400

日本音響学会誌 75 巻 7 号（2019），pp. 400–405

小特集—話す・歌う・奏でる音の合成技術—

歌声の合成における基盤技術——歌声合成における特徴量の制御——*

中 野 倫 靖，後 藤 真 孝（産業技術総合研究所）∗∗
43.75.Rs

1. は じ め に「初音ミク」等が注目を集め，歌声合成を用いた楽曲が数十万曲制作された。それらは音楽ヒット

歌声には多様な歌唱表現があり，歌声を自動的

チャート上位に登場する等，楽しむリスナも増加に合成する際には，そうした表現をいかに制御するした [3, 4]。歌唱曲を制作する敷居を歌声合成がかが重要となる。テキスト音声合成でも感情表現下げたため，一般の人々も楽曲制作に参加して 2が扱われることがあるが，歌声合成では音楽的な表

次創作の活発な文化を育み，大規模な協調的創造

現ができることが本質的である点が大きく異なる。

活動を引き起こした [5,6]。そうした文化・活動の本稿では，そうした歌声合成で必須となる基盤技

中で生まれた楽曲は，歌声合成に基づくキャラク

術として，多様な表現を得るための特徴量の制御

タがコンピュータグラフィクス（CG）の映像でスについて述べる。歌声合成では，合成方式や歌手テージに登場する先進的なライブコンサートで演ごとの音源（ある特定の歌手の歌声を合成するた

奏されるようになった [7]。国内外で毎年開催されめのデータ集合）の構築方法も重要だが，本稿では続けている。このように音楽創作・鑑賞における表現の制御のみに焦点を当てる。具体的には，歌可能性を広げてきた歌声合成は，多様な音楽ジャ

声合成における歌唱表現制御に関する Umbert et

ンルで活用されており，より一層多様な歌唱表現

al. による解説 [1] を，より最近の研究や，Humancomputer interaction（HCI）の観点からの表現の制御ができる技術の需要が高まっている。

制御を含めて発展させる形で解説する。

2. 歌声の可能性を広げる歌声合成技術

歌詞の意味を伝えつつ音楽的な表現ができる歌

歌声合成は，人間の多様な歌唱を再現して合成

声は，音楽の重要な要素であり，歌声や歌詞を中心するだけでなく，人間には不可能な歌唱すら合成に音楽を聴く人は多い [2]。音楽制作においても中できる可能性を持っている。音楽制作においても心的に扱われる。更に，歌声は音の三要素である人間の歌唱と歌声合成は必要に応じて使い分けら

音高・音量・音色のすべてがリズムを伴って複雑れたり，相補的に活用されたりすることが重要でに時変化する時系列信号であり，特に音色は歌詞ある。そこで，多様な歌唱表現を制御して歌声合の音韻が次々と変化するため，他の楽器音の生成・成の可能性を広げることを念頭に，本章では，人制御よりも技術的に難易度が高い。このような歌

間と歌声合成のそれぞれの能力・特長と限界を整

声の多様な歌唱表現を効果的で自然に制御できる

理し，歌唱表現制御のためにどのような技術が求技術や，直感的で容易に制御するためのユーザイ

められているかを議論する。

ンタフェースの実現は，学術的にも意義がある。

2.1 人間の歌声生成（歌唱）能力とその限界

音楽制作において，歌声合成技術は既に広く利人の歌声は，人間らしくて自然性が高く，歌唱用されている。特に日本を中心に 2007 年以降，市力があれば音楽的に多様な表現を持つ歌声を生成

販の歌声合成ソフトウェアである VOCALOID2できる特長を持つ。また，歌詞に応じた多様な歌∗

Fundamental technology for singing synthesis: Control of acoustic features.
∗∗
Tomoyasu Nakano and Masataka Goto (National
Institute of Advanced Industrial Science andTechnology (AIST), Tsukuba, 305–8568) e-mail:t.nakano@aist.go.jp; m.goto@aist.go.jp

い回しを臨機応変に駆使できる表現力も持つ。
しかし，過去に歌った歌を完全に再現してもう一度歌ったり，自分の歌唱力を超えた歌を歌ったりすることは難しい。例えば，自身の限界よりも広い声域の歌を歌ったり，歌詞が速すぎる歌を歌っ401

歌声の合成における基盤技術

たりすることはできない。

形振幅，音色はスペクトル包絡形状（共振周波数）

2.2 歌声合成の能力とその限界等により制御する。歌詞は文字列や音素列のテキ

歌声合成は，多様な声質の歌声を再現性高く何ストとして与えることが多く，リズムは歌詞に対度でも合成できる特長を持つ。楽曲制作者の立場

応する音符の時刻や音価，無音の挿入等によってからは，歌声合成ソフトウェアを用いればいつでも制御する。その上で，リアルタイム制御のためにどこでも歌声が得られ，人間の歌唱者と違ってソフ

