JP2011175114A - Signal processing method and device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、信号処理方法及び装置に係り、詳しくは、独立成分分析を用いた混合信号の処理方法及び装置に関するものである。 The present invention relates to a signal processing method and apparatus, and more particularly, to a mixed signal processing method and apparatus using independent component analysis.
独立成分分析は、信号源の独立性の仮定に基づき、混合信号のみから原信号を推定する手法であり、現在では、音声、音楽といった音響信号、EEG等の生体信号、画像、通信など、幅広い領域で用いられている信号処理手法である。独立成分分析についての文献は多数あり、非特許文献1、2を例挙することができる。独立成分分析に関連する特許出願については、特許文献1、2を例挙することができる。
Independent component analysis is a method for estimating an original signal from only a mixed signal based on the assumption of signal source independence. At present, it is widely used for acoustic signals such as speech and music, biological signals such as EEG, images, and communications. This is a signal processing technique used in the area. There are many documents on independent component analysis, and
独立成分分析を用いた信号処理は、混合信号からなる観測信号に対して独立成分分析を適用した学習によって、混合信号を分離するための分離行列を求める分離行列推定手段と、観測信号に対して得られた分離行列することで、混合信号を分離して分離信号を得る手段と、を備えている。
独立成分分析は、分離行列の要素をパラメータとした非線形最適化問題であり、分離行列を得るための非線形最適化問題の解法としては、従来より、FastICAと自然勾配法の2つの反復手法がよく知られている。
In the signal processing using independent component analysis, the separation matrix estimation means for obtaining a separation matrix for separating the mixed signal by learning by applying independent component analysis to the observation signal composed of the mixed signal, and the observation signal Means for separating the mixed signal to obtain a separated signal by dividing the obtained separation matrix.
Independent component analysis is a nonlinear optimization problem that uses the elements of the separation matrix as parameters, and two iterative methods, FastICA and the natural gradient method, have been used to solve the nonlinear optimization problem to obtain the separation matrix. Are known.
FastICAは、データの白色化を前処理として分離行列を直交行列に限定することで高速に分離行列を得る手法であるが、観測信号のデータ長が短かったり、観測信号が外れ値を含むような場合には、得られる解の精度が下がってしまうという問題があった。 FastICA is a technique for obtaining a separation matrix at high speed by limiting the separation matrix to an orthogonal matrix with data whitening as preprocessing, but the observation signal data length is short or the observation signal contains outliers. In some cases, there is a problem that the accuracy of the obtained solution is lowered.
自然勾配法は、直交行列に限らず一般の行列として分離行列を推定する。適切なステップサイズを用いれば精度の高い解に収束することが期待できるが、ステップサイズのチューニングが必要となる。具体的には、ステップサイズが小さすぎると収束が遅くなり、ステップサイズが大きすぎると、反復計算の途中で発散してしまい、解が求まらない場合があるといった問題があった。
本発明は、独立成分分析を用いた信号処理において、分離行列を求める際の解が直交行列に制限されず、また、パラメータチューニングが不要で収束性が保証される、安定で高速な独立成分分析を行うことを目的としている。 In the signal processing using independent component analysis, the present invention does not limit the solution for obtaining a separation matrix to an orthogonal matrix, and does not require parameter tuning and ensures stable convergence. The purpose is to do.
かかる課題を解決するために本発明が採用した技術手段は、複数の信号が混合された観測信号を、独立成分分析を用いて分離信号に分離する信号処理方法であって、独立成分分析の目的関数J(W)を最小化する分離行列を求めるステップにおいて、補助関数を設計し、補助関数を用いて補助変数と分離行列Wの更新を交互に繰り返すことで、目的関数J(W)を単調減少させて、分離行列を求める、ものである。 The technical means adopted by the present invention in order to solve such a problem is a signal processing method for separating an observation signal, in which a plurality of signals are mixed, into a separated signal using independent component analysis. In the step of obtaining a separation matrix for minimizing the function J (W), an auxiliary function is designed, and the auxiliary function and the separation matrix W are alternately updated by using the auxiliary function, thereby making the objective function J (W) monotonic. The separation matrix is obtained by decreasing the number.
より具体的には、本発明は、複数の信号が混合された観測信号を、独立成分分析を用いて分離信号に分離する信号処理方法であって、
独立成分分析の目的関数を
とし、
目的関数J(W)を最小化する分離行列を求めるステップにおいて、
補助関数
を用いて補助変数と分離行列の更新を交互に繰り返すことで、目的関数J(W)を単調減少させて、分離行列を求めることを特徴とする信号処理方法、である。
More specifically, the present invention is a signal processing method for separating an observation signal in which a plurality of signals are mixed into a separated signal using independent component analysis,
Independent component analysis objective function
age,
In the step of obtaining a separation matrix that minimizes the objective function J (W),
Auxiliary function
The signal processing method is characterized by obtaining the separation matrix by monotonically decreasing the objective function J (W) by alternately repeating the updating of the auxiliary variable and the separation matrix.
