Application of singing synthesis techniquest to bertsolaritza

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Adding expressiveness to unit selection speech synthesis and to numerical voice production

La parla és una de les formes de comunicació més naturals i directes entre éssers humans, ja que codifica un missatge i també claus paralingüístiques sobre l’estat emocional del locutor, el to o la seva intenció, esdevenint així fonamental en la consecució d’una interacció humà-màquina (HCI) més natural. En aquest context, la generació de parla expressiva pel canal de sortida d’HCI és un element clau en el desenvolupament de tecnologies assistencials o assistents personals entre altres aplicacions. La parla sintètica pot ser generada a partir de parla enregistrada utilitzant mètodes basats en corpus com la selecció d’unitats (US), que poden aconseguir resultats d’alta qualitat però d’expressivitat restringida a la pròpia del corpus. A fi de millorar la qualitat de la sortida de la síntesi, la tendència actual és construir bases de dades de veu cada cop més grans, seguint especialment l’aproximació de síntesi anomenada End-to-End basada en tècniques d’aprenentatge profund. Tanmateix, enregistrar corpus ad-hoc per cada estil expressiu desitjat pot ser extremadament costós o fins i tot inviable si el locutor no és capaç de realitzar adequadament els estils requerits per a una aplicació donada (ex: cant en el domini de la narració de contes). Alternativament, nous mètodes basats en la física de la producció de veu s’han desenvolupat a la darrera dècada gràcies a l’increment en la potència computacional. Per exemple, vocals o diftongs poden ser obtinguts utilitzant el mètode d’elements finits (FEM) per simular la propagació d’ones acústiques a través d’una geometria 3D realista del tracte vocal obtinguda a partir de ressonàncies magnètiques (MRI). Tanmateix, atès que els principals esforços en aquests mètodes de producció numèrica de veu s’han focalitzat en la millora del modelat del procés de generació de veu, fins ara s’ha prestat poca atenció a la seva expressivitat. A més, la col·lecció de dades per aquestes simulacions és molt costosa, a més de requerir un llarg postprocessament manual com el necessari per extreure geometries 3D del tracte vocal a partir de MRI. L’objectiu de la tesi és afegir expressivitat en un sistema que genera veu neutra, sense haver d’adquirir dades expressives del locutor original. Per un costat, s’afegeixen capacitats expressives a un sistema de conversió de text a parla basat en selecció d’unitats (US-TTS) dotat d’un corpus de veu neutra, per adreçar necessitats específiques i concretes en l’àmbit de la narració de contes, com són la veu cantada o situacions de suspens. A tal efecte, la veu és parametritzada utilitzant un model harmònic i transformada a l’estil expressiu desitjat d’acord amb un sistema expert. Es presenta una primera aproximació, centrada en la síntesi de suspens creixent per a la narració de contes, i es demostra la seva viabilitat pel que fa a naturalitat i qualitat de narració de contes. També s’afegeixen capacitats de cant al sistema US-TTS mitjançant la integració de mòduls de transformació de parla a veu cantada en el pipeline del TTS, i la incorporació d’un mòdul de generació de prosòdia expressiva que permet al mòdul de US seleccionar unitats més properes a la prosòdia cantada obtinguda a partir de la partitura d’entrada. Això resulta en un framework de síntesi de conversió de text a parla i veu cantada basat en selecció d’unitats (US-TTS&S) que pot generar veu parlada i cantada a partir d'un petit corpus de veu neutra (~2.6h). D’acord amb els resultats objectius, l’estratègia de US guiada per la partitura permet reduir els factors de modificació de pitch requerits per produir veu cantada a partir de les unitats de veu parlada seleccionades, però en canvi té una efectivitat limitada amb els factors de modificació de les durades degut a la curta durada de les vocals parlades neutres. Els resultats dels tests perceptius mostren que tot i òbviament obtenir una naturalitat inferior a la oferta per un sintetitzador professional de veu cantada, el framework pot adreçar necessitats puntuals de veu cantada per a la síntesis de narració de contes amb una qualitat raonable. La incorporació d’expressivitat s’investiga també en la simulació numèrica 3D de vocals basada en FEM mitjançant modificacions de les senyals d’excitació glotal utilitzant una aproximació font-filtre de producció de veu. Aquestes senyals es generen utilitzant un model Liljencrants-Fant (LF) controlat amb el paràmetre de forma del pols Rd, que permet explorar el continu de fonació lax-tens a més del rang de freqüències fonamentals, F0, de la veu parlada. S’analitza la contribució de la font glotal als modes d’alt ordre en la síntesis FEM de les vocals cardinals [a], [i] i [u] mitjançant la comparació dels valors d’energia d’alta freqüència (HFE) obtinguts amb geometries realistes i simplificades del tracte vocal. Les simulacions indiquen que els modes d’alt ordre es preveuen perceptivament rellevants d’acord amb valors de referència de la literatura, particularment per a fonacions tenses i/o F0s altes. En canvi, per a vocals amb una fonació laxa i/o F0s baixes els nivells d’HFE poden resultar inaudibles, especialment si no hi ha soroll d’aspiració en la font glotal. Després d’aquest estudi preliminar, s’han analitzat les característiques d’excitació de vocals alegres i agressives d’un corpus paral·lel de veu en castellà amb l’objectiu d’incorporar aquests estils expressius de veu tensa en la simulació numèrica de veu. Per a tal efecte, s’ha usat el vocoder GlottDNN per analitzar variacions d’F0 i pendent espectral relacionades amb l’excitació glotal en vocals [a]. Aquestes variacions es mapegen mitjançant la comparació amb vocals sintètiques en valors d’F0 i Rd per simular vocals que s’assemblin als estils alegre i agressiu. Els resultats mostren que és necessari incrementar l’F0 i disminuir l’Rd respecte la veu neutra, amb variacions majors per a alegre que per agressiu, especialment per a vocals accentuades. Els resultats aconseguits en les investigacions realitzades validen la possibilitat d’afegir expressivitat a la síntesi basada en corpus US-TTS i a la simulació numèrica de veu basada en FEM. Tanmateix, encara hi ha marge de millora. Per exemple, l’estratègia aplicada a la producció numèrica de veu es podria millorar estudiant i desenvolupant mètodes de filtratge invers així com incorporant modificacions del tracte vocal, mentre que el framework US-TTS&S es podria beneficiar dels avenços en tècniques de transformació de veu incloent transformacions de la qualitat de veu, aprofitant l’experiència adquirida en la simulació numèrica de vocals expressives.El habla es una de las formas de comunicación más naturales y directas entre seres humanos, ya que codifica un mensaje y también claves paralingüísticas sobre el estado emocional del locutor, el tono o su intención, convirtiéndose así en fundamental en la consecución de una interacción humano-máquina (HCI) más natural. En este contexto, la generación de habla expresiva