專(zhuān)利名稱(chēng)：降低多個(gè)獨(dú)立過(guò)程產(chǎn)生的信號(hào)的頻譜維數(shù)的方法和系統(tǒng)的制作方法
降低多個(gè)獨(dú)立過(guò)程產(chǎn)生的信號(hào)的頻譜維數(shù)的方法和系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明總體上涉及用于降低時(shí)變信號(hào)的頻譜的維數(shù)的方法，更具體而言，涉及將 頻譜表示為獨(dú)立的基矩陣(basis matrix)。
背景技術(shù)：
隨時(shí)間變化的信號(hào)的典型例子有諸如語(yǔ)音的聲學(xué)信號(hào)、機(jī)械振動(dòng)和電磁信號(hào)。在 信號(hào)處理中，這種信號(hào)是由“過(guò)程”生成，并且經(jīng)常將這些信號(hào)稱(chēng)為“時(shí)間序列”信號(hào)。時(shí)變 信號(hào)可以表示為幅度頻譜。幅度頻譜的所有值都為非負(fù)值。
在許多應(yīng)用中，特別是當(dāng)頻譜是由多個(gè)獨(dú)立過(guò)程同時(shí)生成時(shí)，將幅度頻譜分解為 少量獨(dú)立分量是很有用的。
可以通過(guò)對(duì)該幅度頻譜進(jìn)行因子分解來(lái)執(zhí)行該分解。該因子分解將頻譜降為基矩 陣，該基矩陣是頻譜的低維表示。然后，該基矩陣可以用于分類(lèi)、降噪或源分離。
因此，希望將時(shí)變信號(hào)的頻譜表示為少量獨(dú)立非負(fù)基矩陣的凸組合。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施方式公開(kāi)了用于降低頻譜矩陣的維數(shù)的系統(tǒng)和方法。這些實(shí)施方式 創(chuàng)建中間時(shí)間基矩陣和中間頻率基矩陣，并對(duì)所述中間時(shí)間基矩陣和所述中間頻率基矩陣 迭代地應(yīng)用非負(fù)矩陣因子分解(NMF，non-negative matrix factorization)，直到達(dá)到終 止條件為止，其中，該NMF受到對(duì)獨(dú)立正則化項(xiàng)(ind印endence regularization term)的 約束，并且其中，該約束的形式為該項(xiàng)的梯度。
—個(gè)實(shí)施方式公開(kāi)了用于降低由多個(gè)獨(dú)立過(guò)程產(chǎn)生的信號(hào)的頻譜的維數(shù)的方法， 該頻譜由頻譜矩陣表示，該頻譜矩陣被因子分解為頻率基矩陣和時(shí)間基矩陣的組合，其中， 所述時(shí)間基矩陣的各行的值大致獨(dú)立，包括用于執(zhí)行該方法的步驟的處理器，該方法包括 以下步驟
所述方法取得中間頻率基矩陣和中間時(shí)間基矩陣，該中間頻率基矩陣的列數(shù)等于 獨(dú)立過(guò)程的個(gè)數(shù)、行數(shù)等于所述頻譜矩陣的行數(shù)，該中間時(shí)間基矩陣的行數(shù)等于獨(dú)立過(guò)程 的個(gè)數(shù)、列數(shù)等于所述頻譜矩陣的列數(shù)；并且該方法取得獨(dú)立正則化要件(incbpendence regularization requirement)的梯度；
接著，該方法利用所述獨(dú)立正則化要件的梯度，根據(jù)非負(fù)矩陣因子分解(NMF)，更 新所述中間頻率基矩陣和所述中間時(shí)間基矩陣，并且如果達(dá)到了終止條件，則選擇所述中 間頻率基矩陣作為所述頻率基矩陣，并選擇所述中間時(shí)間基矩陣作為所述時(shí)間基矩陣。否 則，則重復(fù)該更新。
本發(fā)明提供了用于降低頻譜矩陣的維數(shù)的系統(tǒng)和方法。


圖1是將頻譜表示為矩陣的示意圖2是將頻譜矩陣表示為獨(dú)立基矩陣的示意圖；以及
圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的正則化非負(fù)矩陣因子分解(RNMF)的框圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明基于如下認(rèn)識(shí)可以利用如下的正則化非負(fù)矩陣因子分解(RNMF， regularized non-negative matrix factorization) 率基矩陣和時(shí)間基矩陣，該RNMF具有特定的正則化項(xiàng)，該正則化項(xiàng)描述了時(shí)間基矩陣具有 不相關(guān)的行的獨(dú)立約束。
圖1示出了頻譜110的例子。頻譜110是從信號(hào)101生成的，該信號(hào)101是從多個(gè) 獨(dú)立聲源102或過(guò)程(例如人的談話(huà))獲得的。該頻譜可以被表示150為頻譜矩陣V 120。
