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JP7467979B2 - Classification system, information processing device, classification method, and program - Google Patents
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本発明は、時間周波数分析に基づく特徴抽出と信号源のクラス分類とを行う分類システム、情報処理装置、分類方法、およびその方法をコンピュータに実行させるためのプログラムに関する。 The present invention relates to a classification system, an information processing device, a classification method, and a program for causing a computer to execute the method, which extracts features and classifies signal sources based on time-frequency analysis.

従来、複数の信号源から出力される音響信号を、信号源に対応して分類する種々の方法が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。例えば、複数の信号源からの音響信号を分類する分類システムは、音響信号の時間波形に対して時間周波数分析処理を行う。そして、分類システムは、分析結果として得られる行列データに対して行列演算を用いて特徴分析処理を行い、時間波形に含まれる特徴量を取得する。 Conventionally, various methods have been proposed for classifying acoustic signals output from multiple signal sources according to the signal sources (see, for example, Non-Patent Document 1). For example, a classification system for classifying acoustic signals from multiple signal sources performs time-frequency analysis processing on the time waveforms of the acoustic signals. The classification system then performs feature analysis processing using matrix operations on the matrix data obtained as a result of the analysis, and acquires the feature quantities contained in the time waveforms.

Keigo Kimura, Yuzuru Tanaka, and Mineichi Kudo, “A Fast Hierarchical Alternating Least Squares Algorithm for Orthogonal Nonnegative Matrix Factorization”, JMLR 39(2014), pp.129-141Keigo Kimura, Yuzuru Tanaka, and Mineichi Kudo, “A Fast Hierarchical Alternating Least Squares Algorithm for Orthogonal Nonnegative Matrix Factorization”, JMLR 39(2014), pp.129-141

しかしながら、従来の分類システムでは、特徴分析処理で行列演算を行う際に用いられる行列データと、行列演算によって得られる演算結果である行列データとの双方の行列データを格納できる記憶領域が必要である。特に、分類能力を向上させるためには、データサイズの大きい行列データを扱う必要があり、その分だけ大きな容量の記憶領域が必要となる。記憶領域の容量が小さい場合には、行列演算に必要な行列データを記憶領域に格納することができず、特徴分析処理が中断されてしまうため、特徴分析処理を適切に行うことが困難である。 However, conventional classification systems require a memory area capable of storing both the matrix data used when performing the matrix operation in the feature analysis process and the matrix data that is the result of the matrix operation. In particular, to improve classification capabilities, it is necessary to handle matrix data with a large data size, and a memory area with a correspondingly large capacity is required. If the capacity of the memory area is small, the matrix data required for the matrix operation cannot be stored in the memory area, and the feature analysis process is interrupted, making it difficult to properly perform the feature analysis process.

そこで、記憶領域の容量を抑制した場合でも、特徴分析処理を適切に行うことができる分類システム、情報処理装置、分類方法およびプログラムが望まれている。 Therefore, there is a need for a classification system, information processing device, classification method, and program that can perform feature analysis processing appropriately even when the storage capacity is reduced.

本発明に係る分類システムは、時間周波数分析に基づく特徴抽出とクラス分類とを行う分類システムであって、信号源が既知である既知信号の時系列の振幅を示す時間波形を、時系列の周波数および信号強度を示すデータに変換する時間周波数分析処理手段と、前記データに対して部分行列演算を用いて特徴量および特徴抽出パラメータを生成する特徴分析処理手段と、前記特徴量から分類パラメータを推定する学習処理手段と、処理の記憶を行う主記憶領域並びに処理結果および前記データを行列として記憶する補助記憶領域を有する記憶手段とを有する学習部と、前記特徴抽出パラメータを参照し、信号源が未知である未知信号の特徴量を計算する特徴抽出処理手段と、前記分類パラメータを参照し、前記未知信号の特徴量から前記未知信号の信号源を推定する分類処理手段とを有する分類部とを備え、前記特徴分析処理手段は、前記補助記憶領域から前記行列の複数の部分行列を前記主記憶領域に読み出し、前記主記憶領域に読み出された2つの部分行列に対して積を計算して前記補助記憶領域に記憶し、さらに、前記補助記憶領域から前記積、および、出力となる行列の部分行列を読み出して、和を逐次的に計算して部分行列積を計算することを含む前記部分行列演算を行うものである。 The classification system according to the present invention is a classification system that performs feature extraction and class classification based on time-frequency analysis, and includes a time-frequency analysis processing means for converting a time waveform indicating the amplitude of a time series of a known signal whose signal source is known into data indicating a time series frequency and signal intensity, a feature analysis processing means for generating feature amounts and feature extraction parameters by performing a submatrix operation on the data, a learning processing means for estimating classification parameters from the feature amounts, and a learning unit having a storage means having a main storage area for storing processing and an auxiliary storage area for storing processing results and the data as matrices, and and a classification unit having a feature extraction processing means for calculating a feature amount of an unknown signal whose signal source is unknown, and a classification processing means for estimating a signal source of the unknown signal from the feature amount of the unknown signal by referring to the classification parameters , wherein the feature analysis processing means performs the submatrix operation, which includes reading out a plurality of submatrices of the matrix from the auxiliary storage area to the main storage area, calculating a product of two submatrices read out to the main storage area and storing the product in the auxiliary storage area, and further reading out the product and a submatrix of a matrix to be output from the auxiliary storage area, and sequentially calculating a sum to calculate a submatrix product .

本発明に係る情報処理装置は、時間周波数分析に基づく特徴抽出とクラス分類とを行う情報処理装置であって、信号源が既知である既知信号の時系列の振幅を示す時間波形を、時系列の周波数および信号強度を示すデータに変換する時間周波数分析処理手段と、前記データに対して部分行列演算を用いて特徴量および特徴抽出パラメータを生成する特徴分析処理手段と、前記特徴量から分類パラメータを推定する学習処理手段と、前記特徴抽出パラメータを参照し、信号源が未知である未知信号の特徴量を計算する特徴抽出処理手段と、前記分類パラメータを参照し、前記未知信号の特徴量から前記未知信号の信号源を推定する分類処理手段と、処理の記憶を行う主記憶領域並びに処理結果および前記データを行列として記憶する補助記憶領域を有する記憶手段とを備え、前記特徴分析処理手段は、前記補助記憶領域から前記行列の複数の部分行列を前記主記憶領域に読み出し、前記主記憶領域に読み出された2つの部分行列に対して積を計算して前記補助記憶領域に記憶し、さらに、前記補助記憶領域から前記積、および、出力となる行列の部分行列を読み出して、和を逐次的に計算して部分行列積を計算することを含む前記部分行列演算を行うものである。 The information processing device according to the present invention is an information processing device that performs feature extraction and class classification based on time-frequency analysis, and includes a time-frequency analysis processing means that converts a time waveform indicating the amplitude of a time series of a known signal whose signal source is known into data indicating a time series frequency and signal intensity, a feature analysis processing means that generates feature amounts and feature extraction parameters by performing a submatrix operation on the data, a learning processing means that estimates classification parameters from the feature amounts, a feature extraction processing means that refers to the feature extraction parameters and calculates feature amounts of an unknown signal whose signal source is unknown, and a feature extraction processing means that refers to the classification parameters and calculates feature amounts of the unknown signal. and a storage means having a main storage area for storing processing and an auxiliary storage area for storing processing results and the data as matrices , wherein the feature analysis processing means performs the submatrix operation, which includes reading out a plurality of submatrices of the matrix from the auxiliary storage area into the main storage area, calculating a product of two submatrices read out to the main storage area and storing the product in the auxiliary storage area, and further reading out the product and a submatrix of the matrix to be output from the auxiliary storage area and sequentially calculating a sum to calculate a submatrix product .

本発明に係る分類方法は、処理の記憶を行う主記憶領域並びにデータおよび処理結果を記憶する補助記憶領域を有する記憶手段を有し、時間周波数分析に基づく特徴抽出とクラス分類とを行う分類方法であって、信号源が既知である既知信号の時系列の振幅を示す時間波形を、時系列の周波数および信号強度を示す前記データに変換し、行列化した前記データに対して部分行列演算を用いて特徴量および特徴抽出パラメータを生成し、前記特徴量から分類パラメータを推定し、前記特徴抽出パラメータを参照し、信号源が未知である未知信号の特徴量を計算し、前記分類パラメータを参照し、前記未知信号の特徴量から前記未知信号の信号源を推定するものであって、前記部分行列演算は、前記補助記憶領域から前記行列の複数の部分行列を前記主記憶領域に読み出し、前記主記憶領域に読み出された2つの部分行列に対して積を計算して前記補助記憶領域に記憶し、さらに、前記補助記憶領域から前記積、および、出力となる行列の部分行列を読み出して、和を逐次的に計算して部分行列積を計算することを含むものである。 A classification method according to the present invention has a storage means having a main storage area for storing processing and an auxiliary storage area for storing data and processing results, and performs feature extraction and class classification based on time-frequency analysis, converting a time waveform indicating a time series amplitude of a known signal whose signal source is known into the data indicating a time series frequency and signal intensity, generating feature quantities and feature extraction parameters using a submatrix operation on the data converted into a matrix , estimating classification parameters from the feature quantities, referring to the feature extraction parameters, calculating feature quantities of an unknown signal whose signal source is unknown, referring to the classification parameters, and estimating the signal source of the unknown signal from the feature quantities , wherein the submatrix operation includes reading a plurality of submatrices of the matrix from the auxiliary storage area into the main storage area, calculating a product of the two submatrices read into the main storage area, storing the product in the auxiliary storage area, and further reading out the product and a submatrix of a matrix to be output from the auxiliary storage area, sequentially calculating a sum to calculate a submatrix product .

