) pro bˇeh a v´ yvoj aplikac´ı .NET.

3.1.1

Spoleˇ cn´ y jazyk CLR

Spodn´ı vrstvu tvoˇr´ı spolu s unified class library z´ akladn´ı souˇcást .NET, které se ˇr´ık´ a spoleˇcn´ y jazyk CLR (Commnon Language Runtime), viz obr. 3.1. Základn´ı vlasnost´ı CLR je, ˇze vˇsechny jazyky se kompiluj´ı do standardn´ıho pˇrechodného jazyka MSIL2 , z ˇcehoˇz plyne, ˇze volba jazyka pˇrestáv´ a b´ yt d˚ uleˇzitá i pˇri uvaˇzován´ı v´ ykonnosti aplikac´ı. CLR kromˇe toho obsahuje dva kompil´ atory, které jsou typu JIT (Just In Time) a pˇrev´ adˇej´ı MSIL do bin´ arn´ıho k´ odu urˇceného pro specifick´ y procesor. Prvn´ı kompil´ ator je velmi rychl´ y, ale produkuje neoptimalizovan´ y k´ od. Druh´ y (standardn´ı) je pomalejˇs´ı, ale produkuje vysoce optimalizovan´ y k´ od. Pouˇzit´ y kompil´ ator se vyb´ır´ a pˇri pˇrekladu aplikace. K´ od zapsan´ y v MSIL je nez´ avisl´ y na platformˇe, na které bˇeˇz´ı a tud´ıˇz se programátor nemus´ı starat o to, na jakém systému bude jeho k´ od prov´ ad’en. Je ovˇsem nutné m´ıt na daném stroji naistalov´ an interpret tohoto k´ odu. V souˇcasné dobˇe existuje interpret .NET i pro Unixové systémy3 , jeho funkˇcnost je vˇsak zat´ım znaˇcnˇe omezená. Nejpodstatnˇejˇs´ı ˇcinnosti o nˇeˇz se CLR stará jsou: • spr´ ava pamˇeti (optimalizace vyuˇzit´ı) • spouˇstˇen´ı proces˚ u • zavádˇen´ı k´ odu • kontrola bezpeˇcnosti k´ odu • kompilace z jazyka MSIL do specifického k´ odu procesoru ˇ ızen´ CLR rozliˇsuje mezi ˇr´ızen´ ym a neˇr´ızen´ ym k´ odem. R´ y k´ od produkuj´ı vˇsechna v´ yvojov´ a prostˇred´ı, kter´ a jsou schopna sv˚ uj k´ od pˇrekl´ adat do jazyka MSIL a takov´ y k´ od m˚ uˇze vyuˇz´ıvat vˇsech moˇznost´ı, které MSIL nab´ız´ı. Neˇr´ızen´ y k´ od nem˚ uˇze vyuˇz´ıvat sluˇzeb CLR, umoˇzn ˇuje vˇsak zacházen´ı s pamˇet´ı, které v ˇr´ızeném kódu nen´ı moˇzné. 1

Zkratka vych´ az´ı z Common Language Runtime. Microsoft Intermediate Language 3 autorem nen´ı Microsoft, ale komunita open source softwaru 2


3.1.2

14

.NET Unified Class Library

MSIL a unified class library (UCL) spolu tvoˇr´ı základn´ı vrstvu .NET Frameworku, viz obr. 3.14 . Unified class library se sklád´ a z v´ıce jak sta jmen´ ych prostor˚ u a vˇetˇsina z nich obsahuje des´ıtky prvk˚ u (konstruktory, pole, vlastnosti, metody a ud´ alosti). Pro pr´ aci s konkrétn´ımi typy, které nab´ız´ı urˇcité funkce, mus´ıme znát cel´ y n´ azev jmenného prostoru. Mezi ˇcasto pouˇz´ıvané jmenné prostor patˇr´ı: System, System.Collections, System.Collections.Generic, System.Security, System.IO, System.Net, System.Drawing, System.Windows.Form, System.Runtime.InteropServices a mnoho dalˇs´ıch.

Obr´ azek 3.2: Jmenné prostory .NET Frameworku

3.1.3

WinForms a GDI+

WinForms je souˇcást´ı .NET UCL, jako jmenn´ y prostor System.Windows.Forms. Technologie WinForms umoˇzn ˇuje jednoduˇse vytv´ aˇret uˇzivatelsky pˇr´ıjemné grafické rozhran´ı5 , které se sklád´ a ze standardn´ıch ovl´ adac´ıch prvk˚ u Windows. V pˇr´ıpadˇe potˇreby je moˇzné definovat vlastn´ı ovl´ adac´ı prvky a pomoc´ı nadstavby GDI+ mˇenit jejich grafick´ y obsah. GDI+ je spjato s prostorem System.Drawing.

3.1.4

Jazyk C#

Prostˇred´ı .NET nen´ı svázané s ˇzadn´ ym programovac´ım jazykem, nebot’ bez ohledu na to, v ˇcem byla aplikace p˚ uvodnˇe naps´ ana, je vˇzdy, jak jiˇz bylo ˇreˇceno, pˇreloˇzena do mezijazyka MSIL. 4 5

Obr´ azek byl pˇrevzat z www.msdn.com, ofic´ aln´ıch str´ anek Microsoftu. tzv. GUI


15

Dnes je pro platformu .NET pouˇziteln´ ych v´ıce jak deset jazyk˚ u, z nichˇz ne vˇsechny poch´ az´ı z d´ılny Microsoftu. Microsoft pˇresto pˇriˇsel s vlastn´ım programovac´ı jazykem C#, kter´ y vych´ az´ı z programovac´ıch jazyk˚ u Java a C++ a jehoˇz vlastnosti jsou speciálnˇe vyladˇeny pro .NET Framework. Pˇredevˇs´ım pro velkou flexibilitu a ˇsirokou v´ yvoj´ aˇrskou komunitu byl pro v´ yvoj aplikace hlasového pole vybr´ an tento programovac´ı jazyk. Programovac´ı jazyk C# pˇrin´ aˇs´ı mnoho podstatn´ ych a ovˇeˇren´ ych vlastnost´ı z dnes jiˇz tradiˇcn´ıho jazyka C++ i do prostˇred´ı modern´ı v´ yvojové platformy .NET Framework. Spousta programov´ ych element˚ u a konstrukc´ı se podob´ a tˇem, které jsou zn´ amé z C++. V prostˇred´ı jazyka C# vˇsak lze k tˇemto prvk˚ um pˇristupovat s daleko vˇetˇs´ı efektivnost´ı a produktivitou pr´ ace. Jeho hlavn´ımi v´ yhodami jsou: • Podpora vˇ sech typ˚ u spoleˇ cn´ eho bˇ ehov´ eho prostˇ red´ı. • Pˇ red´ av´ an´ı argument˚ u odkazem a v´ ystupn´ı parametry. Lze pˇred´ avat promˇenné funkc´ım odkazem anebo dokonce vytv´ aˇret v´ ystupn´ı parametry, které je nutno inicializovat pˇred ukonˇcen´ım pr´ ace funkce, v n´ıˇz jsou definov´ any • Pˇ retˇ eˇ zov´ an´ı oper´ ator˚ u, které chybˇelo napˇr´ıklad v Javˇe. • Pˇ r´ıkaz using. Aplikac´ı pˇr´ıkazu using lze lépe kontrolovat hospodaˇren´ı se zdroji. • Nezabezpeˇ cen´ y k´ od. Jazyk C# dovoluje v´ yvoj´ aˇr˚ um pracovat s ukazateli a manipulovat tak s vybran´ ymi segmenty operaˇcn´ı pamˇeti. Aˇckoliv nezabezpeˇcen´ y k´ od je poˇra´d realizov´ an v r´ amci spoleˇcného bˇehového prostˇred´ı, jeho pouˇzit´ı umoˇzn ˇuje program´ ator˚ um preciznˇejˇs´ı ovladatelnost vyuˇzit´ı systémové pamˇeti. atoˇri v C# mohou okomentovat vybrané partie zdrojového • XML dokumentace. Program´ k´ odu pozn´ amkami jazyka XML. N´ aslednˇe lze z komentáˇr˚ u vygenerovat celkovou dokumentaci aplikace. • Generics. Obdoba ˇsablon z C++, které v´ yraznˇe pˇrisp´ıvaj´ı k lepˇs´ımu opˇetovnému pouˇzit´ı jiˇz jednou napsaného zdrojového k´ odu. • Iter´ atory. Programov´ a konstrukce, prostˇrednictv´ım které lze rychleji a snadnˇeji pracovat s datov´ ymi kolekcemi.

3.1.5

ADO.NET

Technologie ADO .NET je vylepˇsená a do .NET zaˇclenˇen´ a pˇredchoz´ı technologie ADO. Z ADO vˇsak ADO.NET vych´ az´ı sp´ıˇse myˇslenkovˇe, nebot’ architektury samotné jsou naprosto odliˇsné. ADO.NET se sklád´ a z poskytovatel˚ u dat a datov´ ych kontejner˚ u. ADO.NET se v .NET


16

Unified Class Library skr´ yv´ a ve jmenném prostoru System.Data, kter´ y je tˇreba pˇridat jako referenci. Z´ akladn´ı rysy ADO.NET jsou: • obecné abstraktn´ı rozhran´ı, ale i specializace na r˚ uzné DB systémy • online a offline model datab´ aze • siln´ a integrace s XML, XML datab´ aze • integrace s .NET Framework • integrace s MS SQL 2005 (ADO.NET 2.0) • integrovatelnost do jin´ ych datov´ ych adaptér˚ u6

Obr´ azek 3.3: Schematick´ y model ADO.NET

Datab´ azov´ y server PostgreSQL je kr´ atce diskutov´ an v kapitole 3.7. Uk´ azka pr´ ace s PostgreSQL v prostˇred´ı .NET je v pˇr´ıloze B. Návrh datab´ aze je diskutov´ an v kapitole 4.7.

3.2

Projekt Mono

Mono je projekt veden´ y firmou Novell7 . Jeho c´ılem je vytvoˇrit sadu n´ astroj˚ u kompatibiln´ıch s prostˇred´ım .NET, které splˇ nuj´ı standardy ECMA (Ecma-334 a Ecma-335). K tˇemto nástroj˚ um 6 7

V naˇsem pˇr´ıpadˇe pro PostgreSQL existuje open source adaptér Npgsql; n´ azev vych´ az´ı ze slov Net PostgreSQL. Projekt byl pˇrejat od firmy Ximian.


17

patˇr´ı i pˇrekladaˇc jazyka C# a Common Language Runtime8 . Mono m˚ uˇze bˇeˇzet na poˇc´ıtaˇc´ıch s operaˇcn´ımi systémy Linux, FreeBSD, UNIX, Mac OS X, Solaris a Microsoft Windows. Projekt tak d´ av´ a nadˇeji, ˇze v této pr´ aci navrˇzená aplikace pro C# .NET bude v budoucnu pˇreloˇziteln´ a i na jin´ ych operaˇcn´ıch systémech. Pravdˇepodobnˇe vˇsak se zmˇenou knihovny, kter´ a pˇristupuje ke zvukové kartˇe. Ostatn´ı souˇcásti vˇsak budou moci pravdˇepodobnˇe z˚ ustat beze zmˇeny.

3.2.1

Technologie podporovan´ e v Mono

Mono v souˇcasnosti obsahuje nˇekteré komponenty zn´ ame z .NET Frameworku: • Common Language Infrastructure (CLI) - virtual machine kter´ a obsahuje class loader, Just-in-time compiler a garbage collecting runtime. • Tˇ r´ıdn´ı knihovnu, kter´ a spolupracuje s kaˇzd´ ym jazykem kompatibiln´ım CLR. Jsou zde obsaˇzeny jak .NET kompatibiln´ı tˇr´ıdn´ı knihovny tak vlastn´ı Mono knihovny. • Compil´ ator pro C#, pˇriˇcemˇz nen´ı vylouˇceno, ˇze v budoucnu pˇribudou kompil´ atory pro dalˇs´ı jazyky. Mono nen´ı v souˇcasnosti plnˇe kompatibiln´ı s WinForms a podpora je ve f´ azi v´ yvoje. Apliakce VoiceField tedy zat´ım nen´ı v prostˇred´ı Mono spustiteln´ a, ale intenzivn´ı snaha v´ yvoj´ aˇr˚ u Mona d´ av´ a nadˇeji, ˇze se situace zmˇen´ı. Jako uk´ azku uv´ ad´ım pˇreklad n´ asleduj´ıc´ı kapitoly ze str´ anek projektu Mono [20]. Kapitola informuje o tom, ˇze jiˇz dnes je hlavn´ı prvek hlasového pole bezezmˇeny pˇrenositeln´ y do prostˇred´ı Mono.

Obr´ azek 3.4: System.Drawing v Mono 8

To jsou jiˇz zm´ınˇené z´ akladn´ı sloupce .NET Frameworku.


3.2.2 9

18

System.Drawing v Mono

V Mono je jmen´ y prostor System.Drawing koncipov´ an tak, aby jeho API bylo plnˇe kom-

patibiln´ı s Microsoft Windows API, kter´ y je souˇcást´ı .NET. Kresl´ıc´ı model je zaloˇzen na PDF 1.4 composition-based imaging modelu. Naˇs´ı implementac´ı je C# wrapper okolo GDI+ C API (téˇz naz´ yvan´ y ’GDI+ Flat API’). To znamená, ˇze C# kód je stejn´ y pro systém Windows i UNIX. Situaci dokumentuje obr. 3.410 .

3.3

PostgreSQL

Jako datab´ azov´ y systém byl zvolen PostgreSQL. PostgreSQL je plnohodnotn´ ym relaˇcn´ım datab´ azov´ ym systémem s otevˇren´ ym zdrojov´ ym k´ odem. M´ a za sebou v´ıce neˇz patn´ act let aktivn´ıho v´ yvoje a vynikaj´ıc´ı povˇest pro svou spolehlivost a bezpeˇcnost. Bˇeˇz´ı na vˇsech rozˇs´ıˇren´ ych operaˇcn´ıch systémech vˇcetnˇe Linux˚ u, UNIX˚ u (BSD, HP-UX, Mac OS X, Solaris, ...) a také na operaˇcn´ım systému Windows, kde bude provozov´ an v naˇsem pˇr´ıpadˇe. PostgreSQL stoprocentnˇe splˇ nuje podm´ınky ACID, plnˇe podporuje ciz´ı kl´ıˇce a operaci JOIN. Obsahuje vˇetˇsinu SQL92 a SQL99 datov´ ych typ˚ u. PostgreSQL je ˇs´ıˇren pod BSD licenc´ı, kter´ a je nejménˇe zavazuj´ıc´ı open source licenc´ı. Ta umoˇzn ˇuje neomezenˇe pouˇz´ıvat, modifikovat a distribuovat PostgreSQL. PostgreSQL je tak moˇzno ˇs´ıˇrit se zdrojov´ ymi k´ ody nebo bez nich, zdarma nebo komerˇcnˇe. To je v´ yhodné v pˇr´ıpadˇe komerˇcn´ıho vyuˇzit´ı aplikace VoiceField, kdy m˚ uˇze b´ yt datab´ azov´ y server ˇs´ıˇren bez omezen´ı na stejném CD, bezplatnˇe nainstalov´ an na libovolném PC a pouˇz´ıv´ an. To by rozhodnˇe nebylo moˇzné v pˇr´ıpadˇe volby MS SQL Serveru, kde jsou licenˇcn´ı ujedn´ an´ı v´ıce omezuj´ıc´ı. N´ asleduje v´ yˇcet fakt˚ u, kter´ a byla rozhoduj´ıc´ı pro zvolen´ı PostgreSQL11 : • Velmi v´ yhodn´ a BSD license, která zajiˇst’uje bezplatné ˇs´ıˇren´ı a uˇzit´ı datab´ azového serveru. • V´ yborné v´ ykonostn´ı parametry. • Podpora r˚ uzn´ ych operaˇcn´ıch systém˚ u. • Praktciky neomozen´ a velikost datab´ aze a poˇcet pˇripojen´ı. • Vynikaj´ıc´ı povˇest a ˇsirok´ a komunita v´ yvoj´ aˇr˚ u. Prac´ı s datab´ azov´ ym serverem PostgreSQL v prostˇred´ı .NET se podrobnˇeji zab´ yv´ a pˇr´ıloha B. 9

Obsah této kapitoly je pˇrekladem z [20]. Obr´ azek pˇrevzat z [20]. 11 Napˇr´ıklad nam´ısto MS SQL serveru. Ten je jako ’free’ distribuovateln´ y pouze v omezené express edici. 10


3.3.1

19

Z´ akladn´ı parametry PostgreSQL

Sv´ ymi základn´ımi parametry PostgreSQL mnohon´ asobnˇe pˇredˇc´ı poˇzadavky, které aplikace na DB server klade a uv´ ad´ım je pouze pro ilustraci

12

ze zdroje [22].

