Brevet FR2294505A1 — publié le 19760709

La présente invention concerne d'une façon générale l'analyse en temps réel et sans segmentation préalable de la parole, et plus particulièrement la reconnaissance des phonèmes dans la parole continue par codage prédictif. L'analyse de a parole par codage prédictif a été proposée par B. ATAL et S. HANAUER dans l'article "Speech Analysis and Synthesis by Linear Prediction of the Speech Wave" paru dans le "Journal of the Acoustical Society of America", Vol. 50, 1971, pages 637-655. Cette méthode est basée sur la prédiction de l'échantillon actuel du signal de parole à partir d'une pondération sélective d'un nombre fixe d'échantillons précédents. L'ajustement des coefficients de pondération est effectué en minimalisant l'erreur de prédiction. Moyennant certaines hypothèses, on réalise ainsi un modèle de généra- teur du signal vocal ou, en d'autres termes, on détermine un modèle du systène de phonation par sa fonction de transfert en z. Un système de phonation linéaire peut être représenté par une équation récurrente d'ordre k, liant les valeurs échantillonnées de l'entrée en (excitation) et de la sortie sn (signal vocal) a0 sn + a1 sn-1 + ... + ak sn-k = b0 en + b1 en + ... + bk en-k (1) soit, en appliquant la transformée en z (conditions initiales nulles) t S(z) = H(z) o E(z) b0 + b1 z-1 + ... + bk z-k avec H(z) = (2) a0 + a1 z-1 + .. +ak z-k Le modèle du système de phonation peut être particularisé en assimilant le canal vocal à une série de résonateurs en cascade. Pour les sons non nasalisés, la fonction de transfert H(z) ne comporte alors que des pôles. La mise en oeuvre de la dérivation nasale introduit des zéros dans H(z) mais ceux-ci (sous réserve de stabilité) peuvent être approchés par un nombre convenable de pôles. Il en résulte qu'un modèle suffisant est caractérisé par b = 0 pour i# O dans (1) et (2). Si l'on suppose que l'entrée est une impulsion à l'instant zéro (sons sonores), l'équation (1) pour aO = t peut s'écrire qui peut être interprétée comme une relation de prédiction de s à n partir des k échantillons précédents. Dans le cas des sons sourds, on peut supposer que l'entrée en est un bruit pseudo-blanc de moyenne nulle. On a alors : en = sn - sn = #n (4) n L'entrée inconnue e n apparat t ainsi comme l'erreur de prédiction sur sn. Diverses méthodes ont été proposées pour minimiser l'erreur de prédiction. ATAL et HANAUER (référence citée) utiisentpour critère les moindres carrés et l'algorithme de CHOLESKY pour la détermination de la solution optimale. SAÏTO et ITAKURA choisissent le maximum de vraisemblance et l'algorithme de ROBINSON (cf. F. ITAKURA, S. SATTO, "Analysis-Synthesis Telephony based on the maximum Lilkeihood Method", Prooeedings of the 6th I.C.A. - Vol. 2 - paper C 55 - TOKYO - 1968). MARKEL minimise un critère des moindres carrés par l'algorithme de LEVINSON sous la forme d'un problème de filtrage inverse (J.D.MARKEL, A.H. GRAY, "On Auto-correlation Equations as applied to Speech analysis", IEEE Trans. on A.E., Vol. AU-21, N 2, 1973). C. GUEGUEN et G. CARAYANNIS formulent le problème d'identification comme un filtre de Kalman faisant décroître la variance des paramètres estimés (C. GUEGUEN, G. CARAYANNIS, "Analyse de la parole par filtrage optimal de Kalman", Automatisme, Dunod Ed., Tome 18, N@ 3, 1973). Ces diverses approches sont tout à fait équivalentes au point de vue théorique (bruit blanc gaussien) mais diffèrent dans leurs résultats et leur mise en oeuvre pratique. L'équation (1) peut s'écrire sous forme matricielle (a0 = 1) s b0 en = || s|| + || S|| . || a|| (5) où s désigne le vecteur SkS sk+1, ... sn, a désigne le vecteur a1, a2,... ak et S désigne la matrice sk-1 ......... s0|| ................. sn-2 ..... sn-k-1 sn-1 ....... sn-k Il faut donc trouver une estimation # de a qui minimise le vecteur (s+ Sa) sur un intervalle déterminé (1-N) où (s + Sa)T est la matrice ligne transposée de la matrice colonne (s+Sa). En différentiant par rapport aux a et en rappelant que (Sa)T = aTST #c = 2STs + 2 STS â = o (6) #a où â est le vecteur minimisant l'erreur de prédiction. L'objet