para el canal de salida de HCI es un elemento clave en el desarrollo de tecnologías asistenciales o asistentes personales entre otras aplicaciones. El habla sintética puede ser generada a partir de habla gravada utilizando métodos basados en corpus como la selección de unidades (US), que pueden conseguir resultados de alta calidad, pero de expresividad restringida a la propia del corpus. A fin de mejorar la calidad de la salida de la síntesis, la tendencia actual es construir bases de datos de voz cada vez más grandes, siguiendo especialmente la aproximación de síntesis llamada End-to-End basada en técnicas de aprendizaje profundo. Sin embargo, gravar corpus ad-hoc para cada estilo expresivo deseado puede ser extremadamente costoso o incluso inviable si el locutor no es capaz de realizar adecuadamente los estilos requeridos para una aplicación dada (ej: canto en el dominio de la narración de cuentos). Alternativamente, nuevos métodos basados en la física de la producción de voz se han desarrollado en la última década gracias al incremento en la potencia computacional. Por ejemplo, vocales o diptongos pueden ser obtenidos utilizando el método de elementos finitos (FEM) para simular la propagación de ondas acústicas a través de una geometría 3D realista del tracto vocal obtenida a partir de resonancias magnéticas (MRI). Sin embargo, dado que los principales esfuerzos en estos métodos de producción numérica de voz se han focalizado en la mejora del modelado del proceso de generación de voz, hasta ahora se ha prestado poca atención a su expresividad. Además, la colección de datos para estas simulaciones es muy costosa, además de requerir un largo postproceso manual como el necesario para extraer geometrías 3D del tracto vocal a partir de MRI. El objetivo de la tesis es añadir expresividad en un sistema que genera voz neutra, sin tener que adquirir datos expresivos del locutor original. Per un lado, se añaden capacidades expresivas a un sistema de conversión de texto a habla basado en selección de unidades (US-TTS) dotado de un corpus de voz neutra, para abordar necesidades específicas y concretas en el ámbito de la narración de cuentos, como son la voz cantada o situaciones de suspense. Para ello, la voz se parametriza utilizando un modelo harmónico y se transforma al estilo expresivo deseado de acuerdo con un sistema experto. Se presenta una primera aproximación, centrada en la síntesis de suspense creciente para la narración de cuentos, y se demuestra su viabilidad en cuanto a naturalidad y calidad de narración de cuentos. También se añaden capacidades de canto al sistema US-TTS mediante la integración de módulos de transformación de habla a voz cantada en el pipeline del TTS, y la incorporación de un módulo de generación de prosodia expresiva que permite al módulo de US seleccionar unidades más cercanas a la prosodia cantada obtenida a partir de la partitura de entrada. Esto resulta en un framework de síntesis de conversión de texto a habla y voz cantada basado en selección de unidades (US-TTS&S) que puede generar voz hablada y cantada a partir del mismo pequeño corpus de voz neutra (~2.6h). De acuerdo con los resultados objetivos, la estrategia de US guiada por la partitura permite reducir los factores de modificación de pitch requeridos para producir voz cantada a partir de las unidades de voz hablada seleccionadas, pero en cambio tiene una efectividad limitada con los factores de modificación de duraciones debido a la corta duración de las vocales habladas neutras. Los resultados de las pruebas perceptivas muestran que, a pesar de obtener una naturalidad obviamente inferior a la ofrecida por un sintetizador profesional de voz cantada, el framework puede abordar necesidades puntuales de voz cantada para la síntesis de narración de cuentos con una calidad razonable. La incorporación de expresividad se investiga también en la simulación numérica 3D de vocales basada en FEM mediante modificaciones en las señales de excitación glotal utilizando una aproximación fuente-filtro de producción de voz. Estas señales se generan utilizando un modelo Liljencrants-Fant (LF) controlado con el parámetro de forma del pulso Rd, que permite explorar el continuo de fonación laxo-tenso además del rango de frecuencias fundamentales, F0, de la voz hablada. Se analiza la contribución de la fuente glotal a los modos de alto orden en la síntesis FEM de las vocales cardinales [a], [i] y [u] mediante la comparación de los valores de energía de alta frecuencia (HFE) obtenidos con geometrías realistas y simplificadas del tracto vocal. Las simulaciones indican que los modos de alto orden se prevén perceptivamente relevantes de acuerdo con valores de referencia de la literatura, particularmente para fonaciones tensas y/o F0s altas. En cambio, para vocales con una fonación laxa y/o F0s bajas los niveles de HFE pueden resultar inaudibles, especialmente si no hay ruido de aspiración en la fuente glotal. Después de este estudio preliminar, se han analizado las características de excitación de vocales alegres y agresivas de un corpus paralelo de voz en castellano con el objetivo de incorporar estos estilos expresivos de voz tensa en la simulación numérica de voz. Para ello, se ha usado el vocoder GlottDNN para analizar variaciones de F0 y pendiente espectral relacionadas con la excitación glotal en vocales [a]. Estas variaciones se mapean mediante la comparación con vocales sintéticas en valores de F0 y Rd para simular vocales que se asemejen a los estilos alegre y agresivo. Los resultados muestran que es necesario incrementar la F0 y disminuir la Rd respecto la voz neutra, con variaciones mayores para alegre que para agresivo, especialmente para vocales acentuadas. Los resultados conseguidos en las investigaciones realizadas validan la posibilidad de añadir expresividad a la síntesis basada en corpus US-TTS y a la simulación numérica de voz basada en FEM. Sin embargo, hay margen de mejora. Por ejemplo, la estrategia aplicada a la producción numérica de voz se podría mejorar estudiando y desarrollando métodos de filtrado inverso, así como incorporando modificaciones del tracto vocal, mientras que el framework US-TTS&S desarrollado se podría beneficiar de los avances en técnicas de transformación de voz incluyendo transformaciones de la calidad de la voz, aprovechando la experiencia adquirida en la simulación numérica de vocales expresivas.Speech is one of the most natural and direct forms of communication between human beings, as it codifies both a message and paralinguistic cues about the emotional state of the speaker, its mood, or its intention, thus becoming instrumental in pursuing a more natural Human Computer Interaction (HCI). In this context, the generation of expressive speech for the HCI output channel is a key element in the development of assistive technologies or personal assistants among other applications. Synthetic speech can be generated from recorded speech using corpus-based methods such as Unit-Selection (US), which can achieve high quality results but whose expressiveness is restricted to that available in the speech corpus. In order to improve