1-R5-5
ACELP 用ポストフィルタのピッチ強調帯域及び利得の適応化∗☆千葉大将（筑波大），鎌本優（ＮＴＴ・ＣＳ研），守谷健弘（ＮＴＴ・ＣＳ研），原田登（ＮＴＴ・ＣＳ研），宮部滋樹（筑波大），山田武志（筑波大），牧野昭二（筑波大）

1

はじめに音声符号化では、復号信号にピッチやフォルマントを強調するポストフィルタ処理を行うことで聴感的な品質を向上させており [1]、8 kbit/s 程度の広帯域音声通信での運用をサポートしている ITU-T G.718
ACELP 方式 [2] では低周波数帯域のみピッチ強調を行う Bass post-filter が採用されている。本研究では、ピッチ周期情報を用いて Bass post-filter のピッチ強調利得を可変化することで音質向上を試みる。また、提案手法の音質を評価するために、広帯域用 PESQ[3] による客観評価と MUSHRA[4] による主観評価を行う。

2G.718 における Bass post-filter

G.718 ACELP 復号後に用いられる Bass post-filterの処理を Fig.1 に示す。この処理は、復号信号 ŝ[n]に対して 10 ms の処理フレームごとに行う。ただし、
20 ms のパケット伝送フレーム長 L より先の ŝ[n] は、
ŝ[n + L] = ŝ[n + L − τ ](1)として補正されたピッチ周期 τ で外挿し補う。
ピッチ強調処理は、まず復号信号 ŝ[n] から前後 τ
サンプル離れた信号より長期予測信号 sp [n] を、
sp [n] = 0.5ŝ[n − τ ] + 0.5ŝ[n + τ ](2)という処理により生成する。次に、ŝ[n]、sp [n] より復号信号を全帯域でピッチ強調した信号 ŝf [n] を生成し、さらに ŝ[n]、ŝf [n] よりピッチ強調用信号 r[n] を、
r[n] = ŝf [n] − ŝ[n](3)として生成する。ここで、ŝf [n] = (1 − α)ŝ[n] + αsp [n](4)であり、ŝf [n] はCpα=(5)0.5(Ep + 100.1Ēpp )として処理フレームごとに適応的に算出されるピッチ
強調利得 α によって制御される。ここで、Cp は ŝ[n]と sp [n] の内積であり、Ep は長期予測信号 sp [n] のエネルギーである。また、Ēpp は長期予測信号 sp [n] の直前の処理フレームまでの平均予測誤差のデシベル領域でのエネルギーである。α は式 (5) より算出後、{0.5 (α > 0.5)
α=(6)0.0 (α < 0.0)として上限値・下限値で制限される。式 (3) のピッチ
強調信号 r[n] はカットオフ周波数が 500 Hz の 32 次
FIR フィルタで低域通過フィルタリングされ、
32∑rLP [n] =b[k]r[n − k](7)k=0として低周波数帯域のみのピッチ強調用信号 rLP [n]の生成に用いられる。ここで b[k] は低域通過フィルタのインパルス応答である。最終的に rLP [n] から低周波数帯域のみピッチ強調された復号信号 ŝout [n] を、
ŝout [n] = ŝ[n] + rLP [n](8)∗ ൅̂ ሾሿെ    ȭ൅൅̂௙ ሾሿȭሾሿ 
̂௢௨௧ ሾሿ௅௉ ሾሿ 䚷   Fig. 1 Block diagram of bass post-filter.
として生成し、聴感的な音質を向上させている。

