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【我的DIY设计】+ stm32f3之语音识别复杂算法初探

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smartmcu|  楼主 | 2013-1-20 15:03 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
本帖最后由 smartmcu 于 2013-1-20 19:11 编辑

    收到stm32f3 discovery 好些天了,一直忙于市场调查、数据挖掘、算法的工作中,快到答应的交作业期限了,硬着头皮弄一点吧 :)

    stm32f3好在哪里?dsp、fpu、opamp、adc多,价格合理、购买容易(这就使交易成本低、总成本更低----虽然freescale的类似东西,价格也类似,但其交易成本高、不确定性强,期权价格高昂,导致非不得已不用),于是市场自然会认它为老大,而“利见大人”是我等高级电工的生存本能,当然就用它了。

    既然dsp、fpu那么牛,是该物尽其用,图像识别,好像还不够用,那语音、特别是高级语音识别应该可以很好发挥其效用。
    我们知道,语音识别有以下步骤,采样--滤波--预加重--端点识别--提取特征--分类。其中端点识别、特征提取、分类,涉及到的计算量最大,最能考验dsp、fpu的能力。当然,这些年的发展,很多快速简单的语音算法都可以在很低级的mcu上使用了,但效果参差不齐,既然要考验dsp、fpu的能力,咱们就来点耗时的、高级的东西。

    平时只要涉及到单片机都是捉襟见肘的性能和容量,这回遇到stm32f3这种档次的,怎么都该吃顿好的嘛!:)
    首先是端点识别,目前看到效果比较好的是谱熵算法,主要原理是噪声部分的分布比较均匀,而有声部分不太均匀,而熵是表征不确定性的一个很好的指标,特别地用dct算出来的比fft的效果好,那么端点识别就选dct,其中还要用到对数计算,更能测试fpu的效果。
    然后是特征提取,目前语音常用的是lpcc和mfcc和plp,mfcc效果很好,计算用到fft和小规模的dct还有矩阵乘法,应该选它;
    最后是分类,动态时间规划DTW和隐性马尔可夫hmm是语音识别常用的,hmm前期的训练工作,计算量、存储要求有点过高,DTW其实就很好了,选DTW。


    既然选用了以上这些,那仔细看看,基本上就是FFT DCT和对数、矩阵计算,那先搞个可行性的试验,如果可行,以后再慢慢具体实现之,于是今天的任务就是搞点 FFT DCT和对数、矩阵等密集计算的,看看可行否。

    也不建具体的project了,直接用stm32f3 discovery的demo(STM32F3-Discovery_FW_V1.1.0\Project\Demonstration\MDK-ARM\Demo.uvproj)把它的实验功能里的3个功能多加一个。
这涉及到新加一个文件tester.c,修改3个文件,一个是stm32f30x_it.c,一个是main.h,一个是main.c。

为了编译成功,还要在option 里的preprocessor symbols里加入
USE_STDPERIPH_DRIVER,STM32F30X,ARM_MATH_CM4, ARM_MATH_MATRIX_CHECK, ARM_MATH_ROUNDING, ARM_MATH_LITTLE_ENDIAN, __FPU_PRESENT = 1
还要在工程里加入一个文件 \Keil\ARM\CMSIS\Lib\ARM\arm_cortexM4lf_math.lib以保证link成功。


stm32f30x_it.c:179行改成     if (UserButtonPressed > 0x0F)

main.h: 43行,前插入 void Tester_2013_0120(int loop_times);

main.c:424行,前插入

    /* LEDs Off */
    STM_EVAL_LEDOff(LED3);
    STM_EVAL_LEDOff(LED6);
    STM_EVAL_LEDOff(LED7);
    STM_EVAL_LEDOff(LED4);
    STM_EVAL_LEDOff(LED10);
    STM_EVAL_LEDOff(LED8);
    STM_EVAL_LEDOff(LED9);
    STM_EVAL_LEDOff(LED5);
   
