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JP7557874B2 - Trained network including multiple stages of feedforward neural networks, and method for generating said trained network and information processing system - Google Patents
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Trained network including multiple stages of feedforward neural networks, and method for generating said trained network and information processing system Download PDF

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Description

本発明は、フィードフォワードニューラルネットワークを複数段含むネットワーク及び当該ネットワークの学習済みモデルの生成技術に関する。 The present invention relates to a network including multiple stages of feedforward neural networks and a technology for generating a trained model of the network.

隠れ層が1層となっているフィードフォワードニューラルネットワーク(FFNN:Feed-Forward Neural network)の入力層-隠れ層間の重みを学習データとは無関係に乱数で決定し、隠れ層-出力層間の重みだけを学習データから求めることで、全重みを学習する方法に比べ軽量な演算量で学習を実現する方法(例えば非特許文献5)がある。そしてこのような方法で学習したFFNNを複数段重ねてネットワークの推論精度改善を試みる様々な技術が存在している。例えば、観測特徴量のみを用いて推論を行う最下段のフィードフォワードニューラルネットワークへの入力だけに対応付けて残差特徴量を学習させる方法(例えば非特許文献1)、最下段のフィードフォワードニューラルネットワークからの出力だけに対応付けて残差特徴量を学習させる方法(例えば非特許文献2)があるが、これらの方法では下段のフィードフォワードニューラルネットワークの推論誤りの傾向を的確に学習できず、結果的に大幅な推論精度の改善が見込めないという問題がある。また、最下段のフィードフォワードニューラルネットワークの上に積み上げられた他の全てのフィードフォワードニューラルネットワークを、全く同じ入力で学習する技術も知られているが(例えば非特許文献3)、この技術では学習効率があまり良くないことが知られている。 There is a method (e.g., Non-Patent Document 5) in which the weights between the input layer and hidden layer of a feed-forward neural network (FFNN) with one hidden layer are determined by random numbers regardless of the training data, and only the weights between the hidden layer and the output layer are obtained from the training data, thereby achieving learning with a lighter amount of calculation compared to the method of learning all the weights. There are various technologies that attempt to improve the inference accuracy of a network by stacking multiple FFNNs trained in this way. For example, there is a method (e.g., Non-Patent Document 1) in which residual features are learned by associating only the input to the lowest-stage feed-forward neural network that performs inference using only observed features, and a method (e.g., Non-Patent Document 2) in which residual features are learned by associating only the output from the lowest-stage feed-forward neural network. However, these methods have the problem that they cannot accurately learn the tendency of inference errors in the lower-stage feed-forward neural network, and as a result, a significant improvement in inference accuracy cannot be expected. There is also a known technique in which all other feedforward neural networks stacked on top of the lowest-level feedforward neural network are trained with exactly the same input (e.g., Non-Patent Document 3), but this technique is known to have poor learning efficiency.

このように一部の重みを乱数で決定するFFNNを複数段重ねて用いるネットワークの構成には様々なバリエーションが存在しており、従来技術と比較してより高い推論精度や汎化性能を得るためにさらなる工夫の余地がある。 There are many variations in the configuration of networks that use multiple stages of FFNNs in which some weights are determined by random numbers, and there is room for further ingenuity to achieve higher inference accuracy and generalization performance compared to conventional technology.

SEN ZHANG , ZHENG LIU, XUEJIAO HUANG, AND WENDONG XIAO, "A Modified Residual Extreme Learning Machine Algorithm and Its Application," DOI 10.1109/ACCESS.2018.2876360, IEEE Access, Vol.6, 2018.SEN ZHANG , ZHENG LIU, XUEJIAO HUANG, AND WENDONG XIAO, "A Modified Residual Extreme Learning Machine Algorithm and Its Application," DOI 10.1109/ACCESS.2018.2876360, IEEE Access, Vol.6, 2018. Alexander Waibel, Tashiyuki Hanazawa, Geoffrey Hinton, Kiyohito Shikano, Kevin J. Lang, "Phoneme Recognition Using Time-Delay Neural Networks," IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Volume 37, No.3, pp.328-339 March 1989.Alexander Waibel, Tashiyuki Hanazawa, Geoffrey Hinton, Kiyohito Shikano, Kevin J. Lang, "Phoneme Recognition Using Time-Delay Neural Networks," IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Volume 37, No.3, pp.328- 339 March 1989. Yinghao Chen Xiaoliang Xie Tianle Zhang Jiaxian Bai Muzhou Hou, "QA deep residual compensation extreme learning machine and applications,"<https://doi.org/10.1002/for.2663>, Journal of FORCASTING, vol.39, issue 6, pp.986-999, September, 2020.Yinghao Chen Xiaoliang Xie Tianle Zhang Jiaxian Bai Muzhou Hou, "QA deep residual compensation extreme learning machine and applications,"<https://doi.org/10.1002/for.2663>, Journal of FORCASTING, vol.39, issue 6, pp.986-999, September, 2020. Guang-Bin Huang, "Extreme Learning Machine for Regression and Multiclass Classification," IEEE Trans. SYSTEMS, MAN, AND CYBERNETICS-PART B: CYBERNETICS, VOL. 42, NO. 2, pp.513-529, APRIL 2012.Guang-Bin Huang, "Extreme Learning Machine for Regression and Multiclass Classification," IEEE Trans. SYSTEMS, MAN, AND CYBERNETICS-PART B: CYBERNETICS, VOL. 42, NO. 2, pp.513-529, APRIL 2012. Pao Y-H, Park G-H, Sobajic D., "Learning and generalization characteristics of the random vector functional-link net," Neurocomputing 1994, 6:163-180.Pao Y-H, Park G-H, Sobajic D., "Learning and generalization characteristics of the random vector functional-link net," Neurocomputing 1994, 6:163-180.

従って、本発明の目的は、一側面として、FFNNを複数段重ねることで構築されるネットワークでより高い推論精度を実現するための技術を提供することである。 Therefore, one aspect of the object of the present invention is to provide a technology for achieving higher inference accuracy in a network constructed by stacking multiple FFNNs.

本発明に係る学習済みネットワークは、(A)予め定められたタイミングパターンに基づき特定される時刻における観測特徴量を入力とする第1のフィードフォワードニューラルネットワークを含む第1のネットワークと、(B)予め定められたタイミングパターンに基づき特定される時刻における、1つ下段のネットワークの出力特徴量と観測特徴量との連結である連結特徴量を入力とする第2のフィードフォワードニューラルネットワークを含み、当該第2のフィードフォワードニューラルネットワークの出力と上記1つ下段のネットワークの出力特徴量との加算により出力特徴量を算出する加算部を各々含む(L-1)段(Lは2以上の整数)の第2のネットワークとを含み、コンピュータによって実行可能な学習済みネットワークである。そして、予め定められたタイミングパターンは、第1乃至第m(1以上mはL以下の整数)のタイミングパターンを含み、第1及び第2のネットワークの各々に、当該ネットワークの、最下段からの段数x(1≦x≦L)に基づき、第1乃至第mのタイミングパターンのうち第(x mod m)のタイミングパターンを適用するものである。 The trained network according to the present invention includes (A) a first network including a first feedforward neural network that receives as input an observed feature at a time specified based on a predetermined timing pattern, and (B) a second network of (L-1) stages (L is an integer of 2 or more) including a second feedforward neural network that receives as input a concatenated feature that is a concatenation of an output feature and an observed feature of a network one stage lower at a time specified based on a predetermined timing pattern, and each of the second networks includes an adder that calculates an output feature by adding the output of the second feedforward neural network to the output feature of the network one stage lower, and is a trained network that can be executed by a computer. The predetermined timing patterns include first to m-th (1 to m is an integer of L or less), and the (x mod m)-th timing pattern of the first to m-th timing patterns is applied to each of the first and second networks based on the number of stages x (1≦x≦L) from the bottom stage of the network.

上記のような学習済みネットワークを生成する方法は、(A)観測特徴量の元となる観測イベントの継続時間と、当該構築対象ネットワーク全体において用いられる観測特徴量の最も古い時刻と最も新しい時刻との差である受容域サイズとに基づき、構築対象ネットワークの構成について複数の候補を特定するステップと、(B)複数の候補の各々について学習済みネットワークを生成するステップと、(C)生成された学習済みネットワークの推論精度に基づき、用いるべき学習済みネットワークを選択するステップとを含む。 The method for generating a trained network as described above includes the steps of: (A) identifying multiple candidates for the configuration of the network to be constructed based on the duration of the observed event that is the source of the observed feature and the receptive domain size, which is the difference between the oldest and newest time of the observed feature used in the entire network to be constructed; (B) generating a trained network for each of the multiple candidates; and (C) selecting the trained network to be used based on the inference accuracy of the generated trained network.

一側面として、FFNNを複数段重ねることで構築されるネットワークでより高い推論精度を実現できるようになる。 On the one hand, a network constructed by stacking multiple FFNNs can achieve higher inference accuracy.

図1は、本発明の実施の形態に係る基部ネットワークの構成例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a base network according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の実施の形態に係る残差ネットワークの構成例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of a residual network according to an embodiment of the present invention. 図3は、第1の実施の形態に係るネットワークの全体構成例を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the overall configuration of a network according to the first embodiment. 図4は、本発明の実施の形態に係るスイッチにおけるオンオフパターンの一例を表す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of an on/off pattern of a switch according to an embodiment of the present invention. 図5は、本発明の実施の形態に係る各段のネットワークの入力及び出力のタイミングを模式的に示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a schematic diagram of input and output timing of the network at each stage according to the embodiment of the present invention. 図6は、本発明の実施の形態に係るスイッチにおけるオンオフパターンの他の例を表す図である。FIG. 6 is a diagram showing another example of an on/off pattern in the switch according to the embodiment of the present invention. 図7は、本発明の実施の形態において準最適な学習済みネットワークを生成する処理を実行する情報処理装置の機能ブロック図である。FIG. 7 is a functional block diagram of an information processing device that executes a process for generating a quasi-optimal trained network in an embodiment of the present invention. 図8は、第1の実施の形態に係る学習済みネットワークの生成処理の考え方を説明するための図である。FIG. 8 is a diagram for explaining the concept of the process of generating a trained network according to the first embodiment. 図9は、第1の実施の形態に係る学習済みネットワークの生成処理の考え方を説明するための図である。FIG. 9 is a diagram for explaining the concept of the process of generating a trained network according to the first embodiment. 図10は、第1の実施の形態に係る学習済みネットワークの生成処理の考え方を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining the concept of the process of generating a trained network according to the first embodiment. 図11は、第1の実施の形態に係る学習済みネットワークの生成処理の処理フローを示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating a process flow of a trained network generation process according to the first embodiment. 図12は、第1モデル構築評価処理の処理フローを示す図である。FIG. 12 is a diagram showing a process flow of the first model construction evaluation process. 図13は、第1モデル構築評価処理の処理フローを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a process flow of the first model construction evaluation process. 図14は、第2モデル構築評価処理の処理フローを示す図である。FIG. 14 is a diagram showing a process flow of the second model construction evaluation process. 図15は、第2モデル構築評価処理の処理フローを示す図である。FIG. 15 is a diagram showing a process flow of the second model construction evaluation process. 図16は、第2の実施の形態に係るネットワークの全体構成の一例を示す図である。FIG. 16 illustrates an example of an overall configuration of a network according to the second embodiment. 図17は、第2の実施の形態に係るネットワークの全体構成の他の例を示す図である。FIG. 17 is a diagram illustrating another example of the overall configuration of the network according to the second embodiment. In FIG. 図18は、第2の実施の形態に係る学習済みネットワークの生成処理の考え方を説明するための図である。FIG. 18 is a diagram for explaining the concept of the process of generating a trained network according to the second embodiment. 図19は、第2の実施の形態に係る学習済みネットワークの生成処理の処理フローを示す図である。FIG. 19 is a diagram illustrating a process flow of a trained network generation process according to the second embodiment. 図20は、第2の実施の形態に係る学習済みネットワークの生成処理の処理フローを示す図である。FIG. 20 is a diagram illustrating a process flow of a trained network generation process according to the second embodiment. 図21は、実施例におけるネットワークの段数と受容域サイズとの関係を表す図である。FIG. 21 is a diagram showing the relationship between the number of stages in the network and the size of the receptive area in the embodiment. 図22は、学習により調整可能なモデルパラメータ数とF値との関係を表す図である。FIG. 22 is a diagram showing the relationship between the number of model parameters that can be adjusted by learning and the F-measure. 図23は、残差ネットワークへの入力特徴量を直下のネットワークの入力特徴量のみとする場合におけるF値と、学習により調整可能なモデルパラメータ数との関係を表す図である。FIG. 23 is a diagram showing the relationship between the F-measure and the number of model parameters that can be adjusted by learning when the input features to a residual network are only the input features of the network immediately below. 図24は、現時刻tから時刻(t-102)までの連続する103個の特徴量を全てFFNNに入力するパターンを、全10段のネットワークに適用した場合におけるF値と、学習により調整可能なモデルパラメータ数との関係を表す図である。FIG. 24 shows the relationship between the F-measure and the number of model parameters that can be adjusted by learning when a pattern in which all 103 consecutive features from the current time t to time (t-102) are input to an FFNN is applied to a total of 10-stage networks. 図25は、畳み込みニューラルネットワークについてのF値と、学習により調整可能なパラメータ数との関係を表す図である。FIG. 25 is a diagram showing the relationship between the F-measure for a convolutional neural network and the number of parameters that can be adjusted by learning. 図26は、隠れ層のノード数は全12段のネットワークで同一数とし、1000個から10000個まで1000個刻みの10種類とした場合における段数と、F値との関係を表す図である。FIG. 26 shows the relationship between the number of stages and the F-measure when the number of nodes in the hidden layer is the same for all 12-stage networks and there are 10 types in increments of 1000 from 1000 to 10,000. 図27は、情報処理装置の機能ブロック図である。FIG. 27 is a functional block diagram of an information processing device.

[実施の形態1]
[本実施の形態に係るネットワークの構成例]
本実施の形態では、音響や振動など1次元の観測信号に対して、短時間フーリエ変換やウェーブレット変換などを行うことで得られ、且つ特徴抽出時刻近傍の周波数成分分布に関するパラメータである観測特徴量を入力として用いる。この観測特徴量は、具体的には、メルフィルタバンク特徴量、メルスペクトログラム特徴量、メルケプストラム特徴量などであるが、これに限定されるものではない。一方、ネットワークによる推論結果は、例えば、観測信号の元となる観測イベントの種別であるものとするが、これに限定されるものではない。
[First embodiment]
[Network Configuration Example According to the Present Embodiment]
In this embodiment, an observation feature, which is obtained by performing a short-time Fourier transform or a wavelet transform on a one-dimensional observation signal such as sound or vibration and is a parameter related to a frequency component distribution near a feature extraction time, is used as an input. Specific examples of the observation feature include, but are not limited to, a Mel filter bank feature, a Mel spectrogram feature, and a Mel cepstrum feature. Meanwhile, the inference result by the network is, for example, the type of an observation event that is the source of the observation signal, but is not limited to this.

本実施の形態では、図1に示すような基部ネットワークの上に、図2に示すような残差ネットワークを1又は複数段積み上げることで全体のネットワークを構築する。図1に示すように、基部ネットワークは、隠れ層1層のFFNN100と、観測特徴量fが入力され且つ所定個数(図ではM個)の遅延素子Z-1を直列に接続する記憶機構120と、記憶機構120に記憶されている観測特徴量ft-M1乃至ft-1及び観測特徴量fのうちFFNN100の入力層に入力すべき観測特徴量を選択するためのスイッチ群110とを有する。 In this embodiment, an entire network is constructed by stacking one or more residual networks as shown in Fig. 2 on a base network as shown in Fig. 1. As shown in Fig. 1, the base network has an FFNN 100 with one hidden layer, a memory mechanism 120 to which an observed feature f t is input and which connects a predetermined number of delay elements Z −1 (M 1 in the figure) in series, and a switch group 110 for selecting an observed feature to be input to the input layer of the FFNN 100 from the observed features f t-M1 to f t−1 and the observed feature f t stored in the memory mechanism 120.

基部ネットワークには観測特徴量のみを入力し、観測特徴量の時系列から推論を行うため、記憶機構120で、遅延素子Z-1の個数分だけ過去の時刻の観測特徴量を記憶する。更に、その記憶機構120の各パスにはスイッチ群110に含まれるスイッチを接続し、このスイッチ群110の各スイッチをオンまたはオフすることで、任意の時刻(すなわち任意のタイミング)の観測特徴量を選択してFFNN100に入力するようになっている。FFNN100における演算については後に詳細に述べる。なお、FFNN100の出力特徴量y1,tが、学習データのターゲット特徴量となるように、FFNN100の内部パラメータを学習する。 Only observed features are input to the base network, and inference is made from the time series of observed features, so that the memory mechanism 120 stores observed features at times in the past for the number of delay elements Z −1 . Furthermore, a switch included in a switch group 110 is connected to each path of the memory mechanism 120, and by turning on or off each switch of the switch group 110, observed features at any time (i.e., any timing) are selected and input to the FFNN 100. The calculations in the FFNN 100 will be described in detail later. The internal parameters of the FFNN 100 are learned so that the output feature y 1,t of the FFNN 100 becomes the target feature of the training data.

