JP5188319B2 - Signal analysis apparatus, signal analysis method, program, and recording medium - Google Patents

Signal analysis apparatus, signal analysis method, program, and recording medium Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To perform elaborate modeling of observation data and to enable modeling to exhibit individual characteristic amplitude spectral structures existing in the observation data. <P>SOLUTION: A signal analyzer 10 includes: a time-frequency decomposing part 110 for decomposing a time series signal into time-frequency components; a storage part 100 for storing the time-frequency components, a time series signal parameter and an error distribution specific gravity factor; an initial value generating part 120 which generates each initial value of the time series signal parameter and the error distribution specific gravity factor and stores the same in the storage part 100; an updating part 130, which updates the time series signal parameter and the error distribution specific gravity factor in the storage part 100; a determination part 140 for determining whether or not the time series signal parameter meets a predetermined standard; and a parameter output part 150 for outputting the time series signal parameter when it meets the predetermined standard. The updating part 130 again updates the time series signal parameter and the error distribution specific gravity factor when it does not meet the predetermined standard. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、信号解析装置、信号解析方法、プログラム及び記録媒体に関する。特に、時系列信号のスパース信号分解に係る信号解析装置、信号解析方法、プログラム及び記録媒体に関する。   The present invention relates to a signal analysis device, a signal analysis method, a program, and a recording medium. In particular, the present invention relates to a signal analysis apparatus, a signal analysis method, a program, and a recording medium related to sparse signal decomposition of time series signals.

基底のスパースな線形結合(結合係数のほとんどがほぼ0値)でどの観測データも良く近似できるようなコンパクトな基底系(このような基底系を「スパースな分解表現」とよぶことにする。)を統計的、情報論的な規準に基づいて構成するアプローチを総称してスパース信号分解と呼び、スパースコーディング(非特許文献1)や非負値行列分解(Non-negative Matrix Factorization; NMF)(非特許文献2)などがその代表例である。スパース信号分解では、主成分分析や独立成分分析などの多変量解析手法と同様、個々の基底が観測データを構成する基本要素成分となるように学習することが目的となるが、スパース信号分解の特質は、結合係数のスパース性の制約により、観測データの中に混在する特徴的なパターンが個々の基底となって表出される点にある。この性質により、スパースコーディングもNMFも、モノラル音響信号中に混在する構成音を事前知識なしに分離抽出できる可能性をもった方法論として近年期待されている(非特許文献3、4)。
B.A.Olshausen and D.J.Field,“Emergence of Simple-cell Receptive Field Properties by Learning a Sparse Code for Natural Images,”Nature Vol.381,pp.607-609,1996. D.D.Lee and H.S.Seung,“Learning the Parts of Object by Non-negative Matrix Factorization,”Nature Vol.401,pp.788-791,1999. P.Smaragdis,J.C.Brown,“Non-Negative Matrix Factorization for Music Transcription,”In Proc. 2003 IEEE Workshop on Applications of Signal of Processing to Audio and Acoustics(WASPAA2003),pp.177-180,2003. S.A.Abdallah and M.D.Plumbley,“Unsupervised Analysis of Polyphonic Music Using Sparse Coding,”IEEE Transactions on Neural Networks,Vol.17,No.1,pp.179-196,2006. T.Blumensath and M.E.Davise,“Unsupervised Learning of Sparse and Shiftinvariant Decompositions of Polyphonic Music,”In Proc.2004 IEEE International Conference on Acoustics,Speech,and Signal Processing(ICASSP2004),Vol.5,pp.497-500,2004. T.Blumensath and M.E.Davise,“On Shift-Invariant Sparse Coding,”C.G.Puntonet,A.Prieto(Eds.),Independent Component Analysis and Blind Signal Separation:Proc.5th International Conference on Independent Component Analysis and Signal Separation(ICA2004),Granada,Spain,Springer,Berlin,pp.1205-1212,LNCS 3195,2004 R.Mitchell Parry and Irfan Essa,“Phase-Aware Non-negative Spectrogram Factorization,”In Proc.7th International Conference on Independent Component Analysis and Signal Separation(ICA2007),pp.536-543,2007.
A compact basis set that can closely approximate any observation data with a sparse linear combination of bases (most of the coupling coefficients are almost zero) (this basis set is called "sparse decomposition expression"). The sparse signal decomposition is a collective approach for constructing sparse data based on statistical and informational criteria. Sparse coding (Non-patent Document 1) and non-negative matrix factorization (NMF) (non-patent) Reference 2) is a typical example. Similar to multivariate analysis methods such as principal component analysis and independent component analysis, the objective of sparse signal decomposition is to learn that each base is a basic element component of observation data. The characteristic is that characteristic patterns mixed in observed data are expressed as individual bases due to the sparsity of the coupling coefficient. Due to this property, both sparse coding and NMF have recently been expected as methodologies that have the possibility of separating and extracting constituent sounds mixed in a monaural sound signal without prior knowledge (Non-Patent Documents 3 and 4).
BAOlshausen and DJField, “Emergence of Simple-cell Receptive Field Properties by Learning a Sparse Code for Natural Images,” Nature Vol. 381, pp. 607-609, 1996. DDLee and HSSeung, “Learning the Parts of Object by Non-negative Matrix Factorization,” Nature Vol. 401, pp. 788-791, 1999. P. Smaragdis, JCBrown, “Non-Negative Matrix Factorization for Music Transcription,” In Proc. 2003 IEEE Workshop on Applications of Signal of Processing to Audio and Acoustics (WASPAA2003), pp.177-180, 2003. SAAbdallah and MDPlumbley, “Unsupervised Analysis of Polyphonic Music Using Sparse Coding,” IEEE Transactions on Neural Networks, Vol. 17, No. 1, pp. 179-196, 2006. T. Blumensath and MEDavise, “Unsupervised Learning of Sparse and Shiftinvariant Decompositions of Polyphonic Music,” In Proc. 2004 IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing (ICASSP2004), Vol. 5, pp. 497-500, 2004. T. Blumensath and MEDavise, “On Shift-Invariant Sparse Coding,” CGPuntonet, A. Prieto (Eds.), Independent Component Analysis and Blind Signal Separation: Proc. 5th International Conference on Independent Component Analysis and Signal Separation (ICA2004), Granada , Spain, Springer, Berlin, pp.1205-1212, LNCS 3195,2004 R. Mitchell Parry and Irfan Essa, “Phase-Aware Non-negative Spectrogram Factorization,” In Proc. 7th International Conference on Independent Component Analysis and Signal Separation (ICA2007), pp.536-543, 2007.

NMFが音響特徴抽出などの応用において特に効果的な理由は、パワースペクトルを観測データとして基底分解を行なっているためである(非特許文献3)。すなわち、NMFでは、似た形のパワースペクトルはすべて同一基底で表現可能となる点がポイントであり、このために多様で複雑な現象である実世界音響信号をコンパクトな基底セットで表現することができる。パワースペクトルは、信号がどのような周波数成分で構成されているかを表した情報であるため、同一なパワースペクトルをもつ音は同一属性と捉えるNMFの考え方は、基底の冗長性の観点で多分に合理的である。また、観測データから基底および線形結合の結合係数を学習する際に設ける基底および結合係数に対する非負制約が、副次的に基底系の解を自然にスパースな分解表現へと誘導する効果がある点、乗法更新アルゴリズム(非特許文献2)と呼ぶ非常に効率的な反復学習アルゴリズムが存在する点も特徴的である。しかし、NMFは混合音中の構成音の特徴を大まかに捉えるという点においては有効とはいえ、パワースペクトルは厳密には非加法的であるため、パワースペクトル基底の線形結合による観測データのモデル化をベースにするNMFは本質的に音源分離には不向きと言え、個々の基底がどの程度正確に混在音のパワースペクトルを表出できるのかは必ずしも明らかではない。   The reason why NMF is particularly effective in applications such as acoustic feature extraction is that base decomposition is performed using the power spectrum as observation data (Non-patent Document 3). That is, in NMF, the point is that all similar power spectra can be expressed on the same basis. For this reason, real-world acoustic signals that are various and complex phenomena can be expressed by a compact basis set. it can. Since the power spectrum is information indicating what frequency component the signal is composed of, the NMF's idea that sounds with the same power spectrum are considered to have the same attribute is probably in terms of base redundancy. Is reasonable. In addition, the non-negative constraint on the basis and coupling coefficient provided when learning the coupling coefficient of the basis and linear combination from the observation data has the effect of inducing the basis set solution to a sparse decomposition expression naturally. Another feature is that there is a very efficient iterative learning algorithm called a multiplicative update algorithm (Non-patent Document 2). However, although NMF is effective in terms of roughly grasping the characteristics of the component sounds in the mixed sound, the power spectrum is strictly non-additive, so modeling of observation data by linear combination of power spectrum bases The NMF based on the above is essentially unsuitable for sound source separation, and it is not always clear how accurately each base can express the power spectrum of mixed sound.

一方、時間領域信号基底の線形結合により観測信号をモデル化するスパースコーディングアプローチ(非特許文献4)は、加法性が成り立つ量を基底と考える点でNMFよりも精緻なモデリングに基づいている反面、基底同士の冗長性が大きいのが難点である。すなわち、波形が異なってもパワースペクトルが同一ならば同じ属性の音と見なせるNMFと異なり、波形の微妙な差異に応じて別々の基底が必要となる。これに対し、時間シフトの関係にある波形群は同一属性の音と見なせるシフト不変スパースコーディングと呼ぶアプローチ(非特許文献5、6)が提案されているが、ある波形に対し、時間シフトした波形の集合は、その波形のパワースペクトルと同じ形をした全波形の中のほんのわずかなサブセットに過ぎないため、その分解表現もまたNMFのそれに比べて冗長性は依然として大きいと考えられる。   On the other hand, the sparse coding approach (Non-Patent Document 4) that models an observation signal by linear combination of time domain signal bases is based on modeling that is more precise than NMF in that it considers an amount that is additive to be a base. The difficulty is that the redundancy between bases is large. That is, unlike NMF that can be regarded as a sound having the same attribute if the power spectrum is the same even if the waveforms are different, different bases are required according to subtle differences in the waveforms. On the other hand, an approach called shift invariant sparse coding (Non-Patent Documents 5 and 6) in which waveform groups having a time shift relationship can be regarded as sounds having the same attribute has been proposed. Is a small subset of all the waveforms that have the same shape as the power spectrum of the waveform, so the decomposition representation is also considered to be more redundant than that of NMF.

また、NMFの加法性の問題を是正する目的で位相を一様分布する確率変数と見なしてNMFの推定結果を補正する方法が検討されている(非特許文献7)が、位相の推定方法とその扱い方が場当たり的で、本質的な意味でパワースペクトルの加法性を仮定するNMFの欠点を解決するに至っていない。   In addition, for the purpose of correcting the additivity problem of NMF, a method of correcting the estimation result of NMF by considering the phase as a random variable with uniform distribution has been studied (Non-Patent Document 7). The handling method is ad hoc and has not yet solved the shortcomings of NMF that assumes the additivity of the power spectrum in an essential sense.

