(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
音声信号を所定周期の特徴パラメータの系列に変換する変換手段と、
不特定話者音声認識用の音の部品をモデル化した隠れマルコフモデルのデータを蓄積する認識用データ蓄積手段と、
前記認識用データ蓄積手段に蓄積された隠れマルコフモデルのデータ、および、前記変換手段によって変換される特徴パラメータの系列を参照して、入力された音声信号を認識する認識手段と、
前記認識手段による認識結果を出力する出力手段と、
を備えた音声認識装置であって、
適用対象となる特定話者の音声信号を前記変換手段によって変換した特徴パラメータの系列と前記認識用データ蓄積手段に蓄積された隠れマルコフモデルのデータの系列との対応関係を求めて、ある時刻の特徴パラメータに最も類似する音の部品の隠れマルコフモデルの状態を決定し、その状態が有する１以上の正規分布を予め定めた規則に従って選択し、前記選択した各正規分布の確率値を前記選択した全ての確率値の和で除した値をその正規分布に対する重みの目標値とする一方で、選択されなかった正規分布に対する重みの目標値は０とし、正規分布に対する重みを前記目標値に近づけることにより、前記認識用データ蓄積手段に蓄積された認識用データを前記適応対象となる特定話者用に適応化する適応手段を備えたことを特徴とする音声認識装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記予め定めた規則は、
決定した隠れマルコフモデルの状態が有する正規分布の確率値を値の大きな順にソートして値の最も大きな１つの正規分布を選択すること、
決定した隠れマルコフモデルの状態が有する正規分布の確率値を値の大きな順にソートして値の大きなものから所定数個の正規分布を選択すること、
および、全ての正規分布を選択すること、のうちのいずれかであり、
前記適応手段は、このいずれかの規則に従って正規分布を選択することを特徴とする音声認識装置。
【請求項３】
請求項１および２のいずれかにおいて、
前記目標値（Ωi m （ｔ））は、
音の部品のモデルの状態ｉに対応する時刻ｔの特徴パラメータをｘt 、前記状態ｉが有する正規分布をｍ、Ｎを平均ベクトルμ、共分散行列Σの正規分布、
時刻ｔにおける状態ｉが有する正規分布の重みの内で正の目標値を設定する対象となる正規分布の集合をＦi （ｔ）として、
【数１】
0003871774.tif 000013
であることを特徴とする音声認識装置。
【請求項４】
請求項１、２および３のいずれかにおいて、
前記適応手段は、さらに、
正規分布の重みを適応化するとともに、事後確率値最大化法を用いて正規分布の平均ベクトルを最適化することを特徴とする音声認識装置。
【請求項５】
話者適応を行う音声認識方法であって、
適応化対象となる特定話者の音声信号を所定周期の特徴パラメータの系列に変換するステップと、
前記変換された特徴パラメータの系列と、予め蓄積された不特定話者音声認識用の音の部品をモデル化した隠れマルコフモデルのデータの系列との対応関係を求めるステップと、
ある時刻の特徴パラメータに最も類似する音の部品の隠れマルコフモデルの状態を決定するステップと、
その状態が有する１以上の正規分布を予め定めた規則に従って選択するステップと、
前記選択した各正規分布の確率値を前記選択した全ての確率値の和で除した値をその正規分布に対する重みの目標値とする一方で、選択されなかった正規分布に対する重みの目標値は０とし、正規分布に対する重みを前記目標値に近づけることにより、前記予め蓄積された不特定話者音声認識用の隠れマルコフモデルのデータを適応対象となる特定話者用に適応化するステップと、
前記適応化された隠れマルコフモデルのデータを参照して、入力された音声信号を認識するステップと、を有する音声認識方法。
【請求項６】
話者適応を行って音声認識を行うプログラムを記憶した記憶媒体であって、
適応化対象となる特定話者の音声信号を所定周期の特徴パラメータの系列に変換する処理と、
前記変換された特徴パラメータの系列と、予め蓄積された不特定話者音声認識用の音の部品をモデル化した隠れマルコフモデルのデータの系列との対応関係を求める処理と、
ある時刻の特徴パラメータに最も類似する音の部品の隠れマルコフモデルの状態を決定する処理と、
その状態が有する１以上の正規分布を予め定めた規則に従って選択する処理と、
前記選択した各正規分布の確率値を前記選択した全ての確率値の和で除した値をその正規分布に対する重みの目標値とする一方で、選択されなかった正規分布に対する重みの目標値は０とし、正規分布に対する重みを前記目標値に近づけることにより、前記予め蓄積された不特定話者音声認識用の隠れマルコフモデルのデータを適応対象となる特定話者用に適応化する処理と、
前記適応化された隠れマルコフモデルのデータを参照して、入力された音声信号を認識する処理と、をコンピュータに実行させる音声認識プログラムを記憶した記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、話者適応を行って不特定話者の音声認識を行う技術に係わり、より詳細には、不特定話者の音の部品をモデル化した隠れマルコフモデルを、ある特定の話者の音声に適応化させて音声認識を行う装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の不特定話者の音声認識技術として、隠れマルコフモデル（ＨｉｄｄｅｎＭａｒｋｏｖ  Ｍｏｄｅｌ、以下単に「ＨＭＭ」と記す）を用いたものが多く提案されている。このＨＭＭについては、例えば、中川著「確率モデルによる音声認識（電子情報通信学会出版）」等の文献に詳細に記載されている。