Tabulka 3.1: Z´ akladn´ı parametry PostgreSQL

Maximum Database Size

Unlimited

Maximum Table Size

32 TB

Maximum Row Size

1.6 TB

Maximum Field Size

1 GB

Maximum Rows per Table

12

Unlimited

Maximum Columns per Table

250 - 1600 depending on column types

Maximum Indexes per Table

Unlimited

a pˇr´ıpadné srovn´ an´ı s omezen´ımi MS SQL Express Serveru

Kapitola 4

Anal´ yza, n´ avrh a modelov´ an´ı aplikace 4.1

Metodika n´ avrhu aplikace

Implementaci kaˇzdé rozsáhlejˇs´ı aplikace mus´ı pˇredch´ azet podrobn´ a anal´ yza. Ta se sklád´ av prvn´ı f´ azi ze specifikace poˇzadavk˚ u, jej´ıˇz hlavn´ım c´ılem je jasnˇe vymezit funkˇcnost aplikace. Zde je podstatné dostateˇcné zapojen´ı zadavatel˚ u. Specifikace poˇzadavk˚ u jsou n´ astrojem pro zachycen´ı funkˇcn´ıch a nefunkˇcn´ıch poˇzadavk˚ u uˇzivatel˚ u na systém. Soubor vˇsech poˇzadavk˚ u potom reprezentuje vˇsechny uˇzivatelské funkce, které budouc´ı systém nab´ıdne. Avˇsak mezi oˇcekávané poˇzadavky uˇrivatel˚ u na funkˇcnost a vzhled aplikace m˚ uˇze b´ yt i napˇr´ıklad: • dodrˇzen´ı urˇcit´ ych standard˚ u, napˇr´ıklad protokol˚ u komunikace • pouˇzit´ı urˇcen´ ych softwarov´ ych komponent a technologi´ı • rychlost odezvy systému • n´ aroky na v´ ykonnost systému • atd. avrhu nepodceˇ novat, nebot’ chyby, které Na základˇe praxe je doporuˇcováno tuto oblast n´ vzniknou pˇri sbˇeru poˇzadavk˚ u a jejich zachycen´ı, patˇr´ı z hlediska ˇzivotn´ıho cyklu projektu k v˚ ubec nejhorˇs´ım a nejdraˇzˇs´ım. To je proto, ˇze od poˇzadavk˚ u se odv´ıj´ı veˇsker´ y dalˇs´ı postup prac´ı na projektu. Slovn´ı popis (vˇetˇsinou ve formˇe seznamu) poˇzadavk˚ u je vstupem do dalˇs´ı f´ aze návrhu aplikace, tj. specifikace pˇr´ıpad˚ u uˇzit´ı. C´ılem této f´ aze je, lépe pochopit skuteˇcné poˇzadavky uˇzivatel˚ u

20

´ ´ ´ Í APLIKACE KAPITOLA 4. ANALYZA, NAVRH A MODELOVAN

21

na budouc´ı systém. Metodika pˇredevˇs´ım modeluje interakce uˇzivatele se systémem. Základem je tzv. scén´ aˇr pˇripad˚ u uˇzit´ı. Druhou moˇznost´ı zachycen´ı je diagram pˇr´ıpad˚ u uˇzit´ı. Ten sice (ve srovn´ an´ı se scén´ aˇrem uˇzit´ı) nepˇrin´ aˇs´ı novou informaci, ale m˚ uˇze pomoc´ı n´ avrh zpˇrehlednit. Zjiˇst’ov´ an´ı pˇr´ıpad˚ u uˇzit´ı je tˇreba vˇenovat patˇriˇcnou pozornost, nebot’ pouze to, co popisuje soubor pˇr´ıpad˚ u uˇzit´ı, se bude programovat. Souˇcást´ı této f´ aze by mˇelo b´ yt vz´ ajemné namapov´ an´ı poˇzadavk˚ u a pˇr´ıpad˚ u uˇzit´ı, a to zejména z kontroln´ıch d˚ uvod˚ u, abychom odhalili m´ısta v poˇzadavc´ıch, kter´ a nejsou oˇsetˇrena pˇr´ıpady uˇzit´ı a obr´ acenˇe. N´ asleduje n´ avrh datab´ aze podle funkˇcn´ıch poˇzadavk˚ u zadavatele. Je tˇreba zvolit vhodn´ y datab´ azov´ y systém, z poˇzadavk˚ u vyvodit spr´ avn´ y konceptu´ aln´ı1 a n´ aslednˇe logick´ y model2 datab´ aze. I v této f´ azi modelován´ı mus´ı b´ yt pˇr´ıtomen zadavatel pro ovˇeˇren´ı spr´ avnosti a dostateˇcnosti n´ avrhu. Po této f´ azi lze pˇristoupit k objektovému modelován´ı, tj. k diagramu tˇr´ıd, diagramu aktivit a diagramu komunikace objekt˚ u a n´ aslednˇe jiˇz k samotné implementaci aplikace. Bˇehem v´ yvoje aplikace je tˇreba se k jednotliv´ ym f´ az´ım vracet pro ovˇeˇren´ı jejich spr´ avnosti a podchycen´ı vˇsech poˇzadavk˚ u a pˇr´ıpad˚ u uˇzit´ı. Z´ asadn´ım problémem je, ˇze nové poˇzadavky na aplikaci vznikaj´ı bˇehem v´ yvoje3 a jejich zaˇclenˇen´ı do jiˇz vzniklého k´ odu m˚ uˇze b´ yt velice n´ aroˇcné4 . Pˇri n´ avrh aplikace bylo postupov´ ano podle n´ avodu z knih [17] a [13] odkud jsou také ˇcerpány teoretické informace o problematice softwarového inˇzen´ yrstv´ı.

4.2

Postup n´ avrhu aplikace

Prezentovanou metodiku n´ avrhu lze shrnout do n´ asleduj´ıc´ıch, ˇcásteˇcnˇe chronologicky seˇrazen´ ych, krok˚ u: • identifikace funkˇcn´ıch poˇzadavk˚ u • identifikace nefunkˇcn´ıch poˇzadavk˚ u • identifikace pˇr´ıpad˚ u uˇzit´ı a nav´ azán´ı k funkˇcn´ım poˇzadavk˚ um • n´ avrh datab´ aze podle funkˇcn´ıch a nefunkˇcn´ıch poˇzadavk˚ u • modelov´ an´ı tˇr´ıd a objektové spolupr´ ace, diagram seskupen´ı tˇr´ıd 1

Jend´ım z moˇzn´ ych konceptu´ aln´ıch model˚ u je E-R diagram. Modelujeme zde entity, mezi kter´ ymi vystupuj´ı ˇ vztahy. Mˇejmˇe napˇr´ıklad entity Uˇcitel a Z´ ak, pak mezi nimi bude napˇr´ıklad vztah Vyuˇcuje. 2

Logick´ y model jiˇz obsahuje pouze tabulky. Vazby typu M:N, které v konceptu´ aln´ım modelu vystupuj´ı jako

vztahy, jsou nahrazeny tabulkami s ciz´ımi kl´ıˇci. 3 Coˇz odpov´ıd´ a tomu, ˇze v´ yvoj SW je iterativn´ı proces. 4 Je tˇreba si uvˇedomit, ˇze proces implementace realizace pˇr´ıpad˚ u uˇzit´ı je také iteraˇcn´ım upˇresˇ nov´ an´ım.


4.3

22

Specifikace poˇ zadavk˚ u

Nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı poˇzadavky kladené na aplikaci lze shrnout do tˇrech základn´ıch kategori´ı: poˇzadavky na hlasové pole, poˇzadavky na datab´ azi a poˇzadavky na pouˇzité technologie. Ty jsou pˇr´ıkladem tzv. nefunkˇcn´ıch poˇzadavk˚ u.

4.3.1

Poˇ zadavky na hlasov´ e pole

• on-line zpracov´ an´ı a zobrazen´ı intenzity a v´ yˇsky • integraˇcn´ı chov´ an´ı pˇri urˇcován´ı intenzity podobné jako u hlukomˇer˚ u • detekce F0 i u kr´ atce trvaj´ıc´ıh t´ on˚ u • vykreslovat na osu x v´ yˇsku t´ onu, na osu y intenzitu, na ose x klaviatura • rozsah 40 aˇz 135 dB s krokem 2 dB, rozsah tón˚ u 50 aˇz 1200 Hz • moˇznost mazán´ı obsahu hlasového pole • vykreslov´ an´ı základn´ıch statistik a histogramu • moˇznost uloˇzen´ı hlasového záznamu • moˇznost uloˇzen´ı hlasového pole jako obr´ azku • barevné odliˇsen´ı ˇcetnosti v´ yskytu bod˚ u hlasového pole pˇri v´ıcenásobném v´ yskytu stejného bodu

4.3.2

Poˇ zadavky na datab´ azi

• základn´ı zabezpeˇcen´ı pro pr´ aci s osobn´ımi u ´daji • kartotéka pacient˚ u s moˇznost´ı vkl´ adat nové pacienty • moˇznost k jednotliv´ ym pacient˚ um vkl´ adat nové diagn´ ozy • moˇznost do datab´ aze vloˇzen´ı odkazu na soubor se zvukov´ ym záznamem • tisk diagn´ oz, konvertov´ an´ı do dokumetu PDF • veden´ı záznamu o dlouhodobém stavu pacienta, vkl´ ad´ an´ı pozn´ amek (o prodˇelan´ ych zákroc´ıch, onemocnˇen´ıch, ...) • snadné vyhled´ av´ an´ı podle pˇrijmen´ı pacienta

4.3.3

Poˇ zadavky na pouˇ zit´ e technologie

• operaˇcn´ı systém Windows


23

• pouˇzit´ı pouze standardn´ıch souˇcást´ı Windows ˇci volnˇe ˇs´ıˇriteln´ ych knihoven • volnˇe ˇs´ıˇriteln´ y datab´ azov´ y server bez podstatn´ ych omezen´ı (zvolen PostgreSQL)

4.4

Pˇ r´ıpady uˇ zit´ı

4.4.1

Hlavn´ı sc´ en´ aˇ r

V této fázi jsou zachyceny nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı pˇr´ıpady uˇzit´ı aplikace hlavn´ım scén´ aˇrem, coˇz je scénáˇr vyˇsetˇren´ı pacienta lékaˇrem typu ’vˇsechno jde hladce’. Kromˇe tohoto hlavn´ıho scénáˇre existuje pomˇernˇe rozsáhl´ y seznam alternativn´ıch scén´ aˇr˚ u, které pˇredstavuj´ı postup pˇri zjiˇstˇen´ı r˚ uzn´ ych chyb, mimoˇra´dn´ ych stav˚ u (pacient nen´ı dosud veden v kartotéce, nepodaˇrilo se pˇripojit do datab´ azového systému, apod.) a z nich vyvozen´ ych pr˚ uchod˚ u aplikac´ı a alternativn´ıch akc´ı. Nejˇcastˇeji odpov´ıdaj´ı sekc´ım JINAK hlavn´ıho scén´ aˇre a alternativn´ım pr˚ uchod˚ um lékaˇre aplikac´ı (napˇr´ıklad pouze tisk z kartotéky, editace osobn´ıch u ´daj˚ u apod.) Krok

Role

Akce

1

Lékaˇr

pˇrihl´ as´ı se do systému

2

Systém

POKUD pˇrihl´ aˇsen´ı vpoˇra´dku pˇrihl´ as´ı se do datab´ aze, naˇcte seznam pacient˚ u JINAK moˇznost vyˇsetˇrit pouze hlasové pole KONEC-POKUD

3

Lékaˇr

POKUD pacient je v datab´ azi vybere pacienta z datab´ aze JINAK zaloˇzen´ı nového pacienta KONEC-POKUD viz scén´ aˇr nový pacient

4

Systém

zobraz´ı základn´ı informace o pacientovi vˇcetnˇe diagn´ oz

5

Lékaˇr

spust´ı samotné vyˇsetˇren´ı, vytvoˇr´ı pacientovo hlasové pole viz scén´ aˇr uˇzit´ı hlasového pole

6

Systém

analyzuje hl. pole, nab´ıdne uloˇzen´ı zv. záznamu a hl. pole

7

Lékaˇr

POKUD chce uloˇzit zv. záznam uloˇzen´ı zv. záznamu KONEC-POKUD viz scén´ aˇr uloˇzen´ı zv. z´ aznamu

8

Lékaˇr

POKUD chce uloˇzit hl. pole uloˇzen´ı hl. pole KONEC-POKUD viz scén´ aˇr uloˇzen´ı hl. pole

9

Systém

zobraz´ı formul´ aˇr pacienta a nab´ıdku nové diagn´ ozy

10

Lékaˇr

POKUD zaloˇz´ı novou diagn´ ozu


24

pokraˇcuj ve scén´ aˇri JINAK konec vyˇsetˇren´ı KONEC-POKUD 11

Systém

zobraz´ı formul´ aˇr diagn´ ozy

12

Lékaˇr

vypln´ı formul´ aˇr diagn´ ozy

13

Systém

POKUD nen´ı validn´ı hl´ aˇsen´ı chyby, n´ avrat do bodu 12 KONEC-POKUD

14

Systém

nab´ıdne tisk diagn´ ozy

15

Lékaˇr

POKUD chce tisknout tisk diagn´ ozy KONEC-POKUD

Pˇ r´ıpad uˇ zit´ı: vyˇsetˇren´ı pacienta, hlavn´ı scén´ aˇr

4.4.2

Alternativn´ı sc´ en´ aˇ re

K hlavn´ımu scén´ aˇri uˇzit´ı je tˇreba poˇc´ıtat ˇradu alternativn´ıch scén´ aˇr˚ u. Zde uv´ ad´ım pouze nˇekteré z nich.

Krok

Role

Akce

3a1

Lékaˇr

zvol´ı nab´ıdku pro nového pacienta

3a2

Systém

zobraz´ı pr´ azdn´ y formul´ aˇr s pˇredvyplnˇen´ ymi u ´daji

3a3

Lékaˇr

vypln´ı základn´ı u ´daje pacienta

3a4

Lékaˇr

POKUD neexistuje pojiˇst’ovna zaloˇzen´ı nové pojiˇst’ovny KONEC-POKUD viz scén´ aˇr zaloˇzen´ı pojiˇst’ovny

3a5

Systém

uloˇzen´ı u ´daj˚ u do datab´ aze

Pˇ r´ıpad uˇ zit´ı: zaloˇzen´ı nového pacienta 3a. Pacient neexistuje v seznamu pacient˚ u, bude zaloˇzen nov´ y pacient Krok

Role

Akce

8a1

Lékaˇr

zvol´ı nab´ıdku pro uloˇzen´ı hlasového pole

8a2

Systém

zobraz´ı dialogové okno

8a3

Lékaˇr

vol´ı n´ azev a cestu pro uloˇzen´ı hlasového pole

8a4

Systém

generován´ı obr´ azku hlasového pole, uloˇzen´ı obr´ azku

8a4

Systém

uloˇzen´ı datového obsahu hlasového pole do txt souboru


25

Pˇ r´ıpad uˇ zit´ı: uloˇzen´ı hlasového pole 8a. Lékaˇr se rozhodl uloˇzit hlasové pole

4.5

Diagramy pˇ r´ıpad˚ u uˇ zit´ı

Na obr´ azku je zn´ azornˇen pˇr´ıpad uˇzit´ı hlavn´ıho aktéra systému tj. lékaˇre. Ten slouˇzil jako hlavn´ı diagram pˇri dalˇs´ım modelov´ an´ı aplikace.

