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JP4586675B2 - Vocal tract cross-sectional area function estimation apparatus and computer program - Google Patents
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JP4586675B2 - Vocal tract cross-sectional area function estimation apparatus and computer program - Google Patents

Vocal tract cross-sectional area function estimation apparatus and computer program Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To estimate the cross-sectional area function of a vocal tract in a real time with high precision using a parameter easy to measure. <P>SOLUTION: The estimation system 100 of the cross-sectional area function of the vocal tract includes a parameter calculation part 118 for calculating the average of the cross-sectional area function of the vocal tract and the coefficient for making a first and second main components and the weight, which makes the cross-sectional area function of the sound tract during continuous vocalization approximate by the first and second components, approximate by the linear sum of the cepstrum coefficient determined from vocal sound data 116 on the basis of a stationary MRI image 110 during vocalization of a vowel, an MRI motive image 114 during continuous vacalization and the sound data 116 during continuous vocalization, a cepstrum coefficient calculation part 182 for calculating the cepstrum coefficient at every frame, a linear conversion processing part 184 for calculating the weights of the main components with respect to respective frames on the basis of the linear sum using the coefficient, which is calculated by the parameter calculation part 118, with respect to the cepstrum coefficient and a vocal sound cross-sectional area function estimating part 186 for estimating the cross section of the vocal tract with respect to the respective frames using the weights and the main components. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&amp;INPIT

Description

この発明はMRI(Magnetic Resonance Imaging)画像のような透過画像を用いた人間の調音機構の分析技術に関し、特に、静止透過画像と透過動画像とに基づき、人間の発話から得られる音声に基づき、発話時の声道断面積関数をリアルタイムで推定する声道断面積関数の推定装置に関する。   The present invention relates to a technique for analyzing a human articulation mechanism using a transmission image such as an MRI (Magnetic Resonance Imaging) image, and in particular, based on a static transmission image and a transmission moving image, based on a voice obtained from a human speech, The present invention relates to an apparatus for estimating a vocal tract cross-sectional area function that estimates a vocal tract cross-sectional area function at the time of utterance in real time.

音響から調音器官の構成への変換は逆推定法と呼ばれるが、一般的に非線形で1対1の関係が成立しない事が知られている。これは(音源を含む)調音器官の間での補償的関係から生じ、そのために互いに異なる声道形状から非常に良く似た音質の音声が生じる事があるためである。   The conversion from acoustic to articulator structure is called an inverse estimation method, but is generally known to be nonlinear and not have a one-to-one relationship. This is due to a compensatory relationship between articulators (including the sound source), which can result in very similar sound quality from different vocal tract shapes.

しかし、これらの問題の困難さは結局のところ選択する調音機構の形状パラメータと音響的パラメータとに依存しており、適切な制約を課す事により解決できる。従来技術において提案された最も重要な制約のタイプには二つある。人間の発声機構をより厳密に模擬した人間型のモデルを提唱するもの(非特許文献1)と、調音器官の時間的軌跡に連続性を課すものとである(非特許文献2)。   However, the difficulty of these problems is ultimately dependent on the shape and acoustic parameters of the articulation mechanism selected, and can be solved by imposing appropriate constraints. There are two of the most important types of constraints proposed in the prior art. One that proposes a human-type model that more closely simulates the human vocalization mechanism (Non-Patent Document 1) and one that imposes continuity on the temporal trajectory of the articulatory organ (Non-Patent Document 2).

これに代えて、仮に調音器官の間で自然に生ずる共変動を、より少ない自由度で捕らえる事ができれば、制約をさらに加える事なく、容易にモデルを逆推定法に用いる事ができる可能性がある。実際のところ、そのような、測定された調音器官のデータの次元数を削減する事は、母音生成に関するいくつかの研究での関心事となっている。アメリカ英語の母音については、声道形状の変化のうち90%については、平均を中心とする変化を記述する、わずか二つの直交成分で説明できる事が明らかにされている。同様の成分についてはアイスランド語の母音でも報告されており、ドイツ語の母音に関する研究でそれらについての言語間に共通した有効性が支持されている。実際、非特許文献3に記載された、モデルを用いた実験により得られた結果の類似性によれば、それら二つの成分が言語に対して独立であるだけではなく、人間の声道の解剖学的及び生体力学的な属性に本質的に備わっているものである、という仮説が妥当と思われる。
J.シュレータ他、「音声信号から声道形状を推定する技術」、IEEE音声及び音響処理論文集、2(1)、pp.133−150、1994年 (Schroeter, J. & Sondhi, M. M., "Techniques for estimating vocal-tract shapes from the speech signal", IEEE Trans. Speech & Audio Proc., 2(1), 133-150, 1994.) J.ダン他、「生理的調音モデルを用いた、発話音声からの声道形状推定」、ジャーナル・オブ・フォネティクス、30(3)、pp.511−532、2002年 (Dang, J. & Honda, K., "Estimation of vocal tract shapes from speech sounds with a physiological articulatory model", J. Phonetics., 30(3): 511-532, 2002.) P.ペリエ他、「発話における舌運動の自由度は生体力学により制限されている可能性がある」、第6回音声言語処理国際会議(ICSLP)予稿集、北京、中国、第II巻、pp.162−165、2000年 (Perrier, P., Perkell, J., Payan, Y., Zandipour, M., Guenther, F. & Khalighi, A., "Degrees of freedom of tongue movements in speech may be constrained by biomechanics", in Proc. 6th Int. Conf. Spoken Lang. Process. (ICSLP), Beijing, China, Vol. II: 162-165, 2000.) B.H.ストーリ他、「経験的直交モードによる声道断面積関数のパラメータ化」、ジャーナル・オブ・フォネティクス、26(3)、pp.223−260、1998年 (Story, B. H., & Titze, I. R., "Parameterization of vocal tract area functions by empirical orthogonal modes", J. Phonetics, 26(3): 223-260, 1998.) P.ラドフォジッド他、「フォルマント周波数からの声道形状生成」、米国音響学会ジャーナル、64(4)、pp.1027−1035、1978年 (Ladefoged, P., Harshman, R., Goldstein, L. & Rice, L., "Generating vocal tract shapes from formant frequencies", J. Acoust. Soc. Am., 64(4): 1027-1035, 1978.) H.ワキタ、「声道長を用いた母音の正規化及びその母音識別への応用」、IEEE音響・音声・信号処理論文集、25(2)、pp.183−192、1977年 (Wakita, H. "Normalization of vowels by vocal-tract length and its application to vowel identification", IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, 25(2), 183-192, 1977)
Instead, if the co-variation that occurs naturally between the articulators can be captured with fewer degrees of freedom, there is a possibility that the model can be easily used in the inverse estimation method without further restrictions. is there. In fact, reducing the dimensionality of such measured articulator data has become a concern in several studies on vowel generation. For American English vowels, 90% of the changes in vocal tract shape can be explained by only two orthogonal components that describe the change centered on the average. Similar components have also been reported in Icelandic vowels, and research on German vowels supports their effectiveness across languages. In fact, according to the similarity of the results obtained by the experiment using the model described in Non-Patent Document 3, not only these two components are independent of language but also the anatomy of the human vocal tract The hypothesis that it is intrinsic to the physics and biomechanical attributes seems reasonable.
J. et al. Schleter et al., “Technique for Estimating Vocal Tract Shape from Speech Signal”, IEEE Speech and Acoustic Processing Papers, 2 (1), pp. 133-150, 1994 (Schroeter, J. & Sondhi, MM, "Techniques for collaborative vocal-tract shapes from the speech signal", IEEE Trans. Speech & Audio Proc., 2 (1), 133-150, 1994. ) J. et al. Dan et al., “Estimation of vocal tract shape from uttered speech using physiological articulation model”, Journal of Phonetics, 30 (3), pp. 511-532, 2002 (Dang, J. & Honda, K., "Estimation of vocal tract shapes from speech sounds with a physiological articulatory model", J. Phonetics., 30 (3): 511-532, 2002.) P. Perrier et al., “The degree of freedom of tongue movement in speech may be limited by biomechanics”, Proceedings of the 6th International Conference on Spoken Language Processing (ICSLP), Beijing, China, Vol. 162-165, 2000 (Perrier, P., Perkell, J., Payan, Y., Zandipour, M., Guenther, F. & Khalighi, A., "Degrees of freedom of tongue movements in speech may be constrained by biomechanics ", in Proc. 6th Int. Conf. Spoken Lang. Process. (ICSLP), Beijing, China, Vol. II: 162-165, 2000.) B. H. Story et al., “Parameterization of vocal tract cross section function by empirical orthogonal mode”, Journal of Phonetics, 26 (3), pp. 223-260, 1998 (Story, BH, & Titze, IR, "Parameterization of vocal tract area functions by empirical orthogonal modes", J. Phonetics, 26 (3): 223-260, 1998.) P. Radfosid et al., “Generation of vocal tract shape from formant frequencies”, Journal of the Acoustical Society of America, 64 (4), pp. 1027-1035, 1978 (Ladefoged, P., Harshman, R., Goldstein, L. & Rice, L., "Generating vocal tract shapes from formant frequencies", J. Acoust. Soc. Am., 64 (4) : 1027-1035, 1978.) H. Wakita, “Normalization of vowels using vocal tract length and its application to vowel identification”, IEEE Sound, Speech, Signal Processing, 25 (2), pp. 183-192, 1977 (Wakita, H. "Normalization of vowels by vocal-tract length and its application to vowel identification", IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, 25 (2), 183-192, 1977)

従って、声道形状に関する上記した二つの成分を逆推定法に用いる事により、よい結果を得られる可能性がある。こうした試み自体、過去に行なわれた事はある(非特許文献4)。しかしこの従来技術では合成音声のフォルマントを用いており、従って逆推定法ではフォルマントを得るために使用した特定の声道伝達線モデルの特性を学習したものとなり、人間の声道の音響的特徴を学習したものとはならない。   Therefore, there is a possibility that good results can be obtained by using the above-mentioned two components related to the vocal tract shape in the inverse estimation method. Such attempts themselves have been made in the past (Non-Patent Document 4). However, this conventional technology uses a formant of synthesized speech, and therefore, the inverse estimation method learns the characteristics of the specific vocal tract transmission line model used to obtain the formant, and the acoustic characteristics of the human vocal tract are It cannot be learned.

