JP4586577B2 - Disturbance component suppression device, computer program, and speech recognition system - Google Patents

Disturbance component suppression device, computer program, and speech recognition system Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a disturbance component suppressing device which improves speech recognizing performance in actual environment wherein there is an influence of disturbance such as additive noise and reverberation is present and can suppress components of disturbance in a short time. <P>SOLUTION: A disturbance component suppression section 114 includes a disturbance probability distribution estimation portion 200 which receives feature quantities 124 extracted frames of a designated time length divided by designated periods as to an observation signal obtained by observing a target speech in environment wherein additive noise and multiplicative distortion are generated and generates parameters 206 representing disturbance by frames one after another by using a particle filter having a plurality of particles, and a parameter generation portion 202 and a screen speech estimation portion 204 which calculate estimated feature quantities 126 of a target speech by the frames by using the feature quantities 124 of the observation signal, estimated parameters 206 of the disturbance, and a GMM 130. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&amp;NCIPI

Description

本発明は、音声に影響を与えるような外乱が発生する実環境下での音声認識技術に関し、特に、非定常的な加法性雑音と残響等の乗法性歪みとが発生する環境下での音声認識精度を改善するための、外乱成分抑圧装置及びそれを使用した音声認識システムに関する。   The present invention relates to speech recognition technology in a real environment where disturbances that affect speech occur, and in particular, speech in an environment where non-stationary additive noise and multiplicative distortion such as reverberation occur. The present invention relates to a disturbance component suppressing device and a speech recognition system using the same to improve recognition accuracy.

人間にとって容易かつ自然なヒューマンマシンインタフェースを実現するための技術として、音声認識技術が研究されている。近年では、大規模な音声・テキストデータベースと統計確率的な音声認識手法とにより、高い認識率での音声認識が実現されるようになった。今日ではさらに、人間が機械と接する実環境下において、高速にかつ高い認識率で音声認識を実現するための応用技術開発が進められている。   Speech recognition technology has been studied as a technology for realizing a human machine interface that is easy and natural for humans. In recent years, speech recognition at a high recognition rate has been realized by a large-scale speech / text database and statistical stochastic speech recognition techniques. Nowadays, applied technology is being developed to realize speech recognition at high speed and with a high recognition rate in a real environment where a human is in contact with a machine.

実環境が実験室等の環境と大きく異なる点の一つに、雑音の存在がある。雑音は、無視できない音量で絶間なく不規則に発生する。加えて実環境ではさらに、その環境下での音声の空間伝達特性に依存して、又は残響等によって、音声に乗法性の歪みが生じる。このような外乱は、音声認識を行なう際の妨げとなる。これらの外乱が生じる環境下での音声認識性能の改善は、音声認識の応用技術開発を行なう上で、早急に解決されるべき問題である。   One of the major differences between the actual environment and the laboratory environment is the presence of noise. Noise occurs constantly and irregularly at a volume that cannot be ignored. In addition, in the real environment, multiplicative distortion occurs in the voice depending on the spatial transfer characteristics of the voice in the environment or due to reverberation or the like. Such disturbance disturbs voice recognition. Improvement of speech recognition performance in an environment where these disturbances occur is a problem that should be solved as soon as possible in developing an application technology for speech recognition.

雑音環境下での音声認識性能を改善するための技術のひとつに、音声認識の前処理の段階で雑音を推定し抑圧する技術がある。後掲の非特許文献1には、雑音抑圧の一般的な方法であるスペクトルサブトラクション法が開示されている。この方法では、発話の前の区間において観測された雑音の振幅スペクトルが発話中の区間における雑音の振幅スペクトルと同じであると仮定し、発話から得られた音声信号の振幅スペクトルから、発話直前に観測された雑音の振幅スペクトルを減算することで雑音を抑圧する。   One technique for improving speech recognition performance in a noisy environment is a technique for estimating and suppressing noise at the pre-processing stage of speech recognition. Non-Patent Document 1 described later discloses a spectral subtraction method that is a general method of noise suppression. In this method, it is assumed that the noise amplitude spectrum observed in the interval before the utterance is the same as the noise amplitude spectrum in the utterance interval, and from the amplitude spectrum of the speech signal obtained from the utterance, immediately before the utterance. Noise is suppressed by subtracting the amplitude spectrum of the observed noise.

音声認識の前処理の段階において雑音を逐次的に推定し抑圧する技術もある。非特許文献2には、逐次EM(Expectation Maximization)アルゴリズムを適用して雑音の最尤推定値を逐次的に求める手法が開示されている。逐次EMアルゴリズムを用いて逐次的に雑音を推定する手法では、雑音の時間変動に対処しつつ高精度に雑音の推定及び抑圧を行なうことができる。   There is also a technique for sequentially estimating and suppressing noise in the preprocessing stage of speech recognition. Non-Patent Document 2 discloses a technique of sequentially obtaining a maximum likelihood estimation value of noise by applying a sequential EM (Expectation Maximization) algorithm. In the technique of sequentially estimating noise using the sequential EM algorithm, it is possible to estimate and suppress noise with high accuracy while coping with temporal fluctuation of noise.

非特許文献3及び非特許文献4に開示された、カルマンフィルタを用いて雑音の推定値を逐次的に求める手法も一般的に用いられている。この手法では、一期先予測とフィルタリングとを交互に行なうことによって、雑音を逐次的に推定し抑圧する。   A method of sequentially obtaining an estimated value of noise using a Kalman filter disclosed in Non-Patent Document 3 and Non-Patent Document 4 is also generally used. In this method, noise is sequentially estimated and suppressed by alternately performing first-term prediction and filtering.

また、雑音環境下での音声認識性能を改善するための技術として、雑音を考慮した確率モデルを用いて適応的に音声認識を行なう技術がある。例えば後掲の特許文献1には、パーティクルフィルタと呼ばれる逐次推定法を用いて、雑音パラメータの推定と、隠れマルコフモデル(HMM:Hidden Markov Model)を構成する隠れ状態の時間的成長とを行ない、当該隠れマルコフモデルに基づく音声認識を行なう音声認識システムが開示されている。   As a technique for improving speech recognition performance in a noisy environment, there is a technique for performing adaptive speech recognition using a probability model that takes noise into account. For example, in Patent Document 1 described later, noise parameters are estimated using a sequential estimation method called a particle filter, and temporal growth of a hidden state constituting a Hidden Markov Model (HMM) is performed. A speech recognition system that performs speech recognition based on the hidden Markov model is disclosed.

乗法性歪みが生じる環境下での音声認識性能を改善するための技術として、ケプストラム平均減算法(Cepstrum Mean Subtraction:CMS)を用いて乗法性歪みを除去する技術がある。この手法は、収録用のマイクロホンの特性による歪みなど、分析窓長より短いインパルス応答長の伝達特性を持つ乗法性歪みを除去することができる。   As a technique for improving speech recognition performance in an environment where multiplicative distortion occurs, there is a technique for removing multiplicative distortion using a Cepstrum Mean Subtraction (CMS). This technique can remove multiplicative distortions having a transfer characteristic with an impulse response length shorter than the analysis window length, such as distortion due to the characteristics of a recording microphone.

非特許文献5には、反射音を加法性雑音とみなして残響下での音声認識を行なう技術が開示されている。この技術では、残響下で観測される音声(以下、「残響音声」と呼ぶ。)を、1次線形予測により表現している。ここに、時刻tにおける目的音声及び残響音声の線形メルスペクトルを要素に持つベクトルをSt Lin、及びXS,t Linとし、各メル周波数領域での音声の伝達特性、すなわち乗法性歪みの線形メルスペクトルを対角成分に持つ行列をHLinとする。また、各メル周波数領域での残響の線形予測係数を対角成分に持つ行列をALinとする。この技術では、残響音声のベクトルXS,t Linを次の再帰式によって表現する。 Non-Patent Document 5 discloses a technique for performing speech recognition under reverberation by regarding reflected sound as additive noise. In this technique, speech observed under reverberation (hereinafter referred to as “reverberation speech”) is expressed by first-order linear prediction. Here, the vector having a linear Mel spectrum of the voice and reverberant sound component and S t Lin, and X S, and t Lin at time t, the transfer characteristic of the audio at each Mel frequency domain, i.e. the multiplicative distortion linear Let H Lin be a matrix having a mel spectrum as a diagonal component. A matrix having a linear prediction coefficient of reverberation in each mel frequency region as a diagonal component is A Lin . In this technique, a reverberant speech vector X S, t Lin is expressed by the following recursive formula.

S,t Lin=HLint Lin+ALinS,t-1 Lin
また、この技術では、行列HLinの要素すなわち乗法性歪みの線形メルスペクトルと、行列ALinの要素すなわち残響の線形予測係数を、それぞれ時間固定のパラメータとみなし、EMアルゴリズムによりこれらのパラメータを推定する。上記の再帰式により、分析窓長よりも長いインパルス応答長の歪みも表現されるため、反射音の影響等をモデル化することができる。
X S, t Lin = H Lin S t Lin + A Lin X S, t-1 Lin
In this technique, the elements of the matrix H Lin , that is, the linear mel spectrum of multiplicative distortion, and the elements of the matrix A Lin , that is, the linear prediction coefficient of reverberation are regarded as time-fixed parameters, and these parameters are estimated by the EM algorithm. To do. Since the impulse response length distortion longer than the analysis window length is expressed by the above recursive formula, the influence of reflected sound and the like can be modeled.

特開2002−251198号公報JP 2002-251198 A S.F.ボル:「スペクトルサブトラクションを用いた、音声内の音響ノイズの抑圧」、IEEE Trans. ASSP、Vol.27、No.2、113−120頁、1979年(S.F.Boll: “Suppression of Acoustic Noise in Speech Using Spectral Subtraction,” IEEE Trans. ASSP, Vol. 27, No. 2, pp. 113-120, 1979)S. F. Bol: “Suppression of acoustic noise in speech using spectral subtraction”, IEEE Trans. ASSP, Vol. 27, no. 2, 113-120, 1979 (S.F. Boll: “Suppression of Acoustic Noise in Speech Using Spectral Subtraction,” IEEE Trans. ASSP, Vol. 27, No. 2, pp. 113-120, 1979) M.アフィフィ、O.シオアン:「ロバスト音声認識のための最適な忘却による逐次推定」、IEEE Trans. SAP、Vol.12、No.1、19−26頁、2004年(M.Afify, O.Siohan: “Sequential Estimation with Optimal Forgetting for Robust Speech Recognition,” IEEE Trans. SAP, Vol. 12, No.1, pp. 19-26, 2004)M.M. Affifi, O. Shioan: “Sequential estimation with optimal forgetting for robust speech recognition”, IEEE Trans. SAP, Vol. 12, no. 1, 19-26, 2004 (M. Afify, O. Siohan: “Sequential Estimation with Optimal Forgetting for Robust Speech Recognition,” IEEE Trans. SAP, Vol. 12, No. 1, pp. 19-26, 2004. ) 有本 卓:「カルマンフィルター」、産業図書Takashi Arimoto: “Kalman Filter”, industrial books 中野 道雄 監修、西山 清 著:「パソコンで解くカルマンフィルタ」、丸善Supervised by Michio Nakano, Kiyoshi Nishiyama: “Kalman filter solved on a personal computer”, Maruzen タキグチ テツヤ他:「1次線形予測を用いた残響音声の認識」、ICASSP’04、869−872頁、2004年5月(T.Takiguchi et al: “Reverberant speech recognition using first-order linear prediction,” ICASSP'04, pp. 896-872, May 2004)Tetsugu Takiguchi et al .: “Recognition of reverberant speech using first-order linear prediction”, ICASSP '04, pages 869-872, May 2004 (T. Takiguchi et al: “Reverberant speech recognition using first-order linear prediction,” ICASSP'04, pp. 896-872, May 2004)

実環境において雑音の多くは非定常な雑音である。すなわち、雑音の音響的特徴は時間の経過に伴い変動する。非特許文献1に記載のスペクトルサブトラクション法のように、雑音が定常的なものであるという前提のもとで雑音の推定及び抑圧を行なう技術では、雑音の時間変動に対応できず、高精度に雑音を抑圧することができない。   In the real environment, most of the noise is non-stationary noise. That is, the acoustic characteristics of noise vary with time. As in the spectral subtraction method described in Non-Patent Document 1, a technique that estimates and suppresses noise under the premise that noise is stationary cannot cope with time fluctuations of noise and is highly accurate. Noise cannot be suppressed.

非特許文献2に記載された逐次EMアルゴリズムを用いた手法は、尤度関数の局所最適値に値が収束するまで反復計算を行なう。そのため、雑音が変動する度に膨大な量の計算が必要となり、計算に時間を要する。よって、この手法により実時間で雑音を推定し抑圧するのは困難である。   The method using the sequential EM algorithm described in Non-Patent Document 2 performs iterative calculation until the value converges to the local optimum value of the likelihood function. Therefore, an enormous amount of calculation is required every time the noise fluctuates, and the calculation takes time. Therefore, it is difficult to estimate and suppress noise in real time by this method.

非特許文献3及び非特許文献4に開示されたカルマンフィルタを用いる推定方法は、一期先予測とフィルタリングとを交互に行ない逐次推定を行なう。そのため、逐次EMアルゴリズムのような反復計算を必要とはしない。しかし、カルマンフィルタを用いた手法は、雑音の事後確率分布が単一正規分布であるものとして確率分布を推定する。真の確率分布が混合分布であった場合には、単一正規分布で近似される。そのため、精度が劣化する。   The estimation method using the Kalman filter disclosed in Non-Patent Document 3 and Non-Patent Document 4 performs successive estimation by alternately performing one-time prediction and filtering. Therefore, it does not require an iterative calculation like the sequential EM algorithm. However, the method using the Kalman filter estimates the probability distribution assuming that the posterior probability distribution of noise is a single normal distribution. When the true probability distribution is a mixed distribution, it is approximated by a single normal distribution. Therefore, the accuracy is deteriorated.