the quality of the synthesis output, the current trend is to build ever larger speech databases, especially following the so-called End-to-End synthesis approach based on deep learning techniques. However, recording ad-hoc corpora for each and every desired expressive style can be extremely costly, or even unfeasible if the speaker is unable to properly perform the styles required for a given application (e.g., singing in the storytelling domain). Alternatively, new methods based on the physics of voice production have been developed in the last decade thanks to the increase in computing power. For instance, vowels or diphthongs can be obtained using the Finite Element Method (FEM) to simulate the propagation of acoustic waves through a 3D realistic vocal tract geometry obtained from Magnetic Resonance Imaging (MRI). However, since the main efforts in these numerical voice production methods have been focused on improving the modelling of the voice generation process, little attention has been paid to its expressiveness up to now. Furthermore, the collection of data for such simulations is very costly, besides requiring manual time-consuming postprocessing like that needed to extract 3D vocal tract geometries from MRI. The aim of the thesis is to add expressiveness into a system that generates neutral voice, without having to acquire expressive data from the original speaker. One the one hand, expressive capabilities are added to a Unit-Selection Text-to-Speech (US-TTS) system fed with a neutral speech corpus, to address specific and timely needs in the storytelling domain, such as for singing or in suspenseful situations. To this end, speech is parameterised using a harmonic-based model and subsequently transformed to the target expressive style according to an expert system. A first approach dealing with the synthesis of storytelling increasing suspense shows the viability of the proposal in terms of naturalness and storytelling quality. Singing capabilities are also added to the US-TTS system through the integration of Speech-to-Singing (STS) transformation modules into the TTS pipeline, and by incorporating an expressive prosody generation module that allows the US to select units closer to the target singing prosody obtained from the input score. This results in a Unit Selection based Text-to-Speech-and-Singing (US-TTS&S) synthesis framework that can generate both speech and singing from the same neutral speech small corpus (~2.6 h). According to the objective results, the score-driven US strategy can reduce the pitch scaling factors required to produce singing from the selected spoken units, but its effectiveness is limited regarding the time-scale requirements due to the short duration of the spoken vowels. Results from the perceptual tests show that although the obtained naturalness is obviously far from that given by a professional singing synthesiser, the framework can address eventual singing needs for synthetic storytelling with a reasonable quality. The incorporation of expressiveness is also investigated in the 3D FEM-based numerical simulation of vowels through modifications of the glottal flow signals following a source-filter approach of voice production. These signals are generated using a Liljencrants-Fant (LF) model controlled with the glottal shape parameter Rd, which allows exploring the tense-lax continuum of phonation besides the spoken vocal range of fundamental frequency values, F0. The contribution of the glottal source to higher order modes in the FEM synthesis of cardinal vowels [a], [i] and [u] is analysed through the comparison of the High Frequency Energy (HFE) values obtained with realistic and simplified 3D geometries of the vocal tract. The simulations indicate that higher order modes are expected to be perceptually relevant according to reference values stated in the literature, particularly for tense phonations and/or high F0s. Conversely, vowels with a lax phonation and/or low F0s can result in inaudible HFE levels, especially if aspiration noise is not present in the glottal source. After this preliminary study, the excitation characteristics of happy and aggressive vowels from a Spanish parallel speech corpus are analysed with the aim of incorporating this tense voice expressive styles into the numerical production of voice. To that effect, the GlottDNN vocoder is used to analyse F0 and spectral tilt variations associated with the glottal excitation on vowels [a]. These variations are mapped through the comparison with synthetic vowels into F0 and Rd values to simulate vowels resembling happy and aggressive styles. Results show that it is necessary to increase F0 and decrease Rd with respect to neutral speech, with larger variations for happy than aggressive style, especially for the stressed [a] vowels. The results achieved in the conducted investigations validate the possibility of adding expressiveness to both corpus-based US-TTS synthesis and FEM-based numerical simulation of voice. Nevertheless, there is still room for improvement. For instance, the strategy applied to the numerical voice production could be improved by studying and developing inverse filtering approaches as well as incorporating modifications of the vocal tract, whereas the developed US-TTS&S framework could benefit from advances in voice transformation techniques including voice quality modifications, taking advantage of the experience gained in the numerical simulation of expressive vowels

Vocal accommodation in human-computer interaction : modeling and integration into spoken dialogue systems

With the rapidly increasing usage of voice-activated devices worldwide, verbal communication with computers is steadily becoming more common. Although speech is the principal natural manner of human communication, it is still challenging for computers, and users had been growing accustomed to adjusting their speaking style for computers. Such adjustments occur naturally, and typically unconsciously, in humans during an exchange to control the social distance between the interlocutors and improve the conversation’s efficiency. This phenomenon is called accommodation and it occurs on various modalities in human communication, like hand gestures, facial expressions, eye gaze, lexical and grammatical choices, and others. Vocal accommodation deals with phonetic-level changes occurring in segmental and suprasegmental features. A decrease in the difference between the speakers’ feature realizations results in convergence, while an increasing distance leads to divergence. The lack of such mutual adjustments made naturally by humans in computers’ speech creates a gap between human-human and human-computer interactions. Moreover, voice-activated systems currently speak in exactly the same manner to all users, regardless of their speech characteristics or realizations of specific features. Detecting phonetic variations and generating adaptive speech output would enhance user personalization, offer more human-like communication, and ultimately should improve the overall interaction experience. Thus, investigating these aspects of accommodation