本発明は、NMFやスパースコーディングなど従来のスパース信号分解法において共通する「基底の線形結合によるモデル化」という考え方から脱却し、複数スペクトル(加法性の成り立つ)領域でのモデル化に準拠しながら、NMFのように観測信号の中に混在する個々の特徴的なパワースペクトルパターンを表出できるような性質をもった、新しいタイプのスパース信号分解法を実現したものである。本発明方法は、スパース信号分解としての効果を本質的に保持しながら、ベースとなるモデリングが精緻である点でスパースコーディングの利点を、個々の特徴的なパワースペクトルパターンを表出できる点と効率的な反復学習アルゴリズムが導ける点でNMFの利点を兼ね備えている。   The present invention breaks away from the concept of “modeling by linear combination of bases” common in conventional sparse signal decomposition methods such as NMF and sparse coding, while conforming to modeling in a multispectral (additive) domain. This realizes a new type of sparse signal decomposition method that has the property of expressing individual characteristic power spectrum patterns mixed in the observation signal as in NMF. The method of the present invention essentially demonstrates the advantages of sparse coding in that the basic modeling is elaborate while maintaining the effect as sparse signal decomposition, and the ability to express individual characteristic power spectrum patterns and efficiency. NMF has the advantage of being able to derive a typical iterative learning algorithm.

上記問題を解決するために、本発明の一態様である信号解析装置は、振幅スペクトル基底パラメータ、アクティビティ係数パラメータおよび位相スペクトルパラメータからなる時系列信号パラメータ、時間周波数成分、並びに、誤差配分比重係数および時間周波数成分配分量を記憶するための記憶部と、時系列信号を時間周波数成分に分解し、記憶部に記憶する時間周波数分解部と、時系列信号パラメータおよび誤差配分比重係数の各初期値を生成し、記憶部に記憶する初期値生成部と、記憶部に記憶されている時間周波数成分、時系列信号パラメータ、および、誤差配分比重係数に基づいて、記憶部に記憶されている時系列信号パラメータおよび誤差配分比重係数を更新する更新部と、記憶部に記憶されている時系列信号パラメータが所定の規準を満たしているか否かを判断する判断部と、判断部によって時系列信号パラメータが所定の規準を満たしていると判断された場合に、時系列信号パラメータを出力するパラメータ出力部とを備え、更新部は、記憶部に記憶されている時間周波数成分、時系列信号パラメータおよび誤差配分比重係数から、時間周波数成分配分量を後述する式63に基づいて算出する時間周波数成分配分量算出部と、記憶部に記憶されているアクティビティ係数パラメータと、時間周波数成分配分量算出部によって算出された時間周波数成分配分量とから、新たな振幅スペクトル基底パラメータを後述する式64に基づいて算出する振幅スペクトル基底パラメータ算出部と、記憶部に記憶されている振幅スペクトル基底パラメータおよびアクティビティ係数パラメータと、時間周波数成分配分量算出部によって算出された時間周波数成分配分量とから、新たなアクティビティ係数パラメータを後述する式66に基づいて算出するアクティビティ係数パラメータ算出部と、時間周波数成分配分量算出部によって算出された時間周波数成分配分量から、新たな位相スペクトルパラメータを後述する式67に基づいて算出する位相スペクトルパラメータ算出部と、記憶部に記憶されている時間周波数成分および時系列信号パラメータと、時間周波数成分配分量算出部によって算出された時間周波数成分配分量とから、新たな誤差配分比重係数を後述する式68に基づいて算出する誤差配分比重係数算出部と、振幅スペクトル基底パラメータ算出部、アクティビティ係数パラメータ算出部、位相スペクトルパラメータ算出部、および、誤差配分比重係数算出部によって算出された新たな値を記憶部に反映させる反映部とを有し、更新部は、判断部によって時系列信号パラメータが所定の規準を満たしていないと判断された場合に、時系列信号パラメータ、誤差配分比重係数および時間周波数成分配分量を再度更新するものであることを特徴とする。 In order to solve the above problem, a signal analysis device according to an aspect of the present invention includes a time-series signal parameter including an amplitude spectrum base parameter, an activity coefficient parameter, and a phase spectrum parameter, a time-frequency component, an error distribution specific gravity coefficient, and A storage unit for storing the time frequency component allocation amount , a time frequency signal decomposition unit that decomposes the time series signal into time frequency components, and stores the initial values of the time series signal parameter and the error distribution specific gravity coefficient An initial value generation unit that generates and stores in the storage unit, and a time-series signal stored in the storage unit based on the time-frequency component, the time-series signal parameter, and the error distribution specific gravity coefficient stored in the storage unit Update unit for updating parameters and error distribution specific gravity coefficient, and time-series signal parameters stored in storage unit are predetermined. A determination unit that determines whether or not a criterion is satisfied, and a parameter output unit that outputs a time-series signal parameter when the determination unit determines that the time-series signal parameter satisfies a predetermined criterion; The update unit calculates a time frequency component distribution amount from a time frequency component, a time series signal parameter, and an error distribution specific gravity coefficient stored in the storage unit, based on Equation 63 described later, Amplitude spectrum base for calculating a new amplitude spectrum base parameter based on Equation 64 described later from the activity coefficient parameter stored in the storage unit and the time frequency component distribution amount calculated by the time frequency component distribution amount calculation unit. Parameter calculation unit, amplitude spectrum basis parameter and activity function stored in storage unit An activity coefficient parameter calculation unit that calculates a new activity coefficient parameter based on an equation 66 described later from the parameter and the time frequency component distribution amount calculated by the time frequency component distribution amount calculation unit; and time frequency component distribution amount calculation A phase spectrum parameter calculation unit that calculates a new phase spectrum parameter from the time frequency component allocation amount calculated by the unit based on Equation 67 described later, and the time frequency component and time series signal parameter stored in the storage unit, An error distribution specific gravity coefficient calculation unit that calculates a new error distribution specific gravity coefficient from the time frequency component distribution amount calculated by the time frequency component distribution amount calculation unit based on Equation 68 described later, and an amplitude spectrum base parameter calculation unit , Activity coefficient parameter calculator, phase spectrum A parameter calculation unit, and a reflection unit that reflects the new value calculated by the error distribution specific gravity coefficient calculation unit in the storage unit, and the update unit has a time series signal parameter that satisfies a predetermined criterion by the determination unit If it is determined that no time-series signal parameters, characterized in that updating the error distribution density coefficient and temporal frequency components distribution amount again.

上記信号解析装置において、判断部は、後述する式70に基づいて算出する目的関数値の変化率が所定値以下になったか否かに基づいて時系列信号パラメータが所定の規準を満たしているか否か判断するものであってもよい。 In the signal analysis device, the determination unit determines whether or not the time-series signal parameter satisfies a predetermined criterion based on whether or not the rate of change of the objective function value calculated based on Equation 70 described later is equal to or less than a predetermined value. It may be what determines .

また、上記問題を解決するために、本発明の一態様である信号解析方法は、時系列信号を時間周波数成分に分解し、記憶部に記憶する時間周波数分解ステップと、振幅スペクトル基底パラメータ、アクティビティ係数パラメータおよび位相スペクトルパラメータからなる時系列信号パラメータ、並びに、誤差配分比重係数および時間周波数成分配分量の各初期値を生成し、記憶部に記憶する初期値生成ステップと、記憶部に記憶されている時間周波数成分、時系列信号パラメータ、および、誤差配分比重係数に基づいて、記憶部に記憶されている時系列信号パラメータおよび誤差配分比重係数を更新する更新ステップと、記憶部に記憶されている時系列信号パラメータが所定の規準を満たしているか否かを判断する判断ステップと、判断ステップによって時系列信号パラメータが所定の規準を満たしていると判断された場合に、時系列信号パラメータを出力するパラメータ出力ステップとを備え、更新ステップは、記憶部に記憶されている時間周波数成分、時系列信号パラメータおよび誤差配分比重係数から、時間周波数成分配分量を後述する式63に基づいて算出する時間周波数成分配分量算出ステップと、記憶部に記憶されているアクティビティ係数パラメータと、時間周波数成分配分量算出ステップによって算出された時間周波数成分配分量とから、新たな振幅スペクトル基底パラメータを後述する式64に基づいて算出する振幅スペクトル基底パラメータ算出ステップと、記憶部に記憶されている振幅スペクトル基底パラメータおよびアクティビティ係数パラメータと、時間周波数成分配分量算出ステップによって算出された時間周波数成分配分量とから、新たなアクティビティ係数パラメータを後述する式66に基づいて算出するアクティビティ係数パラメータ算出ステップと、時間周波数成分配分量算出ステップによって算出された時間周波数成分配分量から、新たな位相スペクトルパラメータを後述する式67に基づいて算出する位相スペクトルパラメータ算出ステップと、記憶部に記憶されている時間周波数成分および時系列信号パラメータと、時間周波数成分配分量算出ステップによって算出された時間周波数成分配分量とから、新たな誤差配分比重係数を後述する式68に基づいて算出する誤差配分比重係数算出ステップと、振幅スペクトル基底パラメータ算出ステップ、アクティビティ係数パラメータ算出ステップ、位相スペクトルパラメータ算出ステップ、および、誤差配分比重係数算出ステップによって算出された新たな値を記憶部に反映させる反映ステップとを有し、更新ステップは、判断ステップによって時系列信号パラメータが所定の規準を満たしていないと判断された場合に、時系列信号パラメータ、誤差配分比重係数および時間周波数成分配分量を再度更新するものであることを特徴とする。 In order to solve the above problem, a signal analysis method according to one aspect of the present invention includes a time-frequency decomposition step of decomposing a time-series signal into time-frequency components and storing it in a storage unit, an amplitude spectrum base parameter, an activity An initial value generation step for generating time series signal parameters including coefficient parameters and phase spectrum parameters, and initial values of error distribution specific gravity coefficient and time frequency component allocation amount , and storing them in a storage unit; An update step for updating the time series signal parameter and the error distribution specific gravity coefficient stored in the storage unit based on the time frequency component, the time series signal parameter and the error distribution specific gravity coefficient stored in the storage unit A determination step for determining whether or not the time series signal parameter satisfies a predetermined criterion; When the time series signal parameters is determined to meet the predetermined criteria by flops, and a parameter output step of outputting the time-series signal parameters, updating step, temporal frequency components stored in the storage unit, A time frequency component distribution amount calculating step for calculating a time frequency component distribution amount from a time series signal parameter and an error distribution specific gravity coefficient based on Equation 63 described later, an activity coefficient parameter stored in the storage unit, and a time frequency component An amplitude spectrum base parameter calculating step for calculating a new amplitude spectrum base parameter based on the expression 64 described later from the temporal frequency component distribution amount calculated by the distribution amount calculating step, and an amplitude spectrum base stored in the storage unit Parameters and activity factor parameters and hours Calculated by the activity coefficient parameter calculation step for calculating a new activity coefficient parameter based on Equation 66 described later and the time frequency component distribution amount calculation step from the time frequency component distribution amount calculated by the frequency component distribution amount calculation step. A phase spectrum parameter calculation step for calculating a new phase spectrum parameter from the time frequency component allocation amount based on Equation 67 described later, a time frequency component and a time-series signal parameter stored in the storage unit, and a time frequency component From the temporal frequency component distribution amount calculated in the distribution amount calculation step, an error distribution specific gravity coefficient calculation step for calculating a new error distribution specific gravity coefficient based on Equation 68 described later, an amplitude spectrum base parameter calculation step, an activity coefficient parameter And a reflection step for reflecting the new value calculated by the error distribution specific gravity coefficient calculation step in the storage unit. If it is determined not to satisfy the predetermined criterion, the time series signal parameters, characterized in that updating the error distribution density coefficient and temporal frequency components distribution amount again.

