EP1743324B1 - Device and method for analysing an information signal - Google Patents

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EP1743324B1
EP1743324B1 EP05744658A EP05744658A EP1743324B1 EP 1743324 B1 EP1743324 B1 EP 1743324B1 EP 05744658 A EP05744658 A EP 05744658A EP 05744658 A EP05744658 A EP 05744658A EP 1743324 B1 EP1743324 B1 EP 1743324B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
time
short
spectra
spectrum
information signal
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP05744658A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP1743324A1 (en
Inventor
Christian Dittmar
Christian Uhle
Jürgen HERRE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1743324A1 publication Critical patent/EP1743324A1/en
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Publication of EP1743324B1 publication Critical patent/EP1743324B1/en
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    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10LSPEECH ANALYSIS OR SYNTHESIS; SPEECH RECOGNITION; SPEECH OR VOICE PROCESSING; SPEECH OR AUDIO CODING OR DECODING
    • G10L25/00Speech or voice analysis techniques not restricted to a single one of groups G10L15/00 - G10L21/00
    • G10L25/48Speech or voice analysis techniques not restricted to a single one of groups G10L15/00 - G10L21/00 specially adapted for particular use

Definitions

  • the present invention relates to the analysis of information signals, such as audio signals, and more particularly to the analysis of information signals consisting of a superposition of sub-signals, wherein a sub-signal may originate from a single source or a group of individual sources.
  • the aim is also to "enrich" audio data with metadata to z. B. to recover a piece of music based on a fingerprint metadata.
  • the "fingerprint” should on the one hand be meaningful, and on the other hand be as short and concise as possible. "Fingerprint” thus refers to a compressed generated from a music signal Information signal, which does not contain the metadata, but for referencing to the metadata eg by searching in a database is used, for example in a system for the identification of audio material ("AudioID").
  • music data consists of the superposition of sub-signals from single sources. While pop music typically has relatively few individual sources, namely the singer, the guitar, the bass guitar, the drums, and a keyboard, the number of sources for an orchestral piece can become very large.
  • An orchestral piece and a pop music piece for example, consist of a superposition of the tones emitted by the individual instruments.
  • An orchestral piece or piece of music thus represents a superimposition of partial signals from individual sources, the partial signals being the sounds produced by the individual instruments of the orchestra or pop music ensemble, and the individual instruments being individual sources.
  • groups of original sources can also be considered as individual sources, so that at least two individual sources can be assigned to one signal.
  • An analysis of a general information signal is shown below by way of example only with reference to an orchestra signal.
  • the analysis of an orchestra signal can be done in many ways.
  • Further possibilities of the analysis are to extract a dominant rhythm, whereby a rhythm extraction on the basis of the percussion instruments better rather than on the basis of the more sound-giving instruments, which are also referred to as harmonic-sustained or "harmonic sustained" instruments.
  • harmonic-sustained or "harmonic sustained” instruments While percussion instruments typically include timpani, drums, rattles or other percussion instruments, the harmonic sustained instruments include all other instruments such as violins, wind instruments, etc.
  • the percussion instruments include all those acoustic or synthetic tone generators that contribute to the rhythm section due to their sound characteristics (e.g., rhythm guitar).
  • rhythm extraction of a piece of music it would be desirable for the rhythm extraction of a piece of music to extract only percussive parts from the entire piece of music and then perform rhythm recognition on the basis of these percussive parts, without the rhythm recognition being "disturbed” by signals from the harmonically sustained instruments.
  • any analysis aimed at extraction of metadata that requires only information from the harmonic sustained instruments e.g., a harmonic or melodic analysis
  • BSS Blind Source Separation
  • ICA Independent Component Analysis
  • the term BSS includes techniques for separating signals from a mix of signals with a minimum of prior knowledge of the nature of the signals and the mixing process.
  • the ICA is a method that makes use of the assumption that the sources underlying a mix are, at least to a degree, statistically independent of each other.
  • the mixing process is assumed to be fixed in time and the number of mixed signals observed is not less than the number of source signals underlying the mixture.
  • a method for the separation of single sources from mono audio signals is presented.
  • an application for a separation into single tracks and then the rhythm analysis is given.
  • a component analysis is performed to obtain a separation into percussive and non-percussive sounds of a polyphonic piece.
  • ICA Independent Component Analysis
  • amplitude bases which are obtained by means of generally calculated frequency bases from a spectrogram representation of a drum track. This is done for the purpose of transcription.
  • this method is extended to polyphonic music pieces.
  • an exhaustive pairwise similarity computation is performed over all the component signals, resulting in a similarity matrix in which all component signals are plotted along a y-axis, and in which all component signals are also plotted along the x-axis.
  • This two-dimensional array provides a similarity measure for each component signal, each time with a different component signal.
  • the Ixegram ie the two-dimensional matrix, is now used to perform a clustering, for which a grouping is performed using a cluster algorithm based on diadic data.
  • a cost function is defined that measures the compactness within a cluster and determines the homogeneity between clusters.
  • the cost function is minimized, so that ultimately results in an assignment of individual components to individual subspaces.
  • the subspan results in the speaker, the reconstructed information signal of the speaker subspace showing significant attenuation of the waterfall noise.
  • a disadvantage of the concepts described is the fact that the case occurs very likely that the signal components of a source come to lie on different component signals. This is why, as stated above, a complex and computation-intensive similarity calculation among all the component signals is performed to obtain the two-dimensional similarity matrix, on the basis of which, by means of a cost function to be minimized, then a division of component signals into subspaces is carried out.
  • the Independent Subspace Analysis can thus be used to decompose a time-frequency representation, such as a spectrogram, of an audio signal into independent component spectra.
  • a time-frequency representation such as a spectrogram
  • the previous methods described above rely either on a calculation-intensive determination of frequency and amplitude bases from the entire spectrogram or on a priori defined frequency bases.
  • a priori defined frequency bases or profile spectra consist for example in that one says that a trumpet is most likely to be found in one piece, and then an example spectrum of a trumpet is used for signal analysis.
  • a spectrogram typically consists of a sequence of individual spectra, wherein a hopping period is defined between the individual spectra, and wherein a spectrum represents a specific number of samples, so that a spectrum has a specific time length, ie a block of samples of the signal.
  • the duration represented by the block of samples from which a spectrum is computed is represented will be much larger than the hopping time to obtain a satisfactory spectrogram in view of the required frequency resolution and time resolution required.
  • this spectrogram representation is extremely redundant.
  • each sample occurs in 10 consecutive spectra.
  • the redundancy generated thereby can drive the computational time requirements to astronomical heights, especially when a larger number of instruments are being searched for.
  • the approach of working on the basis of the entire spectrogram is disadvantageous for cases in which not all the sources contained in a signal are to be extracted, but only, for example, sources of a certain type, that is to say sources having a specific characteristic .
  • a characteristic may involve percussive sources, ie percussion instruments, or so-called pitched instruments, also referred to as harmonic sustained instruments, which are typical melody instruments such as trumpet, violin, etc.
  • a method that works on the basis of all these sources is then too time-consuming and ultimately also not robust enough, for example, if only a few sources, namely the sources that are to fulfill a specific characteristic, are to be extracted.
  • the object of the present invention is to provide a robust and computationally efficient concept for analyzing an information signal.
  • the present invention is based on the finding that a robust and efficient information signal analysis is achieved by first extracting significant short-term spectra or short-term spectra derived from significant short-term spectra, such as difference spectra etc. from the entire information signal or from the spectrogram of the information signal, respectively Short-term spectra are extracted, which come closer to a specific characteristic than other short-term spectra of the information signal.
  • short-term spectra having percussive portions are extracted, and thus short-term spectra having harmonic components are not extracted.
  • the specific characteristic is a percussive or percussion characteristic.
  • the extracted short-term spectra or short-term spectra derived from the extracted short-term spectra are then fed to means for decomposing the short-term spectra into component signal spectra, a component signal spectrum representing a profile spectrum of a sound source, which generates a tone which corresponds to the desired characteristic, and wherein another component signal spectrum represents a different profile spectrum of a sound source which generates a sound which also corresponds to the desired characteristic.
  • an amplitude envelope is calculated over time, whereby the profile spectra and the original short-term spectra are used for the calculation of the amplitude envelope over time, so that for each time point at which a short-term spectrum was taken off Amplitude value is obtained.
  • the information thus obtained namely different profile spectra and amplitude envelopes for the profile spectra, provides a complete description of the music or information signal with respect to the specified characteristic which has been extracted so that this information may already be sufficient
  • To make a transcription so to first identify with the concepts of feature extraction and segmentation, which instrument "belongs" to the profile spectrum, and what rhythmic is present, so what climbs and drop events are present that indicate notes of this instrument played at certain times.
  • the present invention is advantageous in that for calculating the component analysis, that is to say for disassembling, not the entire spectrogram is used, but only extracted short-term spectra, ie that the calculation of the independent subspace analysis (ISA) takes place only on the basis of a subset of all spectra, so that the computational requirements be lowered. It also increases the robustness of finding certain sources, especially other short-term spectra that do not meet the specified characteristics are not present in the component analysis and thus do not represent any disturbance or "blurring" of the actual spectra.
  • ISA independent subspace analysis
  • the inventive concept is advantageous in that the profile spectra are determined directly from the signal, without resulting in the problem of prefabricated profile spectra, which in turn would lead to either inaccurate results or to increased computational effort.
  • the concept according to the invention is used to detect and classify percussive, non-harmonic instruments in polyphonic audio signals in order to obtain profile spectra as well as amplitude envelopes for the individual profile spectra.
  • Fig. 1 shows a preferred embodiment of an inventive apparatus for analyzing an information signal supplied via an input line 10 to a device 12 for providing a sequence of short-term spectra representing the information signal.
  • the information signal may also be supplied, for example, in time, to means 16 for extracting significant short-term spectra or short-term spectra derived from the short-term spectra from the information signal is designed for extracting to extract such short-term spectra, which come closer to a specific characteristic than other short-term spectra of the information signal.
  • the extracted spectra ie the original short-term spectra or the short-term spectra derived from the original short-term spectra, for example by differentiating, differentiating and rectifying or by other operations, are fed to a device 18 for decomposing the extracted short-term spectra into component signal spectra, wherein a component signal spectrum represents a profile spectrum of a sound source, which generates a sound corresponding to the characteristic sought, and wherein another profile spectrum represents another sound source which generates a sound which also corresponds to the sought characteristic.
  • the profile spectra are finally fed to an amplitude envelope calculating means 20 for the one sound source, the amplitude envelope indicating how the profile spectra of a sound source change over time, and in particular how the intensity or weighting of a profile spectrum changes over time.
  • the device 20 is designed to work on the basis of the sequence of short-term spectra on the one hand and on the basis of the profile spectra on the other hand, as can be seen from FIG.
  • the means 20 for calculating provides amplitude envelopes for the sources, while the means 18 provides profile spectra for the sound sources.
  • the profile spectra and the associated amplitude envelopes provide a complete description of the portion of the information signal that corresponds to the specific characteristic.
  • this portion is the percussive portion of a piece of music.
  • this share could also be the harmonic component.
  • the means for extracting significant short-term spectra would be designed differently, as in the case where the specific characteristic is a percussive characteristic.
  • FIG. 2 a preferred embodiment of the present invention is shown.
  • a detection and classification of percussive, non-harmonic instruments is performed, as also shown by a block 22 in FIG. This will be discussed later.
  • the means 12 for providing a train of short-term spectra is adapted to provide, by means of an appropriate time-frequency transformation to generate an amplitude spectrogram X.
  • the time / frequency device 12 is preferably a device for performing a short-time Fourier transform with a certain hopping period, or comprises filter banks.
  • a phase spectrogram is also obtained as an additional information source, as shown in FIG. 2 by a phase arrow 13.
  • a difference spectrogram ⁇ is obtained, as represented by the differentiator 16a.
  • the negative components resulting from differentiation are set to zero or - alternatively - made positive. This results in a non-negative difference spectrogram ⁇ .
  • the difference spectrogram is fed to a maximum searcher 16c, which is designed to search for the occurrence of local maxima in a detection function e, which is calculated before the maximum searcher 16c, after the times t, that is, for the indices of the corresponding spectrogram columns.
  • the detection function can be obtained, for example, by summing over all rows of X and then smoothing.
  • phase information provided via phase line 13 from block 12 to block 16c is used as an indicator of the reliability of the found maxima.
  • the spectra for which the maximum seeker detects a maximum in the detection function are used as X t and represent the extracted ones
  • a Principle Component Analysis is performed.
  • a sought number of components d is first set.
  • the PCA is performed by a suitable method such as Singular Value Decomposition or Eigenvalue Decomposition over the columns of the matrix X t .
  • X ⁇ X ⁇ t ⁇ T
  • the transformation matrix T effects a dimensional reduction on X, which results in a reduction in the number of columns of this matrix. Furthermore, a decorrelation and variance normalization is achieved.
  • a non-negative independent component analysis is then performed.
  • the method of non-negative Independent Component Analysis shown in [6] is performed on X to calculate a separation matrix A. According to the following equation, X is decomposed into independent components.
  • F A ⁇ X ⁇
  • the amplitude base is interpreted as a set of time-varying amplitude envelopes of the corresponding spectral profiles.
  • the spectral profile is obtained from the music signal itself.
  • the computational complexity compared to the previous method is reduced, and it is achieved a higher robustness compared to stationary signal components, ie signal components due to Harmonic Sustained instruments.
  • a feature extraction and a classification operation are then performed.
  • the components are divided into two subsets, namely first in a subset with the properties not percussive, so quasi-harmonic, and in another percussive subset ..
  • the components with the property percussive / dissonant further classified in various instrument classes.
  • a decision can then be made for drum inserts or an acceptance or acceptance of percussive maxima.
  • maxima with a transient rise in the amplitude envelope above a variable threshold are assumed to be a percussive event, while maxima having a transient rise below the variable threshold are discarded or recognized as an artifact and ignored.
  • the variable threshold preferably varies with the total amplitude over a larger range around the maximum.
  • the output is in an appropriate form that associates with the time of percussive events an instrument class, an intensity, and possibly other information, such as note or rhythm information in MIDI format.
  • the means 16 for extracting significant short-term spectra may be designed to perform this extraction on the basis of actual short-time spectra, as obtained, for example, in a short-time Fourier transformation.
  • the specific characteristic is the percussion characteristic
  • the differentiation results in the sequence of short-term spectra into a sequence of derived or differentiated spectra, each (differentiated) short-term spectrum now containing the changes between an original spectrum and the next spectrum.
  • the PCA 18a and the non-negative ICA 18b that is, more generally, the decomposition operation for decomposing the extracted short-term spectra in the block 18 of FIG. 1 not with the original short-term spectra but with the derived short-time spectra.
  • the effect is exploited that for strongly transient signals the differentiated signal is very similar to the original signal before differentiation, which is the case in particular when there are very rapid changes in a signal. This applies to percussive instruments.
  • typical digital audio signals are initially preprocessed by preprocessing the device 8. Further, as a PCM audio signal inputted to the preprocessing means 8, it is preferable to supply 16-bit-per-second-wide mono-files at a sampling frequency of 44.1 Hz. These audio signals, that is, this stream of audio samples, which may also be a stream of video samples and generally a stream of information samples, are fed to pre-processor 8 for time-domain preprocessing using software-based emulation an acoustic effect device, often referred to as an "exciter". In this concept, the pre-processing stage 8 amplifies the high-frequency portion of the audio signal.
  • a spectral representation of the preprocessed time signal is then obtained using the time / frequency means 12, which preferably performs a short-time Fourier transform (STFT).
  • STFT short-time Fourier transform
  • a relatively large block size of preferably 4096 values and high overlap are preferred.
  • the temporal resolution is increased to a desired accuracy by obtaining a small hop size, that is, a small hop interval between adjacent blocks.
  • a small hop size that is, a small hop interval between adjacent blocks.
  • 4096 samples per block subjected to a short-time Fourier transform which corresponds to a time block length of 92 ms.
  • the hop size is 10 ms. This means that each sample occurs over 9 consecutive times in a short-term spectrum.
  • the device 12 is designed to obtain an amplitude spectrum X.
  • the phase information can also be calculated and, as will be explained later, used in the extreme value or maximum searcher 16c.
  • the magnitude spectrum X now has n frequency bins or frequency coefficients and m columns or frames, ie individual short-time spectra.
  • the time-variant changes of each spectral coefficient are differentiated over all frames, by differentiator 16a, to minimize the impact of harmonic-sustaining sound sources, and to facilitate the subsequent detection of transients.
  • the differentiation which preferably has a difference between two short-term spectra of the sequence, may also have certain normalizations.
  • the maximum searcher 16c performs event detection, which will be discussed below.
  • the detection of multiple local extremes, and preferably local maxima associated with transient deployment events in the music signal, is performed by first defining a time tolerance that separates two consecutive percussion inserts.
  • a time of 68 ms is used as a constant value derived from the time resolution and knowledge about the music signal.
  • this value determines the number of individual spectra or differentiated individual spectra which must occur at least between two consecutive inserts.
  • This minimum distance is also supported by the observation that a sixteenth note takes 60 ms at an upper tempo limit of a very high tempo of 250 bpm.
  • a detection function is derived from the differentiated and rectified spectrum, ie from the sequence of rectified (different) short-term spectra, on the basis of which the maximum search can be carried out.
  • a sum over all frequency coefficients or all spectral bins is simply determined.
  • a convolution of the function obtained is performed with a suitable Hann window, so that a relatively smooth function e is obtained.
  • a sliding window of the tolerance length is "pushed" over the entire path e in order to obtain the ability to obtain a maximum per step.
  • the reliability of the Maximas search is improved by preferentially retaining only the maxima that appear in a window for more than one time, since they are most likely to be the peaks of interest.
  • the maxima which represent a maximum over a predetermined threshold of times, for example three times, the threshold ultimately depending on the ratio of the block length to the hop size. From this it can be seen that a maximum, if it really is a significant maximum, must actually be a maximum a certain number of times, ie ultimately a certain number of overlapping spectra, if it is thought that with the numerical values previously shown, each sample in at least 9 consecutive short-term spectra "mixed in".
  • the unwrapped phase information of the original spectrogram is used as the reliability function. It has been found that in the phase information, a significant positive-going phase shift must occur in addition to an estimated insertion time t, thereby avoiding that small ripples are erroneously considered as "onsets".
  • a small section of the difference spectrogram namely a short-term spectrum produced by differentiation, is then extracted and fed to the subsequent decomposition device.
  • the functionality of the device 18a for performing a principal component analysis will be discussed below. From the steps described in the previous section, the information about the time of occurrence t and the spectral compositions of the inserts, ie the extracted short-term spectra X t , are derived. For real music signals, one typically finds a large number of transient events within the duration of the piece of music. Even with a simple example of a piece at a speed of 120 beats per minute (bpm), it turns out that in a four-minute segment, 480 events can be set, assuming that only quarter notes occur.
  • bpm beats per minute
  • PCA principal component analysis
  • T describes a transformation matrix that is actually a subset of the manifold of eigenvectors.
  • the reciprocal values of the eigenvalues become used as scaling factors, which not only leads to a decorrelation, but also provides a variance normalization, which in turn leads to a whitening effect or a whitening effect.
  • a singular value decomposition (SVD) of X t can also be used. It has been found that the SVD is equivalent to the PCA with EVD.
  • the whitened components X are subsequently fed to the ICA stage 18b, which will be discussed below.
  • ICA Independent Component Analysis
  • PDF common probability density function
  • the first concept is always met, since the vectors subjected to the ICA result from the differentiated and half-wave equally weighted version X of the original spectrogram X , which thus never contains values less than zero, but certainly values equal to zero.
  • the second constraint is taken into account when the spectra collected at operating times are considered to be the linear combinations of a small set of original source spectra containing the instruments considered characterize. This, of course, is a pretty rough approximation, but it turns out to be sufficiently good in a variety of cases.
  • the spectra having inserts, and in particular the spectra of actual percussion instruments have no invariant structures, but are not subject to any changes in their spectral composition here. Nevertheless, it can be assumed, however, that there are characteristic features characteristic of spectral profiles of percussion sounds, thus allowing the whitened components X to be separated into their potential source or profile spectra F according to the following equation.
  • F A ⁇ X ⁇
  • A denotes a dxd demixing matrix determined by the ICA process which actually separates the individual components X.
  • the sources F are also called profile spectra in this document.
  • Each profile spectrum has n frequency bins, just like a spectrum of the original spectrogram, but is identical for all times except the amplitude normalization, ie the amplitude envelope. This means that such a profile spectrum contains only the spectral information related to an onset spectrum of an instrument.
  • the spectral profiles obtained after demixing still have certain dependencies. However, this should not be considered a faulty behavior.
  • Tests with spectral profiles of individual drum sounds have shown that the spectral profiles also have a strong dependence between the input spectra of different percussive instruments.
  • One way to measure the degree of mutual overlap and similarity along the frequency axis is to perform crosstalk measurements.
  • the spectral profiles obtained from the ICA process may be considered as a transfer function of highly frequency selective parts in a filterbank, with overlapping passbands leading to crosstalk in the output of the filterbank channels.
  • the crosstalk measure between two spectral profiles is calculated according to the following equation.
  • C i . j F i ⁇ F j T F i ⁇ F i T
  • i ranges from 1 to d
  • j ranges from 1 to d
  • j is other than i.
  • this value is related to the known cross-correlation coefficient, but uses a different normalization.
  • amplitude envelope determination is now performed in block 20 of FIG.
  • the original spectrogram that is to say the sequence of short-time spectra obtained, for example, by means 12 of FIG. 1 or in time / frequency / converter 12 of FIG. 2, is used.
  • the inventive concept gives highly specialized spectral profiles that are very close to the spectra of the instruments that actually appear in the signal. Nevertheless, the extracted amplitude envelopes are only in certain cases beautiful capture functions with sharp peaks, for example for dance-oriented music with very dominant percussive rhythm parts. Often, the amplitude envelopes contain smaller peaks and plateaus, which may be due to the above mentioned crosstalk effects.
  • a maximum number d of components in the PCA or ICA process is specified.
  • the extracted components are classified using a set of spectral-based and time-based features.
  • the classification should provide two pieces of information. First, the components are to be eliminated from the further process, which are recognized with high certainty as non-percussive. Furthermore, the remaining components are to be assigned to predefined instrument classes.
  • FIG. 3a shows a very fast and very high amplitude envelope for a percussive source
  • Fig. 3a is an amplitude envelope for a kick drum
  • Fig. 4a is an amplitude envelope for a trumpet.
  • the amplitude envelope for the trumpet shows a relatively rapid rise, and then a relatively slow decay, as is typical of harmonic sustained instruments.
  • the amplitude envelope for a percussive element increases very rapidly and very sharply, but also drops again just as fast and steeply, as a drum sound typically does not linger very long due to the nature of the generation of this tone or decays.
  • amplitude envelopes can thus be used as well for classification or feature extraction as the profiled spectra explained below, which in the case of a percussive source (Fig. 3b, Hi-Hat) and Fig. 4b in the case of a harmonically sustained instrument (guitar) clearly differ.
  • the harmonically sustained instrument shows a clear manifestation of the harmonics, whereas the percussive source has a rather noisy spectrum, which does not have pronounced harmonics, but overall has an area in which energy is concentrated Energy is concentrated, is very broadband.
  • a spectrally-based measure that is, a measure derived from the profile spectra (eg, FIGS. 3b and 4b), is used to obtain spectra of harmonically sustained tones of spectra related to percussive sounds separate.
  • a modified version of the calculation of this measure is used, showing tolerance to spectral lag phenomena, all harmonics dissonance and proper normalization.
  • a higher degree of computational efficiency is achieved by replacing an original dissonance function with a frequency pair weighting matrix.
  • the assignment of spectral profiles to a-priori-defined classes of percussive instruments is provided by a simple classifier for classifying the k nearest neighbors with spectral profiles of individual instruments as a training database.
  • the distance function is calculated from at least one correlation coefficient between a query profile and a database profile.
  • additional features that provide detailed information about the shape of the spectral profile are extracted. These include the previously mentioned individual features.
  • Drum-type inserts are detected in the amplitude envelopes, such as in the amplitude envelope in Figure 3a, using conventional peak selection methods, also referred to as peak picking. Only peaks in a tolerance range in addition to the original times t, ie the times at which the maximum seeker 16c gave a result, are considered as candidates for missions. Remaining peaks extracted from the amplitude envelopes are first stored for further consideration. The value of the amount of the amplitude envelope is assigned to each insert candidate at its position. If this value does not exceed a predetermined dynamic threshold, then the mission is not accepted. The threshold varies over the amount of energy in a larger time range surrounding the inserts.
  • an automatic detection and preferably also an automatic classification of non-pitched percussive instruments in real polyphonic music signals is thus achieved, the starting basis for this being the profile spectra on the one hand and the amplitude envelope on the other hand.
  • the rhythmic information of a piece of music can be well extracted, which in turn should lead to a favorable note-to-note transcription.
  • the inventive method for analyzing an information signal can be implemented in hardware or in software.
  • the implementation may be on a digital storage medium, in particular a floppy disk or CD with electronically readable control signals, which can cooperate with a programmable computer system, that the method is performed.
  • the invention thus also consists in a computer program product with a program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method when the computer program product runs on a computer.
  • the invention can thus be realized as a computer program with a program code for carrying out the method when the computer program runs on a computer.

