DE19906118C2

DE19906118C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Vergleich von in eine Eingabeeinrichtung eingespeisten akustischen Eingangssignalen mit in einem Speicher abgelegten akustischen Referenzsignalen

Info

Publication number: DE19906118C2
Application number: DE19906118A
Authority: DE
Inventors: Hermann Bottenbruch; Michael Mertens
Original assignee: Primasoft GmbH
Current assignee: Primasoft GmbH
Priority date: 1999-02-13
Filing date: 1999-02-13
Publication date: 2001-09-06
Anticipated expiration: 2019-02-14
Also published as: DE19906118A1; US6505154B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergleich von zumindest einem, in eine Eingabeeinrichtung eingespeisten akustischen Eingangssignal mit wenigstens einem weiteren, in einem Speicher abgelegten akustischen Referenzsignal, wonach

- in einem an die Eingabeeinrichtung und den Speicher angeschlossenen Frequenzanalysator eine harmonische Analyse des Eingangssignals zur Erzeugung eines Fourier- Spektrums durchgeführt wird, wonach ferner
- das Fourier-Spektrum zur Definition eines n-dimen sionalen Eingangssignal-Vektors mit n Eingangs-(Signal-) Koordinaten herangezogen wird, und wonach
- der Eingangssignal-Vektor mit zumindest einem in gleicher Weise definierten und danach in dem Speicher abgelegten Referenzsignal-Vektor auf Übereinstimmung überprüft wird.

Bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Ausgestal tung wird eine Schaltungsanordnung zur Spracherkennung beschrieben, die mit einer Auswerteschaltung zur Ermittlung von spektralen Merkmals-Vektoren ausgerüstet ist. Im ein zelnen wird dabei ein Zeitrahmen eines digitalen Sprach signals mittels einer Spektralanalyse ausgewertet. Die erhaltenen. Merkmals-Vektoren werden mit Referenz-Merkmals vektoren verglichen. Vor dem Vergleich erfolgt in der Aus werteschaltung eine rekursive Hochpaßfilterung der spektralen Merkmalsvektoren. Hierdurch wird das Ziel verfolgt, eine sprecherunabhängige Erkennung zu ermöglichen und den Einfluß von Störgrößen auf das Erkennungsergebnis zu vermindern (vgl. DE 41 11 995 A1).

Darüber hinaus wird im Stand der Technik ein Sprach analysesystem beschrieben, bei welchem Zeitsegmente eines Sprachsignals selektiert und von jedem Sprachsegment eine Reihe von Spektrumkomponenten bestimmt werden. Diese Spektrumkomponenten bilden eine diskrete Fourier-Transfor mation von Abtastwerten des Sprachsignals. Aus der Reihe von gehörigen Spektrum-Komponenten kann nun in jedem Zeitsegment die Position signifikanter Spitzen abgeleitet werden.

Darüber hinaus wird hier so vorgegangen, daß ein Wert für die Tonhöhe gewählt wird. Um diesen Anfangswert herum und eine Anzahl aufeinanderfolgender ganzer Vielfachen desselben werden Intervalle definiert. Diese Intervalle werden als Öffnungen in einer Maske betrachtet, und zwar in dem Sinne, daß ein Frequenzwert, welcher mit einer Öffnung zusammenfällt, von der Maske durchgelassen wird. In diesem Sinne ist die Maske also als eine Art von Sieb für Frequenzwerte wirksam. Auf diese Weise soll das beschrie bene Sprachanalysesystem gegenüber Störsignalen unempfind lich sein und weniger Berechnungen erfordern (vgl. DE 29 49 582 A1).

Bei einem aus der Praxis bekannten Verfahren wird im allge meinen so vorgegangen, daß ein akustisches Eingangssignal, beispielsweise ein Ton, eine Tonfolge oder auch Sprache, mit einem abgespeicherten akustischen Referenzsignal ver glichen wird und bei Übereinstimmung eine an die Eingabe einrichtung angeschlossene Steuereinrichtung aktiviert wird. Hierbei kann es sich um eine Tür im Rahmen einer Zu gangskontrolle handeln. Auch ist die Ansteuerung einer Ma schine denkbar. Entsprechende Bestrebungen werden auch auf dem Automobilsektor verfolgt, um beispielsweise einzelne Funktionen mittels Sprache zu steuern, z. B. Blinker setzen, Licht ein- und ausschalten usw..

Die vorbehandelten Verfahren und Vorrichtungen sind im all gemeinen äußerst aufwendig aufgebaut und gestaltet, weil letztlich eine komplette Analyse des Eingangssignals er folgt. - Hier setzt die Erfindung ein.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein derartiges Verfahren so weiterzubilden, daß eine Erkennung mit einfachen Mitteln und schnell sowie mit hoher Zielge nauigkeit erreicht wird. Außerdem soll eine entsprechend angepaßte Vorrichtung angegeben werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung bei einem gattungsgemäßen Verfahren nach einer ersten Alternative vor, daß der jeweilige Referenzsignal-Vektor mit einem an die Anzahl der abzuspeichernden Referenz signal-Vektoren angepaßten Sicherheitsraum (Defini tionsraum) und einem Identitätsraum flankiert wird, und daß der Eingangssignal-Vektor mit dem Referenzsignal-Vektor dann als gleich identifiziert wird, wenn er (der Eingangssignal-Vektor) innerhalb des Identitätsraumes liegt, wobei jeweilige Referenzsignal-Vektoren inklusi ve Definitionsraum keinen Überlapp aufweisen, d. h. die Defi nitions- bzw. Sicherheitsräume aller Referenzsignal-Vek toren überlappen sich nicht. In der Regel wird auf zumin dest zwei Referenzsignal-Vektoren zurückgegriffen. Im übri gen sind diese Referenzsignal-Vektoren - wie gesagt - so gestaltet, daß die Schnittmenge jeweiliger Referenzsignal- Vektoren inklusive Definitionsraum eine leere Menge ist.

