張翠玲蘇 斌

（1 中國(guó)刑警學(xué)院 遼寧 沈陽(yáng) 110035；2 揚(yáng)州市公安局開(kāi)發(fā)區(qū)分局 江蘇 揚(yáng)州 225009）

共振峰動(dòng)態(tài)特征在法庭話者鑒別中的應(yīng)用研究

張翠玲1蘇 斌2

（1 中國(guó)刑警學(xué)院 遼寧 沈陽(yáng) 110035；2 揚(yáng)州市公安局開(kāi)發(fā)區(qū)分局 江蘇 揚(yáng)州 225009）

采用似然率方法對(duì)漢語(yǔ)兩個(gè)復(fù)合元音的共振峰動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行了量化分析和話者區(qū)分測(cè)試研究。對(duì)20位女性發(fā)音人正常狀態(tài)下的兩次發(fā)音進(jìn)行比較研究，以/ai/和/iao/兩個(gè)元音為代表，測(cè)量每位發(fā)音人兩個(gè)元音的前三個(gè)共振峰的起點(diǎn)、中點(diǎn)和終點(diǎn)的頻率值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用似然率方法進(jìn)行話者區(qū)分測(cè)試，進(jìn)而對(duì)元音共振峰的動(dòng)態(tài)性及其在話者鑒別中的作用進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。

共振峰 話者鑒別 似然率 動(dòng)態(tài)性

1 引言

元音和濁輔音的共振峰形態(tài)、走向和頻率特征反映了發(fā)音人語(yǔ)音特異性，是進(jìn)行話者區(qū)分最重要的依據(jù)。因此，國(guó)內(nèi)外的法庭語(yǔ)音學(xué)家一直都很重視共振峰參數(shù)信息的提取。

在進(jìn)行共振峰測(cè)量時(shí)，傳統(tǒng)的做法都是測(cè)量某一元音段的共振峰頻率均值。但是，這些平均后的測(cè)量結(jié)果不足以充分反映發(fā)音人特有的共振峰動(dòng)態(tài)軌跡信息。因此，如何有效提取語(yǔ)音共振峰的動(dòng)態(tài)信息對(duì)于話者鑒別來(lái)說(shuō)是極為重要的。

長(zhǎng)久以來(lái)，法庭話者鑒別技術(shù)一直停留在人工的形態(tài)比較和簡(jiǎn)單的數(shù)值比較上。然而，由于語(yǔ)音具有較大的變異性，同一發(fā)音人自身的幾次發(fā)音也會(huì)有差異，這就決定了只是簡(jiǎn)單地依靠相似性比較而得出同一認(rèn)定或否定排除的結(jié)論未免缺乏準(zhǔn)確性和可靠性。國(guó)內(nèi)外的統(tǒng)計(jì)學(xué)家早就意識(shí)到了這一問(wèn)題，因而提出在法庭證據(jù)價(jià)值的評(píng)價(jià)上應(yīng)引入概率估計(jì)。DNA在這方面已經(jīng)做出了很好的范例，似然率方法在DNA證據(jù)上的分析和評(píng)判上已經(jīng)獲得成功。

按照1993年美國(guó)高院規(guī)定的Daubert準(zhǔn)則，法庭證據(jù)的檢驗(yàn)方法必須經(jīng)過(guò)測(cè)試而且錯(cuò)誤率已知。順應(yīng)這一要求，近十年來(lái)，法庭語(yǔ)音學(xué)家效仿DNA分析技術(shù)，開(kāi)始將似然率評(píng)價(jià)體系引入法庭語(yǔ)音的比較，目前已經(jīng)取得了很好的效果。就法庭語(yǔ)音比較而言，需要確定檢材（通常是罪犯的語(yǔ)音）和樣本（通常是嫌疑人的語(yǔ)音）的相似性或差異性究竟是來(lái)源于同一話者還是來(lái)源于不同話者，對(duì)于類似的不確定事件，使用概率估計(jì)是最好的解決方法。

