Vol.2012-MUS-94 No.6
Vol.2012-SLP-90 No.6
2012/2/3

情報処理学会研究報告
IPSJ SIG Technical Report

1. は じ め に

VocaWatcher: 人間の歌唱時の表情を真似る
ヒューマノイドロボットの顔動作生成システム
中 野 倫 靖†1
松 坂 要 佐†1

後 藤 真 孝†1
中 岡 慎 一 郎†1

本研究では、ヒューマノイドロボットの自然な歌唱動作の実現を目指し、その第一段階として、人間の歌唱を収録した動画像を入力として、ヒューマノイドロボットがその歌い方（歌い回しと顔表情）を真似て歌うための、歌声合成技術及び顔動作生成技術について述べ

梶 田 秀 司†1
横 井 一 仁†1る。経済産業省「技術戦略マップ 2010」⋆1 における「アイドルロボット」構想（ソフト：コンテンツ分野）に見られるように、ヒューマノイドロボットは多くの人々の関心を惹き付け
やすく、ロボット技術のエンターテインメント分野への展開は、その関心の高さに裏付けら

本稿では、人間の歌唱における顔表情を真似てロボットの顔動作を生成する VocaWatcher について述べる。歌声は、我々が以前開発した VocaListener で合成する。
従来、歌唱ロボットに関する研究はあったが、手作業による動作制御が主で、その自然さに限界があった。それに対して本研究では、単一のビデオカメラで収録した人間の歌唱動画を画像解析し、口、目、首の動作を真似て制御することで、自然な歌唱動作を生成した。ここで口の制御には、VocaListener から得られる歌詞のタイミング情報を用いて、歌声に同期した動作を生成できる。さらに、既存の VocaListener を、ブレス音を真似るように拡張して合成することで、より自然なロボット歌唱を実現した。

れた有望な応用事例である。そのようなエンターテインメント応用に向けた、ヒューマノイ
ドロボットとの親和性が高い技術の一つに歌声合成がある。

2007 年以降、日本では市販の歌声合成ソフトウェアが注目を集め、それを用いて楽曲制
作を行う一般ユーザや音楽家（プロ）が急増してきた。そうして創られた作品の多くは、動画コミュニケーションサービス「ニコニコ動画⋆2 」に投稿されたことで、多数のリスナーによって鑑賞されるだけでなく、そのコンテンツの一部、もしくは全部が新しいコンテンツの中で再利用されるといった、Web を介した大規模な協調的創造活動につながってきた1),2) 。

VocaWatcher: A Facial-Motion Generation System
for Humanoid Robot by Imitating Facial Expressionsof Human Singer

また、そうした楽曲が収録された音楽 CD が市販され、商業音楽ヒットチャート上位にランクインするなど、歌声合成による楽曲を楽しむリスナーも増えている3) 。さらに最近では、

CG 映像によるライブが日本国内や海外で開催される⋆3 など、音楽の鑑賞における新たな形

Tomoyasu Nakano,†1 Masataka Goto,†1
Shuuji Kajita,†1 Yosuke Matsusaka,†1
Shin’ichiro Nakaoka†1 and Kazuhito Yokoi †1態も登場し始めている。過去にシンセサイザが新たな楽器として普及してきたように、新たIn this paper, we describe VocaWatcher that is a facial-motion generator for
singing robot by imitating human movements. It can also synthesize singing
voices by using our previous VocaListener to imitate human singing. Althoughsinging humanoid robots have been developed with synthesized singing voices,such robots do not appear to be natural because of the limitations of manualcontrol. To generate natural singing expressions, VocaWatcher imitates a human singer by analyzing a video clip of a human singing, recorded by a single
video camera. VocaWatcher can control mouth, eye, and neck motions by imitating the corresponding human movements. To control the mouth motion,
VocaWatcher uses lyrics with precise timing information provided by VocaListener. Moreover, we extended VocaListener to imitate breathing sounds thatmake the robot singing more realistic.

ボット HRP-4C4) を開発してきた（図 1）。さらに、ヤマハ株式会社と共同で、歌声合成ソな歌声としての歌声合成が社会的に普及しつつあることから、歌声合成によって歌うヒューマノイドロボットは、高い応用可能性があると考えられる。
これまで、我々は人間に近い外観⋆4 と動作性能を持ち、表情制御可能なヒューマノイドロ
フトウェア Vocaloid23),5) を用いて、HRP-4C に歌唱させる展示も行うなど6) 、ヒューマノ
イドロボット技術のエンターテインメント応用への可能性を検討してきた。しかし、顔動作†1 産業技術総合研究所
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)⋆1 http://www.meti.go.jp/policy/economy/gijutsu_kakushin/kenkyu_kaihatu/str2010.html⋆2 http://www.nicovideo.jp/⋆3 現時点では、アメリカとシンガポールにて開催。
⋆4 身長 160cm、体重 46kg（バッテリー含む）、44 自由度で、関節位置や寸法は日本人青年女性の平均値を参考に、人間に近い外観を実現した。

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歌声[ 入力 ]

歌声合成システム

歌声分析

顔の表情

VocaListenerञ Ńठ न ऽ
歌詞
アラインメントॊधऌ

目全体の画像 瞳/まぶた
検出器
顔全体の画像

音量
時間

唇検出器

瞳の中心 (視線)
まぶた開度
口開度

時間

歌声合成

歌声合成パラメータ推定

歌詞
立ち止まる時近くなるようにパラメータを反復更新

ヒューマノイドロボット
HRP-4C の外観

ロボットの顔動作

頭部の位置と回転

顔追跡器 (faceAPI)

