EP0612059A2 - Method for estimating the propagation time in noisy speech channels - Google Patents
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Definitions
- An important aspect of multi-channel processing is the estimation of the runtime difference between the individual channels. If the time difference is known, the direction of the sound event (speaker) can be determined. The signals of the individual channels can be corrected accordingly and processed further. E.g. If uncorrected signals are combined to form a sum signal, individual spectral components of the signal can be amplified, attenuated or canceled by interference.
- the runtime is determined in the frequency domain. This enables a simple runtime correction by multiplying the spectrum by the new phase and leads to a low computing effort.
- the microphone signals x and y are transformed into the frequency range (FFT, Fast Fourier Transformation).
- the transformed segments X l (i) and Y l (i) resulted.
- the segments are half overlapped and weighted with a hanning window. (The sampling rate of the signals x and y is 12 kHz.)
- a "simulated impulse response" S I is calculated via an impulse monitor.
- the smoothing of the phase value "from the beginning of the word into the word" can be adjusted with ⁇ .
- S I, 1 (l - ⁇ ) S I, l-1 + ⁇ S B, l (7)
- an adaptive smoothing constant h is calculated using a noise monitor. This smoothing constant results in an estimate S N for the disturbance. If spectral subtraction (SPS) was carried out beforehand, S N is an estimate of the residual interference.
- SPS spectral subtraction
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Geräuschreduktion in einem Spracherkennungssystem. Es werden die Phasen von zumindest zwei gestörten Signalen geschätzt. Die Phasenschätzung und der für die Geräuschreduktion erforderliche Phasenausgleich wird im Frequenzbereich durchgeführt. Die Hintergrundstörung und das Einschwingverhalten des Raumes werden ständig mitgeschätzt. <IMAGE>The invention relates to a method for noise reduction in a speech recognition system. The phases of at least two disturbed signals are estimated. The phase estimation and the phase compensation required for noise reduction is carried out in the frequency domain. The background disturbance and the transient response of the room are constantly estimated. <IMAGE>
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method according to the preamble of
Ein derartiges Verfahren findet Verwendung bei automatischen Spracherkennungssystemen oder für Freisprechanlagen z.B. in Büroräumen, Kraftfahrzeugen etc..Such a method is used in automatic speech recognition systems or for hands-free systems, e.g. in offices, motor vehicles etc.
Gestörte Sprache ist besser erfaßbar, wenn sie mit zwei oder mehreren Kanälen aufgezeichnet wird. Der Mensch benutzt zwei Kanäle, seine beiden Ohren. Durch eine psychoakustische Nachverarbeitung wird bei ihm die Richtung des Sprechers ermittelt und die Hintergrundstörung ausgeblendet. Bei technischen Geräten können zwei oder mehrere Kanäle zur Aufzeichnung verwendet werden. Diese Signale können dann mit einer digitalen Signalverarbeitung aufbereitet werden.Disrupted speech is easier to grasp if it is recorded with two or more channels. Man uses two channels, his two ears. Through psychoacoustic postprocessing, the direction of the speaker is determined and the Background noise is hidden. In technical devices, two or more channels can be used for recording. These signals can then be processed using digital signal processing.
Ein wesentlicher Aspekt der mehrkanaligen Verarbeitung ist die Schätzung des Laufzeitunterschiedes der einzelnen Kanäle. Ist der Laufzeitunterschied bekannnt, kann die Richtung des Schallereignisses (Sprecher) ermittelt werden. Die Signale der einzelnen Kanäle können entsprechend laufzeitkorrigiert und weiterverarbeitet werden. Werden z.B. nicht korrigierte Signale zu einem Summensignal zusammengefaßt, können sich einzelne spektrale Anteile des Signals durch Interferenz verstärken, dämpfen oder auslöschen.An important aspect of multi-channel processing is the estimation of the runtime difference between the individual channels. If the time difference is known, the direction of the sound event (speaker) can be determined. The signals of the individual channels can be corrected accordingly and processed further. E.g. If uncorrected signals are combined to form a sum signal, individual spectral components of the signal can be amplified, attenuated or canceled by interference.