特許文献1に記載の音声認識システムのように、雑音を考慮したモデルを用いて音声認識を行なう技術では、雑音が重畳された音声と確率モデルとのマッチングが行なわれる。そのため、例えば音響モデル適応など、雑音のない音声に基づいて行なうべき前処理を実行できない。   In a technique for performing speech recognition using a model that takes noise into consideration, as in the speech recognition system described in Patent Document 1, matching is performed between a speech on which noise is superimposed and a probability model. For this reason, for example, preprocessing that should be performed based on noise-free speech such as acoustic model adaptation cannot be executed.

非特許文献5に記載の技術では、上記の再帰式により反射音の影響についてモデル化されている。しかし、一般に残響は、音源から離れた地点で音を観測又は収録する際に生じる現象である。音源と観測地点との距離が離れている環境下では、反射音のみならず、音源と観測地点とを取り巻く環境で発生する雑音の存在が無視できなくなる。非特許文献5に記載の技術では、この点について考慮されていない。また、非特許文献5に記載の技術では、行列HLinの要素すなわち乗法性歪みの線形メルスペクトルと、行列ALinの要素すなわち残響の線形予測係数を、それぞれ時間固定のパラメータとみなしている。しかし、実環境においては、例えば音源及びその周囲で音を反射する物体が移動することがある。このような環境下では、乗法性歪みのパラメータも、残響の線形予測係数も時間の経過とともに変動する。そのため、非特許文献5に記載の技術では、残響の時間変動に対応できず、外乱の影響に高精度に対処することができない。 In the technique described in Non-Patent Document 5, the effect of reflected sound is modeled by the above recursive formula. However, reverberation is generally a phenomenon that occurs when sound is observed or recorded at a point away from a sound source. In an environment where the distance between the sound source and the observation point is large, not only the reflected sound but also the noise generated in the environment surrounding the sound source and the observation point cannot be ignored. In the technique described in Non-Patent Document 5, this point is not taken into consideration. In the technique described in Non-Patent Document 5, an element of the matrix H Lin , that is, a linear mel spectrum of multiplicative distortion, and an element of the matrix A Lin , that is, a linear prediction coefficient of reverberation are regarded as time-fixed parameters. However, in a real environment, for example, a sound source and an object that reflects sound around the sound source may move. Under such circumstances, both the multiplicative distortion parameter and the linear prediction coefficient of reverberation change with time. For this reason, the technique described in Non-Patent Document 5 cannot cope with time fluctuations of reverberation and cannot cope with the influence of disturbance with high accuracy.

それゆえに、本発明の目的は、非定常雑音及び残響等の乗法性歪みが生じる環境下での音声認識性能を改善し、かつ外乱成分の抑圧を短時間で行なうことができる外乱成分抑圧装置を提供することである。   Therefore, an object of the present invention is to provide a disturbance component suppression device that can improve speech recognition performance in an environment in which multiplicative distortion such as non-stationary noise and reverberation occurs, and can suppress disturbance components in a short time. Is to provide.

本発明の第1の局面に係る外乱成分抑圧装置は、加法性雑音及び乗法性歪みが生じる環境下で目的音声を観測することにより得られる観測信号の、外乱の成分を抑圧する装置である。この装置は、観測信号について所定周期ごとにフレーム化された所定時間長のフレームよりそれぞれ抽出される特徴量を受けて、複数のパーティクルを有するパーティクルフィルタを用いて、外乱を表す確率分布の推定パラメータをフレームごとに逐次生成するための外乱パラメータ推定手段と、観測信号の特徴量と、推定パラメータと、目的音声に関する所定の音響モデルとを用いて、フレームごとに目的音声の推定特徴量を算出するための目的音声推定手段とを含む。   A disturbance component suppressing device according to a first aspect of the present invention is a device that suppresses disturbance components of an observation signal obtained by observing a target speech in an environment where additive noise and multiplicative distortion occur. This apparatus receives a feature amount extracted from a frame of a predetermined time length that is framed every predetermined period for an observation signal, and uses a particle filter having a plurality of particles to estimate a probability distribution parameter representing a disturbance. Is calculated for each frame using disturbance parameter estimation means for sequentially generating a frame for each frame, a feature amount of an observation signal, an estimation parameter, and a predetermined acoustic model related to the target speech. And target speech estimation means.

好ましくは、外乱パラメータ推定手段は、外乱の初期分布を設定し、当該初期分布にしたがった確率で、複数のパーティクルの各々における外乱を表す確率分布の初期パラメータをそれぞれ設定するための初期パラメータ設定手段と、音響モデルと観測信号の特徴量とを基に、拡張カルマンフィルタを用いて、各パーティクルにおける先行する第1のフレームの推定パラメータをそれぞれ第1のフレームに後続する第2のフレームに対応するものに更新するための更新手段と、第2のフレームにおける複数のパーティクルの各々の重みを算出するための重み算出手段とを含む。   Preferably, the disturbance parameter estimation means sets an initial distribution of the disturbance, and an initial parameter setting means for setting an initial parameter of the probability distribution representing the disturbance in each of the plurality of particles with a probability according to the initial distribution. And an estimated parameter of the preceding first frame in each particle corresponding to the second frame following the first frame using an extended Kalman filter based on the acoustic model and the feature amount of the observation signal Updating means for updating the weights, and weight calculating means for calculating the weight of each of the plurality of particles in the second frame.

より好ましくは、初期パラメータ設定手段は、観測信号の特徴量を基に加法性雑音の初期分布を推定し、当該初期分布にしたがった確率で、複数のパーティクルの各々における加法性雑音の確率分布の初期パラメータをそれぞれサンプリングするための手段と、複数のパーティクルの各々における乗法性歪みの確率分布の初期パラメータの値を所定値に設定するための手段とを含む。   More preferably, the initial parameter setting means estimates the initial distribution of additive noise based on the feature quantity of the observed signal, and the probability distribution of the additive noise in each of the plurality of particles with a probability according to the initial distribution. Means for sampling each of the initial parameters, and means for setting the value of the initial parameter of the multiplicative distortion probability distribution in each of the plurality of particles to a predetermined value.

より好ましくは、外乱パラメータ推定手段はさらに、再サンプリング手段により再サンプリングされたパラメータを基に、複数のパーティクルの各々において、第1のフレームに対応する推定パラメータをそれぞれ、第2のフレームに対応するものに再更新するための再更新手段と、複数のパーティクルの各々において、再更新手段により再更新された推定パラメータと、再サンプリング手段により再サンプリングされた推定パラメータとの一方を、所定の判定基準にしたがい第2のフレームの推定パラメータとして選択するための選択手段とを含む。   More preferably, the disturbance parameter estimation means further corresponds to the estimation parameter corresponding to the first frame in each of the plurality of particles based on the parameter resampled by the resampling means. A re-updating means for re-upding to a thing, an estimation parameter re-updated by the re-updating means in each of a plurality of particles, and an estimated parameter re-sampled by the re-sampling means And selecting means for selecting as the estimation parameter of the second frame.

好ましくは、目的音声推定手段は、観測信号の特徴量と、推定パラメータと、音響モデルとを基に、フレームに対応する観測信号の確率モデルを合成するための観測信号モデル合成手段と、観測信号の特徴量、推定パラメータ、音響モデル、及び観測信号の確率モデルを基に、フレームごとに、目的音声の推定特徴量を算出するための推定特徴量算出手段とを含む。   Preferably, the target speech estimation unit includes an observation signal model synthesis unit for synthesizing a probability model of the observation signal corresponding to the frame based on the feature amount of the observation signal, the estimation parameter, and the acoustic model, and the observation signal Based on the feature amount, the estimation parameter, the acoustic model, and the observed signal probability model, estimated feature amount calculation means for calculating the estimated feature amount of the target speech for each frame.

より好ましくは、観測信号モデル合成手段は、複数のパーティクルの各々に対して、推定パラメータと、音響モデルとを基に、当該パーティクルにおける観測信号の確率モデルのパラメータを推定するためのパラメータ推定手段を含む。   More preferably, the observation signal model combining means includes parameter estimation means for estimating the parameters of the probability model of the observation signal for the particle based on the estimation parameter and the acoustic model for each of the plurality of particles. Including.

推定特徴量算出手段は、フレームごとに、複数のパーティクルの各々の目的音声の推定パラメータを、観測信号の特徴量、音響モデル、推定パラメータ、及び観測信号の確率モデルを基に算出するための手段と、複数のパーティクルの各々における目的音声の推定パラメータを基に、当該フレームにおける目的音声の推定特徴量を算出するための手段とを含んでもよい。   The estimated feature amount calculating means is a means for calculating, for each frame, an estimation parameter of the target speech of each of the plurality of particles based on the feature amount of the observation signal, the acoustic model, the estimation parameter, and the probability model of the observation signal. And means for calculating an estimated feature amount of the target speech in the frame based on an estimation parameter of the target speech in each of the plurality of particles.

本発明の第2の局面に係るコンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されると、コンピュータを本発明の第1の局面に係るいずれかの外乱成分抑圧装置として動作させる。   When executed by a computer, the computer program according to the second aspect of the present invention causes the computer to operate as any of the disturbance component suppression devices according to the first aspect of the present invention.

本発明の第3の局面に係る音声認識システムは、本発明の第1の局面に係るいずれかの外乱成分抑圧装置と、外乱成分抑圧装置により算出される目的音声の推定特徴量を受けて、目的音声に関する所定の音響モデルと、認識対象言語に関する所定の言語モデルとを用いて、目的音声に関する音声認識を行なうための音声認識手段とを含む。   The speech recognition system according to the third aspect of the present invention receives the estimated feature amount of the target speech calculated by any one of the disturbance component suppressing device and the disturbance component suppressing device according to the first aspect of the present invention, Speech recognition means for performing speech recognition related to the target speech using a predetermined acoustic model related to the target speech and a predetermined language model related to the recognition target language;

以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施の形態について説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称及び機能も同一である。したがって、それらについての説明は繰返さない。以下の説明のテキスト中で使用する記号「^」等は、本来はその直後の文字の直上に記載すべきものであるが、テキスト記法の制限により当該文字の直前に記載する。式中では、これらの記号等は本来の位置に記載してある。また以下の説明のテキスト中では、ベクトル又は行列については例えば「ベクトルX」、「行列ΣW」等のように直前に「ベクトル」、「行列」等を付した通常のテキストの形で記載するが、式中ではいずれも太字で記載する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings used for the following description, the same parts are denoted by the same reference numerals. Their names and functions are also the same. Therefore, description thereof will not be repeated. The symbol “^” or the like used in the text of the following description should be described immediately above the character immediately after it, but it is described immediately before the character due to restrictions on text notation. In the formula, these symbols are written in their original positions. Also, in the text of the following description, vectors or matrices are described in the form of ordinary text with “vector”, “matrix”, etc. immediately preceding them, such as “vector X t ”, “matrix Σ W ”, etc. However, it is written in bold in the formula.

[構成]
図1に、本実施の形態に係る音声認識システム100全体の構成を示す。図1を参照して、この音声認識システム100は、音源102が発生する音122を収集し、収集した音から認識に用いる特徴量を抽出するための前処理部104と、前処理部104に接続され、音声と音素との関係を表す確率モデル(音響モデル)を準備するための前処理用音響モデル部106と、認識対象の言語における単語の連接確率等を表す確率モデル(言語モデル)を準備するための言語モデル部108と、前処理部104から出力された特徴量に対応する単語等を、言語モデル部108の言語モデルを用いて探索するための探索部110と、探索部110に接続され、探索部110による探索に用いられる音響モデルを準備するための認識用音響モデル部109とを含む。
[Constitution]
FIG. 1 shows the overall configuration of the speech recognition system 100 according to the present embodiment. With reference to FIG. 1, the speech recognition system 100 collects a sound 122 generated by the sound source 102, and extracts a feature amount used for recognition from the collected sound, and a preprocessing unit 104. A pre-processing acoustic model unit 106 for preparing a probability model (acoustic model) connected and representing a relationship between speech and phonemes, and a probability model (language model) representing a word connection probability in a recognition target language A language model unit 108 for preparation, a search unit 110 for searching for a word or the like corresponding to the feature amount output from the preprocessing unit 104 using the language model of the language model unit 108, and a search unit 110 And a recognition acoustic model unit 109 for preparing an acoustic model that is connected and used for the search by the search unit 110.

音源102は、認識されるべき音声(目的音声)120を発話する話者116と、話者116の周囲において音の伝達に影響を及ぼす外乱要因118とを含む。前処理部104に到達する音122は、話者116の発話により発生した目的音声120ではなく、外乱要因118の影響を受けて変化した音となる。本明細書では、話者116の発話により発生する雑音のない目的音声120を、「クリーン音声」と呼ぶ。また、前処理部104により収録される音、すなわち外乱要因118の影響により変化した状態で前処理部104に到達する音122を「観測音」と呼ぶ。 The sound source 102 includes a speaker 116 that utters a sound (target sound) 120 to be recognized, and a disturbance factor 118 that affects sound transmission around the speaker 116. The sound 122 that reaches the pre-processing unit 104 is not the target sound 120 generated by the utterance of the speaker 116 but a sound that has changed due to the influence of the disturbance factor 118. In the present specification, the target voice 120 without noise generated by the speech of the speaker 116 is referred to as “clean voice”. The sound recorded by the preprocessing unit 104, that is, the sound 122 that reaches the preprocessing unit 104 in a state changed by the influence of the disturbance factor 118 is referred to as “observation sound”.

前処理用音響モデル部106は、クリーン音声120に対するガウス混合モデル(GMM:Gaussian Mixture Model)からなる音響モデルを準備し保持する。前処理用音響モデル部106は、予め用意された大量の学習データを記憶するための学習データ記憶部132と、学習データ記憶部132に記憶された学習データを用いてGMMに対する学習処理を行なうためのモデル学習部134と、モデル学習部134による学習で得られるGMM130を記憶するためのGMM記憶部136とを含む。   The preprocessing acoustic model unit 106 prepares and holds an acoustic model composed of a Gaussian Mixture Model (GMM) for the clean speech 120. The preprocessing acoustic model unit 106 performs learning processing on the GMM using the learning data storage unit 132 for storing a large amount of learning data prepared in advance and the learning data stored in the learning data storage unit 132. Model learning unit 134 and a GMM storage unit 136 for storing GMM 130 obtained by learning by model learning unit 134.