Nach bevorzugter Ausgestaltung wird ferner der mit dem Re ferenzsignal-Vektor zu vergleichende Eingangssignal-Vektor außerhalb des jeweiligen Identitätsraumes nicht erkannt. Alternativ hierzu kann auch so vorgegangen werden, daß zusätzlich ein Optionsraum definiert wird, welcher sich mit einer Grauzone um den Identitätsraum legt und als gleichsam Auffangnetz für Eingangssignal-Vektoren dient, die keinem Identitätsraum eines Referenzsignal-Vektors zugeordnet wer den können.

Jedenfalls ist hierdurch ein zielgenauer und einfacher Ver gleich zwischen Eingangssignal-Vektor und Referenzsignal- Vektor auf Übereinstimmung möglich. Denn der Sicherheits raum bzw. Definitionsraum kann ebenso wie der Identitäts raum variabel gestaltet werden. Üblicherweise wird hier so vorgegangen, daß die Referenzsignal-Vektoren inklusive Sicherheitsraum keinen Überlapp aufweisen. Da der Identi tätsraum kleiner oder gleich dem Sicherheitsraum gestaltet ist, lassen sich Eingangssignal-Vektoren zumindest inner halb des Identitätsraumes mit dem entsprechenden Referenz signal-Vektor als gleich oder identisch interpretieren, auch wenn zum Teil große klangliche oder sprachliche Abweichungen zu verzeichnen sind.

Zusätzlich kann der beschriebene Optionsraum hinzutreten, welcher eine Art Grauzone um den Identitätsraum definiert. Diese Grauzone kann so bemessen werden, daß innerhalb dieses Bereiches - und nur dieses - ein Eingangssignal- Vektor zwei (oder mehreren) Referenzsignal-Vektoren zuge ordnet werden kann. Dies ist allgemein nicht wünschenswert, bietet jedoch unter Umständen Vorteile. Jedenfalls wirkt diese Grauzone durch diese Eigenschaft als gleichsam Auffangnetz für Eingangssignal-Vektoren, die keinem Iden titätsraum eines Referenzsignal-Vektors zugeordnet werden können. Derartiges läßt sich u. a. darauf zurückführen, daß in der Regel außerhalb des jeweiligen Identitätsraumes Ein gangssignal-Vektoren nicht erkannt werden.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung mit selbstän diger Bedeutung wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren vorgeschlagen, daß mit Hilfe eines einstellbaren n-fachen Filters im Frequenzanalysator jeweils vorwählbare Charakte ristika des Fourier-Spektrums ausgewertet und in die n Ein gangs-(Signal)-Koordinaten des Eingangssignal-Vektors umge setzt werden. - Dabei werden auch hier regelmäßig jeweils korrespondierende Koordinaten des Eingangssignal-Vektors und des Referenzsignal-Vektors auf Übereinstimmung inner halb vorgegebener Toleranzen überprüft.

Bei den vorwählbaren Charakteristika kann es sich um die höchste Frequenz, die maximale Amplitude, die Dauer oder relative Amplitudenverhältnisse markanter Frequenzen oder dergleichen des Eingangssignals handeln. Vergleichbares gilt natürlich auch für den Referenzsignal-Vektor, welcher ebenfalls über die vorerwähnten Charakteristika höchste Frequenz, maximale Amplitude, Dauer und relative Ampli tudenverhältnisse markanter Frequenzen definiert werden kann.

Selbstverständlich können auch zusätzliche Koordinaten, basierend auf anderen Charakteristika, Verwendung finden. Denkbar ist hier die Ermittlung der Zahl einzelner "Peaks" im Fourier-Spektrum. Auch könnte eine Koordinate als Summe der einzelnen Amplituden, mithin als Amplitudenintegral über die Frequenz, festgelegt werden.

Dies hängt im Ergebnis davon ab, mit wievielen abge speicherten Referenzsignal-Vektoren der Eingangssignal- Vektor verglichen werden muß: Tendenziell sind um so mehr Koordinaten der einzelnen Vektoren erforderlich, je mehr Referenzsignal-Vektoren vorliegen und je näher deren akustischer Abstand ausgebildet ist. Mit anderen Worten reicht bei akustisch ganz unterschiedlich ausgebildeten (wenigen) Referenzsignal-Vektoren in der Regel eine relativ grobe Rasterung mit einer geringen Anzahl an Koordinaten aus. Je näher (akustisch) sich die Referenzsignal-Vektoren und damit auch die Eingangssignal-Vektoren kommen, um so mehr Koordinaten müssen dann natürlich zur Differenzierung eingesetzt werden. Dabei ist zu berücksichtigen, daß sowohl Eingangssignal-Vektor als auch Referenzsignal-Vektor jeweils n-dimensional ausgeführt sein müssen, damit der Vergleich in einem üblicherweise eingesetzten (n-fachen) Vergleicher sinnvoll durchgeführt werden kann (mit n der Anzahl der ausgewählten Charakteristika des Fourier- Spektrums). - Nach bevorzugter Ausführungsform sieht die Erfindung weiter vor, daß das Fourier-Spektrum mit einer an die Maximallänge des Eingangssignals angepaßten Zeitkonstante aufgenommen wird, damit eine genaue Abbildung des Fourier-Spektrums auf den Signal-Vektor erfolgen kann.

