JPH064094A - HMM creation device, HMM storage device, likelihood calculation device, and recognition device - Google Patents
HMM creation device, HMM storage device, likelihood calculation device, and recognition deviceInfo
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- JPH064094A JPH064094A JP4159838A JP15983892A JPH064094A JP H064094 A JPH064094 A JP H064094A JP 4159838 A JP4159838 A JP 4159838A JP 15983892 A JP15983892 A JP 15983892A JP H064094 A JPH064094 A JP H064094A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】精度良く、しかも計算量が少なくてすむHMM
を利用した認識装置の提供。
【構成】連続確率分布HMMを作成する連続確率分布H
MM作成手段104と、学習ベクトルのファジィクラス
タリングを行うファジィクラスタリング手段106と、
HMMの各状態における各クラスタの発生度合を連続型
HMMの各状態における確率密度関数から算出する発生
度合算出手段108を備え、その発生度合を各クラスタ
ラベルの各状態における発生度合として離散確率分布H
MMを作成する。
(57) [Summary] [Purpose] An HMM that is accurate and requires a small amount of calculation.
Providing a recognition device using [Constitution] Continuous probability distribution H for creating continuous probability distribution HMM
MM creating means 104, fuzzy clustering means 106 for performing fuzzy clustering of learning vectors,
An occurrence degree calculation means 108 for calculating the occurrence degree of each cluster in each state of the HMM from the probability density function in each state of the continuous HMM is provided, and the occurrence degree is defined as the occurrence degree in each state of each cluster label and the discrete probability distribution H.
Create an MM.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】音声認識等のパターン認識に適用
可能な新しいHMM(ヒト゛ン マルコフ モテ゛ル(Hidden Markov
Model))のHMM作成装置、HMM記憶装置、尤度計
算装置及び、認識装置に関するものである。[Industrial application] A new HMM (Hidden Markov model) applicable to pattern recognition such as voice recognition.
Model)) HMM creation device, HMM storage device, likelihood calculation device, and recognition device.
【0002】[0002]
【従来の技術】HMMは一般の時系列信号処理分野に適
用可能なものであるが、説明の便宜のために、以下、音
声認識を例にとって説明する。2. Description of the Related Art An HMM is applicable to a general field of time-series signal processing, but for convenience of explanation, a voice recognition will be described below as an example.
【0003】先ずHMMを用いた音声認識装置について
説明する。First, a voice recognition device using an HMM will be described.
【0004】図5は、HMMを用いた音声認識装置のブ
ロック図である。音声分析部201は、入力音声信号を
フィルタバンク、フーリエ変換、LPC分析等の周知の
方法により、一定時間間隔(フレームと呼ぶ)例えば1
0msec毎に特徴ベクトルに変換する。従って、入力音声
信号は特徴ベクトルの系列Y=(y(1),y(2),・・・,y
(T))に変換される。Tはフレーム数である。コードブ
ック202は、ラベル付けされた代表ベクトルを保持し
ている。ベクトル量子化部203は、前記ベクトル系列
Yのそれぞれのベクトルをそれに最も近い前記コードブ
ック202に登録されている代表ベクトルに対応するラ
ベルに置き換えるものである。HMM作成部204は、
訓練データから認識語彙たる各単語に対応するHMMを
作成するものである。即ち、単語vに対応するHMMを
作るには、先ず、HMMの構造(状態数やそれら状態の
間に許される遷移規則)を適当に定め、然る後に前記の
如くして単語vを多数回発声して得られたラベル系列か
ら、それらラベル系列の発生確率が出来るだけ高くなる
ように、前記モデルにおける状態遷移確率や状態の遷移
に伴って発生するラベルの発生確率を求めるものであ
る。HMM記憶部205は、このようにして得られたH
MMを各単語毎に記憶するものである。尤度計算部20
6は、認識すべき未知入力音声のラベル系列に対し、前
記HMM記憶部205に記憶されているそれぞれのモデ
ルのそのラベル系列に対する尤度を計算するものであ
る。比較判定部207は尤度計算部206で得られた前
記それぞれのモデルの尤度の最大値を与えるモデルに対
応する単語を認識結果として判定するものである。FIG. 5 is a block diagram of a voice recognition device using an HMM. The voice analysis unit 201 uses a well-known method such as a filter bank, Fourier transform, or LPC analysis for the input voice signal to set a fixed time interval (called a frame), for example, 1
Convert to a feature vector every 0 msec. Therefore, the input speech signal is a sequence of feature vectors Y = (y (1), y (2), ..., Y
(T)). T is the number of frames. The codebook 202 holds the labeled representative vector. The vector quantization unit 203 replaces each vector of the vector series Y with a label corresponding to the representative vector registered in the codebook 202 that is closest to the vector. The HMM creating unit 204
The HMM corresponding to each word which is a recognition vocabulary is created from the training data. That is, in order to create the HMM corresponding to the word v, first, the structure of the HMM (the number of states and the transition rules allowed between those states) is appropriately determined, and then the word v is repeated many times as described above. From the label sequences obtained by uttering, the state transition probabilities in the model and the label occurrence probabilities associated with the state transitions are calculated so that the occurrence probabilities of the label sequences are as high as possible. The HMM storage unit 205 stores the H thus obtained.
The MM is stored for each word. Likelihood calculator 20
6 calculates the likelihood of the label sequence of each model stored in the HMM storage unit 205 with respect to the label sequence of the unknown input speech to be recognized. The comparison determination unit 207 determines a word corresponding to the model that gives the maximum value of the likelihood of each model obtained by the likelihood calculation unit 206 as a recognition result.
【0005】HMMによる認識は具体的には次のように
して行われる。即ち、未知入力に対して得られたラベル
系列をO=(o(1),o(2),・・・,o(T))、単語wに対応
したモデルをλwとし、モデルλwにより発生される長さ
Tの任意の状態系列をX=(x(1),x(2),・・・,x(T))
とするとき、λwのラベル系列Oに対する尤度は 〔厳密解〕The recognition by the HMM is specifically performed as follows. That is, the label sequence obtained for the unknown input is O = (o (1), o (2), ..., O (T)), the model corresponding to the word w is λ w , and the model λ w Let X = (x (1), x (2), ..., x (T)) be an arbitrary state sequence of length T generated by
Then, the likelihood of λ w for the label sequence O is [exact solution]
【0006】[0006]
【数1】 [Equation 1]
【0007】〔近似解〕[Approximate Solution]
【0008】[0008]
【数2】 [Equation 2]
【0009】または、対数をとってOr, taking the logarithm
【0010】[0010]
【数3】 [Equation 3]
【0011】で定義される。ここで、P(x,y|λw)
は、モデルλwにおけるx,yの同時確率である。Is defined by Where P (x, y | λ w )
Is the joint probability of x and y in the model λ w .
【0012】従って、例えば、(数1)を用いればTherefore, if, for example, (Equation 1) is used,
【0013】[0013]
【数4】 [Equation 4]
【0014】とするとき、w^が認識結果となる。(数
2),(数3)を用いるときも同様である。Then, w ^ is the recognition result. The same applies when using (Equation 2) and (Equation 3).
【0015】P(O,X|λ) は次のようにして求められ
る。P (O, X | λ) is obtained as follows.
【0016】いま、HMMλの状態qi(i=1〜I)に
対して、状態qi毎に、ラベルoの発生確率bi(o)と状
態qi(i=1〜I)から状態qj(j=1〜I+1)への遷
移確率aijが与えられているとき、状態系列X=(x
(1),x(2),・・・,x(T+1))とラベル系列O=(o
(1),o(2),・・・,o(T))のHMMλから発生する同時
確率はNow, for the state q i (i = 1 to I) of the HMMλ, for each state q i , the occurrence probability b i (o) of the label o and the state q i (i = 1 to I) When the transition probability a ij to q j (j = 1 to I + 1) is given, the state sequence X = (x
(1), x (2), ..., x (T + 1)) and label series O = (o
(1), o (2), ..., o (T))
【0017】[0017]
【数5】 [Equation 5]
【0018】と定義出来る。ここでπx(1)は状態x(1)
の初期確率である。また、x(T+1)=I+1は最終状
態であって、如何なるラベルも発生しないとする。It can be defined as Where π x (1) is the state x (1)
Is the initial probability of. It is also assumed that x (T + 1) = I + 1 is the final state and no label is generated.