Abstract

In order to analyse an information signal, a significant short-time spectrum is extracted from the information signal. The extraction device (16) is embodied in such a way as to extract the short-time spectra which come closer to a specific characteristic than other short-time spectra of the information signal. The extracted short-time spectra are then decomposed (18) into component signals, by ICA analysis, a component signal spectrum representing a profile spectrum of a sound source which generates a sound corresponding to the required characteristic. An amplitude envelope is calculated (20) for each profile spectrum from a series of short-time spectra of the information signal and from the determined profile spectra, said envelope indicating how the profile spectrum of a sound source generally varies over time. The profile spectra and associated amplitude envelopes describe the information signal that can be further evaluated, e.g. for the purposes of a transcription in the case of a music signal.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Analyse von Informationssignalen, wie beispielsweise Audiosignalen und insbesondere auf die Analyse von Informationssignalen, die aus einer Überlagerung von Teilsignalen bestehen, wobei ein Teilsignal von einer Einzelquelle oder einer Gruppe von Einzelquellen stammen kann.The present invention relates to the analysis of information signals, such as audio signals, and more particularly to the analysis of information signals consisting of a superposition of sub-signals, wherein a sub-signal may originate from a single source or a group of individual sources.

Die fortschreitende Entwicklung digitaler Distributionsmedien für multimediale Inhalte führt zu einer großen Vielfalt angebotener Daten. Für den menschlichen Nutzer ist die Grenze des Überschaubaren dabei längst überschritten. So gewinnt die inhaltliche Beschreibung der Daten durch Metadaten zunehmend an Bedeutung. Grundsätzlich besteht das Ziel, nicht nur Text-Dateien sondern auch z. B. Musikdateien, Videodateien oder sonstige Informationssignaldateien durchsuchbar zu machen, wobei derselbe Komfort wie bei gängigen Textdatenbanken angestrebt wird. Ein Ansatz hierfür ist der bekannte MPEG 7-Standard.The progressive development of digital distribution media for multimedia content leads to a large variety of data offered. For the human user, the limit of the manageable has long been exceeded. Thus, the content description of the data by metadata becomes increasingly important. Basically, the goal is not only text files but also z. B. music files, video files or other information signal files to make searchable, with the same comfort as in common text databases is sought. One approach to this is the well-known MPEG 7 standard.

Insbesondere bei der Analyse von Audiosignalen, also Signalen, die Musik und/oder Sprache umfassen, ist die Extraktion von Fingerabdrücken von großer Bedeutung.In particular, in the analysis of audio signals, ie signals that include music and / or speech, the extraction of fingerprints is of great importance.

Angestrebt wird ferner, Audiodaten mit Metadaten "anzureichern", um für z. B. ein Musikstück auf der Basis eines Fingerabdrucks Metadaten wiederzugewinnen. Der "Fingerabdruck" soll einerseits aussagekräftig sein, und andererseits möglichst kurz und prägnant sein. "Fingerabdruck" bezeichnet somit ein aus einem Musik-Signal generiertes komprimiertes Informationssignal, welches nicht die Metadaten enthält, sondern zur Referenzierung auf die Metadaten z.B. durch Suche in einer Datenbank dient, z.B. in einem System zur Identifikation von Audiomaterial ("AudioID").The aim is also to "enrich" audio data with metadata to z. B. to recover a piece of music based on a fingerprint metadata. The "fingerprint" should on the one hand be meaningful, and on the other hand be as short and concise as possible. "Fingerprint" thus refers to a compressed generated from a music signal Information signal, which does not contain the metadata, but for referencing to the metadata eg by searching in a database is used, for example in a system for the identification of audio material ("AudioID").

Normalerweise bestehen Musikdaten aus der Überlagerung von Teilsignalen von Einzelquellen. Während es bei einer Popmusik typischerweise relativ wenige Einzelquellen gibt, nämlich den Sänger, die Gitarre, die Bassgitarre, das Schlagzeug und ein Keyboard, so kann die Anzahl von Quellen für ein Orchesterstück sehr groß werden. Ein Orchesterstück und ein Popmusikstück beispielsweise bestehen aus einer Überlagerung der von den einzelnen Instrumenten abgegebenen Töne. Ein Orchesterstück bzw. irgendein Musikstück stellt somit eine Überlagerung von Teilsignalen von einzelnen Quellen dar, wobei die Teilsignale die von den einzelnen Instrumenten des Orchesters bzw. Popmusikensembles erzeugten Töne sind, und wobei die einzelnen Instrumente Einzelquellen sind.Usually, music data consists of the superposition of sub-signals from single sources. While pop music typically has relatively few individual sources, namely the singer, the guitar, the bass guitar, the drums, and a keyboard, the number of sources for an orchestral piece can become very large. An orchestral piece and a pop music piece, for example, consist of a superposition of the tones emitted by the individual instruments. An orchestral piece or piece of music thus represents a superimposition of partial signals from individual sources, the partial signals being the sounds produced by the individual instruments of the orchestra or pop music ensemble, and the individual instruments being individual sources.

Alternativ können auch Gruppen von ursprünglichen Quellen als Einzelquellen aufgefasst werden, so dass einem Signal wenigstens zwei Einzelquellen zugewiesen werden können.Alternatively, groups of original sources can also be considered as individual sources, so that at least two individual sources can be assigned to one signal.

Eine Analyse eines allgemeinen Informationssignals wird nachfolgend lediglich beispielhaft anhand eines Orchestersignals dargestellt. Die Analyse eines Orchestersignals kann auf vielerlei Arten und Weisen durchgeführt werden. So kann der Wunsch bestehen, die einzelnen Instrumente zu erkennen und aus dem Gesamtsignal die Einzelsignale der Instrumente zu extrahieren und gegebenenfalls in eine Notenschrift umzusetzen, wobei die Notenschrift als "Metadaten" fungieren würde. Weitere Möglichkeiten der Analyse bestehen darin, einen dominanten Rhythmus zu extrahieren, wobei eine Rhythmusextraktion auf der Basis der Schlaginstrumente besser vonstatten geht als auf der Basis der eher Ton-gebenden Instrumente, die auch als harmonisch-ausgehaltene oder "harmonic sustained" Instrumente bezeichnet werden. Während Schlaginstrumente typischerweise Pauken, Schlagzeuge, Rasseln oder sonstige Percussion-Instrumente umfassen, gehören zu den harmonisch ausgehaltenen Instrumenten alle sonstigen Instrumente, wie beispielsweise Geigen, Blasinstrumente, etc.An analysis of a general information signal is shown below by way of example only with reference to an orchestra signal. The analysis of an orchestra signal can be done in many ways. Thus, there may be a desire to recognize the individual instruments and to extract from the overall signal the individual signals of the instruments and possibly to convert them into a musical notation, wherein the notation would act as "metadata". Further possibilities of the analysis are to extract a dominant rhythm, whereby a rhythm extraction on the basis of the percussion instruments better rather than on the basis of the more sound-giving instruments, which are also referred to as harmonic-sustained or "harmonic sustained" instruments. While percussion instruments typically include timpani, drums, rattles or other percussion instruments, the harmonic sustained instruments include all other instruments such as violins, wind instruments, etc.

Weiterhin werden zu den Schlaginstrumenten alle jene akustischen oder synthetischen Klangerzeuger gezählt, die aufgrund ihrer Klangeigenschaften zur Rhythmussektion beitragen (z.B. Rhythmusgitarre).Furthermore, the percussion instruments include all those acoustic or synthetic tone generators that contribute to the rhythm section due to their sound characteristics (e.g., rhythm guitar).

So wäre es beispielsweise zur Rhythmusextraktion eines Musikstücks wünschenswert, aus dem gesamten Musikstück lediglich perkussive Anteile zu extrahieren und eine Rhythmuserkennung dann auf der Basis dieser percussiven Anteile durchzuführen, ohne dass die Rhythmuserkennung durch Signale von den harmonisch ausgehaltenen Instrumenten "gestört" wird.For example, it would be desirable for the rhythm extraction of a piece of music to extract only percussive parts from the entire piece of music and then perform rhythm recognition on the basis of these percussive parts, without the rhythm recognition being "disturbed" by signals from the harmonically sustained instruments.