will help to understand and improving human-computer interaction. This thesis provides a comprehensive overview of the required building blocks for a roadmap toward the integration of accommodation capabilities into spoken dialogue systems. These include conducting human-human and human-computer interaction experiments to examine the differences in vocal behaviors, approaches for modeling these empirical findings, methods for introducing phonetic variations in synthesized speech, and a way to combine all these components into an accommodative system. While each component is a wide research field by itself, they depend on each other and hence should be jointly considered. The overarching goal of this thesis is therefore not only to show how each of the aspects can be further developed, but also to demonstrate and motivate the connections between them. A special emphasis is put throughout the thesis on the importance of the temporal aspect of accommodation. Humans constantly change their speech over the course of a conversation. Therefore, accommodation processes should be treated as continuous, dynamic phenomena. Measuring differences in a few discrete points, e.g., beginning and end of an interaction, may leave many accommodation events undiscovered or overly smoothed. To justify the effort of introducing accommodation in computers, it should first be proven that humans even show any phonetic adjustments when talking to a computer as they do with a human being. As there is no definitive metric for measuring accommodation and evaluating its quality, it is important to empirically study humans productions to later use as references for possible behaviors. In this work, this investigation encapsulates different experimental configurations to achieve a better picture of accommodation effects. First, vocal accommodation was inspected where it naturally occurs, namely in spontaneous human-human conversations. For this purpose, a collection of real-world sales conversations, each with a different representative-prospect pair, was collected and analyzed. These conversations offer a glance into accommodation effects in authentic, unscripted interactions with the common goal of negotiating a deal on the one hand, but with the individual facet of each side of trying to get the best terms on the other hand. The conversations were analyzed using cross-correlation and time series techniques to capture the change dynamics over time. It was found that successful conversations are distinguishable from failed ones by multiple measures. Furthermore, the sales representative proved to be better at leading the vocal changes, i.e., making the prospect follow their speech styles rather than the other way around. They also showed a stronger tendency to take that lead at an earlier stage, all the more so in successful conversations. The fact that accommodation occurs more by trained speakers and improves their performances fits anecdotal best practices of sales experts, which are now also proven scientifically. Following these results, the next experiment came closer to the final goal of this work and investigated vocal accommodation effects in human-computer interaction. This was done via a shadowing experiment, which offers a controlled setting for examining phonetic variations. As spoken dialogue systems with such accommodation capabilities (like this work aims to achieve) do not exist yet, a simulated system was used to introduce these changes to the participants, who believed they help with the testing of a language learning tutoring system. After determining their preference concerning three segmental phonetic features, participants were listen-ing to either natural or synthesized voices of male and female speakers, which produced the participants’ dispreferred variation of the aforementioned features. Accommodation occurred in all cases, but the natural voices triggered stronger effects. Nevertheless, it can be concluded that participants were accommodating toward synthetic voices as well, which means that social mechanisms are applied in humans also when speaking with computer-based interlocutors. The shadowing paradigm was utilized also to test whether accommodation is a phenomenon associated only with speech or with other vocal productions as well. To that end, accommodation in the singing of familiar and novel music was examined. Interestingly, accommodation was found in both cases, though in different ways. While participants seemed to use the familiar piece merely as a reference for singing more accurately, the novel piece became the goal for complete replicate. For example, one difference was that mostly pitch corrections were introduced in the former case, while in the latter also key and rhythmic patterns were adopted. Some of those findings were expected and they show that people’s more salient features are also harder to modify using external auditory influence. Lastly, a multiparty experiment with spontaneous human-human-computer interactions was carried out to compare accommodation in human-directed and computer-directed speech. The participants solved tasks for which they needed to talk both with a confederate and with an agent. This allows a direct comparison of their speech based on the addressee within the same conversation, which has not been done so far. Results show that some participants’ vocal behavior changed similarly when talking to the confederate and the agent, while others’ speech varied only with the confederate. Further analysis found that the greatest factor for this difference was the order in which the participants talked with the interlocutors. Apparently, those who first talked to the agent alone saw it more as a social actor in the conversation, while those who interacted with it after talking to the confederate treated it more as a means to achieve a goal, and thus behaved differently with it. In the latter case, the variations in the human-directed speech were much more prominent. Differences were also found between the analyzed features, but the task type did not influence the degree of accommodation effects. The results of these experiments lead to the conclusion that vocal accommodation does occur in human-computer interactions, even if often to lesser degrees. With the question of whether people accommodate to computer-based interlocutors as well answered, the next step would be to describe accommodative behaviors in a computer-processable manner. Two approaches are proposed here: computational and statistical. The computational model aims to capture the presumed cognitive process associated with accommodation in humans. This comprises various steps, such as detecting the variable feature’s sound, adding instances of it to the feature’s mental memory, and determining how much the sound will change while taking into account both its current representation and the external input. Due to its sequential nature, this model was implemented as a pipeline. Each of the pipeline’s five steps corresponds to a specific part of the cognitive process and can have one or more parameters to control its output (e.g., the