音高

図1[ 出力 ]

人間の歌唱動画 VocaWatcher

音源

軌道生成器

歌詞

立ち止まる時歌声

図 2 VocaListener の処理概要。人間の歌声と歌詞を入力として、
その歌い方に近くなるように歌声合成パラメータを反復推定して歌声合成する。

VocaListener

歌詞・ブレスの時系列

歌詞アラインメントञ ठनऽ ॊधऌ

音高
音量

時間

ブレス

時間

ブレス位置 ( 開始時刻と継続時間 )合成歌唱 (歌詞)

合成歌唱

合成歌唱 (ブレス)の生成と歌声の合成は、事前に用意したテンプレートの状態遷移モデルやルールベースの制

図 3 VocaListener 及び VocaWatcher による、人間の歌唱を真似るヒューマノイドロボット動作制御の処理概要

御、手作業によって行っていたため、その表現力には限界があった。

て、モーションキャプチャ結果18) や、人のビデオ映像の顔追跡結果19) を入力として用いる研究がある。しかしこれらは、顔へのマーカー付与が必要であったり18) 、多くの学習とそこで本研究では、歌唱の表現力向上のために、人間の歌い方を真似して歌声合成する既7),8)存のシステム VocaListener

チューニングを要する19) など、我々の目的に合致した手法ではなかった。

（図 2）を導入して歌声を合成した。さらに、VocaListenerと同様の枠組みに基づく顔動作生成システム VocaWatcher9),10) を新たに実現し、単一のまた、歌唱における歌声と顔の表情（特に、歌詞の音素と口の形状）の間には、密接な関係があるが、歌声情報処理20),21) を顔動作制御に組み合わせた例はなかった。

家庭用ビデオカメラで撮影された人間の歌い手の映像を用いて、その顔表情を真似るようにヒューマノイドロボットの顔動作を生成した。ここで口の制御には、VocaListener から得

3. 人間の歌い方を真似るヒューマノイドロボットの処理概要

られる歌詞のタイミング情報を用いて、歌声に同期した動作を生成できる。さらに、人間の顔表情を真似る過程で、息継ぎで息を吸う動作と共にブレス（吸気）音の合成が必要になっ本研究では、「人間の歌唱の模倣」によってヒューマノイドロボットの歌唱動作生成を実たので、既存の VocaListener をブレス音を真似るように拡張して合成する。

現する（図 3）。その機能は、人間の歌い方を真似て歌声合成する VocaListener と、人間の顔表情を真似て顔動作生成する VocaWatcher から構成される。ここで、歌唱者が自由に

2. 関 連 研 究

表現できるよう、歌唱の収録にはマーカーや視線計測器などの特別な機器は用いず、単一のヒューマノイドロボット研究の音楽への展開は、WABOT-2 の電子オルガン演奏11) から
12)始まり、フルート演奏

13)、テルミン演奏

ビデオカメラによる動画のみを用いる。

VocaListener は、既存の歌声合成ソフトウェア (例えば Vocaloid5) ) の歌声合成パラメー等が存在する。また、歌を歌わせる試みとして
14)、アカペラ歌唱やタを、ユーザ歌唱からその音高と音量を真似て推定する技術である (図 2)7),8) 。パラメータ

ダンス可能なロボット15) 、リアルタイムビートトラッキング技術に基づいて拍に合わせての反復推定により、推定精度が従来研究22) に比べて向上し、歌声合成システムやその音源

は、声道モデルの機械系による実現とその計算機制御による歌声合成
16)

歌って踊るロボット

17)、簡略化された楽譜映像を認識して歌う顔ロボット（歌手の声）を切り替えても再調整せずに自動的に合成できる⋆1 。独自の歌声専用音響モデ、等が研究されてきた。しかし、表情制御に関してはハードウェアの制約から、十分な検討がなされていなかったり、自然な顔動作の生成や歌声の合成ができなかった。

⋆1 合成結果の具体例は、ホームページ http://staff.aist.go.jp/t.nakano/VocaListener/ や動画コミュニケーションサービス『ニコニコ動画』http://www.nicovideo.jp/mylist/7012071 上で視聴できる。

一方、音楽や歌唱以外では、人間の顔動作に基づいたヒューマノイドロボットの制御とし

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頭部ロール角

[deg]
40
20
0

B

-20

A

-40

図4

頭部ピッチ角0

歌唱収録風景

50

100

150

200

D

20
0
-20

E

-40
0

50

100

150

200

250

40

頭部ヨー角

ルによって、歌詞のテキストを歌詞を音符毎に割り当てる作業は、ほぼ自動で行える⋆1 。こ
こで本研究では、ブレス音を自動検出して、それを真似るように合成する拡張を行った。

C

250

40

G

20
0

F
-20

一方、VocaWatcher には、人間の歌唱映像と VocaListener によって分析された歌詞の音

0

節（モーラ）の時刻情報⋆2 を入力として与え、「頭部の位置と回転」、「まぶた開度」、「口開度」、

50

図5

100

150

200

250

時間 [s]

図 6 検出された顔の特徴点

画像から推定された歌い手の頭部の動き「視線の方向」、「唇形状」を制御する。ここで、口開度と唇形状については、VocaListenerから同時に得られる発音のタイミング情報に基づいて、歌声に同期した動作を生成する。