は，いかに低いレイテンシ（遅延時間）で合成でトウェアは疲労しないために，表現を少しずつ変更

きるかも重要となる。

しながら何度でも調整できる。また，歌声を音高

3. 制 御 方 法

や音量のような個別の要素に分解して制御でき，複数の声色（音源）を切り替えたり混ぜ合わせたりで

2.3 節において議論した要件に対し，その制御きる（市販の歌声合成ソフトウェア VOCALOID4

方法は多様である。本章では，既存の研究事例をのクロスシンセシス機能 [8] 等）。

以下の 6 種類の観点で分類して紹介する。

人間には及ばない。更に，ライブステージや即興• ピアノロールなどの楽譜表現を用いる（3.1 節）• お手本の歌声を真似る（3.2 節）• 歌唱テクニックを指定する（3.3 節）• 既存楽器を用いる（3.4 節）• 身体動作を用いる（3.5 節）• 合成された歌声を変形する（3.6 節）

演奏で，リアルタイムかつ完璧に歌唱表現を制御

これらの観点は独立ではなく，複数が混在する場するのは困難である。特に，楽器音の生成とは異合もある。

しかし，人間の歌声と区別がつかないような自然な歌声を，人間と同じぐらい多様な表現力で自動的に生成できる技術は，まだ実現されていない。
近年，歌声合成音の自然性は飛躍的に向上したが，歌唱表現の多様さと歌詞の意味に応じた表現力はなり，音高・音量に加えて歌詞もその場で指定す

3.1 歌を楽譜で制御するる必要があると一層困難となる。

市販の歌声合成ソフトウェアでは，歌い方を，ピ

2.3 歌声合成に求められる要件

アノロールと呼ばれる楽譜表現（音符系列）で制

前節でまとめた歌声合成の能力や限界に基づき，御する方式が一般的である。歌詞テキストとピア

歌唱表現制御に求められる要件を議論する。歌声

ノロールを入力として歌声を合成することから，合成には，以下に挙げるような目的があるため，そ話声合成の text-to-speech synthesis と対応付けれを達成するための技術を要する。

て text-to-singing synthesis もしくは lyrics-to-1) 自然な歌を合成する
2) 多様な声質・声色で合成する
3) 多様なスタイル・テクニックで合成する
4) リアルタイムに歌声合成・表現制御をする

singing synthesis と呼ばれることがある [9]。ピアノロール自体は，ユーザが MIDI キーボード（ピ1) を実現する上では，歌詞と楽譜（メロディ）を打ち込んで対応付けることが多い。音高・音量の入力として，自然な音韻・音高・音長（音価）等

細かな変動や声色変化を与えるパラメータは，事で歌声が合成できるとよい。2) においては，様々

前に用意されたテンプレートに基づいて制御したな歌手の声質や，同じ歌手でも多様な声色で合成

り，マウス等で個別に入力して制御したりできる。

する必要がある。例えばデスボイス等の特殊な技

この方式は，VOCALOID [10] や HMM 歌声合

能を要する表現も合成対象となる。3) では，ビブ成システム [11] 等で広く採用され，近年の深層学

ラート等の歌唱特有のテクニックの制御が求めら習に基づく歌声合成システム [12, 13] でも前提とれる。そして 4) は，伴奏や背景音楽にその場で同されている。

期させた制御を必要とする。

アノ鍵盤）やマウス等を用いて入力し，そこに歌
詞のテキストを文字入力用キーボード等から順次

様々な歌手の歌声や異なる声色（音色）を合成

以上の目的のために，音の三要素である音高，するためには，別々の音源を用意して使い分ける

音量，音色に加え，歌詞の音韻やリズム（ [1] のことが多い。あるいは，共振周波数や非周期成分

Table 3 参照) を歌唱表現の要素として制御しなけ，音量は波ればならない。音高は基本周波数（fo ）の度合い等を変更することで，音色制御を実現す
ることもある。特殊な事例としては，話し声を歌402

日本音響学会誌 75 巻 7 号（2019）

声に変換する speech-to-singing synthesis と呼ば動成分）やビブラート等の fo 動的変動成分 [19]れる方式があり，人間の話し声の声質を利用しつがあるが，それらの含まれ方は歌唱テクニックやつ，話し声の声の高さを変更して音素を引き延ば歌唱力によって異なる。例えば，オーバシュート