本発明に係るプログラムは、処理の記憶を行う主記憶領域並びにデータおよび処理結果を記憶する補助記憶領域を有する記憶手段を備え、時間周波数分析に基づく特徴抽出とクラス分類とを行うコンピュータを、信号源が既知である既知信号の時系列の振幅を示す時間波形を、時系列の周波数および信号強度を示す前記データに変換する時間周波数分析処理手段、行列化した前記データに対して部分行列演算を用いて特徴量および特徴抽出パラメータを生成する特徴分析処理手段、前記特徴量から分類パラメータを推定する学習処理手段、前記特徴抽出パラメータを参照し、信号源が未知である未知信号の特徴量を計算する特徴抽出処理手段、前記分類パラメータを参照し、前記未知信号の特徴量から前記未知信号の信号源を推定する分類処理手段として機能させ、前記特徴分析処理手段が、前記補助記憶領域から前記行列の複数の部分行列を前記主記憶領域に読み出し、前記主記憶領域に読み出された2つの部分行列に対して積を計算して前記補助記憶領域に記憶し、さらに、前記補助記憶領域から前記積、および、出力となる行列の部分行列を読み出して、和を逐次的に計算して部分行列積を計算することを含む前記部分行列演算を行うためのものである。 The program according to the present invention causes a computer that performs feature extraction and class classification based on time-frequency analysis to function as: time-frequency analysis processing means that converts a time waveform indicating a time-series amplitude of a known signal whose signal source is known into the data indicating a time-series frequency and signal intensity; feature analysis processing means that generates feature amounts and feature extraction parameters by using a submatrix operation on the matrix -arranged data; learning processing means that estimates classification parameters from the feature amounts; feature extraction processing means that refers to the feature extraction parameters and calculates feature amounts of an unknown signal whose signal source is unknown ; and classification processing means that refers to the classification parameters and estimates the signal source of the unknown signal from the feature amounts of the unknown signal, and the feature analysis processing means performs the submatrix operation, which includes the feature analysis processing means reading a plurality of submatrices of the matrix from the auxiliary storage area into the main storage area, calculating a product of the two submatrices read into the main storage area and storing the product in the auxiliary storage area, and further reading the product and a submatrix of a matrix to be output from the auxiliary storage area and sequentially calculating a sum to calculate a submatrix product .

本発明によれば、特徴分析処理の際に、部分行列演算を用いることにより、演算の際に使用される記憶領域が行列演算を用いた場合よりも小さくできるため、記憶領域の容量を抑制した場合でも、特徴分析処理を適切に行うことができる。 According to the present invention, by using submatrix operations during feature analysis processing, the memory area used during the calculation can be made smaller than when matrix operations are used, so that feature analysis processing can be performed appropriately even when the memory area capacity is reduced.

実施の形態1に係る分類システムの構成の一例を示すブロック図である。1 is a block diagram showing an example of a configuration of a classification system according to a first embodiment. 図1の学習部の構成の一例を示すハードウェア構成図である。2 is a hardware configuration diagram showing an example of the configuration of a learning unit in FIG. 1 . 図1の学習部の構成の他の例を示すハードウェア構成図である。1. FIG. 4 is a hardware configuration diagram showing another example of the configuration of the learning unit in FIG. 従来の分類システムの構成の一例を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing an example of a configuration of a conventional classification system. 時間周波数分析処理手段による時間周波数分析処理の結果の一例を示す概略図である。4 is a schematic diagram showing an example of a result of time-frequency analysis processing by a time-frequency analysis processing means. FIG. 特徴分析処理手段による特徴分析処理の結果の一例を示す概略図である。10 is a schematic diagram showing an example of a result of a feature analysis process by a feature analysis processing means. FIG. 学習処理手段による学習処理の結果の一例を示す概略図である。11 is a schematic diagram showing an example of a result of a learning process by a learning processing means. FIG. 行列の和演算処理について説明するための概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram for explaining a matrix sum operation process. 行列の積演算処理について説明するための概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram for explaining a matrix multiplication operation process. 主記憶領域の不足によって生じる第1の課題について説明するための概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram for explaining a first problem caused by a shortage of a main memory area. 主記憶領域の不足によって生じる第2の課題について説明するための概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram for explaining a second problem caused by a shortage of the main memory area. 部分行列について説明するための概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram for explaining a submatrix. 部分行列を用いた和演算処理について説明するための概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram for explaining a sum operation process using a submatrix. 図13の部分行列和演算手段の構成の一例を示すブロック図である。14 is a block diagram showing an example of the configuration of a partial matrix sum calculation means in FIG. 13 . 部分行列を用いた和演算処理の主記憶領域および補助記憶領域の様子の一例を示す概略図である。FIG. 13 is a schematic diagram showing an example of the state of a main memory area and an auxiliary memory area in a sum operation process using a submatrix. 部分行列を用いた積演算処理について説明するための概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram for explaining a multiplication process using a submatrix. 図16の部分行列積演算手段の構成の一例を示すブロック図である。17 is a block diagram showing an example of the configuration of a partial matrix product calculation means in FIG. 16 . 部分行列を用いた積演算処理の主記憶領域および補助記憶領域の様子の一例を示す概略図である。FIG. 13 is a schematic diagram showing an example of the state of a main memory area and an auxiliary memory area in a multiplication process using a submatrix.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各図において、同一の符号を付したものは、同一のまたはこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiment, and various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention. In addition, in each drawing, the same reference numerals are used to denote the same or equivalent parts, and this is common throughout the entire specification.

実施の形態1.
本実施の形態1に係る分類システムについて説明する。なお、以下で説明する図1のような分類システムの構成は、補助記憶装置に読み込まれた特徴分析処理プログラムをコンピュータ(たとえばパーソナルコンピュータ等)上で実行することにより実現される。また、この特徴分析処理プログラムは、CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory)等の情報記憶媒体に記憶され、もしくはインターネット等のネットワークを介して配布され、コンピュータにインストールされることになる。
Embodiment 1.
A classification system according to the first embodiment will be described. The configuration of the classification system as shown in FIG. 1 described below is realized by executing a feature analysis processing program loaded into an auxiliary storage device on a computer (such as a personal computer). This feature analysis processing program is stored in an information storage medium such as a CD-ROM (Compact Disc-Read Only Memory) or distributed via a network such as the Internet, and installed in the computer.

[分類システム1の構成]
本実施の形態1に係る分類システム1について説明する。図1は、本実施の形態1に係る分類システムの構成の一例を示すブロック図である。図1に示すように、本実施の形態1に係る分類システム1は、学習部10および分類部20を備えている。学習部10および分類部20は、例えば、それぞれ別体の装置に設けられている。なお、これに限られず、学習部10および分類部20は、例えば情報処理装置のような1つの装置に設けられてもよい。
[Configuration of Classification System 1]
A classification system 1 according to the first embodiment will be described. FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of the classification system according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the classification system 1 according to the first embodiment includes a learning unit 10 and a classification unit 20. The learning unit 10 and the classification unit 20 are provided in separate devices, for example. However, this is not limited to this, and the learning unit 10 and the classification unit 20 may be provided in a single device such as an information processing device.

(学習部10)
学習部10は、時間周波数分析処理手段11、特徴分析処理手段12、学習処理手段13および記憶手段14を有している。学習部10は、過去に収録されたN個の音響信号の時間波形L101-n(n=1,・・・,N)が入力される。時間波形は、分類対象の信号について時系列の振幅を示す波形である。音響信号の時間波形L101-nは、既知のC種類の信号源のいずれかから放射された信号であることが予め分かっているものとする。ここでは、この既知の信号源の種類をラベルと呼び、時間波形L101-nは、ラベルcの信号源の信号であると表す(cは、1,・・・,Cのうち、いずれかの種類を示す)。
(Learning Unit 10)
The learning unit 10 has a time-frequency analysis processing means 11, a feature analysis processing means 12, a learning processing means 13, and a storage means 14. The learning unit 10 receives time waveforms L101-n (n=1, ..., N) of N acoustic signals recorded in the past. A time waveform is a waveform that indicates the amplitude of a time series of a signal to be classified. It is assumed that the time waveform L101-n of an acoustic signal is a signal emitted from one of C types of known signal sources. Here, the type of this known signal source is called a label, and the time waveform L101-n is represented as a signal from a signal source with label c (c indicates one of the types 1, ..., C).

