A Comparison Between STRAIGHT, Glottal, an Sinusoidal Vocoding in Statistical Parametric Speech Synthesis

Speech is a fundamental method of human communication that allows conveying information between people. Even though the linguistic content is commonly regarded as the main information in speech, the signal contains a richness of other information, such as prosodic cues that shape the intended meaning of a sentence. This information is largely generated by quasi-periodic glottal excitation, which is the acoustic speech excitation airflow originating from the lungs that makes the vocal folds oscillate in the production of voiced speech. By regulating the sub-glottal pressure and the tension of the vocal folds, humans learn to affect the characteristics of the glottal excitation in order to signal the emotional state of the speaker for example. Glottal inverse filtering (GIF) is an estimation method for the glottal excitation of a recorded speech signal. Various cues about the speech signal, such as the mode of phonation, can be detected and analyzed from an estimate of the glottal flow, both instantaneously and as a function of time. Aside from its use in fundamental speech research, such as phonetics, the recent advances in GIF and machine learning enable a wider variety of GIF applications, such as emotional speech synthesis and the detection of paralinguistic information. However, GIF is a difficult inverse problem where the target algorithm output is generally unattainable with direct measurements. Thus the algorithms and their evaluation need to rely on some prior assumptions about the properties of the speech signal. A common thread utilized in most of the studies in this thesis is the estimation of the vocal tract transfer function (the key problem in GIF) by temporally weighting the optimization criterion in GIF so that the effect of the main excitation peak is attenuated. This thesis studies GIF from various perspectives---including the development of two new GIF methods that improve GIF performance over the state-of-the-art methods---and furthers basic research in the automated estimation of glottal excitation. The estimation of the GIF-based vocal tract transfer function for formant tracking and perceptually weighted speech envelope estimation is also studied. The central speech technology application of GIF addressed in the thesis is the use of GIF-based spectral envelope models and glottal excitation waveforms as target training data for the generative neural network models used in statistical parametric speech synthesis. The obtained results show that even though the presented studies provide improvements to the previous methodology for all voice types, GIF-based speech processing continues to mainly benefit male voices in speech synthesis applications.Puhe on olennainen osa ihmistenvälistä informaation siirtoa. Vaikka kielellistä sisältöä pidetään yleisesti puheen tärkeimpänä ominaisuutena, puhesignaali sisältää myös runsaasti muuta informaatiota kuten prosodisia vihjeitä, jotka muokkaavat siirrettävän informaation merkitystä. Tämä informaatio tuotetaan suurilta osin näennäisjaksollisella glottisherätteellä, joka on puheen herätteenä toimiva akustinen virtaussignaali. Säätämällä äänihuulten alapuolista painetta ja äänihuulten kireyttä ihmiset muuttavat glottisherätteen ominaisuuksia viestittääkseen esimerkiksi tunnetilaa. Glottaalinen käänteissuodatus (GKS) on laskennallinen menetelmä glottisherätteen estimointiin nauhoitetusta puhesignaalista. Glottisherätteen perusteella puheen laadusta voidaan tunnistaa useita piirteitä kuten ääntötapa, sekä hetkellisesti että ajan funktiona. Puheen perustutkimuksen, kuten fonetiikan, lisäksi viimeaikaiset edistykset GKS:ssä ja koneoppimisessa ovat avaamassa mahdollisuuksia laajempaan GKS:n soveltamiseen puheteknologiassa, kuten puhesynteesissä ja puheen biopiirteistämisessä paralingvistisiä sovelluksia varten. Haasteena on kuitenkin se, että GKS on vaikea käänteisongelma, jossa todellista puhetta vastaavan glottisherätteen suora mittaus on mahdotonta. Tästä johtuen GKS:ssä käytettävien algoritmien kehitystyö ja arviointi perustuu etukäteisoletuksiin puhesignaalin ominaisuuksista. Tässä väitöskirjassa esitetyissä menetelmissä on yhteisenä oletuksena se, että ääntöväylän siirtofunktio voidaan arvioida (joka on GKS:n pääongelma) aikapainottamalla GKS:n optimointikriteeriä niin, että glottisherätteen pääeksitaatiopiikkin vaikutus vaimenee. Tässä väitöskirjassa GKS:ta tutkitaan useasta eri näkökulmasta, jotka sisältävät kaksi uutta GKS-menetelmää, jotka parantavat arviointituloksia aikaisempiin menetelmiin verrattuna, sekä perustutkimusta käänteissuodatusprosessin automatisointiin liittyen. Lisäksi GKS-pohjaista ääntöväylän siirtofunktiota käytetään formanttiestimoinnissa sekä kuulohavaintopainotettuna versiona puheen spektrin verhokäyrän arvioinnissa. Tämän väitöskirjan keskeisin puheteknologiasovellus on GKS-pohjaisten puheen spektrin verhokäyrämallien sekä glottisheräteaaltomuotojen käyttö kohdedatana neuroverkkomalleille tilastollisessa parametrisessa puhesynteesissä. Saatujen tulosten perusteella kehitetyt menetelmät parantavat GKS-pohjaisten menetelmien laatua kaikilla äänityypeillä, mutta puhesynteesisovelluksissa GKS-pohjaiset ratkaisut hyödyttävät edelleen lähinnä matalia miesääniä