似然率方法不僅要考慮檢材和樣本的相似和差異情況，還要參考檢材和樣本的特征在背景人群中的概率分布情況，最后計(jì)算出這些特征來(lái)源于同一個(gè)人的概率是來(lái)源于不同人的概率的多少倍。在話者鑒別技術(shù)中，似然率就是語(yǔ)音檢材和樣本來(lái)源于同一話者的假設(shè)為真的證據(jù)概率與二者來(lái)源于不同話者假設(shè)為真的證據(jù)概率的比值。其計(jì)算公式如（1）所示：

其中，LR(Likelihood Ratio)代表似然率，p代表概率，Hso為同源假設(shè)（起訴假設(shè)），Hdo為非同源假設(shè)（辯護(hù)假設(shè)），E為法庭語(yǔ)音比較的證據(jù)。似然率實(shí)際上是相似程度 （Similarity）和典型程度（Typicality）的比率。LR值大于1表明支持起訴假設(shè)（檢材與樣本同源）；小于1表明支持辯護(hù)假設(shè)（檢材與樣本非同源）；等于1表明支持起訴假設(shè)和支持辯護(hù)假設(shè)的程度是相等的，也可以理解為既不支持起訴假設(shè)也不支持辯護(hù)假設(shè)，因此沒(méi)有價(jià)值。在實(shí)際語(yǔ)音案件中，如果得到的似然率LR值為1000，即同源假設(shè)條件下獲得檢材和樣本之間差異（或相似）的概率與非同源假設(shè)條件下獲得檢材和樣本之間差異（或相似）的概率比值為1000，那么，它的含義就是：不管在引入該語(yǔ)音證據(jù)之前你的信心如何，現(xiàn)在你應(yīng)該1000倍地相信檢材語(yǔ)音和樣本語(yǔ)音來(lái)源于同一個(gè)人。

2 實(shí)驗(yàn)材料和方法

2.1 語(yǔ)料錄制

本文以二合元音/ai/和三合元音/iao/為代表，各選取20個(gè)詞組作為發(fā)音文本。發(fā)音采用朗讀語(yǔ)體進(jìn)行，形式為：“哀，哀怨的哀；要，要挾的要”等，字調(diào)均為陰平。發(fā)音人是中國(guó)刑警學(xué)院的20位女學(xué)生，年齡在21～24歲之間，普通話比較標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有明顯的方言特征或言語(yǔ)障礙。實(shí)驗(yàn)室條件錄音，采用Cooledit2.0軟件進(jìn)行麥克直錄，采樣率16KHz。錄音分兩次進(jìn)行，時(shí)間間隔為一周。

2.2 測(cè)量方法

采用Praat語(yǔ)音分析軟件對(duì)每位發(fā)音人兩次發(fā)音的語(yǔ)音樣本進(jìn)行聲學(xué)分析，采用人工手動(dòng)測(cè)量的方法測(cè)量/ai/和/iao/兩個(gè)元音的前四個(gè)共振峰在三點(diǎn)（起點(diǎn)、中點(diǎn)、終點(diǎn)）的頻率值（見(jiàn)圖1）。每個(gè)發(fā)音人/ai/和/iao/測(cè)量的音節(jié)數(shù)均為20。

圖1 /iao/的共振峰測(cè)量方法

2.3 統(tǒng)計(jì)分析

將所有20個(gè)發(fā)音人兩次發(fā)音的/ai/和/iao/的三點(diǎn)共振峰數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。考慮到實(shí)際案件條件下語(yǔ)音檢材多為電話錄音，受傳輸帶寬所限，通常只有前三個(gè)共振峰可以利用。因此我們僅對(duì)兩個(gè)元音的前三個(gè)共振峰進(jìn)行了同一話者的語(yǔ)音對(duì)和不同話者語(yǔ)音對(duì)的似然率比較分析。

