Brevet FR2883656A1 — publié le 20060929

TRAITEMENT CONTINU DE LA PAROLE UTILISANT UNE FONCTION DE 5 TRANSFERT HETEROGENE ET ADAPTES La présente invention concerne un prétraitement continu de signal de la parole destiné à un système de reconnaissance automatique de la parole et plus particulièrement dans des véhicules. Du point de vue de la sécurité, il est préférable que le conducteur d'un véhicule puisse procéder à des commandes vocales pour activer certaines fonctions de son véhicule. Toutefois, comme l'environnement d'un véhicule est souvent très perturbé et contient plusieurs sources de bruit, comme le vent, le roulement des pneus, les vibrations mécaniques, le système audio, les frottement des essuie-glaces, le signal de clignotants, etc., il est nécessaire de traiter préalablement les signaux avant leur interprétation par le système de reconnaissance automatique de la parole afin de pouvoir extraire correctement les commandes vocales. Dans cette description, le terme bruit regroupe le bruit et les interférences. Plus précisément, l'invention concerne le prétraitement du signal vocal de commande avant que ce signal n'arrive dans le système de reconnaissance automatique de la parole. Si la qualité du signal est améliorée par un prétraitement, le système devient plus fiable et sera donc plus sûr et mieux accepté par les utilisateurs. Bien entendu, le principe de filtrer le bruit du signal afin d'obtenir une meilleure qualité du signal vocal avant son interprétation est connu. La figure 1 montre le principe général du traitement du signal de commande en filtrant le bruit avant de présenter le signal vocal au système de reconnaissance automatique de la parole. Le signal vocal s(n) est perturbé par un signal de bruit d(n) et la résultante est le signal y(n). Ce signal y(n) entre dans une unité de prétraitement 2 afin d'améliorer la qualité du signal en filtrant le bruit. Le signal filtré s(n) est fourni en sortie et est présenté à un module de reconnaissance automatique de la parole 63. Toutefois, dans la majeure partie des situations, comme le bruit est constitué de multiples sources hétérogènes difficilement modélisables, il est souvent très difficile, voire impossible, de construire un filtre précis qui réduit efficacement les composantes de bruit. De plus, une mauvaise détermination du filtre, basée sur des modèles de bruit erronés ou une estimation trop approximative, peut même conduire à une destruction partielle du signal vocal rendant le prétraitement parfois pire que si aucune action n'avait été effectuée. Plusieurs solutions ont été proposées pour améliorer la qualité du signal vocal. Par exemple, il est connu que l'utilisation d'un réseau de microphones en combinaison avec un contrôle de directivité du réseau par utilisation de la technologie de formation de voies, peut permettre d'augmenter le gain du signal reçu dans des directions privilégiées et d'avoir un système moins sensible au bruit et aux interférences directionnelles. Toutefois, ces systèmes, pour être efficaces, peuvent devenir coûteux à cause de l'utilisation du réseau de microphones, et ne sont pas faciles à intégrer avec les contraintes de plus en plus fortes concernant l'esthétique intérieure des véhicules. De plus, de tels systèmes restent très limités en performance du fait que les interférences directionnelles à l'intérieur d'un habitacle de véhicule ne constituent souvent pas les sources de perturbations principales, si bien que ces systèmes ne résolvent que très partiellement le problème ou du moins dans un nombre très limité de configurations. Parmi les autres solutions proposées, on trouve des principes de réduction de bruit ou d'interférences basés sur l'ajout d'un capteur de référence de bruit pour obtenir un signal de bruit de référence. Par exemple, on peut placer un premier microphone proche du conducteur, et un deuxième microphone éloigné de celui-ci. Le premier microphone capte ainsi le signal d'intérêt, c'est-à-dire, la commande vocale, auquel s'ajoute le signal de bruit, tandis que le deuxième microphone ne capte, en principe, que le signal de bruit. Toutefois, dans la pratique cette solution n'est pas satisfaisante car il est très difficile d'obtenir à la fois un signal représentatif du bruit local autour du locuteur et sur un microphone éloigné de celui-ci. Il en résulte donc, si le