Введение
Индекс передачи речи (STI) – это показатель качества передачи речи. Абсолютное измерение разборчивости речи – сложная наука. STI измеряет некоторые физические характеристики канала передачи (помещение, электроакустическое оборудование, телефонная линия и т.д.) и выражает способность канала передавать характеристики речевого сигнала. STI является общепризнанным объективным предиктором влияния характеристик канала передачи на разборчивость речи. Влияние канала передачи на разборчивость речи зависит от:
the speech level
frequency response of the channel
non linear distortions
background noise level
quality of the sound reproduction equipment
echos (reflections with delay > 100ms)
the reverberation time
psychoacoustic effects (masking effects)
уровня речи
частотной характеристики канала
нелинейных искажений
уровня фонового шума
качества звуковоспроизводящего оборудования
эха (отражений с задержкой > 100 мс)
времени реверберации
психоакустических эффектов (маскирующих эффектов)
the speech level
frequency response of the channel
non linear distortions
background noise level
quality of the sound reproduction equipment
echos (reflections with delay > 100ms)
the reverberation time
psychoacoustic effects (masking effects)
История
STI был представлен Таммо Хоутгастом и Германом Стиненекеном в 1971 году и принят Американским акустическим обществом в 1980 году. Стиненекен и Хоутгаст решили разработать Индекс передачи речи (STI), поскольку им было поручено провести очень длительную серию трудоемких измерений разборчивости речи для вооруженных сил Нидерландов. Вместо этого они потратили время на разработку гораздо более быстрого объективного метода (который фактически был предшественником STI). Хоутгаст и Стиненекен разработали Индекс передачи речи, работая в Нидерландской организации прикладных научных исследований TNO. Их команда в TNO продолжала поддерживать и развивать STI, улучшая модель и разрабатывая аппаратное и программное обеспечение для измерения STI до 2010 года. В том же году исследовательская группа TNO, ответственная за STI, выделилась из TNO и продолжила свою работу в качестве частной компании под названием Embedded Acoustics. Embedded Acoustics продолжает поддерживать развитие STI, а Герман Стиненекен (теперь официально на пенсии из TNO) по-прежнему выступает в качестве старшего консультанта. В первые годы (до примерно 1985 года) использование STI было в основном ограничено относительно небольшим международным сообществом исследователей речи. Введение RASTI ("Room Acoustics STI") сделало метод STI доступным для большего числа инженеров и консультантов, особенно после того, как Bruel & Kjaer представили свое измерительное устройство RASTI (которое было основано на более ранней системе RASTI, разработанной Стиненекеном и Хоутгастом в TNO). RASTI был разработан для работы значительно быстрее, чем оригинальный ("полный") STI, занимая менее 30 секунд вместо 15 минут на точку измерения. Однако RASTI предназначался только (как следует из названия) для чистой акустики помещений, а не для электроакустики. Применение RASTI к передаточным цепям, включающим электроакустические компоненты (такие как громкоговорители и микрофоны), стало довольно распространенным и привело к жалобам на неточные результаты. Использование RASTI даже было указано в некоторых отраслевых стандартах (например, спецификация CAA 15 для систем оповещения в кабинах самолетов) для приложений, включающих электроакустику, просто потому, что в то время это был единственный осуществимый метод. Недостатки RASTI иногда просто принимались из-за отсутствия лучшей альтернативы. TNO производила и продавала приборы для измерения полного STI и различных других производных STI, но эти приборы были относительно дорогими, большими и тяжелыми. Около 2000 года стала очевидной необходимость в альтернативе RASTI, которую также можно было бы безопасно применять к системам звукового оповещения (PA). В TNO Ян Верхаве и Герман Стиненекен начали работу над новым методом STI, который позже стал известен как STIPA (STI для систем звукового оповещения). Первое устройство, включающее измерения STIPA и доступное для продажи широкой публике, было выпущено компанией Gold Line. В настоящее время измерительные приборы STIPA доступны от различных производителей. RASTI был стандартизирован на международном уровне в 1988 году в IEC 60268-16. С тех пор стандарт IEC 60268-16 пересматривался три раза, последний раз (ред. 4) был опубликован в 2011 году. Каждая редакция включала обновления методологии STI, которые со временем были приняты исследовательским сообществом STI, такие как включение избыточности между соседними октавными полосами (ред. 2), зависимое от уровня слуховое маскирование (ред. 3) и различные методы применения STI к конкретным группам населения, таким как люди, не являющиеся носителями языка, и слабослышащие (ред. 4). Команда технического обслуживания IEC в настоящее время работает над ред. 5. RASTI был объявлен устаревшим IEC в июне 2011 года с появлением ред. 4 стандарта IEC 60268-16. В то время этот упрощенный производный метод STI все еще был указан в качестве стандартного метода в некоторых отраслях. В настоящее время STIPA рассматривается как преемник RASTI практически для всех применений.
