Introduction de la connaissance musicale et de l'analyse qualitative dans les tâches d'extraction et de prédiction d'accords avec apprentissage automatique

Introduction of musical knowledge and qualitative analysis in chord extraction and prediction tasks with machine learning. : application to human-machine co-improvisation

• Auteur / Autrice : Tristan Carsault
• Direction : Gérard Assayag
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 17/12/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sciences et technologies de la musique et du son (Paris ; 1983-....)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Bredèche
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Couprie, Dorien Herremans, Jérôme Nika, Philippe Esling
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Brian McFee, Florence Levé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Exploration de données

Analyse harmonique (musique)

Apprentissage automatique

Recherche de l'information

Improvisation (musique)

Informatique musicale

Mots clés libres

Informatique

Musique

Accords

Apprentissage

Improvisation

Signal

Computing

Music

Learning

Résumé

Cette thèse étudie l’impact de l’introduction de propriétés musicales dans les modèles d’apprentissage machine pour l’extraction et l’inférence de structures musicales. De plus, elle traite de l’utilisation des connaissances musicales pour effectuer des évaluations qualitatives des résultats. Dans ce travail, nous nous concentrons sur les accords musicaux puisque ce sont des structures musicales fréquemment utilisées pour décrire les progressions harmoniques dans la musique occidentale. Ainsi, parmi la variété des tâches rencontrées dans le domaine de la recherche d’informations musicales (MIR), les deux principales tâches que nous abordons sont l’extraction automatique d’accords (ACE) et l’inférence de séquences de label d’accords. Dans le cas des accords musicaux, il existe de fortes relations inhérentes d’un point de vue hiérarchiques et fonctionnelles. En effet, même si deux accords n’appartiennent pas à la même classe, ils peuvent partager la même fonction harmonique au sein d’une progression d’accords. En outre, de nombreuses applications créatives bénéficieraient d’un niveau plus élevé de compréhension harmonique plutôt que d’une précision accrue dans la tâche de classification. Nous avons donc développé un analyseur spécifiquement adapté qui se concentre sur les relations fonctionnelles entre les accords pour distinguer les erreurs fortes et faibles. Nous définissons les erreurs faibles comme une mauvaise classification qui conserve la pertinence en termes de fonction harmonique. Cela reflète le fait que, contrairement aux tâches de transcription strict, l’extraction de caractéristiques musicales de haut niveau est une tâche plutôt subjective. Un de nos cas d’application est le développement d’un logiciel qui interagit avec un musicien en temps réel en déduisant les progressions d’accords attendues. Pour atteindre cet objectif, nous avons divisé le projet en deux tâches principales : un module d’écoute et un module de génération symbolique. Le module d’écoute extrait la structure musicale jouée par le musicien, tandis que le module de génération prédit les séquences musicales en fonction des accords extraits. Dans la première partie de cette thèse, nous visons le développement d’un système ACE qui pourrait émuler le processus de découverte de la structure musicale, tel qu’il est exécuté par les musiciens dans des contextes d’improvisation. La plupart des systèmes ACE sont construits sur l’idée d’extraire des caractéristiques des signaux audio bruts et, ensuite, d’utiliser ces caractéristiques pour construire un classificateur d’accords. Nous distinguons deux grandes familles d’approches, les modèles basés sur les règles musicales ou les modèles statistiques. Dans ce travail, nous identifions les inconvénients de l’utilisation des modèles statistiques pour les tâches ACE. Ensuite, nous proposons d’introduire les connaissances musicales préalables afin de rendre compte des relations inhérentes entre les accords directement à l’intérieur de la fonction de coût des méthodes d’apprentissage machine. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous nous concentrons sur l’apprentissage de relations de plus haut niveau à l’intérieur de séquences d’accords extraites, en vue de développer des modèles capables de générer des suites potentielles de séquences d’accords.

This thesis investigates the impact of introducing musical properties in machine learning models for the extraction and inference of musical features. Furthermore, it discusses the use of musical knowledge to perform qualitative evaluations of the results. In this work, we focus on musical chords since these mid-level features are frequently used to describe harmonic progressions in Western music. Hence, amongs the variety of tasks encountered in the field of Music Information Retrieval (MIR), the two main tasks that we address are the Automatic Chord Extraction (ACE) and the inference of symbolic chord sequences. In the case of musical chords, there exists inherent strong hierarchical and functional relationships. Indeed, even if two chords do not belong to the same class, they can share the same harmonic function within a chord progression. Hence, we developed a specifically-tailored analyzer that focuses on the functional relations between chords to distinguish strong and weak errors. We define weak errors as a misclassification that still preserves the relevance in terms of harmonic function. This reflects the fact that, in contrast to strict transcription tasks, the extraction of high-level musical features is a rather subjective task. Moreover, many creative applications would benefit from a higher level of harmonic understanding rather than an increased accuracy of label classification. For instance, one of our application case is the development of a software that interacts with a musician in real-time by inferring expected chord progressions. In order to achieve this goal, we divided the project into two main tasks : a listening module and a symbolic generation module. The listening module extracts the musical structure played by the musician, where as the generative module predicts musical sequences based on the extracted features. In the first part of this thesis, we target the development of an ACE system that could emulate the process of musical structure discovery, as performed by musicians in improvisation contexts. Most ACE systems are built on the idea of extracting features from raw audio signals and, then, using these features to construct a chord classifier. This entail two major families of approaches, as either rule-based or statistical models. In this work, we identify drawbacks in the use of statistical models for ACE tasks. Then, we propose to introduce prior musical knowledge in order to account for the inherent relationships between chords directly inside the loss function of learning methods. In the second part of this thesis, we focus on learning higher-level relationships inside sequences of extracted chords in order to develop models with the ability to generate potential continuations of chord sequences. In order to introduce musical knowledge in these models, we propose both new architectures, multi-label training methods and novel data representations.