JP3723737B2 - 単調で一定なトラジェクトリーに部分ごとに変換可能である信号波形を検出し一致させる方法及び装置 - Google Patents

Description

【産業上の利用分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の特にリアルタイムのパターン認識，位置測定並びに光学信号及び音響信号の追跡のため、単調で一定なトラジェクトリー（経路，区間，直線，曲線等）に部分ごとに変換可能である信号波形を検出し一致させ、かつ経過時間差を測定する方法及び装置に関する。さらに本発明は、この方法を実施する装置に関する。
【従来の技術】
【０００２】
信号を検出する上述した種類の方法は、古典テンプレートマッチングに基づく。この方法の場合、入力信号が、１つの予め記憶された基準信号と相関される。この入力信号は、時間離散サンプリングによって連続した入力ベクトルで与えられている。これらの入力ベクトルは、１本のラスタを形成する。この入力信号は、全てのラスタ画素位置を示すことによってこのラスタ内で与えられている。相関が、このラスタ内で入力信号と基準信号との間で一致する画素位置をカウントすることによって付与されている。この方法の別の実施の形態は、時間シーケンス的なテンプレートマッチングである。この場合、１つの入力ベクトルが、時間ステップごとに探索ベクトルと相関され、一部の結果が中間記憶され、ｎ個の時間ステップ後に全相関結果に合算される。
１個の相関ユニットがｎ倍に複製されてｎ個の相関ユニットが相前後して配置されることによって、この時間シーケンス的なテンプレートマッチングは、ｎ個の探索パターンよる並列多重テンプレート方法に拡張される。複数の入力ベクトルが、相関ユニットを通過する。そして１つの入力ベクトルが、各相関ユニット内でその比較ベクトルと相関される。
【０００３】
並進一定並列多重テンプレートマッチング方法(Eine translationsinvariante parallele Multi-Template Matching-Verfahrensweise) が、「Lazzaro., Meaf, C.著（1989年） A silicon model of auditory localization. Neural Computation 1:第47-45 頁」から公知である。ここでは、複数の音響信号の経過時間差が、２つの接続された機能ユニットである類似のシリコン蝸牛殻及び後続接続された相関ユニット内で測定される。このシリコン蝸牛殻は、このシリコン蝸牛殻が起動状態に移行する信号を入力側で受信する。蝸牛殻に沿って等間隔に配置された複数の測定センサが、起動信号に応じて起動する。これらの測定センサは、基準パルスを後続接続された相関ユニットに対してロードする。この装置は、対に構成されている。右又は左の蝸牛殻から発生する基準パルスが、逆並列接続された２組の遅延区間から構成された逆並列接続された相関ユニットを通過する。この場合、これらの遅延区間はそれぞれ、同じ測定センサ位置に対して対になって統合されている。複数のＡＮＤゲートが、対になった遅延区間に沿って等間隔に取り付けられている。これらのＡＮＤゲートは、遅延線の信号状態を検出し、一致した時に同時にＡＮＤゲートに入力した基準パルスによって起動して１つの一致信号をこのＡＮＤゲートの出力部に出力する。相関ユニット内では、各線の対に対する基準パルスの一致が特定され、遅延線の方向のＡＮＤゲートの同じ位置に沿いの一致の数カウントされる。信号経過時間差の１つのベクトルが、時間ステップごとに出力される。したがってこの公知の方法は、蝸牛殻のレプリカ及び対応する遅延区間沿いの一致の特定（算定）に基づく。
【０００４】
さらに方法が米国特許発明第 5 417 113号明細書から公知である。この方法は、多数のシリコン蝸牛殻によって得られた測定データを評価して音源を突き止めることを可能にする。マイクロフォン信号が対になって、多数のシリコン蝸牛殻に入力される。これらのシリコン蝸牛殻はそれぞれ、所定の遅延区間に沿って２次元相関を実行する。検出された一致が、これらのそれぞれのシリコン蝸牛殻から後続接続された３次元評価ユニットに入力される。この３次元評価ユニットは、２次元出力データ中の識別子を比較することによって音源をより精確に突き止めることを可能にする。
従来の技術の欠点
古典テンプレートマッチング法には、テンプレートマッチングが空間的なずれに対して変動するという欠点がある。入力ベクトルと比較ベクトルとの相関が開始される同じ同期時点に存在する信号波形だけが、最大相関結果を生成する。入力ベクトルと比較ベクトルとの相関が１列又は多数列だけずれると、画像パターン及び探索パターンがもはや一致しない。
【０００５】
音響信号の経過時間差を測定するこの公知の並進一定並列多重テンプレートマッチング方法の欠点は、生物学的な蝸牛殻の複雑な複製であり、特に蝸牛殻を表す重要なパラメータの変化によって変わる起動信号に対して蝸牛殻の応答特性を調整することである。
従来のアナログ構成の回路技術的な別の欠点は、製造技術的な許容差内にあるアナログ遅延区間内で遅延速度を調整することである。
信号処理及びパターン認識に対して主に使用される従来のデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）の欠点は、これらのデジタル信号プロセッサがこの方法及びこの装置によって提供される問題の解決手段に適合されない点である。１つのＤＰＳが、与えられた特定の問題を十分短い期間内に解決できない。このことは、いろいろな用途で問題になりうる。
ＤＳＰの一般的なもう１つの欠点は、この方法及びこの装置と同様にデータストリームを処理できない中央制御ユニット及び少数の演算ユニットである。デジタル信号プロセッサの場合、その都度命令が演算ユニット内にロードされ、オペランドが入手され、そして結果がレジスタ内に記憶される。信号流が装置を時空的に流れる場合、この装置の規定されたＣＰＵアーキテクチャに起因して、デジタル信号プロセッサが、この装置の信号流アーキテクチャを再生できない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、キー信号のプログラミング可能性及び分解能のプログラミング可能性による高い測定精度で、特にリアルタイムのパターン認識，光学信号及び音響信号の位置測定及び追跡のため、単調で一定なトラジェクトリーに変換可能である信号波形を検出し一致させ、かつ経過時間差を測定する方法及び装置を提供することにある。
