Brevet FR2311371A1 — publié le 19761210

L'invention est relative aux dispositifs d'analyse de la parole par représentation graphique de composantes phonologiques sur écran d'un oscilloscope cathodique ainsi qu'aux systèmes d'aide visuelle mettant ces dispositifs en oeuvre pour l'apprentissage ou la rééducation de la parole ou pour l'enseignement des langues. On a déjà proposé de tels dispositifs. Par exemple, un oscilloscope cathodique associé à un banc de filtres basse fréquence permet de dessiner le sonogramme (intensité de chaque fréquence spectrale en fonction du temps) d'une phrase prononcée. Il est apparu que, si lton peut obtenir ainsi une correction relativement satisfaisante de certains défauts d'élocution et la compréhension de mots isolés, les formes visuelles affichées deviennent très difficiles à appréhender lorsque la parole devient continue. Dans une autre réalisation, on forme sur ltécran de Itoscilloscope une image grossière instantanée de la parole par une matrice lumineuse constituée de bandes rtLcales; là encore, l'interprétation devient difficile lorsque les formes affichées évoluent rapidement. Ces échecs ont conduit à n'utiliser les procédés d'aide visuelle du genre précité que comme compléments de méthodes plustraditiomiles pour visualiser des traits distinctifs difficiles à recopnattre par la simple lecture labiale, tels que les voisements, nasalisations, affrictions, etc. C'est ainsi que l'on utilise des filtres résonnants déterminés par un calcul approximatif pour visualiser les deux premiers formants. L'inconvénient de ce genre de procédé est que la pauvreté de l'information affichée ne permet pas une reproductivité satisfaisante des formes à saisir. Le développement des techniques de traitement de l'information a permis récemment la mise en oeuvre de procédés plus fidèles utilisant, par exemple, des consoles de visualisation Paphique. Qu'ils fassent appel au contrôle de divers paramètres d'élocution (fondamental, accentuation, etc.) accompagnés dc ltencllatnement de séquences de représentations symboliques des contours spectraux ou encore à des modèles de la fonction d'aire du canal vocal obtenus par prédiction linéaire, ces systèmes sont d'uii coût très élevé et leur mise en oeuvre exige un matériel important. L'objet de l'invention est de fournir un dispositif d'analyse phonologique du genre précité exempt de ces inconvénients et permettant en particulier d'obtenir une analyse performante - bien que réalisée en temps quasi-réel - des signaux vocaux au moyen d'une représentation graphique établie au niveau des mots et non pas des sons élémAntaires (l'analyse de la parole continue étant ainsi facilitée) et pouvant être utilisée dans de nombreuses applications sans exiger des moyens encombrants et coûteux. Le dispositif de l'invention comporte un transducteur sensible aux signaux de parole, des moyens pour échantillonner les signaux de sortie du transducteur, des moyens pour élaborer à partir des signaux échantillonnés des signaux de paramètres phonologiques, des moyens pour élaborer à partir des signaux de paramètres des signaux de coordonnées planes, un oscilloscope cathodique avantageusement à rémanence et des moyens pour commander la déflexion du faisceau oscilloscopique par lesdits signaux de coordonnées, les emplacements du spot sur ltécran de l'oscilloscope caractérisant ainsidesclasses déterminées d'becurrences phonologiques.L'élaboration des signaux de paramètres phonologiques peut être réalisée par des filtres passe-bande et l'élaboration des sinaus e de coordonnées planes par des circuits de sommation pondérée des signaux de paramètres. Avantageusement, le dispositif de l'invention comporte des moyens pour connnander la brillance du spot de I'oscilloscope par le niveau. des signaux de sortie du transducteur afin de mettre en évidence les accentuations dues par exemple aux plosives, des moyens de déflexion additionnelle du spot pour mettre en évidence les voisements ainsi que des moyens pour afficher des données visuelles à proximité de l'écran de ltoscilloscope ou mieux sur l'écran partir d'un enregistrement magnétophollique Le système de l'invention, destiné à l'éducation ou à la rééducation de la parole chez les mal-entendants ainsi qu'à lappren- tissage des langues comporte en outre un calculateur destiné à l'apprentissage du dispositif. Ainsi, contrairement aux systèmes et dispositifs de l'art antérieur, dans lesquels les signaux graphiques ne traduisent que la variation de paramètres acoustiques en fonction du temps, l'invention permet une représentation synthétique par laquelle les emplacements des signaux graphiques sont liés à la nature meme des signaux phonologiques qu'ils représentent, les occurrences phonologiques apparaissent ainsi au fur et à mesure de leur énoncé. D'autres dispositions et avantages apparattront au cours de la description qui suit du système et du dispositif de l'invention, en référence aux dessins