Adaptive Sinusoidal Models for Speech with Applications in Speech Modifications and Audio Analysis

par George Kafentzis

Thèse de doctorat en Traitement du signal et télécommunications

Sous la direction de Olivier Boëffard et de Yannis Stylianou.

  • Titre traduit

    Modèles adaptifs sinusoïdaux de parole avec des applications sur la modification de la parole et l'analyse audio


  • Résumé

    La modélisation sinusoïdale est une des méthodes les plus largement utilisés paramétriques pour la parole et le traitement des signaux audio. Inspiré par le récemment introduit Modèle aQHM et Modèle aHM, nous la vue d’ensemble de la théorie de l’ adaptation sinusoïdale modélisation et nous proposons un modèle nommé la Modèle eaQHM, qui est un non modèle paramétrique de mesure d’ajuster les amplitudes et les phases instantanées de ses fonctions de base aux caractéristiques variant dans le temps de sous-jacents du signal de parole, ainsi atténuer significativement la dite hypothèse de stationnarité locale. Le eaQHM est montré à surperformer aQHM dans l’analyse et la resynthèse de la parole voisée. Sur la base de la eaQHM , un système hybride d’analyse / synthèse de la parole est présenté (eaQHNM), et aussi d’ une version hybride de l’ aHM (aHNM). En outre, nous présentons la motivation pour une représentation pleine bande de la parole en utilisant le eaQHM, c’est, représentant toutes les parties du discours comme haute résolution des sinusoıdes AM-FM. Les expériences montrent que l’adaptation et la quasi-harmonicité est suffisante pour fournir une qualité de transparence dans la parole non voisée resynthèse. La pleine bande analyse eaQHM et système de synthèse est présenté à côté, ce qui surpasse l’état de l’art des systèmes, hybride ou pleine bande, dans la reconstruction de la parole, offrant une qualité transparente confirmé par des évaluations objectives et subjectives. En ce qui concerne les applications, le eaQHM et l’ aHM sont appliquées sur les modifications de la parole (de temps et pas mise à l’échelle). Les modifications qui en résultent sont de haute qualité, et suivent des règles très simples, par rapport à d’autres systèmes de modification état de l’art. Les résultats montrent que harmonicité est préféré au quasi- harmonicité de modifications de la parole du fait de la simplicité de la représentation intégrée. En outre, la pleine bande eaQHM est appliquée sur le problème de la modélisation des signaux audio, et en particulier d’instrument de musique retentit. Le eaQHM est évaluée et comparée à des systèmes à la pointe de la technologie, et leur est montré surpasser en termes de qualité de resynthèse, représentant avec succès l’attaque , transitoire, et une partie stationnaire d’un son d’instruments de musique. Enfin, une autre application est suggéré, à savoir l’analyse et la classification des discours émouvant. Le eaQHM est appliqué sur l’analyse des discours émouvant, offrant à ses paramètres instantanés comme des caractéristiques qui peuvent être utilisés dans la reconnaissance et la quantification vectorielle à base classification du contenu émotionnel de la parole. Bien que les modèles sinusoidaux sont pas couramment utilisés dans ces tâches, les résultats sont prometteurs.


  • Résumé

    Sinusoidal Modeling is one of the most widely used parametric methods for speech and audio signal processing. The accurate estimation of sinusoidal parameters (amplitudes, frequencies, and phases) is a critical task for close representation of the analyzed signal. In this thesis, based on recent advances in sinusoidal analysis, we propose high resolution adaptive sinusoidal models for analysis, synthesis, and modifications systems of speech. Our goal is to provide systems that represent speech in a highly accurate and compact way. Inspired by the recently introduced adaptive Quasi-Harmonic Model (aQHM) and adaptive Harmonic Model (aHM), we overview the theory of adaptive Sinusoidal Modeling and we propose a model named the extended adaptive Quasi-Harmonic Model (eaQHM), which is a non-parametric model able to adjust the instantaneous amplitudes and phases of its basis functions to the underlying time-varying characteristics of the speech signal, thus significantly alleviating the so-called local stationarity hypothesis. The eaQHM is shown to outperform aQHM in analysis and resynthesis of voiced speech. Based on the eaQHM, a hybrid analysis/synthesis system of speech is presented (eaQHNM), along with a hybrid version of the aHM (aHNM). Moreover, we present motivation for a full-band representation of speech using the eaQHM, that is, representing all parts of speech as high resolution AM-FM sinusoids. Experiments show that adaptation and quasi-harmonicity is sufficient to provide transparent quality in unvoiced speech resynthesis. The full-band eaQHM analysis and synthesis system is presented next, which outperforms state-of-the-art systems, hybrid or full-band, in speech reconstruction, providing transparent quality confirmed by objective and subjective evaluations. Regarding applications, the eaQHM and the aHM are applied on speech modifications (time and pitch scaling). The resulting modifications are of high quality, and follow very simple rules, compared to other state-of-the-art modification systems. Results show that harmonicity is preferred over quasi-harmonicity in speech modifications due to the embedded simplicity of representation. Moreover, the full-band eaQHM is applied on the problem of modeling audio signals, and specifically of musical instrument sounds. The eaQHM is evaluated and compared to state-of-the-art systems, and is shown to outperform them in terms of resynthesis quality, successfully representing the attack, transient, and stationary part of a musical instrument sound. Finally, another application is suggested, namely the analysis and classification of emotional speech. The eaQHM is applied on the analysis of emotional speech, providing its instantaneous parameters as features that can be used in recognition and Vector-Quantization-based classification of the emotional content of speech. Although the sinusoidal models are not commonly used in such tasks, results are promising.


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