Automatic Transcription of Bass Guitar Tracks applied for Music Genre Classification and Sound Synthesis

Musiksignale bestehen in der Regel aus einer Überlagerung mehrerer Einzelinstrumente. Die meisten existierenden Algorithmen zur automatischen Transkription und Analyse von Musikaufnahmen im Forschungsfeld des Music Information Retrieval (MIR) versuchen, semantische Information direkt aus diesen gemischten Signalen zu extrahieren. In den letzten Jahren wurde häufig beobachtet, dass die Leistungsfähigkeit dieser Algorithmen durch die Signalüberlagerungen und den daraus resultierenden Informationsverlust generell limitiert ist. Ein möglicher Lösungsansatz besteht darin, mittels Verfahren der Quellentrennung die beteiligten Instrumente vor der Analyse klanglich zu isolieren. Die Leistungsfähigkeit dieser Algorithmen ist zum aktuellen Stand der Technik jedoch nicht immer ausreichend, um eine sehr gute Trennung der Einzelquellen zu ermöglichen. In dieser Arbeit werden daher ausschließlich isolierte Instrumentalaufnahmen untersucht, die klanglich nicht von anderen Instrumenten überlagert sind. Exemplarisch werden anhand der elektrischen Bassgitarre auf die Klangerzeugung dieses Instrumentes hin spezialisierte Analyse- und Klangsynthesealgorithmen entwickelt und evaluiert.Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wird ein Algorithmus vorgestellt, der eine automatische Transkription von Bassgitarrenaufnahmen durchführt. Dabei wird das Audiosignal durch verschiedene Klangereignisse beschrieben, welche den gespielten Noten auf dem Instrument entsprechen. Neben den üblichen Notenparametern Anfang, Dauer, Lautstärke und Tonhöhe werden dabei auch instrumentenspezifische Parameter wie die verwendeten Spieltechniken sowie die Saiten- und Bundlage auf dem Instrument automatisch extrahiert. Evaluationsexperimente anhand zweier neu erstellter Audiodatensätze belegen, dass der vorgestellte Transkriptionsalgorithmus auf einem Datensatz von realistischen Bassgitarrenaufnahmen eine höhere Erkennungsgenauigkeit erreichen kann als drei existierende Algorithmen aus dem Stand der Technik. Die Schätzung der instrumentenspezifischen Parameter kann insbesondere für isolierte Einzelnoten mit einer hohen Güte durchgeführt werden.Im zweiten Teil der Arbeit wird untersucht, wie aus einer Notendarstellung typischer sich wieder- holender Basslinien auf das Musikgenre geschlossen werden kann. Dabei werden Audiomerkmale extrahiert, welche verschiedene tonale, rhythmische, und strukturelle Eigenschaften von Basslinien quantitativ beschreiben. Mit Hilfe eines neu erstellten Datensatzes von 520 typischen Basslinien aus 13 verschiedenen Musikgenres wurden drei verschiedene Ansätze für die automatische Genreklassifikation verglichen. Dabei zeigte sich, dass mit Hilfe eines regelbasierten Klassifikationsverfahrens nur Anhand der Analyse der Basslinie eines Musikstückes bereits eine mittlere Erkennungsrate von 64,8 % erreicht werden konnte.Die Re-synthese der originalen Bassspuren basierend auf den extrahierten Notenparametern wird im dritten Teil der Arbeit untersucht. Dabei wird ein neuer Audiosynthesealgorithmus vorgestellt, der basierend auf dem Prinzip des Physical Modeling verschiedene Aspekte der für die Bassgitarre charakteristische Klangerzeugung wie Saitenanregung, Dämpfung, Kollision zwischen Saite und Bund sowie dem Tonabnehmerverhalten nachbildet. Weiterhin wird ein parametrischerAudiokodierungsansatz diskutiert, der es erlaubt, Bassgitarrenspuren nur anhand der ermittel- ten notenweisen Parameter zu übertragen um sie auf Dekoderseite wieder zu resynthetisieren. Die Ergebnisse mehrerer Hötest belegen, dass der vorgeschlagene Synthesealgorithmus eine Re- Synthese von Bassgitarrenaufnahmen mit einer besseren Klangqualität ermöglicht als die Übertragung der Audiodaten mit existierenden Audiokodierungsverfahren, die auf sehr geringe Bitraten ein gestellt sind.Music recordings most often consist of multiple instrument signals, which overlap in time and frequency. In the field of Music Information Retrieval (MIR), existing algorithms for the automatic transcription and analysis of music recordings aim to extract semantic information from mixed audio signals. In the last years, it was frequently observed that the algorithm performance is limited due to the signal interference and the resulting loss of information. One common approach to solve this problem is to first apply source separation algorithms to isolate the present musical instrument signals before analyzing them individually. The performance of source separation algorithms strongly depends on the number of instruments as well as on the amount of spectral overlap.In this thesis, isolated instrumental tracks are analyzed in order to circumvent the challenges of source separation. Instead, the focus is on the development of instrument-centered signal processing algorithms for music transcription, musical analysis, as well as sound synthesis. The electric bass guitar is chosen as an example instrument. Its sound production principles are closely investigated and considered in the algorithmic design.In the first part of this thesis, an automatic music transcription algorithm for electric bass guitar recordings will be presented. The audio signal is interpreted as a sequence of sound events, which are described by various parameters. In addition to the conventionally used score-level parameters note onset, duration, loudness, and pitch, instrument-specific parameters such as the applied instrument playing techniques and the geometric position on the instrument fretboard will be extracted. Different evaluation experiments confirmed that the proposed transcription algorithm outperformed three state-of-the-art bass transcription algorithms for the transcription of realistic bass guitar recordings. The estimation of the instrument-level parameters works with high accuracy, in particular for isolated note samples.In the second part of the thesis, it will be investigated, whether the sole analysis of the bassline of a music piece allows to automatically classify its music genre. Different score-based audio features will be proposed that allow to quantify tonal, rhythmic, and structural properties of basslines. Based on a novel data set of 520 bassline transcriptions from 13 different music genres, three approaches for music genre classification were compared. A rule-based classification system could achieve a mean class accuracy of 64.8 % by only taking features into account that were extracted from the bassline of a music piece.The re-synthesis of a bass guitar recordings using the previously extracted note parameters will be studied in the third part of this thesis. Based on the physical modeling of string instruments, a novel sound synthesis algorithm tailored to the electric bass guitar will be presented. The algorithm mimics different aspects of the instrument’s sound production mechanism such as string excitement, string damping, string-fret collision, and the influence of the electro-magnetic pickup. Furthermore, a parametric audio coding approach will be discussed that allows to encode and transmit bass guitar tracks with a significantly smaller bit rate than conventional audio coding algorithms do. The results of different listening tests confirmed that a higher perceptual quality can be achieved if the original bass guitar recordings are encoded and re-synthesized using the proposed parametric audio codec instead of being encoded using conventional audio codecs at very low bit rate settings

