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 Erforschung von Elementarteilchen in Materialien
17.01.2017 | Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

nachricht Vermeintlich junger Stern entpuppt sich als galaktischer Greis
16.01.2017 | Ruhr-Universität Bochum

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: Interfacial Superconductivity: Magnetic and superconducting order revealed simultaneously

Researchers from the University of Hamburg in Germany, in collaboration with colleagues from the University of Aarhus in Denmark, have synthesized a new superconducting material by growing a few layers of an antiferromagnetic transition-metal chalcogenide on a bismuth-based topological insulator, both being non-superconducting materials.

While superconductivity and magnetism are generally believed to be mutually exclusive, surprisingly, in this new material, superconducting correlations...

Im Focus: Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen...

Im Focus: Studying fundamental particles in materials

Laser-driving of semimetals allows creating novel quasiparticle states within condensed matter systems and switching between different states on ultrafast time scales

Studying properties of fundamental particles in condensed matter systems is a promising approach to quantum field theory. Quasiparticles offer the opportunity...

Im Focus: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Im Focus: Designing Architecture with Solar Building Envelopes

Among the general public, solar thermal energy is currently associated with dark blue, rectangular collectors on building roofs. Technologies are needed for aesthetically high quality architecture which offer the architect more room for manoeuvre when it comes to low- and plus-energy buildings. With the “ArKol” project, researchers at Fraunhofer ISE together with partners are currently developing two façade collectors for solar thermal energy generation, which permit a high degree of design flexibility: a strip collector for opaque façade sections and a solar thermal blind for transparent sections. The current state of the two developments will be presented at the BAU 2017 trade fair.

As part of the “ArKol – development of architecturally highly integrated façade collectors with heat pipes” project, Fraunhofer ISE together with its partners...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungen

Über intelligente IT-Systeme und große Datenberge

17.01.2017 | Veranstaltungen

Aquakulturen und Fangquoten – was hilft gegen Überfischung?

16.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Intelligente Haustechnik hört auf „LISTEN“

17.01.2017 | Architektur Bauwesen

Satellitengestützte Lasermesstechnik gegen den Klimawandel

17.01.2017 | Maschinenbau