Ein Verfahren zur automatischen Ermittlung der Laufzeitunterschiede zweier Mikrofone ist aus einer Veröffentlichung von M. Schlang, ITG-Fachtagung 1988, Bad Nauheim S. 69-73 bekannt. Es arbeitet im Zeitbereich. Jedoch ist dieses Verfahren bei starken Störungen nicht anwendbar.A method for automatically determining the runtime differences between two microphones is known from a publication by M. Schlang, ITG Conference 1988, Bad Nauheim pp. 69-73. It works in the time domain. However, this method cannot be used in the case of severe disturbances.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Laufzeitschätzung für ein Spracherkennungssystem anzugeben, das auch bei starken Hintergrundgeräuschen anwendbar ist, für ein Mehrkanalübertragungssystem geeignet ist und zeit- und kostensparend arbeitet.The invention is therefore based on the object of specifying a method for estimating the runtime for a speech recognition system which can also be used in the case of strong background noise, is suitable for a multichannel transmission system and saves time and costs.
Die Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.The object is achieved by the features specified in the characterizing part of
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen.The invention is described using an exemplary embodiment with reference to schematic drawings.
In FIG. 1 wird anhand eines Blockschaltbilds die Phasenschätzung erläutert.In FIG. 1, the phase estimation is explained using a block diagram.
FIG. 2 gibt für ein Fahrgeräusch von 140km/h eine Darstellung der Größen SB, SI, SN und g in Abhängigkeit von der Zeit an.FIG. 2 shows a representation of the quantities S B , S I , S N and g as a function of time for a driving noise of 140 km / h.
In der vorliegenden Erfindung wird ein 2-kanaliger Laufzeitausgleich vorgestellt. Die Erweiterung auf mehrere Kanäle ist mit dem entsprechenden Mehraufwand leicht möglich. Der Laufzeitausgleich ist ein Teil der Signalvorverarbeitung einer mehrkanaligen Geräuschreduktion, die z.B. für einen Spracherkenner im Fahrzeug verwendet werden kann.In the present invention, a 2-channel runtime compensation is presented. The expansion to several channels is easily possible with the corresponding additional effort. The runtime compensation is part of the signal preprocessing of a multi-channel noise reduction, which e.g. can be used for a speech recognizer in the vehicle.
Die Laufzeit wird im Frequenzbereich ermittelt. Dies ermöglicht eine einfache Laufzeitkorrektur durch die Multiplikation des Spektrums mit der neuen Phase und führt zu einem geringen Rechenaufwand.The runtime is determined in the frequency domain. This enables a simple runtime correction by multiplying the spectrum by the new phase and leads to a low computing effort.
