JPS58105294A - 信号波形認識方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 殉Ｉｊ！０ｔＩｔ術分舒 本発−は、音声等の認識方式に係Ｄ、４１に残差波形電
力法を改嵐した信号波形認識方式に関する。

発明の技術的背景 現在、音声波形処理技術の中心となっているのは、フイ
Ｖタバンクシステ＾と線形予測法である。

フイＶタパンクシステム拡、処理が簡単であるものの、
バンドバスフイＶりの数などに制限がある。

線形予測法は、その方式のほとんどが入力系列より予測
係数を求めＪ予測係数をある１に則によｐ変形すること
によって特徴を抽出して゛いる。それはスペクトルであ
るとかホ＃／マント周波数ある％Ａは声道断爾積関数で
ある。予測係歓會求めるためには膨大な計算−必要であ
るが、これらの方式は、認識処理時間内に予測係数を求
める時間が含まれる丸め、計算時間は多くなる。ところ
が、予じめ予測係数を求めておき、かつその予測係数を
用いて時間領域の処ｍを行えば、処理時間は短くなる。

すでに発表さ・れている方式の中で、残差波形電力法が
こＯ方式ＫＴｏたる＠ Ｉｌ１図Ｋｌａ差波形電力法を用いた資声認識装置の一
例を示す。ａｌにおいて、“１はフィルタ群、ｌは１最
和回路群、３は判定回路である。フイ〜り群１ｔ！Ｌ個
のフィシ−ｔｌ（ｊ＝ｔ、ｚ、・・・、Ｌ）からなり、
これらに対応して自乗和回路ヱもＬ個の自乗和回蕗２１
　（’　＝１　ｅ　２−・・・ｔ　”　）からなる。個
数り嬬入力音声信号を識別すべきカテゴリの数に対応し
、例えば日本語の母音（半母音を含まず）ｔ−識別する
場合にはＬ＝Ｓである。

カテゴリが未知なる入力音声信号は、Δを時間間隔でサ
ンプリングされ友人力信号系列（＃−町Ｖ町〜 としてフィルタ群１に供給される。フィルターｊは、そ
の伝達関数ＡＪ（、＞が、 Ａ（１）＝　１　、ｊｚ″″ｋ −Ｏｋ として示されるもので、フィルタ１１の出力信号系列を
（＃、）　とすれば、 ＃’＝　５：　　ｍ’ｓ ＩＩ　　ｋ＝・　ｋ　　ａ−に なる差分形式で示される演算を行なう。ここで、ａｋ　
　はカテゴリ内を代表する標準音声信号系列について予
じめ算出した線形予測係数である。係数（ｇ’：）はカ
テゴリ毎に、入力信号系列としてそのカテゴリの標準音
声信号系列が供給された場合に扛、その出力信号系列（
−）の自乗和か最小になるように選ばれる。したがって
、出力信号系列（＃青）は入力信号と標準音声信号との
差を示してお）、残差波形系列又は予測誤差系列と呼ば
れる。

自乗和回路２１は、このような残差のパワーＰ１を計算
するもので、 で示される・も・、Ｌ１人力信号系列がカテゴリ（匂か
らのものであれば、Ｐｋが最小となる。したがって判定
回路３によりＰｊ（Ｊ＝ｌ、ｚ、・・・、Ｌ）の中から
最小値を探し、そのカテゴリ名を入力信号系列が属する
カテゴリとして出力する。

背景技術の問題点 上述した残差波形電力法は、入力音声信号の実際の値と
予欄値の差をとシ、その差の自乗和の大小（よって識別
判定を行う手法である。ところが線形予測係数（ｇｋｌ
は固定でＴｏシ、話者によ）変動する（もしくは変形す
５る）音声波形をそのまま部属し九のではＩＩＩＫＩＩ
ＩＩＩＯＪ［因となる。

いま、話者による音声発生機構Ｃ声道）をモデル化すれ
ば、音声信号系列（＃−を伝達関数の極が（α。）二、
、　　で与えられる生成フィルタのインパルス応答とし
て近似できる。すなわち、話者がカテゴリに）の音声（
これをＡ　を時間間隔でサンプリングしたものが信号系
列（Ｘ、）となる）ｔ−発生する過１１は、声道の伝達
関数が０４＋である生成フィルタに、単位インパルスを
与えたものとなる。