Масштаб
STI – это числовая мера, характеризующая канал связи, значение которой изменяется от 0 = плохо до 1 = отлично. На этой шкале значение STI не менее 0,5 желательно для большинства приложений. Barnett (1995, 1999) предложил использовать эталонную шкалу, общую шкалу разборчивости (CIS), основанную на математической зависимости от STI (CIS = 1 + log (STI)). STI предсказывает вероятность понимания слогов, слов и предложений. В качестве примера, для носителей языка эта вероятность выражается следующим образом:
STI value Quality according to IEC 60268 16 Intelligibility of syllables in % Intelligibility of words in % Intelligibility of sentences in % 0 – 0.3 bad 0 – 34 0 – 67 0 – 89 0.3 – 0.45 poor 34 – 48 67 – 78 89 – 92 0.45 – 0.6 fair 48 – 67 78 – 87 92 – 95 0.6 – 0.75 good 67 – 90 87 – 94 95 – 96 0.75 – 1 excellent 90 – 96 94 – 96 96 – 100
If non native speakers, people with speech disorders or hard of hearing people are involved, other probabilities hold. It is interesting but not astonishing that STI prediction is independent of the language spoken – not astonishing, as the ability of the channel to transport patterns of physical speech is measured. Another method is defined for computing a physical measure that is highly correlated with the intelligibility of speech as evaluated by speech perception tests given a group of talkers and listeners. This measure is called the Speech Intelligibility Index, or SII.
Значение STI | Качество согласно IEC 60268-16 | Разборчивость слогов, % | Разборчивость слов, % | Разборчивость предложений, %
---|---|---|---|---
0 – 0.3 | плохо | 0 – 34 | 0 – 67 | 0 – 89
0.3 – 0.45 | неудовлетворительно | 34 – 48 | 67 – 78 | 89 – 92
0.45 – 0.6 | удовлетворительно | 48 – 67 | 78 – 87 | 92 – 95
0.6 – 0.75 | хорошо | 67 – 90 | 87 – 94 | 95 – 96
0.75 – 1 | отлично | 90 – 96 | 94 – 96 | 96 – 100
STI value Quality according to IEC 60268 16 Intelligibility of syllables in % Intelligibility of words in % Intelligibility of sentences in % 0 – 0.3 bad 0 – 34 0 – 67 0 – 89 0.3 – 0.45 poor 34 – 48 67 – 78 89 – 92 0.45 – 0.6 fair 48 – 67 78 – 87 92 – 95 0.6 – 0.75 good 67 – 90 87 – 94 95 – 96 0.75 – 1 excellent 90 – 96 94 – 96 96 – 100
If non native speakers, people with speech disorders or hard of hearing people are involved, other probabilities hold. It is interesting but not astonishing that STI prediction is independent of the language spoken – not astonishing, as the ability of the channel to transport patterns of physical speech is measured. Another method is defined for computing a physical measure that is highly correlated with the intelligibility of speech as evaluated by speech perception tests given a group of talkers and listeners. This measure is called the Speech Intelligibility Index, or SII.