対照的に、非特許文献5では、透過撮影法による撮影と同時に録音された音声から容易ではない手段で測定したフォルマントに対する線形回帰を適用し、各フォルマントに対する舌形状を定める第1及び第2の要素とそれぞれ0.935及び0.902の相関がある事を見出している。   In contrast, in Non-Patent Document 5, linear regression is applied to formants measured by means that are not easy from sound recorded simultaneously with the transmission method, and the tongue shape for each formant is determined. It has been found that there is a correlation of 0.935 and 0.902 with the element, respectively.

しかし、音声の発生期間が長く安定している母音についてさえ、フォルマントを簡単な処理で安定して精度高く測定できない事は良く知られている。従って、今まで、多くの研究により、逆推定法のために、安定して精度高く測定できる音響パラメータを用いる事の重要性が強調されてきたが、そのための具体的な方策は与えられていない。   However, it is well known that even for vowels whose sound generation period is long and stable, formants cannot be measured stably and accurately with simple processing. Therefore, until now, many studies have emphasized the importance of using acoustic parameters that can be measured stably and accurately for inverse estimation, but no specific measures have been given. .

従って、本発明の目的は、測定の容易なパラメータを用い、精度の高い推定をリアルタイムで行なう事ができる声道断面積関数の推定装置を提供する事である。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a vocal tract cross-sectional area function estimation device capable of performing highly accurate estimation in real time using parameters that can be easily measured.

本発明の第1の局面によれば、声道断面積関数の推定装置は、複数個の母音の各々についての、所定の話者の個々の発話時における静止透過画像と、複数個の母音の連続発話時の、所定の話者の透過動画像と、連続発話時の所定の話者の音声データとに基づいて、個々の発話時の話者の声道断面積関数の平均及び当該平均回りの変化を表わす第1〜第m(mは2以上の自然数)の主成分と、連続発話時の発話者の声道断面積関数を平均及び第1〜第mの主成分により近似するための第1〜第mの主成分の重みを、所定の話者の音声データに対するケプストラム分析により得られる第1次〜第n次(nは予め定められた10以上の自然数)のケプストラム係数の線形和で近似するための係数とを準備するためのパラメータ準備手段と、話者の音声をキャプチャして得られる、フレーム化された音声信号に対し、フレームごとにケプストラム分析を行ない、第1次〜第n次のケプストラム係数をフレームごとに算出するための第1のケプストラム分析手段と、第1のケプストラム分析手段の算出する第1次〜第n次のケプストラム係数に対し、パラメータ準備手段により準備された係数を用いた線形和を用いて、話者の音声信号の各フレームに対する第1〜第mの主成分のための重みを算出するための線形変換部と、線形変換部により算出された第1〜第mの主成分のための重みと、パラメータ準備手段により準備された平均及び第1〜第mの主成分とを用いて、話者の音声信号の各フレームに対し、声道断面積を推定するための声道断面積推定手段とを含む。   According to the first aspect of the present invention, an apparatus for estimating a vocal tract cross-sectional area function includes, for each of a plurality of vowels, a still transmission image at the time of each utterance of a predetermined speaker, and a plurality of vowels. The average of the vocal tract cross-sectional area function of each speaker at the time of each utterance based on the transparent moving image of the predetermined speaker at the time of continuous utterance and the voice data of the predetermined speaker at the time of continuous utterance. To approximate the first to m-th principal components (m is a natural number equal to or greater than 2) representing the change of, and the vocal tract cross-sectional area function of the speaker during continuous speech by the average and the first to m-th principal components The linear sum of the first to n-th order cepstrum coefficients (n is a predetermined natural number of 10 or more) obtained by performing cepstrum analysis on the speech data of a predetermined speaker with the weights of the first to m-th principal components. Parameter preparation means for preparing the coefficients for approximation with the sound of the speaker First cepstrum analysis means for performing a cepstrum analysis for each frame on a framed audio signal obtained by capturing and calculating first to n-th order cepstrum coefficients for each frame; A first sum for each frame of the speech signal of the speaker is obtained by using a linear sum using a coefficient prepared by the parameter preparation means for the first to n-th order cepstrum coefficients calculated by the first cepstrum analysis means. A linear conversion unit for calculating a weight for the m-th principal component, a weight for the first to m-th principal component calculated by the linear conversion unit, an average prepared by the parameter preparation unit, and Vocal tract cross-sectional area estimating means for estimating the vocal tract cross-sectional area for each frame of the speaker's voice signal using the first to m-th principal components.

静止透過画像からは、個々の母音の発話時の声道断面積関数の平均値と、平均値を中心とする変動を表わす第1〜第mの主成分が準備される。透過動画像からは、連続発話時の声道断面積関数を、静止透過画像から得た声道断面積関数の平均値と、第1〜第mの主成分とで近似するための、第1〜第mの主成分に対する重みがフレームごとに準備される。音声データに対するケプストラム分析により得られた第1次〜第n次のケプストラム係数でこれら重みを線形和で近似するための係数が準備される。これらが準備された後、話者の音声をキャプチャして得られたフレーム化された音声信号から第1次〜第n次のケプストラム係数が得られる。このケプストラム係数に対し、パラメータ準備手段に準備された係数を用いた線形変換を行なう事により、フレームごとの第1〜第mの主成分のための重みが得られる。この重みと、声道断面積関数の平均と、第1〜第mの主成分とを用いて、声道断面積関数の近似値がフレームごとに算出される。フォルマントのように測定が困難なパラメータではなく、ケプストラム係数という測定の容易なパラメータを用い、精度の高い推定をリアルタイムで行なう事ができる。   From the static transmission image, an average value of the vocal tract cross-sectional area function at the time of utterance of each vowel and first to m-th principal components representing fluctuations centered on the average value are prepared. From the transmitted moving image, a first for approximating the vocal tract cross-sectional area function at the time of continuous speech with the average value of the vocal tract cross-sectional area function obtained from the static transmitted image and the first to m-th principal components. A weight for the m-th principal component is prepared for each frame. Coefficients for approximating these weights with a linear sum are prepared using first-order to n-th order cepstrum coefficients obtained by cepstrum analysis on speech data. After these are prepared, first-order to n-th cepstrum coefficients are obtained from the framed speech signal obtained by capturing the speech of the speaker. A weight for the first to m-th principal components for each frame is obtained by performing linear transformation on the cepstrum coefficients using the coefficients prepared by the parameter preparation means. An approximate value of the vocal tract cross-sectional area function is calculated for each frame using this weight, the average of the vocal tract cross-sectional area function, and the first to m-th principal components. Highly accurate estimation can be performed in real time using a cepstrum coefficient, which is an easily measured parameter, instead of a difficult parameter such as formant.

さらに好ましくは、パラメータ準備手段は、複数個の母音の各々についての、所定の話者の個々の発話時の声道部分の静止透過画像により得られる声道断面積関数に基づいて、当該複数個の母音に関する声道断面積関数の平均と、第1〜第mの主成分とを主成分分析により求めるための主成分分析手段と、透過動画像よりフレームごとに得られる連続発話時の声道断面積関数を第1〜第mの主成分により形成される空間に射影する事により、連続発話時の声道断面積関数を第1〜第mの主成分と平均とにより表わすための、第1〜第mの主成分の重みを算出するための重み算出手段と、連続発話時の所定の話者の音声データに対するケプストラム分析を行なう事により、第1次〜第n次のケプストラム係数を求めるための第2のケプストラム分析手段と、第2のケプストラム分析手段により得られる第1次〜第n次のケプストラム係数の線形和で、連続発話時の第1〜第mの主成分の重みを近似するための重回帰分析を行なって係数を算出するための重回帰分析手段と、平均、第1及び第2の主成分、並びに第1〜第mの主成分の重みを近似するための係数を記憶するための記憶手段とを含む。   More preferably, the parameter preparation means includes a plurality of the plurality of vowels based on a vocal tract cross-sectional area function obtained from a static transmission image of a vocal tract portion at the time of individual speech of a predetermined speaker. Principal component analysis means for obtaining the average of the vocal tract cross-sectional area function relating to the vowels and the first to mth principal components by principal component analysis, and the vocal tract during continuous utterance obtained for each frame from the transmitted video By projecting the cross-sectional area function to the space formed by the first to m-th principal components, the vocal tract cross-sectional area function at the time of continuous speech is expressed by the first to m-th principal components and the average. First to n-th order cepstrum coefficients are obtained by performing weight cepstrum analysis on voice data of a predetermined speaker at the time of continuous speech and weight calculation means for calculating the weights of the first to m-th principal components. Second cepstrum for Multiple regression analysis for approximating the weights of the first to m-th principal components at the time of continuous speech with a linear sum of first to n-th cepstrum coefficients obtained by the analyzing means and the second cepstrum analyzing means Storage means for storing coefficients for approximating the weights of the average, the first and second principal components, and the first to m-th principal components Including.