Hidden Markov model based Finnish text-to-speech system utilizing glottal inverse filtering

Tässä työssä esitetään uusi Markovin piilomalleihin (hidden Markov model, HMM) perustuva äänilähteen käänteissuodatusta hyödyntävä suomenkielinen puhesynteesijärjestelmä. Uuden puhesynteesimenetelmän päätavoite on tuottaa luonnolliselta kuulostavaa synteettistä puhetta, jonka ominaisuuksia voidaan muuttaa eri puhujien, puhetyylien tai jopa äänen emootiosisällön mukaan. Näiden tavoitteiden mahdollistamiseksi uudessa puhesynteesimenetelmässä mallinnetaan ihmisen äänentuottojärjestelmää äänilähteen käänteissuodatuksen ja HMM-mallinnuksen avulla. Uusi puhesynteesijärjestelmä hyödyntää äänilähteen käänteissuodatusmenetelmää, joka mahdollistaa äänilähteen ominaisuuksien parametrisoinnin erillään muista puheen parametreista, ja siten näiden parametrien mallintamisen erikseen HMM-järjestelmässä. Synteesivaiheessa luonnollisesta puheesta laskettuja glottispulsseja käytetään äänilähteen luomiseen, ja äänilähteen ominaisuuksia muokataan edelleen tilastollisen HMM-järjestelmän tuottaman parametrisen kuvauksen avulla, mikä imitoi oikeassa puheessa esiintyvää luonnollista äänilähteen ominaisuuksien vaihtelua. Subjektiivisten kuuntelukokeiden tulokset osoittavat, että uuden puhesynteesimenetelmän laatu on huomattavasti parempi verrattuna perinteiseen HMM-pohjaiseen puhesynteesijärjestelmään. Lisäksi tulokset osoittavat, että uusi puhesynteesimenetelmä pystyy tuottamaan luonnolliselta kuulostavaa puhetta eri puhujien ominaisuuksilla.In this work, a new hidden Markov model (HMM) based text-to-speech (TTS) system utilizing glottal inverse filtering is described. The primary goal of the new TTS system is to enable producing natural sounding synthetic speech in different speaking styles with different speaker characteristics and emotions. In order to achieve these goals, the function of the real human voice production mechanism is modeled with the help of glottal inverse filtering embedded in a statistical framework of HMM. The new TTS system uses a glottal inverse filtering based parametrization method that enables the extraction of voice source characteristics separate from other speech parameters, and thus the individual modeling of these characteristics in the HMM system. In the synthesis stage, natural glottal flow pulses are used for creating the voice source, and the voice source characteristics are further modified according to the adaptive all-pole model generated by the HMM system in order to imitate the natural variation in the real voice source. Subjective listening tests show that the quality of the new TTS system is considerably better compared to a traditional HMM-based speech synthesizer. Moreover, the new system is clearly able to produce natural sounding synthetic speech with specific speaker characteristics

Classification and Separation Techniques based on Fundamental Frequency for Speech Enhancement