【０００３】
多数語彙の不特定話者音声認識システムでは、多数話者の多数音声データを用いて、通常５０個乃至１００個程度の不特定話者用の音の部品モデル（音素モデル、音節モデル等）を学習させておいて、与えられた音声信号の認識処理を行うものであり、この音の部品モデルは、通常、１以上の状態を有するＨＭＭで表現されることが知られている。
【０００４】
今、Ｎ（ｘ｜μ，Σ）を平均ベクトルμ、共分散行列Σの正規分布とすると、連続ＨＭＭによる音の部品モデルの状態ｉの出力確率分布は、次式（式１）によって表現される。
【０００５】
【数２】
0003871774.tif 000002
【０００６】
ここで、ｗi m は、音の部品モデルの状態ｉでのｍ番目の正規分布Ｎ（ｘ｜μi m ，Σi m ）の重みである。Ｍは、音の部品モデルの状態ｉでの正規分布数を表す。状態毎に異なる正規分布を有する場合、通常、Ｍは１〜１６程度の値を持つことが多い。
【０００７】
ところで、不特定話者音声認識システムは、通常、特定話者音声認識システムに比べて認識性能が低く、また、話者の中には不特定話者音声認識システムでの認識率が他の話者に比べて著しく低い者もいる。そこで、ＨＭＭを用いた不特定話者音声認識システムにおける話者適応技術として、不特定話者用の音の部品モデルのパラメータを、ある特定話者の音声サンプリングデータを用い、当該話者に適応化させる処理が音声認識を行ううえで有効であり、このような処理は話者適応と称されている。
【０００８】
この話者適応を行う手法として、事後確率値最大化（ＭＡＰ：Ｍａｘｉｍｕｍａ  Ｐｏｓｔｅｒｉｏｒｉ）法（ｌｅｅ  ｅｔ  ａｌ，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．ｏｎ  ＡＳＳＰ，１９９１）、ベクトル場平滑化（ＶＦＳ：Ｖｅｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ）法（高橋他、音学講論．２−８−１９，１９９４−１１）による正規分布の平均ベクトルの適応化、さらには、期待値最大化（ＥＭ：Ｅｘｐｅｃｔａｔｉｏｎ  Ｍａｘｉｍｉｚａｔｉｏｎ）法（松岡他、音学講論．１−１−６，１９９２−３）による正規分布の重みベクトルの適応化等の各種の手法が提案されている。
【０００９】
ここでは、計算量が少なくてよく用いられる話者適応手法として、セグメンタルＭＡＰ法について説明しておくものとする。この手法では、まず、話者適応に用いる言葉の集合（例えば、１０〜２０単語）を予め決めておき、その言葉を順次話者に提示して、話者に発声してもらう。その音声は、ある一定の周期毎に特徴パラメータ（例えば、ケプストラム）の系列に変換される。なお、各言葉に対応する音の部品モデル（例えば、言葉を構成する音素モデル）の系列は、言語的な知識を用いて予め準備しておくことが可能である。そこで、各言葉の特徴パラメータの系列と音の部品モデルの系列との対応情報、即ち、音の各部品モデルが対応する特徴パラメータの区間の開始時刻および終了時刻を求めることができる。
【００１０】
この処理は、通常、Ｖｉｔｅｒｂｉ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ（ビダビアライメント）という公知のアルゴリズムにしたがって実行される。ここで、「セグメンタル」という名称は、Ｖｉｔｅｒｂｉ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔにより、音声の特徴パラメータ系列を音の部品モデルの状態に対応する部分区間（セグメント）に分割することに由来している。
【００１１】
図２は従来技術の模式的な説明図であって、Ａ、Ｓの２つの音素から構成される、今「あさ（ＡＳＡ）」なる単語の部分区間を求めた様子を示している。「ＡＳＡ」の夫々の音素は３つの状態からなっていて、具体的には「Ａ」はａ１、ａ２、ａ３、「Ｓ」はｓ１、ｓ２、ｓ３からなっている。「あさ（ＡＳＡ）」なる単語を発声するとともに、特徴パラメータの一例であるケプストラムが所定周期で出力される。そして、この特徴パラメータと、音の部品モデルである音素を定義する各状態との対応が時間軸上で定まることになる。図２では一例として、ａ１に対するセグメント、即ち、ａ１に対する開始時刻と終了時刻とがＶｉｔｅｒｂｉ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔにより求まった様子を示しているが、他の各状態に対しても同様に、対応する特徴パラメータの区間の開始時刻および終了時刻が求まる。
【００１２】
図２では、例えばａ１は２カ所存在する。このように、音の部品モデルは話者適応用の単語の中に１カ所または複数箇所存在する。そこで、音の部品モデルのある状態に対応する部分区間を集めて、それらに含まれる全ての特徴パラメータに時刻１から順番に時刻を付番する。
【００１３】
今、Ｖｉｔｅｒｂｉ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔにより求められた、音の部品モデルの状態ｉに対応する時刻ｔの特徴パラメータのベクトルをｘt と表すと、ＭＡＰ法を用いて次式２、式３に従って、正規分布の平均ベクトルを話者に適応化させることが可能であることが知られている。式３において、Ｔは各状態に対応するフレームの総数を示し、左辺のμは更新された平均ベクトルを示している。
【００１４】
【数３】
0003871774.tif 000003
【００１５】
【数４】
0003871774.tif 000004
【００１６】