【0019】この例では入力の特徴ベクトルyをラベル
に変換したが、各状態におけるラベルの発生確率の代り
に特徴ベクトルyをそのまま用い、各状態において特徴
ベクトルyの確率密度関数を与える方法もある。このと
きは(数5)における前記ラベルoの状態qiにおける
発生確率bi(o) の代わりに特徴ベクトルyの確率密度
bi(y)を用いることになる(以後、zがラベルのとき
はbi(z)はzが状態iにおいて生じる確率、zがベク
トルのときはbi(z)はzの確率密度を意味するものと
する)。このときは、前記(数1)、(数2)、(数
3)は次のようになる。 〔厳密解〕In this example, the input feature vector y is converted into a label, but there is also a method of using the feature vector y as it is in place of the label occurrence probability in each state and providing the probability density function of the feature vector y in each state. . At this time, the occurrence probability b i (o) in the state q i of the label o in (Equation 5) B i when instead would use a probability density b i (y) of the feature vector y in (hereinafter, the probability z is generated in b i (z) is z state i when the label, z is a vector of (z) means the probability density of z). At this time, the above (Formula 1), (Formula 2), and (Formula 3) are as follows. [Exact solution]
【0020】[0020]
【数6】 [Equation 6]
【0021】〔近似解〕[Approximate Solution]
【0022】[0022]
【数7】 [Equation 7]
【0023】または、対数をとれば次式が得られる。Alternatively, the following equation can be obtained by taking the logarithm.
【0024】[0024]
【数8】 [Equation 8]
【0025】以上、何れの方式を用いるにしても最終的
な認識結果は、それぞれの単語wに対してHMMλwを
w=1〜Wについて準備しておけば、入力音声信号Yに
対してAs described above, no matter which method is used, the final recognition result is that the HMMλ w for each word w is prepared for w = 1 to W, and the input speech signal Y is obtained.
【0026】[0026]
【数9】 [Equation 9]
【0027】あるいはOr
【0028】[0028]
【数10】 [Equation 10]
【0029】がYの認識結果となる。勿論、ここでのY
は前記それぞれ方法に応じて、入力されたラベル系列、
特徴ベクトル系列等である。Is the recognition result of Y. Of course, Y here
Is the input label sequence according to the above method,
A feature vector series or the like.
【0030】[0030]
【発明が解決しようとする課題】このような従来例にお
いて、入力特徴ベクトルをラベルに変換するものを離散
確率分布HMM、入力特徴ベクトルをそのまま用いるも
のを連続確率分布HMMと呼ぶことにする。このとき、
これら両者の特徴は次のようである。In such a conventional example, one that converts an input feature vector into a label is called a discrete probability distribution HMM, and one that uses the input feature vector as it is is called a continuous probability distribution HMM. At this time,
The characteristics of both of these are as follows.
【0031】離散確率分布HMMは、入力ラベル系列に
対するモデルの尤度の計算において、各状態での各ラベ
ルの発生度合bi(Cm)はラベルに関連して予め記憶され
ている記憶装置から読み出すことで実行できるから計算
量が非常に少ないと言う利点がある反面、量子化に伴う
誤差のため、認識精度が悪くなると言う課題がある。こ
れを避けるためにラベル数(クラスタ数)を多くする必
要があるが、その増加に伴ってモデルを学習するために
必要な学習パターン数が膨大になる。ここで、学習パタ
ーン数が不十分な場合は、前記bi(Cm)が頻繁に0にな
ることがあり、正しい推定が出来なくなる。例えば、次
のようなことが生じる。In the discrete probability distribution HMM, the occurrence degree b i (C m ) of each label in each state in the calculation of the likelihood of the model with respect to the input label sequence is stored from the storage device stored in advance in association with the label. Although there is an advantage that the amount of calculation is very small because it can be executed by reading out, there is a problem that recognition accuracy deteriorates due to an error associated with quantization. To avoid this, it is necessary to increase the number of labels (the number of clusters), but as the number of labels increases, the number of learning patterns necessary for learning the model becomes enormous. Here, when the number of learning patterns is insufficient, the b i (C m ) may frequently become 0, and correct estimation cannot be performed. For example, the following occurs.
【0032】コードブックの作成は、認識すべき全ての
単語について多数の話者の発声音声を特徴ベクトル系列
に変換し、この特徴ベクトルの集合をクラスタリング
し、それぞれのクラスタにラベリングすることによって
行われる。それぞれのクラスタは、セントロイドと呼ば
れるそのクラスタの代表ベクトルを持ち、通常これは各
々のクラスタに分類されたベクトルの期待値である。コ
ードブックは、これらセントロイドを前記ラベルで検索
可能な形で記憶したものである。The codebook is created by converting the uttered voices of a large number of speakers into a feature vector sequence for all the words to be recognized, clustering the set of feature vectors, and labeling each cluster. . Each cluster has a representative vector of that cluster, called the centroid, which is usually the expected value of the vector classified into each cluster. The codebook stores these centroids in a form searchable by the label.
【0033】いま、前記認識語彙の中に、例えば「大
阪」と言う単語があって、これに対応するモデルを作る
場合を考える。多数話者が発声した単語「大阪」に対応
する音声サンプルが特徴ベクトル列に変換され、各々の
特徴ベクトルが前記セントロイドと比較され、最近隣の
セントロイドに対応するラベルがその特徴ベクトルの量
子化されたものとなる。このようにして、前記「大阪」
に対する各々の音声サンプルは、ラベル系列に変換され
る。得られたラベル系列から、それらラベル系列に対す
る尤度が最大になるようにHMMのパラメータを推定す
ることにより、単語「大阪」に対応するモデルが出来上
がる。この推定には周知のホ゛ーム・ウェルチ(Baum-Welch)法等
が用いられ得る。Now, consider a case where, for example, there is a word "Osaka" in the recognition vocabulary, and a model corresponding to this is made. A voice sample corresponding to the word "Osaka" uttered by a large number of speakers is converted into a feature vector sequence, each feature vector is compared with the centroid, and a label corresponding to the nearest centroid is a quantum of the feature vector. Will be In this way, the "Osaka"
Each voice sample for is converted into a label sequence. A model corresponding to the word "Osaka" is created by estimating the parameters of the HMM from the obtained label series so that the likelihood for the label series is maximized. The well-known Baum-Welch method or the like can be used for this estimation.
【0034】この場合、前記コードブックにあるラベル
の中で、単語「大阪」に対応する学習ラベル系列の中に
は含まれていないものが有り得る。この含まれていない
ラベルの発生確率は学習の過程で“0”と推定されてし
まう。従って、認識の時に発声される「大阪」と言う単
語が変換されたラベル系列の中に、前記「大阪」のモデ
ルの作成に用いたラベル系列には含まれていないラベル
が存在することは十分有り得る。この場合は、この認識
時に発声された「大阪」のラベル系列が前記「大阪」の
モデルから発生する確率は“0”になってしまう。しか
し、このような場合でも、ラベルとしては異なっていて
も、ラベルに変換される前の特徴ベクトルの段階ではモ
デルの学習に用いた音声サンプルとかなり近く、ベクト
ルの段階で見れば十分「大阪」と認識されても良い場合
がある。もともと同じ単語を発声しているのであるから
ベクトルのレベルでは似通っているにも関わらず、ラベ
ルのレベルでは僅かの差で全く異なったラベルに変換さ
れてしまうということは十分起こり得るのであって、こ
のようなことが認識精度に悪影響を及ぼすことは容易に
想像がつく。クラスタ数が増加する程、訓練データ数が
少ない程このような問題は頻繁に生じることになる。In this case, among the labels in the codebook, some may not be included in the learning label series corresponding to the word "Osaka". The occurrence probability of the label not included is estimated to be "0" in the learning process. Therefore, it is sufficient that there is a label that is not included in the label sequence used to create the model of "Osaka" in the label sequence in which the word "Osaka" converted at the time of recognition is converted. It is possible. In this case, the probability that the “Osaka” label sequence uttered at the time of recognition will occur from the “Osaka” model will be “0”. However, even in such a case, even if the label is different, at the stage of the feature vector before being converted to the label, it is quite close to the speech sample used for learning the model, and if you look at the stage of the vector, it is sufficient to say “Osaka”. It may be recognized that It is quite possible that a label will be converted to a completely different label with a slight difference, even though they are similar at the vector level because they originally speak the same word. It can be easily imagined that such a situation adversely affects the recognition accuracy. Such problems occur more frequently as the number of clusters increases and the number of training data decreases.
【0035】この課題を除去するためには、訓練集合に
は現れてこない(含まれていない)ラベルに対して、平
滑化や補完を行う等の工夫が必要となる。「結び」と呼
ばれる概念を用いてパラメータ数を減少させる工夫をは
じめとして、0確率が推定される場合はそれを0にせず
に微小量に置き換えたり、ファジイベクトル量子化等の
ようにクラスタの境界をぼかしたりする方法等、平滑化
や補完を行う方法が種々提案されているが、何れも上記
問題を根本的に解決するものではない。また、場合に応
じて経験的に決めなければならない要素があって、それ
らの要素を決める理論的な指標はない。In order to eliminate this problem, it is necessary to take measures such as smoothing and complementing labels that do not appear (are not included) in the training set. Starting from the idea of reducing the number of parameters using the concept called “conclusion”, when the 0 probability is estimated, it is replaced with a small amount instead of 0, or the boundary of the cluster such as fuzzy vector quantization. Although various methods for smoothing and complementing, such as a method for blurring, have been proposed, none of these methods fundamentally solve the above problem. Also, there are factors that must be determined empirically depending on the case, and there is no theoretical indicator that determines those factors.