(a)分離行列は
である。
(b)目的関数の第1項において、
は分離信号のコントラスト関数であり、コントラスト関数G(z)は、
を満たす。
ここで、GR(|z|)=G(z)であり、zは実変数あるいは複素変数である。
また、GR(r)は、連続で微分可能な実変数rの関数であり、GR´(r)/rが連続
であり、r>0 で単調減少である。
(c)補助変数は
である。
(d)補助関数の第1項のVkは
である。
ここで、
である。
(e)補助関数のRは分離行列Wに依存しない定数、である。
(A) The separation matrix is
It is.
(B) In the first term of the objective function,
Is the contrast function of the separated signal, and the contrast function G (z) is
Meet.
Here, G R (| z |) = G (z), and z is a real variable or a complex variable.
G R (r) is a continuously differentiable function of the real variable r, G R ′ (r) / r is continuous, and monotonically decreases when r> 0.
(C) Auxiliary variables are
It is.
(D) V k of the first term of the auxiliary function is
It is.
here,
It is.
(E) R of the auxiliary function is a constant that does not depend on the separation matrix W.
本明細書では、目的関数、補助関数について、数式で規定しているが、本明細書で記載した数式に対して、当業者において等価とみなされる数式(変形、改良等を含む)は、請求項記載の発明の範囲内にあることが当業者に理解される。 In this specification, the objective function and the auxiliary function are defined by mathematical expressions. However, mathematical expressions (including modifications, improvements, etc.) that are considered equivalent to those skilled in the art to the mathematical expressions described in this specification are claimed. Those skilled in the art will understand that they are within the scope of the invention described in the section.
1つの態様では、wkの更新は、
に基づいて行われる。
1つの態様では、wkの更新は、分離行列Wの各行ベクトルwkに対して、1つずつwkを更新する。
1つの態様では、wkの更新は、分離行列Wの各行ベクトルwkに対して、2つの行ベクトルのペアを更新する。
In one aspect, the update of w k is
Based on.
In one embodiment, the update of w k, to the row vector w k of the separating matrix W, and updates the one by 1 w k.
In one aspect, updating w k updates two row vector pairs for each row vector w k of the separation matrix W.
本発明に係る信号処理方法は、ハードウエア構成としてコンピュータによって実行され、また、本発明に係る信号処理装置は、コンピュータ(具体的には、入力装置、出力装置、CPU、記憶装置(ROM,RAM等)、これらを接続するバス、を備えている。)から構成することができる。
また、本発明は、独立成分分析を用いて信号処理を行うために、コンピュータを実行させるコンピュータプログラムとして提供することもできる。
1つの態様では、コンピュータプログラムは、表1に記載の更新規則に従ってコンピュータを実行させる。
1つの態様では、コンピュータプログラムは、表2に記載の更新規則に従ってコンピュータを実行させる。
The signal processing method according to the present invention is executed by a computer as a hardware configuration, and the signal processing apparatus according to the present invention includes a computer (specifically, an input device, an output device, a CPU, a storage device (ROM, RAM). Etc.) and a bus for connecting them.
The present invention can also be provided as a computer program that causes a computer to execute signal processing using independent component analysis.
In one aspect, the computer program causes the computer to execute according to the update rules set forth in Table 1.
In one aspect, the computer program causes the computer to execute according to the update rules set forth in Table 2.
本発明は、補助関数法を用いた独立成分分析を採用することで、勾配法のように、直交行列に限らず一般の行列として分離行列を推定することができ、また、ステップサイズのようなパラメータチューニングが不要であり、かつ、収束性が保証されている、安定で高速な独立成分分析を提供する。
安定で高速な独立成分分析を用いて信号処理を行うことで、高速かつ高精度に混合信号から分離信号を取得することができる。
By adopting independent component analysis using an auxiliary function method, the present invention can estimate a separation matrix as a general matrix as well as an orthogonal matrix as in the gradient method. To provide a stable and high-speed independent component analysis in which parameter tuning is unnecessary and convergence is guaranteed.
By performing signal processing using stable and high-speed independent component analysis, a separated signal can be acquired from the mixed signal at high speed and with high accuracy.
