Voice source characterization for prosodic and spectral manipulation

The objective of this dissertation is to study and develop techniques to decompose the speech signal into its two main components: voice source and vocal tract. Our main efforts are on the glottal pulse analysis and characterization. We want to explore the utility of this model in different areas of speech processing: speech synthesis, voice conversion or emotion detection among others. Thus, we will study different techniques for prosodic and spectral manipulation. One of our requirements is that the methods should be robust enough to work with the large databases typical of speech synthesis. We use a speech production model in which the glottal flow produced by the vibrating vocal folds goes through the vocal (and nasal) tract cavities and its radiated by the lips. Removing the effect of the vocal tract from the speech signal to obtain the glottal pulse is known as inverse filtering. We use a parametric model fo the glottal pulse directly in the source-filter decomposition phase. In order to validate the accuracy of the parametrization algorithm, we designed a synthetic corpus using LF glottal parameters reported in the literature, complemented with our own results from the vowel database. The results show that our method gives satisfactory results in a wide range of glottal configurations and at different levels of SNR. Our method using the whitened residual compared favorably to this reference, achieving high quality ratings (Good-Excellent). Our full parametrized system scored lower than the other two ranking in third place, but still higher than the acceptance threshold (Fair-Good). Next we proposed two methods for prosody modification, one for each of the residual representations explained above. The first method used our full parametrization system and frame interpolation to perform the desired changes in pitch and duration. The second method used resampling on the residual waveform and a frame selection technique to generate a new sequence of frames to be synthesized. The results showed that both methods are rated similarly (Fair-Good) and that more work is needed in order to achieve quality levels similar to the reference methods. As part of this dissertation, we have studied the application of our models in three different areas: voice conversion, voice quality analysis and emotion recognition. We have included our speech production model in a reference voice conversion system, to evaluate the impact of our parametrization in this task. The results showed that the evaluators preferred our method over the original one, rating it with a higher score in the MOS scale. To study the voice quality, we recorded a small database consisting of isolated, sustained Spanish vowels in four different phonations (modal, rough, creaky and falsetto) and were later also used in our study of voice quality. Comparing the results with those reported in the literature, we found them to generally agree with previous findings. Some differences existed, but they could be attributed to the difficulties in comparing voice qualities produced by different speakers. At the same time we conducted experiments in the field of voice quality identification, with very good results. We have also evaluated the performance of an automatic emotion classifier based on GMM using glottal measures. For each emotion, we have trained an specific model using different features, comparing our parametrization to a baseline system using spectral and prosodic characteristics. The results of the test were very satisfactory, showing a relative error reduction of more than 20% with respect to the baseline system. The accuracy of the different emotions detection was also high, improving the results of previously reported works using the same database. Overall, we can conclude that the glottal source parameters extracted using our algorithm have a positive impact in the field of automatic emotion classification