すことで歌声にするシステム [9,14] も提案されては歌唱力の差によらず生じるが，その変動の大きいる。

さは歌唱力に依存し，プロによる歌唱の方がアマ

3.2 歌を歌で制御する

チュアによる歌唱よりも変動が小さい [20] こと人の歌声をお手本として与えてその歌い方を真似から，歌唱力の高さを感じさせるためには，そのて歌声合成をする方式を singing-to-singing syn-

変動量を小さくする必要がある。また，ビブラー

thesis と呼ぶ [15]。このような「真似る」アプロー

トの深さ（変動幅）は歌手によって異なることか

チは，複雑で時間のかかる楽譜入力や手作業によら [21]，その制御が歌唱スタイルに影響を与える。

るパラメータ調整をしなくても，「このように歌わ

歌唱テクニックを指定した表現制御では，せたい」というお手本の歌声と，その歌詞テキスた音高・音量・ビブラート情報（深さ・速さ）を正VOCALOID におけるビブラート等のプリセット
選択や手書きによる制御の他，グロウル [8,22] や，シャウト [23]，グイン [24]，長唄特有の「あたり」と「ふり」 [25] のような表現を個別に付与する手規化し，歌声合成パラメータへ変換する手法を提法が提案されてきた。また，歌唱テクニックに着案した。中野ら [15] は，お手本の歌声から推定し目したデータセットも整備され始めており，そのた音高・音量を用いて既存の歌声合成システムで表現制御のための研究開発に有用である。例えば合成しても，必ずしもお手本どおりにならない問

アカペラ歌唱のデータセット VocalSet [26] には，題に着目し，その合成した歌声の音高・音量がおビブラートやトリル等の 16 種類の歌い方（それに手本に近づくように反復しながら自動調整できる

話し声を加えた合計 17 種類）が収録されている。

システム VocaListener を実現した。これは，歌

歌唱テクニックや歌唱力に関する制御は，歌の声合成システムの違いや音源の違いに対処できる

印象を大きく変える効果があって重要であり，上だけでなく，歌声分析結果の誤りをユーザがイン

述のような個別の取り組みでも実用性はある。将タラクティブに訂正できる機能も有していた。音来的には，多様な歌唱テクニックを総合的に扱え高のずれやビブラート等の歌唱表現を修正できる

るような研究開発が進展することで，より一層豊支援機能により，お手本の歌唱力を超えた表現をかな表現制御が実現されることが期待できる。

トを与えるだけで利用できる利点がある。

Janer et al. [16] は，お手本の歌声から推定し得ることもできた。更に，同一歌手による複数の

3.4 歌を楽器で制御する声色の音源を活用することで，お手本の声色変化

上述の歌唱表現制御ではいずれもリアルタイム

を真似る拡張もなされた [17]。

性が考慮されていないが，リアルタイムに制御す

上記の方法では歌詞のテキストを事前に用意する目的では，MIDI キーボードのような既存楽器る必要があるが，実用性があり，VocaListener はが用いられることが多い。しかし，歌声の歌詞（音市販されていた。将来的には，歌詞も自動認識し韻）とメロディ（韻律）とを同時に入力するのはながらお手本を真似る技術が登場する可能性があ

容易でなく，様々な工夫が必要となる。

る。歌詞を伴わないハミングのようなお手本歌唱

まず，左手で歌詞を，右手でメロディを同時に入も真似る場合には，楽器の演奏を真似る InstLis-

力するリアルタイム歌唱合成インタフェースが提tener [18] のようなアプローチも考えられる。
3.3 歌を歌唱テクニックで制御する案された。山本ら [27] は，左手では文字入力用の専用インタフェースで歌詞の各文字の子音と母音

どのような歌唱テクニックをどこで用いるかを，を同時に指定し，右手では MIDI キーボードの鍵

音符系列やその歌詞に応じて的確に制御すること盤を演奏することで音高を入力するインタフェー

は，個性的な歌唱スタイルの表現や歌唱力の高い歌スを提案した。一方，フォルマント兄弟は，MIDI

声の合成につながる。例えば，歌声の自然性に寄キーボードのみを用いてその音域を左右に分け，左与する歌声特有の音響特徴量として，オーバシュー

手側の 1 個〜2 個の鍵盤の組み合わせで歌詞の各文

ト（音高変化直後の目的音高を越える瞬時的な変字（ひらがな）の子音と母音を同時に指定し，右手403

歌声の合成における基盤技術

側の鍵盤で音高と音量を入力するインタフェース
を提案した [28]。インタフェースとしては，MIDI
アコーディオンも用いられていた。

合成インタフェース [35] を提案した。
また，歌詞を伴わないが，D’Alessandro et al.