microphone est loin du locuteur, qu'une référence de bruit approximative est générée et qu'elle devient donc inutilisable voire critique pour le système, comme expliqué précédemment. Si, par contre, le second microphone est rapproché du locuteur, la composante de bruit dans le signal reçu sera plus représentative du bruit local autour du locuteur mais il sera impossible d'éviter une contribution et un mélange (ou fuite) de signal d'intérêt dans le signal du deuxième microphone ce qui pourra résulter en une destruction partielle voire totale du signal d'intérêt car, dans ce cas, le signal d'intérêt sera lui aussi considéré comme une composante du bruit et sera éliminé par le processus de soustraction de bruit. Par ailleurs et pour tenter de remédier à ce problème, il existe aussi des architectures intégrant des capteurs non acoustiques qui peuvent être considérés pour servir à définir la référence de bruit. A titre d'exemple, le brevet JP2244099 au nome de AISIN SEIKI permet d'illustrer ce propos avec l'utilisation du signal électrique fourni aux haut-parleurs du système audio comme source de référence de bruit. L'avantage de tels capteurs est d'éviter la fuite du signal d'intérêt dans la référence de bruit, car dans ce cas, le signal de référence n'est plus un signal acoustique contenant une contribution du signal d'intérêt acoustique. Par exemple, on peut détecter un phénomène de vibration. De manière générale, on peut distinguer les deux types de capteurs suivants: les capteurs en contact avec le corps du locuteur et ceux sans contact avec le corps du locuteur. Le premier type de capteur est, bien entendu, très contraignant pour l'application à un conducteur de véhicule et n'est donc pas intéressant pour le cas qui nous concerne. Le dernier semble plus approprié pour le type d'application concernée et sera considéré dans la description de l'invention. Une autre possibilité de filtrer le signal de bruit consiste en l'estimation de la composante de bruit avant le début de la réception du signal de parole et en sa soustraction du signal reçu pendant toute la durée de réception du signal de parole et de bruit mélangé. Dans ces conditions, et pour effectuer cette opération avec fiabilité, l'utilisation d'un détecteur d'activité vocale est nécessaire pour connaître la période de parole et soustraire du signal reçu, pendant celle-ci, l'estimation du bruit obtenue juste avant le début du signal de parole. Pour ce faire, il est aussi souvent considéré que le niveau de signal de parole est largement supérieur en énergie à celui du bruit environnant. Ainsi, en utilisant un seuil sur l'énergie du signal reçu, la période de réception du signal de parole peut être détectée et le bruit estimé au préalable peut être enlevé grâce au principe précédemment décrit. Cependant, ce principe de détection par seuillage en énergie n'est pas robuste dans le cas de sons à consonance fricative par exemple. De plus, l'hypothèse principale et implicite de ce procédé réside dans le fait que le bruit n'évolue pas pendant la réception du signal de parole. Cependant, pour le type d'application qui nous concerne, l'environnement d'un véhicule impose d'autres contraintes qui conduisent en général à un environnement ou le bruit ou les interférences ne sont pas constants, et peuvent varier avec la vitesse du véhicule (accélération ou décélération), la sortie du système audio, la mise en marche des essuie-glaces, des clignotants, etc. On comprend aisément que les hypothèses implicites et restrictives ainsi faites ne sont pas applicables pour le cas considéré. Il en résulte donc la nécessité de prendre en compte cette variation du bruit pendant la réception du signal de parole et la réalisation d'une réduction de bruit continue devant être opérationnelle même durant la réception du signal de parole sans qu'aucune hypothèse de stationnarité du bruit ne soit imposée. La présente invention a donc pour objectif de pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus. Plus précisément, un des objectifs de la présente invention est de remédier à ces inconvénients par une unité de prétraitement du signal d'intérêt pour un système de reconnaissance automatique de la parole pour un véhicule qui est précis, fiable et peu onéreux. Cet objectif ainsi que d'autres sont atteints grâce à un système de prétraitement d'un signal