ここで、τは適応化前の平均ベクトルと適応用音声の特徴パラメータの重みを制御するパラメータであり、τが∞の場合には、適応化を一切行わないことを意味し、また、τが０の場合には、適応用音声から計算される推定値で正規分布の平均ベクトルを置き換えることを意味する。
【００１７】
また、ＨＭＭの１つに、Ｓｅｍｉ−Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ（Ｔｉｅｄ−Ｍｉｘｔｕｒｅ）ＨＭＭ（半連続ＨＭＭ）と称されるものがある。これは、音の部品モデルの全ての状態が、共通の正規分布を共有するもので、この場合、状態ｉの出力確率分布は、次式４で表現される。
【００１８】
【数５】
0003871774.tif 000005
【００１９】
ここで、Ｍは１２８や２５６程度の大きな値であることが多い。また、ＭＡＰ法による正規分布の平均ベクトルの話者適応化は次式５、式６を用いた処理で実現されることが知られている。
【００２０】
【数６】
0003871774.tif 000006
【００２１】
【数７】
0003871774.tif 000007
【００２２】
ここで、Ｉは話者適応に用いられる言葉に含まれる音の部品の状態の総数である。なお、式１と式４、式２と式５、式３と式６とを比較して分かるように、半連続ＨＭＭでは、平均ベクトルμ、共分散行列Σのサフィックスからｉが除かれているが、これは、音の部品モデルの全ての状態が、共通の正規分布を共有するからである。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、不特定話者音声認識システムにおいて、不特定話者用の音の部品を表すＨＭＭのパラメータを話者に適応させるためには、適応に用いるための音声を話者に発声してもらうが、この時間は極力短い方がユーザに受け入られやすいことは言うまでもなく、通常、時間的には１分程度、単語数としては１０〜２０単語程度が望ましいとされている。
【００２４】
そして、１０〜２０語程度の単語しか適応のために用いることができない場合に確実な適応効果が得られる話者適応手法としてよく用いられるセグメンタルＭＡＰ法、あるいは、セグメンタルＭＡＰ法とＶＦＳ法とを併用した方法においては、正規分布の平均ベクトルのみの適応化を行うものであった。
【００２５】
このように、式１で表現される連続ＨＭＭ、あるいは、式４で表現される半連続ＨＭＭによる音の部品モデルにおいて、各状態が有する正規分布数Ｍが大きい場合には、正規分布の平均ベクトルのみの適応化では話者適応の効果は十分なものではなかった。
【００２６】
一方、重みを適応化させる方法として、前述したＥＭ法による方法が知られているが、この手法によっても適応化のための計算量が多いことや１０〜２０語程度の少数の単語では適応化される重みパラメータの総数に比べて、適応に用いることができるデータ量が少ないため、重みの推定値の推定精度が十分ではなく、話者適応の効果が十分なものではなかった。
【００２７】
したがって、何らかの手法によって話者適応の効果が十分になるように正規分布の重みを効率良く適応化する技術の出現が望まれていた。
本発明の目的は、上述したような従来の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、話者適応用の単語が少数である場合であっても、正規分布の重みを効率良く適応化させ音声認識率を向上させる手段を提供する点にある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明によれば、音声信号を所定周期の特徴パラメータの系列に変換する変換手段と、
不特定話者音声認識用の音の部品をモデル化した隠れマルコフモデルのデータを蓄積する認識用データ蓄積手段と、
前記認識用データ蓄積手段に蓄積された隠れマルコフモデルのデータ、および、前記変換手段によって変換される特徴パラメータの系列を参照して、入力された音声信号を認識する認識手段と、
前記認識手段による認識結果を出力する出力手段と、
を備えた音声認識装置であって、
適用対象となる特定話者の音声信号を前記変換手段によって変換した特徴パラメータの系列と前記認識用データ蓄積手段に蓄積された隠れマルコフモデルのデータの系列との対応関係を求めて、ある時刻の特徴パラメータに最も類似する音の部品の隠れマルコフモデルの状態を決定し、その状態が有する１以上の正規分布を予め定めた規則に従って選択し、前記選択した各正規分布の確率値を前記選択した全ての確率値の和で除した値をその正規分布に対する重みの目標値とする一方で、選択されなかった正規分布に対する重みの目標値は０とし、正規分布に対する重みを前記目標値に近づけることにより、前記認識用データ蓄積手段に蓄積された認識用データを前記適応対象となる特定話者用に適応化する適応手段を備えたことを特徴とする音声認識装置が提供される。
【００２９】
なお、音の部品とは発生音の構成要素であり、例えば、音節、音素等が挙げられるが、これらに限られるものではない。
これによれば、適応手段が、ある時刻の特徴パラメータに最も類似する音の部品の隠れマルコフモデルの状態を決定し、その状態が有する１以上の正規分布に対する重みを所定の目標値に近づけて、隠れマルコフモデルを特定の話者に適応化するので、音声認識率が高くなる。
【００３０】
また、アナログ音声信号をデジタル信号に変換する機能や、適応化対象となる特定話者の特徴パラメータの系列を蓄積しておくための適応用データ蓄積手段を有する装置も考えられる。
【００３１】
即ち、話者適応機能を有する音声認識装置であって、
アナログ音声信号を入力してデジタル信号に変換する入力手段と、
