Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neues Verfahren zur Rauschunterdrückung bei Sprachübertragung entwickelt

24.07.2003


Die zwei verschiedenen Phoneme "i" und "j" weisen erstaunlich stabile Schwingungsmuster auf. Der gezeigte Zeitausschnitt entspricht etwa 45 Millisekunden (tausendstel Sekunden).

Foto: Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme


Analyse des Testsatzes "Scusi, Lei é Allesandra Janssen?" (Entschuldigung, sind Sie Alexandra Janssen?). Oben ist das analysierte Sprechsignal zu sehen, die Zeitachse verläuft von links nach rechts. Der gesamte Ausschnitt umfasst zwei Sekunden. Unten erscheint der Rekurrenzplot des Signals. Die Phoneme mit einander stark gleichenden Wellenzügen liegen in den "Zebrastreifen-Bäuchen"; die Einschnitte markieren ihre Grenzen.

Foto: Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme


Mit einem Verfahren aus der Chaostheorie unterdrücken Forscher des Max-Planck-Instituts für Physik komplexer Systeme Störungen bei der Sprachübertragung / Neue MaxPlanckForschung erschienen
Wenn es darum geht, Sprache technisch zu verarbeiten und zu übertragen, wird Rauschen zu einem erheblichen Störfaktor. Prof. Holger Kantz und seine Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Dresden haben ein völlig neues Verfahren zur Rauschunterdrückung erfunden: Es basiert auf der Chaostheorie, ist mittlerweile patentiert und eignet sich besonders als Vorstufe für automatische Spracherkennungssysteme. Über diese Methode berichtet MaxPlanckForschung in ihrer neuesten Ausgabe (2/2003).



Jeder kennt das Problem: Telefoniert man mit einem Autoinsassen, geht das Gesagte bisweilen völlig im Fahrgeräusch unter. Das ist besonders störend, wenn sich das Rauschen laufend verändert. Die heute üblichen Verfahren zur Rauschunterdrückung stoßen just dann an ihre Grenzen, wenn dies permanent und sprunghaft geschieht. Zeitliche Veränderungen sind die Spezialität der Forscher am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Dresden. Der theoretische Physiker Holger Kantz leitet dort die Arbeitsgruppe "Nichtlineare Dynamik und Zeitreihenanalyse": Er und seine Mitarbeiter rücken solchen Fragestellungen mit mathematischen Werkzeugen der Chaostheorie zu Leibe und haben ein Rauschunterdrückungssystem nach einem völlig neuen Prinzip entwickelt. Dieses System filtert Rauschen auch dann sehr effektiv heraus, wenn es zeitlich stark schwankt. Im Zuge ihrer Entwicklungsarbeit untersuchten die Dresdener Physiker verschiedene Stimmsignale auf Merkmale, die ein mathematischer Algorithmus wiedererkennen kann. Dazu verwendeten sie CDs mit Sprachkursen.

Rauschen steckt immer schon im Eingangssignal, das technische Kommunikationssysteme weiter verarbeiten müssen - sei es ein Handy oder ein Sprachcomputer für das Telefon-Banking. In diesem Eingangssignal überlagert das Rauschen als Störsignal das Nutzsignal der Sprache. Diese beiden Signalanteile verhalten sich wie zwei Farben: Es ist leicht, beide zu mischen - doch extrem schwer, sie danach wieder zu trennen. Genau das muss ein Rauschunterdrückungssystem aber schaffen. Beim Kassettenrekorder lässt sich das Problem noch leicht lösen, denn ein Magnetband rauscht monoton. Die Ingenieure müssen das Rauschsignal nur einmal im Labor ausmessen und können dann ihr System darauf optimieren.

Völlig anders ist die Situation bei der Sprachübertragung im Alltag: Der Sprecher kann sich in einer lärmenden Fabrikhalle oder in einem stillen Wald aufhalten. Also muss das System ein Rauschsignal bekämpfen, das es nicht von vornherein kennt und das sich sehr plötzlich ändern kann. Solche unvorhersehbaren Signale sind schwer zu beherrschen; die Physiker nennen sie nicht-deterministisch.

Die Methoden, die heute in der Telefonie, bei Hörgeräten oder in der automatischen Spracherkennung Verbreitung finden, beruhen auf Erfahrungswerten und ziehen einfach ein durchschnittliches, breitbandiges Rauschen vom Gesamtsignal ab. Diese starre Filterfunktion kommt an ihre Grenzen, sobald sich die Charakteristik des Rauschens während des Sprechens stark verändert - etwa dann, wenn ein Autofahrer eine Panne hat und neben einer viel befahrenen Straße mit seinem Handy den Pannendienst anruft: Der Gesprächspartner hört die vorbeifahrenden Autos als stark an- und wieder abschwellendes Rauschen.