Andererseits wird jegliche Analyse mit dem Ziel der Extraktion von Metadaten, die ausschließlich Informationen der harmonisch ausgehaltenen Instrumente benötigt (z.B. eine harmonische oder melodische Analyse), profitieren von einer vorgeschalteten Separation und einer Weiterverarbeitung der harmonisch ausgehaltenen Anteile.On the other hand, any analysis aimed at extraction of metadata that requires only information from the harmonic sustained instruments (e.g., a harmonic or melodic analysis) will benefit from upstream separation and further processing of the harmonically sustained portions.

In jüngster Vergangenheit wurde in diesem Zusammenhang über die Verwendung der Technik der Blind Source Separation (BSS) und der Independent Component Analysis (ICA) zur Signalverarbeitung und Signalanalyse berichtet. Einsatzgebiete finden sich insbesondere in der biomedizinischen Technik, der Kommunikationstechnik, der künstlichen Intelligenz und der Bildverarbeitung.More recently, the use of Blind Source Separation (BSS) and Independent Component Analysis (ICA) techniques for signal processing and signal analysis has been reported. Areas of application are especially in biomedical engineering, communication technology, artificial intelligence and image processing.

Allgemein umfasst der Begriff BSS Techniken zur Separation von Signalen aus einem Mix von Signalen mit einem Minimum an Vorkenntnissen über die Natur der Signale und des Mischungsprozesses. Die ICA ist ein Verfahren, welches sich der Annahme bedient, dass die einem Mix zugrundeliegenden Quellen zumindest bis zu einem gewissen Grad statistisch unabhängig voneinander sind. Weiterhin wird der Mischungsprozess als zeitlich unveränderlich und die Anzahl der beobachteten Mischsignale nicht kleiner als die Anzahl der der Mischung zugrundeliegenden Quellsignale angenommen.Generally, the term BSS includes techniques for separating signals from a mix of signals with a minimum of prior knowledge of the nature of the signals and the mixing process. The ICA is a method that makes use of the assumption that the sources underlying a mix are, at least to a degree, statistically independent of each other. Furthermore, the mixing process is assumed to be fixed in time and the number of mixed signals observed is not less than the number of source signals underlying the mixture.

Eine Erweiterung der ICA stellt die Independent Subspace Analysis (ISA) dar. Hier werden die Komponenten unterteilt in unabhängige Unterräume oder Subspaces, deren Komponenten nicht statistisch unabhängig sein müssen. Durch eine Transformation des Musiksignals wird eine mehrdimensionale Darstellung des Mischsignals ermittelt und der letzten Annahme für die ICA entsprochen. Verschiedene Verfahren zur Berechnung der unabhängigen Komponenten wurden in den letzten Jahren entwickelt. Einschlägige Literaturstellen, die sich zum Teil auch mit der Analyse von Audiosignalen beschäftigen, sind folgende:

  • [1] M.A. Casey and A. Westner, "Separation of Mixed Audio Sources by Independent Subspace Analysis", in Proc. of the International Computer Music Conference, Berlin, 2000
  • [2] I.F.O. Orife, "Riddim: A rhythm analysis and decomposition tool based on independent subspace analysis", Master thesis, Darthmouth College, Hanover, New Hampshire, 2001
  • [3] C. Uhle, C. Dittmar and T. Sporer, "Extraction of Drum Tracks from polyphonic Music using Independent Subspace Analysis", in Proc. of the Fourth International Symposium on Independent Component Analysis, Nara, Japan, 2003
  • [4] D. Fitzgerald, B. Lawlor and E. Coyle, "Prior Subspace Analysis for Drum Transcription", in Proc. Of the 114th AES Convention, Amsterdam, 2003
  • [5] D. Fitzgerald, B. Lawlor and E. Coyle,"Drum Transcription in the presence of pitched instruments using Prior Subspace Analysis", in Proc. of the ISSC, Limerick, Ireland, 2003
  • [6] M. Plumbley, "Algorithms for Non-Negative Independent Component Analysis", in IEEE Transactions on Neural Networks, 14 (3), pp 534- 543, May 2003
  • [7] T. HEITTOLA ET AL.: "Locating Segments with Drums in Music Signals" 3RD INTERNATIONAL CONFERENCE ON MUSIC INFORMATION RETRIEVAL ISMIR 2002, Oktober 2002 (2002-10), Seiten 1-6, XP002341222
An extension of the ICA is the Independent Subspace Analysis (ISA). Here, the components are subdivided into independent subspaces or subspaces whose components need not be statistically independent. By transforming the music signal, a multi-dimensional representation of the mixed signal is determined and the last assumption for the ICA is met. Various methods for calculating the independent components have been developed in recent years. Relevant references, some of which also deal with the analysis of audio signals, are the following:
  • [1] MA Casey and A. Westner, "Separation of Mixed Audio Sources by Independent Subspace Analysis," in Proc. of the International Computer Music Conference, Berlin, 2000
  • [2] IFO Orife, "Riddim: A rhythm analysis and decomposition tool based on independent subspace analysis", Master thesis, Dartmouth College, Hanover, New Hampshire, 2001
  • [3] C. Uhle, C. Dittmar and T. Sporer, "Extraction of Drum Tracks from Polyphonic Music using Independent Subspace Analysis", in Proc. of the Fourth International Symposium on Independent Component Analysis, Nara, Japan, 2003
  • [4] D. Fitzgerald, B. Lawlor and E. Coyle, Prior Priority Analysis for Drum Transcription, in Proc. Of the 114th AES Convention, Amsterdam, 2003
  • [5] D. Fitzgerald, B. Lawlor and E. Coyle, "Drum Transcription in the Presence of Pitched Instruments Using Prior Subspace Analysis", in Proc. of the ISSC, Limerick, Ireland, 2003
  • [6] M. Plumbley, "Algorithms for Non-Negative Independent Component Analysis," IEEE Transactions on Neural Networks, 14 (3), pp 534-543, May 2003
  • [7] T. HEITTOLA ET AL .: "Locating Segments with Drums in Music Signals" 3RD INTERNATIONAL CONFERENCE ON MUSIC INFORMATION RETRIEVAL ISMIR 2002, October 2002 (2002-10), pages 1-6, XP002341222

In [1] wird ein Verfahren zur Separation von Einzelquellen aus Mono-Audiosignalen dargestellt. In [2] wird eine Anwendung für eine Auftrennung in Einzelspuren und anschließend die Rhythmusanalyse gegeben. In [3] wird eine Komponentenanalyse durchgeführt, um eine Auftrennung in perkussive und nicht-perkussive Klänge eines polyphonen Stücks zu erreichen. In [4] wird die Independent Component Analysis (ICA) auf Amplitudenbasen angewendet, die mittels allgemein berechneter Frequenzbasen aus einer Spektrogrammdarstellung einer Schlagzeugspur gewonnen werden. Dies wird zum Zwecke der Transkription durchgeführt. In [5] wird dieses Verfahren auf polyphone Musikstücke erweitert.In [1] a method for the separation of single sources from mono audio signals is presented. In [2] an application for a separation into single tracks and then the rhythm analysis is given. In [3] a component analysis is performed to obtain a separation into percussive and non-percussive sounds of a polyphonic piece. In [4] Independent Component Analysis (ICA) is applied to amplitude bases, which are obtained by means of generally calculated frequency bases from a spectrogram representation of a drum track. This is done for the purpose of transcription. In [5] this method is extended to polyphonic music pieces.

Die erste vorstehend genannte Veröffentlichung von Casey sei nachfolgend beispielhaft für den Stand der Technik dargestellt. Diese Veröffentlichung beschreibt ein Verfahren zum Trennen von gemischten Audioquellen durch die Technik der unabhängigen Unterraumanalyse. Hierzu wird unter Verwendung von BSS-Techniken ein Audiosignal in einzelne Komponentensignale aufgesplittet. Zum Feststellen, welche der einzelnen Komponentensignale zu einem Multikomponenten-Unterraum gehören, wird eine Gruppierung dahingehend durchgeführt, dass die Ähnlichkeit der Komponenten untereinander durch ein sogenanntes Ixegramm dargestellt wird. Das Ixegramm wird als Kreuzentropie-Matrix der unabhängigen Komponenten untereinander bezeichnet. Es wird dadurch berechnet, dass alle einzelnen Komponentensignale paarweise in einer Korrelationsberechnung untersucht werden, um ein Maß dafür zu finden, wie ähnlich zwei Komponenten sind. Über allen Komponentensignalen wird daher eine erschöpfende paarweise Ähnlichkeitsberechnung durchgeführt, so dass sich eine Ähnlichkeitsmatrix ergibt, bei der entlang einer y-Achse alle Komponentensignale aufgetragen werden, und bei der ferner entlang der x-Achse ebenfalls alle Komponentensignale aufgetragen werden. Dieses zweidimensionale Array liefert für jedes Komponentensignal ein Ähnlichkeitsmaß mit jeweils einem anderen Komponentensignal. Das Ixegramm, also die zweidimensionale Matrix, wird nun dazu verwendet, ein Clustering durchzuführen, wobei hierzu eine Gruppierung unter Verwendung eines Cluster-Algorithmus auf der Basis von diadischen Daten durchgeführt wird. Um eine optimale Partitionierung des Ixegramms in k Klassen durchzuführen, wird eine Kostenfunktion definiert, die die Kompaktheit innerhalb eines Clusters misst und die Homogenität zwischen Clustern bestimmt. Die Kostenfunktion wird minimiert, so dass sich letztendlich eine Zuordnung von einzelnen Komponenten zu einzelnen Unterräumen ergibt. Angewendet auf ein Signal, das einen Sprecher im Kontext eines durchgehenden Wasserfallrauschens darstellt, ergibt sich als Unterraum der Sprecher, wobei das rekonstruierte Informationssignal des Sprecher-Unterraums eine signifikante Dämpfung des Wasserfallrauschens zeigt.The first above-mentioned publication by Casey is shown below by way of example for the prior art. This publication describes a technique for separating mixed audio sources by the art the independent subspace analysis. For this purpose, an audio signal is split into individual component signals using BSS techniques. To determine which of the individual component signals belong to a multicomponent subspace, a grouping is carried out in such a way that the similarity of the components to one another is represented by a so-called Ixegram. The Ixegram is referred to as the cross-entropy matrix of the independent components. It is calculated by examining each individual component signal in pairs in a correlation calculation to find a measure of how similar two components are. Therefore, an exhaustive pairwise similarity computation is performed over all the component signals, resulting in a similarity matrix in which all component signals are plotted along a y-axis, and in which all component signals are also plotted along the x-axis. This two-dimensional array provides a similarity measure for each component signal, each time with a different component signal. The Ixegram, ie the two-dimensional matrix, is now used to perform a clustering, for which a grouping is performed using a cluster algorithm based on diadic data. To perform optimal partitioning of the Ixegram into k classes, a cost function is defined that measures the compactness within a cluster and determines the homogeneity between clusters. The cost function is minimized, so that ultimately results in an assignment of individual components to individual subspaces. Applied to a signal representing a speaker in the context of a continuous waterfall noise, the subspan results in the speaker, the reconstructed information signal of the speaker subspace showing significant attenuation of the waterfall noise.

Nachteilig an den beschriebenen Konzepten ist die Tatsache, dass sehr wahrscheinlich der Fall auftritt, dass die Signalanteile einer Quelle auf verschiedenen Komponentensignalen zu liegen kommen. Dies ist der Grund dafür, dass, wie es vorstehend ausgeführt worden ist, eine komplexe und rechenzeitintensive Ähnlichkeitsberechnung unter allen Komponentensignalen durchgeführt wird, um die zweidimensionale Ähnlichkeitsmatrix zu erhalten, auf der Basis derer dann mittels einer zu minimierenden Kostenfunktion letztendlich eine Einteilung von Komponentensignalen in Unterräume durchgeführt wird.A disadvantage of the concepts described is the fact that the case occurs very likely that the signal components of a source come to lie on different component signals. This is why, as stated above, a complex and computation-intensive similarity calculation among all the component signals is performed to obtain the two-dimensional similarity matrix, on the basis of which, by means of a cost function to be minimized, then a division of component signals into subspaces is carried out.

Des weiteren nachteilhaft ist, dass in dem Fall, in dem mehrere einzelne Quelle vorliegen, also wo das Ausgangssignal nicht a priori bekannt ist, zwar nach längerer Rechnung eine Ähnlichkeitsverteilung vorliegt, dass jedoch die Ähnlichkeitsverteilung selbst noch keinen tatsächlichen Einblick in die tatsächliche Audioszene liefert. So weiß der Betrachter lediglich, dass bestimmte Komponentensignale zueinander im Hinblick auf die minimierte Kostenfunktion ähnlich sind. Er weiß jedoch nicht, welche Informationen diese letztendlich erhaltenen Unterräume tragen bzw. welche ursprüngliche Einzelquelle oder welche Gruppe von Einzelquellen durch einen Unterraum dargestellt werden.Furthermore, it is disadvantageous that in the case in which there are several individual sources, ie where the output signal is not known a priori, a similarity distribution exists after a long calculation, but that the similarity distribution itself does not yet provide any actual insight into the actual audio scene. Thus, the viewer merely knows that certain component signals are similar to each other in terms of the minimized cost function. However, he does not know which information these ultimately obtained subspaces carry or which original individual source or which group of individual sources are represented by a subspace.

Die Independent Subspace Analysis (ISA) kann somit dazu genutzt werden, um eine Zeit-Frequenz-Repräsentation, z.B. ein Spektrogramm, eines Audiosignals in unabhängige Komponenten-Spektren zu zerlegen. Die vorher beschriebenen bisherigen Verfahren setzen dabei entweder auf eine berechnungsintensive Ermittlung von Frequenz- und Amplitudenbasen aus dem gesamten Spektrogramm oder auf a priori definierte Frequenzbasen. Solche a priori definierte Frequenzbasen bzw. Profilspektren bestehen beispielsweise darin, dass man sagt, dass in einem Stück sehr wahrscheinlich eine Trompete vorkommt, und dass dann zur Signalanalyse ein Beispiel-Spektrum einer Trompete verwendet wird.The Independent Subspace Analysis (ISA) can thus be used to decompose a time-frequency representation, such as a spectrogram, of an audio signal into independent component spectra. The previous methods described above rely either on a calculation-intensive determination of frequency and amplitude bases from the entire spectrogram or on a priori defined frequency bases. Such a priori defined frequency bases or profile spectra consist for example in that one says that a trumpet is most likely to be found in one piece, and then an example spectrum of a trumpet is used for signal analysis.

Dieses Prozedere hat den Nachteil, dass man von vornherein alle auftretenden Instrumente wissen muss, was der automatisierten Verarbeitung bereits prinzipiell zuwiderläuft. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass es, wenn genau gearbeitet werden soll, nicht nur zum Beispiel Trompeten gibt, sondern viele verschiedene Arten von Trompeten, die sich alle in ihrer Klangfarbe und damit in ihrem Spektrum unterscheiden. Würde man derart vorgehen, dass man nun alle Arten von Beispielspektren zur Komponentenanalyse einsetzt, so wird das Verfahren wiederum sehr aufwändig und bekommt eine sehr hohe Redundanz, da typischerweise nicht alle denkbaren verschiedenen Trompeten in einem Stück vorkommen, sondern nur Trompeten einer einzigen Art, also mit einem einzigen Profilspektrum, oder vielleicht mit einigen wenigen unterschiedlichen Klangfarben, also wenigen Profilspektren. Noch problematischer wird es bei verschiedenen Noten einer Trompete, zumal jeder Ton je nach Tonhöhe ein aufgespreiztes/gestauchtes Profilspektrum aufweist. Um dies zu berücksichtigen ist der Rechenaufwand ebenfalls immens.This procedure has the disadvantage that one must know from the outset all occurring instruments, which already runs counter to the automated processing in principle. Another disadvantage is that, if you want to work exactly, there are not only trumpets, for example, but many different types of trumpets, all of which differ in their timbre and thus in their spectrum. If you proceeded in such a way that you now use all types of sample spectra for component analysis, the process is again very complex and gets a very high degree of redundancy, since typically not all conceivable different trumpets occur in one piece, but only trumpets of a single species, ie with a single profile spectrum, or perhaps with a few different timbres, so few profile spectra. It is even more problematic with different notes of a trumpet, especially since each tone has a spread / compressed profile spectrum depending on the pitch. To account for this, the computational effort is also immense.