    /* Waiting User Button is pressed */
    while (UserButtonPressed > 0x02)
    {
      /* Toggle LD3 */
      STM_EVAL_LEDToggle(LED3);
      /* Insert Tester delay */
      Tester_2013_0120(UserButtonPressed-2);
      /* Toggle LD5 */
      STM_EVAL_LEDToggle(LED5);
      /* Insert Tester delay */
      Tester_2013_0120(UserButtonPressed-2);
      /* Toggle LD7 */
      STM_EVAL_LEDToggle(LED7);
      /* Insert Tester delay */
      Tester_2013_0120(UserButtonPressed-2);
      /* Toggle LD9 */
      STM_EVAL_LEDToggle(LED9);
      /* Insert Tester delay */
      Tester_2013_0120(UserButtonPressed-2);
      /* Toggle LD10 */
      STM_EVAL_LEDToggle(LED10);
      /* Insert Tester delay */
      Tester_2013_0120(UserButtonPressed-2);
      /* Toggle LD8 */
      STM_EVAL_LEDToggle(LED8);
      /* Insert Tester delay */
      Tester_2013_0120(UserButtonPressed-2);
      /* Toggle LD6 */
      STM_EVAL_LEDToggle(LED6);
      /* Insert Tester delay */
      Tester_2013_0120(UserButtonPressed-2);
      /* Toggle LD4 */
      STM_EVAL_LEDToggle(LED4);
      /* Insert Tester delay */
      Tester_2013_0120(UserButtonPressed-2);
    }



tester.c的内容后附

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smartmcu|  楼主 | 2013-1-20 22:20 | 只看该作者
本帖最后由 smartmcu 于 2013-1-23 13:46 编辑

以下是 tester.c的代码,注释了一下,可能还不够详细





#include "arm_math.h"