似然率的計(jì)算采用Aitken和Lucy等人提出的多變量核密度似然率（Multivariate Kernel Density LR，MVLR）計(jì)算公式。該公式分為分子和分母兩部分：分子用來(lái)評(píng)價(jià)檢材和樣本的相似性（也可以理解為差異性），分母用來(lái)評(píng)價(jià)二者的特征相對(duì)于背景參考人群的典型性。

3 結(jié)果和分析

3.1 /ai/的話者區(qū)分能力測(cè)試

3.1.1 三點(diǎn)比較分析

使用似然率作為功能函數(shù)對(duì)大量同一話者和不同話者的語(yǔ)音對(duì)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，同一話者語(yǔ)音對(duì)的LR值應(yīng)大于1，而不同話者語(yǔ)音對(duì)的LR值應(yīng)小于1。LR值的大小表明數(shù)據(jù)本身內(nèi)在的區(qū)分能力。話者區(qū)分測(cè)試的結(jié)果一般用可靠性函數(shù)圖譜來(lái)表示（以下簡(jiǎn)稱Tippett圖）。它表示的是對(duì)同一話者語(yǔ)音對(duì)和不同話者語(yǔ)音對(duì)的log10LR值的累積分布。其中，橫坐標(biāo)是以10為底的LR的對(duì)數(shù)值。向右遞增的曲線為同一話者測(cè)試，表示Log10LR值大于或等于對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)Log10LR值時(shí)同一話者比較所占的比例；向左遞增的曲線為不同話者測(cè)試，表示Log10LR值小于或等于對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)Log10LR值的不同話者比較所占的比例。

理想的情況是：如果兩個(gè)語(yǔ)音樣本來(lái)自同一話者，則LR應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，即Log10LR＞＞0；如果兩個(gè)語(yǔ)音樣本來(lái)自不同話者，則LR值應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，Log10LR＜＜0；Log10LR等于0，表明來(lái)自同一話者或不同話者的程度相等，因此無(wú)意義。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中，由于每個(gè)語(yǔ)音對(duì)的歸屬是已知的，因此根據(jù)Tippett圖中同一話者和不同話者測(cè)試曲線的分布可以評(píng)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行話者區(qū)分的有效性，包括計(jì)算方法和參數(shù)的有效性。

為了比較三個(gè)時(shí)間點(diǎn)的共振峰頻率值的話者區(qū)分差異情況，我們分別對(duì)三點(diǎn)的頻率值進(jìn)行了測(cè)試分析。圖2、3和4分別給出了利用/ai/的起點(diǎn)、中點(diǎn)和終點(diǎn)進(jìn)行話者區(qū)分測(cè)試的Tippett圖。

圖2 /ai/的F1～F3起點(diǎn)頻率值似然率計(jì)算的Tippett圖

圖3 /ai/的F1～F3中點(diǎn)頻率值似然率計(jì)算的Tippett圖

三個(gè)Tippett圖中，向右傾斜的曲線表示的是同一話者的測(cè)試，向左傾斜的曲線表示的是不同話者的測(cè)試。結(jié)果表明：利用/ai/的前三個(gè)共振峰的起點(diǎn)頻率值進(jìn)行測(cè)試的等誤率（兩條曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的值）為12%（見(jiàn)圖2），錯(cuò)誤排除(將同一話者對(duì)誤判為不同話者對(duì))的概率為15%，錯(cuò)誤認(rèn)定（將不同話者對(duì)誤判為同一話者對(duì)）的概率9.1%。利用/ai/的前三個(gè)共振峰的中點(diǎn)頻率值進(jìn)行測(cè)試的等誤率也是12%（見(jiàn)圖3），錯(cuò)誤排除的概率為17%，錯(cuò)誤認(rèn)定的概率為10.2%。利用/ai/的前三個(gè)共振峰的終點(diǎn)頻率值進(jìn)行測(cè)試的等誤率為9.2%（見(jiàn)圖4），錯(cuò)誤排除的概率為9.5%，錯(cuò)誤認(rèn)定的概率為9.2%。