Obr´ azek 4.1: Diagram pˇr´ıpad˚ u uˇzit´ı

4.6

Diagram tˇ r´ıd a seskupen´ı

Seskupen´ı tˇr´ıd se pouˇz´ıv´ a pro tˇr´ıdy, jejichˇz objekty spolu logicky souvis´ı a komunikuj´ı mezi sebou. Tyto tˇr´ıdy jsou pak schopny poskytnout ucelen´ y bal´ık sluˇzeb. Uveden´ y diagram seskupen´ı


26

obsahuje pouze nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı tˇr´ıdy, jejich seskupen´ı a vztahy mezi nimi. Vystihuje tak kostru celé aplikace, kter´ a se sklád´ a z pˇeti seskupen´ı: • On-line modul - modul, kter´ y se stará o sn´ımán´ı dat z mikrofonu a pr´ aci se soubory form´ atu WAV • Npgsql - knihovna pro spolupr´ aci s datab´ az´ı PostgreSQL • DSProcessing - implementace DSP algoritm˚ u uˇz´ıvan´ ych pˇri zpracov´ an´ı ˇreˇci • Voice Field - samotná aplikace, vykreslov´ an´ı dat, tisk soubor˚ u • Kartot´ eka - spolupr´ ace s databáz´ı, formul´ aˇre pro v´ ypis a editaci dat

Obr´ azek 4.2: Diagram seskupen´ı tˇr´ıd


27

Kompletn´ım diagram tˇr´ıd pro jeho rozs´ ahlost a malou uˇziteˇcnost5 neuv´ ad´ıme.

4.6.1

Seskupen´ı DSProcessing

DSProcessing je knihovnou tˇr´ıd, kter´ a byla naps´ ana pro tuto aplikaci, ale d´ıky nez´ avislosti jistˇe nalezne uplatnˇen´ı i jinde6 . Obsahuje vˇsechny DSP algoritmy pouˇz´ıvané pro anal´ yzu ˇreˇcového sign´ alu Kostrou knihovny je tˇr´ıda Tools obsahuj´ıc´ı základn´ı DSP a numerické algoritmy zn´ ame z Matlabu. Jde napˇr´ıklad o funkce filter, filtfilt, conv, medfilt1, mean, linspace apod. Tyto funkce v´ yraznˇe usnadˇ nuj´ı a zpˇrehledˇ nuj´ı implementaci algoritm˚ u hlasového pole. Z´ apis k´ odu je s vyuˇzit´ım tˇechto funkc´ı podobn´ y zápisu v Matlabu, coˇz bylo také jedn´ım z c´ıl˚ u. ˇ ast knihovny pro spektr´ C´ aln´ı anal´ yzu obsahuje pˇredevˇs´ım algoritmy FFT a iFFT a je ˇcásteˇcnˇe zaloˇzená na implementaci FFT z open source knihovny AForge.NET [21]. Souˇcást´ı knihovny je i sada z´ akladn´ıch funkc´ı pro zpracov´ an´ı ˇreˇci z nichˇz nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı je funkce F0detection s ˇradou parametr˚ u, kter´ a se stará o v´ ypoˇcet F0 a energie vstupn´ıho ˇreˇcového sign´ alu. Protoˇze se jedná o knihovn´ı tˇr´ıdu, jde pouze o ob´ alku statick´ ych metod. U tˇr´ıd nelze vytv´ aˇret instance, coˇz je zajiˇstˇeno t´ım, ˇze jsou vˇsechny definov´ any jako static.

4.6.2

Seskupen´ı VoiceField

V seskupen´ı VoiceField jsou naznaˇceny hlavn´ı formul´ aˇre aplikace. Jedn´ a se o MainForm, hlavn´ı formul´ aˇr aplikace, kter´ y je typu MDI container a obsahuje vˇsechny dalˇs´ı formul´ aˇre aplikace jako potomky7 . Tento formul´ aˇr obsahuje on-line modul, kter´ y pˇrij´ımá hlasov´ y záznam ze zvukové karty. Pˇrijem prob´ıh´ a tak, ˇze po naplnˇen´ı bufferu je vol´ an deleg´ at, kter´ y pˇrijat´ a data uloˇz´ı do lok´ aln´ıho pole, zpracuje vol´ an´ım funkce F0detection z knihovny DSProcessing a v´ ysledky pˇred´ a prvku VoiceFieldControl. Druh´ ym vyznaˇcen´ ym formul´ aˇrem je formul´ aˇr VoiceFieldForm obsahuj´ıc´ı prvek VoiceFieldControl, kter´ y zobrazuje hlasové pole. Jak jiˇz bylo ˇreˇceno, data jsou pˇrij´ımana v objektu MainForm.

4.6.3

Seskupen´ı Karot´ eka

Seskupen´ı Karotéka jsou formul´ aˇre, které aplikaci spojuj´ı s datab´ az´ı. Jde o formul´ aˇre: 5

Kompletn´ı diagram obsahuje sp´ıˇse implementaˇcn´ı detaily; uveden´ y diagram seskupen´ı popisuje aplikaci bez

jemnˇejˇs´ıch detail˚ u, vystihuje vˇsak jej´ı kostru. 6 Jako open source knihovna je souˇca ´st´ı projektu www.sourceforge.net na adrese dsprocessing.sourceforge.net. 7 V terminologii .NET je potomek oznaˇcov´ an jako Child.


28

• DiagnozaForm - zobrazen´ı a moˇznost editace diagn´ oz pacienta z tabulky Diagnozy, formul´ aˇr pro tisk diagn´ oz • PacientForm - zobrazen´ı obsahu a moˇznost editace tabulky Pacient, tj. osobn´ıch u ´daj˚ u pacienta • PojistovnaForm - zobrazen´ı obsahu a moˇznost editace tabulky Pojistovna • LekarForm - zobrazen´ı obsahu a moˇznost editace tabulky Lekar

4.6.4

Seskupen´ı Npgsql

Datov´ y adaptér a tˇr´ıdy pro komunikaci s datab´ az´ı a vykon´ av´ an´ı SQL dotaz˚ u. Npgsql je zkratka ze slov .NET a PostgreSQL.

Obr´ azek 4.3: Diagram aktivit - naplnˇen´ı bufferu zv. karty

4.6.5

Seskupen´ı on-line modul

Jedn´ a se opˇet o knihovnu, kter´ a byla nasp´ ana jako souˇcást aplikace. Star´ a se okop´ırov´ an´ı dat z bufferu po jeho naplnˇen´ı ze zvukové karty do aplikace. Souˇcást´ı je interface, kter´ y zastiˇ nuje v´ıce moˇzn´ ych implementac´ı, které jsou závislé na systému a hardwaru. V st´ avaj´ıc´ı verzi


29

aplikace je souˇcást´ı winmm.dll implementace a ˇcásteˇcnˇe implementace zaloˇzená na technologii DirectSound. Tˇr´ıda d´ ale obsahuje funkce pro pr´ aci se zvukov´ ym souborem typu WAV.

4.6.6

Diagram aktivit

Mimo v´ yˇse popsan´ ych modelovac´ıch n´ astroj˚ u byl pro modelov´ an´ı aplikace pouˇzit tzv. diagram aktivit. Nebyl sice pouˇzil pro modelov´ an´ı jednoduch´ ych aktivit a funkˇcnost´ı (napˇr´ıklad pˇrid´ an´ı nového pacienta do datab´ aze; bylo by to zbyteˇcné), ale pro kritické a n´ aroˇcné ˇcásti aplikace. Nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ım diagramem aktivit je diagram obr. 4.3, kter´ y dokumentuje ˇcinnost aplikace, konkrétnˇe objetu MainForm, v pˇr´ıpadˇe naplnˇen´ı bufferu zvukové karty.

4.7

N´ avrh datab´ aze

Posledn´ım krokem pˇred objektov´ ym n´ avrhem samotného informaˇcn´ıho systému je n´ avrh datab´ aze. Ze zadán´ı jednoznaˇcnˇe vypl´ yv´ a nutnost vést datab´ azi pacient˚ u a vyˇsetˇren´ı, kter´ a lékaˇri slouˇz´ı jako kartotéka. Pˇri n´ avrhu datab´ aze byl br´ an ohled na maxim´ aln´ı jednoduchost a rychlost vyplˇ nov´ an´ı formul´ aˇr˚ u a to tak, aby lékaˇr nebyl touto procedurou zbyteˇcnˇe zdrˇzován. Pˇres maximáln´ı jednoduchost bylo db´ ano na dostateˇcné zabezpeˇcen´ı osobn´ıch dat, ukl´ ad´ an´ı zmˇen v diagn´ ozách a integritu dat. Co se t´ yˇce maximáln´ı velikosti spravované datab´ aze, nemˇelo by pˇri pouˇz´ıv´ an´ı programu doj´ıt ke omezen´ı. PostgreSQL zaruˇcuje pouze teoreticky omezenou velikost datab´ aze. Poˇcet záznam˚ u datab´ aze, kter´ ych bude maxim´ alnˇe v ˇra´du tis´ıc˚ u, tedy v tomto pˇr´ıpadˇe nemus´ıme uvaˇzovat ani z kapacitn´ıho ani z v´ ykonnostn´ıho hlediska.

4.7.1

Pˇ rehled tabulek

• Pacient - tabulka pacient˚ u • Lekar - tabulka lékaˇr˚ u • Diagnozy - tabulka diagn´ oz n´ aleˇz´ıc´ı konkrétn´ımu pacientovi • Pojistovna - tabulka pojiˇst’oven


4.7.2

30

E-R model datab´ aze

Pacientovi n´ aleˇz´ı ˇzádn´ a, jedna nebo v´ıce diagn´ oz8 . N´ aleˇzitost diagn´ ozy k pacientovi je v datab´ azi reprezentována ciz´ım kl´ıˇcem ID PACIENT v tabulce Diagnozy.

Obr´ azek 4.4: E-R diagram datab´ aze

D´ ale plat´ı, ˇze diagn´ ozy zapisuje lékaˇr. Tento fakt je v datab´ azi zohlednˇen ciz´ım kl´ıˇcem ID LEKAR v tabulce Diagnozy s vazbou 1:19 . Ciz´ı kl´ıˇc tabulky tedy ukazuje na vlastn´ı kl´ıˇc lékaˇre v tabulce Lekar, ker´ y diagn´ ozu provedl. Posledn´ım vztahem mezi tabulkami je vztah mezi pacientem a zdravotn´ı pojiˇst’ovnou. Pacientovi n´ aleˇz´ı pr´ avˇe jedna pojiˇst’ovna, jde tedy opˇet o vztah 1:1. Proto je v tabulce Pacient ciz´ı kl´ıˇc ID POJISTOVNA, kter´ y odkazuje na pojiˇst’ovnu, u které je pacient pojiˇst’en. 8 9

Jde o vazbu typu 0:N. za jednu diagn´ ozu je odpovˇedn´ y pr´ avˇe jeden lékaˇr


4.7.3

31

Tabulka Pacient

V tabulce Pacient jsou uchov´ av´ any z´ akladn´ı informace o pacientovi: adresa ve sloupci adresa, datum narozen´ı ve sloupci narozen, jméno a pˇrijmen´ı pacienta ve sloupc´ıch jmeno a prijmeni. D´ ale pohlav´ı ve sloupci muz, kter´ y je typu boolean. Pacientova dlouhodob´ a diagn´ oza je uchov´ av´ ana ve sloupci dlouhodoba diagnoza. Vlastn´ım kl´ıˇcem tabulky je ID PACIENT. Ciz´ım kl´ıˇcem, odkazuj´ıc´ım na pojiˇst’ovnu je sloupec ID POJISTOVNA, tento ciz´ı kl´ıˇc urˇcuje ID pojiˇst’ovny, u které je pacient pojiˇstˇencem. Sloupec s n´ azvem dlouhodoba diagnoza je vyhrazen pro pozn´ amky lékaˇre o stavu pacienta a v´ yvoji jeho zdravotn´ıho stavu napˇr´ıˇc jednotliv´ ymi diagn´ ozami. Tento text se tedy nevztahuje k jednotliv´ ym diagn´ ozám pacienta, ale k jeho celkovému zdravotn´ımu stavu. Zde je moˇzné napˇr´ıklad vést záznam o prodˇelan´ ych operac´ıch, chorob´ ach apod. Ze zadán´ı pr´ ace vypl´ yv´ a, ˇze dalˇs´ı inforamace o pacientovi nen´ı tˇreba ukl´ adat, nebot’ se nevztahuj´ı k problematice vyˇsetˇren´ı. Pro pˇr´ıpadné pozn´ amky je vymezen jiˇz zm´ınˇen´ y sloupec dlouhodoba diagnoza.

4.7.4

Tabulka Diagnozy

Tabulka Diagnozy slouˇz´ı k uchov´ an´ı jednotliv´ ych diagn´ oz, které lekáˇr provedl, obsahuje jeden hlavn´ı kl´ıˇc a dva ciz´ı. Hlavn´ım kl´ıˇcem je ID DIAGNOZA. Ciz´ı kl´ıˇc ID PACIENT, obsahuje informaci o tom, kterému pacientovi diagn´ oza náleˇz´ı. Odkazuje na hlavn´ı kl´ıˇc z tabulky pacient˚ u. Druh´ ym ciz´ım kl´ıˇcem je ID LEKAR, kter´ y uchov´ av´ a informaci o lékaˇri, kter´ y diagn´ ozu bud’ vytvoˇril nebo naposledy editoval. V tabulce je d´ ale uchov´ av´ an datum, kdy byla diagn´ oza provedena ve sloupci datum, text diagn´ ozy ve sloupci text, cesta k souboru se zvukov´ ym záznamem ve sloupci soubor 10 . Informace o tom, zda je diagn´ oza tzv. aktivn´ı je uchov´ av´ ana ve sloupci aktivni, kter´ y je typu boolean. Stav aktivn´ı souvis´ı s t´ım, ˇze lékaˇr˚ um nen´ı z bezpeˇcnostn´ıch d˚ uvod˚ u programem dovoleno jiˇz jednou vytvoˇrenou diagn´ ozu mazat. Lékaˇr m˚ uˇze pouze vytvoˇrit novou diagn´ ozu a stávaj´ıc´ı je prohl´ aˇsena za neaktivn´ı. Nen´ı tedy z datab´ aze odstranˇena.

4.7.5

Tabulka Pojistovna

Tabulka Pojistovna slouˇz´ı k uchov´ an´ı základn´ıch u ´daj˚ u o pojiˇst’ovnˇe. Vystaˇcili jsme si s ˇc´ıslem pojiˇst’ovny ve sloupci cislo pojistovny, s n´ azvem pojiˇst’ovny ve sloupci nazev a adresou pojiˇst’ovny ve sloupci adresa. 10

pokud takov´ y soubor neexistuje, sloupec m˚ uˇze z˚ ustat nevyplnˇen


32

Vlastn´ım kl´ıˇcem tabulky je sloupec ID POJISTOVNA.

4.7.6

Tabulka Lekar

Posledn´ı tabulkou v datab´ azi je tabulka lékaˇr˚ u, kteˇr´ı mohou prov´ adˇet diagn´ ozy. U lékaˇre uchov´ av´ ame jméno a pˇrijmen´ı ve sloupc´ıch jmeno, prijmeni a heslo ve sloupci heslo, kter´ ym se pˇrihlaˇsuje do datab´ aze. Hlavn´ım kl´ıˇcem této tabulky je sloupec ID LEKAR.

Kapitola 5

Algoritmy pro v´ ypoˇ cet hlasov´ eho pole Tato kapitola je vˇenov´ ana popisu zpracov´ an´ı hlasového sign´ alu od zachycen´ı mikrofonem po v´ ypoˇcet poˇzadovan´ ych akustick´ ych parametr˚ u hlasového pole, tj. energie a z´ akladn´ı hlasivkové frekvence. Kapitola ˇcerpá pˇredevˇs´ım ze zdroj˚ u [1], [2], [4], [7], [10].

