A bilingual Spanish-Catalan database of units for concatenative synthesis

Different databases of phonetic units are required in multilingual Text-to-Speech systems based on concatenative synthesis. We are currently developing a TTS system able to convert text either in Catalan and Spanish, with some of the modules being used indistinctly by the two languages while others are specific to each language. In order to reduce the total amount of units, a bilingual database has been obtained from two monolingual databases recorded by the same speaker, which contains all possible units for both languages. Common units have been selected according to their phonetic representation. The bilingual database has 1099 units, including diphones and some long units, while the two monolingual databases would result in 1545 units. An analysis of Catalan unit frequencies has been done to select what units should be included in the database. The experiments carried out showed that that synthetic speech has a strong Catalan accent, probably due to the speaker's accent. Some common units, even if they are represented with the same symbol, should be considered separately in a bilingual database in order to cope with acoustically different allophones.Peer ReviewedPostprint (published version

Marathi Speech Synthesis: A Review

This paper seeks to reveal the various aspects of Marathi Speech synthesis. This paper has reviewed research development in the International languages as well as Indian languages and then centering on the development in Marathi languages with regard to other Indian languages. It is anticipated that this work will serve to explore more in Marathi language. DOI: 10.17762/ijritcc2321-8169.15064

Phonetic inventory for an Arabic speech corpus

Corpus design for speech synthesis is a well-researched topic in languages such as English compared to Modern Standard Arabic, and there is a tendency to focus on methods to automatically generate the orthographic transcript to be recorded (usually greedy methods). In this work, a study of Modern Standard Arabic (MSA) phonetics and phonology is conducted in order to create criteria for a greedy meth-od to create a speech corpus transcript for recording. The size of the dataset is reduced a number of times using these optimisation methods with different parameters to yield a much smaller dataset with identical phonetic coverage than before the reduction, and this output transcript is chosen for recording. This is part of a larger work to create a completely annotated and segmented speech corpus for MSA

Fonética experimental y tecnologías del habla

Las relaciones entre Fonética y Tecnología del Habla han sido objeto de debate reiterado en la bibliografía de ambas disciplinas, debate en el que se ha puesto de manifiesto, por un lado, la innegable necesidad del conocimiento lingüístico en el desarrollo de estas tecnologías, y por otro, los problemas y limitaciones que ha supuesto en ocasiones para la Tecnología del Habla la falta de descripciones y modelos fonéticos adecuados, lo que ha llevado en muchos casos a la búsqueda de «caminos alternativos», principalmente en la estadística y la probabilidad. Este artículo pretende ofrecer una reflexión personal sobre las relaciones entre ambas disciplinas, en el momento actual y en un futuro próximo, analizando, por un lado, en qué medida el conocimiento fonético puede contribuir al desarrollo de las tecnologías del habla en los próximos años, y por otro, de qué forma la Tecnología del Habla puede ayudar a mejorar los métodos y resultados del trabajo teórico en Fonética experimental