上記信号解析方法において、判断ステップは、後述する式70に基づいて算出する目的関数値の変化率が所定値以下になったか否かに基づいて時系列信号パラメータが所定の規準を満たしているか否か判断するものであってもよい。 In the signal analysis method, the determination step determines whether or not the time-series signal parameter satisfies a predetermined criterion based on whether or not the rate of change of the objective function value calculated based on Equation 70 described later is equal to or less than a predetermined value. It may be what determines .

また、上記問題を解決するために、本発明の一態様は、上記の信号解析方法の各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラムである。 In order to solve the above problem, one embodiment of the present invention is a program for causing a computer to execute each step of the signal analysis method.

また、上記問題を解決するために、本発明の一態様は、上記のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。 In order to solve the above problem, one embodiment of the present invention is a computer-readable recording medium on which the above program is recorded.

本発明は、観測信号をモデル化する際の、モデルパラメータの推定に関するものである。本発明の特徴は、有限種類のパワー(振幅)スペクトル信号を基底として、各パワースペクトルの混合比と位相スペクトルが自由に時変したものとして音響信号をモデル化し、そのモデルパラメータを推定する効率的な学習方法を提供する点にある。従って、従来は加法性が成り立たない量を規定とした線形結合のモデル化(NMF)でしか得られたかった特殊な効果(類似したパワースペクトル構造が1つの基底として表出される)を、加法性が成り立つ領域でのモデル化の中で実現することができる。また、加法性が成り立つ領域でモデル化することにより、観測データを精緻にモデル化することができる。   The present invention relates to estimation of model parameters when modeling an observation signal. A feature of the present invention is that an acoustic signal is modeled with a mixture ratio and phase spectrum of each power spectrum freely time-varying with a finite type of power (amplitude) spectrum signal as a base, and the model parameters are estimated efficiently. Is to provide a simple learning method. Therefore, a special effect (similar power spectrum structure is expressed as one basis) that has been desired only in the conventional linear combination modeling (NMF) in which the amount of non-additivity does not hold is specified. This can be realized by modeling in a region where In addition, by modeling in a region where the additivity holds, observation data can be modeled precisely.

つまり、本発明によれば、観測データを精緻にモデル化することができるとともに、観測データ中に存在する個々の特徴的な振幅スペクトル構造(あるいはパワースペクトル構造)を表出するようなモデル化が可能となる。また、本発明によれば、観測データから、モデル化のためのパラメータの効率的な学習方法を提供することが可能になる。   That is, according to the present invention, observation data can be modeled precisely, and modeling that expresses individual characteristic amplitude spectrum structures (or power spectrum structures) existing in the observation data can be performed. It becomes possible. Further, according to the present invention, it is possible to provide an efficient learning method of parameters for modeling from observation data.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

A.原理
まず、本発明の原理について説明する。なお、以下の説明において、記号≡は、左辺の式を右辺の式で定義することを意味する。記号←は数値の代入を表す。式中の、文字上部に ̄が付いた文字は、文中において、文字の前に ̄を記載して示す。
A. principle
First, the principle of the present invention will be described. In the following description, the symbol ≡ means that the expression on the left side is defined by the expression on the right side. The symbol ← indicates numerical substitution. Characters with  ̄ at the top of the characters in the formula are indicated with  ̄ before the characters in the sentence.

A−1.音響信号モデル
任意の音響信号の時間周波数成分をFx,tとする。但し、xは周波数ないし対数周波数に対応し、tは時刻である。ここで、Fx,tを次式(1)のように要素cx,k,tの和に分解する。
A-1. Acoustic signal model Let Fx, t be the time-frequency component of an arbitrary acoustic signal. However, x corresponds to a frequency or logarithmic frequency, and t is time. Here, F x, t is decomposed into a sum of elements c x, k, t as shown in the following equation (1).

Figure 0005188319
Figure 0005188319

更に、要素cx,k,tの絶対値を次式(2)のようにHx,kとUk,tの積に分解する。 Further, the absolute value of the element c x, k, t is decomposed into a product of H x, k and U k, t as shown in the following equation (2).

Figure 0005188319
Figure 0005188319

また、分解のスケールの任意性を除くため、   Also, to remove the arbitrary scale of decomposition,

Figure 0005188319
Figure 0005188319

を仮定しておく。Hx,kは、振幅スペクトルパターンであって、時刻に依らずグローバルに決定される。Uk,tは、k番目の振幅スペクトルの係数であって、時刻毎に自由度を持つ。φx,k,tは、k番目の位相スペクトルであって、時刻毎に自由度を持つ。すなわち、実世界の音響信号は、高々K種類の振幅スペクトルの信号だけで構成されており、それぞれの係数と位相スペクトルが自由に時変して実現したものと見なしているわけである。このモデルのもとで、スパースコーディングの考え方と同様にできるだけ係数Uk,tをスパースに、かつ、観測信号とのモデル化誤差を小さくするように振幅スペクトルHx,kと係数Uk,tを学習することで、NMFのように似たパワー(振幅)スペクトル構造が一つの基底となって表出されるような性質をもった複素スペクトル領域のスパース信号分解が可能になる。以上より、次式(4)のようなスパース信号分解表現を提案する。 Is assumed. H x, k is an amplitude spectrum pattern, and is determined globally regardless of time. U k, t is a coefficient of the k-th amplitude spectrum and has a degree of freedom at each time. φ x, k, t is the k-th phase spectrum and has a degree of freedom at each time. In other words, the real-world acoustic signal is composed of at most K kinds of amplitude spectrum signals, and it is considered that each coefficient and phase spectrum are realized by time-varying freely. Under this model, the amplitude spectrum H x, k and the coefficient U k, t are set so that the coefficient U k, t is sparse as much as possible and the modeling error with the observed signal is minimized as in the sparse coding concept. By learning the sparse signal decomposition of the complex spectral region having such a property that a power (amplitude) spectral structure similar to NMF is expressed as one basis can be realized. Based on the above, a sparse signal decomposition expression like the following equation (4) is proposed.

Figure 0005188319
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ところで、NMFでは、時刻に依らずグローバルに決定される振幅スペクトルパターンHx,kがK種類あり、それぞれの係数Uk,tが非負制約のもとで自由に時変していると見なしてスペクトログラムをモデル化していることに相当する。すなわち、 By the way, in NMF, there are K types of amplitude spectrum patterns H x, k that are determined globally regardless of time, and each coefficient U k, t is assumed to be freely time-varying under non-negative constraints. This is equivalent to modeling a spectrogram. That is,

Figure 0005188319
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なので、F≡(Fx,tX×T,H≡(Hx,kX×K,U≡(Uk,tK×Tとすると、なお、記号≡は、左辺の式を右辺の式で定義することを意味する。 Therefore, if F≡ (F x, t ) X × T , H≡ (H x, k ) X × K , U≡ (U k, t ) K × T , the symbol ≡ It means that it is defined by the expression on the right side.

Figure 0005188319
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のように行列の形で書けるわけである。これに対し、式(4)のモデルは、3次元配列ejφx,k,tの存在によりNMFと同じような行列表現ができないことから、NMFやスパースコーディングなどのように行列の積の形で表される従来のスパース信号分解モデルとは性質が異なる。以下、パラメータHk,x,Uk,t,φx,k,tの推定方法について説明する。 Can be written in the form of a matrix. On the other hand, since the model of equation (4) cannot represent a matrix similar to NMF due to the presence of the three-dimensional array e jφx, k, t , it is in the form of a matrix product such as NMF or sparse coding. It is different in nature from the conventional sparse signal decomposition model represented. Hereinafter, a method for estimating the parameters H k, x , U k, t , φ x, k, t will be described.

A−2.スパース信号分解アルゴリズム
Y≡(Yx,tX×T,H≡(Hx,kX×K,U≡(Uk,tK×T,φ≡(φx,k,tX×K×Tとし、Fx,t
A-2. Sparse signal decomposition algorithm Y≡ (Y x, t ) X × T , H≡ (H x, k ) X × K , U≡ (U k, t ) K × T , φ≡ (φ x, k, t ) X x K x T, and F x, t

Figure 0005188319
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と置く。但し、   Put it. However,

Figure 0005188319
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である。また、観測時間周波数成分Yx,tは、 It is. The observation time frequency component Y x, t is

Figure 0005188319
Figure 0005188319

と正規化しておくことにする。さて、ここで、   I will normalize. Now, here

Figure 0005188319
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とし、モデル化誤差εを複素ガウス分布に従う白色雑音と仮定すると、H、Y、φの尤度P(Y|H,U,φ,σ)は、次式(11)で与えられる。 Assuming that the modeling error ε is white noise following a complex Gaussian distribution, the likelihood P (Y | H, U, φ, σ 2 ) of H, Y, φ is given by the following equation (11).

Figure 0005188319
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また、H,U,φ,σは、独立 H, U, φ, and σ 2 are independent.

Figure 0005188319
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とし、更に、スパース性を表すUの事前確率を一般化正規分布   Furthermore, generalized normal distribution with U prior probability representing sparsity

Figure 0005188319
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とし、P(H),P(φ),P(σ)は何れも一様分布とすると、事後確立P(H,U,φ,σ|Y)は、 Assuming that P (H), P (φ), and P (σ 2 ) are uniformly distributed, the posterior establishment P (H, U, φ, σ 2 | Y) is

Figure 0005188319
Figure 0005188319

と書ける。式(14)より、事後確立P(H,U,φ,σ|Y)をH,U,φに関して最大化する問題は、 Can be written. From equation (14), the problem of maximizing the post-establishment P (H, U, φ, σ 2 | Y) with respect to H, U, φ is

Figure 0005188319
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をH,U,φに関して最大化することと等しいので、   Is equivalent to maximizing with respect to H, U, and φ.

Figure 0005188319
Figure 0005188319

を求めればよい。σ、bを予め定めておく定数とすると、以上の最適化問題は以下のようにまとめられる。 You can ask for. Assuming that σ 2 and b are predetermined constants, the above optimization problems can be summarized as follows.