圖4 /ai/的F1～F3終點(diǎn)頻率值似然率計(jì)算的Tippett圖

綜合/ai/的前三個(gè)共振峰三點(diǎn)分別測(cè)試的結(jié)果來(lái)看，僅提取一點(diǎn)的共振峰頻率值的區(qū)分效果大體相似，終點(diǎn)值的區(qū)分效果略好于起點(diǎn)值和中點(diǎn)值。這一點(diǎn)從/ai/的寬帶語(yǔ)圖中也可以得到解釋，即該元音從起點(diǎn)到中點(diǎn)的變化相對(duì)較小，動(dòng)態(tài)性不明顯；而從中點(diǎn)到終點(diǎn)的變化較大，動(dòng)態(tài)性很強(qiáng)。由此可見(jiàn)，動(dòng)態(tài)性越強(qiáng)，話者區(qū)分的效果越好。

3.1.2 三點(diǎn)綜合分析

為了檢驗(yàn)/ai/的前三個(gè)共振峰三個(gè)時(shí)間點(diǎn)頻率值的綜合效果，我們又進(jìn)行了三點(diǎn)頻率值的綜合分析，即每個(gè)話者元音起點(diǎn)、中點(diǎn)和終點(diǎn)的前三個(gè)共振峰的頻率值共9個(gè)參數(shù)值合并統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 /ai/的F1～F3三點(diǎn)頻率值似然率計(jì)算的Tippett圖

由圖5可知，同一話者的測(cè)試曲線和不同話者的測(cè)試曲線已經(jīng)完全分開(kāi)，沒(méi)有交點(diǎn)，即等誤率為0。這意味著利用/ai/的9個(gè)共振峰數(shù)據(jù)已經(jīng)將同一話者對(duì)和不同話者對(duì)全部區(qū)分開(kāi)來(lái)。另外，從不同話者的測(cè)試曲線可以看出，將不同話者對(duì)誤判為同一話者對(duì)的概率為1%，即錯(cuò)誤認(rèn)定的概率為1%；從同一話者的測(cè)試曲線可以看出，將同一話者對(duì)誤判為不同話者對(duì)的概率為0，即錯(cuò)誤排除的概率為0。由此可見(jiàn)，對(duì)于/ai/而言，前三個(gè)共振峰的起點(diǎn)、中點(diǎn)和終點(diǎn)的頻率值已經(jīng)足以進(jìn)行話者的有效區(qū)分，區(qū)分效果非常理想。

與三點(diǎn)分別統(tǒng)計(jì)的結(jié)果比較而言，將/ai/的前三個(gè)共振峰頻率的起點(diǎn)值、中點(diǎn)值和終點(diǎn)值合并分析時(shí)，話者區(qū)分的效果明顯提高，等誤率及同源/非同源區(qū)分的錯(cuò)誤率都明顯降低。這表明動(dòng)態(tài)特征的數(shù)據(jù)越多，話者區(qū)分的效果越好。多點(diǎn)測(cè)量的數(shù)據(jù)分析結(jié)果明顯好于任何一點(diǎn)測(cè)量的數(shù)據(jù)或者平均頻率值。先前對(duì)于單元音的話者區(qū)分能力進(jìn)行測(cè)試的研究結(jié)果表明了很有限的話者區(qū)分能力，利用單個(gè)元音（/i/、/ü/、/a/、/e/）的共振峰頻率的平均值統(tǒng)計(jì)的話者區(qū)分的等誤率基本上都在20%以上。這足以說(shuō)明元音共振峰的動(dòng)態(tài)軌跡特征在話者鑒別中的重要價(jià)值。因此，可以推斷：采用共振峰動(dòng)態(tài)軌跡追蹤技術(shù)將提取更多的動(dòng)態(tài)信息，話者區(qū)分的效果將會(huì)更好。