Grapheme-to-phoneme conversion in the era of globalization

This thesis focuses on the phonetic transcription in the framework of text-to-speech conversion, especially on improving adaptability, reliability and multilingual support in the phonetic module. The language is constantly evolving making the adaptability one of major concerns in phonetic transcription. The phonetic transcription has been addressed from a data- based approach. On one hand, several classifiers such as Decision Trees, Finite State Transducers, Hidden Markov Models were studied and applied to the grapheme-to-phoneme conversion task. In addition, we analyzed a method of generation of pronunciation by analogy, considering different strategies. Further improvements were obtained by means of application of the transformation-based error-driven learning algorithm. The most significant improvements were obtained for classifiers with higher error rates. The experimental results show that the adaptability of phonetic module was improved, having obtained word error rates as low as 12% (for English). Next, steps were taken towards increasing reliability of the output of the phonetic module. Although, the G2P results were quite good, in order to achieve a higher level of reliability we propose using dictionary fusion. The ways the pronunciations are represented in different lexica depend on many factors such as: expert¿s opinion, local accent specifications, phonetic alphabet chosen, assimilation level (for proper names), etc. There are often discrepancies between pronunciations of the same word found in different lexica. The fusion system is a system that learns phoneme-to-phoneme transformations and converts pronunciations from the source lexicon into pronunciations from the target lexicon. Another important part of this thesis consisted in acing the challenge of multilingualism, a phenomenon that is becoming a usual part of our daily lives. Our goal was to obtain such pronunciations for foreign inclusions that would not be totally unfamiliar either to a native or proficient speakers of the language to be adapted, or to speakers of this language with average to low proficiency. Nativization by analogy was applied to both orthographic and phonetic forms of the word. The results obtained show that phonetic analogy gives better performance than analogy in the orthographic domain for both proper names and common nouns. Both objective and perceptual results obtained show the validity of this proposal.Fa tan sols uns deu anys les aplicacions de sistemes TTS eren molt més limitades, encara que un passat tan recent sembla més llunyà a causa dels canvis produïts en les nostres vides per la invasió massiva de les tecnologies intel·ligents. Els processos d’automatització de serveis també han assolit nous nivells. Què és el que defineix un bon sistema TTS avui dia? El mercat exigeix que aquest sigui molt adaptable a qualsevol tipus d’àmbit. També és imprescindible un alt nivell de fiabilitat ja que un simple error d’un TTS pot causar problemes seriosos en el nostre dia a dia. La nostra agenda és cada vegada més exigent i hem de fer front a més volums d’informació en menys temps. Deleguem les nostres tasques quotidianes als nostres dispositius intel·ligents que ens ajuden a llegir llibres, triar productes, trobar un lloc al mapa, etc. A més viatgem més i més cada dia. Aprenem a parlar noves llengües, les barregem, en un món més i més globalitzat. Un sistema TTS que no és capaç de fer front a les entrades multilingües no serà capaç de sostenir la competència. Els sistemes TTS moderns han de ser multilingües. La transcripció fonètica és el primer mòdul del TTS per la qual cosa el seu correcte funcionament és fonamental. Aquesta tesi se centra en la millora de l’adaptabilitat, fiabilitat i suport multilingüe del mòdul fonètic del nostre sistema TTS. El mòdul de transcripció fonètica del TTS va passar de ser basat en regles o diccionaris a ser automàtic, derivat de dades. La llengua està en constant evolució, igual que tots els organismes vius. És per això que l’adaptabilitat és un dels principals problemes de la transcripció fonètica. Per millorar-la es necessita un mètode basat en dades que funcioni bé per a derivar la pronunciació de paraules no trobades al lèxic del sistema. En aquesta tesi es comparen diferents mètodes G2P impulsats per dades que utilitzen les mateixes dades