Figure 0005188319
Figure 0005188319

Figure 0005188319
Figure 0005188319

この最適化問題を解くアルゴリズムを補助関数法により導く。その準備として、まず、補助関数法の原理を示す。目的関数G(z)に対し、   An algorithm for solving this optimization problem is derived by the auxiliary function method. As preparation, first, the principle of the auxiliary function method is shown. For the objective function G (z)

Figure 0005188319
Figure 0005188319

が成り立つとき、G(z, ̄z)をG(z)の補助関数、 ̄zを補助変数と定義すると、次の定理が成り立つ。 If G + (z,  ̄z) is defined as an auxiliary function of G (z) and  ̄z is defined as an auxiliary variable, the following theorem holds.

定理(補助関数法):補助関数G(z, ̄z)を、 ̄zに関して最小化するステップと、zに関して最小化するステップを繰り返すと、目的関数値は単調収縮する。 Theorem (auxiliary function method): When the step of minimizing the auxiliary function G + (z,  ̄z) with respect to  ̄z and the step of minimizing with respect to z are repeated, the objective function value contracts monotonously.

証明: ̄zt+1=argmin ̄z(z, ̄z)とし、zt+1=argmin(z, ̄zt+1)とする。但し、tは反復計算のステップ数を表す。z=z, ̄z= ̄zからz=zt+1, ̄z= ̄zt+1に更新されたときに、G(z)が増加しないことを示す。明らかにG(z)=G(z, ̄zt+1)であり、zt+1=argmin(z, ̄zt+1)より、G(z, ̄zt+1)≧G(zt+1, ̄zt+1)である。更に補助関数の定義により、G(zt+1, ̄zt+1)≧G(zt+1)なのだから、結局、G(z)≧G(zt+1)である。 Proof: Let  ̄z t + 1 = argmin  ̄z G + (z t ,) z) and let z t + 1 = argmin z G + (z,  ̄z t + 1 ). However, t represents the number of steps of iterative calculation. z = z t, ¯z = ¯z t from z = z t + 1, when it is updated ¯z = ¯z t + 1, indicating that G (z) does not increase. Obviously G (z t ) = G + (z t ,  ̄z t + 1 ), and from z t + 1 argmin z G + (z,  ̄z t + 1 ), G + (z t ,  ̄z t + 1 ) ≧ G + (Z t + 1 ,  ̄z t + 1 ). Furthermore, since G + (z t + 1 ,  ̄z t + 1 ) ≧ G (z t + 1 ) by the definition of the auxiliary function, G (z t ) ≧ G (z t + 1 ) in the end.

以上の目的関数を適用するため、式(17)で与えられる目的関数f(H,U,φ)の補助関数を、次の2つの不等式を用いて導く。   In order to apply the above objective function, the auxiliary function of the objective function f (H, U, φ) given by Expression (17) is derived using the following two inequalities.

Figure 0005188319
Figure 0005188319

Figure 0005188319
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但し、式(20)は、   However, Formula (20) is

Figure 0005188319
Figure 0005188319

の条件のもとで成り立つ。また、βx,k,tは0<βx,k,t<1,Σβx,k,t=1を満たす任意の定数である。 ̄Y≡( ̄Yx,k,tX×K×T,  ̄U≡( ̄Uk,tK×Tとし、式(20)、式(21)より、 It is established under the conditions of Β x, k, t is an arbitrary constant satisfying 0 <β x, k, t <1, Σ k β x, k, t = 1.  ̄Y≡ ( ̄Y x, k, t ) X × K × T ,  ̄U≡ ( ̄U k, t ) K × T , from Equation (20) and Equation (21),

Figure 0005188319
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とすれば、   given that,

Figure 0005188319
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が成り立つ。更に、   Holds. Furthermore,

Figure 0005188319
Figure 0005188319

Figure 0005188319
Figure 0005188319

のときf(H,U,φ)=f(H,U,φ, ̄Y, ̄U)となるため、f(H,U,φ, ̄Y, ̄U)は補助関数の定義を満たす。以上の結果を用いて、H、U、φの更新式が求められる。Hx,kに関しては、本来、式(18)の条件でf(H,U,φ, ̄Y, ̄U)を最小化する必要があるが、ここでは簡単のため、まず無制限でf(H,U,φ, ̄Y, ̄U)を最小化するHx,kを解析的に求め、それを式(18)を満たすように正規化することにする。 Since f (H, U, φ) = f + (H, U, φ,  ̄ Y,  ̄ U), f + (H, U, φ,  ̄ Y,  ̄ U) is an auxiliary function definition. Meet. Using the above results, update formulas for H, U, and φ are obtained. As for H x, k , f + (H, U, φ,  ̄ Y,  ̄ U) must be minimized under the condition of equation (18). H x, k that minimizes + (H, U, φ,  ̄ Y,  ̄ U) is obtained analytically, and is normalized so as to satisfy Equation (18).

Figure 0005188319
Figure 0005188319

Figure 0005188319
Figure 0005188319

を0と置くと、   Is set to 0,

Figure 0005188319
Figure 0005188319

を得る。但し、   Get. However,

Figure 0005188319
Figure 0005188319

である。ここで、   It is. here,

Figure 0005188319
Figure 0005188319

なので、式(29)は、f(H,U,φ, ̄Y, ̄U)を最小にする更新であることが分かる。これを、式(18)を満たすように正規化したものを式(18)の条件でf(H,U,φ, ̄Y, ̄U)を最小化するHx,kと近似的に見なす。続いて、Uk,tについても同様に、 Therefore, it can be seen that Expression (29) is an update that minimizes f + (H, U, φ,  ̄ Y,  ̄ U). This is normalized to satisfy equation (18) and approximated as H x, k that minimizes f + (H, U, φ,  ̄ Y,  ̄ U) under the condition of equation (18). Consider. Next, for U k, t ,

Figure 0005188319
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Figure 0005188319
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を0と置いて解くと、   And set to 0 and solve

Figure 0005188319
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のように与えられる。ここで、   Is given as follows. here,

Figure 0005188319
Figure 0005188319

なので、式(34)はf(H,U,φ, ̄Y, ̄U)を最小にする更新であることが分かる。 Thus, it can be seen that the equation (34) is an update that minimizes f + (H, U, φ,  ̄ Y,  ̄ U).

次に、φx,k,tの更新式を導く。まず、f(H,U,φ, ̄Y, ̄U)のうちφx,k,tに依らない項をまとめてdと置くと、f(H,U,φ, ̄Y, ̄U)は、 Next, an update formula for φ x, k, t is derived. First, if f + (H, U, φ,  ̄ Y,  ̄ U) and terms that do not depend on φ x, k, t are put together as d, then f + (H, U, φ,  ̄ Y,  ̄ U)

Figure 0005188319
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と書ける。但し、   Can be written. However,

Figure 0005188319
Figure 0005188319

Figure 0005188319
Figure 0005188319

である。COS(φx,k,t−Cx,k,t)=COSφx,k,tCOSCx,k,t+SINφx,k,tSINCx,k,t=1のとき、すなわち、 It is. COS (φ x, k, t −C x, k, t ) = COSφ x, k, t COSC x, k, t + SINφ x, k, t SINC x, k, t = 1, that is,

Figure 0005188319
Figure 0005188319

Figure 0005188319
Figure 0005188319

のとき、f(H,U,φ, ̄Y, ̄U)はφx,k,tに関して最小になる。従って、ejφx,k,tの更新式は、 Then f + (H, U, φ,  ̄ Y,  ̄ U) is minimal with respect to φ x, k, t . Therefore, the update formula for e jφx, k, t is

Figure 0005188319
Figure 0005188319

で与えられる。この更新式によりHx,kとUk,tの更新値の非負性が容易に示される。式(29)、式(34)に式(41)を代入すると、 Given in. This update equation easily indicates non-negativeness of the updated values of H x, k and U k, t . Substituting equation (41) into equations (29) and (34),

Figure 0005188319
Figure 0005188319

Figure 0005188319
Figure 0005188319

となり、Hx,k,Uk,tの初期値が正であれば、Hx,k,Uk,tは常に非負値に更新されることが分かる。 If the initial values of H x, k , U k, t are positive, it can be seen that H x, k , U k, t is always updated to a non-negative value.

以上で導出したアルゴリズムは、特定の条件下でLee らが導出したNMFの乗法更新アルゴリズムと形式的に等価となる。まず、位相スペクトルAの更新を,式(40) により反復的に行う代わりに,ここでは、Aを初期設定時に、   The algorithm derived above is formally equivalent to the NMF multiplicative update algorithm derived by Lee et al. Under certain conditions. First, instead of iteratively updating the phase spectrum A according to equation (40), here, when A is initialized,

Figure 0005188319
Figure 0005188319

と置き、以後その値のまま固定してH、Uのみを反復的に更新する場合について考察する。これにより、   Let us consider a case where only H and U are repetitively updated with the value fixed thereafter. This

Figure 0005188319
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となるから、式(27) にこれを代入すると ̄Yは、   Therefore, when substituting this into equation (27),  ̄Y becomes

Figure 0005188319
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のような更新がなされることになる。これと式(44) を式(32) に代入すると、右辺は、   An update like this will be made. Substituting this and equation (44) into equation (32),

Figure 0005188319
Figure 0005188319

となる。ところで、βx,k,tは、βx,k,t>0、Σβx,k,t=1を満たす範囲で任意に定めて良い定数なので、HやUとともに値を更新したとしてもアルゴリズムの収束性には何ら影響を与えない。そこで、βx,k,tを、 It becomes. By the way, β x, k, t is a constant that can be arbitrarily determined within the range satisfying β x, k, t > 0 and Σ k β x, k, t = 1. Does not affect the convergence of the algorithm. Therefore, let β x, k, t be

Figure 0005188319
Figure 0005188319

のように更新することにすると、Hx,kの更新性は、 Then, the updateability of H x, k is

Figure 0005188319
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と書け、Lee らが導出したFrobeniusノルム規準のもとでの乗法更新式と一致する。U に関しても上記と同様のことが言える。以上の考察より,発明方法は、
(1)NMFと同等に高効率で安定的な動作をすること、
(2)βx,k,tを固定するのではなくH、U、Aとともに式(48) のとおりに更新するのが効果的であること、
(3)(2)を行う場合、Aを式(44) に固定すればNMFと等価なアルゴリズムになるので、反復計算の初期段階でH、UをNMF により推定しておけば局所解問題が極めて効果的に回避できること、などが予想される。
Which is consistent with the multiplicative update formula under the Frobenius norm criterion derived by Lee et al. The same can be said for U 1. From the above consideration, the invention method is
(1) To be as efficient and stable as NMF,
(2) It is effective to update β x, k, t together with H, U, and A as shown in equation (48),
(3) When performing (2), if A is fixed to Equation (44), the algorithm is equivalent to NMF. Therefore, if H and U are estimated by NMF at the initial stage of iterative calculation, the local solution problem can be solved. It is expected that it can be avoided very effectively.