本発明のその他の課題は、計算速度を上げてリアルタイムのパターン認識の多くの使用分野を開拓することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の方法の場合、まずパターンが認識され、引き続きキー信号波形を検出し、そして情報を後続接続された多重一致ユニット内でさらに処理することによって、経過時間差が測定される。この場合、並進一定並列多重テンプレートマッチングが実行される。この並進一定並列多重テンプレートマッチングの場合、複数のキー信号波形が並列に相関され、例えば一組の経過時間差が、時間ステップごとに後続接続された多重一致ユニット内で出力される。
単調で一定なトラジェクトリーに部分ごとに変換可能である信号波形を検出し一致させ、かつ経過時間差を測定する方法、特に光学信号波形及び音響信号波形をリアルタイムで認識する方法は、プリプログラミング可能なキー信号が信号をサンプリングしサンプリングデータを処理することによって検出され、異なる信号経過時間差と異なる一致との信号の組み合わせの対が多重一致によって算定される点で優れている。これらの信号は、入力側で連続した入力ベクトルの形態でサンプリングされる。各入力ベクトルは、信号検出ユニットを連続的に通過する。この信号検出ユニットは、並列接続されたプログラミング可能な複数の信号流区間から構成される。この信号検出ユニット内では、１つのキー信号が、信号流チェーン区間内の伝播速度をプログラミングすることによって信号流チェーンに沿った１つの特定の位置で検出される。１つの最大相関結果が、信号流区間に対して垂直に個々の信号節点に設置された相関ユニットの全ての部分結果を合計することによって得荒れる。この場合、１つの検出信号が、この相関結果を１つのプログラム可能な閾値と比較することによってこの閾値を超えたときに生成される。この場合、全ての相関ユニットの検出信号が、後続するそれぞれ対に逆並列接続された遅延区間から構成された多重一致ユニットを通過する。この場合、逆に進行する２つの検出信号の合流が、一致要素を遅延区間に沿って等間隔に取り付けることによって１つの一致を生成する。遅延区間に沿ったこの一致のその都度の位置が、特定の形の１つの信号の１つの特定の信号経過時間差の存在をコード化する。
【０００８】
本発明を実施する装置は、信号が、受信装置でサンプリングされて連続した入力ベクトルに変換され、これらの入力ベクトルが、プログラム可能な信号流チェーンから構成された信号検出ユニット及びこれらの信号流チェーンに対して垂直に等間隔に取り付けられた加算ユニット／比較ユニット内で連続して処理され、これらの入力ベクトルはそれぞれ、信号流チェーン内の１つの特定の位置の信号流チェーンの信号状態を検出し、この場合、特定の形の１つの信号が、１つのプリセットされている閾値を割り当てられている加算ユニット／比較ユニットの時間ステップごとに算出された相関結果と比較することによって検出され、１つの基準パルスが、この閾値を超えたときに生成され、この場合、全ての加算ユニット／比較ユニットのこれらの基準パルスは、相前後して接続されたシフトレジスタ（逆並列接続されたフリップフロップチェーン）から成る逆並列接続された２つのチェーンから構成された多重一致ユニットを通過し、この場合、同じ信号をコード化する加算ユニット／比較ユニットの記憶器フリップフロップチェーンがそれぞれ、各記憶器フリップフロップ対をこれらの記憶器フリップフロップチェーンに沿ったＡＮＤゲートに接続することによって対にして統合されていて、逆に進行する２つの基準パルスの合流が、ＡＮＤゲートの出力部で１つの基準パルスを出力し、この基準パルスは、与えられているクロック時間及び記憶器フリップフロップチェーンに沿ったＡＮＤゲートのその都度の位置によって特定の形の１つの信号の特定の信号経過時間差の存在をコード化することを特徴とする。
【０００９】
方法及び装置の利点
音響パターン認識及び経過時間差測定の分野で使用される本発明の方法の解決手段の主な利点は、シリコン蝸牛殻の複雑な復元が省略される点である。信号検出ユニットが、このシリコン蝸牛殻の代わりをする。信号検出ユニットのプログラミング可能性も、あらゆるパターン認識処理に対して有益である。その結果、複数の組の特定のキー信号波形の検出が、信号流チェーン内の信号伝播速度をプログラミングすることによってプログラミングされ得る。さらに、実行されたパターン認識後の経過時間差の分解能が、記録可能な最大経過時間差の間隔を確定することによって変更され得る。この場合、全ての信号チェーンの伝播速度が、同期クロックによって互いに精確に調整可能である。
もう１つの利点は、システムが分解能を簡単にプログラミングすることによって目的に適合される点である。これによって、キー信号の測定精度が明らかに上がる。その結果、受信装置に対する１つの信号源の相対距離が、この方法によって高い精度で測定され得る。同様に、受信装置に対する１つの信号源の方位角度を高い精度で測定することができる。同様に、音声信号や画像信号を高い精度で検出することができる。
【００１０】
装置が固有の目的に対して最適に合わせられるため、特定の大きさの問題に対する計算時間が、市販のデジタル信号プロセッサで実現可能な計算時間よりも非常に短い。
高い分解能及び固有の使用分野に対する適応可能性のこれらの利点は、方法の全ての使用分野に対して成立する。
多くの物理的な事例では、１つの物体が位相空間内で固有の移動軌跡を通過する。これらの進行した移動軌跡は、本発明の方法及び装置によって検出され得る。この方法及び装置が軌跡を検出するので、１つの物体の例えば空間位置，角度位置，距離，速度，加速度等のような関連するパラメータが、位相空間の物理状態を知ることによって算定され得る。それ故に、特に速度測定，加速度測定，停止位置からの旋回運動の補正，立体的なパターン認識等が、使用分野に対して列挙される。