de l'invention est un système d'analyse de phonèmes contenus dans la parole continue destiné à fournir lesdits phonèmes à des machines de reconnaissance de la parole par utilisation des contraintes phonétiques. De telles machines sont coques dans l'art antérieur et l'on peut citer - Robinowitz "On the Value of the Fano Algorithm in establishing the graphemie Form of Machine-derived phonetie String" P.H.D. Thesis, University of North Carolina, Raleigh, Mars 1972 ; - Tapper "Application of sequential Decoding for Converting phonetic to graphemic Representation in automatic Recognition of Continuous Speech", International Conference on Speech Communication and Processing, Newton, Massachusetts, Avril 1972. Conformément à l'invention, le système d'analyse phonémique de la parole continue consiste en une batterie de filtres numériques attaqués en parallèle par le signal de parole et réglés chacun de façon à minimiser le signal de prédiction par rapport à un phonème donné, en des affaiblisseurs respectivement connectés à la sortie desdits filtres numériques et affaiblissant chaque signal d'erreur en fonction de l'énergie du signal d'entre dans le filtre et en un comparateur commandant sélectivement la sortie desdits affaiblisseurs, de façon que le système fournisse uri signal indiquant le phonème reconnu ou les phonèmes probablement reconnus simultanément en donnant alors un ordre de probabilité de reconnaissance. L'invention va titre maintenant décrite en détail en relation avec les-dessins annexés, dans lesquels - la Fig. 1 est une figure explicative de la façon de représenter un phonème par un filtre numérique et de calculer les valeurs des coefficients dudit filtre numérique ; - la Fige 2 représente, sous la forme d'un diagramme de blocs, le système de reconnaissance phonémique de l'invention ; et - la Fig. 3 représente en détail ce système de reconnaissance phonémique. Sur la Fig. 1, on a représenté un système de phonation réel 1, par exemple celui proposé par G. FANT dans "Acoustical Theory of Speech Production", Mouton, La Haye, Parie 1970, et un modèle passif 2 dudit système. Le système de phonation 1 et le module 2 sont attaqués par le signal d'excitation eno La nature de ce signal d'excitation importe peu pour les explications qui vont suivre. A titre d'information, on peut admettre que c'est un générateur d'impulsions d'amplitude unité à la fréquence du fondamental (pitch) ou un générateur de bruit aléatoire de déviation standard égale à l'unité. L'un ou l'autre de ces générateurs est connecté en parallèle au système de phonation 1 et au modèle 2 par un commutateur "voisé-non voisé". Le système de phonation 1 et le modèle 2 contiennent des échantillonneurs et le système de phonation 1 produit le signal vocal naturel sn à l'instant tn, tandis que le modèle 2 produit le signal vocal prédit s~ donné par l'équation (3) au même instant t@. n n Ces deux signaux sont soustraits dans le circuit de soustraction 3 et le sisal résultant en qui constitue l'erreur de prédiction est appliqué à un processeur de minimalisation d'erreur 4.Ce processeur détermine les coefficients ai de l'expression de s n Pour fixer les idées, on indique ci-après les valeurs des coefficients a0 à a10 (a0 = 1) pour plusieurs phonèmes a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8 a9 a10 n 0,745 0,599 0,212 - 0,073 - 0,265 - 0,230 - 0,183 0,023 0,132 0,117 u 1,307 0,105 - 0,349 - 0,090 - 0,011 0,080 - 0,003 - 0,144 - 0,030 0,106 i 1,058 - 0,222 0,343 0,310 - 0,197 - 0,081 - 0,381 - 0,231 0,212 0,129 z - 0,878 0,309 0,711 0,454 0,452 0,395 0,253 - 0,118 - 0,291 - 0,206 1,523 - 0,119 - 0,396 - 0,168 - 0,219 0,321 0,198 - 0,165 - 0,014 - 0,031 l 1,540 - 0,324 - 0,578 0,406 0,199 - 0,243 - 0,014 0,008 - 0,152 0,114 @ 1,639 - 0,041 - 0,683 - 0,214 - 0,027 0,256 0,342 - 0,159 - 0,319 0,172 # 0,399 0,458 0,430 - 0,096 - 0,182 - 0,097 0,091 0,018 - 0,029 - 0,037 @ 1,056 - 0,180 0,227 0,305 - 0,134 - 0,277 - 0,171 - 0,020 - 0,152 0,276 &alpha; 1,500 - 0,237 - 0,605 0,122 0,218 - 0,086 0,089 - 0,071 - 0,262 0,264 v 0,986 0,435 - 0,140 - 0,179 - 0,123 - 0,122 - 0,041 0,056 