図2に、GMM130の概念を模式的に示す。図2を参照して、GMM130は、時系列信号の値を、一つの定常信号源(状態)によりモデル化した確率モデルである。このGMM130においては、出力確率が定義される。具体的には、GMM130では、時刻tにおいてクリーン音声120として出力される可能性のある値と、その値が出力される確率とが定義される。GMM130においては、出力確率は混合正規分布によって表現される。例えばGMM130は単一正規分布148A,148B,…,148Kからなる混合正規分布を持つ。   FIG. 2 schematically shows the concept of the GMM 130. Referring to FIG. 2, the GMM 130 is a probability model in which the value of the time series signal is modeled by one stationary signal source (state). In this GMM 130, an output probability is defined. Specifically, in the GMM 130, a value that may be output as the clean sound 120 at time t and a probability that the value is output are defined. In the GMM 130, the output probability is expressed by a mixed normal distribution. For example, the GMM 130 has a mixed normal distribution composed of single normal distributions 148A, 148B,.

再び図1を参照して、前処理部104は、観測音122を収録し、得られる観測信号に所定の信号処理を施すことにより、当該観測信号に関する所定の特徴量ベクトル(以下単に「特徴量」と呼ぶ。)124を抽出するための計測部112と、計測部112が抽出する特徴量124に含まれる外乱の成分を、GMM130を用いて抑圧するための外乱成分抑圧部114とを含む。   Referring again to FIG. 1, the preprocessing unit 104 records the observation sound 122 and performs predetermined signal processing on the obtained observation signal, whereby a predetermined feature vector (hereinafter simply referred to as “feature amount”) regarding the observation signal. The measurement unit 112 for extracting 124 and the disturbance component suppression unit 114 for suppressing the disturbance component included in the feature value 124 extracted by the measurement unit 112 using the GMM 130 are included.

具体的には、計測部112は、観測信号を時間長数10ミリ秒のフレームごとに対数メルフィルタバンク分析し、得られる対数メルスペクトルを要素とするベクトルを特徴量124として出力する。   Specifically, the measurement unit 112 analyzes the logarithmic mel filter bank for each frame having a time length of 10 milliseconds, and outputs a vector having the obtained log mel spectrum as an element as the feature quantity 124.

外乱成分抑圧部114は、GMM130を用いて、観測信号の特徴量124からクリーン音声120の特徴量を推定する。そして推定により得られた特徴量126を探索部110に出力する。本明細書では、推定クリーン音声の特徴量126によって表される音声を「推定クリーン音声」と呼ぶ。   The disturbance component suppression unit 114 uses the GMM 130 to estimate the feature amount of the clean speech 120 from the feature amount 124 of the observation signal. Then, the feature amount 126 obtained by the estimation is output to the search unit 110. In this specification, the voice represented by the feature quantity 126 of the estimated clean voice is referred to as “estimated clean voice”.

図3に、外乱要因118の信号モデルを模式的に示す。図3を参照して、クリーン音声120は、図1に示す話者116から計測部112までの空間伝達特性等に依存して乗法性歪みを受けるため、話者116から計測部112に到達する音500は、クリーン音声120と異なる音となる。ここに、時刻tのフレーム(以下、単に「第tフレーム」と呼ぶ。)におけるクリーン音声120の線形メルスペクトルを要素に持つベクトルをSt Linとし、乗法性歪みの線形メルスペクトルを対角成分に持つ行列をHt Linとする。計測部112に到達する音500の線形メルスペクトルを要素に持つベクトルをXS,t Lin(D)とすると、XS,t Lin(D)は一般に、次の式で表現される。すなわち、
S,t Lin(D)=Ht Lint Lin
FIG. 3 schematically shows a signal model of the disturbance factor 118. Referring to FIG. 3, clean speech 120 is subjected to multiplicative distortion depending on the spatial transfer characteristics from speaker 116 to measurement unit 112 shown in FIG. 1, and thus reaches measurement unit 112 from speaker 116. The sound 500 is different from the clean sound 120. Here, the time t frame (hereinafter, simply referred to as "the t frame".) The vector with the linear Mel spectra of clean speech 120 elements and S t Lin in, multiplicative linear mel spectrum diagonal components of the strain Let H t Lin be the matrix of Assuming that a vector having the linear mel spectrum of the sound 500 reaching the measuring unit 112 as an element is X S, t Lin (D), X S, t Lin (D) is generally expressed by the following expression. That is,
X S, t Lin (D) = H t Lin S t Lin

しかし、観測音122は、残響の影響を受ける。すなわち、直接的に到達する音500だけでなく、周囲の壁面等により反射して計測部112に到達する反射音502の影響を受ける。本実施の形態では、反射音を加法性雑音とみなす。反射音502の線形メルスペクトルを要素に持つベクトルをXS,t Lin(R)とし、残響の影響を受けて計測部112に到達した音をXS,t Linとすると、XS,t Linは、次の式で表現される。すなわち、
S,t Lin=XS,t Lin(D)+XS,t Lin(R)
However, the observation sound 122 is affected by reverberation. That is, not only the sound 500 that reaches directly, but also the reflected sound 502 that is reflected by the surrounding wall surface and reaches the measuring unit 112. In the present embodiment, the reflected sound is regarded as additive noise. Assuming that a vector having the linear mel spectrum of the reflected sound 502 as an element is X S, t Lin (R), and a sound reaching the measuring unit 112 due to the influence of reverberation is X S, t Lin , X S, t Lin Is expressed by the following equation. That is,
X S, t Lin = X S, t Lin (D) + X S, t Lin (R)

直接音500と反射音502とはいずれも話者116が発した音であるが、伝播する経路の違いにより、反射音502は、直接音500より遅延して計測部112に到達する。非特許文献5によれば、各メル周波数帯域における残響の線形予測係数を対角成分に持つ行列を行列At Linとすると、XS,t Lin(R)は、次の式で表現される。すなわち、
S,t Lin(R)=At LinS,t-1 Lin
Both the direct sound 500 and the reflected sound 502 are sounds emitted by the speaker 116, but the reflected sound 502 arrives at the measuring unit 112 with a delay from the direct sound 500 due to a difference in the propagation path. According to Non-Patent Document 5, when a matrix with linear prediction coefficients of the reverberation in the Mel frequency band diagonal and matrix A t Lin, X S, t Lin (R) is represented by the following formula . That is,
X S, t Lin (R) = A t Lin X S, t-1 Lin

さらに実環境では、話者116及び計測部112の周囲において雑音504が発生し、計測部112に到達する。ここに雑音504の線形メルスペクトルを要素に持つベクトルをNt Linとし、観測音122の線形メルスペクトルを要素に持つベクトルをXS+N,t Linとする。XS+N,t Linは、次の信号モデルによりモデル化できる。すなわち、
S+N,t Lin=XS,t Lin+Nt Lin=Ht Lint Lin+Nt Lin+ALinS,t-1 Lin
反射音は観測できないため、この式において反射音のベクトルXS,t-1 Linを次のように近似する。すなわち、
S,t-1 Lin=XS+N,t-1 Lin−Nt-1 Lin
Further, in the actual environment, noise 504 is generated around the speaker 116 and the measurement unit 112 and reaches the measurement unit 112. Here, a vector having the linear mel spectrum of the noise 504 as an element is N t Lin, and a vector having the linear mel spectrum of the observation sound 122 as an element is X S + N, t Lin . X S + N, t Lin can be modeled by the following signal model. That is,
X S + N, t Lin = X S, t Lin + N t Lin = H t Lin St Lin + N t Lin + A Lin X S, t-1 Lin
Since the reflected sound cannot be observed, the reflected sound vector X S, t-1 Lin is approximated as follows in this equation. That is,
X S, t-1 Lin = X S + N, t-1 Lin −N t-1 Lin

第tフレームにおける観測信号の特徴量124、すなわち観測音122から得られる対数メルスペクトルを要素に持つベクトルを特徴量ベクトルXtとする。なお、特徴量ベクトルXtは、ベクトルXS,t Linの各要素を対数メルスペクトル領域に変換することにより得られるベクトルである。特徴量ベクトルXtは、計測により得られる既知のパラメータである。特徴量ベクトルXtは、クリーン音声120の対数メルスペクトルを要素に持つベクトルStが外乱の影響で変化したベクトルである。ベクトルStは、未知のベクトルである。外乱には、乗法性歪み、残響、及び加法性雑音による影響分が含まれる。ここに、乗法性歪みの対数メルスペクトルを対角成分に持つ行列をHtとし、加法性雑音の対数メルスペクトルを要素に持つベクトルをNtとする。また、外乱には、残響による影響分も含まれる。さらに第tフレームにおける線形予測係数の対数を対角成分に持つ行列を行列At、反射音のベクトルXS,t-1 Linの各要素を対数化したベクトルをXS,t-1とする。 A feature quantity 124 of the observation signal in the t-th frame, that is, a vector having a log mel spectrum obtained from the observation sound 122 as an element is defined as a feature quantity vector Xt . Note that the feature vector Xt is a vector obtained by converting each element of the vector X S, t Lin into a log mel spectrum region. The feature vector Xt is a known parameter obtained by measurement. Feature vector X t is a vector vector S t is changed by the influence of disturbance with logarithmic Mel spectra of clean speech 120 to the element. The vector St is an unknown vector. The disturbance includes an influence due to multiplicative distortion, reverberation, and additive noise. Here, a matrix having a logarithmic mel spectrum of multiplicative distortion as a diagonal component is denoted by H t, and a vector having a log mel spectrum of additive noise as an element is denoted by N t . In addition, disturbances include effects due to reverberation. Further, a matrix having the logarithm of the linear prediction coefficient in the t-th frame as a diagonal component is a matrix A t , and a vector obtained by logarithmizing each element of the reflected sound vector X S, t−1 Lin is X S, t−1 . .

上記したベクトルXt、St、Nt、及びXS,t-1の次元数は同一である。また、行列Ht及びAtの行数及び列数は同一である。なお、以下に説明する処理はこれらベクトル及び行列の要素についてそれぞれ行なわれるが、以下の説明では、簡単のために各の要素を特に区別して言及することはしない。 The above-described vectors X t , S t , N t , and X S, t−1 have the same number of dimensions. Further, the number of rows matrix H t and A t and the number of columns are the same. The processing described below is performed for each element of the vector and matrix. However, in the following description, each element is not particularly distinguished for the sake of simplicity.

図4に、観測信号の観測過程及び雑音の状態変化過程を表現する状態空間モデル160を示す。図4を参照して、状態空間モデル160において、クリーン音声120の出力過程はGMMでモデル化できるものと仮定する。すなわち、第tフレームにおけるクリーン音声120の成分であるベクトルStは、GMM130内のある要素分布にしたがって出力されるものと仮定する。 FIG. 4 shows a state space model 160 expressing the observation process of the observation signal and the noise state change process. Referring to FIG. 4, in the state space model 160, it is assumed that the output process of the clean speech 120 can be modeled by GMM. That is, the vector S t is a component of the clean speech 120 in the t frame is assumed to be output in accordance with an element distribution within GMM130.

GMM130において、第tフレームに対応する要素分布をktとする。なお、要素分布ktは、平均をμS,ktとし分散をΣS,ktとする単一正規分布とする。また、要素分布ktから出力されるパラメータのベクトルをベクトルSkt,tとする。以下、GMM130から出力されるパラメータベクトルSkt,tを、「(GMM130の)出力パラメータ」と呼ぶ。クリーン音声120の特徴量ベクトルStと、出力パラメータベクトルSkt,tとの間には誤差が存在する。また、XS+N,t Linを対数メルスペクトル領域に変換する際にも誤差を伴う。これらの誤差もまたベクトルであり、これらの誤差のベクトルをまとめて、ベクトルVtとする。また、外乱要因118による外乱を表す行列をΛt=(Nt,Ht,At)とする。観測信号の特徴量ベクトルXt(124)の観測過程は、上記のXS+N,t Linを対数メルスペクトル領域に変換することにより、GMM130の出力パラメータベクトルSkt,t及び誤差ベクトルVt、並びにベクトルXt、St、Nt、及びXS,t-1、並びに行列Ht及びΛtを用いて、次の式(1)により表現される。 In the GMM 130, let the element distribution corresponding to the t-th frame be k t . The element distribution k t is a single normal distribution with the mean μ S, kt and the variance Σ S, kt . A vector of parameters output from the element distribution k t is a vector S kt, t . Hereinafter, the parameter vector S kt, t output from the GMM 130 is referred to as an “output parameter (of the GMM 130)”. A feature vector S t of clean speech 120, the error is present between the output parameter vector S kt, t. In addition, there is an error in converting X S + N, t Lin to the log mel spectrum region. These errors are also a vector, are collectively vector of these errors, a vector V t. A matrix representing the disturbance due to the disturbance factor 118 is Λ t = (N t , H t , A t ). The observation signal feature quantity vector X t (124) is observed by converting the above X S + N, t Lin into a log mel spectrum region, thereby generating an output parameter vector S kt, t and an error vector V t of the GMM 130. , And vectors X t , S t , N t , and X S, t−1 , and matrices H t and Λ t are expressed by the following equation (1).

Figure 0004586577
なお、式(1)でIは単位行列を表す。また行列の対数、行列の指数演算はそれぞれ、行列の各要素について対数をとり、又は指数計算をし、その結果を成分とする行列を表すものとする。誤差ベクトルVtは、次の式(2)のように平均が0で分散がΣS,ktの単一正規分布で表現される確率分布にしたがう値を要素に持つものとする。
Figure 0004586577
In Equation (1), I represents a unit matrix. In addition, the logarithm of the matrix and the exponent operation of the matrix respectively represent a matrix having a logarithm or exponent calculation for each element of the matrix and having the result as a component. The error vector V t has a value according to a probability distribution represented by a single normal distribution having an average of 0 and a variance of Σ S, kt as shown in the following equation (2).