Andererseits ist die Zerlegung aufgrund von ISA-Konzepten dann außerordentlich rechenaufwändig und störungsanfällig, wenn das gesamte Spektrogramm verwendet wird. Es sei darauf hingewiesen, dass ein Spektrogramm typischerweise aus einer Folge von Einzelspektren besteht, wobei zwischen den Einzelspektren eine Hopping-Zeitdauer definiert ist, und wobei ein Spektrum eine bestimmte Anzahl von Abtastwerten repräsentiert, so dass einem Spektrum eine bestimmte zeitliche Länge, also ein Block von Abtastwerten des Signals zugeordnet ist. Typischerweise wird die Dauer, die durch den Block von Abtastwerten, aus dem ein Spektrum berechnet wird, repräsentiert wird, wesentlich größer als die Hopping-Zeit sein, um im Hinblick auf die erforderliche Frequenzauflösung und im Hinblick auf die erforderliche Zeitauflösung ein zufriedenstellendes Spektrogramm zu erhalten. Anderseits ist jedoch zu sehen, dass diese Spektrogrammdarstellung außerordentlich redundant ist. Wird beispielsweise der Fall betrachtet, dass eine Hopping-Zeitdauer 10 ms beträgt, und dass einem Spektrum ein Block von Abtastwerten mit einer zeitlichen Länge von zum Beispiel 100 ms zugrunde liegt, so tritt jeder Abtastwert in 10 aufeinander folgenden Spektren auf. Die dadurch erzeugte Redundanz kann insbesondere dann, wenn eine größere Anzahl von Instrumenten gesucht wird, die Rechenzeitanforderungen in astronomische Höhen treiben.On the other hand, decomposition due to ISA concepts is extremely computationally expensive and susceptible to interference when the entire spectrogram is used. It should be noted that a spectrogram typically consists of a sequence of individual spectra, wherein a hopping period is defined between the individual spectra, and wherein a spectrum represents a specific number of samples, so that a spectrum has a specific time length, ie a block of samples of the signal. Typically, the duration represented by the block of samples from which a spectrum is computed is represented will be much larger than the hopping time to obtain a satisfactory spectrogram in view of the required frequency resolution and time resolution required. On the other hand, however, it can be seen that this spectrogram representation is extremely redundant. For example, considering the case that a hopping period is 10 ms, and that a spectrum is based on a block of samples having a time length of, for example, 100 ms, each sample occurs in 10 consecutive spectra. The redundancy generated thereby can drive the computational time requirements to astronomical heights, especially when a larger number of instruments are being searched for.

Des weiteren ist der Ansatz, auf der Basis des gesamten Spektrogramms zu arbeiten, für solche Fälle nachteilhaft, bei denen von einem Signal nicht alle enthaltenen Quellen extrahiert werden sollen, sondern nur zum Beispiel Quellen eines bestimmten Typs, also Quellen, die eine bestimmte Charakteristik haben. Eine solche Charakteristik kann perkussive Quellen, also Schlaginstrumente, betreffen, oder sogenannte gepitchte Instrumente, die auch als Harmonic-Sustained-Instrumente bezeichnet werden, welche typische Melodie-Instrumente, wie Trompete, Geige, etc. sind. Ein Verfahren, das auf der Basis aller dieser Quellen arbeitet, ist dann zu aufwändig und letztendlich auch zu wenig robust, wenn zum Beispiel nur einige Quellen, nämlich die Quellen, die eine bestimmte Charakteristik erfüllen sollen, extrahiert werden sollen. In diesem Fall werden nämlich Einzelspektren des Spektrogramms, in denen solche Quellen nicht oder nur sehr gering auftreten, das Gesamtergebnis verfälschen bzw. "verwaschen", da diese Spektren des Spektrogramms selbstverständlich ebenfalls in die letztendliche Komponentenanalyseberechnung eingehen wie die signifikanten Spektren.Furthermore, the approach of working on the basis of the entire spectrogram is disadvantageous for cases in which not all the sources contained in a signal are to be extracted, but only, for example, sources of a certain type, that is to say sources having a specific characteristic , Such a characteristic may involve percussive sources, ie percussion instruments, or so-called pitched instruments, also referred to as harmonic sustained instruments, which are typical melody instruments such as trumpet, violin, etc. A method that works on the basis of all these sources is then too time-consuming and ultimately also not robust enough, for example, if only a few sources, namely the sources that are to fulfill a specific characteristic, are to be extracted. In this case, individual spectra of the spectrogram in which such sources do not occur, or only very slightly, falsify or "wash out" the overall result, since these spectrogram spectra are of course also included in the final Component analysis calculation as the significant spectra.

In [7] wird ein weiteres Verfahren offenbart, um aus einem Musiksignal Abschnitte mit Tonsignalen eines Schlagzeuginstrumentes zu bestimmen.In [7] another method is disclosed to determine from a music signal sections with sound signals of a percussion instrument.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein robustes und rechenzeiteffizientes Konzept zum Analysieren eines Informationssignals zu schaffen.The object of the present invention is to provide a robust and computationally efficient concept for analyzing an information signal.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Analysieren eines Informationssignals nach Patentanspruch 1, ein Verfahren zum Analysieren eines Informationssignals nach Patentanspruch 24 oder ein Computerprogramm nach Patentanspruch 25 gelöst.This object is achieved by an apparatus for analyzing an information signal according to claim 1, a method for analyzing an information signal according to claim 24 or a computer program according to claim 25.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine robuste und effiziente Informationssignalanalyse dadurch erreicht wird, dass zunächst signifikante Kurzzeitspektren oder von signifikanten Kurzzeitspektren abgeleitete Kurzzeitspektren, wie beispielsweise Differenzspektren etc. aus dem gesamten Informationssignal bzw. aus dem Spektrogramm des Informationssignals extrahiert werden, wobei solche Kurzzeitspektren extrahiert werden, die einer spezifischen Charakteristik näher kommen als andere Kurzzeitspektren des Informationssignals.The present invention is based on the finding that a robust and efficient information signal analysis is achieved by first extracting significant short-term spectra or short-term spectra derived from significant short-term spectra, such as difference spectra etc. from the entire information signal or from the spectrogram of the information signal, respectively Short-term spectra are extracted, which come closer to a specific characteristic than other short-term spectra of the information signal.

Vorzugsweise werden Kurzzeitspektren extrahiert, die perkussive Anteile haben, und werden somit Kurzzeitspektren nicht extrahiert, die harmonische Anteile haben. In diesem Fall ist die spezifische Charakteristik eine perkussive bzw. Schlagzeug-Charakteristik.Preferably, short-term spectra having percussive portions are extracted, and thus short-term spectra having harmonic components are not extracted. In this case, the specific characteristic is a percussive or percussion characteristic.

Die extrahierten Kurzzeitspektren oder von den extrahierten Kurzzeitspektren abgeleitete Kurzzeitspektren werden dann eine Einrichtung zum Zerlegen der Kurzzeitspektren in Komponentensignalspektren zugeführt, wobei ein Komponentensignalspektrum ein Profilspektrum einer Tonquelle darstellt, die einen Ton erzeugt, der der gesuchten Charakteristik entspricht, und wobei ein anderes Komponentensignalspektrum ein anderes Profilspektrum einer Tonquelle darstellt, die einen Ton erzeugt, der ebenfalls der gesuchten Charakteristik entspricht.The extracted short-term spectra or short-term spectra derived from the extracted short-term spectra are then fed to means for decomposing the short-term spectra into component signal spectra, a component signal spectrum representing a profile spectrum of a sound source, which generates a tone which corresponds to the desired characteristic, and wherein another component signal spectrum represents a different profile spectrum of a sound source which generates a sound which also corresponds to the desired characteristic.

Schließlich wird auf der Basis der Profilspektren der Tonquellen eine Amplitudenhüllkurve über der Zeit berechnet, wobei für die Berechnung der Amplitudenhüllkurve über der Zeit die ermittelten Profilspektren sowie die ursprünglichen Kurzzeitspektren verwendet werden, so dass für jeden Zeitpunkt, zu dem ein Kurzzeitspektrum abgenommen wurde, auch ein Amplitudenwert erhalten wird.Finally, on the basis of the profile spectra of the sound sources, an amplitude envelope is calculated over time, whereby the profile spectra and the original short-term spectra are used for the calculation of the amplitude envelope over time, so that for each time point at which a short-term spectrum was taken off Amplitude value is obtained.

Die derart erhaltene Information, nämlich verschiedene Profil-Spektren sowie Amplitudenhüllkurven für die Profilspektren, liefern liefert eine vollständige Beschreibung des Musik- bzw. Informationssignals im Hinblick auf die spezifizierte Charakteristik, nach der extrahiert worden ist, so dass diese Informationen bereits ausreichend sein können, um eine Transkription zu machen, also um mit Konzepten der Merkmalsextraktion und Segmentierung zunächst festzustellen, welches Instrument zu dem Profilspektrum "gehört", und welche Rhythmik vorliegt, also welche Anstiege und Abfallereignisse vorliegen, die auf zu bestimmten Zeitpunkten gespielte Noten dieses Instruments hinweisen.The information thus obtained, namely different profile spectra and amplitude envelopes for the profile spectra, provides a complete description of the music or information signal with respect to the specified characteristic which has been extracted so that this information may already be sufficient To make a transcription, so to first identify with the concepts of feature extraction and segmentation, which instrument "belongs" to the profile spectrum, and what rhythmic is present, so what climbs and drop events are present that indicate notes of this instrument played at certain times.

Die vorliegende Erfindung ist dahingehend vorteilhaft, dass zur Berechnung der Komponentenanalyse also zum Zerlegen nicht das gesamte Spektrogramm verwendet wird, sondern nur extrahierte Kurzzeitspektren, dass also die Berechnung der Independent Subspace Analysis (ISA) nur anhand einer Teilmenge aller Spektren stattfindet, so dass die Rechenanforderungen gesenkt werden. Ferner wird auch die Robustheit hinsichtlich des Auffindens bestimmter Quellen erhöht, zumal andere Kurzzeitspektren, die die spezifizierte Charakteristik nicht erfüllen, bei der Komponentenanalyse nicht vorhanden sind und damit auch keine Störung bzw. keine "Verwaschung" der tatsächlichen Spektren darstellen.The present invention is advantageous in that for calculating the component analysis, that is to say for disassembling, not the entire spectrogram is used, but only extracted short-term spectra, ie that the calculation of the independent subspace analysis (ISA) takes place only on the basis of a subset of all spectra, so that the computational requirements be lowered. It also increases the robustness of finding certain sources, especially other short-term spectra that do not meet the specified characteristics are not present in the component analysis and thus do not represent any disturbance or "blurring" of the actual spectra.

Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Konzept dahingehend vorteilhaft, dass die Profilspektren direkt aus dem Signal ermittelt werden, ohne dass sich die Problematik der vorgefertigten Profilspektren ergibt, welche wiederum zu entweder ungenauen Ergebnissen oder zu einem erhöhten Rechenaufwand führen würde.In addition, the inventive concept is advantageous in that the profile spectra are determined directly from the signal, without resulting in the problem of prefabricated profile spectra, which in turn would lead to either inaccurate results or to increased computational effort.

Vorzugsweise wird zur Detektion und Klassifikation von perkussiven, nicht-harmonischen Instrumenten in polyphonen Audiosignalen das erfindungsgemäße Konzept eingesetzt, um sowohl Profilspektren als auch Amplitudenhüllkurven für die einzelnen Profilspektren zu erhalten.Preferably, the concept according to the invention is used to detect and classify percussive, non-harmonic instruments in polyphonic audio signals in order to obtain profile spectra as well as amplitude envelopes for the individual profile spectra.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:

Fig. 1
ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Analysieren eines Informationssignals;
Fig. 2
ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Analysieren eines Informationssignals;
Fig. 3a
ein Beispiel für eine Amplitudenhüllkurve für eine perkussive Quelle;
Fig. 3b
ein Beispiel für ein Profilspektrum für eine perkussive Quelle;
Fig. 4a
ein Beispiel für eine Amplitudenhüllkurve für ein harmonisch ausgehaltenes Instrument; und
Fig. 4b
ein Beispiel für ein Profilspektrum für ein harmonisch ausgehaltenes Instrument.
Preferred embodiments of the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1
a block diagram of the inventive apparatus for analyzing an information signal;
Fig. 2
a block diagram of a preferred embodiment of the inventive apparatus for analyzing an information signal;
Fig. 3a
an example of an amplitude envelope for a percussive source;
Fig. 3b
an example of a profile spectrum for a percussive source;
Fig. 4a
an example of an amplitude envelope for a harmonically sustained instrument; and
Fig. 4b
an example of a profile spectrum for a harmoniously sustained instrument.

Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Analysieren eines Informationssignals, das über eine Eingangsleitung 10 einer Einrichtung 12 zum Bereitstellen einer Folge von Kurzzeitspektren, die das Informationssignal darstellen, zugeführt wird. Wie es durch eine Umwegleitung 14 in Fig. 1 dargestellt ist, die gestrichelt gezeichnet ist, kann das Informationssignal auch zum Beispiel in zeitlicher Form einer Einrichtung 16 zum Extrahieren von signifikanten Kurzzeitspektren oder von den Kurzzeitspektren abgeleiteten Kurzzeitspektren aus dem Informationssignal zugeführt werden, wobei die Einrichtung zum Extrahieren ausgebildet ist, um solche Kurzzeitspektren zu extrahieren, die einer spezifischen Charakteristik näher kommen als andere Kurzzeitspektren des Informationssignals.Fig. 1 shows a preferred embodiment of an inventive apparatus for analyzing an information signal supplied via an input line 10 to a device 12 for providing a sequence of short-term spectra representing the information signal. As shown by a detour line 14 in FIG. 1, which is shown in phantom, the information signal may also be supplied, for example, in time, to means 16 for extracting significant short-term spectra or short-term spectra derived from the short-term spectra from the information signal is designed for extracting to extract such short-term spectra, which come closer to a specific characteristic than other short-term spectra of the information signal.

Die extrahierten Spektren, also die ursprünglichen Kurzzeitspektren oder die von den ursprünglichen Kurzzeitspektren zum Beispiel durch Differenzieren, Differenzieren und Gleichrichten oder durch andere Operationen abgeleiteten Kurzzeitspektren werden einer Einrichtung 18 zum Zerlegen der extrahierten Kurzzeitspektren in KomponentenSignalspektren zugeführt, wobei ein KomponentenSignalspektrum ein Profilspektrum einer Tonquelle darstellt, die einen Ton erzeugt, der der gesuchten Charakteristik entspricht, und wobei ein anderes Profilspektrum eine andere Tonquelle darstellt, die einen Ton erzeugt, der der gesuchten Charakteristik ebenfalls entspricht.The extracted spectra, ie the original short-term spectra or the short-term spectra derived from the original short-term spectra, for example by differentiating, differentiating and rectifying or by other operations, are fed to a device 18 for decomposing the extracted short-term spectra into component signal spectra, wherein a component signal spectrum represents a profile spectrum of a sound source, which generates a sound corresponding to the characteristic sought, and wherein another profile spectrum represents another sound source which generates a sound which also corresponds to the sought characteristic.

Die Profilspektren werden schließlich einer Einrichtung 20 zum Berechnen einer Amplitudenhüllkurve für die eine Tonquelle zugeführt, wobei die Amplitudenhüllkurve angibt, wie sich die Profilspektren einer Tonquelle über der Zeit ändern, und insbesondere wie sich die Intensität oder Gewichtung eines Profilspektrums mit der Zeit ändert. Die Einrichtung 20 ist ausgebildet, um auf der Basis der Folge von Kurzzeitspektren einerseits sowie auf der Basis der Profilspektren andererseits zu arbeiten, wie es aus Fig. 1 hervorgeht. Ausgangsseitig liefert die Einrichtung 20 zum Berechnen Amplitudenhüllkurven für die Quellen, während die Einrichtung 18 Profilspektren für die Tonquellen liefert. Die Profilspektren sowie die zugehörigen Amplitudenhüllkurven liefern eine vollständige Beschreibung des Anteils des Informationssignals, der der spezifischen Charakteristik entspricht. Vorzugsweise ist dieser Anteil der perkussive Anteil eines Musikstücks. Alternativ könnte dieser Anteil jedoch auch der harmonische Anteil sein. In diesem Fall würde die Einrichtung zum Extrahieren von signifikanten Kurzzeitspektren anders ausgestaltet sein wie in dem Fall, in dem die spezifische Charakteristik eine perkussive Charakteristik ist.The profile spectra are finally fed to an amplitude envelope calculating means 20 for the one sound source, the amplitude envelope indicating how the profile spectra of a sound source change over time, and in particular how the intensity or weighting of a profile spectrum changes over time. The device 20 is designed to work on the basis of the sequence of short-term spectra on the one hand and on the basis of the profile spectra on the other hand, as can be seen from FIG. On the output side, the means 20 for calculating provides amplitude envelopes for the sources, while the means 18 provides profile spectra for the sound sources. The profile spectra and the associated amplitude envelopes provide a complete description of the portion of the information signal that corresponds to the specific characteristic. Preferably, this portion is the percussive portion of a piece of music. Alternatively, however, this share could also be the harmonic component. In this case, the means for extracting significant short-term spectra would be designed differently, as in the case where the specific characteristic is a percussive characteristic.