前記デジタル信号を所定周期で特徴パラメータの系列に変換する変換手段と、
適応化対象となる特定話者の特徴パラメータの系列を蓄積しておくための適応用データ蓄積手段と、
不特定話者音声認識用の音の部品をモデル化した隠れマルコフモデルを蓄積しておく認識用データ蓄積手段と、
前記認識用データ蓄積手段に蓄積された隠れマルコフモデル、および、前記変換手段によって変換された特徴パラメータの系列を参照して、入力されたアナログ音声信号を認識する認識手段と、
適応化を行うための適応手段と、
前記認識手段による認識結果を出力する出力手段と、
を備え、
前記適応手段は、前記適応用データ蓄積手段に蓄積された特徴パラメータの系列と前記認識用データ蓄積手段に蓄積された隠れマルコフモデルとの対応関係を求めて、ある時刻の特徴パラメータに最も類似する音の部品の隠れマルコフモデルの状態を決定し、その状態が有する１以上の正規分布を予め定めた規則に従って選択し、前記選択した各正規分布の確率値を前記選択した全ての確率値の和で除した値をその正規分布に対する重みの目標値とする一方で、選択されなかった正規分布に対する重みの目標値は０とし、正規分布に対する重みを前記目標値に近づけることを特徴とする音声認識装置も考えられる。
【００３２】
また、請求項２に係る発明は、請求項１において、
前記予め定めた規則は、
決定した隠れマルコフモデルの状態が有する正規分布の確率値を値の大きな順にソートして値の最も大きな１つの正規分布を選択すること、
決定した隠れマルコフモデルの状態が有する正規分布の確率値を値の大きな順にソートして値の大きなものから所定数個の正規分布を選択すること、
および、全ての正規分布を選択すること、のうちのいずれかであり、
前記適応手段は、このいずれかの規則に従って正規分布を選択することを特徴とする。
【００３３】
これによれば、音声認識率と認識処理時間とのトレードオフ等を行って、適宜、いずれかの規則に従って正規分布を選択するかを定めることが可能となる。
さらに、請求項３に係る発明は、請求項１および２のいずれかにおいて、
前記目標値（Ωi m （ｔ））は、
音の部品のモデルの状態ｉに対応する時刻ｔの特徴パラメータをｘt 、前記状態ｉが有する正規分布をｍ、Ｎを平均ベクトルμ、共分散行列Σの正規分布、
時刻ｔにおける状態ｉが有する正規分布の重みの内で正の目標値を設定する対象となる正規分布の集合をＦi （ｔ）として、
【００３４】
【数８】
0003871774.tif 000008
【００３５】
であることを特徴とする。これによれば、目標値を２種類設定するだけでよく、簡易なアルゴリズムで認識率の向上を実現できる。
さらにまた、請求項４に係る発明は、請求項１、２および３のいずれかにおいて、
前記適応手段は、さらに、
正規分布の重みを適応化するとともに、事後確率値最大化法を用いて正規分布の平均ベクトルを最適化することを特徴とする。
【００３６】
これによれば、適応手段が事後確率値最大化法を用いて正規分布の平均ベクトルの最適化をも行うので、さらに認識率が向上する。
また、本発明の他の態様である音声認識方法も提供される。即ち、請求項５に係る発明によれば、話者適応を行う音声認識方法であって、
適応化対象となる特定話者の音声信号を所定周期の特徴パラメータの系列に変換するステップと、
前記変換された特徴パラメータの系列と、予め蓄積された不特定話者音声認識用の音の部品をモデル化した隠れマルコフモデルのデータの系列との対応関係を求めるステップと、
ある時刻の特徴パラメータに最も類似する音の部品の隠れマルコフモデルの状態を決定するステップと、
その状態が有する１以上の正規分布を予め定めた規則に従って選択するステップと、
前記選択した各正規分布の確率値を前記選択した全ての確率値の和で除した値をその正規分布に対する重みの目標値とする一方で、選択されなかった正規分布に対する重みの目標値は０とし、正規分布に対する重みを前記目標値に近づけることにより、前記予め蓄積された不特定話者音声認識用の隠れマルコフモデルのデータを適応対象となる特定話者用に適応化するステップと、
前記適応化された隠れマルコフモデルのデータを参照して、入力された音声信号を認識するステップと、を有する音声認識方法が提供される。
【００３７】
また、アナログ音声信号をデジタル信号に変換する機能や、不特定話者音声認識用の音の部品をモデル化した隠れマルコフモデルのデータ、および、適応化対象となる特定話者の特徴パラメータの系列を蓄積しておく方法も考えられる。
【００３８】
即ち、話者適応を行う音声認識方法であって、
不特定話者音声認識用の音の部品をモデル化した隠れマルコフモデルのデータを蓄積しておくステップと、
適応化対象となる特定話者の特徴パラメータの系列を蓄積しておくステップと、
入力されたアナログ音声信号をデジタル信号に変換したものを所定周期で特徴パラメータの系列に変換するステップと、
前記蓄積しておいた隠れマルコフモデル、および、前記変換された特徴パラメータの系列を参照して、入力されたアナログ音声信号を認識するステップと、
前記蓄積しておいた特徴パラメータの系列と前記蓄積しておいた隠れマルコフモデルとの対応関係を求めて、ある時刻の特徴パラメータに最も類似する音の部品の隠れマルコフモデルの状態を決定し、その状態が有する１以上の正規分布を予め定めた規則に従って選択し、前記選択した各正規分布の確率値を前記選択した全ての確率値の和で除した値をその正規分布に対する重みの目標値とする一方で、選択されなかった正規分布に対する重みの目標値は０とし、正規分布に対する重みを前記目標値に近づけるステップと、を有する音声認識方法も考えられる。
【００３９】