Figure 0004586577
ただしこの式においてΣS,ktはGMM130内のある要素分布ktより得られるパラメータの共分散行列を表し、記号「〜」は左辺の値が右辺に示される確率分布にしたがうことを示す。すなわち、左辺の値が右辺に示す確率分布にしたがったサンプリングにより推定できることを示す。また、この式において、「N(μ,Σ)」は、平均値ベクトルμ、分散Σの単一正規分布を表す。
Figure 0004586577
However sigma S, kt in this equation represents the covariance matrix of the parameters obtained from the element distribution k t with the GMM130, the symbol "~" indicates that according to the probability distribution values of the left side is shown in the right side. That is, the value on the left side can be estimated by sampling according to the probability distribution shown on the right side. In this equation, “N (μ, Σ)” represents a single normal distribution with an average value vector μ and a variance Σ.

また状態空間モデル160において、外乱を表す行列Λtは、ランダムウォーク過程にしたがって変化するものと仮定する。すなわち、第t−1フレームにおける外乱を表す行列Λt-1と時刻tにおける外乱を表す行列Λtとの間に誤差が生じるものと仮定する。ベクトルNt、行列Ht、及び行列Atに対するこの誤差をそれぞれ、ベクトルWN、行列WH、及び行列WAとし、これらをまとめて誤差を表す行列Wt=(WNt,WHt,WAt)と定義する。外乱を表す行列Λtの時間変動は、次の式(3)により表現される。 In the state space model 160, it is assumed that a matrix Λ t representing a disturbance changes according to a random walk process. That is, it is assumed that an error occurs between the matrix Λ t−1 representing the disturbance at the t−1 frame and the matrix Λ t representing the disturbance at time t. Vector N t, the matrix H t, and the error respectively for the matrix A t, the vector W N, the matrix W H, and a matrix W A, the matrix W t = (W Nt they collectively representing an error, W Ht, W At ). The time variation of the matrix Λ t representing the disturbance is expressed by the following equation (3).

Figure 0004586577
この式において、誤差行列Wt=(WNt,WHt,WAt)を構成する、ベクトルWNt、行列WHt、及び行列WAtはそれぞれ予測誤差であり、それぞれ平均0、共分散行列がΣWN、ΣWH、及びΣWAの単一正規分布で表現される確率分布にしたがう白色性ガウス雑音であるものとする。誤差を表す行列Wtは、次の式(4)のように単一正規分布にしたがう。
Figure 0004586577
In this formula, erroneous letters s column W t = (W Nt, W Ht, W At) constituting the vector W Nt, matrix W Ht, and the matrix W At are each prediction error, mean respectively 0, covariance It is assumed that the matrix is white Gaussian noise according to a probability distribution expressed by a single normal distribution of Σ WN , Σ WH , and Σ WA . Matrix W t representing the error, according to a single normal distribution as the following equation (4).

Figure 0004586577
ただし、式(4)においてΣWは、誤差を表す行列Wtの共分散行列を表す。
Figure 0004586577
In Equation (4), Σ W represents a covariance matrix of a matrix W t representing an error.

図1に示す外乱成分抑圧部114は、上記の式(1)〜式(4)により表現される状態空間モデル160を用いて、フレームごとに、クリーン音声の特徴量ベクトルを逐次推定する。   The disturbance component suppression unit 114 shown in FIG. 1 sequentially estimates the feature vector of clean speech for each frame using the state space model 160 expressed by the above equations (1) to (4).

図5に、外乱成分抑圧部114の構成をブロック図で示す。図5を参照して、外乱成分抑圧部114は、観測信号の特徴量Xt(124)を受けて、GMM130を用いて状態空間モデル160における外乱を表す行列Λtの確率分布(以下、「外乱確率分布」と呼ぶ。)を推定するための外乱確率分布推定部200と、外乱確率分布推定部200により推定された外乱確率分布とGMM130とから観測信号の確率モデルの平均ベクトルと共分散行列とを生成するためのパラメータ生成部202と、外乱確率分布、観測信号の平均ベクトル及び共分散行列、並びにGMM130を用いて、推定クリーン音声の特徴量126を算出するためのクリーン音声推定部204とを含む。 FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the disturbance component suppressing unit 114. Referring to FIG. 5, disturbance component suppressing section 114 receives feature quantity X t (124) of the observed signal, and uses GMM 130 to generate a probability distribution (hereinafter, “matrix Λ t) representing the disturbance in state space model 160. A disturbance probability distribution estimation unit 200 for estimating the disturbance probability distribution, a disturbance probability distribution estimated by the disturbance probability distribution estimation unit 200, and an average vector of the probability model of the observation signal and the covariance matrix from the GMM 130 And a clean speech estimation unit 204 for calculating a feature quantity 126 of the estimated clean speech using the disturbance probability distribution, the average vector and covariance matrix of the observed signal, and the GMM 130, including.

外乱確率分布推定部200は、外乱確率分布をフレームごとに逐次推定し、外乱確率分布を表すパラメータ206(以下、単に「推定外乱分布206」と呼ぶ。)を出力する機能を持つ。ここに、外乱を表す行列Λ0,…,Λtからなる行列の系列を系列Λ0:t={Λ0,…,Λt}とする。系列Λ0:tの事後確率分布p(Λ0:t|X0:t)は、1次マルコフ連鎖を用いて、次の式(5)のように表される。 The disturbance probability distribution estimation unit 200 has a function of sequentially estimating the disturbance probability distribution for each frame and outputting a parameter 206 representing the disturbance probability distribution (hereinafter simply referred to as “estimated disturbance distribution 206”) . Here, the matrix lambda 0 which represents the disturbance, ..., series sequence consisting lambda t matrix Λ 0: t = {Λ 0 , ..., Λ t} and. The posterior probability distribution p (Λ 0: t | X 0: t ) of the sequence Λ 0: t is expressed as the following equation (5) using a first-order Markov chain.

Figure 0004586577
式(5)のp(Λt|Λt-1)は、単一正規分布を用いて次の式(6)のようにモデル化される。
Figure 0004586577
P (Λ t | Λ t-1 ) in the equation (5) is modeled as the following equation (6) using a single normal distribution.

Figure 0004586577
また、式(5)のp(Xt|Λt)は、単一正規分布を用いて次の式(7)のようにモデル化される。
Figure 0004586577
Also, p in formula (5) (X t | Λ t) is modeled as the following equation (7) using a single normal distribution.

Figure 0004586577
Figure 0004586577

したがって、状態空間モデル160を基に外乱を表す行列Λtの確率分布を逐次推定する問題は、観測信号ベクトルXtが与えられた時の事後確率を最大にするような系列Λ0:tを推定する問題に帰着する。外乱確率分布推定部200は、観測信号ベクトルXtと状態空間モデル160とに基づき、この推定を行なう。 Therefore, the problem of sequentially estimating the probability distribution of the matrix Λ t representing the disturbance based on the state space model 160 is that a sequence Λ 0: t that maximizes the posterior probability when the observed signal vector X t is given. Reduce to the problem to estimate. The disturbance probability distribution estimation unit 200 performs this estimation based on the observation signal vector X t and the state space model 160.

外乱確率分布推定部200は、外乱を表す行列Λtの確率分布を逐次的に推定する際に、パーティクルフィルタと呼ばれる手法を用いる。この推定法は、状態空間内に、局限された状態空間(パーティクル)を多数生成して、各パーティクルにおいてパラメータの確率分布を推定し、状態空間内におけるパラメータの確率分布を、各パーティクルにおいて推定された確率分布を用いて近似的に表現する手法である。この手法では、多数のパーティクルにおける初期的なパラメータを、ランダムなサンプリングにより、又は当該パラメータの初期分布からのサンプリングにより決定する。そして、以下の処理をフレームごとに行なう。すなわち、あるフレームに対応して各パーティクルにおいてパラメータが決定されると、各パーティクルのパラメータを当該フレームに後続するフレームに対応するものに更新し、その更新の尤度に応じて各パーティクルに対して重みを付与する。そして、更新後のパーティクルにおけるパラメータの確率分布にしたがい、当該後続のフレームに対応する各パーティクルのパラメータを再サンプリングする。再サンプリングされたパラメータを基に、当該後続のフレームに対応する各パーティクルのパラメータを決定する。以上の処理をフレームごとに行なうことにより、逐次的に各パーティクルにおけるパラメータを決定する。状態空間におけるパラメータは、パーティクルにおけるパラメータの重み付き和によって近似的に表現される。すなわち、パーティクルの数をJ、j番目のパーティクルにおいて外乱を表す行列Λtに対応する各パラメータからなる行列を行列Λt (j)とし、当該パーティクルに対する重みをwt (j)とすると、式(5)に示す系列Λ0:tの事後確率分布p(Λ0:t|X0:t)は、次の式(8)によって近似的に表現される。 The disturbance probability distribution estimation unit 200 uses a technique called a particle filter when sequentially estimating the probability distribution of the matrix Λ t representing the disturbance. This estimation method generates many localized state spaces (particles) in the state space, estimates the parameter probability distribution in each particle, and estimates the parameter probability distribution in the state space for each particle. It is a technique to express approximately using the probability distribution. In this method, initial parameters in a large number of particles are determined by random sampling or sampling from an initial distribution of the parameters. Then, the following processing is performed for each frame. That is, when a parameter is determined for each particle corresponding to a certain frame, the parameter of each particle is updated to that corresponding to the frame subsequent to that frame, and for each particle according to the likelihood of the update. Give weight. Then, the parameter of each particle corresponding to the subsequent frame is resampled according to the parameter probability distribution in the updated particle. Based on the resampled parameters, the parameters of each particle corresponding to the subsequent frame are determined. By performing the above processing for each frame, parameters for each particle are sequentially determined. The parameters in the state space are approximately expressed by the weighted sum of the parameters in the particles. That is, when the number of particles is J, a matrix composed of parameters corresponding to a matrix Λ t representing disturbance in the j-th particle is a matrix Λ t (j), and a weight for the particle is w t (j) , The posterior probability distribution p (Λ 0: t | X 0: t ) of the sequence Λ 0: t shown in (5) is approximately expressed by the following equation (8).

Figure 0004586577
Figure 0004586577

パラメータ生成部202は、具体的にはVTS(Vector Taylor Series)法と呼ばれるHMM合成法によって、パーティクルフィルタにより推定された外乱確率分布を用い、複数のパーティクルにおける観測信号の特徴量ベクトルXtの平均ベクトル及び共分散行列(208)をそれぞれ算出する機能を持つ。 Parameter generating unit 202, by HMM composition specifically called VTS (Vector Taylor Series) method, using the disturbance probability distributions estimated by the particle filter, the average of the feature vectors X t of the observation signals in a plurality of particles Each has a function of calculating a vector and a covariance matrix (208).

クリーン音声推定部204は、最小2乗誤差(Minimum Mean Square Error:MMSE)推定法で、フレームごとに、複数のパーティクルにおけるクリーン音声のパラメータをそれぞれ推定し、それら推定されたパラメータの重み付き和によって推定クリーン音声の特徴量126を算出する機能を持つ。クリーン音声推定部204はさらに、外乱確率分布推定部200に、次のフレームへの移行に関する要求210を発行する機能を持つ。   The clean speech estimation unit 204 estimates a clean speech parameter for each of a plurality of particles for each frame by a minimum mean square error (MMSE) estimation method, and calculates a weighted sum of these estimated parameters. It has a function of calculating the feature quantity 126 of the estimated clean speech. The clean speech estimation unit 204 further has a function of issuing a request 210 regarding the transition to the next frame to the disturbance probability distribution estimation unit 200.

図6に、外乱確率分布推定部200の構成をブロック図で示す。図6を参照して、外乱確率分布推定部200は、観測信号の特徴量124とクリーン音声推定部204からの要求210とを受けて、処理対象となるフレームを選択し、当該フレームにおける観測信号の特徴量124をフレームに応じた出力先に出力するためのフレーム選択部220と、フレーム選択部220から最初の所定フレーム分の観測信号の特徴量124を受けて初期状態における外乱確率分布を推定し、各パーティクルにおける外乱の初期的なパラメータを決定するための外乱初期分布推定部222と、フレーム選択部220からt(t≧1)番目フレームにおける観測信号の特徴量124を受けて、逐次的に、パーティクルにおける雑音のパラメータと当該パーティクルに対する重みとを算出するための逐次計算部224とを含む。   FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the disturbance probability distribution estimation unit 200. Referring to FIG. 6, disturbance probability distribution estimation section 200 receives a feature quantity 124 of the observation signal and a request 210 from clean speech estimation section 204, selects a frame to be processed, and observes the observation signal in that frame. Frame selection unit 220 for outputting the feature amount 124 of the image to the output destination corresponding to the frame, and estimating the disturbance probability distribution in the initial state by receiving the feature amount 124 of the observation signal for the first predetermined frame from the frame selection unit 220 Then, the disturbance initial distribution estimation unit 222 for determining the initial parameter of the disturbance in each particle and the feature amount 124 of the observation signal in the t (t ≧ 1) -th frame from the frame selection unit 220 are sequentially received. Includes a sequential calculation unit 224 for calculating a noise parameter for the particle and a weight for the particle. .

外乱初期分布推定部222は、時刻t=0のフレームにおける外乱を表す行列Λ0=(N0,H0,A0)の確率分布(以下、「外乱初期分布」)を推定する。この際、加法性雑音の初期分布を以下のようにして推定する。 The disturbance initial distribution estimation unit 222 estimates a probability distribution (hereinafter, “disturbance initial distribution”) of a matrix Λ 0 = (N 0 , H 0 , A 0 ) representing the disturbance in the frame at time t = 0. At this time, the initial distribution of additive noise is estimated as follows.