【0036】他方、連続確率分布HMMは、分布形状は
正規分布等と予め関数の形で与えておき、学習データか
らこの関数を規定するパラメータを推定するものであ
る。従って、推定すべきパラメータ数は少なく、前記離
散型のものに比べて少ない学習パターンで精度良くパラ
メータの推定が出来、平滑化や補完を考える必要もなく
なり、一般に離散型よりも高い認識率の得られることが
報告されている。On the other hand, in the continuous probability distribution HMM, the distribution shape is given in advance in the form of a function such as a normal distribution and the parameters defining this function are estimated from the learning data. Therefore, the number of parameters to be estimated is small, the parameters can be accurately estimated with less learning patterns than the discrete type, there is no need to consider smoothing and complementation, and generally a higher recognition rate than the discrete type can be obtained. It is reported that
【0037】因に、離散型と連続型とで、図6のような
4状態3ループのHMMにおけるパラメータ数を比較す
れば例えば次のようになる。離散型の場合は用いられる
ラベルの種類を256とすれば、ラベルの発生確率は2
56×3=768、遷移確率は6の計874が1モデル
当り必要である。連続型の場合は10次元の正規分布と
すれば、平均ベクトルは10×3=30、分散共分散行
列は55×3=165(対称行列)、遷移確率は6の計
201となり、推定すべきパラメータの値は、連続型は
離散型の1/4以下となる。The number of parameters in the 4-state 3-loop HMM as shown in FIG. 6 is compared between the discrete type and the continuous type, for example, as follows. In the case of the discrete type, if the type of label used is 256, the label occurrence probability is 2
56 × 3 = 768, the transition probability is 6, and a total of 874 are required per model. In the case of the continuous type, if a 10-dimensional normal distribution is used, the average vector is 10 × 3 = 30, the covariance matrix is 55 × 3 = 165 (symmetric matrix), and the transition probability is 6; The parameter value of the continuous type is 1/4 or less of that of the discrete type.
【0038】しかしながら、連続型は認識精度の点で優
れているが計算量は離散型に比べて非常に多くなるとい
う問題がある。即ち、入力特徴ベクトルy(t)が、状態
iで平均ベクトルμi、分散共分散行列Σiの正規分布を
するとするき、状態iにおけるy(t)の発生確率(密
度)の計算には(y(t)−μi)TΣi -1(y(t)−μi)なる
計算を必要とし、例えば、10次元の連続型のHMMで
は、この計算だけでも110回のかけ算が必要であり、
1つのモデルに対しては、これの(状態数×入力フレー
ム数)倍になる。従って、入力フレーム数が50フレー
ムの場合で前記モデルを想定すれば、1つのモデル当り
必要とされる(y(t)−μi)TΣi -1(y(t)−μi)の計算
における掛算の回数は、110×3×50=16500
となり、単語数が500であるとさらにこれが500倍
される。即ち、その場合はこの部分の掛け算のみで82
5万回が必要となる。However, the continuous type is excellent in recognition accuracy, but there is a problem that the amount of calculation is much larger than that of the discrete type. That is, assuming that the input feature vector y (t) has a normal distribution of the mean vector μ i and the variance-covariance matrix Σ i in the state i, the calculation of the occurrence probability (density) of y (t) in the state i (y (t) −μ i ) T Σ i −1 (y (t) −μ i ), which is necessary. For example, in a 10-dimensional continuous HMM, this calculation alone requires 110 multiplications. And
This is (number of states x number of input frames) times this for one model. Therefore, if the above model is assumed when the number of input frames is 50, (y (t) −μ i ) T Σ i −1 (y (t) −μ i ) of one model is required. The number of multiplications in the calculation is 110 × 3 × 50 = 16500
When the number of words is 500, this is further multiplied by 500. That is, in that case, only the multiplication of this part is 82
It requires 50,000 times.
【0039】離散型の場合は、ベクトル量子化の計算を
完了すれば、前記のようにラベルに従って記憶装置から
そのラベルの発生確率を読み出すのみでよい。また、y
(t)をベクトル量子化するのに必要な計算は、前記の例
では、256個の代表ベクトルとy(t)との距離あるい
は類似度の計算である。いま距離を(ユークリッド距離)
2とする場合は、y(t)をラベル付けするのに必要な計
算は、10回の引算と10回の掛算と10回の足算の2
56倍である。従って50フレームでは、掛算のみで考
えれば、10×256×50=128000回と言うこ
とになる。もし、バイナリサーチと呼ばれる方法でベク
トル量子化する場合は、前記256は、2log2256=
16でおきかえて、10×16×50=8000回と言
うことになる。In the case of the discrete type, once the vector quantization calculation is completed, it is only necessary to read the occurrence probability of the label from the storage device according to the label as described above. Also, y
The calculation required for vector quantization of (t) is the calculation of the distance or the similarity between 256 representative vectors and y (t) in the above example. Now the distance (Euclidean distance)
If 2 , then the calculation required to label y (t) is 2 times 10 subtractions, 10 multiplications and 10 additions.
56 times. Therefore, in 50 frames, if only multiplication is considered, 10 × 256 × 50 = 1280 thousand times. If vector quantization is performed by a method called a binary search, 256 is 2log 2 256 =
The number is changed to 16, which means 10 × 16 × 50 = 8000 times.
【0040】以上のように離散型とすることにより計算
量が著しく減少し、連続型の場合は認識単語数が増える
と計算量もそれに比例して増大するが、離散型の場合
は、入力音声信号を一旦ベクトル量子化するときのみこ
の計算が必要なのであって、認識単語数が増えてもこの
計算量は不変である。As described above, when the discrete type is used, the amount of calculation is remarkably reduced, and when the number of recognized words is increased in the continuous type, the amount of calculation is also increased in proportion thereto. This calculation is necessary only when the signal is vector-quantized once, and this calculation amount does not change even if the number of recognized words increases.
【0041】要するに、離散型の場合は計算量は少ない
が認識精度的に課題があり、連続型の場合は認識精度は
よいが計算量に課題がある。In short, the discrete type has a small calculation amount but has a problem in recognition accuracy, and the continuous type has a good recognition accuracy but has a problem in the calculation amount.
【0042】本発明は、このような従来のHMMの課題
を考慮し、認識精度が高く、しかも計算量を少なくでき
るHMM作成装置、HMM記憶装置、尤度計算装置及
び、認識装置を提供することを目的とする。In consideration of such problems of the conventional HMM, the present invention provides an HMM creating device, an HMM storage device, a likelihood calculating device, and a recognizing device which have high recognition accuracy and can reduce the amount of calculation. With the goal.
【0043】[0043]
【課題を解決するための手段】本発明は、連続確率密度
分布HMM作成手段と、訓練ベクトル集合をファジィク
ラスタリングし各々のクラスタにラベルを付与するクラ
スタリング手段と、HMMの各状態における各クラスタ
従ってラベルの発生度合を、各クラスタに含まれる訓練
ベクトルと、連続確率密度分布HMMの各状態における
確率密度関数から算出するラベル発生度合算出手段とを
備え、HMMの各状態におけるラベルの発生度合をラベ
ル発生度合算出手段の出力として得ることにより離散確
率分布HMMを作成する構成である。According to the present invention, a continuous probability density distribution HMM creating means, a clustering means for fuzzy clustering a training vector set and giving a label to each cluster, and a cluster according to each cluster in each state of the HMM and a label. Is provided with a training vector included in each cluster and a label occurrence degree calculation means for calculating from the probability density function in each state of the continuous probability density distribution HMM, and the label occurrence degree of the label occurrence degree in each state of the HMM is generated. A discrete probability distribution HMM is created by obtaining it as the output of the degree calculating means.
【0044】[0044]
【作用】本発明では、連続確率分布HMM作成手段によ
り、該HMMの各状態における確率密度関数を得、ファ
ジィクラスタリング手段により訓練ベクトル集合をクラ
スタリングし各々のクラスタにラベルを付与し、ラベル
発生度合算出手段によりHMMの各状態における前記各
クラスタ従ってラベルの発生度合を、各クラスタに含ま
れる訓練ベクトルと、連続確率密度分布HMMの各状態
における確率密度関数から算出することにより、離散確
率分布HMMを作成する。In the present invention, the probability density function in each state of the HMM is obtained by the continuous probability distribution HMM creating means, the training vector set is clustered by the fuzzy clustering means, each cluster is labeled, and the degree of label occurrence is calculated. A discrete probability distribution HMM is created by calculating the degree of occurrence of each cluster and hence the label in each state of the HMM from the training vector included in each cluster and the probability density function in each state of the continuous probability density distribution HMM by means. To do.