そして、請求項５のような音声認識方法は、例えばＣＰＵ（中央処置装置）とＲＡＭとを有して構成されるコンピュータが、音声認識手順を記述したプログラムを読み込んで実行することによって実現される。
【００４０】
請求項６に係る発明によれば、話者適応を行って音声認識を行うプログラムを記憶した記憶媒体であって、
適応化対象となる特定話者の音声信号を所定周期の特徴パラメータの系列に変換する処理と、
前記変換された特徴パラメータの系列と、予め蓄積された不特定話者音声認識用の音の部品をモデル化した隠れマルコフモデルのデータの系列との対応関係を求める処理と、
ある時刻の特徴パラメータに最も類似する音の部品の隠れマルコフモデルの状態を決定する処理と、
その状態が有する１以上の正規分布を予め定めた規則に従って選択する処理と、
前記選択した各正規分布の確率値を前記選択した全ての確率値の和で除した値をその正規分布に対する重みの目標値とする一方で、選択されなかった正規分布に対する重みの目標値は０とし、正規分布に対する重みを前記目標値に近づけることにより、前記予め蓄積された不特定話者音声認識用の隠れマルコフモデルのデータを適応対象となる特定話者用に適応化する処理と、
前記適応化された隠れマルコフモデルのデータを参照して、入力された音声信号を認識する処理と、をコンピュータに実行させる音声認識プログラムを記憶した記憶媒体が提供される。
【００４１】
このような記憶媒体としては、例えば、ＩＣカード、ＲＯＭ等の半導体記憶媒体、フレキシブルディスク等の磁気記憶媒体、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤＲＯＭ等の光記憶媒体、ＭＯ等の光磁気記憶媒体が挙げられる。
【００４２】
以下、この発明の作用について説明しておくことにする。
まず、セグメンタルＭＡＰ法と同様に、Ｖｉｔｅｒｂｉ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔにより、音声の特徴パラメータ系列と音の部品モデルの系列の対応情報、即ち、音の各部品モデルの各状態が対応する区間の開始時刻および終了時刻を求める。
【００４３】
式１で表される連続ＨＭＭの場合、音の部品モデルの状態ｉに対応する時刻ｔの特徴パラメータｘt から、状態ｉが有する正規分布ｍの重みの値の適応後の目標値Ωi m （ｔ）を次式で定義する。
【００４４】
【数９】
0003871774.tif 000009
【００４５】
状態ｉが有する正規分布ｍの時刻ｔでの確率値Ｎ（ｘt ｜μi m ，Σi m ）に比例した（式７の分子がＮ（ｘt ｜μi m ，Σi m ）である）、この目標値を用いて、状態ｉが有する正規分布ｍの重みｗi m を次式８により適応化させる。なお、式７を参照すれば分かるように目標値は０．０〜１．０の範囲に正規化されている。
【００４６】
【数１０】
0003871774.tif 000010
【００４７】
ここで、Ｔは状態ｉに対応する時間区間の長さを表し、Ｆi （ｔ）は時刻ｔにおいて、状態ｉが有する正規分布の重みの中で正の目標値を設定する正規分布の集合を表す。式７を参照すれば分かるように、Ｆi （ｔ）に属している正規分布に対しては（目標値が正の場合）には、重みの値をその目標値に近づけ、Ｆi （ｔ）に属していない正規分布に対しては、重みの目標値を強制的に０に近づける。
【００４８】
また、式８中のαは適応化の程度を制御するパラメータで、０≦α≦１なる値であり、α＝１の場合には、重みの値を目標値の時間区間長Ｔにおける平均値で置き換えることを意味し、α＝０の場合、重みの値を適応化しないことを意味する。また、Ｆi （ｔ）の選択の仕方についてはいくつかの方法が考えられ、後に実施例で詳述する。
【００４９】
同様に、式４で表される半連続ＨＭＭの場合には、音の部品モデルの状態ｉに対応する時刻ｔの特徴パラメータｘt から、状態ｉが有する正規分布ｍの重みの値の適応後の目標値Ωi m （ｔ）を次式９で定義する。
【００５０】
【数１１】
0003871774.tif 000011
【００５１】
この目標値を用いて、状態ｉが有する正規分布ｍの重みｗi m を式８により適応化させる。この場合にも、Ｆi （ｔ）に属している正規分布に対しては（目標値が正の場合）には、重みの値をその目標値に近づけ、Ｆi （ｔ）に属していない正規分布に対しては、重みの目標値を強制的に０に近づける。
【００５２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
まず、図４を参照して本発明の処理概要を説明し、その後、具体的な実施の形態について説明して理解の容易化に努める。
【００５３】
通常、不特定話者用音声認識装置は、音声認識処理のみを行う。音声認識機能は、一般に、音と部品の隠れマルコフモデルを用いた処理（ステップＳ４６０）で実現する。
【００５４】
不特定話者用音声認識装置は、特定話者音声認識装置に必須の処理である、全単語の音声データの登録を行う処理を使用者に強いることがない点で使用者の操作性に富むという利点を有しているが、一般に、特定話者用音声認識装置に比べて音声認識性能が低いという欠点や、他の話者に比べて著しく音声認識性能が劣る者が存在するという欠点を有している。
【００５５】
そこで、例えば、１分程度、１０〜２０程度の数の単語の音声サンプルを使用者に提供させるだけで、その使用者の声に不特定話者音声認識装置を適応化させることができれば、より操作性の良い不特定話者音声認識装置を実現できることになる。
【００５６】