図2に示す残差ネットワークは、隠れ層一層のFFNN200と、観測特徴量fと前段(下段)のネットワークが出力した前段出力特徴量yl-1,tとを連結して連結特徴量cを生成する連結部230と、連結特徴量cが入力され且つ所定個数(図ではM個)の遅延素子Z-1を直列に接続した記憶機構220と、記憶機構220に格納されている連結特徴量ct-Ml乃至ct-1及び連結特徴量cのうちFFNN200の入力層に入力すべき連結特徴量を選択するためのスイッチ群210と、FFNN200の出力と前段出力特徴量yl-1,tとを加算して出力特徴量yl,tを生成する加算器240とを有する。lは、基部ネットワークを1段目とした場合における、本残差ネットワークの段数を表している。 The residual network shown in Fig. 2 includes an FFNN 200 with one hidden layer, a concatenation unit 230 that concatenates the observed feature f t and the previous stage output feature y l-1,t output by the previous stage (lower stage) network to generate a concatenated feature c t , a memory mechanism 220 to which the concatenated feature c t is input and in which a predetermined number (M l in the figure) of delay elements Z -1 are connected in series, a group of switches 210 for selecting concatenated features to be input to the input layer of the FFNN 200 from the concatenated features c t-Ml to c t-1 and the concatenated feature c t stored in the memory mechanism 220, and an adder 240 that adds the output of the FFNN 200 and the previous stage output feature y l-1,t to generate an output feature y l,t . l represents the number of stages of this residual network when the base network is the first stage.

上でも述べたように、残差ネットワークのFFNN200への入力は、基部ネットワークの入力と同じ観測特徴量と、前段ネットワークの出力である前段出力特徴量(ターゲット特徴量を推論した結果)とを連結した連結特徴量である。このような連結特徴量をFFNN200の入力として用いて、FFNN200では、ターゲット特徴量から、基部ネットワークを含む前段までのネットワークがターゲットを推論した結果である前段出力特徴量を差し引いた残差特徴量を推論するようになっているので、主に前段ネットワークの推論誤りの特性や傾向を、残差ネットワークのFFNN200が的確に学習できるようにしている。これは、非特許文献1及び2とは異なっている。 As mentioned above, the input to the FFNN200 of the residual network is a concatenated feature that concatenates the same observation feature as the input to the base network with the previous stage output feature (the result of inferring the target feature), which is the output of the previous stage network. Using such concatenated features as the input to the FFNN200, the FFNN200 infers the residual feature that is the target feature minus the previous stage output feature, which is the result of inferring the target by the previous stage network including the base network, so that the FFNN200 of the residual network can accurately learn the characteristics and tendencies of inference errors mainly of the previous stage network. This is different from Non-Patent Documents 1 and 2.

更に、残差ネットワークのFFNN200の学習は、基部ネットワークの学習とは以下の点で異なる。すなわち、残差ネットワークのFFNN200は、ターゲット特徴量を直接推論するように学習するのではなく、上で述べた残差特徴量を推論するように学習するもので、これも本実施の形態の特徴の一つである。そして、前段ネットワークがターゲットを推論した結果である出力特徴量に、残差ネットワークのFFNN200が残差特徴量を推論した結果を加算することで、残差ネットワークがターゲット特徴量を推論した結果である出力特徴量を生成するようになっている。もし基部ネットワーク又は基部ネットワークを含む前段までのネットワークがターゲット特徴量を推論した結果が、ターゲット特徴量と完全に一致している場合、残差ネットワークのFFNN200が学習する残差特徴量はゼロベクトルとなる。これは、残差ネットワークのFFNN200における隠れ層ー出力層間の全結合の重みが全て0と学習することで実現される。このため、基部ネットワーク又は基部ネットワークを含む前段までのネットワークの出力と比較して、本残差ネットワークの出力の推論精度が同等以上に改善されることが保証される。 Furthermore, the learning of the FFNN200 of the residual network differs from the learning of the base network in the following respects. That is, the FFNN200 of the residual network does not learn to directly infer the target feature, but learns to infer the above-mentioned residual feature, which is also one of the features of this embodiment. Then, the result of the FFNN200 of the residual network inferring the residual feature is added to the output feature that is the result of the previous stage network inferring the target, so that the output feature that is the result of the residual network inferring the target feature is generated. If the result of the base network or the previous stage network including the base network inferring the target feature is completely consistent with the target feature, the residual feature learned by the FFNN200 of the residual network is a zero vector. This is realized by learning that all the weights of all connections between the hidden layer and the output layer in the FFNN200 of the residual network are all 0. Therefore, it is guaranteed that the inference accuracy of the output of this residual network is improved to the same or greater extent than the output of the base network or the previous stage network including the base network.

また、本実施の形態では、基部ネットワークでも残差ネットワークでも、所定個数の遅延素子を直列に接続した記憶機構とスイッチ群とを設け、その各パスに接続したスイッチをオンまたはオフすることでFFNNへ入力する特徴量を任意に選択可能としている。そして、そのオンオフパターン(すなわち、特徴量の採否を定めるタイミングパターン)が、基部ネットワーク及び1又は複数の残差ネットワークのそれぞれで異なるように設定可能である。これによって、基部ネットワークのFFNN100への入力、及び各残差ネットワークのFFNN200への入力に、
バリエーションを持たせられる。これにより、残差ネットワークを積み上げる度に、入力特徴量に変化を持たせることができ、非特許文献3と比較して学習効率が改善している。
Furthermore, in this embodiment, both the base network and the residual network are provided with a storage mechanism in which a predetermined number of delay elements are connected in series, and a group of switches, and the feature to be input to the FFNN can be arbitrarily selected by turning on or off the switches connected to each path. The on/off pattern (i.e., the timing pattern that determines whether or not the feature is adopted) can be set to be different for each of the base network and one or more residual networks. This allows the input to the FFNN 100 of the base network and the input to the FFNN 200 of each residual network to be
This allows the input features to be varied each time the residual network is built up, improving learning efficiency compared to Non-Patent Document 3.

このような特徴を有するので、非特許文献1乃至3等の従来技術よりも、高い推論精度を実現できる。 Because of these characteristics, it is possible to achieve higher inference accuracy than conventional techniques such as those described in Non-Patent Documents 1 to 3.

図3に、基部ネットワークと2段の残差ネットワークを積み上げた例を示す。なお、2段目の残差ネットワーク及び3段目の残差ネットワークにおいては、前段のネットワークからの出力である前段出力特徴量と、当該前段出力特徴量が出力されたタイミングにおける観測特徴量とが連結部で連結されるので、上の段ほど遅い時刻の観測特徴量が入力されるようになる。 Figure 3 shows an example of a base network and two-stage residual networks stacked together. Note that in the second-stage residual network and the third-stage residual network, the previous-stage output feature, which is the output from the previous-stage network, is connected at the connection section to the observed feature at the timing when the previous-stage output feature is output, so that the higher the stage, the later the observed feature is input.

次に、図4に、スイッチ群のオンオフパターンの例を模式的に示す。図4は、2のべき乗パターンに属する4段分のオンオフパターン(すなわちタイミングパターン)を示している。各オンオフパターンで、右端のボックスが現時刻tにおける特徴量の出力可否を制御するスイッチのオンまたはオフ状態を示し、左端のボックスが時刻(t-55)について特徴量の出力可否を制御するスイッチのオンまたはオフ状態を示している。ハッチングが付されたボックスがオンの状態を表し、空白のボックスがオフの状態を表している。 Next, Figure 4 shows a schematic example of the on/off patterns of the switch group. Figure 4 shows four stages of on/off patterns (i.e., timing patterns) that belong to a power-of-two pattern. In each on/off pattern, the rightmost box indicates the on or off state of the switch that controls whether or not to output the feature at the current time t, and the leftmost box indicates the on or off state of the switch that controls whether or not to output the feature for time (t-55). The hatched boxes indicate the on state, and the blank boxes indicate the off state.

この例では、全てのオンオフパターンで2つの特徴量をFFNNへ入力することになる。その1つは現時刻tの特徴量で、もう1つは現時刻からΔ=2l-1時間分だけ過去の時刻(t-Δ)における特徴量である。上でも述べたように、lは、l=1が基部ネットワークである場合におけるネットワークの段数を表しており、l≧2は残差ネットワークを表す。 In this example, two features are input to the FFNN for all on-off patterns. One is the feature for the current time t, and the other is the feature for the time (t-Δ) Δ= 2l-1 hours in the past from the current time. As mentioned above, l represents the number of stages of the network when l=1 is the base network, and l≧2 represents the residual network.

このようなオンオフパターンでネットワークを4段積み上げた場合、第4段目の残差ネットワークがターゲット特徴量を推論することで得た出力特徴量は、現時刻tから時刻(t-15)までの16個の観測特徴量に基づいている。この様子を図5に模式的に示す。図5では、FFNNは、各段につき1つだが、時刻tから時刻(t-15)までの推論回数に応じたブロックを示している。基部ネットワークの入力は連続する2つの時刻(例えば(t-15)と(t-14))の観測特徴量であって、FFNN100の出力は後の時刻(例えば(t-14))で生成されることになる。2段目の残差ネットワークにおいては、基部ネットワークの出力特徴量(ターゲットを推論した特徴量)と観測特徴量を連結した連結特徴量を入力とするが、1フレーム時間空いた2つの時刻(例えば(t-14)と(t-12))における連結特徴量を用い、FFNN200の出力(残差特徴量を推論した特徴量)は後の時刻(例えば(t-12))で生成される。このFFNN200の出力は、残差であるから、基部ネットワークの出力特徴量と加算されて、3段目の入力(ターゲットを推論した特徴量)となる。3段目の残差ネットワークにおいては、2段目の残差ネットワークの出力特徴量と観測特徴量を連結した連結特徴量を入力とするが、3フレーム時間空いた2つの時刻(例えば(t-12)と(t-8))における連結特徴量を用い、FFNN200の出力(残差特徴量を推論した特徴量)は後の時刻(例えば(t-8))で生成される。このFFNN200の出力は、残差であるから、2段目の出力特徴量と加算されて、4段目の入力(ターゲットを推論した特徴量)となる。4段目の残差ネットワークにおいては、3段目の残差ネットワークの出力特徴量と観測特徴量を連結した連結特徴量を入力とするが、7フレーム時間空いた2つの時刻(例えば(t-8)とt)における連結特徴量を用い、FFNN200の出力(残差特徴量を推論した特徴量)は後の時刻(例えばt)で生成される。このFFNN200の出力は、残差であるから、3段目の出力特徴量と加算されて、最終的な出力となる。 When four stages of networks are stacked with this on-off pattern, the output features obtained by the fourth stage residual network inferring the target features are based on 16 observed features from the current time t to time (t-15). This is shown diagrammatically in Figure 5. In Figure 5, there is one FFNN for each stage, and the blocks shown correspond to the number of inferences from time t to time (t-15). The inputs to the base network are the observed features from two consecutive times (for example, (t-15) and (t-14)), and the output of the FFNN 100 is generated at a later time (for example, (t-14)). In the second-stage residual network, a concatenated feature obtained by concatenating the output feature (the feature obtained by inferring the target) and the observed feature of the base network is input, but concatenated features at two times with an interval of one frame (for example, (t-14) and (t-12)) are used, and the output of the FFNN 200 (the feature obtained by inferring the residual feature) is generated at a later time (for example, (t-12)). Since the output of the FFNN 200 is a residual, it is added to the output feature of the base network to become the input of the third stage (the feature obtained by inferring the target). In the third-stage residual network, a concatenated feature obtained by concatenating the output feature and the observed feature of the second-stage residual network is input, but concatenated features at two times with an interval of three frames (for example, (t-12) and (t-8)) are used, and the output of the FFNN 200 (the feature obtained by inferring the residual feature) is generated at a later time (for example, (t-8)). The output of this FFNN200 is a residual, so it is added to the output features of the second stage to become the input of the fourth stage (features that infer the target). In the fourth stage residual network, the input is a concatenated feature that concatenates the output features of the third stage residual network and the observed features, but the concatenated features at two times that are seven frames apart (for example, (t-8) and t) are used, and the output of FFNN200 (features that infer the residual features) is generated at a later time (for example, t). The output of this FFNN200 is a residual, so it is added to the output features of the third stage to become the final output.

なお、図5では、縦方向に並んだブロック(特徴量ブロック及びFFNNの推論ブロック)は同じ時刻の特徴量またはFFNNにおける推論を表している。 In Figure 5, blocks arranged vertically (feature blocks and FFNN inference blocks) represent features or inferences in the FFNN at the same time.

このように、ある特定の段のネットワークにおける1つの出力特徴量を推論するのに用いた最も過去の時刻と最も現在に近い時刻間の時間差を、受容域サイズ(RF:Receptive Field Size)と呼ぶ。ここで第l段のためのオンオフパターン(すなわちタイミングパターン)をベクトルpで表すものとすると、このベクトルpにおいてオンとなる右端位置に相当する時刻から左端位置に相当する時刻までの時間は受容域サイズを表しており、このオンオフパターンで特定される時間差ΔをΔ(p)で表すものとする。例えば、図4の2のべき乗パターンの場合、以下のようになる。
Δ(p)=2l-1
In this way, the time difference between the most recent time and the most recent time used to infer one output feature in a network of a certain stage is called the receptive field size (RF). If the on-off pattern (i.e., timing pattern) for the lth stage is represented by a vector p l , the time from the time corresponding to the right end position where the vector p l is on to the time corresponding to the left end position represents the receptive field size, and the time difference Δ specified by this on-off pattern is represented by Δ(p l ). For example, in the case of the power-of-two pattern in FIG. 4, it is as follows.
Δ 2 (p l )=2 l−1

そして、2のべき乗パターンの場合、複数段のネットワークの受容域サイズは、ベクトルpの関数として、以下のように表される。
RF(p,・・・,p)=1+Σl=1 Δ(p
但し、Lは積み上げるネットワークの段数を表している。
And for power-of-two patterns, the receptive field size of the multi-stage network as a function of the vector p l is expressed as follows:
RF 2 (p 1 ,..., p L )=1+Σ l=1 L Δ 2 (p l )
Here, L represents the number of stages of the network to be stacked.

図4の場合、L=2、Δ(p)=2l-1であるから、以下のようになる。
RF(p,・・・,p)=1+Σl=1 l-1=16
このように上で述べた値と一致することになる。
In the case of FIG. 4, L=2 and Δ 2 (p l )=2 l−1 , so we get the following:
RF 2 (p 1 ,..., p 4 )=1+Σ l=1 4 2 l-1 =16
This corresponds to the values stated above.

ネットワークを積み上げる度に時間差をΔ(p)=2l-1のように単調にべき乗で広げる方法の他に、段数を一定数積み上げる毎に再度初期のパターンから繰り返す方法を採用しても良い。例えば、m段毎に初期パターンから繰り返す場合、2のべき乗パターンであれば、l段目の時間差はΔ =2(l-1)mod mとなる。図4のパターンを2回繰り返してL=8段積み上げる場合、受容域サイズは以下のようになる。
RF (p・・・p)=1+Σl=1 (l-1)mod m=31
一方、2のべき乗パターンで単調にL=8段積み上げる場合、受容域サイズは以下のようになる。
RF(p・・・p)=1+Σl=1 (l-1)=256
このように同じ段数でもオンオフパターンの設定を変えると、受容域サイズは大きく変化する。
In addition to the method of monotonically expanding the time difference by a power, such as Δ 2 (p l ) = 2 l-1 , each time the network is stacked, a method of repeating from the initial pattern again every time a certain number of stages are stacked may be adopted. For example, when repeating from the initial pattern every m stages, if the pattern is a power of 2, the time difference for the lth stage will be Δ 2 m = 2 (l-1) mod m . When the pattern in Figure 4 is repeated twice to stack L = 8 stages, the receptive field size will be as follows:
RF 2 4 (p 1 ...p 8 )=1+Σ l=1 8 2 (l-1)mod m =31
On the other hand, if the blocks are monotonically stacked in L=8 stages in a power-of-two pattern, the receptive field size is as follows:
RF 2 (p 1 ...p 8 )=1+Σ l=1 8 2 (l-1) =256
In this way, even with the same number of stages, changing the on/off pattern setting results in a large change in the receptive area size.

2のべき乗パターンだけではなく3のべき乗パターンを採用するようにしても良い。この場合を図6に模式的に示す。図6から分かるように、各段において3つの特徴量をFFNNに入力するようになっている。3つの特徴量の時刻の間隔は均等である。3のべき乗パターンにおけるl段目の時間差は、Δ(p)=2×3l-1と表される。 It is also possible to adopt a power-of-three pattern instead of a power-of-two pattern. This case is shown diagrammatically in Fig. 6. As can be seen from Fig. 6, three feature quantities are input to the FFNN in each stage. The time intervals between the three feature quantities are equal. The time difference in the lth stage in the power-of-three pattern is expressed as Δ 3 (p l ) = 2 × 3 l - 1 .