時間周波数分析処理手段11は、時間波形L101-nが入力され、時間波形L101-nを時系列の周波数および信号強度を示すデータに変換する時間周波数分析処理を行い、その処理結果として時間周波数分析結果を出力する。時間周波数分析処理の代表例として、例えば、短時間Fourier(フーリエ)変換などがある。この場合の時間周波数分析結果は、ベクトルデータまたは行列データである。 The time-frequency analysis processing means 11 receives the time waveform L101-n, performs time-frequency analysis processing to convert the time waveform L101-n into data indicating a time series of frequency and signal intensity, and outputs the time-frequency analysis result as the processing result. A representative example of time-frequency analysis processing is, for example, a short-time Fourier transform. In this case, the time-frequency analysis result is vector data or matrix data.

特徴分析処理手段12は、N個の時間周波数分析結果が入力され、行列演算を用いて特徴分析処理を行う。そして、特徴分析処理手段12は、学習処理手段13に供給する特徴量および各時間波形L101-nのラベルと、特徴抽出処理手段22に供給する特徴抽出パラメータとを生成し、生成した特徴量、ラベルおよび特徴量抽出パラメータを出力する。 The feature analysis processing means 12 receives the N time-frequency analysis results and performs feature analysis processing using a matrix operation. The feature analysis processing means 12 then generates features and labels for each time waveform L101-n to be supplied to the learning processing means 13, and feature extraction parameters to be supplied to the feature extraction processing means 22, and outputs the generated features, labels, and feature extraction parameters.

特徴分析処理手段12に対する入力は、N個の時間周波数分析結果を並べたものであり、行列データまたはテンソルデータとなる。また、特徴分析処理の代表例として、例えば、非負値行列因子分解(NMF:Nonnegative Matrix Factorization)、または非負値テンソル分解(NTF:Nonnegative Tensor Factorization)などがある。本実施の形態1において、特徴分析処理手段12は、行列演算として部分行列演算を用いることによって特徴分析処理を行う。部分行列演算を用いた特徴分析処理の詳細については、後述する。 The input to the feature analysis processing means 12 is an arrangement of N time-frequency analysis results, which are matrix data or tensor data. Representative examples of feature analysis processing include nonnegative matrix factorization (NMF) and nonnegative tensor factorization (NTF). In the first embodiment, the feature analysis processing means 12 performs feature analysis processing by using submatrix operations as matrix operations. Details of feature analysis processing using submatrix operations will be described later.

学習処理手段13は、特徴量と各時間波形L101-nのラベルとが入力され、分類処理手段23に供給する分類パラメータを特徴量の分布から推定し、推定した分類パラメータを出力する。 The learning processing means 13 receives the features and the labels of each time waveform L101-n, estimates classification parameters to be supplied to the classification processing means 23 from the distribution of the features, and outputs the estimated classification parameters.

記憶手段14は、主記憶領域14aおよび補助記憶領域14bを有している。主記憶領域14aは、各種の処理を行う際に、必要なデータを一時的に格納する領域である。主記憶領域14aには、例えば、特徴分析処理手段12で部分行列演算を行う際に、処理に必要な行列データ等が補助記憶領域14bから読み出されて格納される。補助記憶領域14bは、各種データを記憶する領域であり、必要に応じてデータの読み出しおよび書き込みが行われる。補助記憶領域14bは、例えば、特徴分析処理手段12で部分行列演算を行う際の、行列データが記憶されている。 The storage means 14 has a main storage area 14a and an auxiliary storage area 14b. The main storage area 14a is an area for temporarily storing data required when performing various types of processing. For example, when the feature analysis processing means 12 performs a submatrix operation, matrix data and the like required for processing are read from the auxiliary storage area 14b and stored in the main storage area 14a. The auxiliary storage area 14b is an area for storing various types of data, and data is read and written as necessary. The auxiliary storage area 14b stores matrix data, for example, when the feature analysis processing means 12 performs a submatrix operation.

(分類部20)
分類部20は、時間周波数分析処理手段21、特徴抽出処理手段22および分類処理手段23を有している。分類部20は、時間波形C101が入力される。時間波形C101は、時間波形L101-nと異なり、C種類の信号源のいずれから放射された信号であるかは未知である。分類部20は、この未知の信号のラベルを推定する。
(Classification Unit 20)
The classification unit 20 has a time-frequency analysis processing means 21, a feature extraction processing means 22, and a classification processing means 23. A time waveform C101 is input to the classification unit 20. Unlike the time waveform L101-n, it is unknown from which of C types of signal sources the time waveform C101 is radiated. The classification unit 20 estimates the label of this unknown signal.

時間周波数分析処理手段21は、時間周波数分析処理手段11と同様の構成であり、時間波形C101に対して時間周波数分析処理を行い、その処理結果として時間周波数分析結果を出力する。 The time-frequency analysis processing means 21 has a configuration similar to that of the time-frequency analysis processing means 11, performs time-frequency analysis processing on the time waveform C101, and outputs the time-frequency analysis result as the processing result.

特徴抽出処理手段22は、特徴分析処理手段12から供給された特徴抽出パラメータを参照し、時間周波数分析結果から特徴量を計算する。そして、特徴抽出処理手段22は、計算した特徴量を出力する。 The feature extraction processing means 22 refers to the feature extraction parameters supplied from the feature analysis processing means 12 and calculates the feature amount from the time-frequency analysis result. The feature extraction processing means 22 then outputs the calculated feature amount.

分類処理手段23は、学習処理手段13から供給された分類パラメータを参照し、未知の時間波形C101についての特徴量から、未知の時間波形のラベルcを推定する。そして、分類処理手段23は、推定したラベルcである推定ラベルC102を出力する。 The classification processing means 23 refers to the classification parameters supplied from the learning processing means 13 and estimates the label c of the unknown time waveform C101 from the feature quantity of the unknown time waveform C101. The classification processing means 23 then outputs an estimated label C102, which is the estimated label c.

なお、図示しないが、分類部20は、学習部10と同様に、主記憶領域および補助記憶領域を有する記憶手段が設けられている。 Although not shown, the classification unit 20, like the learning unit 10, is provided with a memory means having a main memory area and an auxiliary memory area.

このような分類システム1における学習部10および分類部20は、ソフトウェアを実行することにより各種機能を実現するマイクロコンピュータなどの演算装置、もしくは各種機能に対応する回路デバイスなどのハードウェア等で構成されている。 The learning unit 10 and classification unit 20 in such a classification system 1 are composed of a computing device such as a microcomputer that realizes various functions by executing software, or hardware such as a circuit device corresponding to various functions.

図2は、図1の学習部の構成の一例を示すハードウェア構成図である。学習部10の各種機能がハードウェアで実行される場合、図1の学習部10は、図2に示すように、処理回路31で構成される。図1の学習部10において、時間周波数分析処理手段11、特徴分析処理手段12、学習処理手段13および記憶手段14の各機能は、処理回路31により実現される。 Figure 2 is a hardware configuration diagram showing an example of the configuration of the learning unit in Figure 1. When the various functions of the learning unit 10 are executed by hardware, the learning unit 10 in Figure 1 is configured by a processing circuit 31 as shown in Figure 2. In the learning unit 10 in Figure 1, the functions of the time-frequency analysis processing means 11, the feature analysis processing means 12, the learning processing means 13, and the storage means 14 are realized by the processing circuit 31.

各機能がハードウェアで実行される場合、処理回路31は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、またはこれらを組み合わせたものが該当する。学習部10は、時間周波数分析処理手段11、特徴分析処理手段12、学習処理手段13および記憶手段14の各部の機能それぞれを処理回路31で実現してもよいし、各部の機能を1つの処理回路31で実現してもよい。 When each function is executed by hardware, the processing circuit 31 corresponds to, for example, a single circuit, a composite circuit, a programmed processor, a parallel programmed processor, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an FPGA (Field-Programmable Gate Array), or a combination of these. The learning unit 10 may realize the functions of each of the time-frequency analysis processing means 11, the feature analysis processing means 12, the learning processing means 13, and the storage means 14 by the processing circuit 31, or may realize the functions of each of the parts by a single processing circuit 31.

図3は、図1の学習部の構成の他の例を示すハードウェア構成図である。学習部10の各種機能がソフトウェアで実行される場合、図1の学習部10は、図3に示すように、プロセッサ41およびメモリ42で構成される。学習部10において、時間周波数分析処理手段11、特徴分析処理手段12、学習処理手段13および記憶手段14の各機能は、プロセッサ41およびメモリ42により実現される。 Figure 3 is a hardware configuration diagram showing another example of the configuration of the learning unit in Figure 1. When the various functions of the learning unit 10 are executed by software, the learning unit 10 in Figure 1 is configured with a processor 41 and a memory 42 as shown in Figure 3. In the learning unit 10, the functions of the time-frequency analysis processing means 11, the feature analysis processing means 12, the learning processing means 13, and the storage means 14 are realized by the processor 41 and the memory 42.