d'intérêt un système de reconnaissance automatique de la parole d'un véhicule, comprenant: au moins un capteur acoustique pour capter le signal d'intérêt émis par un conducteur du véhicule, au moins un capteur non acoustique pour capter un signal non acoustique de bruit présent dans le véhicule, une unité de prétraitement du signal d'intérêt, une première unité de conditionnement reliant le capteur non acoustique à l'unité de prétraitement à travers une première banque de filtres, une seconde unité de conditionnement reliant le capteur acoustique à l'unité de prétraitement à travers une seconde banque de filtres, où lesdites première et seconde banques de filtres sont agencées pour diviser un signal reçu en une pluralité de sous-bandes de fréquences, l'unité de prétraitement comprenant: une section de traitement de signaux à bandes de fréquences cohérentes destiné à éliminer le bruit du signal fourni depuis la première banque de filtres, une section de traitement de signaux à bandes de fréquences non cohérentes, ladite section de traitement de signaux à bandes de fréquences non cohérentes comprenant un moyen d'estimation de la fonction de transfert d'un signal à travers l'habitacle du véhicule, une section de sélection de méthodes pour déterminer les propriétés de cohérence du signal reçu de la première et seconde banques de filtres, et pour sélectionner ladite section de traitement de signaux à bandes de fréquences cohérentes ou ladite section de traitement de signaux à bandes de fréquences non cohérentes en fonction du résultat des propriétés du signal reçu. Dans un mode de réalisation particulier, le système de prétraitement d'un signal d'intérêt comprend en outre un détecteur d'activité vocale agencé pour activer ou désactiver automatiquement la mise à jour dans le moyen d'estimation de la fonction de transfert dudit système quand un signal d'intérêt est détecté. De préférence ce système de prétraitement d'un signal d'intérêt comprend en outre un capteur non acoustique de parole agencé pour fournir un signal audit détecteur d'activité vocale. Il va de soi que l'utilisation de ce prétraitement ne se limite pas qu'à son application pour la reconnaissance automatique de la parole dans un véhicule. On va décrire ci-après, à titre d'exemple uniquement, un mode de réalisation de l'objet de l'invention en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1, déjà citée, montre le principe général de la suppression d'un signal de bruit, la figure 2 est un schéma de base des sources et des 15 capteurs dans l'habitacle d'un véhicule pour un système de reconnaissance automatique de parole, la figure 3 montre un schéma simplifié du système de prétraitement comprenant une unité de prétraitement selon l'invention, et la figure 4 représente schématiquement plus en détail la section de cohérence de l'unité de prétraitement selon l'invention. La figure 2 montre un schéma de base des sources et des capteurs dans l'habitacle d'un véhicule pour un système de reconnaissance automatique de parole. L'habitacle d'un véhicule comprend au moins un capteur acoustique 1, par exemple un microphone ou un réseau de microphones, destiné et positionné afin de capter le signal de parole d'un conducteur 7 du véhicule. Quand le conducteur 7 parle, il émet potentiellement un signal de commande vocale, appelé signal d'intérêt s(n) , pour commander éventuellement une opération du véhicule à interpréter par le système de reconnaissance automatique de parole. Plusieurs sources de bruit ou d'interférences, ici représenté par un bloc 9, génèrent un signal de bruit d(n) qui évolue avec le temps et en fonction des conditions de l'environnement extérieur du véhicule, des opérations de conduite et des conditions dans l'habitacle du véhicule. Sur cette figure, l'habitacle du véhicule est représenté schématiquement par un bloc 4 qui correspond, en fait, au milieu de propagation des signaux provenant des sources vers les capteurs. Donc, le capteur acoustique 1 reçoit un signal y(n) composé du signal d'intérêt s(n) ainsi que le signal de bruit d(n). Selon l'invention, un capteur ou un ensemble de capteurs de type non acoustique 11 est également prévu pour capter le signal non acoustique d'(n) des sources de bruit ou d'interférences engendré par des sources telles que des vibrations causées par le roulement des pneus, le moteur