一般的に基数bのべき乗パターンにおけるl段目の時間差は、Δ(p)=(b-1)×bl-1で、それをL段積み上げた場合における受容域サイズは以下のように表される。
RF(p,・・・,p)=1+Σl=1 Δ(p
Generally, the time difference in the l-th stage in a power pattern of base b is Δ b (p l ) = (b-1) x b l-1 , and the receptive field size when this is stacked up in L stages is expressed as follows.
RF b (p 1 ,..., p L )=1+Σ l=1 L Δ b (p l )

そして、m段毎に初期パターンから繰り返す場合、l段目の時間差は、Δ (p)=(b-1)×b(l-1)mod mであり、L段積み上げたモデルの受容域サイズは以下のように表される。
RF (p,・・・,p)=1+Σl=1 Δ (p
When repeating from the initial pattern every m stages, the time difference in the lth stage is Δ b m (p l ) = (b-1) × b (l-1) mod m , and the receptive field size of the model stacked in L stages is expressed as follows:
RF b m (p 1 ,..., p L )=1+Σ l=1 L Δ b m (p l )

また、べき乗パターンでない場合でも、第l段のオンオフパターンにおけるオンとなる右端位置に相当する時刻から左端位置に相当する時刻までの時間差は、Δ(p)と表し、それをL段積み上げたモデルの受容域サイズを以下のように表すことで、同様に扱うことができる。
RF(p,・・・,p)=1+Σl=1 Δ(p
べき乗パターンでない場合でも、m段毎に初期パターンから繰り返してもよく、その場合L段積み上げたモデルの受容域は以下のように表される。
RF(p,・・・,p)=1+Σl=1 Δ(p
Even if the pattern is not a power pattern, the time difference from the time corresponding to the rightmost position where the on-off pattern in the lth stage turns on to the time corresponding to the leftmost position can be expressed as Δ(p l ) and the receptive area size of the model stacked up in L stages can be expressed as follows, so that the same treatment can be used.
RF (p 1 ,..., p L )=1+Σ l=1 L Δ(p l )
Even if the pattern is not a power pattern, the initial pattern may be repeated every m stages. In this case, the acceptance range of the model stacked in L stages is expressed as follows:
RF m (p 1 ,..., p L )=1+Σ l=1 L Δ m (p l )

次に基部ネットワークに入力した観測特徴量に対する出力特徴量の具体的な計算内容について説明する。基部ネットワークには、音響信号などの観測信号から抽出した現時刻tの観測特徴量を入力する。以後、観測特徴量の次元数をDとして、時刻tの観測特徴量をベクトルf=[f1,t,f2,t,..,fD,t∈RD×1で表す。ここでTは転置を表す。 Next, the specific calculation of the output feature for the observed feature input to the base network will be described. The observed feature at the current time t extracted from the observed signal such as an acoustic signal is input to the base network. Hereinafter, the number of dimensions of the observed feature is set to D, and the observed feature at time t is expressed as a vector f t = [f 1, t , f 2, t , ..., f D, t ] T ∈ R D × 1 , where T represents transpose.

図1では、観測特徴量が2次元ベクトルの場合を表している。図1では、z-1で表される遅延素子は、fの入力に対してft-1を出力する。この遅延素子をM1個繋げることで、現時刻tから(t-M1)時刻までの(M1+1)個の観測特徴量が記憶可能となる。遅延素子に接続しているスイッチ群110は、FFNN100の入力層に、どの時刻の観測特徴量を入力するかを決める。例えば図1の場合、f、ft-2、及びf(t-M1)の3つを結合したベクトルをFFNN100に入力する。 FIG. 1 shows a case where the observed feature is a two-dimensional vector. In FIG. 1, a delay element represented by z -1 outputs f t-1 for an input of f t . By connecting M1 of these delay elements, it becomes possible to store (M1+1) observed feature values from the current time t to the time (t-M1). A group of switches 110 connected to the delay elements decides which observed feature value at which time is to be input to the input layer of the FFNN 100. For example, in the case of FIG. 1, a vector combining f t , f t-2 , and f (t-M1) is input to the FFNN 100.

FFNN100の入力層のノード数P1は、入力される観測特徴量x1,t∈RP1×1の要素数であり、P1=D×(オンとなるスイッチの数)で表される。図1では、x1,t=[f t-2 tーM1 ]=[f1,t,f2,t,f1,t-2,f2,t-2,f1,t-M1,f2,t-M1となり、入力層のノード数はP1=6となる。ここでM1、P1、x1,tなどにある添え字の「1」は、図3に示したように基部ネットワークおよび1又は複数の残差ネットワークを積み上げたネットワークで、基部ネットワークは第1段のネットワークであることを示している。 The number of nodes P1 in the input layer of the FFNN 100 is the number of elements of the input observation feature x1,t ∈R P1×1 , and is expressed as P1 = D × (the number of switches that are turned on). In FIG. 1, x1,t = [f t T f t-2 T f t-M1 T ] = [ f1,t , f2, t, f1,t-2 , f2,t -2, f1,t-M1 , f2,t-M1 ] T , and the number of nodes in the input layer is P1 = 6. Here, the subscript "1" in M1, P1, x1 ,t, etc. indicates that the base network is a network in which a base network and one or more residual networks are stacked as shown in FIG. 3, and that the base network is the first-stage network.

また、隠れ層のノード数をQ1として、入力層から隠れ層への全結合の重み行列をW∈RQ1×P1、隠れ層でのバイアスベクトルをb∈RQ1×1、そしてベクトルの要素毎に演算を行う活性化関数をh(・)とすると、隠れ層の出力ベクトルz1,t∈RQ1×1は、以下のように表される。
1,t=h(W・x1,t+b
活性化関数にはReLU(Rectified Linear Unit)などを用いるが、これに限定されるものではない。図1の例では、隠れ層のノード数はQ1=9としている。
Furthermore, if the number of nodes in the hidden layer is Q1, the weight matrix of all connections from the input layer to the hidden layer is W1∈RQ1 ×P1 , the bias vector in the hidden layer is b1∈RQ1 ×1 , and the activation function that performs calculations for each element of the vector is h(.), the output vector z1, t∈RQ1×1 of the hidden layer is expressed as follows.
z 1,t =h(W 1・x 1,t +b 1 )
The activation function may be, but is not limited to, ReLU (Rectified Linear Unit). In the example of FIG. 1, the number of nodes in the hidden layer is Q1=9.

次に出力層のノード数をRとして、隠れ層から出力層への全結合の重み行列をβ∈RQ1×Rとすると、出力層の出力ベクトルy1,t∈RR×1は、以下の式で得られる。
1,t =z1,t ・β
このy1,tが基部ネットワークの出力特徴量となる。出力層のノード数Rは基部ネットワークおよび全ての残差ネットワークで同一の値を設定する。図1の例ではR=3である。
Next, if the number of nodes in the output layer is R and the weight matrix of all connections from the hidden layer to the output layer is β 1 εR Q1×R , the output vector y 1,t εR R×1 of the output layer is obtained by the following equation.
y 1,t T =z 1,t T・β 1
This y1 ,t becomes the output feature of the base network. The number of nodes R in the output layer is set to the same value in the base network and all residual networks. In the example of Figure 1, R = 3.

次に残差ネットワークへの入力特徴量に対する出力特徴量の計算内容について説明する。基部ネットワークを第1段ネットワークとして、その直上にある残差ネットワークを第2段残差ネットワークと呼ぶこととする。そして、基部ネットワークから数えてl段目の残差ネットワークを第l段残差ネットワークと呼ぶ(但し、l≧2)。第l段残差ネットワークには、時刻tの観測特徴量のベクトルf∈RD×1と、直下のネットワークの出力特徴量のベクトルyl-1,t∈RR×1を連結したベクトルc=[f l-1,t ∈R(D+R)×1を入力する。なお、簡略化のためcの添え字lを省略している。 Next, the calculation of the output feature quantity for the input feature quantity to the residual network will be explained. The base network is the first-stage network, and the residual network immediately above it is called the second-stage residual network. The l-th stage residual network counting from the base network is called the l-th stage residual network (where l≧2). The l-th stage residual network receives a vector c t =[f t T y l-1,t T ] T ∈R (D+R)×1 , which is a concatenation of the vector f t ∈R D×1 of the observed feature quantity at time t and the vector y l-1 , t ∈R R×1 of the output feature quantity of the network immediately below. Note that the subscript l of c t is omitted for simplicity.

この連結特徴量のベクトルの各要素をc=[c1,t・・・cD+R,t]と表す。図2の例では、観測特徴量ベクトルの次元数がD=2、直下の出力特徴量のベクトルの次元数がR=3である。基部ネットワークと同様に、連結特徴量はMl個連結された遅延素子に入力される。遅延素子の個数は他のネットワークの個数とは独立に任意の個数を設定してもよい。遅延素子に接続しているスイッチ群210は、FFNN200の入力層にどの時刻の連結特徴量を入力するかを決める。このスイッチ群210のオンオフパターン(すなわちタイミングパターン)も、他のネットワークのオンオフパターンとは独立に任意に設定しても良い。 Each element of the vector of the connected feature is expressed as c t = [c 1, t . . . c D + R, t ]. In the example of FIG. 2, the number of dimensions of the observed feature vector is D=2, and the number of dimensions of the vector of the output feature directly below is R=3. As in the base network, the connected feature is input to M1 connected delay elements. The number of delay elements may be set to any number independent of the number of other networks. The switch group 210 connected to the delay elements determines at what time the connected feature is input to the input layer of the FFNN 200. The on/off pattern (i.e., timing pattern) of the switch group 210 may also be set to any number independent of the on/off patterns of other networks.

図2の場合、c、ct-2、ct-Mlの3つを結合したベクトルをFFNN200に入力するようになっている。入力層のノード数Plは入力特徴量xl,t∈RPl×1の要素数であり、Pl=(D+R)×(オンとなるスイッチの数)で表される。図2では、xl,t=[c t-2 tーMl =[c1,t,・・c5,t,c1,t-2,・・c5,t-2,c1,t-Ml,・・c5,t-Mlとなり、入力層のノード数はPl=15となる。 In the case of Fig. 2, a vector combining ct , ct -2 , and ct -Ml is input to the FFNN200. The number of nodes in the input layer Pl is the number of elements of the input feature xl,t ∈R Pl×1 , and is expressed as Pl = (D + R) × (number of switches turned on). In Fig. 2, xl,t = [ ct Tct -2 Tct -Ml T ] T = [c1 ,t ,... c5,t , c1,t-2 ,... c5,t-2 , c1,t-Ml ,... c5,t-Ml ] T , and the number of nodes in the input layer is Pl = 15.

第l段残差ネットワークの隠れ層のノード数をQlとして、入力層から隠れ層への全結合の重み行列をW∈RQl×Pl、隠れ層でのバイアスベクトルをb∈RQl×1、そしてベクトルの要素毎に演算を行う活性化関数をh(・)とすると、隠れ層の出力ベクトルzl,t∈RQl×1は、以下のような式で算出される。
l,t=h(W・xl,t+b
図2の例では、隠れ層のノード数はQl=9としている。次に出力層のノード数はRであるから、隠れ層から出力層への全結合の重み行列をβ∈RQl×Rとすると、出力層の出力ベクトルpl,t∈RR×1は以下の式で求められる。
l,t =zl,t ・β
If the number of nodes in the hidden layer of the l-th stage residual network is Ql, the weight matrix of all connections from the input layer to the hidden layer is Wl ∈RQl ×Pl , the bias vector in the hidden layer is bl ∈RQl×1 , and the activation function that performs calculations for each element of the vector is h(·), the output vector zl,t ∈RQl ×1 of the hidden layer is calculated using the following formula.
z l,t =h(W l・x l,t + b l )
In the example of Fig. 2, the number of nodes in the hidden layer is Ql = 9. Next, since the number of nodes in the output layer is R, if the weight matrix of all connections from the hidden layer to the output layer is βl ∈R Ql × R , the output vector pl,t ∈R R × 1 of the output layer can be calculated by the following formula.
p l,t T =z l,t T・β l

第l段残差ネットワークの出力特徴量ベクトルyl,tは、yl,t=yl-1,t+pl,tで得られる。すなわち、出力層の出力ベクトルpl,tと直下のネットワークの出力ベクトルyl-1,tの和で算出される。 The output feature vector y l,t of the l-th stage residual network is obtained by y l,t = y l-1,t + p l,t . In other words, it is calculated by adding the output vector p l,t of the output layer and the output vector y l-1,t of the network immediately below.

次に、基部ネットワークの上に(L-1)段の残差ネットワークを積み重ねて構築したネットワークのパラメータ{W,b,β|l=1,...L}を求める計算手順について説明する。 Next, a calculation procedure for finding parameters {W l , b l , β l |l=1, . . . L} of a network constructed by stacking (L-1) stages of residual networks on a base network will be described.

入力層ー隠れ層間のパラメータ{W,b|l=1,...L}を以下のように設定する。ここで、入力層のノード数をPl、隠れ層のノード数をQlとして、入力層から隠れ層への全結合の重み行列をW=[wl,1,...wl,Ql∈RQl×Plで表す。 The parameters between the input layer and the hidden layer {W l , b l |l = 1, ... L} are set as follows: Here, the number of nodes in the input layer is Pl, the number of nodes in the hidden layer is Ql, and the weight matrix of all connections from the input layer to the hidden layer is expressed as W l = [w l, 1 , ... w l, Ql ] T ∈ R Ql × Pl .

まず、行列Wの各要素に、正規分布N(0,1)に従う乱数を代入する。Ql≦Plの場合、wl,j l,k=δj,k(1≦j,k≦Ql)となるようにグラムシュミット直交法などを用いて正規直交化する。ここでδj、kはクロネッカーのデルタを表し、j=kのとき1、その他は0の値をとる。Ql>Plの場合、行列Wの行ベクトルwl,jをPl毎のブロック{wl,j|(m-1)Pl+1≦j≦mPl}に分割し、ブロック毎に上記と同様に正規直交化を実行する。ここでmは、以下のような値である。

Figure 0007557874000001
余りがある場合(Ql mod Pl≧1)は、以下のような余った行ベクトルを同様に正規直交化する。
Figure 0007557874000002
バイアスベクトルb∈RQl×1は、各要素に正規分布N(0,1)に従う乱数を代入し、b =1(1≦l≦L)となるようにノルムの正規化を行う。以上のように、入力層-隠れ層間のパラメータ{W,b|l=1,...L}は学習データとは全く無関係に設定される。 First, random numbers following normal distribution N(0,1) are substituted into each element of matrix Wl . If Ql≦Pl, orthonormalization is performed using the Gram-Schmidt orthogonal method or the like so that wl , jTwl ,k =δj ,k (1≦j,k≦Ql). Here, δj ,k represent Kronecker deltas, which are 1 when j=k and 0 otherwise. If Ql>Pl, the row vector wl,j of matrix Wl is divided into blocks { wl,j |(m-1)Pl+1≦j≦mPl} for each Pl, and orthonormalization is performed for each block in the same manner as above. Here, m is a value as follows:
Figure 0007557874000001
If there is a remainder (Ql mod Pl ≧1), the following remaining row vector is similarly orthonormalized.
Figure 0007557874000002
For the bias vector b l ∈R Q l × 1 , random numbers following a normal distribution N (0, 1) are substituted into each element, and norm normalization is performed so that b l T b l = 1 (1 ≦ l ≦ L). As described above, the parameters between the input layer and hidden layer {W l , b l | l = 1, ... L} are set completely independent of the training data.

隠れ層ー出力層間のパラメータ{β|l=1,...L}は例えば非特許文献4の方法を用いて以下のように計算する。基部ネットワークの場合、隠れ層の入力ベクトルz1,t∈RQ1×1に対する出力層の出力ベクトルy1,t∈RR×1をy1,t =z1,t ・βで求める。 The parameters between the hidden layer and the output layer {β l |l=1,...L} are calculated as follows, for example, using the method in Non-Patent Document 4. In the case of the base network, the output vector y 1 ,t ∈R R×1 of the output layer for the input vector z 1, t ∈R Q1×1 of the hidden layer is calculated as y 1,t T =z 1,t T ·β 1 .

残差ネットワークの場合、隠れ層の入力ベクトルzl,t∈RQl×1に対する出力層の出力ベクトルpl,t∈RR×1をpl,t =zl,t ・βで求める。基部ネットワークと残差ネットワークとで、出力ベクトルの変数名が異なるだけで、パラメータβの求め方は全く同じになるため、以下では残差ネットワークを例にして説明する。また簡単化のために添え字lを省略する。 In the case of a residual network, the output vector p l,t ∈R R×1 of the output layer for the input vector z l,t ∈R Ql ×1 of the hidden layer is calculated by p l,t T =z l,t T ·β l . The only difference between the base network and the residual network is the variable name of the output vector, but the method of calculating the parameter β l is exactly the same, so the following explanation will be given using the residual network as an example. Also, the subscript l will be omitted for simplicity.

出力ベクトルpに対するターゲット特徴量のベクトルであるターゲットベクトルをr∈RR×1とする。残差ベクトルe∈RR×1を、e =r -p =r ーz ・βと定義する。学習用の入力ベクトルzとターゲットベクトルrは、1≦t≦Nの範囲でN個あるとする。R=[r,...r,Z=[z,...z,E=[e,...eとおくと、上記の式はE=RーZ・βと表される。この関係を満たす条件付きで、過学習を防ぐための正則化項と残差項の和で表される評価関数を最小化するパラメータβを最適解として求める。

Figure 0007557874000003
ここで定数Cは正則化項と残差項のバランスを決めるパラメータである。この最適解は、以下の式で得られる。
Figure 0007557874000004
Let rtR R×1 be the target vector, which is a vector of target features for the output vector p t . Let the residual vector e tR R×1 be defined as e t T = rt T - p t T = rt T - z t T · β. Let there be N input vectors z t and target vectors rt for learning in the range of 1 ≦ t ≦ N. If R = [r 1 , ... r N ] T , Z = [z 1 , ... z N ] T , and E = [e 1 , ... e N ] T , the above formula is expressed as E = R - Z · β. Under the condition that this relationship is satisfied, the parameter β that minimizes the evaluation function expressed as the sum of the regularization term and the residual term to prevent overlearning is obtained as the optimal solution.
Figure 0007557874000003
Here, the constant C is a parameter that determines the balance between the regularization term and the residual term. The optimal solution is given by the following equation:
Figure 0007557874000004

ディープラーニングでは、全モデルパラメータや機械学習アルゴリズムの挙動を制御するハイパーパラメータなど極めて多くのパラメータを学習と検証を繰り返しながら最適化するため、GPU(Graphics Processing Unit)など高価な計算リソースと膨大な学習時間と電力消費を要することになる。これに対し本実施の形態に係るネットワークは、入力層-隠れ層間のパラメータを学習データとは独立な乱数に基づいて設定することにより、隠れ層ー出力層間の最適なパラメータを線形方程式の解として簡単に求められるようになっているため、高速な学習が可能となる。これにより計算能力の低いエッジデバイスで、オンライン学習やリアルタイム学習が可能となる。 Deep learning optimizes an extremely large number of parameters, including all model parameters and hyperparameters that control the behavior of machine learning algorithms, through repeated learning and verification, which requires expensive computing resources such as a GPU (Graphics Processing Unit) and huge amounts of learning time and power consumption. In contrast, the network according to this embodiment sets the parameters between the input layer and hidden layer based on random numbers independent of the learning data, making it possible to easily find the optimal parameters between the hidden layer and output layer as the solution to a linear equation, enabling high-speed learning. This makes online learning and real-time learning possible on edge devices with low computing power.