各機能がソフトウェアで実行される場合、学習部10において、時間周波数分析処理手段11、特徴分析処理手段12、学習処理手段13および記憶手段14の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアおよびファームウェアは、プログラムとして記述され、メモリ42に格納される。プロセッサ41は、メモリ42に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各部の機能を実現する。 When each function is executed by software, the functions of the time-frequency analysis processing means 11, feature analysis processing means 12, learning processing means 13 and storage means 14 in the learning unit 10 are realized by software, firmware, or a combination of software and firmware. The software and firmware are written as programs and stored in the memory 42. The processor 41 realizes the functions of each unit by reading and executing the programs stored in the memory 42.

メモリ42として、例えば、RAM(Random Access Memory)、ROM、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable and Programmable ROM)およびEEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM)等の不揮発性または揮発性の半導体メモリ等が用いられる。また、メモリ42として、例えば、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、CD、MD(Mini Disc)およびDVD(Digital Versatile Disc)等の着脱可能な記録媒体が用いられてもよい。 For example, non-volatile or volatile semiconductor memory such as RAM (Random Access Memory), ROM, flash memory, EPROM (Erasable and Programmable ROM), and EEPROM (Electrically Erasable and Programmable ROM) may be used as the memory 42. In addition, for example, removable recording media such as magnetic disks, flexible disks, optical disks, CDs, MDs (Mini Discs), and DVDs (Digital Versatile Discs) may also be used as the memory 42.

このように、学習部10は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらの組み合わせによって、上述した各機能を実現することができる。なお、分類部20についても、学習部10と同様に、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらの組み合わせによって、分類部20が有する各機能を実現することができる。 In this way, the learning unit 10 can realize each of the above-mentioned functions by hardware, software, firmware, or a combination of these. Note that, like the learning unit 10, the classification unit 20 can also realize each of its functions by hardware, software, firmware, or a combination of these.

[分類システム1の動作]
本実施の形態1に係る分類システム1の動作について説明する。ここではまず、本実施の形態1に係る分類システム1の動作の理解を容易とするため、従来の分類システムの構成および動作について説明する。
[Operation of Classification System 1]
The following describes the operation of the classification system 1 according to the present embodiment 1. First, in order to facilitate understanding of the operation of the classification system 1 according to the present embodiment 1, the configuration and operation of a conventional classification system will be described.

(従来の分類システム100の構成)
図4は、従来の分類システムの構成の一例を示すブロック図である。図4に示すように、従来の分類システム100は、学習部110および分類部120を備えている。
(Configuration of conventional classification system 100)
4 is a block diagram showing an example of the configuration of a conventional classification system 100. As shown in FIG. 4, the conventional classification system 100 includes a learning unit 110 and a classification unit 120.

学習部110は、時間周波数分析処理手段111、特徴分析処理手段112および学習処理手段113を有している。学習部110は、本実施の形態1に係る分類システム1における学習部10と同様に、過去に収録されたN個の音響信号の時間波形L101-n(n=1,・・・,N)が入力される。 The learning unit 110 has a time-frequency analysis processing means 111, a feature analysis processing means 112, and a learning processing means 113. The learning unit 110 receives, as in the learning unit 10 in the classification system 1 according to the first embodiment, time waveforms L101-n (n=1, ..., N) of N acoustic signals recorded in the past.

時間周波数分析処理手段111は、時間周波数分析処理手段11と同様に、時間波形L101-nが入力され、時間波形L101-nに対して時間周波数分析処理を行い、その処理結果として時間周波数分析結果を出力する。 The time-frequency analysis processing means 111, like the time-frequency analysis processing means 11, receives the time waveform L101-n, performs time-frequency analysis processing on the time waveform L101-n, and outputs the time-frequency analysis result as the processing result.

特徴分析処理手段112は、N個の時間周波数分析結果が入力され、行列演算を用いて特徴分析処理を行う。そして、特徴分析処理手段112は、学習処理手段113に供給する特徴量および各時間波形L101-nのラベルと、特徴抽出処理手段122に供給する特徴抽出パラメータとを生成し、生成した特徴量、ラベルおよび特徴量抽出パラメータを出力する。 The feature analysis processing means 112 receives the N time-frequency analysis results and performs feature analysis processing using a matrix operation. The feature analysis processing means 112 then generates features and labels for each time waveform L101-n to be supplied to the learning processing means 113, and feature extraction parameters to be supplied to the feature extraction processing means 122, and outputs the generated features, labels, and feature extraction parameters.

学習処理手段113は、学習処理手段13と同様に、特徴量と各時間波形L101-nのラベルとが入力され、分類処理手段123に供給する分類パラメータを特徴量の分布から推定し、推定した分類パラメータを出力する。 Like the learning processing means 13, the learning processing means 113 receives the features and the labels of each time waveform L101-n, estimates classification parameters to be supplied to the classification processing means 123 from the distribution of the features, and outputs the estimated classification parameters.

分類部120は、時間周波数分析処理手段121、特徴抽出処理手段122および分類処理手段123を有している。分類部120は、本実施の形態1に係る分類システム1における分類部20と同様に、時間波形C101が入力され、入力された時間波形C101に基づき、信号のラベルを推定する。 The classification unit 120 has a time-frequency analysis processing means 121, a feature extraction processing means 122, and a classification processing means 123. Similar to the classification unit 20 in the classification system 1 according to the first embodiment, the classification unit 120 receives the time waveform C101 as input and estimates the label of the signal based on the input time waveform C101.

時間周波数分析処理手段121は、時間周波数分析処理手段111と同様の構成であり、時間波形C101に対して時間周波数分析処理を行い、その処理結果として時間周波数分析結果を出力する。 The time-frequency analysis processing means 121 has a configuration similar to that of the time-frequency analysis processing means 111, performs time-frequency analysis processing on the time waveform C101, and outputs the time-frequency analysis result as the processing result.

特徴抽出処理手段122は、特徴抽出処理手段22と同様に、特徴分析処理手段112から供給された特徴抽出パラメータを参照し、時間周波数分析結果から特徴量を計算する。そして、特徴抽出処理手段122は、計算した特徴量を出力する。 The feature extraction processing means 122, like the feature extraction processing means 22, refers to the feature extraction parameters supplied from the feature analysis processing means 112 and calculates features from the time-frequency analysis results. Then, the feature extraction processing means 122 outputs the calculated features.

分類処理手段123は、分類処理手段23と同様に、学習処理手段113から供給された分類パラメータを参照し、未知の時間波形C101についての特徴量から、未知の時間波形のラベルcを推定する。そして、分類処理手段123は、推定したラベルcである推定ラベルC102を出力する。 Similar to the classification processing means 23, the classification processing means 123 refers to the classification parameters supplied from the learning processing means 113 and estimates the label c of the unknown time waveform C101 from the feature quantity of the unknown time waveform C101. Then, the classification processing means 123 outputs an estimated label C102, which is the estimated label c.

(従来の分類システム100の動作)
図5は、時間周波数分析処理手段による時間周波数分析処理の結果の一例を示す概略図である。図6は、特徴分析処理手段による特徴分析処理の結果の一例を示す概略図である。図7は、学習処理手段による学習処理の結果の一例を示す概略図である。図5~図7に、時間周波数分析結果201、特徴抽出パラメータ202、特徴量203の分布、および分類パラメータ204のイメージを示す。図5~図7において、時間周波数分析結果201は、ラベル毎に複数のデータがあるものとしている。また、図5~図7では、信号源の種類がC=4である場合を例示している。
Operation of Conventional Classification System 100
Fig. 5 is a schematic diagram showing an example of a result of time-frequency analysis processing by the time-frequency analysis processing means. Fig. 6 is a schematic diagram showing an example of a result of feature analysis processing by the feature analysis processing means. Fig. 7 is a schematic diagram showing an example of a result of learning processing by the learning processing means. Figs. 5 to 7 show images of a time-frequency analysis result 201, a feature extraction parameter 202, a distribution of feature amounts 203, and a classification parameter 204. In Figs. 5 to 7, the time-frequency analysis result 201 has a plurality of data for each label. Also, Figs. 5 to 7 show an example in which the type of signal source is C=4.

図5および図6に示すように、特徴抽出パラメータ202は、M個のベクトル形式であり、時間周波数分析結果201に含まれる共通的な周波数成分を分解することによって得られる。なお、図6では、特徴抽出パラメータ202のベクトルの数がM=2である場合が例示されている。 As shown in Fig. 5 and Fig. 6, the feature extraction parameters 202 are in the form of M vectors, and are obtained by decomposing the common frequency components contained in the time-frequency analysis result 201. Note that Fig. 6 illustrates an example in which the number of vectors in the feature extraction parameters 202 is M = 2.

特徴量203の分布は、特徴抽出パラメータ202が適切に得られていれば、図7に示すようにラベル毎に群が形成される。特徴量203の分布の軸の数は、特徴抽出パラメータ202のベクトルの数と同じM個である。特徴量203は、各々の時間周波数分析結果201に対して、特徴抽出パラメータ202の周波数成分が含まれる程度を表している。 If the feature extraction parameters 202 are appropriately obtained, the distribution of the feature quantities 203 forms groups for each label as shown in FIG. 7. The number of axes of the distribution of the feature quantities 203 is M, which is the same as the number of vectors of the feature extraction parameters 202. The feature quantities 203 represent the degree to which the frequency components of the feature extraction parameters 202 are included in each time-frequency analysis result 201.