処理時間がＤＳＰに比べて遥かに短いため、本発明の方法及び装置の使用は、飛行機の安定性や原子炉の安全性のような速く進行するプロセスの信頼性のある監視の分野に適する。同様に、生産設備の監視や医療分野の患者の監視にも適する。
【００１１】
本発明の方法及び装置は、部分ごとに単調で一定なトラジェクトリー又は時間列に変換できない信号波形に対しては制限される。
実際の回路の技術的な利点は、既存のデジタル電子回路が利用され得る点である。電子回路が３つの基本要素だけから構成されるので、この回路構成は、必要に応じて規則的なＶＬＳＩチップ設計に変更され得る。これらの基本要素の接続が、１つの基本機能ユニットを構成する。これらの基本セルをｎ個複製し、並べ、引き続き簡単に接続して、ＶＬＳＩチップを作ることができる。
音響信号の経過時間差を測定する本発明の方法の課題は、請求項１〜８のいずれか１項に記載の特徴によって解決される。本発明の装置は、請求項９〜１５のいずれか１項に記載の特徴によって解決される。
本発明のその他の特徴及び利点を図中に示された実施の形態に基づいて説明する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の方法及び装置による信号変換の原理ステップが、図１に示されている。信号源Ａの信号が、信号前処理段Ｂ内で信号変換器Ｂ１，Ａ／Ｄ変換器Ｂ２並びに信号検出ユニットＣ１及び多重一致ユニットＣ２から構成されたチップＣ用の入力ベクトル発生器Ｂ３によって評価される。信号変換器Ｂ１は、ここでは例えばマイクロフォン１０から構成される。
例えば光学又は音響の信号源Ｂ１から最初に放出された信号が、光学機構的な又は電子機構的な信号変換器Ｂ１によって電流曲線又は電圧曲線に変換される。このアナログ信号２は、後続接続されたＡ／Ｄ変換器Ｂ２によってデジタル信号６の離散的なデジタル値にサンプリングされる。このデジタル値は、入力ベクトル発生器Ｂ３内でルックアップ表によって入力ベクトル７の位置によって特定されている信号レベルに変換される。チップＣの第１部分としての信号検出チップＣ１が、時間ステップごとに１つの入力ベクトル７を処理し、時間ステップごとに１つの特徴ベクトルを出力する。
【００１３】
図２によれば、例えば電気信号，光学信号又は音響信号が、実験構成に応じて多重受信ユニットの信号変換器Ｂ１ａ，ｂ−ｋ，ｌによって記録される。多重受信ユニットの信号変換器は、光学用途ではＣＣＤ又はフォトダイオードアレイから構成され、電気用途ではワイヤドリフトチャンバから構成され、音響用途ではマイクロフォンアレイ又はシリコン蝸牛殻又は流体力学的な変換器アレイから構成される。この多重受信ユニットは、信号変換器Ｂ１ａ，ｂ−ｋ，ｌの幾何学的配置によって、例えばワイヤドリフトチャンバ又は蝸牛殻又はマイクロフォンアレイ内に等間隔にある信号変換器Ｂ１ａ，ｂ−ｋ，ｌの直線方向及び周囲媒体中の伝播速度によって決定されている。多重受信ユニットの各信号変換器Ｂ１は、同じに構成されていて、連続する信号データストリームを生成する。信号変換器Ｂ１のこれらの信号データストリームは、Ａ／Ｄ変換器Ｂ２内での変換後及び比較器１０の通過後にビットストリーム５として信号検出チップＣ１に同時に入力され、この信号検出チップＣ１内で信号分析に利用される。
図３によれば、２つの信号前処理段Ｂａ及びＢｂが、例えば音響信号の経過時間差を測定する装置の前方に並列接続されている。この場合、マイクロフォン１１ａを有する信号前処理段Ｂａは、上の信号検出ユニットＣ１ａの前方に接続されている。この場合、マイクロフォン１１ｂを有する信号前処理段Ｂｂは、下の信号検出ユニットＣ１ｂの前方に接続されている。両前処理段Ｂａ，Ｂｂ及び両信号検出ユニットＣ１ａ，Ｃ１ｂは同じに構成されている。両処理経路が、多重一致回路Ｃ２に合流する。この多重一致回路は、時間ステップごとに１つの出力ベクトルＤ、ここでは信号経過時間差を出力する。音響変換器（マイクロフォン等）は、信号源Ａ、ここでは音源によって生成された音圧をアナログ電気信号に変換する。後続接続されたＡ／Ｄ変換器Ｂ２ａ，Ｂ２ｂはそれぞれ、これらの電気信号を時間離散的にサンプリングし、信号を表す連続したデジタル値を生成する。入力ベクトル発生器Ｂ３ａ，Ｂ３ｂがそれぞれ、これらの連続したデジタル値を連続する入力ベクトル７に変換する。この場合、信号の規格化が実行される。この規格化は、信号の予測される最大範囲に応じて実行される。この信号は、一定の定量化ステップに分割される。この定量化ステップの数は、入力ベクトル７の幅によって与えられている。この幅は、ベクトル要素の数として規定されている。各定量化ステップの幅は、規格化，ベクトル要素の数及び分割の種類（線形，対数等）によって与えられている。装置Ｃは、時間ステップごとに入力側で２つの入力ベクトル７ａ，７ｂを１つは上の信号検出ユニットＣ１ａで、１つは下の信号検出ユニットＣ１ｂで受け取る。入力ベクトル７ａ，７ｂは、信号検出ユニットＣ１ａ，Ｃ１ｂ内で及び後続接続された一致ユニットＣ２内で時空的に並列処理される。この装置は、時間ステップごとに異なる信号流の経過時間差の複数の組を出力する。これらの経過時間差の組数は、プログラムされた基準信号パターンのプリセットされている数に依存する。一致ユニットＣ２内の逆並列接続されたフリップフロップチェーン対ごとの単位時間当たりに出力される経過時間差の数が、１つのフリップフロップチェーンの長さによって与えられている。この長さは、フリップフロップの数によって規定されている。信号波形ごとに 10 個の経過時間差を出力するには、長さ 10 のフリップフロップチェーンが必要である。経過時間差の間隔の線形分割は、１つのフリップフロップチェーンの長さによって与えられている。信号経過時間差が、受信装置の音響変換器の幾何学的配置によって発生する。信号は、受信装置に対する音源の位置に応じて異なる信号到達時に対して信号変換器１１ａ又は１１ｂで記録される。