size of the feature’s memory or the accommodation pace). Using these parameters, precise accommodative behaviors can be crafted while applying expert knowledge to motivate the chosen parameter values. These advantages make this approach suitable for experimentation with pre-defined, deterministic behaviors where each step can be changed individually. Ultimately, this approach makes a system vocally responsive to users’ speech input. The second approach grants more evolved behaviors, by defining different core behaviors and adding non-deterministic variations on top of them. This resembles human behavioral patterns, as each person has a base way of accommodating (or not accommodating), which may arbitrarily change based on the specific circumstances. This approach offers a data-driven statistical way to extract accommodation behaviors from a given collection of interactions. First, the target feature’s values of each speaker in an interaction are converted into continuous interpolated lines by drawing one sample from the posterior distribution of a Gaussian process conditioned on the given values. Then, the gradients of these lines, which represent rates of mutual change, are used to defined discrete levels of change based on their distribution. Finally, each level is assigned a symbol, which ultimately creates a symbol sequence representation for each interaction. The sequences are clustered so that each cluster stands for a type of behavior. The sequences of a cluster can then be used to calculate n-gram probabilities that enable the generation of new sequences of the captured behavior. The specific output value is sampled from the range corresponding to the generated symbol. With this approach, accommodation behaviors are extracted directly from data, as opposed to manually crafting them. However, it is harder to describe what exactly these behaviors represent and motivate the use of one of them over the other. To bridge this gap between these two approaches, it is also discussed how they can be combined to benefit from the advantages of both. Furthermore, to generate more structured behaviors, a hierarchy of accommodation complexity levels is suggested here, from a direct adoption of users’ realizations, via specified responsiveness, and up to independent core behaviors with non-deterministic variational productions. Besides a way to track and represent vocal changes, an accommodative system also needs a text-to-speech component that is able to realize those changes in the system’s speech output. Speech synthesis models are typically trained once on data with certain characteristics and do not change afterward. This prevents such models from introducing any variation in specific sounds and other phonetic features. Two methods for directly modifying such features are explored here. The first is based on signal modifications applied to the output signal after it was generated by the system. The processing is done between the timestamps of the target features and uses pre-defined scripts that modify the signal to achieve the desired values. This method is more suitable for continuous features like vowel quality, especially in the case of subtle changes that do not necessarily lead to a categorical sound change. The second method aims to capture phonetic variations in the training data. To that end, a training corpus with phonemic representations is used, as opposed to the regular graphemic representations. This way, the model can learn more direct relations between phonemes and sound instead of surface forms and sound, which, depending on the language, might be more complex and depend on their surrounding letters. The target variations themselves don’t necessarily need to be explicitly present in the training data, all time the different sounds are naturally distinguishable. In generation time, the current target feature’s state determines the phoneme to use for generating the desired sound. This method is suitable for categorical changes, especially for contrasts that naturally exist in the language. While both methods have certain limitations, they provide a proof of concept for the idea that spoken dialogue systems may phonetically adapt their speech output in real-time and without re-training their text-to-speech models. To combine the behavior definitions and the speech manipulations, a system is required, which can connect these elements to create a complete accommodation capability. The architecture suggested here extends the standard spoken dialogue system with an additional module, which receives the transcribed speech signal from the speech recognition component without influencing the input to the language understanding component. While language the understanding component uses only textual transcription to determine the user’s intention, the added component process the raw signal along with its phonetic transcription. In this extended architecture, the accommodation model is activated in the added module and the information required for speech manipulation is sent to the text-to-speech component. However, the text-to-speech component now has two inputs, viz. the content of the system’s response coming from the language generation component and the states of the defined target features from the added component. An implementation of a web-based system with this architecture is introduced here, and its functionality is showcased by demonstrating how it can be used to conduct a shadowing experiment automatically. This has two main advantage: First, since the system recognizes the participants’ phonetic variations and automatically selects the appropriate variation to use in its response, the experimenter saves time and prevents manual annotation errors. The experimenter also automatically gains additional information, like exact timestamps of utterances, real-time visualization of the interlocutors’ productions, and the possibility to replay and analyze the interaction after the experiment is finished. The second advantage is scalability. Multiple instances of the system can run on a server and be accessed by multiple clients at the same time. This not only saves time and the logistics of bringing participants into a lab, but also allows running the experiment with different configurations (e.g., other parameter values or target features) in a controlled and reproducible way. This completes a full cycle from examining human behaviors to integrating accommodation capabilities. Though each part of it can undoubtedly be further investigated, the emphasis here is on how they depend and connect to each other. Measuring changes features without showing how they can be modeled or achieving flexible speech synthesis without considering the desired final output might not lead to the final goal of introducing accommodation capabilities into computers. Treating accommodation in human-computer interaction as one large process rather than isolated sub-problems lays the ground for more comprehensive and complete solutions in the future.Heutzutage wird die verbale Interaktion mit Computern immer gebräuchlicher, was der rasant wachsenden