5.1

Blokov´ e sch´ ema syst´ emu

Na obr. 5.1 je zn´ azornˇeno blokové schéma systému. Akustick´ ym vstupem do systému je mikrofon pˇripojen´ y ke zvukové kartˇe. Mikrofonem sn´ıman´ y sign´ al je vzorkov´ an a digitalizov´ an zvukovou kartou. Digitalizovan´ y hlasov´ y sign´ al z nˇehoˇz je odstranˇena stˇredn´ı hodnota, je zpracov´ av´ an metodami kr´ atkodobé anal´ yzy. Je tedy poˇc´ıt´ ano s jeho lok´ aln´ı stacionaritou. Sign´ al je segmentov´ an a v´ ahov´ an Hannov´ ym oknem. Pˇri vzorkov´ an´ı 11025 Hz je moˇzn´ a velikost segment˚ u 512 nebo 1024 vzork˚ u, coˇz odpov´ıd´ a stacionárn´ım interval˚ um 40 aˇz 100 ms. Následuje pˇrechod do frekvenˇcn´ı oblasti pomoc´ı algoritmu FFT, kde jsou jiˇz urˇcovány jednotlivé akustické parametry hlasu. Pˇred v´ ypoˇctem energie ve frekvenˇcn´ı oblasti je z d˚ uvodu normalizace provedeno A v´ ahov´ an´ı. F 0 je urˇcována z periodicity sign´ alu, tj. z maxima autokorelaˇcn´ı funkce. Poˇcet takto vyhodnocen´ ych bod˚ u hlasového pole m˚ uˇze b´ yt aˇz 20 za sekundu s velk´ ym rozptylem a to jak v rozmez´ı energie tak v rozmez´ı F 0. Tento jev je zp˚ usoben r˚ uzn´ ymi nestabilitami v hlasovém signálu, napˇr´ıklad n´ abˇehem na danou frekvenci, kr´ atkodob´ ym v´ ypadkem hlasu, zachraptˇen´ım apod. Jev znehodnocuje mˇeˇren´ı a snaˇz´ıme se mu pˇredch´ azet. Urˇcené parametry proto nejsou jeˇstˇe zobrazovány hlasov´ ym polem, ale pr˚ ubˇeh energie je

33

´ ˇ ´ KAPITOLA 5. ALGORITMY PRO VYPO CET HLASOVEHO POLE

34

filtrov´ an pomoc´ı integr´ atoru a klouzavého pr˚ umˇeru. Ve filtrovaném signálu jsou hled´ ana lok´ aln´ı maxima. Teprve ta urˇcuj´ı platné hodnoty energie1 a F 0, které budou zobrazov´ ana hlasov´ ym pole. Pˇri pouˇzit´ı tohoto algoritmu je chov´ an´ı hlasového pole podobné chován´ı akustick´ ym mˇeˇriˇc˚ u energie a frekvence a poˇcet zobrazovan´ ych hodnot je jiˇz omezen max. do 3 za sekundu a odpov´ıdaj´ı ust´ alen´ ym ˇcástem hlasu. Posledn´ım kritériem je, ˇze F 0 mus´ı spadat do intervalu (50 Hz, 1200 Hz) a energie do intervalu (40 dB, 130 dB). Potom jsou potenci´ aln´ı body hlasového pole povaˇzovány za platné a aplikac´ı vykresleny.

Obr´ azek 5.1: Blokové schéma systému zpracován´ı ˇreˇci

5.2 5.2.1

Vzorkov´ an´ı sign´ alu a parametry zvukov´ e karty Vzorkov´ an´ı sign´ alu

Vzorkov´ an´ı je transformace sign´ alu s(t) spojitého v ˇcase na posloupnost vzork˚ u sn = s(nT ), 1

Platné hodnoty energe jsou urˇceny jako maxima filtorovaného sign´ alu.

(5.1)


35

které jsou jiˇz v ˇcase diskrétn´ı. Vzorkov´ an´ı prob´ıh´ a v ˇcasov´ ych okamˇzic´ıch tn = nT , kde T je perioda vzorkov´ an´ı a n = 1, 2, ...

Obr´ azek 5.2: Vzorkov´ an´ı spojitého sign´ alu

Na frekvenci fs = 1/T vzorkov´ an´ı, respektive na periodu vzorkov´ an´ı T jsou kladena omezen´ı plynouc´ı z Shannonova vzorkovac´ıho teorému: fs > 2fm ,

(5.2)

kde fs je vzorkovac´ı frekvence (parametr sample rate u zvukové karty) a fm je nejvˇetˇs´ı kmitoˇcet obsaˇzen´ y v sign´ alu. Plat´ı tedy, ˇze pˇresná rekonstrukce spojitého, frekvenˇcnˇe omezeného sign´ alu z jeho vzork˚ u je moˇzn´ a tehdy, pokud byl vzorkov´ an frekvenc´ı alespoˇ n dvakr´ at vyˇsˇs´ı neˇz je maximáln´ı frekvence rekonstruovaného sign´ alu. Pˇri splnˇen´ı podm´ınky lze zpˇetnou rekonstrukci sign´ alu z s(nT ) na spojit´ y sign´ al s(t) provést podle vztahu (5.3), kter´ y odpov´ıd´ a filtraci ide´ aln´ı doln´ı propust´ı. ∞

sin π(t/T − n) s(t) = s(nT ) π(t/T − n) n=−∞

(5.3)

V praxi je rekonstrukce nejˇcastˇeji realizov´ ana filtrac´ı sign´ alu re´ alnou doln´ı prospust´ı ˇci pomoc´ı obvodu S/H2 , tj. vzorkovaˇce s pamˇet´ı3 . Pro v´ ypoˇcet F 0 v naˇsem pˇr´ıpadˇe s rezervou dostaˇcuje nastavit fs = 8000Hz. Z d˚ uvodu poˇzadované vyˇsˇs´ı kvality z´ aznamu je v této pr´ aci zvolena fs = 11025Hz, kter´ a je nav´ıc standardnˇe podporov´ ana vˇsemi zvukov´ ymi kartami (u frekvence 8000 Hz tomu tak b´ yt nemus´ı). 2 3

sample and hold Spektrum S/H obvodu se l´ıˇs´ı od ide´ aln´ı DP a t´ım vznik´ a chyba rekostrukce. Rekonstruovan´ y sign´ al je scho-

dovit´ a funkce, odliˇsn´ a od p˚ uvodn´ıho sign´ alu.


5.2.2

36

Kvantov´ an´ı sign´ alu

Kvantov´ ani je aproximace hodnot vzork˚ u spojitého sign´ alu, kter´ y m˚ uˇze nab´ yvat libovolné reálné hodnoty, pomoc´ı kvantovac´ıch u ´rovn´ı A/D pˇrevodn´ıku. A/D pˇrevodn´ık obsahuje obvod vzorkovaˇce, kter´ y vzorkuje v intervalech T spojit´ y sign´ al a po tuto dobu udrˇzuje stálou hodnotu. Sign´ al zpracovan´ y vzorkovaˇcem je diskrétn´ı v ˇcase, ale spojit´ y v napˇet’ov´ ych u ´rovn´ıch a je zobrazen do koneˇcného poˇctu u ´rovn´ı.

Obr´ azek 5.3: Kvantov´ an´ı navzorkovaného sign´ alu

Poˇcet u ´rovn´ı se vol´ı vˇetˇsinou ve tvaru 2B , kde B je poˇcet bit˚ u A/D pˇrevodn´ıku. Zvukové karty standardnˇe umoˇzn ˇuj´ı vzorkov´ an´ı 28 u ´rovnˇemi a 216 u ´rovnˇemi (tj. 65536 u ´rovn´ı). Pˇri kvantizov´ an´ı doch´ az´ı k znaˇcné ztrátˇe informace, nebot’ je sign´ al zaokrouhlen na koneˇcn´ y poˇcet hodnot. Ztr´ ata informace je t´ım vˇetˇs´ı, ˇc´ım menˇs´ı je poˇcet u ´rovn´ı kvantiz´ atoru a pˇri pˇrehr´ av´ an´ı zaznamenané ˇreˇci se projevuje jako ˇsum. S ohledem na poˇzadovanou kvalitu záznamu bylo zvoleno vzorkov´ an´ı 16 bit˚ u.

5.2.3

Zvukov´ a karta a jej´ı nastaven´ı

A/D pˇrevod a kvantov´ an´ı sign´ alu zachyceného mikrofonem je realizov´ ano zvukovou kartou. Hlavn´ı parametry digitalizace, které mus´ı na zvukové kartˇe (pomoc´ı vhodného API) program´ ator nastavit jsou:


37

Tabulka 5.1: Nastavitelné parametry zvukové karty

Bits per sample Sample rate

poˇcet bit˚ u na vzorek

8/16bit˚ u

poˇcet vzork˚ u za sekundu

11025, 22050, 44100 [Hz]

poˇcet kanál˚ u

1, 2

Number of chanels

S ohledem na poˇzadovanou vyˇsˇs´ı kvality z´ aznamu je zvoleno kvantov´ an´ı 16 bit˚ u na vzorek. Tomu odpov´ıd´ a 65536 u ´rovn´ı a tedy datov´ y typ int. Vzorkovac´ı frekvence byla zvolena fs = 11025Hz. Vyˇsˇs´ı fs a poˇcet bit˚ u pˇrirozenˇe zvˇetˇsuj´ı pamˇet’ovou n´ aroˇcnost ˇreˇcového záznamu. Ta vˇsak vzhledem k délce vyˇsetˇren´ı nen´ı kritick´ a a záznam je na disk uloˇzen pouze na ˇzádost lékaˇre. Na m´ısto dalˇs´ı pr´ ace se zvukov´ ym záznamem je do datab´ aze ukl´ ad´ an obsah hlasového pole, pˇr´ıpadnˇe hlasové pole jako obr´ azek. Tabulka 5.2: Zvolené parametry zvukové karty

Bits per sample Sample rate Number of chanels

5.3

16bit˚ u 11025Hz 1

Pˇ redzpracov´ an´ı

Sign´ al diskrétn´ı v ˇcase s odstranˇenou stejnosmˇernou sloˇzkou je pˇred zpracovn´ım rozdˇelen na mikrosegmenty s dobou trv´ an´ı 50 ms a váhov´ an Hannov´ ym oknem. Pouˇzit´ı Hannova okna zp˚ usobuje, ˇze váhy vzork˚ u na konci a zaˇcátku okna jsou menˇs´ı neˇz uprostˇred. Proces segmentace a v´ ahov´ an´ı je zn´ azornˇen na obr. 5.44 . 4

Velikost segment˚ u na obr´ azku neodpov´ıd´ a skuteˇcnosti, je pouze ilustrativn´ı.


38

Obr´ azek 5.4: Princip segmentace a v´ ahov´ an´ı oknem

Hannovo okno je posloupnost délky N , jej´ıˇz n-tá hodnota je urˇcena vzorcem w(n) = 0.5(1 − cos(

2πn )) N −1

a pr˚ ubˇeh okna je na obr. 5.5.

Obr´ azek 5.5: Pr˚ ubˇeh a frekvenˇcn´ı charakteristika Hannova okna

(5.4)


5.4

39

DFT a FFT

Po pˇredzpracov´ an´ı n´ asleduje pˇrechod do spektr´ aln´ı oblasti diskrétn´ı Fourierovou transformac´ı, kter´ a je realizov´ ana pomoc´ı algoritmu FFT.

5.4.1

Diskr´ etn´ı Fourierova transformace (DFT)

Pˇri zpracov´ an´ı sign´ al˚ u pomoc´ı ˇc´ıslicov´ ych obvod˚ u se pracuje s koneˇcn´ ymi poˇcty hodnot a to i ve frekvenˇcn´ı oblasti, pˇriˇcemˇz pˇri v´ ypoˇctech se koneˇcn´ y poˇcet vzork˚ u transformace N povaˇzuje u pˇr´ımé i zpˇetné transformace za periodick´ y. Numerick´ ym prostˇredkem pro v´ ypoˇcet spekter ˇcasov´ ych posloupnost´ı je diskrétn´ı Fourierova transformace (DFT), kterou lze odvodit z Fourierovy transformace spojit´ ych sign´ al˚ u diskretizac´ı v ˇcasové i frekvenˇcn´ı oblasti. Plat´ı, ˇze DFT spektrum je vzorkovan´ ym p˚ uvodnˇe spojin´ ym FTD5 spektrem, pˇriˇcemˇz vzorky FTD spektra se odeb´ıraj´ı v hodnot´ ach θ=k

2π , k = 0, ..., N − 1. N

(5.5)

DFT tedy vypoˇcte N hodnot spektra X(k) z N hodnot sign´ alu x(n). Hodnoty spektra z´ısk´ ame pro diskrétn´ı ekvidistantn´ı hodnoty frekvenc´ı zaˇc´ınaj´ıc´ıh v f = 0 s rozestupem Δf =

1 fs = . NT N

(5.6)

Hodnota Δf b´ yv´ a ˇcasto oznaˇcována jako frekvenˇcn´ı bit.

5.4.2

Definiˇ cn´ı vztahy

Necht’ x0 , ..., xN −1 jsou komplexn´ı ˇc´ısla, potom DFT je difinov´ ana vztahy (5.7) a (5.8) : X(k) =

N −1

xn e−

2πi N

nk

, k = 0, ..., N − 1

(5.7)

n=0 N −1 2π 1 x(n) = X(k)ej N nk , n = 0, ..., N − 1 N

(5.8)

k=0

Vztah (5.7) se naz´ yv´ a pˇr´ımá transformace, vztah (5.8) se naz´ yv´ a inverzn´ı transformace. V´ ypoˇcetn´ı n´ aroˇcnost DFT pomoc´ı uvedeného vzathu je n2 . Pomoc´ı algoritmu FFT dos´ ahneme stejného v´ ysledku s ˇcasovou n´ aroˇcnost´ı pouze n.log(n). To znamená, ˇze u ´spora v poˇctu operac´ı a tedy i v´ ypoˇctu exponenci´ alnˇe roste s délkou transformace a napˇr´ıklad pro v´ ypoˇcet N = 1024 probˇehne FFT zhruba 200x rychleji neˇz pˇri v´ ypoˇctu pomoc´ı definice DFT. 5

FTD je Fourierova transformace diskrétn´ıho sign´ alu. Spektrum sign´ alu po FTD je spojité s periodou fs a

periodické. Pro popis této transformace vˇcetnˇe jej´ıch vlastnost´ı lze nalézt napˇr´ıklad v [10].


5.4.3

40

Rychl´ a Fourierova transformace (FFT)

FFT je algoritmus v´ ypoˇctu DFT s ˇcasovou n´ aroˇcnost´ı n.log(n) zaloˇzen´ y na metodˇe ’rozdˇel a panuj’. Programov´ an´ı touto metodou vyuˇz´ıv´ a základn´ı vlastnosti rekurze: rekurzivn´ıho dˇelen´ı problému na koneˇcn´ y poˇcet podproblém˚ u stejného typu a spojen´ı d´ılˇc´ıch, jiˇz nerekurzivn´ıch, ˇreˇsen´ı pro nalezen´ı ˇreˇsen´ı obecného. Z´ akladn´ı algoritmy FFT jsou navrˇzeny pro délku sign´ alu N = 2m , kde m je pˇrirozenné ˇc´ıslo. Podm´ınka na N pˇr´ımo souvis´ı s iterativn´ım rozdˇelován´ım posloupnosti na posloupnosti poloviˇcn´ı délky. Exponenci´ ala ve vztahu (5.7) se naz´ yv´ a ot´ aˇcec´ı ˇcinitel a oznaˇcuje se WN : 2π

WN = e−j N .

(5.9)

Algoritmus m˚ uˇzeme s pomoc´ı ot´ aˇcec´ıho ˇcinitele naznaˇcit v prvn´ı iteraci v´ ypoˇctem: X(k) =

N −1

x(n)WNnk =

n=0

N/2−1

=

x(2n)WN2nk +

n=0

(2n+1)k

x(2n + 1)WN

=

n=0

N/2−1

=

N/2−1

x1 (n)WN2nk +WNk

n=0

N/2−1

x2 WN2nk .