以上より、アルゴリズムは次のようにまとめられる。
1.初期設定
(a)H’、U’は乱数生成により初期設定、φ’とβ’については次式(50)、次式(51)により初期設定。
From the above, the algorithm can be summarized as follows.
1. Initial setting (a) H ′ and U ′ are initialized by random number generation, and φ ′ and β ′ are initially set by the following equations (50) and (51).

Figure 0005188319
Figure 0005188319

Figure 0005188319
Figure 0005188319

(b)Yと前段で設定されたH’、U’、φ’、β’を用いて次式(52)により ̄Y’の初期設定。 (B) Using Y and H ′, U ′, φ ′, and β ′ set in the previous stage, initial setting of  ̄Y ′ is performed by the following equation (52).

Figure 0005188319
Figure 0005188319

2.Hの更新
(a)前段で得られたU’と ̄Y’とφ’とβ’を用いて次式(53)により ̄Hを計算。
2. Update of H (a)  ̄H is calculated by the following equation (53) using U ′,  ̄Y ′, φ ′, and β ′ obtained in the previous stage.

Figure 0005188319
Figure 0005188319

(b)次式(54)により ̄Hを正規化し、Hに代入。 (B) Normalize  ̄H by the following equation (54) and substitute it into H.

Figure 0005188319
Figure 0005188319

3.Uの更新
前段で得られたH=H’とφ’と ̄Y’とβ’を用いて次式(55)によりUを更新。
3. Update U Update U using the following formula (55) using H = H ′, φ ′,  ̄Y ′, and β ′ obtained in the previous stage.

Figure 0005188319
Figure 0005188319

4.φの更新
前段で得られた ̄Y’を用いて次式(56)によりUを更新。
4. Update of φ Update U by the following formula (56) using  ̄Y ′ obtained in the previous stage.

Figure 0005188319
Figure 0005188319

5.βの更新
前段で得られたHとUを用いて次式(57)によりβを更新。
5. Update of β β is updated by the following equation (57) using H and U obtained in the previous stage.

Figure 0005188319
Figure 0005188319

6.  ̄Yの更新
Yと前段で得られたHとUとφとβを用いて次式(58)により ̄Yを更新。
6. Update  ̄Y  ̄Y is updated by the following equation (58) using Y, H, U, φ, and β obtained in the previous stage.

Figure 0005188319
Figure 0005188319

7.H’←H、U’←U、φ’←φ、β’←β、 ̄Y’← ̄Yとして2.に戻る。
8.収束後、H、U、φを出力する。
7. Return to 2 as H ′ ← H, U ′ ← U, φ ′ ← φ, β ′ ← β,  ̄Y ′ ←  ̄Y.
8. After convergence, H, U, and φ are output.

B.本発明の実施形態に係る信号解析装置
以上を踏まえ、本発明の実施形態に係る信号解析装置10について説明する。図1は、本発明の実施形態に係る信号解析装置10の機能ブロック図である。信号解析装置10は、時系列信号を解析し、図1に示すように、記憶部100、時間周波数分解部110、初期値生成部120、更新部130、判断部140およびパラメータ出力部150を備える。更に、更新部130は、時間周波数成分配分量算出部131、振幅スペクトル基底パラメータ算出部132、アクティビティ係数パラメータ算出部133、位相スペクトルパラメータ算出部134、誤差配分比重係数算出部135および反映部136から構成されている。
B. Signal Analysis Device According to Embodiment of the Present Invention Based on the above, the signal analysis device 10 according to the embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a functional block diagram of a signal analysis apparatus 10 according to an embodiment of the present invention. The signal analysis apparatus 10 analyzes a time-series signal and includes a storage unit 100, a time frequency decomposition unit 110, an initial value generation unit 120, an update unit 130, a determination unit 140, and a parameter output unit 150, as shown in FIG. . Further, the update unit 130 includes a time frequency component distribution amount calculation unit 131, an amplitude spectrum base parameter calculation unit 132, an activity coefficient parameter calculation unit 133, a phase spectrum parameter calculation unit 134, an error distribution specific gravity coefficient calculation unit 135, and a reflection unit 136. It is configured.

記憶部100は、振幅スペクトル基底パラメータ、アクティビティ係数パラメータおよび位相スペクトルパラメータからなる時系列信号パラメータ、時間周波数成分、並びに、誤差配分比重係数を記憶するための記憶領域である。また、記憶部100は、時間周波数成分配分量も記憶する。   The storage unit 100 is a storage area for storing a time-series signal parameter including an amplitude spectrum base parameter, an activity coefficient parameter, and a phase spectrum parameter, a time frequency component, and an error distribution specific gravity coefficient. The storage unit 100 also stores a time frequency component distribution amount.

時間周波数分解部110は、時系列信号を時間周波数成分に分解し、記憶部100に記憶(出力)する。   The time-frequency decomposition unit 110 decomposes the time-series signal into time-frequency components and stores (outputs) them in the storage unit 100.

より詳細には、時間周波数分解部110は、時系列信号を入力として、時間周波数成分Yx,tを出力する。x=1,・・・,X,t=1,・・・,Tは、それぞれ周波数、時刻に対応するインデックスとする。時間周波数成分Yx,tは、短時間Fourier変換、ウェーブレット変換など、複数チャネルのフィルタバンク出力による時間周波数分解手段により計算する。また、時間周波数成分Yx,tは、 More specifically, the time-frequency decomposition unit 110 receives a time-series signal and outputs a time-frequency component Y x, t . x = 1,..., X, t = 1,..., T are indices corresponding to frequency and time, respectively. The time-frequency component Y x, t is calculated by time-frequency decomposition means using a filter bank output of a plurality of channels, such as short-time Fourier transform and wavelet transform. Also, the time frequency component Y x, t is

Figure 0005188319
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となるように規格化しておく。   Standardize so that

初期値生成部120は、時系列信号パラメータおよび誤差配分比重係数の各初期値を生成し、記憶部100に記憶(出力)する。   The initial value generation unit 120 generates initial values of the time series signal parameter and the error distribution specific gravity coefficient, and stores (outputs) them in the storage unit 100.

より詳細には、初期値生成部120は、振幅スペクトル基底パラメータH≡(Hx,kX×K, アクティビティ係数パラメータU≡(Uk,tK×T, 位相スペクトルパラメータφ≡(φx,k,tX×K×T, 誤差配分比重係数β≡(βx,k,tX×K×Tの初期値を設定し、それぞれの設定値をH’、U’、φ’、β’とする。 More specifically, the initial value generation unit 120 includes an amplitude spectrum base parameter H≡ (H x, k ) X × K , an activity coefficient parameter U≡ (U k, t ) K × T , a phase spectrum parameter φ≡ (φ x, k, t ) X × K × T , error distribution specific gravity coefficient β≡ (β x, k, t ) Set the initial value of X × K × T , and set the respective set values to H ′, U ′, φ Let ', β'.

また、それぞれの初期値の選択可能範囲は、振幅スペクトル基底パラメータH≡(Hx,kX×Kとアクティビティ係数パラメータU≡(Uk,tK×Tに関しては、次式(60)とする。また、位相スペクトルパラメータφ≡(φx,k,tX×K×Tに関しては次式(61)とし、誤差配分比重係数βに関しては次式(62)とする。 In addition, the selectable range of each initial value is the following equation (60) for the amplitude spectrum base parameter H≡ (H x, k ) X × K and the activity coefficient parameter U≡ (U k, t ) K × T. And The phase spectrum parameter φ≡ (φ x, k, t ) X × K × T is expressed by the following equation (61), and the error distribution specific gravity coefficient β is expressed by the following equation (62).

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時間周波数成分配分量算出部131は、記憶部100に記憶されている時間周波数成分、時系列信号パラメータおよび誤差配分比重係数から、時間周波数成分配分量を算出する。   The time frequency component distribution amount calculation unit 131 calculates the time frequency component distribution amount from the time frequency component, the time series signal parameter, and the error distribution specific gravity coefficient stored in the storage unit 100.

より詳細には、時間周波数成分配分量算出部131は、前段で得られたH’、U’、φ’、β’と時間周波数成分Yx,tとを用いて次式(63)により時間周波数成分配分量 ̄Y’≡( ̄Y’x,k,tX×K×Tを計算する。 More specifically, the time frequency component allocation amount calculation unit 131 uses the H ′, U ′, φ ′, β ′ obtained in the previous stage and the time frequency component Y x, t to calculate the time according to the following equation (63). Frequency component allocation amount  ̄Y′≡ ( ̄Y ′ x, k, t ) X × K × T is calculated.

Figure 0005188319
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また、時間周波数成分配分量算出部131は、判断部140によって時系列信号パラメータが所定の規準を満たしていないと判断された場合に、新たな時間周波数成分配分量を再度算出する。   Also, the time frequency component distribution amount calculation unit 131 recalculates a new time frequency component distribution amount when the determination unit 140 determines that the time series signal parameter does not satisfy a predetermined criterion.

振幅スペクトル基底パラメータ算出部132は、記憶部100に記憶されているアクティビティ係数パラメータと、時間周波数成分配分量算出部131によって算出された時間周波数成分配分量とから、新たな振幅スペクトル基底パラメータを算出する。   The amplitude spectrum base parameter calculation unit 132 calculates a new amplitude spectrum base parameter from the activity coefficient parameter stored in the storage unit 100 and the time frequency component allocation amount calculated by the time frequency component allocation amount calculation unit 131. To do.

より詳細には、振幅スペクトル基底パラメータ算出部132は、前段で得られたU’とφ’と ̄Y’とを用いて次式(64)により振幅スペクトル基底パラメータ ̄H≡(Hx,kX×Kを計算する。 More specifically, the amplitude spectrum basis parameter calculation unit 132 uses the U ′, φ ′, and  ̄Y ′ obtained in the previous stage to calculate the amplitude spectrum basis parameter  ̄H≡ (H x, k ) Calculate X × K.

Figure 0005188319
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但し、(・)は(・)の複素共役を表し、Re[(・)]は(・)の実部を表す。 次に、次式(65)により ̄Hを規格化し、Hに代入する。 However, (•) * represents the complex conjugate of (•), and Re [(•)] represents the real part of (•). Next,  ̄H is normalized by the following equation (65) and substituted for H.

Figure 0005188319
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また、振幅スペクトル基底パラメータ算出部132は、判断部140によって時系列信号パラメータが所定の規準を満たしていないと判断された場合に、新たな振幅スペクトル基底パラメータを再度算出する。   The amplitude spectrum base parameter calculation unit 132 calculates a new amplitude spectrum base parameter again when the determination unit 140 determines that the time-series signal parameter does not satisfy a predetermined criterion.