Nachfolgend wird bezugnehmend auf Fig. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Vorzugsweise wird mit den Profilspektren F und den Amplitudenhüllkurven E eine Detektion und Klassifikation perkussiver, nicht-harmonischer Instrumente durchgeführt, wie es auch durch einen Block 22 in Fig. 2 dargestellt ist. Hierauf wird jedoch noch später eingegangen.Hereinafter, referring to FIG. 2, a preferred embodiment of the present invention is shown. Preferably, with the profile spectra F and the amplitude envelopes E, a detection and classification of percussive, non-harmonic instruments is performed, as also shown by a block 22 in FIG. This will be discussed later.

Wie es aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist die Einrichtung 12 zum Bereitstellen einer Folge von Kurzzeitspektren ausgebildet, um mittels einer geeigneten Zeit-FrequenzTransformation ein Amplitudenspektrogramm X zu erzeugen. Die Zeit/Frequenz-Einrichtung 12 ist vorzugsweise eine Einrichtung zum Durchführen einer Kurzzeit-Fourier-Transformation mit einer bestimmten Hopping-Periode, oder umfasst Filterbanken. Optional wird auch ein Phasenspektrogramm als zusätzliche Informationsquelle gewonnen, wie es in Fig. 2 durch einen Phasenpfeil 13 dargestellt ist. Hierauf wird durch Differenzierung entlang der zeitlichen Ausdehnung jeder einzelnen Spektrogrammzeile, also jedes einzelnen Frequenz-Bins, ein Differenzspektrogramm gewonnen, wie es durch den Differenzierer 16a dargestellt ist. Die durch Differenzierung entstandenen negativen Anteile werden auf Null gesetzt oder - alternativ - positiv gemacht. Damit ergibt sich ein nichtnegatives Differenzspektrogramm . Dieses nicht-negativeAs can be seen in Fig. 2, the means 12 for providing a train of short-term spectra is adapted to provide, by means of an appropriate time-frequency transformation to generate an amplitude spectrogram X. The time / frequency device 12 is preferably a device for performing a short-time Fourier transform with a certain hopping period, or comprises filter banks. Optionally, a phase spectrogram is also obtained as an additional information source, as shown in FIG. 2 by a phase arrow 13. Thereupon, by differentiating along the time extent of each individual spectrogram line, ie each individual frequency bin, a difference spectrogram Ẋ is obtained, as represented by the differentiator 16a. The negative components resulting from differentiation are set to zero or - alternatively - made positive. This results in a non-negative difference spectrogram Ẋ . This non-negative

Differenzenspektrogramm wird einem Maximumsucher 16c zugeführt, der ausgebildet ist, um nach den Zeitpunkten t, also nach den Indizes der entsprechenden Spektrogrammspalten, des Auftretens lokaler Maxima in einer Detektionsfunktion e, die vor dem Maximumsucher 16c berechnet wird, zu suchen. Wie es später noch ausgeführt wird, kann die Detektions-funktion beispielsweise durch Aufsummierung über alle Zeilen von und anschließende Glättung gewonnen werden.The difference spectrogram is fed to a maximum searcher 16c, which is designed to search for the occurrence of local maxima in a detection function e, which is calculated before the maximum searcher 16c, after the times t, that is, for the indices of the corresponding spectrogram columns. As will be explained later, the detection function can be obtained, for example, by summing over all rows of X and then smoothing.

Optional wird es bevorzugt, die Phaseninformationen, die über die Phasenleitung 13 vom Block 12 zum Block 16c geliefert werden, als Indikator für die Verlässlichkeit der gefundenen Maxima zu verwenden. Die Spektren, für die der Maximumsucher ein Maximum in der Detektionsfunktion erfasst, werden als t verwendet und stellen die extrahiertenOptionally, it is preferred to use the phase information provided via phase line 13 from block 12 to block 16c as an indicator of the reliability of the found maxima. The spectra for which the maximum seeker detects a maximum in the detection function are used as X t and represent the extracted ones

Kurzzeitspektren dar.Short-term spectra.

In Block 18a wird eine Principle Component Analysis (PCA) durchgeführt. Hierbei wird zunächst eine gesuchte Anzahl von Komponenten d festgelegt. Dann wird die PCA nach einem geeigneten Verfahren wie beispielsweise Singular Value Decomposition oder Eigenvalue Decomposition über die Spalten der Matrix t durchgeführt. X ˜ = X ^ t T

Figure imgb0001
In block 18a, a Principle Component Analysis (PCA) is performed. Here, a sought number of components d is first set. Then, the PCA is performed by a suitable method such as Singular Value Decomposition or Eigenvalue Decomposition over the columns of the matrix X t . X ~ = X ^ t T
Figure imgb0001

Die Transformationsmatrix T bewirkt eine Dimensionsreduktion auf X̃, was sich in einer Verringerung der Anzahl von Spalten dieser Matrix auswirkt. Ferner wird eine Dekorrelation und Varianznormierung erreicht. In Block 18b wird dann eine nicht-negative Independent Component Analysis ausgeführt. Hierbei wird das in [6] gezeigte Verfahren der nicht-negativen Independent Component Analysis auf zur Berechnung einer Separationsmatrix A ausgeführt. Gemäß der nachfolgenden Gleichung wird in unabhängige Komponenten zerlegt. F = A X ˜

Figure imgb0002
The transformation matrix T effects a dimensional reduction on X, which results in a reduction in the number of columns of this matrix. Furthermore, a decorrelation and variance normalization is achieved. In block 18b, a non-negative independent component analysis is then performed. Here, the method of non-negative Independent Component Analysis shown in [6] is performed on X to calculate a separation matrix A. According to the following equation, X is decomposed into independent components. F = A X ~
Figure imgb0002

Unabhängige Komponenten F werden als statische spektrale Profile bzw. Profilspektren der auftretenden Klangquellen interpretiert. In einem Block 20 wird dann die Amplitudenbasis bzw. die Amplitudenhüllkurve E gemäß folgender Gleichung für die einzelnen Tonquellen extrahiert. E = F X

Figure imgb0003
Independent components F are interpreted as static spectral profiles or profile spectra of the occurring sound sources. In a block 20, the amplitude base or the amplitude envelope E is then extracted according to the following equation for the individual sound sources. e = F X
Figure imgb0003

Die Amplitudenbasis wird als Satz von zeitveränderlichen Amplitudenhüllkurven der korrespondierenden spektralen Profile interpretiert.The amplitude base is interpreted as a set of time-varying amplitude envelopes of the corresponding spectral profiles.

Erfindungsgemäß wird das spektrale Profil aus dem Musiksignal selbst gewonnen. Hierdurch wird die Rechenkomplexität gegenüber den bisherigen Verfahren reduziert, und es wird eine höhere Robustheit gegenüber stationären Signalanteilen, also Signalanteilen aufgrund von Harmonic Sustained Instrumenten erreicht.According to the invention, the spectral profile is obtained from the music signal itself. As a result, the computational complexity compared to the previous method is reduced, and it is achieved a higher robustness compared to stationary signal components, ie signal components due to Harmonic Sustained instruments.

In einem Block 22 wird dann eine Merkmalsextraktion und eine Klassifizierungsoperation durchgeführt. Insbesondere werden die Komponenten in zwei Teilmengen unterschieden, nämlich zunächst in eine Teilmenge mit den Eigenschaften nicht perkussiv, also quasi harmonisch, und in eine andere perkussive Teilmenge.. Darüber hinaus werden die Komponenten mit der Eigenschaft perkussiv/dissonant weiter in verschiedenen Instrumentenklassen klassifiziert.In a block 22, a feature extraction and a classification operation are then performed. In particular, the components are divided into two subsets, namely first in a subset with the properties not percussive, so quasi-harmonic, and in another percussive subset .. In addition, the components with the property percussive / dissonant further classified in various instrument classes.

Zur Einteilung in die zwei Teilmengen werden die Merkmale der Perkussivität bzw. spektralen Dissonanz verwendet.For the division into the two subsets the characteristics of percussivity or spectral dissonance are used.

Zur Instrumentenklassifikation werden folgende Merkmale eingesetzt:

  • geglättete Version der spektralen Profile als Suchmuster in einer Trainingsdatenbank mit Profilen einzelner Instrumente, spektraler Zentroid, spektrale Ausbreitung, spektrale Schiefheit, Mittenfrequenzen, Intensitäten, Ausdehnung, Schiefheit der deutlichsten Partiallinien, ...
The following characteristics are used for instrument classification:
  • smoothed version of the spectral profiles as a search pattern in a training database with profiles of individual instruments, spectral centroid, spectral propagation, spectral skew, center frequencies, intensities, extent, skewness of the clearest partial lines, ...

In folgende Instrumentenklassen kann beispielsweise klassifiziert werden:

  • Kick Drum, Snare Drum, Hi-Hat, Cymbal, Tom, Bongo, Conga, Woodblock, Cowbell, Timbales, Shaker, Tabla, Tambourine, Triangle, Daburka, Castagnets, Handclaps.
For example, the following instrument classes can be classified:
  • Kick Drum, Snare Drum, Hi-Hat, Cymbal, Tom, Bongo, Conga, Woodblock, Cowbell, Timbale, Shaker, Tabla, Tambourine, Triangle, Daburka, Castagnets, Handclaps.

In einem Block 24 kann dann zur weiteren Erhöhung des Robustheit des erfindungsgemäßen Konzepts ein Entscheidung für Schlagzeugeinsätze bzw. eine Annahme oder Akzeptanz von perkussiven Maxima durchgeführt werden. So werden Maxima mit einem transienten Anstieg in der Amplitudenhüllkurve über einem variablen Schwellwert als perkussives Ereignis angenommen, während Maxima mit einem transienten Anstieg unterhalb des variablen Schwellwerts verworfen werden bzw. als Artefakt erkannt und ignoriert werden. Der variable Schwellwert variiert vorzugsweise mit der Gesamtamplitude in einem größeren Bereich um das Maximum herum. Die Ausgabe erfolgt in einer geeigneten Form, die dem Zeitpunkt perkussiver Ereignisse eine Instrumentenklasse, eine Intensität und eventuell weitere Informationen zuordnet, wie beispielsweise Noten- bzw. Rhythmusinformationen im MIDI-Format.In a block 24, in order to further increase the robustness of the concept according to the invention, a decision can then be made for drum inserts or an acceptance or acceptance of percussive maxima. Thus, maxima with a transient rise in the amplitude envelope above a variable threshold are assumed to be a percussive event, while maxima having a transient rise below the variable threshold are discarded or recognized as an artifact and ignored. The variable threshold preferably varies with the total amplitude over a larger range around the maximum. The output is in an appropriate form that associates with the time of percussive events an instrument class, an intensity, and possibly other information, such as note or rhythm information in MIDI format.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Einrichtung 16 zum Extrahieren von signifikanten Kurzzeitspektren ausgebildet sein kann, um diese Extraktion anhand tatsächlicher Kurzzeitspektren durchzuführen, wie sie zum Beispiel bei einer Kurzzeit-Fourier-Transformation erhalten werden. Insbesondere bei dem Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem die spezifische Charakteristik die Schlagzeug-Charakteristik bzw. die perkussive Charakteristik ist, wird es bevorzugt, nicht tatsächliche Kurzzeitspektren zu extrahieren, sondern Kurzzeitspektren aus einem differenzierten Spektrogramm, also aus Differenzspektren. Die Differenzierung, wie sie in Block 16a in Fig. 2 gezeigt ist, führt die Folge von Kurzzeitspektren zu einer Folge von abgeleiteten bzw. differenzierten Spektren, wobei jedes (differenzierte) Kurzzeitspektrum nunmehr die Änderungen zwischen einem ursprünglichen Spektrum und dem nächsten Spektrum enthält. Damit werden stationäre Anteile in einem Signal, also zum Beispiel Signalanteile aufgrund von Harmonic Sustained Instrumenten robust und zuverlässig eliminiert. Dies liegt daran, dass die Differenzierung Änderungen in dem Signal hervorhebt und gleiche Anteile unterdrückt. So zeichnen sich jedoch perkussive Instrumente gerade dadurch aus, dass die durch diese Instrumente erzeugten Töne im Hinblick auf ihren Zeitverlauf stark transient sind.At this point, it should be noted that the means 16 for extracting significant short-term spectra may be designed to perform this extraction on the basis of actual short-time spectra, as obtained, for example, in a short-time Fourier transformation. Particularly, in the example of application of the present invention in which the specific characteristic is the percussion characteristic, it is preferable to extract not actual short-term spectra but short-term spectra from a differentiated spectrogram, that is, differential spectra. The differentiation, as shown in block 16a in Figure 2, results in the sequence of short-term spectra into a sequence of derived or differentiated spectra, each (differentiated) short-term spectrum now containing the changes between an original spectrum and the next spectrum. This will be stationary shares in one Signal, so for example, signal components due to Harmonic Sustained instruments robust and reliably eliminated. This is because the differentiation emphasizes changes in the signal and suppresses equal proportions. Percussive instruments, however, are characterized by the fact that the sounds produced by these instruments are highly transient in terms of their time course.

Darüber hinaus wird es bevorzugt, die PCA 18a und die nicht-negative ICA 18b, also allgemeiner gesagt, die Zerlegungsoperation zum Zerlegen der extrahierten Kurzzeitspektren im Block 18 von Fig. 1 nicht mit den ursprünglichen Kurzzeitspektren sondern mit den abgeleiteten Kurzzeitspektren durchzuführen. Dabei wird der Effekt ausgenutzt, dass für stark transiente Signale das differenzierte Signal zum ursprünglichen Signal vor der Differenzierung sehr ähnlich ist, was insbesondere dann der Fall ist, wenn sehr schnelle Änderungen in einem Signal vorliegen. Dies gilt für perkussive Instrumente.Moreover, it is preferable to perform the PCA 18a and the non-negative ICA 18b, that is, more generally, the decomposition operation for decomposing the extracted short-term spectra in the block 18 of FIG. 1 not with the original short-term spectra but with the derived short-time spectra. In this case, the effect is exploited that for strongly transient signals the differentiated signal is very similar to the original signal before differentiation, which is the case in particular when there are very rapid changes in a signal. This applies to percussive instruments.

Des weiteren sei darauf hingewiesen, dass die Einrichtung 18 zum Zerlegen, die eine PCA 18a mit nachfolgender nichtnegativer ICA (18b) durchführt, ohnehin zur Ermittlung eines Profilspektrums eine gewichtete Linearkompensation der extrahierten Spektren, die von der Einrichtung geliefert werden, durchführt. Dies bedeutet, dass die extrahierten Spektren insgesamt mit bestimmten nach den einzelnen Verfahren berechneten Gewichtungsfaktoren beaufschlagt werden und linear kombiniert werden, also durch Subtraktion oder Addition. Daher wird zumindest teilweise der Effekt beobachtet, dass die Einrichtung 18 zum Hinterlegen der extrahierten Kurzzeitspektren eine der Differenzierung entgegenwirkende Funktionalität haben kann, so dass die Profilspektren, die für die Tonquellen ermittelt werden, nicht differenzierte Profilspektren sondern die eigentlichen Profilspektren sind. Auf jeden Fall hat sich herausgestellt, dass die Verwendung von differenzierten Spektren, also von Differenzen-Spektren aus einem Differenzen-Spektrogramm in Verbindung mit einem Zerlegungsalgorithmus in der Einrichtung 18, der auf einer gewichteten Linearkombination der einzelnen extrahierten Spektren basiert, zu Profilspektren für die einzelnen Tonquellen hoher Qualität und hoher Selektivität führen.It should also be noted that disassembly means 18, which performs a PCA 18a with subsequent non-negative ICA (18b), anyway performs a weighted linear compensation of the extracted spectra provided by the device for determining a profile spectrum. This means that the extracted spectra as a whole are subjected to specific weighting factors calculated by the individual methods and are combined linearly, that is to say by subtraction or addition. Therefore, at least in part, the effect is observed that the means 18 for storing the extracted short-term spectra may have a differentiation-counteracting functionality, so that the profile spectra obtained for the sound sources are not differentiated profile spectra but the actual profile spectra are. In any case, it has been found that the use of differentiated spectra, ie difference spectra from a difference spectrogram in conjunction with a decomposition algorithm in the device 18, based on a weighted linear combination of the individual extracted spectra, to profile spectra for the individual High quality sound sources and high selectivity.