[ネットワークの構成の準最適化]
本実施の形態に係るネットワークを観測イベントである音響イベントの検知又は認識に利用する場合、音響イベントの受容域サイズを、検知又は認識対象となる音響イベントの平均的な継続時間に合わせることが望ましい。これは、受容域サイズが、音響イベントの平均的な継続時間を大幅に上回る場合、背景雑音などの観測特徴量も学習することになり検知又は認識の精度が劣化してしまうためである。また逆の場合は、音響イベントの観測特徴量を十分に利用できないため検知又は認識の精度が劣化するためである。
[Suboptimal network configuration]
When the network according to the present embodiment is used for detecting or recognizing an observed event, that is, a sound event, it is desirable to match the receptive field size of the sound event to the average duration of the sound event to be detected or recognized. This is because, if the receptive field size is significantly longer than the average duration of the sound event, the observed features of background noise and the like are also learned, which deteriorates the accuracy of the detection or recognition. On the other hand, if the receptive field size is larger than the average duration of the sound event, the observed features of the sound event cannot be fully utilized, which deteriorates the accuracy of the detection or recognition.

本実施の形態に係るネットワークの受容域サイズは、簡単な解析により算出することができる。このため本実施の形態では、スイッチのオンオフパターンや積み重ねるネットワークの段数などを、恣意的に試行錯誤を繰り返すのではなく、検知又は認識対象の観測イベントの平均的な継続時間に基づき決定することができる。特に、基数bのべき乗パターンだけでなく、べき乗則の制約を受けない一般的なオンオフパターンによるネットワーク構成も含めた中で、準最適なネットワーク構成を自動的に選択可能となる。以下、このための情報処理システムの構成などについて説明する。 The receptive area size of the network according to this embodiment can be calculated by simple analysis. Therefore, in this embodiment, the on/off pattern of the switches and the number of stacked network stages can be determined based on the average duration of the observed events to be detected or recognized, rather than arbitrarily repeating trial and error. In particular, it becomes possible to automatically select a quasi-optimal network configuration, including not only power patterns of base b, but also network configurations with general on/off patterns that are not restricted by the power law. The configuration of the information processing system for this purpose will be described below.

図7に、準最適なネットワーク構成を有する学習済みネットワークを生成するための情報処理装置の機能構成例を示す。本情報処理装置300は、候補抽出部310と、RFテーブル格納部320と、学習データ格納部330と、学習処理部340と、モデル構築部350と、認識精度算出部360とを有する。 Figure 7 shows an example of the functional configuration of an information processing device for generating a trained network having a suboptimal network configuration. The information processing device 300 has a candidate extraction unit 310, an RF table storage unit 320, a training data storage unit 330, a training processing unit 340, a model construction unit 350, and a recognition accuracy calculation unit 360.

学習データ格納部330は、各時刻における観測特徴量とターゲット特徴量との対を格納している。なお、例えば、ターゲット特徴量が所定の条件を満たすような値となる時間を計測することで、観測イベントの継続時間を計測し、平均継続時間、標準偏差等を算出しておく。なお、継続時間のヒストグラムなど、分布を表すデータを生成しておき、その分布を表すデータから、平均継続時間の代わりに用いる継続時間、標準偏差の代わりに用いる時間幅を決定するようにしても良い。平均継続時間及び標準偏差などについては、本情報処理装置300で算出するようにしても良いし、別途算出された結果を入力するようにしても良い。 The learning data storage unit 330 stores pairs of observed features and target features at each time. For example, the duration of an observed event is measured by measuring the time when the target feature takes a value that satisfies a predetermined condition, and the average duration, standard deviation, and the like are calculated. Data representing a distribution, such as a histogram of duration, may be generated, and a duration to be used in place of the average duration and a time width to be used in place of the standard deviation may be determined from the data representing the distribution. The average duration and standard deviation may be calculated by the information processing device 300, or separately calculated results may be input.

RFテーブル格納部320は、ネットワーク構成と受容域サイズとの関係を保持するRFテーブルを格納する。例えば、2のべき乗パターンでm段毎にスイッチのオンオフパターンを初期パターンから繰り返す場合には、ネットワークの積み上げ段数Lに対応する受容域サイズ(RFサイズ)は、図8に示すような関係を有する。図8において、縦軸は受容域サイズを表し、横軸は、ネットワークの積み上げ段数Lを表している。上で述べたように、受容域サイズは、以下のように表される。
RF (p・・・p)=1+Σl=1 Δ (p
The RF table storage unit 320 stores an RF table that holds the relationship between the network configuration and the receptive area size. For example, when the on/off pattern of the switch is repeated from the initial pattern for every m stages in a power-of-two pattern, the receptive area size (RF size) corresponding to the number of stacked stages L of the network has a relationship as shown in Fig. 8. In Fig. 8, the vertical axis represents the receptive area size, and the horizontal axis represents the number of stacked stages L of the network. As described above, the receptive area size is expressed as follows:
RF 2 m (p 1 ...p L )=1+Σ l=1 L Δ 2 m (p l )

L=1は基部ネットワークのみのネットワークであり、m=1となっている。図8では、このネットワークは、点801に対応する。ここで、基部ネットワークにおけるスイッチと同じオンオフパターンを採用した残差ネットワークを1段積み上げることでL=2にすると、点801から右方向に伸びる曲線上でL=2の点になる。この曲線上では、Δ (p)=2(l-1) mod 1が受容域サイズとなる。 L=1 is a network consisting of only the base network, with m=1. In Fig. 8, this network corresponds to point 801. If we make L=2 by stacking one level of a residual network that employs the same on-off pattern as the switches in the base network, we arrive at point L=2 on the curve extending to the right from point 801. On this curve, Δ 2 1 (p l ) = 2 (l-1) mod 1 is the receptive field size.

L=2は基部ネットワークと残差ネットワークからなるネットワークである。m=2であれば、図8では、このネットワークは点802に対応する。ここで、さらにスイッチのオンオフパターンを初期パターンに戻して残差ネットワークを1段追加すると、点802から右方向に伸びる曲線上でL=3の点になる。この曲線上では、Δ (p)=2(l-1) mod 2が受容域サイズとなる。なお、この曲線上では、2段毎にスイッチのオンオフパターンが繰り返される。 L=2 is a network consisting of a base network and a residual network. If m=2, this network corresponds to point 802 in FIG. 8. If the on/off pattern of the switches is returned to the initial pattern and one stage of the residual network is added, the point becomes L=3 on the curve extending to the right from point 802. On this curve, Δ 2 2 (p l ) = 2 (l-1) mod 2 is the receptive field size. Note that on this curve, the on/off pattern of the switches is repeated every two stages.

このように、L=mとなっているニューラルネットワークに対応する点が直線800上に並び、直線800上の各点から、その点のLをmに設定してスイッチのオンオフパターンを初期パターンに戻して積み上げることでLを増加させるネットワーク構成に対応する曲線が伸びるようになる。この曲線上ではm段毎にスイッチのオンオフパターンを初期パターンに戻すようにして残差ネットワークを積み上げる。 In this way, points corresponding to neural networks where L = m are lined up on line 800, and a curve extends from each point on line 800, corresponding to a network configuration in which L is increased by setting L at that point to m and returning the on/off pattern of the switches to the initial pattern and stacking them up. On this curve, the residual network is stacked up by returning the on/off pattern of the switches to the initial pattern every m stages.

例えば、ある観測イベントの平均継続時間が100であり、上下に1標準偏差の分の時間幅をとると、図8における灰色のバンドとなる。このバンドに入る点に対応するネットワーク構成は、この観測イベントに対して好ましいネットワーク構成と推定される。 For example, if the average duration of an observed event is 100 and a time range of one standard deviation is taken above and below, the result is a gray band in Figure 8. A network configuration that corresponds to a point that falls within this band is estimated to be a favorable network configuration for this observed event.

3のべき乗パターンでm段毎にスイッチのオンオフパターンを初期パターンから繰り返す場合、ネットワークの積み上げ段数Lに対応する受容域サイズ(RFサイズ)は、図9に示すような関係を有する。上で述べたように、受容域サイズは、以下のように表される。
RF (p・・・p)=1+Σl=1 Δ (p
When the on/off pattern of the switches is repeated from the initial pattern for every m stages in a power-of-three pattern, the reception area size (RF size) corresponding to the number of stacked stages L of the network has the relationship shown in Fig. 9. As described above, the reception area size is expressed as follows:
RF 3 m (p 1 ...p L )=1+Σ l=1 L Δ 3 m (p l )

3のべき乗パターンであっても、図8と同様に、L=mの直線がLの増加と共に伸び、直線上の各点から、スイッチのオンオフパターンを初期パターンに戻して積み上げることでLを増加させるネットワーク構成に対応する曲線が伸びるようになる。この曲線上ではm段毎にスイッチのオンオフパターンを初期パターン戻すようにして残差ネットワークを積み上げる。図9でも、例えば、ある観測イベントの平均継続時間が100であり、上下に1標準偏差の分の時間幅をとると、灰色のバンドとなる。このバンドに入る点に対応するネットワーク構成は、この観測イベントに対して好ましいネットワーク構成と推定される。 Even with a power-of-three pattern, as in Figure 8, a straight line of L = m extends as L increases, and from each point on the line, a curve extends that corresponds to a network configuration in which L is increased by returning the on/off pattern of the switches to the initial pattern and stacking them up. On this curve, the residual network is stacked up by returning the on/off pattern of the switches to the initial pattern every m stages. In Figure 9, for example, if the average duration of a certain observed event is 100 and a time width of one standard deviation is taken above and below, a grey band is formed. The network configuration that corresponds to the points that fall into this band is estimated to be the preferred network configuration for this observed event.

4のべき乗パターンでm段毎にスイッチのオンオフパターンを初期パターンから繰り返す場合、ネットワークの積み上げ段数Lに対応する受容域サイズ(RFサイズ)は、図10に示すような関係を有する。上で述べたように、受容域サイズは、以下のように表される。
RF (p・・・p)=1+Σl=1 Δ (p
When the on/off pattern of the switches is repeated from the initial pattern for every m stages in a power-of-four pattern, the reception area size (RF size) corresponding to the number of stacked stages L of the network has the relationship shown in Fig. 10. As described above, the reception area size is expressed as follows:
RF 4 m (p 1 ... p L ) = 1 + Σ l = 1 L Δ 4 m (p l )

4のべき乗パターンであっても、図8と同様に、L=mの直線がLの増加と共に伸び、直線上の各点から、スイッチのオンオフパターンを初期パターンに戻して積み上げることでLを増加させるネットワーク構成に対応する曲線が伸びるようになる。この曲線上ではm段毎にスイッチのオンオフパターンを初期パターン戻すようにして残差ネットワークを積み上げる。図10でも、例えば、ある観測イベントの平均継続時間が100であり、上下に1標準偏差の分の時間幅をとると、灰色のバンドとなる。このバンドに入る点に対応するネットワーク構成は、この観測イベントに対して好ましいネットワーク構成と推定される。 Even with a power-of-four pattern, as in Figure 8, the straight line of L = m extends as L increases, and from each point on the line, a curve extends that corresponds to a network configuration in which L is increased by returning the on/off pattern of the switches to the initial pattern and stacking them up. On this curve, the residual network is stacked up by returning the on/off pattern of the switches to the initial pattern every m stages. In Figure 10, for example, if the average duration of a certain observed event is 100 and a time width of one standard deviation is taken above and below, a grey band is formed. The network configuration that corresponds to the points that fall into this band is estimated to be the preferred network configuration for this observed event.

このように、L,m,bの組み合わせで受容域サイズが決まるので、受容域サイズとネットワーク構成との対応関係をテーブル化しておく。 In this way, the receptive area size is determined by the combination of L, m, and b, so the correspondence between receptive area size and network configuration is stored in a table.

なお、基数bのべき乗パターンでない、スイッチのオンオフパターンを採用する場合においても、予めサイズサイズとネットワーク構成の対応関係をテーブル化しておけば良い。 Even if a switch on/off pattern other than a power pattern of the base b is used, the correspondence between size and network configuration can be stored in a table in advance.

候補抽出部310は、観測イベントの平均継続時間等に基づき、RFテーブル格納部320に格納されているデータから、本観測イベントについて候補となるネットワーク構成を抽出する。モデル構築部350は、抽出された候補となるネットワーク構成の各々の学習済みネットワークを構築して、候補の中から最適な学習済みネットワークを選択する処理を行う。この処理の際に、モデル構築部350は、学習処理部340と認識精度算出部360と連携する。学習処理部340は、学習データ格納部330に格納された学習データを用いてネットワークの学習処理を実行する。認識精度算出部360は、例えば学習データ格納部330に格納されているデータを用いて、構築されたネットワーク(すなわち学習済みネットワーク)の認識精度を算出する処理を実行する。 The candidate extraction unit 310 extracts candidate network configurations for the observed event from the data stored in the RF table storage unit 320 based on the average duration of the observed event, etc. The model construction unit 350 constructs trained networks for each of the extracted candidate network configurations and selects the optimal trained network from among the candidates. During this process, the model construction unit 350 works in conjunction with the learning processing unit 340 and the recognition accuracy calculation unit 360. The learning processing unit 340 executes a network learning process using the learning data stored in the learning data storage unit 330. The recognition accuracy calculation unit 360 executes a process of calculating the recognition accuracy of the constructed network (i.e., the trained network) using, for example, the data stored in the learning data storage unit 330.

次に、準最適なネットワーク構成を有する学習済みネットワークを生成する処理について図11乃至図15を用いて説明する。まず、候補抽出部310は、学習データ格納部330に格納されているデータを用いて、観測イベントの継続時間に関する統計量(例えば、平均継続時間、標準偏差など)を算出する(図11:ステップS1)。本ステップは、観測イベントの平均継続時間、標準偏差などが入力される場合には省略される。 Next, the process of generating a trained network having a suboptimal network configuration will be described with reference to Figs. 11 to 15. First, the candidate extraction unit 310 calculates statistics regarding the duration of observed events (e.g., average duration, standard deviation, etc.) using data stored in the training data storage unit 330 (Fig. 11: step S1). This step is omitted if the average duration, standard deviation, etc. of observed events are input.

次に、候補抽出部310は、観測イベントの平均継続時間に基づき、RFテーブル格納部320に格納されたRFテーブルから、候補となるモデル(すなわちネットワーク構成)を抽出する(ステップS3)。上で述べたように、例えば、平均継続時間にプラスマイナス1標準偏差分の時間幅を設定して、その時間幅に相当する受容域サイズの範囲に包含される受容域サイズを有するネットワーク構成を抽出する。すなわち、図8乃至図10で説明したバンドに入るようなネットワーク構成を抽出する。 Next, the candidate extraction unit 310 extracts candidate models (i.e., network configurations) from the RF table stored in the RF table storage unit 320 based on the average duration of the observed events (step S3). As described above, for example, a time width of plus or minus one standard deviation is set for the average duration, and network configurations having a receptive field size that falls within the range of receptive field sizes corresponding to that time width are extracted. In other words, network configurations that fall within the bands described in Figures 8 to 10 are extracted.

次に、モデル構築部350は、未処理の候補モデルを1つ特定する(ステップS5)。そして、モデル構築部350は、特定した候補モデルが、べき乗の制約を有するモデル(すなわち、べき乗パターンのモデル)であるか否かを判断する(ステップS7)。べき乗の制約を有するモデルの場合には、モデル構築部350は、第1モデル構築評価処理を実行する(ステップS9)。そして処理はステップS13に移行する。一方、べき乗の制約を有するモデルではない場合、モデル構築部350は、第2モデル構築評価処理を実行する(ステップS11)。そして処理はステップS13に移行する。 Next, the model construction unit 350 identifies one unprocessed candidate model (step S5). Then, the model construction unit 350 determines whether the identified candidate model is a model with a power constraint (i.e., a power pattern model) (step S7). If it is a model with a power constraint, the model construction unit 350 executes a first model construction evaluation process (step S9). Then, the process proceeds to step S13. On the other hand, if it is not a model with a power constraint, the model construction unit 350 executes a second model construction evaluation process (step S11). Then, the process proceeds to step S13.

その後、モデル構築部350は、未処理の候補モデルが存在しているか否かを判断する(ステップS13)。未処理の候補モデルが存在している場合には、処理はステップS5に戻る。一方、未処理の候補モデルが存在していない場合には、モデル構築部350は、各候補モデルから構築された学習済みネットワークのうち、その認識精度に基づき、採用すべき学習済みネットワークを選択する(ステップS15)。例えば、最高認識精度の学習済みネットワークを選択する。 Then, the model construction unit 350 determines whether or not there are any unprocessed candidate models (step S13). If there are any unprocessed candidate models, the process returns to step S5. On the other hand, if there are no unprocessed candidate models, the model construction unit 350 selects a trained network to be adopted from the trained networks constructed from each candidate model based on its recognition accuracy (step S15). For example, the trained network with the highest recognition accuracy is selected.

このような処理を実行することで、観測イベントの継続時間に応じた準最適な学習済みニューラルネットワークを生成できるようになる。 By performing this process, it becomes possible to generate a suboptimal trained neural network based on the duration of the observed event.