Représentations redondantes et hiérarchiques pour l'archivage et la compression de scènes sonores

L'objet de cette thèse est l'analyse et le traitement automatique de grands volumes de données audio. Plus particulièrement, on s'intéresse à l'archivage, tâche qui regroupe, au moins, deux problématiques: la compression des données, et l'indexation du contenu de celles-ci. Ces deux problématiques définissent chacune des objectifs, parfois concurrents, dont la prise en compte simultanée s'avère donc difficile. Au centre de cette thèse, il y a donc la volonté de construire un cadre cohérent à la fois pour la compression et pour l'indexation d'archives sonores. Les représentations parcimonieuses de signaux dans des dictionnaires redondants ont récemment montré leur capacité à remplir une telle fonction. Leurs propriétés ainsi que les méthodes et algorithmes permettant de les obtenir sont donc étudiés dans une première partie de cette thèse. Le cadre applicatif relativement contraignant (volume des données) va nous amener à choisir parmi ces derniers des algorithmes itératifs, appelés également gloutons. Une première contribution de cette thèse consiste en la proposition de variantes du célèbre Matching Pursuit basées sur un sous-échantillonnage aléatoire et dynamique de dictionnaires. L'adaptation au cas de dictionnaires temps-fréquence structurés (union de bases de cosinus locaux) nous permet d'espérer une amélioration significative des performances en compression de scènes sonores. Ces nouveaux algorithmes s'accompagnent d'une modélisation statistique originale des propriétés de convergence usant d'outils empruntés à la théorie des valeurs extrêmes. Les autres contributions de cette thèse s'attaquent au second membre du problème d'archivage: l'indexation. Le même cadre est cette fois-ci envisagé pour mettre à jour les différents niveaux de structuration des données. Au premier plan, la détection de redondances et répétitions. A grande échelle, un système robuste de détection de motifs récurrents dans un flux radiophonique par comparaison d'empreintes est proposé. Ses performances comparatives sur une campagne d'évaluation du projet QUAERO confirment la pertinence de cette approche. L'exploitation des structures pour un contexte autre que la compression est également envisagé. Nous proposons en particulier une application à la séparation de sources informée par la redondance pour illustrer la variété de traitements que le cadre choisi autorise. La synthèse des différents éléments permet alors d'envisager un système d'archivage répondant aux contraintes par la hiérarchisation des objectifs et des traitements.The main goal of this work is automated processing of large volumes of audio data. Most specifically, one is interested in archiving, a process that encompass at least two distinct problems: data compression and data indexing. Jointly addressing these problems is a difficult task since many of their objectives may be concurrent. Therefore, building a consistent framework for audio archival is the matter of this thesis. Sparse representations of signals in redundant dictionaries have recently been found of interest for many sub-problems of the archival task. Sparsity is a desirable property both for compression and for indexing. Methods and algorithms to build such representations are the first topic of this thesis. Given the dimensionality of the considered data, greedy algorithms will be particularly studied. A first contribution of this thesis is the proposal of a variant of the famous Matching Pursuit algorithm, that exploits randomness and sub-sampling of very large time frequency dictionaries. We show that audio compression (especially at low bit-rate) can be improved using this method. This new algorithms comes with an original modeling of asymptotic pursuit behaviors, using order statistics and tools from extreme values theory. Other contributions deal with the second member of the archival problem: indexing. The same framework is used and applied to different layers of signal structures. First, redundancies and musical repetition detection is addressed. At larger scale, we investigate audio fingerprinting schemes and apply it to radio broadcast on-line segmentation. Performances have been evaluated during an international campaign within the QUAERO project. Finally, the same framework is used to perform source separation informed by the redundancy. All these elements validate the proposed framework for the audio archiving task. The layered structures of audio data are accessed hierarchically by greedy decomposition algorithms and allow processing the different objectives of archival at different steps, thus addressing them within the same framework.PARIS-Télécom ParisTech (751132302) / SudocSudocFranceF

A speech-music discriminator using HILN model based features

We propose a simple speech music discriminator that uses features based on HILN(Harmonics, Individual Lines and Noise) model. We have been able to test the strength of the feature set on a standard database of 66 files and get an accuracy of around 97%. We also have tested on sung queries and polyphonic music and have got very good results. The current algorithm is being used to discriminate between sung queries and played (using an instrument like flute) queries for a Query by Humming(QBH) system currently under development in the lab