3

ピッチ周期に応じた利得可変化とピッチ強調帯域の検討

3.1 ピッチ強調利得上限値の可変化
G.718 の Bass post-filter では、ピッチ強調用信号の利得を制御するピッチ強調利得 α の上限値は αmax =0.5 で制限される。しかし、音声の基本周波数に応じて音質の向上に適した上限値 αmax は異なる可能性があるため、基本周波数に依存させてピッチ強調利得の上限値 αmax を可変化させることを試みる。
3.2 ピッチ強調利得上限値の可変化の予備実験
音質を向上させる Bass post-filter のピッチ強調利
得上限値と音声のピッチ周期情報の関係を PESQ による客観評価 MOS 値 (PESQ-MOS) を用いて調べた。調査用データセットとして、２つの文章を読み上げる約 8 秒の男女クリーン音声 100 ファイルと、男女雑音重畳音声 200 ファイルを用いた。音声は広帯域信号であり、複数言語で多数の話者が発話したデータを用いた。雑音としては、SNR が 15 dB または 20 dB のカーノイズとオフィスノイズを用いた。
ピッチ強調用信号における利得上限値としては 0.01刻みで 0.0〜1.2 の区間を調査した。ピッチ周期情報としては、音声ファイルごとの基本周波数の平均値をSTRAIGHT [5] により算出した。
音声ファイルごとの基本周波数の平均値と、PESQMOS を最も向上させる Bass post-filter のピッチ強調利得上限値を Fig.2 に示す。基本周波数が比較的低い男性音声では、G.718 で採用されているピッチ強調利得上限値 αmax = 0.5 より低い値を上限値とすることで音質向上の可能性がある。また、ピッチ強調利得上限値 αmax と基本周波数 F0 において、
αmax = 0.0036F0 − 0.1820(9)となる回帰直線が得られた。この式 (9) を用いて Basspost-filter のピッチ強調利得上限値を処理フレームごとに可変化することで音質向上が期待される。
3.3 ピッチ強調帯域の可変化
前回発表 [6] では、Bass post-filter 低域通過フィルタの帯域を処理フレームごとに基本周波数に依存させて可変化することで音質向上の可能性を確認した。
本稿では、前節のピッチ強調利得上限値の可変化とのA new post-filtering method based on an adaptive band width for pitch enhancement and an adaptive
gain depending on pitch-lag of a decoded ACELP signal. by CHIBA Hironobu (Univ. of Tsukuba),
KAMAMOTO Yutaka (NTT), MORIYA Takehiro (NTT), HARADA Noboru (NTT), MIYABE Shigeki(Univ. of Tsukuba), YAMADA Takeshi (Univ. of Tsukuba), MAKINO Shoji (Univ. of Tsukuba)

日本音響学会講演論文集- 387 -

2014年3月

&OHDQVSHHFK 0DOH
&OHDQVSHHFK )HPDOH
1RLV\VSHHFK 0DOH
1RLV\VSHHFK )HPDOH\ [ ϭ5t *

0HDQRI‫ܨ‬଴ YDOXH>+]@Fig. 2 Relationship between the upper limit ofBass post-filter gain that provided maximum PESQMOS and the mean of F0 value.
組み合わせを考慮し、カットオフ周波数 ωc と基本周波数 F0 において、
ωc = 6.2179F0 − 535.38(10)となる前回発表とは異なる回帰直線を導出した。ここで、使用したデータセットは前節と同様である。
3.4 ピッチ強調帯域と利得上限値可変化の実装
10 ms の処理フレームごとに、復号器で使用し補正されたピッチ周期 τ を用いて基本周波数 F̂0 を、
FsF̂0 =(11)τのように求める。ここで、標本化周波数は Fs = 16kHz である。この F̂0 を用いて、式 (9) (10) よりピッチ強調利得上限値 α̂max と低域通過フィルタのカットオフ周波数 ω̂c を処理フレームごとに可変化し音質向上を試みた。ただし、α̂max < 0 の時は α̂max = 0 とした。また、カットオフ周波数の可変化は、
6.2179F̂0 − 535.38
ω̂c = 50⌊⌋(12)50として 50 Hz ごとに量子化された 32 次 FIR フィルタによる低域通過フィルタを用いて実装した。ここで、⌊·⌋ は床関数を表し、ω̂c の値域は 0 ≤ ω̂c ≤ 2000として上限・下限値で制限する。さらに、ω̂c = 0 の時は Bass post-filter の処理を行わないこととした。