(5.10)

n=0

Rozdˇelen´ım p˚ uvodn´ı N bodové posloupnosti na dvˇe posloupnosti délky N/2 uˇsetˇr´ıme polovinu operac´ı, nebot’ nam´ısto N 2 vykon´ ame 2(N/2)2 , tj. N 2 /2 operac´ı. Stejné u ´spory dosahujeme dalˇs´ım dˇelen´ım sum podle naznaˇceného schématu. Opakovan´ ym rozdˇelov´ an´ım posloupnost´ı6 se dostaneme aˇz k dvoubodové DFT7 . Tu vypoˇcteme podle definiˇcn´ıho vztahu. V praxi je algoritmus implementov´ an pomoc´ı tzv. DFT mot´ ylka. Odvozen´ı algoritmu a DFT mot´ ylka lze nalézt napˇr´ıklad v [10].

5.5

Detekce z´ akladn´ı periody

Algoritmy detekce základn´ı periody jsou publikov´ any mnoho let a pˇresto ˇze jich existuje velké mnoˇzstv´ı, dosateˇcnˇe robustn´ı a pˇresn´ y algoritmus dosud neexistuje. Jedno z moˇzn´ ych rozdˇelen´ı je na algoritmy pracuj´ıc´ı pˇr´ımo v ˇcasové oblasti a na algoritmy pracuj´ıc´ı ve frekvenˇcn´ı oblasti. Pro pr´ aci byla zvolena detekce základn´ı periody pomoc´ı autokorelaˇcn´ı funkce s v´ ypoˇctem ve frekvanˇcn´ı oblasti. 6 7

tedy rekurz´ı Kter´ a je, ve shodˇe s t´ım,co bylo ˇreˇceno o metodˇe rozdˇel a panuj, jiˇz nerekurzivn´ı.


41

´ eˇsnost algoritmu je z´ Uspˇ avisl´ a na pˇredzpracov´ an´ı a postprocessingu, tato problematika bude d´ ale diskutov´ ana.

5.5.1

Pˇ redzpracov´ an´ı, centr´ alni a amplitudov´ e omezen´ı

Vlastn´ımu algoritmu detekce F 0 pˇredch´ az´ı blok, kter´ y zv´ yrazˇ nuje z´ akladn´ı frekvenci. Segmentovan´ y sign´ al s odstranˇenou stˇredn´ı hodnotou je neline´ arnˇe filtrov´ an pouˇzit´ım centráln´ıho a amplitudového omezen´ı, které odstranˇeje nˇekteré nedostatky AFC metody. Tou jsou zejména chyby zp˚ usobené ˇcetnost´ı lok´ aln´ıch maxim, za nˇeˇz je odpovˇedn´ a pˇredevˇs´ım formantov´ a struktura ˇreˇcového sign´ alu.

Obr´ azek 5.6: Amplitudové a centráln´ı omezen´ı sign´ alu pˇred v´ ypoˇctem ACF

Algoritmus centr´ aln´ıho a amplitudového omezen´ı je zaloˇzen na postupu Sondiho a Rabiera (viz [1], [11]). Centr´ aln´ı a amplitudové omezen´ı sign´ alu x(t) je moˇzné vyj´ adˇrit funkc´ı (5.11) a pr˚ ubˇehem obr. 5.6. ⎧ ⎪ ⎪ ⎨ +1 c(x(k)) = 0 ⎪ ⎪ ⎩ −1

pro x(k) > h pro x(k) ≤ |h|

(5.11)

pro x(k) < −h

Pˇri aplikaci této metody se pˇredpokl´ ad´ a pr˚ uchod sign´ alu doln´ı propust´ı. Pro prvn´ı a tˇret´ı ˇcást mikrosegmentu o velikosti 15 ms se naleznou maximáln´ı hodnoty IP K1 a IP K2, z nichˇz se urˇc´ı omezovac´ı u ´roveˇ n h [1], [11]: h = p. min {IP K1; IP K2} ,

(5.12)

kde p nab´ yv´ a hodnot 0,6 aˇz 0,8. ACF je pak urˇcována z takto transformovaného sign´ alu.


5.5.2

42

Vlastnosti autokorelaˇ cn´ı funkce

K popisu n´ ahodn´ ych sign´ al˚ u v ˇcasové oblasti se pouˇz´ıv´ a korelaˇcn´ı a autokorelaˇcn´ı funkce. Autokorelˇcn´ı funkce nese informaci o souvislosti hodnot n´ ahodného sign´ alu x(t) pro t = t0 s hodnotou téhoˇz signálu v ˇcase t = t0 + dt. Funkce vyjadˇruje souvislost mezi dvˇema ˇrezi n´ ahodného sign´ alu. Funkce popisuj´ıc´ı souvislost hodnot téhoˇz procesu se naz´ yv´ a autokorelaˇcn´ı. Statistickou závislost hodnot dvou r˚ uzn´ ych proces˚ u popisuje vz´ ajemn´ a korelaˇcn´ı funkce. Uvedené funkce jsou momenty druhého ˇra´du a jako takové mohou b´ yt poˇc´ıt´ any bud’ jako pˇr´ısluˇsn´ a stˇredn´ı hodnota ze souboru realizac´ı (5.14), nebo jako stˇredn´ı hodnota v ˇcase (5.15), (5.16). Korelaˇcn´ı funkci dvou sign´ al˚ u x(t), y(t) zaˇc´ıme Rxy , autokorelaˇcn´ı funkci sign´ alu x(t) znaˇc´ıme Rxx [10].

5.5.3

V´ ypoˇ cet autokorelaˇ cn´ı funkce

D´ ale uvedené vzorce pro v´ ypoˇcet autokorelaˇcn´ı funkce se budou, vzhledem k povaze zpracovávaného sign´ alu, vztahovat pouze k ˇc´ıslicovému lok´ alnˇe stacionárn´ımu sign´ alu x(n). N´ ahodné lok´ alnˇe stacionárn´ı sign´ aly diskrétn´ı v ˇcase jsou v ˇcasové oblasti pops´ any autokorelaˇcn´ı funkc´ı (5.13), kter´ a vyjadˇruje souvislost mezi ˇrezy n´ ahodného sign´ alu v ˇcasov´ ych indexech n a m. Rxx (n, m) = E[x(n)x(m)]

(5.13)

Pˇri zpracov´ an´ı uvaˇzujeme tzv. krátkodobou autokorelaˇcn´ı funkci [1], tu vzhledem k povaze signálu8 , povaˇzujeme za nezávislou na hodnot´ ach index˚ u n a m, ale pouze na jejich rozd´ılu r = n − m. Autokorelaˇcn´ı funkci lze potom pro dan´ y ˇreˇcov´ y segment uvaˇzovat jako funkci jedné promˇenné r Rxx (r) = E[x(n)x(n + r)].

(5.14)

Pˇri v´ ypoˇctu pracujeme s centrovan´ ym sign´ alem x(n), kter´ y byl z´ısk´ an odeˇctem stˇredn´ı alu. Pro v´ ypoˇcet lze uˇz´ıt vztah (5.15) pro vych´ ylen´ y odhad, kter´ y je n´ asoben hodnoty9 od sign´ troj´ uheln´ıkov´ ym oknem. N −r 1 x(n)x(n + r). Rxx (r) = N n=1

8 9

jiˇz mnohokr´ at zmiˇ novan´ a lok´ aln´ı stacionarita pak je hodnota autokorealˇcn´ı funkce rovna autokovariaˇcn´ı

(5.15)


43

Nevych´ ylen´ y odhad dostaneme pˇri v´ ypoˇctu vztahem N −r 1 Rxx (r) = x(n)x(n + r) N −r

(5.16)

n=1

ylené a tento odhad byl V praxi se z d˚ uvodu vˇetˇs´ı numerické stability10 vol´ı odhady vych´ také pouˇzit. V´ ypoˇcet ACF je prov´ adˇen ve spektr´ aln´ı oblasti podle vztahu (5.17).

5.5.4

Detekce z´ akladn´ı periody ve frekvenˇ cn´ı oblasti

V´ ypoˇcet základn´ı periody je zaloˇzen na detekci periodicity pomoc´ı autokorelaˇcn´ı funkce. Autokorelaˇcn´ı funkci m˚ uˇzeme vyjádˇrit jako zpˇetnou Fourierovu transformaci v´ ykonového spketra podle obr. 5.7. Algoritmus je zaloˇzen na Wiener - Chniˇcinovˇe vztahu v diskrétn´ı formˇe. Pro v´ ypoˇcet autokorelˇcn´ı funkce pak plat´ı vztah (5.17). Z p˚ uvodn´ı ˇcasové zloˇzitosti n2 se dostáv´ ame na sloˇzitost n.log(n).

Obr´ azek 5.7: V´ ypoˇcet F0

pomoc´ı v´ ypoˇctu autokorelaˇcn´ı funkce ve

spektr´ aln´ı oblasti

Rxx (r) = IF F T [(X(kΔf )).(X(kΔf ))],

Obr´ azek 5.8: Urˇcen´ı F0 z pr˚ ubˇehu autokorelaˇcn´ı funkce 10

Odvozen´ı tohoto tvrzen´ı lze nalézt napˇr´ıklad v [3].

(5.17)

´ ˇ ´ KAPITOLA 5. ALGORITMY PRO VYPO CET HLASOVEHO POLE kde vztah xΔf =

k 2N T

44

souvis´ı s definic´ı DFT. Samotné urˇcen´ı F 0 z pr˚ ubˇehu autokorelaˇcn´ı

funkce naznaˇcuje obr. 5.8. Po v´ ypoˇctu a normalizaci autokorelaˇcn´ı funkce je urˇceno jej´ı maximum a pokud je toto maximum vˇetˇs´ı neˇz nastaven´ y pr´ ah znˇelosti (v rozsahu 0,3 aˇz 0,6 Rxx (0)) je segment oznaˇcen za znˇel´ y a z polohy maxima je urˇcena F 0 podle vzorce fs , (5.18) m kde fs je vzorkovac´ı frekvence a m je maximum autokorelaˇcn´ı funkce. Pˇri urˇcován´ı maxima i F0 =

znˇelosti nen´ı br´ an v potaz cel´ y pr˚ ubˇeh autokorelaˇcn´ı funkce obsahuj´ıc´ı maximum v bodˇe Rxx (0), ale je vynech´ ano M prvn´ıch vzork˚ u, které mohou b´ yt vˇetˇs´ı neˇz pro n´ as zaj´ımavé maximum. Postup dobˇre dokumentuje obr. 5.8. M je tak dalˇs´ı voliteln´ a konstanta. Hodnota M v´ yraznˇe ovlivˇ nuje citlivost detekce a to jak na slabé znˇelé signály tak na hluk z okol´ı, kter´ y m˚ uˇze zp˚ usobit poruchy detekce F 0. Optim´ aln´ı urˇcen´ı této konstanty nen´ı jednoduché a záleˇz´ı na nastaven´ı jin´ ych konstant, pˇredevˇs´ım parametr˚ u pˇredzpracov´ an´ı. Hled´ an´ı konstanty doporuˇcuji zaˇc´ıt na hodnotˇe

5.5.5

fs 500

.

Postprocessing

´ eˇsnost algoritmu je také závisl´ Uspˇ a na koneˇcném vyhodnocen´ı F 0. Pokud by do hlasového pole byly vyneseny pˇr´ımo hodnoty urˇcené autokorelaˇcn´ı funkc´ı, byl by poˇcet nov´ ych bod˚ u hlasového pole aˇz 20 za sekundu s velk´ ym rozptylem a to jak v rozmez´ı energie tak v rozmez´ı F 0. Tento jev je zp˚ usoben r˚ uzn´ ymi nestabilitami v hlasovém signálu, napˇr´ıklad n´ abˇehem na dan´ y t´ on, kr´ atkodob´ ym v´ ypadkem, zachraptˇen´ım apod. Jev znehodnocuje mˇeˇren´ı a snaˇz´ıme se mu pˇredch´ azet. Urˇcené parametry proto nejsou jeˇstˇe zobrazovány hlasov´ ym polem, ale pr˚ ubˇeh energie je filtrov´ an pomoc´ı integr´ atoru a kumulovaného souˇctu. Ve filtrovaném signálu jsou hled´ ana lok´ aln´ı maxima. Teprve ta urˇcuje platné hodnoty F 0, které jsou po pˇetibodové mediánové filtraci, odstraˇ nuj´ıc´ı poruchy v pr˚ ubˇehu11 , zobrazov´ ana hlasov´ ym pole. Pˇri pouˇzit´ı tohoto algoritmu je chov´ an´ı hlasového pole podobné chován´ı akustick´ ym mˇeˇriˇc˚ u energie a frekvence t´ onu a poˇcet zobrazovan´ ych hodnot je jiˇz omezen max. do 3 za sekundu a odpov´ıdaj´ı ust´ alen´ ym ˇcástem signálu.

5.6

V´ ypoˇ cet energie ˇ reˇ cov´ eho sign´ alu

Energie ˇreˇcového sign´ alu je druh´ ym akustick´ ym parametrem vyn´ aˇsen´ ym do hlasového pole. 11

zp˚ usobené formantovou strukturou samohl´ asek, pˇr´ıpadnˇe detekc´ı vyˇsˇs´ı harmonické na m´ısto z´ akladn´ıho t´ onu


5.6.1

45

A v´ ahov´ an´ı

Hlasitost je m´ıra subjektivn´ıho vjemu intenzity zvuku. Vztah mezi hlasitost´ı H a intenzitou zvuku I závis´ı na kmitoˇctu a pro t´ ony o kmitoˇctu 1000 Hz je urˇcena vzorcem H = 10. log

I . I0

(5.19)

Mezin´ arodnˇe stanovená referenˇcn´ı prahov´ a intentita je I0 = 10−12 W m−2 . Hlasitost t´ on˚ u jin´ ych kmitoˇct˚ u byla stanovena subjektivn´ım porovn´ av´ an´ım s tónem 1000 Hz. V´ ysledkem byly kˇrivky (hladiny) stejné intenzity Ln a kmitoˇctovˇe nezávisl´ a jednotka nazvan´ a fon, kter´ a je na kmitoˇctu 1000Hz rovna 1dB. Od hladin hlasitosti jsou odvozov´ any v´ ahové a transformaˇcn´ı funkce pˇri zpracov´ an´ı ˇreˇcového sign´ alu.

Obr´ azek 5.9: A v´ ahov´ an´ı (modr´ a), B (ˇzlut´ a), C (ˇcervená), D v´ ahov´ an´ı (ˇcerná)

Pˇr´ıkladem je tzv. A v´ ahov´ an´ı12 , které reprezentuje frekvenˇcn´ı závislost lidského sluchového vjemu. Toto v´ ahov´ an´ı bylo podle specifikace poˇzadavk˚ u uˇzito v aplikaci. A v´ ahov´ an´ı je provedeno filtrac´ı ve frekvenˇcn´ı oblasti a pouˇzit´ y vztah je (3.75) z [29]. Pr˚ ubˇeh v´ ahov´ ych kˇrivek A, B, C a D je na obr. 5.9. Kapitola je zpracov´ ana podle infromac´ı uveden´ ych v [27], [29], [28] a [30], odkud byla také pˇrevzat obr. 5.9. 12

V´ ahov´ ych kˇrivek je definov´ ano nˇekolik a nejzn´ amˇejˇs´ı se znaˇc´ı p´ısmeny A, B, C atd. Jejich pouˇzit´ı se liˇs´ı podle

typu mˇeˇren´ı. V´ıce informac´ı lze nalézt v [29], [30].


5.6.2

46

V´ ypoˇ cet energie

Energii periodického diskrétn´ıho sign´ alu lze vypoˇc´ıtat bud’ v ˇcasové oblasti nebo ve spektr´ aln´ı oblasti podle Parcevalova vztahu

e=

N −1

|x(n)|2 =

n=0

N −1 1 |X(k)|2 . N

(5.20)

n=0

Pro urˇcen´ı hlasového pole pacienta je nutné intenzitu hlasu uv´ adˇet v odpov´ıdaj´ıc´ıch jednotk´ ach, pro pˇrevod do tˇechto jednotek slouˇz´ı vztah edB = 10.log(e(T )) + Ke ,

(5.21)

kde edB je hodnota intenzity v decibelech a e(T ) je hodnota intenzity spoˇctená podle vztahu (5.20). Konstantu Ke je tˇreba kalibrovat s referenˇcn´ım mˇeˇriˇcem udávaj´ıc´ım intezitu v dB. V aplikaci je moˇzné tuto hodnotu nastavovat a tak provést kalibraci.