次に、図12及び図13を用いて、第1モデル構築評価処理について説明する。まず、モデル構築部350は、候補モデルのb、m及びLを特定する(ステップS21)。そして、モデル構築部350は、bに基づき基部ネットワークを構築する(ステップS23)。b=2であれば、図4のようなスイッチのオンオフパターンを採用することになり、基部ネットワークなのでその初期パターンを採用する。b=3であれば、図6のようなスイッチのオンオフパターンを採用することになり、基部ネットワークなのでその初期パターンを採用する。あとは、図1に示すような基部ネットワークの基本構成を採用する。ノード数その他についても基本構成を設定しておき、そのまま採用する。 Next, the first model construction evaluation process will be described with reference to Figures 12 and 13. First, the model construction unit 350 identifies b, m, and L of the candidate model (step S21). Then, the model construction unit 350 constructs a base network based on b (step S23). If b = 2, the switch on/off pattern as shown in Figure 4 will be adopted, and since this is a base network, this initial pattern will be adopted. If b = 3, the switch on/off pattern as shown in Figure 6 will be adopted, and since this is a base network, this initial pattern will be adopted. After that, the basic configuration of the base network as shown in Figure 1 will be adopted. The number of nodes and other information will also be set as a basic configuration, and will be adopted as is.

さらに、モデル構築部350は、学習処理部340に、学習データ格納部330に格納されている学習データで基部ネットワークの学習をN通り行わせ、認識精度算出部360に、学習データ格納部330に格納されているデータを用いて、学習済みの基部ネットワークの各々の認識精度を算出させる(ステップS25)。学習において乱数でパラメータを設定する部分があるので、N通りの学習を行って、それぞれについて認識精度を算出するものである。そして、モデル構築部350は、N個の学習済み基部ネットワークのうち認識精度が最高のものを選択する(ステップS27)。その後処理は端子Aを介して図13の処理に移行する。 Furthermore, the model construction unit 350 causes the learning processing unit 340 to learn the base network N times using the learning data stored in the learning data storage unit 330, and causes the recognition accuracy calculation unit 360 to calculate the recognition accuracy of each of the trained base networks using the data stored in the learning data storage unit 330 (step S25). Since there is a part in the learning where parameters are set using random numbers, N times of learning are performed and the recognition accuracy is calculated for each. Then, the model construction unit 350 selects the one with the highest recognition accuracy from the N trained base networks (step S27). The process then transitions to the process of FIG. 13 via terminal A.

図13の処理の説明に移行して、モデル構築部350は、l=2を設定する(ステップS29)。そして、モデル構築部350は、b及びmに基づき、第l段の残差ネットワークを構築する(ステップS31)。基数bにおけるスイッチのオンオフパターンの(l mod m)番目のパターンを採用する。あとは、図2に示すような残差ネットワークの基本構成を採用する。ノード数その他についても基本構成を設定しておき、そのまま採用する。 Moving on to the explanation of the process in FIG. 13, the model construction unit 350 sets l=2 (step S29). Then, the model construction unit 350 constructs the l-th stage residual network based on b and m (step S31). The (l mod m)-th pattern of the on-off pattern of the switches in the base b is adopted. After that, the basic configuration of the residual network as shown in FIG. 2 is adopted. The number of nodes and other details are also set to the basic configuration and adopted as is.

そして、モデル構築部350は、学習処理部340に、学習データ格納部330に格納されている学習データで第l段残差ネットワークの学習をN通り行わせる(ステップS33)。このステップにおけるNは、ステップS25のNとは異なる値であっても良い。そして、モデル構築部350は、(l-1)段学習済みネットワークに、各第l段学習済みネットワークを積み上げてN個のl段学習済みネットワークを構築し、認識精度算出部360に、それぞれの認識精度を算出させる(ステップS35)。そして、モデル構築部350は、N個のl段学習済みネットワークのうち、認識精度が最高のものを選択する(ステップS37)。 Then, the model construction unit 350 causes the learning processing unit 340 to perform N training of the l-th stage residual network using the learning data stored in the learning data storage unit 330 (step S33). N in this step may be a value different from N in step S25. The model construction unit 350 then builds N l-stage trained networks by stacking each l-th stage trained network on the (l-1)-stage trained network, and causes the recognition accuracy calculation unit 360 to calculate the recognition accuracy of each network (step S35). The model construction unit 350 then selects the network with the highest recognition accuracy from the N l-stage trained networks (step S37).

その後、モデル構築部350は、l=l+1と設定する(ステップS39)。そして、モデル構築部350は、l≦Lであるか否かを判断する(ステップS41)。l≦Lであれば、処理はステップS31に戻る。一方、l>Lとなった場合には、処理は呼び出し元の処理に戻る。 Then, the model construction unit 350 sets l = l + 1 (step S39). Then, the model construction unit 350 judges whether l ≦ L or not (step S41). If l ≦ L, the process returns to step S31. On the other hand, if l > L, the process returns to the process that called the call.

このような処理を行えば、べき乗パターンで候補となった特定のネットワーク構成について適切に学習されたL段の学習済みネットワークが得られるようになる。 By performing this process, we can obtain an L-stage trained network that has been properly trained for the specific network configuration that was selected as a candidate in the power pattern.

次に、図14及び図15を用いて、第2モデル構築評価処理について説明する。第2モデル構築評価処理を実行する場合には、べき乗パターンに基づくスイッチのオンオフパターンではないので、予め各段についてスイッチのオンオフパターンが定義されているものとする。 Next, the second model construction evaluation process will be described with reference to Figures 14 and 15. When executing the second model construction evaluation process, the switch on/off pattern is not based on a power pattern, so it is assumed that the switch on/off pattern is defined in advance for each stage.

まず、モデル構築部350は、候補モデルにおける1段目のスイッチのオンオフパターンに基づき、基部ネットワークを構築する(ステップS51)。図1に示すような基部ネットワークの基本構成に対して、1段目のスイッチのオンオフパターンを適用する。 First, the model construction unit 350 constructs a base network based on the on/off pattern of the first stage switches in the candidate model (step S51). The on/off pattern of the first stage switches is applied to the basic configuration of the base network as shown in FIG. 1.

さらに、モデル構築部350は、学習処理部340に、学習データ格納部330に格納されている学習データで基部ネットワークの学習をN通り行わせ、認識精度算出部360に、学習データ格納部330に格納されているデータを用いて、学習済みの基部ネットワークの各々の認識精度を算出させる(ステップS53)。学習において乱数でパラメータを設定する部分があるので、N通りの学習を行って、それぞれについて認識精度を算出する。そして、モデル構築部350は、N個の学習済み基部ネットワークのうち認識精度が最高のものを選択する(ステップS55)。その後処理は端子Bを介して図15の処理に移行する。 Furthermore, the model construction unit 350 causes the learning processing unit 340 to perform N training of the base network using the training data stored in the training data storage unit 330, and causes the recognition accuracy calculation unit 360 to calculate the recognition accuracy of each of the trained base networks using the data stored in the training data storage unit 330 (step S53). Since there is a part in the training where parameters are set using random numbers, N training is performed and the recognition accuracy is calculated for each. Then, the model construction unit 350 selects the one with the highest recognition accuracy from the N trained base networks (step S55). The process then transitions to the process of FIG. 15 via terminal B.

図15の処理の説明に移行して、モデル構築部350は、l=2を設定する(ステップS57)。そして、モデル構築部350は、l段目のスイッチのオンオフパターンに基づき、第l段の残差ネットワークを構築する(ステップS59)。図2に示すような残差ネットワークの基本構成に対して、l段目のスイッチのオンオフパターンを適用する。なお、べき乗パターンの場合と同じようにパターン繰り返しのためのmを設定する場合もある。この場合には、(l mod m)番目のオンオフパターンを採用する。 Moving on to the explanation of the process in FIG. 15, the model construction unit 350 sets l=2 (step S57). Then, the model construction unit 350 constructs the l-th stage residual network based on the on/off pattern of the l-th stage switch (step S59). The on/off pattern of the l-th stage switch is applied to the basic configuration of the residual network as shown in FIG. 2. Note that m may be set for pattern repetition, as in the case of the power pattern. In this case, the (l mod m)-th on/off pattern is adopted.

そして、モデル構築部350は、学習処理部340に、学習データ格納部330に格納されている学習データで第l段残差ネットワークの学習をN通り行わせる(ステップS63)。このステップにおけるNも、ステップS53のNとは異なる値であっても良い。そして、モデル構築部350は、(l-1)段学習済みネットワークに、各第l段学習済みネットワークを積み上げてN個のl段学習済みネットワークを構築し、認識精度算出部360に、それぞれの認識精度を算出させる(ステップS63)。そして、モデル構築部350は、N個のl段学習済みネットワークのうち、認識精度が最高のものを選択する(ステップS65)。 Then, the model construction unit 350 causes the learning processing unit 340 to perform N training of the l-th stage residual network using the learning data stored in the learning data storage unit 330 (step S63). N in this step may also be a value different from N in step S53. The model construction unit 350 then builds N l-stage trained networks by stacking each l-th stage trained network on the (l-1)-stage trained network, and causes the recognition accuracy calculation unit 360 to calculate the recognition accuracy of each network (step S63). The model construction unit 350 then selects the network with the highest recognition accuracy from the N l-stage trained networks (step S65).

その後、モデル構築部350は、l=l+1と設定する(ステップS67)。そして、モデル構築部350は、l≦Lであるか否かを判断する(ステップS69)。l≦Lであれば、処理はステップS59に戻る。一方、l>Lとなった場合には、処理は呼び出し元の処理に戻る。 Then, the model construction unit 350 sets l = l + 1 (step S67). Then, the model construction unit 350 judges whether l ≦ L or not (step S69). If l ≦ L, the process returns to step S59. On the other hand, if l > L, the process returns to the process that called the call.

このような処理を行えば、べき乗パターンではないネットワーク構成の候補となった特定のネットワーク構成について適切に学習されたL段の学習済みネットワークが得られるようになる。 By performing this process, it becomes possible to obtain an L-stage trained network that has been properly trained for a specific network configuration that is a candidate for a network configuration that is not a power pattern.

このような処理を実行することで、観測イベントの検知又は認識において準最適な学習済みのネットワークを自動的に生成することが出来るようになる。 By performing this type of processing, it becomes possible to automatically generate a trained network that is suboptimal in detecting or recognizing observed events.

[実施の形態2]
[本実施の形態に係るネットワークの構成例]
第1の実施の形態では、ネットワークの受容域サイズを観測イベントの平均的な継続時間に合わせるようにしていた。しかし、検知又は認識対象の観測イベントの継続時間の分布が、正規分布のように平均的な継続時間を中心とした1ピークの分布であれば良いが、複数のピークを有するような分布を有する場合には、異なる受容域サイズを有する複数のネットワークを用い、且つ各ネットワークの出力を統合することが好ましい。
[Embodiment 2]
[Network Configuration Example According to the Present Embodiment]
In the first embodiment, the receptive field size of the network is adjusted to the average duration of the observed events. However, if the distribution of the duration of the observed events to be detected or recognized has a single peak centered on the average duration like a normal distribution, it is sufficient. However, if the distribution has multiple peaks, it is preferable to use multiple networks with different receptive field sizes and integrate the outputs of each network.

本実施の形態では、例えば、複数の継続時間に対応する複数の受容域サイズの各々を実現するネットワークにおける基部ネットワーク及び残差ネットワークの全出力特徴量を重み付けして統合して最終的な出力特徴量を生成する全結合線形ネットワークを、出力段に設けることにする。一般的には乱数で重みを決定し非線形活性化関数を通した結果を全結合線形ネットワークに入力する隠れ層が1層のFFNNを、出力段に設けてもよい。更に、そのFFNNを複数段重ねたネットワークを出力段に設けてもよい。 In this embodiment, for example, a fully connected linear network that generates a final output feature by weighting and integrating all output features of the base network and the residual network in a network that realizes each of a plurality of receptive field sizes corresponding to a plurality of durations is provided in the output stage. In general, a FFNN with one hidden layer that determines weights using random numbers and inputs the results of passing through a nonlinear activation function to the fully connected linear network may be provided in the output stage. Furthermore, a network in which multiple stages of such FFNNs are stacked may be provided in the output stage.

このようなネットワークの一例を図16に示す。図16の例では、例えば2のべき乗パターンで且つ分布のピークである第1の継続時間に対応する受容域サイズRF1のネットワーク1600と、例えば3のべき乗パターンで且つ分布のピークである第2の継続時間に対応する受容域サイズRF2のネットワーク1610と、ネットワーク1600の各段の出力特徴量とネットワーク1610の各段の出力特徴量とを入力とする全結合線形ネットワークである統合ネットワーク1620とを有する。このように各段の出力特徴量を用いることで、継続時間の分布に広がりがある場合でも対応可能となる。但し、計算量を削減するために、ネットワーク1600の出力特徴量とネットワーク1610の出力特徴量とを入力とする統合ネットワーク1620を追加するようにしても良い。 An example of such a network is shown in FIG. 16. In the example of FIG. 16, there is a network 1600 with a receptive range size RF1 corresponding to a first duration that is, for example, a power of 2 pattern and a peak of the distribution, a network 1610 with a receptive range size RF2 corresponding to a second duration that is, for example, a power of 3 pattern and a peak of the distribution, and an integrated network 1620, which is a fully connected linear network that receives as input the output features of each stage of the network 1600 and the output features of each stage of the network 1610. By using the output features of each stage in this way, it is possible to deal with cases where the distribution of duration has a spread. However, in order to reduce the amount of calculation, an integrated network 1620 that receives as input the output features of the network 1600 and the output features of the network 1610 may be added.

また、継続時間の分布においてピークが複数ある場合であっても、選ばれた複数のネットワークに、ネットワーク構造上包含関係がある場合には、図17のようなネットワーク構成を採用するようにしても良い。例えば、図17のように、分布のピークである第1の継続時間に対応する受容域サイズRF1の第1ネットワーク1700が得られ、分布のピークである第2の継続時間に対応する受容域サイズRF2の第2ネットワークが得られたが、この第2ネットワークが第1ネットワーク1700の2段目までのネットワークと同一構造である場合、第1ネットワーク1700の各段の出力特徴量を入力とする全結合線形ネットワークである統合ネットワーク1720を連結することとする。この場合も、2段目の出力特徴量と最終段の出力特徴量とを入力とする統合ネットワーク1720を採用するようにしても良い。 In addition, even if there are multiple peaks in the distribution of duration, if the selected networks have an inclusion relationship in terms of network structure, a network configuration such as that shown in FIG. 17 may be adopted. For example, as shown in FIG. 17, a first network 1700 with a receptive field size RF1 corresponding to the first duration, which is the peak of the distribution, is obtained, and a second network with a receptive field size RF2 corresponding to the second duration, which is the peak of the distribution, is obtained. If this second network has the same structure as the first network 1700 up to the second stage, an integrated network 1720, which is a fully connected linear network that inputs the output features of each stage of the first network 1700, is connected. In this case, an integrated network 1720 that inputs the output features of the second stage and the output features of the final stage may be adopted.

より具体的な例を図18を用いて説明する。ここで、分布のピーク1に対応する継続時間1と分布のピーク2に対応する継続時間2の2つの継続時間を持つ観測イベントを考える。それぞれの継続時間について準最適なネットワークを、第1の実施の形態で説明した処理を実行して選択する。例えば、継続時間1に関して選択したネットワークを選択モデルA1、継続時間2に関して選択したネットワークを選択モデルA2とする。この選択モデルA1及びA2は、いずれも同じΔ (p)の曲線上において、それぞれ6段目と19段目のモデルとなる。このままでは、1つの音響イベントの検出又は認識結果が別々に、6段目と19段目の2つモデルから得られることになる。このような場合には、受容域サイズが大きい方を採用して統合ネットワーク1720を追加することで統合を行う。 A more specific example will be described with reference to FIG. 18. Consider an observed event having two durations, duration 1 corresponding to peak 1 of the distribution and duration 2 corresponding to peak 2 of the distribution. A suboptimal network for each duration is selected by executing the process described in the first embodiment. For example, the network selected for duration 1 is selection model A1, and the network selected for duration 2 is selection model A2. The selection models A1 and A2 are both models in the 6th and 19th stages, respectively, on the same Δ 2 5 (p l ) curve. In this case, the detection or recognition results of one acoustic event will be obtained separately from the two models in the 6th and 19th stages. In such a case, integration is performed by adopting the one with the larger receptive range size and adding an integration network 1720.

一方、継続時間1に関して選択したネットワークが選択モデルB1であり、継続時間2に関して選択したネットワークが選択モデルB2であるとする。この場合は、選択モデルB1は、Δ (p)の曲線上の16段目のモデルで、選択モデルB2はΔ (p)の曲線上の13段目のモデルとなる。この場合、このように包含関係が無い場合には、図16に示すように、2つのネットワークを採用してさらに統合ネットワークを追加することで統合する。 On the other hand, suppose that the network selected for duration 1 is selection model B1, and the network selected for duration 2 is selection model B2. In this case, selection model B1 is the 16th model on the Δ 2 5 (p l ) curve, and selection model B2 is the 13th model on the Δ 2 3 (p l ) curve. In this case, when there is no inclusion relationship, the two networks are adopted and an integrated network is further added to integrate them, as shown in FIG.

なお、一般的にL段ネットワークを積み上げる場合、第l段ネットワークの出力特徴量のベクトルyl,t∈RR×1 (l=1,..L)、全結合線形ネットワークの出力特徴量ベクトルyF,t∈RR×1の次元数は共に出力層のノード数Rとなる。全結合線形ネットワークの結合入力特徴量ベクトルは、yC,t =[y1,t ,y2,t ,..yF,t ]∈R1×RLで表される。 Generally, when stacking L-stage networks, the number of dimensions of the output feature vector y l,t ∈R R×1 (l=1, ..L) of the l-th stage network and the output feature vector y F,t ∈R R×1 of the fully connected linear network is the number of nodes in the output layer, R. The connected input feature vector of the fully connected linear network is expressed as y C,t T = [y 1,t T , y 2,t T , .. y F,t T ] ∈R 1×RL .