0,063 0,032 # 1,513 - 0,581 - 1,175 0,718 - 0,312 - 0,418 0,274 - 0,047 - 0,359 0,351 y 1,183 0,072 - 0,102 0,263 - 0,127 - 0,312 - 0,164 0,008 0,123 0,100 @ - 0,537 1,038 1,131 0,436 - 0,473 - 0,830 - 0,412 - 0,023 0,321 0,191 En se référant maintenant à la Fig. 2, loi à 10J désignent des filtres numériques correspondant à différents phonèmes, dont les coefficients ont été calculés comme indiqué dans l'entrée en matière et sont tabulés dans le tableau précédent. Les entrées de ces filtres sont reliées à une ligne de transmission 11 sur laquelle un signal de parole continue est produit par un locuteur parlant dans le microphone 12 et est digitalisé par un convertisseur analogique-numérique 13. Les filtres sont montés pour effectuer un filtrage inverse, c'est-à-dire que, recevant sn, il produisent en,j = sn - sn,j. Les coefficients des filtres numériques sont produits en parallèle par des registres dans lesquels sont stockés les valeurs des paramètres a. Les signaux de sortie en j des filtres 101 à 10J sont appliqués à des circuits affaiblisseurs 141 à 14J qui les affaiblissent de telle façon que le signal de sortie de chaque circuit affaiblisseur soit rapporté à une valeur quadratique moyenne de référence du signal d'entrée, cette valeur quadratique moyenne de référence étant prise sur un nombre N de périodes d'échantillomlage. Le si;;sial de sortie du circuit affaiblisseur 14 est égal a Chaque circuit affaiblis eur 14j reçoit d'un circuit numérique quadratique 15 la quantité Ce circuit quadratique comprend un circuit d'élévation au carré de chaque échantillon numérique sn et un accumulateur faisant la somme de N carrés successifs d'échantillons0 Un circuit affaiblisseur 14j comprend un circuit d'élévation au carré de chaque signal J numérique d'erreur en js un accumulateur faisant la somme de N carrés successifs de signaux d'erreur, et un circuit de division de la somme des N carrés successifs de signaux d'erreur par la somme des N carrés successifs d'échantillons fournie par le circuit quadratique numérique 15. Une première commande commune des circuits affaîblisseurs et du circuit numérique quadratique permet de régler le nombre N de périodes de récurrence au cours desquelles les carrés sont additionnés. Une seconde. commande commune permet de régler la périodicité de m, c'estadire de fixer les instants successifs auxquels le système recommence à compter jusqu'à N. Les sorties des circuits affaiblissements 141 à 14J sont reliées, d'une part à un comparateur multiple 16 et d'autre part à des mémoires unitaires 17t à 17J qui sont mises dans l'état un si le signal numérique qu'elles reçoivent est supérieur à une valeur prédéterminée. Ces mémoires unitaires sont, par exemple, des bascules commandées par un bit de poids binaire déterminé du signal #m,j. Les mémoires unitaires 171 à 17J sont reliées à une machine de reconnaissance de la parole 19 à travers des portes ET 181 à 18J. Le comparateur 16 ouvre celles de ces portes qui correspondent aux signaux #m,j les plus petits, par exemple aux deux plus petits - m,j signaux #m,j. Pour que la machine de reconnaissance de la parole 19 reconnaisse le phonème le plus probable du ou des phonèmes moins probables, le comparateur ouvre les portes ET par des signaux numé- riques égaux à 1, 2,... selon la probabilité décroissante du phonème. Si l'on suppose, pour fixer les idées, que le signal #m,1 relatif au phonème "mn vaille 4 et que le signal m,2 relatif au phonème "n" vaille 6 et que tous les signaux #N,j pour j ; t et 2, soient supérieurs à 50, les mémoires unitai res sont toutes à zéro sauf 17t et 172 et le comparateur 16 envoie un bit à travers la porte 181 et deux bits à travers la porte 182. La machine de reconnaissance de la parole 19 est donc avertie que le phonème qui lui est transmis est très probablement un "m", moins probablement un "n". La.Fig, 3 représente un dispositif de reconnaissance phonétique dans lequel la pluralité de filtres numériques est constituée par une pluralité de multiplicateurs multiplexés et un additionneur multiplexé fonctionnant en division du temps. Les coefficients numérinues