Solche Situationen beherrscht das viel flexiblere Verfahren der Dresdener Physiker. Dahinter steckt zwar viel Mathematik, doch Kantz erklärt das Grundprinzip an einem relativ einfachen Beispiel: "Stellen Sie sich vor, Sie hätten mehrere Exemplare einer klassischen Vinyl-Schallplatte mit exakt der gleichen Information darauf und jede dieser Schallplatten hätte an unterschiedlichen Stellen Kratzer oder andere Fehler, die für individuelle Störsignale sorgen." Würde man nun alle Schallplatten zum exakt gleichen Zeitpunkt starten und ihre Signale überlagern, würde Folgendes passieren: Die eigentliche Information - ob Sprache oder Musik - würde sich addieren, also verstärken. Anders wäre das beim Rauschen, dessen Signale von Platte zu Platte zufällig variieren und sich deshalb nicht konstruktiv überlagern. Mittelt man nun das addierte Signal, würde der Rauschpegel mit einer wachsenden Zahl von Schallplatten sinken.

Verfahren nach diesem Prinzip werden schon bei Freisprechanlagen in Autos oder Hubschraubern eingesetzt. Dort übernehmen mehrere im Innenraum montierte Mikrophone die Rolle der Schallplatten: Jedes Mikro empfängt ein anders eingefärbtes Rauschen, das sich aus dem Gesamtsignal aller Mikrophone herausmitteln lässt. Handys und viele andere Systeme arbeiten jedoch nur mit einem einzigen Mikro - und damit entfällt diese elegante Lösung.

Um dieses Problem zu knacken, wenden die Max-Planck-Physiker die Theorie des "deterministischen Chaos" an. Sie gestattet, in Systemen mit scheinbar rein chaotischem Verhalten wiederkehrende Strukturen aufzudecken. Die Forscher fragten sich, ob es auf der Zeitachse des Sprachflusses zu einem gerade produzierten Signal ein zweites in der Vergangenheit gibt, das dem ersten stark ähnelt: Ein solches "redundantes" Signal könnte dann die Rolle der zweiten Schallplatte übernehmen, also dem eben eingetroffenen Signal überlagert werden und so den Rauschpegel halbieren. Mit weiteren redundanten Signalen aus der Vergangenheit ließe sich der Rauschpegel sogar noch tiefer drücken.

Um dabei die Übertragung nicht zu lange zu verzögern, sucht das Dresdener Verfahren nur die sehr nahe Vergangenheit nach vergleichbaren Mustern ab. Dafür geeignete Zeitabschnitte bieten die Laute, aus denen wir Worte formen. Das Aussprechen eines solchen Phonems dauert in der Regel nicht länger als 200 Millisekunden (eine Fünftelsekunde). Den Schlüssel für ihren Algorithmus fanden Kantz und seine Mitarbeiter in Vokalen und stimmhaften Konsonanten; beide bilden erstaunlich gleichmäßige Schwingungsmuster, die über viele Millisekunden hinweg stabil sind.

Abbildung 1 demonstriert das für die beiden Laute "i" (oben) und "j" (unten). "Die Messkurve zeigt, wie gut sich die Wellen in so einem Phonem wiederholen," sagt Holger Kantz. Das erlaube es dem Algorithmus, einen typischen Wellenzug aufzunehmen und dann auf der Zeitachse rückwärts zu verschieben: Immer dann, wenn er mit einem früheren weitgehend übereinstimmt, entsteht ein maximales Signal. Übereinander gelagert, können diese vergleichbaren Abschnitte die Aufgabe der zwei Schallplatten übernehmen.

Die Dresdener Physiker untersuchten zunächst Signale ohne Störung, um zu sehen, ob ihr System überhaupt solche Signalwiederholungen aufspüren kann. Dabei half ihnen ein so genannter Rekurrenzplot. Das ist eine Art Landkarte für Sprachsignale, wie sie Abbildung 2 zeigt: Im oberen Fenster sieht man das Sprachsignal als physikalische Schwingung; es entspricht Abbildung 1, doch ist die Zeitachse hier viel stärker gequetscht. Interessant ist das "Zebramuster" im unteren Fenster des Plots. Was völlig abstrakt aussieht, ist im Prinzip einfach zu verstehen: Von links nach rechts schreitet die Zeit im gleichen Takt wie im oberen Fenster voran. Bewegt man sich im Plot senkrecht zu dieser Zeitachse, folgt man der wachsenden zeitlichen Verschiebung eines herausgegriffenen Wellenzugs. Immer dann, wenn dieser sich einem sehr ähnlichen Wellenzug in der Vergangenheit überlagert, macht das System einen Punkt im Rekurrenzplot. Die Muster zeigen damit die Ausdehnung eines Phonems: Wo sich viele Punkte übereinander türmen, gibt es viele ähnliche Wellen.