学習データの結合入力特徴量ベクトルyC,tと全結合線形ネットワークの出力特徴量ベクトルyF,t、そしてターゲット特徴量のベクトルrは、1≦t≦Nの範囲でN個あるとする。ここで、Y=[yC,1,..yC,N∈RN×RL、Y=[yF,1,..yF,N∈RN×R、そして全結合線形ネットワークのパラメータをγ∈RRL×Rとを行列で表すと、以下のようになる。
=Y・γ
The training data combined input feature vector yC,t , the fully connected linear network output feature vector yF,t , and the target feature vector rt are assumed to be in the range of 1≦t≦N, with N pieces of vectors. Here, YC = [ yC,1 ,... yC,N ] T ∈R N×RL , YF = [ yF,1 ,... yF,N ] T ∈R N×R , and the fully connected linear network parameters γ∈R RL×R are expressed as matrices as follows:
YF = YC ·γ

そして、ターゲットの行列R=[r,..r∈RN×Rで表し、ターゲット特徴量のベクトルと全結合線形ネットワークの出力ベクトルとの誤差を行列E=[e,..e∈RN×Rで表すと、以下のようになる。
E=R-Y=R-Y・γ
Then, the target matrix R is represented as R = [ r1 ,... rN ] TR N x R , and the error between the target feature vector and the output vector of the fully connected linear network is represented as a matrix E = [ e1 ,... eN ] T ∈ R N x R , as follows.
E=RY F =RY C・γ

この関係を満たす条件付きで、過学習を防ぐための正則化項と残差項の和で表される評価関数を最小化するパラメータγを最適解として求める。

Figure 0007557874000005
ここで定数Cは正則化項と残差項のバランスを決めるパラメータである。この最適解は、以下のように表される。
Figure 0007557874000006
With the condition that this relationship is satisfied, the parameter γ that minimizes the evaluation function expressed as the sum of the regularization term to prevent overlearning and the residual term is obtained as the optimal solution.
Figure 0007557874000005
Here, the constant C is a parameter that determines the balance between the regularization term and the residual term. The optimal solution is expressed as follows:
Figure 0007557874000006

[ネットワークの構成の準最適化]
本実施の形態に係る処理を行う情報処理装置は図7に示したものと同様である。そして、図19及び図20に示す処理を実行する。まず、候補抽出部310は、学習データ格納部330に格納されているデータを用いて、観測イベントの継続時間の分布データ(例えば、ピークの継続時間、標準偏差など)を算出する(図19:ステップS101)。本ステップは、観測イベントの継続時間の分布におけるピークの継続時間、標準偏差などが入力される場合には省略される。
[Suboptimal network configuration]
The information processing device that performs the processing according to this embodiment is similar to that shown in Fig. 7. Then, the processing shown in Fig. 19 and Fig. 20 is executed. First, the candidate extraction unit 310 calculates distribution data of the duration of observed events (e.g., the duration of a peak, the standard deviation, etc.) using the data stored in the learning data storage unit 330 (Fig. 19: step S101). This step is omitted when the duration of a peak, the standard deviation, etc. in the distribution of the duration of observed events are input.

次に、候補抽出部310は、継続時間の分布においてピークが1つか否かを判断する(ステップS103)。ピークが複数の場合には、処理は端子Cを介して図20の処理に移行する。一方、ピークが単数である場合には、モデル構築部350は、第1の実施の形態で説明した準最適化処理を実行する(ステップS105)。より具体的には、図11のステップS3乃至S15を実行する。 Next, the candidate extraction unit 310 determines whether there is one peak in the distribution of durations (step S103). If there are multiple peaks, the process proceeds to the process in FIG. 20 via terminal C. On the other hand, if there is a single peak, the model construction unit 350 executes the semi-optimization process described in the first embodiment (step S105). More specifically, steps S3 to S15 in FIG. 11 are executed.

そして、モデル構築部350は、継続時間の分布における標準偏差が閾値以上であるか否かを判断する(ステップS107)。継続時間の分布が、1つのピークで標準偏差が閾値未満であるような広がりのない分布である場合には、第1の実施の形態と実質同じであるので、処理は終了する。一方、継続時間の分布が、1つのピークであるが標準偏差が閾値以上であって広がりのある分布の場合には、モデル構築部350は、ステップS105で生成された学習済みネットワークに各段の出力特徴量を入力とする統合ネットワークを連結し、学習処理部340によって統合ネットワークを学習することで、最終的な学習済みネットワークを生成する(ステップS109)。このようにすれば、このような広がりのある分布であっても、認識精度の高い学習済みネットワークを生成できるようになる。なお、ステップS109では、統合ネットワークをN通り学習して認識精度が最高となる統合ネットワークを採用するようにしても良い。 Then, the model construction unit 350 judges whether the standard deviation in the distribution of duration is equal to or greater than a threshold (step S107). If the distribution of duration is a distribution with no spread, such as one peak with a standard deviation less than the threshold, the process is substantially the same as the first embodiment, and ends. On the other hand, if the distribution of duration is a distribution with a spread, such as one peak with a standard deviation greater than or equal to the threshold, the model construction unit 350 connects an integrated network that inputs the output features of each stage to the trained network generated in step S105, and trains the integrated network using the training processing unit 340 to generate a final trained network (step S109). In this way, even with such a spread distribution, a trained network with high recognition accuracy can be generated. Note that in step S109, the integrated network with the highest recognition accuracy may be adopted after training N integrated networks.

図20の処理の説明に移行して、継続時間の分布においてピークが複数ある場合には、モデル構築部350は、未処理のピークに係る継続時間を1つ特定する(ステップS111)。そして、モデル構築部350は、第1の実施の形態で説明した準最適化処理を実行する(ステップS105)。より具体的には、図11のステップS3乃至S15を実行する。 Moving on to the explanation of the process in FIG. 20, if there are multiple peaks in the distribution of durations, the model construction unit 350 identifies one duration related to an unprocessed peak (step S111). Then, the model construction unit 350 executes the semi-optimization process described in the first embodiment (step S105). More specifically, steps S3 to S15 in FIG. 11 are executed.

そして、モデル構築部350は、未処理のピークが存在するか否かを判断し(ステップS115)、未処理のピークが存在する場合には処理はステップS111に戻る。一方、未処理のピークが存在しない場合には、モデル構築部350は、生成された複数の学習済みネットワークにおいて、構造上の包含関係が存在するか否かを判断する(ステップS117)。図17に示すような構造を採用すべきか否かを判断するものである。生成された複数の学習済みネットワークにおいて構造上の包含関係が存在しない場合には、全ての学習済みネットワークを採用して、処理はステップS121に移行する。 Then, the model construction unit 350 determines whether or not there is an unprocessed peak (step S115), and if there is an unprocessed peak, the process returns to step S111. On the other hand, if there is no unprocessed peak, the model construction unit 350 determines whether or not there is a structural inclusion relationship in the multiple trained networks that have been generated (step S117). This is to determine whether or not to adopt a structure such as that shown in FIG. 17. If there is no structural inclusion relationship in the multiple trained networks that have been generated, all trained networks are adopted, and the process proceeds to step S121.

一方、生成された複数の学習済みネットワークにおいて構造上の包含関係が一部にでもある場合には、モデル構築部350は、構造上包含関係にある学習済みネットワークのうち長い方を採用する(ステップS119)。構造上包含関係にない学習済みネットワークについてはそのまま採用する。そして、モデル構築部350は、採用された学習済みネットワークの各段の出力特徴量を入力とする統合ネットワークを連結し、学習処理部340によって統合ネットワークを学習することで、最終的な学習済みネットワークを生成する(ステップS121)。そして処理は端子Dを介して終了する。なお、ステップS121でも、統合ネットワークをN通り学習して認識精度が最高となる統合ネットワークを採用するようにしても良い。 On the other hand, if there is at least one structural inclusion relationship among the multiple trained networks generated, the model construction unit 350 adopts the longer of the trained networks that have a structural inclusion relationship (step S119). Trained networks that do not have a structural inclusion relationship are adopted as is. The model construction unit 350 then concatenates an integrated network that uses the output features of each stage of the adopted trained network as input, and trains the integrated network using the training processing unit 340 to generate a final trained network (step S121). The process then ends via terminal D. Note that, even in step S121, N integrated networks may be trained and the integrated network with the highest recognition accuracy may be adopted.

また、準最適な学習済みネットワークの各段の出力特徴量を統合ネットワークの入力とするか、準最適な学習済みネットワークの最終的な出力特徴量を統合ネットワークの入力とするかは、予め設定しておけば良い。また、構造上包含関係にある学習済みネットワークのうち採用されなかった方に相当する段の出力特徴量と、採用された方の学習済みネットワークの最終的な出力特徴量とを統合ネットワークの入力とするか、採用された方の学習済みネットワークの各段の出力特徴量を統合ネットワークの入力とするかも、予め設定しておけばよい。 In addition, it is possible to set in advance whether to use the output feature values of each stage of the suboptimal trained network as the input of the integrated network, or the final output feature values of the suboptimal trained network as the input of the integrated network. It is also possible to set in advance whether to use the output feature values of the stage corresponding to the trained network that was not adopted, which is structurally inclusive, and the final output feature values of the adopted trained network as the input of the integrated network, or the output feature values of each stage of the adopted trained network as the input of the integrated network.

このような処理を実行することで、観測イベントの継続時間の分布に応じた適切な学習済みネットワークを生成できるようになる。 By performing this process, it becomes possible to generate an appropriate trained network that corresponds to the distribution of the duration of observed events.

[実施例]
作業音(すなわち気導音)に基づいた作業行動認識実験として、9種類の生活音に基づいた生活行動の認識実験を行った。生活行動は、電話、料理、皿洗い、食事、掃除、来訪者対応、テレビ視聴、仕事の9種類である。生活音は16kHzサンプリング、16ビット量子化のディジタル信号で、高域強調フィルタを通した後、窓幅30ms、窓移動幅15msでFFT(Fast Fourier Transformation)を計算し、40次元のメルフィルタバンク特徴量時系列を算出した。学習には4時間30分(各生活行動30分)の生活音を用い、テストには2時間15分(各生活行動15分)の生活音を用いた。
[Example]
As an experiment for recognizing work activities based on work sounds (i.e., air-conducted sounds), an experiment for recognizing life activities based on nine types of life sounds was conducted. The life activities were: making a phone call, cooking, washing dishes, eating, cleaning, dealing with visitors, watching television, and working. The life sounds were digital signals sampled at 16 kHz and quantized at 16 bits. After passing through a high-frequency emphasis filter, FFT (Fast Fourier Transformation) was calculated with a window width of 30 ms and a window shift width of 15 ms to calculate a 40-dimensional Mel filter bank feature time series. Life sounds from 4 hours and 30 minutes (30 minutes for each life activity) were used for learning, and life sounds from 2 hours and 15 minutes (15 minutes for each life activity) were used for testing.

基部ネットワークの上に残差ネットワークが11段積み上がるまで、各ネットワークの学習を繰り返した。記憶機構に接続したスイッチのオンオフパターンは、図4に示した2のべき乗パターンを使用した。右端のオンスイッチの時刻と左端のオンスイッチの時刻間の時間差は、l=1,..,12のそれぞれに対して、Δ(p)=2l-1と単調増加するパターンを使用した。10段まで残差ネットワークを積み上げたときの受容域サイズは1024で、これを時間に換算すると約15秒である。11段まで残差ネットワークを積み上げる場合の受容域サイズは2048(約30秒)、そして12段まで残差ネットワークを積み上げる場合は、4096(約1分)となる。各段数における受容域サイズを時間に換算した結果を図21に示す。横軸はネットワークの積み上げ段数Lであり、縦軸は秒である。 Learning of each network was repeated until 11 residual networks were stacked on top of the base network. The on/off pattern of the switches connected to the memory mechanism was a power of 2 pattern as shown in FIG. 4. The time difference between the time of the rightmost on switch and the time of the leftmost on switch was a monotonically increasing pattern of Δ(p l ) = 2 l - 1 for l = 1, . . . , 12, respectively. The receptive field size when the residual networks were stacked up to 10 stages was 1024, which is about 15 seconds when converted to time. The receptive field size when the residual networks were stacked up to 11 stages was 2048 (about 30 seconds), and when the residual networks were stacked up to 12 stages, it was 4096 (about 1 minute). The results of converting the receptive field size at each stage into time are shown in FIG. 21. The horizontal axis is the number of stages L of the network stack, and the vertical axis is seconds.

隠れ層のノード数は全12段のネットワークで同一数とし、本実験では1000個から10000個まで1000個刻みの10種類とした。それぞれのノード数について全12段のネットワークの学習とテストを行った。図22に、F値で算出した認識結果を示す。図22において横軸は、学習により調整可能なネットワークパラメータの個数を表しており、縦軸はF値を表す。本実施例の場合、入力層-隠れ層間の全結合重み行列{W|l=1,...,12}学習データに関係なく乱数から設定されるため、調整可能なネットワークパラメータの個数には含めていない。学習により調整されるのは、隠れ層ー出力層間の全結合重み行列{β|l=1,...,12}のみである。 The number of nodes in the hidden layer was the same for all 12-stage networks, and in this experiment, 10 types were used, ranging from 1000 to 10,000, in increments of 1000. Learning and testing were performed on all 12-stage networks for each number of nodes. FIG. 22 shows the recognition results calculated using the F-value. In FIG. 22, the horizontal axis represents the number of network parameters that can be adjusted by learning, and the vertical axis represents the F-value. In this embodiment, the total connection weight matrix between the input layer and the hidden layer {W l |l=1,...,12} is set from random numbers regardless of the learning data, so it is not included in the number of adjustable network parameters. Only the total connection weight matrix between the hidden layer and the output layer {β l |l=1,...,12} is adjusted by learning.

本実施の形態のネットワークは、残差ネットワークへの入力特徴量を、直下の基部ネットワーク又は残差ネットワークの入力特徴量(音響特徴量などの観測特徴量)と出力特徴量(ターゲットを推論した特徴量)を組み合わせていることが1つの特徴点となっている。この効果を確かめるために、オンオフパターンは上記実験と同じであるが、残差ネットワークへの入力特徴量を直下のネットワークの入力特徴量(音響特徴量などの観測特徴量)のみとする実験を行った。その結果を図23に示す。比較しやすいように本実施の形態に係るネットワークの結果(図22)も図23に示している。このように、本実施の形態の方が、調整可能なネットワークパラメータが同レベルでも、F値が高くなっており、効果が認められる。 One of the features of the network of this embodiment is that the input features to the residual network are a combination of the input features (observation features such as acoustic features) of the immediately lower base network or residual network and the output features (features inferring the target). To confirm this effect, an experiment was conducted in which the on-off pattern was the same as in the above experiment, but the input features to the residual network were only the input features (observation features such as acoustic features) of the immediately lower network. The results are shown in Figure 23. For ease of comparison, the results of the network according to this embodiment (Figure 22) are also shown in Figure 23. As such, the F-measure is higher in this embodiment even with the same level of adjustable network parameters, and the effect is evident.

本実施の形態に係るネットワークは、有限個の遅延素子を直列に接続した記憶機構を設置し、その各パスに接続したスイッチをオンオフすることで、FFNNへ入力する特徴量を記憶した範囲内で任意に選択可能としている。そして、そのオンオフパターンが基部ネットワークおよび各残差ネットワークで異なる設定を可能である。このような効果を確かめるために、残差ネットワークへの入力特徴量を、直下の基部ネットワーク又は残差ネットワークの入力特徴量(音響特徴量などの観測特徴量)と出力特徴量(ターゲットを推論した特徴量)を組み合わせている点は本実施の形態に係るネットワークの実験と同じであるが、オンオフパターンを全ネットワークで同一パターンとする実験を行った。 The network according to this embodiment is equipped with a storage mechanism in which a finite number of delay elements are connected in series, and by turning on and off the switches connected to each path, the features to be input to the FFNN can be arbitrarily selected within the stored range. The on/off patterns can be set differently for the base network and each residual network. To verify this effect, the input features to the residual network are a combination of the input features (observation features such as acoustic features) and output features (features inferring the target) of the base network or residual network immediately below, which is the same as in the experiment with the network according to this embodiment, but an experiment was conducted in which the on/off pattern was the same for all networks.

本実験でのオンオフパターンは、現時刻tから時刻(t-102)までの連続する103個の特徴量を全てFFNNに入力するパターンを、全10段のネットワークに適用した。この時、受容域サイズは1021となる。その結果を図24に示す。比較しやすいように本実施の形態に係るネットワークの結果(図22)も図24にも表している。これを見ても、本実施の形態の方に係るネットワークの方がF値が高くなっており、効果が認められる。 The on-off pattern in this experiment was such that all 103 consecutive features from the current time t to time (t-102) were input to the FFNN, and this pattern was applied to a total of 10 stages of the network. In this case, the receptive field size was 1021. The results are shown in Figure 24. For ease of comparison, the results of the network according to this embodiment (Figure 22) are also shown in Figure 24. As can be seen, the F-value of the network according to this embodiment is higher, and the effect is evident.