図5~図7において、ラベル#1の時間周波数分析結果201を例に説明する。ラベル#1の時間周波数分析結果201は、特徴抽出パラメータ202のうち、1番目の周波数成分は含まれていないが、2番目の周波数成分が含まれている。よって、図7の特徴量203の分布を見ると、ラベル#1の特徴量は、特徴1の値は小さく、特徴2の値は大きい座標に点がプロットされている。図7に示すように、分類パラメータ204は、特徴量203の分布において、ラベル毎の境界線を表すパラメータである。 In Figures 5 to 7, the time-frequency analysis result 201 for label #1 will be used as an example. The time-frequency analysis result 201 for label #1 does not include the first frequency component of the feature extraction parameters 202, but does include the second frequency component. Therefore, looking at the distribution of features 203 in Figure 7, the features for label #1 are plotted as points at coordinates where the value of feature 1 is small and the value of feature 2 is large. As shown in Figure 7, the classification parameters 204 are parameters that represent the boundary lines for each label in the distribution of features 203.

このように動作する従来の分類システム100において、特徴分析処理手段112は、上述したように、時間周波数分析結果から特徴抽出パラメータおよび特徴量を計算して出力している。このとき、特徴分析処理手段112は、行列データまたはテンソルデータである時間周波数分析結果に対して、行列の和および行列の積のうち少なくとも一方の行列演算を用いて各種の計算を行う。 In the conventional classification system 100 that operates in this manner, the feature analysis processing means 112 calculates and outputs feature extraction parameters and feature quantities from the time-frequency analysis results, as described above. At this time, the feature analysis processing means 112 performs various calculations on the time-frequency analysis results, which are matrix data or tensor data, using at least one of matrix operations, matrix sum and matrix multiplication.

図8は、行列の和演算処理について説明するための概略図である。図8に示すように、行列の和を演算する場合には、和演算部301が用いられる。和演算部301は、入力された2つの行列Aおよび行列Bを加算し、加算結果である行列C(=A+B)を出力する。 Figure 8 is a schematic diagram for explaining the matrix sum operation process. As shown in Figure 8, when calculating the sum of matrices, the sum operation unit 301 is used. The sum operation unit 301 adds two input matrices A and B, and outputs the sum result, matrix C (= A + B).

図9は、行列の積演算処理について説明するための概略図である。図9に示すように、行列の積を演算する場合には、積演算部302が用いられる。積演算部302は、入力された2つの行列Aおよび行列Bを乗算し、乗算結果である行列C(=AB)を出力する。 Figure 9 is a schematic diagram for explaining the matrix multiplication process. As shown in Figure 9, when calculating the matrix multiplication, the multiplication unit 302 is used. The multiplication unit 302 multiplies two input matrices A and B, and outputs the multiplication result, matrix C (=AB).

(従来の課題)
ところで、特徴分析処理手段112による行列演算の際には、演算結果を記憶する主記憶領域および補助記憶領域が用いられる。特徴分析処理手段112に入力された時間周波数分析結果としての行列データは、補助記憶領域に格納され、特徴分析処理の際に主記憶領域に読み込まれる。そして、特徴分析処理手段112は、主記憶領域に読み込まれた行列データに基づき特徴分析処理を行い、処理によって得られる行列データを主記憶領域に書き込む。
(Conventional Issues)
Incidentally, when the feature analysis processing means 112 performs a matrix calculation, a main memory area and an auxiliary memory area are used to store the calculation results. The matrix data as the time-frequency analysis result input to the feature analysis processing means 112 is stored in the auxiliary memory area, and is read into the main memory area during the feature analysis processing. The feature analysis processing means 112 then performs the feature analysis processing based on the matrix data read into the main memory area, and writes the matrix data obtained by the processing into the main memory area.

このとき、従来の特徴分析処理手段112による行列演算では、入力される行列データの行サイズおよび列サイズのうち少なくとも一方のサイズが非常に大きいため、主記憶領域の容量不足によって以下の2つの課題が生じる可能性がある。 At this time, in the matrix calculations performed by the conventional feature analysis processing means 112, at least one of the row size and column size of the input matrix data is very large, and the following two problems may occur due to insufficient capacity of the main memory area.

図10は、主記憶領域の不足によって生じる第1の課題について説明するための概略図である。第1の課題は、主記憶領域の容量が不足している場合に、補助記憶領域に格納された行列データを主記憶領域に読み込むことができないことである。行列演算を行う場合、行列Aおよび行列Bの双方の行列データは、主記憶領域に読み込まれる。しかし、図10に示す例では、行列Aの行列データが補助記憶領域から主記憶領域に読み込まれた場合に、主記憶領域の残りの領域が行列Bの行列データよりも少なくなってしまい、行列Bの行列データを主記憶領域に読み込むことができない。 Figure 10 is a schematic diagram for explaining the first problem caused by insufficient main memory area. The first problem is that when the capacity of the main memory area is insufficient, the matrix data stored in the auxiliary memory area cannot be read into the main memory area. When performing a matrix operation, the matrix data of both matrices A and B are read into the main memory area. However, in the example shown in Figure 10, when the matrix data of matrix A is read from the auxiliary memory area into the main memory area, the remaining area of the main memory area becomes smaller than the matrix data of matrix B, and the matrix data of matrix B cannot be read into the main memory area.

図11は、主記憶領域の不足によって生じる第2の課題について説明するための概略図である。第2の課題は、主記憶領域が不足している場合に、行列演算によって得られた行列データを主記憶領域に読み込むことができないことである。図11に示す例では、行列Aおよび行列Bのそれぞれの行列データが補助記憶領域から主記憶領域に読み込まれる。その後、行列Aおよび行列Bを用いて行列演算が行われ、行列Cが算出された場合に、主記憶領域の残りの容量が行列Cの行列データの容量よりも少なくなってしまい、行列Cの行列データを主記憶領域に読み込むことができない。 Figure 11 is a schematic diagram for explaining a second problem caused by a shortage of main memory area. The second problem is that when the main memory area is insufficient, the matrix data obtained by the matrix operation cannot be loaded into the main memory area. In the example shown in Figure 11, the matrix data of matrices A and B are loaded from the auxiliary memory area into the main memory area. After that, when a matrix operation is performed using matrices A and B and matrix C is calculated, the remaining capacity of the main memory area becomes smaller than the capacity of the matrix data of matrix C, and the matrix data of matrix C cannot be loaded into the main memory area.

このように、従来の分類システム100では、特徴分析処理手段112の主記憶領域として、少なくとも、行列演算に用いられる行列データと、行列演算によって得られる行列データとの双方を格納できる領域が必要となる。すなわち、従来の分類システム100において、主記憶領域は、行列データの少なくとも3倍程度の容量が必要となる。 As such, in the conventional classification system 100, the main memory area of the feature analysis processing means 112 needs to be at least an area that can store both the matrix data used in the matrix calculation and the matrix data obtained by the matrix calculation. In other words, in the conventional classification system 100, the main memory area needs to have a capacity at least three times the capacity of the matrix data.

そこで、本実施の形態1に係る分類システム1の特徴分析処理手段12では、主記憶領域14aの容量が従来必要となる容量よりも少ない場合でも、行列演算を行うことができるようにする。 Therefore, the feature analysis processing means 12 of the classification system 1 according to the present embodiment 1 is capable of performing matrix calculations even when the capacity of the main memory area 14a is smaller than the capacity that would conventionally be required.

(分類システム1の特徴分析処理手段12による行列演算)
本実施の形態1に係る特徴分析処理手段12による行列演算について説明する。本実施の形態1において、特徴分析処理手段12は、従来の行列演算に代えて、部分行列演算を用いて特徴分析処理を行う。
(Matrix Calculation by Feature Analysis Processing Means 12 of Classification System 1)
A description will now be given of the matrix calculation performed by the feature analysis processing means 12 according to the present embodiment 1. In the present embodiment 1, the feature analysis processing means 12 performs feature analysis processing using submatrix calculations instead of conventional matrix calculations.

本実施の形態1において、特徴分析処理手段12は、行列データまたはテンソルデータである時間周波数分析結果に対して、「部分行列を用いた行列の和」および「部分行列を用いた行列の積」のうち少なくとも一方の行列演算を用いて各種の計算を行う。 In this embodiment 1, the feature analysis processing means 12 performs various calculations on the time-frequency analysis results, which are matrix data or tensor data, using at least one of the matrix operations "matrix sum using submatrices" and "matrix multiplication using submatrices."