Würden dagegen lediglich stationäre Anteile weiter verarbeitet, also ist das spezifische Charakteristikum nicht ein perkussives sondern ein harmonisches Charakteristikum, so wird es bevorzugt, eine Vorverarbeitung des Spektrogramms durch Integration, also durch Aufsummation zu erreichen, um die stationären Anteile gegenüber den transienten Anteilen zu verstärken. Auch in diesem Fall wird es bevorzugt, unter Verwendung der Summenspektren, also des integrierten Spektrogramms die Profilspektren für die einzelnen - dann harmonischen - Tonquellen zu berechnen.If, on the other hand, only stationary components were processed further, that is to say the specific characteristic is not a percussive but a harmonic characteristic, then it is preferable to achieve a preprocessing of the spectrogram by integration, ie by summation, in order to increase the stationary components compared to the transient components. In this case too, it is preferable to calculate the profile spectra for the individual - then harmonic - sound sources using the sum spectra, ie the integrated spectrogram.

Nachfolgend werden einzelne Funktionalitäten des erfindungsgemäßen Konzepts detaillierter dargestellt. Typische digitale Audiosignale werden jedoch bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zunächst noch durch eine Vorverarbeitung der Einrichtung 8 vorverarbeitet. Ferner wird es bevorzugt, als PCM-Audiosignal, das in die Vorverarbeitungseinrichtung 8 eingegeben wird, Mono-Dateien mit einer Breite von 16 Bits pro Abtastwert bei einer Abtastfrequenz von 44,1 Hz zuzuführen. Diese Audiosignale, also dieser Strom von Audioabtastwerten, welcher auch ein Strom von Videoabtastwerten und allgemein ein Strom von Informations-Abtastwerten sein kann, wird der Vorverarbeitungseinrichtung 8 zugeführt, um eine Vorverarbeitung im Zeitbereich unter Verwendung einer Software-basierten Emulation eines Akustikeffektgeräts, das oft als "Exciter" bezeichnet wird, durchzuführen. Bei diesem Konzept verstärkt die Vorverarbeitungsstufe 8 den hochfrequenten Anteil des Audiosignals. Dies wird erreicht, in dem eine nicht-lineare Verzerrung mit einer hochpassgefilterten Version des Signals durchgeführt wird, und indem das Ergebnis der Verzerrung zu dem ursprünglichen Signal hinzuaddiert wird. Es stellt sich heraus dass diese Vorverarbeitung besonders günstig ist, wenn Hi-Hats zu beurteilen sind, oder ähnlich hoch klingende Idiophone mit niedriger Intensität. Ihr energetisches Gewicht bezüglich des Gesamtmusiksignals wird durch diesen Schritt erhöht, während die meisten harmonisch-ausgehaltenen Instrumente und Schlaginstrumente mit niedrigerem Ton nicht beeinträchtigt werden.Below, individual functionalities of the inventive concept are shown in more detail. However, in a preferred embodiment of the present invention, typical digital audio signals are initially preprocessed by preprocessing the device 8. Further, as a PCM audio signal inputted to the preprocessing means 8, it is preferable to supply 16-bit-per-second-wide mono-files at a sampling frequency of 44.1 Hz. These audio signals, that is, this stream of audio samples, which may also be a stream of video samples and generally a stream of information samples, are fed to pre-processor 8 for time-domain preprocessing using software-based emulation an acoustic effect device, often referred to as an "exciter". In this concept, the pre-processing stage 8 amplifies the high-frequency portion of the audio signal. This is accomplished by performing a non-linear distortion on a high-pass filtered version of the signal and adding the result of the distortion to the original signal. It turns out that this preprocessing is particularly favorable when hi-hats are to be judged, or similarly high-sounding low-intensity idiophones. Their energetic weight relative to the overall music signal is increased by this step, while most harmonically-endured and lower-pitched percussion instruments are not affected.

Ein weiterer positiver Seiteneffekt besteht in der Tatsache, dass MP3-kodierte und wieder dekodierte Dateien, die durch diesen Prozess inhärent tiefpassgefiltert wurden, wieder Hochfrequenzinformationen erhalten.Another positive side effect is the fact that MP3 encoded and decoded files inherently low-pass filtered by this process again receive high frequency information.

Eine Spektraldarstellung des vorverarbeiteten Zeitsignals wird dann unter Verwendung der Zeit/Frequenz-Einrichtung 12 erhalten, die vorzugsweise eine Kurzzeit-Fourier-Transformation (STFT; STFT = Short Time Fourier Transform) durchführt.A spectral representation of the preprocessed time signal is then obtained using the time / frequency means 12, which preferably performs a short-time Fourier transform (STFT).

Zur Implementierung der Zeit/Frequenz-Einrichtung werden eine relativ große Blockgröße von vorzugsweise 4096 Werten und eine hohe Überlappung bevorzugt. Zunächst wird eine gute spektrale Auflösung für den niedrigeren Frequenzbereich, also für den niedrigeren Spektralkoeffizienten benötigt. Ferner wird die zeitliche Auflösung auf eine gewünschte Genauigkeit erhöht, indem eine kleine Hop-Größe, also ein kleines Hop-Intervall zwischen benachbarten Blöcken erhalten wird. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden, wie es ausgeführt worden ist, 4096 Samples pro Block einer Kurzzeit-Fourier-Transformation unterworfen, was einer zeitlichen Blocklänge von 92 ms entspricht. Als Hop-Größe wird ein Wert von 10 ms verwendet. Dies bedeutet, dass jeder Abtastwert über 9 mal hintereinander in einem Kurzzeitspektren auftritt.To implement the time / frequency means, a relatively large block size of preferably 4096 values and high overlap are preferred. First, a good spectral resolution for the lower frequency range, ie for the lower spectral coefficients needed. Further, the temporal resolution is increased to a desired accuracy by obtaining a small hop size, that is, a small hop interval between adjacent blocks. In the preferred embodiment, as is 4096 samples per block subjected to a short-time Fourier transform, which corresponds to a time block length of 92 ms. The hop size is 10 ms. This means that each sample occurs over 9 consecutive times in a short-term spectrum.

Die Einrichtung 12 ist ausgebildet, um ein Amplitudenspektrum X zu erhalten. Die Phaseninformationen können ebenfalls berechnet werden und, wie später noch ausgeführt wird, im Extremwert- bzw. Maximum-Sucher 16c verwendet werden.The device 12 is designed to obtain an amplitude spectrum X. The phase information can also be calculated and, as will be explained later, used in the extreme value or maximum searcher 16c.

Das Betragsspektrum X besitzt nunmehr n Frequenz-Bins oder Frequenz-Koeffizienten und m Spalten bzw. Rahmen (Frames), also einzelne Kurzzeitspektren. Die zeitvarianten Änderungen jedes Spektralkoeffizienten werden über allen Rahmen bzw. Einzelspektren differenziert, und zwar durch den Differenzierer 16a, um den Einfluss von harmonischausgehaltenen Tonquellen zu dezimieren, und um die nachfolgende Erfassung von Transienten zu vereinfachen. Die Differenzierung, die vorzugsweise eine Differenzbildung zwischen zwei Kurzzeitspektren der Folge aufweist, kann ferner noch gewisse Normierungen aufweisen.The magnitude spectrum X now has n frequency bins or frequency coefficients and m columns or frames, ie individual short-time spectra. The time-variant changes of each spectral coefficient are differentiated over all frames, by differentiator 16a, to minimize the impact of harmonic-sustaining sound sources, and to facilitate the subsequent detection of transients. The differentiation, which preferably has a difference between two short-term spectra of the sequence, may also have certain normalizations.

Es sei darauf hingewiesen, dass die Differenzierung zu negativen Werten führen kann, so dass in einem Block 16b eine Halbwellengleichrichtung durchgeführt wird, um diesen Effekt zu entfernen. Alternativ könnten jedoch auch die negativen Vorzeichen einfach umgedreht werden, was jedoch im Hinblick auf die spätere Komponentenzerlegung nicht bevorzugt wird.It should be noted that the differentiation may lead to negative values, so that half-wave rectification is performed in a block 16b to remove this effect. Alternatively, however, the negative signs could simply be reversed, which is not preferred in view of the later component decomposition.

Aufgrund des Gleichrichters 16b wird somit ein nichtnegatives Differenz-Spektrogramm erhalten, das dem Maximum-Sucher 16c zugeführt wird.Due to the rectifier 16b, a non-negative difference spectrogram is thus obtained, which is supplied to the maximum finder 16c.

Der Maximum-Sucher 16c führt eine Ereignis-Detektion durch, auf die nachfolgend eingegangen wird. Die Erfassung von mehreren lokalen Extremwerten und vorzugsweise von lokalen Maxima, die transienten Einsatz-Ereignissen in dem Musik-signal zugeordnet sind, wird durchgeführt, indem zunächst eine Zeittoleranz definiert wird, die zwei aufeinanderfolgende Schlagzeug-Einsätze trennt. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Zeit von 68 ms als konstanter Wert verwendet, der von der Zeitauflösung und von Kenntnissen über das Musiksignal abgeleitet ist. Insbesondere bestimmt dieser Wert die Anzahl von Rahmen bzw. Einzelspektren bzw. differenzierten Einzelspektren, die zumindest zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einsätzen auftreten muss. Die Verwendung dieses Minimalabstands wird auch durch die Betrachtung unterstützt, das eine Sechzehntelnote 60 ms bei einer oberen Tempogrenze von einem sehr hohen Tempo von 250 bpm dauert.The maximum searcher 16c performs event detection, which will be discussed below. The detection of multiple local extremes, and preferably local maxima associated with transient deployment events in the music signal, is performed by first defining a time tolerance that separates two consecutive percussion inserts. In the preferred embodiment, a time of 68 ms is used as a constant value derived from the time resolution and knowledge about the music signal. In particular, this value determines the number of individual spectra or differentiated individual spectra which must occur at least between two consecutive inserts. The use of this minimum distance is also supported by the observation that a sixteenth note takes 60 ms at an upper tempo limit of a very high tempo of 250 bpm.

Um eine automatisierte Maximumsuche durchführen zu können, wird von dem differenzierten und gleichgerichteten Spektrum, also von der Folge von gleichgerichteten (differenten) Kurzzeitspektren eine Detektions-Funktion abgeleitet, auf Basis derer die Maximumsuche durchgeführt werden kann. Um für jeden Zeitpunkt einen Wert dieser Funktion zu bekommen, wird einfach eine Summe über alle Frequenzkoeffizienten bzw. alle Spektral-Bins ermittelt. Zur Glättung dieser sich dann ergebenden eindimensionalen Funktion über der Zeit wird eine Faltung der erhaltenen Funktion mit einem geeigneten Hann-Fenster durchgeführt, so dass eine relativ glatte Funktion e erhalten wird. Um die Positionen t der Maxima zu erhalten, wird ein Gleitfenster der Toleranzlänge über den gesamten Weg e "geschoben", um die Fähigkeit zu erreichen, ein Maximum pro Schritt zu erhalten.In order to be able to carry out an automated maximum search, a detection function is derived from the differentiated and rectified spectrum, ie from the sequence of rectified (different) short-term spectra, on the basis of which the maximum search can be carried out. In order to get a value of this function for each time, a sum over all frequency coefficients or all spectral bins is simply determined. For smoothing this then resulting one-dimensional function over time, a convolution of the function obtained is performed with a suitable Hann window, so that a relatively smooth function e is obtained. In order to obtain the positions t of the maxima, a sliding window of the tolerance length is "pushed" over the entire path e in order to obtain the ability to obtain a maximum per step.

Die Verlässlichkeit der Maximasuche wird dadurch verbessert, dass vorzugsweise nur die Maxima beibehalten werden, die in einem Fenster für mehr als einen Zeitpunkt erscheinen, da sie sehr wahrscheinlich die interessierenden Peaks sind. So wird es bevorzugt, die Maxima zu verwenden, die über eine vorbestimmte Schwelle von Zeitpunkten, also zum Beispiel drei Zeitpunkte, ein Maximum darstellen, wobei die Schwelle letztendlich vom Verhältnis der Blocklänge zur Hop-Größe abhängen wird. Daraus ist ersichtlich, dass ein Maximum, wenn es wirklich ein signifikantes Maximum ist, eine bestimmte Anzahl von Zeitpunkten, also letztendlich eine bestimmte Anzahl von überlappenden Spektren tatsächlich ein Maximum sein muss, wenn daran gedacht wird, dass bei den vorher dargestellten Zahlenwerten jeder Abtastwert in wenigstens 9 aufeinanderfolgenden Kurzzeitspektren "mitmischt".The reliability of the Maximas search is improved by preferentially retaining only the maxima that appear in a window for more than one time, since they are most likely to be the peaks of interest. Thus, it is preferred to use the maxima which represent a maximum over a predetermined threshold of times, for example three times, the threshold ultimately depending on the ratio of the block length to the hop size. From this it can be seen that a maximum, if it really is a significant maximum, must actually be a maximum a certain number of times, ie ultimately a certain number of overlapping spectra, if it is thought that with the numerical values previously shown, each sample in at least 9 consecutive short-term spectra "mixed in".

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden, wie es durch den Phasenpfeil dargestellt ist, die aufgewickelten ("unwrapped") Phaseninformationen des ursprünglichen Spektrogramms als Zuverlässigkeitsfunktion verwendet. Es hat sich herausgestellt, dass in den Phaseninformationen ein signifikanter positiv gerichteter Phasensprung neben einer geschätzten Einsatz-Zeit t auftreten muss, wodurch vermieden wird, dass kleine Rippel fälschlicherweise als Einsätze bzw. "Onsets" betrachtet werden.In the preferred embodiment of the present invention, as represented by the phase arrow, the unwrapped phase information of the original spectrogram is used as the reliability function. It has been found that in the phase information, a significant positive-going phase shift must occur in addition to an estimated insertion time t, thereby avoiding that small ripples are erroneously considered as "onsets".

Erfindungsgemäß wird nunmehr ein kleiner Ausschnitt des Differenzspektrogramms, nämlich ein durch Differenzierung entstandenes Kurzzeitspektrum extrahiert und der nachfolgenden Zerlegungseinrichtung zugeführt.According to the invention, a small section of the difference spectrogram, namely a short-term spectrum produced by differentiation, is then extracted and fed to the subsequent decomposition device.

Nachfolgend wird auf die Funktionalität der Einrichtung 18a zum Durchführen einer Principal-Component-Analysis eingegangen. Aus den in dem vorhergehenden Abschnitt beschriebenen Schritten werden also die Informationen über die Zeit des Auftretens t und die Spektralzusammensetzungen der Einsätze, also die extrahierten Kurzzeitspektren X t, abgeleitet. Bei reellen Musiksignalen findet man typischerweise eine große Anzahl von transienten Ereignissen innerhalb der Dauer des Musikstücks. Selbst bei einem einfachen Beispiel eines Stücks mit einer Geschwindigkeit von 120 Schlägen pro Minute (bpm) zeigt sich, dass in einem Vier-Minuten-Ausschnitt 480 Ereignisse sein können, gesetzt den Fall, dass nur Viertelnoten auftreten. Bezüglich des Ziels des Findens von nur ein paar wenigen signifikanten Unterräumen bzw. Profilspektren wird die Prinzipal-Komponenten-Analyse (PCA) auf t also auf die extrahierten Kurzzeitspektren oder auf von den extrahierten Kurzzeitspektren abgeleitete Kurzzeitspektren angewendet.The functionality of the device 18a for performing a principal component analysis will be discussed below. From the steps described in the previous section, the information about the time of occurrence t and the spectral compositions of the inserts, ie the extracted short-term spectra X t , are derived. For real music signals, one typically finds a large number of transient events within the duration of the piece of music. Even with a simple example of a piece at a speed of 120 beats per minute (bpm), it turns out that in a four-minute segment, 480 events can be set, assuming that only quarter notes occur. With regard to the goal of finding only a few significant subspaces or profile spectra, principal component analysis (PCA) on X t is thus applied to the extracted short-term spectra or to short-term spectra derived from the extracted short-term spectra.