5.6.3

Integrace a klouzav´ y pr˚ umˇ er

Jak jiˇz bylo ˇreˇceno, jsou okamˇziky, v nichˇz jsou akustické parametry ˇreˇci oznaˇceny za platné, urˇceny polohou lok´ aln´ıch maxim sign´ alu filtrovaném integrátorem a klouzav´ ym pr˚ umˇerem. Parametrem jsou zde poˇcet bod˚ u klouzavého pr˚ umˇeru N ve vztahu (5.20) a koeficient integr´ atoru k 13 vystupuj´ıc´ı ve vztahu (5.20). x(n) = (1 − k)x(n) + kx(n − 1)

x(n) =

1 N

n

x(i)

(5.22)

(5.23)

i=n−(N −1)

Pˇri urˇcován´ı okamˇzik˚ u platné F 0 a energie pomoc´ı navrˇzené filtrace je tˇreba db´ at zpoˇzdˇen´ı FIR filr˚ u14 , které pro ˇra´d filtru M je odeˇctu platné F 0

posunout15 .

M 2

. O tuto hodnotu je tˇreba se v signále pˇri

Po experimentech se uk´ azalo jaho vyhovuj´ıc´ı nastaven´ı konstanty

integr´ atoru k = 0, 8 a poˇctu bod˚ u klouzavého pr˚ umˇeru M = 10. Pr˚ ubˇeh energie ˇreˇcového sign´ alu a v´ ysledek filtrace ilustruje obr. 5.10. Ve filtrovaném sign´ alu jsou detekov´ ana maxima, kter´ a urˇcuj´ı platné hodnoty energie a F 0. V´ ybˇer hodnot je vˇsak posunut doleva o zpoˇzdˇen´ı filtru

M 2

. Vybran´ a hodnota F 0 nen´ı br´ ana pˇr´ımo, ale jako

medián nejbliˇzˇs´ıch pˇeti hodnot. 13

Konstanta k mus´ı b´ yt z d˚ uvodu stability filtru menˇs´ı neˇz 1. kter´ ym je pouˇzit´ y filtr typu klouzav´ y pr˚ umˇer 15 Enerige je odeˇc´ıt´ ana z integrovaného pr˚ ubˇehu. 14


Obr´ azek 5.10: Hled´ an´ı lok´ aln´ıch maxim filtrace pr˚ ubˇehu energie

Obr´ azek 5.11: Hled´ an´ı lok´ aln´ıch maxim filtrace pr˚ ubˇehu energie - hl. pole

47


48

Základn´ım nedostatkem tohoto algoritmu je, ˇze pokud bude pacient bˇehem vyˇsetˇren´ı mˇenit t´ on hlasu bezezmˇeny jeho energie, nebudou detekov´ any vˇsechny hodnoty F 0, které se v pr˚ ubˇehu fonace vyskytly. V praxi vˇsak plat´ı, ˇze pokud fonace na daném tónu trv´ a déle, je doprov´ azen pˇrechod na jin´ y t´ on i zmˇenou energie. T´ım se ve filtrovaném signálu vyskytnou maxima, kter´ a se ’postaraj´ı’ o detekci pˇr´ısluˇsné hodnoty F 0. V praxi se toto omezen´ı plynouc´ı z pouˇzitého algoritmu projev´ı nutnost´ı fonace kaˇzdého t´ onu alespoˇ n jednu sekundu. Alternativy k navˇzenému ˇreˇsen´ı jsou diskutov´ any v kapitole 5.8.3.

5.7

Statistick´ e charakteristiky hlasov´ eho pole

V aplikaci jsou implementov´ any v´ ypoˇcty pouze základn´ıch statistick´ y charakteristik hlasového pole. Implementace dalˇs´ıch charakteristik vyplyne pravdˇepodobnˇe po dalˇs´ı specifikaci poˇzadavk˚ u.

5.7.1

Rozsah hlasov´ eho pole

Obr´ azek 5.12: Základn´ı statistiky hlasového pole

Je zkoumán rozsah hlasového pole, tj. minim´ aln´ı a maxim´ aln´ı hodnota energie a F 0 a jejich rozd´ıly. Pˇred urˇcen´ım tˇechto charakteristik je samozˇrejmˇe tˇreba peˇclivˇe odstranit chybnˇe urˇcené body pole, které neodpov´ıdaj´ı vyˇsetˇrovanému hlasu. Ty mohou statistické charakteristiky zcela znehodnotit. Formul´ aˇr s charakteristikami je na obr. 5.12. SP Lmin a SP Lmax odpov´ıd´ a minim´ aln´ı a maximáln´ı hodnotˇe energie, Fmin a Fmax odpov´ıd´ a minim´ aln´ı a maxim´ aln´ı hodnotˇe F 0. ΔSP L a ΔF odpov´ıd´ a rozd´ılu maxim´ aln´ı a minim´ aln´ı hodnoty F 0 a energie.


5.7.2

49

Histogramy ˇ cetnosti

Histogram je sloupcov´ y graf, v nˇemˇz kaˇzdé tˇr´ıdˇe histogramu pˇriˇrad´ıme jej´ı ˇcetnost. Pro hlasové pole byly implementov´ any histogramy dva. Pˇr´ıklad histogram˚ u z aplikace m˚ uˇzeme vidˇet na obr. 5.13.

Obr´ azek 5.13: Histogramy ˇcetnosti

Osa x na vodorovném histogramu odpov´ıd´ a frekvenci (t´ onu). Hodnoty v histogramu pro jist´ y t´ on jsou souˇctem vˇsech bod˚ u hlasového pole, které se pro dan´ y t´ on v poli vyskytuj´ı. Osa y na vertik´ aln´ım histogramu odpov´ıd´ a energii v dB a hodnoty histogramu jsou souˇctem vˇsech bod˚ u hlasového pole, které se pro danou energii v poli vyskytuj´ı.

5.8

Alternativn´ı algoritmy

DSP algoritmy jsou nejn´ aroˇcnˇejˇs´ı ˇcást´ı aplikace. Navrˇzená ˇreˇsen´ı nejsou jedin´ a moˇzn´ a a ani ide´ aln´ı a m˚ uˇzeme uvaˇzovat o alternativn´ıch algoritmech. Ty sice nebyly bˇehem pr´ ace odzkouˇseny, ale o jejich pouˇzit´ı, pˇr´ıpadnˇe kombinaci se stávaj´ıc´ımi, uvaˇzujeme do dalˇs´ıch verz´ı.


50

Alternativn´ı algoritmy m´ a smysl diskutovat v pˇr´ıpadˇe v´ ypoˇctu F 0 a hled´ an´ı stabiln´ıch u ´sek˚ u hlasu16 . S v´ ypoˇctem energie hlasového sign´ alu se spokoj´ıme, zde alternativy vpodstatˇe neexistuj´ı. N´ asleduje kr´ atk´ y popis dvou vybran´ ych algoritm˚ u pro detekci ˇci zlepˇsen´ı detekce F 0. Zájemci o dalˇs´ı algoritmy, vˇcetnˇe podrobného popisu zde naznaˇcen´ ych, naleznou v´ıce informac´ı v [1], [8] a [3].

5.8.1

Cepstr´ aln´ı anal´ yza pro urˇ cen´ı z´ akladn´ıho t´ onu

Princip cepstr´ aln´ı anal´ yzy vych´ az´ı z u ´vahy, ˇze hlas je dán konvoluc´ı buzen´ı a impulsn´ı charakteristiky filtru. Pokud jsou dva sign´ aly konvoluov´ any, je tˇeˇzké provést dekonvoluci. M˚ uˇzeme se o to pokusit tak, ˇze na urˇcitém m´ıstˇe zavedeme do transformac´ı nelinearitu, kter´ a dok´ aˇze pˇrevést souˇcin na souˇcet. Komponenty souˇctu pak lze jednoduˇse oddˇelit (nulov´ an´ım v cepstru). Cepstráln´ı koeficienty lze z´ıskat ze vztahu

c(m) = F −1 ln |F [s(n)]|2 ,

(5.24)

kde F je DFT, pˇr´ıpadnˇe iDFT, s(n) je ˇreˇcov´ y sign´ al a c(m) jsou koeficienty cepstra. V cepstráln´ıch koeficientech lze oddˇelit ˇcást koeficient˚ u odpovˇedn´ ych za hlasov´ y trakt (n´ızké indexy) od ˇcásti zodpovˇedné za buzen´ı a tedy i z´ akladn´ı t´ on (vyˇsˇs´ı indexy). Pouˇzit´ı metody je naznaˇceno napˇr´ıklad v [8]. Definici a odvozen´ı metody lze nalézt napˇr´ıklad v [8], [3].

5.8.2

Vyuˇ zit´ı chyby line´ arn´ı predikce

Jedn´ a se o pˇredzpracov´ an´ı vhodné nejen pro pouˇzitou metodu ACF, ale lze ji pouˇz´ıt i pro dalˇs´ı algoritmy detekuj´ıc´ı F 0. Chybu line´ arn´ı predikce e(n) dostaneme v´ ypoˇctem

e(n) = s(n) +

P

ai s (n − i).

(5.25)

i=1

Kde s(n) je zpracov´ avan´ y sign´ al a ai jsou koeficienty predik´ atoru. Snaˇz´ıme se pˇredpovˇedˇet nt´ y vzorek sign´ alu z P pˇredchoz´ıch. V´ yhodou této metody pˇredzpracov´ an´ı je, ˇze signál e(n) jiˇz neobsahuje informaci o formantech, které n´ am tak ˇcasto ˇcinila pot´ıˇze, a je proto pro urˇcován´ı F 0 v´ yhodnˇejˇs´ı. 16

V pr´ aci ˇreˇseno pomoc´ı filtrace energie integr´ atorem a klouzav´ ym pr˚ umˇerem.


51

Je vˇsak tˇreba urˇcit koeficienty ai pro vhodn´ y model17 line´ arn´ı predikce a metoda je celkem ˇcasovˇe n´ aroˇcnˇejˇs´ı. V´ıce se lze o této metodˇe doˇc´ıst v [1].

5.8.3

Detekce stabiln´ıch u ´ sek˚ u fonace

Zat´ımco pro v´ ypoˇcet F 0 existuje ˇrada d˚ umysln´ ych a relativnˇe dlouho zn´ am´ ych18 algoritm˚ u, algoritmus pro detekci stabiln´ıch u ´sek˚ u hlasu, kter´ y by byl vhodn´ y pro naˇs´ı u ´lohu publikov´ an nebyl. Základn´ı nedostatky pouˇzité metody hled´ an´ı stabiln´ıch u ´sek˚ u fonace byly diskutov´ any v kapitole 5.4 a 5.5. Zopakujme, ˇze algoritmus je pro aplikaci dostaˇcuj´ıc´ı, ale r´ adi bychom vylepˇsili nˇekteré jeho vlastnosti. Lze oˇcekávat, ˇze by ke zlepˇsen´ı detekce rychle se mˇen´ıc´ıch u ´sek˚ u F 0 pˇri kter´ ych nedoch´ az´ı ke zmˇenˇe energie, mohlo vést: 1. adaptivn´ı nastavov´ an´ı parametr˚ u filtr˚ u 2. detekce náhl´ ych zmˇen v pr˚ ubˇehu F 0 3. sledov´ an´ı ’vybran´ ych trend˚ u’ F 0 jejichˇz v´ yskyt by vedl k detekci v´ıce hodnot F 0 Jednoduché vynulov´ an´ı integr´ atoru pˇri n´ ahlé zmˇenˇe F 0 o pˇredem nastavenou hodnotu k lepˇs´ım parametr˚ um algoritmu nevedlo.

17

V´ ybˇer vhodného modelu line´ ar´ an´ı predikce je naznaˇcen v pˇredchoz´ı kapitole. Z´ ajemci naleznou v´ıce podrob-

nost´ı, vˇcetnˇe popisu model˚ u a v´ ypoˇctu koeficient˚ u, napˇr´ıklad v [4]. 18 ˇ Z´ adn´ y algoritmus pro detekco F 0 nen´ı vˇsak pokl´ ad´ an za zcela spolehliv´ y.

Kapitola 6

Implementace a testov´ an´ı aplikace Aplikace byla implementov´ ana v souladu s n´ avrhem a specifikac´ı uvedenou v kapitole 4. Pˇri v´ yvoji aplikace musel b´ yt br´ at v potas iterativn´ı charakter v´ yvoje a bylo tˇreba se k jednotliv´ ym f´ az´ım specifikace a návrhu vracet, ˇcasto pˇr´ımo na ˇzádost zadavatele. Nˇekteré poˇzadavky, které se pro aplikaci uk´ azaly zásadn´ı, nebyly v prvn´ıch pokusech o specifikaci v˚ ubec zaˇclenˇeny, nebo byly povaˇzovány za okrajové. To sice v´ yvoj aplikace znaˇcnˇe ztˇeˇzovalo, ale bylo to v souladu s prac´ı, kter´ a byla sp´ıˇse experimentáln´ıho charakteru. Ot´ azka co vˇse a za jak´ ych podm´ınek jsme chopni zprovoznit byla z velké ˇcásti zodpovˇezena. Nikoli vˇsak vyˇcerpána a nad´ ale z˚ ust´ av´ a aktu´ aln´ı pro dalˇs´ı verze aplikace. Vˇcetnˇe napˇr´ıklad pouˇzit´ı jin´ ych algoritm˚ u detekce F0.

6.1

Referenˇ cn´ı program

Jako pˇribliˇzn´ a reference slouˇzil program pro vyˇsetˇren´ı hlasového pole pouˇz´ıvan´ y v souˇcasné dobˇe na Foniatrické klinice 1. LF Univerzity Karlovy. Od poˇcátku vˇsak bylo pl´ anov´ ano tento program v kvalitˇe urˇcovaného hlasového pole pˇrekonat. A to jak v pˇresnosti detekované F01 tak ke stabilitˇe detekovan´ ych akustick´ ych parametr˚ u2 . Program byl do jisté f´ aze v´ yvoje uˇziteˇcn´ y, ale k specifikaci a ovˇeˇren´ı n´ aroˇcnˇejˇs´ıch poˇzadavk˚ u jako reference slouˇzit nemohl.

6.2

N´ aroˇ cn´ eˇ c´ asti implementace

Tˇeˇzkosti pˇri implementaci byly r˚ uzného charakteru. Mnohé znich byly zp˚ usobeny t´ım, ˇze sice bylo relativnˇe dobˇre známo co implementovat, ale jak a jak´ ymi prostˇredky na poˇcátku zn´ amo 1 2

Hlavnˇe, jak jiˇz bylo mnohokr´ at ˇreˇceno, k ˇcastému v´ yskytu harmonick´ ych a poruch v detekci F0. To jiˇz bylo, vˇcetnˇe navrˇzeného ˇreˇsen´ı diskutov´ ano v kap. 5.5 a 5.6.

52

´ Í APLIKACE KAPITOLA 6. IMPLEMENTACE A TESTOVAN

53

nebylo. Cesta k vhodn´ ym prostˇredk˚ um3 byla n´ aroˇcn´ a a zat´ıˇzená nˇekolika slep´ ymi cestami, které v´ yvoj znaˇcnˇe prodlouˇzily. Jednou z nejn´ aroˇcnˇejˇs´ıch f´ az´ı v´ yvoje bylo nalezen´ı spr´ avn´ ych konstant4 . Pˇred jejich urˇcen´ım nebylo moˇzné ˇr´ıci, v které f´ azi v´ yvoje algoritmu pro detekci F0 jsme a zda nen´ı nutné uvaˇzovat o pouˇzit´ı jin´ ych algoritm˚ u. Nároˇcn´ a problematika, jej´ıˇz ˇreˇsen´ı na n´ as z velké ˇcásti teprvé ˇceká, je problematika mikrofon˚ u, zvukov´ ych karet a jejich testov´ an´ı. Jde pˇredevˇs´ım o nastaven´ı konstant v z´ avislosti na pouˇzitém mikrofonu, frekvenˇcn´ı charakteristiky mikrofon˚ u a zvukov´ ych karet atd.