Die Sprach- und Geräuschaufnahmen zur Entwicklung und Bewertung des vorliegenden Verfahrens wurden in einem Fahrzeug mit zwei Mikrofonen durchgeführt. Die Störung ist das Fahrgeräusch bei verschiedenen Fahrsituationen.The speech and sound recordings for the development and evaluation of the present method were carried out in a vehicle with two microphones. The disturbance is the driving noise in different driving situations.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden im Frequenzbereich die Phasen an einer Anzahl von Maxima der Kreuzkorrelation bestimmt. Die Hintergrundstörung und das Einschwingverhalten des Raumes werden ständig mitgeschätzt. Die einzelnen Phasenwerte werden nur zu Beginn eines Einschwingvorgangs verarbeitet und wenn das Hintergrundgeräusch um einen gewissen Faktor überschritten wird. Bei der Weiterverarbeitung der Phasenwerte wird eine lineare Phasenbeziehung vorausgesetzt und die Varianz der Schätzung wird bei der Glättung der Werte mitberücksichtigt. Die Berücksichtigung des Einschwingvorgangs des Raumes fuhrt dazu, daß nur bei starken Energieanstiegen der Sprache eine Phasenschätzung stattfindet. Sofort zu Beginn des Wortes steht ein neuer Phasenschätzwert zur Verfügung. Der Einfluß von Reflexionen wird vermindert. Durch die Berücksichtigung des Hintergrundgeräuschs ist das Verfahren für den praktischen Einsatz z.B. im Fahrzeug gut geeignet. Anhand eines Blockschaltbildes in FIG. 1 wird der Verfahrensablauf der Phasenschätzung näher erläutert.With the method according to the invention, the phases are determined in the frequency domain at a number of maxima of the cross-correlation. The background disturbance and the transient response of the room are constantly valued. The individual phase values are only processed at the start of a transient process and when the background noise is exceeded by a certain factor. In the further processing of the phase values, a linear phase relationship is assumed and the variance of the estimate is taken into account when smoothing the values. The consideration of the settling process of the room leads to the fact that a phase estimation takes place only with strong energy increases of the speech. A new phase estimate is available immediately at the beginning of the word. The influence of reflections is reduced. By taking the background noise into account, the method is well suited for practical use, for example in a vehicle. Using a block diagram in FIG. 1, the procedure of the phase estimation is explained in more detail.
Die Mikrofonsignale x und y werden in den Frequenzbereich transformiert (FFT, Fast Fourier Transformation). Die Transformationslänge wird zu N = 256 gewählt. Es ergaben sich die transformierten Segment Xl (i) und Yl (i). l bezeichnet den Blockindex der Segmente, i die diskrete Frequenz (i = 0,1,2,...,N-1). Die Segmente sind halb überlappt und werden mit einem Hanning Fenster gewichtet. (Die Abtastrate der Signale x und y beträgt 12 kHz.)The microphone signals x and y are transformed into the frequency range (FFT, Fast Fourier Transformation). The transformation length is chosen to be N = 256. The transformed segments X l (i) and Y l (i) resulted. l denotes the block index of the segments, i the discrete frequency (i = 0,1,2, ..., N-1). The segments are half overlapped and weighted with a hanning window. (The sampling rate of the signals x and y is 12 kHz.)
Im Frequenzbereich wird der Langzeitmittelwert des Betragsspektrums subtrahiert (SPS, spektrale Substraktion). Die Phase der Signale wird nicht verändert. Das Störgeräusch wird reduziert. Es ergeben sich die Schätzwerte X̂ und Ŷ. Die SPS ist ein Standardverfahren und kann hier in einer einfachen Version eingesetzt werden. Sind nur geringe Störungen vorhanden, kann auf die SPS ganz verzichtet werden.In the frequency domain, the long-term mean of the magnitude spectrum is subtracted (SPS, spectral subtraction). The phase of the signals is not changed. The noise is reduced. The estimated values X̂ and Ŷ result. The PLC is a standard procedure and a simple version can be used here. Are only minor Faults are present, the PLC can be dispensed with entirely.
Mit der Glättungskonstante β wird das Störspektrum Snn(i) geschätzt. Das Störspektrum wird normiert und subtrahiert. l bezeichnet den Blockindex, i die diskrete Frequenz. Als Glättungskonstante wird z.B. βl = 0.03 verwendet.
Für den zweiten Kanal Y gelten die entsprechenden Gleichungen.The interference spectrum S nn (i) is estimated with the smoothing constant β. The interference spectrum is normalized and subtracted. l denotes the block index, i the discrete frequency. For example, β l = 0.03 is used as the smoothing constant.
The corresponding equations apply to the second channel Y.