【0045】[0045]
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0046】ここで、以後用いるべき記号の定義をまと
めて説明する。簡単のために、誤解を生じない限り、状
態qi,qj等は単にi,j等と表記することにする。ま
た、モデルの学習は1つの単語について行う場合を述べ
ることとし、モデル間で区別する必要のある場合は、モ
デルに対応する番号をパラメータの右肩に添字として付
加することとし、通常はこれを省くものとする。定義は
次の通りである。Here, the definitions of symbols to be used hereinafter will be collectively described. For the sake of simplicity, the states q i , q j, etc. will be simply referred to as i, j, etc. unless misunderstanding occurs. In addition, it is assumed that the model learning is performed for one word, and when it is necessary to distinguish between the models, the number corresponding to the model is added to the right shoulder of the parameter as a subscript, and this is usually used. I will omit it. The definition is as follows.
【0047】i=1,2,・・・,I+1:第i番の状態 [aij]:遷移マトリクス aij:状態iから状態jへの遷移確率 r:作成すべきモデルに対する訓練パターン番号(r=
1,・・・,R) y(r)(t):訓練パターンrの第tフレームにおける観
測ベクトル o(r)(t):訓練パターンrの第tフレームにおける観
測ラベル bi(y(r)(t)):訓練パターンrのフレームtの観測ベ
クトルy(r)(t)の状態iにおける確率密度 bi(o(r)(t)):訓練パターンrのフレームtの観測ラ
ベルo(r)(t)の状態iにおける発生度合(確率、確率
密度、等) y(r)=(y(r)(1),y(r)(2),・・・,y(r)(T(r))):訓
練パターンrのベクトル系列(ただし、r=1,2,・・・,
R) O(r)=(o(r)(1),o(r)(2),・・・,o(r)(T(r))):単
語wに対する第r番のラベル系列(ただし、r=1,2,・
・・,R) X(r)=(x(r)(1),x(r)(2),・・・,x(r)(T(r)),x(r)
(T(r)+1)):X(r)またはO(r)に対応する状態系列 x(r)(t):単語wに対する第r番の訓練パターンの第
tフレームにおける状態 T(r):単語wに対する第r番の訓練パターンのフレー
ム数 μi:bi(y)の平均ベクトル Σi:bi(y)の分散共分散行列 ξi:状態iにおける観測ベクトルの確率分布を規定す
るパラメータの集合 (ξi={ μi,Σi}) λi=[ξi,{aij}j=1,・・・,I+1 ]:状態iのパラメー
タの集合 λ={λi}:全パラメータの集合(λをパラメータとする
モデルをモデルλとも呼ぶ) P(Y|λ):観測ベクトル系列Yがモデルλから発生す
る確率密度 P(O|λ):観測ラベル系列Oがモデルλから発生する
確率 πi:状態iがt=1で生じる確率 先ず、連続確率分布HMMを学習する方法について述べ
る。I = 1, 2, ..., I + 1: i-th state [a ij ]: transition matrix a ij : transition probability from state i to state j r: training pattern number for the model to be created ( r =
1, ..., R) y (r) (t): observation vector in the t-th frame of the training pattern r o (r) (t): observation label b i (y (r (r) in the t-th frame of the training pattern r ) (t)): probability density b i (o (r) (t)) of observation vector y (r) (t) of frame t of training pattern r in observation state o of frame t of training pattern r (r) (t) occurrence degree in state i (probability, probability density, etc.) y (r) = (y (r) (1), y (r) (2), ..., y (r) (T (r) )): vector sequence of training pattern r (where r = 1, 2, ...,
R) O (r) = (o (r) (1), o (r) (2), ..., o (r) (T (r) )): r-th label sequence for word w ( However, r = 1, 2, ...
.., R) X (r) = (x (r) (1), x (r) (2), ..., x (r) (T (r) ), x (r)
(T (r) +1)): State sequence corresponding to X (r) or O (r) x (r) (t): State at frame t of the r-th training pattern for word w T (r) : words several frames of training patterns of the r th for w μ i: b i (y ) mean vector sigma i of: b i (y) of the covariance matrix xi] i: defining a probability distribution of the observed vectors in state i Set of parameters (ξ i = {μ i , Σ i }) λ i = [ξ i , {a ij } j = 1, ..., I + 1 ]: Set of parameters of state i λ = {λ i }: Set of all parameters (a model having λ as a parameter is also referred to as model λ) P (Y | λ): Probability that observation vector series Y occurs from model λ Density P (O | λ): Probability that the observed label sequence O occurs from the model λ π i : Probability that the state i occurs at t = 1 First, a method for learning the continuous probability distribution HMM will be described.
【0048】問題は、準備されたr=1〜Rの訓練パタ
ーンに対して、尤度関数P(Y(1),Y(2),・・・,Y(R)|λ)
を最大にするパラメータλを推定することである。The problem is that the likelihood function P (Y (1) , Y (2) , ... , Y (R) | λ) is applied to the prepared training patterns of r = 1 to R.
Is to estimate the parameter λ that maximizes.
【0049】Y(r)が互いに独立であるとすればIf Y (r) are independent of each other,
【0050】[0050]
【数11】 [Equation 11]
【0051】で与えられる。ここで、次の補助関数Q
(λ,λ')を定義する。Is given by Where the following auxiliary function Q
Define (λ, λ ').
【0052】[0052]
【数12】 [Equation 12]
【0053】このとき、次のことが言える。Q(λ,λ')
≧Q(λ,λ)なら、P(Y(1),…,Y(R)|λ')≧P(Y(1),
…,Y(R)|λ)であって、等号はλ'=λの時に成り立
つ。故に、At this time, the following can be said. Q (λ, λ ')
If ≧ Q (λ, λ), P (Y (1) , ..., Y (R) | λ ') ≧ P (Y (1) ,
, Y (R) | λ), and the equal sign holds when λ ′ = λ. Therefore,
【0054】[0054]
【数13】 [Equation 13]
【0055】を求めることが出来れば、λ*→λとして
(数13)を繰り返し適用することによって、λはP
(Y(1),…,Y(R)|λ)の停留点、即ち、P(Y(1),…,Y
(R)|λ)の極大値または鞍点を与える点に収束すること
になり、P(Y(1),…,Y(R)|λ)の変化率が予め定めた
閾値以下になるまでこの操作を繰り返すことにより局所
最適解が得られる。If it is possible to obtain, by repeatedly applying (Equation 13) with λ * → λ, λ becomes P
(Y (1) , ..., Y (R) | λ) stop point, that is, P (Y (1) , ..., Y
The maximum value of (R) | λ) or the point that gives the saddle point is converged, and the change rate of P (Y (1) , ..., Y (R) | λ) becomes equal to or less than a predetermined threshold value. A local optimum solution can be obtained by repeating the operation.
【0056】次にQ(λ,λ')を用いてパラメータを推定
する方法について説明する。Next, a method of estimating parameters using Q (λ, λ ') will be described.
【0057】(数12)を変形すれば、次式が得られ
る。By modifying (Equation 12), the following equation is obtained.
【0058】[0058]
【数14】 [Equation 14]
【0059】前述の説明から、Q(λ,λ')をλ'の関数
と見なしてQ(λ,λ')>Q(λ,λ)なるλ'を見出せば、
それはλの更新されたものとなり、P(Y(1),・・・,Y(R)
|λ)はλ'に関しては一定値となるから、これを取り除
いてFrom the above description, if Q (λ, λ ') is regarded as a function of λ', and λ'where Q (λ, λ ')> Q (λ, λ) is found,
It becomes an updated version of λ, and P (Y (1) , ..., Y (R)
| λ) is a constant value for λ ', so remove this
【0060】[0060]
【数41】 [Formula 41]
【0061】とするとき、Q'(λ,λ')>Q'(λ,λ)な
るλ'を見出すことと同様である。ただし、ここでThen, it is similar to finding λ ′ such that Q ′ (λ, λ ′)> Q ′ (λ, λ). However, here
【0062】[0062]
【数15】 [Equation 15]
【0063】とおいている。It is said that.
【0064】(数14)はさらに次のようになる。(Equation 14) becomes as follows.