くコマンド制御25) などの応用がなされてきた。しかし、歌唱中の感情表現には「半目で歌

人間の歌唱収録の様子を図 4 に示す。左端のカメラで撮影された上半身のビデオ画像とう」、「ゆっくり瞳を開く」などの連続的な変化をするため、従来技術のような離散的な開閉マイクにより収録された歌声を用いた。ここで、映像は 1920 × 1080（29.97FPS）で収録

判別のみでは対処しきれず、まぶたの連続的な変化に対応できる手法が必要となる。

したが、VocaWatcher では、その解像度を全て 960 × 540 にリサンプリングして使用しまた視線検出では、できるだけ高解像度な目の画像が得られることが望ましい。しかし、た。ここで対象とする楽曲には、RWC 研究用音楽データベース（ポピュラー音楽）23) の歌唱中の人間は歌唱動作として常に頭を動かす傾向にあるため、動画中の全フレームにおい「PROLOGUE」(RWC-MDB-P-2001 No.7) を使用して、日本人女性 1 名による歌唱を収て顔を捉える必要がある。したがって、離れた位置から撮影した映像しか用いることができ⋆3録した。また歌声合成システムとしては「Vocaloid2 初音ミク 」を用いた。

ず、そのような遠い（低解像度な）目の画像から瞳（視線）を検出しなければならない。
以上の問題を解決する手法について、本節で以降、説明する。

4. 人間の歌唱に基づく顔動作生成システム VocaWatcher

4.1.1 頭部の位置と回転の検出（顔追跡）本章では、新規開発した VocaWatcher について、技術上の課題と解決方法を説明する。

顔表情分析の最初のステップとして、三次元空間における頭部の位置と回転（姿勢）を推

VocaWatcher は、撮影された動画からロボットの顔動作制御のための値を推定する「人間定する。本稿では、Seeing Machine 社の顔画像トラッキングソフトウェア faceAPI26) を用の歌い手の顔表情分析」（4.1 節）と、その分析結果をロボットの顔動作制御パラメータといて、各映像フレームにおける頭部の姿勢（ロール角、ピッチ角、ヨー角）と顔の特徴点

して実現する「ヒューマノイドロボットの顔動作生成」（4.2 節）で構成される。

（Face landmarks）の座標を得る。図 5 に歌唱動画から推定された 1 曲（298.2 秒）中の頭

4.1 人間の歌い手の顔表情分析

部の姿勢、図 6 に検出された特徴点の例を示す。
24)

従来、瞳検出に関する研究は、視線検出に基づく車いす制御

4.1.2 瞳検出、まぶた検出

や、まばたき検出に基づ

前述したように、歌唱中の人間の顔表情には、感情表現として半目を開くなどの連続的⋆1 音符の割り当てでは、その推定時刻に誤りが発生する可能性があるが、誤った箇所を指摘して「ダメ出し」するだけで、新しい候補を再提示する機能もある。
⋆2 ここで各モーラの開始時刻は、母音（/t a/ であれば/a/部分）の開始時刻が出力される。
⋆3 http://www.crypton.co.jp/mp/pages/prod/vocaloid/cv01.jsp

な動きが存在するため、通常の方法では安定した瞳の検出が困難であった。例えば、図 6において、点 A,B,C,D で囲まれた領域が右目に対応するが、現状で用いている faceAPI(FaceTrackingAPI 3.2) では、まばたきを検出できず、目を閉じた場合でも点 B,D 間の距

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入力画像(目全体の画像)

Sobel
フィルタ
色距離の計算ハフ変換 A
＋
（積算）
D

統合された
瞳尤度マップ

ピクセル (画素)

まぶたの輝度 Ie
δx

拡大

ｋ

平均

δy

図 7 領域内の色による重みを加えたハフ変換に基づく瞳検出の概要

瞳の輝度 Ira) 実画像 I離が変化しないという問題があった。そこで、瞳（視線）とまぶた（まばたき）の検出に

図8b) サブピクセル単位での濃度 c) ピクセル単位の濃度 I

C

サブピクセル情報を用いた目領域の分解能向上（まぶた検出）におけるピクセルと実画像の関係

は、faceAPI によって検出された目領域の画像に対して、それぞれ以下の処理を適用する。
領域内の色による重みを加えたハフ変換（瞳検出）:(px , py ) = argmax L(x, y)
サブピクセル情報を用いた目領域の分解能向上（まぶた検出）:の色の重みを加えることで検出結果を頑健にする。具体的には、二次元画像の座標を x, yとした時に、円形ハフ変換による投票結果を A(x, y)、色距離から算出した尤度マップを

前述した頭部全体を撮影する必要性から、目領域の解像度は少なく 3〜6 [pixel] であった。

D(x, y)、重み付け定数を k として、瞳の尤度マップ L(x, y) を以下の式から算出する。
L(x, y) = A(x, y) + k · D(x, y)

(5)

x,y

図 7 に瞳検出の概要を示す。Sobel フィルタによるエッジ画像にハフ変換を行い、領域内

通常のピクセルベースの検出では、まぶた開度に 3〜6 の離散値しか得られず、歌唱表現を(1)

適切に反映できないため、サブピクセル情報を用いて分解能をあげて処理を行う（図 8）。

ここで、A(x, y) が形で D(x, y) が色を手がかりとした瞳の存在確率に相当し、手がかりを連続領域における実物体が発する輝度を I C (x, y)、ピクセルの幅と高さを δx と δy とする