float32_t testInput_f32[512] =
{   
-1.640739552179682,         0.000000000000000,         -1.613393726467190,         0.000000000000000,         -1.156741241731352,         0.000000000000000,         2.527773464519963,         0.000000000000000,         
-0.497040638009502,         0.000000000000000,         -0.975817112895589,         0.000000000000000,         -2.866830755546166,         0.000000000000000,         1.120214498507878,         0.000000000000000,         
5.986771654661698,         0.000000000000000,         0.398219252656757,         0.000000000000000,         -3.545606013198135,         0.000000000000000,         0.312398099396191,         0.000000000000000,         
-2.265327979531788,         0.000000000000000,         0.792121001107366,         0.000000000000000,         -3.736145137670100,         0.000000000000000,         0.762228883650802,         0.000000000000000,         
2.283545661214646,         0.000000000000000,         3.780020629583529,         0.000000000000000,         3.117260228608810,         0.000000000000000,         -2.011159255609613,         0.000000000000000,         
0.279107700476072,         0.000000000000000,         2.003369134246936,         0.000000000000000,         -1.448171234480257,         0.000000000000000,         0.584697150310140,         0.000000000000000,         
0.919508663636197,         0.000000000000000,         -3.071349141675388,         0.000000000000000,         -1.555923649263667,         0.000000000000000,         2.232497079438850,         0.000000000000000,         
-0.012662139119883,         0.000000000000000,         0.372825540734715,         0.000000000000000,         2.378543590847629,         0.000000000000000,         1.459053407813062,         0.000000000000000,         
-0.967913907390927,         0.000000000000000,         1.322825200678212,         0.000000000000000,         -1.033775820061824,         0.000000000000000,         -1.813629552693142,         0.000000000000000,         
4.794348161661486,         0.000000000000000,         0.655279811518676,         0.000000000000000,         -2.224590138589720,         0.000000000000000,         0.595329481295766,         0.000000000000000,         
3.364055988866225,         0.000000000000000,         1.863416422998127,         0.000000000000000,         1.930305751828105,         0.000000000000000,         -0.284467053432545,         0.000000000000000,         
-0.923374905878938,         0.000000000000000,         1.922988234041399,         0.000000000000000,         0.310482143432719,         0.000000000000000,         0.332122302397134,         0.000000000000000,         
-1.659487472408966,         0.000000000000000,         -1.865943507877961,         0.000000000000000,         -0.186775297569864,         0.000000000000000,         -1.700543850628361,         0.000000000000000,         
0.497157959366735,         0.000000000000000,         -0.471244843957418,         0.000000000000000,         -0.432013753969948,         0.000000000000000,         -4.000189880113231,         0.000000000000000,         
-0.415335170016467,         0.000000000000000,         0.317311950972859,         0.000000000000000,         0.038393428927595,         0.000000000000000,         0.177219909465206,         0.000000000000000,         
0.531650958095143,         0.000000000000000,         -2.711644985175806,         0.000000000000000,         0.328744077805156,         0.000000000000000,         -0.938417707547928,         0.000000000000000,         
0.970379584897379,         0.000000000000000,         1.873649473917137,         0.000000000000000,         0.177938226987023,         0.000000000000000,         0.155609346302393,         0.000000000000000,         
-1.276504241867208,         0.000000000000000,         -0.463725075928807,         0.000000000000000,         -0.064748250389500,         0.000000000000000,         -1.725568534062385,         0.000000000000000,         
-0.139066584804067,         0.000000000000000,         1.975514554117767,         0.000000000000000,         -0.807063199499478,         0.000000000000000,         -0.326926659682788,         0.000000000000000,         
1.445727032487938,         0.000000000000000,         -0.597151107739100,         0.000000000000000,         2.732557531709386,         0.000000000000000,         -2.907130934109188,         0.000000000000000,         
-1.461264832679981,         0.000000000000000,         -1.708588604968163,         0.000000000000000,         3.652851925431363,         0.000000000000000,         0.682050868282879,         0.000000000000000,         
-0.281312579963294,         0.000000000000000,         0.554966483307825,         0.000000000000000,         -0.981341739340932,         0.000000000000000,         1.279543331141603,         0.000000000000000,         
0.036589747826856,         0.000000000000000,         2.312073745896073,         0.000000000000000,         1.754682200732425,         0.000000000000000,         -0.957515875428627,         0.000000000000000,         
-0.833596942819695,         0.000000000000000,         0.437054368791033,         0.000000000000000,         -0.898819399360279,         0.000000000000000,         -0.296050580896839,         0.000000000000000,         
-0.785144257649601,         0.000000000000000,         -2.541503089003311,         0.000000000000000,         2.225075846758761,         0.000000000000000,         -1.587290487902002,         0.000000000000000,         
-1.421404172056462,         0.000000000000000,         -3.015149802293631,         0.000000000000000,         1.780874288867949,         0.000000000000000,         -0.865812740882613,         0.000000000000000,         
-2.845327531197112,         0.000000000000000,         1.445225867774367,         0.000000000000000,         2.183733236584647,         0.000000000000000,         1.163371072749080,         0.000000000000000,         
0.883547693520409,         0.000000000000000,         -1.224093106684675,         0.000000000000000,         -1.854501116331044,         0.000000000000000,         1.783082089255796,         0.000000000000000,         
2.301508706196191,         0.000000000000000,         -0.539901944139077,         0.000000000000000,         1.962315832319967,         0.000000000000000,         -0.060709041870503,         0.000000000000000,         
-1.353139923300238,         0.000000000000000,         -1.482887537805234,         0.000000000000000,         1.273732601967176,         0.000000000000000,         -3.456609915556321,         0.000000000000000,         
-3.752320586540873,         0.000000000000000,         3.536356614978951,         0.000000000000000,         0.206035952043233,         0.000000000000000,         5.933966913773842,         0.000000000000000,         
-0.486633898075490,         0.000000000000000,         -0.329595089863342,         0.000000000000000,         1.496414153905337,         0.000000000000000,         0.137868749388880,         0.000000000000000,         