多数の装置を適切に配置することによって、受信装置に対する音源の相対空間位置が、得られる信号経過時間差，受信装置の幾何学的配置及び音伝達媒体中の音伝播速度から算定され得る。受信装置に対する音源の空間位置が、受信装置に対する送信器の相対半径距離ｒ，高度角α（受信装置に対する垂直角度）及び方位角β（受信装置に対する水平角度）によって与えられている。音源−受信装置の標準システムの相対座標がそれぞれ、独立した装置によって算出される。どのようにして方位角度（受信器の軸線と音源との成す水平角度）が信号経過時間差から特性値として算出されるかを例示的に示す。信号経過時間差が装置によって高分解能で算定されるので、方位角度が高分解能で算定される。方位角度測定装置は、一定間隔で取り付けられた２つの音響変換ユニットから構成される。これらの両音響変換ユニットの接続線が、受信装置の受信軸線を確定する。この方位角度測定装置は、信号の到着を信号変換器１１ａで検出し、信号の時間遅延した到着を信号変換器１１ｂで検出し、そして信号変換器１１ａの信号の到着と信号変換器１１ｂの信号の到着との間の経過時間差を算定し、この経過時間差から音源に対する受信装置平面内の水平角度を特性値として導き出す。何故なら、方位角度が、信号経過時間差の一次関数だからである。
【００１４】
図４によれば、２つの信号検出ユニットＣ１と後続接続された多重一致ユニットＣ２が例示的な構成で示されている。信号検出ユニットＣ１ａ，Ｃ１ｂの各々は、３つの基本要素から構成される：プログラミング可能なスイッチ１５及び遅延要素２１から構成された切換セル／遅延セル，加算器１及び比較器１０。図４によれば、信号検出ユニットは、基本構成から成る。この基本構成は、切換セル／遅延セル，加算ユニット及び比較ユニットを相前後して並べることによって列ごとに同じに構成される。信号検出ユニットは、同じ基本ラインを同様に複製して並べることによって構成される。
図４中の上の信号検出ユニットＣ１ａは、３つのこの基本列から構成される。これらの３つの基本列の左側の基本列は、３つの切換セル／遅延セル，左上の加算着及び比較器１０から構成される。これらの切換セル／遅延セルは、入力経路９ａａ，９ａｂ，９ａｃに直接接続している。
【００１５】
各切換セル／遅延セルは、１つの入力部及び１つの出力部を有する。これらの切換セル／遅延セルはそれぞれ、相前後して接続されていて、信号流チェーンを構成する。信号流を出力部及び入力側の端子にさらに送ることによって、多数の信号検出ユニットが互いに接続され得、接続されている信号流チェーンが中断なしに信号流をさらに送る。図４中では、例えば上の信号検出ユニットＣ１ａ内では、切換セル／遅延セルが３つずつ相前後して接続される。これらの切換セル／遅延セルは、信号流チェーン９ａａ−４ａａ，９ａｂ−４ａｂ及び９ａｃ−４ａｃを構成する。
切換セル／遅延セル内部の切換位置が、割り当てられた１つの記憶素子であるフリップフロップによってプログラムされる。スイッチのフリップフロップのプログラミング、すなわち信号検出ユニットのプログラミングは、チップの初期化時でも動作の中断の間でも実行できる。したがって信号検出ユニットは、再構成可能であり、１クロックサイクルの期間の短い動作の中断の間にその場でプログラミング可能である。
【００１６】
１つの入力信号が、スイッチの位置に応じて上の信号経路（切換位置 オン）又は下の信号経路（切換位置 オフ）に分岐する。上の信号経路では、信号が切換セル／遅延セルの入力部から出力部に直接転送される。下の信号経路では、信号が遅延要素に入力する。上の信号経路及び下の信号経路は、切換セル／遅延セルの出力部で再び合流する。１つの信号経路の一部が、論理状態０（信号なし）又は論理１（信号あり）をとる。加算器１は、ｎ個、ここでは３つの入力部を有する。この場合、加算器の入力部がそれぞれ、２つの切換セル／遅延セル間の１つの信号節点に接続されている。この加算器は、入力部に入力される論理１の数をカウントする。その合計が、ｎビット値として出力される。加算器１の出力部が、比較器１０の入力部のうちの１つの入力部に接続されている。プリセットされている１つの閾値１７が、比較のために比較器１０の第２入力部に接続されている。加算器１の値がこの閾値１７よりも大きい場合、この比較器１０は、加算器１の出力値をこのプリセットされている閾値１７と比較し、論理１を出力する。そうでない場合は、論理０を出力する。比較器の出力は、一致ユニットＣ２に入力される。
【００１７】
信号検出ユニットは、並列に指向された一組の信号流チェーン及びこの一組の信号流チェーンに対して垂直に設置された加算ユニット／比較ユニットによって機能的に構成される。これらの信号流チェーン及び加算ユニット／比較ユニットは、ｎ個の信号流チェーン×ｍ個の加算ユニット／比較ユニットから成るマトリックス構造を成す。各信号流チェーンは、入力側で入力する１つの基準パルスによって起動され、１つの特定の信号流を生成する。この信号流は、信号流チェーン内のスイッチの位置によってプログラミングされている。この信号流は、連続した信号シフトシーケンスとして出力される。これらのシフトシーケンスは、（切換セル／遅延セルの数によって与えられる信号流チェーンの長さに応じて）全てのスイッチがオンにある最大シフトシーケンスＭａｘから隣接した２つのスイッチがオフにセットされている最小シフトシーケンスまで及ぶ。
【００１８】
このシフト一定多重テンプレートマッチング（shiftinvariante Multi-Template Matching ）は、一定の変換規則にしたがう時空的な相関による信号検出ユニットから構成される。この変換規則は、入力ベクトル７内の設定された１つの画素がどの時点でどの場所で加算ユニット／比較ユニットに入力されるかを決定する。
