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

Word and paragraph embeddings for expresive speech synthesis

Speech synthesis is the task of generating speech using computers. Due to the limitations of classical techniques, these systems are normally not suitable for applications that would benefit from expressiveness in the speech, such as audiobook reading. In this project, we attempt to develop a text-to-speech speech synthesizer that is capable of reacting to the semantic content of the input text to produce expressive speech. The system is based on the Socrates text-to-speech framework developed in the VEU research lab at UPC and the Keras deep learning library.La sintesis de voz consiste en utilizar ordenadores para generar voz humana. Debido a las limitaciones de las técnicas clásicas, estos sitemas normalmente no son adecuados para aplicaciones que requieren voz expresiva como en la lectura automática de audiolibros. En este proyecto, tratamos de desarrollar un sintetizador de voz capaz de reaccionar al contenido semántico del texto para producir voz expresiva. El sistema está basado en el framework de síntesis de voz Socrates, desarrollado en el grupo VEU de la UPC, y en la librería de deep learning Keras.La síntesi de veu consisteix en fer servir ordinadors per generar veu humana. Degut a les limitacions de les tècniques clàssiques, aquests sistemes normalment no són adequats per aplicacions que requireixen veu expressiva com és el cas de la lectura de audiollibres automàtica. En aquest projecte, desenvolupem un sintetitzador de veu capaç de reaccionar al contingut semàntic del text per produir veu expressiva. El sistema està basat en el framework de síntesi de veu Socrates, desenvolupat al grup de recerca VEU de la UPC, i en la llibreria de deep learning Keras

Efficient, end-to-end and self-supervised methods for speech processing and generation