上記した各パラメータを算出するための手段を備える事により、一つの声道断面積関数の推定装置で、パラメータの学習と実際の処理との双方を行なう事ができる。   By providing the above-described means for calculating each parameter, it is possible to perform both parameter learning and actual processing with a single vocal tract cross-sectional area function estimation device.

第1のケプストラム分析手段と、第2のケプストラム分析手段とは、同じ周波数帯域の音声信号に対するケプストラム分析を行なうようにしてもよい。   The first cepstrum analysis unit and the second cepstrum analysis unit may perform cepstrum analysis on an audio signal in the same frequency band.

パラメータ準備手段により準備されるのと同じ周波数帯域の音声信号から得られたケプストラム係数を動作時に用いる事により、声道断面積関数の推定を正しく行なう事ができる。   By using a cepstrum coefficient obtained from an audio signal in the same frequency band as that prepared by the parameter preparation means during operation, the vocal tract cross-sectional area function can be correctly estimated.

好ましくは、第1のケプストラム分析手段と、第2のケプストラム分析手段とは、ともに0〜4kHzの周波数帯域の音声信号に対するケプストラム分析を行なう。   Preferably, both the first cepstrum analysis unit and the second cepstrum analysis unit perform cepstrum analysis on an audio signal in a frequency band of 0 to 4 kHz.

話者にもよるが、この周波数帯域の音声信号に対するケプストラム分析の結果を用いる事により、声道断面積関数の推定を精度良く行なえる事が判った。   Although it depends on the speaker, it was found that the vocal tract cross-sectional area function can be accurately estimated by using the result of the cepstrum analysis for the speech signal in this frequency band.

さらに好ましくは、パラメータ準備手段は、声道断面積関数の平均及び第1〜第mの主成分と、係数とを記憶するための記憶手段を含む。m=2、n=24でもよい。   More preferably, the parameter preparation means includes storage means for storing the average of the vocal tract cross-sectional area function, the first to m-th principal components, and the coefficients. m = 2 and n = 24 may be sufficient.

実験によれば、主成分としては第1及び第2の主成分を用いると十分な精度で推定が行なえる。またケプストラム係数として第1次〜第24次までを用いた場合が最も推定の精度が高い。   According to experiments, if the first and second principal components are used as the principal components, the estimation can be performed with sufficient accuracy. Further, when the first to 24th orders are used as the cepstrum coefficients, the estimation accuracy is the highest.

声道断面積関数が、所定の話者の声道の中心線上の、互いの等しい間隔をおいた所定個数のセクション位置での声道の断面積と、セクション位置間の距離とを含むようにしてもよい。   The vocal tract cross-sectional area function may include the cross-sectional area of the vocal tract at a predetermined number of section positions equally spaced from each other on the center line of the predetermined speaker's vocal tract and the distance between the section positions. Good.

セクション位置間の距離まで含めて主成分分析を行なう事により、母音により異なる声道長まで含めた推定を精度高く行なう事ができる。   By performing the principal component analysis including the distance between the section positions, it is possible to perform the estimation including the vocal tract length which varies depending on the vowel with high accuracy.

本発明の第2の局面に係るコンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されると、当該コンピュータを上記したいずれかの声道断面積関数の推定装置として動作させるものである。従って、上記した声道断面積関数の推定装置と同様の効果を得る事ができる。   A computer program according to the second aspect of the present invention, when executed by a computer, causes the computer to operate as one of the above vocal tract cross-sectional area function estimation devices. Therefore, it is possible to obtain the same effect as the above vocal tract cross-sectional area function estimation device.

<構成>
図1に、本発明の一実施の形態に係る、逆推定法を用いて音声から声道断面積関数をリアルタイムで推定し表示する声道断面積関数推定システム100のブロック図を示す。図1を参照して、声道断面積関数推定システム100は、ある特定の話者について「ア」「イ」「ウ」「エ」「オ」の各母音を発話しているときの声道画像を撮影して得られる5組の静止MRI画像110と、同じ話者が「アイウエオ」という一連の発話をしているときの声道の動画像を撮影したMRI動画像114と、同じ話者が「アイウエオ」という一連の発話をしているときの音声を録音した音声データ116とを用い、逆推定法に必要なパラメータを算出するためのパラメータ算出部118を含む。理想的には、音声データ116はMRI動画像114を撮影するときの話者の音声を録音すればよいが、実際にはMRIの撮影には非常に大きな音が発生するため、撮影と録音とを同時に行なう事は困難である。従って本実施の形態では、MRI動画像114を撮影するときとは別の時点に音声データ116の録音をする。しかし、両者は互いに同期している必要があるため、話者にヘッドフォンを装着させ、同期音発生装置112により発生させた規則的な同期音をこのヘッドフォンを通じて話者に聞かせ、その同期音にあわせて「アイウエオ」の発声を行なうようにする。なお、音声データ116の録音時には、声道の形状がMRI動画像114の撮影時のそれとできるだけ一致するよう、話者の姿勢もMRI動画像114の撮影時と同様にした。
<Configuration>
FIG. 1 shows a block diagram of a vocal tract cross-sectional area function estimation system 100 that estimates and displays a vocal tract cross-sectional area function from speech in real time using an inverse estimation method according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, vocal tract cross-sectional area function estimation system 100 is a vocal tract when vowels “a”, “i”, “c”, “e”, and “o” are uttered for a specific speaker. 5 sets of still MRI images 110 obtained by photographing images, and MRI moving images 114 obtained by capturing a moving image of the vocal tract when the same speaker is making a series of utterances of “Aiueo”, and the same speaker Includes a parameter calculation unit 118 for calculating parameters necessary for the inverse estimation method, using the voice data 116 recorded from the voice of when “Iueo” is making a series of utterances. Ideally, the voice data 116 may be recorded by the voice of the speaker when the MRI moving image 114 is shot. However, in reality, a very loud sound is generated in the MRI shooting. It is difficult to perform simultaneously. Therefore, in the present embodiment, the audio data 116 is recorded at a different time from when the MRI moving image 114 is captured. However, since both of them need to be synchronized with each other, the speaker is put on the headphones, and the regular synchronization sound generated by the synchronization sound generator 112 is heard from the speaker through the headphones, and the synchronization sound is adjusted. To utter “Iueo”. When recording the audio data 116, the posture of the speaker was also the same as when the MRI moving image 114 was captured so that the shape of the vocal tract matched as much as possible when the MRI moving image 114 was captured.

声道断面積関数推定システム100はさらに、パラメータ算出部118により算出されたパラメータを用いて、マイクロフォン122により音声信号に変換された上記話者の音声からその声道断面積関数をリアルタイムで逆推定し、表示装置124に表示するための逆推定処理部120を含む。   The vocal tract cross-sectional area function estimation system 100 further uses the parameters calculated by the parameter calculation unit 118 to inversely estimate the vocal tract cross-sectional area function in real time from the voice of the speaker converted into the voice signal by the microphone 122. And an inverse estimation processing unit 120 for displaying on the display device 124.

パラメータ算出部118が推定するパラメータは、静止MRI画像110から推定された、各母音の発声中の発話者の声道断面積関数の平均、その変動に関する主成分分析(PCA)の第1成分と第2成分の値、及びMRI動画像114から得られる上記二つの主成分に対する重みの変化と、音声データ116から得られるケプストラム係数との間の重回帰分析により得られる回帰係数である。この重回帰分析の詳細については後述するが、得られる回帰係数は、5個の母音を連続して発声したときの二つの主成分に対する重み(の変化)を、音声データ116から得られるケプストラム係数の線形和で近似するための、各ケプストラム係数の重みである。   The parameter estimated by the parameter calculation unit 118 includes the first component of the principal component analysis (PCA) regarding the average of the vocal tract cross-sectional area function of the utterance during the utterance of each vowel estimated from the still MRI image 110 and the variation thereof. This is a regression coefficient obtained by multiple regression analysis between the value of the second component and the change in weight for the two principal components obtained from the MRI moving image 114 and the cepstrum coefficient obtained from the audio data 116. The details of this multiple regression analysis will be described later, but the obtained regression coefficient is the cepstrum coefficient obtained from the speech data 116 by the weights (changes) of the two principal components when the five vowels are uttered continuously. This is the weight of each cepstrum coefficient to approximate with the linear sum of.

本実施の形態では、MRI動画像114は、発話者が「アイウエオ」を連続して発声する際の声道形状を撮影して得られる、連続した35フレーム分の画像からなっている。好ましくは、MRI動画像114は複数回の撮影から得るようにする。同期音発生装置112を用いる事により、それら複数回の撮影でも一定のタイミングで「アイウエオ」の発声を行なう事ができる。   In the present embodiment, the MRI moving image 114 is composed of images of 35 consecutive frames obtained by photographing a vocal tract shape when a speaker continuously utters “Aiweo”. Preferably, the MRI moving image 114 is obtained from a plurality of times of imaging. By using the synchronization sound generator 112, it is possible to utter “eye ueo” at a fixed timing even in a plurality of times of shooting.

パラメータ算出部118は、静止MRI画像110の5個の母音に対して得られた5組のMRI静止画像の各々から各母音の発声時の声道断面積関数を求め、それらに対するPCA処理を行なって、それら声道断面積関数の平均値と、平均値を中心とした声道断面積関数の変動を主に支配する第1及び第2の主成分(それぞれ「PC I」及び「PC II」と略記する。)とを出力するためのPCA処理部140と、PCA処理部140から出力された声道断面積関数の平均値、PC I及びII、並びにそれらに付随する後述する所定の定数を記憶するための記憶部142と、MRI動画像114から得られた、時間的に変化する声道断面積関数に対して記憶部142に格納されている声道断面積関数の平均値及びPC I及びIIとを射影する事により、MRI動画像114により表わされる声道断面積関数の変化に対応する、PC I及びIIに対するフレームごとの重みk及びkの変化曲線を算出するための動画像データ射影処理部144と、動画像データ射影処理部144により算出された、PC I及びIIに対するフレームごとの重みk及びkを記憶するための記憶部146とを含む。PCA処理部140での処理及び動画像データ射影処理部144での処理の詳細については後述する。 The parameter calculation unit 118 obtains a vocal tract cross-sectional area function at the time of utterance of each vowel from each of the five sets of MRI still images obtained for the five vowels of the still MRI image 110, and performs PCA processing on them. The first and second principal components (“PC I” and “PC II”, respectively) that mainly control the average value of these vocal tract cross-sectional area functions and the variation of the vocal tract cross-sectional area function centered on the average value. PCA processing unit 140 for outputting), an average value of vocal tract cross-sectional area functions output from PCA processing unit 140, PCIs and IIs, and predetermined constants associated therewith are described below. The average value of the vocal tract cross-sectional area function stored in the storage unit 142 with respect to the time-varying vocal tract cross-sectional area function obtained from the storage unit 142 and the MRI moving image 114, and the PCI I And II Thus, a moving image data projection processing unit for calculating change curves of weights k 1 and k 2 for each frame with respect to PC I and II corresponding to changes in the vocal tract cross-sectional area function represented by the MRI moving image 114 144 and a storage unit 146 for storing the weights k 1 and k 2 for each frame for the PCs I and II calculated by the moving image data projection processing unit 144. Details of the processing in the PCA processing unit 140 and the processing in the moving image data projection processing unit 144 will be described later.

パラメータ算出部118はさらに、音声データ116により得られた「アイウエオ」に関する連続発声について、dBスケールでFFT(高速フーリエ変換)された所定周波数帯域内のスペクトルサンプルに対する離散コサイン変換(DCT)によって、先頭(c)を除く、先頭から所定数のケプストラム係数(c〜c)を算出するためのケプストラム係数算出部148と、ケプストラム係数算出部148により算出されたケプストラム係数を記憶するための記憶部150と、記憶部146に記憶されたPC I及びIIの重みk及びkの時間的変化曲線及び記憶部150に記憶されたケプストラム係数の間の重回帰分析により、次の線形式を解く事によりk及びkを近似する回帰係数αm0〜αmnを算出するための重回帰分析処理部152とを含む。 The parameter calculation unit 118 further performs a discrete cosine transform (DCT) on a spectrum sample in a predetermined frequency band subjected to FFT (Fast Fourier Transform) on the dB scale for continuous utterances related to “Aiweo” obtained from the audio data 116. A cepstrum coefficient calculation unit 148 for calculating a predetermined number of cepstrum coefficients (c 1 to c N ) excluding (c 0 ), and a memory for storing the cepstrum coefficients calculated by the cepstrum coefficient calculation unit 148 The following linear format is obtained by a multiple regression analysis between the time variation curve of the weights k 1 and k 2 of the PC I and II stored in the storage unit 146 and the cepstrum coefficient stored in the storage unit 150. for calculating a regression coefficient alpha m0 to? mn approximating the k 1 and k 2 by solving And a regression analysis processing unit 152.

Figure 0004586675
ただしNは算出されたケプストラム係数の数、Mは主成分の数、αm0は定数、αmn(n=1〜N)はm番目の主成分を近似するための、n番目のケプストラム係数cにかかる回帰係数である。本実施の形態では、N=24、M=2であり、αm0及びαm1〜αm24は、動画像データ射影処理部144により算出されたk及びkと重回帰分析処理部152により算出されたケプストラム係数c1〜c24とを式(1)に代入してαm0及びαm1〜αm24について式(1)を解く事により得られる。式(1)により、この重回帰分析により得られる重回帰モデルが表わされる。
Figure 0004586675
Where N is the number of calculated cepstrum coefficients, M is the number of principal components, α m0 is a constant, and α mn (n = 1 to N) is the n th cepstrum coefficient c for approximating the m th principal component. It is a regression coefficient concerning n . In this embodiment, N = 24 and M = 2, and α m0 and α m1 to α m24 are calculated by k 1 and k 2 calculated by the moving image data projection processing unit 144 and the multiple regression analysis processing unit 152. It is obtained by substituting the calculated cepstrum coefficients c1 to c24 into equation (1) and solving equation (1) for α m0 and α m1 to α m24 . The multiple regression model obtained by this multiple regression analysis is expressed by equation (1).

パラメータ算出部118はさらに、重回帰分析処理部152により算出された回帰係数αm1〜αm24を記憶するための記憶部154を含む。 Parameter calculation unit 118 further includes a storage unit 154 for storing regression coefficients α m1 to α m24 calculated by multiple regression analysis processing unit 152.

一方、逆推定処理部120は、マイクロフォン122から得られた音声信号をキャプチャし、フレーム化したデジタル信号に変換するための音声キャプチャ処理部180と、音声キャプチャ処理部180によりデジタル信号に変換された音声信号に対し、ケプストラム係数算出部148と同様の処理を行なってケプストラム係数c〜c24をフレームごとに算出するためのケプストラム係数算出部182と、ケプストラム係数算出部182により算出されたケプストラム係数c〜c24、及び記憶部154に記憶された回帰係数αm0及びαm1〜αm24を用い、式(1)により示される線形変換に従ってPC I及びIIのための重みk及びkを算出するための線形変換処理部184と、線形変換処理部184により各フレームに対して算出された重みk及びkと、記憶部142に記憶された平均声道断面積関数及びPC I及びIIとを用い、後述する式に従って各フレームにおける声道断面積関数の推定値を算出するための声道断面積関数推定部186とを含む。線形変換処理部184及び声道断面積関数推定部186の機能の詳細については後述する。本実施の形態では、このようにして各フレームごとに算出された声道断面積関数を、表示装置124に与え、表示する。この表示により、例えば被験者が所定の発声をするときの声道断面積関数の変化を確認する事ができる。外国語の学習などにおいて、この声道断面積関数とともに手本となる声道断面積関数を表示すれば、正しい発音をするためには声道断面積関数をどのように変化させればよいかを確認しながら発音の練習ができる。 On the other hand, the inverse estimation processing unit 120 captures the audio signal obtained from the microphone 122 and converts it into a digital signal by the audio capture processing unit 180 and an audio capture processing unit 180 for converting the audio signal into a framed digital signal. The cepstrum coefficient calculation unit 182 for calculating cepstrum coefficients c 1 to c 24 for each frame by performing the same processing as the cepstrum coefficient calculation unit 148 on the audio signal, and the cepstrum coefficient calculated by the cepstrum coefficient calculation unit 182 c 1 to c 24, and using the storage unit 154 regression coefficients alpha m0 and alpha m1 to? m24 are stored in the weight k 1 and k for the PC I and II according to a linear transformation represented by formula (1) 2 Each of the frames is calculated by a linear conversion processing unit 184 and a linear conversion processing unit 184. Of the vocal tract cross-sectional area function in each frame according to the formula described later, using the weights k 1 and k 2 calculated for the image and the average vocal tract cross-sectional area function and PCI I and II stored in the storage unit 142. A vocal tract cross-sectional area function estimating unit 186 for calculating an estimated value. Details of the functions of the linear transformation processing unit 184 and the vocal tract cross-sectional area function estimation unit 186 will be described later. In the present embodiment, the vocal tract cross-sectional area function calculated for each frame in this way is given to the display device 124 and displayed. By this display, for example, it is possible to confirm a change in the vocal tract cross-sectional area function when the subject utters a predetermined utterance. How to change the vocal tract cross-sectional area function for correct pronunciation if the vocal tract cross-sectional area function is displayed along with this vocal tract cross-sectional area function in learning foreign languages, etc. You can practice pronunciation while checking.

以下、PCA処理部140で行なわれる処理について説明する。本実施の形態では、MRI画像から0.25cmのスライス間隔で声道断面画像を作成し、さらに声道の中心線上に沿って、互いに等しいセクション長の間隔を隔てた44個の位置での声道断面積を再サンプリングする。さらに、こうして求められた声道断面積の平方根を算出する。これにより各声道断面積関数を表わす44次元のベクトルxが得られる。母音による声道長の変化を補償するため、このベクトルxの45番目の要素として、上記セクション長を加える。ただし、このセクション長の変動は、声道断面積の変動の最大値と一致するように正規化される。   Hereinafter, processing performed by the PCA processing unit 140 will be described. In the present embodiment, vocal tract cross-sectional images are created from MRI images at slice intervals of 0.25 cm, and voices at 44 positions separated by equal section lengths along the center line of the vocal tract are obtained. Resample the road cross section. Further, the square root of the vocal tract cross-sectional area thus obtained is calculated. As a result, a 44-dimensional vector x representing each vocal tract cross-sectional area function is obtained. In order to compensate for the change in vocal tract length due to vowels, the section length is added as the 45th element of this vector x. However, this variation in section length is normalized so as to coincide with the maximum variation in vocal tract cross-sectional area.

従って、再サンプリングされた要素からなる、i番目(1≦i≦44)のセクション位置の、v番目(1≦v≦5)の母音に関する声道断面積をAi,vとすると、v番目の母音に関する声道断面積関数を表わすベクトルxの各要素xi、vは次の式(2)により表わされる。 Therefore, if the vocal tract cross-sectional area related to the vth (1 ≦ v ≦ 5) vowel at the i-th (1 ≦ i ≦ 44) section position composed of resampled elements is A i, v, the vth Each element x i, v of the vector x v representing the vocal tract cross-sectional area function related to the vowels is expressed by the following equation (2).

Figure 0004586675
ただし/δ(「/」は式中の上線を表わす。)及びσδはそれぞれ、v個の母音に対応するv個のセクション長δの平均及び標準偏差である。σは断面積の平方根xi,v(i=1〜44)の標準偏差の最大値を表わす。さらに、PCA処理部140は、これらベクトルxの平均値ベクトル/xも算出する。こうした値はいずれも記憶部142に記憶される。
Figure 0004586675
However / [delta] ( "/" is. Represents the top line in the formula) the mean and standard deviation of the number of v Section length [delta] v corresponding to and σ respectively [delta], v number of vowels. σ A represents the maximum value of the standard deviation of the square root x i, v (i = 1 to 44) of the cross-sectional area. Further, the PCA processing unit 140 also calculates an average value vector / x of these vectors x. All of these values are stored in the storage unit 142.

このベクトルに対する主成分分析により、平均ベクトル/xと45個の固有ベクトルeとが得られる。これらの固有ベクトルのうち少なくとも(v−1)=4個の固有ベクトルが一意に求められ、非零の固有値と関連付けられる。 The principal component analysis for this vector, the mean vector / x and the 45 eigenvectors e m is obtained. Of these eigenvectors, at least (v−1) = 4 eigenvectors are uniquely determined and associated with non-zero eigenvalues.

このようにして求められた最初の二つの主成分の例を図2(PC I)及び図3(PC II)に示す。さらに、第3の主成分(PC III)についても図4に示す。   Examples of the first two principal components obtained in this way are shown in FIG. 2 (PCI) and FIG. 3 (PC II). Further, the third main component (PC III) is also shown in FIG.

図2(A)、図3(A)及び図4(A)はそれぞれ固有ベクトルを示し、図2(B)、図3(B)及び図4(B)は、各固有ベクトルによって平均声道断面積関数がどのような影響を受けるかを示す。図2(B)、図3(B)及び図4(B)において、実線は上記のようにして求められた声道断面積関数を示す。破線は正の方向に、点線は負の方向に、各主成分を、対応する固有ベクトルの方向に標準偏差に対応する量だけ変化させたときに得られる、変化後の声道断面積関数を示す。このグラフから、各主成分を変化させたときに声道断面積関数がどのように変化するかが判る。図2(A)、図3(A)及び図4(A)において、「●」は正の固有ベクトルの44個の要素とセクション長、「○」は負に符号を変えた固有ベクトルの44個の要素の値とセクション長をそれぞれ示す。   2 (A), 3 (A), and 4 (A) show eigenvectors, respectively. FIGS. 2 (B), 3 (B), and 4 (B) show the average vocal tract cross-sectional area according to each eigenvector. Indicates how the function is affected. 2B, FIG. 3B, and FIG. 4B, the solid line indicates the vocal tract cross-sectional area function obtained as described above. The broken line indicates the vocal tract cross-sectional area function obtained when the principal component is changed by an amount corresponding to the standard deviation in the direction of the corresponding eigenvector in the positive direction and the dotted line is in the negative direction. . From this graph, it can be seen how the vocal tract cross-sectional area function changes when each principal component is changed. 2 (A), 3 (A), and 4 (A), “●” indicates 44 elements and section lengths of positive eigenvectors, and “◯” indicates 44 eigenvectors with negative signs changed. Indicates the element value and section length, respectively.

発明者らが行なった事前実験によれば、二つの成分PC I及びIIにより、全変動量の88.8%及び8.5%がそれぞれ表わされている。従って、これら二つの成分により、合計で発話者の母音生成空間内における全変動量の97%が表わされる。   According to the preliminary experiments conducted by the inventors, the two components PCI and II represent 88.8% and 8.5% of the total variation, respectively. Therefore, these two components together represent 97% of the total variation in the vowel generation space of the speaker.

PC Iは開口時の咽頭の狭窄と、咽頭腔を開いた状態での口腔狭窄との間での変動を表わす。PC Iはまた、口腔前部での母音については短く、後部での母音については長くなるように、(発話者にとって)正しく声道長を調整するための共変動も表わす。   PCI represents the variation between pharyngeal stenosis at the time of opening and oral stenosis with the pharyngeal cavity open. PCI also represents covariation to properly adjust the vocal tract length (for the speaker) so that it is short for vowels in the front of the mouth and long for vowels in the back.

図3に示すPC IIは、上部咽頭及び軟口蓋域付近の領域(声門から7ないし13cm)と、唇とにおける、付随する狭窄の程度の変動を表わす。これら二つの位置における狭窄が大きくなると、それに伴い声道長が長くなる。これと対照的に、図4に示す第3番目の主成分PC IIIは、全変動のうちの残りのうち、1.5%しか表わさず、その状態もエラー及び雑音を含むように見受けられ、調音上の用語で説明するのは困難である。   PC II shown in FIG. 3 represents the variation in the degree of constriction associated with the region near the upper pharynx and soft palate (7 to 13 cm from the glottis) and the lips. As the stenosis at these two locations increases, the length of the vocal tract increases accordingly. In contrast, the third principal component PC III shown in FIG. 4 represents only 1.5% of the rest of the total variation, and its state appears to contain errors and noise, It is difficult to explain in terms of articulation.

なお、上記したように静止MRI画像から得たPC I及びIIにより表わされた声道面積と声道長とが、日本語の5つの母音に関して、後述するように動画像MRIから得た実際のデータとよく一致する事は、発明者たちが確認している。これら二つの主成分を用いる事により、以下に述べるように音声から声道断面積関数への逆推定を行なう事が可能と考えられる。   As described above, the vocal tract area and vocal tract length represented by PCI and II obtained from the still MRI image are actually obtained from the moving image MRI as described later with respect to five vowels in Japanese. The inventors have confirmed that this data is in good agreement. By using these two principal components, it is considered possible to perform inverse estimation from speech to vocal tract cross-sectional area function as described below.

次に、動画像データ射影処理部144で行なわれる処理について説明する。本実施の形態では、MRI動画像114は毎秒30フレーム(フレーム間隔33ミリ秒)で記録する。そして、各フレームにおける3D画像から、声門から唇の放射面までの声道断面を、0.25cm間隔でサンプリングし、さらに声門から唇までの声道を互いに等しい長さに等分した44個のセクション位置で声道断面積を再サンプリングする。ただしこの前に、歯の影響を考慮するために3D画像にデジタル的に歯の映像を追加する。この結果、「ア」から「オ」までの連続発声に関し、35フレームの画像の各々について、声道断面積関数が得られる。   Next, processing performed by the moving image data projection processing unit 144 will be described. In the present embodiment, the MRI moving image 114 is recorded at 30 frames per second (frame interval 33 milliseconds). Then, from the 3D image in each frame, the vocal tract cross section from the glottis to the radiating surface of the lips was sampled at intervals of 0.25 cm, and the vocal tract from the glottis to the lips was equally divided into 44 equal lengths. Resample the vocal tract cross section at the section location. However, before this, a tooth image is digitally added to the 3D image in order to consider the influence of the teeth. As a result, a vocal tract cross-sectional area function is obtained for each of the 35-frame images for continuous speech from “A” to “O”.

動画像データ射影処理部144は、このMRI動画像の35フレーム分の声道断面積関数の各々を、PC I−PC II空間に射影する事により、声道断面積関数を逆推定するために必要なPC I及びIIの重みk及びkのフレームごとの値を算出する。一般に、あるベクトルxを、主成分に対応する固有ベクトルで表すための、各固有ベクトルに対する重みk(m=1〜使用する固有ベクトルの数)は、次の式(3)で求められる。 In order to inversely estimate the vocal tract cross-sectional area function, the moving image data projection processing unit 144 projects each of the 35 frames of the vocal tract cross-sectional area function of the MRI moving image onto the PC I-PC II space. Calculate the necessary PCI I and II weights k 1 and k 2 for each frame. In general, a weight k m (m = 1 to the number of eigenvectors to be used) for each eigenvector for representing a vector x by an eigenvector corresponding to the principal component is obtained by the following equation (3).

Figure 0004586675
ただしベクトルkは重みkを要素とするベクトル、Eは固有ベクトルeを各列に持つ行列、「E」は行列Eの転置行列、/xはベクトルxの平均値ベクトルを、それぞれ示す。
Figure 0004586675
However the vector k is a vector of the weights k m elements, E is a matrix with eigenvectors e m in each row, "E T" is the transposed matrix of the matrix E, / x is an average vector of the vector x, respectively.

ケプストラム係数算出部148は、本実施の形態においては、発話者の音声のうち、0〜4kHzの周波数帯域から24個のケプストラム係数を算出する。これは、ある被験者について繰返した実験において、動画像MRIから得られた声道断面積関数を再構成する上で、この組合せが最も高い精度を示したためである。従ってこの組合せは人により異なる可能性がある。ただし、ケプストラム係数は、ほぼ実用的な精度を得るためには少なくとも10個、より実用的な精度を得るためには少なくとも11個は必要である事が実験により確認された。   In the present embodiment, the cepstrum coefficient calculation unit 148 calculates 24 cepstrum coefficients from the frequency band of 0 to 4 kHz in the speech of the speaker. This is because this combination showed the highest accuracy in reconstructing the vocal tract cross-sectional area function obtained from the moving image MRI in an experiment repeated for a subject. This combination may therefore vary from person to person. However, it has been experimentally confirmed that at least 10 cepstrum coefficients are necessary to obtain almost practical accuracy, and at least 11 are necessary to obtain more practical accuracy.

重回帰分析処理部152は、記憶部146に記憶されているk及びkの値と、記憶部150に記憶されたケプストラム係数c〜c24とを用いて、前述した式(1)を立て、その式を解く事で回帰係数αm0〜αmN(m=1,2、N=24)を得る。 The multiple regression analysis processing unit 152 uses the values of k 1 and k 2 stored in the storage unit 146 and the cepstrum coefficients c 1 to c 24 stored in the storage unit 150 to obtain the formula (1) described above. And the regression coefficients α m0 to α mN (m = 1, 2, N = 24) are obtained by solving the equation.

逆推定処理部120の線形変換処理部184は次のような機能を持つ。マイクロフォン122からの音声信号を音声キャプチャ処理部180及びケプストラム係数算出部182で処理する事により、各フレームごとの発話者の音声のケプストラム係数c〜c24が得られる。一方、記憶部154にはパラメータ算出部118により式(1)で使用される回帰係数αm0〜αm24(m=1,2)が記憶されている。線形変換処理部184は、このケプストラム係数c〜c24及び回帰係数αm0〜αm24を式(1)に代入して得られる式を用い、各フレームにおけるPC I及びIIに対する重みk及びkを算出する機能を持つ。 The linear conversion processing unit 184 of the inverse estimation processing unit 120 has the following functions. By processing the audio signal from the microphone 122 by the audio capture processing unit 180 and the cepstrum coefficient calculation unit 182, cepstrum coefficients c 1 to c 24 of the voice of the speaker for each frame are obtained. On the other hand, the storage unit 154 stores regression coefficients α m0 to α m24 (m = 1, 2) used in the equation (1) by the parameter calculation unit 118. The linear transformation processing unit 184 uses an expression obtained by substituting the cepstrum coefficients c 1 to c 24 and the regression coefficients α m0 to α m24 into the expression (1), and uses the weights k 1 and the weights k 1 for the PCIs I and II in each frame. It has a function to calculate the k 2.

声道断面積関数推定部186は、線形変換処理部184から各フレームごとに与えられた重みk及びkと、記憶部142に記憶された平均声道断面積関数及びPC I及びIIとを用い、各フレームごとにまず次の式によって声道断面積の平方根からなるベクトル^xを推定する。なお本明細書中における記号「^」は、式中では直後の文字の上に置かれている。 The vocal tract cross-sectional area function estimation unit 186 includes the weights k 1 and k 2 given for each frame from the linear transformation processing unit 184, the average vocal tract cross-sectional area function and the PCIs I and II stored in the storage unit 142, For each frame, first, a vector ^ x consisting of the square root of the vocal tract cross-sectional area is estimated by the following equation. In the present specification, the symbol “^” is placed on the character immediately after in the formula.

Figure 0004586675
ただし本実施の形態では式(4)におけるM=2、/xはPCA処理部140により算出されたベクトルxの平均値、eはPCA処理部140で算出されたm番目の固有ベクトルを、それぞれ示す。
Figure 0004586675
However M = 2 in the formula (4) in this embodiment, / x has an average value of the vector x calculated by the PCA processor 140, e m is the m-th eigenvector calculated by the PCA processor 140, respectively Show.

声道断面積関数推定部186は、こうして各フレームに対しベクトル^xを推定した後、以下の式(5)により単純に式(1)の逆変換を行なう事により、各フレームにおけるi番目(1≦i≦44)のセクション位置における推定声道断面積^Aと、推定セクション長^δとを算出する。 After estimating the vector ^ x for each frame in this way, the vocal tract cross-sectional area function estimation unit 186 simply performs the inverse transformation of the equation (1) according to the following equation (5), whereby the i th ( The estimated vocal tract cross-sectional area ^ A i at the section position of 1 ≦ i ≦ 44) and the estimated section length ^ δ are calculated.

Figure 0004586675
ただし^xはベクトル^xのi番目の要素を、^x45はベクトル^xの45番目の要素を、σはPCA処理部140により算出された断面積の平方根xi,v(i=1〜44)の標準偏差の最大値を、/δ及びσδはそれぞれ、v個の母音に対応するv個のセクション長δの平均及び標準偏差を、それぞれ示す。i個の推定声道断面積^Aを要素とするベクトル^Aが、当該フレームにおける推定声道断面積関数を表わす。
Figure 0004586675
However ^ x i is the i th element of the vector ^ x, ^ x 45 is a 45-th element of the vector ^ x, σ A is the square root x i of the cross-sectional area calculated by the PCA processor 140, v (i = 1 to 44), / δ and σ δ indicate the average and standard deviation of v section lengths δ v corresponding to v vowels, respectively. A vector ^ A having i estimated vocal tract cross-sectional area ^ A i as an element represents an estimated vocal tract cross-sectional area function in the frame.

<動作>
声道断面積関数推定システム100は以下のように動作する。声道断面積関数推定システム100の動作には二つのフェーズがある。第1のフェーズは、パラメータ算出部118によるパラメータの学習を行なう学習フェーズである。より具体的には、図1を参照して、ある話者に対する「ア」「イ」「ウ」「エ」「オ」という発話時の静止MRI画像110、「アイウエオ」という連続発声時のMRI動画像114、及びMRI動画像114の撮影時と時間的に同期するようにして測定した音声データ116から、「ア」「イ」「ウ」「エ」「オ」という発話時の発話者の平均声道断面積関数及びその第1及び第2の主成分PC I及びIIと、式(1)に示される回帰係数αm0〜αm24(m=1,2)を算出する。第2のフェーズは推定フェーズである。推定フェーズでは、学習フェーズで得られた発話者の平均声道断面積関数及びPC I及びIIと、回帰係数αm0〜αm24とを用い、マイクロフォン122から入力される、同じ発話者の音声に基づいてその声道断面積関数をリアルタイムに推定し、表示装置124に表示する。以下、これら第1のフェーズと第2のフェーズとにおける声道断面積関数推定システム100の動作を順に説明する。
<Operation>
The vocal tract cross-sectional area function estimation system 100 operates as follows. The operation of the vocal tract cross-sectional area function estimation system 100 has two phases. The first phase is a learning phase in which the parameter calculation unit 118 performs parameter learning. More specifically, referring to FIG. 1, a still MRI image 110 when “a”, “i”, “c”, “e”, and “o” are spoken to a certain speaker, and MRI during continuous utterance “aueo”. From the voice data 116 measured in synchronization with the time of shooting of the moving image 114 and the MRI moving image 114, the voice of the speaker at the time of speaking “a” “b” “c” “e” “o” The average vocal tract cross-sectional area function, its first and second principal components PC I and II, and regression coefficients α m0 to α m24 (m = 1, 2) shown in Equation (1) are calculated. The second phase is an estimation phase. In the estimation phase, the average vocal tract cross-sectional area function and the PC I and II of the speaker obtained in the learning phase and the regression coefficients α m0 to α m24 are used, and the speech of the same speaker input from the microphone 122 is used. Based on this, the vocal tract cross-sectional area function is estimated in real time and displayed on the display device 124. Hereinafter, the operation of the vocal tract cross-sectional area function estimation system 100 in the first phase and the second phase will be described in order.

−学習フェーズにおけるパラメータ算出部118の動作−
この学習フェーズでは、ある話者についてまず静止MRI画像110、MRI動画像114、及び音声データ116を以下のようにして準備する。
-Operation of Parameter Calculation Unit 118 in the Learning Phase-
In this learning phase, a still MRI image 110, an MRI moving image 114, and voice data 116 are first prepared for a speaker as follows.