6.3

Knihovna DSProcessing

Pˇri v´ yvoji aplikace byla vytvoˇrena C# knihovna s nˇekter´ ymi základn´ımi algoritmy pro digit´ aln´ı zpracov´ an´ı sign´ al˚ u. Jde pˇredevˇs´ım o • algoritmy pro transformaci sign´ alu, tj. DFT, FFT, iFFT a iDFT • algoritmy pro pr´ aci s LTI systémy v ˇcasové oblasti, tj. pˇredevˇs´ım konvoluce a filtrace • základn´ı numerické algoritmy pro pr´ aci s vektory (zn´ ame napˇr´ıklad z Matlabu) • základn´ı statistické algoritmy • funkce pro detekci F0 • a dalˇs´ı ˇ ast knihovny byla uvolnˇena pod licenc´ı GNU/GPL. Domovské stránky projektu jsou C´ dsprocessing.sourceforge.net.

6.4

On-line modul

Druhou knihovnou, kter´ a musela b´ yt vyvinuta, byl modul pro on-line sbˇer dat ze zvukové karty. Ten je zaloˇzen na rozhran´ı waveOut a waveIn, coˇz je pomˇernˇe staré5 , n´ızko´ urovˇ nové API Windows pro pˇr´ıstup k bufferu zvukové karty. API je souˇcást´ı knihovny winmm.dll, kter´ a je podporov´ ana i v nejnovˇejˇs´ıch Windows Vista. Protoˇze jde o n´ızko´ urovˇ nové API, musely b´ yt naps´ any vlastn´ı tˇr´ıdy, které p˚ uvodn´ı API zaobaluj´ı. 3

Tj. k volbˇe vhodného v´ yvojového prostˇred´ı, vhodného programovac´ıho jazyka, dosatˇcuj´ıc´ıho zp˚ usobu on-line

vykreslov´ an´ı a zpracov´ an´ı apod. 4 Jejich v´ yznam, vztahy v kter´ ych vystupuj´ı a pˇribliˇzné urˇcen´ı je diskutov´ ano v kapitole 5. 5 ale spolehlivé!


54

ˇ asteˇcnˇe bylo zapoˇcato s druhou implementac´ı on-line modulu zaloˇzenou na DirectC´ Sound. Ta zat´ım nen´ı dokonˇcena a motivac´ı je sp´ıˇse tuto technologii odzkouˇset, pˇr´ıpadnˇe zachovat kompatibilitu i do budoucnosti6 .

Obr´ azek 6.1: Obr´ azek záznamn´ıku

On-line modul pouˇz´ıv´ a podformul´ aˇr hlavn´ıho formul´ aˇre nazvan´ y RecorderForm.cs obr. 6.1, kter´ y se stará o komunikaci s on-line modulem a spr´ avu uloˇzen´ ych dat, tj. uloˇzen´ı do souboru a smazán´ı z pamˇeti. Zdrojové kódy on-line modulu nejsou zat´ım uvolˇ neny.

6.5

Problematika re´ aln´ eho ˇ casu

Pˇri implemetaci aplikace muselo b´ yt poˇc´ıt´ ano s problematikou re´ alného ˇcasu. Sign´ al z mikrofonu je sn´ımán po bufferech, jejichˇz velikost byla experiment´ alnˇe zvolena na 0.35s hlasového sign´ alu. Naplnˇen´ı bufferu vyvol´ av´ a ud´ alost, kter´ a je obslouˇzena v hlavn´ım formul´ aˇri aplikace. Data jsou zkop´ırov´ ana z bufferu do intern´ı promˇenné aplikace a d´ ale zpracována popsan´ ymi algoritmy DSP. Zpracov´ an´ı tak prob´ıh´ a cyklicky: naplnˇen´ı bufferu vyvol´ a ud´ alost, buffer je zkop´ırov´ an, nakonec jsou urˇceny body hlasového pole. Podm´ınka pro pr´ aci v reálném ˇcase je, aby vˇsechny operace od kop´ırov´ an´ı z bufferu po v´ ypoˇcet akustick´ ych parametr˚ u ˇreˇci a jejich zobrazen´ı a reˇzie operaˇcn´ıho systému, probˇehlo v dobˇe, kter´ a je kratˇs´ı neˇz doba pro zaplnˇen´ı bufferu zvukové karty, podle vztahu tDSP + tdraw + tr + tost. < tbuf f er ,

(6.1)

kde tbuf f er je doba mezi obsluhami bufferu zvukové karty, tDSP je ˇcasová n´ aroˇcnost DSP 6

Pokud by byla v dalˇs´ıch verz´ıch Windows knihovna winmm.dll vynech´ ana. Naproti tomu s podporou Direct-

Sound m˚ uˇzeme poˇc´ıtat i nad´ ale.


55

algoritm˚ u, tdraw je doba potˇrebn´ a pro vykrelsn´ı hlasového pole, tr je doba reˇzie7 , tost je doba vykon´ an´ı ménˇe n´ aroˇcn´ ych operac´ı. Nejvˇetˇs´ı problém je se zajiˇstˇen´ım parametru tr , nebot’ záleˇz´ı na ˇcinnosti operaˇcn´ıho systému8 a m˚ uˇze b´ yt znaˇcnˇe variabiln´ı. Windows nejsou9 operaˇcn´ım systémem reálného ˇcasu a jedin´ ym moˇzn´ ym ˇreˇsen´ım je dostateˇcn´ a rezerva v n´ avrhu DSP algoritmu, v´ ykonu poˇc´ıtaˇce a v omezen´ı poˇctu spuˇstˇen´ ych u ´loh. Aplikace mus´ı b´ yt spuˇstˇena ve vl´ aknˇe s vysokou prioritou, nebot’ mnoˇzstv´ı operaˇcn´ım systémem pˇridˇeleného ˇcasu záleˇz´ı na prioritˇe, kterou m´ a kaˇzdé vlákno pˇridˇelenou.

6.6

Kartot´ eka pacient˚ u a datab´ aze vyˇ setˇ ren´ı

Ve shodˇe se specifikac´ı poˇzadavk˚ u a v´ ysledc´ıch datab´ azového n´ avrhu z kapitoly 4 byla implementována datab´ azová ˇcást. Podle n´ avrhu bylo db´ ano na zajiˇstˇen´ı bezpeˇcnosti osobn´ıch u ´daj˚ u v datab´ azi a integritu dat.

Obr´ azek 6.2: Formul´ aˇr z kartotéky pacient˚ u 7

Pˇredevˇs´ım pˇrep´ın´ an´ı kontext˚ u, pˇred´ an´ı procesorového ˇcasu jin´ ym aplikac´ım atd. Z´ aleˇz´ı pˇredevˇs´ım na n´ aroˇcnosti a poˇctu dalˇs´ıch souˇcasnˇe bˇeˇz´ıc´ıch aplikac´ı. 9 Bez dalˇs´ıch komerˇcn´ıch RT modul˚ u, které lze doinstalovat. 8


56

Neménˇe d˚ uleˇzit´ y byl n´ avrh formul´ aˇr˚ u, které propojuj´ı aplikaci s datab´ az´ı. Pˇri jejich n´ avrhu bylo db´ ano na maxim´ aln´ı jednoduchost a pˇrehlednost a z´ aroveˇ n na kontrolu korektnosti vyplnˇen´ ych dat. Formul´ aˇr, kter´ y lékaˇr vyplˇ nuje pˇri zakl´ ad´ an´ı nové diagn´ ozy m˚ uˇzeme vidˇet na obr. 6.210 . Pro generov´ an´ı tiskového souboru byla pouˇzita open source knihovna iTextSharp. V´ ystupem je PDF soubor s diagn´ ozou, kter´ y lze uloˇzit i vytisknout. Na obr. 6.3 je pˇrihlaˇsovac´ı formul´ aˇr do datab´ aze, kde mus´ı lékaˇr vyplnit spr´ avné heslo.

Obr´ azek 6.3: Pˇrihlaˇsovac´ı formul´ aˇr do datab´ aze

6.7

Testov´ an´ı algoritm˚ u

Nejen z d˚ uvodu relativnˇe vysoké n´ aroˇcnosti implementace DSP algoritm˚ u, ale pˇredevˇs´ım z potˇreby ladit konstanty algoritm˚ u, je tˇreba zajistit moˇznost testován´ı algoritm˚ u a vizualizace jejich v´ ysledku. Algoritmy byly vˇetˇsinou p˚ uvodnˇe ladˇeny a implementov´ any v Matlabu a pro ovˇeˇren´ı spr´ avnosti implementace bylo tˇreba jejich srovn´ an´ı. Jist´ y ˇcas trvalo, neˇz byla nalezena optim´ aln´ı metodika. Byla naps´ ana tˇr´ıda Loger, kter´ a slouˇz´ı k z´ apisu vstupn´ıch ˇc´ısel do souboru form´ atu Matlabu. Tato tˇr´ıda pˇreb´ır´ a ˇc´ıselné v´ ysledky zkouman´ ych11 algoritm˚ u. Samotné testován´ı n´ aslednˇe prob´ıh´ a v prostˇred´ı Matlab. V pˇr´ıpadnˇe ovˇeˇrov´ an´ı spr´ avnosti je pˇripraven skript s algoritmem zapsan´ ym v Matlabu a zkoum´ a se, zda jsou v´ ysledky algoritm˚ u shodné. V pˇr´ıpadˇe nastavov´ an´ı konstat je pˇripraven skript pro n´ azornou 10 11

Uveden´ a data jsou pouze ilustrativn´ı. at’ uˇz z d˚ uvodu ovˇeˇren´ı spr´ avnosti implememtace ˇci ladˇen´ı konstant


57

vizualizaci. Metodika nejen v´ yraznˇe ˇsetˇr´ı ˇcas, ale zdá se, ˇze by se bez jej´ıho zaveden´ı v˚ ubec nepodaˇrilo aplikaci dokonˇcit. Pouˇzitou metodou byl z´ısk´ an obr. 5.10.

6.8

Testov´ an´ı aplikace

Aplikace je pomˇernˇe rozsáhl´ a a testován´ı je, pˇredevˇs´ım ˇcasovˇe, n´ aroˇcné. Testován´ı m˚ uˇzeme rozdˇelit do dvou f´ az´ı: testov´ an´ı DSP algoritm˚ u, testov´ an´ı on-line vstupu a testov´ an´ı funkˇcnosti, kter´ a byla zachycena v hlavn´ım scén´ aˇri pˇr´ıpadu uˇzit´ı. Testován´ı DSP algoritm˚ u, vˇcetnˇe konzultace dosaˇzen´ ycb v´ ysledk˚ u a pˇr´ıpadn´ ych alternativ, bylo diskutov´ ano v kapitole 5. On-line modul lze snadno otestovat paral. nahr´ av´ an´ım s jin´ ym ’referenˇcn´ım’ nahr´ avac´ım programem a porovn´ an´ım nahran´ ych sign´ al˚ u. Je tˇreba d´ avat pozor na situace, kdy nevhodnou spr´ avou bufferu doch´ az´ı k obˇcasné ztrátˇe nˇekter´ ych segment˚ u12 . Tato ztr´ ata m˚ uˇze b´ yt zp˚ usobena nejen zcela chybnou implementac´ı ale i z ˇcasového hlediska nevhodn´ ym13 algoritmem zpr´ avy. Dobr´ ym testem je pˇri nahr´ av´ an´ı spustit n´ aroˇcnou aplikaci 14 a zjiˇst’ovat pˇri jaké záteˇzi poˇc´ıtaˇce ke ztrátˇe dat doch´ az´ı. Z test˚ u vych´ az´ı, ˇze on-line modul je srovnateln´ y napˇr´ıklad s nahr´ avaˇcem WaveSurfer [19]. Testován´ı celkové funkˇcnosti bylo zaloˇzeno na hlavn´ım scén´ aˇri pˇr´ıpadu uˇzit´ı. Byly proch´ azeny jednotlivé alternativn´ı scén´ aˇre a hled´ any chyby, pˇr´ıpadnˇe nejasnosti. Aplikace je funkˇcn´ı, ale testov´ an´ı nˇekter´ ych alternativn´ıch scén´ aˇr˚ u a funkˇcnost´ı nebylo dokonˇceno; a to i z d˚ uvodu, ˇze se uvaˇzuje zmˇen´ ach poˇzadavk˚ u a doplnˇen´ı nov´ ych scén´ aˇr˚ u. Testován´ı v praxi, tj. v ordinaci foniatr˚ u jeˇstˇe nebylo zah´ ajeno. Tato ˇcást testován´ı je nejn´ aroˇcnˇejˇs´ı a m˚ uˇze trvat15 aˇz nˇekolik let. Z d˚ uvodu testov´ an´ı je v souˇcasné dobˇe informaˇcn´ı systém rozdˇelen na dvˇe nezávislé aplikace. Jedna slouˇz´ı pro vyˇsetˇren´ı a anal´ yzu hlasového pole pacienta, druh´ a pak k veden´ı kartotéky, k tisku z´ aznam˚ u apod. D˚ uvod rozdˇelen´ı nen´ı jen testovac´ı, ale také praktick´ y a do budoucna se uvaˇzuje o ponech´ an´ı této struktury. D˚ uvodem je napˇr´ıklad pˇr´ıstup do kartotéky v´ yhradnˇe pod heslem, zat´ımco vyˇsetˇren´ı hlasového pole by heslem b´ yt chr´ anˇeno nemˇelo. Druh´ ym d˚ uvodem je nutnosti instalace a bˇehu PostgreSQL serveru v dobˇe pr´ ace s databáz´ı. Vyˇsetˇren´ı hlasového pole je pˇri tomto rozdˇelen´ı na bˇehu datab´ azového serveru nezávislé. O ponech´ an´ı této 12

V sign´ alu se pˇri poslechu ztr´ ata projev´ı prask´ an´ım. Pˇri anal´ yze m˚ uˇze vést k z´ avaˇzn´ ym chyb´ am detekce F0 i

energie. 13 ˇcasovˇe n´ aroˇcn´ ym 14 napˇr´ıklad pˇrehr´ av´ an´ı videa 15 v pˇr´ıpadˇe u ´spˇeˇsnosti aplikace


58

struktury rozhodne dalˇs´ı testován´ı a pˇredstavy lékaˇr˚ u.

6.9

Pouˇ zit´ e typy soubor˚ u

Aplikace pracuje kromˇe datab´ azov´ ych soubor˚ u PostgreSQL serveru také se soubory typu: • WAV - v tomto form´ atu je uloˇzen zvukov´ y záznam, kter´ y byl poˇr´ızen bˇehem vyˇsetˇren´ı hlasového pole • PDF - v tomto form´ atu je generov´ ana diagn´ oza pacienta urˇcená pro tisk ˇci uchov´ an´ı v PC • PNG - grafick´ y form´ at do nˇehoˇz je moˇzné importovat hlasové pole

6.10

Instalace aplikace

Instalace aplikace se sklád´ a ze ˇctyˇr ˇcást´ı: • instalace .NET Framework 2.0 a vyˇsˇs´ı - je standardn´ı souˇcást´ı novˇejˇs´ıch instalac´ı Windows, pro starˇs´ı instalace Windows16 je tˇreba zajistit instalaci • instalace samotn´ e aplikace • instalace PostgreSQL - datab´ azov´ y server • inicializace a vytvoˇ ren´ı datab´ aze Instalaˇcn´ı program, kter´ y by se samostatnˇe postaral o instalaci uveden´ ych program˚ u zat´ım nen´ı vytvoˇren a vˇsechny ˇctyˇri ˇcásti je tˇreba nainstalovat a zprovoznit samostatnˇe. Pro inicializaci datab´ aze je pˇripraven SQL skript. Se zjednoduˇsen´ı instalac´ı pro koncového uˇzivatele se poˇc´ıt´ a v dalˇs´ıch verz´ıch aplikace.

16

Podpora existuje aˇz pro Windows XP a starˇs´ı.