-0.437192030996792,         0.000000000000000,         2.682750615210656,         0.000000000000000,         -2.440234892848570,         0.000000000000000,         1.433910252426186,         0.000000000000000,         
-0.415051506104074,         0.000000000000000,         1.982003013708649,         0.000000000000000,         1.345796609972435,         0.000000000000000,         -2.335949513404370,         0.000000000000000,         
1.065988867433025,         0.000000000000000,         2.741844905000464,         0.000000000000000,         -1.754047930934362,         0.000000000000000,         0.229252730015575,         0.000000000000000,         
-0.679791016408669,         0.000000000000000,         -2.274097820043743,         0.000000000000000,         0.149802252231876,         0.000000000000000,         -0.139697151364830,         0.000000000000000,         
-2.773367420505435,         0.000000000000000,         -4.403400246165611,         0.000000000000000,         -1.468974515184135,         0.000000000000000,         0.664990623095844,         0.000000000000000,         
-3.446979775557143,         0.000000000000000,         1.850006428987618,         0.000000000000000,         -1.550866747921936,         0.000000000000000,         -3.632874882935257,         0.000000000000000,         
0.828039662992464,         0.000000000000000,         2.794055182632816,         0.000000000000000,         -0.593995716682633,         0.000000000000000,         0.142788156054200,         0.000000000000000,         
0.552461945119668,         0.000000000000000,         0.842127129738758,         0.000000000000000,         1.414335509600077,         0.000000000000000,         -0.311559241382430,         0.000000000000000,         
1.510590844695250,         0.000000000000000,         1.692217183824300,         0.000000000000000,         0.613760285711957,         0.000000000000000,         0.065233463207770,         0.000000000000000,         
-2.571912893711505,         0.000000000000000,         -1.707001531141341,         0.000000000000000,         0.673884968382041,         0.000000000000000,         0.889863883420103,         0.000000000000000,         
-2.395635435233346,         0.000000000000000,         1.129247296359819,         0.000000000000000,         0.569074704779735,         0.000000000000000,         6.139436017480722,         0.000000000000000,         
0.822158309259017,         0.000000000000000,         -3.289872016222589,         0.000000000000000,         0.417612988384414,         0.000000000000000,         1.493982103868165,         0.000000000000000,         
-0.415353391377005,         0.000000000000000,         0.288670764933155,         0.000000000000000,         -1.895650228872272,         0.000000000000000,         -0.139631694475020,         0.000000000000000,         
1.445103299005436,         0.000000000000000,         2.877182243683429,         0.000000000000000,         1.192428490172580,         0.000000000000000,         -5.964591921763842,         0.000000000000000,         
0.570859795882959,         0.000000000000000,         2.328333316356666,         0.000000000000000,         0.333755014930026,         0.000000000000000,         1.221901577771909,         0.000000000000000,         
0.943358697415568,         0.000000000000000,         2.793063983613067,         0.000000000000000,         3.163005066073616,         0.000000000000000,         2.098300664513867,         0.000000000000000,         
-3.915313164333447,         0.000000000000000,         -2.475766769064539,         0.000000000000000,         1.720472044894277,         0.000000000000000,         -1.273591949275665,         0.000000000000000,         
-1.213451272938616,         0.000000000000000,         0.697439404325690,         0.000000000000000,         -0.309902287574293,         0.000000000000000,         2.622575852162781,         0.000000000000000,         
-2.075881936219060,         0.000000000000000,         0.777847545691770,         0.000000000000000,         -3.967947986440650,         0.000000000000000,         -3.066503371806472,         0.000000000000000,         
1.193780625937845,         0.000000000000000,         0.214246579281311,         0.000000000000000,         -2.610681491162162,         0.000000000000000,         -1.261224183972745,         0.000000000000000,         
-1.165071748544285,         0.000000000000000,         -1.116548474834374,         0.000000000000000,         0.847202164846982,         0.000000000000000,         -3.474301529532390,         0.000000000000000,         
0.020799541946476,         0.000000000000000,         -3.868995473288166,         0.000000000000000,         1.757979409638067,         0.000000000000000,         0.868115130183109,         0.000000000000000,         
0.910167436737958,         0.000000000000000,         -1.878855115563720,         0.000000000000000,         1.710357104174161,         0.000000000000000,         -1.468933980990902,         0.000000000000000,         
1.799544171601169,         0.000000000000000,         -4.922332880027887,         0.000000000000000,         0.219424548939720,         0.000000000000000,         -0.971671113451924,         0.000000000000000,         
-0.940533475616266,         0.000000000000000,         0.122510114412152,         0.000000000000000,         -1.373686254916911,         0.000000000000000,         1.760348103896323,         0.000000000000000,         
0.391745067829643,         0.000000000000000,         2.521958505327354,         0.000000000000000,         -1.300693516405092,         0.000000000000000,         -0.538251788309178,         0.000000000000000,         
0.797184135810173,         0.000000000000000,         2.908800548982588,         0.000000000000000,         1.590902251655215,         0.000000000000000,         -1.070323714487264,         0.000000000000000,         
-3.349764443340999,         0.000000000000000,         -1.190563529731447,         0.000000000000000,         1.363369471291963,         0.000000000000000,         -1.814270299924576,         0.000000000000000,         
-0.023381588315711,         0.000000000000000,         1.719182048679569,         0.000000000000000,         0.839917213252626,         0.000000000000000,         1.006099633839122,         0.000000000000000,         
0.812462674381527,         0.000000000000000,         1.755814336346739,         0.000000000000000,         2.546848681206319,         0.000000000000000,         -1.555300208869455,         0.000000000000000,         
1.017053811631167,         0.000000000000000,         0.996591039170903,         0.000000000000000,         -1.228047247924881,         0.000000000000000,         4.809462271463009,         0.000000000000000,         
2.318113116151685,         0.000000000000000,         -1.206932520679733,         0.000000000000000,         1.273757685623312,         0.000000000000000,         0.724335352481802,         0.000000000000000,         
};