この変換規則は、入力ベクトル７内の設定された各画素が相関空間内の１つの特定のトラジェクトリーを通過することを意味する。トラジェクトリーの計算は、この変換規則によって特徴付けられている。これらのトラジェクトリーは、受信装置の幾何学構造，媒体中の音の伝播，最大経過時間間隔及び時間離散的な１本のラスタ内の間隔分割に依存した変換規則にしたがって計算される。このラスタは、サンプリング間隔，入力ベクトル７の幅及び加算ユニット／比較ユニットの数によって与えられている。この計算の結果として、全ての信号流チェーンに対するシフトシーケンス列が決定される。
【００１９】
図５によれば、入力部８と出力部３との間の信号流チェーンを通過する時の１つのトラジェクトリーの時空的な発生、すなわち45°の傾斜を成す１本の直線の時空的な発生が、シフトシーケンス列（１，１，１，...,１）つまり切換位置（オフ，オフ，オフ，...,オフ）で示されている。信号が、時間ステップごとに１シフトシーケンスだけ進む。各信号経路の一部の状態が、加算器の入力部の信号節点で記録される。この信号は、時点ｔ＝０に入力部８に存在する。その前方にあるレジスタセル１２が、作動しているレジスタセル１３ａである。この信号は、時点ｔ＝１及びｔ＝２に信号流チェーンを通過する。この信号は、時点ｔ＝３にこの信号流チェーンを完全に通過する。１つのトラジェクトリーが、このトラジェクトリーのシフトシーケンス列を示すことによって又はこれと同様に信号流チェーン内の切換位置を示すことによって示されている。１つの信号流チェーン内のスイッチ１５を任意に再構成可能にプログラミングすることによって、多数のトラジェクトリーがプログラミングされ得る。これらの信号流チェーンは、45°以上の局所勾配を有する単調で一定なあらゆるトラジェクトリーを生成できる。音源が、音響信号波形を発生する。これらの音響信号波形は、１つの限定された時間窓内で一定でかつ単調に上昇する。部分ごとに特定に定量化された45°より小さい局所勾配を有する所定の期間の各信号波形が、信号検出ユニットＣ１内のシフトシーケンス列を確定することによって１つの特定の信号検出器で最大に相関され得る。この所定の期間は、信号流チェーン内の切換セル／遅延セルの数によって与えられている。45°よりも大きい局所勾配を有する信号波形は、前変換によって45°よりも小さい局所勾配を有する信号波形に変換され、引き続き信号検出ユニット内に入力される。この前変換の場合、時間窓の最大間隔の長さ及びサンプリング間隔が変更され、これによって信号波形の時間離散的なラスタへの変換が変更される。信号検出ユニットＣ１は、検出すべきキー信号が高い精度で決定され得る点で優れている。何故なら、キー信号の精確なコピーが信号流チェーン内にプログラミングされているからである。この検出相関の特性は、信号の最小サンプリング間隔及び離散化によって生じる統計的な変動に左右される。信号波形がプリプログラミングされた理想的なキー信号波形からずれている場合、弱い相関結果が、信号のずれの所定の変動幅内で得られる。一組の類似の信号波形も、装置Ｃによってプログラミングされ得る。その結果、音響媒体によって歪んだ信号波形（反射等）も検出可能である。それ故にこの装置Ｃは、精確な方位角度測定に利用され得る。この場合、角度分解能が、最小時間分解能によって決められている。この最小時間分解能は、最小サンプリング間隔によって決められている。それ故にこの装置は、高分解能の警報機として利用され得る。この場合、この装置は、所定の変化幅を有するキー信号の記録時に警報を発する。それ故にこの装置は、精確な音声の認識に利用され得る。この場合、この装置は、発声音を所定の変化幅内で検出する。
【００２０】
図６によれば、信号検出ユニットＣ１の動作が示されいる。ｎ＝３の連続する入力データストリームが、並列処理される。これらの入力データストリームは、１つの共通の制御パラメータ（時間，角度，位相）によって同期されている。１つの入力ベクトル７が各時間ステップに対して読み込まれ、一組の信号経過時間差が出力される。
割り当てられた信号流チェーン内に対応するトラジェクトリーが、入力ベクトル７内の設定された各画画素に対して時空的に生成されることによって、信号検出ユニットが変換規則を実行する。この例では、３つの信号流チェーンが並列に配置されている。３つの部分入力ベクトル７が、これらの並列に配置された信号流チェーンの入力部８ａ，ｂ，ｃに入力される。その時に入力する入力ベクトル内の設定された各画画素が、割り当てられた信号流チェーン内に対応するトラジェクトリーの生成を開始する。この入力ベクトルの設定された全ての入力画素が、互いに依存しないでその信号流チェーン内で対応するトラジェクトリーを生成する。多数のトラジェクトリーが、同じ信号流チェーン内で時間をずらして連続して生成され得る。
【００２１】
信号検出器の各々は、信号流チェーンの同じ位置で信号流チェーンの信号動作状態を検出する。加算器の入力部の位置は、切換セル／遅延セルを提示して与えられ、このセルの後ではそれぞれ信号動作状態が取り出される。信号流チェーンの加算・比較ユニットの加算器の入力部の各々は、同数の切換セル／遅延セルの後にある。すなわち、加算器１ｂの入力部が、２つの切換セル／遅延セルの後方にあり、加算器１ａの入力部が、３つの切換セル／遅延セルの後方にある。加算ユニット／比較ユニット１ａ，ｂ，ｃ／１０ａ，ｂ，ｃの各々は、各時間ステップで接続されている信号流チェーンの信号動作状態を１つの出力値に合計する。この出力値が、対応する比較ユニット１０ａ，ｂ，ｃ内でプリセットされている閾値１７と比較される。この出力値が閾値１７よりも大きい場合は、論理１として出力されている。この１は、特定の形態の１つの信号がこの時点に対して検出されたことを示す。
【００２２】
入力ベクトル７内の設定された各ピクセルが、信号流チェーン内で特定の速度の１つの信号波を起動させる。各信号波形が、信号波面を出力部８で起動させる。これらの信号流チェーンは、異なるシフト速度で通過される。単位時間当たりのその時のシフト速度は、その時のシフトシーケンスによって決定されている。これらの信号流チェーン内の異なるシフト速度によって、複数の要素波が１つの波面に重なる。この波面は、場内の特定の位置で直線の波面を形成する。探索された信号波形によって起動された波面が場内で歪められ、対応する信号相関センサで１つの直線の波面に変換されるように、これらのシフト速度が変換規則によって調整されている。この変換規則は、信号流チェーン内の切換要素の位置によって実現されている。プリプログラミングされた各信号波形が、その所定の相関位置で１つの直線の波面に変換される。このとき、１つの特定の入力信号が適切な時間シーケンスで入力されている場合、１つの最大相関信号が、１つの特定の相関位置で生成される。この相関位置は、シフト速度を計算し調整することによって計算される。これらのシフト速度は、切換セル／遅延セル内のスイッチ２１をプログラミングすることによってプログラミングされる。