3.2 /iao/的話者區(qū)分能力測(cè)試

圖6 /iao/的F1～F3起點(diǎn)頻率值似然率計(jì)算的Tippett圖

圖7 /iao/的F1～F3中點(diǎn)頻率值似然率計(jì)算的Tippett圖

采用與3.1中同樣的分析方法對(duì)/iao/的前三個(gè)共振峰頻率的起點(diǎn)值、中點(diǎn)值和終點(diǎn)值進(jìn)行測(cè)試分析。結(jié)果見(jiàn)圖6-9，其中，圖6-8是分別利用/iao/的前三個(gè)共振峰的起點(diǎn)、中點(diǎn)和終點(diǎn)頻率值計(jì)算得到的Tippett圖。

測(cè)試結(jié)果表明：利用/iao/的前三個(gè)共振峰的起點(diǎn)頻率值進(jìn)行話者區(qū)分的等誤率為0，錯(cuò)誤排除率為4.5%，錯(cuò)誤認(rèn)定率0。利用/iao/的前三個(gè)共振峰的中點(diǎn)頻率值進(jìn)行話者區(qū)分的等誤率為6.2%，錯(cuò)誤排除率為5%，錯(cuò)誤認(rèn)定率為7.5%。利用/iao/的前三個(gè)共振峰的終點(diǎn)頻率值進(jìn)行測(cè)試的等誤率為5.5%，錯(cuò)誤排除率為5.4%，錯(cuò)誤認(rèn)定率為7.5%。與/ai/相反，起點(diǎn)值的區(qū)分效果明顯好于中點(diǎn)和終點(diǎn)。而中點(diǎn)的效果最差。

圖8 /iao/的F1～F3終點(diǎn)頻率值似然率計(jì)算的Tippett圖

圖9是/iao/的前三個(gè)共振峰頻率的起點(diǎn)值、中點(diǎn)值和終點(diǎn)值合并似然率計(jì)算的Tippett圖。結(jié)果表明：三點(diǎn)綜合分析的等誤率為0，錯(cuò)誤排除和錯(cuò)誤認(rèn)定的概率均為0。同一話者對(duì)與不同話者對(duì)完全區(qū)分開(kāi)來(lái)，沒(méi)有一例錯(cuò)判，正識(shí)率為100%。

圖9 /iao/的F1～F3三點(diǎn)頻率值似然率計(jì)算的Tippett圖

綜合/iao/的前三個(gè)共振峰頻率值的測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與/ai/的測(cè)試結(jié)果相似，三點(diǎn)綜合分析的效果明顯優(yōu)于任意一點(diǎn)單獨(dú)分析的結(jié)果。不同的是，/iao/的共振峰由起點(diǎn)到中點(diǎn)軌跡的動(dòng)態(tài)性明顯高于中點(diǎn)到終點(diǎn)，所以其起點(diǎn)的區(qū)分效果好于中點(diǎn)和終點(diǎn)。這和/ai/的分析結(jié)論是一致的。

3.3 /ai/、/iao/比較

表中列出了利用/ai/和/iao/的前三個(gè)共振峰的三點(diǎn)頻率值進(jìn)行話者區(qū)分測(cè)試的比較結(jié)果。其中，ERR代表等誤率，SS代表相同話者對(duì)錯(cuò)判的概率，DS代表不同話者對(duì)錯(cuò)判的概率。

表 /ai/和/iao/的話者區(qū)分測(cè)試結(jié)果(%)

從兩個(gè)元音進(jìn)行話者區(qū)分測(cè)試的結(jié)果來(lái)看：對(duì)于/ai/來(lái)說(shuō)，不論是三個(gè)點(diǎn)的綜合分析還是各個(gè)點(diǎn)單獨(dú)分析，同一話者對(duì)錯(cuò)判（即錯(cuò)誤排除）的概率都高于不同話者對(duì)錯(cuò)判（即錯(cuò)誤認(rèn)定）的概率。而對(duì)于/iao/來(lái)說(shuō)，除起點(diǎn)以外，不同話者對(duì)錯(cuò)判的概率略高一些。此外，從Tippett圖的曲線分布來(lái)看，兩個(gè)元音的同一話者比較的數(shù)據(jù)比較集中，而不同話者比較的數(shù)據(jù)則分散得多，這應(yīng)該是來(lái)源于較大的話者之間差異所致。