増やして頑健性の向上を図っており、入力画像を I(x, y)、Sobel 演算子によって得られると、標本化して観測される各ピクセルの輝度 I(x̄, ȳ) は以下の式の関係になると仮定できる。

∫ ȳ+ δy∫ x̄+ δx2
2

エッジ情報を |∇I(x, y)|、瞳領域の輝度を I r 、pr と θ を円形ハフ変換における円の半径（原δy点からの距離）と角度、としてそれぞれ次のように算出される。

A(x, y) ← A(x, y) + |∇I(hx , hy )|I(x̄, ȳ) =x̄− δx2

I C (x, y)dxdy
(6)

δxδy

(2)

ここで、前節の式 (5) で得られた瞳の x 軸方向の中心位置 px を利用し、その中心位置を通(hx = pr cos θ + x, hy = pr sin θ + y)|∇I(x, y)| = (dI/dx + dI/dy)

ȳ− 2

1/2

(3)

る垂直線上（y 軸に平行な線上）でのまぶたの境界位置を b（y 軸方向の位置）とする。こD(x, y) = (1 − I(x, y) − I r )2 ,(4)の b が含まれるピクセル、つまり、まぶたと瞳の境界領域にあるピクセルに着目して、上

本稿では、歌い手が日本人であるため、瞳は黒と仮定して色距離 D(x, y) はモノクロ画像か

記の輝度の式を用いたい。そのために、b より上のまぶたの輝度が I e 、b より下の瞳の輝ら算出し、式 (2) では座標 hx , hy のピクセル（画素値）が瞳の円周上の境界（エッジ）だっ

度が I r で一定であると仮定し、そのピクセルの y 軸方向の位置を By とすると、その輝度た場合に、より大きな値でハフ変換用に積算されるここで、変数 θ を一周分変化させながI(px , By ) は面積に応じた重み付け和として次のように近似できる。

∫ By + δy ∫ px + δx
2

ら、瞳の中心 x, y に対して積算値を A(x, y) として記録している。円の半径 pr については、

2目領域の高さから想定される半径の値の範囲について、各ハフ変換と投票結果を計算（半径I(px , By ) =bpx − δx2

I e dxdy +∫bδyBy − 2∫ px + δx2px − δx
2

δxδy
e
−
b)I
+
(b
−
(By − δy))I r
(By + δy22=δyの大きさで正規化）し、最も投票が多かった候補を最終的な瞳の半径とした。
このようにして得られた瞳の尤度マップ L(x, y) から、瞳の位置 px , py （それぞれ x 軸とy 軸における値）を次のように決定した。

I r dxdy(7)(8)

これを変形して、b は次のように求まる。

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目の全体画像 (開いている場合)
目の全体画像 (閉じている場合)
１１推定された瞳の中心0.5

推定された瞳の半径

０

歌声

0.5

歌詞とブレス

０

瞳の中心と半径、まぶた開度の推定結果の例

b=

ま

る

とき

br

ま

r

(9)

ただし、現在の実装では、前節で得られた瞳の半径 pr と、式 (5) で得られた瞳の y 軸方向の中心位置 py を利用し、上記のサブピクセルの考え方を用いて、瞳全体があたかも一つのピクセル（中心位置が py 、縦方向の長さが 2pr のピクセル）であるかのように単純化す

上唇

下唇

0
20
40
60
80
100
19

ブレス(br)

19.5

た

20

ち

ど

20.5

ま

る

21

と き

21.5

br

22

ま

た

22.5

時間 [s]

ることで、まぶたの開度 a を以下の式で求めた。







(b) 口開度と実際に推定された歌詞(モーラ)とブレスの時刻0e−eminemax −emin1∑(e < emin )1(emin ≤ e < emax )

0.8

(10)

口開度 c

a =

(e ≥ emax )eI(px , ȳ), emin := 2pr I , emax := 2pr I

ブレス(br)

19

19.5

20

た

ち

ど

20.5

ま

る

21

と き

21.5

br

22

ま

た

22.5

時間 [s]

図 10 (a) パーティクルフィルタによって推定された唇の動き、(b) 口開度と VocaListener によって推定された
歌詞とブレスの時刻の比較

ここで、e は瞳全体を大きなピクセルとみなした輝度に相当し、標本化して観測された瞳
の画素値を

0.4

0

r

ȳ=py −pr

∑

0.6

0.2

py +pre :=たパーティクルフィルタ
によって推定された唇位置

顔 (口) の中心線に沿った色分布

口中心部の色 [pixel]

δyI(px , By ) − (By + δy/2)I + (By − δy/2)I
Ir − Iee

ち ど(a) 口中心部における色推移画像とパーティクルフィルタによって推定された唇位置推定されたまぶた開度

図9

ブレス(br) たによって瞳の直径分だけ加算して求めた。瞳の輝度 I r は定数とし、まぶたの輝度 I e は瞳の範囲から外れていると考えられる目領域の境界周辺のピクセルの輝度値の図 10(b) に、歌い出しにおける口開度と、実際に歌われた歌声、そして VocaListener で得られた歌詞とブレスの時刻情報を比較して示す。

平均をとることで算出した。
以上の処理によって得られた、瞳の位置と半径、まぶた開度の例を図 9 に示す。

4.2 ヒューマノイドロボット HRP-4C の顔動作生成

4.1.3 口開度の検出

前節までで、人間の顔表情データとして瞳位置、まぶた開度、口開度、歌声情報として歌歌唱時の高速な唇の動きのために faceAPI はしばしば唇のトラッキングに失敗し、正確