本実施形態では、補助関数法という最適化の枠組みを独立成分分析に応用することにより、優ガウス性の信号源に対して、解を直交行列に制限せず、また、パラメータチューニング不要で収束性が保証される、新しい独立成分分析の二次補助関数に基づく学習則を導出した。 In this embodiment, by applying the optimization framework called the auxiliary function method to independent component analysis, the solution is not limited to an orthogonal matrix for a dominant Gaussian signal source, and convergence is achieved without parameter tuning. A new learning rule based on the quadratic auxiliary function of independent component analysis is derived.
以下、本発明に係る信号処理の実施形態について、補助関数法を用いた独立成分分析を中心に説明するが、補助関数法を用いた独立成分分析における最適化計算は純粋な数学的手法ではなく、複数の信号が混合された観測信号の信号処理の構成要素として用いられるものである。本発明が適用される信号処理の典型的な態様例として、ブラインド音源分離が挙げられるが、独立成分分析を用いた信号処理は、ブラインド信号源分離一般に広く適用できるものであり、音響信号以外にも、例えば、脳波等の生体信号や画像処理における信号などの分離に用いることができる。 Hereinafter, the signal processing embodiment according to the present invention will be described focusing on the independent component analysis using the auxiliary function method, but the optimization calculation in the independent component analysis using the auxiliary function method is not a pure mathematical method. These are used as components of signal processing of observation signals in which a plurality of signals are mixed. A typical example of signal processing to which the present invention is applied is blind sound source separation, but signal processing using independent component analysis is widely applicable to blind signal source separation in general, and other than acoustic signals. Also, for example, it can be used for separation of biological signals such as brain waves and signals in image processing.
[A]独立成分分析の目的関数
独立成分分析の観測モデル(混合過程)を以下に示す。
xは、観測信号(観測により得られる多次元確率変数ベクトル)であり、x=(x1・・・xK)tで表す。
sは、信号源(例えば、音源)信号であり、s=(s1・・・sK)tで表さす。
Aは、混合行列である。
尚、本明細書全般において、変数は複素数値を取るものとして扱うが、エルミート共役hを転置tで置き換えることで変数を実数値として扱うことができることは当業者に理解される。
[A] Objective function of independent component analysis An observation model (mixing process) of independent component analysis is shown below.
x is an observation signal (a multidimensional random variable vector obtained by observation), and is represented by x = (x 1 ... x K ) t .
s is a signal source (for example, a sound source) signal, and is represented by s = (s 1 ... s K ) t .
A is a mixing matrix.
Note that, throughout this specification, variables are treated as complex values, but it will be understood by those skilled in the art that variables can be treated as real values by replacing Hermite conjugate h with transpose t .
独立成分分析における分離過程は、分離行列Wを
として、
のように信号を変換し、各成分(分離信号)y=(y1・・・yK)tが、信号源信号sに一致するような分離行列Wを見つけることによって行われる(スケールとパーミュテーション問題を除いて)。
The separation process in the independent component analysis is the separation matrix W
As
Is performed by finding a separation matrix W such that each component (separation signal) y = (y 1 ... Y K ) t matches the source signal s (scale and par) Except for the mutation problem).
独立性の指標としては、非ガウス性、相互情報量、尤度などが用いられてきたが、いずれの場合も以下の形の目的関数の最小化問題に帰着することが知られている(非特許文献1参照)。
ここで、G(y)はコントラスト関数(信号の独立性を測る関数)と呼ばれる非2次関数であり、信号源の確率密度関数p(y)が既知である場合には、G(y)=-logp(y)と定めることにより、Jの最小化は対数尤度最大化と等価となる。J(W)の非線形性により、一般に
を解析的に解くことはできず、反復解法が必要となる。従来の反復解法としては既述のように、FastICAや自然勾配法が用いられていた。
As an index of independence, non-Gaussianity, mutual information, likelihood, and the like have been used, but in any case, it is known that it results in an objective function minimization problem of the following form (non- Patent Document 1).
Here, G (y) is a non-quadratic function called a contrast function (a function for measuring signal independence). If the probability density function p (y) of the signal source is known, G (y) By defining = -logp (y), J minimization is equivalent to log likelihood maximization. Generally due to the nonlinearity of J (W)
Cannot be solved analytically, and an iterative solution is required. As described above, FastICA and natural gradient method have been used as conventional iterative solutions.
[B]独立成分分析への補助関数法の適用
[B−1]補助関数法の原理
目的関数J(θ)の最適化問題は、以下の式
を満たすパラメータθ=θ*を見つけることである。
簡単な解法は、
を解くことであるが、多くの場合、目的関数J(θ)は非線形であり、反復解法が必要となる。
[B] Application of auxiliary function method to independent component analysis [B-1] Principle of auxiliary function method The optimization problem of the objective function J (θ) is expressed by the following equation:
Is to find a parameter θ = θ * that satisfies
The simple solution is
In many cases, the objective function J (θ) is nonlinear, and an iterative solution is required.