Unter Verwendung dieser bekannten Technik ist es möglich, der gesamte Satz von gesammelten Kurzzeitspektren auf eine begrenzte Anzahl von dekorrelierten Prinzipalkomponenten zu reduzieren, was in einer guten Darstellung der ursprünglichen Daten mit kleinem Rekonstruktionsfehler resultiert. Zu diesem Zweck wird eine Eigenwert-Zerlegung (EVD) der Kovarianz-Matrix des Datensatzes berechnet. Aus dem Satz von Eigenvektoren werden die Eigenvektoren mit den d größten Eigenwerten ausgewählt, um die Koeffizienten für die Linearkombination der ursprünglichen Vektoren gemäß der nachfolgenden Gleichung zu liefern: X ˜ = X ^ t T

Figure imgb0004
Using this known technique, it is possible to reduce the entire set of collected short-term spectra to a limited number of decorrelated principal components, resulting in a good representation of the original data with little reconstruction error. For this purpose, an eigenvalue decomposition (EVD) of the covariance matrix of the data set is calculated. From the set of eigenvectors, the eigenvectors having the d largest eigenvalues are selected to provide the coefficients for the linear combination of the original vectors according to the following equation: X ~ = X ^ t T
Figure imgb0004

Daher beschreibt T eine Transformationsmatrix, die tatsächlich ein Teilsatz der Manigfaltigkeit der Eigenvektoren ist. Zusätzlich werden die reziproken Werte der Eigenwerte als Skalierungsfaktoren verwendet, was nicht nur zu einer Dekorrelation führt, sondern was auch eine Varianznormierung liefert, die wiederum zu einer Weißmachung bzw. einem Whitening-Effekt führt. Alternativ kann auch eine Singularwertzerlegung (SVD) von t verwendet werden. Es hat sich herausgestellt, dass die SVD äquivalent zur PCA mit EVD ist. Die weiß gemachten Komponenten werden nachfolgend in die ICA-Stufe 18b eingespeist, auf die nachfolgend eingegangen wird.Therefore, T describes a transformation matrix that is actually a subset of the manifold of eigenvectors. In addition, the reciprocal values of the eigenvalues become used as scaling factors, which not only leads to a decorrelation, but also provides a variance normalization, which in turn leads to a whitening effect or a whitening effect. Alternatively, a singular value decomposition (SVD) of X t can also be used. It has been found that the SVD is equivalent to the PCA with EVD. The whitened components X are subsequently fed to the ICA stage 18b, which will be discussed below.

Allgemein gesagt ist die Independent-Component-Analysis (ICA) eine Technik, die verwendet wird, um einen Satz von linearen Mischsignalen in ihre ursprünglichen Quellen oder Komponentensignale zu zerlegen. Eine Anforderung für ein optimales Verhalten des Algorithmus ist die statistische Unabhängigkeit der Quellen. Vorzugsweise wird eine nicht-negative ICA verwendet, die auf dem intuitiven Konzept des Optimierens einer Kostenfunktion aufbaut, die die Nicht-Negativität der Komponenten beschreibt. Diese Kostenfunktion ist auf einen Rekonstruktionsfehler bezogen, der durch Achsenpaarrotationen von zwei oder mehr Variablen in dem positiven Quadranten der gemeinsamen Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (PDF) eingeführt wird. Die Annahmen für dieses Modell implizieren, dass die ursprünglichen Quellensignale positiv sind und bei Null eine PDF ungleich Null haben, und dass sie bis zu einem gewissen Grad linear unabhängig sind. Das erste Konzept wird immer erfüllt, da die Vektoren, die der ICA unterzogen werden, aus der differenzierten und halbwellen-gleichgewichteten Version des ursprünglichen Spektrogramms X resultieren, welche somit niemals Werte kleiner als Null umfasst, jedoch sicherlich Werte gleich Null. Die zweite Begrenzung wird berücksichtigt, wenn die zu Einsatzzeiten gesammelten Spektren als die Linearkombinationen eines kleinen Satzes von ursprünglichen Quellenspektren betrachtet werden, die die betrachteten Instrumente charakterisieren. Dies bedeutet natürlich eine ziemlich grobe Annäherung, sie stellt sich jedoch in der Vielzahl der Fälle als ausreichend gut heraus.Generally speaking, Independent Component Analysis (ICA) is a technique used to decompose a set of mixed linear signals into their original sources or component signals. A requirement for optimal behavior of the algorithm is the statistical independence of the sources. Preferably, a non-negative ICA is used that builds on the intuitive concept of optimizing a cost function that describes the non-negativity of the components. This cost function is related to a reconstruction error introduced by axis pair rotations of two or more variables in the positive quadrant of the common probability density function (PDF). The assumptions for this model imply that the original source signals are positive and have a nonzero PDF at zero, and that they are linearly independent to some extent. The first concept is always met, since the vectors subjected to the ICA result from the differentiated and half-wave equally weighted version X of the original spectrogram X , which thus never contains values less than zero, but certainly values equal to zero. The second constraint is taken into account when the spectra collected at operating times are considered to be the linear combinations of a small set of original source spectra containing the instruments considered characterize. This, of course, is a pretty rough approximation, but it turns out to be sufficiently good in a variety of cases.

Ferner wird vorzugsweise davon Gebrauch gemacht, dass die Spektren, die Einsätze haben, und zwar insbesondere die Spektren von tatsächlichen Schlagzeuginstrumenten keine invarianten Strukturen haben, sondern im Hinblick auf ihre spektrale Zusammensetzung hier keinen Änderungen unterzogen werden. Nichtsdestoweniger kann jedoch angenommen werden, dass es charakteristische Eigenschaften gibt, die für Spektralprofile von Schlagzeugtönen charakteristisch sind, die es somit ermöglichen, dass die weiß gemachten Komponenten in ihre potentielle Quellen- bzw. Profilspektren F gemäß der nachfolgenden Gleichung aufgetrennt werden. F = A X ˜

Figure imgb0005
Furthermore, it is preferably used that the spectra having inserts, and in particular the spectra of actual percussion instruments have no invariant structures, but are not subject to any changes in their spectral composition here. Nevertheless, it can be assumed, however, that there are characteristic features characteristic of spectral profiles of percussion sounds, thus allowing the whitened components X to be separated into their potential source or profile spectra F according to the following equation. F = A X ~
Figure imgb0005

A bezeichnet eine d x d Entmisch-Matrix, die durch den ICA-Prozess bestimmt wird, der tatsächlich die einzelnen Komponenten trennt. Die Quellen F werden in diesem Dokument auch als Profilspektren bezeichnet. Jedes Profilspektrum hat genauso wie ein Spektrum des ursprünglichen Spektrogramms n Frequenzbins, ist jedoch für alle Zeiten - abgesehen von der Amplitudennormierung - also die Amplitudenhüllkurve - identisch. Dies bedeutet, dass ein solches Profilspektrum nur die Spektralinformationen enthält, die auf ein Onset-Spektrum eines Instruments bezogen sind. Um eine beliebige Skalierung der Komponenten, die durch PCA und ICA eingeführt werden, vorzugsweise zu umgehen, wird eine Transformationsmatrix R gemäß folgender Gleichung verwendet: R = T A T

Figure imgb0006
A denotes a dxd demixing matrix determined by the ICA process which actually separates the individual components X. The sources F are also called profile spectra in this document. Each profile spectrum has n frequency bins, just like a spectrum of the original spectrogram, but is identical for all times except the amplitude normalization, ie the amplitude envelope. This means that such a profile spectrum contains only the spectral information related to an onset spectrum of an instrument. In order to preferably circumvent any scaling of the components introduced by PCA and ICA, a transformation matrix R is used according to the following equation: R = T A T
Figure imgb0006

Die Normierung von R mit seinem absoluten Maximalwert führt zu Gewichtungskoeffizienten in einem Bereich von -1 bis +1, so dass Spektralprofile, die unter Verwendung der nachfolgenden Gleichung extrahiert werden F = X ^ t R

Figure imgb0007
The normalization of R with its absolute maximum value results in weighting coefficients in a range of -1 to +1, so that spectral profiles extracted using the equation below F = X ^ t R
Figure imgb0007

Werte in dem Bereich des ursprünglichen Spektrogramms haben. Eine weitere Normierung wird durch Teilen jedes Spektralprofils durch seine L2-Norm erreicht.Have values in the range of the original spectrogram. Further normalization is achieved by dividing each spectral profile by its L2 norm.

Wie es bereits vorher ausgeführt worden ist, ist die Annahme der Unabhängigkeit und die Annahme der Invarianz für gegebene Kurzzeitspektren nicht immer hundertprozentig erfüllt. So ist es keine Überraschung, dass die nach der Entmischung erhaltenen Spektralprofile immer noch bestimmte Abhängigkeiten haben können. Dies sollte jedoch nicht als fehlerhaftes Verhalten betrachtet werden. Tests mit Spektralprofilen von einzelnen Schlagzeugtönen haben gezeigt, dass die Spektralprofile ebenfalls eine starke Abhängigkeit zwischen den Einsatz-Spektren unterschiedlicher perkussiver Instrumente haben. Eine Art und Weise zum Messen des Grads an gegenseitiger Überlappung und Ähnlichkeit entlang der Frequenzachse besteht in der Durchführung von Crosstalk-Messungen. Aus Anschauungsgründen können die Spektralprofile, die von dem ICA-Prozess erhalten werden, als Übertragungsfunktion von stark frequenzselektiven Teilen in einer Filterbank betrachtet werden, wobei überlappenden Durchgangsbänder zu Crosstalk in dem Ausgang der Filterbankkanäle führen kann. Das Crosstalkmaß zwischen zwei Spektralprofilen wird gemäß folgender Gleichung berechnet. C i , j = F i F j T F i F i T

Figure imgb0008
As previously stated, the assumption of independence and the assumption of invariance for given short-term spectra are not always 100 percent satisfied. So it comes as no surprise that the spectral profiles obtained after demixing still have certain dependencies. However, this should not be considered a faulty behavior. Tests with spectral profiles of individual drum sounds have shown that the spectral profiles also have a strong dependence between the input spectra of different percussive instruments. One way to measure the degree of mutual overlap and similarity along the frequency axis is to perform crosstalk measurements. For illustrative purposes, the spectral profiles obtained from the ICA process may be considered as a transfer function of highly frequency selective parts in a filterbank, with overlapping passbands leading to crosstalk in the output of the filterbank channels. The crosstalk measure between two spectral profiles is calculated according to the following equation. C i . j = F i F j T F i F i T
Figure imgb0008

In der vorstehenden Gleichung reicht i von 1 bis d, reicht j von 1 bis d und gilt, dass j ungleich i ist. In der Tat ist dieser Wert auf den bekannten Kreuzkorrelationskoeffizienten bezogen, derselbe verwendet jedoch eine andere Normierung.In the above equation, i ranges from 1 to d, j ranges from 1 to d, and it holds that j is other than i. In fact, this value is related to the known cross-correlation coefficient, but uses a different normalization.

Basierend auf den bestimmten Profilspektren wird nunmehr im Block 20 von Fig. 2 eine Amplitudenhüllkurvenbestimmung durchgeführt. Hierzu wird das ursprüngliche Spektrogramm, also die Folge von z.B. durch die Einrichtung 12 von Fig. 1 oder in Zeit/Frequenz/Umsetzer 12 von Fig. 2 erhaltenen Kurzzeitspektren verwendet. Folgende Gleichung gilt: E = F X

Figure imgb0009
Based on the determined profile spectra, amplitude envelope determination is now performed in block 20 of FIG. For this purpose, the original spectrogram, that is to say the sequence of short-time spectra obtained, for example, by means 12 of FIG. 1 or in time / frequency / converter 12 of FIG. 2, is used. The following equation applies: e = F X
Figure imgb0009

Als zweite Informationsquelle kann auch die differenzierte Version der Amplitudenhüllkurven aus dem Differenzspektrogramm gemäß folgender Gleichung ermittelt werden: E ^ = F X ^

Figure imgb0010
As a second information source, the differentiated version of the amplitude envelopes can also be determined from the difference spectrogram according to the following equation: e ^ = F X ^
Figure imgb0010

Wesentlich an diesem Konzept ist, dass keine weitere ICA-Berechnung mit den Amplitudenhüllkurven durchgeführt wird. Stattdessen werden durch das erfindungsgemäße Konzept hoch spezialisierte Spektralprofile erhalten, die sehr nahe an den Spektren der Instrumente liegen, die tatsächlich in dem Signal erscheinen. Dennoch sind die extrahierten Amplitudenhüllkurven nur in bestimmten Fällen schöne Erfassungsfunktionen mit scharfen Spitzen, beispielsweise für tanzorientierte Musik mit sehr dominierenden perkussiven Rhythmusanteilen. Oft enthalten die Amplitudenhüllkurven kleinere Spitzen und Plateaus, die von den oben erwähnten Crosstalk-Effekten herrühren können.Essential to this concept is that no further ICA calculation is performed with the amplitude envelopes. Instead, the inventive concept gives highly specialized spectral profiles that are very close to the spectra of the instruments that actually appear in the signal. Nevertheless, the extracted amplitude envelopes are only in certain cases beautiful capture functions with sharp peaks, for example for dance-oriented music with very dominant percussive rhythm parts. Often, the amplitude envelopes contain smaller peaks and plateaus, which may be due to the above mentioned crosstalk effects.

Nachfolgend wird auf eine nähere Implementierung der Einrichtung 22 zur Merkmalsextraktion und Klassifikation hingewiesen. Es ist bekannt, dass die tatsächliche Anzahl von Komponenten für reelle Musiksignale zunächst einmal unbekannt ist. "Komponenten" bedeuten in diesem Kontext sowohl die Spektralprofile als auch die korrespondierenden Amplitudenhüllkurven. Wenn die Anzahl d von extrahierten Komponenten zu niedrig ist, werden Artefakte der nicht berücksichtigten Komponenten sehr wahrscheinlich in anderen Komponenten auftreten. Wenn dagegen zu viele Komponenten extrahiert werden, sind die prominentesten Komponenten in mehre Komponenten aufgeteilt. Ungünstigerweise kann diese Aufteilung selbst mit der richtigen Anzahl von Komponenten auftreten und gelegentlich eine Erfassung der reellen Komponenten erschweren.Reference will now be made to a more detailed implementation of feature extraction and classification device 22. It is known that the actual number of components for real music signals is initially unknown. "Components" in this context mean both the spectral profiles and the corresponding amplitude envelopes. If the number d of extracted components is too low, artifacts of the disregarded components will most likely occur in other components. On the other hand, if too many components are extracted, the most prominent components are split into several components. Unfortunately, this split can occur even with the right number of components and sometimes make it difficult to detect the real components.

Zur Überwindung dieser Problematik wird eine maximale Anzahl d von Komponenten in dem PCA- oder ICA-Prozess vorgegeben. Anschließend werden die extrahierten Komponenten unter Verwendung eines Satzes von spektralbasierten und zeitbasierten Merkmalen klassifiziert. Die Klassifizierung soll zwei Informationen liefern. Zunächst sollen die Komponenten aus dem weiteren Verfahren eliminiert werden, die mit hoher Sicherheit als nicht-perkussiv erkannt werden. Ferner sollen die verbleibenden Komponenten vordefinierten Instrumentenklassen zugeordnet werden.To overcome this problem, a maximum number d of components in the PCA or ICA process is specified. Subsequently, the extracted components are classified using a set of spectral-based and time-based features. The classification should provide two pieces of information. First, the components are to be eliminated from the further process, which are recognized with high certainty as non-percussive. Furthermore, the remaining components are to be assigned to predefined instrument classes.