矩陣V中的行表示該頻譜的不同頻率F 130，矩陣V中的列表示時(shí)間T 140。因 而，頻譜110的值(即特定頻率在特定時(shí)刻的幅度)形成了頻譜矩陣的元素V 125。因此， 頻譜矩陣V是大小為F*T的非負(fù)矩陣。
如圖2所示，本發(fā)明的實(shí)施方式通過(guò)因子分解將矩陣V分解為兩個(gè)矩陣，即頻率基 矩陣W 230和時(shí)間基矩陣H 240O矩陣W和H分別是大小為F*n和n*T的非負(fù)矩陣，其中η 為生成頻譜110的獨(dú)立過(guò)程的數(shù)量。數(shù)量η是小于F和T 二者中的最小值的正整數(shù)，例如， 在頻譜110中η = 3。頻率基矩陣W的列表示由各個(gè)獨(dú)立過(guò)程產(chǎn)生的信號(hào)的頻譜形狀。時(shí) 間基矩陣H的行表示各個(gè)獨(dú)立過(guò)程隨時(shí)間變化的活動(dòng)水平。
由于形成該頻譜的這些過(guò)程是獨(dú)立的，因此時(shí)間基矩陣具有不相關(guān)的元素，即各 行彼此獨(dú)立。因而，分解
V = WH,
受以下條件的約束
權(quán)利要求
1.一種用于降低由多個(gè)獨(dú)立過(guò)程產(chǎn)生的信號(hào)的頻譜的維數(shù)的方法，該頻譜由頻譜矩陣 表示，該頻譜矩陣被因子分解為頻率基矩陣和時(shí)間基矩陣的組合，其中，所述時(shí)間基矩陣的 各行的值大致獨(dú)立，使用處理器來(lái)執(zhí)行該方法的步驟，該方法包括以下步驟取得中間頻率基矩陣，該中間頻率基矩陣的列數(shù)等于獨(dú)立過(guò)程的個(gè)數(shù)，并且其行數(shù)等 于所述頻譜矩陣的行數(shù)；取得中間時(shí)間基矩陣，該中間時(shí)間基矩陣的行數(shù)等于獨(dú)立過(guò)程的個(gè)數(shù)，并且其列數(shù)等 于所述頻譜矩陣的列數(shù)；取得獨(dú)立正則化要件的梯度；利用所述獨(dú)立正則化要件的梯度，根據(jù)非負(fù)矩陣因子分解NMF來(lái)更新所述中間頻率基 矩陣和所述中間時(shí)間基矩陣；以及如果達(dá)到終止條件，則選擇所述中間頻率基矩陣作為所述頻率基矩陣，并選擇所述中 間時(shí)間基矩陣作為所述時(shí)間基矩陣；否則，如果沒(méi)有達(dá)到終止條件， 則重復(fù)所述更新步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法進(jìn)一步包括以下步驟將獨(dú)立過(guò)程的個(gè)數(shù)選擇為，使得該獨(dú)立過(guò)程的個(gè)數(shù)少于所述頻譜矩陣的行數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法進(jìn)一步包括以下步驟將獨(dú)立過(guò)程的個(gè)數(shù)選擇為，使得該獨(dú)立過(guò)程的個(gè)數(shù)少于所述頻譜矩陣的列數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中用于取得所述中間頻率基矩陣的步驟進(jìn)一步包括 以下步驟隨機(jī)地創(chuàng)建所述中間頻率基矩陣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中用于取得所述中間時(shí)間基矩陣的步驟進(jìn)一步包括 以下步驟隨機(jī)地創(chuàng)建所述中間時(shí)間基矩陣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，dKH^i .dC根據(jù)樹(shù)=^r1 = ΣΣαν #確定所述梯度，0Hbci j mbc其中，樹(shù)H)是所述獨(dú)立正則化要件J(H)相對(duì)于所述時(shí)間基矩陣H的梯度，并且 SClj _ Blj(QAljIdHbc)-Alj(QBljIdHbc)bI‘其中，根據(jù)以下公式定義變量A和B A = HHtB = NNtNb= I IHJSAijIdHbc=IbH^HcIl SBlJdHbc-Hbc{U\b\]+\b\lUT)U = N(N_1)T,其中，Ib是除了第b個(gè)元素為1而其他所有元素都為0的指示向量，N是元素為所述時(shí) 間基矩陣H的行的范數(shù)的向量，U是所述向量N在元素被反轉(zhuǎn)的情況下的外積。