4評価実験

4.1 実験条件
評価実験では、3.1 節で使用したデータセットとは異なる評価用データセットを用いた。評価用データ
セットは 2 つの文章を読み上げる約 8 秒の男女クリーン音声 231 ファイルと雑音重畳音声 200 ファイ
ルを用いた。音声は広帯域信号であり、複数言語で多数の話者が発話したデータを用いた。雑音としては、SNR が 15 dB または 20 dB のカーノイズとオフィスノイズを用いた。評価実験用コーデックはG.718 Layer 1 とした。評価は、カットオフ周波数とピッチ強調ゲイン利得上限値が固定されている従来法 (G.718) と、カットオフ周波数を可変化する手法(Adaptive ωc ) と、ピッチ強調利得上限値を可変化する手法 (Adaptive αmax ) と、220 Hz より小さい基本周波数ではピッチ強調利得上限値を可変化し、220Hz 以上の基本周波数ではカットオフ周波数を可変化する手法 (Adaptive ωc or αmax ) で行う。
4.2 PESQ による客観評価
クリーン音声と雑音重畳音声の客観評価結果を Fig.
3 に示す。図中の棒グラフとエラーバーは、各データセットにおける PESQ-MOS の平均値と 95% 信頼区間を表している。女性クリーン音声では Adaptive
ωc が音質向上に有効であり、男性クリーン音声ではAdaptive αmax が音質向上に有効である可能性が確

日本音響学会講演論文集

Ϯϯϰ
$GDSWLYH$GDSWLYH$GDSWLYH߱௖ߙ௠௔௫ ߙ௠௔௫ RU ߱௖ϭ*Ϯϯϰ
$GDSWLYH$GDSWLYH$GDSWLYH߱௖ߙ௠௔௫ ߙ௠௔௫ RU ߱௖Fig. 3 Objective evaluation of speech quality withwideband PESQ.
ϲ$GDSWLYH
RU  VFRUHെ *VFRUH

1RLV\IHPDOHVSHHFK



1RLV\PDOHVSHHFK

3(64026

ߙ௠௔௫
&OHDQPDOHVSHHFK&OHDQIHPDOHVSHHFKϰ௖ ϮϬ௫௔௠ ͲϮͲϰͲϲ

0DOH


0DOH0DOH)HPDOH )HPDOH )HPDOH

7RWDO&OHDQVSHHFK

Fig. 4 Subjective evaluation of speech quality withMUSHRA.
認できた。また、ピッチ周期により処理ごとにカットオフ周波数かピッチ強調利得上限値のどちらかを可変化する Adaptive ωc or αmax は、男性音声、女性音声どちらに対しても音質向上の可能性がある。なお、
雑音重畳音声では PESQ-MOS にほぼ差はない。

4.3 MUSHRA による主観評価
従来法 (G.718) と提案法 (Adaptive ωc or αmax )において、前節の客観評価で PESQ-MOS の差が大きかった 6 つの日本人男女クリーン音声について、8 人の被験者による MUSHRA での主観評価結果をFig. 4 に示す。図中のマーカーは各音声ファイルにおける提案法と従来法の MUSHRA スコアの差の平均値であり、エラーバーは 95% 信頼区間を表している。
提案法は女性クリーン音声ファイル Female 1 で統計的に有意に音質が向上していることを確認できた。

5

まとめ

本稿では、ITU-T G.718 Bass post-filter のピッチ強調利得をピッチ周期に依存させて処理ごとに可変にする手法を提案した。また、前回発表で提案した、ピッチ周期に依存させてピッチ強調帯域を可変にする手法と組み合わせて主観評価した結果、クリーン音声の音質を向上させることを確認できた。

参考文献[1] J. Chen et al., “Adaptive postfiltering for quality
enhancement of coded speech,” IEEE Trans. on
Speech and Audio Proc., vol. 3, no. 1, pp.59-71,
Jan. 1998.
[2] ITU-T Recomm. G.718, June 2008.
[3] ITU-T Recomm. P.862.2, July 2007.
[4] ITU-R Recomm. BS.1534-1, Mar. 2003.
[5] H. Kawahara et al., “Fixed Point Analysis ofFrequency to Instantaneous Frequency Mappingfor Accurate Estimation of F0 and Periodicity,”
Proc. EUROSPEECH, vol. 6, pp.2781-2784, Sep.
1999.
[6] 千葉 他, “復号信号の特徴に応じた ACELP 用ポ
ストフィルタの制御,” 音講論 (秋), pp.319-320,
Sep. 2013.

- 388 -2014年3月