アクティビティ係数パラメータ算出部133は、記憶部100に記憶されている振幅スペクトル基底パラメータおよびアクティビティ係数パラメータと、時間周波数成分配分量算出部131によって算出された時間周波数成分配分量とから、新たなアクティビティ係数パラメータを算出する。   The activity coefficient parameter calculation unit 133 calculates a new activity coefficient from the amplitude spectrum base parameter and the activity coefficient parameter stored in the storage unit 100 and the time frequency component distribution amount calculated by the time frequency component distribution amount calculation unit 131. Calculate the parameters.

より詳細には、アクティビティ係数パラメータ算出部133は、前段で得られたH’とU’とφ’と ̄Y’とβ’とを用いて次式(66)によりアクティビティ係数パラメータU≡(Uk,tK×Tを計算する。 More specifically, the activity coefficient parameter calculation unit 133 uses the H ′, U ′, φ ′,  ̄Y ′, and β ′ obtained in the previous stage and the activity coefficient parameter U≡ (U k, t ) K × T is calculated.

Figure 0005188319
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また、アクティビティ係数パラメータ算出部133は、判断部140によって時系列信号パラメータが所定の規準を満たしていないと判断された場合に、新たなアクティビティ係数パラメータを再度算出する。   The activity coefficient parameter calculation unit 133 calculates a new activity coefficient parameter again when the determination unit 140 determines that the time series signal parameter does not satisfy a predetermined criterion.

位相スペクトルパラメータ算出部134は、時間周波数成分配分量算出部131によって算出された時間周波数成分配分量から、新たな位相スペクトルパラメータを算出する。   The phase spectrum parameter calculation unit 134 calculates a new phase spectrum parameter from the time frequency component distribution amount calculated by the time frequency component distribution amount calculation unit 131.

より詳細には、位相スペクトルパラメータ算出部134は、前段で得られた ̄Y’を用いて次式(67)により位相スペクトルパラメータφ≡(φx,k,tX×K×Tを計算する。但し、arg(・)は(・)の偏角を表す。 More specifically, the phase spectrum parameter calculation unit 134 calculates the phase spectrum parameter φ≡ (φ x, k, t ) X × K × T by the following equation (67) using  ̄Y ′ obtained in the previous stage. To do. However, arg (·) represents the declination of (·).

Figure 0005188319
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また、位相スペクトルパラメータ算出部134は、判断部140によって時系列信号パラメータが所定の規準を満たしていないと判断された場合に、新たな位相スペクトルパラメータを再度算出する。   The phase spectrum parameter calculation unit 134 calculates a new phase spectrum parameter again when the determination unit 140 determines that the time-series signal parameter does not satisfy a predetermined criterion.

誤差配分比重係数算出部135は、記憶部100に記憶されている時間周波数成分および時系列信号パラメータと、時間周波数成分配分量算出部131によって算出された時間周波数成分配分量とから、新たな誤差配分比重係数を算出する。   The error distribution specific gravity coefficient calculation unit 135 calculates a new error from the time frequency component and time series signal parameter stored in the storage unit 100 and the time frequency component distribution amount calculated by the time frequency component distribution amount calculation unit 131. The distribution specific gravity coefficient is calculated.

誤差配分比重係数を定数とせず反復計算ごとに更新する場合、その更新則は、   If the error distribution specific gravity coefficient is not constant and is updated for each iteration, the update rule is

Figure 0005188319
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のように、   like,

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を満たす範囲内で任意に決めてもよい。   You may decide arbitrarily within the limits which satisfy | fill.

また、誤差配分比重係数算出部135は、判断部140によって時系列信号パラメータが所定の規準を満たしていないと判断された場合に、新たな誤差配分比重係数を再度算出する。   The error distribution specific gravity coefficient calculation unit 135 calculates a new error distribution specific gravity coefficient again when the determination unit 140 determines that the time-series signal parameter does not satisfy a predetermined criterion.

反映部136は、振幅スペクトル基底パラメータ算出部132、アクティビティ係数パラメータ算出部133、位相スペクトルパラメータ算出部134、および、誤差配分比重係数算出部135によって算出された新たな値を記憶部100に反映させる。つまり、反映部136は、前段で得られたH、U、φ、βをH’、U’、φ’、β’に代入する。   The reflection unit 136 causes the storage unit 100 to reflect the new values calculated by the amplitude spectrum base parameter calculation unit 132, the activity coefficient parameter calculation unit 133, the phase spectrum parameter calculation unit 134, and the error distribution specific gravity coefficient calculation unit 135. . That is, the reflecting unit 136 substitutes H, U, φ, and β obtained in the previous stage into H ′, U ′, φ ′, and β ′.

また、反映部136は、判断部140によって時系列信号パラメータが所定の規準を満たしていないと判断された場合に、再度算出された新たな値を記憶部100に反映させる。   In addition, when the determination unit 140 determines that the time-series signal parameter does not satisfy a predetermined criterion, the reflection unit 136 reflects the new value calculated again in the storage unit 100.

判断部140は、記憶部100に記憶されている時系列信号パラメータが所定の規準を満たしているか否かを判断する。   The determination unit 140 determines whether or not the time-series signal parameter stored in the storage unit 100 satisfies a predetermined criterion.

より詳細には、判断部140は、反復計算が所定の回数を満たしたか否か、或いは、反復計算においてパラメータの更新の変化率が所定値以下になったか否か、或いは、目的関数値の変化率が所定値以下になったか否かを判定する。目的関数は次式(70)により計算される。   More specifically, the determination unit 140 determines whether or not the iterative calculation has satisfied a predetermined number of times, or whether or not the change rate of the parameter update in the iterative calculation is equal to or less than a predetermined value, or changes in the objective function value. It is determined whether the rate has become a predetermined value or less. The objective function is calculated by the following equation (70).

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パラメータ出力部150は、判断部140によって時系列信号パラメータが所定の規準を満たしていると判断された場合に、時系列信号パラメータを出力する。   The parameter output unit 150 outputs the time series signal parameter when the judgment unit 140 determines that the time series signal parameter satisfies a predetermined criterion.

続いて、信号解析装置10の動作を説明する。図2は、本発明の実施形態に係る信号解析装置10の動作の一例を示すフローチャートである。   Subsequently, the operation of the signal analyzing apparatus 10 will be described. FIG. 2 is a flowchart showing an example of the operation of the signal analyzing apparatus 10 according to the embodiment of the present invention.

時間周波数分解部110は、時系列信号を時間周波数成分に分解し、分解した時間周波数成分を記憶部100に記憶(出力)する(ステップS100)。初期値生成部120は、時系列信号パラメータおよび誤差配分比重係数の各初期値を生成し、生成した各初期値を記憶部100に記憶(出力)する(ステップS110)。   The time-frequency decomposition unit 110 decomposes the time-series signal into time-frequency components, and stores (outputs) the decomposed time-frequency components in the storage unit 100 (step S100). The initial value generation unit 120 generates initial values of the time series signal parameter and the error distribution specific gravity coefficient, and stores (outputs) the generated initial values in the storage unit 100 (step S110).

時間周波数成分配分量算出部131は、記憶部100に記憶されている時間周波数成分、時系列信号パラメータおよび誤差配分比重係数から、時間周波数成分配分量を算出する(ステップS120)。   The time frequency component distribution amount calculation unit 131 calculates the time frequency component distribution amount from the time frequency component, the time series signal parameter, and the error distribution specific gravity coefficient stored in the storage unit 100 (step S120).

振幅スペクトル基底パラメータ算出部132は、記憶部100に記憶されているアクティビティ係数パラメータと、時間周波数成分配分量算出部131によって算出された時間周波数成分配分量とから、新たな振幅スペクトル基底パラメータを算出する(ステップS130)。アクティビティ係数パラメータ算出部133は、記憶部100に記憶されている振幅スペクトル基底パラメータおよびアクティビティ係数パラメータと、時間周波数成分配分量算出部131によって算出された時間周波数成分配分量とから、新たなアクティビティ係数パラメータを算出する(ステップS140)。位相スペクトルパラメータ算出部134は、時間周波数成分配分量算出部131によって算出された時間周波数成分配分量から、新たな位相スペクトルパラメータを算出する(ステップS150)。誤差配分比重係数算出部135は、記憶部100に記憶されている時間周波数成分および時系列信号パラメータと、時間周波数成分配分量算出部131によって算出された時間周波数成分配分量とから、新たな誤差配分比重係数を算出する(ステップS160)。なお、ステップS130からステップS160までの各ステップの順序は入れ替えてもよい。   The amplitude spectrum base parameter calculation unit 132 calculates a new amplitude spectrum base parameter from the activity coefficient parameter stored in the storage unit 100 and the time frequency component allocation amount calculated by the time frequency component allocation amount calculation unit 131. (Step S130). The activity coefficient parameter calculation unit 133 calculates a new activity coefficient from the amplitude spectrum base parameter and the activity coefficient parameter stored in the storage unit 100 and the time frequency component distribution amount calculated by the time frequency component distribution amount calculation unit 131. A parameter is calculated (step S140). The phase spectrum parameter calculation unit 134 calculates a new phase spectrum parameter from the time frequency component distribution amount calculated by the time frequency component distribution amount calculation unit 131 (step S150). The error distribution specific gravity coefficient calculation unit 135 calculates a new error from the time frequency component and time series signal parameter stored in the storage unit 100 and the time frequency component distribution amount calculated by the time frequency component distribution amount calculation unit 131. A distribution specific gravity coefficient is calculated (step S160). Note that the order of each step from step S130 to step S160 may be changed.

反映部136は、振幅スペクトル基底パラメータ算出部132、アクティビティ係数パラメータ算出部133、位相スペクトルパラメータ算出部134、および、誤差配分比重係数算出部135によって算出された新たな値を記憶部100に反映させる(ステップS170)。   The reflection unit 136 causes the storage unit 100 to reflect the new values calculated by the amplitude spectrum base parameter calculation unit 132, the activity coefficient parameter calculation unit 133, the phase spectrum parameter calculation unit 134, and the error distribution specific gravity coefficient calculation unit 135. (Step S170).

判断部140は、記憶部100に記憶されている時系列信号パラメータが所定の規準を満たしているか否かを判断する(ステップS180)。   The determination unit 140 determines whether or not the time series signal parameter stored in the storage unit 100 satisfies a predetermined criterion (step S180).

記憶部100に記憶されている時系列信号パラメータが所定の規準を満たしていると判断部140にて判断された場合には(ステップS180:Yes)、パラメータ出力部150は、時系列信号パラメータを出力する(ステップS190)。そして、本フローチャートは終了する。   When the determination unit 140 determines that the time series signal parameter stored in the storage unit 100 satisfies a predetermined criterion (step S180: Yes), the parameter output unit 150 sets the time series signal parameter. Output (step S190). Then, this flowchart ends.