【００２３】
図６によれば、ステップごとの時空的な相関の経過が、個々のイメージングシーケンスで示されいる。信号検出ユニットの機能が、３つの信号流チェーン及び３つの加算ユニット／比較ユニットを有する３×３のサブユニットで示される。図６ａによれば、３つの入力ベクトルから成る１つの３×３の入力イメージマトリックスが示されている。この入力イメージマトリックスは、１本の直線を主対角線に沿って有する。左の信号流チェーンでは、下の切換セル／遅延セルのスイッチがオフに設定されている。中央の信号流チェーンでは、下のスイッチ及び上のスイッチがオフに設定されている。右の信号流チェーンでは、全ての３つのスイッチがオフに設定されている。比較器の閾値が３に設定されている。加算ユニット／比較ユニットの結果が、クロックサイクルごとに１つの信号ベクトルを生成する。これらの信号ベクトルの列が、信号空間を形成する。図６ａによれば、初期状態が時間ｔ＝０に対して与えられている。１つの信号が、この時点に対して入力側で右の信号流チェーンの入力部に入力する。この信号は、このサイクルで遅延要素で停止する。図６ｂによれば、時間ｔ＝１に対する最初のサイクルの発生による状態が示されている。図６ｂによれば、右の信号流チェーン内の第１信号経路部分が起動し、下の加算ユニット／比較ユニットが、接続されている加算器の入力部を通じて１を記録する。１つの信号が、入力側で中央の信号流チェーンに入力する。図６ｃによれば、２番目のサイクルの発生による状態が示されている。２つの信号節点が、中央の信号流チェーン内のシフトシーケンスによって同時に起動し、加算ユニット／比較ユニットに対応する入力部が、１をこれらの入力部に記録する。右の信号流チェーン内では、信号波が１つの切換セル／遅延セルだけ再びシフトする。したがって２つの加算器の入力部が同時に起動するので、下のセルの加算器１ｃが１を出力し、中央のセルの加算器１ｂが２を出力する。１つの信号が、入力側で左の信号流チェーンに入力する。図６ｄによれば、時間ｔ＝３に対する３番目のトラジェクトリーによる状態が示されている。中央の信号波及び右の信号波が、信号流チェーンの出力部３ｂ，ｃに出力されている。左の信号流チェーンの信号波が、シフトシーケンス３によってより高い伝播速度で伝わり、同時にその他の両信号波によって上の加算器１ａを起動させる。この上の加算器１ａは、３をカウントし、結果１を比較器の出力部に出力する。これによって、45°の勾配を有する１本の直線が、時間ｔ＝３に検出された。
【００２４】
多重一致ユニットを理解するため、図４をもう一度検討する。上の信号検出ユニットＣ１ａの加算ユニット／比較ユニットが、時間ステップごとに１つの信号ベクトルを出力する。この信号ベクトルは、どの信号が時点ｔに入力経路９ａ，ａ−ｃで受信され検出されたかを示す。下の信号検出ユニットＣ１ｂは、どの信号が時点ｔに入力経路９ｂ，ａ−ｃで受信され検出されたかを出力する。これらの信号間の信号経過時間差をこれらの経路９ａ，ａ−ｃ及び９ｂ，ａ−ｃで算定するため、全ての可能な信号ベクトルの組み合わせの対が生成され、相関が一致回路によって対ごとに実行されることによって、生成された両信号ベクトルの組が互いに相関される。
多重一致ユニットＣ２内では、同じ信号波形の信号をその都度一致させる。信号ベクトルの組み合わせの対を生成するため、多重一致ユニットＣ２の一組の逆並列接続されたフリップフロップチェーンが利用される。この多重一致回路は、それぞれ逆並列接続された同じ信号波形のフリップフロップチェーン対の記憶器フリップフロップをＡＮＤゲート２０に対ごとに接続することによって実現される。上の入力経路９ａ，ａ−ｃの信号ベクトルの組が、フリップフロップチェーンの一方の側に入力される。下の入力経路９ｂ，ａ−ｃの信号ベクトルの組は、これらのフリップフロップチェーンの他方の側に入力される。それぞれ１つの信号ベクトルが、時間ステップごとにこれらのフリップフロップチェーンの両入力部に入力される。これらの信号ベクトルは、これらのフリップフロップチェーンを逆方向に通過する。これらの信号ベクトルは、これらのフリップフロップチェーンの中央で初めて合流する。中央のフリップフロップチェーン対内のＡＮＤゲートが、サンプリング時間ｔに経過時間差ｔ０−ｔ０′を生成し、サンプリング時間ｔ＋１に経過時間差ｔ１−ｔ１′を生成する。この場合、ｔ０は入力部１の第１サンプリング時間を示し、ｔ０′は入力部２の第１サンプリング時間を示す。これらの信号ベクトルは、サンプリング時間ｔ＋１に対しては１つのフリップフロップチェーン位置だけ左に又は右にシフトされている。サンプリング時間ｔ＋１に対しては、３つの一致対（ｔ２−ｔ０′，ｔ１−ｔ１′，ｔ０−ｔ２′）が存在する。ｎ個のフリップフロップチェーンが、ｎ個の時間ステップ後に初めて通過されていて、ｎ個の一致が実行されている。一致の対の数は、フリップフロップチェーンの長さ及びフリップフロップチェーン対の数によって決定されている。
【００２５】
本発明は、デジタル回路によって回路技術的に実現可能である。この場合、信号検出ユニット及び多重一致ユニットが、互いに分離して構成可能である。多重一致ユニットは、既存の電子工学で提供され得る。信号検出ユニットは、３つの基本要素が繰り返されかつ基本要素の接続構成が簡単であるために構造ＶＬＳＩ設計に変更可能であり、用途に固有な集積回路で提供可能である。