d’entrenament i test i es proposen millores. S’han aplicat diversos classificadors basats en dades, com ara arbres de decisió, traductors d’estats finits i models de Markov, a la tasca de transcripció fonètica, analitzant i comparant els resultats. L’algorisme TBL, basat en aprenentatge dels errors proporciona millores adicionals als classificadors esmentats. Aquest mètode permet capturar patrons d’errors i corregir-los. Les millores més significatives s’obtenen per classificadors amb taxes d’errors més gran. Els millors resultats s’obtenen mitjançant l’aplicació del millor classificador FST amb posterior correcció dels errors pel TBL. Els resultats obtingut per altres classificadors i corregits pel TBL mostren millores entre 2-4 punts percentuals en la taxa d’error de les paraules. La millora que s’obté mitjançant l’aplicació del TBL per als resultats del classificador més simple basat només en correspondències lletra-fonema presents en el corpus d’entrenament, ML, és enorme (77-83 punts percentuals depenent del lèxic), el que demostra l’eficàcia del TBL per si sol. L’èxit de l’algorisme TBL demostra l’eficàcia de l’aprenentatge basat en els errors, que és bastant similar a l’aprenentatge de llengües pels humans. Una altra tècnica que els éssers humans utilitzen de forma regular en l’aprenentatge d’idiomes és la pronunciació per analogia. Això és encara més cert per a llengües amb ortografia profunda, on la correspondència entre la forma escrita i parlada és bastant ambigua. Per millorar encara més la capacitat d’adaptació del nostre mòdul de pronunciació fonètica, es va desenvolupar un algorisme de pronunciació per analogia. Aquest algorisme troba arcs de lletres als quals correspon la mateixa pronunciació i calcula la seva freqüència. La pronunciació d’una nova paraula es construeix amb els arcs més llargs que constitueixen el camí més curt a través del graf de totes les pronunciacions disponibles per a aquesta paraula. Es basa en paràmetres com ara la freqüència d’arc, posició en la paraula, etc. Les pronunciacions que contenen el menor nombre d’arcs (si hi ha més d’una) es donen un rang i les estratègies de puntuació escullen la millor opció. En aquest treball s’han proposat noves estratègies de puntuació i s’han obtingut resultats prometedors. Una de les noves estratègies propostes clarament supera a les altres. Les noves estratègies propostes també apareixen a la llista de les millors combinacions d’estratègies. Els millors resultats per al PbA són entre 63 i 88 % paraules correctes segons el lèxic. S’han avaluat els G2P no solament per a l’anglès, si no també per altres idiomes europeus. També s’ha considerat el cas de la parla contínua. Per L’anglès, La adaptació de la pronunciació a la parla contínua considera les formes febles. Els resultats generals mostren que la capacitat d’adaptació del mòdul fonètic ha estat millorada. També s’ha actuat en línies que permeten augmentar la fiabilitat del mòdul fonètic. Tot i que els resultats experimentals per al G2P són bastant bons, encara hi ha errors que poden impedir que la intel·ligibilitat de certes paraules i, per tant, reduir la qualitat de la parla en general. Es proposa aconseguir un major nivell de fiabilitat a través de fusió de diccionaris. Les pronunciació de les paraules presents en els diccionaris depèn de molts factors, per exemple: opinió experta, especificacions de l’accent local, alfabet fonètic triat, nivell d’assimilació (per a noms propis), etc. Sovint hi ha discrepàncies entre la pronunciació de la mateixa paraula en diferents lèxics. En general, aquestes discrepàncies, encara que de vegades significatives, no obstaculitzen greument la pronunciació global de la paraula ja que totes les pronunciacions lèxic han estat prèviament validades per un lingüista expert. Aquestes discrepàncies normalment es troben a la pronunciació de vocals i diftongs. La substitució de vocals per similars no es considera un error greu perquè no afecta la intel·ligibilitat i per tant la qualitat de veu. El sistema de fusió proposat es basa en el mètode P2P, que transforma les pronunciacions del lèxic d’origen a les pronunciacions del lèxic de destí (el sistema està capacitat per aprendre aquestes transformacions). Per entrenar el classificador, es seleccionen les entrades comunes entre el lèxic font i destí. Els experiments es duen a terme tant per paraules comuns com per a noms