ここで、 である。第１図に示したカテゴリに）の７−イルタＩＪ
は、この生成フィルタとは逆の特性を持つ合成７なる関
係に設定される。したがって、ある特定の話者に対して
予じめ線形予測係数（−、）を決定しておけば、その特
定の話者の発生し主音声信号系列については、残差波形
電力法により正しく認識することができる。

しかしながら、他の話者が発生する音声は、上記したモ
デャで示せば、その極が２平面上で変動したものとな９
、生成フィルタの伝達関数は個人差によｐ変動する。正
し％Ａｌｌ識結果を得るためには、例えば話者が変わり
九場合、１１１１１図のフイＶり詳１の特性を変更しな
ければならない。具体的には、例えば認識装置を利用す
る話者毎に夫々固有の線形予測係数を予じめ求めておい
て、実際に利用する話者に応じて固有の線形予測係数！
フィルタ群に与えるようＫしなければならない。したが
って、残差波形電力法を用いた音声１ＩｌｌＩＩ装置は
、特定された小数の話者に対しては優れているが、不特
定の多数の話者が利用すると、その個人差により正しく
認識することが着しく困難で６つ大。

発明の目的 本発明は、ｊｌ＆麺波形電力法を改喪し、不特定の話者
が発生した変動もしく鉱変形を受けた音声波形等の信号
波Ｓｔ−高精度で識別可能な信号波形認識方式−提供す
ることを目的とする。

発明の構成及び効果 カテゴリが未知なる入力信号系列を、ＬＩｉ類のカテゴ
リの既知なる標準信号系列に対応する線形予測係数をイ
ンパシス応答波形とするフィＶりを介して残差波形系列
を得、この残差波形系列の自乗和出力によシ入力信号系
列の属するカテゴリを決定する認識方式において、前記
入力信号系列の変動を表わす補助波形系列を抽出する他
のフィルタを各カテゴリ毎に設け、前記残差波形系列か
ら前記補助波形系列の成分を除いた極性誤差系列の自乗
和を求め、各カテゴリ毎に得られる極性誤差系列の自乗
和出力から前記入力信号系列の属するカテゴリを決定す
ることを特徴と・す・る。

しかして、入力信号系列として音声波形が供給される音
声認識システムにあっては、個人差の影響を除き、不特
定話者に対して高精度な識別を行なうことができる。ｔ
ｉ音声波形Ｋ１１ｌられす、各種の入力信号波形の識別
に際し、その変形や変動に強Ｖ％識別を行なうことがで
きる。

発明の実施例 第２図に本発明を用−た例えば母音の識別を行なう音声
認識システムのブロック図を示す。図において、１０１
〜ＩＯＬは入力音声信号系列（Ｘ、）を識別すべきカテ
ゴリＡ　、（’＝１？　２−・・・、Ｌ）　　の夫々に
対応して設けられた極性誤差計算回路、　１１は各極性
誤差計算回路の出力から入力音声信号系列（Ｓ−の属す
るカテゴリを決定する判定回路である。以下の説明では
入力音声信号系列としては、図示しなりｈ　Ａ　／　Ｄ
変換器等によ）音声信号をム１時間間隔でサンプリング
された直列又は並列の入力ディジタに信号系列（、ｊＪ
　　　が供給されるも一１０ のとする。

極性誤差計算回路１０４（ｊ＝１．２．・・・、Ｌ）は
入力音声信号系列（Ｘ−から極性誤差系列（ｒカ）（１
＝１．２．・・・、Ｌ）の自乗和Ｐｊ（Ｊ＝１．２．・
・・、Ｌ）を計算する回路である。回路１０４は前述し
九残差波形電力法で用いる逆フィルタに加えて、入力信
号系列の変動成分上表わす補助波形系列」μ４）（ｊ＝
ｔ、２．・・・＊Ｊｊ＝１ｅ２＠・・・、Ｉ）　ｔ−抽
出するためのフィシ−を有する。上記極性誤差系列（ｒ
、）は、逆フィルタより得られる残差波形系列（ｇ、）
（ｊ＝ｘ、２．・・・、Ｌ）からそのカテゴｖ　（１）
に対応する補助波形系列（μ、ｎ）（暴＝１，２．−・
・、Ｉ）ｔ−ペクトＶ的に差し引いて得られる系列であ
る。その自乗和ｐｊ　＝＝単カケ判定回路０゜構成ゆ、
中。最小値ＰＪ′□と。

カテゴリ（４を選択するものである。

薦３図に本発明の一実施例を示す。本実施例は第２図に
おけるカテゴリに）の極性誤差計算回路１０３のみの構
成を示すｔのであるが、他のカテゴリについても同様に
構成される。図におりて、２０は逆フィルタ、２１１〜
２１１は補正回路、２３は自乗和回路である。