[36] は，ペン型のデバイスによって，音高・音量等

次に，歌詞を事前に与えておくことで，入力を容易

をリアルタイムに制御する歌声合成インタフェーにするインタフェースも提案された。Yamamotoスを提案した。安ら [37] は，微小な無声音と咽頭et al. [29] は，歌詞のひらがな文字列を事前登録した上で，音域を左右に分けた MIDI キーボードの右手側では音高を指定し，左手側では 1 個の鍵位置をセンシングすることで，発声なしに鼻歌の盤を押して母音だけを指定する入力インタフェーと楽譜情報を用いて，タブレットの画面を指でなスを提案した。母音系列を歌詞とマッチングするぞることでビブラートの深さと速さを変更できる

ことで多少の誤りが含まれていても歌声が合成でインタラクションを提案した。Hewitt et al. [39]きる。他にも，歌詞を事前登録し，右手で音高のは，人間の歌手の歌声のフィルタリング等の加工みを入力する VOCALOID Keyboard が市販されをジェスチャーをセンシングして行うマイクスタている。

ンド eMic を提案した。また，Park et al. [40] は，

音高・音量を再現するシステムを提案した。
他にも，森勢ら [38] は事前に用意された歌詞

一方，歌声合成とは異なるが，歌声の音高を楽マイクに内蔵されたセンサにより，歌手のジェス器で制御する研究がある。Morikawa et al. [30]

チャーを使用してビブラート生成や音高制御，エは，喉頭摘出者が電気喉頭を用いて発声した音高

フェクト付与を可能とするインタフェースを提案

変化が乏しい音声を，鍵盤楽器の演奏音の音高にした。

基づいて歌声に変換できる歌唱支援システムを提3.6 歌を加工・変形して制御する案した。また，Ojima et al. [31] は，既存の楽曲

歌唱表現の制御という観点からは，人間の歌声の混合音中に含まれるボーカルの歌声の音高を，を加工・変形するために開発された技術を，そのMIDI キーボードによってリアルタイムに変更しまま合成された歌声にも適用することができる。

て演奏できるインタフェースを提案した。

例えば，Auto-Tune 等の市販の音高補正用ソフト

3.5 歌を身体動作で制御する

ウェアは，人間の歌声の音高やタイミングのずれ

歌唱表現のリアルタイム制御では，上述の楽器を補正するために，商業音楽制作において広く用を用いる方法だけでなく，様々な身体動作を直接いられている。これは，人間が発声できないよう用いることができると便利である。楽器に不慣れな機械的な音高変化を付与するために用いられるな人が直感的に歌唱表現を制御したり，歌詞入力

ことがあり，合成した歌声を敢えて機械的に加工とメロディ入力のモダリティを分ける（手とそれするために適用されることがあるのは興味深い。

以外を併用する）ことで同時入力の困難さを減らある人の歌い方を別の人の歌い方に変形する技

したりできるからである。ただし，習熟には長時術や，それらの中間の歌声を生成するモーフィン

間を要するインタフェースもあり，まだ普及はし

グ技術も活発に研究開発されてきた。そうした技ていない。

術を適用すれば，合成された異なる歌唱表現の歌

Fels et al. [32] は，ジェスチャーによって歌声

声同士をモーフィングしたり，合成された歌声とと話し声を合成できる手袋型のデバイスを提案し人間の歌声とをモーフィングしたりすることが可た。右手の前後左右の位置で母音，右手の指の動能である。

きで子音，左手の上下位置で音高を制御できる。

Ito et al. [33] は，音高，音量，ビブラートの深4. 今後の展望さを腕の動きで，母音の種類を手首のひねりで操

本稿では，歌声合成における歌唱表現を，楽譜・作するシステムを提案した。竹本らは，鼻歌によ歌声・歌唱テクニック・楽器・身体等の様々な手段

る音高入力と，文字入力キーボードによるローマで制御する研究事例を紹介した。歌唱表現制御の

字歌詞入力を組み合わせ，リアルタイムに歌声を研究開発は発展途上で様々な可能性があり，チャ合成できるインタフェース「HANAUTAU」 [34]

レンジングで未解決な問題も多く，魅力的な研究と，歌詞に点字入力を用いたトランペット型歌声

テーマの宝庫である。

404

日本音響学会誌 75 巻 7 号（2019）

歌声合成や歌唱表現制御の研究開発は今後，人制作で現在最も普及しているのは 3.1 節で述べた

間の歌声と区別できないぐらい限りなく人間の歌方式だが，所望の表現を得るためには多くの時間

声に近づいていく方向性と，逆に，人間には不可と労力がかかる。音楽経験の多寡を問わず誰でも能な歌唱表現を生み出していく方向性のそれぞれ使いこなせて表現の自由度が高いインタラクショを極める形で発展していくと我々は予想している。