Anzahl von sprachaktivierten Geräten weltweit geschuldet ist. Allerdings stellt die computerseitige Handhabung gesprochener Sprache weiterhin eine große Herausforderung dar, obwohl sie die bevorzugte Art zwischenmenschlicher Kommunikation repräsentiert. Dieser Umstand führt auch dazu, dass Benutzer ihren Sprachstil an das jeweilige Gerät anpassen, um diese Handhabung zu erleichtern. Solche Anpassungen kommen in menschlicher gesprochener Sprache auch in der zwischenmenschlichen Kommunikation vor. Üblicherweise ereignen sie sich unbewusst und auf natürliche Weise während eines Gesprächs, etwa um die soziale Distanz zwischen den Gesprächsteilnehmern zu kontrollieren oder um die Effizienz des Gesprächs zu verbessern. Dieses Phänomen wird als Akkommodation bezeichnet und findet auf verschiedene Weise während menschlicher Kommunikation statt. Sie äußert sich zum Beispiel in der Gestik, Mimik, Blickrichtung oder aber auch in der Wortwahl und dem verwendeten Satzbau. Vokal- Akkommodation beschäftigt sich mit derartigen Anpassungen auf phonetischer Ebene, die sich in segmentalen und suprasegmentalen Merkmalen zeigen. Werden Ausprägungen dieser Merkmale bei den Gesprächsteilnehmern im Laufe des Gesprächs ähnlicher, spricht man von Konvergenz, vergrößern sich allerdings die Unterschiede, so wird dies als Divergenz bezeichnet. Dieser natürliche gegenseitige Anpassungsvorgang fehlt jedoch auf der Seite des Computers, was zu einer Lücke in der Mensch-Maschine-Interaktion führt. Darüber hinaus verwenden sprachaktivierte Systeme immer dieselbe Sprachausgabe und ignorieren folglich etwaige Unterschiede zum Sprachstil des momentanen Benutzers. Die Erkennung dieser phonetischen Abweichungen und die Erstellung von anpassungsfähiger Sprachausgabe würden zur Personalisierung dieser Systeme beitragen und könnten letztendlich die insgesamte Benutzererfahrung verbessern. Aus diesem Grund kann die Erforschung dieser Aspekte von Akkommodation helfen, Mensch-Maschine-Interaktion besser zu verstehen und weiterzuentwickeln. Die vorliegende Dissertation stellt einen umfassenden Überblick zu Bausteinen bereit, die nötig sind, um Akkommodationsfähigkeiten in Sprachdialogsysteme zu integrieren. In diesem Zusammenhang wurden auch interaktive Mensch-Mensch- und Mensch- Maschine-Experimente durchgeführt. In diesen Experimenten wurden Differenzen der vokalen Verhaltensweisen untersucht und Methoden erforscht, wie phonetische Abweichungen in synthetische Sprachausgabe integriert werden können. Um die erhaltenen Ergebnisse empirisch auswerten zu können, wurden hierbei auch verschiedene Modellierungsansätze erforscht. Fernerhin wurde der Frage nachgegangen, wie sich die betreffenden Komponenten kombinieren lassen, um ein Akkommodationssystem zu konstruieren. Jeder dieser Aspekte stellt für sich genommen bereits einen überaus breiten Forschungsbereich dar. Allerdings sind sie voneinander abhängig und sollten zusammen betrachtet werden. Aus diesem Grund liegt ein übergreifender Schwerpunkt dieser Dissertation darauf, nicht nur aufzuzeigen, wie sich diese Aspekte weiterentwickeln lassen, sondern auch zu motivieren, wie sie zusammenhängen. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit befasst sich mit der zeitlichen Komponente des Akkommodationsprozesses, was auf der Beobachtung fußt, dass Menschen im Laufe eines Gesprächs ständig ihren Sprachstil ändern. Diese Beobachtung legt nahe, derartige Prozesse als kontinuierliche und dynamische Prozesse anzusehen. Fasst man jedoch diesen Prozess als diskret auf und betrachtet z.B. nur den Beginn und das Ende einer Interaktion, kann dies dazu führen, dass viele Akkommodationsereignisse unentdeckt bleiben oder übermäßig geglättet werden. Um die Entwicklung eines vokalen Akkommodationssystems zu rechtfertigen, muss zuerst bewiesen werden, dass Menschen bei der vokalen Interaktion mit einem Computer ein ähnliches Anpassungsverhalten zeigen wie bei der Interaktion mit einem Menschen. Da es keine eindeutig festgelegte Metrik für das Messen des Akkommodationsgrades und für die Evaluierung der Akkommodationsqualität gibt, ist es besonders wichtig, die Sprachproduktion von Menschen empirisch zu untersuchen, um sie als Referenz für mögliche Verhaltensweisen anzuwenden. In dieser Arbeit schließt diese Untersuchung verschiedene experimentelle Anordnungen ein, um einen besseren Überblick über Akkommodationseffekte zu erhalten. In einer ersten Studie wurde die vokale Akkommodation in einer Umgebung untersucht, in der sie natürlich vorkommt: in einem spontanen Mensch-Mensch Gespräch. Zu diesem Zweck wurde eine Sammlung von echten Verkaufsgesprächen gesammelt und analysiert, wobei in jedem dieser Gespräche ein anderes Handelsvertreter-Neukunde Paar teilgenommen hatte. Diese Gespräche verschaffen einen Einblick in Akkommodationseffekte während spontanen authentischen Interaktionen, wobei die Gesprächsteilnehmer zwei Ziele verfolgen: zum einen soll ein Geschäft verhandelt werden, zum anderen möchte aber jeder Teilnehmer für sich die besten Bedingungen aushandeln. Die Konversationen wurde durch das Kreuzkorrelation-Zeitreihen-Verfahren analysiert, um die dynamischen Änderungen im Zeitverlauf zu erfassen. Hierbei kam zum Vorschein, dass sich erfolgreiche Konversationen von fehlgeschlagenen Gesprächen deutlich unterscheiden lassen. Überdies wurde festgestellt, dass die Handelsvertreter die treibende Kraft von vokalen Änderungen sind, d.h. sie können die Neukunden eher dazu zu bringen, ihren Sprachstil anzupassen, als andersherum. Es wurde auch beobachtet, dass sie diese Akkommodation oft schon zu einem frühen Zeitpunkt auslösen, was besonders bei erfolgreichen Gesprächen beobachtet werden konnte. Dass diese Akkommodation stärker bei trainierten Sprechern ausgelöst wird, deckt sich mit den meist anekdotischen Empfehlungen von erfahrenen Handelsvertretern, die bisher nie wissenschaftlich nachgewiesen worden sind. Basierend auf diesen Ergebnissen beschäfti

Application of singing synthesis techniquest to bertsolaritza

237 p

Conveying expressivity and vocal effort transformation in synthetic speech with Harmonic plus Noise Models