Aus den geschätzten Werten X̂ und X̂ wird der Betrag der Kreuzleistungsdichte BXY,l berechnet. Der Bereich (Nu, No) liegt z.B. zwischen 300 und 1500Hz (Nu = 6, No = 31, bei N = 256). Dabei gilt
Als Glättungskonstante α wird z.B. α = l gewählt. Werte α « l sind nicht sinnvoll.The magnitude of the cross power density B XY, l is calculated from the estimated values X̂ and X̂. The range (N u , N o ) is, for example, between 300 and 1500 Hz (N u = 6, N o = 31, at N = 256). The following applies
For example, α = 1 is selected as the smoothing constant α. Values α «l do not make sense.
Mit einer Präemphase können höhere Frequenzen angehoben werden. Dies ist dann vorteilhaft, wenn das Sprachsignal und das Störsignal bei höheren Frequenzen eine geringere Leistung aufweisen. Die Werte der Kreuzleistung Bxy (i) können z.B. im Bereich 300 bis 1500 Hz um 10dB linear an-steigend angehoben werden. Die Präemphase kann aber auch schon durch die Mikrofoncharakteristik vorgegeben sein.With a pre-emphasis higher frequencies can be raised. This is advantageous if the speech signal and the interference signal have a lower power at higher frequencies. The values of the cross power B xy (i) can, for example, be increased linearly by 10dB in the range 300 to 1500 Hz. However, the pre-emphasis can also be predetermined by the microphone characteristics.
Aus den Werten Bxy (i) werden M Maxima bestimmt und summiert. Es können z.B. M = 8 verwendet werden. Es wird ein aktueller Schätzwert
bestimmt.M maxima are determined and summed from the values B xy (i). For example, M = 8 can be used. It becomes a current estimate
certainly.
Über einen Impulsmonitor wird eine "simulierte Impulsantwort" SI berechnet. Das Einschwingverhalten des umgebenden Raumes auf plötzliche energiestarke Schallereignisse (Sprache) wird hiermit grob simuliert (z.B. wird γ = 0.l gewählt). Die Glättung des Phasenwerts "vom Wortanfang in das Wort hinein" ist mit γ einstellbar.
Außerdem wird über einen Geräuschmonitor eine adaptive Glättungskonstante h berechnet. Mit dieser Glättungskonstanten ergibt sich ein Schätzwert SN für die Störung. Wurde zuvor eine spektrale Substraktion (SPS) durchgeführt, ist SN ein Schätzwert für die Reststörung. Für die Glättungskonstante ho gilt z.B. ho = 0.03
Die Phase der gestörten Signale wird aus den Real- und Imaginärteilen von Sxy berechnet. Die Phase wird nur an den M zuvor bestimmten Maxima berechnet.
und
Daraus ergibt sich der Phasenanstieg:
Mit der Länge der Fouriertransformation N und der max. zulässigen Verschiebung um n Taps ergibt sich (N = 256):
Übersteigt der Phasenanstieg |φ'| an einem der Maxima |φ'|max, so wird dieser Wert φ' nicht weiterverwendet. Es wird eine adaptive Glättungskonstante g berechnet:
Der aktuelle Wert SB muß um den Faktor c größer sein als die simulierte Impulsantwort SI
sonst gilt:
Der aktuelle Wert SB muß um den Faktor d größer sein als das Restrauschen SN
sonst gilt ebenfalls
Ist Gl. (17) oder Gl. (19) nicht erfüllt, d.h. gilt
In addition, an adaptive smoothing constant h is calculated using a noise monitor. This smoothing constant results in an estimate S N for the disturbance. If spectral subtraction (SPS) was carried out beforehand, S N is an estimate of the residual interference. For the smoothing constant h o , for example, h o = 0.03 applies
The phase of the disturbed signals is calculated from the real and imaginary parts of S xy . The phase is only calculated on the M predetermined maxima.