以上の3つの実験で使用したネットワークは全て、残差ネットワークのFFNNが、ターゲット特徴量を直接推論するように学習するのではなく、ターゲット特徴量から1つ下段のネットワークがターゲット特徴量を推論した出力特徴量を差し引いた残差特徴量を推論するように学習するようになっている。そして、1つ下段のネットワークがターゲットを推論した出力特徴量に、残差ネットワークのFFNNが残差特徴量を推論した特徴量を加算することで、残差ネットワークがターゲットを推論した出力特徴量を求めるようになっている。そして、上記の実験結果から、3つの特徴点を全て備えている本実施の形態のネットワークの認識精度が最も良いことが確認できる。 In all of the networks used in the above three experiments, the FFNN of the residual network does not learn to directly infer target features, but rather learns to infer residual features obtained by subtracting from the target features the output features obtained by inferring the target features by the network one level lower. The output features obtained by the residual network inferring the target are obtained by adding the features obtained by inferring the residual features by the FFNN of the residual network to the output features obtained by inferring the target by the network one level lower. The above experimental results confirm that the recognition accuracy of the network of this embodiment, which has all three features, is the best.

また、CNN(Convolutional Neural Network)との比較実験結果を図25に示す。本実施の形態に係るネットワークの受容域サイズが1024という条件が合うように、(特徴量40次元)×(受容域サイズ1024)のメルフィルタバンク特徴量時系列を画像とみなし、CNNを学習した。図25の例では、調整可能なパラメータ数が少ない場合にはCNNの方が良い場合があるが、調整可能なパラメータ数が多くなると、CNNは過学習を起こし認識精度が劣化する。これに対して本実施の形態のネットワークは、ネットワークの積み上げ段数を増やしてパラメータ数が多くなっても、F値は単調増加しており、本実施の形態の、認識精度および汎化性能に関する効果が認められる。 Figure 25 shows the results of a comparative experiment with a CNN (Convolutional Neural Network). To meet the condition that the receptive field size of the network according to this embodiment is 1024, a Mel filter bank feature time series of (40 feature dimensions) x (receptive field size 1024) was regarded as an image, and a CNN was trained. In the example of Figure 25, when the number of adjustable parameters is small, CNN may be better, but when the number of adjustable parameters increases, CNN overlearns and the recognition accuracy deteriorates. In contrast, the F-measure of the network according to this embodiment increases monotonically even when the number of stacked network stages increases and the number of parameters increases, and the effect of this embodiment on the recognition accuracy and generalization performance is recognized.

さらに、体導音に基づいた手作業の認識実験として、11種類の手作業の認識実験を行った。実験に用いた手作業は、ボールペンでの円描画、ドリンクカップの蓋の開け閉め、キーボードタイピング、マウスクリック、マウス移動、マウスホイールの回転、紙の握りしめ、ハサミで紙切り、ホチキス止め、ビニールの握りしめ、安静状態の11種類である。体導音は8kHzサンプリング、16ビット量子化でA/D変換し、高域強調フィルタを通した後、窓幅30ms、窓移動幅15msでFFTを計算し、40次元のメルフィルタバンク特徴量時系列を算出した。モデル学習には22分(各手作業2分)の体導音を用い、テストには11分(各手作業1分)の体導音を用いた。基部ネットワークの上に残差ネットワークが11段積み上がるまで、各ネットワークの学習を繰り返した。記憶機構に接続したスイッチのオンオフパターンは、図4に示した2のべき乗パターンを使用した。各積み上げ段数における受容域サイズを時間に換算した結果は先に示した図21と同じである。 In addition, we conducted a recognition experiment of 11 types of manual tasks based on body-conducted sound. The manual tasks used in the experiment were drawing a circle with a ballpoint pen, opening and closing a lid on a drink cup, typing on a keyboard, clicking the mouse, moving the mouse, rotating the mouse wheel, gripping paper, cutting paper with scissors, stapling, gripping plastic, and resting. The body-conducted sound was A/D converted with 8 kHz sampling and 16-bit quantization, passed through a high-frequency emphasis filter, and then FFT was calculated with a window width of 30 ms and a window movement width of 15 ms to calculate a 40-dimensional Mel filter bank feature time series. 22 minutes of body-conducted sound (2 minutes for each manual task) was used for model training, and 11 minutes of body-conducted sound (1 minute for each manual task) was used for testing. Learning of each network was repeated until 11 levels of residual networks were stacked on top of the base network. The on-off pattern of the switch connected to the memory mechanism was the power-of-two pattern shown in Figure 4. The results of converting the receptive area size to time for each number of stacking layers are the same as those shown in Figure 21 above.

隠れ層のノード数は全12段のネットワークで同一数とし、本実験では1000個から10000個まで1000個刻みの10種類とした。そして、それぞれのネットワークについて学習とテストを行った。F値で算出した認識結果を図26に示す。図26において横軸はネットワークの積み上げ段数Lを表し、縦軸はF値を表す。各積み上げ段数において、10本の棒グラフが1000個から10000個までの10種類の隠れ層のノード数に対する認識結果を示している。このように、ネットワーク段数が増加すると、F値が上昇するが、8段程度で飽和している。一方、隠れ層のノード数が増加すると効果があるのはネットワークの段数が少ない場合である。 The number of nodes in the hidden layer was the same for all 12-stage networks, and in this experiment, there were 10 types, ranging from 1,000 to 10,000, in increments of 1,000. Then, learning and testing were performed for each network. Figure 26 shows the recognition results calculated using the F-value. In Figure 26, the horizontal axis represents the number of network stacking stages L, and the vertical axis represents the F-value. For each number of stacking stages, 10 bar graphs show the recognition results for 10 types of numbers of nodes in the hidden layer, ranging from 1,000 to 10,000. As this shows, as the number of network stages increases, the F-value increases, but it saturates at around 8 stages. On the other hand, increasing the number of nodes in the hidden layer is effective when the number of network stages is small.

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図7に示した情報処理装置の機能構成例は一例であって、プログラムモジュール構成とは一致しない場合もある。また、複数の機能ブロックを1つの機能ブロックに統合したり、1つの機能ブロックを複数の機能ブロックに分けるようにしても良い。また、処理フローも一例であって、処理結果が変わらない限り、複数のステップを並列に実行したり、実行順番を入れ替えても良い。
さらに、情報処理装置300は、1台のコンピュータで実装される場合もあれば、複数台のコンピュータで実装される場合もある。
Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this. For example, the functional configuration example of the information processing device shown in FIG. 7 is an example, and may not match the program module configuration. In addition, multiple function blocks may be integrated into one function block, or one function block may be divided into multiple function blocks. In addition, the processing flow is also an example, and multiple steps may be executed in parallel or the execution order may be changed as long as the processing result does not change.
Furthermore, the information processing device 300 may be implemented by one computer or may be implemented by multiple computers.

なお、上で述べた情報処理装置300は、コンピュータ装置であって、図27に示すように、メモリ2501とCPU(Central Processing Unit)2503とハードディスク・ドライブ(HDD:Hard Disk Drive)2505と表示装置2509に接続される表示制御部2507とリムーバブル・ディスク2511用のドライブ装置2513と入力装置2515とネットワークに接続するための通信制御部2517とがバス2519で接続されている。なお、HDDはソリッドステート・ドライブ(SSD:Solid State Drive)などの記憶装置でもよい。オペレーティング・システム(OS:Operating System)及び本発明の実施の形態における処理を実施するためのアプリケーション・プログラムは、HDD2505に格納されており、CPU2503により実行される際にはHDD2505からメモリ2501に読み出される。CPU2503は、アプリケーション・プログラムの処理内容に応じて表示制御部2507、通信制御部2517、ドライブ装置2513を制御して、所定の動作を行わせる。また、処理途中のデータについては、主としてメモリ2501に格納されるが、HDD2505に格納されるようにしてもよい。本技術の実施例では、上で述べた処理を実施するためのアプリケーション・プログラムはコンピュータ読み取り可能なリムーバブル・ディスク2511に格納されて頒布され、ドライブ装置2513からHDD2505にインストールされる。インターネットなどのネットワーク及び通信制御部2517を経由して、HDD2505にインストールされる場合もある。このようなコンピュータ装置は、上で述べたCPU2503、メモリ2501などのハードウエアとOS及びアプリケーション・プログラムなどのプログラムとが有機的に協働することにより、上で述べたような各種機能を実現する。 The information processing device 300 described above is a computer device, and as shown in FIG. 27, a memory 2501, a CPU (Central Processing Unit) 2503, a hard disk drive (HDD: Hard Disk Drive) 2505, a display control unit 2507 connected to a display device 2509, a drive device 2513 for a removable disk 2511, an input device 2515, and a communication control unit 2517 for connecting to a network are connected by a bus 2519. The HDD may be a storage device such as a solid state drive (SSD: Solid State Drive). An operating system (OS) and an application program for implementing the processing in the embodiment of the present invention are stored in the HDD 2505, and are read from the HDD 2505 to the memory 2501 when executed by the CPU 2503. The CPU 2503 controls the display control unit 2507, the communication control unit 2517, and the drive device 2513 according to the processing contents of the application program to perform a predetermined operation. Data during processing is primarily stored in memory 2501, but may also be stored in HDD 2505. In an embodiment of the present technology, an application program for implementing the above-described processing is distributed by being stored in a computer-readable removable disk 2511, and is installed in HDD 2505 from drive device 2513. It may also be installed in HDD 2505 via a network such as the Internet and communication control unit 2517. Such a computer device realizes the various functions described above by organic cooperation between hardware such as the above-described CPU 2503 and memory 2501 and programs such as the OS and application programs.

なお、上で述べたような処理を実行することで用いられるデータは、処理途中のものであるか、処理結果であるかを問わず、メモリ2501又はHDD2505等の記憶装置に格納される。
以上述べた実施の形態をまとめると以下のようになる。
The data used in executing the above-mentioned processes is stored in a storage device such as the memory 2501 or the HDD 2505, regardless of whether it is data in the middle of processing or the result of processing.
The above-described embodiment can be summarized as follows.

本実施の形態に係る学習済みネットワークは、(A)予め定められたタイミングパターンに基づき特定される時刻における観測特徴量を入力とする第1のフィードフォワードニューラルネットワークを含む第1のネットワーク(例えば基部ネットワーク)と、(B)予め定められたタイミングパターンに基づき特定される時刻における、1つ下段のネットワークの出力特徴量と観測特徴量との連結である連結特徴量を入力とする第2のフィードフォワードニューラルネットワークを含み、当該第2のフィードフォワードニューラルネットワークの出力と上記1つ下段のネットワークの出力特徴量との加算により出力特徴量を算出する加算部を各々含む(L-1)段(Lは2以上の整数)の第2のネットワーク(例えば残差ネットワーク)とを含み、コンピュータによって実行可能な学習済みネットワークである。そして、予め定められたタイミングパターンは、第1乃至第m(1以上mはL以下の整数)のタイミングパターンを含み、第1及び第2のネットワークの各々に、当該ネットワークの、最下段からの段数x(1≦x≦L)に基づき、第1乃至第mのタイミングパターンのうち第(x mod m)のタイミングパターンを適用するものである。 The trained network according to the present embodiment includes (A) a first network (e.g., a base network) including a first feedforward neural network that receives as input an observed feature at a time specified based on a predetermined timing pattern, and (B) a second network (e.g., a residual network) of (L-1) stages (L is an integer of 2 or more) including a second feedforward neural network that receives as input a concatenated feature that is a concatenation of an output feature and an observed feature of a network one stage lower at a time specified based on a predetermined timing pattern, and each of the second networks (e.g., a residual network) includes an adder that calculates an output feature by adding the output of the second feedforward neural network to the output feature of the network one stage lower, and is a trained network that can be executed by a computer. The predetermined timing patterns include first to m-th (1 to m is an integer of L or less), and the (x mod m)-th timing pattern of the first to m-th timing patterns is applied to each of the first and second networks based on the number of stages x (1≦x≦L) from the bottom stage of the network.

このような構造を有するネットワークであれば、第2のネットワークで当該第2のネットワークより下段における推論結果の偏りや誤りを効果的に修正できるようになり、推論精度を高めることが出来るようになる。また、様々なタイミングパターンの特徴量を用いて推論を行うことが出来るようになっているので、学習効率も高くなる。なお、タイミングパターンのバリエーションに応じて、構築対象ネットワーク全体において用いられる観測特徴量の最も古い時刻と最も新しい時刻との差である受容域サイズが幅広く変化するので、観測イベントに応じてより好ましい構成のネットワークを決めやすくなっている。 With a network having such a structure, the second network can effectively correct biases and errors in the inference results below the second network, thereby improving inference accuracy. In addition, since inference can be performed using features of various timing patterns, learning efficiency is also improved. Note that the receptive field size, which is the difference between the oldest and newest times of the observed features used in the entire network to be constructed, varies widely depending on the variation in timing patterns, making it easier to determine a network with a more preferable configuration depending on the observed event.

なお、第1及び第2のネットワークの各々は、当該ネットワークのためのタイミングパターンで特定される時刻における観測特徴量を保持するためのメモリ領域(例えば記憶機構)を用いるようにしても良い。このようにすれば、任意の時刻の観察特徴量を活用しやすくなる。 Each of the first and second networks may use a memory area (e.g., a storage mechanism) for storing observed features at times specified by the timing pattern for that network. In this way, it becomes easier to utilize observed features at any time.

また、上記第1乃至第mのタイミングパターンのうちの第y(1≦y≦m)のタイミングパターンが、観測特徴量を用いるべき最も新しい時刻と最も古い時刻との差が(b-1)×by-1であり、均等間隔でb個の時刻を含むようにしても良い。基数bのべき乗パターンに対応できるようになる。 Furthermore, the y-th (1≦y≦m) timing pattern among the first to m-th timing patterns may include b times at equal intervals, with the difference between the latest time and the oldest time at which the observed feature should be used being (b−1)×b y−1 . This makes it possible to handle power patterns of base b.

さらに、上記学習済みネットワークが、最上段のネットワークの出力特徴量と、第1のネットワーク及び最上段のネットワーク以外の第2のネットワークの出力特徴量のうち少なくとも1つの出力特徴量とを入力とする第3のネットワーク(例えば統合ネットワーク)をさらに含むようにしても良い。このような構成を含む方が推論精度が高い場合もあるためである。 The trained network may further include a third network (e.g., an integrated network) that receives as input the output features of the top-stage network and at least one of the output features of the first network and a second network other than the top-stage network. This is because including such a configuration may result in higher inference accuracy.

また、上記のような学習済みネットワークを複数含み、各学習済みネットワークにおける少なくとも最上段のネットワークの出力特徴量を入力とする第3のネットワーク(例えば統合ネットワーク)をさらに含み、コンピュータにより実行可能な学習済みネットワークであっても良い。このような構成の方が、単体の学習済みネットワークよりも推論精度が高い場合もあるためである。 The trained network may also include a plurality of trained networks as described above, and may further include a third network (e.g., an integrated network) that uses as input the output features of at least the top-stage network in each trained network, and may be executable by a computer. This is because such a configuration may have higher inference accuracy than a single trained network.

また、本実施の形態に係る生成方法では、予め定められたタイミングパターンに基づき特定される時刻における観測特徴量を入力とする第1のフィードフォワードニューラルネットワークを含む第1のネットワークと、予め定められたタイミングパターンに基づき特定される時刻における、1つ下段のネットワークの出力特徴量と観測特徴量との連結である連結特徴量を入力とする第2のフィードフォワードニューラルネットワークを含み、当該第2のフィードフォワードニューラルネットワークの出力と1つ下段のネットワークの出力特徴量との加算により出力特徴量を算出する加算部を各々含む(L-1)段(Lは2以上の整数)の第2のネットワークとを含むネットワークであって、予め定められたタイミングパターンは、第1乃至第m(mは1以上L以下の整数)のタイミングパターンを含み、第1及び第2のネットワークの各々に、当該ネットワークの、最下段からの段数x(≦L)に基づき、第1乃至第mのタイミングパターンのうち第(x mod m)のタイミングパターンを適用するネットワークを構築対象ネットワークとしている。そして、本生成方法は、このような構築対象ネットワークについて、(A)観測特徴量の元となる観測イベントの継続時間と、当該構築対象ネットワーク全体において用いられる観測特徴量の最も古い時刻と最も新しい時刻との差である受容域サイズとに基づき、構築対象ネットワークの構成について複数の候補を特定するステップと、(B)複数の候補の各々について学習済みネットワークを生成するステップと、(C)生成された学習済みネットワークの推論精度に基づき、用いるべき学習済みネットワークを選択するステップとを含む。 In addition, in the generation method according to the present embodiment, a network includes a first network including a first feedforward neural network that receives as input an observed feature at a time specified based on a predetermined timing pattern, and a second network of (L-1) stages (L is an integer of 2 or more) that includes a second feedforward neural network that receives as input a concatenated feature that is a concatenation of the output feature and the observed feature of a network one stage lower at a time specified based on a predetermined timing pattern, and each of the second networks includes an adder that calculates an output feature by adding the output of the second feedforward neural network to the output feature of the network one stage lower, and the predetermined timing patterns include first to mth (m is an integer of 1 to L), and a network that applies the (x mod m)th timing pattern of the first to mth timing patterns to each of the first and second networks based on the number of stages x (≦L) from the bottom stage of the network is used as a target network. The generation method includes the steps of: (A) identifying multiple candidates for the configuration of the network to be constructed based on the duration of the observed event that is the source of the observed feature and the receptive domain size, which is the difference between the oldest and newest time of the observed feature used in the entire network to be constructed; (B) generating a trained network for each of the multiple candidates; and (C) selecting the trained network to be used based on the inference accuracy of the generated trained network.

観測イベントの継続時間に応じた受容域サイズを有するネットワークの方が、適切な推論を行うことができるため上記のような処理で学習済みネットワークを生成する。なお、上記のような特性を有するネットワークであればネットワーク構造と受容域サイズとの関係が明らかなので、容易に処理を行うことが出来る。 A network with a receptive field size that corresponds to the duration of an observed event is able to perform more appropriate inference, so a trained network is generated using the process described above. Note that for networks with the characteristics described above, the relationship between the network structure and receptive field size is clear, making processing easy.