補助関数法では、非線形な目的関数J(θ) に対して、
を満たすような補助関数
を設計する。
In the auxiliary function method, for nonlinear objective function J (θ),
Auxiliary functions that satisfy
To design.
補助関数法は、目的関数J(θ)を直接最小化する代わりに、補助関数Qを用いて、
のように交互に反復的に適用する。尚、iは繰り返し回数である。
補助関数法では、補助関数をパラメータθと補助変数θ(バー)に対して交互に反復的に適用することにより目的関数J(θ)を単調減少させ、目的関数J(θ)を極小とするパラメータθを得る最適化手法である。
The auxiliary function method uses the auxiliary function Q instead of directly minimizing the objective function J (θ).
Apply alternately and repeatedly as follows. Note that i is the number of repetitions.
In the auxiliary function method, the objective function J (θ) is monotonously decreased by alternately and repeatedly applying the auxiliary function to the parameter θ and the auxiliary variable θ (bar), and the objective function J (θ) is minimized. This is an optimization method for obtaining the parameter θ.
補助関数法の原理は、以下の証明に示すように、更新において目的関数J(θ)が非増加であることに基づく。
よって、仮に式(5)を解析的に解くことができない場合であっても、式(8)、(9)が解析的に解けるような式(7)を満たす補助関数を設計できる場合には、補助関数法は、効果的な反復解法が得られる。しかしながら、補助関数の設計の可否は、目的関数の具体的な形状に依存するため、補助関数法の原理が既知であったとしても、独立成分分析に適用可能な補助関数を簡単に設計できるものではない。
補助関数法の原理については、特許文献3、4、非特許文献4、5に記載されており、必要に応じてこれらの文献を参照することができる。
The principle of the auxiliary function method is based on the fact that the objective function J (θ) is not increased in the update, as shown in the following proof.
Therefore, even if the equation (5) cannot be solved analytically, an auxiliary function satisfying the equation (7) that can solve the equations (8) and (9) analytically can be designed. The auxiliary function method provides an effective iterative solution. However, whether or not an auxiliary function can be designed depends on the specific shape of the objective function, so even if the principle of the auxiliary function method is known, an auxiliary function applicable to independent component analysis can be easily designed. is not.
The principle of the auxiliary function method is described in
[B−2]コントラスト関数の2次補助関数
一般に2次関数は簡単に最小化できるため補助関数の有力な候補であり、従来から補助関数として用いられているが、従来、独立成分分析において補助関数を適用することは行われておらず、独立成分分析に適用可能な2次補助関数は知られていない。
発明者等は、式(1)の第1項(非線形項)に対して、wkの2次形式の補助関数を設計することを試み、以下の定理を得た。
[B-2] Quadratic auxiliary function of contrast function In general, the quadratic function is a promising candidate of an auxiliary function because it can be easily minimized and has been conventionally used as an auxiliary function. A function is not applied, and a secondary auxiliary function applicable to independent component analysis is not known.
The inventors tried to design an auxiliary function of a quadratic form of w k for the first term (nonlinear term) of Equation (1), and obtained the following theorem.
[定理1]
連続で微分可能な実変数rの偶関数GR(r)に対し、G´R(r)/rが連続であり、r>0で単調減少であるならば、
が任意のrについて成り立ち、等号はr=±r0のときにのみ成り立つ。
定理1の証明は、本発明を実施する上では必ずしも必要としないので、定理1の証明は省略する。
[Theorem 1]
For an even function G R (r) of a real variable r that is continuously differentiable, if G´ R (r) / r is continuous and r> 0 and is monotonically decreasing,
Holds for any r, and the equal sign holds only when r = ± r 0 .
Since the proof of
以下のコントラスト関数(非特許文献2参照)は定理1で必要としている条件を満たす。
したがって、優ガウス性の信号源に対してよく用いられる下記コントラスト関数は、定理1で必要としている条件を満たす。
The following contrast function (see Non-Patent Document 2) satisfies the conditions required by
Therefore, the following contrast function often used for a dominant Gaussian signal source satisfies the condition required by
定理1に必要とされるGR(r)の条件は優ガウス性に密接に関係している。優ガウス分布の定義は以下のとおりである。
実変数rの確率密度分布
に対して、G(r)が偶関数で、原点以外で微分可能、GR(r)とGR´(r)/r が r≧0で狭義単調減少、であるとき、p(r)は優ガウス的である、という(A. Benveniste, M.