外乱初期分布推定部222はまず、加法性雑音の初期分布、すなわち加法性雑音の初期値ベクトルN0の確率分布p(N0)が、単一正規分布であるものとみなし、加法性雑音の初期分布を推定する。加法性雑音の初期分布における平均ベクトルをμNとし、共分散行列を行列ΣNとすると、加法性雑音の初期分布p(N0)は次の式(9)のように表される。 The disturbance initial distribution estimation unit 222 first considers that the initial distribution of additive noise, that is, the probability distribution p (N 0 ) of the initial value vector N 0 of additive noise is a single normal distribution, and Estimate the initial distribution. When the average vector in the initial distribution of additive noise is μ N and the covariance matrix is a matrix Σ N , the initial distribution p (N 0 ) of additive noise is expressed as the following equation (9).

Figure 0004586577
外乱初期分布推定部222は、最初の所定フレーム分の区間の観測信号の特徴量ベクトルXtが加法性雑音の成分のみからなるものとみなし、加法性雑音の初期分布の平均ベクトルμN、及び共分散行列ΣNを推定する。例えば0≦t≦9の10フレーム分の区間がこの区間に該当する場合、外乱初期分布推定部222は、平均ベクトルμN及び共分散行列ΣNをそれぞれ、次の式(10)及び式(11)によって算出する。ただし、ベクトルの右肩に付した「T」は転置を表す。
Figure 0004586577
Disturbance initial distribution estimation unit 222, considers the feature vector X t of the first predetermined number of frames interval of the observed signal consists only component of the additive noise, the mean vector mu N of initial distribution of additive noise and, Estimate the covariance matrix Σ N. For example, when a section of 10 frames of 0 ≦ t ≦ 9 corresponds to this section, the disturbance initial distribution estimation unit 222 calculates the average vector μ N and the covariance matrix Σ N using the following formulas (10) and ( 11). However, “T” attached to the right shoulder of the vector represents transposition.

Figure 0004586577
次に外乱初期分布推定部222は、初期状態での各パーティクルにおける外乱を表す行列Λ0 (j)を構成するベクトルN0 (j)、行列H0 (j)、及び行列A0 (j)を、式(12)のように設定する。
Figure 0004586577
Next, the disturbance initial distribution estimation unit 222 includes a vector N 0 (j) , a matrix H 0 (j) , and a matrix A 0 (j) that constitute a matrix Λ 0 (j) representing the disturbance in each particle in the initial state. Is set as shown in Expression (12).

Figure 0004586577
すなわち、各パーティクルにおける加法性雑音のベクトルN0 (j)を、初期分布p(N0)からのサンプリングによって生成し、各パーティクルにおける乗法性歪みの行列H0 (j)及び残響の行列A0 (j)の各要素の値を0に設定する。
Figure 0004586577
That is, a vector N 0 (j) of additive noise in each particle is generated by sampling from the initial distribution p (N 0 ), and a multiplicative distortion matrix H 0 (j) and a reverberation matrix A 0 in each particle. the value of each element of the (j) is set to 0.

さらに外乱初期分布推定部222は、各パーティクルにおける外乱を表す行列Λ0 (j)を構成するベクトルN0 (j)、行列H0 (j)、及び行列A0 (j)の共分散行列ΣN0 (j)、ΣH0 (j)、及びΣA0 (j)を式(13)のように設定する。 Further, the disturbance initial distribution estimation unit 222 has a covariance matrix Σ of a vector N 0 (j) , a matrix H 0 (j) , and a matrix A 0 (j) that constitute a matrix Λ 0 (j) representing the disturbance in each particle. N0 (j) , Σ H0 (j) , and Σ A0 (j) are set as in equation (13).

Figure 0004586577
すなわち、各パーティクルにおける加法性雑音のベクトルN0 (j)の共分散行列を、初期分布p(N0)の共分散行列に設定し、各パーティクルにおける乗法性歪みの行列H0 (j)及び残響の行列A0 (j)の共分散行列の各要素を0に設定する。外乱初期分布推定部222は、式(12)と式(13)とに示す設定を、パーティクルj(1≦j≦J)ごとに行なう。
Figure 0004586577
That is, the covariance matrix of the additive noise vector N 0 (j) in each particle is set to the covariance matrix of the initial distribution p (N 0 ), and the multiplicative distortion matrix H 0 (j) in each particle and Each element of the covariance matrix of the reverberation matrix A 0 (j) is set to zero. The disturbance initial distribution estimation unit 222 performs the setting shown in Expression (12) and Expression (13) for each particle j (1 ≦ j ≦ J).

逐次計算部224は、GMM130の出力パラメータ140をサンプリンするためのGMMサンプリング部226と、第tフレームにおける観測信号の特徴量124を受け、各パーティクルにおける外乱のパラメータを更新するための更新部230と、更新後のパーティクルに対する重みをそれぞれ算出するための重み算出部232と、重み算出部232により算出された重みに基づき、パーティクルにおける外乱のパラメータを再サンプリングするための再サンプリング部234と、再サンプリングされたパーティクルにおける外乱のパラメータと第t−1フレームにおける各パーティクルにおける外乱のパラメータとに基づき、各パーティクルにおける外乱のパラメータを決定し、推定外乱分布206を生成するための推定外乱分布生成部236とを含む。   The sequential calculation unit 224 receives a GMM sampling unit 226 for sampling the output parameter 140 of the GMM 130, an update unit 230 for updating the disturbance parameter in each particle in response to the observed signal feature 124 in the t-th frame, , A weight calculation unit 232 for calculating the weights for the updated particles, a re-sampling unit 234 for re-sampling the disturbance parameters in the particles based on the weights calculated by the weight calculation unit 232, and resampling The estimated disturbance distribution generation for determining the disturbance parameter for each particle and generating the estimated disturbance distribution 206 based on the disturbance parameter for the generated particle and the disturbance parameter for each particle in the (t-1) th frame. And a 236.

更新部230は、状態空間モデル160(図4)を基に構成される拡張カルマンフィルタを用いて、第t−1フレームに対応するパーティクルにおける雑音のパラメータを、第tフレームに対応するものに更新する機能を持つ。拡張カルマンフィルタは、式(1)に示すように非線形項を含む状態空間モデルに対応したカルマンフィルタである。本実施の形態における拡張カルマンフィルタの分布更新式を、以下の式(14)〜式(19)に示す。なお、これらの数式において第t−1フレームに対応するパラメータから予測される第tフレームにおけるパラメータについては添え字として「t|t-1」を付してある。 The updating unit 230 uses the extended Kalman filter configured based on the state space model 160 (FIG. 4) to update the noise parameter in the particle corresponding to the t−1 frame to the one corresponding to the t frame. Has function. The extended Kalman filter is a Kalman filter corresponding to a state space model including a nonlinear term as shown in Expression (1). The distribution update formulas of the extended Kalman filter in the present embodiment are shown in the following formulas (14) to (19). In these equations, “ t | t−1 ” is attached as a subscript to the parameter in the t-th frame predicted from the parameter corresponding to the t−1 frame.

Figure 0004586577
ただし、式(17)及び式(18)のベクトルS(j) kt (j) ,tは、j番目のパーティクルにおいてGMM130(図2参照)の出力パラメータベクトルSkt,tに相当するパラメータである。また前述した通り、行列ΣWは、第t−1フレームから第tフレームへの状態変化の際に外乱を表す行列Λtに生じる誤差の行列Wtの共分散行列を表す。
Figure 0004586577
However, the vector S (j) kt (j) , t in the equations (17) and (18) is a parameter corresponding to the output parameter vector S kt, t of the GMM 130 (see FIG. 2) in the j-th particle. . Further, as described above, the matrix Σ W represents the covariance matrix of the error matrix W t generated in the matrix Λ t representing the disturbance at the time of the state change from the t−1 frame to the t frame.

GMMサンプリング部226は、GMM130(図2参照)内の混合分布から、要素分布である単一正規分布kt (j)をその混合重みに基づいてサンプリングする。GMMサンプリング部226はさらに、サンプリングされた要素分布kt (j)から出力パラメータベクトルS(j) kt (j) ,tを確率分布にしたがってサンプリングして、更新部230に与える。GMM130における要素分布ktの混合重みをPS,st (j) ,ktとすると、要素分布kt (j)は、混合重みPS,st (j) ,ktを出力確率とする確率分布にしたがう。すなわち、GMM130から次の式(20)に示すサンプリングによって得られる。 The GMM sampling unit 226 samples a single normal distribution k t (j) that is an element distribution from the mixture distribution in the GMM 130 (see FIG. 2) based on the mixture weight. The GMM sampling unit 226 further samples the output parameter vector S (j) kt (j) , t from the sampled element distribution k t (j) according to the probability distribution, and supplies the sample to the update unit 230. Assuming that the mixing weight of the element distribution k t in the GMM 130 is P S, st (j) , kt , the element distribution k t (j) is a probability distribution with the mixing weight P S, st (j) , kt as the output probability. Follow. That is, it is obtained from the GMM 130 by sampling shown in the following equation (20).

Figure 0004586577
要素分布kt (j)の平均ベクトルをベクトルμkt (j)とし、要素分布kt (j)の共分散行列を行列ΣS,kt (j)とすると、j番目のパーティクルにおけるGMM130の出力パラメータベクトルS(j) kt (j) ,tは、要素分布kt (j)から、次の式(21)に示すサンプリングによって得られる。
Figure 0004586577
If the average vector of the element distribution k t (j) is the vector μ kt (j) and the covariance matrix of the element distribution k t (j) is the matrix Σ S, kt (j) , the output of the GMM 130 at the j-th particle The parameter vector S (j) kt (j) , t is obtained from the element distribution k t (j) by sampling shown in the following equation (21).

Figure 0004586577
なお、フレーム選択部220はさらに、GMMサンプリング部226に対し、第tフレームにおけるGMMの出力パラメータのサンプリングを要求する機能を持つ。
Figure 0004586577
The frame selection unit 220 further has a function of requesting the GMM sampling unit 226 to sample the output parameters of the GMM in the t-th frame.

重み算出部232は、第tフレームでの観測信号の特徴量ベクトルXtと、第tフレームの各パーティクルにおけるGMM130の出力パラメータベクトルS(j) kt (j) ,t、及び外乱のパラメータ行列Λt (j)と第t−1フレームのパーティクルに対する重みwt-1 (j)とを基に、次の式(22)及び式(23)に示す算出方法を用いて、第tフレームのパーティクルに対する重みwt (j)を算出する機能を持つ。 Weight calculation unit 232, a feature vector X t of the observation signals in the t-th frame, the output parameter vector S of GMM130 in each particle of the t frame (j) kt (j), t, and disturbance of parameter matrix Λ Based on t (j) and the weight w t-1 (j) for the particles in the ( t−1 ) th frame, the particles in the tth frame are calculated using the calculation methods shown in the following equations (22) and (23). Has a function of calculating a weight w t (j) .

Figure 0004586577
なお、重みwt (j)(1≦j≦J)は、Σj=1〜Jt (j)=1となるように正規化される。
Figure 0004586577
The weights w t (j) (1 ≦ j ≦ J) are normalized so that Σ j = 1 to J w t (j) = 1.

再サンプリング部234は、パラメータが更新されたパーティクルにおける外乱のパラメータの確率分布にしたがい、時刻tに対応する各パーティクルにおける外乱のパラメータ行列Λt (j)を再サンプリングする機能を持つ。この際、再サンプリング部234は、微小な重みwt (j)しか与えられていないパーティクルにおける確率分布からは、パラメータの再サンプリングを行なわない。一方、大きな重みwt (j)が与えられているパーティクルにおける確率分布からは、パラメータを重みwt (j)の大きさに応じた回数の再サンプリングを行ない、得られたパラメータをそれぞれ、当該再サンプリングの回数と同数のパーティクルに割当てる。ただし再サンプリングの全回数及びパーティクルの全数は一定(J)である。このようにするのは、各パーティクルに割当てられる重みが、式(22)から分かるように観測された特徴量ベクトルXtの尤度に対応しているからである。 The re-sampling unit 234 has a function of re-sampling the disturbance parameter matrix Λ t (j) in each particle corresponding to the time t according to the probability distribution of the disturbance parameter in the particle whose parameter has been updated. At this time, the re-sampling unit 234 does not re-sample the parameters from the probability distribution of the particles to which only a minute weight w t (j) is given. On the other hand, from the probability distribution of particles with a large weight w t (j) , the parameters are resampled a number of times according to the size of the weight w t (j) , and the obtained parameters are Assign to the same number of particles as the number of resampling. However, the total number of resampling and the total number of particles are constant (J). This is because the weight assigned to each particle corresponds to the likelihood of the observed feature vector X t as can be seen from Equation (22).

推定外乱分布生成部236は、Metropolis-Hastingsアルゴリズムにより、第tフレームに対応するパーティクルの再生成を行なう機能を持つ。図7に、推定外乱分布生成部236の構成をブロック図で示す。図7を参照して、推定外乱分布生成部236は、再サンプリング部234による再サンプリングで得られた各パーティクルにおける外乱の確率分布を用いて状態空間モデル160における外乱の確率分布を表し、当該表した確率分布に基づき、第t−1フレームに対応するパーティクルにおける外乱のパラメータを第tフレームに対応するものへ、上記の式(14)〜式(19)に示す拡張カルマンフィルタを用いて再更新するための再更新部262と、再更新されたパーティクルに対する重み(これを以下「wt *(j)」とする。)を上記の式(22)及び式(23)に示す算出方法を用いて算出するための重み再計算部264と、再サンプリングされたパーティクルに対する重みwt (j)及び再更新されたパーティクルに対する重みwt *(j)から、再更新されたパラメータを許容するか否かの判定に用いる許容確率νを算出するための許容確率算出部266と、所定の乱数発生方法により0から1までの閉区間内の乱数uを発生させるための乱数発生部268と、許容確率νと乱数uとに基づき、第tフレームに対応するパーティクルにおけるパラメータとして、再サンプリングされたパーティクルにおけるパラメータと、再更新されたパーティクルにおけるパラメータとの一方を選択するためのパラメータ選択部270とを含む。 The estimated disturbance distribution generation unit 236 has a function of regenerating particles corresponding to the t-th frame by the Metropolis-Hastings algorithm. FIG. 7 is a block diagram illustrating the configuration of the estimated disturbance distribution generation unit 236. Referring to FIG. 7, the estimated disturbance distribution generation unit 236 represents the disturbance probability distribution in the state space model 160 using the disturbance probability distribution of each particle obtained by resampling by the resampling unit 234, and Based on the obtained probability distribution, the disturbance parameter in the particle corresponding to the (t-1) th frame is updated again to that corresponding to the tth frame using the extended Kalman filter shown in the above equations (14) to (19). The re-updating unit 262 and the weight for the re-updated particle (hereinafter referred to as “w t * (j) ”) using the calculation method shown in the above formulas (22) and (23). a weight recalculation unit 264 for calculating weights w t * or (j) for the weights w t (j) and re-updated particle for resampled particles , An allowable probability calculation unit 266 for calculating an allowable probability ν used for determining whether or not the re-updated parameter is allowed, and a random number u within a closed interval from 0 to 1 by a predetermined random number generation method Based on the random number generation unit 268, the allowable probability ν, and the random number u, as a parameter in the particle corresponding to the t-th frame, one of the parameter in the resampled particle and the parameter in the reupdated particle is set. A parameter selection unit 270 for selection.