Die vorstehend erwähnten Charakteristika des Fourier- Spektrums werden mit Hilfe des einstellbaren n-fachen Filters im Frequenzanalysator ermittelt und umgesetzt. Denkbar ist es z. B., die höchste Frequenz oder auch relative Amplitudenverhältnisse markanter Frequenzen der gestalt auszuwerten, daß mit entsprechend ausgelegten Frequenzfiltern gearbeitet wird. Ähnliches gilt für Amplitudenfilter, mit deren Hilfe die maximale Amplitude ermittelt werden kann. Die Dauer des Signals kann im einfachsten Fall über ein Zeitglied bzw. Zeitfilter gemessen werden. Für die Amplitudenintegration über die Frequenz bietet sich der Rückgriff auf einen Summierer als gleichsam Filter an. Die Anzahl einzelner Peaks läßt sich mit Hilfe eines Amplitudenfilters in Verbindung mit einem nachgeschalteten Zähler erfassen. - Die vorstehende Aufstellung macht deutlich, daß sämtliche angesprochenen Filter problemlos einstellbar ausgeführt sein können, so daß auf diese Weise die beschriebenen Auswahlmöglichkeiten der Charakteristika des Fourier-Spektrums darstellbar sind.

Nach Auswertung dieser Eigenschaften mit Hilfe der ein stellbaren Filter im Frequenzanalysator kann ggf. eine Aufsummierung (und Mitteilung) der gefundenen (Meß-)Werte über die Zeitkonstante in einem (oder mehreren) Inte grator(en) erfolgen. An deren Ausgang lassen sich ent sprechende Werte für die Eingangs-Koordinaten des Ein gangssignal-Vektors oder Referenz-Koordinaten des Referenz signal-Vektors abgreifen und weiter verarbeiten.

Im Klartext erfolgt mathematisch eine Abbildung des Fourier-Spektrums des Eingangssignal-Vektors oder des Referenzsignal-Vektors auf einen n-dimensionalen Eingangs signal- oder Referenzsignal-Vektor. Dabei kann zur Defini tion des Referenzsignal-Vektors ein bestimmtes Referenz signal (als gleichsam Eingangssignal) mehrfach wiederholt einer harmonischen Analyse zur Festlegung eines Signal- Vektors unterzogen werden. Die dabei erfaßten und ausge werteten einzelnen Signal-Vektoren lassen sich zur Be stimmung des Referenzsignal-Vektors mitteln. Dies geschieht im einfachsten Fall dergestalt, daß die einzelnen Referenz- Koordinaten der jeweiligen Signal-Vektoren im Sinne einer arithmetischen Mitteilung aufaddiert und durch die Anzahl der Referenzsignal-Koordinaten dividiert werden.

Eine vorwählbare Anzahl m an Referenzsignal-Vektoren mit n Referenz-Koordinaten läßt sich im Speicher unter Bildung einer dortigen m × n-Referenzsignal-Matrix abgelegen. Jeder Punkt dieser m × n-Referenzsignal-Matrix korrespondiert folglich zu einer bestimmten Referenz-Koordinate, welche ihrerseits aus einem Charakteristikum des Fourier-Spektrums abgeleitet wurde.

Die Toleranzen bei der Überprüfung auf Übereinstimmung (zwischen Eingangssignal- und Referenzsignal-Vektor) sind vorzugsweise als vorgegebene Intervallabweichungen einer jeweiligen Referenz-Koordinate des Referenzsignal-Vektors unter Festlegung eines jeweils korrespondierenden Referenz signal-Koordinatenwertebereiches ausgebildet. Mit anderen Worten besteht der n-dimensionale Referenzsignal-Vektor aus einzelnen Referenz-Koordinaten, die ihrerseits einen jewei ligen Wertebereich überstreichen, nämlich den Referenz signal-Koordinatenwertebereich. Zur Überprüfung der Über einstimmung von Eingangssignal-Vektor und Referenzsignal- Vektor wird die relative Lage jeder Eingangssignal- Koordinate im Vergleich zum zugehörigen Referenzsignal- Koordinatenwertebereich ermittelt. Sofern die Eingangs signal-Koordinate innerhalb dieses definierten Referenz signal-Koordinatenwertebereiches liegt, ist Übereinstimmung gegeben.

Darüber hinaus definiert die Erfindung einen Identitäts raum. Hierunter ist der Bereich - im Falle eines Referenz signal-Vektors der Referenzsignal(vektor)-Koordinatenwerte bereich, bei einer Referenzsignal-Matrix der Referenzsig nalmatrizenkoordinaten-Wertebereich - zu verstehen, welcher eine eindeutige Zuordnung jeder einzelnen Eingangssignal- Koordinate (eines Eingangssignal-Vektors oder auch einer Eingangssignal-Matrix) zur zugehörigen Referenzsignal-Koor dinate erlaubt. Daneben kann man noch einen Sicherheitsraum festlegen, welcher gleichsam nicht eindeutig zuzuordnende Eingangssignal-Koordinaten erfaßt. Dies wird mit Bezug auf die Figurenbeschreibung noch näher erläutert.

Die vollständige Deckungsgleichheit des Eingangssignal- Vektors mit dem Referenzsignal-Vektor (im Rahmen der Toleranzen) wird nun festgestellt, wenn eine vorgegebene Anzahl z mit z ≦ n von Eingangssignal-Koordinaten innerhalb des jeweils zugehörigen Referenzsignal-Koordinatenwerte bereiches liegt. Folglich kann durch Wahl der Anzahl z - neben, der Festlegung der vorstehend beschriebenen Inter vallabweichungen sowie der Zähl der berücksichtigten Charakteristika - eine weitere Variation der Rasterung zur Festlegung von Übereinstimmungen vorgenommen werden. Je größer die Anzahl z im Vergleich zur Dimension der zu vergleichenden Vektoren (n) ist, um so (akustisch) näher müssen sich die zu überprüfenden Vektoren kommen.

Bei Übereinstimmung des Eingangssignal-Vektors mit dem Referenzsignal-Vektor wird eine an die Eingabeeinrichtung angeschlossene Steuereinrichtung aktiviert. Hierbei kann es sich um eine zentrale Bedienvorrichtung für eine Tür, ein Tor, einen Aufzug usw. im Rahmen einer Zugangskontrolle handeln. Auch ist die Ansteuerung einer Maschine als Ganzes denkbar. Selbstverständlich lassen sich auch einzelne Funktionen einer gesamten Anlage auf diese Weise steuern.

Eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Vor richtung ist Gegenstand des Patentanspruches 14. - Im Rahmen der Erfindung ist von besonderer Bedeutung, daß der Vergleich des eingespeisten akustischen Eingangssignals mit einem (oder mehreren) im Speicher abgelegten akustischen Referenzsignalen besonders einfach, schnell und effizient erfolgt. Dies gelingt im Kern dadurch, daß auf die detaillierte Auswertung und den Vergleich von zeitlichen Amplitudenverläufen, Fourier-Spektren od. dgl. vollständig verzichtet wird. Vielmehr wird der Signalvergleich so vorgenommen, daß die zu überprüfenden Signalfolgen in den Fourier-Raum transformiert werden und das hier erzeugte Fourier-Spektrum auf einen n-dimensionalen Vektor abge bildet wird. Mit anderen Worten werden die jeweiligen Signalfolgen mit n-dimensionalen Vektoren identifiziert, welche einen schnellen und einfachen Vergleich unter einander ermöglichen. Die Zuordnung des Fourier-Spektrums zu einzelnen Koordinaten der vorgenannten n-dimensionalen Vektoren erfolgt dabei mittels der beschriebenen Filter im Frequenzanalysator, während der Vergleich in einem (n- dimensionalen) Vergleicher durchgeführt wird. Jedenfalls läßt sich das Fourier-Spektrum idealerweise auf eine Folge von (Binär-)Daten (oder auch Analogwerten) reduzieren, welche einen einfachen, sicheren und schnellen Vergleich untereinander ermöglichen. Darüber hinaus kann die Vorrichtung lernfähig gestaltet werden, indem der oder die im Speicher abgelegten Referenzsignale in bestimmten Zyklen aktualisiert werden. Hierin sind die wesentlichen Vorteile der Erfindung zu sehen. Sämtliche vorbeschriebenen Einrich tungen können selbstverständlich zu einer Gesamtanlage, beispielsweise einer Rechneranlage, zusammengefaßt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher er läutert; es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in schema tischer Ansicht,

Fig. 2 ein Fourier-Spektrum, und

Fig. 3 den zu Fig. 2 korrespondierenden Amplituden-Zeit- Verlauf.

In den Figuren ist eine Vorrichtung zum Vergleich von in eine Eingabeeinrichtung 1 eingespeisten akustischen (Eingangs-)Signalen mit Referenzsignalen gezeigt. Die Wandlung dieser akustischen Signale in elektrische Werte paare (Amplitude und Zeit) erfolgt über einen elektro akustischen Wandler 2, im einfachsten Fall ein Mikrophon 2. Die vorgenannte Eingabeeinrichtung 1 ist mit einem Speicher 3 verbunden. An die Eingabeeinrichtung 1 und den Speicher 3 ist ein Frequenzanalysator 4 angeschlossen.

Mit diesem Frequenzanalysator 4 sind nach dem Ausführungs beispiel ein n-facher Filter 5, ein Integrator 6 sowie ein Zeitglied 7 verbunden. Ausgangsseitig ist der Frequenz analysator 4 über einen n-fachen Vergleicher 8 mit einem UND-Glied 9 verbunden, welches eine Ansteuerung der hierauf folgenden Steuereinrichtung 10 nur dann zuläßt, wenn der Vergleicher 8 eine Übereinstimmung zwischen Eingangssignal und Referenzsignal feststellt und überhaupt ein Eingangs signal an der Eingabeeinrichtung 1 vorliegt. Erst dann wird eine entsprechende Beaufschlagung der Steuereinrichtung 10 vorgenommen. Hierbei kann es sich um eine (zentrale) Bedienvorrichtung für eine Tür, ein Tor od. dgl. im Rahmen einer Zugangskontrolle handeln. Selbstverständlich ist auch die Ansteuerung einer Maschine denkbar. In diesem Zusammen hang können auch einzelne - differenzierte - Befehle seitens der Maschine ausgeführt werden, und zwar in Abhängigkeit von dem Referenzsignal, welches letztlich mittels des Eingangssignals durch Vergleich ausgewählt wurde. Je nach an die Steuereinrichtung 10 übermitteltem Referenz signal lassen sich mit Hilfe der Steuereinrichtung 10 unterschiedliche Betriebszustände einer beispielsweise angeschlossenen Maschine oder Anlage darstellen.

Die Funktionsweise der dargestellten Vorrichtung ist wie folgt. Zur Erzeugung von im Speicher 3 abgelegten Referenz signal-Vektoren werden zunächst einmal Referenzsignale über die Eingabeeinrichtung 1 mit Hilfe des Frequenzanalysators 4 im Zuge einer harmonischen Analyse dieser Signale ausge wertet. Hierzu wird ein zeitabhängiges Fourier-Spektrum er zeugt. Vorwählbare Charakteristika dieses Fourier-Spektrums dienen nun zur Definition einzelner Referenz-Koordinaten des zu definierenden n-dimensionalen Referenzsignal-Vek tors. Bei diesen vorwählbaren Charakteristika des Fourier- Spektrums kann es sich um die höchste Frequenz f_max (vgl. Fig. 2) handeln. Weiter es denkbar, auf die maximale Amplitude a_max zurückzugreifen. Die Dauer des Signals t_max kann mittels des Zeitgliedes bzw. Zeitfilters 7 erfaßt werden. Darüber hinaus können relative Amplitudenverhält nisse zur Definition des n-dimensionalen Referenzsignal- Vektors herangezogen werden. Dabei mag auf eine Grund schwingung mit der Frequenz f₀ sowie zugehörige Ober schwingungen mit den Frequenzen 2f₀ zurückgegriffen werden. Die zugehörigen Amplituden a₁, a₂ und a₃ lassen sich ins Verhältnis setzen: a₁ : a₂; a₁ : a₃ und a₂ : a₃.