Ein geeignetes Maß für die Unterscheidung der Amplitudenhüllkurven wird durch die Perkussivität gegeben, die in der dritten Fachveröffentlichung genannt ist. Hier wird eine modifizierte Version verwendet, bei der der Korrelationskoeffizient zwischen entsprechenden Amplitudenhüllkurven in Ê und E verwendet wird. Der Grad an Korrelation zwischen beiden Vektoren tendiert dazu, klein zu sein, wenn die charakteristischen Plateaus, die auf harmonisch ausgehaltene Töne bezogen sind, in den nicht-differenzierten Amplitudenhüllkurven E auftauchen. Diese verschwinden sehr wahrscheinlich in der differenzierten Version Ê. Beide Vektoren sind sich im Falle von transienten Amplitudenhüllkurven, die von perkussiven Tönen stammen, wesentlich ähnlicher. Zu diesem Zweck wird auf Fig. 3a und Fig. 4a verwiesen. In Fig. 3a ist eine sehr schnell und sehr hoch ansteigende Amplitudenhüllkurve für eine perkussive Quelle gezeigt, während in Fig. 4a eine Amplitudenhüllkurve für ein harmonisch ausgehaltenes Instrument gezeigt ist. Fig. 3a ist eine Amplitudenhüllkurve für eine Kick Drum, während Fig. 4a eine Amplitudenhüllkurve für eine Trompete ist. Aus der Amplitudenhüllkurve für die Trompete ist ein relativ zügiger Anstieg, und dann aber ein relativ langsames Ausklingen dargestellt, wie es für harmonisch ausgehaltene Instrumente typisch ist. Dagegen steigt die Amplitudenhüllkurve für ein perkussives Element, wie es in Fig. 3a gezeigt ist, sehr schnell und sehr stark an und fällt jedoch ebenfalls wieder genauso schnell und steil ab, da ein Schlagzeugton typischerweise aufgrund des Wesens der Erzeugung dieses Tons nicht besonders lang nachklingt bzw. abklingt.A suitable measure of the discrimination of the amplitude envelopes is given by the percussivity, which is mentioned in the third technical publication. Here, a modified version is used, using the correlation coefficient between corresponding amplitude envelopes in Ê and E. The degree of correlation between the two vectors tends to be small when the characteristic plateaus are balanced Sounds are in the non-differentiated amplitude envelopes E emerge. These probably disappear in the differentiated version Ê . Both vectors are much more similar in the case of transient amplitude envelopes derived from percussive tones. For this purpose, reference is made to Fig. 3a and Fig. 4a. FIG. 3a shows a very fast and very high amplitude envelope for a percussive source, while FIG. 4a shows an amplitude envelope for a harmonically sustained instrument. Fig. 3a is an amplitude envelope for a kick drum, while Fig. 4a is an amplitude envelope for a trumpet. The amplitude envelope for the trumpet shows a relatively rapid rise, and then a relatively slow decay, as is typical of harmonic sustained instruments. On the other hand, the amplitude envelope for a percussive element, as shown in Fig. 3a, increases very rapidly and very sharply, but also drops again just as fast and steeply, as a drum sound typically does not linger very long due to the nature of the generation of this tone or decays.

Die Amplitudenhüllkurven können somit zur Klassifikation bzw. Merkmalsextraktion genauso gut verwendet werden, wie die nachfolgend erläuterten Profilspektren, die sich im Falle einer perkussiven Quelle (Fig. 3b; Hi-Hat) und Fig. 4b im Falle eines harmonisch ausgehaltenen Instruments (Gitarre) deutlich unterscheiden. So ist beim harmonisch ausgehaltenen Instrument eine deutliche Ausprägung der Oberwellen zu sehen, während die perkussive Quelle ein eher rauschartiges Spektrum hat, das keine deutlich ausgeprägten Oberwellen hat, das jedoch insgesamt einen Bereich hat, in dem Energie konzentriert ist, wobei dieser Bereich, in dem Energie konzentriert ist, sehr breitbandig ist.The amplitude envelopes can thus be used as well for classification or feature extraction as the profiled spectra explained below, which in the case of a percussive source (Fig. 3b, Hi-Hat) and Fig. 4b in the case of a harmonically sustained instrument (guitar) clearly differ. For example, the harmonically sustained instrument shows a clear manifestation of the harmonics, whereas the percussive source has a rather noisy spectrum, which does not have pronounced harmonics, but overall has an area in which energy is concentrated Energy is concentrated, is very broadband.

Es wird also vorzugsweise ein spektral-basiertes Maß, also ein Maß, das von den Profilspektren (z.B. Fig. 3b und Fig. 4b) abgeleitet wird, verwendet, um Spektren von harmonisch ausgehaltenen Tönen von Spektren, die auf perkussive Töne bezogen sind, zu trennen. Wieder wird bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine modifizierte Version der Berechnung dieses Maßes verwendet, die eine Toleranz gegenüber spektralen Lag-Erscheinungen, eine Dissonanz mit allen Harmonischen und einer geeigneten Normierung zeigt. Ein höherer Grad an rechenmäßiger Effizienz wird erreicht, indem eine ursprüngliche Dissonanzfunktion mit einer Gewichtungsmatrix für Frequenzpaare ersetzt wird.Thus, preferably, a spectrally-based measure, that is, a measure derived from the profile spectra (eg, FIGS. 3b and 4b), is used to obtain spectra of harmonically sustained tones of spectra related to percussive sounds separate. Again, in the preferred embodiment, a modified version of the calculation of this measure is used, showing tolerance to spectral lag phenomena, all harmonics dissonance and proper normalization. A higher degree of computational efficiency is achieved by replacing an original dissonance function with a frequency pair weighting matrix.

Die Zuordnung von spektralen Profilen zu a-prioridefinierten Klassen von perkussiven Instrumenten wird durch einen einfachen Klassifizierer zum Klassifizieren der k nächsten Nachbarn mit Spektralprofilen von einzelnen Instrumenten als Trainingsdatenbank geschaffen. Die Distanzfunktion wird aus wenigstens einem Korrelationskoeffizient zwischen einem Abfrageprofil und einem Datenbankprofil berechnet. Um die Klassifikation in Fällen niedriger Zuverlässigkeit, also bei niedrigen Korrelationskoeffizienten, zu verifizieren, oder um ein mehrmaliges Auftreten derselben Instrumente zu verifizieren, werden zusätzliche Merkmale, die eine detaillierte Information über die Form des Spektralprofils liefern, extrahiert. Diese umfassen die bereits vorher genannten einzelnen Merkmale.The assignment of spectral profiles to a-priori-defined classes of percussive instruments is provided by a simple classifier for classifying the k nearest neighbors with spectral profiles of individual instruments as a training database. The distance function is calculated from at least one correlation coefficient between a query profile and a database profile. In order to verify the classification in cases of low reliability, ie at low correlation coefficients, or to verify a multiple occurrence of the same instruments, additional features that provide detailed information about the shape of the spectral profile are extracted. These include the previously mentioned individual features.

Nachfolgend wird weiter auf die Funktionalität des Entscheiders 24 in Fig. 2 eingegangen. Schlagzeug-artige Einsätze werden in den Amplitudenhüllkurven, wie beispielsweise in der Amplitudenhüllkurve in Fig. 3a, unter Verwendung üblicher Spitzenauswahlverfahren, die auch als Peak-Picking bezeichnet sind, erfasst. Nur Spitzen in einem Toleranzbereich neben den ursprünglichen Zeiten t, also den Zeiten, in denen der Maximumsucher 16c ein Ergebnis lieferte, werden vordringlich als Kandidaten für Einsätze betrachtet. Restliche aus den Amplitudenhüllkurven extrahierte Spitzen werden für weitere Betrachtungen zunächst gespeichert. Der Wert des Betrags der Amplitudenhüllkurve wird jedem Einsatz-Kandidat an seiner Position zugeordnet. Wenn dieser Wert nicht einen vorbestimmten dynamischen Schwellenwert überschreitet, dann wird der Einsatz nicht akzeptiert. Die Schwelle variiert über der Menge an Energie in einem größeren zeitlichen Bereich, der die Einsätze umgibt. Der größte Teil des Crosstalk-Einflusses von harmonisch ausgehaltenen Instrumenten sowie gleichzeitig spielenden perkussiven Instrumenten kann in diesem Schritt reduziert werden. Ferner wird es bevorzugt, zu unterscheiden, ob gleichzeitige Einsätze von unterschiedlichen perkussiven Instrumenten tatsächlich vorhanden sind oder nur aufgrund von Crosstalk-Effekten existieren. Eine Lösung für dieses Problem besteht vorzugsweise darin, diese weiteren Auftrittsereignisse zu akzeptieren, deren Wert im Vergleich zum Wert des stärksten Instruments zum Einsatzzeitpunkt relativ hoch ist.The functionality of the decider 24 in FIG. 2 will be discussed further below. Drum-type inserts are detected in the amplitude envelopes, such as in the amplitude envelope in Figure 3a, using conventional peak selection methods, also referred to as peak picking. Only peaks in a tolerance range in addition to the original times t, ie the times at which the maximum seeker 16c gave a result, are considered as candidates for missions. Remaining peaks extracted from the amplitude envelopes are first stored for further consideration. The value of the amount of the amplitude envelope is assigned to each insert candidate at its position. If this value does not exceed a predetermined dynamic threshold, then the mission is not accepted. The threshold varies over the amount of energy in a larger time range surrounding the inserts. Most of the crosstalk influence of harmonically sustained instruments as well as simultaneously playing percussive instruments can be reduced in this step. Further, it is preferred to distinguish whether concurrent inserts of different percussive instruments actually exist or only exist due to crosstalk effects. A solution to this problem is preferably to accept these further occurrence events whose value is relatively high compared to the value of the strongest instrument at the time of use.

Erfindungsgemäß wird somit eine automatische Erfassung und vorzugsweise auch eine automatische Klassifikation von nicht-gepitchten perkussiven Instrumenten in reellen polyphonen Musiksignalen erreicht, wobei die Ausganqsbasis hierfür die Profilspektren einerseits und die Amplitudenhüllkurve andererseits sind. Aus den perkussiven Instrumenten kann ferner gut die rhythmische Information eines Musikstücks extrahiert werden, was wiederum zu einer günstigen Noten-zu-Noten-Transkription führen dürfte.According to the invention, an automatic detection and preferably also an automatic classification of non-pitched percussive instruments in real polyphonic music signals is thus achieved, the starting basis for this being the profile spectra on the one hand and the amplitude envelope on the other hand. From the percussive instruments, the rhythmic information of a piece of music can be well extracted, which in turn should lead to a favorable note-to-note transcription.

Abhängig von den Gegebenheiten kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Analysieren eines Informationssignals in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementierung kann auf einen digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computer-Programm-Produkt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des Verfahrens, wenn das Computer-Programm-Produkt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt kann die Erfindung somit als ein Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computer-Programm auf einem Computer abläuft.Depending on the circumstances, the inventive method for analyzing an information signal can be implemented in hardware or in software. The implementation may be on a digital storage medium, in particular a floppy disk or CD with electronically readable control signals, which can cooperate with a programmable computer system, that the method is performed. In general, the invention thus also consists in a computer program product with a program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method when the computer program product runs on a computer. In other words, the invention can thus be realized as a computer program with a program code for carrying out the method when the computer program runs on a computer.

Claims (25)

  1. Device for analyzing an information signal, comprising:
    means (16) for extracting significant short-time spectra or significant short-time spectra, which are derived from short-time spectra of the information signal, from a time sequence of short-time spectra representing the information signal, the means (16) for extracting being configured to extract, from the time sequence, such short-time spectra which come closer to a specific characteristic than other short-time spectra of the information signal;
    means (18) for decomposing the extracted short-time spectra into component signal spectra, a component signal spectrum representing a profile spectrum of a tone source which generates a tone corresponding to the characteristic sought for, and another component signal spectrum representing a profile spectrum of another tone source which generates a tone corresponding to the characteristic sought for; and
    means (20) for calculating an amplitude envelope for the tone sources, an amplitude envelope for a tone source indicating how a profile spectrum of the tone source changes over time, using the profile spectra and a sequence of short-time spectra representing the information signal.
  2. Device as claimed in claim 1, wherein the means (16) for extracting is configured to pre-process (8) the information signal such that signal portions present in the information signal at higher frequencies are accentuated, in the information signal, as compared to signal portions present in the information signal at lower frequencies.
  3. Device as claimed in claim 2, wherein the means (16) for extracting is configured to
    subject the information signal to high-pass filtering,
    distort the high-pass filtered version of the information signal in a non-linear manner, and
    add the non-linearly distorted signal to the original information signal
    in pre-processing (8).
  4. Device as claimed in one of the preceding claims, wherein the means (16) for extracting is configured to subject the information signal to a time-domain/frequency-domain conversion (12) to obtain a sequence of short-time spectra, two short-time spectra adjacent in time relating to portions of the information signal which overlap except for a hopping interval.
  5. Device as claimed in claim 4, wherein each short-time spectrum comprises a sequence of spectral coefficients, and
    wherein the means (16) for extracting is configured to differentiate (16a) the sequence of short-time spectra in terms of time to obtain a sequence of differentiated short-time spectra, a differentiated short-time spectrum proving information about changes in a short-time spectrum as compared to a preceding or subsequent short-time spectrum.
  6. Device as claimed in claim 5, wherein the means (16) for extracting is configured to obtain a differentiated short-time spectrum by forming, for each spectral coefficient, a difference of the spectral coefficient in a current short-time spectrum and a previous or subsequent short-time spectrum.
  7. Device as claimed in claim 5 or 6, wherein the means (16) for extracting is configured to rectify (16b) the differentiated short-time spectra so that a rectified differentiated short-time spectrum does not exhibit any negative values.
  8. Device as claimed in one of claims 5 to 7, wherein the means (16) for extracting is configured to determine significant short-time spectra on the basis of the differentiated short-time spectra.
  9. Device as claimed in claim 8, wherein the means (16) for extracting is configured to sum up (16c), for each differentiated short-time spectrum, spectral coefficients, or values derived from spectral coefficients, from the differentiated short-time spectrum, so as to obtain a sum value for a short-time spectrum, so that a detection function over time results.
  10. Device as claimed in claim 9, wherein the means (16) for extracting is configured to smooth the detection function over time.
  11. Device as claimed in claim 9 or 10, wherein the means (16) for extracting is configured to find (16c) maxima in the detection function at a point in time, and to use a differentiated short-time spectrum or a short-time spectrum as a significant spectrum having a point in time associated therewith at which the detection function exhibits a maximum.
  12. Device as claimed in one of claims 9 to 11, wherein the means (16) for extracting is configured to regard only such maxima of the detection function as significant that are spaced apart in time by more than a predefined time period.
  13. Device as claimed in one of claims 4 to 12, wherein the means (16) for extracting is configured to determine amount spectra as a sequence of short-time spectra, and to use phase information of the short-time spectra when extracting the significant short-time spectra.
  14. Device as claimed in one of the preceding claims, wherein the means (18) for decomposing is configured to add (18a) the extracted short-time spectra in a weighted manner so as to obtain a reduced number of extracted short-time spectra.
  15. Device as claimed in one of claims 1 to 14, wherein the means (18) for decomposing is configured to perform (18a) a principal component analysis for dimension reduction so as to obtain processed short-time spectra.
  16. Device as claimed in one of the preceding claims, wherein the means (18) for decomposing is configured to perform an independent component analysis (18b) to produce a plurality of component signals, a component signal being associated with an information source contributing to the information signal.
  17. Device as claimed in one of the preceding claims, wherein the means (20) for calculating the amplitude envelope is configured to multiply a matrix including the profile spectra and a matrix including a sequence of short-time spectra of the information signal, so as to obtain the amplitude envelopes for the tone sources.
  18. Device as claimed in one of the preceding claims, wherein the means for calculating the amplitude envelope is configured to further determine a differentiated amplitude envelope using the profile spectra for the tone sources and using the difference spectrogram.
  19. Device as claimed in one of the preceding claims, further comprising means (22) for classifying the component signals into percussive component signals and non-percussive component signals.
  20. Device as claimed in claim 19, wherein the means (22) for classifying is configured to perform a classification on the basis of the profile spectra and/or the amplitude envelopes.
  21. Device as claimed in claim 19 or 20, wherein the means (20) for classifying is configured to extract a feature from the profile spectra or the amplitude envelopes, and to compare it with features of known sources in a database.
  22. Device as claimed in one of the preceding claims, further comprising means (24) for examining the amplitude envelopes for a tone source to accept a maximum in the amplitude envelope as an onset of a signal from the tone source when the means (16) for extracting had extracted a significant short-time spectrum at a point in time similar within a threshold.
  23. Device as claimed in one of the preceding claims, wherein the means (20) for calculating the amplitude envelope is configured to calculate the amplitude envelope for a tone source in such a manner that the amplitude envelope indicates how an intensity or weighting of a profile spectrum of the tone source changes over time.
  24. Method for analyzing an information signal, comprising:
    extracting (16) significant short-time spectra or significant short-time spectra, which are derived from short-time spectra of the information signal, from a time sequence of short-time spectra representing the information signal, the short-time spectra extracted from the time sequence being such short-time spectra which come closer to a specific characteristic than other short-time spectra of the information signal;
    decomposing (18) the extracted short-time spectra into component signal spectra, a component signal spectrum representing a profile spectrum of a tone source which generates a tone corresponding to the characteristic sought for, and another component signal spectrum representing a profile spectrum of another tone source which generates a tone corresponding to the characteristic sought for; and
    calculating (20) an amplitude envelope for the tone sources, an amplitude envelope for a tone source indicating how a profile spectrum of the tone source changes over time, using the profile spectra and a sequence of short-time spectra representing the information signal.
  25. Computer program having a program code adapted to perform the method for analyzing an information signal according to claim 24, when the computer program runs on a computer.
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