[ES] En esta tesis se desarrollan nuevos algoritmos de clasificación y mejora de voz basados en las propiedades de la frecuencia fundamental (F0) de la señal vocal. Estas propiedades permiten su discriminación respecto al resto de señales de la escena acústica, ya sea mediante la definición de características (para clasificación) o la definición de modelos de señal (para separación). Tres contribuciones se aportan en esta tesis: 1) un algoritmo de clasificación de entorno acústico basado en F0 para audífonos digitales, capaz de clasificar la señal en las clases voz y no-voz; 2) un algoritmo de detección de voz sonora basado en la aperiodicidad, capaz de funcionar en ruido no estacionario y con aplicación a mejora de voz; 3) un algoritmo de separación de voz y ruido basado en descomposición NMF, donde el ruido se modela de una forma genérica mediante restricciones matemáticas.[EN]This thesis is focused on the development of new classification and speech enhancement algorithms based, explicitly or implicitly, on the fundamental frequency (F0). The F0 of speech has a number of properties that enable speech discrimination from the remaining signals in the acoustic scene, either by defining F0-based signal features (for classification) or F0-based signal models (for separation). Three main contributions are included in this work: 1) an acoustic environment classification algorithm for hearing aids based on F0 to classify the input signal into speech and nonspeech classes; 2) a frame-by-frame basis voiced speech detection algorithm based on the aperiodicity measure, able to work under non-stationary noise and applicable to speech enhancement; 3) a speech denoising algorithm based on a regularized NMF decomposition, in which the background noise is described in a generic way with mathematical constraints.Tesis Univ. Jaén. Departamento de Ingeniería de Telecomunición. Leída el 11 de enero de 201

Audio source separation for music in low-latency and high-latency scenarios

Aquesta tesi proposa mètodes per tractar les limitacions de les tècniques existents de separació de fonts musicals en condicions de baixa i alta latència. En primer lloc, ens centrem en els mètodes amb un baix cost computacional i baixa latència. Proposem l'ús de la regularització de Tikhonov com a mètode de descomposició de l'espectre en el context de baixa latència. El comparem amb les tècniques existents en tasques d'estimació i seguiment dels tons, que són passos crucials en molts mètodes de separació. A continuació utilitzem i avaluem el mètode de descomposició de l'espectre en tasques de separació de veu cantada, baix i percussió. En segon lloc, proposem diversos mètodes d'alta latència que milloren la separació de la veu cantada, gràcies al modelatge de components específics, com la respiració i les consonants. Finalment, explorem l'ús de correlacions temporals i anotacions manuals per millorar la separació dels instruments de percussió i dels senyals musicals polifònics complexes.Esta tesis propone métodos para tratar las limitaciones de las técnicas existentes de separación de fuentes musicales en condiciones de baja y alta latencia. En primer lugar, nos centramos en los métodos con un bajo coste computacional y baja latencia. Proponemos el uso de la regularización de Tikhonov como método de descomposición del espectro en el contexto de baja latencia. Lo comparamos con las técnicas existentes en tareas de estimación y seguimiento de los tonos, que son pasos cruciales en muchos métodos de separación. A continuación utilizamos y evaluamos el método de descomposición del espectro en tareas de separación de voz cantada, bajo y percusión. En segundo lugar, proponemos varios métodos de alta latencia que mejoran la separación de la voz cantada, gracias al modelado de componentes que a menudo no se toman en cuenta, como la respiración y las consonantes. Finalmente, exploramos el uso de correlaciones temporales y anotaciones manuales para mejorar la separación de los instrumentos de percusión y señales musicales polifónicas complejas.This thesis proposes specific methods to address the limitations of current music source separation methods in low-latency and high-latency scenarios. First, we focus on methods with low computational cost and low latency. We propose the use of Tikhonov regularization as a method for spectrum decomposition in the low-latency context. We compare it to existing techniques in pitch estimation and tracking tasks, crucial steps in many separation methods. We then use the proposed spectrum decomposition method in low-latency separation tasks targeting singing voice, bass and drums. Second, we propose several high-latency methods that improve the separation of singing voice by modeling components that are often not accounted for, such as breathiness and consonants. Finally, we explore using temporal correlations and human annotations to enhance the separation of drums and complex polyphonic music signals