propis. Els experiment realitzat s’han basat en les tècniques DT i FST. Els resultats mostren que la qualitat de la parla en general es pot millorar significativament donadas les baixes taxes d’error de G2P i una àmplia cobertura del diccionari del sistema. El sistema TTS final és més adaptable i fiable, més preparat per afrontar el repte del multilingüisme, el fenomen que ja forma part habitual de les nostres vides quotidianes. Aquesta tesi considera contextos que contenen la barreja de llengües, on la llengua pot canviar de forma inesperada. Aquestes situacions abunden en les xarxes socials, fòrums, etc. Es proposa un esquema de G2P multilingüe incloent la nativització. El primer component d’un TTS multilingüe és el mòdul d’identificació d’idioma. S’ha desenvolupat un identificador d’idioma basat en n -gramas (de lletres) obtenint bons resultats. Els contextos amb llengües mixtes han de ser tractats amb especial delicadesa. En general, cada frase o paràgraf tenen una llengua principal i les paraules estrangeres presents s’hi consideren inclusions. A l’hora de decidir com pronunciar frases en diverses llengües es poden considerar dos escenaris: 1) aplicar, per cada llengua el diferents G2P classificadors propis de la llengua (es produiria canvis fonètics bruscs que sonarien molt poc natural); 2) aplicar el classificador G2P per a l’idioma principal de la frase suposant que aquesta pronunciació seria més acceptable que la que conté fonemes estrangers. I si cap de les propostes anteriors es acceptada? Per països com Espanya, on el domini de llengües estrangeres per la població general és bastant limitat, proposem nativitzar la pronunciació de paraules estrangeres en frases espanyoles. Quins criteris s’han d’utilitzar tenint en compte les significatives diferències en l’inventari de fonemes? El nostre objectiu és obtenir pronunciacions que no són del tot desconegudes i que siguin acceptades tant per parlants nadius o amb alt domini de l’idioma estranger com per parlants d’aquesta llengua amb nivell mitjà o baix. En aquest treball la nativització es porta a terme per a les inclusions angleses i catalanes en frases en castellà. Quan hi ha diferències significatives en els inventaris de fonemes entre les llengües nativització presenta reptes addicionals. Per tal de validar ràpidament la idea de nativització es van crear taules de mapeig de fonemes estrangers als nativizats, també es va dur a terme una avaluació perceptual. La nativització basada en taules mostra un major nivell d’acceptació per part del públic que la síntesi sense cap nativiztació. Per tal de millorar encara més els resultats de nativització de forma eficaç es necessita un mètode basat en dades. Com a gran part de pronunciacions estrangeres s’aprenen per analogia, l’aplicació del PbA a aquesta tasca és idoni, sobretot perquè ja ha demostrat excel·lents resultats per a la tasca de transcripció fonètica. Per a això s’explora l’analogia tant en el domini ortogràfic com fonètic. Tots els mètodes basats en dades requereixen un corpus d’entrenament i PbA, per descomptat, no és una excepció. Ja que cap corpus de nativització adequat per a la tasca estava disponible es va prendre la decisió de crear un corpus d’entrenament i test per entrenar i validar el nostre classificador per inclusions angleses en castellà, i un altre joc per a les catalanes. Tots els dos corpus d’entrenament contenen 1.000 paraules i són ortogràficament equilibrats. S’aplica la nativització per analogia basada en la forma ortogràfica de la paraula G2Pnat i també basada en la forma fonètica acs ppnat per tal d’nativitzar paraules comunes i noms propis en anglès i paraules comunes en català en frases en castellà. Els resultats obtinguts mostren que l’analogia fonètica dóna un millor rendiment que l’analogia en el domini ortogràfic pels noms propis i paraules comunes. No obstant això, els resultats obtinguts per als noms propis anglesos es troben uns 12 punts percentuals per sota dels obtinguts per a les paraules comunes en anglès. Això és degut al fet que la pronunciació noms propis està influenciada per factors més complexos i fins i tot per als éssers humans presenta importants reptes. L’algorisme TBL també s’ha aplicat per millorar els resultats de nativización per inclusions angleses. S’obtenen millores per als resultats obtinguts per P2Pnat, així com per als resultats obtinguts per les taules de