Um nun ihr neues System zu testen, mischte die Gruppe um Kantz Rauschen in das saubere Sprachsignal. Obwohl das verrauschte Signal physikalisch völlig verändert war, zeigte sich, dass der Rauschunterdrückungs-Algorithmus tatsächlich ähnliche Wellenzüge zuverlässig aufspürt und das ursprüngliche Sprachsignal erstaunlich gut aus dem Frequenzchaos herausfiltert.

Vergleichsmessungen beweisen, dass das Dresdener System auf Anhieb mit den modernsten Rauschunterdrückungs-Algorithmen mithalten kann. Weitere Optimierung könnte die Leistungsfähigkeit des weltweit patentierten Verfahrens noch erheblich steigern. Allerdings hat es einen Nachteil: Der Vergleich mit der Vergangenheit verzögert die Übertragung des Sprechsignals um ein Phonem, also etwa um eine Fünftelsekunde. Beim Telefonieren kann das stören. Aus diesem Grund eignet sich das Verfahren vor allem für die automatische Spracherkennung und könnte dort eine weitere Stärke ausspielen: die Fähigkeit, Grenzen einzelner Phoneme sehr scharf zu erkennen. Damit haben die Algorithmen heutiger Spracherkennungssysteme große Schwierigkeiten.

Originalveröffentlichung:

H. Kantz, R. Hegger, L. Matassini
Noise reduction for human voice by local projections in reconstructed phase spaces
IEEE Transactions on Circuits and Systems I, 48, 1454 (2001)

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Prof. Holger Kantz
Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme, Dresden
Tel.: 0351 - 871-2216, Fax.: -1999
E-Mail: kantz@mpipks-dresden.mpg.de

Prof. Holger Kantz | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.maxplanck.de/bilderBerichteDokumente/multimedial/mpForschung/index.html
http://www.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht APEX wirft einen Blick ins Herz der Finsternis
25.05.2018 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

nachricht Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie
23.05.2018 | Universität Wien

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

Je mehr die Elektronik Autos lenkt, beschleunigt und bremst, desto wichtiger wird der Schutz vor Cyber-Angriffen. Deshalb erarbeiten 15 Partner aus Industrie und Wissenschaft in den kommenden drei Jahren neue Ansätze für die IT-Sicherheit im selbstfahrenden Auto. Das Verbundvorhaben unter dem Namen „Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 7,2 Millionen Euro gefördert. Infineon leitet das Projekt.

Bereits heute bieten Fahrzeuge vielfältige Kommunikationsschnittstellen und immer mehr automatisierte Fahrfunktionen, wie beispielsweise Abstands- und...

Im Focus: Powerful IT security for the car of the future – research alliance develops new approaches

The more electronics steer, accelerate and brake cars, the more important it is to protect them against cyber-attacks. That is why 15 partners from industry and academia will work together over the next three years on new approaches to IT security in self-driving cars. The joint project goes by the name Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) and has funding of €7.2 million from the German Federal Ministry of Education and Research. Infineon is leading the project.

Vehicles already offer diverse communication interfaces and more and more automated functions, such as distance and lane-keeping assist systems. At the same...

Im Focus: Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln

Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unterschiedlichen Zuständen hin und her zu schalten. Derartige Nano-Schalter könnten Basis für neuartige Bauelemente sein, die auf Silizium basierende Komponenten durch organische Moleküle ersetzen.

Die Entwicklung neuer elektronischer Technologien fordert eine ständige Verkleinerung funktioneller Komponenten. Physikern der TU München ist es im Rahmen...

Im Focus: Molecular switch will facilitate the development of pioneering electro-optical devices

A research team led by physicists at the Technical University of Munich (TUM) has developed molecular nanoswitches that can be toggled between two structurally different states using an applied voltage. They can serve as the basis for a pioneering class of devices that could replace silicon-based components with organic molecules.

The development of new electronic technologies drives the incessant reduction of functional component sizes. In the context of an international collaborative...

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Im Fokus: Klimaangepasste Pflanzen

25.05.2018 | Veranstaltungen

Größter Astronomie-Kongress kommt nach Wien

24.05.2018 | Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Berufsausbildung mit Zukunft

25.05.2018 | Unternehmensmeldung

Untersuchung der Zellmembran: Forscher entwickeln Stoff, der wichtigen Membranbestandteil nachahmt

25.05.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

25.05.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics