------------------------------------------------------------------- FORMANTOVÁ SYNTÉZA ------------------------------------------------------------------- Roman Čmejla, textová verze 6. přednášky ze SMS, 6. listopadu 2017 OBSAH ------------------------------------------------------------- • Hlas a řeč – Hlasové ústrojí - Základní hlasivkový tón - Formanty - Zpěvní hlas • Formantová syntéza – Klattův formantový syntetizér • Číslicové IIR filtry vyšších řádu – filtry se dvěma póly – jednoduché filtry s více póly - řazení filtrů • Aplikace – banka filtrů (rezonátorů) – filtrační syntézy – formantové syntézy – potlačení šumů ------------------------------------------------------------------- Hlasové ústrojí Artikulační ústrojí Vznik hlasivkového tónu Akustický model artikulačního ústrojí parametry hlasu: F0, F1, F2, F3, F4, energie generování samohlásek Základní hlasivkový tón muži ženy děti f0typ [Hz] 125 225 300 f0min [Hz] 80 150 200 f0max [Hz] 200 350 500 Orientační hodnoty formantů českých samohlásek F1 F2 F3 I 300 .. 500 2000 .. 2800 2600 .. 3500 E 480 .. 700 1560 .. 2100 2500 .. 3000 A 700 .. 1100 1100 .. 1500 2500 .. 3000 O 500 .. 700 850 .. 1200 2500 .. 3000 U 300 .. 500 600 .. 1000 2400 .. 2900 Zpěvní hlas Vznik harmonických tónů - kmitání hlasivek - vokální trakt - spektrum harmonických tónů Akustické změny při operním zpěvu - sblížení až propojení 3 původně oddělených rezonancí vokálního traktu - vytvoření pěveckého formantového shluku - spojení 3., 4. a 5. formantu - navýšení akustické energie v oblasti kolem 3 kHz až o 20 dB Závěry s porovnáním naivního a školeného zpěvu ve fonujícím hlasotvorném traktu - sestup hrtanu - přitlačení jazyka ke spodině - zvednutí měkkého patra - posud brady dolů a vzad - vyrovnání páteře ------------------------------------------------------------------- Formantová syntéza - Založena na akustické teorii vytváření řeči – Zjednodušené modelování hlasového traktu pomocí formantů – Praktické aplikace – nejpoužívanější v 60.- 80. letech • Blokové schéma Klattova syntezátoru - vyžaduje velmi mnoho parametrů (celkem 39, z toho 20 proměnných) - kaskádní spojení - syntéza samohlásek ------- -------- -------- -------- -------- | | | | | | | | | | | zdroj | ----> | F1, B1 | ---> | F2, B2 | ----> | F3, B3 | ---> | F4, B4 | ---> | F0 | | | | | | | | | ------- -------- -------- -------- -------- - paralelní spojení - syntéza souhlásek • Zjednodušená simulace vytváření řeči člověkem – Zdroj buzení – generátor impulsů pro znělé zvuky a šum nebo smíšené buzení pro neznělé zvuky – Hlasový trakt – modelování pomocí filtru, jehož parametry odpovídají formantům a antiformantům hlasového traktu • Syntéza podle pravidel – parametry se nastavují podle manuálně nalezených pravidel • Dříve velmi úspěšná a používaná metoda • Dnes se příliš pro syntézu řeči příliš nepoužívá, výjimka: studium fonetiky a fonologie • Výhody: – Jednoduchý model – Snadné řízení prozodických charakteristik – Konstantní kvalita – Změny hlasu a emoce možno řídit podle pravidel – Schopnost vytvářet plynulou kvalitní řeč • Nevýhody: – Pracné hledání a nastavování pravidel – Vzájemná interakce mezi hodnotami parametrů – Složité vytváření některých zvuků (explozívy) – Nízká přirozenost řeči • Řadu hudebních nástrojů lze rovněž modelovat pomocí principů formantové syntézy, kdy budící signál je tvarován rezonátory, výhody a nevýhody - viz rozdílové syntézy v minulé lekci ------------------------------------------------------------------- IIR filtr s jedním pólem (pohyb pólu po reálné ose) IIR filtr s jedním pólem a jednou nulou (pohyb nuly a pólu po reálné ose) Filtr se dvěma póly - rezonátor Filtr se dvěma póly - pásmová propust IIR Filtr se dvěma póly - tlumené oscilace Filtr se dvěma póly - netlumené oscilace Filtr se dvěma póly - konstantní koeficient a2 Filtr se dvěma póly - konstantní koeficient a1 Pohyb pólů - konstantní úhel; různý poloměr Pohyb pólů po kružnici - různý úhel; konstantní poloměr Pohyb nul IIR filtru - po reálné ose IIR s více póly - pohyb vybraných pólů po ose IIR s více póly - pohyb vybraných pólů po kružnici (poznámky z minulé lekce) Metoda nul a pólů je nejsnazším způsobem návrhu jednoduchých IIR filtrů. Představme si, že frekvence jde okolo jednotkové kružnice. Na reálné ose (úhel 0) je 0 Hz, u úhlu pi/2 (imag.osa) je čtvrtina vzorkovací frekvence, u pi je polovina vzorkovací frekvence, tzv. Nyquistov frekvenci a V úhlu 2pi (celý cyklus) máme vzorkovací frekvenci. Póly musí být vždy uvnitř jednotkové kružnice, nikdy mimo nebo na ní. Nuly mohou být kdekoliv. Můžeme použít jakýkoliv počet pólů a nul, ale musí být komplexně sdružené, pokud neleží na reálné ose. Póly zesilují frekvence, nuly je potlačují. Je-li pól blíže k frekvenci, pak více zesiluje. Blíže k nule je frekvence více potlačena. Nula na jednotkové kružnici zcela potlačí frekvenci "usadí ji". *** Praktické rady *** • Zdvojením všech pólů a nul získáváme učinnější filtr. • Frekvenční charakteristika nového filtru bude mocninou staré. • Dáme-li nulu na pól, neutralizujeme účinky obou. • Pól mimo jednotkovou kružnici způsobí, že filtr se stavá nestabilním. Pól na jednotkové kružnici může učinit z filtru oscilátor. • Velké množství pólů a nul znamená velké zpoždění. • Nuly ovlivňují vstupní koeficienty, póly výstupní. • Póly a nuly musí mít komplexně sdružené páry, neboť jinak bychom měli filtr s komplexními koeficienty a následně komplexní výstupní signál. -- *** Řazení filtrů *** Sériové (kaskádní) |A|*|B| --------- --------- | | | | vstup ----> | filtr A |----->| filtr B | ----> výstup | | | | --------- --------- Paralelní |A| + |B|: --------- | | ----->| filtr B |----- | | | | | --------- | vstup ---->| |----> výstup | | | --------- | | | | | ----->| filtr B |----- | | --------- -- Rezonátory v z-rovině Amplitudové charakteristiky rezonátorů -- Aplikace: 1. Banka filtrů • z-rovina • amplitudové frekvenční charakteristiky • banka filtrů • obálky harmonických 2. Filtrační syntézy • výstřel • buben • činel • hodiny 3. Filtrační syntézy s časově proměnnými filtry • vítr • vlny • voda 4. Formantová syntéza řeči • samohlásky /a/, /e/, /i/, /o/, /u/ 5. Formantové syntézy hudebních nástrojů • housle • cello • klarinet