Apprentissage temporel hiérarchique pour la synthèse audio multi-instrumentale et orchestrale

Hierarchical temporal learning for multi-instrument and orchestral audio synthesis

• Auteur / Autrice : Antoine Caillon
• Direction : Jean Bresson, Philippe Esling
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 21/02/2023
• 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 : Patrick Gallinari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michèle Sebag, Mark Sandler
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Simon Colton, Bob Sturm
• DOI : 10.70675/749064bdzd893z49b3za0fczb85cacee55d0

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement du signal

Informatique musicale

Synthèse sonore

Son -- Traitement par ordinateur

Apprentissage automatique

Mots clés libres

Apprentissage machine

Modèle génératifs

Intelligence artificielle

Machine learning

Generative models

Artificial intelligence

Résumé

Les progrès récents en matière d'apprentissage automatique ont permis l'émergence de nouveaux types de modèles adaptés à de nombreuses tâches, ce grâce à l'optimisation d'un ensemble de paramètres visant à minimiser une fonction de coût. Parmi ces techniques, les modèles génératifs probabilistes ont permis des avancées notables dans la génération de textes, d'images et de sons. Cependant, la génération de signaux audio musicaux reste un défi. Cela vient de la complexité intrinsèque des signaux audio, une seule seconde d'audio brut comprenant des dizaines de milliers d'échantillons individuels. La modélisation des signaux musicaux est plus difficile encore, étant donné que d'importantes informations sont structurées sur différentes échelles de temps, allant du micro (timbre, transitoires, phase) au macro (genre, tempo, structure). La modélisation simultanée de toutes ces échelles implique l'utilisation de larges architectures de modèles, rendant impossible leur utilisation en temps réel en raison de la complexité de calcul. Dans cette thèse, nous proposons une approche hiérarchique de la modélisation du signal audio musical, permettant l'utilisation de modèles légers tout en offrant différents niveaux de contrôle à l'utilisateur. Notre hypothèse principale est que l'extraction de différents niveaux de représentation d'un signal audio permet d'abstraire la complexité des niveaux inférieurs pour chaque étape de modélisation. Dans un premier temps, nous proposons un modèle audio combinant Auto Encodeur Variationnel et Réseaux Antagonistes Génératifs, appliqué directement sur la forme d'onde brute et permettant une synthèse audio neuronale de haute qualité à 48 kHz, tout en étant 20 fois plus rapide que le temps réel sur CPU. Nous étudions ensuite l'utilisation d'approches autoregressives pour modéliser le comportement temporel de la représentation produite par ce modèle audio bas niveau, tout en utilisant des signaux de conditionnement supplémentaires tels que des descripteurs acoustiques ou le tempo. Enfin, nous proposons une méthode pour utiliser tous les modèles proposés directement sur des flux audio, ce qui les rend utilisables dans des applications temps réel que nous avons développées au cours de cette thèse. Nous concluons en présentant diverses collaborations créatives menées en parallèle de ce travail avec plusieurs compositeurs et musiciens, intégrant directement l'état actuel des technologies proposées au sein de pièces musicales.

Recent advances in deep learning have offered new ways to build models addressing a wide variety of tasks through the optimization of a set of parameters based on minimizing a cost function. Amongst these techniques, probabilistic generative models have yielded impressive advances in text, image and sound generation. However, musical audio signal generation remains a challenging problem. This comes from the complexity of audio signals themselves, since a single second of raw audio spans tens of thousands of individual samples. Modeling musical signals is even more challenging as important information are structured across different time scales, from micro (e.g. timbre, transient, phase) to macro (e.g. genre, tempo, structure) information. Modeling every scale at once would require large architectures, precluding the use of resulting models in real time setups for computational complexity reasons.In this thesis, we study how a hierarchical approach to audio modeling can address the musical signal modeling task, while offering different levels of control to the user. Our main hypothesis is that extracting different representation levels of an audio signal allows to abstract the complexity of lower levels for each modeling stage. This would eventually allow the use of lightweight architectures, each modeling a single audio scale. We start by addressing raw audio modeling by proposing an audio model combining Variational Auto Encoders and Generative Adversarial Networks, yielding high-quality 48kHz neural audio synthesis, while being 20 times faster than real time on CPU. Then, we study how autoregressive models can be used to understand the temporal behavior of the representation yielded by this low-level audio model, using optional additional conditioning signals such as acoustic descriptors or tempo. Finally, we propose a method for using all the proposed models directly on audio streams, allowing their use in realtime applications that we developed during this thesis. We conclude by presenting various creative collaborations led in parallel of this work with several composers and musicians, directly integrating the current state of the proposed technologies inside musical pieces.