從總的結(jié)果看，兩個(gè)元音測(cè)試的等誤率均為0，這說(shuō)明兩個(gè)元音的話者區(qū)分能力是很強(qiáng)的，話者區(qū)分的效果非常理想。當(dāng)然，比較而言，/iao/的話者區(qū)分效果明顯好于/ai/，這應(yīng)該是由于/iao/比/ai/的共振峰軌跡變化幅度更大，動(dòng)態(tài)性更強(qiáng)所致。無(wú)論是/ai/還是/iao/，當(dāng)起點(diǎn)、中點(diǎn)、終點(diǎn)分別做話者區(qū)分能力測(cè)試時(shí)，其等誤率和同源/非同源區(qū)分的錯(cuò)誤率都較高；將所有點(diǎn)進(jìn)行綜合測(cè)試時(shí)，其各種錯(cuò)誤率大大降低。即三個(gè)點(diǎn)綜合分析的效果明顯好于單個(gè)點(diǎn)的比較，這說(shuō)明進(jìn)行話者比較時(shí)應(yīng)該選取盡量多的測(cè)量點(diǎn)或參數(shù)。特征點(diǎn)越多，話者的特異性越強(qiáng)，越容易區(qū)分。

4 結(jié)論

本文采用似然率的分析方法，對(duì)20名女性發(fā)音人的/ai/和/iao/兩個(gè)元音進(jìn)行了話者區(qū)分的測(cè)試分析。對(duì)前三個(gè)共振峰起點(diǎn)、中點(diǎn)和終點(diǎn)的頻率值進(jìn)行似然率分析的結(jié)果表明了兩個(gè)元音的話者區(qū)分能力及效果。研究表明，共振峰的動(dòng)態(tài)性對(duì)話者鑒別來(lái)說(shuō)是極為重要的，動(dòng)態(tài)性越強(qiáng)，話者區(qū)分的效果越好，因此三合元音和二合元音的話者區(qū)分效果好于單元音。此外，多點(diǎn)測(cè)量?jī)?yōu)于單點(diǎn)測(cè)量，特征參數(shù)越多，話者區(qū)分的效果越好。在連續(xù)語(yǔ)流中，單元音也會(huì)表現(xiàn)一定的動(dòng)態(tài)性，因此僅僅測(cè)量共振峰的頻率均值進(jìn)行話者鑒別是不夠的。利用共振峰軌跡追蹤技術(shù)，應(yīng)該會(huì)取得更好的區(qū)分效果。

目前的測(cè)試結(jié)果表明了兩個(gè)元音具有很強(qiáng)的話者區(qū)分能力，其他元音的話者區(qū)分能力還有待進(jìn)一步測(cè)試。本研究測(cè)試的是實(shí)驗(yàn)室條件下的朗讀語(yǔ)料，而且音節(jié)前后環(huán)境基本相同。實(shí)際案件條件下的自然口語(yǔ)語(yǔ)料的區(qū)分效果應(yīng)該會(huì)有所減弱，但是結(jié)果如何還有待測(cè)試。此外，本實(shí)驗(yàn)的測(cè)試對(duì)象均為女性發(fā)音人，一般而言，女性語(yǔ)音由于基頻較高，聲學(xué)顯示較男性語(yǔ)音差，聲學(xué)測(cè)量有一定難度。如果對(duì)男性語(yǔ)音進(jìn)行測(cè)試，效果應(yīng)該會(huì)更好。

本研究的意義在于量化分析共振峰的動(dòng)態(tài)性及其在話者鑒別中的作用，而不是單純比較兩個(gè)元音的動(dòng)態(tài)性。似然率分析方法為共振峰的動(dòng)態(tài)性在話者鑒別中的應(yīng)用價(jià)值提供了客觀的量化評(píng)價(jià)結(jié)果，這有利于提高法庭話者鑒別方法的定量化和標(biāo)準(zhǔn)化，促進(jìn)法庭話者鑒別客觀化和科學(xué)化進(jìn)程。

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