Для не носителей языка, людей с нарушениями речи или с ослабленным слухом применяются другие вероятности. Интересно, но не удивительно, что прогноз STI не зависит от языка – это объясняется тем, что измеряется способность канала передавать физические характеристики речи. Существует также другой метод вычисления физической величины, тесно связанной с разборчивостью речи, оцениваемой посредством тестов восприятия речи, проводимых на группе говорящих и слушающих. Эта величина называется индексом разборчивости речи, или SII.
STI value Quality according to IEC 60268 16 Intelligibility of syllables in % Intelligibility of words in % Intelligibility of sentences in % 0 – 0.3 bad 0 – 34 0 – 67 0 – 89 0.3 – 0.45 poor 34 – 48 67 – 78 89 – 92 0.45 – 0.6 fair 48 – 67 78 – 87 92 – 95 0.6 – 0.75 good 67 – 90 87 – 94 95 – 96 0.75 – 1 excellent 90 – 96 94 – 96 96 – 100
If non native speakers, people with speech disorders or hard of hearing people are involved, other probabilities hold. It is interesting but not astonishing that STI prediction is independent of the language spoken – not astonishing, as the ability of the channel to transport patterns of physical speech is measured. Another method is defined for computing a physical measure that is highly correlated with the intelligibility of speech as evaluated by speech perception tests given a group of talkers and listeners. This measure is called the Speech Intelligibility Index, or SII.
Номинальные квалификационные диапазоны для STI
Стандарт IEC 60268 16-е изд. 2011 определяет шкалу квалификации для обеспечения гибкости в различных областях применения. Значения этой буквенной шкалы варьируются от "U" до "A+".
СТИПА
STIPA (Speech Transmission Index for Public Address Systems) – это версия STI, использующая упрощенный метод и тестовый сигнал. В сигнале STIPA каждая октавная полоса модулируется одновременно двумя частотами модуляции. Частоты модуляции распределены по октавным полосам сбалансированным образом, что позволяет получить надежное измерение STI на основе разреженной матрицы функции передачи модуляции. Хотя изначально STIPA был разработан для систем оповещения (и аналогичных установок, таких как системы голосовой эвакуации и системы массового оповещения), его также можно использовать для широкого спектра других приложений. Единственным случаем, когда RASTI в настоящее время считается уступающим полной STI, является наличие сильного эха. Одно измерение STIPA обычно занимает от 15 до 25 секунд, сочетая в себе скорость RASTI с (почти) такой же широкой областью применения и надежностью, как у полной STI. Поскольку STIPA стал широко доступен, а RASTI имеет ряд недостатков и не обладает какими-либо преимуществами перед STIPA, RASTI теперь считается устаревшим. Хотя тестовый сигнал STIPA не воспринимается человеческим ухом как речь, по своему частотному составу и колебаниям интенсивности он обладает характеристиками, схожими с речью. Речь можно описать как шум, интенсивность которого модулируется низкочастотными сигналами. Сигнал STIPA содержит такие модуляции интенсивности на 14 различных частотах модуляции, распределенных по 7 октавным полосам. На принимающей стороне системы связи измеряется глубина модуляции принятого сигнала и сравнивается с глубиной модуляции тестового сигнала в каждом из ряда частотных диапазонов. Уменьшение глубины модуляции связано с ухудшением разборчивости.