uint32_t fftSize = 256;
uint32_t ifftFlag = 0;
uint32_t doBitReverse = 1;

static float32_t testOutput[512];


void Tester_2013_0120(int loop_times)
{
  uint32_t refIndex = 213, testIndex = 0;
//        arm_status status;
        arm_cfft_radix4_instance_f32 S;
        arm_matrix_instance_f32 mtxA, mtxB, mtxC;
        float32_t maxValue;
         
  arm_status status = ARM_MATH_SUCCESS;

  int i;
        int j;
  float32_t tt,ps;         
        /* Initialize the CFFT/CIFFT module */  
        status = arm_cfft_radix4_init_f32(&S, fftSize,  
                                                                          ifftFlag, doBitReverse);
        
        arm_mat_init_f32 (&mtxA, 16, 16, testOutput);
        arm_mat_init_f32 (&mtxB, 16, 16, testOutput);
        arm_mat_init_f32 (&mtxC, 16, 16, testOutput);
        
        /* 这个是由discovery 板子的user 按钮决定循环次数的
        板子复位后,首先执行的是流水灯,按一下按键就成了陀螺仪
        和加速度计的功能,再按是指南针,后面就是我们测试用循环次数了
  第一次是1次循环,按一次按钮后是2次循环,再一次按钮后是4次循环
  按2的幂提升,直到4096次

  然后用个秒表记录同一盏灯的亮灭时间除以8,再除以循环次数
        就可大概计算出每个循环花费的时间了
        
        下面的代码大概可以相当于一帧语音的处理的计算量,如果低于10ms,那就基本上是可用了
  */
        for (i=0;i<(1<<(loop_times-1));i++)
            {
        

  /* 模拟谱熵的计算量 */
        arm_copy_f32 (testInput_f32, testOutput, fftSize*2);
        arm_cfft_radix4_f32(&S, testOutput);
        ps=tt=0.0f;

        /* 即便是累加和用dsp都快了40%
        for (j=0;j<fftSize;j++)
                tt+=testOutput[j];
  */
        arm_mean_f32(testOutput,  fftSize,  &tt);
        tt=1/tt/fftSize;
        arm_scale_f32(testOutput, tt, testOutput,  fftSize);