詞とブレスの時刻情報が推定できたため、それに基づいてロボットの関節軌道（制御パラな口開度（上唇と下唇間の距離）を検出できなかった。そこで、まず faceAPI で得られた特メータ）を推定する。図 11 に HRP-4C の頭部の関節軸構成を示す27) 。ここで、それぞれ徴点で定められる顔の中心線 (図 6 において、線分 E-F に平行で点 G を通る直線) に沿っの関節角をサーボモータにより 5ms の時間分解能で制御することで、顔動作を生成する。

た一次元のイメージを元画像より抽出し、時間軸に沿って並べた二次元イメージを作成した

4.2.1 首動作の生成(図 10(a))。ここで、上下の唇はほぼ等しい色をもった帯として表れている。その時間変位

ロボットの首関節（NECK R, NECK P, NECK Y）の制御は、顔動作分析において、を得るため、RGB の色距離を用いたパーティクルフィルタによって、上唇と下唇の中心線

29.97FPS で得られた頭部ロール角、ピッチ角、ヨー角 [deg] の時系列データ（図 5）を用を推定した。このようにして得られる唇の距離を [0, 1] で正規化して、口開度 c とした。

いる。モータ制御に合わせ、5ms の時間分解能に線形補間してリサンプリングするが、そ5c 2012 Information Processing Society of Japan⃝

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歌詞系列
（モーラ）

EYEBROW_P
EYELID_P

母音のキーポーズと内挿
非線形ゲイン {s, k}

EYE_P
CHEEK_P

1

NECK_R
EYE_Y

口開度 c

NECK_P

モーラに基づく
関節角
mora
q
i

関節角
q

i

g(c, s, k)k

口開度 g(c, s, k)

UPPERLIP_P
NECK_Y

0

LOWERLIP_P
MOUTH_P

図 11

s

図 12

1 ｃ
口開度に基づく唇動作の修正によって制御される。それぞれの関節の可動範囲を表 1 に示す。ここで、事前に行った実験

HRP-4C の顔と首の関節軸構成27) 。円柱がモータ、平行四辺形が皮膚を変形させるための機構の動作端、右目の円は眼球を示す。
「それぞれの関節名の末尾で、制御可能な回転軸方向を示しており、「 R(ロール軸）」「 P(ピッチ軸）」「 Y（ヨー軸）」である。

では、単純に人間の口開度 c（図 10(b)）をパラメータとして与えたのでは、適切な顔動作を生成できず、それぞれの母音らしく見えなかった。これは、HRP-4C の顔内部の機構の制限が原因であり、単純に真似るだけでは、適切な動作生成が行えないことを意味する。

の際には、モータ性能を考慮して、動作速度と動作範囲の抑制のために、カットオフ周波数

そのような問題を解決するために、日本語の 5 母音（/a/, /i/, /u/, /e/, /o/）と撥音

4 Hz のローパスフィルタ（2 次バタワースフィルタ）と、スケーリング（現在は、ゲイン（/N/）、ブレスに対応する関節角度（キーポーズ）を、それぞれの母音らしく見えるようにとして 0.6 を用いた）を施して生成した。

予め定めておき（表 2）27) 、VocaListener で得られた歌詞とブレスの時刻情報をもとに関節4.2.2 視線・まばたき動作の生成

軌道を生成する（図 13(a)）。ただし、このようなキーポーズによるパターン生成のみでは、

視線やまばたきなどの関節軌道生成のために、眼球 EYE Y , EYE P 及び、まぶたの正しいタイミングで推定された母音とブレスの唇形状だけが反映され、子音部における口関節 EYELID P 、前頭部の皮膚を上下させる EYEBROW P を制御する。ただし現状のの開きや、推定時刻にわずかなずれがあった場合、ゆっくりもしくは早く口を開く場合など

HRP-4C では、左右の眼球を個別に制御できず、眼球 EYE Y 及び EYE P は、左右同時に、それらを表現できずロバストでない。

にヨー角とピッチ角を制御する。同様に、EYELID P も左右のまぶたを同時に上下させる。

そこでさらに、画像から得られた口開度情報 c （図 10(b)）を重畳することによって、母まず眼球 EYE Y と EYE P について、瞳検出（4.1.2）の式 (5) で得られた瞳の位置に音やブレスの口の開き方を細かに再現し、子音に対応する動きを再現する。ここで、c はこ

基づいて眼球の方位角を求め、関節軸 EYE Y の角度を決定した。具体的には、px を図 6れまで同様カットオフ周波数 20 Hz のローパスフィルタを施した。このようにして多くのの A-C の線分間の距離で正規化して、±45 [deg] の範囲に割り当てた。ここで、眼球の上下場合、自然な唇軌道が生成できていることを確認した。

動を制御する EYE P に関しては常に 0 とし、EYEBROW P についても常に 0 を与えた。

しかし、いくつかの音素（/i/, /u/及び/o/）において、観測される口開度が実際のキー

続いて、まぶたの開度は式（10）によって推定した連続値を目標とする。EYELID P は、ポーズよりも小さいことがあった。これは、口開度がそれぞれのキーポーズに正規化されて首動作の制御同様、モータ制御に合わせ、5ms の時間分解能にリサンプリングしてローいるわけではなく、口の開きの最大値によって正規化されていることによる。例えば、人間