逆アイをり２０は、第１図のフィルタ１１と同様に構成
される。すなわち、その伝達関数層ｚ）は、Ａ当ｘ）＝
１　４！ｅ　Ｚｉ　　　　　曲・・（１）−０ で示され、その出力であゐ残差波形系列（＃、）は１．
１＝Σ　、１゜ 、−０，。−２・・・・・・（２） なする差分形式で与えられる。ここで、（ｇ’：）　ｈ
このカテゴリμ）を代表する標準音声信号系列について
予じめ算出した線形予測係数で６ｊ＋、逆フィシタ２０
１０入力として、カテゴリ偽の標準音声信号系列が供給
され九場合、出力である残差波形系列（８：１の自乗和
が最小となるように選ばれる〇補Ｈｂ７’ｔｋタ２１ｉ
（１−１ｅ２ｅ・・・、Ｉ）は逆フィルタ２０と並列に
設けられ、入力信号系列（＃。）が供給される。補助フ
ィルタ２１１は、入力信号系列（−、）の息方向への変
動成分を表わす補助波形係列（μｍ５．）を求めるもの
で、その伝達関数Ｑ’ｊ　（ｘ）がＱ’５（ｚ）　＝　
ｈ”！ｔ　’九２″″ｋ　　　　　・・曲（３）で示さ
れ、出力である補助波形係列（μ）−が、ｊ μｆ　＝　ｋ’Ｅ１’１ｋ　”ａ−ｋ　　　　　・・・
・・・（４）なる差分形式で与えられる。ここで（１？
−は、カテゴリ内における入力信号系列の１方向へ変動
を示す補助係数であｐ１後述する如く予じめ算出されて
いる係数である。逆フィルタ２０及び補助フィル＃２１
１〜２１！は公知のデイジタルフイ船夕で構成すること
ができる。

補正回路２２’、（１＝２．３．・・・、Ｉ）は、補正
回路２０ト１の出力（以下これを（’トｔｍ）で享す）
から補助フイやり２１１の出力である補助波形系列（町
、）をベクトル的に減算する回路である。但し補正回路
２２．は逆フイ〜り２０の出力から補助フィルタ２１．
の出力をベク）Ｖ的に減算している。そして、最終段の
補正回路２２．０出力を極性誤差系列（ｒ、）　として
出力している。すなわち、極性誤差系列（ｒ、Ｊ）は次
の漸化式によって示される。

、１日、１ １臆　　　　農 ｊ＝１．２．・・・、■ ｒ、＝１□＋１．　　　　　　　　　　　・・・・・　
（５）したがって、補正回路２２□によって残差波形系
列１へ）よル補助波形系列（ｊｌ、−の成分が除かれた
出力（蓼、−が得られ、次に補正回路２２鵞によって（
、，１，１よル補助波形系列（声、−の成分が除かれた
出力（ｇ、−が得られ、以下同様にして順次（＾Δ）の
成分が除かれてりく。よって、補正回路２２！の出力は
、最終的には残差１ｉＬ形系列（ａ、）から（μｉｊ　
（ｓ”ｔ　Ｉ　２　ｅ・・・、Ｉ）の成分のすべてを除
いた出力（ｒ、）が得られる。

＃Ｉ４図は補正回路２２「Ｏ構成を示している。図にお
いて、２４は（μ、−及び（ａ、−とを入力としてその
積和すなわち内積を計算する積和回路、２５は（μ八）
七入力、とじてその自乗和を求める自乗和回路である。

これらの出力は除算回路２６に供給され、積和回路２４
の出力、１日乗和回路２５の出力で除算することによ）
（５）式で示される漸化式中の右辺第２が求められる。

乗算回路２７線除算回路２６で得られ良係数を（町、）
に乗算し、減算回路２８に供給する。

減算回路２８は（８，−から乗算回路２７の出力を減算
し、これを（＠、＋＊　＠）　として出力している。

再び第３図にお−て、補正回路２２ｘよｐ得られる極性
誤差系列（ｒ、）は自乗和回路２３において、出力Ｐ１
が求められる。

＝　Ｃｒ、　、　ｒ、） 王１１ｒｌｌ　　　　　　　　　　　・・・・・・　（
７）ここでｌｌｒ’ｌげは極性誤差ノ→ム２乗値である
。

第６図に本発明の他の！！！麿例を示す。本実施例も、
第２図におけるカテゴリに）の極性誤差計算回路１０４
のみの構成を示すが、第３図に示す実施例より４高速化
したものである。なお、第３図と同一部分には同−符号
管付しその説明を省略する。