et autres. Le signal non acoustique de bruit d'(n) capté par le(s) capteur(s) non acoustique(s) 11 est utilisé en tant que signal de bruit de référence. En fait, et de façon nettement moins restrictive que de supposer le bruit et les interférences comme stationnaires pendant la durée de réception du signal de parole, on peut, de façon plus réaliste, considérer que c'est la propagation du signal non acoustique de bruit d'(n) à travers l'habitacle du véhicule qui se fait d'une façon presque stationnaire. Ceci est en effet principalement justifié par le fait que dans l'habitacle 30 du véhicule, la configuration géométrique, la constitution des matériaux et leurs propriétés acoustiques restent quasiment constantes durant la période de réception d'un signal de parole. Donc, la fonction de transfert de propagation des sources de bruit ou d'interférences vers le(s) capteur(s) est sensiblement stationnaire pour ce signal d'(n) pendant la réception du signal d'intérêt. Ainsi en utilisant le signal non acoustique de bruit d'(n) fourni par le(s) capteur(s) non acoustique(s) 11 et en estimant la fonction de transfert de propagation, il est possible d'estimer continuellement l'évolution du signal bruit d(n) sans faire aucune hypothèse forte concernant la stationnarité de celui-ci pendant la durée de réception de signal de parole tout en évitant le mélange du signal d'intérêt dans la référence de bruit. Ainsi, il n'est pas nécessaire de faire une estimation du signal de bruit lui-même, mais seulement une estimation de la fonction de transfert dans le milieu de propagation qui est plus stationnaire et qui peut donc être réalistement considérée stable pendant la durée de réception du signal de parole et il devient alors possible de continuer à estimer et à éliminer le bruit et les interférences pendant la réception du signal de parole même si le bruit et les interférences continuent à évoluer fortement pendant cette réception du signal d'intérêt. La figure 3 montre un schéma simplifié du système de prétraitement comprenant une unité de prétraitement selon 25 l'invention. L'ensemble de capteur(s) non acoustique(s) 11 est lié à une unité de prétraitement du signal de parole 5 à travers une première unité de conditionnement de signal 12 et une banque de filtres 13. La première unité de conditionnement 12 détecte la présence des composantes impulsives et empêche leur propagation dans le système avant de fournir le signal traité à la banque de filtres 13. La banque de filtres 13 sépare le signal reçu en plusieurs bandes spectrales permettant par la suite un traitement de suppression de bruit et d'interférences adapté à la bande spectrale considérée. Par exemple, une échelle d'un tiers d'octave est couramment utilisée pour subdiviser un signal de parole. Les différents signaux ainsi obtenus sont fournis à l'unité de prétraitement 5. En parallèle, l'ensemble de capteur(s) acoustique(s) 1 est lié à l'unité de prétraitement de la parole 5 à travers une seconde unité de conditionnement de signal 14 et une banque de filtres 15. La seconde unité de conditionnement 14 adapte le signal reçu en fonction du type de capteur utilisé. Par exemple, si le capteur consiste en un réseau de microphones, un traitement des signaux en réseau est effectué afin de permettre le traitement par des techniques conventionnelles. Le signal traité est fourni à la banque de filtres 15. La banque de filtres 15 sépare le signal reçu en plusieurs bandes spectrales permettant par la suite un traitement de suppression de bruit et d'interférences adapté à la bande considérée. Les différents signaux ainsi obtenus sont fournis à l'unité de prétraitement 5. On décrira ci-après plus en détail l'unité de prétraitement selon l'invention. Cette unité de prétraitement comprend plusieurs sections qui traitent les signaux reçus selon les propriétés du signal. Les signaux fournis à l'unité de prétraitement sont divisés en sous-bandes spectrales pour permettre un traitement approprié pour la bande de fréquence considérée. A cet effet, l'unité de prétraitement 5 comprend une section de sélection de méthodes 51. La section 51 sélectionne la méthode en fonction, par exemple, de la bande du signal, de la cohérence et/ou de la situation. En fonction du résultat de cette analyse, la section de sélection 51 sélectionne une section de traitement de signaux