Kapitola 7

Z´ avˇ er C´ılem bakal´ aˇrské pr´ ace bylo navrhnout a implementovat informaˇcn´ı systém pro on-line vyˇsetˇren´ı hlasového pole s datab´ az´ı pacient˚ u a vyˇsetˇren´ı. Tento c´ıl byl splnˇen a program je funkˇcn´ı. Po dalˇs´ım testován´ı a pˇr´ıpadném upˇresˇ nov´ an´ı poˇzadavk˚ u, které mohou z testován´ı vyplynout, se pl´ anuje nasazen´ı systému v lékaˇrské praxi. V´ ypoˇcet poˇzadovan´ ych akustick´ ych parametr˚ u ˇreˇci, tedy energie a F0 je prov´ adˇen po pˇrechodu do spektr´ aln´ı oblasti pomoc´ı algoritmu FFT. Energie ˇreˇcováho sign´ alu je urˇcována po A v´ ahov´ an´ı vhodn´ ym filtrem; po v´ ypoˇctu energie je zaˇrazen blok filtrace integr´ atorem a klouzav´ ym pr˚ umˇerem, kde jsou detekov´ ana lok´ aln´ı maxima jejichˇz poloha teprve urˇcuje platné hodnoty energie a F0. To zajiˇst’uje, ˇze z vypoˇcten´ ych parametr˚ u hlasového pole budou nakonec zobrazeny pouze ty, které odpov´ıdaj´ı ust´ alen´ ym ˇcástem ˇreˇci. Pro spolehlivou detekci F0 jsou d˚ uleˇzité tˇri f´ aze zpracován´ı sign´ alu: preprocessing, processing a postprocessing, které byly v pr´ aci diskutov´ any. Preprocessing je zaloˇzen na klipov´ an´ı, které ˇcásteˇcnˇe pˇredch´ az´ı chyb´ am detekce, které mohou b´ yt zp˚ usobeny formantovou strukturou ˇreˇci. Samotn´ y algoritmus detekce F0 je zaloˇzen na metodˇe kr´ atkodobé autokorelaˇcn´ı funkce, urˇcené, pro niˇzˇs´ı ˇcasovou n´ aroˇcnost, pomoc´ı FFT ve spektr´ aln´ı oblasti. Postprocessing je zaloˇzen na detekci maxim ve filtrovaném pr˚ ubˇehu energie a n´ aslednˇe pˇetibodové mediánové filtraci. Program byl zat´ım testován pouze na zdrav´ ych osob´ ach a srovn´ av´ an s referenˇc´ım programem na Foniatrické klinice 1. LF Univerzity Karlovy. Problematika, kter´ a na své ˇreˇsen´ı teprve ˇceká, je vhodnost r˚ uzn´ ych typ˚ u mikrofon˚ u a zvukov´ ych karet1 ; v pˇr´ıpadˇe zvukov´ ych karet i problematika spr´ avného nastaven´ı.

1

pˇredevˇs´ım pak frekvenˇcn´ıch charakteristik a mezn´ıch frekvenc´ı; ukazuje se, ˇze levné mikrofony nejsou schopné

sn´ımat frekvence pod 90Hz a mohou m´ıt pro mˇeˇr´ıc´ı u ´ˇcely nevhodnou frekveˇcn´ı charakteristiku

59

Literatura [1] Psutka, J.: Komunikace s poˇc´ıtaˇcem mluvenou ˇreˇc´ı, Praha, Academia, 1995. ˇ ıslicové filtry, Praha. Academia, 2000. ´kal, Z.: C´ [2] V´ıch, R., Sme ˇ ´ ˇ, J., Cmejla, [3] Sovka, P., Uhl´ır R.: Uvod do ˇc´ıslicového zpracov´ an´ı sign´ al˚ u, Praha, ˇ Vydavatelstv´ı CVUT, 2003. ´k, P.: Vybrané metody ˇc´ıslicového zpracov´ [4] Sovka, P., Polla an´ı sign´ al˚ u, Praha, ˇ Vydavatelstv´ı CVUT, 2001. ˇ ıslicové zpracován´ı sign´ ˇ ˇ, J., Sovka, P.: C´ [5] Uhl´ır al˚ u, Praha Vydavatelstv´ı CVUT, 2002. ˇ ˇ, J., Sovka, P., Polla ´k, P., Hanˇ [6] Uhl´ır zl, V., Cmejla, R.: Technologie hlasov´ ych ˇ komunikac´ı, Praha, Vydavatelstv´ı CVUT, 2007. ńek, Ladislav.: Informaˇcn´ı systém pro anal´ [7] Pa yzu hlasového pole, Plzeˇ n, Diploˇ 2002. mová pr´ ace ZCU, ˇ [8] Cernoch, J.: Zpracov´ an´ı ˇreˇcov´ ych sign´ al˚ u, uˇcebn´ı text FIT VUT Brno, 2007. [9] on-line: www.wikipedia.cz, otevˇren´ a encyklopedie. ć ˇek, M., Hlava ć ˇ, V.: Zpracov´ [10] Sedla an´ı sign˚ ul˚ u a obraz˚ u, Praha, Vydavatelstv´ı ˇ CVUT, 2003. [11] Hahn, A.: Otorinolaringologie a foniatrie v souˇcasné praxi, Praha, Grada Publish, 2007.

60

LITERATURA

61

´ˇ [12] Hyba sek, I.: Uˇsn´ı, nosn´ı a krˇcn´ı lékaˇrstv´ı, Praha Karolinum 1999. [13] Arlow, J., Neustadt, I.: UML a unifikovan´ y proces v´ yvoje aplikac´ı, Computer Press, 2005. [14] Petzold, Ch.: Windows Forms v jazykce C#, Computer Press, 2005. [15] Sells, Ch.: C# a WinForms, Zoner Press, 2004. [16] Price, J.: C# Programov´ an´ı datab´ az´ı, Praha, Grada Publish, 2005. ´, H., Muller, M.: UML srozumitelnˇe, Computer Press, 2006. [17] Kanisova [18] Development Resource [online]. http://www.codeproject.com [19] Wave Surfer - official homepage [online]. http://www.speech.kth.se/wavesurfer [20] Project Mono - official homepage [online]. www.mono-project.com [21] AForge.NET - official homepage [online]. code.google.com/p/aforge [21] Sb´ırka zdrojov´ ych k´ od˚ u [online]. http://www.samples.cz [22] PostgreSQL - official homepage [online]. http://www.postgresql.org [23] Microsoft Developer Network [online]. http://www.msdn.org [24] iTextSharp - official homepage [online]. http://itextsharp.sourceforge.net [25] Violet UML editor - official homepage [online]. http://violetuml.sourceforge.net [26] - [online]. http://www.pgsql.cz [27] Sigmund, M.: Anal´ yza ˇreˇcov´ ych sign´ al˚ u, Uˇcebn´ı text VUT Brno, 2002. ´ ˇ´ıc ˇek, O.: Uvod [28] - [online]. http://www.jimprice.com/prosound [29] Jir do akustiky, ˇ Praha, Vydavatelstv´ı CVUT, 2002.

LITERATURA

62

´, J., Halaˇ [30] - [online]. http://en.wikipedia.org/wiki/A-weighting [31] Pokorny ska, I.: ˇ Datab´ azové systémy, Praha, Vydavatelstv´ı CVUT, 2004. ˇ ´ [32] Cmejla, R., Sovka, P.: Uvod do ˇc´ıslicového zpracov´ an´ı sign´ al˚ u - cviˇcen´ı, Praha, ˇ Vydavatelstv´ı CVUT, 2006. [33] Dav´ıdek, V.: Implementace algoritm˚ u ˇc´ıslicového zpracov´ an´ı sign´ al˚ u v re´ alném ˇ ˇcase, Praha, Vydavatelstv´ı CVUT, 2004.

Pˇ r´ıloha A

Popis audio souboru WAV Zvukov´ y soubor WAV se skl´ ad´ a ze dvou ˇcást´ı. Tou prvn´ı je hlaviˇcka, kter´ a obsahuje z´ akladn´ı informace o form´ atu (identifikaci form´ atu) a parametry uloˇzeného zvukového záznamu (vzorkovac´ı frekvenci, poˇcet bit˚ u na vzorek, poˇcet kanál˚ u, form´ at apod.). Podrobn´ y popis je v tabulce Za hlaviˇckou n´ asleduje druh´ a ˇcást: samotná data byt po bytu, pˇriˇcemˇz pokud jsou uloˇzeny data zvou kan´ al˚ u jsou uloˇzena takto: CH1CH2CH1CH2CH1CH2 atd. Pˇriˇcemˇz blok CH1 resp. CH2 je dlouh´ y 1B ˇci 2B podle poˇctu byt˚ u na vzorek. Tabulka A.1: Popis hlaviˇcky souboru WAV

Popis

Obsah

Velikost

’RIFF’ v ASCII k´ odu

4

´ Udaj o velikosti souboru

4

Wave hlaviˇcka

’WAVE’ v ASCII k´ odu

4

Fmt hlaviˇcka

’FMT’ v ASCII k´ odu

4

16 B

4

1

2

1/2

2

22, 44.1Hz apod.

4

88200 B

4

Poˇcet byt˚ u na vzorek

2B

2

Poˇcet bit˚ u na vzorek

16 b

2

’DATA’ v ASCII k´ odu

4

délka souboru bez hlaviˇcky

4

RIFF hlaviˇcka Velikost záznamu v bytech

Fmt velikost (poˇcet byt˚ uu ´daj˚ u o form´ atu) Typ form´ atu (1=PCM) Poˇcet kanál˚ u (mono=1, stereo=2) Vzorkovac´ı frekvence (poˇcet vzork˚ u/sec) Vzorkov´ an´ı (poˇcet byt˚ u/sec)

Data hlaviˇcka Délka datové oblasti v B

I

Pˇ r´ıloha B

Instalace PostgreSQL serveru Pro bˇeh datab´ azové ˇcásti aplikace je nutné nainstalovat datab´ azov´ y server PostgreSQL spolu s data providery pro .NET. Instalaˇcn´ı bal´ık pro datab´ azov´ y server PostgreSQL je ke staˇzen´ı na internetové adrese www.postgresql.org/download/. Zde je tˇreba vybrat verzi (posledn´ı stabiln´ı) a lokaci, ze které bude PostgreSQL staˇzen. Ke staˇzen´ı se nab´ıdne verze PostgreSQL pro OS Linux, Unuix a Win32. Zvolte distribuci pro Win32. Nejjednoduˇsˇs´ı instalace PostgreSQL je instalace z Windows Installer package (z instalaˇcn´ıho souboru) dostupného na PostgreSQL FTP archivu a jeho zrcadlech. Tento bal´ık obsahuje pˇreloˇzenou verzi PostgreSQL vˇcetnˇe aplikace pgAdmin (GUI administraˇcn´ı rozhran´ı), V´ ami vybrané rozˇsiˇruj´ıc´ı (contrib) moduly a nˇekter´ y z procedur´ aln´ıch jazyk˚ u. Instal´ ator vyˇzaduje Windows 2000, 2003 XP, nebo Vista, kde je k dispozici sluˇzba Windows Installer. Instal´ ator vytvoˇr´ı, pokud je tˇreba, pro sluˇzbu u ´ˇcet a inicializuje datab´ azov´ y klastr. Souˇcást´ı instalace mus´ı b´ yt instalace .NET data provideru pro PostgreSQL. Jeho instalace by se mˇela nab´ıdnout sama bˇehem instalace PostgreSQL. Pokud se tak nestane, je data adapter, vˇcetnˇe potˇrebé knihovny pro C# ke staˇzen´ı na adrese pgfoundry.org/projects. Data adapter je stejnˇe jako PostgreSQL uvolnˇen pod BSD Licenc´ı. Pokud by bˇehem instalace nastaly problémy, lze se v´ıce o instalaci, vˇcetnˇe ˇreˇsen´ı nejˇcastˇejˇs´ıch problém˚ u, doˇc´ıst na adrese htt://www.pgsql.cz. PostgreSQL f´ orum je k dispozici na adrese www.samples.cz/.

II

Pˇ r´ıloha C

Pr´ ace s PostgreSQL v .NET Protoˇze vˇsak pouˇzit´ı PostgreSQL nen´ı v prostˇred´ı .NET bˇeˇzné, uv´ ad´ım pouˇzit´ı datového adaptéru, jeho instalaci a v´ ypis k´ od˚ u, které dokumentuj´ı základn´ı prvky spolupr´ ace PostgreSQL a C#.

C.1

Datov´ y adapt´ er

Aˇckoli je technologie .NET spojov´ ana sp´ıˇse s databázemi MS SQL, MS Access a Oracle, lze také bezproblém˚ u pouˇz´ıvat datab´ azov´ y server PostgreSQL. K tomu je tˇreba na str´ ank´ ach projektu http://pgfoundry.org/projects/npgsql/ v sekci Downloads st´ ahnout datov´ y adaptér pro .NET. Ten je tˇreba do projektu pˇridat standardn´ım zp˚ usobem, tj. Project, Add Existing Item a vybrat pˇr´ısluˇsnou dll knihovnu Npgsql.dll, n´ aslednˇe je tˇreba do projektu pˇridat referenci, tj. Project, Add Reference. Jmenn´ y prostor pˇridaného datového adaptéru je Npgsql.

C.2

V´ ypis ze zdrojov´ ych k´ od˚ u

Prvn´ı k´ od se stará o pˇripojen´ı k datab´ azi PostgreSQL, druh´ y o vykon´ an´ı SQL dotazu a naˇcten´ı v´ ysledku.

III

ˇ ÍLOHA C. PRACE ´ PR S POSTGRESQL V .NET

IV

// hlavni formular aplikace, stara se mimo jine o pripojeni k databazi public partial class MainForm : Form { private string postgreConnectionString; bool connected2Database; IDbConnection dbConn; public MainForm() { postgreConnectionString = "Server=localhost;" + "Port=5432;" + "Database=VoiceFieldDB;" + "User ID=admin;" + "Password=heslo;"; makeConnection(postgreConnectionString); InitializeComponent(); } private void makeConnection(string connString) { try { dbConn = new NpgsqlConnection(connString); dbConn.Open(); Console.WriteLine("Pripojeno!"); connected2Database = true; } catch (Exception e) { Console.WriteLine("Nepripojeno: \n" + e); connected2Database = false; } } }

V pˇr´ıpadˇe ovladaˇce nás krom zp˚ usobu pˇripojen´ı také jeˇstˇe zaj´ımá zp˚ usob vykon´ an´ı konkrétn´ıho SQL pˇr´ıkazu:

ˇ ÍLOHA C. PRACE ´ PR S POSTGRESQL V .NET private void makeCommand() { IDbCommand dbcmd = dbConn.CreateCommand(); string query = "SELECT * FROM Pacient"; dbcmd.CommandText = query; IDataReader reader = dbcmd.ExecuteReader(); while (reader.Read()) { string FirstName = (string)reader["jmeno"]; string LastName = (string)reader["prijmeni"]; string diagnoza = (string)reader["dlouhodoba_diagnoza"]; Console.WriteLine("Jmeno: " + FirstName + " " + LastName); Console.WriteLine("Dlouhodoba diagnoza: " + diagnoza); } // clean up reader.Close(); reader = null; dbcmd.Dispose(); dbcmd = null; }

V

Pˇ r´ıloha D

.NET Framewor Class Model Na obr. D.1 je schematicky zn´ azornˇen jmenn´ y prostor .NET Framewor class library. Schema je uˇziteˇcné nejen pro orientaci v jmenném prostoru a v z´ avislostech tˇr´ıd, ale také pˇri odvozov´ an´ı vlastn´ıch tˇr´ıd a ovl´ adac´ıch prvk˚ u. Kompletn´ı model lze nalést na stránk´ ach Microsoftu [23], odkud byl obr´ azek pˇrevzat.

Obr´ azek D.1: .NET Framework - schéma modelu

VI

Pˇ r´ıloha E

Uk´ azky z aplikace

Obr´ azek E.1: Aplikace hlasového pole - vyˇsetˇren´ı

VII

ˇ ÍLOHA E. UKAZKY ´ PR Z APLIKACE

Obr´ azek E.2: Aplikace hlasového pole - anal´ yza statistik

Obr´ azek E.3: Kartotéka pacient˚ u - tisk vyˇsetˇren´ı

VIII

Fakulta elektrotechnická. Hlasového pole

Recommend Documents