Deep learning has affected the speech processing and generation fields in many directions. First, end-to-end architectures allow the direct injection and synthesis of waveform samples. Secondly, the exploration of efficient solutions allow to implement these systems in computationally restricted environments, like smartphones. Finally, the latest trends exploit audio-visual data with least supervision. In this thesis these three directions are explored. Firstly, we propose the use of recent pseudo-recurrent structures, like self-attention models and quasi-recurrent networks, to build acoustic models for text-to-speech. The proposed system, QLAD, turns out to synthesize faster on CPU and GPU than its recurrent counterpart whilst preserving the good synthesis quality level, which is competitive with state of the art vocoder-based models. Then, a generative adversarial network is proposed for speech enhancement, named SEGAN. This model works as a speech-to-speech conversion system in time-domain, where a single inference operation is needed for all samples to operate through a fully convolutional structure. This implies an increment in modeling efficiency with respect to other existing models, which are auto-regressive and also work in time-domain. SEGAN achieves prominent results in noise supression and preservation of speech naturalness and intelligibility when compared to the other classic and deep regression based systems. We also show that SEGAN is efficient in transferring its operations to new languages and noises. A SEGAN trained for English performs similarly to this language on Catalan and Korean with only 24 seconds of adaptation data. Finally, we unveil the generative capacity of the model to recover signals from several distortions. We hence propose the concept of generalized speech enhancement. First, the model proofs to be effective to recover voiced speech from whispered one. Then the model is scaled up to solve other distortions that require a recomposition of damaged parts of the signal, like extending the bandwidth or recovering lost temporal sections, among others. The model improves by including additional acoustic losses in a multi-task setup to impose a relevant perceptual weighting on the generated result. Moreover, a two-step training schedule is also proposed to stabilize the adversarial training after the addition of such losses, and both components boost SEGAN's performance across distortions.Finally, we propose a problem-agnostic speech encoder, named PASE, together with the framework to train it. PASE is a fully convolutional network that yields compact representations from speech waveforms. These representations contain abstract information like the speaker identity, the prosodic features or the spoken contents. A self-supervised framework is also proposed to train this encoder, which suposes a new step towards unsupervised learning for speech processing. Once the encoder is trained, it can be exported to solve different tasks that require speech as input. We first explore the performance of PASE codes to solve speaker recognition, emotion recognition and speech recognition. PASE works competitively well compared to well-designed classic features in these tasks, specially after some supervised adaptation. Finally, PASE also provides good descriptors of identity for multi-speaker modeling in text-to-speech, which is advantageous to model novel identities without retraining the model.L'aprenentatge profund ha afectat els camps de processament i generació de la parla en vàries direccions. Primer, les arquitectures fi-a-fi permeten la injecció i síntesi de mostres temporals directament. D'altra banda, amb l'exploració de solucions eficients permet l'aplicació d'aquests sistemes en entorns de computació restringida, com els telèfons intel·ligents. Finalment, les darreres tendències exploren les dades d'àudio i veu per derivar-ne representacions amb la mínima supervisió. En aquesta tesi precisament s'exploren aquestes tres direccions. Primer de tot, es proposa l'ús d'estructures pseudo-recurrents recents, com els models d’auto atenció i les xarxes quasi-recurrents, per a construir models acústics text-a-veu. Així, el sistema QLAD proposat en aquest treball sintetitza més ràpid en CPU i GPU que el seu homòleg recurrent, preservant el mateix nivell de qualitat de síntesi, competitiu amb l'estat de l'art en models basats en vocoder. A continuació es proposa un model de xarxa adversària generativa per a millora de veu, anomenat SEGAN. Aquest model fa conversions de veu-a-veu en temps amb una sola operació d'inferència sobre una estructura purament convolucional. Això implica un increment en l'eficiència respecte altres models existents auto regressius i que també treballen en el domini temporal. La SEGAN aconsegueix resultats prominents d'extracció de soroll i preservació de la naturalitat i la intel·ligibilitat de la veu comparat amb altres sistemes clàssics i models regressius basats en xarxes neuronals profundes en espectre. També es demostra que la SEGAN és eficient transferint les seves operacions a nous llenguatges i sorolls. Així, un model SEGAN entrenat en Anglès aconsegueix un rendiment comparable a aquesta llengua quan el transferim al català o al coreà amb només 24 segons de dades d'adaptació. Finalment, explorem l'ús de tota la capacitat generativa del model i l’apliquem a recuperació de senyals de veu malmeses per vàries distorsions severes. Això ho anomenem millora de la parla generalitzada. Primer, el model demostra ser efectiu per a la tasca de recuperació de senyal sonoritzat a partir de senyal xiuxiuejat. Posteriorment, el model escala a poder resoldre altres distorsions que requereixen una reconstrucció de parts del senyal que s’han malmès, com extensió d’ample de banda i recuperació de seccions temporals perdudes, entre d’altres. En aquesta última aplicació del model, el fet d’incloure funcions de pèrdua acústicament rellevants incrementa la naturalitat del resultat final, en una estructura multi-tasca que prediu característiques acústiques a la sortida de la xarxa discriminadora de la nostra GAN. També es proposa fer un entrenament en dues etapes del sistema SEGAN, el qual mostra un increment significatiu de l’equilibri en la sinèrgia adversària i la qualitat generada finalment després d’afegir les funcions acústiques. Finalment, proposem un codificador de veu agnòstic al problema, anomenat PASE, juntament amb el conjunt d’eines per entrenar-lo. El PASE és un sistema purament convolucional que crea representacions compactes de trames de veu. Aquestes representacions contenen informació abstracta com identitat del parlant, les característiques prosòdiques i els continguts lingüístics. També es proposa un entorn auto-supervisat multi-tasca per tal d’entrenar aquest sistema, el qual suposa un avenç en el terreny de l’aprenentatge no supervisat en l’àmbit del processament de la parla. Una vegada el codificador esta entrenat, es pot exportar per a solventar diferents tasques que requereixin tenir senyals de veu a l’entrada. Primer explorem el rendiment d’aquest codificador per a solventar tasques de reconeixement del parlant, de l’emoció i de la parla, mostrant-se efectiu especialment si s’ajusta la representació de manera supervisada amb un conjunt de dades d’adaptació