図12は、部分行列について説明するための概略図である。図12に示すように、部分行列は、例えば、M×Nの行列Aを行方向にI分割し、列方向にJ分割したときのM×Nの行列である。このとき、i=1,・・・,Iであり、j=1,・・・,Jである。また、Mの総和がMであり、Nの総和がNである。 Fig. 12 is a schematic diagram for explaining a submatrix. As shown in Fig. 12, the submatrix is, for example, an M i ×N j matrix obtained by dividing an M ×N matrix A into I parts in the row direction and J parts in the column direction. In this case, i = 1, ..., I, and j = 1, ..., J. The sum of M i is M, and the sum of N j is N.

(部分行列を用いた行列の和演算)
まず、部分行列を用いた行列の和演算について説明する。図13は、部分行列を用いた和演算処理について説明するための概略図である。図13に示すように、部分行列を用いて行列の和演算処理を行う場合には、第1分割部221および複数の部分行列和演算手段222が用いられる。
(Matrix addition using submatrices)
First, the matrix sum operation using the submatrix will be described. Fig. 13 is a schematic diagram for explaining the sum operation process using the submatrix. As shown in Fig. 13, when the matrix sum operation process is performed using the submatrix, a first division unit 221 and a plurality of submatrix sum operation means 222 are used.

第1分割部221は、入力された2つの行列Aおよび行列Bのそれぞれを、同一サイズのM×Nの部分行列Aijおよび部分行列Bij(i=1,・・・,I、j=1,・・・,J)に分割する。部分行列和演算手段222は、分割された部分行列の個数に対応して設けられている。部分行列和演算手段222は、入力された2つの部分行列Aijおよび部分行列Bijを加算し、加算結果である部分行列Cijを出力する。 The first division unit 221 divides the two input matrices A and B into submatrices A ij and B ij (i=1,...,I, j=1,...,J) of the same size M i ×N j . The submatrix sum calculation means 222 are provided in accordance with the number of divided submatrices. The submatrix sum calculation means 222 adds the two input submatrices A ij and B ij and outputs the submatrix C ij that is the addition result.

部分行列を用いた行列の和を演算する場合、第1分割部221は、M×Nサイズの行列Aおよび行列Bを、式(1)および式(2)に示すように、それぞれI×J個の部分行列に分割する。式(1)および式(2)において、i=1,・・・,Iであり、j=1,・・・、Jである。また、Mの総和がMであり、Nの総和がNである。部分行列Aijおよび部分行列Bijは、いずれも同じM×Nサイズの行列である。 When calculating the sum of matrices using submatrices, the first division unit 221 divides the matrix A and matrix B of size M×N into I×J submatrices, as shown in formulas (1) and (2). In formulas (1) and (2), i=1,...,I, and j=1,...,J. The sum of M i is M, and the sum of N j is N. The submatrix A ij and the submatrix B ij are both matrices of the same size M i ×N j .

Figure 0007467979000001
Figure 0007467979000001

Figure 0007467979000002
Figure 0007467979000002

ここで、第1分割部221は、部分行列Aijおよび部分行列Bijが行列Aおよび行列Bのうち、いずれの部分のデータを抜き出したものかを示すインデックス番号を保持し、行列Aおよび行列Bのすべてのデータを一度に主記憶領域14aに読み込むことは行わない。 Here, the first division unit 221 holds index numbers indicating which portions of data of matrices A and B submatrix A ij and submatrix B ij have been extracted from, and does not read all of the data of matrices A and B into the main memory area 14 a at once.

次に、部分行列和演算手段222は、部分行列Aijおよび部分行列Bijを入力とし、部分行列Cijを出力する。この場合の入出力の対応関係が、図13の円で囲まれた部分に示されている。 Next, the submatrix sum calculation means 222 receives the submatrix A ij and the submatrix B ij and outputs the submatrix C ij . The correspondence between the input and output in this case is shown in the circled portion in FIG.

図14は、図13の部分行列和演算手段の構成の一例を示すブロック図である。図14に示すように、部分行列和演算手段222は、和演算部223を含んで構成されている。このように、部分行列の和を演算する場合には、和演算部223が用いられる。和演算部223は、入力された2つの部分行列Aijおよび部分行列Bijを加算し、加算結果である部分行列Cijを出力する。 Fig. 14 is a block diagram showing an example of the configuration of the submatrix sum calculation means of Fig. 13. As shown in Fig. 14, the submatrix sum calculation means 222 is configured to include a sum calculation unit 223. In this way, when calculating the sum of submatrices, the sum calculation unit 223 is used. The sum calculation unit 223 adds two input submatrices A ij and B ij , and outputs a submatrix C ij which is the addition result.

図15は、部分行列を用いた和演算処理の主記憶領域および補助記憶領域の様子の一例を示す概略図である。このとき、特徴分析処理手段12は、図15に示すように、部分行列Aijおよび部分行列Bijを補助記憶領域14bから主記憶領域14aに読み込み、式(3)を用いて部分行列Cijを計算する。そして、特徴分析処理手段12は、計算結果である部分行列Cijを、主記憶領域14aから補助記憶領域14bに書き込む。 Fig. 15 is a schematic diagram showing an example of the state of the main memory area and the auxiliary memory area in a sum operation process using submatrices. At this time, as shown in Fig. 15, the characteristic analysis processing means 12 reads the submatrix Aij and the submatrix Bij from the auxiliary memory area 14b to the main memory area 14a, and calculates the submatrix Cij using equation (3). Then, the characteristic analysis processing means 12 writes the calculated submatrix Cij from the main memory area 14a to the auxiliary memory area 14b.

Figure 0007467979000003
Figure 0007467979000003

最後に、すべてのiおよびjについての部分行列Cijの計算が行われると、式(4)に示すように、行列の和C=A+Bが得られる。 Finally, when the submatrices C ij for all i and j are calculated, the matrix sum C=A+B is obtained as shown in equation (4).

Figure 0007467979000004
Figure 0007467979000004

(部分行列を用いた行列の積演算)
次に、部分行列を用いた行列の積演算について説明する。図16は、部分行列を用いた積演算処理について説明するための概略図である。図16に示すように、部分行列を用いて行列の積演算処理を行う場合には、第2分割部224および複数の部分行列積演算手段225が用いられる。
(Matrix multiplication using submatrices)
Next, the matrix multiplication using the submatrices will be described. Fig. 16 is a schematic diagram for explaining the multiplication process using the submatrices. As shown in Fig. 16, when the matrix multiplication process is performed using the submatrices, a second division unit 224 and a plurality of submatrix multiplication means 225 are used.

第2分割部224には、M×Lサイズの行列Aと、L×Nサイズの行列Bとが入力される。第2分割部224は、入力されたM×Lの行列Aを、M×Lサイズの部分行列Aik(i=1,・・・,I、k=1,・・・,K)に分割する。また、第2分割部224は、入力されたL×Nの行列Bを、L×Nサイズの部分行列Bkj(k=1,・・・,K、j=1,・・・,J)に分割する。部分行列積演算手段225は、入力された2つの部分行列Aikおよび部分行列Bkjに基づき、部分行列Cijを演算する。 The second division unit 224 receives an M×L matrix A and an L×N matrix B. The second division unit 224 divides the input M×L matrix A into submatrices A ik (i=1,...,I, k=1,...,K) of M i × Lk size. The second division unit 224 also divides the input L×N matrix B into submatrices B kj (k=1,...,K, j=1,...,J) of L k × Nj size. The submatrix product calculation means 225 calculates a submatrix C ij based on the two input submatrices A ik and B kj .

部分行列を用いた行列の積を演算する場合、第2分割部224は、M×Lサイズの行列Aを、式(5)に示すように、I×K個の部分行列に分割する。また、第2分割部224は、L×Nサイズの行列Bを、式(6)に示すように、K×J個の部分行列に分割する。式(5)および式(6)において、i=1,・・・,Iであり、j=1,・・・、Jであり、k=1,・・・,Kである。また、Mの総和がMであり、Nの総和がNであり、Lの総和がLである。さらに、部分行列Aikは、M×Lサイズの行列であり、部分行列Bkjは、L×Nサイズの行列である。 When calculating the matrix product using submatrices, the second division unit 224 divides the matrix A of M×L size into I×K submatrices as shown in formula (5). The second division unit 224 also divides the matrix B of L×N size into K×J submatrices as shown in formula (6). In formulas (5) and (6), i=1,...,I, j=1,...,J, and k=1,...,K. The sum of M i is M, the sum of N j is N, and the sum of L k is L. Furthermore, the submatrix A ik is a matrix of M i ×L k size, and the submatrix B kj is a matrix of L k ×N j size.

Figure 0007467979000005
Figure 0007467979000005

Figure 0007467979000006
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ここで、第2分割部224は、部分行列Aikおよび部分行列Bkjが行列Aおよび行列Bのうち、いずれの部分のデータを抜き出したものかを示すインデックス番号を保持し、行列Aおよび行列Bのすべてのデータを一度に主記憶領域14aに読み込むことは行わない。 Here, the second division unit 224 holds index numbers indicating which portions of data from matrices A and B the submatrix A ik and submatrix B kj represent, and does not read all of the data of matrices A and B into the main memory area 14 a at once.