ンや，歌詞の意味を反映した歌唱表現制御は難し

その両者について，4.1 節と 4.2 節で議論する。

く，それらの実現はグランドチャレンジとなる。

歌声合成がより一層普及するためには，利用場

4.4 歌声のリアルタイムで柔軟な合成面を拡大するための研究開発も不可欠である。人

ライブコンサートで人間の歌手が観客の反応に間の優れた歌手が持つ多種多様な表現を誰でも手応じて歌唱表現を変えるように，将来は，歌声合

軽に思いのままに合成できるようにする技術や，成が同じフレーズでもリアルタイムに歌い方を変ライブコンサートで観客の反応に応じて歌唱表現

えながら表現できるようになっていく。ライブコを変えられるぐらいのリアルタイム性と柔軟性をンサートやイベント等での歌声合成の利用は拡大生み出す技術は，まだほとんど研究開発がなされしたが，現在は事前に合成した歌声を再生するのていない。そうした展望を，4.3 節と 4.4 節で議論が一般的である。リアルタイムで動的に変わる歌する。

唱表現制御の実現は難しく，しかもそれを人間が4.1 限りなく人間に近い歌声の合成

インタラクティブに制御できるだけでなく，上記合成された歌声は，今後ますます自然になり，多の観客の反応のようなその場にならないと判明し様な表現が可能になって，最終的には人間の歌声ない状況に応じて制御できる技術は，実現の目処と区別ができなくなっていく。人間の歌声の表現が立っていない。こうしたリアルタイム性と柔軟力は幅広く，ある一つの表現では自然性を達成で性を持つ歌声合成は，今後，様々な発展の可能性

きても，あらゆる表現で自然な歌声を合成するこがある。

とは難しい。あらゆる歌手の個人性，声質・声色，
歌唱力を再現することも難しく，いかにそれらを制御可能にしていくかが，歌唱表現制御におけるグランドチャレンジとなる。

4.2 人間には不可能な歌声の合成合成された歌声は，人間のような喉という物理的な制約がないため，人間の歌声とは違う独自の歌声と表現を生み出し，多様な音楽の創造に寄与していく。これは，楽音合成（シンセサイザ）が自然な楽器音だけでなく，それ以前には存在しな
かった楽器音と表現を生み出してきたのと同様である。人間には困難な高速な歌詞や声域の広い歌
声は，歌声合成を用いた様々な楽曲で既に利用されているが，聞いたことがない未知の歌声をどうデザインし，どう合成すればよいのかは明らかでない。どこまでが歌声なのか，楽器音との境界は何なのか，といった様々な議論が起きることが予想される。

4.3 多種多様な歌声を自由自在に合成
あたかもプロの歌手が自分のために歌ってくれ
るかのように，将来は，歌詞に即した適切で多様な歌唱表現が，時間をかけずに手軽で思いどおりに合成可能になっていく。歌声合成を用いた楽曲

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performance using a modified, sensor based microphone stand,” Proc. CHI EA ’13, pp. 2943–2946(2013).
[40] Y. Park, H. Heo and K. Lee, “VOICON: An interactive gestural microphone for vocal performance,”
Proc. NIME 2012, pp. 43–46 (2012).

中野 倫靖
2008 年筑波大学大学院図書館情報メディア研究科 博士後期課程修了。博士（情報学）。現在，産業技術総合研究所主任研究員。情報処理学会，日本音響学会各会員。2009 年 情報処理学会 山下記念研究賞（音楽情報科学研究会），2013 年Sound and Music Computing Conference (SMC 2013)
The Best Paper Award, 2018 年 IEEE Pacific Visualization Symposium (PacificVis 2018) Honorable Mention
Poster Award 等各受賞。

後藤 真孝
1998 年早稲田大学大学院 理工学研究科博士後期課程修了。博士（工学）。現在，産業技術総合研究所情報技術研究部門 首席研究員 兼メディアコンテンツ生態系プロジェク
トユニット代表。JST ACT-I「情報と未来」研究総括，統計数理研究所 客員教授，筑波大学大学院 教授（連携大学院）等を兼任。日本学士院学術奨励賞，日本学術振興会賞，
ドコモ・モバイル・サイエンス賞 基礎科学部門 優秀賞，科学技術分野の文部科学大臣表彰 若手科学者賞，星雲賞等，
47 件受賞。