Daneben kann als Besonderheit des in Fig. 2 dargestellten Fourier-Spektrums (Gesangsspektrum) auf die dort zu erken nenden neun Maxima ("Peaks oberhalb von a₃) zurückgegriffen werden. Schließlich läßt sich die unterhalb der Kurve schraffiert angedeutete Fläche durch Integration der Ampli tude a über die Frequenz f ermitteln. Dies kann im Inte grator 6 erfolgen, während die vorgenannten Charakteristika mittels des Filters 5 aus dem dargestellten Fourier- Spektrum gewonnen werden, wie dies bereits beschrieben wurde. - Mit Hilfe des Zeitfilters 7 läßt sich unter anderem die Dimension n des Referenzsignal- und Eingangs signal-Vektors festlegen.

Jedenfalls kann der nach dem Ausführungsbeispiel sechs dimensionale (n = 6) Eingangssignal-Vektor grundsätzlich wie folgt dargestellt werden:

Mit f_emax, a_emax, t_emax der maximalen Frequenz, Amplitude und Zeitdauer des Eingangssignal-Vektors (e = Eingangssignal). a_1e, a_2e, a_3e bezeichnen ausgewählte Amplitudenwerte. Der Referenzsignal-Vektor (r = Referenzsignal) lautet dement sprechend wie folgt:

Im Ergebnis werden sowohl Eingangssignal-Vektor als auch Referenzsignal-Vektor mit Hilfe des dargestellten Ver fahrens erzeugt. Der zumindest eine Referenzsignal-Vektor wird nach seiner Festlegung in dem Speicher 3 abgelegt und mit dem Eingangssignal-Vektor auf Übereinstimmung jeweils korrespondierender Koordinaten innerhalb vorgegebener Tole ranzen überprüft. Mit anderen Worten werden die jeweiligen Koordinatenwerte f_max, a_max, t_max usw. von einerseits Ein gangssignal-Vektor und andererseits Referenzsignal-Vektor gegenübergestellt. Sobald eine Übereinstimmung innerhalb vorgegebener Toleranzen im Vergleicher 8 ermittelt wurde, wird das UND-Glied 9 vom Vergleicher 8 entsprechend beaufschlagt, so daß der Referenzsignal-Vektor an die Steuer einrichtung 10 übermittelt werden kann und hier beispiels weise zur Ausführung des gewünschten Befehls führt.

Bei der Definition des Referenzsignal-Vektors wird so vorgegangen, daß ein bestimmtes Referenzsignal mehrfach wiederholt und einer harmonischen Analyse dieses Vektors unterzogen wird, wobei die hierdurch erzeugten einzelnen Signal-Vektoren zur Festlegung des Referenzsignal-Vektors arithmetisch gemittelt werden. Folglich werden mit Blick auf die einzelnen Koordinaten gleichsam mehrere höchste Frequenzen f_1max, f_2max usw. erfaßt und arithmetisch wie folgt gemittelt:

Dies wird für jede Koordinate wiederholt, bis der Refe renzsignal-Vektor auf diese Weise als arithmetisches Mittel definiert worden ist.

Je nach Anzahl der abzuspeichernden Referenzsignal-Vektoren können diese mit einem Definitionsraum bzw. -vektor ε flankiert werden. Mit Hilfe dieses Definitionsvektors (oder eindimensionalen Definitionsraumes) ε lassen sich Signal- Vektoren innerhalb der vorgegebenen Bandbreite ε als gleich oder identisch interpretieren, auch wenn zum Teil große klangliche oder sprachliche Abweichungen zu verzeichnen sind. Folglich kann der Definitionsraum auch als Sicher heitsraum bezeichnet werden. Dies hängt letztlich von der Anzahl der Referenzsignal-Vektoren ab und auch davon, mit wie vielen Koordinaten gearbeitet werden soll.

Wenn z. B. auf lediglich zwei Referenzsignal-Vektoren zurückgegriffen werden soll, so läßt sich der Inhalt des Speichers 3 wie folgt darstellen:

mit f¹ _rmax, f² _rmax usw. den Koordinaten des ersten und zweiten Referenzsignal-Vektors und

(f¹ _rmax ± ε₁) ∩ (f² _rmax ± ε₁) = ∅

d. h., beide Referenzsignal-Vektoren weisen inklusive Definitionsraum ε keinen Überlapp auf.

Vorliegend ist der "Abstand" praktisch gleich 2ε mit

jeweils gleichgroß gebildet, wenngleich natürlich auch ver schiedene Wertigkeiten denkbar sind. Folglich wird ein Ein gangssignal-Vektor (nach Festlegung des ersten Referenz signal-Vektors) nur dann zur Definition des vorliegend zweiten Referenzsignal-Vektors herangezogen, wenn er außer halb von f¹ _rmax ± ε₁ usw. liegt.

Insgesamt läßt sich eine vorwählbare Anzahl m an Referenz signal-Vektoren mit jeweils n Referenz(signal)-Koordinaten im Speicher 3 unter Bildung einer m × n Referenzsignal- Matrix ablegen. - Bei der einstellbaren Toleranz handelt es sich um vorgegebene Intervallabweichungen δ₁, δ₂, δ₃ . . . einer jeweiligen Koordinate des Referenzsignal-Vektors. Auf diese Weise lassen sich jeweils korrespondierende Referenz signal-Koordinatenwertebereiche ausbilden, z. B. f_max ± δ₁, a_max ± δ₂, t_max ± δ₃ usw..