許容確率算出部266は、重みwt (j)及び重みwt *(j)から次の式(24)にしたがって、許容確率νを算出する機能を持つ。 Acceptable probability calculation unit 266, a weight according to w t (j) and the weights w t * (j) from the following equation (24) has a function of calculating the permission probability [nu.

Figure 0004586577
Figure 0004586577

パラメータ選択部270は、uが許容確率ν以下であれば、当該パーティクルにおける外乱のパラメータを再更新で得られた新たなパラメータに変更する機能を持つ。   The parameter selection unit 270 has a function of changing the disturbance parameter of the particle to a new parameter obtained by re-update if u is equal to or less than the allowable probability ν.

[プログラム構造]
以下の説明からも明らかなように、図1に示す音声認識システム100の前処理部104、前処理用音響モデル部106、及び探索部110は、いずれもコンピュータハードウェアとその上で実行されるプログラムにより実現可能である。図8に、本実施の形態に係る前処理部104に含まれる外乱成分抑圧部114が行なう外乱成分の抑圧処理を実現するコンピュータプログラムの制御構造をフローチャートで示す。
[Program structure]
As will be apparent from the following description, the preprocessing unit 104, the preprocessing acoustic model unit 106, and the search unit 110 of the speech recognition system 100 shown in FIG. 1 are all executed on computer hardware and the computer hardware. It can be realized by a program. FIG. 8 is a flowchart showing a control structure of a computer program for realizing disturbance component suppression processing performed by the disturbance component suppression unit 114 included in the preprocessing unit 104 according to the present embodiment.

図8を参照して、外乱成分の抑圧処理が開始されると、ステップ302において、初期状態における外乱Λ0の各要素の値に対応する初期分布を推定する。すなわち、上記の式(10)及び式(11)に示す算出方法により、式(9)に示す加法性雑音の初期分布p(N0)のパラメータ平均ベクトルμN及び共分散行列ΣNを算出する。さらに、式(12)及び式(13)にしたがい、初期分布p(N0)からパラメータベクトルN0 (j)(j=1,…,J)をサンプリングし、各パーティクルにおける加法性雑音の初期的なパラメータに推定する。またこの際、各パーティクルにおける乗法性雑音の初期的なパラメータ行列H0 (j)及び残響の初期的なパラメータ行列A0 (j)についても、それぞれ式(12)及び式(13)にしたがい設定を行なう。 Referring to FIG. 8, when the disturbance component suppression process is started, in step 302, an initial distribution corresponding to the value of each element of disturbance Λ 0 in the initial state is estimated. That is, the calculation method shown in the above formula (10) and (11), calculates a parameter mean vector mu N and covariance matrix sigma N of initial distribution of additive noise represented by the formula (9) p (N 0) To do. Further, according to the equations (12) and (13), the parameter vector N 0 (j) (j = 1,..., J) is sampled from the initial distribution p (N 0 ), and the initial additive noise of each particle is detected. To the typical parameters. At this time, the initial parameter matrix H 0 (j) of multiplicative noise in each particle and the initial parameter matrix A 0 (j) of reverberation are also set according to the equations (12) and (13), respectively. To do.

ステップ304では、外乱抑圧の対象となるフレームを次のフレームに移行させる。ステップ306では、パーティクルフィルタを用いて、処理対象のフレームにおける外乱を表す行列に対応する確率分布のパラメータを推定する。すなわち、各パーティクルにおける外乱のパラメータ行列Λt (j)、及び行列Λt (j)の共分散行列を推定し、さらに、各パーティクルに対する重みw(j)を定める。このステップでの処理については、図9を用いて後述する。 In step 304, the frame subject to disturbance suppression is shifted to the next frame. In step 306, the probability distribution parameter corresponding to the matrix representing the disturbance in the processing target frame is estimated using the particle filter. That is, the disturbance parameter matrix Λ t (j) of each particle and the covariance matrix of the matrix Λ t (j) are estimated, and the weight w (j) for each particle is determined. The processing in this step will be described later with reference to FIG.

ステップ308では、ステップ306でパーティクルごとに定めた外乱のパラメータ行列Λt (j)と、その共分散行列とを用いて、各パーティクルにおける観測信号の特徴量ベクトルXt(124)の確率分布を推定する。さらに、GMM130を構成する要素分布k(1≦k≦K)ごとに、パーティクルにおける観測信号の確率モデルの平均ベクトルμXkt (j) ,tと、共分散行列ΣXk,t (j)とを算出する。 In step 308, a disturbance parameter matrix defined for each particle lambda t (j) in step 306, using its covariance matrix, the probability distribution of the feature vectors X t of the observation signals of each particle (124) presume. Further, for each element distribution k (1 ≦ k ≦ K) constituting the GMM 130, an average vector μ Xkt (j) , t of a probability model of an observation signal in a particle and a covariance matrix Σ Xk, t (j) calculate.

ステップ310では、MMSE推定法により、第tフレームにおけるクリーン音声の特徴量を推定する。すなわちまず、ステップ306及びステップ308の処理で得られたパラメータを用いて、MMSE推定法によって、MMSE推定値ベクトル^Stを算出し、推定クリーン音声の特徴量126(図1参照)として出力する。 In step 310, the feature amount of clean speech in the t-th frame is estimated by the MMSE estimation method. That is, first, the MMSE estimation value vector {circumflex over (S) } is calculated by the MMSE estimation method using the parameters obtained in the processing of step 306 and step 308 and is output as the estimated clean speech feature 126 (see FIG. 1). .

Figure 0004586577
この式において、P(k|Xt,(j))は、j番目のパーティクルにおける、GMM130内の要素分布kに対する混合重みを表す。混合重みP(k|Xt,(j))は、次の数式により算出される。
Figure 0004586577
In this equation, P (k | X t , (j)) represents the mixing weight for the element distribution k in the GMM 130 in the j-th particle. The mixing weight P (k | X t , (j)) is calculated by the following equation.

Figure 0004586577
Figure 0004586577

ステップ312では、終了判定を行なう。すなわち第tフレームが最終のフレームであれば外乱成分の抑圧処理を終了する。さもなければステップ304に戻る。   In step 312, end determination is performed. That is, if the t-th frame is the final frame, the disturbance component suppression processing is terminated. Otherwise return to step 304.

図9に、ステップ306(図8参照)において行なわれる外乱確率分布の推定処理を実現するプログラムの制御構造をフローチャートで示す。図9を参照して、外乱確率分布の推定処理が開始されると、ステップ322において、式(14)〜式(19)により示す拡張カルマンフィルタを用いて、第t−1フレームのパーティクルにおける外乱確率分布から、第tフレームのパーティクルにおける外乱確率分布を推定する。   FIG. 9 is a flowchart showing a control structure of a program that realizes the disturbance probability distribution estimation process performed in step 306 (see FIG. 8). Referring to FIG. 9, when the disturbance probability distribution estimation process is started, in step 322, the disturbance probability of the particles in the t−1th frame using the extended Kalman filter expressed by equations (14) to (19). From the distribution, the disturbance probability distribution in the t-th particle is estimated.

ステップ324では、第tフレームの各パーティクルに対する重みwt (j)を、式(22)及び式(23)によって算出し、正規化する。ステップ326では、各パーティクルに与えられた重みwt (j)に基づき、各パーティクルからの再サンプリングの回数を決定し、当該パーティクルにおける外乱確率分布に基づいてパラメータを再サンプリングする。ステップ328では、Metropolis-Hastingsアルゴリズムを用いて第tフレームのパーティクルを再生成する。 In step 324, the weight w t (j) for each particle in the t-th frame is calculated and normalized by the equations (22) and (23). In step 326, the number of re-sampling from each particle is determined based on the weight w t (j) given to each particle, and the parameter is re-sampled based on the disturbance probability distribution of the particle. In step 328, the particles of the t-th frame are regenerated using the Metropolis-Hastings algorithm.

図10にステップ328(図9参照)における処理の詳細をフローチャートで示す。図10を参照して、ステップ328における処理が開始されると、ステップ342において、ステップ326(図9参照)での再サンプリングで得られたパーティクルにおけるパラメータを用いて、外乱確率分布の再更新を行なう。すなわち、時刻tのフレームのパーティクルを新たに準備し、ステップ322(図9参照)での処理と同様の処理により、第t−1フレームのパーティクルに対応するパラメータから、第tフレームのパーティクルに対応するパラメータへの再更新を行ない、準備したパーティクルのパラメータに設定する。ステップ344では、ステップ342で準備したパーティクルに対する重みwt *(j)を、図9に示すステップ324の処理と同様の処理で算出し正規化する。 FIG. 10 is a flowchart showing details of the processing in step 328 (see FIG. 9). Referring to FIG. 10, when the processing in step 328 is started, in step 342, the disturbance probability distribution is re-updated using the parameters in the particles obtained by the resampling in step 326 (see FIG. 9). Do. That is, a new particle of the frame at time t is prepared, and the particle corresponding to the t-th frame is handled from the parameter corresponding to the particle of the (t-1) -th frame by the same process as the process in step 322 (see FIG. 9). Re-update to the parameter to be set, and set the parameter of the prepared particle. In step 344, the weight w t * (j) for the particles prepared in step 342 is calculated and normalized by the same process as the process in step 324 shown in FIG.

ステップ346では、ステップ324の処理で算出された重みwt (j)と、ステップ344で算出された重みwt *(j)との比較により、ステップ342で準備されたパーティクルの許容確率νを定める。ステップ348では、区間[0,1]の値からなる一様な集合U[0,1]の中から任意の値を選択することにより乱数uを発生する。ステップ350では、ステップ348で発生した乱数uの値と、ステップ346で定めた許容確率νの値とを比較する。uが許容確率の値以下であれば、ステップ352へ進む。さもなければステップ354に進む。ステップ352では、ステップ342で準備されたパーティクルを許容する。すなわち、ステップ326での再サンプリングで得られたパラメータを、準備されたパーティクルのパラメータで置換して処理を終了する。ステップ354では、ステップ342で準備されたパーティクルを棄却する。すなわち、準備されたパーティクル及びそのパラメータを破棄し、処理を終了する。 In step 346, the allowable probability ν of the particles prepared in step 342 is determined by comparing the weight w t (j) calculated in step 324 with the weight w t * (j) calculated in step 344. Determine. In step 348, a random number u is generated by selecting an arbitrary value from the uniform set U [0,1] consisting of values in the interval [0,1]. In step 350, the value of the random number u generated in step 348 is compared with the value of the allowable probability ν determined in step 346. If u is less than or equal to the allowable probability, the process proceeds to step 352. Otherwise, go to step 354. In step 352, the particles prepared in step 342 are allowed. That is, the parameter obtained by the resampling in step 326 is replaced with the parameter of the prepared particle, and the process is terminated. In step 354, the particles prepared in step 342 are rejected. That is, the prepared particles and their parameters are discarded, and the process ends.

[動作]
本実施の形態に係る音声認識システム100は以下のように動作する。まず、図6に示す外乱確率分布推定部200による初期状態における外乱の確率分布の推定動作を説明する。図1に示す計測部112が、音源102から観測音122を受け、観測信号の特徴量Xt(124)を抽出する。抽出された特徴量Xt(124)は、外乱成分抑圧部114の図5に示す外乱確率分布推定部200に与えられる。図6を参照して、外乱確率分布推定部200のフレーム選択部220は、特徴量Xt(124)のうち最初の10フレーム分を、外乱初期分布推定部222に与える。外乱初期分布推定部222は、上記の式(9)〜式(11)に示す処理により加法性雑音の初期分布p(N0)を推定する。さらに、雑音の初期分布p(N0)から、上記の式(12)及び式(13)に示すサンプリングをJ回行なう。このサンプリングによって、各パーティクルにおける雑音の初期的なパラメータベクトルN0 (j)及び共分散行列ΣN0 (j)が決定される。乗法性歪みの初期パラメータ行列H0 (j)及びその共分散行列ΣH0 (j)をともに0に設定し、残響の初期パラメータ行列A0 (j)及びその共分散行列ΣA0 (j)をともに0に設定する。外乱確率分布推定部200は、これらのパラメータを、時刻t=0のフレームにおける推定外乱分布206のパラメータとして出力する。
[Operation]
The speech recognition system 100 according to the present embodiment operates as follows. First, the disturbance probability distribution estimation operation in the initial state by the disturbance probability distribution estimation unit 200 shown in FIG. 6 will be described. The measurement unit 112 shown in FIG. 1 receives the observation sound 122 from the sound source 102 and extracts the feature value X t (124) of the observation signal. The extracted feature amount X t (124) is given to the disturbance probability distribution estimation unit 200 shown in FIG. With reference to FIG. 6, the frame selection unit 220 of the disturbance probability distribution estimation unit 200 gives the first 10 frames of the feature amount X t (124) to the disturbance initial distribution estimation unit 222. Disturbance initial distribution estimating unit 222 estimates the additive noise initial distribution p (N 0) by the process shown in the above equation (9) to (11). Further, sampling shown in the above equations (12) and (13) is performed J times from the initial noise distribution p (N 0 ). By this sampling, an initial parameter vector N 0 (j) and a covariance matrix Σ N0 (j) of noise in each particle are determined. The initial parameter matrix H 0 (j) of multiplicative distortion and its covariance matrix Σ H0 (j) are both set to 0, and the initial parameter matrix A 0 (j) of reverberation and its covariance matrix Σ A0 (j) are Both are set to 0. The disturbance probability distribution estimation unit 200 outputs these parameters as parameters of the estimated disturbance distribution 206 in the frame at time t = 0.