パスフィルタとスケーリングを施した。ここで、ローパスフィルタのカットオフ周波数はの/i/における口開度が 0.6 を超えることはほとんどない。したがって、修正された唇軌道

EYELID P （まばたき）に 30Hz、EYE Y（視線）に 2Hz を用いた。

は常にキーポーズの 60%以下の値となってしまう。

4.2.3 唇動作の生成

このような問題を解決するために非線形ゲインを導入する（図 12）。与えられた口開度 cとパラメータ {s, k} から、変形のための非線形ゲイン g(c, s, k) を、次式によって決定する。

唇動作は、図 11 の 4 つの関節 (MOUTH P, UPPERLIP P, LOWERLIP P, CHEEK P)

6

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情報処理学会研究報告
IPSJ SIG Technical Report(a) 歌詞(モーラ)に基づいて生成された唇動作パターン

関節の動きと唇形状の関係
目的

可動範囲 (deg)

MOUTH P
UPPERLIP P
LOWERLIP PCHEEK P

あごの開閉
上唇の上下動下唇の前進・後退
口角の上下動

0 – 10-25 – 00 – 25-3.3 – 030

口の関節角 [deg]

表1
関節名

20
10
0
-10
-20
-30

MOUTH_P
UPPERLIP_P
LOWERLIP_P
CHEEK_P
ブレス (br)1919.5

表 2 母音とブレスに関するキーポーズ

MOUTH P [deg]UPPERLIP P [deg]
LOWERLIP P [deg]CHEEK P [deg]非線形ゲイン s
非線形ゲイン k

/a/
9
-5
5
0
0.5
0.5

/i/
0
-25
25
-2
0.3
0.7

/u/
0
-23
24
0
0.3
0.6

/e/
6
0
0
-1
0.6
0.8

/o/
8
-10
10
0
0.6
0.8

10
0
0
0
0.5
0.5

ま

る

21

と き

21.5

br

22

ま

た

22.5

時間 [s]

0.8
0.6
0.4
0.2

s(UPPERLIP_P)
k(UPPERLIP_P)

0
ブレス (br)

19

19.5

た

20

ち

ど

20.5

ま

る

21

と き

21.5

br

22

ま

た

22.5

時間 [s](c) 生成された唇の動き

qi = g(c, s, k)qimora

/a/

/i/

/o/

ブレス

(11)

(k/s)c(0 ≤ c < s)1−k(c − s) + k
1−s(s ≤ c ≤ 1)

口の関節角 [deg]g(c, s, k) :=

ど

1

ブレス

口が閉じた状態 ブレス

{

ち

20.5

(b) 非線形ゲインパラメータ {s, k} の推移

/N/
0
0
0
-1
0.5
0.5

非線形ゲイン

母音た20

ここで、qi と qimora は、それぞれ i 番目の口関節角とモーラに基づく関節角である。パラメータ {s, k} は、各母音ごとに表 2 に示すように決定した。これらはモーラ系列によって

30
20
10
0
-10
-20
-30

MOUTH_P
UPPERLIP_P
LOWERLIP_P
CHEEK_P
ブレス (br)

変化しながら、キュービック・スプラインによって滑らかに内挿される（図 13(b)）。

19

図 13(c) に、実際に生成された 4 つの関節軌道と対応する唇の形状を示す。

19.5

20

た

ち

ど

20.5

ま

21

る

と き

21.5

br

22

ま

た

22.5

時間 [s]

図 13 VocaListener で得られた歌詞（モーラ）と時刻情報、及び口開度 c(図 10) に基づく関節軌道の生成。
(a) 歌詞に基づく口開度と (b) それらの非線形ゲイン、(c) 図 12 の処理に基づく最終的な口開度と唇形状。

5. 人間の歌唱に基づく歌声合成システム VocaListener のブレスを真似る歌
声合成への拡張

27 曲と AIST ハミングデータベース30) 中の二人の歌唱データに手作業でラベル付けして構

人間の歌手は歌唱中にブレス（吸気）するため、その顔動作を真似るロボットも同様に口築した。より詳細な分析条件や楽曲名等は文献 29) で述べられている。

を開ける (4.1.3 を参照)。しかし、口が開くのみで何も音が聞こえないと不自然な印象を与本手法は高い再現率を持つ一方で、呼気部や/h/等の一部の子音に対して誤検出を伴う。

えるため、ブレス音も真似て歌声合成できるように VocaListener を拡張した。

そこで、次のような単純な後処理によって、ブレス検出の精度を向上させる。

• 歌唱フレーズの直前以外の場所に存在する（VocaListener で推定された歌詞時刻や、歌

5.1 ブレス検出手法28),29)

本稿では、我々が以前開発した、人間の歌唱中のブレスを自動検出する手法

を用い

唱フレーズの直後）検出結果を削除する• 継続時間長が 50 ms〜1225ms の範囲28),29) 外の検出結果を削除するる。ここで、ブレス/歌声/無音の 3 種の HMM (Hidden Markov Model) を構築して歌唱
23)

音声中のブレスを検出する。HMM は、RWC 研究用音楽データ（ポピュラー音楽）

それでも残った誤りは手作業で修正する。

の7

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IPSJ SIG Technical Report

5.2 ブレス合成手法の課題

歌声 (v)

ブレス音を対象として「ユーザ歌唱を真似る」ためには、既存の VocaListener と同様、ブレス (b)
無音 (s)