a0,J à a10,j correspondant aux différents canaux phonémiques j sont gardés en mémoire dans une mémoire 21 d'où ils peuvent être introduits récurremment dans des registres 220 à 221o. Les sorties de chacun de ces registres sont réliées à des multiplicateurs 230 à 23îo0 Dtautre part, le signal vocal produit par le microphone 12 et converti en signal numérique dans le convertisseur analogique-numerique 13 est an)liqué à un registre à décalage 24 (plus exactement à autant de registres à décalage parallèles qu'il y a de bits dans les valeurs numériques des échantillons). Les sorties du registre à décalage 24, où apparaissent les échantillons sn, sn-1,...sn-10, sont reliées aux secondes entrées des multiplicateurs 230 à 2310. Les sorties des multiplicateurs 230 à 2310 sont reliées à un additionneur 25 à la sortie duquel apparaissent cycliquement les signaux d'erreur en,j. La sortie de l'additionneur 25 est reliée à un circuit numérique quadratique 26 qui fournit D'autrc part, la sortie du convertisseur analogique-numerique 13 est reliée au circuit numérique quadratique 15 qui fournit Les signaux (8) et (9) sont appliqués à mi circuit diviseur 27 qui fournit le signal #m,j. j. Celui-ci est appliqué à un circuit d'aiguillage 28 qui le distribue dans les mémoires 171 à 17J. REVEND ICÂT 10N3 1 - Dispositif de reconnaissance en temps réel de phonèmes dans la parole continue comprenant des moyens de conversion du signal analogique de parole continue en signaux numériques ayant une période de récurrence déterminée, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une pluralité de filtres numériques associés aux phonèmes, dont les entrées sont reliées en parallèle à la sortie desdits moyens de conversion analogique-numérique, lesdits filtres comprenant des multiplicateurs d'un premier nombre de signaux numériques précédents par des coefficients respectifs, un additionneur desdits signaux numériquz précédents multipliés par leurs coefficients, lesdits coefficients étant choisis pour que, pour un phonème donné, la sone des produits des signaux numériques précédents par leurs coefficients soit sensiblement égale et opposée au signal numérique actuel, des moyens de déterminer la valeur quadratique moyenne d'un second nombre de signaux numériques, une pluralité de moyens, associés aux phonèmes, de déterminer la valeur quadratique moyenne d'un second nombre de signaux de sortie des filtres numériques respectifs et une pluralité de diviseurs, associés aux phonèmes, de la valeur quadratique moyenne d'un second nombre de signaux de- sortie d'un filtre numérique par la valeur quadratique moyenne d'un second nombre de signaux numériques, d'où il résulte qu'à un phonème donné correspond un signal de sortie du diviseur associé audit phonème nul ou très faible. 2 - Dispositif de reconnaissance en temps réel de phonèmes dans la parole continue conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les filtres numériques associés aux phonèmes sont formés d'un filtre numérique travaillant en division du temps, comprenant une mémoire contenant les coefficients associés aux phonèmes et choisis pour sensiblement égale et opposée au signal numérique actuel, un registre de coefficients recevant récurrement de ladite mémoire les coefficients relatifs aux différents phonèmes, un registre à décalage recevant les signaux numériques récurrents et ayant une pluralité de bornes de sortie correspondant à des signaux numériques sXuccessifs, une pluralité de multiplicateurs reliés, d'une part aux bornes de sortie dudit registre à décalage et d'autre part aux bornes dc sortie dudit registre de coefficients, et un additionneur des signaux de sortie desdits multiplicateurs. 3 - Dispositif de reconnaissance en temps réel de phonèmes dans la parole continue conforme à la revendiction 1, caractérisé en ce que les moyens de déterminer la valeur quadratique moyenne d'un second nombre de signaux numériques et la pluralité de moyens de déterminer la valeur quadratique moyenne d'un second nombre de signaux de sortie des filtres numériques comprennent des moyens de faire varier ledit second nombre.