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

A Silent-Speech Interface using Electro-Optical Stomatography

Sprachtechnologie ist eine große und wachsende Industrie, die das Leben von technologieinteressierten Nutzern auf zahlreichen Wegen bereichert. Viele potenzielle Nutzer werden jedoch ausgeschlossen: Nämlich alle Sprecher, die nur schwer oder sogar gar nicht Sprache produzieren können. Silent-Speech Interfaces bieten einen Weg, mit Maschinen durch ein bequemes sprachgesteuertes Interface zu kommunizieren ohne dafür akustische Sprache zu benötigen. Sie können außerdem prinzipiell eine Ersatzstimme stellen, indem sie die intendierten Äußerungen, die der Nutzer nur still artikuliert, künstlich synthetisieren. Diese Dissertation stellt ein neues Silent-Speech Interface vor, das auf einem neu entwickelten Messsystem namens Elektro-Optischer Stomatografie und einem neuartigen parametrischen Vokaltraktmodell basiert, das die Echtzeitsynthese von Sprache basierend auf den gemessenen Daten ermöglicht. Mit der Hardware wurden Studien zur Einzelworterkennung durchgeführt, die den Stand der Technik in der intra- und inter-individuellen Genauigkeit erreichten und übertrafen. Darüber hinaus wurde eine Studie abgeschlossen, in der die Hardware zur Steuerung des Vokaltraktmodells in einer direkten Artikulation-zu-Sprache-Synthese verwendet wurde. Während die Verständlichkeit der Synthese von Vokalen sehr hoch eingeschätzt wurde, ist die Verständlichkeit von Konsonanten und kontinuierlicher Sprache sehr schlecht. Vielversprechende Möglichkeiten zur Verbesserung des Systems werden im Ausblick diskutiert.:Statement of authorship iii Abstract v List of Figures vii List of Tables xi Acronyms xiii 1. Introduction 1 1.1. The concept of a Silent-Speech Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2. Structure of this work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2. Fundamentals of phonetics 7 2.1. Components of the human speech production system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2. Vowel sounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3. Consonantal sounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.4. Acoustic properties of speech sounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.5. Coarticulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.6. Phonotactics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.7. Summary and implications for the design of a Silent-Speech Interface (SSI) . . . . . . . 21 3. Articulatory data acquisition techniques in Silent-Speech Interfaces 25 3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2. Scope of the literature review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.3. Video Recordings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.4. Ultrasonography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.5. Electromyography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.6. Permanent-Magnetic Articulography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.7. Electromagnetic Articulography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.8. Radio waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.9. Palatography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.10.Conclusion and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4. Electro-Optical Stomatography 55 4.1. Contact sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.2. Optical distance sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.3. Lip sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.4. Sensor Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.5. Control Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.6. Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5. Articulation-to-Text 99 5.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.2. Command word recognition pilot study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.3. Command word recognition small-scale study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6. Articulation-to-Speech 109 6.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.2. Articulatory synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.3. The six point vocal tract model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 6.4. Objective evaluation of the vocal tract model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 6.5. Perceptual evaluation of the vocal tract model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6.6. Direct synthesis using EOS to control the vocal tract model . . . . . . . . . . . . . . . . 125 6.7. Pitch and voicing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 7. Summary and outlook 145 7.1. Summary of the contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 7.2. Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 A. Overview of the International Phonetic Alphabet 151 B. Mathematical proofs and derivations 153 B.1. Combinatoric calculations illustrating the reduction of possible syllables using phonotactics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 B.2. Signal Averaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 B.3. Effect of the contact sensor area on the conductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 B.4. Calculation of the forward current for the OP280V diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 C. Schematics and layouts 157 C.1. Schematics of the control unit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 C.2. Layout of the control unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 C.3. Bill of materials of the control unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 C.4. Schematics of the sensor unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 C.5. Layout of the sensor unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 C.6. Bill of materials of the sensor unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 D. Sensor unit assembly 169 E. Firmware flow and data protocol 177 F. Palate file format 181 G. Supplemental material regarding the vocal tract model 183 H. Articulation-to-Speech: Optimal hyperparameters 189 Bibliography 191Speech technology is a major and growing industry that enriches the lives of technologically-minded people in a number of ways. Many potential users are, however, excluded: Namely, all speakers who cannot easily or even at all produce speech. Silent-Speech Interfaces offer a way to communicate with a machine by a convenient speech recognition interface without the need for acoustic speech. They also can potentially provide a full replacement voice by synthesizing the intended utterances that are only silently articulated by the user. To that end, the speech movements need to be captured and mapped to either text or acoustic speech. This dissertation proposes a new Silent-Speech Interface based on a newly developed measurement technology called Electro-Optical Stomatography and a novel parametric vocal tract model to facilitate real-time speech synthesis based on the measured data. The hardware was used to conduct command word recognition studies reaching state-of-the-art intra- and inter-individual performance. Furthermore, a study on using the hardware to control the vocal tract model in a direct articulation-to-speech synthesis loop was also completed. While the intelligibility of synthesized vowels was high, the intelligibility of consonants and connected speech was quite poor. Promising ways to improve the system are discussed in the outlook.:Statement of authorship iii Abstract v List of Figures vii List of Tables xi Acronyms xiii 1. Introduction 1 1.1. The concept of a Silent-Speech Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2. Structure of this work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2. Fundamentals of phonetics 7 2.1. Components of the human speech production system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2. Vowel sounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3. Consonantal sounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.4. Acoustic properties of speech sounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.5. Coarticulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.6. Phonotactics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.7. Summary and implications for the design of a Silent-Speech Interface (SSI) . . . . . . . 21 3. Articulatory data acquisition techniques in Silent-Speech Interfaces 25 3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2. Scope of the literature review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.3. Video Recordings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.4. Ultrasonography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.5. Electromyography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.6. Permanent-Magnetic Articulography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.7. Electromagnetic Articulography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.8. Radio waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.9. Palatography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.10.Conclusion and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4. Electro-Optical Stomatography 55 4.1. Contact sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.2. Optical distance sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.3. Lip sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.4. Sensor Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.5. Control Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.6. Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5. Articulation-to-Text 99 5.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.2. Command word recognition pilot study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.3. Command word recognition small-scale study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6. Articulation-to-Speech 109 6.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.2. Articulatory synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.3. The six point vocal tract model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 6.4. Objective evaluation of the vocal tract model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 6.5. Perceptual evaluation of the vocal tract model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6.6. Direct synthesis using EOS to control the vocal tract model . . . . . . . . . . . . . . . . 125 6.7. Pitch and voicing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 7. Summary and outlook 145 7.1. Summary of the contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 7.2. Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 A. Overview of the International Phonetic Alphabet 151 B. Mathematical proofs and derivations 153 B.1. Combinatoric calculations illustrating the reduction of possible syllables using phonotactics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 B.2. Signal Averaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 B.3. Effect of the contact sensor area on the conductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 B.4. Calculation of the forward current for the OP280V diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 C. Schematics and layouts 157 C.1. Schematics of the control unit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 C.2. Layout of the control unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 C.3. Bill of materials of the control unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 C.4. Schematics of the sensor unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 C.5. Layout of the sensor unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 C.6. Bill of materials of the sensor unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 D. Sensor unit assembly 169 E. Firmware flow and data protocol 177 F. Palate file format 181 G. Supplemental material regarding the vocal tract model 183 H. Articulation-to-Speech: Optimal hyperparameters 189 Bibliography 19