オず、本実施例の原理を説明する。

さて ｂ＝（ｇ、μ　）　　（１＝１，２．・・・、Ｉ）・・
・・・・（８）直　　　　金属　　　ｉ と置けば、（６）式によシ を得る。故□に （轟＝１．２．・・・、Ｉ） なる式が成立っている。

（５）、（６）式から、 １１ｒ’ｌ＋”　＝　（ｒ：＊　ｒ：＞　＝　（＃、：
１．，１　　ｇ山、）り を得るから、これＫ　（８）式を代入することによって
なる結果が得られる。

本実施例はこの０１）式（及び（９）式）に従って極性
誤差ノシム２乗値（極性誤差系列の自乗和）を求めるも
のである。

第５図において、３０は■弐の右辺第１項を計算する自
乗和回路であシ、逆アイｋ１２０の出力である残差波形
系列（８ゎ）の自乗和會求めている。一方、回路３１１
〜３１１はａｌ）式の右辺第２項を計算するために用い
る、残差波形の補助波形成分（ｄｓ・）、値（ｄ、）を
求めている。（ｄ５）は（９）式の右辺第１項を計算す
るもので、 Ｊ　　　　　　　１１ ｄ、。＝（−２μｍ、）　　　　　・・・・・・（Ｉ４
で示され、（ｄ４１）は（９）式の右辺第２項の分子を
計算するもので、 ｄ＾＝（μ＾、植）　（昧ｊ）・・・ｎで示され、ｒｄ
、、）は（９）式の右辺Ｉ１２項の分母を計算するもの
で、 Ｊ　　　　１１ ｄ、＝（μｍ、声１．）　　　　・・・・・・　Ｉ４１
で示される。

第６図は回路３１１の構成上＊している０回路３１暴の
入力としては、逆フイＶり２０の出力（＃、）、及び補
助フィルタ２１１〜２１＆の出力（μΔ１〜（μｍ−が
供給される。積和回路４１は（シ）と（μｍ、）羞 との積和すなわち内積を求め、これｔ”４ｏとして出力
する。＊和回路４２．〜４２ト鳳は、夫々（μｊ、）（
ｊ”１　ｓ　２　＊・・・Ｉ’−１）と（町−との積和
を求め、これらｔｄ↑、（ａ＾、ｄ＾、・・・Ｉ’ｉ’
ｊ−１）として出力する。自乗和回路４３は（声Δ）の
自乗和を求めこれｔ　ａ　ｊとして出力する。

■ 再び第５図にお−て、回路３２１　（ｊ＝２　＊　３　
ｓ・・・。

Ｉ）は回路３１１の出力等を用いて（９）式で示される
ｂ’（１：ｘ２，３．・・・、Ｉ）ｔ−求める回路であ
る。なおｂｌ＝ｄｌ＠　　である。

第７図に回路３２轟の構成を示す。除算回路４４重〜４
４．−．は、夫々 管計算する。乗算回路４５１〜４５ト鳳は、除算回路４
４１〜４４トｌの出力に夫々ｂ−〜ｂ、！、　ｔ−乗算
する。

乗算回路４５１〜４５ト１の出力は累算回路４６によっ
て全て加えられる。この系算回路４６の出力は（９）式
の右辺ｊＩ２項に和尚するもので、減算回路４７によ’
）、ｄＢ。から累算回路４６の出力を減算することに乗
回路ａｓ、を介して除算回路３４１に供給される。

除算回路３４僅は、自乗回路３３−の出力（ｂ？）Ｉ　
ｆ：回路３１ｉＯ出力の１つで参る’ｌｉで除算し、こ
れを累算回路３！＄に供給する。累算、回路３６の出力
はａυ式の右辺ＩＩｔ項に槽重する。したがって、−減
算回路３６は自乗和回路３０の出力から累算回路３５の
出力を減算するととにより、極性誤差ノシム２乗値１１
ｒ’ｌｌ’が得られる。

以下、補助係数（Ｉ４．）の決定方法を簡単に説明する
。説明を簡単に゛するため、極の変動は１方向（Ｉ＝１
　）であるとし、添字内管省略する。

２平面上で予じめ求めていた極の平均位置からずれが生
じた場合、その方向への変動を表わす係で表わす。極ζ
をもつ生成フィルタをＧ（！）、その逆フィシ−ＩＡ（
ｇｌＫよ）生成され友音声系列（−一　に対しては、フ
ィルタＡ（ｘ）　ｌｋ作用させればば、 となる。

