Brevet FR2141491A1 — publié le 19730126

L'invention a pour objet un nouveau dispositif de tri, et plus -précisément un système d'indexation d'un objet, basé sur l'analyse de la voix humaine. Dans le domaine de la manutention et du tri d'objets transportés, par exemple des colis postaux dans les centres de tri, on sait qutun opérateur doit lire sur ledit colis son code de destination puis l'inscrire sur un tableau de commande à l'aide de boutons-poussoirs avant de le placer sur le transporteur qui l'acheminera automatiquement-vers le poste de sortie correspondant. Dans les centres de tri importants où le rythme d'arrivée des colis est rapide il est nécessaire pour gagner du temps, d'avoir deux opérateurs dont un lit le code et dont l'autre effectue l'indexation proprement dite. Malgré cela la synchronisation de ltopération de lecture par une personne, et de l'opération d'indexation par une autre, n'est pas facile et en tout cas limite considérablement la cadence de l'opération de tri proprement dite.L'idéal serait, bien entendu, que le lecteur puisse indexer le colis en meme temps qutil lit son code es pour s'affranchir de toute transcription mécanique de ce code par l'intermédiaire d'un affichage manuel, la demanderesse a pensé à l'indexation vo- cale directe c'est-à-dire à trouver un système d'analyse de la voix du lecteur qui enregistre directement l'indexation du code lu par lui et le restitue au mécanisme de tri. là On entre/dans le-domaine de la reconnaissance de la voix humains qui, depuis de nombreuses années, a suscité de nombreuses recherches, et aboutit B divers systèmes d'analyse et de synthèse de la parole. Dans la plupart, il s'agit de reconnaître à l'intérieur de chaque mot prononcé, chacun des phonèmes ( voyelles ou consonnes ) qui suffisent è reconstituer une langue complète alphabétique. On peut alors procéder par analyse paramétrique rigoureuse des spectrogrsmmes détaillés de mots, par exemple des spectres d'un mot dans des zones de fréquence de 200 à 40CPHz. Certaines écoles, préfèrent effectuer une analyse des structu res, plutôt qu'une analyse détaillée des spectres. Les systèmes d'analyse clas sique du type " VOCQNRR n permettent, en choisissant judicieusement les fré quences de coupure de deux filtres passe-bas ou passe-haut, de mettre en évi dence les forrants7et les formants haut, etest-à-dire les points que l'on peut observer sur l'enveloppe d; plectre de fréquence de la parole. D'autres systèmes enfin, utilisent des méthodes probalistiques et matriciellesyén temps réel, gracie auxquelles on peut reconnattre avee sureté un certain nombre de mots constituant un vocabulaire limité. Tous ces dispositifs présentent en fait un prineTpal inconvénient qui les rend inapplicables pour certaines utilisations et précisément pour des dispositifs de tri comme indiqués précédemment - inconvénient inhérent à la compléxité de la fonction recherchée c'est-a-dire à la reconnaissance des mots et donc de phonèmes très nombreux et très voisins, ce qui aboutit à des installations importantes, ayant une configuration électronique étendue, et comprenant un très grand nombre de filtres. L'invention consiste en fait à appliquer une méthode simplifiée d'analyse de la voix humaine, à l'indexation d'objets dans un centre de tri. L'invention a pour objet un système d'indexation vocale basé sur la reconnaissance de la voix d'un locuteur prononçant uniquement un chiffre de O à 10 ou un groupe fini de chiffres, l'identification des phonèmes correspondant étant automatiquement comparée à des phonèmes préalablement prononcés par le même locuteur et mémorisés de telle manière que, dès l'énoncé d'un code caractéristique dtune indexation, ltordre vocal7donné soit " analysé t' et transformé en ordre mécanique. A cet effet, 11 équipement utilisé se limite à un micro, suivi d'un analyseur de fréquences, dSun calculateur et des organes de sortie, le calculateur étant également un eouplé/un système de préenregistrement de la voix du locuteur. D'autres objets de l'invention apparaitront au cours de la description suivante qui en fera également ressortir les avantages. On rappelle au préalable le principe d'analyse des formants. On sait que la fréquence des partiels qui sont susceptibles d'entrer en résonance lorsqutune cavité résonnante acoustique ou résonateur, est excitée par une source de vibrations sonores, dépend du volume de la cavité et de sa forme. C'est ainsi que les composantes sonores présentes dans la voix humaine sont déterminées par la résonance dtune série de cavités : le pharynx, la cavité palatine, la cavité nasale et le larynx. On dénomme "formant' les partiels qui sont prépondérants dans la voix humaine par suite de ces résonances vocales.On sait aussi que le conduit pharyngo-buccal fonctionne, en réalité, comme un pavillon présentant une fréquence