既存の歌声合成システムでブレス音を合成し、その音量パラメータをユーザ歌唱に合わせ

53.5

自動検出結果て自動的に推定する方法が考えられる。しかし、この方法は実用性・汎用性が低いため採用

54

歌声

54.5

55

55.5

br

61.5

62

62.5

63

63.5

歌声

提案手法

しない。なぜなら、音高や音量と異なり、ブレスに関するパラメータは歌声合成システムに正解

よって異なってしまう可能性が高く（場合によっては存在せず）、そのパラメータによって誤検出の改善(フレーズ直後の呼気)変化する音響的特徴がシステム毎に異なることが考えられるためである。
実際、ヤマハ株式会社の Vocaloid と Vocaloid25) ではブレスの合成結果が異なり、誤検出が改善されない例(時刻情報のずれ)

誤検出の改善(フレーズ直後の呼気)誤検出の改善(子音)

図 14 ブレス検出結果の例。フレーズ終わりの呼気や子音による誤検出が改善されたが、時刻情報がずれるなど、誤検出が改善されない場合もあった。

Vocaloid2 では 5 種類のブレス音を継続時間長を変えながら合成できるのに対し、Vocaloidでは 1 種類のみが合成できるだけで、継続時間長も変更できない（変更しても、不適切なノ

5.4 ブレス検出結果

イズしか合成できない）。また、Vocaloid2 でも、5 種類中のいくつかはブレスとして不自実験に用いた歌唱（PROLOGUE, 約 298 秒）では、自動検出の結果、歌声/ブレス/無音

然な音であった。したがって、これまで通りの方法では、異なる歌声合成システムにおいて区間が 289 箇所得られ、歌声区間が 152 箇所（169.71 秒）、ブレス区間が 80 箇所（20.06

適用できない可能性があり、汎用的でない。

秒）、無音区間が 57 箇所（109.2 秒）であった。ただし、ブレス区間の正解は 53 箇所であ

5.3 ブレス合成手法

り、上記の初期出力結果は誤検出を含む。すなわち、再現率が 100%（= 53/53）、子音やフ本研究では、5.2 節で述べた課題を解決するために、ソースフィルタ分析に基づくブレス

レーズ終わりの呼気部等で誤検出があり、精度は 66.25%であった（= 53/80）。

音合成手法を開発して、人間のブレスを真似て歌声合成する。まず合成対象のブレス音を、

そこで、80 箇所から 5.1 節の規則によって候補削除を行ったところ、53 箇所のブレス区

同じ歌声合成システム（例えば、Vocaloid2「初音ミク」）で合成する。その際、特にブレス間（17.16 秒）に絞られ、ブレス位置の検出としては再現率と精度ともに 100%であった。

らしい音のみを選択して用いる⋆1 。続いて、そのブレス音のスペクトル包絡を時系列として

図 14 にブレス検出例を示す。図 14 左に示すように、時刻のずれが残ったまま、誤検出が推定し、それをブレスの時間・周波数テンプレートとして用いる。その際、本稿では、スペ改善されない例が見られ、その 1 箇所のみ時刻を手で修正した。

クトル包絡の推定に TANDEM-STRAIGHT31) を用いた。

ここでは良い結果が得られたが、歌い手や歌唱スタイルの違いによっては、ブレスの有声

次に、ブレス検出（5.1 節）によって得られたブレス音の継続時間長と、その音量を真似化や、母音の無声化によって著しく精度が下がる場合があった。今後は上述の時刻ずれの補るように、テンプレートを伸縮・変形させる。継続時間長は、各周波数ビンを時間方向に線

正や、母音の無声化、ブレスの有声か等への対処に研究の余地がある。

形伸縮させて反映した。音量は、スペクトル包絡の周波数軸方向の積分で近似し、それを目

6. 結標に合わせて変調させる。最後に、そのスペクトル包絡からインパルス応答波形を生成し、果

図 15 に歌い手の女性（左）と、VocaWatcher によって生成した HRP-4C の表情（右）励振音源としてのガウス雑音を畳み込むことでブレス音を合成する。
このような手法を用いる事で、部分的にでもブレスらしいテンプレートが手に入れば、音の比較を示す。人間に近い顔動作の生成ができたが、以下のような問題点も残った。
ロボットの口開度が人間に比べて小さい（図 15(a), (c)） これ以上口を開くことができな

量と継続時間長を変えて汎用的にブレスを合成できる。また、ブレス音が存在しない歌声合成システムでも、ブレス音合成できる可能性⋆2 があるが、それは今後の研究課題である。

い、ロボット関節の可動限界が原因である。

⋆1 初音ミクの場合は br5 を用いた。Vocaloid でも、部分的にブレスらしく聞こえる音を切り出して利用できる。
⋆2 ブレスの第 1, 第 2 フォルマント周波数は母音の/a/や/e/のフォルマント周波数に近い29) という知見があり、また主観的な印象では次の歌詞の母音に応じてブレス音が変動することから、母音のスペクトル包絡そのままに、

ガウス雑音による励振を行う事で近似できる。実際に試したが、場合によってはそれらしく聞こえる事もあった。
しかし、ノイジーな印象が強く、包絡の変形等の処理が必要と考えられる。