【0065】[0065]
【数16】 [Equation 16]
【0066】右辺第1項からπi'について最大化すれば
πiの再推定値πi *は[0066] Re-estimate of when maximized for the first term π i 'π i π i * is
【0067】[0067]
【数17】 [Equation 17]
【0068】右辺第2項からaij'について最大化すれ
ばaijの再推定値aij *は[0068] Re-estimate of when maximized for a ij 'from the second term on the right side a ij a ij * is
【0069】[0069]
【数18】 [Equation 18]
【0070】右辺第3項からμi',Σi'について最大化
すれば、μi,Σi各々の再推定値μi *,Σi *は[0070] From the third term on the right side μ i ', Σ i' be maximized for, mu i, re-estimated value of each Σ i μ i *, Σ i * is
【0071】[0071]
【数19】 [Formula 19]
【0072】[0072]
【数20】 [Equation 20]
【0073】ここで、ξ(r) ij(t)は次のように計算さ
れる。即ち、Here, ξ (r) ij (t) is calculated as follows. That is,
【0074】[0074]
【数21】 [Equation 21]
【0075】とおけば、In summary,
【0076】[0076]
【数22】 [Equation 22]
【0077】である。It is
【0078】このときAt this time
【0079】[0079]
【数23】 [Equation 23]
【0080】[0080]
【数24】 [Equation 24]
【0081】なる漸化式が成り立つ。従って、α
(r) 1(1)=1としてパラメータλに適当な初期値を与
え、t=1〜T(r)+1,j=1〜I+1について(数
23)に従って、α(r) j(t)を、β(r) I+1(T(r)+1)
=1としてt=T(r)+1〜1、i=I〜1について
(数24)に従ってβ(r) i(t)をそれぞれ順次計算して
行けば、(数15)が計算できる。The following recurrence formula holds. Therefore, α
(r) 1 (1) = 1 and an appropriate initial value is given to the parameter λ, and α (r) j (t) is calculated according to ( Equation 23) for t = 1 to T (r) +1, j = 1 to I + 1. To β (r) I + 1 (T (r) +1)
(15) can be calculated by sequentially calculating β (r) i (t) according to (Equation 24) for t = T (r) +1 to 1 and i = I to 1 with = 1.
【0082】パラメータ推定の実際の計算手順は次のよ
うになる。The actual calculation procedure for parameter estimation is as follows.
【0083】(1)L1=∞ (2)i,j=1〜Iについてλi={(aij)j=1,・・・,I+1,μ
i,Σi} に適当な初期値を与える。(1) L 1 = ∞ (2) For i, j = 1 to I λ i = {(a ij ) j = 1, ..., I + 1 , μ
Give an appropriate initial value to i , Σ i }.
【0084】(3)r=1〜R, t=2〜T(r), i=
1〜I+1についてα(r) i(t)をλ={λi}として(数
23)に従って計算する。(3) r = 1 to R, t = 2 to T (r) , i =
For 1 to I + 1, α (r) i (t) is calculated according to (Equation 23) with λ = {λ i }.
【0085】(4)r=1〜R, t=2〜T(r), i=
1〜I+1についてβ(r) i(t)とξ(r) ij(t)をλ={λ
i}としてそれぞれ(数24)(数22)に従って計算す
る。(4) r = 1 to R, t = 2 to T (r) , i =
Let β (r) i (t) and ξ (r) ij (t) for 1 to I + 1 be λ = {λ
i } is calculated according to (Equation 24) and (Equation 22).
【0086】(5)r=1〜R,i,j=1〜I+1に
ついて、(数18)(数19)(数20)の 分子:aij,num(r), μi,num(r), Σi,num(r) と、 分母:Deni(r)=aij,denom(r)= μi,denom(r)=Σ
i,denom(r) を計算する。(5) For r = 1 to R, i, j = 1 to I + 1, the numerator of (Equation 18) (Equation 19) (Equation 20): a ij, num (r), μ i, num (r ), Σ i, num (r) and denominator: Den i (r) = a ij, denom (r) = μ i, denom (r) = Σ
Calculates i, denom (r).
【0087】(6)aij,μi,Σiの再推定値aij *, μi
*, Σi *を次の(数)に従って計算する。[0087] (6) a ij, μ i , re-estimated value of Σ i a ij *, μ i
* , Σ i * is calculated according to the following (number).
【0088】[0088]
【数25】 [Equation 25]
【0089】(7)i,j=1〜I+1についてaij=
aij *, μi=μi *, Σi=Σi *なる代入を行うことによ
って、再推定されたパラメータ集合λ={λi}を得る。(7) For i, j = 1 to I + 1, a ij =
The re-estimated parameter set λ = {λ i } is obtained by performing the substitution a ij * , μ i = μ i * , Σ i = Σ i * .
【0090】(8)r=1〜R,t=2〜T(r), i=
1〜I+1に対してstep(7)で得たパラメータ集合λ
に対して(8) r = 1 to R, t = 2 to T (r) , i =
Parameter set λ obtained in step (7) for 1 to I + 1
Against
【0091】[0091]
【数26】 [Equation 26]
【0092】を計算する。Calculate
【0093】(9)|L1−L2|/L1>εならば、L2=
L1とおいてステップ(4)へ、そうでなければ終了。(9) | L 1 −L 2 | / L 1 > ε, then L 2 =
Leave L 1 and go to step (4), otherwise end.
【0094】前記ステップ(9)におけるεは収束の幅
を決める適当に小さな正の数であって、その値は状況に
よって実用的な値が選ばれる。Ε in the step (9) is an appropriately small positive number that determines the width of convergence, and its value is selected as a practical value depending on the situation.
【0095】以上のようにして、連続確率分布HMMが
得られるが、本発明ではこれをもとにしてファジィクラ
スタリングによる離散確率分布HMMを得るものであっ
て、次の手順による。As described above, the continuous probability distribution HMM is obtained. In the present invention, the discrete probability distribution HMM is obtained by fuzzy clustering based on this, and the procedure is as follows.
【0096】(1)学習ベクトルのファジィクラスタリ
ング行い、M個のクラスタを算出する。クラスタ名をC
1,C2,・・・,Cm,・・・,CMとする。(1) Fuzzy clustering of learning vectors is performed to calculate M clusters. Cluster name is C
1, C 2, ···, C m, ···, and C M.
【0097】(2)前記連続型HMMを用いて該HMM
の各状態におけるCm(m=1,・・・,M)の発生度合を求
める。(2) The HMM using the continuous HMM
The degree of occurrence of C m (m = 1, ..., M) in each state is calculated.
【0098】ここで、各ラベルの発生度合を定義する方
法は種々考えられる。即ち、(a)訓練ベクトルの確率密
度の、該訓練ベクトルのCmに対する帰属度による荷重
平均、(b)状態iにおけるCmのセントロイドの発生確
率密度、(a)(b)においてそれらのクラスタの各状態に
おける発生度合の総和が1になるように正規化したもの
等が考えられる。ここでは本発明の一実施例として
(a)、(b)の方法で、前記正規化はしない場合を例にと
って説明する。次式で用いるbi(y)は前記連続型HM
Mの推定パラメータから得られたものである。この場合
は、単語wの状態iにおけるクラスタCmの発生度合bw
imは次式で与えられる。Here, various methods of defining the degree of occurrence of each label can be considered. That is, (a) the weighted average of the probability density of the training vector by the degree of membership of the training vector with respect to C m , (b) the probability density of the occurrence of a centroid of C m in the state i, and (a) and (b) It can be considered that the clusters are normalized so that the sum of the occurrence degrees in each state of the cluster becomes 1. Here, as an example of the present invention,
The case where the normalization is not performed by the methods (a) and (b) will be described as an example. B i (y) used in the following equation is the continuous HM
It is obtained from the estimated parameters of M. In this case, the occurrence degree b w of the cluster C m in the state i of the word w
im is given by the following equation.
【0099】[0099]
【数27】 [Equation 27]
【0100】ただし、However,
【0101】[0101]
【数28】 [Equation 28]
【0102】であって、uv(r) m(t)は、ベクトルy
v(r)(t)のクラスタCmへの帰属度である。yv(r)(t)
は、単語vの第r番の第tフレームの訓練ベクトルであ
る。また、bw i(yv(r)(t))は単語wに対応する連続確
率分布モデルの状態iにおけるベクトルyv(r)(t)の確
率密度である。Where u v (r) m (t) is the vector y
The degree of membership of v (r) (t) in the cluster C m . y v (r) (t)
Is the training vector of the r-th frame of the word v. Further, b w i (y v (r) (t)) is the probability density of the vector y v (r) (t) in the state i of the continuous probability distribution model corresponding to the word w.
【0103】前記ステップ(1)におけるクラスタリン
グの方法は周知のファジィクラスタリング法が用いられ
得る。クラスタリングするデータとしては、前記HMM
の学習に用いたw=1〜Wの単語音声に対応するパター
ンを構成する特徴ベクトルの全集合を用いることが出来
る。As the clustering method in the step (1), a well-known fuzzy clustering method can be used. As the data to be clustered, the HMM is used.
It is possible to use the entire set of feature vectors forming the pattern corresponding to the word speech of w = 1 to W used for learning.