Zur Überprüfung der Übereinstimmung eines eingespeisten Eingangssignal-Vektors und des im Speicher 3 abgelegten Referenzsignal-Vektors wird die relative Lage jeder Eingangs-Koordinate im Vergleich zum zugehörigen Referenz signal-Koordinatenwertebereich ermittelt. Im Klartext sieht der sechsdimensionale Referenzsignal-Vektor mit den ein zelnen Referenzsignal-Koordinatenwertebereichen wie folgt aus:

Der zugehörige Vektor

stellt einen (eindimensionalen) Identitätsraum δ dar. Im allgemeinen wird man den zuvor festgelegten (eindimen sionalen) Definitionsraum ε und den hiervon grundsätzlich unabhängigen Identitätsraum δ kleiner oder gleichgroß wählen, d. h. δ ≦ ε. Wenn folglich ein Eingangssignal-Vektor innerhalb des vom Referenzsignal-Vektor plus/minus Defini tions- bzw. Identitätsraum ε, δ aufgespannten Bereiches liegt, wird der Eingangssignal-Vektor mit dem Referenz signal-Vektor als gleich identifiziert und der gewünschte Befehl ausgeführt.

Darüber hinaus läßt sich ein (eindimensionaler) Optionsraum wie folgt definieren:

s = δ + t

mit

so daß sich der Referenzsignal-Koordinatenwertebereich mit Identitäts- und Optionsraum wie folgt schreiben läßt:

Der Vergleich jeder Eingangs(signal)-Koordinate mit dem korrespondierenden Referenz(signal)-Koordinatenwertebereich läuft also darauf hinaus, zu entscheiden, ob diese Eingangssignal-Koordinate innerhalb des durch den Referenz signal-Koordinatenwertebereiches definierten Intervalls liegt:

f_emax ∈ [f_rmax - δ₁; f_rmax + δ₁]?

Vergleichbar muß natürlich auch für die anderen Koordinaten vorgegangen werden. Wenn der zugehörige Abgleich bejaht worden ist, läßt sich festhalten, daß die Eingangs(signal)- Koordinate mit der Referenz(signal)-Koordinate überein stimmt (innerhalb des Identitäts- bzw. Sicherheitsraumes δ, ε). Für den Fall, daß die vorgenannte Bedingung verneint, aber die Abfrage

f_emax ∈ [f_rmax - (δ₁ + t₁); f_rmax + (δ₁ + t₁)]

bejaht wird, liegt die zu untersuchende Eingangssignal- Koordinate f_emax gleichsam im Optionsraum s, aber nicht im Identitätsraum δ. Je nach Verfahrensausgestaltung läßt sich ein solches Ergebnis als Übereinstimmung oder fehlerhafter Vergleich werten. Jedenfalls gewinnt das beschriebene Verfahren hierdurch zusätzliche Treffergenauigkeit, weil additiv eine Art Grauzone t definiert wird, welche zum Identitätsraum δ hinzutritt. Diese Grauzone t läßt sich ferner so einrichten, daß gilt:

(f¹ _rmax ± δ₁) ∩ (f² _rmax ± δ₁) = ∅

und

(f¹ _rmax ± (δ₁ + t₁)) ∩ (f² _rmax ± (δ₂ + t₁)) ≠ ∅,

d. h., daß innerhalb der Grauzone t - und nur innerhalb dieser - ein Eingangssignal-Vektor zwei (oder mehreren) Referenzsignal-Vektoren zugeordnet werden kann. Dies ist allgemein nicht wünschenswert, kann jedoch Vorteile bei bestimmten Anwendungen haben. - Selbstverständlich können Identitätsraum bzw. Definitionsraum/Sicherheitsraum δ, ε variabel gestaltet werden, so daß die dargestellte Vor richtung lernfähig ist und beispielsweise an unterschied liche Bediener angepaßt werden kann.

Sobald eine vorgegebene Anzahl z mit z ≦ n von Eingangs- Koordinaten innerhalb des jeweils zugehörigen Referenz signal-Koordinatenwertebereiches liegt, wird die Überein stimmung des Eingangssignal-Vektors mit dem Referenzsignal- Vektor festgestellt.

Zusammenfassend wird also so vorgegangen, daß die zuvor herausgestellte Abfrage für jede einzelne Koordinate wiederholt wird. Diese Abfrage wird entweder mit "J" oder mit "N", je nach dem Ergebnis (J = Ja oder N = Nein), identifiziert. Die Anzahl V der erfaßten "J" wird nun ermittelt und mit der vorgegebenen Anzahl z verglichen. Für den Fall, daß gilt, V ≦ z, liegt die gewünschte Über einstimmung nicht vor. Im Gegensatz dazu löst V < z die Übertragung des Referenzsignal-Vektors von dem Vergleicher 8 über das UND-Glied 9 schließlich an die Steuereinrichtung 10 aus.

Aufgrund der vorstehenden Erwägungen kann die Anzahl V (der erfaßten "J") um die Wertezahl g im Optionsraum s bzw. der Grauzone t erweitert werden, so daß für diesen Fall die Abfrage V + g ≦ z oder V + g < z zu entscheiden ist.

Ein Eingabe- und Abfragemodus wird nur im Detail - aus gehend von einem leeren Speicher 3 - erläutert. Für die Festlegung der abzuspeichernden Referenzsignal-Vektoren ist es zunächst erforderlich, deren Anzahl sowie den zuge hörigen Definitions- bzw. Sicherheitsraum ε anzugeben. Im allgemeinen wird man hierzu so vorgehen, daß je Koordinate des Referenzsignal-Vektors der zur Verfügung stehende Speicherinhalt in gleichsam äquidistante Bereiche - abhängig von der Anzahl der Referenzsignal-Vektoren - unter teilt wird. Im einzelnen kann der erste Referenzsignal- Vektor beispielsweise "Apfel" bedeuten und einen Defini tions- bzw. Sicherheitsraum ε nach der vorgenannten Vor schrift erhalten. Selbstverständlich kann dieser Raum auch extern vorgegeben werden. Im Anschluß hieran ist es denk bar, den vorgenannten Begriff mehrfach zu wiederholen und die bereits beschriebene arithmetische Mittlung vorzu nehmen.

