Продолжаем цикл статей, посвященных задаче изменения человеческого голоса, над решением которой мы работаем в компании i-Free. В предыдущей статье я попытался кратко рассказать о математическом аппарате, применяемом для описания сложных физических процессов, происходящих в речевом тракте человека при произнесении звуков. Были затронуты вопросы, связанные с моделированием акустики речевого тракта. Были описаны допустимые во многих случаях упрощения и аппроксимации. Итогом статьи было приведение физической модели распространения звука в речевом тракте к простому дискретному фильтру.

В данной статье хочется с одной стороны продолжить предыдущие начинания, а с другой — немного отойти от фундаментальной теории и поговорить о более практических (более «инженерных») вещах. Кратко будет рассмотрена одна из прикладных моделей, часто применяемая при работе с речевым сигналом. Математическая база этого подхода, как это часто бывает, изначально была заложена в рамках исследований совершенно другой направленности. Тем не менее физические особенности речевого сигнала позволили применить данные идеи именно для его эффективного анализа и модификации.

Предыдущая статья, в силу специфики рассматриваемого вопроса, была перенасыщена научными терминами и формулами. В данной — мы постараемся вместо детального описания математических построений сделать акцент на идеологическую концепцию и качественные характеристики описываемой модели.

Далее будет более подробно рассмотрена теория модели LPC (Linear Prediction Coding) – замечательный стройных подход к описанию речевого сигнала, в прошлом определивший направление развития речевых технологий на несколько десятилетий и до сих пор часто применяемый, как один из базовых инструментов при анализе и описании речевого сигнала.

Данным постом мы продолжаем цикл статей, посвященных задаче анализа и изменения голоса человека. Напомним кратко о содержании предыдущей статьи:

— было кратко рассказано о звуковом составе речи
— были описаны такие важные процессы как фонация и артикуляция
— была дана нестрогая классификация звуков человеческой речи и описаны характерные особенности классов звуков
— кратко были обозначены проблемы, возникающие при обработке речевых сигналов

Также мы немного обозначили задачи, которые фактически решает наше подразделение в компании i-Free. Закончена предыдущая статья была «громким» обещанием описать модели представления речевого сигнала и показать, как данные модели возможно использовать для изменения голоса диктора.

Тут сразу сделаем небольшую оговорку. Термин «речевой сигнал» может восприниматься по-разному и нередко значение зависит от контекста. В контексте нашей работы нас интересуют лишь звуковые-акустические свойства речевого сигнала, его смысловая и эмоциональная нагрузка в данной и ближайших статьях рассматриваться не будут.

При творческом подходе к задаче изменения голоса большинство известных моделей представления речевого сигнала являются весьма мощным инструментом, позволяющим сделать очень и очень многое. Как-то классифицировать подобные начинания не видится целесообразным, а на демонстрацию «всего подряд» уйдет масса времени. В данной и следующей статьях мы ограничимся лишь кратким описанием наиболее часто применяемых моделей и как-то попытаемся объяснить их физический/практический смысл. Примеры применения данных моделей будут показаны несколько позже — в следующих статьях мы опишем простейшую реализацию таких эффектов, как изменения пола и возраста диктора.

WARNING!



Эта статья ставит своей целью совсем чуть-чуть описать физику формирования звука в речевом тракте с помощью упрощенной модели. Как следствие, статья содержит некоторое количество формул и, возможно, не вполне очевидных переходов. Первоисточники указаны в тексте и при желании можно более подробно ознакомиться с данным материалом самостоятельно. Описанные в данной статье модели редко применяются для практических задач обработки записанной речи, скорее для исследовательских. Читатель, заинтересованный лишь в прикладных моделях представления речевого сигнала, сможет подчерпнуть для себя информацию в нашей следующей статье.

Этим постом мы хотели бы начать цикл статей, посвященных задаче изменения голоса. В зарубежной литературе данную задачу часто именуют термином voice morphing, в отечественной литературе данная задача ещё не получила достаточного освещения как в научных, так и в инженерных кругах. Тема является достаточно обширной и во многом творческой. В результате работы в данном направлении у нас накопился определенный опыт, который мы планируем систематизировать и изложить, а также передать основную суть некоторых алгоритмов.



Изменение голоса может преследовать разную цель. Два основных направления, которые тут однозначно можно выделить – это получение реалистичного звучания измененного голоса и получение некоторого причудливо-фантастичного звучания. Неплохих результатов во втором случае вполне можно добиться, обрабатывая речевой сигнал как обычный звук, не заостряя внимание на его особенностях и делая многие допущения. Например, индустрия электронной музыки породила колоссальное количество разнообразных аудио-эффектов и результат их применения к речевому сигналу помогает создать самый невероятный образ говорящего.
В задаче реалистичного изменения голоса применение «музыкальных» (назовем их так) аудио-эффектов может привнести искажения, не характерные для натуралистичного звучания речи. В подобном случае необходимо более точно понимать, из каких звуков состоит речь, как они образуются и какие их свойства являются критическими для восприятия. Проще говоря — необходимо производить анализ сигнала перед его обработкой. При автоматизированной обработке речевого сигнала в реальном времени этот анализ усложняется многократно, т.к. умножается количество неопределенностей, которые надо как-то попытаться разрешить, и сокращается количество применимых алгоритмов.
В ближайших статьях мы рассмотрим варианты простейшей реализации таких эффектов, как изменение пола говорящего и изменение возраста говорящего. Чтобы читатель лучше понимал, какие параметры сигнала будут изменяться, в первых статьях будут затронуты основные вопросы образования звуков речи и способы формального описания речевого сигнала. После этого уже будут обсуждаться конкретные предлагаемые алгоритмы изменения голоса, их сильные и слабые стороны.

P.S.
Добавил дополнительные ссылки на первоисточники