次に、外乱確率分布推定部200による、第tフレーム(t≧1)における推定外乱分布206の推定動作を説明する。図6を参照して、次のフレームの処理の開始要求210に応答して、フレーム選択部220は、観測信号の特徴量Xt(124)を更新部230に与えるとともに、GMMサンプリング部226に、第tフレームにおけるGMMの出力パラメータのサンプリングを要求する。更新部230は、これに応答して、第t−1フレームの各パーティクルにおける推定外乱分布206のパラメータを取得する。 Next, the estimation operation of the estimated disturbance distribution 206 in the t-th frame (t ≧ 1) by the disturbance probability distribution estimation unit 200 will be described. Referring to FIG. 6, in response to processing start request 210 for the next frame, frame selection unit 220 provides observed signal feature quantity X t (124) to update unit 230 and also to GMM sampling unit 226. , Request sampling of output parameters of the GMM in the t-th frame. Updating unit 230, in response thereto, to obtain the parameters of the estimated disturbance distribution 206 in each particle of the t-1 frame.

GMMサンプリング部226は、GMM130から、出力パラメータベクトルS(j) kt (j) ,tのサンプリングを行なう。図11に、出力パラメータベクトルS(j) kt (j) ,tのサンプリングの概要を模式的に示す。例えば、j番目のパーティクルにおいて、GMM130内の混合正規分布400の中から、混合重みにしたがった確率で要素分布kt (j)(402)をサンプリングする。GMMサンプリング部226はさらに、要素分布kt (j)(402)により表される出力確率の分布にしたがい、出力パラメータベクトルS(j) kt (j) ,t(404)をサンプリングする。GMMサンプリング部226は、総数Jの各パーティクルにおける出力パラメータベクトルS(j) kt (j) ,tをそれぞれ、以上の手順でサンプリングし、図6に示す更新部230に与える。 The GMM sampling unit 226 samples the output parameter vector S (j) kt (j) , t from the GMM 130. FIG. 11 schematically shows an outline of sampling of the output parameter vector S (j) kt (j) , t . For example, at the j-th particle, the element distribution k t (j) (402) is sampled from the mixed normal distribution 400 in the GMM 130 with the probability according to the mixing weight. The GMM sampling unit 226 further samples the output parameter vector S (j) kt (j) , t (404) according to the output probability distribution represented by the element distribution k t (j) (402). GMM sampling unit 226, an output parameter vector S in each particle of the total number J (j) kt (j) , t respectively, sampled at the above procedure, gives the updating section 230 shown in FIG.

図12に、逐次計算部224によるパラメータの更新、及び再サンプリングの概要を模式的に示す。図12においては、ある外乱のパラメータが左右方向に分布し、時間が上から下に進行する。また、図12においては、パーティクルを、白抜きの丸印、及び黒塗りの丸印によって模式的に示す。例えば、白抜きの丸印で示すパーティクルが重みwt (j)の値の微小なパーティクルであり、黒塗りの丸印で示すパーティクルが重みwt (j)の値の大きなパーティクルであるものとする。 FIG. 12 schematically shows an outline of parameter updating and resampling performed by the sequential calculation unit 224. In FIG. 12, certain disturbance parameters are distributed in the left-right direction, and the time advances from top to bottom. In FIG. 12, the particles are schematically shown by white circles and black circles. For example, a particle indicated by a white circle is a minute particle having a value of weight w t (j) , and a particle indicated by a black circle is a particle having a large value of weight w t (j) To do.

図12を参照して、第t−1フレームに対応するパーティクルにより状態空間420が近似的に表現されているものとする。更新部230は、式(14)〜式(19)により示す拡張カルマンフィルタを用いて、状態空間420内の各パーティクルにおける外乱分布のパラメータ行列^Λt-1 (j)を、第tフレームに対応する推定外乱分布のパラメータ行列^Λt (j)に更新する。これにより、状態空間420内の各パーティクルは更新され、パラメータが更新されたパーティクルにより第tフレームに対応する状態空間430が表現される。 Referring to FIG. 12, it is assumed that state space 420 is approximately represented by particles corresponding to the (t-1) th frame. The updating unit 230 uses the extended Kalman filter expressed by the equations (14) to (19) to correspond the parameter matrix ^ Λ t-1 (j) of the disturbance distribution in each particle in the state space 420 to the t-th frame. Update the parameter matrix ^ Λ t (j) of the estimated disturbance distribution. As a result, each particle in the state space 420 is updated, and the state space 430 corresponding to the t-th frame is represented by the particle whose parameter has been updated.

続いて重み算出部232は、状態空間430内の各パーティクルに対する重みwt (j)を、式(22)及び式(23)によって算出する。再サンプリング部234は、重みwt (j)に基づき、パーティクルにおける外乱のパラメータを再サンプリングする。この際、再サンプリング部234はまず、状態空間430内の各パーティクルからの再サンプリングの回数を、wt (j)に応じてパーティクルごとに設定する。白抜きの丸印で表される重みの微小なパーティクルからのサンプリングの回数を0に設定する。また、黒塗りの丸印で表される重みの大きなパーティクルからのサンプリングの回数を、重みの大きさに応じて1〜3に設定する。続いて、状態空間430内のパーティクルにおける外乱の確率分布に基づき、設定された回数ずつ、外乱のパラメータの再サンプリングを行なう。このようにして、第tフレームに対応する新たな状態空間440を表現するパーティクルがそれぞれ形成される。 Subsequently, the weight calculation unit 232 calculates the weight w t (j) for each particle in the state space 430 using Expression (22) and Expression (23). The re-sampling unit 234 re-samples the disturbance parameter in the particle based on the weight w t (j) . At this time, the re-sampling unit 234 first sets the number of re-sampling from each particle in the state space 430 for each particle according to w t (j) . The number of samplings from a minute particle with a weight represented by a white circle is set to zero. In addition, the number of times of sampling from particles with a large weight represented by black circles is set to 1 to 3 according to the magnitude of the weight. Subsequently, based on the probability distribution of the disturbance in the particles in the state space 430, the disturbance parameter is resampled by the set number of times. In this way, particles representing a new state space 440 corresponding to the t-th frame are formed.

再サンプリング部234によるこのような再サンプリングが繰返し行なわれると、あるフレームに対応するパーティクルの多くにおける外乱のパラメータが、それ以前の時点のフレームに対応する少数のパーティクルにおける外乱のパラメータの確率分布からサンプリングされたものとなるおそれがある。そこで、推定外乱分布生成部236は、Metropolis-Hastingsアルゴリズムを用いて、新たに第tフレームに対応するパーティクルにおけるパラメータを生成することにより、このような事態を防止する。図7に示す再更新部262は、状態空間440における推定外乱分布にしたがい、第t−1フレームに対応する状態空間420内のパーティクルにおける外乱のパラメータを再更新する。重み再計算部264は、再更新されたパーティクルに対する重みwt *(j)を算出する。許容確率算出部266は、再更新されたパーティクルに対する重みwt *(j)と、再サンプリングされたパーティクルに対する重みwt (j)とを基に、許容確率νを算出する。パラメータ選択部270は、許容確率νと、乱数発生部268が発生した[0,1]の区間の乱数uとを比較し、乱数uが許容確率ν以下であれば、再サンプリングされたパーティクルにおけるパラメータを、再更新されたパーティクルにおけるパラメータで置換する。さもなければ、再更新されたパーティクルにおけるパラメータを破棄する。 When such re-sampling by the re-sampling unit 234 is repeatedly performed, the disturbance parameters in many particles corresponding to a certain frame are obtained from the probability distribution of the disturbance parameters in a small number of particles corresponding to the previous frame. May be sampled. Therefore, the estimated disturbance distribution generation unit 236 prevents such a situation by newly generating parameters in the particles corresponding to the t-th frame using the Metropolis-Hastings algorithm. The re-update unit 262 illustrated in FIG. 7 re-updates the disturbance parameters of the particles in the state space 420 corresponding to the (t-1) th frame in accordance with the estimated disturbance distribution in the state space 440. The weight recalculation unit 264 calculates a weight w t * (j) for the re-updated particle. Acceptable probability calculation unit 266, the weight w t * for particles that are re-updated (j), based on the weight w t (j) with respect to the resampled particles, calculates the permission probability [nu. The parameter selection unit 270 compares the allowable probability ν with the random number u in the interval [0, 1] generated by the random number generation unit 268. If the random number u is equal to or less than the allowable probability ν, the parameter selection unit 270 Replace the parameter with the parameter in the re-updated particle. Otherwise, discard the parameters in the re-updated particle.

以上のような動作をフレームごとに繰返すことにより、各フレームに対応して、各パーティクルにおける推定外乱分布206のパラメータベクトルNt (j)t (j)及び行列At (j)、並びに共分散行列ΣNt (j)ΣHt (j)及びΣAt (j)が推定される。外乱確率分布推定部200は、各パーティクルにおける推定外乱分布206のパラメータベクトルNt (j)t (j)及び行列At (j)、並びに共分散行列ΣNt (j)ΣHt (j)及びΣAt (j)と、各パーティクルに対する重みwt (j)と、観測信号の特徴量ベクトルXtとを、フレームごとに、図5に示すパラメータ生成部202に与える。 By repeating the above operation for each frame, the parameter vector N t (j) H t (j) and the matrix At (j) of the estimated disturbance distribution 206 in each particle and the matrix A t (j) covariance matrix Σ Nt (j) Σ Ht ( j) and sigma At (j) is estimated. Disturbance probability distribution estimation unit 200, the parameter vector N t of the estimated disturbance distribution 206 in each particle (j) H t (j) and the matrix A t (j), and the covariance matrix Σ Nt (j) Σ Ht ( j) And Σ At (j) , the weight w t (j) for each particle, and the feature vector X t of the observation signal are given to the parameter generation unit 202 shown in FIG. 5 for each frame.

図5を参照して、パラメータ生成部202は、VTS法によって、第tフレームに対応する各パーティクルにおける観測信号の確率モデルの平均ベクトル及び共分散行列(208)を生成する。これにより、各パーティクルにおいて外乱の確率分布と、観測信号の確率分布とが推定されたことになる。クリーン音声推定部204は、MMSE推定法により、第tフレームに対応する各パーティクルにおいて、クリーン音声のMMSE推定値ベクトル^St (j)を算出する。さらに、MMSE推定値ベクトル^St (j)と重みwt (j)とを用いて、時刻tにおけるクリーン音声の推定特徴量ベクトル^Stを算出し、図1に示す探索部110に出力する。 Referring to FIG. 5, the parameter generation unit 202 generates an average vector and a covariance matrix (208) of the probability model of the observation signal in each particle corresponding to the t-th frame by the VTS method. As a result, the probability distribution of the disturbance and the probability distribution of the observation signal are estimated for each particle. The clean speech estimation unit 204 calculates a clean speech MMSE estimated value vector { circumflex over ( S ) } (j) for each particle corresponding to the t-th frame by the MMSE estimation method. Further, using the MMSE estimated value vector { circumflex over ( S ) } t (j) and the weight w t (j) , an estimated feature amount vector { circumflex over ( S ) } at time t is calculated and output to the search unit 110 shown in FIG. To do.

図1に示す探索部110は、クリーン音声の推定特徴量ベクトル^Stを用いて、認識用音響モデル部109に保持された音響モデルと、言語モデル部108に保持された言語モデルとを基に、適合する目的言語の単語等を探索し、その結果を認識出力128として出力する。 Searching unit 110 shown in FIG. 1, based on using the estimated feature vector ^ S t of clean speech, the acoustic model held in the acoustic model for recognition section 109, and a language model stored in the language model 108 Then, a suitable target language word or the like is searched, and the result is output as a recognition output 128.

[実験]
本実施の形態に係る音声認識システム100による効果を確認するために、観測信号からの雑音の推定実験と、観測信号の認識実験とを行なった。以下、実験方法及び結果について説明する。
[Experiment]
In order to confirm the effect of the speech recognition system 100 according to the present embodiment, an experiment for estimating noise from the observed signal and an experiment for recognizing the observed signal were performed. Hereinafter, experimental methods and results will be described.

本実験においては、日本語の雑音下音声認識評価用共通データベースに収録されたクリーン音声1001文のデータに、残響のインパルス応答を畳み込み、さらに加法性雑音を人工加算して、観測信号を生成した。残響のインパルス応答には、実環境音声・音響データベースに収録されている、残響時間0.3秒及び1.3秒のインパルス応答を用いた。また加算する雑音には、それぞれ実環境で収録された工場雑音と道路工事雑音とを使用した。本実験では、雑音を加算していない試料と、クリーン音声に20dB、15dB、及び10dBのSNR(Signal-to-Noise Ratio)でそれぞれ雑音を加算した試料とを用意した。用意した各試料を23次対数メルフィルタバンク処理し、得られた23次対数メルスペクトルの各成分を要素とするベクトルをそれぞれ生成し、認識対象の特徴量ベクトルとした。   In this experiment, the observed signal was generated by convolution of the impulse response of reverberation into the data of clean speech 1001 sentence recorded in the common database for speech recognition evaluation under noisy Japanese and artificially adding additive noise. . For the reverberation impulse response, impulse responses with a reverberation time of 0.3 seconds and 1.3 seconds recorded in the real environment speech and sound database were used. As noise to be added, factory noise and road construction noise recorded in the actual environment were used. In this experiment, a sample in which noise was not added and a sample in which noise was added to each of clean speech at an SNR (Signal-to-Noise Ratio) of 20 dB, 15 dB, and 10 dB were prepared. Each prepared sample was subjected to 23th-order log mel filter bank processing, and a vector having each component of the obtained 23th-order log mel spectrum as an element was generated and used as a feature quantity vector to be recognized.

