Brevet FR2692070A1 — publié le 19931210

Procédé et dispositif de synthèse vocale à vitesse variable La présente invention concerne un procédé et un dispositif de syn- thèse vocale à vitesse variable. Elle s'applique notamment à la réalisation de vocodeurs à faible débit. De nombreux équipements tels que des dictaphones, des répon- deurs téléphoniques, des systèmes de messagerie vocale permettent de mémoriser un message vocal pour le synthétiser ultérieurement aux convenances des utilisateurs. Une fonctionnalité particulièrement intéressante pour ces équipe- ments est de leur donner la possibilité de synthétiser des messages en- registrés à une vitesse différente de leur vitesse nominale d'enregistre- ment Une vitesse lente peut permettre de prendre des notes et une vitesse rapide d'avoir un aperçu du contenu d'un message ou d'écouter plus vite les parties d'un message présentant moins d'importance. Lorsque ces fonctionnalités sont réalisées de manière analogique, elles présentent les inconvénients que la synthèse à vitesse rapide décale le spectre du signal de parole vers les hautes fréquences et les voies reconstituées sont anormalement aiguës et que la synthèse à vitesse lente décale le spectre du signal de parole vers les basses fréquences d'o il apparaît que la voie est anormalement grave Pour des rapports moitié ou double relativement à la vitesse nominale, ces phénomènes rendent le message totalement inintelligible. Dans les systèmes de synthèse numérique du signal de parole la synthèse a généralement lieu par excitation de filtres prédicteurs à long et court terme par des formes d'ondes sélectionnées dans un dictionnaire constitué par apprentissage Une analyse temporelle du signal de parole a alors lieu en extrayant du signal de parole durant des intervalles de temps prédéterminés, de l'ordre de 20 à 30 ms, la fréquence fondamen- tale encore dénommée par "pitch" dans le langage anglo-saxon du signal de parole, et à le segmenter en éléments dont certains sont dupliqués et d'autres supprimés Mais le fait que certains paramètres soient suppri- més ou remplacés par d'autres qui sont dupliqués rend généralement la restitution du signal de parole imparfaite. Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de synthèse vocale à vitesse variable suivant lequel le signal est découpé en trames et soustrames respectivement de N et L échantillons de parole et est reconstitué à partir d'une sélection de formes d'ondes dans un dictionnaire pendant des intervalles de temps prédéterminés pour exciter des filtres prédic- teurs à long et court terme caractérisé en ce qu'il consiste à modifier la durée d'excitation du filtre prédicteur à long terme et les plages de calcul des filtres prédicteurs en fonction de la vitesse de synthèse du signal vocal sans modifier les valeurs du pitch du signal vocal appliqué sur le prédicteur à long terme. L'avantage du procédé est qu'il permet par de simples modifica- tions du dispositif de synthèse des vocodeurs numériques de lire un message enregistré à vitesse variable Il a également pour autre avantage qu'il peut être appliqué à tous les systèmes de codage de la parole fonc- tionnant sur les principes d'analyse par synthèse Il permet entre autres de conserver au signal synthétique lu à une vitesse différente de sa vitesse d'enregistrement le même pitch et les mêmes caractéristiques spectrales que le signal synthétique obtenu pour la vitesse nominale d'enregistrement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent: la figure 1 un dispositif de synthèse d'un signal de parole selon l'art connu; la figure 2 les formes d'ondes générées par le générateur d'exci- tation du dispositif représenté à la figure 1 i; la figure 3 une structure d'un filtre prédicteur à long terme; la figure 4 une structure d'un filtre prédicteur à court terme. Comme cela est représenté sur la figure 1 un dispositif de syn- thèse d'un signal de parole comporte classiquement trois modules formés d'un générateur d'excitation 1 suivi d'un prédicteur à long terme 2 et d'un prédicteur à court terme 3, ces modules étant reliés dans cet ordre en série Le générateur d'excitation 1 applique par exemple à une ca- dence d'environ de 7,5 ms des formes d'ondes particulières du type de celles qui sont représentées à la figure 2 à l'entrée du prédicteur à long terme 2 Les formes d'ondes sont contenues dans un dictionnaire, elles représentent des sons voisés et non voisés du signal de parole Ces formes d'ondes qui sont constituées de suites d'un nombre déterminé L d'échantillons en sont multipliées par un coefficient g représentatif de l'énergie du signal de parole Les échantillons X(n) obtenus sont transfor- més par le prédicteur à long terme 2 en échantillons Y(n) définis par une relation de la forme Y(n) = Xn) + f 31 Y(n M 1) + P 32 (n M) + 133 Y(n_ M+ 1) ( 1) o M est un coefficient qui caractérise la valeur du pitch du signal de parole et P 31, l 32 et f 33 sont des coefficients énergétiques Un prédicteur correspondant comporte de la manière représentée par exemple à la figure 3, un circuit additionneur 4 et trois circuits multiplieurs 5, 6 et 7 pour ajouter à chaque valeur d'échantillon Xn les produits 1 ' Y(n M-1), 132 Y(n-M) et 33 Y(n M+ 1) Enfin le signal synthétique Sn du signal de parole est obtenu en faisant subir aux échantillons Yn fournis par le prédicteur à long terme 2 une transformation de la forme P S(n) = Y(n) + a i S n i ( 2) i= 1 i o les coefficients ai représentent les paramètres spectraux qui permet- tent de modéliser les propriétés spectrales du signal de parole Un prédic- teur correspondant peut être construit au moyen d'un filtre numérique récursif du type de celui qui est représenté à la figure 4 comportant p registres 81 à 8 p reliés en série, couplés respectivement à p circuits