次に、部分行列積演算手段225は、部分行列Aikおよび部分行列Bkjを入力とし、部分行列Cijを出力する。この場合の入出力の対応関係が、図16の円で囲まれた部分に示されている。部分行列積演算手段225は、式(7)を用いて、入力された部分行列Aikおよび部分行列Bkjから部分行列Cijを演算する。 Next, the submatrix product calculation means 225 receives the submatrix A ik and the submatrix B kj and outputs the submatrix C ij . The correspondence between the input and output in this case is shown in the circled area in Fig. 16. The submatrix product calculation means 225 calculates the submatrix C ij from the input submatrix A ik and the submatrix B kj using equation (7).

Figure 0007467979000007
Figure 0007467979000007

図17は、図16の部分行列積演算手段の構成の一例を示すブロック図である。図18は、部分行列を用いた積演算処理の主記憶領域および補助記憶領域の様子の一例を示す概略図である。図17に示すように、部分行列積演算手段225は、積演算部226および和演算部227を含んで構成されている。このように、部分行列の積を演算する場合には、積演算部226および和演算部227が用いられる。 Figure 17 is a block diagram showing an example of the configuration of the submatrix multiplication means of Figure 16. Figure 18 is a schematic diagram showing an example of the state of the main memory area and auxiliary memory area in a multiplication process using submatrices. As shown in Figure 17, the submatrix multiplication means 225 is configured to include a multiplication unit 226 and a summation unit 227. In this way, when calculating the product of submatrices, the multiplication unit 226 and the summation unit 227 are used.

積演算部226は、入力された2つの部分行列Aijおよび部分行列Bijを乗算し、乗算結果である部分行列Aijijを出力する。和演算部227は、入力された2つの部分行列を加算し、加算結果である部分行列Cijを出力する。 The multiplication unit 226 multiplies the two input submatrices A ij and B ij together and outputs the multiplication result, submatrix A ij B ij . The addition unit 227 adds the two input submatrices together and outputs the addition result, submatrix C ij .

この場合、図18に示すように、まず、部分行列Aikおよび部分行列Bkjが補助記憶領域14bから主記憶領域14aに読み込まれ、式(7)に基づき部分行列Cijが算出される。そして、算出された部分行列Cijは、主記憶領域14aから補助記憶領域14bに書き込まれる。 18, first, the submatrix A ik and the submatrix B kj are read from the auxiliary memory area 14b to the main memory area 14a, and the submatrix C ij is calculated based on the formula (7). Then, the calculated submatrix C ij is written from the main memory area 14a to the auxiliary memory area 14b.

部分行列積演算手段225による実際の演算では、まず、部分行列積演算手段225は、出力する部分行列Cijを零行列Oで初期化する。次に、部分行列積演算手段225は、第1の積演算処理として、部分行列Aikおよび部分行列Bkjを補助記憶領域14bから主記憶領域14aに読み込み、積演算部226でAikkjを演算する。また、部分行列積演算手段225は、第2の積演算処理として、和演算部227で「Cij+Aikkj」を演算し、主記憶領域14aに読み込まれている部分行列Cijを上書きすることで更新する。すなわち、部分行列積演算手段225は、主記憶領域14aに読み込まれている部分行列Cijに対して、演算したAikkjを累加する。 In the actual calculation by the submatrix multiplication calculation means 225, first, the submatrix multiplication calculation means 225 initializes the submatrix C ij to be output by the zero matrix O. Next, as a first multiplication calculation process, the submatrix A ik and the submatrix B kj are read from the auxiliary storage area 14b to the main storage area 14a, and the multiplication calculation unit 226 calculates A ik B kj . As a second multiplication calculation process, the submatrix multiplication calculation means 225 calculates "C ij +A ik B kj " in the addition calculation unit 227, and updates the submatrix C ij read into the main storage area 14a by overwriting it. That is, the submatrix multiplication calculation means 225 accumulates the calculated A ik B kj to the submatrix C ij read into the main storage area 14a.

部分行列積演算手段225は、第1および第2の積演算処理をすべてのkについて繰り返し、最終的に得られた部分行列Cijを主記憶領域14aから補助記憶領域14bへ書き込む。これにより、式(7)に相当する演算が行われる。 The submatrix multiplication means 225 repeats the first and second multiplication processes for all k, and writes the finally obtained submatrix C ij from the main memory area 14 a to the auxiliary memory area 14 b, thereby performing the calculation corresponding to the formula (7).

最後に、すべてのiおよびjについての部分行列Cijの演算が終了すると、部分行列積演算手段225は、式(8)に示すように、行列の積「C=AB」を演算する。 Finally, when the calculation of the submatrix C ij for all i and j is completed, the submatrix product calculation means 225 calculates the matrix product "C=AB" as shown in equation (8).

Figure 0007467979000008
Figure 0007467979000008

このように、本実施の形態1において、行列の和演算の際に部分行列を用いた場合には、従来の行列の和演算と同様に、行列C=A+Bが出力される。また、行列の積演算の際に部分行列を用いた場合には、従来の行列の積演算と同様に、行列C=ABが出力される。 In this way, in the first embodiment, when submatrices are used in a matrix addition operation, matrix C = A + B is output, similar to a conventional matrix addition operation. Also, when submatrices are used in a matrix multiplication operation, matrix C = AB is output, similar to a conventional matrix multiplication operation.

また、本実施の形態1では、主記憶領域14aの容量が、演算に用いられる部分行列のサイズの少なくとも3倍程度であれば、部分行列を用いた行列の和演算によって行列Cを得ることができる。さらに、主記憶領域14aの容量が、演算に用いられる部分行列のサイズの少なくとも4倍程度であれば、部分行列を用いた行列の積演算によって行列Cを得ることができる。 In addition, in this embodiment 1, if the capacity of the main memory area 14a is at least approximately three times the size of the submatrix used in the calculation, matrix C can be obtained by a matrix sum operation using the submatrices. Furthermore, if the capacity of the main memory area 14a is at least approximately four times the size of the submatrix used in the calculation, matrix C can be obtained by a matrix multiplication operation using the submatrices.

これにより、従来技術で起こり得た、行列データを主記憶領域の不足で読み込むことができないか、または計算結果の行列データを主記憶領域に保持できないといった問題を改善することができる。そして、巨大な行列データを処理できるようになるため、分類部20による分類能力を向上させることができる。 This improves problems that could occur with conventional technology, such as the inability to load matrix data due to insufficient main memory area, or the inability to store the matrix data resulting from calculations in the main memory area. Furthermore, since it becomes possible to process huge amounts of matrix data, the classification ability of the classification unit 20 can be improved.

以上のように、本実施の形態1に係る分類システム1では、特徴分析処理の際に、部分行列演算を用いる。そのため、分類部20での分類能力の向上を目的として、学習部10で巨大な行列データを扱う場合でも、部分行列のサイズに応じた主記憶領域が設けられればよいことから、主記憶領域の容量を抑制した場合でも、行列計算を適切に行うことができる。 As described above, in the classification system 1 according to the first embodiment, submatrix calculations are used during feature analysis processing. Therefore, even when huge matrix data is handled in the learning unit 10 in order to improve the classification ability of the classification unit 20, it is only necessary to provide a main memory area according to the size of the submatrix, and therefore matrix calculations can be performed appropriately even when the capacity of the main memory area is restricted.

1 分類システム、10 学習部、11 時間周波数分析処理手段、12 特徴分析処理手段、13 学習処理手段、14 記憶手段、14a 主記憶領域、14b 補助記憶領域、20 分類部、21 時間周波数分析処理手段、22 特徴抽出処理手段、23 分類処理手段、31 処理回路、41 プロセッサ、42 メモリ、100 分類システム、110 学習部、111 時間周波数分析処理手段、112 特徴分析処理手段、113 学習処理手段、120 分類部、121 時間周波数分析処理手段、122 特徴抽出処理手段、123 分類処理手段、201 時間周波数分析結果、202 特徴抽出パラメータ、203 特徴量、204 分類パラメータ、221 第1分割部、222 部分行列和演算手段、223、227、301 和演算部、224 第2分割部、225 部分行列積演算手段、226、302 積演算部。 1 Classification system, 10 Learning unit, 11 Time-frequency analysis processing means, 12 Feature analysis processing means, 13 Learning processing means, 14 Storage means, 14a Main memory area, 14b Auxiliary memory area, 20 Classification unit, 21 Time-frequency analysis processing means, 22 Feature extraction processing means, 23 Classification processing means, 31 Processing circuit, 41 Processor, 42 Memory, 100 Classification system, 110 Learning unit, 111 Time-frequency analysis processing means, 112 Feature analysis processing means, 113 Learning processing means, 120 Classification unit, 121 Time-frequency analysis processing means, 122 Feature extraction processing means, 123 Classification processing means, 201 Time-frequency analysis result, 202 Feature extraction parameters, 203 Feature amount, 204 Classification parameters, 221 First division unit, 222 Submatrix sum operation means, 223, 227, 301 Sum operation unit, 224 Second division unit, 225 submatrix multiplication means, 226, 302 multiplication unit.