annexés correspondants, dans lesquels - la Fig. 1 est un schéma-bloc d'un exemple de réalisation du dispositif et du système de l'invention - la Fig. 2 est un schéma d'un exemple de réalisation de circuits du dispositif. On considère d'abord la Fig. 1. Les signaux de parole délivrés par le microphone 1 sont transmis par la ligne 11, le comnutateur 2 et la ligne 21 à un ensemble de circuits analyseurs 3. Cet enseble, dont un exemple de réalisation sera décrit plus loin, extrait desdits signaux un nombre déterminé, par exemple N, de signaux paramétriques pertinents, ctest-à-dire caractéristiques de la fonction de parole à analyser. Il adresse ces signaux paramétriques par un groupe 31 de liaisons parallèles au circuit 4, dit de réduction, dont un exemple de réalisation sera aussi décrit plus loin et qui est caSffé ouprogram mé pour élaborer et délivrer par les lignes 41x et 41y des couples de signaux résultant d'une réduction des données contenues dans les signaux paramétriques dsentrée. Plus précisément, ltorganisation ou la programmation du circuit réducteur 4 sont les résultats d'une étude préalable sur laquelle on donnera plus loin des indications et qui vise à trouver, dans 1' espace des paramètres élaborés par l'analyseur 3, le plan contenant le plus d'informations. Les informations contenues dans ce plan sont sur l'écran 53 du tube cathodique du récepteur 5 de visualisation. A cet effet, la ligne 41x est connectée au circuit 51x de déflexion du faisceau cathodique du tube selon l'axe des x de l'écran et la ligne 41y au circuit 51y de déflexion selon l'axe des y. Les signaux de sortie du microphone 1, en même temps qu'ils sont adressés à l'analyseur 3 par le commutateur 2, sont transmis par une ligne 22 à un bloc de circuits 6, dits de marquage. Ceuxci comportent, à la manière connue, des organes de sélection (filtres de bandes, de formants, etc.) pour extraire des données microphoniques des signaux caractéristiques de traits phonétiques distinctifs (voisement, affriction, etc.) et pour les adresser par une ligne 67 au récepteur 5 pour commander la superposition à la trajectoire du spot de symboles appropriés. Par exemple, le bloc 6 comporte, outre un circuit non représenté d'inscription de tops, un étage d'amplification 62 délivrant en parallèle ses signaux de sortie,d'une part à un circuit 52 de commande de brillance de spot du récepteur de visuàiisation par l'intermédiaire d'un redresseur 63 et de la liaison 61, d'autre part à un ou plusieurs filtres de bande 61; attaquant, par une liaison 65, un circuit 54. Celui-ci délivre aux circuits de déflexion 51x et 51y une tension ondulée de commande d'oscilla-tion du spot autour de sa trajectoire moyenne, ladite tension étant proportionnelle au niveau des fréquences transmises par le ou les filtres 64. Ainsi, contrairement aux systèmes ou dispositifs de représentation visuelle de parole de l'art antérieur dans lesquels les graphismes affichés sur ltécran ne correspondent qu'à des niveaux de fréquences de sons dits élémentaires mais en réalité complexes et sont par consémient malaisément identifiables - particulièrement lors de tests conduits en temps réel - le dispositif de 12 invention permet d'identifier lesdits sons élémentaires par les emplacements instantanés du spot. Celui-ci se déplace au rythme de l'élocution et ses points d'arrêt momentanés correspondent à des régions stables des phonatomes. La reconnaissance est en outre grandement facilitée par l'usage du marqueur 6.Ce dernier, agissant par l intermédiaire du circuit 52 de commande de luminosité, permet de discerner les variations du niveau sonore et notamment les accentuations dues aux plosives. Agissant par l'intermédiaire du circuit 54 d'ondulation, il permet de discerner les sons voisés par la vibration du spot de part et d'autre de sa trajectoire. Une représentation adéquate sur ltécran 53 des emplacements affectés aux signes lumineux représentant les phonatomes suppose évidemment l'optimisation des circuits du réducteur 4 délivrant les coordonnées. On indiquera plus loin, avant d'aborder la description d'un exemple de réalisation de l'analyseur 3 et du réducteur 4, les critères qui peuvent être retenus pour cette optimisation et la façon dont elle peut être réalisée à l'aide d'un calculateur 7 d'apprentissage dont il n'est pas nécessaire qu'il soit partie intégrante du dispositif de l'invention. L'équipement de mise en oeuvre dudit dispositif est complétépar un diffuseur de sons 8 (casque à écouteurs par exemple) et par un maSnétophone 9 avan-tageusement du type multipistes à cassette. Le magnétophone 9 est utilisable à plusieurs fins. L'une des pistes, par exemple, délivrera la prononciation type dlune liste de mots préalablement enregistrés par un moniteur (comédien, orUophoniste, etc.). Le commutateur 2 permet de diriger les signaux de sortie de ladite piste par l'intermédiaire de la liaison 901 vers l'analyseur 3 et le sujet (apprenti en