この適応化は、一般に話者適応機能と称されていて、不特定話者の音声を認識する際に用いられる、音の部品の隠れマルコフモデルのデータを、その話者の音声に対して高い音声認識率を実現できるように更新することによって行える。
【００５７】
本発明は、これを行うため、話者適応処理と音声認識処理の双方を行う音声認識装置の実現手段を提供する。
まず、話者適応に用いる言葉の集合（例えば、１０〜２０単語）を予め決めておき、その単語を順次話者に提示して発声してもらう（ステップＳ４００）。次に、話者適応用音声データを、ある一定の周期毎に特徴パラメータ（例えば、ケプストラム）の系列に変換する（ステップＳ４１０）。
【００５８】
次に、特徴パラメータの系列を、公知のアルゴリズムであるＶｉｔｅｒｂｉ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔにより、対応する言葉を構成する音の部品のモデルの各状態に対応する部分区間に分割する（ステップＳ４２０）。
【００５９】
なお、音の部品モデルの各状態に対応する部分区間は、話者適応用音声データから変換された特徴パラメータの系列に１か所または複数箇所存在する。そこで、音の部品モデルのある状態に対応する部分区間を集めて、含まれる全ての特徴パラメータに、時刻１から順番に時刻番号を付与する（ステップＳ４３０）。
【００６０】
次に、時刻番号が付された特徴パラメータを用いて、式７および式８により、音の部品モデルの各状態が有する正規分布の重みをその話者に適応化する（ステップＳ４４０）。
【００６１】
そして、不特定話者の音声を認識するために標準的に備えている、音の部品の隠れマルコフモデルのデータを話者適応された音の部品の隠れマルコフモデルのデータで置き換える（ステップＳ４５０）。以上で話者適応処理が行われ、ステップＳ４６０では、適応化された、音の部品の隠れマルコフモデルを用いた音声認識が行われる。
【００６２】
次に、図面を参照して本発明の具体的な実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態にかかる音声認識装置のブロック構成図である。
図１に示すように、この実施の形態の音声認識装置１００は、アナログ音声信号を入力してデジタル信号に変換する入力手段１０と、デジタル信号を所定のフレーム周期で、例えばケプストラム等の特徴パラメータの系列に変換する変換手段２０と、適応化対象となる特定話者の特徴パラメータの系列を蓄積しておくための適応用データ蓄積手段３０と、不特定話者音声認識用の音の部品（例えば、音素、音節等）をモデル化した隠れマルコフモデルを蓄積しておく認識用データ蓄積手段４０と、認識用データ蓄積手段４０に蓄積された隠れマルコフモデル、および、変換手段２０によって変換された特徴パラメータの系列を参照して、入力されたアナログ音声信号を認識する認識手段５０と、適応化を行うための適応手段６０と、認識手段５０による認識結果を出力する出力手段７０とを有して構成される。
【００６３】
なお、認識用データ蓄積手段４０には、音の部品をモデル化したＨＭＭの他に、認識すべき語彙の各単語に対する音の部品（音素、音節等）間の接続情報および認識すべき語彙同士の接続情報が予め蓄積されている。なお、音の部品のＨＭＭは、式１で表現される連続ＨＭＭまたは式４で表現される半連続ＨＭＭである。音の部品のＨＭＭは１以上の状態を有し、例えば音素をモデル化する場合には、通常、状態の数は「３」となる。
【００６４】
入力手段１０は、例えば、アナログデジタル変換器で実現可能であり、出力手段７０はＣＲＴ、液晶ディスプレイ等の表示デバイスで実現可能であり、さらに、他の構成要素は、例えば、ＲＯＭ等の記憶媒体に内蔵された音声認識プログラムにしたがった処理を実行するＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＡＭ等の電子デバイスで実現可能である。もちろん、全ての構成要素をゲートアレー化して製造したＬＳＩで実現することも可能である。
【００６５】
さて、この音声認識装置１００の動作説明を行うが、この動作を適応化を行う適応モードと音声認識を行う認識モードとに分けて説明する。
最初に適応モードについて説明する。まず、適応対象となる話者が音声を発声すると、発声されたアナログ音声信号は入力手段１０によってデジタル信号に変換されて変換手段２０に与えられる。次に、このデジタル信号は、変換手段２０によって、例えば、１０（ｍｓ）程度のフレーム周期で、音声認識に用いられるケプストラム等の特徴パラメータの系列に変換される。
【００６６】
次に、変換された特徴パラメータの系列は、適応用データ蓄積手段３０に蓄積される。そして、適応手段６０は、適応用データ蓄積手段３３に蓄積された特徴パラメータの系列を用いて、認識用データ蓄積手段５５に蓄積されている認識用データである、不特定話者の音の部品のＨＭＭのパラメータの適応化を行い、この適応化後のパラメータを新たな認識用データとして認識用データ蓄積手段４０に蓄積する。
【００６７】
さて、この発明の実施の形態の特徴部である適応手段６０による話者適応化について以下具体的に説明する。
まず、適応用データ蓄積手段３０に蓄積されている特徴パラメータの系列から、公知のアルゴリズムであるＶｉｔｅｒｂｉ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ技術を用いて、音の部品のＨＭＭの系列と特徴パラメータの系列との対応関係を求める。具体的には、音の部品のＨＭＭの各状態毎に、対応する時間軸上での部分区間の開始時刻および終了時刻を求める。
【００６８】