Aquesta tesi s'ha dut a terme dins del Grup en de Tecnologies Mèdia (GTM) de l'Escola d'Enginyeria i Arquitectura la Salle. El grup te una llarga trajectòria dins del cap de la síntesi de veu i fins i tot disposa d'un sistema propi de síntesi per concatenació d'unitats (US-TTS) que permet sintetitzar diferents estils expressius usant múltiples corpus. De forma que per a realitzar una síntesi agressiva, el sistema usa el corpus de l'estil agressiu, i per a realitzar una síntesi sensual, usa el corpus de l'estil corresponent. Aquesta tesi pretén proposar modificacions del esquema del US-TTS que permetin millorar la flexibilitat del sistema per sintetitzar múltiples expressivitats usant només un únic corpus d'estil neutre. L'enfoc seguit en aquesta tesi es basa en l'ús de tècniques de processament digital del senyal (DSP) per aplicar modificacions de senyal a la veu sintetitzada per tal que aquesta expressi l'estil de parla desitjat. Per tal de dur a terme aquestes modificacions de senyal s'han usat els models harmònic més soroll per la seva flexibilitat a l'hora de realitzar modificacions de senyal. La qualitat de la veu (VoQ) juga un paper important en els diferents estils expressius. És per això que es va estudiar la síntesi de diferents emocions mitjançant la modificació de paràmetres de VoQ de baix nivell. D'aquest estudi es van identificar un conjunt de limitacions que van donar lloc als objectius d'aquesta tesi, entre ells el trobar un paràmetre amb gran impacte sobre els estils expressius. Per aquest fet l'esforç vocal (VE) es va escollir per el seu paper important en la parla expressiva. Primer es va estudiar la possibilitat de transferir l'VE entre dues realitzacions amb diferent VE de la mateixa paraula basant-se en la tècnica de predicció lineal adaptativa del filtre de pre-èmfasi (APLP). La proposta va permetre transferir l'VE correctament però presentava limitacions per a poder generar nivells intermitjos d'VE. Amb la finalitat de millorar la flexibilitat i control de l'VE expressat a la veu sintetitzada, es va proposar un nou model d'VE basat en polinomis lineals. Aquesta proposta va permetre transferir l'VE entre dues paraules qualsevols i sintetitzar nous nivells d'VE diferents dels disponibles al corpus. Aquesta flexibilitat esta alineada amb l'objectiu general d'aquesta tesi, permetre als sistemes US-TTS sintetitzar diferents estils expressius a partir d'un únic corpus d'estil neutre. La proposta realitzada també inclou un paràmetre que permet controlar fàcilment el nivell d'VE sintetitzat. Això obre moltes possibilitats per controlar fàcilment el procés de síntesi tal i com es va fer al projecte CreaVeu usant interfícies gràfiques simples i intuïtives, també realitzat dins del grup GTM. Aquesta memòria conclou presentant el treball realitzat en aquesta tesi i amb una proposta de modificació de l'esquema d'un sistema US-TTS per incloure els blocs de DSP desenvolupats en aquesta tesi que permetin al sistema sintetitzar múltiple nivells d'VE a partir d'un corpus d'estil neutre. Això obre moltes possibilitats per generar interfícies d'usuari que permetin controlar fàcilment el procés de síntesi, tal i com es va fer al projecte CreaVeu, també realitzat dins del grup GTM. Aquesta memòria conclou presentant el treball realitzat en aquesta tesi i amb una proposta de modificació de l'esquema del sistema US-TTS per incloure els blocs de DSP desenvolupats en aquesta tesi que permetin al sistema sintetitzar múltiple nivells d'VE a partir d'un corpus d'estil neutre.Esta tesis se llevó a cabo en el Grup en Tecnologies Mèdia de la Escuela de Ingeniería y Arquitectura la Salle. El grupo lleva una larga trayectoria dentro del campo de la síntesis de voz y cuenta con su propio sistema de síntesis por concatenación de unidades (US-TTS). El sistema permite sintetizar múltiples estilos expresivos mediante el uso de corpus específicos para cada estilo expresivo. De este modo, para realizar una síntesis agresiva, el sistema usa el corpus de este estilo, y para un estilo sensual, usa otro corpus específico para ese estilo. La presente tesis aborda el problema con un enfoque distinto proponiendo cambios en el esquema del sistema con el fin de mejorar la flexibilidad para sintetizar múltiples estilos expresivos a partir de un único corpus de estilo de habla neutro. El planteamiento seguido en esta tesis esta basado en el uso de técnicas de procesamiento de señales (DSP) para llevar a cabo modificaciones del señal de voz para que este exprese el estilo de habla deseado. Para llevar acabo las modificaciones de la señal de voz se han usado los modelos harmónico más ruido (HNM) por su flexibilidad para efectuar modificaciones de señales. La cualidad de la voz (VoQ) juega un papel importante en diferentes estilos expresivos. Por ello se exploró la síntesis expresiva basada en modificaciones de parámetros de bajo nivel de la VoQ. Durante este estudio se detectaron diferentes problemas que dieron pié a los objetivos planteados en esta tesis, entre ellos el encontrar un único parámetro con fuerte influencia en la expresividad. El parámetro seleccionado fue el esfuerzo vocal (VE) por su importante papel a la hora de expresar diferentes emociones. Las primeras pruebas se realizaron con el fin de transferir el VE entre dos realizaciones con diferente grado de VE de la misma palabra usando una metodología basada en un proceso filtrado de pre-émfasis adaptativo con coeficientes de predicción lineales (APLP). Esta primera aproximación logró transferir el nivel de VE entre dos realizaciones de la misma palabra, sin embargo el proceso presentaba limitaciones para generar niveles de esfuerzo vocal intermedios. A fin de mejorar la flexibilidad y el control del sistema para expresar diferentes niveles de VE, se planteó un nuevo modelo de VE basado en polinomios lineales. Este modelo permitió transferir el VE entre dos palabras diferentes e incluso generar nuevos niveles no presentes en el corpus usado para la síntesis. Esta flexibilidad está alineada con el objetivo general de esta tesis de permitir a un sistema US-TTS expresar múltiples estilos de habla expresivos a partir de un único corpus de estilo neutro. Además, la metodología propuesta incorpora un parámetro que permite de forma sencilla controlar el nivel de VE expresado en la voz sintetizada. Esto abre la posibilidad de controlar fácilmente el proceso de síntesis tal y como se hizo en el proyecto CreaVeu usando interfaces simples e intuitivas, también realizado dentro del grupo GTM. Esta memoria concluye con una revisión del trabajo realizado en esta tesis y con una propuesta de modificación de un esquema de US-TTS para expresar diferentes niveles de VE a partir de un único corpus neutro.This thesis was conducted in the Grup en Tecnologies M`edia (GTM) from Escola d’Enginyeria i Arquitectura la Salle. The group has a long trajectory in the speech synthesis field and has developed their own Unit-Selection Text-To-Speech (US-TTS) which is able to convey multiple expressive styles using multiple expressive corpora, one for each expressive style. Thus, in order to convey aggressive speech, the US-TTS uses an aggressive corpus, whereas for a sensual speech style, the system uses a sensual corpus. Unlike that approach, this dissertation aims to present a new schema for enhancing the flexibility of the US-TTS system for performing multiple expressive styles using a single neutral corpus. The approach followed in this dissertation is based on applying Digital Signal Processing (DSP) techniques for carrying out speech modifications in order to synthesize the desired expressive style. For conducting the speech modifications the Harmonics plus Noise Model (HNM) was chosen for its flexibility in conducting signal modifications. Voice Quality (VoQ) has been proven to play an important role in different expressive styles. Thus, low-level VoQ acoustic parameters were explored for conveying multiple emotions. This raised several problems setting new objectives for the rest of the thesis, among them finding a single parameter with strong impact on the expressive style conveyed. Vocal Effort (VE) was selected for conducting expressive