認識実験では、比較のために、上記の各試料から、本実施の形態に係る外乱成分の抑圧処理の方法を含む次の5種の処理方法で、探索に用いる特徴量を生成した。すなわち、HTK Baselineすなわち外乱抑圧処理を行なわない観測信号の特徴量(Baseline)、ETSI(European Telecommunications Standards Institute)により勧告されているETSI Advanced front−end(ES 202)による雑音抑圧処理を施した特徴量(ETSI)、従来のMMSE推定により得られる推定特徴量(MMSE)、非特許文献5に記載の手法での処理により得られる推定特徴量(EM)、及びパーティクルフィルタを用いた本実施の形態に係る外乱成分の抑圧処理(Proposed)により得られる推定特徴量である。   In the recognition experiment, for comparison, feature quantities used for the search were generated from the above samples by the following five processing methods including the disturbance component suppression processing method according to the present embodiment. That is, the feature quantity (Baseline) of the observed signal that is not subjected to the disturbance suppression process, the characteristic quantity subjected to the noise suppression process by ETSI Advanced front-end (ES 202) recommended by ETSI (European Telecommunications Standards Institute) (ETSI), an estimated feature amount (MMSE) obtained by conventional MMSE estimation, an estimated feature amount (EM) obtained by processing by the method described in Non-Patent Document 5, and a particle filter. This is an estimated feature amount obtained by the disturbance component suppression processing (Proposed).

パーティクルフィルタを用いた外乱成分の抑圧処理を行なう際の、GMM130(図参照)には、混合分布数512のモデルを用いた。この処理においては、誤差ベクトルWtの共分散行列を、ΣWN=ΣWH=ΣWA=diag(0.01)に設定した。また、処理に用いるパーティクルの総数Jを20に設定した。 A model having a mixture distribution number of 512 was used for the GMM 130 (see FIG. 2 ) when performing disturbance component suppression processing using a particle filter. In this processing, the covariance matrix of the error vector W t, was set to Σ WN = Σ WH = Σ WA = diag (0.01). In addition, the total number J of particles used in the processing was set to 20.

抑圧後の推定クリーン音声を用いた音声認識を行なう際の特徴量には、39次MFCC(Mel Frequency Cepstrum Coefficient)(12次MFCC+C0+Δ+ΔΔ)を用いた。また、図1に示す認識用音響モデル109には、16状態20混合分布のHMMを用いた。   A 39th-order MFCC (Mel Frequency Cepstrum Coefficient) (12th-order MFCC + C0 + Δ + ΔΔ) is used as a feature amount when performing speech recognition using the estimated clean speech after suppression. Further, a 16-state 20-mixed HMM was used for the recognition acoustic model 109 shown in FIG.

この認識実験における処理に、クロック周波数3.2ギガヘルツ、32ビットの市販のCPU(Central Processing Unit)を用いた場合、処理に要した時間は、観測信号における実時間の0.8倍であった。すなわち、認識処理を実時間で処理できることが明らかとなった。   When a commercially available CPU (Central Processing Unit) with a clock frequency of 3.2 GHz and a 32-bit clock was used for the processing in this recognition experiment, the time required for the processing was 0.8 times the real time of the observation signal. . That is, it became clear that the recognition process can be processed in real time.

表1〜表4に、各試料に対する認識実験で得られた認識精度を、上記の処理方法別に示す。   Tables 1 to 4 show the recognition accuracy obtained in the recognition experiment for each sample according to the above processing methods.

Figure 0004586577
表1〜表4を参照して、パーティクルフィルタによる抑圧処理(Proposed)を行なうことで、良好な単語認識精度が得られることが分かる。特に、残響1.3秒の観測信号においては、パーティクルフィルタによる抑圧処理(Proposed)により、高い単語認識精度が得られることが分かる。
Figure 0004586577
Referring to Tables 1 to 4, it can be seen that good word recognition accuracy can be obtained by performing suppression processing (Proposed) using a particle filter. In particular, it can be seen that a high word recognition accuracy can be obtained in the observation signal of reverberation 1.3 seconds by the suppression process (Proposed) using the particle filter.

以上の実験結果から、本実施の形態の外乱成分の抑圧処理により、非定常な加法性雑音及び残響による歪みを受ける環境下での音声認識性能が改善され、かつ実時間処理が可能になることが明らかとなった。   Based on the above experimental results, the disturbance component suppression processing according to the present embodiment improves speech recognition performance in an environment subject to distortion due to unsteady additive noise and reverberation, and enables real-time processing. Became clear.

[変形例等]
なお、本実施の形態においては、パーティクルフィルタによる処理を外乱成分の抑圧に用いている。そのため、雑音抑圧後の推定クリーン音声のパラメータを用いて探索を行なう前に、さらに音響モデル適応を行なうこともできる。音響モデル適応により、推定クリーン音声に適合した音響モデルを探索に用いることができるようになる。したがって、認識精度が向上することが期待される。
[Modifications, etc.]
In the present embodiment, the processing by the particle filter is used for suppressing disturbance components. Therefore, acoustic model adaptation can be further performed before searching using the parameters of the estimated clean speech after noise suppression. With the acoustic model adaptation, an acoustic model suitable for the estimated clean speech can be used for the search. Therefore, it is expected that the recognition accuracy is improved.

また、本実施の形態においては、前処理用の音響モデルにGMMを用いたが、前処理用の音響モデルにHMMを用いてもよい。この場合、上記の式(20)に示す要素分布のサンプリングに先立ち、HMMの遷移確率にしたがって状態のサンプリングを行なえばよい。   In this embodiment, GMM is used for the acoustic model for preprocessing. However, HMM may be used for the acoustic model for preprocessing. In this case, the state may be sampled according to the transition probability of the HMM prior to sampling the element distribution shown in the above equation (20).

今回開示された実施の形態は単に例示であって、本発明が上記した実施の形態のみに制限されるわけではない。本発明の範囲は、発明の詳細な説明の記載を参酌した上で、特許請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含む。   The embodiment disclosed herein is merely an example, and the present invention is not limited to the above-described embodiment. The scope of the present invention is indicated by each claim in the claims after taking into account the description of the detailed description of the invention, and all modifications within the meaning and scope equivalent to the wording described therein are intended. Including.

本発明の一実施の形態に係る音声認識システム100の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the speech recognition system 100 which concerns on one embodiment of this invention. GMM130の概念を示す概略図である。It is the schematic which shows the concept of GMM130. 外乱要因118を模式的に示す図である。It is a figure which shows the disturbance factor 118 typically. 観測信号の状態空間モデル160の概念を示す概略図である。It is the schematic which shows the concept of the state space model 160 of an observation signal. 外乱成分抑圧部114の構成を示すブロック図である。3 is a block diagram illustrating a configuration of a disturbance component suppression unit 114. FIG. 外乱確率分布推定部200の構成を示すブロック図である。3 is a block diagram showing a configuration of a disturbance probability distribution estimation unit 200. FIG. 推定外乱分布生成部236の構成を示すブロック図である。4 is a block diagram illustrating a configuration of an estimated disturbance distribution generation unit 236. FIG. 雑音抑圧処理の制御構造を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control structure of a noise suppression process. 外乱確率分布推定処理の制御構造を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control structure of disturbance probability distribution estimation processing. Metropolis-Hastingsアルゴリズムによるサンプリング処理の制御構造を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control structure of the sampling process by a Metropolis-Hastings algorithm. GMM130からパラメータをサンプリングする動作の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the operation | movement which samples a parameter from GMM130. パーティクルフィルタによる処理の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the process by a particle filter.

符号の説明Explanation of symbols

100 音声認識システム
102 音源
104 前処理部
106 前処理用音響モデル部
108 言語モデル部
109 認識用音響モデル部
110 探索部
112 計測部
114 外乱分布抑圧部
116 話者
118 外乱要因
120 クリーン音声
122 観測音
124 観測信号の特徴量
126 推定クリーン音声の特徴量
130 GMM
132 学習データ記憶部
134 モデル学習部
136 GMM記憶部
160 状態空間モデル
200 外乱確率分布推定部
202 パラメータ生成部
204 クリーン音声推定部
220 フレーム選択部
222 外乱初期分布推定部
224 逐次計算部
226 GMMサンプリング部
230 更新部
232 重み算出部
234 再サンプリング部
236 推定外乱分布生成部
262 再更新部
264 重み再計算部
266 許容確率算出部
268 乱数発生部
270 パラメータ選択部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Speech recognition system 102 Sound source 104 Preprocessing part 106 Preprocessing acoustic model part 108 Language model part 109 Recognition acoustic model part 110 Search part 112 Measurement part 114 Disturbance distribution suppression part 116 Speaker 118 Disturbance factor 120 Clean voice 122 Observation sound 124 Features of observed signal 126 Features of estimated clean speech 130 GMM
132 learning data storage unit 134 model learning unit 136 GMM storage unit 160 state space model 200 disturbance probability distribution estimation unit 202 parameter generation unit 204 clean speech estimation unit 220 frame selection unit 222 disturbance initial distribution estimation unit 224 sequential calculation unit 226 GMM sampling unit 230 update unit 232 weight calculation unit 234 re-sampling unit 236 estimated disturbance distribution generation unit 262 re-update unit 264 weight re-calculation unit 266 allowable probability calculation unit 268 random number generation unit 270 parameter selection unit

Claims (4)

外乱により加法性雑音及び乗法性歪みが生じる環境下で目的音声を観測することにより得られる観測信号の外乱成分を抑圧する外乱成分抑圧装置であって、前記外乱成分は、加法性雑音による成分、残響による成分、及び乗法性歪による成分を含み、
前記観測信号について所定周期ごとにフレーム化された所定時間長のフレームよりそれぞれ抽出される特徴量を受けて、前記残響による成分を加法性の外乱とみなし、複数のパーティクルを有するパーティクルフィルタを用いて、前記外乱を表す確率分布の推定パラメータを前記フレームごとに逐次生成するための外乱パラメータ推定手段と、
前記観測信号の特徴量と、前記推定パラメータと、前記目的音声に関する所定の音響モデルとを用いて、前記フレームごとに前記目的音声の推定特徴量を算出するための目的音声推定手段と
前記外乱に含まれる残響成分を、前記観測信号と、前記外乱パラメータ推定手段により推定された前記加法性雑音による成分との差によって近似し、前記外乱パラメータ推定手段に入力するための手段とを含む、外乱成分抑圧装置。
A disturbance component suppression device that suppresses a disturbance component of an observation signal obtained by observing target speech in an environment where additive noise and multiplicative distortion occur due to disturbance, wherein the disturbance component is a component due to additive noise, Includes components due to reverberation and multiplicative distortion,
Receiving feature amounts extracted from frames of a predetermined time length framed at predetermined intervals for the observation signal, the component due to the reverberation is regarded as additive disturbance, and using a particle filter having a plurality of particles A disturbance parameter estimation means for sequentially generating an estimation parameter of a probability distribution representing the disturbance for each frame;
Target speech estimation means for calculating an estimated feature amount of the target speech for each frame using a feature amount of the observed signal, the estimation parameter, and a predetermined acoustic model related to the target speech ;
Means for approximating a reverberation component included in the disturbance by a difference between the observed signal and a component due to the additive noise estimated by the disturbance parameter estimation means, and inputting the reverberation component to the disturbance parameter estimation means Disturbance component suppression device.
前記外乱パラメータ推定手段は、
前記外乱の初期分布を設定し、当該初期分布にしたがった確率で、前記複数のパーティクルの各々における外乱を表す確率分布の初期パラメータをそれぞれ設定するための初期パラメータ設定手段と、
前記音響モデルと前記観測信号の特徴量とを基に、前記残響による成分を加法性の外乱とみなし、拡張カルマンフィルタを用いて、各パーティクルにおける先行する第1のフレームの前記推定パラメータをそれぞれ前記第1のフレームに後続する第2のフレームに対応するものに更新するための更新手段と、
前記第2のフレームにおける前記複数のパーティクルの各々の重みを算出するための重み算出手段とを含む、請求項1に記載の外乱成分抑圧装置。
The disturbance parameter estimation means includes:
An initial parameter setting means for setting an initial distribution of the disturbance and setting an initial parameter of a probability distribution representing the disturbance in each of the plurality of particles with a probability according to the initial distribution;
Based on the feature value of the acoustic model and the observed signal, regarded as a disturbance of additive components according to the reverberation, using an extended Kalman filter, wherein the estimated parameters of the first frame preceding in each particle respectively the Updating means for updating to one corresponding to a second frame following one frame;
The disturbance component suppressing device according to claim 1, further comprising weight calculating means for calculating the weight of each of the plurality of particles in the second frame.
コンピュータにより実行されると、当該コンピュータを請求項1又は請求項2に記載の外乱成分抑圧装置として動作させる、コンピュータプログラム。 A computer program that, when executed by a computer, causes the computer to operate as the disturbance component suppressing device according to claim 1 or 2. 請求項1又は請求項2に記載の外乱成分抑圧装置と、
前記外乱成分抑圧装置により算出される前記目的音声の推定特徴量を受けて、前記目的音声に関する所定の音響モデルと、認識対象言語に関する所定の言語モデルとを用いて、前記目的音声に関する音声認識を行なうための音声認識手段とを含む、音声認識システム。
The disturbance component suppressing device according to claim 1 or 2,
In response to the estimated feature amount of the target speech calculated by the disturbance component suppressing device, speech recognition related to the target speech is performed using a predetermined acoustic model related to the target speech and a predetermined language model related to a recognition target language. A speech recognition system, comprising: speech recognition means for performing.
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