【0104】ファジィクラスタリングは例えば次のよう
にして行われる。表記の簡単のために、学習に用いる全
ての単語音声を構成するベクトルについて通し番号をつ
け、y1,・・・,yNとし、ynのクラスタCmへの帰属度
(メンバシップ関数)をumnとする。通常のクラスタリ
ング法では、あるベクトルynがクラスタCmに属してい
る(umn=1)か、属していないか(umn=0)だけを
認めるのに対して、ファジィクラスタリング法では、y
nがいくつかのクラスタに異なる度合で帰属することを
認めると言うものである。Fuzzy clustering is performed as follows, for example. For simplification of notation, serial numbers are assigned to vectors forming all word sounds used for learning, and y 1 , ..., Y N are set, and the degree of membership (membership function) of y n to the cluster C m is determined. u mn . In the normal clustering method, it is recognized whether a certain vector y n belongs to the cluster C m (u mn = 1) or not (u mn = 0), whereas in the fuzzy clustering method, y
It admits that n belongs to several clusters to different degrees.
【0105】具体的な方法の1つは、各クラスタCmの
セントロイド(中心ベクトル、平均ベクトル)をy
0m(m=1,・・・,M)とし、ynとセントロイドy0mの非
類似度をdmn=d(yn,y0m)とするとき、One specific method is to calculate the centroid (center vector, average vector) of each cluster C m by y.
0m (m = 1, ..., M) and the dissimilarity between y n and the centroid y 0m is d mn = d (y n , y 0m ),
【0106】[0106]
【数29】 [Equation 29]
【0107】を最小にするumnとy0mを見出すものがあ
る。目的関数Jmをy0mとumnに関して変微分し、条件One finds u mn and y 0m that minimize. The objective function J m is differentiated with respect to y 0m and u mn , and the condition
【0108】[0108]
【数30】 [Equation 30]
【0109】を用いれば、Jmを局所的に最小化するた
めの必要条件が次の(数31)、(数32)のように示
される。By using, the necessary conditions for locally minimizing J m are shown as the following (Equation 31) and (Equation 32).
【0110】[0110]
【数31】 [Equation 31]
【0111】[0111]
【数32】 [Equation 32]
【0112】ここで、Fはいわゆるファジィネスを表
し、1<Fである。F→∞のときは、m=1,・・・,Mに
ついて、umn→1/Mになり、F→1のときは、Here, F represents so-called fuzzyness, and 1 <F. When F → ∞, u mn → 1 / M for m = 1, ..., M, and when F → 1,
【0113】[0113]
【数33】 [Expression 33]
【0114】であるから、Therefore,
【0115】[0115]
【数34】 [Equation 34]
【0116】となる。即ち、Fが増加するにつれてyn
が何れのクラスタに属するかと言うことの曖昧性が増大
し、Fが1に近づくにつれて、ynの属するクラスタを
一意に決定するいわゆるハードクラスタリングに近づ
く。[0116] That is, as F increases, y n
The ambiguity of which cluster belongs to increases, and as F approaches 1, it approaches so-called hard clustering that uniquely determines the cluster to which y n belongs.
【0117】ファジィクラスタリングの実際の手順は次
のようになる。 (1)訓練ベクトル集合を適当にC1,・・・,CMに分割
し、初期クラスタとする。The actual procedure of fuzzy clustering is as follows. (1) The training vector set is appropriately divided into C 1 , ..., C M to form initial clusters.
【0118】umnを適当に初期化する。 (2)各クラスタの平均ベクトルy0mを(数31)に従
って求める。 (3)yn≠y0mのとき、(数32)によってステップ
(2)の結果を用いてumnを更新する。yn=y0mのと
きは、m=nのときumn=1,m≠nのときumn=0と
おく。 (4)収束条件を満足すれば処理を終了、そうでなけれ
ばステップ(2)へ戻る。Initialize u mn appropriately. (2) Obtain the average vector y 0m of each cluster according to ( Equation 31). (3) When y n ≠ y 0m , u mn is updated using the result of step (2) according to ( Equation 32). When y n = y 0m , u mn = 1 when m = n, and u mn = 0 when m ≠ n. (4) If the convergence condition is satisfied, the process is terminated, and if not, the process returns to step (2).
【0119】ステップ(4)における収束条件として
は、上記繰り返し計算において、更新される前のumnと
更新された後のumnとの変化量をemnとするとき、emn
2のm,nに関する総和が予め定めた収束判定値ε以下
になった場合を収束、それに達しない場合を非収束とす
る等が考えられる。[0119] As the convergence condition in step (4), in the iterative calculation, the amount of change between u mn after being updated with the previous u mn is updated when the e mn, e mn
It is conceivable that the case where the total sum of m and n of 2 becomes equal to or less than a predetermined convergence judgment value ε is converged, and the case where it does not reach the convergence judgment value is not converged.
【0120】図1、図2は、本発明のHMM作成装置の
一実施例であって、その構成及び動作を同時に説明す
る。1 and 2 show an embodiment of the HMM creating apparatus of the present invention, the structure and operation of which will be described at the same time.
【0121】特徴抽出部101は、周知の方法によっ
て、単語w(=1,…,W)に対応するモデル作成のために
準備された訓練単語r=1〜Rwの音声信号を特徴ベク
トルの系列The feature extraction unit 101 converts the speech signals of the training words r = 1 to R w prepared for creating the model corresponding to the word w (= 1, ..., W) into the feature vector by the well-known method. series
【0122】[0122]
【数35】 [Equation 35]
【0123】に変換する。Convert to
【0124】単語パターン記憶部102はRAM,RO
M、各種ディスクであって、モデルλwを作成するため
の学習用単語を前記特徴ベクトル系列の形でRw個記憶
する。The word pattern storage unit 102 is RAM, RO
M, various discs, storing R w learning words for creating the model λ w in the form of the feature vector series.
【0125】バッファメモリ103は、単語パターン記
憶部102に記憶されているwに対する単語パターンを
Rw個取り出して一時的に記憶する。The buffer memory 103 takes out R w word patterns for w stored in the word pattern storage unit 102 and temporarily stores them.
【0126】パラメータ推定部104は、前記モデルλ
wを作成するステップ(1)〜(9)を実行し、単語w
に対応するモデルλwを推定する。The parameter estimation unit 104 uses the model λ
Perform steps (1) to (9) to create w, and use the word w
Estimate the model λ w corresponding to.
【0127】第1のパラメータ記憶部105は、前記ス
テップ(6)で得られたパラメータの再推定値を一次的
に記憶する。パラメータ推定部104はこのパラメータ
記憶部105の値を用いて再推定を行う。The first parameter storage unit 105 temporarily stores the re-estimated value of the parameter obtained in the step (6). The parameter estimation unit 104 re-estimates using the value of the parameter storage unit 105.
【0128】ファジィクラスタリング部106は、単語
パターン記憶部102に記憶されているThe fuzzy clustering unit 106 is stored in the word pattern storage unit 102.
【0129】[0129]
【数36】 [Equation 36]
【0130】個の特徴ベクトル集合をM個のクラスタに
ファジィクラスタリングする。Tw(r)は単語wの第rの
訓練パターンのフレーム数である。第mクラスタのラベ
ルをCm,セントロイドをy0mとする。The feature vector set is fuzzy clustered into M clusters. T w (r) is the number of frames of the r-th training pattern of word w. The label of the m-th cluster is C m and the centroid is y 0m .
【0131】ベクトル帰属度記憶部107は、ファジィ
クラスタリング部106で求められたyw(r)(t)の各ク
ラスタへの帰属度Uw(r)(t)=(uw(r) 1(t),・・・,u
w(r) M(t))Tをw,r,tの組合せで参照可能な形で記
憶する。ここで、Uw(r)(t)をyw(r)(t)の帰属度ベク
トルと呼ぶことにする。The vector membership degree storage unit 107 stores the degree of membership U w (r) (t) = (u w (r) 1 in each cluster of y w (r) (t) obtained by the fuzzy clustering unit 106. (t), ..., u
w (r) M (t)) T is stored in a form that can be referred to by a combination of w, r, and t. Here, U w (r) (t) is referred to as a membership vector of y w (r) (t).
【0132】ラベル発生度合計算部108は、パラメー
タ記憶部105に記憶されているモデルλwの確率密度
関数から、ベクトル帰属度記憶部107に記憶されてい
る帰属度Uw(r)(t)と単語パターン記憶部102に記憶
されているベクトルyw(r)(t)から、(数27)に従っ
て単語wのHMMの状態iにおけるCmの発生度合bw im
を計算する。The label generation degree calculation unit 108 uses the probability density function of the model λ w stored in the parameter storage unit 105 to determine the degree of membership U w (r) (t) stored in the vector membership degree storage unit 107. And the vector y w (r) (t) stored in the word pattern storage unit 102 according to (Equation 27), the degree of occurrence of C m in the HMM state i of the word w b w im
To calculate.