Metivier, and P. Priouret, Adaptive algorithms and stochastic approximations,
Springer-Verlag, 1990.)。
定理1は、信号源の確率密度分布
が優ガウス性であって、G´R(r)/rが原点で連続であるいかなるコントラスト関数(GR(r)=-logp(r))にも適用可能である。
The condition of G R (r) required for
Probability density distribution of real variable r
On the other hand, when G (r) is an even function and can be differentiated at other than the origin, G R (r) and G R ′ (r) / r are strictly monotonically decreasing when r ≧ 0, and p (r) Are gaussian (A. Benveniste, M.
Metivier, and P. Priouret, Adaptive algorithms and stochastic approximations,
Springer-Verlag, 1990.).
Can be applied to any contrast function (G R (r) = − logp (r)) where G ′ R (r) / r is continuous at the origin.
定理1を、複素変数の場合に拡張するために、実変数・複素変数のコントラスト関数の集合を統一的に規定する。
ここで、実変数・複素変数zの実関数の集合SGを、
のように定義する。
ここで、GR(r)は、連続で微分可能な実変数rの関数であり、G´R(r)/rが連続であり、r>0で単調減少である。
定理1とSGの定義から定理1´が導かれる。
[定理1´]
全てのG(z)∈SGにおいて、GR(|z|)=G(z)であり、
が全てのzについて成り立ち、等号は|z|=|z0|のときにのみ成り立つ。
例えば、非特許文献3に記載されている極座標表示に基づくコントラスト関数もSGに含まれる。
In order to extend
Here, a set S G of real functions of real variables / complex variables z is expressed as
Define as follows.
Here, G R (r) is a continuously differentiable function of the real variable r, G ′ R (r) / r is continuous, and monotonically decreases when r> 0.
Theorem 1 'is derived from the definition of
[Theorem 1 ']
G R (| z |) = G (z) for all G (z) ∈S G ,
Holds for all z, and the equal sign holds only when | z | = | z 0 |.
For example, the contrast function based on polar coordinates described in
独立成分分析に適用される2次補助関数は以下のとおりである。
[定理2]
全てのG(z)∈SG,GR(|z|)=G(z)について、
を設計する。
ただし、Rは分離行列Wに依存しない定数、また
に対し、
である。このとき
が任意のWについて成り立ち、等号は
のときにのみ成り立つ。ただし、φkは任意の位相を表す。
式(18)は、式(15)に
を代入し、K=1からk=Kまで足し合わせて、期待値を取ることで得られる。
The quadratic auxiliary functions applied to the independent component analysis are as follows.
[Theorem 2]
For all G (z) ∈S G , G R (| z |) = G (z),
To design.
Where R is a constant independent of the separation matrix W,
Whereas
It is. At this time
Holds for any W, and the equal sign is
Only holds when However, φ k represents an arbitrary phase.
Equation (18) is transformed into Equation (15)
Can be obtained by substituting and adding from K = 1 to k = K and taking the expected value.
[C]更新規則の導出
[C−1]補助関数の微分
補助関数法の原理に基づき、更新規則は、補助関数
に関して、変数
を交互に更新しながら最小化することにより、目的関数J(W)を単調減少させることにより得られる。
定理2より、補助変数
についてのQの最小化は単に
とすればよいので、ここでは、分離行列WについてのQの最小化に着目して説明する。
[C] Derivation of update rule [C-1] Differentiation of auxiliary function Based on the principle of the auxiliary function method, the update rule is an auxiliary function.
With respect to variables
Is obtained by monotonically decreasing the objective function J (W) by minimizing while alternately updating.
From
The minimization of Q for is simply
Therefore, here, the description will be given focusing on the minimization of Q with respect to the separation matrix W.
分離行列Wに関して補助関数Qを最小化するために、式(16)をwkあるいはwk *で微分して(*は、複素共役である)、これらを0とおくと、
から、
が得られる。
ここで、log|detW|の微分は、
とすると、
となり、したがって、
となる。
これを
に変形できる。
複素共役の要素の表現は、
であり、δlkはクロネッカーのデルタである。式(19)の両辺に左からwl hを掛けて、式(25)をこれらに適用すると、Wの各行ベクトルwkのK2個の連立方程式
を得る。
全てのwkを同時に更新するためには、式(26)を解く必要があるが、現時点では閉形式の解はK=2の場合しか求まっていない。
本実施形態では、K個のwkを一度に更新する代わりに、1つずつ更新していく第1学習則を用いた解法と、2つずつのペアについて更新していく第2学習則を用いた解法を提案する。
In order to minimize the auxiliary function Q with respect to the separation matrix W, the equation (16) is differentiated by w k or w k * ( * is a complex conjugate), and these are set to 0.