本発明では、ａｅ式の第２項の１以下を、とすることに
より、Ａ（ｚ）はＡ（ｚ）とＱ（ｚｌの並列接続で表現
できることを利用した。入力が（１ｆｉ）　であるとき
のＡ（ｇ）の出力を（ａ、）　、Ｑ（ｚ）の出力を（声
、）とすれば、＃。とμ、は 一１＝１・μゎ＋０（δ３）　　　・・・・・・　ａ尋
となっている。すなわち、（−）は（μ−酸成分含んで
いる。

そこで、極性誤差系列、 を計算すれば、ｒ、Ｆｉμ、とけ無闇係となシ、（β、
）（ｒｌ）は、一般には−の１次以下の項をもっている
が、極が（β−によって規定された方向に変動している
ならば、−の２次以下の項をもっことになる。

そζで、極の変動を表わす係数（ｌ、Ｊ、、Ｌ’、を、
予じめ多数の話者による音声波形系列から決定する。

次にａｔ弐において、あらかじめ を用意しておき、決定したｆβｍｍ）ｍｉｌｌ”ｌを用
いて）、　＝　ｍＸ、βｍ’ｍｋ　、　　ｋ＝１　＊　
２　＊・・・ｅＰ・”　（２１と（）１）ｋ−ｓが決定
できる。

変動方向が多種考えられる場合には、ａ璋式の代シに 曾 となるが、この式は ８ｏ＠”ａｍ 一部８１ なる漸化式で書きかえることができる。従って各変動方
向成分毎に逐次誤差補正を行うものとすれば ’ａｌｌ”’ＩＩ （ｔ＝１，２ｅ・・・、Ｉ） ７＠　＝＃１＋鳳籠 なる計算によって、極性誤差系列（ｒ、）が算出される
結果となる。この場合の各段階直での補正方法は、前述
の１方向変動の場合に示した方法と全く同様である。

発明の変形例 （１）　　本発明は音声波形の識別に限られず、心電図
波形等の識別にも用いることができる。また、これらの
１次元波形以外のｎ次元の波形について％ｎ次元フィル
タを用いる仁とくよシ実現することができる。例えばｎ
；２としては平面画像から得られた信号波形の識別も可
能である。

（２）　　上記実施例はすべてディジタル回路により構
成したものであるが、その少なくとも一部をマイク四コ
ンビエータ等によるプ關グラム制御で実現することもで
きるし、アナログ演算回路で構成することもできる。こ
の場合、積和回路、自乗和回路等は内積演算が可能な素
子、例えば光学フィルタを用いたもの、表面弾性波素子
等を用いることができる。

（３）　　各カテゴリに対する変動方向の数Ｉはカテゴ
リ毎に異なっていてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術を示す図、１ｅ２図は本発明の全体構
成を示す図、第３図は本発明の一実施例を示す図、第４
図は本発明の一実施例の部分構成を示す図、第５図は本
発明の他の実施例を示す図、第６図及びｌＩ７図は本発
明の他の実施例の部分構成を示す図である。 １０、〜ＩＯＬ・・・極性誤差計算回路１１　　・・・
　判定回路 ２０　　・・・　逆フィルタ ２１１〜２１ｘ・・・補助フイＶり ２２１〜２２！・・・補正回路 ２３　　・・・　自乗和回路 代理人　弁理士　則　近　憲　佑（ほか１名）第１図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 カテゴリが未知なる入力信号系列を、Ｌ種類のカテゴリ
   の既知なる標準信号系列に対応する線形予橢係数をイン
   パＶス応答＃ＩＬ′形とするフイ配夕を介して嫡差渡屡
   系列を得、この残差波形系列の自乗和出力によ）入力゛
   信号系列の属するカテゴリを決定する認識方式Ｋ＞いて
   、 餉記入力儒勺系列Ｏ変動成分を表わす補助波形系列を抽
   出する他のフィルタを各カテゴリ毎に設け、曽記残１１
   ＩＩＩＬ形系列から前記補助波形系列め成□分を除いた
   極性誤差系列ｄ自乗和を求め、各カテゴリ毎に得られる
   極性誤差系列の自乗和尚□力から前記入力信号系列の属
   するカッブリを決□定するこ゛とｔ４Ｉ徽とする信命波
   ＳＷｔ織方武。