nativiztació. Els bons resultats obtinguts per l’algorisme TBL aplicat a la predicció del mètode ML demostra l’eficàcia del mètode d’aprenentatge a partir d’errors, també per a aquesta tasca. A l’avaluació perceptual duta a terme per inclusions angleses en castellà, es va demanar als oients que votessin el millor dels tres mètodes disponibles: G2P (per castellà), NatTAB i P2Pnat. P2Pnat és triat com el millor en el 50 % dels casos mentre que el G2P per a espanyol obté la majoria de vots negatius (45 % dels casos). Aquests resultats perceptuals i els encoratjadors resultats objectius demostren la idoneïtat de nativització per sistemes TTS multilingüesHace tan sólo unos diez años, las aplicaciones de sistemas TTS estaban mucho más limitadas, aunque un pasado tan reciente parece más lejano debido a los cambios producidos en nuestras vidas por la invasión masiva de las tecnologías inteligentes. Los procesos de automatización de los servicios han alcanzado a nuevos niveles. ¿Qué es lo que define un buen sistema TTS hoy en día? El mercado exige que éste sea muy adaptable a cualquier tipo de ámbito. También es imprescindible un alto nivel de fiabilidad, ya que un simple error de un TTS puede causar problemas serios en nuestro día a día. Nuestra agenda es cada vez más exigente y tenemos que hacer frente a un volumen cada vez mayor de información en menos tiempo. Delegamos nuestras tareas cotidianas a nuestros dispositivos inteligentes que nos ayudan a leer libros, elegir productos, encontrar un lugar en el mapa, etc. Además, cada día viajamos más, aprendemos a hablar nuevas lenguas, las mezclamos, volviéndonos más y más globalizados. Un sistema TTS que no sea capaz de hacer frente a las entradas multilngües no será capaz de sostener la competencia. Los sistemas TTS modernos tienen que ser multilngües. La transcripción fonética es el primer módulo del TTS por lo cual su correcto funcionamiento es fundamental. Esta tesis se centra en la mejora de la adaptabilidad, fiabilidad y soporte del módulo fonético de nuestro sistema TTS. El módulo de transcripción fonética del TTS pasó de ser basado en reglas o diccionarios a ser automática, basada en datos. La lengua está en constante evolución al igual que todos los organismos vivos. Es por eso que la adaptabilidad es uno de los principales problemas de la transcripción fonética. Para mejorarla se necesita un método basado en datos que funcione bien para derivar la pronunciación de palabras no encontradas en el léxico del sistema. En esta tesis se comparan diferentes métodos G2P basados en datos, utilizando los mismos datos de entrenamiento y test y se proponen mejoras. Se han estudiado clasificadores basados en datos, tales como árboles de decisión, traductores de estados finitos y modelos de Markov, aplicados a la tarea de transcripción fonética y comparando los resultados. El algoritmo TBL, basado en aprendizaje de los errores y que permite capturar patrones de errores y corregirlos ha aportado nuevas mejoras, que han sido especialmente significativas para los clasificadores con tasa de error más alta. Los mejores resultados se obtienen mediante la aplicación del mejor clasificador FST con posterior corrección de los errores por el TBL. Los resultados obtenido por otros clasificadores y corregidos por el TBL muestran mejoras entre 2-4 puntos porcentuales en la tasa de error de las palabras. La mejora que se obtiene mediante la aplicación del TBL para a los resultados del clasificador más simple, basado solamente en correspondencias letra-fonema presentes en el corpus de entrenamiento, ML, es enorme (77-83 puntos porcentuales dependiendo del léxico), lo que demuestra la eficacia del TBL por si solo. El éxito del algoritmo TBL demuestra la eficacia del aprendizaje basado en los errores, que es bastante similar al aprendizaje de lenguas por los humanos. Otra técnica que los seres humanos utilizan de forma regular en el aprendizaje de idiomas es pronunciación por analogía. Esto es aún más cierto para lenguas con ortografía profunda, donde la correspondencia entre la forma escrita y hablada es bastante ambigua. Para mejorar aún más la capacidad de adaptación de nuestro módulo de pronunciación fonética, se ha estudiado un algoritmo de pronunciación por analogía. Este algoritmo encuentra arcos de letras a los que corresponde la misma pronunciación y calcula su frecuencia. La pronunciación de una nueva