Wenn nun ein zweites Wort zur Definition eines weiteren Referenzsignal-Vektors, beispielsweise "Gabel", eingegeben wird, so hängt dessen Eintrag im Speicher 3 davon ab, ob der zu "Gabel" gehörige Sicherheitsraum den Definitions- bzw. Sicherheitsraum ε von "Apfel" schneidet. Ist dies der Fall, wird "Gabel" nicht zugelassen, so daß hierauf ver zichtet werden muß oder die Sicherheitsräume entsprechend anzupassen sind, regelmäßig verkleinert werden müssen. Dies geht dann natürlich zu Lasten der Auswahl. Jedenfalls wird deutlich, daß der Sicherheits- bzw. Definitionsraum ε ent weder fest vorgegeben werden kann oder an die Gegeben heiten, insbesondere die Anzahl der abzuspeichernden Referenzsignal-Vektoren anpaßbar ist. In diesem Zusammen hang kann eine gleichsam experimentelle Bestimmung des vorgenannten Raumes ε erfolgen.

Damit sind die Referenzsignal-Vektoren mit ihrem Sicher heits- bzw. Definitionsraum ε festgelegt. Völlig unabhängig hiervon erfolgt der Vergleich zwischen Referenzsignal- Vektor und Eingangssignal-Vektor. Zu diesem Zweck wird zu nächst einmal der jeweils zugehörige Identitätsraum δ festgelegt, welcher maximal so groß wie der zuvor bereits angesprochene Definitionsraum ε ist. Sobald ein Eingangs signal-Vektor im vorliegenden Identitätsraum eines Refe renzsignal-Vektors liegt, wird dies als Identität gedeutet und der solchermaßen identifizierte Befehl ausgeführt. Außerhalb des jeweiligen Identitätsraumes δ wird der Eingangssignal-Vektor nicht erkannt. - Es sollte betont werden, daß in diesem Zusammenhang natürlich nicht nur ein Eingangssignal-Vektor "Apfel" die Auslösung der zum Refe renzsignal-Vektor "Apfel" gehörigen Befehlskette bewirkt. Vielmehr ist es grundsätzlich auch denkbar, daß ein Wort wie "Dackel" innerhalb des Identitätsraumes δ zu "Apfel" liegen kann, so daß selbst die Eingabe "Dackel" den gleichen Befehl auslöst wie "Apfel".

Für den Fall, daß - wie bereits beschrieben - der Eingangs signal-Vektor in keinem Identitätsraum δ der im Speicher 3 abgelegten Referenzsignal-Vektoren angesiedelt ist, greift die Erfindung ggf. auf den Optionsraum s zurück. Dieser legt sich mit seiner Grauzone t gleichsam um den Iden titätsraum δ und erfaßt exakt derartige Eingangssignal- Vektoren. Dabei kann der Optionsraum s kleiner als der Definitions- bzw. Sicherheitsraum ε sein. Im allgemeinen gilt jedoch s < ε.

Je nach Verfahrensausgestaltung kann nun entweder eine Fehlermeldung erfolgen, d. h., daß der Eingangssignal-Vektor nicht als Befehlseingabe erkannt wird oder es wird eine optische Anzeige dergestalt durchgeführt, daß der Bediener gefragt wird, ob der zum Optionsraum s korrespondierende Referenzsignal-Vektor gemeint sein soll. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, daß auch zwei oder mehrere Refe renzsignal-Vektoren zur Auswahl stehen. Jedenfalls kann anstelle einer Ablehnung dieser Eingabe der Rückgriff auf den Optionsraum s die Möglichkeit eröffnen, diese Eingabe richtigzustellen oder zu präzisieren.

Auch für den Identitätsraum δ gilt (wie für den Defini tions- bzw. Sicherheitsraum ε und natürlich auch den Optionsraum s), daß dessen Größe entweder extern vorgegeben wird oder mit Hilfe von Experimenten festgelegt werden kann. Jedenfalls dient der Optionsraum s als gleichsam Auffangnetz für Eingangssignal-Vektoren, die keinem Identi tätsraum δ eines Referenzsignal-Vektors zugeordnet werden können. Daß diesbezüglich sogar Überlappungen unter Um ständen toleriert werden, d. h., die Optionsräume einzelner Referenzsignal-Vektoren einen Überlapp aufweisen und folg lich größer sind als die zugehörigen Sicherheits- bzw. Definitionsräume ε, stört insofern nicht, als vor der Ausführung des gewünschten Befehls eine weitere Abfrage eingebaut werden kann. - Wenn natürlich absolute Narren sicherheit gewünscht wird, wird man im allgemeinen auf den Optionsraum s gänzlich verzichten.

Claims

1. Verfahren zum Vergleich von zumindest einem, in eine Eingabeeinrichtung (1) eingespeisten, akustischen Eingangs signal mit wenigstens einem weiteren, in einem Speicher (3) abgelegten, akustischen Referenzsignal, wonach

- in einem an die Eingabeeinrichtung (1) und den Speicher (3) angeschlossenen Frequenzanalysator (4) eine harmo nische Analyse des Eingangssignals zur Erzeugung eines Fourier-Spektrums durchgeführt wird, wonach ferner
- das Fourier-Spektrum zur Definition eines n-dimensio nalen Eingangssignal-Vektors mit n Eingangs-(Signal-) Koordinaten herangezogen wird, und wonach
- der Eingangssignal-Vektor mit zumindest einem in gleicher Weise definierten und danach in dem Speicher (3) abgelegten Referenzsignal-Vektor auf Übereinstimmung überprüft wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