一方、記憶部100に記憶されている時系列信号パラメータが所定の規準を満たしていないと判断部140にて判断された場合には(ステップS180:No)、ステップS120に戻る。つまり、記憶部100に記憶されている時系列信号パラメータが所定の規準を満たすようになるまで(所定の規準に収束するまで)、ステップS120からステップS180を繰り返し実行する。   On the other hand, when the determination unit 140 determines that the time-series signal parameter stored in the storage unit 100 does not satisfy the predetermined criterion (step S180: No), the process returns to step S120. That is, steps S120 to S180 are repeatedly executed until the time-series signal parameters stored in the storage unit 100 satisfy a predetermined criterion (until they converge to the predetermined criterion).

なお、図2に示すフローチャートは、図3に示すフローチャートによっても表現である。図3は、本発明の実施形態に係る信号解析装置10の動作の一例を示すフローチャートである。   The flowchart shown in FIG. 2 is also expressed by the flowchart shown in FIG. FIG. 3 is a flowchart showing an example of the operation of the signal analyzing apparatus 10 according to the embodiment of the present invention.

周波数解析過程:時系列信号を入力として時間周波数成分を出力する(ステップS200)。図2のステップS100に相当する。   Frequency analysis process: A time-frequency signal is output by inputting a time-series signal (step S200). This corresponds to step S100 in FIG.

初期時系列信号パラメータ生成過程:振幅スペクトル基底パラメータ、アクティビティ係数パラメータ、位相スペクトルパラメータからなる時系列信号パラメータ、および、誤差配分比重係数の初期値を生成する(ステップS210)。図2のステップS110に相当する。   Initial time-series signal parameter generation process: Generates time-series signal parameters including amplitude spectrum base parameters, activity coefficient parameters, and phase spectrum parameters, and initial values of error distribution specific gravity coefficients (step S210). This corresponds to step S110 in FIG.

時間周波数成分配分量出力過程:周波数解析過程において出力された時間周波数成分と、前段で得られた時系列信号パラメータと誤差配分比重係数を用いて時間周波数成分配分量を出力する(ステップS220)。図2のステップS120に相当する。   Time frequency component allocation amount output process: The time frequency component allocation amount is output using the time frequency component output in the frequency analysis process, the time series signal parameter obtained in the previous stage, and the error distribution specific gravity coefficient (step S220). This corresponds to step S120 in FIG.

振幅スペクトル基底パラメータ更新値計算過程:前段で得られたアクティビリティ係数パラメータと、時間周波数成分配分量とを入力として振幅スペクトル基底パラメータの更新値を計算する(ステップS230)。図2のステップS130に相当する。   Amplitude spectrum base parameter update value calculation process: The update value of the amplitude spectrum base parameter is calculated using the activity coefficient parameter obtained in the previous stage and the time frequency component allocation amount as inputs (step S230). This corresponds to step S130 in FIG.

アクティビティ係数パラメータ更新値計算過程:前段で得られた振幅スペクトル基底パラメータと、アクティビリティ係数パラメータと、時間周波数成分配分量とを入力としてアクティビティ係数の更新値を計算する(ステップS240)。図2のステップS140に相当する。   Activity coefficient parameter update value calculation process: The activity coefficient update value is calculated by inputting the amplitude spectrum base parameter, the activity coefficient parameter, and the time-frequency component allocation amount obtained in the previous stage (step S240). This corresponds to step S140 in FIG.

位相スペクトルパラメータ更新値計算過程:前段で得られた時間周波数成分配分量を用いて位相スペクトルパラメータの更新値を計算する(ステップS250)。図2のステップS150に相当する。   Phase spectrum parameter update value calculation process: The update value of the phase spectrum parameter is calculated using the time frequency component allocation amount obtained in the previous stage (step S250). This corresponds to step S150 in FIG.

誤差配分比重係数更新値計算過程:周波数解析過程において出力された観測時間周波数成分と、前段で得られた時系列信号パラメータと、時間周波数成分配分量とを入力として誤差配分比重係数の更新値を計算する(ステップS260)。図2のステップS160に相当する。   Error distribution specific gravity coefficient update value calculation process: The update value of the error distribution specific gravity coefficient is input using the observation time frequency component output in the frequency analysis process, the time series signal parameter obtained in the previous stage, and the time frequency component distribution amount as inputs. Calculate (step S260). This corresponds to step S160 in FIG.

パラメータ更新過程:振幅スペクトル基底パラメータ更新値計算過程とアクティビティ係数パラメータ更新値計算過程と位相スペクトルパラメータ更新値計算過程において算出された値を時系列信号パラメータに代入し、誤差配分比重係数更新計算過程において算出された値を誤差配分比重係数に代入する(ステップS270)。図2のステップS170に相当する。   Parameter update process: The value calculated in the amplitude spectrum base parameter update value calculation process, activity coefficient parameter update value calculation process, and phase spectrum parameter update value calculation process is substituted into the time series signal parameter, and in the error distribution specific gravity coefficient update calculation process The calculated value is substituted into the error distribution specific gravity coefficient (step S270). This corresponds to step S170 in FIG.

収束判定過程:時系列信号パラメータが所定の規準を満たしているかどうかを判定し、満たしていない場合には、時間周波数成分配分量更新過程と、振幅スペクトル基底パラメータ更新値計算過程と、アクティビティ係数パラメータ更新値計算過程と、位相スペクトルパラメータ更新値計算過程と、誤差配分比重係数更新値計算過程と、パラメータ更新過程とを行なわせる(ステップS280)。図2のステップS180(No)に相当する。   Convergence determination process: It is determined whether or not the time series signal parameter satisfies a predetermined criterion. If not, the time frequency component allocation amount update process, the amplitude spectrum base parameter update value calculation process, and the activity coefficient parameter An update value calculation process, a phase spectrum parameter update value calculation process, an error distribution specific gravity coefficient update value calculation process, and a parameter update process are performed (step S280). This corresponds to step S180 (No) in FIG.

時系列パラメータ出力過程:収束判定過程において所定の規準を満たすと判定された時系列信号パラメータを出力する(ステップS290)。図2のステップS180(Yes)およびステップS190に相当する。   Time-series parameter output process: A time-series signal parameter determined to satisfy a predetermined criterion in the convergence determination process is output (step S290). This corresponds to step S180 (Yes) and step S190 in FIG.

以上、本発明によれば、観測データを精緻にモデル化することができるとともに、観測データ中に存在する個々の特徴的な振幅スペクトル構造(あるいはパワースペクトル構造)を表出するようなモデル化が可能となる。また、観測データから、モデル化のためのパラメータの効率的な学習方法を提供することが可能になるという効果を得ることができる。   As described above, according to the present invention, observation data can be modeled precisely, and modeling that expresses individual characteristic amplitude spectrum structures (or power spectrum structures) existing in the observation data can be performed. It becomes possible. In addition, it is possible to obtain an effect that it is possible to provide an efficient learning method of parameters for modeling from observation data.

なお、図2のフローチャートの各ステップを実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、当該記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、信号解析装置10に係る上述した種々の処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものであってもよい。また、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、フラッシュメモリ等の書き込み可能な不揮発性メモリ、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。   2 is recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on the recording medium is read into a computer system and executed, thereby executing a signal analyzing apparatus. 10 may be performed. Here, the “computer system” may include an OS and hardware such as peripheral devices. Further, the “computer system” includes a homepage providing environment (or display environment) if a WWW system is used. The “computer-readable recording medium” means a flexible disk, a magneto-optical disk, a ROM, a writable nonvolatile memory such as a flash memory, a portable medium such as a CD-ROM, a hard disk built in a computer system, etc. This is a storage device.

さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ(例えばDRAM(Dynamic Random Access Memory))のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク(通信網)や電話回線等の通信回線(通信線)のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であっても良い。   Further, the “computer-readable recording medium” means a volatile memory (for example, DRAM (Dynamic DRAM) in a computer system that becomes a server or a client when a program is transmitted through a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line. Random Access Memory)), etc., which hold programs for a certain period of time. The program may be transmitted from a computer system storing the program in a storage device or the like to another computer system via a transmission medium or by a transmission wave in the transmission medium. Here, the “transmission medium” for transmitting the program refers to a medium having a function of transmitting information, such as a network (communication network) such as the Internet or a communication line (communication line) such as a telephone line. The program may be for realizing a part of the functions described above. Furthermore, what can implement | achieve the function mentioned above in combination with the program already recorded on the computer system, and what is called a difference file (difference program) may be sufficient.

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。   The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes designs and the like that do not depart from the gist of the present invention.

本発明の実施形態に係る信号解析装置10の機能ブロック図である。1 is a functional block diagram of a signal analysis device 10 according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る信号解析装置10の動作の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of operation | movement of the signal analyzer 10 which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る信号解析装置10の動作の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of operation | movement of the signal analyzer 10 which concerns on embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 信号解析装置 100 記憶部 110 時間周波数分解部 120 初期値生成部 130 更新部 131 時間周波数成分配分量算出部 132 振幅スペクトル基底パラメータ算出部 133 アクティビティ係数パラメータ算出部 134 位相スペクトルパラメータ算出部 135 誤差配分比重係数算出部 136 反映部 140 判断部 150 パラメータ出力部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Signal analysis apparatus 100 Storage part 110 Time frequency decomposition part 120 Initial value generation part 130 Update part 131 Time frequency component allocation amount calculation part 132 Amplitude spectrum base parameter calculation part 133 Activity coefficient parameter calculation part 134 Phase spectrum parameter calculation part 135 Error distribution Specific gravity coefficient calculation unit 136 reflection unit 140 determination unit 150 parameter output unit

Claims (6)