palabra se construye con los arcos más largos que constituyen el camino más corto a través del grafo de todas las pronunciaciones disponibles para esta palabra. Se basa en parámetros tales como la frecuencia de arco, posición en la palabra, etc., las pronunciaciones que contienen el menor número de arcos (si hay más de una ) se dan un rango y las estrategias de puntuación escogen la mejor opción. En esta tesis se han propuesto nuevas estrategias de puntuación, obteniéndose resultados prometedores. Una de las nuevas estrategias propuestas claramente supera a los demás. Además, las estrategias propuestas también aparecen seleccionadas al observar las mejores combinaciones de estrategias. Los mejores resultados para PbA son entre 63 y 88% palabras correctas según el léxico. Se obtienen resultados G2P no solamente para el inglés, sino también para otros idiomas europeos. También se ha considerado el caso del habla continua, adaptando la pronunciación para el habla continua del inglés, utilizando las llamadas formas débiles. Los resultados generales muestran que la capacidad de adaptación del módulo fonético ha sido mejorada. Otra línea de investigación en esta tesis se encamina a aumentar la fiabilidad del módulo fonético. Aunque, los resultados experimentales para el G2P son bastante buenos, todavía existen errores que pueden impedir que la inteligibilidad de ciertas palabras y, por lo tanto, reducir la calidad del habla en general. Para lograr un mayor nivel de fiabilidad se propone utilizar la fusión de diccionarios. Las pronunciación de las palabras presentes en los distintos diccionarios depende de muchos factores, por ejemplo: opinión experta, especificaciones del acento local, alfabeto fonético elegido, nivel de asimilación (para nombres propios), etc. A menudo hay discrepancias entre la pronunciación de la misma palabra en diferentes léxicos. Por lo general, estas discrepancias, aunque a veces significativas, no obstaculizan gravemente la pronunciación global de la palabra ya que todas las pronunciaciones léxico han sido previamente validadas por un lingüista experto. Estas discrepancias normalmente se encuentran en la pronunciación de vocales y diptongos. La sustitución de vocales por otras similares no se considera un error grave porque no afecta la inteligibilidad y por lo tanto la calidad de voz. El sistema de fusión estudiado es un sistema P2P que transforma las pronunciaciones del léxico de origen en pronunciaciones del léxico destino (el sistema está capacitado para aprender estas transformaciones). Para entrenar el clasificador, se seleccionan las entradas comunes entre el léxico fuente y destino. Se han realizado experimentos tanto para las palabras comunes como para los nombres propios, considerando los métodos de transformación basados en DT y FST. Los resultados experimentales muestran que la calidad del habla en general se puede mejorar significativamente dadas las bajas tasas de error de G2P y la amplia cobertura del diccionario del sistema. Un sistema TTS adaptable y fiable tiene que estar preparado para afrontar el reto del multilingüísmo, fenómeno que ya forma parte habitual de nuestras vidas cotidianas. Esta tesis también ha considerado contextos que contienen la mezcla de lenguas, en los que la lengua puede cambiar de forma inesperada. Este tipo de contextos abundan en las redes sociales, foros, etc. Se propone un esquema de G2P multilngüe incluyendo la nativización. El primer componente de un TTS multilngüe es el módulo de identificación de idioma. Se ha desarrollado un identificador de idioma basado n -gramas (de letras) que proporciona buenos resultados. Los contextos en los que intervienen varias lenguas deben ser tratados con especial delicadeza. Por lo general, cada frase o párrafo tienen una lengua principal y las palabras extranjeras presentes en ella se consideran inclusiones. Al definir la estrategia sobre cómo pronunciar frases en varias lenguas puede partirse de dos escenarios: 1) aplicar a cada lengua un clasificador G2P distinto e independiente (que produciría cambios fonéticos bruscos que sonarían muy poco natural); 2) aplicar el clasificador G2P para el idioma principal de la frase suponiendo que es

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.Postprint (published version

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

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