Models and Analysis of Vocal Emissions for Biomedical Applications

The MAVEBA Workshop proceedings, held on a biannual basis, collect the scientific papers presented both as oral and poster contributions, during the conference. The main subjects are: development of theoretical and mechanical models as an aid to the study of main phonatory dysfunctions, as well as the biomedical engineering methods for the analysis of voice signals and images, as a support to clinical diagnosis and classification of vocal pathologies

Text-Independent Voice Conversion

This thesis deals with text-independent solutions for voice conversion. It first introduces the use of vocal tract length normalization (VTLN) for voice conversion. The presented variants of VTLN allow for easily changing speaker characteristics by means of a few trainable parameters. Furthermore, it is shown how VTLN can be expressed in time domain strongly reducing the computational costs while keeping a high speech quality. The second text-independent voice conversion paradigm is residual prediction. In particular, two proposed techniques, residual smoothing and the application of unit selection, result in essential improvement of both speech quality and voice similarity. In order to apply the well-studied linear transformation paradigm to text-independent voice conversion, two text-independent speech alignment techniques are introduced. One is based on automatic segmentation and mapping of artificial phonetic classes and the other is a completely data-driven approach with unit selection. The latter achieves a performance very similar to the conventional text-dependent approach in terms of speech quality and similarity. It is also successfully applied to cross-language voice conversion. The investigations of this thesis are based on several corpora of three different languages, i.e., English, Spanish, and German. Results are also presented from the multilingual voice conversion evaluation in the framework of the international speech-to-speech translation project TC-Star

Phase-Distortion-Robust Voice-Source Analysis

This work concerns itself with the analysis of voiced speech signals, in particular the analysis of the glottal source signal. Following the source-filter theory of speech, the glottal signal is produced by the vibratory behaviour of the vocal folds and is modulated by the resonances of the vocal tract and radiation characteristic of the lips to form the speech signal. As it is thought that the glottal source signal contributes much of the non-linguistic and prosodical information to speech, it is useful to develop techniques which can estimate and parameterise this signal accurately. Because of vocal tract modulation, estimating the glottal source waveform from the speech signal is a blind deconvolution problem which necessarily makes assumptions about the characteristics of both the glottal source and vocal tract. A common assumption is that the glottal signal and/or vocal tract can be approximated by a parametric model. Other assumptions include the causality of the speech signal: the vocal tract is assumed to be a minimum phase system while the glottal source is assumed to exhibit mixed phase characteristics. However, as the literature review within this thesis will show, the error criteria utilised to determine the parameters are not robust to the conditions under which the speech signal is recorded, and are particularly degraded in the common scenario where low frequency phase distortion is introduced. Those that are robust to this type of distortion are not well suited to the analysis of real-world signals. This research proposes a voice-source estimation and parameterisation technique, called the Power-spectrum-based determination of the Rd parameter (PowRd) method. Illustrated by theory and demonstrated by experiment, the new technique is robust to the time placement of the analysis frame and phase issues that are generally encountered during recording. The method assumes that the derivative glottal flow signal is approximated by the transformed Liljencrants-Fant model and that the vocal tract can be represented by an all-pole filter. Unlike many existing glottal source estimation methods, the PowRd method employs a new error criterion to optimise the parameters which is also suitable to determine the optimal vocal-tract filter order. In addition to the issue of glottal source parameterisation, nonlinear phase recording conditions can also adversely affect the results of other speech processing tasks such as the estimation of the instant of glottal closure. In this thesis, a new glottal closing instant estimation algorithm is proposed which incorporates elements from the state-of-the-art techniques and is specifically designed for operation upon speech recorded under nonlinear phase conditions. The new method, called the Fundamental RESidual Search or FRESS algorithm, is shown to estimate the glottal closing instant of voiced speech with superior precision and comparable accuracy as other existing methods over a large database of real speech signals under real and simulated recording conditions. An application of the proposed glottal source parameterisation method and glottal closing instant detection algorithm is a system which can analyse and re-synthesise voiced speech signals. This thesis describes perceptual experiments which show that, iunder linear and nonlinear recording conditions, the system produces synthetic speech which is generally preferred to speech synthesised based upon a state-of-the-art timedomain- based parameterisation technique. In sum, this work represents a movement towards flexible and robust voice-source analysis, with potential for a wide range of applications including speech analysis, modification and synthesis

Models and Analysis of Vocal Emissions for Biomedical Applications

The International Workshop on Models and Analysis of Vocal Emissions for Biomedical Applications (MAVEBA) came into being in 1999 from the particularly felt need of sharing know-how, objectives and results between areas that until then seemed quite distinct such as bioengineering, medicine and singing. MAVEBA deals with all aspects concerning the study of the human voice with applications ranging from the neonate to the adult and elderly. Over the years the initial issues have grown and spread also in other aspects of research such as occupational voice disorders, neurology, rehabilitation, image and video analysis. MAVEBA takes place every two years always in Firenze, Italy