à bandes de fréquences cohérentes 52 ou une section de traitement de signaux à bandes de fréquences non cohérentes ou tout au moins de plus faible cohérence, appelé ci-après la section de traitement 53. La section de sélection de méthodes 51 mesure la cohérence dans le signal reçu. Si la cohérence est élevée dans les bandes de fréquence du signal, une méthode de suppression de bruit selon le principe d'orthogonalité est utilisée, dans la section de traitement 52, sur le signal reçu y(n) afin d'éliminer le bruit par une méthode classique de réjection de bruit à références multiples par exemple par soustraction d'une estimation du signal d'(n) du signal reçu y(n) pour obtenir une estimation du signal d'intérêt s(n). Comme plusieurs méthodes sont connues de l'homme du métier, comme par exemple, et de façon non exhaustive, l'application d'un filtrage de Wiener, on n'explique pas cette technique en détail ici. La section de traitement 53 comprend un moyen d'estimation de la fonction de transfert 55, un moyen d'estimation du bruit instantanée 57, et un moyen de soustraction spectrale 59. La figure 4 représente schématiquement plus en détail la section de traitement 53. Le moyen d'estimation de la fonction de transfert 55 reçoit le signal y(n) composé du signal d'intérêt et du signal de bruit. Comme le milieu de propagation dans un habitacle de véhicule est quasi stationnaire pendant la réception du signal de parole, la fonction de transfert peut être considéré stationnaire pendant cette période. Donc, en mesurant les sources de bruit et en estimant la fonction de transfert, il est ensuite possible de connaître l'évolution du bruit dans l'habitacle. Ainsi, le signal de bruit peut être connu et adapté en continu même pendant la réception du signal d'intérêt. Ceci permet de définir un signal de référence de bruit plus fiable qui peut être utilisé dans une méthode classique de soustraction spectrale du signal de bruit du signal d'intérêt pour obtenir un signal à bruit réduit. Le moyen d'estimation de la fonction de transfert 55 fournit en sortie les fonctions de transfert estimées qui fournissent elles mêmes un moyen d'estimation du bruit instantanée 57 comme décrit ci-dessous. Le moyen d'estimation du bruit instantanée 57 reçoit le signal de bruit et utilise le résultat du moyen d'estimation des fonctions de transfert 55 pour mettre à jour le signal estimé du bruit. Le moyen d'estimation du bruit instantanée 57 fournit ensuite en sortie le signal de bruit estimé, mis à jour de façon continue, qui est fourni au moyen de soustraction spectrale 59. Le moyen de soustraction spectrale 59 est un module destiné à soustraire du signal reçu une estimation du spectre du bruit. Dans cette technique, connue de l'homme du métier et qui ne sera donc pas détaillée ici, le spectre à court terme du bruit est généralement mesuré pendant les pauses du locuteur et est utilisé pour corriger le spectre de la parole bruitée. Avantageusement, le système selon l'invention peut encore inclure un détecteur d'activité vocale conventionnel pour désactiver automatiquement dans le système la mise à jour de l'estimation de la fonction de transfert quand le conducteur du véhicule commence à parler et la réactiver lorsqu'il s'arrête de parler. De préférence, le détecteur d'activé vocale est lié à un capteur non acoustique de parole pour améliorer la sensibilité et la fiabilité du détecteur d'activité vocale. La Figure 3 montre un tel détecteur, indiqué par la référence 54 qui est incluse dans l'unité de prétraitement 5 et qui est agencé pour recevoir les signaux provenant des banques de filtres 13 et 15. Un capteur non acoustique de parole 21 est également prévu et fournit un signal au détecteur 54. Afin de contrôler la mise à jour ou le gel de l'estimation de la fonction de transfert dans le moyen d'estimation de la fonction de transfert 55 relativement à la réception d'un signal de parole, une commande de mise à jour est fournie au bloc 55 par le détecteur d'activité vocale 54 qui reçoit le signal y(n) composé du signal d'intérêt et du signal de bruit et qui reçoit aussi éventuellement le signal du capteur non acoustique de parole 21, qui peut être par exemple de type capteur de vibration situé à proximité du conducteur dans son siège. Si un signal de parole est reçu, le détecteur d'activité vocale 54 fournit, à