langue étrangère ou mal-entendant) voit sur l'écran 53 la configuration visuelle correspondant à chaque prononciation type.L'écran 53 peut d'ailleurs être recouvert d'un masque transparent portant des plages colorées 55 facilitant la reconnaissance des emplacements dans lesquels le sujet doit bii-mme "placer" ses phonèmes. Si le sujet ntest pas atteint de surdité totale, le casque 8 connecté au magnétophone par une liaison 902 lui permet, selon un procédé déjà connu dans l'enseignement des langues, d'écouter la prononciation du moniteur et de la comparer à sa propre prononciation qu'il peut entendre "de l'extérieur" grâce à une liaison assurée entre le microphone 1 et le casque 8 au moyen d'un étage de préamplification du magnétophone 9. Une autre piste de la cassette peut être pré-enregistrée avec des signaux numériques commandant par une liaison 903 l'affichage de rubriques ou de mots à prononcer sur un transparent 56 incorporé au récepteur ou bien l'affichage de rubriques ou de mots surl'écran 53 lui-meme par l'intermédiaire d'un générateur de caractères et de tubes convertisseurs d'images incorporés au récepteur pour commander un balayage cavalier. On en vient maintenant à l'organisation des circuits 3 analyse et 4 de réduction de données ainsi qu'au réglage du circuit 4, autrement dit à l'apprentissage du système. On rappelle que le circuit d'analyse a pour rôle de délivrer au circuit de réduction un nombre optimal N, le plus faible possible, de paramètres caractéristiques des sinaux vocaux à identifier, lesdits paramètres déterminant un espace pluridimensionnel de configuration que le circuit de réduction a pour rôle de ramener à un espace bidimensionnel On a déjà proposé de nombreux circuits ou systèmes d'analyse qui mettent en oeuvre une décomposition des signaux en bandes de fréquences (vocoder) ou une méthode de passages à zéro sur un intervalle de temps donné ou encore un modèle approximatif de la membrane basilaire de ltoreille. Ces divers procédés peuvent être utilisés en temps quasi-réel mais les paramètres extraits sont relativement pauvres.Aussi, a-t-on procédé récerment à de nombreuses études sur l'analyse de la parole par prédiction linéaire visant à constituer des modèles qui, soumis à une etci LatiOl. donnée, engendrent un signal de sortie coincidant au mieux avec le signal fourni. En général, on cherche à déterminer les coefficients ai d'une relation de récurrence du type #a1 5n reconstituant au plus près selon un critère donné - par exemple celui dcs moindres carrés un échantillon de signal de l'on a séparé en composantes sn. Le dispositif de l'invention permet la mise en oeuvre d'une étape supplémentaire visant à obtenir la représentation bidien siomlelle par une réduction des données. A cet effet, le circuit de réduction 4, comme on le verra, est constitué par des opérateurs analogiques permettant de définir dans un tableau de données occurrences-paramètres (l'occurrence correspondant au signal représenté) une distance particulière entre deux occurrences. L'apprentissage consiste alors à présenter au dispositif de l'invention une quantité stffisante dtéchantillons de parole de classe connue.Dans l'espace à N dimensions des paramètres retenus, les occurrences de sons élémentaires correspondent respectivement à des points dont l'ensemble forme un nuage où lesdits points sont répartis en agglomérats représentant des classes d'occurrences. L'apprentissage (autrement dit le réglage des circuits opérateurs) peut être jugé satisfaisant quand la prise en compte de nouvelles occurrences ne modifie plus la répartition de façon significative. Le plan de représentation est déterminé de façon à maximiser la sorite des projections sur ses axes des distances des agglomérats représentatifs pris deux à deux. Ce plan contient alors la partie principale de l'information contenue dans les données. Le calcul se ramène en fait à celui des valeurs et vecteurs propres d'une matrice symétrique ordonnée. C'est le rôle du calculateur 7 de la Fig. 1 qui reçoit du circuit analyseur 3, par la liaison 71, les paramètres à prendre en compte et adresse par la liaison 72 au circuit réducteur 4, si cclui-ci comporte des lignes d'opérateurs à commande de réglage, des instructions de réglage d'auprès un programme symbolisé ici par un clavier 10 connecté au calculateur 7 par une liaison 101. On a aussi représenté une liaison 91 adressant au calculateur 7 des instructions ou données contenues dans le magn;-tophone 9 et qui peuvent résulter, par exemple, de listes de sons ou mots-types enregistrés par un moniteur.Les liaisons 71 et 72 ont été représentées en traits interrompus pour montrer que le calculateur 7 intervient seulement dans l'apprentissage et peut être dissocié du dispositif de l'invention pour l'utilisation. Il est d'ailleurs évident que, si ledit dispositif est réalisé en plusieurs exen;plaires destinés à être utilisés selon une méthode commune dans les laboratoires ou centres d'othophonie, les opérateurs du circuit réducteur 7 peuvent être réalisés au moyen de composants dont les valeurs ont été fixées une fOIF. pour toutes d'après un dispositif prototype ayant seul subi l'apprentissage. On ronsl'.