de coupures située en moyenne entre 2000 & 2500 Hz > en deçà et en delà de laquelle son action sur le son qui provient des cordes vocales est essentiellement différente : pour les fréquences inférieures, les cavités fonctionnent approximativement comme des résonateurs et créent deux régions formantiques privilégiées ( formants P1 et F2 ) ; les fréquences supérieures à la fréquence de coupure donnent le timbre de la voix ( formant P3 ). Les fornnts,sont ces deux ( ou trois ) pointes que l'on peut observer expérimentalement - pour les voyelles et les diphtongues - sur ltenveloppe du spectre de la parole. Par exemple, à l'aide de spectrogrammes -enregis treurs, on peut obtenir une représentation tridimensionnelle telle quJil-lus- trée è la figure 1, d'un phonème, montrant les formants caractéristiques F1, P2 & F30 I représente l'amplitudeS T le temps, F la fréquence. On constate qu'en énonçant un phonème, par exemple la voyelle " U ", un certain temps s'écoule entre le début du son et sa fin. Ce laps de tempsede l'ordre de 100 ms. L'analyse d'un tel son doit considérer un temps sort de préparation, 10 ms par exemple, puis un temps d'analyse de 80 ms et un temps à éliminer, queue de la voyelle de l'ordre de 10 ms. Dans l'étude de ce son durant 80 ms on voit apparaitre sur le sonagramme trois régions distinctes, celles des formants F1, F2, et F3. On note que ri une voyelle n'est pas prononcée isolément mais entre deux consonnes, par exemple, la position relative des formants se décale légèrement. La distribution moyenne des formants est approximativement 270 Hz 840Hz 2240--Hz Mais, dans les 80 ms ainsi précisées, les résultats expérimentaux montrent que les pointes P1, F2, F3, subissent une variation ( dans le temps ) dont les limites permettent d'établif des procédés d'identification. L'expérience montreS d'une part, que cette variation des formants n'est que similaire pour des locuteurs différents énonçant le même pho nases d'autre part, que l'on peut admettre que d'une séquence d'analyse ( de 23 ou 20 m )àla/suivante/lafréquence d'un formant pour ce même locuteur demeure à l'intérieur d'une plage située en F + ss F dont la connaissance est d'un grand intérêt pour la conception d'un détecteur. Ce rappel étant fait, on peut énoncer le procédé d'identification vocale conforme à l'invention qui consiste à identifier un phonème par un locuteur déterminé, en le comparant à des phonèmes préalablement mis en mémoire et prononcés par le même locuteur. Le dispositif ainsi conçu pourra reconnaitre " la voix de son maitre Cette mise en mémoire des phonèmes, et le système de compaiaison associé seront décrits plusAoin, mais auparavant on précise que le dispositif doit fonctionner en temps réel, etest-à-dire que dès l'énoncé d'un phonème ou d'un groupe de phonèmes, il doit être capable de transformer ltor- dre vocal en ordre mécanique et de saisir l'énoncé du phonème ou des groupes de phonèmes suivante. Cette notion de temps réel est primordiale et elle signifie, que si l'énoncé dtun phonème dure 100 msa il est nécessaire d'analyser et de traduire ce phonème en moins de 80 ms. Dans le paragraphe sur les formants, on a montré qutexpérimen- talement apparaissent dans l'analyse spectrale d'un phonème, 3 pointes F1, F 2, F3 qui le caractérisent pour un locuteur déterminé. L'expérience montre que si l'on compose rectangulairement les 2 formants F1 et F2 d'un phonème ( représentation bidimensionnelle ) on obtient une boucle appelée boucle des formants. De plus, à des phonèmes différents correspondent des boucles de position et de longueur différentes. La figure 2 montre, à titre a'exemple, les boucles des formants de quelques phonèmes représentant les sons i, a, u, ae ... On peut écrire que pour un locuteur déterminé, une boucle ainsi élaborée pour un phonème, occupe une position privilégiée et cette position présente une stabilité dont les écarts statistiques sont minimes lors de l'énoncé du meme phonème par le même locuteur. Par contre, le même phonème énoncé par des locuteurs différents donne des boucles dont la position et la longueur varient notablement. Le dispositif électronique permettant la mise en oeuvre du procédé comporte essentiellement - une entrée servant d'organe de réception des phonèmes - un analyseur de fréquence associé à un calculateur - un automatisme de sélectron et de mesure des grandeurs caractéristiques - des organes de sortie. - L'entrée servant d'organe de réception des phonèmes est sommairement consti tuée d'un microphone et d'un amplificateur basse fréquence. - L2ad yseur de fréquence permet l'analyse et la mesure efficaces des formants. il a pour objet d'explorer cycliquement toute l'étendue du spectre à une vi tesse linéaire logarithmique. Il est associé à un calculateur muni de comp teurs et d'équipement de mémorisation, dans des conditions