l'estimateur de la fonction de transfert 55, une commande qui conduit à un gel de l'estimation et place l'estimateur de la fonction de transfert 55 dans un mode sans mise à jour. Donc, tant qu'un signal de parole est reçu, la fonction transfert n'est plus mise à jour mais l'estimation du bruit continue à être mise à jour grâce au moyen d'estimation du bruit instantanée 57. Dès lors qu'aucun signal de parole n'est reçu, le détecteur d'activité vocale 54 fournit, à l'estimateur de la fonction de transfert 55, une commande autorisant la mise à jour de l'estimation et place l'estimateur de la fonction de transfert 55 dans un mode de mise à jour. Ensuite, les signaux dans les sous-bandes fournies par la section de traitement de signaux à bandes de fréquences cohérentes 52 et par la section de traitement à bandes de fréquences non cohérentes 53 sont recombinés dans un moyen de recombinaison de sous-bandes 61 afin de fournir le signal d'intérêt temporel à bruit réduit au système de reconnaissance de parole automatique 63. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit ci-dessus qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Ainsi, il est à noter que plusieurs modifications et/ou améliorations peuvent être apportées à la méthode selon l'invention sans sortir du cadre de celle-ci. REVENDICATIONS 1. Système de prétraitement d'un signal d'intérêt dans un système de reconnaissance automatique de la parole 5 d'un véhicule, comprenant: au moins un capteur acoustique (1) pour capter le signal d'intérêt émis par un conducteur du véhicule, au moins un capteur non acoustique (11) pour capter un signal non acoustique de bruit présent dans le véhicule, une unité de prétraitement (5) du signal d'intérêt, une première unité de conditionnement (12) reliant le capteur non acoustique (11) à l'unité de prétraitement (5) à travers une première banque de filtres (13), une seconde unité de conditionnement (14) reliant le capteur acoustique (1) à l'unité de prétraitement (5) à travers une seconde banque de filtres (15), où lesdites première et seconde banques de filtres (13, 15) sont agencées pour diviser un signal reçu en une 20 pluralité de sous-bandes de fréquences, l'unité de prétraitement (5) comprenant: une section de traitement de signaux à bandes de fréquences cohérentes (52) destiné à éliminer le bruit du signal fourni depuis la première banque de filtres (13), une section de traitement de signaux à bandes de fréquences non cohérentes (53), ladite section de traitement de signaux à bandes de fréquences non cohérentes (53) comprenant un moyen d'estimation de la fonction de transfert (55) d'un signal à travers l'habitacle du véhicule, une section de sélection de méthodes (51) pour déterminer les propriétés de cohérence du signal reçu de la première et seconde banques de filtres (13, 15), et pour sélectionner ladite section de traitement de signaux à bandes de fréquences cohérentes (52) ou ladite section de traitement de signaux à bandes de fréquences non cohérentes (53) en fonction du résultat des propriétés du signal reçu. 2. Système de prétraitement d'un signal d'intérêt selon la revendication 1, comprenant en outre un détecteur d'activité vocale (54) agencé pour désactiver automatiquement la mise à jour dans le moyen d'estimation 10 de la fonction de transfert (55) dudit système quand un signal d'intérêt est détecté. 3. Système de prétraitement d'un signal d'intérêt selon la revendication 2, comprenant en outre un capteur non acoustique de parole (21) agencé pour fournir un signal audit détecteur d'activité vocale (54). 4. Système de prétraitement d'un signal d'intérêt selon la revendication 1, dans lequel la section de traitement à bandes de fréquences non cohérentes (53) comprend en outre un moyen d'estimation de bruit instantanée (57) agencé pour recevoir le signal de bruit et pour utiliser le résultat délivré par le moyen d'estimation des fonctions de transfert (55) pour mettre à jour le signal estimé de bruit. 5. Système de prétraitement d'un signal d'intérêt selon la revendication 4, dans lequel la section de traitement à bandes de fréquences non cohérentes (53) comprend en outre un moyen de soustraction spectrale (59) agencé pour recevoir le signal délivré par ledit moyen d'estimation de bruit instantanée (57) et pour soustraire dudit signal reçu une estimation du spectre du bruit.