ère maintenant la Fig. 2 qui montre un exemple de realis tion eses (iretwits analyseur 3 et réducteur 4 de la Fig. 1 répondant aux conditions définies ci-dessus malgré la simplicité du schéma, moyennant un échantillonnage des signaux vocaux. Ltanalyseur 3 comporte autant de lignes que de composantes retenues pour l'analyse des signaux. Chaque ligne est composée d'un échantillonneur 32 synchronisé par une horloge 33 par l'intermédiaire d'une liaison 34 et d'un filtre de lissage 35. Les lignes sont alimentées en parallèle par le microphone 1 ou toute autre source de signaux de parole. Les composantes sont donc constituées ici par les signaux échantillonnés convenablement lissés. Le circuit réducteur 4 comporte deux modules 4x et 4y que l'on a représentés superposés, le module 4x attaquant le circuit de commande de déflexion 51x (Fig. 1) par la liaison 41x et le module 4y attaquant le circuit de commande de déflexion 31y par la liaison 41y. Chaque module compote autant de diviseurs de tension 42 qu'il y a d'opérateurs dans l'analyseur 3 et un même opérateur attaque par des lignes 31x et31y les entrées de deux diviseurs 42, l'un appartenant au module 4x et l'autre au module 4y.Dans chaque module 4, les sorties de diviseurs 42 attaquent par des lignes 43 les entrées d'un circuit sommateur 44x ou 44y dont la sortie est connectée comme on l'a vu à l'un des circuits de commande de déflexion 51 ou ffly du récepteur de visualisation de la Fig. 1. Les déplacements du spot de l'écran 53 sont donc commandés par des signaux de sommes pondérées de composantes extraites du signal de parole échantjllonnée, c'est-à-dire que les coordonnées du spot sont les résultats de transformations linéaires des composantes du signal. Les diviseurs de tension 42 peuvent être des circuits analogiques à réglage de gain commandé lors de l'apprentissage par le calculateur 7 (Fig. 1) par l'intermédiaire des liaisons 71x et 71y. Mais ils peuvent être aussi constitués par de simples potentiomètres à commande manuelle. Enfin, comme on l'a déjà indiqué, ils peuvent être replacés par des circuits potentiométriques réglés une fois pour toutes dtaprès les résultats donnés par l'apprentissage d'un matériel prototype. R VEND IC AT IONS 1 - Dispositif d'analyse des signaux acoustiques de la parole par représentation graphique, caractérisé en ce qu'il comporte un transducteur sensible aux signaux dé parole, des moyens pour échantillonner les signaux de sortie du transducteur, des moyens pour élaborer à partir des signaux échantillonnés des signaux de paramètres phonologiques, des moyens pour élaborer à partir des signaux de paramètres des signaux de coordonnées planes, un oscilloscope cathodique et des moyens pour commander la dé flexion du faisceau oscillos copique par lesdits signaux de coordonnées, des emplacements du spot sur l'écran de l'oscilloscope caractérisant ainsi des classes d 'occurrences phonologiques. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'élaboration des signaux de paramètres phonologiques sont des échantillons lissés et en ce oue les moyens d'élaboration des signaux de coordonnées compre;ulent un premier et un deuxième circuits de sommation pondérée des signaux délivrés par les filtres de lissage. 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour commander la brillance du spot de l'oscilloscope par le niveau des signaux de sortie du transducteur. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour additionner aux signaux de commande de déflexion du faisceau oscilloscopique des signaux de fréquences extraits des signaux de sortie du transducteur. 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un masque transparent disposé contre l'écran de 1' oscilloscope et portant des repères d'emplacements de classes de composantes phonologiques. 6 - Système d'analyse des signaux acoustiques de la parole caractérisé en ce qu'il comporte, outre un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 et des moyens d'affichage de données visuelles, un magnétophone multipiste, des moyens pour délivrer au dispositif les signaux de parole de référence enregistres sur une piste et des moyens pour délivrer aux moyens dtaffi- chage des signaux de données visuelles enregistrés sur une autre piste. 7 - Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens d'affichage sont constitués par des circuits d'affichage de données sur l'écran de ltoscilloscope. 8 - Système d'analyse des signaux acoustiques de la parole, caractérisé en ce qu'il comporte, outre un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, un calculateur élaborant à partir des signaux de paramètres phonologiques des données de réglage des moyens d'élaboration des signaux de coordonnées planes.