From
Is obtained.
Where log | detW |
Then,
And therefore
It becomes.
this
Can be transformed into
The representation of the complex conjugate element is
Δ lk is the Kronecker delta. By multiplying both sides of equation (19) by w l h from the left and applying equation (25) to these, K two simultaneous equations for each row vector w k of W
Get.
In order to update all w k at the same time, Equation (26) needs to be solved, but at the present time, a closed-form solution is obtained only when K = 2.
In this embodiment, instead of updating K w k at a time, a solution using a first learning rule that updates one by one and a second learning rule that updates two pairs each The solution used is proposed.
[C−2]第1学習則
第1学習則は、wkのそれぞれを逐次更新する学習則である。wlを固定すると、
から、
となる。
式(28)から、wkは
の全てに対して直交する。このようなベクトルは、任意ベクトルaから、
とし、
のようにckを決定することで得られる。ベクトル形式では
と書くことができ、ここで
である。
から、
が得られ、
が得られる。
[C-2] First Learning Rule The first learning rule is a learning rule that sequentially updates each of w k . w When l is fixed,
From
It becomes.
From equation (28), w k is
Is orthogonal to all of. Such a vector can be derived from an arbitrary vector a
age,
It is obtained by determining ck as follows. In vector format
Where you can write
It is.
From
Is obtained,
Is obtained.
前の更新におけるwkをaとおいていることに留意されたい。式(27)を満足するように正規化を組み合わせると、wkの更新規則は、
となる。
補助変数
はVkにのみ含まれているため、補助変数
の更新は更新されたwkを用いてVkを計算することと等価である。
Note that w k in the previous update is a. Combining normalization to satisfy equation (27), the update rule for w k is
It becomes.
Auxiliary variable
Is included only in V k , so the auxiliary variable
Is equivalent to calculating V k using the updated w k .
まとめると、更新規則は以下のとおりである。
表1に、MATLABでの実行を示す。
Table 1 shows the execution with MATLAB.
[C−3]第2学習則
第2学習則は、式(26)でK=2の場合の閉形式に基づくものである。K=2とすると、式(26)は、
となる。
式(42)、(43)は、V1w1、V2w1の両方がw2に対して直交していることを示している。w2に対して直交する方向は二次元空間において一意なので、V1w1、V2w1は
のように平行する。ここで、γは定数である。
同様に、V1w2、V2w2は平行である。したがって、式(42)、(43)を満たすw1、w2は、一般化固有値問題の解として得ることができ、V1、V2が特異でない場合には、これらはV2 −1V1の固有ベクトルとして得られる。
式(41)、(44)を正規化して、
を得る。
[C-3] Second Learning Rule The second learning rule is based on the closed form when K = 2 in Equation (26). If K = 2, then equation (26) becomes
It becomes.
Expressions (42) and (43) indicate that both V 1 w 1 and V 2 w 1 are orthogonal to w 2 . Since the direction orthogonal to w 2 is unique in the two-dimensional space, V 1 w 1 and V 2 w 1 are
Parallel to each other. Here, γ is a constant.
Similarly, V 1 w 2 and V 2 w 2 are parallel. Therefore, w 1 and w 2 satisfying the equations (42) and (43) can be obtained as a solution of the generalized eigenvalue problem, and when V 1 and V 2 are not singular, they are V 2 −1 V Obtained as one eigenvector.
Normalizing equations (41) and (44),
Get.
閉形式の解を一般的な場合(K>2)に適用するために、以下のペアでの更新を考える。
ここで、m<nである。これは、乗法的更新
と等価である。ここで、Iδはmm,mn,nm,nn要素を除く単位行列であり、それぞれ、a,b,c,dである。
In order to apply the closed form solution to the general case (K> 2), consider the following pair update.
Here, m <n. This is a multiplicative update
Is equivalent to Here, I δ is a unit matrix excluding mm, mn, nm, and nn elements, and is a, b, c, and d, respectively.
この更新において、補助関数は、以下のように記述することができる。
新しい変数u
を導入すると、
が得られる。
In this update, the auxiliary function can be described as follows:
New variable u
Introduced
Is obtained.
式(48)、(49)におけるペアでの更新における補助関数形式はK=2の場合と同じである。したがって、式(53)を最小化する最適なa,b,c,dは、hm、hnから取得することができ、それは、一般化固有値問題:Umhm=γUnhnの2つの解、およびその後の、式(46)、(47)に示すような正規化、である。
したがって、全てのm、nのペア(m<n)について以下の更新規則が反復的に実行される。表2に、MATLABでの実行を示す。
The auxiliary function format in the pair update in the equations (48) and (49) is the same as in the case of K = 2. Thus, the optimal a, b, c, d that minimizes equation (53) can be obtained from h m , h n , which is the generalized eigenvalue problem: U m h m = γU n h n Two solutions, followed by normalization as shown in equations (46), (47).