静止MRI画像110は、発話者に母音「ア」「イ」「ウ」「エ」「オ」をそれぞれ長めに発音してもらい、その間の発話者のMRI画像を撮影する。静止MRI画像110画像の撮影自体は通常のものと変わりない。   Still MRI image 110 asks a speaker to pronounce vowels “A”, “I”, “U”, “E”, and “O” longer, and captures an MRI image of the speaker during that time. The photographing of the still MRI image 110 is not different from a normal one.

MRI動画像114の画像にあたっては、発話者にヘッドフォンを装着させ、同期音発生装置112により発生される同期音にあわせて「アイウエオ」という連続した発話を一定時間かけて繰返させ、その間にMRI動画像を撮影する。本実施の形態では、1回の繰返しで35フレームからなるMRI動画像を撮影する。好ましくは、この撮影を多数回繰返し、それら繰返しによって得られた多数の動画像を合成して35フレームの画像を得るようにする。   In the image of the MRI moving image 114, a speaker is put on headphones, and a continuous utterance called “Aiweo” is repeated over a certain time according to the synchronization sound generated by the synchronization sound generator 112, and during that time, the MRI video Take a picture. In the present embodiment, an MRI moving image consisting of 35 frames is captured in one iteration. Preferably, this photographing is repeated many times, and a large number of moving images obtained by the repetition are combined to obtain an image of 35 frames.

音声データ116の収録にあたっては、MRI動画像114の撮影と同じ条件で発話者が発話する事が必要である。そこで、発話者にはMRI動画像114の撮影時と同じ姿勢(仰向け)をとってもらい、ヘッドフォンを装着させ、MRI動画像114の収録時と同じように同期音発生装置112からの同期音に従って「アイウエオ」という発話を繰返させる。   When recording the audio data 116, it is necessary for the speaker to speak under the same conditions as those for capturing the MRI moving image 114. Therefore, the speaker is asked to take the same posture (back on the back) as when the MRI moving image 114 was taken, put on headphones, and follow the synchronization sound from the synchronization sound generating device 112 as in the recording of the MRI moving image 114. Repeat the utterance "Iueo".

静止MRI画像110が準備されると、PCA処理部140が、「ア」「イ」「ウ」「エ」「オ」という5種類の母音の各々に対し、互いに等しいセクション長を隔てた44箇所における声道断面積をMRI画像から算出する。さらにPCA処理部140は、母音により異なるセクション長の変動を、声道断面積の変動の最大値と一致するように正規化する。PCA処理部140は、こうして各母音に対して、44個の声道断面積と1個の正規化後のセクション長とからなるベクトルxを算出する。ベクトルxの各成分については式(2)により表わされている。   When the still MRI image 110 is prepared, the PCA processing unit 140 has 44 locations separated from each other by the same section length for each of the five types of vowels “A”, “I”, “U”, “E”, and “O”. Is calculated from the MRI image. Furthermore, the PCA processing unit 140 normalizes the variation in the section length that varies depending on the vowel so as to coincide with the maximum value of the variation in the vocal tract cross-sectional area. In this way, the PCA processing unit 140 calculates a vector x including 44 vocal tract cross-sectional areas and one normalized section length for each vowel. Each component of the vector x is expressed by equation (2).

PCA処理部140はさらに、得られた5個のベクトルxに対しPCA処理を行ない、ベクトルxの平均値ベクトル/xと、平均値ベクトル/xを中心とするベクトルxの変動を表わす第1及び第2の主成分PC I及びIIとを算出する。得られた平均値ベクトル/xとPC I及びIIとは記憶部142に格納される。   The PCA processing unit 140 further performs PCA processing on the obtained five vectors x, and the first and second values representing the average value vector / x of the vector x and the variation of the vector x centered on the average value vector / x. The second principal components PCI and II are calculated. The obtained average value vector / x and PCI and II are stored in the storage unit 142.

動画像データ射影処理部144は、MRI動画像114の各フレームから声道断面積関数を算出する。算出された各フレームの声道断面積関数を、記憶部142に記憶されている平均声道断面積関数並びにPC I及びIIを用い、式(3)に従ってPC I−PC II空間に射影する。その結果、声道断面積関数を第1及び第2の主成分に対応する固有ベクトルで表わすための重みk及びkが各フレームにおいて算出される。各フレームごとの重みk及びkは記憶部146に記憶される。 The moving image data projection processing unit 144 calculates a vocal tract cross-sectional area function from each frame of the MRI moving image 114. The calculated vocal tract cross-sectional area function of each frame is projected onto the PCI-PC II space according to Equation (3) using the average vocal tract cross-sectional area function and PCIs II stored in the storage unit 142. As a result, weights k 1 and k 2 for representing the vocal tract cross-sectional area function with eigenvectors corresponding to the first and second principal components are calculated in each frame. The weights k 1 and k 2 for each frame are stored in the storage unit 146.

ケプストラム係数算出部148は、音声データ116の各フレームの音声データについて、0〜4kHzの周波数帯域についてケプストラム係数c〜c24を算出し、記憶部150に記憶させる。重回帰分析処理部152は、記憶部146に記憶された重みk及びkと、記憶部150に記憶されたケプストラム係数c〜c24とを式(1)に代入し、この式を解く事により、回帰係数αm0及びαm1〜αm24を算出する。算出された回帰係数αm0及びαm1〜αm24は記憶部154に記憶される。 The cepstrum coefficient calculation unit 148 calculates cepstrum coefficients c 1 to c 24 for the frequency band of 0 to 4 kHz for the audio data of each frame of the audio data 116 and stores them in the storage unit 150. The multiple regression analysis processing unit 152 substitutes the weights k 1 and k 2 stored in the storage unit 146 and the cepstrum coefficients c 1 to c 24 stored in the storage unit 150 into the formula (1). By solving, the regression coefficients α m0 and α m1 to α m24 are calculated. The calculated regression coefficients α m0 and α m1 to α m24 are stored in the storage unit 154.

以上がパラメータ算出部118の動作である。   The operation of the parameter calculation unit 118 has been described above.

−推定フェーズにおける逆推定処理部120の動作−
発話者がマイクロフォン122前で発話すると、その音声はマイクロフォン122により電気信号に変換されて音声キャプチャ処理部180に与えられる。音声キャプチャ処理部180は、この音声信号をデジタル化し、フレーム化してケプストラム係数算出部182に与える。ケプストラム係数算出部182は、音声キャプチャ処理部180から与えられるデジタル化された各フレームの音声信号のうち、0〜4kHzの周波数帯域からケプストラム係数c〜c24を算出し、線形変換処理部184に与える。
-Operation of the inverse estimation processing unit 120 in the estimation phase-
When a speaker speaks in front of the microphone 122, the voice is converted into an electric signal by the microphone 122 and given to the voice capture processing unit 180. The audio capture processing unit 180 digitizes the audio signal, frames it, and gives it to the cepstrum coefficient calculation unit 182. Cepstrum coefficient calculating unit 182 among the audio signals of each frame digitized given from the voice capturing process section 180 to calculate the cepstral coefficients c 1 to c 24 from the frequency band of 0-4 kHz, linear transformation processing part 184 To give.

線形変換処理部184は、ケプストラム係数算出部182から与えられる各フレームのケプストラム係数c〜c24と記憶部154に記憶されている回帰係数αm0及びαm1〜αm24とを式(1)に代入する。これにより、PC I及びIIにそれぞれ対応する重みk及びkが各フレームに対し算出される。線形変換処理部184は、算出された重みk及びkを、フレームごとに声道断面積関数推定部186に与える。 The linear transformation processing unit 184 calculates the cepstrum coefficients c 1 to c 24 of each frame given from the cepstrum coefficient calculation unit 182 and the regression coefficients α m0 and α m1 to α m24 stored in the storage unit 154 using the equation (1). Assign to. Thereby, the weights k 1 and k 2 corresponding to the PCIs I and II, respectively, are calculated for each frame. The linear transformation processing unit 184 provides the calculated weights k 1 and k 2 to the vocal tract cross-sectional area function estimation unit 186 for each frame.

声道断面積関数推定部186は、各フレームごとに、線形変換処理部184から与えられた重みk及びkと、記憶部142に記憶された平均声道断面積関数/x及びPC I及びIIに対応する固有ベクトルe及びeとを式(4)に代入する事により、推定声道断面積の平方根からなるベクトル^xを算出する。声道断面積関数推定部186はさらに、得られたベクトル^xの各要素と、記憶部142に記憶された定数(セクション長の平均/δ及び標準偏差σδ、断面積の平方根xi,v(iはセクション番号で、i=1〜44)の標準偏差の最大値σ)とを用い、式(5)によって各フレームにおける推定声道断面積^A(i=1〜44)を推定する。これにより、各フレームにおける推定声道断面積関数を表わすベクトル^Aが得られる。声道断面積関数予測部186は、各フレームにおける声道断面積関数をリアルタイムで視覚化し、表示装置124に表示させる。視覚化の例については図6を参照して後述する。 The vocal tract cross-sectional area function estimation unit 186, for each frame, the weights k 1 and k 2 given from the linear transformation processing unit 184, the average vocal tract cross-sectional area function / x and the PCI I stored in the storage unit 142. And the eigenvectors e 1 and e 2 corresponding to II and II are substituted into the equation (4) to calculate a vector ^ x consisting of the square root of the estimated vocal tract cross-sectional area. The vocal tract cross-sectional area function estimating unit 186 further includes each element of the obtained vector ^ x and constants stored in the storage unit 142 (section length average / δ and standard deviation σ δ , cross-sectional area square root x i, v (i is a section number, i = 1 to 44) standard deviation maximum value σ A ), and using equation (5), the estimated vocal tract cross-sectional area ^ A i (i = 1 to 44) in each frame Is estimated. As a result, a vector A representing the estimated vocal tract cross-sectional area function in each frame is obtained. The vocal tract cross-sectional area function prediction unit 186 visualizes the vocal tract cross-sectional area function in each frame in real time and causes the display device 124 to display it. An example of visualization will be described later with reference to FIG.