Claims (4)

時間周波数分析に基づく特徴抽出とクラス分類とを行う分類システムであって、
信号源が既知である既知信号の時系列の振幅を示す時間波形を、時系列の周波数および信号強度を示すデータに変換する時間周波数分析処理手段と、
前記データに対して部分行列演算を用いて特徴量および特徴抽出パラメータを生成する特徴分析処理手段と、
前記特徴量から分類パラメータを推定する学習処理手段と
処理の記憶を行う主記憶領域並びに処理結果および前記データを行列として記憶する補助記憶領域を有する記憶手段と
を有する学習部と、
前記特徴抽出パラメータを参照し、信号源が未知である未知信号の特徴量を計算する特徴抽出処理手段と、
前記分類パラメータを参照し、前記未知信号の特徴量から前記未知信号の信号源を推定する分類処理手段と
を有する分類部と
を備え
前記特徴分析処理手段は、前記補助記憶領域から前記行列の複数の部分行列を前記主記憶領域に読み出し、前記主記憶領域に読み出された2つの部分行列に対して積を計算して前記補助記憶領域に記憶し、さらに、前記補助記憶領域から前記積、および、出力となる行列の部分行列を読み出して、和を逐次的に計算して部分行列積を計算することを含む前記部分行列演算を行う分類システム。
A classification system for performing feature extraction and class classification based on time-frequency analysis, comprising:
a time-frequency analysis processing means for converting a time waveform indicating a time series amplitude of a known signal, the signal source of which is known, into data indicating a time series frequency and signal intensity;
a feature analysis processing means for generating feature quantities and feature extraction parameters by performing a submatrix operation on the data;
A learning processing means for estimating classification parameters from the feature amounts ;
a storage means having a main storage area for storing processing results and an auxiliary storage area for storing the processing results and the data as matrices;
A learning unit having
a feature extraction processing means for calculating a feature amount of an unknown signal, the signal source of which is unknown, by referring to the feature extraction parameters;
a classification unit having a classification processing means for estimating a signal source of the unknown signal from a feature amount of the unknown signal by referring to the classification parameters ,
The feature analysis processing means reads out a plurality of submatrices of the matrix from the auxiliary memory area into the main memory area, calculates the product of the two submatrices read out into the main memory area, stores the product in the auxiliary memory area, and further reads out the product and a submatrix of the output matrix from the auxiliary memory area, sequentially calculates the sum, and calculates the submatrix product .
時間周波数分析に基づく特徴抽出とクラス分類とを行う情報処理装置であって、
信号源が既知である既知信号の時系列の振幅を示す時間波形を、時系列の周波数および信号強度を示すデータに変換する時間周波数分析処理手段と、
前記データに対して部分行列演算を用いて特徴量および特徴抽出パラメータを生成する特徴分析処理手段と、
前記特徴量から分類パラメータを推定する学習処理手段と、
前記特徴抽出パラメータを参照し、信号源が未知である未知信号の特徴量を計算する特徴抽出処理手段と、
前記分類パラメータを参照し、前記未知信号の特徴量から前記未知信号の信号源を推定する分類処理手段と
処理の記憶を行う主記憶領域並びに処理結果および前記データを行列として記憶する補助記憶領域を有する記憶手段と
を備え
前記特徴分析処理手段は、前記補助記憶領域から前記行列の複数の部分行列を前記主記憶領域に読み出し、前記主記憶領域に読み出された2つの部分行列に対して積を計算して前記補助記憶領域に記憶し、さらに、前記補助記憶領域から前記積、および、出力となる行列の部分行列を読み出して、和を逐次的に計算して部分行列積を計算することを含む前記部分行列演算を行う情報処理装置。
An information processing device that performs feature extraction and class classification based on time-frequency analysis,
a time-frequency analysis processing means for converting a time waveform indicating a time series amplitude of a known signal, the signal source of which is known, into data indicating a time series frequency and signal intensity;
a feature analysis processing means for generating feature quantities and feature extraction parameters by performing a submatrix operation on the data;
A learning processing means for estimating classification parameters from the feature amounts;
a feature extraction processing means for calculating a feature amount of an unknown signal, the signal source of which is unknown, by referring to the feature extraction parameters;
a classification processing means for estimating a signal source of the unknown signal from a feature quantity of the unknown signal by referring to the classification parameters ;
a storage means having a main storage area for storing processing results and an auxiliary storage area for storing the processing results and the data as matrices;
Equipped with
The feature analysis processing means performs the submatrix operation by reading a plurality of submatrices of the matrix from the auxiliary memory area into the main memory area, calculating the product of the two submatrices read into the main memory area and storing the product in the auxiliary memory area, and further reading the product and a submatrix of the output matrix from the auxiliary memory area and sequentially calculating the sum to calculate the submatrix product .
処理の記憶を行う主記憶領域並びにデータおよび処理結果を記憶する補助記憶領域を有する記憶手段を有し、時間周波数分析に基づく特徴抽出とクラス分類とを行う分類方法であって、
信号源が既知である既知信号の時系列の振幅を示す時間波形を、時系列の周波数および信号強度を示す前記データに変換し、
行列化した前記データに対して部分行列演算を用いて特徴量および特徴抽出パラメータを生成し、
前記特徴量から分類パラメータを推定し、
前記特徴抽出パラメータを参照し、信号源が未知である未知信号の特徴量を計算し、
前記分類パラメータを参照し、前記未知信号の特徴量から前記未知信号の信号源を推定するものであって、
前記部分行列演算は、前記補助記憶領域から前記行列の複数の部分行列を前記主記憶領域に読み出し、前記主記憶領域に読み出された2つの部分行列に対して積を計算して前記補助記憶領域に記憶し、さらに、前記補助記憶領域から前記積、および、出力となる行列の部分行列を読み出して、和を逐次的に計算して部分行列積を計算することを含む分類方法。
A classification method comprising : a storage means having a main storage area for storing processing data and an auxiliary storage area for storing data and processing results; and performing feature extraction and class classification based on time-frequency analysis, the method comprising:
A time waveform indicating a time series amplitude of a known signal, the signal source of which is known, is converted into the data indicating a time series frequency and signal intensity;
generating feature quantities and feature extraction parameters using a submatrix operation on the matrixed data;
Estimating classification parameters from the features;
Calculate a feature amount of an unknown signal whose signal source is unknown by referring to the feature extraction parameters;
A signal source of the unknown signal is estimated from a feature quantity of the unknown signal by referring to the classification parameters,
The submatrix operation includes reading a plurality of submatrices of the matrix from the auxiliary memory area to the main memory area, calculating a product of the two submatrices read into the main memory area and storing the product in the auxiliary memory area, and further reading the product and a submatrix of an output matrix from the auxiliary memory area and sequentially calculating a sum to calculate the submatrix product .
処理の記憶を行う主記憶領域並びにデータおよび処理結果を記憶する補助記憶領域を有する記憶手段を備え、時間周波数分析に基づく特徴抽出とクラス分類とを行うコンピュータを、
信号源が既知である既知信号の時系列の振幅を示す時間波形を、時系列の周波数および信号強度を示す前記データに変換する時間周波数分析処理手段、
行列化した前記データに対して部分行列演算を用いて特徴量および特徴抽出パラメータを生成する特徴分析処理手段、
前記特徴量から分類パラメータを推定する学習処理手段、
前記特徴抽出パラメータを参照し、信号源が未知である未知信号の特徴量を計算する特徴抽出処理手段、
前記分類パラメータを参照し、前記未知信号の特徴量から前記未知信号の信号源を推定する分類処理手段
として機能させ
前記特徴分析処理手段が、前記補助記憶領域から前記行列の複数の部分行列を前記主記憶領域に読み出し、前記主記憶領域に読み出された2つの部分行列に対して積を計算して前記補助記憶領域に記憶し、さらに、前記補助記憶領域から前記積、および、出力となる行列の部分行列を読み出して、和を逐次的に計算して部分行列積を計算することを含む前記部分行列演算を行うためのプログラム。
A computer comprising a storage means having a main storage area for storing processing data and an auxiliary storage area for storing data and processing results, and performing feature extraction and class classification based on time-frequency analysis,
a time-frequency analysis processing means for converting a time waveform indicating a time series amplitude of a known signal, the signal source of which is known, into said data indicating a time series frequency and signal intensity;
A feature analysis processing means for generating feature quantities and feature extraction parameters by performing a submatrix operation on the matrix-arranged data;
A learning processing means for estimating classification parameters from the feature amounts;
a feature extraction processing means for calculating a feature quantity of an unknown signal, the signal source of which is unknown, by referring to the feature extraction parameters;
functioning as a classification processing means for estimating a signal source of the unknown signal from a feature amount of the unknown signal by referring to the classification parameters ;
A program for performing the submatrix operation, the program including: the feature analysis processing means reading a plurality of submatrices of the matrix from the auxiliary memory area into the main memory area; calculating the product of the two submatrices read into the main memory area and storing the product in the auxiliary memory area; and further reading the product and a submatrix of an output matrix from the auxiliary memory area, and sequentially calculating the sum to calculate the submatrix product .
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