図７は、信号検出ユニットＣ１のブロック図である。この信号検出ユニットＣ１は、８本の入力経路９ａ−ｈ，それぞれ８個の切換セル／遅延セル２４から構成された８つの切換チェーン／遅延チェーン（９ａ−ｈと４ａ−ｈとの間の水平接続部分），８本の出力経路４ａ−ｈ及び８つの部分出力ベクトルＤを出力する８個の加算ユニット／比較ユニットを有する。
プロセッサは、本発明の好適な構成としてその入力部にデマルチプレクサ２２をを有する。その結果、信号データ又はビット列が、スイッチの位置をプログラミングするために転送され得る。同様に、右側の出力部のマルチプレクサが、信号データ又はビット列を転送する。このプロセッサは、２つの機能構成要素から構成される：並列に指向された８個の信号流チェーン及びこれらの信号流チェーンに対して垂直に配置された８個の加算ユニット／比較ユニット。ｎ個の信号流チェーン及びｍ個の加算ユニット／比較ユニットの接続が、ｎ行とｍ行とから成るマトリックスを構成する。このプロセッサのトポロジーはリニア式である。それ故にこのプロセッサは、回路技術的に多数の同じ基本列の複製から構成され得る。各切換セル／遅延セル２４をプログラミングするため、各列は、８個の入力部を有する１つの加算ユニット／比較ユニット及び割り当てられた記憶器フリップフロップを有する８個の設定可能な切換セル／遅延セル２４から構成される。相前後する列の切換セル／遅延セルの信号経路が互いに接続することによって、これらの信号流チェーンが構成される。スイッチ１５の記憶器フリップフロップはそれぞれ、信号流チェーンごとに連続し、読み込み可能な１つのフリップフロップチェーンを構成する。チップの初期化の場合、８つのフリップフロップチェーンが、プリプログラミングしたビット列のビットシリアルシフトによって８クロックで並列転送される。これらのビット列は、スイッチの位置を特定する。加算器１は、１つの列の全ての設定された信号出力部をカウントし、その結果を接続されている比較器１０に転送するか又は出力部に直接転送する。この分岐は、前方に接続されたデマルチプレクサ２２によってプログラミング可能である。結果が比較器の入力部に入力された場合、その結果が比較器の入力部でプログラミングされた閾値１７と比較される。この閾値１７は、比較器の第２入力部に入力される。
【００２６】
本発明の装置及び本発明の方法のもう１つの好適な構成は、これらの信号流チェーンが複数のチップでカスケードされ得ることによって実現される。信号空間が、その他の加算ユニット／比較ユニットを有するさらなるチップを追加することによって階層分け可能である。
チップＣが１つだけ使用される場合、異なる信号波形も、複数のパターンの転送を時間的に相前後して切換え、最後に転送されたパターンを認識することによって動作中に時間的に相前後して認識され得る。したがって、例えば音響パターンを転送し、これらの音響パターンを認識し、次いで光学パターンを転送し、これらの光学パターンを認識することが可能である。多数のチップ又は多数のシステムが構成され得る場合、多種多様な信号が同時に認識される。光学パターン及び音響パターンが同時に認識されなければならない場合は、２つのチップが必要である。したがって本発明の方法及び装置の好適な構成では、音響パターンと光学パターンとから成る組み合わせた画像・音響パターンの同時の存在も検出され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】個々の信号受信機（マイクロフォン）に対する必要な入力ベクトルに変換するステップを示す。
【図２】信号分解能を上げる多重受信ユニットによって信号データを並列処理する変換ステップを示す。
【図３】例えば音響信号の経過時間差を測定する信号前処理段及び装置のブロック図である。
【図４】例えば音響信号の経過時間差を測定する装置の構成を示す。
【図５】シフトシーケンスの経時変化によるトラジェクトリーの生成を示す。
【図６】個々のステップ中の信号検出ユニット内の処理の経時変化を示す。
【図７】装置を実現する回路技術的なＶＬＳＩを示す。
【符号の説明】
Ａ 信号源
Ｂ 信号前処理段
Ｂ１ 信号変換器
Ｂ２ Ａ／Ｄ変換器
Ｂ３ 入力ベクトル発生器
Ｃ チップ
Ｃ１ 信号検出ユニット
Ｃ２ 多重一致ユニット
Ｄ 出力ベクトル
１ 加算器
２ アナログ信号
３ 出力部
４ 出力信号経路
５ ビットストリーム
６ デジタル信号
７ 入力ベクトル
８ 入力部
９ 入力経路
１０ 比較器
１１ マイクロフォン
１２ レジスタセル（フリップフロップチェーン）
１３ ａ／ｉ レジスタセル オン／オフ
１４ 音響変換器
１５ プログラム可能なスイッチ
１６ シフトレジスタ
１７ 閾値
１８ 信号
１９ ａ／ｉ 信号 オン／オフ
２０ ＡＮＤゲート
２１ 遅延要素
２２ デマルチプレクサ（ＤＭＵＸ）
２３ マルチプレクサ（ＭＵＸ）
２４ 切換セル／遅延セル

Claims (15)

1. 特にリアルタイムのパターン認識，光学信号及び音響信号の位置測定及び追跡のため、単調で一定なトラジェクトリー（経路，区間，直線，曲線等）に部分ごとに変換可能である信号波形を検出し一致させ、かつ経過時間差を測定する方法にあって、プリプログラミング可能なキー信号が、信号のサンプリング及びサンプリングデータの相関によって検出され、そして所定の信号経過時間差の信号の組み合わせの対が、これらの検出された信号の一致によって算定される方法において、
   ・信号が、入力側で連続した入力ベクトル（７）でサンプリングされ、これらの信号は、信号検出ユニット（Ｃ１）を連続して通過すること、
   ・この信号検出ユニット（Ｃ１）は、相前後して接続された切換ユニット／遅延ユニット（１５，２１，２４）を有する並列に接続されたプログラミング可能な信号流チェーン及びさらに加算ユニット／比較ユニット（１，１０）から構成され、これらの加算ユニット／比較ユニット（１，１０）は、これらの信号流チェーンに沿って等間隔に信号節点内にかつこれらの信号流チェーンに対して垂直に配置されていて、この場合、各加算ユニット／比較ユニットは、１つの加算器（１）及び１つの比較器（１０）を有すること、
   ・１つの入力信号によって出力されるキー信号（波面）が、プリセットされている伝播速度で信号流チェーンに沿って送られること、