qui apparaitront plus loin. - L'automatisme dé sélection et de mesure des grandeurs formantiques doit pré senter les caractéristiques principales suivantes : - prise en compte des grandeurs dans la zone privilégiée dans laquelle elles apparaissent, - trans mission et traitement de ces grandeurs dans le calculateur, - remise en position d'attente de cet organe dès que la grandeur a été enregistrée afin de pouvoir prendre en compte la suivante - Les organes de sortie du caleulateur présentent un certain nombre de con tacts suivant le nombre de phonèmes fixés, ces contscts étant utilisés pour la commande mécanique du dispositif de tri. On donne maintenant, à titre dtexempleXlimitatif, le fonctionnement d'ensemble d'un dispositif de tri conformément à l'invention. Au moment du démarrage de l'exploration, l'analyseur de fréquence génère un signal qui déclenche dans l'ordinateur le démarrage de 4 compteurs. Les trois premiers compteurs sont successivement bloqués lors de la réception d'un second signal émis par l'analyseur, au moment du passage du circuit accordé par les fréquences caractéristiques du phonème, la quatrième compteur étant déclenché, au moment de la fin du balayage.Les contenus de ces quatre compteurs sont mémorisés dans des registres de ltordinateur. La mise en service et ltarrêt des opérations de balayage sont conditionnés par 11 existence d'un signal d'ampli tude indiquant qu'il y a existence de son. Seuls les éléments effectivement caractéristiques d'un phonème sont transmis dans la mémoire de l'ordinateur, à l'exclusion de tous ceux correspondant à des transitoires. Les éléments aaractéristiques placés dans le registre indiqué ci-dessus sont tour à tour comparés suivant des méthodes statistiques, avec ceux pré-enregistrés par ltopérateur. L'ordinateur choisit le phonème qui s'en rapproche le plus > et, à condition que l'écart ne soit pas troF important prend la décision de transférer aux organes de service les éléments correspondants. Suivant une variante, on recherche, avant la comparaison d'un phonème avec ceux pré-enregistrés dans la mémoire de l'ordinateurs la stabilité dudit phonème par vérification d'une identité approchée avec le résultat des explorations ayant eu lieu pendant une fraction de temps précédente ou suivante ( par exemple quelques secondes ). On peut aussi faire la recherche du phonème qui se rapproche le plus de celui prononcé systèmatiquement à chaque exploration du spectre. C'est dans ce cas la répétition d'un m8me résultat qui donne la validité et déclenche le processus d'automatisme. Suivant une autre variante, une horloge du type chronomètre mesure le temps à partir du signal de début de balayage ; la lecture de ce temps effectuée lors de la réception des signaux de fin de balayage est mémorisée dans les quatre registres personnalisés de l'ordinateur. L'invention ntest pas limitée à ce mode de réalisation préférentiel et il est entendu que l'on peut apporter diverses suppressions, substitutions ou modifications aux dispositifs décrits ainsi qu'è leur mode de fonctionnement sans s'écarter de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de tri d'objets basé sur la reconnaissance de la voix dtun locuteur énonçant un symbole ou un groupe fini de symboles représen tant le code d'indexation de l'objet, caractérisé par le fait que l'on effectue l'analyse spectrale du phonème correspondant à l'énoncé du symbole prononcé par le locuteur et que l'on compare ce phonème à des phonèmes préalablement mis en mémoire et prononcés par le même locu teur de telle manière que > dès l'énoncé d'un code caractéristique d'une indexation, l'ordre numérique vocal ainsi donné soit identifié et transformé en ordre mécanique apte à provoquer le triae l'objet in dexé. 2v) - Dispositif de tri d'objets conforme à la revendication 1 caraetérise par le fait que l'analyse spectrale du phonème émis par le locuteur et reçu par un micro est assurée par un analyseur de fréquence associé à un calculateur muni d > un équipement de mémorisation et que cet analyseur est destiné à transmettre au calculateur les éléments caractéristiques du phonème qui sont eux-mêmes comparés suivant des méthodes statistiques avec ceux pré-enregistrés par le locuteur de telle sorte que le calcula teur choisisse le phonème qui s'en rapproche le plus et le transfère aux organes de sortie. 3 ) - Dispositif conforme à la revendication 2 caractérisé en ce que, au mo ment du démarrage de l'exploration, 11 analyseur de fréquence génère un signal qui déclenche dans le calculateur le démarrage de quelques compteurs chronométriques .jusqu'à ce qu'un second signal émis aussi par l'analyseur au moment du passage des fréquences caractéristiques du phonème, bloque successivement ces compteurs, afin que le contenu de ces codeurs serve à la mémorisation et/où à l'identification.