【0133】第2のパラメータ記憶部109は単語w=
1〜Wに対応するパラメータを記憶する手段であって、
前記それぞれの単語w=1,・・・,Wに対応するパラメー
タが、パラメータ記憶部1,・・・,パラメータ記憶部Wに
それぞれ記憶される。即ち、それぞれの単語の各状態に
対応する遷移確率は、第1のパラメータ記憶部105か
ら読み出され、w,i,jで参照可能な形で記憶される。
また、それぞれの単語の各状態におけるラベルの発生度
合はラベル発生度合算出部108から読み出され、w,
i,mで参照可能な形で記憶される。The second parameter storage unit 109 stores the word w =
A means for storing parameters corresponding to 1 to W,
The parameters corresponding to the respective words w = 1, ..., W are stored in the parameter storage units 1 ,. That is, the transition probability corresponding to each state of each word is read from the first parameter storage unit 105 and stored in a form that can be referred to by w, i, j.
Further, the degree of label occurrence in each state of each word is read from the label occurrence degree calculation unit 108, and w,
It is stored in a form that can be referred to by i and m.
【0134】図3、図4は他の実施例で、図1、図2の
ベクトル帰属度記憶部107をセントロイドを記憶する
セントロイド記憶部に変更し、ラベル発生度合算出部1
08において、bw imをbw im=bw i(y0m)として算出す
るようにしたものである。FIGS. 3 and 4 show another embodiment, in which the vector membership degree storage unit 107 of FIGS. 1 and 2 is replaced with a centroid storage unit for storing a centroid, and the label generation degree calculation unit 1 is used.
In 08, b w im is calculated as b w im = b w i (y 0m ).
【0135】以上のようにして、離散確率分布HMMが
作成される。As described above, the discrete probability distribution HMM is created.
【0136】このように、連続確率密度分布HMMを先
ず作成し、学習に用いたパターン集合を形成するベクト
ルの集合をファジィクラスタリングし、クラスタmの前
記HMMの状態iにおける発生度合bimを連続確率分布
型HMMとして求められた確率密度を用いて求め、離散
確率分布型HMMに変換するものである。As described above, the continuous probability density distribution HMM is first created, the set of vectors forming the pattern set used for learning is fuzzy clustered, and the occurrence degree b im of the cluster m in the state i of the HMM is calculated as the continuous probability. It is obtained by using the probability density obtained as the distributed HMM and converted into the discrete probability distribution HMM.
【0137】次に、以上のようなモデルを用いて実際の
入力音声を認識する装置について、その構成及び動作を
同時に説明する。Next, the structure and operation of an apparatus for recognizing an actual input voice using the above model will be described at the same time.
【0138】図7はその認識装置のブロック図である。FIG. 7 is a block diagram of the recognition device.
【0139】特徴抽出部401は、図1、図2、図3、
図4の特徴抽出部101と全く同様の構成、機能を有す
るものである。The feature extraction unit 401 is
The configuration and function are exactly the same as those of the feature extraction unit 101 in FIG.
【0140】コードブック403は、図1、図2、図
3、図4のHMM作成装置のクラスタベクトル記憶部に
記憶されている各クラスタのセントロイドが記憶されて
いる。The codebook 403 stores the centroid of each cluster stored in the cluster vector storage unit of the HMM creating apparatus shown in FIGS. 1, 2, 3 and 4.
【0141】ファジィベクトル量子化部402は、特徴
抽出部401の出力の特徴ベクトルy(t)とコードブッ
クに記憶されている前記それぞれのクラスタの代表ベク
トルy0m(m=1,…,M)から、y(t)をファジィベク
トル量子化するものである。即ち、上記数式からy(t)
のクラスタCmに対する帰属度um(t)(m=1,・・・,M)
を算出する。即ち、y(t)は帰属度ベクトル(u1(t),・
・・,uM(t))Tに変換される。The fuzzy vector quantizer 402 outputs the feature vector y (t) output from the feature extractor 401 and the representative vector y 0m (m = 1, ..., M) of each cluster stored in the codebook. To fuzzy vector quantization of y (t). That is, from the above formula, y (t)
Degree of membership u m (t) for cluster C m (m = 1, ..., M)
To calculate. That is, y (t) is the membership vector (u 1 (t) ,.
.., u M (t)) converted to T.
【0142】パラメータ記憶部404は、図1、図2、
図3、図4のパラメータ記憶部109と全く同様の構
成、機能を有するものであって、パラメータ記憶部wに
は、単語w(=1,・・・,W)に対応するモデルのパラメー
タが記憶されている。The parameter storage unit 404 stores the parameters shown in FIGS.
The parameter storage unit 109 has exactly the same configuration and function as the parameter storage unit 109 of FIGS. 3 and 4, and the parameter storage unit w stores the model parameters corresponding to the word w (= 1, ..., W). Remembered
【0143】尤度計算部405は、ファジィベクトル量
子化部402の出力に得られる帰属度ベクトル列に対す
る各モデルの尤度をパラメータ記憶部404の内容を用
いて計算するものである。即ち、尤度計算部wではパラ
メータ記憶部wの内容が用いられる。尤度の計算は、状
態iにおけるy(t)の発生度合fw i(y(t))をThe likelihood calculating section 405 calculates the likelihood of each model for the membership vector sequence obtained at the output of the fuzzy vector quantizing section 402, using the contents of the parameter storage section 404. That is, the likelihood calculation unit w uses the contents of the parameter storage unit w. The likelihood is calculated by calculating the occurrence degree f w i (y (t)) of y (t) in state i.
【0144】[0144]
【数37】 [Equation 37]
【0145】で与え、(数5)におけるbi(o(t))を
fw i(y(t))、aijをaw ijとして、(数1)、(数
2)、(数3)等の何れかを用いて実行される。(数
1)を計算する場合は、(数26)におけるY(r)に対
するGiven that b i (o (t)) in (Equation 5) is f w i (y (t)) and a ij is a w ij , ( Equation 1), (Equation 2), (Equation 2) 3) etc. are used. When calculating (Equation 1), for Y (r) in (Equation 26)
【0146】[0146]
【数38】 [Equation 38]
【0147】の計算と全く同様に、入力パターンYに対
するαI+1(T+1)を計算することになる。TはYのフ
レーム数である。The calculation of α I + 1 (T + 1) for the input pattern Y is performed in exactly the same manner as the calculation of. T is the number of Y frames.
【0148】(数2)、(数3)を用いる場合は、周知
のハ゛イターヒ゛(Viterbi)法によって尤度を求めることが出来
る。(数3)を用いる場合は次のようになる。 (1)初期値設定 単語wの状態iの初期確率をπw iとし、i=1,・・・,I
について(数39)を実行When (Equation 2) and (Equation 3) are used, the likelihood can be obtained by the well-known Viterbi method. When using (Equation 3), it becomes as follows. (1) Initial value setting The initial probability of the state i of the word w is π w i , i = 1, ..., I
About (expression 39)
【0149】[0149]
【数39】 [Formula 39]
【0150】(2)漸化式の計算 t=2,・・・,T,j=1,・・・,Iについて(数40)を実
行(2) Calculation of recurrence formula [Formula 40] is executed for t = 2, ..., T, j = 1 ,.
【0151】[0151]
【数40】 [Formula 40]
【0152】(3)(3)
【0153】[0153]
【数42】 [Equation 42]
【0154】ステップ(3)におけるφI+1(T+1)が
Yに対するモデルw(単語w)の尤度である。Φ I + 1 (T + 1) in step (3) is the likelihood of the model w (word w) with respect to Y.
【0155】比較判定部406は、尤度計算部405に
含まれる尤度計算部1,・・・,Wの何れの出力が最大であ
るかを比較判定し、それに対応する単語を認識結果とし
て出力するもので、(数4)に相当する計算を実行する
ものである。The comparison / determination unit 406 compares and determines which of the likelihood calculation units 1, ..., W included in the likelihood calculation unit 405 has the maximum output, and determines the corresponding word as the recognition result. This is output, and the calculation corresponding to (Equation 4) is executed.
【0156】なお、本実施例においては、単語を認識す
るとして述べたが、本発明は、単語を音韻や音節等に置
き換えても勿論よく、また、音声以外のパターンにも適
用出来るものである。Although the present embodiment has been described as recognizing a word, the present invention may be replaced with a phoneme, a syllable, or the like, and may be applied to patterns other than voice. .
【0157】さらに、本実施例では特徴ベクトルの分布
は、各状態において単一の正規分布に従うとして説明し
たが、本発明では、いわゆる混合分布を用いることによ
り、より精密なラベルの発生度合を得ることも勿論可能
である。Further, in the present embodiment, the distribution of the feature vector is described as following a single normal distribution in each state, but in the present invention, a more precise label generation degree is obtained by using a so-called mixed distribution. Of course, it is possible.