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人間

ロボット

制がとりやすい利点があり、人間の歌唱機能の解明に向けた基本ツールとして貢献できる。
本成果の実機デモンストレーションを、エンターテインメント分野における可能性を知る意味も込めて、技術展示会 CEATEC JAPAN 2010（2010 年 9 月に幕張メッセで開催）に出展した。その際、顔以外に腕も動かしたが、動作生成ソフトウェア Chore-

onoid32) を用いて、手作業で音楽に合うように振り付けた。多数の来場者が訪れ、様々(a) ḷ࠸ฟࡋ , /ta/ ࢆⓎኌ , time = 20.29s, frame = 608

な反響⋆1 が得られた。人間らしさや自然さが優れている点を高く評価する意見が多かっ(c) /ra/ ࢆⓎኌ , time = 151.48s, frame = 4540

たが、顔の動作や声の質、皮膚や顔形状などの見た目に関して、一部不自然さが残るた
め、気味の悪さを感じる聴衆もいた。本デモンストレーションの動画は、ウェブサイト

(http://staff.aist.go.jp/t.nakano/VocaWatcher/index-j.html) で閲覧できる。
こうしたエンターテイメント分野への応用には、様々な可能性がある。歌声合成システム
や歌うヒューマノイドロボットは、人間の機能を人工的に再現するだけでなく、人間の限界(b) ┠ࢆ㛢ࡌࡓ≧ἣ , /ru/ ࢆⓎኌ , time = 74.17s, frame = 2223

図 15(d) 㛫ዌ୰㸪Ⓨኌ࡞ࡋ , time =204.77s, frame = 6137

を超える表現⋆2 や、クリエータが自分単独ではできない表現⋆3 に応用可能である。表現者がオリジナルの人間の歌い手（左）と提案する手法によって顔動作を制御した HRP-4C（右）

人間でなくシステムやロボットであれば、クリエータの立場からは、気兼ねすることなく、自分のイメージする世界を柔軟な発想でそのまま表出できる利点がある。同じ声質でも様々

人間と違いロボットの眼が閉じきっていない（図 15(b)） 過電流とモーター燃焼の問題をなクリエータが違った歌い方や世界観を表現したり、同じヒューマノイドロボットでも違っ回避するために、口を完全に閉じきらずに少し開いた設定にしていることが原因である。

た表情を見せたりすることで、表現がより多様になる可能性がある。また、そのように一つ/o/, /u/の口が表現できない（図 15(b)） /o/や/u/のような口をすぼめる表情は、そののロボットやシステムが多様な表現を持っていれば、リスナーの立場からは、複数のロボッ
トやシステムから好みのものを選んで、それぞれの中から好みの表現を選択して楽しむこと

ようなモーターが存在しないために表現できない。

もできる。さらに、ロボットやシステムが歌うことによる驚きと楽しさが加えられるだけで以上の問題はすべて、今後、顔制御機構の性能向上に伴って改善される可能性がある。
また、我々のシステムの特長として、間奏のような何も歌っていない箇所でも、人間がするなく、ロボットやシステムが歌うからこそ意味があったり感動できる歌詞など、新たな楽しように、頭部を揺らしたり、視線を動かしたりといった表現を行うことができる（図 15(d)）。

みの創出に繋がる可能性がある。

そういった無意識の表現も真似ることが、より自然で人間らしい動きにつながる示唆を得た。

今後の課題として、ロボット関節の軌道生成には、いくつかのゲインパラメータや事前に設定するパラメータが含まれており、それらは HRP-4C に特化してしまっている。Vo-

7. お わ り にcaListener で歌声合成の音源の違いを吸収する上で反復推定が効果的であったように、今本研究では、人間に近い外観で表情制御が可能なヒューマノイドロボット HRP-4C4) （図 1）

後、VocaWatcher でも同様の発想で反復推定を導入していくことで、様々なヒューマノイ

に、歌声合成システム VocaListener を組み合わせた上で、人間の顔表情を真似て歌うためドロボットに対応できる予定である。本研究では、「模倣」を出発点として「自然さ」をまの顔動作生成システム VocaWatcher を新たに実現した。また、その際にブレス音を合成でずは表現することが重要だと考えたが、次の段階として、そのモデル化（コンテキストの時

きるよう VocaListener を拡張した。本研究は、最先端のロボット技術、音楽情報処理技術、⋆1 例えば、http://www.diginfo.tv/2010/10/13/10-0217-r-en.php や http://blogs.wsj.com/japanrealtime/
2010/10/05/japans-next-pop-idol-is-a-robot/ 。
⋆2 高い歌や早い歌を歌う、同じ動きで歌う等。
⋆3 男性クリエータが女性の歌声・振付でコンテンツを作る等。

画像処理技術の融合が新たな価値を生み出すことを示す意義を持つ。また、本研究の長期的な展望としては、「人間らしさ」とは何かを解明し、より人間を知ることも目指している。
本成果は、人間のような歌声や動作を再現性高く人工的に生成できることから、実験での統9c 2012 Information Processing Society of Japan⃝

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IPSJ SIG Technical Report

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めることで、模倣を越えた新たな表現へつなげていきたいと考えている。
謝辞 本研究では、ヤマハ株式会社及び、クリプトン・フューチャー・メディア株式会社の歌声合成ソフトウェア「初音ミク（CV01）」、RWC 研究用音楽データベース (ポピュラー
音楽 RWC-MDB-P-2001) 及び AIST ハミングデータベースを使用した。本研究を推進す
るに当たって三浦 加奈子 氏、米倉 健太 氏、松本 吉央 氏、比留川 博久 氏、関口 智嗣 氏、からサポートを得た。

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