また、上記構築対象ネットワークの構成について複数の候補を特定するステップが、継続時間を含む所定の時間幅に対応する所定幅に入る受容域サイズを有することになる構築対象ネットワークのm及びLの組み合わせを候補として特定するステップを含むようにしても良い。このようにすれば、適切に候補となるネットワークを選択できるようになる。 The step of identifying multiple candidates for the configuration of the network to be constructed may also include a step of identifying, as candidates, combinations of m and L of the network to be constructed that have a receptive range size that falls within a predetermined range corresponding to a predetermined time range including the duration. In this way, it becomes possible to appropriately select candidate networks.

さらに、上で述べた受容域サイズは、最下段から最上段までの各ネットワークにおいて観測特徴量を用いるべき最も新しい時刻と最も古い時刻との差を構築対象ネットワークの全体について加算した結果と1との加算により算出される場合もある。 In addition, the receptive field size mentioned above may be calculated by adding the difference between the latest and oldest times at which the observed features should be used in each network from the bottom to the top for the entire network being constructed, and then adding this result to 1.

さらに、上で述べた第1乃至第mのタイミングパターンのうちの第y(1≦y≦m)のタイミングパターンが、観測特徴量を用いるべき最も新しい時刻と最も古い時刻との差が(b-1)×by-1であり、均等間隔でb個の時刻を含むようにしても良い。また、上で述べた受容域サイズが、1+Σ (b-1)×b(i-1) mod mで算出される場合もある。 Furthermore, the yth (1≦y≦m) timing pattern among the first to mth timing patterns described above may include b times at equal intervals, with the difference between the latest time and the oldest time at which the observed feature should be used being (b-1)×b y-1 . Also, the above-mentioned receptive field size may be calculated as 1+Σ L i (b-1)×b (i-1) mod m .

さらに、上記生成方法は、観測特徴量の元となる観測イベントに考慮すべき複数の継続時間が存在する場合、(D)当該複数の継続時間の各々について、上記複数の候補を特定するステップと、上記複数の候補の各々について学習済みネットワークを生成するステップと、上記学習済みネットワークを選択するステップとを実行し、(E)選択された学習済みネットワークの少なくとも出力特徴量を統合する第3のネットワークを学習するステップをさらに含むようにしても良い。 Furthermore, when there are multiple durations to be considered in the observed event that is the source of the observed features, the generation method may further include (D) executing a step of identifying the multiple candidates for each of the multiple durations, a step of generating a trained network for each of the multiple candidates, and a step of selecting the trained network, and (E) a step of training a third network that integrates at least the output features of the selected trained networks.

観測イベントによっては継続時間の分布においてピークが1つの場合もあれば複数の場合もある。複数の場合には、このような処理を実行することで、推論精度の高い学習済みネットワークを生成できるようになる。例えば、図16で示したような学習済みネットワークを生成するものである。 Depending on the observed event, there may be one peak in the duration distribution or multiple peaks. When there are multiple peaks, performing this type of processing makes it possible to generate a trained network with high inference accuracy. For example, this generates a trained network like the one shown in Figure 16.

なお、選択された学習済みネットワークのうち、第1の学習済みネットワークが、第2の学習済みネットワークを包含する場合、第3のネットワークが、第1の学習済みネットワークの出力特徴量と、第1の学習済みネットワークにおいて第2の学習済みネットワークに相当する段の出力特徴量とを少なくとも入力とするネットワークであっても良い。 In addition, when the first trained network among the selected trained networks includes the second trained network, the third network may be a network that receives as input at least the output features of the first trained network and the output features of a stage in the first trained network that corresponds to the second trained network.

継続時間の分布において複数のピークが存在する場合においても、特別な場合には、上記のような学習済みネットワークが適切であるためである。なお、例えば図17で示したような学習済みネットワークを生成するものである。 Even if there are multiple peaks in the duration distribution, in special cases, a trained network like the one above is appropriate. For example, a trained network like the one shown in Figure 17 is generated.

選択された前記学習済みネットワークのうち、第1の学習済みネットワークが、第2の学習済みネットワークを包含しない場合、第3のネットワークが、第1の学習済みネットワークの出力特徴量と、前記第2の学習済みネットワークの出力特徴量とを少なくとも入力とするネットワークであってもよい。 When a first trained network among the selected trained networks does not include a second trained network, a third network may be a network that receives as input at least the output features of the first trained network and the output features of the second trained network.

以上述べた生成方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを作成することができて、そのプログラムは、様々な記憶媒体に記憶される。 A program can be created to cause a computer to execute the generation method described above, and the program can be stored on various storage media.

また、上で述べたような生成方法を実行する情報処理装置は、1台のコンピュータで実現される場合もあれば、複数台のコンピュータで実現される場合もあり、それらを合わせて情報処理システム又は単にシステムと呼ぶものとする。 In addition, the information processing device that executes the generation method described above may be realized by a single computer or may be realized by multiple computers, and these will collectively be referred to as an information processing system or simply a system.

300 情報処理装置
310 候補抽出部 320 RFテーブル格納部
330 学習データ格納部 340 学習処理部
350 モデル構築部 360 認識精度算出部
300 Information processing device 310 Candidate extraction unit 320 RF table storage unit 330 Learning data storage unit 340 Learning processing unit 350 Model construction unit 360 Recognition accuracy calculation unit

Claims (14)

予め定められたタイミングパターンに基づき特定される時刻における観測特徴量を入力とする第1のフィードフォワードニューラルネットワークを含む第1のネットワークと、
前記予め定められたタイミングパターンに基づき特定される時刻における、1つ下段のネットワークの出力特徴量と観測特徴量との連結である連結特徴量を入力とする第2のフィードフォワードニューラルネットワークを含み、当該第2のフィードフォワードニューラルネットワークの出力と前記1つ下段のネットワークの出力特徴量との加算により出力特徴量を算出する加算部を各々含む(L-1)段(Lは2以上の整数)の第2のネットワークと
を含み、コンピュータによって実行可能な学習済みネットワークであって、
前記予め定められたタイミングパターンは、第1乃至第m(1以上mはL以下の整数)のタイミングパターンを含み、
前記第1及び第2のネットワークの各々に、当該ネットワークの、最下段からの段数x(1≦x≦L)に基づき、前記第1乃至第mのタイミングパターンのうち第(x mod m)のタイミングパターンを適用する
学習済みネットワーク。
a first network including a first feedforward neural network that receives an observed feature value at a time specified based on a predetermined timing pattern;
a second network of (L-1) stages (L is an integer of 2 or more) including a second feedforward neural network that receives as input a concatenated feature that is a concatenation of an output feature and an observed feature of a network in a stage one level lower at a time specified based on the predetermined timing pattern, and including an adder that calculates an output feature by adding an output of the second feedforward neural network and the output feature of the network in the stage one level lower, the second network being executable by a computer,
The predetermined timing pattern includes first to m-th timing patterns (where m is an integer equal to or larger than 1 and equal to or smaller than L),
a (x mod m)-th timing pattern among the first to m-th timing patterns is applied to each of the first and second networks based on a number x (1≦x≦L) of stages from the bottom stage of the network.
前記第1及び第2のネットワークの各々は、
当該ネットワークのためのタイミングパターンで特定される時刻における観測特徴量を保持するためのメモリ領域を用いる
請求項1記載の学習済みネットワーク。
Each of the first and second networks comprises:
The trained network of claim 1 , further comprising a memory area for storing observed features at times specified by a timing pattern for the network.
前記第1乃至第mのタイミングパターンのうちの第y(1≦y≦m)のタイミングパターンが、
観測特徴量を用いるべき最も新しい時刻と最も古い時刻との差が(b-1)×by-1であり、均等間隔でb個の時刻を含む
請求項1又は2記載の学習済みネットワーク。
A y-th (1≦y≦m) timing pattern among the first to m-th timing patterns is
3. The trained network according to claim 1, wherein the difference between the newest time and the oldest time at which the observed feature should be used is (b-1) x b y-1 , and b times are included at equal intervals.
最上段のネットワークの出力特徴量と、前記第1のネットワーク及び前記最上段のネットワーク以外の前記第2のネットワークの出力特徴量のうち少なくとも1つの出力特徴量とを入力とする第3のネットワークをさらに含む請求項1乃至3のいずれか1つ記載の学習済みネットワーク。 The trained network according to any one of claims 1 to 3, further comprising a third network that receives as input the output feature of the top-stage network and at least one of the output feature of the first network and the second network other than the top-stage network. 請求項1乃至3のいずれか1つ記載の学習済みネットワークを複数含み、
各学習済みネットワークにおける少なくとも最上段のネットワークの出力特徴量を入力とする第3のネットワークをさらに含み、コンピュータにより実行可能な学習済みネットワーク。
A system including a plurality of trained networks according to any one of claims 1 to 3,
A trained network executable by a computer, further comprising a third network that receives as input the output features of at least the top-stage network in each trained network.
予め定められたタイミングパターンに基づき特定される時刻における観測特徴量を入力とする第1のフィードフォワードニューラルネットワークを含む第1のネットワークと、前記予め定められたタイミングパターンに基づき特定される時刻における、1つ下段のネットワークの出力特徴量と観測特徴量との連結である連結特徴量を入力とする第2のフィードフォワードニューラルネットワークを含み、当該第2のフィードフォワードニューラルネットワークの出力と前記1つ下段のネットワークの出力特徴量との加算により出力特徴量を算出する加算部を各々含む(L-1)段(Lは2以上の整数)の第2のネットワークとを含む構築対象ネットワークであって、前記予め定められたタイミングパターンは、第1乃至第m(mは1以上L以下の整数)のタイミングパターンを含み、前記第1及び第2のネットワークの各々に、当該ネットワークの、最下段からの段数x(≦L)に基づき、前記第1乃至第mのタイミングパターンのうち第(x mod m)のタイミングパターンを適用する構築対象ネットワークについて、
前記観測特徴量の元となる観測イベントの継続時間と、当該構築対象ネットワーク全体において用いられる観測特徴量の最も古い時刻と最も新しい時刻との差である受容域サイズとに基づき、構築対象ネットワークの構成について複数の候補を特定するステップと、
前記複数の候補の各々について学習済みネットワークを生成するステップと、
生成された前記学習済みネットワークの推論精度に基づき、用いるべき学習済みネットワークを選択するステップと、
を含み、コンピュータが実行する、学習済みネットワークの生成方法。
a first network including a first feedforward neural network receiving as input an observed feature at a time specified based on a predetermined timing pattern; and a second network of (L-1) stages (L is an integer of 2 or more) including a second feedforward neural network receiving as input a concatenated feature which is a concatenation of an output feature and an observed feature of a network one stage lower at a time specified based on the predetermined timing pattern, the second network including an adder that calculates an output feature by adding an output of the second feedforward neural network and an output feature of the network one stage lower, the predetermined timing pattern including first to m-th (m is an integer of 1 to L), and the network to be constructed applies an (x mod m)-th timing pattern of the first to m-th timing patterns to each of the first and second networks based on a stage number x (≦L) of the network from the bottom stage,
Identifying a plurality of candidates for the configuration of the network to be constructed based on the duration of the observed event that is the source of the observed feature and a receptive domain size that is the difference between the oldest time and the newest time of the observed feature used in the entire network to be constructed;
generating a trained network for each of the plurality of candidates;
Selecting a trained network to be used based on the inference accuracy of the generated trained network;
A computer-implemented method for generating a trained network.
前記構築対象ネットワークの構成について複数の候補を特定するステップが、
前記継続時間を含む所定の時間幅に対応する所定幅に入る前記受容域サイズを有することになる構築対象ネットワークのm及びLの組み合わせを候補として特定するステップ
を含む請求項6の生成方法。
The step of identifying a plurality of candidates for the configuration of the network to be constructed includes:
The method of claim 6 , further comprising: identifying as candidates combinations of m and L of a network to be constructed that have the receptive range size falling within a predetermined range corresponding to a predetermined time range including the duration.
前記受容域サイズが、最下段から最上段までの各ネットワークにおいて観測特徴量を用いるべき最も新しい時刻と最も古い時刻との差を構築対象ネットワークの全体について加算した結果と1との加算により算出される
請求項6又は7記載の生成方法。
The generation method according to claim 6 or 7, wherein the receptive field size is calculated by adding the difference between the latest time and the oldest time at which the observed feature should be used in each network from the bottom to the top for the entire network to be constructed and adding 1 to the result.
前記第1乃至第mのタイミングパターンのうちの第y(1≦y≦m)のタイミングパターンが、
観測特徴量を用いるべき最も新しい時刻と最も古い時刻との差が(b-1)×by-1であり、均等間隔でb個の時刻を含み、
前記受容域サイズが、1+Σ (b-1)×b(i-1) mod mで算出される
請求項6又は7記載の生成方法。
A y-th (1≦y≦m) timing pattern among the first to m-th timing patterns is
The difference between the newest time and the oldest time for which the observed feature should be used is (b-1) x b y-1 , and b times are included at equal intervals.
8. The method according to claim 6, wherein the acceptance field size is calculated as 1+Σ L i (b-1)×b (i-1) mod m .
前記観測特徴量の元となる観測イベントに考慮すべき複数の継続時間が存在する場合、
当該複数の継続時間の各々について、前記複数の候補を特定するステップと、前記複数の候補の各々について学習済みネットワークを生成するステップと、前記学習済みネットワークを選択するステップとを実行し、
選択された前記学習済みネットワークの少なくとも出力特徴量を統合する第3のネットワークを学習するステップをさらに含む
請求項6乃至9のいずれか1つ記載の生成方法。
When there are a plurality of durations to be considered in the observed event that is the source of the observed feature,
performing, for each of the plurality of durations, the steps of identifying the plurality of candidates, generating a trained network for each of the plurality of candidates, and selecting the trained network;
The method according to claim 6 , further comprising the step of training a third network that integrates at least output features of the selected trained networks.
選択された前記学習済みネットワークのうち、第1の学習済みネットワークが、第2の学習済みネットワークを包含する場合、
前記第3のネットワークが、前記第1の学習済みネットワークの出力特徴量と、前記第1の学習済みネットワークにおいて前記第2の学習済みネットワークに相当する段の出力特徴量とを少なくとも入力とするネットワークである
請求項10記載の生成方法。
Among the selected trained networks, if a first trained network includes a second trained network,
The generation method according to claim 10 , wherein the third network is a network that receives as input at least the output features of the first trained network and the output features of a stage in the first trained network that corresponds to the second trained network.
選択された前記学習済みネットワークのうち、第1の学習済みネットワークが、第2の学習済みネットワークを包含しない場合、
前記第3のネットワークが、前記第1の学習済みネットワークの出力特徴量と、前記第2の学習済みネットワークの出力特徴量とを少なくとも入力とするネットワークである
請求項10又は11記載の生成方法。
Among the selected trained networks, a first trained network does not include a second trained network;
The generating method according to claim 10 or 11, wherein the third network is a network that receives as input at least the output features of the first trained network and the output features of the second trained network.
請求項6乃至12のいずれか1つ記載の生成方法を、コンピュータに実行させるためのプログラム。 A program for causing a computer to execute the generation method according to any one of claims 6 to 12. 予め定められたタイミングパターンに基づき特定される時刻における観測特徴量を入力とする第1のフィードフォワードニューラルネットワークを含む第1のネットワークと、前記予め定められたタイミングパターンに基づき特定される時刻における、1つ下段のネットワークの出力特徴量と観測特徴量との連結である連結特徴量を入力とする第2のフィードフォワードニューラルネットワークを含み、当該第2のフィードフォワードニューラルネットワークの出力と前記1つ下段のネットワークの出力特徴量との加算により出力特徴量を算出する加算部を各々含む(L-1)段(Lは2以上の整数)の第2のネットワークとを含む構築対象ネットワークであって、前記予め定められたタイミングパターンは、第1乃至第m(mは1以上L以下の整数)のタイミングパターンを含み、前記第1及び第2のネットワークの各々に、当該ネットワークの、最下段からの段数x(≦L)に基づき、前記第1乃至第mのタイミングパターンのうち第(x mod m)のタイミングパターンを適用する構築対象ネットワークについて、
前記観測特徴量の元となる観測イベントの継続時間と、当該構築対象ネットワーク全体において用いられる観測特徴量の最も古い時刻と最も新しい時刻との差である受容域サイズとに基づき、構築対象ネットワークの構成について複数の候補を特定する手段と、
前記複数の候補の各々について学習済みネットワークを生成する手段と、
生成された前記学習済みネットワークの推論精度に基づき、用いるべき学習済みネットワークを選択する手段と、
を有する情報処理システム。
a first network including a first feedforward neural network receiving as input an observed feature at a time specified based on a predetermined timing pattern; and a second network of (L-1) stages (L is an integer of 2 or more) including a second feedforward neural network receiving as input a concatenated feature which is a concatenation of an output feature and an observed feature of a network one stage lower at a time specified based on the predetermined timing pattern, the second network including an adder that calculates an output feature by adding an output of the second feedforward neural network and an output feature of the network one stage lower, the predetermined timing pattern including first to m-th (m is an integer of 1 to L), and the network to be constructed applies an (x mod m)-th timing pattern of the first to m-th timing patterns to each of the first and second networks based on a stage number x (≦L) of the network from the bottom stage,
A means for identifying a plurality of candidates for the configuration of the network to be constructed based on a duration of an observation event that is the source of the observation feature and a receptive domain size that is a difference between the oldest time and the newest time of the observation feature used in the entire network to be constructed;
means for generating a trained network for each of the plurality of candidates;
A means for selecting a trained network to be used based on the inference accuracy of the trained network generated;
An information processing system having the above configuration.
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