【0158】また、本発明は、音声認識装置にかぎら
ず、他の時系列信号処理分野に適用可能である。The present invention is applicable not only to the voice recognition device but also to other time series signal processing fields.
【0159】なお、本発明の各手段は、コンピュータを
用いてソフトウェア的に実現し、あるいはそれら各機能
を有する専用のハード回路を用いて実現してもかまわな
い。Each means of the present invention may be realized by software using a computer, or may be realized by using a dedicated hardware circuit having each of these functions.
【0160】[0160]
【発明の効果】以上述べたところから明らかなように、
本発明は、連続確率密度分布HMMを作成するHMM作
成手段と、訓練ベクトル集合をファジィクラスタリング
し各々のクラスタにラベルを付与するクラスタリング手
段と、HMMの各状態における各クラスタの従って各ラ
ベルの発生度合を、各クラスタに属する訓練ベクトル
と、連続確率密度分布HMMの各状態における確率密度
関数から算出するラベル発生度合算出手段とを備えてい
るので、離散型HMMにおける課題である訓練データの
不足やその偏りによる推定誤差を解消し、離散型HMM
のもつ計算量が少ないという利点を活かしたモデルの実
現を可能とする。As is apparent from the above description,
The present invention provides an HMM creating means for creating a continuous probability density distribution HMM, a clustering means for fuzzy clustering a training vector set to give a label to each cluster, and a degree of occurrence of each label according to each cluster in each state of the HMM. Is provided with a training vector belonging to each cluster and a label generation degree calculating means for calculating from the probability density function in each state of the continuous probability density distribution HMM. Estimate error due to bias is eliminated and discrete HMM
It is possible to realize a model that takes advantage of the small calculation amount of.
【0161】また、クラスタリングをファジィクラスタ
リングとすることによりクラスタ数を減少でき、推定精
度を向上させることが出来る。Further, by using fuzzy clustering as the clustering, the number of clusters can be reduced and the estimation accuracy can be improved.
【図1】本発明によるHMM作成装置の一実施例の一部
を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a part of an embodiment of an HMM creating apparatus according to the present invention.
【図2】本発明によるHMM作成装置の一実施例の残部
を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing the remaining part of the embodiment of the HMM creating apparatus according to the present invention.
【図3】本発明によるHMM作成装置の一実施例の一部
を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing a part of an embodiment of an HMM creating apparatus according to the present invention.
【図4】本発明によるHMM作成装置の一実施例の残部
を示すブロック図である。FIG. 4 is a block diagram showing the remaining part of the embodiment of the HMM creating apparatus according to the present invention.
【図5】HMMを用いた音声認識装置の従来例を説明す
るブロック図である。FIG. 5 is a block diagram illustrating a conventional example of a voice recognition device using an HMM.
【図6】連続確率分布型HMMの構成を示すHMMの構
成図である。FIG. 6 is an HMM configuration diagram showing a configuration of a continuous probability distribution HMM.
【図7】本発明により構成されたHMMを用いた音声認
識装置の一実施例を示すブロック図である。FIG. 7 is a block diagram showing an embodiment of a voice recognition device using an HMM constructed according to the present invention.
101・・・・特徴抽出部 102・・・・単語パターン記憶部 103・・・・バッファメモリ 104・・・・パラメータ推定部 105・・・・パラメータ記憶部 106・・・・ファジィクラスタリング部 107・・・・ベクトル帰属度記憶部 108・・・・ラベル発生度合計算部 109・・・・パラメータ記憶部 101 ... Feature extraction unit 102 ... Word pattern storage unit 103 ... Buffer memory 104 ... Parameter estimation unit 105 ... Parameter storage unit 106 ... Fuzzy clustering unit 107 ...・ ・ ・ Vector belonging degree storage unit 108 ・ ・ ・ Label generation degree calculation unit 109 ・ ・ ・ ・ Parameter storage unit
Claims (7)
作成手段と、訓練ベクトル集合をファジィクラスタリン
グし各々のクラスタにラベルを付与するクラスタリング
手段と、前記HMMの各状態における前記各クラスタの
従って前記各ラベルの発生度合を、前記各クラスタに属
する前記訓練ベクトルと、前記連続確率密度分布HMM
の各状態における確率密度関数から算出するラベル発生
度合算出手段とを備えたことを特徴とするHMM作成装
置。1. An HMM for creating a continuous probability density distribution HMM.
Creating means, fuzzy clustering of the training vector set to give a label to each cluster, and the degree of occurrence of each label according to each cluster in each state of the HMM, the training vectors belonging to each cluster And the continuous probability density distribution HMM
And a label generation degree calculating means for calculating from a probability density function in each state of HMM creation apparatus.
られた状態遷移確率を記憶する状態遷移確率記憶手段
と、各状態における各ラベルの発生度合を記憶するラベ
ル発生度合記憶手段とを備えたことを特徴とするHMM
記憶装置。2. A state transition probability storing means for storing the state transition probability obtained by the HMM creating apparatus according to claim 1, and a label occurrence degree storing means for storing the occurrence degree of each label in each state. HMM characterized by
Storage device.
の各ベクトルの請求項1記載のクラスタに属する帰属度
を計算するファジィベクトル量子化手段と、請求項2記
載のHMM記憶装置に記憶されている状態遷移確率、各
状態におけるラベルの発生度合から、前記HMM記憶装
置に記憶されているパラメータで記述されるHMMの、
前記入力パターンに対する尤度を計算する尤度計算手段
とを備えたことを特徴とする尤度計算装置。3. A fuzzy vector quantizing means for calculating the degree of membership of each vector of a feature vector sequence forming an input pattern, which belongs to a cluster according to claim 1, and stored in an HMM storage device according to claim 2. From the state transition probability and the degree of label occurrence in each state, the HMM described by the parameters stored in the HMM storage device,
A likelihood calculating device, comprising: a likelihood calculating unit that calculates a likelihood for the input pattern.
を備え、入力信号に対する前記各々の認識単位モデル毎
の尤度を計算し、該尤度の値から前記入力信号が前記認
識単位の何れであるかを判定することを特徴とする認識
装置。4. The likelihood calculation device according to claim 3 is provided for each recognition unit, the likelihood of each recognition unit model for an input signal is calculated, and the input signal is recognized as the recognition signal from the value of the likelihood. A recognition device characterized by determining which of the units.
をCm(m=1,・・・,M)とするとき、前記連続確率密度
分布HMMの状態iの確率密度関数から訓練ベクトル各
々の確率密度を求め、該確率密度の前記訓練ベクトルの
Cmに対する帰属度による荷重平均を算出し、該荷重平
均を状態iにおけるCmの発生度合bimとすることを特
徴とする請求項1記載のHMM作成装置。5. The label generation degree calculation means calculates each of the training vectors from the probability density function of the state i of the continuous probability density distribution HMM when the cluster is C m (m = 1, ..., M). obtains the probability density, calculates the weighted mean by membership for C m of the training vectors in said probability density, according to claim 1, characterized in that the occurrence rate b im of C m a weighted average該荷in the state i HMM creation device.
をCm(m=1,・・・,M)とするとき、前記連続確率密度
分布HMMの状態iの確率密度関数からCmを代表する
ベクトルの確率密度を求め、その確率密度を状態iにお
けるCmの発生度合 bimとすることを特徴とする請求
項1記載のHMM作成装置。6. The label generation degree calculating means represents C m from the probability density function of the state i of the continuous probability density distribution HMM when the cluster is C m (m = 1, ..., M). The HMM creating apparatus according to claim 1, wherein the probability density of the vector is calculated, and the probability density is defined as the degree of occurrence of C m in state i, b im .
更に、bim'=bim/(bi1+・・・+biM)を算出する発生
度合正規化手段を含み、該正規化発生度合bim'を状態
iにおけるCmの発生度合とすることを特徴とする請求
項5あるいは請求項6記載のHMM作成装置。7. A label occurrence rate calculating means is further from the b im, b im '= b im / (b i1 + ··· + b iM) comprises generating the degree normalizing means for calculating, the normalized occurrence 7. The HMM creating apparatus according to claim 5, wherein the degree b im ′ is the degree of occurrence of C m in state i.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4159838A JPH064094A (en) | 1992-06-18 | 1992-06-18 | HMM creation device, HMM storage device, likelihood calculation device, and recognition device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4159838A JPH064094A (en) | 1992-06-18 | 1992-06-18 | HMM creation device, HMM storage device, likelihood calculation device, and recognition device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH064094A true JPH064094A (en) | 1994-01-14 |
Family
ID=15702347
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4159838A Pending JPH064094A (en) | 1992-06-18 | 1992-06-18 | HMM creation device, HMM storage device, likelihood calculation device, and recognition device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH064094A (en) |
-
1992
- 1992-06-18 JP JP4159838A patent/JPH064094A/en active Pending
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