        /* 恐怖的非dsp运算,加不加居然差10多倍
        for (j=0;j<fftSize;j++)
          ps+=testOutput[j]*log(testOutput[j]);
  */
                                
        /* 模拟mfcc计算量 */
        arm_cfft_radix4_f32(&S, testInput_f32);
        arm_cmplx_mag_f32(testInput_f32, testOutput, fftSize);  
        arm_max_f32(testOutput, fftSize, &maxValue, &testIndex);
        arm_cfft_radix4_f32(&S, testInput_f32);

        /* 模拟dtw计算量 有点问题,存储量好像不太够的样子,这个有点存疑*/
  arm_mat_mult_f32(&mtxA, &mtxB, &mtxC);
  arm_mat_mult_f32(&mtxA, &mtxB, &mtxC);
  arm_mat_mult_f32(&mtxA, &mtxB, &mtxC);
  arm_mat_mult_f32(&mtxA, &mtxB, &mtxC);

        while (status != ARM_MATH_SUCCESS);
         
       }        
        
}

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smartmcu|  楼主 | 2013-1-20 22:30 | 只看该作者
本帖最后由 smartmcu 于 2013-1-20 22:55 编辑

测试了一下,每次循环在4ms以内。虽然有一些存疑,特别是非dsp运算的log运算大幅度地降低了性能,但以后可以改成用谱的方差(也有dsp库),也可达到一定的效果。所以应该有很好的实用性,值得一试,争取完善之。

另,附件里有main.c、main.h、stm32f30x_it.c、tester.c和demo.hex,有兴趣者可以下载下来一试。

总算把作业初稿赶出来了,以后有时间,一定继续搞,兴奋和疲劳的星期天,有点小时候赶假期作业的快感,嚯嚯!

tester_hex.zip.zip

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smartmcu|  楼主 | 2013-1-23 13:46 | 只看该作者
提高速度还有更好的方法----CCM,把关键算法放到ram里,可以比2个时延的flash好得多。另外把pllmul提高成18(参考手册里说pll的倍数是15,16,16,应该是有错,俺测试的结果应该是15,16,18,否则用HSI就无法达到72MHZ----ST的设计人员不会那么变态的),外频用8mhz,flash时延选2,也可大幅提高速度。运行了几天都好好的,超频特性强喔!

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smartmcu|  楼主 | 2013-1-24 23:13 | 只看该作者
144Mhz应该有实用性! https://bbs.21ic.com/icview-435570-1-1.html

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hqfmcu201| | 2013-5-23 11:51 | 只看该作者
很不错哟

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wxlhonker| | 2013-5-23 12:22 | 只看该作者
楼主牛人,鉴定完毕

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agopie| | 2013-9-16 12:20 | 只看该作者
很不错哟

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puchuang| | 2013-9-16 18:29 | 只看该作者
很强大的技术**    需要看一段时间了   楼主  先谢谢你

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380036169| | 2014-5-2 08:00 | 只看该作者
先占个座,以后慢慢研究

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mmuuss586| | 2014-5-2 08:03 | 只看该作者
谢谢分享

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swing07| | 2015-2-11 11:42 | 只看该作者
好 有机会向LZ 请教

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foxglove| | 2015-3-15 09:35 | 只看该作者
stm32f3之语音识别

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hugo0chen| | 2015-6-25 16:59 | 只看该作者
牛人是肯定的了

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可可球| | 2015-6-25 17:21 | 只看该作者
语音识别的确是比较难的领域,涉及到信号处理、模式识别等等

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mintspring| | 2015-6-25 19:58 | 只看该作者
好 有机会向LZ 请教,大牛

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lxy403340994| | 2015-7-15 10:39 | 只看该作者
已经实现语音识别了吗?

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wei4350| | 2015-11-14 09:05 | 只看该作者
谢谢楼主分享

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foxglove| | 2015-11-14 10:56 | 只看该作者
stm32f3之语音识别复杂算法

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