multiplieurs 91 à 9 p pour réaliser les produits ai Sni, et comportant p p circuits additionneurs pour réaliser la somme Yn +, a i S n-i Typique- i= 1 ment pour une segmentation du signal de parole en trames de 30 ms pendant lesquelles il peut être considéré que le signal est stationnaire les formes d'ondes Xn fournies par le générateur d'excitation 1 correspon- dent à des sous-trames d'environ 7,5 ms du signal de parole et sont mises à jour à chaque sous-trame Les paramètres Pl du prédicteur à long terme 2 sont également mis à jour à chaque sous-trame, ces paramètres comportant typiquement 1 à 3 coefficients Les coefficients ai du prédic- teur à court terme 3 qui représentent les paramètres spectraux du signal de parole sont mis à jour une fois par trame de 30 ms Le procédé selon l'invention consiste à modifier chacun de ces trois modules de synthèse sans avoir à modifier les paramètres d'analyse caractéristique du mes- sage Il permet de ce fait de synthétiser les messages à une vitesse variable tout en conservant le pitch et les propriétés spectrales du signal. Ceci est obtenu en conservant la même découpe du signal en trames et sous-trames et les paramètres calculés sur chaque trame en modifiant cependant la taille initiale N du nombre d'échantillons de chaque trame initiale en trames de taille variable Nvar et les sous-trames de taille L ini- tiale en sous-trames variables de taille Lvar en veillant à conserver le rapport Lvar/L égal au rapport Nvar/N et égal à r, o r est le taux de vitesse variable Pour r plus grand que 1 la vitesse sera lente et pour r plus petit que 1 la vitesse sera rapide. Pour ce faire le générateur d'excitation 1 délivre une excitation en de N échantillons (n = 0, L-1) qui est choisie dans un dictionnaire en fonction d'un indice d'excitation L'excitation en est modifiée de façon qu'à l'initialisation evar(n) = O pour n= O à Lvar-1 et qu'au cours de cal- cul evar(NINT(rn) = e(n)) pour N = O à L-1, o NINT est la fonction en- tier la plus proche. Ceci permet de réaliser une dilatation pour r plus grand que 1 ou une contraction pour r plus petit que 1 des formes d'excitation Le même gain g est appliqué sur l'excitation ce qui donne pour chaque sous-trame un signal de la forme Xvar(n) = g evar(n) pour N = O à Lvar-1 De même la plage de calcul du prédicteur à long terme 2 est modi- fiée en fonction de l'indice N qui prend des valeurs de N égal zéro à Lvar-1 et la plage de calcul du prédicteur à court terme est modifiée en modifiant l'indice N de la valeur N égale zéro à Nvar-1 Le procédé qui vient d'être décrit permet de la sorte par un ajustement de la plage de calcul du système de synthèse de lire un message enregistré à vitesse variable La principale modification intervient dans le générateur d'excita- tion o une dilatation ou une contraction est appliquée à l'excitation extraite du dictionnaire Une alternative à cette transformation peut consister à faire une interpolation pour les vitesses lentes ou une déci- mation pour une vitesse rapide de l'excitation Le procédé qui vient d'être décrit peut naturellement être appliqué sur tout système de codage de parole fonctionnant sur les principes d'analyse par synthèse Il permet de conserver au signal synthétique lu à une vitesse différente de sa vitesse d'enregistrement le même pitch et les mêmes caractéristiques spectrales que le signal synthétique obtenu pour la vitesse nominale d'enregistrement. REVENDICATIONS 1 Procédé de synthèse vocale à vitesse variable suivant lequel le signal est découpé en trames et sous-trames respectivement de N et L échantillons de parole et est reconstitué à partir d'une sélection de formes d'ondes (xn) dans un dictionnaire pendant des intervalles de temps prédéterminés pour exciter ( 1) des filtres prédicteurs à long ( 2) et court terme ( 3) caractérisé en ce qu'il consiste à modifier la durée (Lvar) d'excitation du filtre prédicteur à long terme ( 2) et les plages de calcul (Lvar/Nvar) des filtres prédicteurs en fonction de la vitesse de synthèse du signal vocal sans modifier les valeurs du pitch du signal vocal appli- quées sur le prédicteur à long terme ( 2). 2 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il consiste à modifier la taille Nvar des trames et la taille Lvar de sous-trames par rapport à une taille N de trame initiale et une taille L de sous-trame ini- tiale dans un rapport constant r tel que r = Lvar N var L N 3 Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il consiste à dilater la taille initiale N des échantillons d'excitation pour diminuer la vitesse de synthèse, et à contracter leur taille initiale N pour augmenter la vitesse de synthèse. 4 Procédé selon les revendications 2 et 3 caractérisé en ce que chaque forme d'onde x(n) du dictionnaire est transformé en un signal Y(n) suivant la relation Y(n) = X(n) + Pl Y(n-M 1) + 52 Y(n M) + 13 Y(n M+ 1) ( 1) o P,1 32, P 3 sont des coefficients énergétiques, M est un coefficient représentant la valeur du pitch du signal de parole dans laquelle N prend les valeurs de N = O à Lvar-1 Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 carac- térisé en ce que le signal Y(n) fourni par le prédicteur à long terme est transformé en un signal Sn suivant la relation p Sn = Y(n) + ai Sn-i ( 2) i= 1 suivant laquelle ai représente des paramètres spectraux de modélisation du signal de parole et dans laquelle N prend les valeurs de N = O à Nvar1 l 6 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il comprend un générateur d'excitation ( 1), un prédicteur à long terme ( 2) et un prédic- teur à court terme ( 3) couplés dans cet ordre en série, dans lequel le générateur d'excitation fournit un signal d'excitation de durée variable et les prédicteurs ont des plages de calcul variable en fonction de la vitesse de synthèse du signal vocal.