図３を参照してこの様子について説明する。今、「あさ」という音声を想定すると、「ａ」、「ｓ」、「ａ」なる音の部品（音素）のＨＭＭにより表現され、さらに、各音素のＨＭＭは３つの状態を有する。このうち、ｓ音素の３つの状態がｓ１，ｓ２，ｓ３であり、また、ａ音素の３つの状態がａ１，ａ２，ａ３で表されている。
【００６９】
図３では、Ｖｉｔｅｒｂｉ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔにより、ｓ１，ｓ２，ｓ３の３つの状態が対応する音声の部分区間が求められた状態を示していて、ｓ１，ｓ２，ｓ３の３つの状態に対応する音声の部分区間をそれぞれ［ｔ（ｓ１），ｔ（ｓ２）］、［ｔ（ｓ２），ｔ（ｓ３）］、［ｔ（ｓ３），ｔ（ａ１）］として表現している。これにより、ある時刻の特徴パラメータに最も類似する音の部品のＨＭＭの状態を決定することができる。
【００７０】
即ち、Ｖｉｔｅｒｂｉ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔにより、状態ｓ１に対応すると判断された、音声の部分区間［ｔ（ｓ１），ｔ（ｓ２）］に時刻ｔ’が含まれていれば、時刻ｔ’の特徴パラメータｘt'は、状態ｓ１に最も類似しているとみなすことができる。この時、時刻ｔ’の特徴パラメータｘt'が状態ｓ１に対応するという。
【００７１】
今、時刻ｔの特徴パラメータｘt が状態ｉに対応するものとすると、この時、状態ｉが有する正規分布の確率値Ｎ（ｘt ｜μi m ，Σi m ）を求め、値の大きい順にソートする。そして、前述した式７、式８を用いて、正規分布の重みを最適化する処理を行う。この時、重みに対し正の目標値を定義する正規分布の集合Ｆi （ｔ）としては、以下の３通りが考えられ、いずれの集合Ｆi （ｔ）を選択対象にするかは例えば適応手段６０に設けたスイッチ等の操作によって行えるようにしておけばよい。
（１）第１に、確率値の最も大きな１つの正規分布のみでＦi （ｔ）を構成する。
（２）第２に、確率値の大きい方から所定数個の正規分布を選択してＦi （ｔ）を構成する。例えば、確率値の大きい順にソートした後、ｎ番目に大きな正規分布の確率値をＮs （ｘt ｜μi k ，Σk ）で表す。この時、（（ΣＮs （ｘt ｜μi k ，Σi k ））／（ΣＮs （ｘt ｜μi k ，Σi k ）））＞Ｔｈ（分子の最初のシグマ記号はｋについて１からＫまで総和をとることを意味し、分母の最初のシグマ記号はｋについて１からＭまで総和をとることを意味する）を満たす最小のＫを求め、１≦ｋ≦Ｋなる正規分布Ｎs （ｘ｜μi k ，Σi k ）からＦi （ｔ）を構成する。ここで、Ｍは状態ｉが有する正規分布の総数であり、また、Ｔｈは０≦Ｔｈ≦１なる実数である。
（３）第３に、全ての正規分布を用いてＦi （ｔ）を構成する。
【００７２】
また、式４で表される半連続ＨＭＭの場合も同様に、第１から第３のいずれかの態様でＦi （ｔ）を構成することができる。
なお、式８による正規分布の重みの適応化においてＴ＝１とすることもでき、この時、式８は次式（１０）のようになる。
【００７３】
【数１２】
0003871774.tif 000012
【００７４】
この場合には、１フレーム毎に正規分布の重みを最適化することになる。また、１単語毎に式８で正規分布の重みを適応化することもでき、さらには、適応単語全部に対して、式８を用いて正規分布の重みを１回だけで適応化することも可能である。適応の程度を制御するパラメータαの値は、適宜適切な値に設定しておけばよい。
【００７５】
次に、認識モードについて説明する。
まず、話者が音声を発声すると、発生されたアナログ音声信号は入力手段１０によってデジタル信号に変換されて変換手段２０に与えられる。次に、このデジタル信号は、変換手段２０によって、例えば、１０（ｍｓ）程度のフレーム周期で、音声認識に用いられるケプストラム等の特徴パラメータの系列に変換される。そして、この特徴パラメータの系列を受け取った認識手段５０は、認識用データ蓄積手段５５に蓄積されている隠れマルコフモデルや接続情報を参照して音声認識を行い、この認識結果は出力手段７０から出力される。なお、出力態様としては、認識結果をデジタル信号で出力すること、認識結果を表示出力すること等各種の態様が考えられる。
【００７６】
以上説明してきたように、適応手段６０が、ある時刻の特徴パラメータに最も類似する音の部品の隠れマルコフモデルの状態を決定し、その状態が有する１以上の正規分布に対する重みを所定の目標値に近づけるので、音声認識率を向上することが可能になる。また、正規分布の選択態様も適宜変更可能となり、音声認識率と適応処理時間とのトレードオフ等を行うことが可能となる。さらに、式７に示すように目標値を２種類設定するだけでよく、簡易なアルゴリズムで音声認識率の向上を実現できる。
【００７７】
また、本発明の他の実施の形態として、適応手段６０が、音の部品モデルの状態が有する正規分布の重みの適応化と同時に、公知のアルゴリズムであるセグメンタルＭＡＰ法による、音の部品モデルの状態が有する正規分布の平均ベクトルの適応化を行うようにしておくことも考えられる。
【００７８】
具体的には、適応手段６０は、式７および式８を用いて、正規分布の重みを適応化させるとともに、式２および式３を用いて正規分布の平均ベクトルを適応化させる。これによれば、重みの適応化の効果と平均ベクトルの適応化の効果との相乗効果を得ることができる。
（実験値）
この発明にかかる音声認識装置で音声認識実験を行い以下の実験結果を得た。
【００７９】
なお、車両内に音声認識装置を装着することを想定し、車両内での実験を行うために、指向性マイクを運転席のサンバイザー部に設置し、運転席自体は各自の好みの位置になるように移動した。この状態で、話者適応対象となる男女各１名が５２０語の単語をエンジンオフ状態で停車中の排気量２０００（ｃｃ）の乗用車の運転席で発声した。