Косвенный метод
Альтернативный метод импульсного отклика, также известный как "непрямой метод", предполагает линейность канала и требует более строгой синхронизации источника звука с измерительным прибором. Основное преимущество непрямого метода перед прямым (основанным на модулированных тестовых сигналах) заключается в том, что измеряется полная матрица MTF, охватывающая все релевантные частоты модуляции во всех октавных диапазонах. В очень больших помещениях (например, в соборах), где вероятно возникновение эха, непрямой метод обычно предпочтительнее прямого (например, с использованием модулированных сигналов STIPA). В целом, непрямой метод часто является оптимальным при исследовании разборчивости речи на основе "чистой акустики помещения", когда в тракте передачи отсутствуют электроакустические компоненты. Однако требование линейности канала означает, что непрямой метод нельзя надежно использовать во многих практических приложениях: всякий раз, когда в цепи передачи присутствуют компоненты, способные проявлять нелинейное поведение (например, громкоговорители), непрямые измерения могут давать некорректные результаты. Кроме того, в зависимости от используемого типа измерения импульсного отклика, влияние фонового шума во время измерений может быть учтено неверно. Это означает, что непрямой метод следует использовать с большой осторожностью при измерении систем оповещения и систем речевого оповещения. IEC 60268-16 rev. 4 не запрещает использование непрямого метода для таких приложений, но содержит следующее предупреждение: "Поэтому требуется критический анализ способа получения импульсного отклика и потенциального влияния на него нелинейностей в системе передачи, особенно учитывая, что на практике компоненты системы могут работать на пределе своих характеристик". На практике проверка обоснованности предположения о линейности часто слишком сложна для повседневного использования, что делает метод STIPA (прямой) предпочтительным при использовании громкоговорителей. Хотя многие измерительные инструменты, основанные на непрямом методе, предлагают как STIPA, так и опцию "полного STI", разреженная матрица функции передачи модуляции, присущая STIPA, не дает никаких преимуществ при использовании непрямого метода. Измерения STIPA, основанные на импульсном отклике, не следует путать с прямыми измерениями STIPA, поскольку достоверность результата по-прежнему зависит от линейности канала.
Список производителей измерительных приборов STI
Измерительные приборы STI производятся (и производились) различными производителями. Ниже приведен список брендов, под которыми продавались измерительные приборы STI, в алфавитном порядке. Audio Precision предлагает плагин STI в качестве опции для использования с аудиоанализаторами серии APx500. Audiomatica предлагает инструмент STI (включая STIPA) в системе CLIO 11, соответствующий последней версии стандарта (IEC 60268-16 rev. 4). Система CLIO 12 способна выполнять как косвенные измерения STI/STIPA, так и прямые измерения STIPA. Bedrock Audio – это бренд, под которым Embedded Acoustics продает свое аппаратное обеспечение STIPA, например SM50. Brüel & Kjær предлагает как портативные, так и программные решения. Gold Line первыми предложили решения для измерений STIPA (DSP2 и DSP30), но в настоящее время не предлагают инструментов, соответствующих последним стандартам (IEC 60268-16 rev. 4). HEAD acoustics предлагает варианты STI (включая STIPA, STITEL и RASTI) для систем тестирования Artemis Suite и ACQUA. Ivie предлагает инструменты для акустических измерений с поддержкой STIPA, такие как IE 45. Norsonic одними из первых внедрили STIPA и предлагают модули STIPA для своих приборов (Nor 140). Продаются компанией Scantek, Inc. в Колумбии, штат Мэриленд. NTi Audio предлагает модули STIPA для своих линеек акустических измерительных приборов AL1 и XL2, а также Talkbox и другие периферийные устройства. Являются явным лидером рынка на данный момент (2013 год). Quest, теперь часть 3M, производит такие инструменты, как Quest Verifier. Svantek предлагает решение для измерения STI (включая STIPA) с использованием своих более продвинутых шумомеров. TNO в настоящее время не продает никаких продуктов, но ранее продавала, в частности, серию измерительных приборов STIDAS. Рынок решений для измерений STI все еще развивается, поэтому вышеуказанный список может меняться по мере появления и ухода производителей с рынка. В список не включены производители программного обеспечения, разрабатывающие акустическое измерительное и моделирующее программное обеспечение с поддержкой STI. Мобильные приложения для измерений STIPA (например, продаваемые Studio Six Digital и Embedded Acoustics) также исключены из списка.