speech style modifications due to its salient role in expressive speech. The first approach working with VE was based on transferring VE between two parallel utterances based on the Adaptive Pre-emphasis Linear Prediction (APLP) technique. This approach allowed transferring VE but the model presented certain restrictions regarding its flexibility for generating new intermediate VE levels. Aiming to improve the flexibility and control of the conveyed VE, a new approach using polynomial model for modelling VE was presented. This model not only allowed transferring VE levels between two different utterances, but also allowed to generate other VE levels than those present in the speech corpus. This is aligned with the general goal of this thesis, allowing US-TTS systems to convey multiple expressive styles with a single neutral corpus. Moreover, the proposed methodology introduces a parameter for controlling the degree of VE in the synthesized speech signal. This opens new possibilities for controlling the synthesis process such as the one in the CreaVeu project using a simple and intuitive graphical interfaces, also conducted in the GTM group. The dissertation concludes with a review of the conducted work and a proposal for schema modifications within a US-TTS system for introducing the VE modification blocks designed in this dissertation

Visual Speech Synthesis using Dynamic Visemes and Deep Learning Architectures

The aim of this work is to improve the naturalness of visual speech synthesis produced automatically from a linguistic input over existing methods. Firstly, the most important contribution is on the investigation of the most suitable speech units for the visual speech synthesis. We propose the use of dynamic visemes instead of phonemes or static visemes and found that dynamic visemes can generate better visual speech than either phone or static viseme units. Moreover, best performance is obtained by a combined phoneme-dynamic viseme system. Secondly, we examine the most appropriate model between hidden Markov model (HMM) and different deep learning models that include feedforward and recurrent structures consisting of one-to-one, many-to-one and many-to-many architectures. Results suggested that that frame-by-frame synthesis from deep learning approach outperforms state-based synthesis from HMM approaches and an encoder-decoder many-to-many architecture is better than the one-to-one and many-to-one architectures. Thirdly, we explore the importance of contextual features that include information at varying linguistic levels, from frame level up to the utterance level. Our findings found that frame level information is the most valuable feature, as it is able to avoid discontinuities in the visual feature sequence and produces a smooth and realistic animation output. Fourthly, we found that the two most common objective measures of correlation and root mean square error are not able to indicate realism and naturalness of human perceived quality. We introduce an alternative objective measure and show that the global variance is a better indicator of human perception of quality. Finally, we propose a novel method to convert a given text input and phoneme transcription into a dynamic viseme transcription in the case when a reference dynamic viseme sequence is not available. Subjective preference tests confirmed that our proposed method is able to produce animation, that are statistically indistinguishable from animation produced using reference data

Towards a framework for socially interactive robots

250 p.En las últimas décadas, la investigación en el campo de la robótica social ha crecido considerablemente. El desarrollo de diferentes tipos de robots y sus roles dentro de la sociedad se están expandiendo poco a poco. Los robots dotados de habilidades sociales pretenden ser utilizados para diferentes aplicaciones; por ejemplo, como profesores interactivos y asistentes educativos, para apoyar el manejo de la diabetes en niños, para ayudar a personas mayores con necesidades especiales, como actores interactivos en el teatro o incluso como asistentes en hoteles y centros comerciales.El equipo de investigación RSAIT ha estado trabajando en varias áreas de la robótica, en particular,en arquitecturas de control, exploración y navegación de robots, aprendizaje automático y visión por computador. El trabajo presentado en este trabajo de investigación tiene como objetivo añadir una nueva capa al desarrollo anterior, la capa de interacción humano-robot que se centra en las capacidades sociales que un robot debe mostrar al interactuar con personas, como expresar y percibir emociones, mostrar un alto nivel de diálogo, aprender modelos de otros agentes, establecer y mantener relaciones sociales, usar medios naturales de comunicación (mirada, gestos, etc.),mostrar personalidad y carácter distintivos y aprender competencias sociales.En esta tesis doctoral, tratamos de aportar nuestro grano de arena a las preguntas básicas que surgen cuando pensamos en robots sociales: (1) ¿Cómo nos comunicamos (u operamos) los humanos con los robots sociales?; y (2) ¿Cómo actúan los robots sociales con nosotros? En esa línea, el trabajo se ha desarrollado en dos fases: en la primera, nos hemos centrado en explorar desde un punto de vista práctico varias formas que los humanos utilizan para comunicarse con los robots de una maneranatural. En la segunda además, hemos investigado cómo los robots sociales deben actuar con el usuario.Con respecto a la primera fase, hemos desarrollado tres interfaces de usuario naturales que pretenden hacer que la interacción con los robots sociales sea más natural. Para probar tales interfaces se han desarrollado dos aplicaciones de diferente uso: robots guía y un sistema de controlde robot humanoides con fines de entretenimiento. Trabajar en esas aplicaciones nos ha permitido dotar a nuestros robots con algunas habilidades básicas, como la navegación, la comunicación entre robots y el reconocimiento de voz y las capacidades de comprensión.Por otro lado, en la segunda fase nos hemos centrado en la identificación y el desarrollo de los módulos básicos de comportamiento que este tipo de robots necesitan para ser socialmente creíbles y confiables mientras actúan como agentes sociales. Se ha desarrollado una arquitectura(framework) para robots socialmente interactivos que permite a los robots expresar diferentes tipos de emociones y mostrar un lenguaje corporal natural similar al humano según la tarea a realizar y lascondiciones ambientales.La validación de los diferentes estados de desarrollo de nuestros robots sociales se ha realizado mediante representaciones públicas. La exposición de nuestros robots al público en esas actuaciones se ha convertido en una herramienta esencial para medir cualitativamente la aceptación social de los prototipos que estamos desarrollando. De la misma manera que los robots necesitan un cuerpo físico para interactuar con el entorno y convertirse en inteligentes, los robots sociales necesitan participar socialmente en tareas reales para las que han sido desarrollados, para así poder mejorar su sociabilida