   ・１つの相関が、各信号検出ユニット（Ｃ１）内の伝播方向に対して垂直な方向に沿った加算ユニット／比較ユニット（１，１０）の信号節点の状態を合計することによって算定されること、
   ・比較器（１０）のこの算出された相関は、１つのプログラミング可能な閾値（１７）と比較され、この閾値を超えた場合、１つの基準パルスが生成されること、
   ・次いで全ての加算ユニット／比較ユニット（１，１０）の基準パルスが、多重一致ユニット（Ｃ２）を通過し、この多重一致ユニット（Ｃ２）は、複数の遅延チェーンの逆並列の対を有し、これらの対は、これらの基準パルスに対する１つの遅延区間を規定すること、
   ・２つの逆に進行する基準パルスが合流した場合、１つの一致が、この遅延区間に沿って等間隔に配置されたＡＮＤゲート（２０）によって生成され、これらのＡＮＤゲート（２０）の位置がそれぞれ、１つの信号経過時間差をコード化することを特徴とする方法。
2. 異なる信号（１８）の一組の経過時間差が並列に算定可能であり、一組の信号経過時間差が、時間ステップごとに出力されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 異なって規定した一組のキー信号が、フリップフロップチェーン（１２）をプログラミングすることによってプログラム可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 信号流チェーン内の信号伝播速度が、制約なしにプログラミング可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 最大の経過時間差間隔及び経過時間差間隔の分割が、プログラミング可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 後続接続されたユニット内で後処理するため、ビットストリーム又は加算結果が、信号（１８）として選択的に出力されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. プログラミングされた信号パターンを認識する動作モードが終了した後に、これらの信号パターンが、信号パターンを新しく転送することによって交換され、引き続き新しい信号パターンが検出されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 信号検出ユニット（Ｃ１）及び多重一致ユニット（Ｃ２）は、１つのチップ（Ｃ）上に配置されること、及び、光学信号及び音響信号のような少なくとも２つの異なる信号を同時に認識するため、及び、これらの信号を検出するため、少なくとも２つのこのチップ（Ｃ）が多重カスケードに配置されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法を実施する装置において、
   ａ）２つの装置が設けられていて、これらの装置は、入力される音響信号をサンプリングし、連続したデジタル値を変換すること、
   ｂ）ベクトル発生器が、各受信装置に後続接続されていて、このベクトル発生器は、連続したデジタル値を連続した入力ベクトル（７）に変換すること、
   ｃ）信号検出ユニット（Ｃ１）が、各ベクトル発生器に後続接続されていて、この信号検出ユニット（Ｃ１）は、並列接続されたプログラミング可能な信号流チェーン及びこれらの信号流チェーンに対して垂直方向で等間隔に取り付けられた加算ユニット／比較ユニット（１，１０）から構成され、これらの加算ユニット／比較ユニット（１，１０）はそれぞれ、信号流チェーンの信号状態を信号流チェーン内の信号節点で検出すること、
   ｄ）各比較ユニットは、この閾値（１７）をプリセット可能であること、
   ｅ）この閾値（１７）を超えた場合、クロック基準パルスが生成可能であること、
   ｆ）信号検出ユニットが、多重一致ユニット（Ｃ２）内に組み込まれていて、この多重一致ユニット（Ｃ２）は、２つの逆並列接続されたシフトレジスタチェーンから構成され、この場合、２つの逆方向の基準パルスの互いの合流が、シフトレジスタチェーンに沿ってＡＮＤゲートの出力部で１つのクロック基準パルスを出力するように、同じ信号を符号化する記憶器フリップフロップチェーンが、２つずつ対になってこれらの記憶器フリップフロップ対を１つのＡＮＤゲート（２０）に接続することによって統合されていて、このクロック基準パルスは、プリセットされているクロック時点とシフトレジスタチェーンに沿ったその都度の場所の位置とによって１つの信号の信号経過時間差の存在を符号化することを特徴とする装置。
10. 信号流チェーンは、基本要素、特に切換セル／遅延セル（２４）の複製を相前後して並べることによって構成されていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 信号流チェーンは、スイッチの位置を変更することによって任意にプログラミング可能であることを特徴とする請求項９又は１０に記載の装置。
12. 各切換セル／遅延セル（２４）は、１つの割り当てられた記憶器フリップフロップによってプログラミング可能であることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 信号パターンのプログラミングは、フリップフロップチェーン（１２）を設定することによって再構築可能であることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 信号パターンのプログラミングは、信号パターンの束から成る探索パターンを迅速に再ロードすることによって再構成可能であることを特徴とする請求項９〜１３のいずれか１項に記載の装置。
15. 光学信号や音響信号のような少なくとも２つの異なる信号を同時に認識するため、及び、これらの信号の一致を検出するため、少なくとも２つのチップ（Ｃ）が多重カスケードされることを特徴とする請求項９〜１４のいずれか１項に記載の装置。

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