Therefore, the following update rule is iteratively executed for all m, n pairs (m <n). Table 2 shows the execution with MATLAB.
ステップ1:以下の計算を行う。
Step 1: Perform the following calculation.
ステップ2:2×2行列の一般化固有値問題の2つの解hm,hnを見つける。
Step 2: Find two solutions h m and h n for the generalized eigenvalue problem of the 2 × 2 matrix.
ステップ3:正規化を実行する。
Step 3: Perform normalization.
ステップ4:wm、wnを更新する。
[D]分離性能の比較実験
第1解法、第2解法の収束速度と安定性を、従来手法である自然勾配法(ステップサイズ0.05,0.1,0.2)、FastICAと比較する実験を行った。(1)定常な信号、(2)非定常な信号、(3)大きな外れ値をもつ信号を模擬することを意図し、位相は一様分布、振幅はそれぞれ下記の確率密度関数に独立に従う種類の人工的な複素数値信号源を用いた。
各信号源において、信号源数をK=2,6とした条件で、瞬時混合により1000サンプルの観測信号を生成し、これを白色化した後に各手法を適用した。混合行列は、各要素を平均0、分散1の複素ガウス分布に従う乱数により生成した。
いずれの手法においてもコントラスト関数は式(12´)を用いた。反復的に推定される分離行列の計算時間と、それによって得られる分離信号のSN比を100試行で平均し、それぞれ縦軸、横軸としてグラフ化したものを図1乃至3に示す。なお、SN比はProjection Backによる定数倍推定に正解パーミュテーションを与えることで求めている。
計算は2.66GHzのCPUをもつノートPC上のMatlabで行った。
[D] Comparison Experiment of Separation Performance Experiments were conducted to compare the convergence speed and stability of the first and second solutions with the conventional natural gradient method (step size 0.05, 0.1, 0.2) and FastICA. Intended to simulate (1) stationary signal, (2) non-stationary signal, and (3) signal with large outliers, the phase is uniformly distributed, and the amplitude independently follows the probability density function below An artificial complex-valued signal source was used.
In each signal source, 1000 samples of observation signals were generated by instantaneous mixing under the condition that the number of signal sources was K = 2, 6, and each method was applied after whitening this. The mixing matrix was generated by random numbers according to a complex Gaussian distribution with an average of 0 and a variance of 1 for each element.
In any of the methods, the contrast function is the expression (12 ′). FIGS. 1 to 3 show the calculation time of the separation matrix estimated repeatedly and the S / N ratio of the separation signal obtained thereby averaged over 100 trials, which are plotted as a vertical axis and a horizontal axis, respectively. The S / N ratio is obtained by giving a correct permutation to the constant multiple estimation by Projection Back.
The calculation was performed with Matlab on a notebook PC with a 2.66 GHz CPU.
勾配法ではステップサイズが大きいほど収束が速いが、解が発散しやすく平均分離性能が低下する(信号タイプ(3)の結果参照)
FastICAは定常信号に対する収束は大変速いが、非定常な信号に対しては分離性能が低下することがある(有限長観測における独立成分同士が無相関とは必ずしも限らないため)。
これらの従来法の特徴に対して、解法1、解法2は信号に拠らず発散することがなく、収束時の平均分離性能が高い。
解法1、解法2の収束速度は、信号源数2の場合には解法2が、信号源数6の場合には解法1が速いが、いずれも勾配法よりは速く、FastICAと同程度(条件によってはより速い)といった提案法の特徴が確認できる。
In the gradient method, the larger the step size, the faster the convergence, but the solution tends to diverge and the average separation performance decreases (see the result for signal type (3)).
FastICA converges very quickly on a stationary signal, but the separation performance may decrease for nonstationary signals (because independent components in finite-length observations are not necessarily uncorrelated).
In contrast to the features of these conventional methods,
The convergence speeds of
本発明に係る信号処理は、音声、音楽といった音響信号(典型的にはブラインド音源分離)、EEG等の生体信号、画像(例えば特徴抽出)、通信など、幅広い領域で用いられ得る。
The signal processing according to the present invention can be used in a wide range of areas such as acoustic signals such as voice and music (typically blind sound source separation), biological signals such as EEG, images (for example, feature extraction), and communication.