【００８０】
この内、音素バランスを考慮せず等間隔で選んだ２０語を話者適応用の単語として除外し、残りの５００語を評価用データ（停車中）とした。また、評価用データ（停車中）から自動的に音声フレームの抽出を行い、音声フレームにおける音声、雑音パワーを用いて各データ毎にＳＮ比１０（ｄＢ）で自動車雑音を付加して、評価用データ（ＳＮ比１０ｄＢ）とした。そして、予め作成した不特定話者用の５４種類の音素モデル（半連続ＨＭＭ）に対し、２０単語を用いて、本発明法による話者適応を施し、５００単語の認識実験を行った。なお、重みに対し正の目標値を定義する正規分布の集合Ｆi （ｔ）の実施例としては、前述の（２）を用い、Ｔｈを０．８とした。分析条件は１２（ｋＨｚ）サンプリング、フレーム長２１．３（ｍｓ）、フレームシフト１０（ｍｓ）であり、特徴パラメータとして１０次ＭＦＣＣ（Ｍｅｌ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｃｅｐｓｔｒｕｍ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）、１０次デルタＭＦＣＣ、デルタエネルギーを使用した。また、各特徴パラメータに対する正規分布数は夫々２５６、２５６、６４である。
【００８１】
この時、５００単語の評価用データ（停車中）に対する、▲１▼話者適応なしの場合、▲２▼事後確率値最大化法により正規分布の平均ベクトルを適用化した場合、▲３▼本発明により正規分布の重みを適応化した場合、▲４▼本発明による正規分布の重みの適応化と事後確率値最大化法による正規分布の平均ベクトルの適応化を併用した場合の認識率（男性／女性）は夫々「８０．８／６６．４」、「８６．８／７５．０」、「８７．６／９８．４」、「８９．０／７８．４」であった。同様に、評価用データ（ＳＮ比１０ｄＢ）に対する、▲１▼話者適応なしの場合、▲２▼事後確率値最大化法により正規分布の平均ベクトルのみを適応化した場合、▲３▼本発明により正規分布の重みを適応化した場合、▲４▼本発明による正規分布の重みの適応化と事後確率値最大化法による正規分布の平均ベクトルの適応化を併用した場合の認識率（男性／女性）は夫々「８１．２／７０．０」、「８４．４／７８．２」、「８６．４／７９．０」、「８５．２／７９．４」であった。この実験結果によれば、正規分布の重みを適応化することにより、事後確率値最大化法により正規分布の平均ベクトルを適応化する場合を上回る性能が得られた。
【００８２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、適応手段が、ある時刻の特徴パラメータに最も類似する音の部品の隠れマルコフモデルの状態を決定し、その状態が有する１以上の正規分布に対する重みを所定の目標値に近づけるので、音声認識率を向上することが可能になるという効果が得られる。
【００８３】
また、請求項２に係る発明によれば、請求項１の効果に加えて、適応手段は、いずれかの規則に従って正規分布を選択するので、音声認識率と適応処理時間とのトレードオフ等を行って、適宜、いずれかの規則に従って正規分布を選択するかを定めることが可能となる。
【００８４】
さらに、請求項３に係る発明によれば、請求項１および２のいずれかの効果に加えて、目標値を２種類設定するだけでよく、簡易なアルゴリズムで音声認識率の向上を実現できる。
【００８５】
さらにまた、請求項４に係る発明によれば、請求項１、２および３のいずれかの効果に加えて、適応手段は事後確率値最大化法を用いて正規分布の平均ベクトルの最適化をも行うので、さらに音声認識率が向上するという効果が得られる。
【００８６】
また、請求項５に係る発明によっても、ある時刻の特徴パラメータに最も類似する音の部品の隠れマルコフモデルの状態を決定し、その状態が有する１以上の正規分布を予め定めた規則に従って選択し、選択した正規分布に対する重みを所定の目標値に近づけることにより、隠れマルコフモデルを特定の話者に適応化するので、音声認識率を向上可能な方法を実現できるという効果が得られる。  さらに、請求項６に係る発明によれば、コンピュータが音声認識プログラムを読み取って処理を実行していくので、これによっても、ある時刻の特徴パラメータに最も類似する音の部品の隠れマルコフモデルの状態を決定し、その状態が有する１以上の正規分布を予め定めた規則に従って選択し、選択した正規分布に対する重みを所定の目標値に近づけることにより、隠れマルコフモデルを特定の話者に適応化することができるので、音声認識率を向上できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる音声認識装置のブロック構成図である。
【図２】従来技術の説明図である。
【図３】ビダビアライメントの説明図である。
【図４】本発明の処理概要の説明図である。
【符号の説明】
１０  入力手段
２０  変換手段
３０  適応用データ蓄積手段
４０  認識用データ蓄積手段
５０  認識手段
６０  適応手段
７０  出力手段
１００  音声認識装置
【図１】
0003871774.tif 000014
【図２】
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【図３】
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【図４】
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