and
This results in the phase increase:
With the length of the Fourier transform N and the max. permissible shift by n taps results (N = 256):
If the phase increase exceeds | φ '| at one of the maxima | φ '| max , this value φ 'is no longer used. An adaptive smoothing constant g is calculated:
The current value S B must be greater by a factor c than the simulated impulse response S I
otherwise:
The current value S B must be greater than the residual noise S N by a factor of d
otherwise also applies
Is Eq. (17) or Eq. (19) not fulfilled, ie applies
Für alle
gilt:
Von den ursprünglichen M Maxima werden wegen Gl. (21) nur M' für die Gl. (22, 23) verwendet. Ist die Anzahl M' der für die Summen gültigen Werte φ kleiner als Mmin, gilt der geschätzte Phasenanstieg als zu unsicher oder außerhalb des Nutzbereichs (z.B. Mmin = 6, bei M = 8). Die Phasenschätzung wird dann nicht aktualisiert und das Verfahren hier abgebrochen. Es gilt der alte Phasenschätzwert.For all
applies:
Because of Eq. (21) only M 'for Eq. (22, 23) used. If the number M 'of the values φ valid for the sums is less than M min , the estimated phase increase is considered too uncertain or outside the useful range (eg M min = 6, with M = 8). The phase estimate is then not updated and the process is terminated here. The old phase estimate applies.
Es wird die Varianz der Schätzung berechnet:
Als maximale Varianz wird
verwendet.The variance of the estimate is calculated:
As the maximum variance
used.
Entsprechend der Varianz wird die Glättungskonstante g gewichtet. Bei einer großen Streuung gilt:
Bei einer mittleren Streuung gilt:
Bei sehr geringer Streuung gilt:
Entsprechend den Gl. 19 - 22 wird g in der Regel nur am Wortanfang größer Null sein. Dabei muß die Energie des Wortes größer sein als die Energie des Restgeräusches und der simulierten Impulsantwort. Mit der Variablen j wird die aufeinanderfolgende Anzahl für g > 0 gezählt. Entsprechend gilt für die Glättung:
Wird z.B. infolge einer Störung die Bedingung g > 0 nur einmal in Folge erfüllt, wird die Phasenschätzung nicht aktualisiert. Eine Aktualisierung der Phasenschätzung erfolgt nur dann, wenn g > 0 mindestens 2-mal in Folge erfüllt wird.The smoothing constant g is weighted according to the variance. In the case of a large spread:
The following applies to medium scatter:
With very little scatter:
According to Eq. 19-22, g will usually only be greater than zero at the beginning of the word. The energy of the word must be greater than the energy of the residual noise and the simulated impulse response. The variable j is used to count the successive number for g> 0. The following applies accordingly to smoothing:
For example, if the condition g> 0 is fulfilled only once in succession as a result of a fault, the phase estimate is not updated. The phase estimate is only updated if g> 0 is met at least twice in succession.
Ein Beispiel für die Zwischengrößen SB, SI, SN' und g und die daraus abgeleitete Phasenschätzung zeigt, FIG. 2. Dabei wird das Wort "Senderwahl" gesprochen und das Fahrgeräusch bei 140km/h addiert. Das Verfahren wird, wie oben angegeben, verwendet. Der Phasenschätzwert ist in Abtastwerten n angegeben. Mit der Größe SI wird der "Sprachimpuls" teilweise verdeckt und so nur bei starken Energieanstiegen eine Schätzung erlaubt (SB muß SI um den Faktor 2 übersteigen). Die Schätzung der Reststörung SN ermöglicht eine größere Robustheit gegenüber Geräuschen (SB muß SN um den Faktor 3 übersteigen).An example of the intermediate quantities S B , S I , S N 'and g and the phase estimate derived therefrom is shown in FIG. 2. The word "station selection" is spoken and the driving noise at 140 km / h is added. The method is used as indicated above. The phase estimate is given in samples n. With the size S I , the "speech impulse" is partially masked and thus an estimate is only allowed in the case of strong energy increases (S B must exceed S I by a factor of 2). The estimation of the residual disturbance S N enables greater robustness against noise (S B must exceed S N by a factor of 3).
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