Claims (8)
独立成分分析の目的関数を
とし、
目的関数J(W)を最小化する分離行列を求めるステップにおいて、
補助関数
を用いて補助変数と分離行列の更新を交互に繰り返すことで、目的関数J(W)を単調減少させて、分離行列を求めることを特徴とする信号処理方法。
ここで、
(a)分離行列は
(b)目的関数の第1項において、
は分離信号のコントラスト関数であり、コントラスト関数G(z)は、
を満たす、
ここで、GR(|z|)=G(z)であり、zは実変数あるいは複素変数である、
(c)補助変数は
(d)補助関数の第1項のVkは
ここで、
(e)補助関数のRは分離行列Wに依存しない定数、
である。 A signal processing method for separating an observation signal in which a plurality of signals are mixed into a separated signal using independent component analysis,
Independent component analysis objective function
age,
In the step of obtaining a separation matrix that minimizes the objective function J (W),
Auxiliary function
A signal processing method characterized by obtaining an isolation matrix by monotonically decreasing the objective function J (W) by alternately repeating the updating of the auxiliary variable and the isolation matrix using.
here,
(A) The separation matrix is
(B) In the first term of the objective function,
Is the contrast function of the separated signal, and the contrast function G (z) is
Meet,
Where G R (| z |) = G (z) and z is a real or complex variable,
(C) Auxiliary variables are
(D) V k of the first term of the auxiliary function is
here,
(E) R of the auxiliary function is a constant independent of the separation matrix W,
It is.
に基づいて行われる、請求項1に記載の信号処理方法。 The update of w k is
The signal processing method according to claim 1, wherein the signal processing method is performed based on:
に従って行われる、請求項2に記載の信号処理方法。 The update rule for w k is as follows:
The signal processing method according to claim 2 performed according to:
以下の計算を行うステップと、
以下の式に基づいて2×2行列の一般化固有値問題の2つの解hm,hnを見つけるステップと、
以下の正規化を行うステップと、
以下のとおりwm、wnを更新するステップ、
からなる、請求項2に記載の信号処理方法。 The update rule for updating w k is
Performing the following calculations:
Finding two solutions h m , h n of a generalized eigenvalue problem of a 2 × 2 matrix based on the following equations:
The following normalization steps;
Updating w m and w n as follows:
The signal processing method according to claim 2, comprising:
独立成分分析の目的関数を
とし、
目的関数J(W)を最小化する分離行列を求める分離行列推定手段を備え、
前記分離行列推定手段は、
補助関数
を用いて補助変数と分離行列の更新を交互に繰り返すことで、目的関数J(W)を単調減少させて、分離行列を求めることを特徴とする信号処理装置。
ここで、
(a)分離行列は
(b)目的関数の第1項において、
は分離信号のコントラスト関数であり、コントラスト関数G(z)は、
を満たす、
ここで、GR(|z|)=G(z)であり、zは実変数あるいは複素変数である、
(c)補助変数は
(d)補助関数の第1項のVkは
ここで、
(e)補助関数のRは分離行列Wに依存しない定数、
である。
A signal processing device that separates an observation signal in which a plurality of signals are mixed into a separated signal using independent component analysis,
Independent component analysis objective function
age,
A separation matrix estimating means for obtaining a separation matrix that minimizes the objective function J (W);
The separation matrix estimation means includes:
Auxiliary function
A signal processing apparatus characterized by obtaining an isolation matrix by monotonically decreasing the objective function J (W) by alternately repeating the updating of the auxiliary variable and the isolation matrix using.
here,
(A) The separation matrix is
(B) In the first term of the objective function,
Is the contrast function of the separated signal, and the contrast function G (z) is
Meet,
Where G R (| z |) = G (z) and z is a real or complex variable,
(C) Auxiliary variables are
(D) V k of the first term of the auxiliary function is
here,
(E) R of the auxiliary function is a constant independent of the separation matrix W,
It is.
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CN108983261A (en) * | 2018-08-13 | 2018-12-11 | 广东工业大学 | A kind of Big Dipper satellite signal high-precision Capturing Models based on variance ratio blind separation |
-
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US9349375B2 (en) | 2012-08-23 | 2016-05-24 | Inter-University Research Institute Corporation, Research Organization of Information and systems | Apparatus, method, and computer program product for separating time series signals |
CN108983261A (en) * | 2018-08-13 | 2018-12-11 | 广东工业大学 | A kind of Big Dipper satellite signal high-precision Capturing Models based on variance ratio blind separation |
CN108983261B (en) * | 2018-08-13 | 2020-12-25 | 广东工业大学 | Beidou satellite signal high-precision capturing model based on variance ratio blind separation |
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