1　はじめに
音声符号化では、復号信号に対して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いる[1]。 ITU-T G.718で使われているACELP方式[2]では低周波数帯域のみピッチ強調するBass post- filterを用いているが、適用する周波数帯域は固定されている。本研究では、ピッチ周期情報を用いてBass post-filterのピッチ強調周波数帯域を処理フレームごとに可変にする手法を提案し、音質向上を試みる。提案手法の効果を確かめるために、広帯域用PESQ [3]による客観評価を行う。 2 G.718の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、復号音声ŝ[n]に対して10 msの処理フレームごとに行う。まず復号信号ŝ[n]から、補正されたピッチ周期ヶが強調された中間信号sp[n]を、 sp[n] = 0.5ŝ[n − τ] + 0.5ŝ[n + τ] (1)という処理により生成する。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] (2)としてピッチ周期ヶで外挿し補う。次に、§[n]、 sp[n]より復号信号を全帯域でピッチ強調した信号ŝƒ[n]を生成し、さらにŝ[n]とŝƒ[n]よりピッチ強調用信号r[n]を、 r[n] = ŝƒ[n] − ŝ[n]として生成する。ここで、
ŝƒ[n] = (1 − α)ŝ[n] + αsp[n] (4)であり、ゲイン制御パラメタαはŝ[n]とsp[n]より処理ごとに0 ≤ α ≤ 0.5の範囲で求める。この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、
として低域周波数帯域のみのピッチ強調用信号rLp[n]を求めるのに用いられる。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]を用いて低域周波数帯域のみピッチ強調された復号信号ŝout[n]を、 &out[n] = $[n] + rlp[n] (6)として生成し、聴感的な音質を向上させている。 Bass post-filter used in G.718. Fig. 1
ピッチ周期に依存したBass post-filter
3
処理の提案
Bass post-filter処理の可変化の検討
3.1
従来のBass post-filterは固定の低域通過フィルタを使用しているが、音声によって低域通過フィルタの帯域を変化させることで、より効果的に音質を向上させることができると考えられる。そこで、本研究では音声のピッチ構造を知る手がかりとなるピッチ周期情報を用いて、Bass post-filter における低域通過フィルタの処理フレームごとの可変化を試みる。
予備実験
3.2
音質を向上させるBass post-filterの低域通過フィルタの帯域と音声のピッチ周期情報の関係を、PESQによるMOS (Mean Opinion Score)値(以下、PESQ score)を用いて調べた。PESQ scoreは5段階主観評価を模擬した客観評価値であり、数値が大きいほど音質が良いことを示す。予備実験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。低域通過フィルタはカットオフ周波数が50, 100, ··· , 2000 Hzである40個の32次FIRフィルタを用意した。ここで、 Bass post-filterの処理を行わない場合はカットオフ周波数を0と表記することにした。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 [4]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、 PESQ scoreを最も向上させるBass post-filterの低域通過フィルタのカットオフ周波数をFig.2に示す。この結果から、基本周波数が比較的高いFig. 2 Relationship between the cut-off fre- quency that provided maximum PESQ score and the mean of F 0 value.女性音声では、G.718で採用されているカットオフ周波数ω c = 500 Hzより高いカットオフ周波数の低域通過フィルタを使用することで、音質が向上する可能性があることを確認できた。また、カットオフ周波数ω。と基本周波数Foにおいて、 ως = 6.3651 F 0 − 566.95 (7)となる近似直線が得られた。この時、決定係数はR² = 0.4658であった。この式(7)を用いてBass post-filterの低域通過フィルタを処理フレームごとに可変化すれば、音質向上につながることが期待される。
Bass  post-filter の低域通過フィルタ可
3.3
変化の実装
復号器で使用し補正された10 msの処理フレームごとのピッチ周期ァを用いて、処理フレームごとの基本周波数Foを、
のように求めることができる。ここで、標本化周波数はF s = 16 kHzである。このF oを用いて、Bass post-filterにおける低域通過フィルタのカットオフ周波数ふを式(7)より、
として処理フレームごとに低域通過フィルタを変化させて音質向上を試みた。ここで、[･]は床関数を表し、ふの値域は0 ≤ふ≥ 2000として上限・下限値で丸める。また、式(9)で表すように50 Hzごとに量子化された低域通過フィルタを用いた。すなわちカットオフ周波数が50,100, . . . ,2000 Hzである40個の32次FIRフィルタを用意した。さらに、 ω c = 0の時はBass post-filterの処理を行わないこととした。このように、10 msの処理フレームごとに式(5)における低域通過フィルタのインパルス応答b[k]をピッチ周期で切り替えることで、Bass post-filterにおける低域通過フィルタの可変化を実装した。
3.4
評価実験
評価実験では、予備実験で使用したデータセット(Closed test)と、それとは異なる評価用データセット(Open test)を用いた。評価用データセットも、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。クリーン音声の評価結果をFig.3、雑音重量音声の評価結果をFig.4に示す。図中のエラーバーは95%信頼区間を示している。この結果から、男性または雑音重畳音声ではカットオフ周波数が固定されている従来法(G.718)とピッチ周期に依存した提案法(Developed)でPESQ scoreにほぼ差はない。しかし、3.2節で予想した結果通り、女性クリーン音声では統計的に有意な差を示す程度の音質向上を確認できた。
まとめ
4
本稿では、ITU-T G.718におけるBass post- filterの低域通過フィルタを音声のピッチ周期情報により可変化する手法を提案した。また、カットオフ周波数が固定されている従来法と比較して基本周波数が比較的高い女性クリーン音声でArはPESQ scoreが向上することを確認した。後は、主観評価実験による音質改善の確認を検討している。