- der jeweilige Referenzsignal-Vektor mit einem an die Anzahl der abzuspeichernden Referenzsignal-Vektoren angepaßten Sicherheitsraum (Definitionsraum) (ε) und einem Identitätsraum (δ; mit δ ≦ ε) flankiert wird, und daß
- der Eingangssignal-Vektor mit dem Referenzsignal- Vektor dann als gleich identifiziert wird, wenn er innerhalb des Identitätsraumes (δ) liegt, wobei
- jeweilige Referenzsignal-Vektoren inklusive Defini tionsraum (ε) keinen Überlapp aufweisen, d. h. die Definitions- bzw. Sicherheitsräume (ε) aller Referenz signal-Vektoren überlappen sich nicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Referenzsignal-Vektor zu vergleichende Eingangssignal-Vektor außerhalb des jeweiligen Identitäts raumes (δ) nicht erkannt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß zusätzlich ein Optionsraum (s) definiert wird, welcher sich mit einer Grauzone (t) um den Identitätsraum (δ) legt und als gleichsam Auffangnetz für Eingangssignal-Vektoren dient, die keinem Identitätsraum (δ) eines Referenzsignal-Vektors zugeordnet werden können.

4. Verfahren zum Vergleich von zumindest einem, in eine Eingabeeinrichtung (1) eingespeisten, akustischen Eingangs signal mit wenigstens einem weiteren, in einem Speicher (3) abgelegten, akustischen Referenzsignal, wonach

- in einem an die Eingabeeinrichtung (1) und den Speicher (3) angeschlossenen Frequenzanalysator (4) eine harmonische Analyse des Eingangssignals zur Erzeugung eines Fourier-Spektrums durchgeführt wird, wonach ferner
- das Fourier-Spektrum zur Definition eines n-dimensio nalen Eingangssignal-Vektors mit n Eingangs-(Signal-) Koordinaten herangezogen wird, und wonach
- der Eingangssignal-Vektor mit zumindest einem in gleicher Weise definierten und danach in dem Speicher (3) abgelegten Referenzsignal-Vektor auf Übereinstimmung überprüft wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

- mit Hilfe eines einstellbaren n-fachen Filters (5) im Frequenzanalysator (4) jeweils vorwählbare Charakte ristika des Fourier-Spektrums ausgewertet und in die n Eingangs-(Signal-)Koordinaten des Eingangssignal-Vektors umgesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als vorwählbare Charakteristika die höchste Frequenz oder maximale Amplitude oder Dauer oder relative Amplitudenverhältnisse markanter Frequenzen Verwendung finden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Charakteristika des Fourier-Spektrums mittels über die Zeitkonstante aufzusummierender Inte gratoren (6) in die entsprechenden Werte für die Eingangs- Koordinaten des Einganssignal-Vektors oder Referenz- Koordinaten des Referenzsignal-Vektors umgesetzt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils korrespondierende Koordinaten des Eingangssignal-Vektors und des Referenzsignals-Vektors auf Übereinstimmung innerhalb vorgegebener Toleranzen überprüft werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Fourier-Spektrum mit einer an die Maximallänge (t_max) des Eingangssignals angepaßten Zeit konstante aufgenommen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Definition des Referenzsignal- Vektors ein bestimmtes Referenzsignal mehrfach wiederholt einer harmonischen Analyse zur Definition eines Signal- Vektors unterzogen wird und die einzelnen Signal-Vektoren zur Festlegung des Referenzsignal-Vektors arithmetisch gemittelt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorwählbare Anzahl (m) an Referenzsignal-Vektoren mit n Referenz-Koordinaten im Speicher (3) unter Bildung einer m × n Referenzsignal- Matrix abgelegt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Toleranzen als vorgegebene Intervallabweichungen einer jeweiligen Referenz-Koordinate des Referenzsignal-Vektors unter Festlegung eines korrespondierenden Referenzsignal-Koordinatenwertebereiches ausgebildet sind, und daß zur Überprüfung der Über einstimmung von Eingangssignal-Vektor und Referenzsignal- Vektor die relative Lage jeder Eingangs-Koordinate im Vergleich zum zugehörigen Referenzsignal-Koordinaten wertebereich ermittelt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Übereinstimmung des Eingangs signal-Vektors mit dem Referenzsignal-Vektor festgestellt wird, wenn eine vorgegebene Anzahl (z, mit z ≦ n) von Eingangs-Koordinaten innerhalb des jeweils zugehörigen Referenzsignal-Koordinatenwertebereiches liegt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei Übereinstimmung des Eingangs signal-Vektors mit dem Referenzsignal-Vektors eine an die Eingabeeinrichtung (1) angeschlossene Steuereinrichtung (10) aktiviert wird.

14. Vorrichtung zum Vergleich von zumindest einem, in eine Eingabeeinrichtung (1) eingespeisten, akustischen Eingangs signal mit wenigstens einem weiteren, in einem Speicher (3) abgelegten akustischen Referenzsignal, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13,

- mit einem an die Eingabeeinrichtung (1) und den Speicher (3) angeschlossenen Frequenzanalysator (4), und mit
- einem ausgangsseitig mit dem Frequenzanalysator (4) verbundenen Vergleicher (8),

dadurch gekennzeichnet, daß

- dem Frequenzanalysator (4) ein einstellbarer n-facher Filter (5) sowie Integratoren (6) zugeordnet sind, daß ferner
- auf den Vergleicher (8) ein UND-Glied (9) folgt, und daß
- mit Hilfe des einstellbaren n-fachen Filters (5) die n Eingangs-Koordinaten des Eingangssignal-Vektors und die n Referenz-Koordinaten des Referenzsignals-Vektors erzeugt und miteinander verglichen werden,
- wobei in Abhängigkeit von der Übereinstimmung zwischen Eingangssignal-Vektor und Referenzsignal-Vektor eine an das UND-Glied (9) angeschlossene Steuereinrichtung (10) aktiviert wird.