7.一種用于降低由多個(gè)獨(dú)立過(guò)程產(chǎn)生的信號(hào)的頻譜的維數(shù)的方法，使用處理器執(zhí)行該 方法的步驟，該方法包括以下步驟用頻譜矩陣表示所述頻譜，其中，所述頻譜矩陣的各列的元素表示所述頻譜中特定時(shí) 刻的頻率幅度；創(chuàng)建中間時(shí)間基矩陣，其中，該中間時(shí)間基矩陣的行數(shù)等于所述獨(dú)立過(guò)程的個(gè)數(shù)，并且 其列數(shù)等于所述頻譜矩陣的列數(shù)；創(chuàng)建中間頻率基矩陣，其中，該中間頻率基矩陣的列數(shù)等于獨(dú)立過(guò)程的個(gè)數(shù)，并且其行 數(shù)等于所述頻譜矩陣的行數(shù)；以及對(duì)所述中間時(shí)間基矩陣和所述中間頻率基矩陣迭代地應(yīng)用非負(fù)矩陣因子分解NMF，直 到達(dá)到終止條件為止，其中，該NMF受到對(duì)獨(dú)立正則化項(xiàng)的約束，該約束的形式為該項(xiàng)的梯 度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，該方法進(jìn)一步包括以下步驟基于所述NMF的結(jié)果，更新所述中間時(shí)間基矩陣和所述中間頻率基矩陣。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，該方法進(jìn)一步包括以下步驟取得獨(dú)立過(guò)程的個(gè)數(shù)，其中，該獨(dú)立過(guò)程的個(gè)數(shù)少于所述頻譜矩陣的行數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，該方法進(jìn)一步包括以下步驟取得獨(dú)立過(guò)程的個(gè)數(shù)，其中，該獨(dú)立過(guò)程的個(gè)數(shù)少于所述頻譜矩陣的列數(shù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中創(chuàng)建所述中間頻率基矩陣的步驟進(jìn)一步包括以 下步驟隨機(jī)地創(chuàng)建所述中間頻率基矩陣。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中創(chuàng)建所述中間時(shí)間基矩陣的步驟進(jìn)一步包括以 下步驟隨機(jī)地創(chuàng)建所述中間時(shí)間基矩陣。
13.一種用于降低由多個(gè)獨(dú)立過(guò)程產(chǎn)生的信號(hào)的頻譜的維數(shù)的系統(tǒng)，其中，該頻譜由頻 譜矩陣表示，該頻譜矩陣被因子分解為頻率基矩陣和時(shí)間基矩陣的組合，其中，所述時(shí)間基 矩陣的各行的值大致獨(dú)立，該系統(tǒng)包括用于隨機(jī)地創(chuàng)建中間時(shí)間基矩陣的裝置，其中，所述中間時(shí)間基矩陣的行數(shù)等于所述 獨(dú)立過(guò)程的個(gè)數(shù)，所述中間時(shí)間基矩陣的列數(shù)等于所述頻譜矩陣的列數(shù)；用于創(chuàng)建中間頻率基矩陣的裝置，其中，所述中間頻率基矩陣的列數(shù)等于所述獨(dú)立過(guò) 程的個(gè)數(shù)，所述中間頻率基矩陣的行數(shù)等于所述頻譜矩陣的行數(shù)；以及用于對(duì)所述中間時(shí)間基矩陣和所述中間頻率基矩陣迭代地應(yīng)用非負(fù)矩陣因子分解 NMF、直到達(dá)到終止條件為止的的裝置，其中，該NMF受到對(duì)獨(dú)立正則化項(xiàng)的約束，其中，該 約束的形式是該項(xiàng)的梯度，并且，所述NMF更新所述中間時(shí)間基矩陣和所述中間頻率基矩 陣。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其中，隨機(jī)地選擇獨(dú)立過(guò)程的個(gè)數(shù)。
全文摘要
降低多個(gè)獨(dú)立過(guò)程產(chǎn)生的信號(hào)的頻譜維數(shù)的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明的實(shí)施方式公開(kāi)了用于降低頻譜矩陣的維數(shù)的系統(tǒng)和方法。該方法創(chuàng)建中間時(shí)間基矩陣和中間頻率基矩陣，并對(duì)所述中間時(shí)間基矩陣和所述中間頻率基矩陣迭代地應(yīng)用非負(fù)矩陣因子分解(NMF)，直到達(dá)到終止條件為止，其中，該NMF受到對(duì)獨(dú)立正則化項(xiàng)的約束，該約束的形式為該項(xiàng)的梯度。
文檔編號(hào)G06F17/16GK102033853SQ20101029271
公開(kāi)日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者凱文·W·威爾森, 比克沙·R·羅摩克里希納 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社