時系列信号を解析する信号解析装置であって、
振幅スペクトル基底パラメータ、アクティビティ係数パラメータおよび位相スペクトルパラメータからなる時系列信号パラメータ、時間周波数成分、並びに、誤差配分比重係数および時間周波数成分配分量を記憶するための記憶部と、
時系列信号を時間周波数成分に分解し、前記記憶部に記憶する時間周波数分解部と、
前記時系列信号パラメータおよび前記誤差配分比重係数の各初期値を生成し、前記記憶部に記憶する初期値生成部と、
前記記憶部に記憶されている前記時間周波数成分、前記時系列信号パラメータ、および、前記誤差配分比重係数に基づいて、前記記憶部に記憶されている前記時系列信号パラメータおよび前記誤差配分比重係数を更新する更新部と、
前記記憶部に記憶されている前記時系列信号パラメータが所定の規準を満たしているか否かを判断する判断部と、
前記判断部によって前記時系列信号パラメータが所定の規準を満たしていると判断された場合に、前記時系列信号パラメータを出力するパラメータ出力部と
を備え、
前記更新部は、
前記記憶部に記憶されている前記時間周波数成分、前記時系列信号パラメータおよび前記誤差配分比重係数から、時間周波数成分配分量を下記式1に基づいて算出する時間周波数成分配分量算出部と、
Figure 0005188319
前記記憶部に記憶されている前記アクティビティ係数パラメータと、前記時間周波数成分配分量算出部によって算出された前記時間周波数成分配分量とから、新たな振幅スペクトル基底パラメータを下記式2に基づいて算出する振幅スペクトル基底パラメータ算出部と、
Figure 0005188319
前記記憶部に記憶されている前記振幅スペクトル基底パラメータおよび前記アクティビティ係数パラメータと、前記時間周波数成分配分量算出部によって算出された前記時間周波数成分配分量とから、新たなアクティビティ係数パラメータを下記式3に基づいて算出するアクティビティ係数パラメータ算出部と、
Figure 0005188319
前記時間周波数成分配分量算出部によって算出された前記時間周波数成分配分量から、新たな位相スペクトルパラメータを下記式4に基づいて算出する位相スペクトルパラメータ算出部と、
Figure 0005188319
前記記憶部に記憶されている前記時間周波数成分および前記時系列信号パラメータと、前記時間周波数成分配分量算出部によって算出された前記時間周波数成分配分量とから、新たな誤差配分比重係数を下記式5に基づいて算出する誤差配分比重係数算出部と、
Figure 0005188319
前記振幅スペクトル基底パラメータ算出部、前記アクティビティ係数パラメータ算出部、前記位相スペクトルパラメータ算出部、および、前記誤差配分比重係数算出部によって算出された新たな値を前記記憶部に反映させる反映部と
を有し、
前記更新部は、
前記判断部によって前記時系列信号パラメータが所定の規準を満たしていないと判断された場合に、前記時系列信号パラメータ、前記誤差配分比重係数および前記時間周波数成分配分量を再度更新
するものであることを特徴とする信号解析装置。
A signal analyzer for analyzing time series signals,
A storage unit for storing a time series signal parameter composed of an amplitude spectrum base parameter, an activity coefficient parameter and a phase spectrum parameter, a time frequency component, and an error distribution specific gravity coefficient and a time frequency component distribution amount ;
A time-frequency decomposition unit that decomposes a time-series signal into time-frequency components and stores the time-series signal in the storage unit;
Generating initial values of the time-series signal parameters and the error distribution specific gravity coefficient, and storing the initial values in the storage unit;
Based on the time frequency component, the time series signal parameter, and the error distribution specific gravity coefficient stored in the storage unit, the time series signal parameter and the error distribution specific gravity coefficient stored in the storage unit are An update section to update;
A determination unit that determines whether or not the time-series signal parameter stored in the storage unit satisfies a predetermined criterion;
A parameter output unit that outputs the time-series signal parameter when the determination unit determines that the time-series signal parameter satisfies a predetermined criterion;
The update unit
A time frequency component distribution amount calculation unit that calculates a time frequency component distribution amount from the time frequency component stored in the storage unit, the time series signal parameter, and the error distribution specific gravity coefficient based on the following equation 1.
Figure 0005188319
Based on the activity coefficient parameter stored in the storage unit and the temporal frequency component allocation amount calculated by the temporal frequency component allocation amount calculation unit, a new amplitude spectrum base parameter is calculated based on the following Equation 2. An amplitude spectrum basis parameter calculation unit;
Figure 0005188319
From the amplitude spectrum base parameter and the activity coefficient parameter stored in the storage unit and the time frequency component allocation amount calculated by the time frequency component allocation amount calculation unit, a new activity coefficient parameter is expressed by the following equation (3). An activity coefficient parameter calculation unit to calculate based on
Figure 0005188319
A phase spectrum parameter calculation unit that calculates a new phase spectrum parameter from the time frequency component distribution amount calculated by the time frequency component distribution amount calculation unit based on the following Equation 4.
Figure 0005188319
From the time frequency component and the time-series signal parameter stored in the storage unit and the time frequency component distribution amount calculated by the time frequency component distribution amount calculation unit, a new error distribution specific gravity coefficient is expressed by the following equation: An error distribution specific gravity coefficient calculation unit to calculate based on 5,
Figure 0005188319
A reflection unit for reflecting the new value calculated by the amplitude spectrum base parameter calculation unit, the activity coefficient parameter calculation unit, the phase spectrum parameter calculation unit, and the error distribution specific gravity coefficient calculation unit to the storage unit;
Have
The update unit
When the determination unit determines that the time series signal parameter does not satisfy a predetermined criterion, the time series signal parameter, the error distribution specific gravity coefficient, and the time frequency component distribution amount are updated again . A signal analyzer characterized by being a thing.
前記判断部は、下記式6に基づいて算出する目的関数値の変化率が所定値以下になったか否かに基づいて前記時系列信号パラメータが所定の規準を満たしているか否か判断するものである
Figure 0005188319
ことを特徴とする請求項1に記載の信号解析装置。
The determination unit determines whether or not the time series signal parameter satisfies a predetermined criterion based on whether or not the rate of change of the objective function value calculated based on the following equation 6 is equal to or less than a predetermined value. is there
Figure 0005188319
The signal analysis apparatus according to claim 1.
時系列信号を解析する信号解析方法であって、
時系列信号を時間周波数成分に分解し、記憶部に記憶する時間周波数分解ステップと、
振幅スペクトル基底パラメータ、アクティビティ係数パラメータおよび位相スペクトルパラメータからなる時系列信号パラメータ、並びに、誤差配分比重係数および時間周波数成分配分量の各初期値を生成し、記憶部に記憶する初期値生成ステップと、
記憶部に記憶されている前記時間周波数成分、前記時系列信号パラメータ、および、前記誤差配分比重係数に基づいて、記憶部に記憶されている前記時系列信号パラメータおよび前記誤差配分比重係数を更新する更新ステップと、
記憶部に記憶されている前記時系列信号パラメータが所定の規準を満たしているか否かを判断する判断ステップと、
前記判断ステップによって前記時系列信号パラメータが所定の規準を満たしていると判断された場合に、前記時系列信号パラメータを出力するパラメータ出力ステップと
を備え、
前記更新ステップは、
記憶部に記憶されている前記時間周波数成分、前記時系列信号パラメータおよび前記誤差配分比重係数から、時間周波数成分配分量を下記式7に基づいて算出する時間周波数成分配分量算出ステップと、
Figure 0005188319
記憶部に記憶されている前記アクティビティ係数パラメータと、前記時間周波数成分配分量算出ステップによって算出された前記時間周波数成分配分量とから、新たな振幅スペクトル基底パラメータを下記式8に基づいて算出する振幅スペクトル基底パラメータ算出ステップと、
Figure 0005188319
記憶部に記憶されている前記振幅スペクトル基底パラメータおよび前記アクティビティ係数パラメータと、前記時間周波数成分配分量算出ステップによって算出された前記時間周波数成分配分量とから、新たなアクティビティ係数パラメータを下記式9に基づいて算出するアクティビティ係数パラメータ算出ステップと、
Figure 0005188319
前記時間周波数成分配分量算出ステップによって算出された前記時間周波数成分配分量から、新たな位相スペクトルパラメータを下記式10に基づいて算出する位相スペクトルパラメータ算出ステップと、
Figure 0005188319
記憶部に記憶されている前記時間周波数成分および前記時系列信号パラメータと、前記時間周波数成分配分量算出ステップによって算出された前記時間周波数成分配分量とから、新たな誤差配分比重係数を下記式11に基づいて算出する誤差配分比重係数算出ステップと、
Figure 0005188319
前記振幅スペクトル基底パラメータ算出ステップ、前記アクティビティ係数パラメータ算出ステップ、前記位相スペクトルパラメータ算出ステップ、および、前記誤差配分比重係数算出ステップによって算出された新たな値を記憶部に反映させる反映ステップと
を有し、
前記更新ステップは、
前記判断ステップによって前記時系列信号パラメータが所定の規準を満たしていないと判断された場合に、前記時系列信号パラメータ、前記誤差配分比重係数および前記時間周波数成分配分量を再度更新するものであることを特徴とする信号解析方法。
A signal analysis method for analyzing a time series signal,
A time-frequency decomposition step of decomposing the time-series signal into time-frequency components and storing the time-series signal in a storage unit;
An initial value generation step of generating respective initial values of a time series signal parameter composed of an amplitude spectrum base parameter, an activity coefficient parameter and a phase spectrum parameter, and an error distribution specific gravity coefficient and a time frequency component allocation amount , and storing them in a storage unit;
Based on the time-frequency component, the time-series signal parameter, and the error distribution specific gravity coefficient stored in the storage unit, the time-series signal parameter and the error distribution specific gravity coefficient stored in the storage unit are updated. An update step;
A determination step of determining whether or not the time-series signal parameter stored in the storage unit satisfies a predetermined criterion;
A parameter output step for outputting the time-series signal parameter when the time-series signal parameter is determined to satisfy a predetermined criterion by the determination step;
The update step includes:
A time frequency component distribution amount calculating step for calculating a time frequency component distribution amount from the time frequency component stored in the storage unit, the time series signal parameter, and the error distribution specific gravity coefficient based on the following equation 7;
Figure 0005188319
Amplitude for calculating a new amplitude spectrum base parameter from the activity coefficient parameter stored in the storage unit and the temporal frequency component allocation amount calculated in the temporal frequency component allocation amount calculating step based on the following equation 8. A spectral basis parameter calculating step;
Figure 0005188319
From the amplitude spectrum base parameter and the activity coefficient parameter stored in the storage unit, and the time frequency component allocation amount calculated by the time frequency component allocation amount calculation step, a new activity coefficient parameter is expressed by the following equation (9). An activity coefficient parameter calculation step to be calculated based on,
Figure 0005188319
A phase spectrum parameter calculation step of calculating a new phase spectrum parameter based on the following equation 10 from the time frequency component distribution amount calculated by the time frequency component distribution amount calculation step;
Figure 0005188319
From the time frequency component and time series signal parameter stored in the storage unit and the time frequency component distribution amount calculated by the time frequency component distribution amount calculation step, a new error distribution specific gravity coefficient is expressed by the following equation (11). An error distribution specific gravity coefficient calculating step to calculate based on
Figure 0005188319
A reflection step of reflecting the new value calculated by the amplitude spectrum basis parameter calculation step, the activity coefficient parameter calculation step, the phase spectrum parameter calculation step, and the error distribution specific gravity coefficient calculation step in a storage unit;
Have
The updating step includes
When the time-series signal parameter by said determining step is determined not to satisfy the predetermined criterion, the time-series signal parameters, said is to error distribution density coefficient and updating the time-frequency component distribution amount again A signal analysis method characterized by the above.
前記判断ステップは、下記式12に基づいて算出する目的関数値の変化率が所定値以下になったか否かに基づいて前記時系列信号パラメータが所定の規準を満たしているか否か判断するものである
Figure 0005188319
ことを特徴とする請求項3に記載の信号解析方法。
The determination step determines whether or not the time series signal parameter satisfies a predetermined criterion based on whether or not the rate of change of the objective function value calculated based on the following equation 12 is equal to or less than a predetermined value. is there
Figure 0005188319
The signal analysis method according to claim 3.
請求項3又は4に記載の信号解析方法の各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラム。  The program for making a computer perform each step of the signal analysis method of Claim 3 or 4. 請求項5に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。  A computer-readable recording medium on which the program according to claim 5 is recorded.
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