<実験>
上記した実施の形態では、ある発話者についての音声データ116のうち、0〜4kHzの周波数帯域の音声についてケプストラム係数c〜c24を算出している。しかし、この値は発話者により変動する可能性がある。そのため、使用する周波数帯域と算出するケプストラム係数の個数とを様々に変えて得られる重回帰モデルを用いて、他は同じ条件で声道断面積関数の推定を行なった。その結果、いずれの周波数帯域を使用した場合も同様によい結果が得られた。しかし、4kHz以下の周波数帯域を用いると、それ以上の周波数帯域を用いた場合と比較して一般的に良い結果が得られた。最もよい結果が得られたのが、上記した実施の形態で述べた0〜4kHzの周波数帯域を用いた場合である。ケプストラム係数としては、ある程度の効果を得るためには最低でもc〜c10を用いる必要があり、より確実によい結果を得るためには最低でもc〜c11を用いる必要があった。最もよい結果が得られたのが、上記した実施の形態の説明で述べたとおりc〜c24を使用した場合であった。
<Experiment>
In the above-described embodiment, the cepstrum coefficients c 1 to c 24 are calculated for the voice in the frequency band of 0 to 4 kHz among the voice data 116 for a certain speaker. However, this value can vary from speaker to speaker. Therefore, the vocal tract cross-sectional area function was estimated under the same conditions using a multiple regression model obtained by changing the frequency band to be used and the number of cepstrum coefficients to be calculated. As a result, the same good results were obtained when any frequency band was used. However, when a frequency band of 4 kHz or less is used, generally good results are obtained as compared with the case of using a frequency band of more than that. The best results were obtained when the frequency band of 0 to 4 kHz described in the above embodiment was used. As the cepstrum coefficient, it is necessary to use at least c 1 to c 10 in order to obtain a certain effect, and it is necessary to use at least c 1 to c 11 in order to obtain a more reliable result. The best results were obtained when c 1 to c 24 were used as described in the above description of the embodiment.

図5(A)及び(B)は、最も正確な予測が得られたモデルを示し、35フレームにわたる、測定値から得られた実際のPC I及びIIの値の変動(実線)と、0〜4kHzの周波数帯域で定義された24個のケプストラム定数を用いて推定したそれらの値(●印)とをそれぞれ示す。図5(A)及び(B)にはさらに、対比のために、0〜3kHzの周波数帯域で10個のケプストラム係数を用いて推定したPC I及びIIの値(△印)をそれぞれ示す。最も良い回帰モデルでは、PC I及びIIの重みk及びkを推定するに際し、それぞれ0.991及び0.968の相関、並びに標準偏差にして0.086と0.226の二乗平均誤差という結果であった。 FIGS. 5A and 5B show the model with the most accurate prediction, with the actual PCI and II value variations (solid lines) obtained from measurements over 35 frames, Those values (marked with ●) estimated using 24 cepstrum constants defined in the frequency band of 4 kHz are shown. 5A and 5B further show values of PCI and II estimated by using 10 cepstrum coefficients in the frequency band of 0 to 3 kHz (Δ mark) for comparison. In the most good regression model, when estimating the weights k 1 and k 2 of the PC I and II, the correlation of each 0.991 and 0.968, and that mean squared error in the standard deviation 0.086 and 0.226 It was a result.

図6に、ケプストラムを用いた最も性能のよい回帰モデルにより得られた結果を視覚化した例を示す。図6(A)〜(E)はそれぞれ、MRI動画像から得られた、各母音の発音時の声道断面積関数(点線)と、声道断面積関数の計測値から得られたPC I及びIIを用いて表わされた声道断面積関数(細線)と、上記実施の形態に従う最も性能のよい回帰モデルにより得られた重みを用いて推定された声道断面積関数(太線)とを示す。   FIG. 6 shows an example of visualizing the results obtained by the best performance regression model using cepstrum. FIGS. 6A to 6E respectively show the vocal tract cross-sectional area function (dotted line) at the time of pronunciation of each vowel obtained from the MRI moving image and the PCI obtained from the measured values of the vocal tract cross-sectional area function. And the vocal tract cross-sectional area function (thin line) expressed using the weight obtained by the regression model with the best performance according to the above embodiment, and Indicates.

図6では、「アイウエオ」と連続して発話した場合の、各母音に対応するフレームのみを示しているが、連続する各フレームに対してこうしたグラフが得られる。従って、それらフレームのグラフをフレームごとに切替えて表示する事により、発話者の発話と同時に、リアルタイムでその声道断面積関数の変化を表示する事ができる。   FIG. 6 shows only the frames corresponding to the vowels when “Iueo” is continuously spoken, but such a graph is obtained for each successive frame. Therefore, by switching and displaying the graph of these frames for each frame, it is possible to display changes in the vocal tract cross-sectional area function in real time simultaneously with the utterance of the speaker.

PCAとケプストラムとを組合わせた上記実施の形態によれば、35個のフレーム全てに対する平均として、声道断面積において0.367cm、声道長において0.150cmの誤差という結果が得られた。この誤差は、元のMRI動画像から計算されたPCAにより表わした声道断面積及び声道長の誤差と比較してわずかに大きいだけである。一方、非特許文献4に紹介された技術では、クローズドテストで得られた声道断面積の誤差が0.334cmとなっており、本実施の形態によるモデルはこれと遜色がない。さらに、非特許文献6において線形予測モデルにより推定された日本語の5つの母音の声道長での平均誤差0.84cmと比較して、本実施の形態によるモデルでの誤差ははるかに小さい。実際、本実施の形態での最も性能のよいモデルを用いたケースの声道長の誤差0.150cmは、MRI画像で声道断面積画像を得るときのスライス長0.25cmよりも短く、十分に正確であるといえる。 According to the above-described embodiment in which PCA and cepstrum are combined, an average error of 0.367 cm 2 in the vocal tract cross-sectional area and 0.150 cm in the vocal tract length was obtained as an average for all 35 frames. . This error is only slightly larger compared to the vocal tract cross-sectional area and vocal tract length errors represented by the PCA calculated from the original MRI video. On the other hand, in the technique introduced in Non-Patent Document 4, the error of the vocal tract cross-sectional area obtained by the closed test is 0.334 cm 2, and the model according to the present embodiment is not inferior to this. Furthermore, the error in the model according to the present embodiment is much smaller than the average error of 0.84 cm in the vocal tract length of the five Japanese vowels estimated by the linear prediction model in Non-Patent Document 6. In fact, the vocal tract length error of 0.150 cm in the case of using the model with the best performance in the present embodiment is shorter than the slice length of 0.25 cm when obtaining the vocal tract cross-sectional image with the MRI image, which is sufficient. It can be said that it is accurate.

以上のように、本実施の形態によれば、正確な声道断面積関数を、発話者の音声にあわせてリアルタイムで計算する事ができる。上記実施の形態では、学習時の発話者と、動作時の発話者とが同じ人物である事が想定されているが、地声の声質が類似した発話者であれば、別の発話者についてもリアルタイムで音声から声道断面積関数を計算できる。さらに、発話者による音質の相違を解消するように、発話者の音声を正規化できれば、適用できる発話者の範囲はさらに広がる事が期待される。   As described above, according to the present embodiment, an accurate vocal tract cross-sectional area function can be calculated in real time according to the voice of the speaker. In the above embodiment, it is assumed that the speaker at the time of learning and the speaker at the time of operation are the same person, but if the speaker has similar voice quality, Can also calculate the vocal tract area function from speech in real time. Furthermore, if the speech of the speaker can be normalized so as to eliminate the difference in sound quality among the speakers, it is expected that the range of applicable speakers will be further expanded.

<コンピュータによる実現>
この実施の形態のシステムは、コンピュータハードウェアと、そのコンピュータハードウェアにより実行されるプログラムと、コンピュータハードウェアに格納されるデータとにより実現される。図7はこのコンピュータシステム330の外観を示し、図8はコンピュータシステム330の内部構成を示す。
<Realization by computer>
The system of this embodiment is realized by computer hardware, a program executed by the computer hardware, and data stored in the computer hardware. FIG. 7 shows the external appearance of the computer system 330, and FIG. 8 shows the internal configuration of the computer system 330.

図7を参照して、このコンピュータシステム330は、FD(フレキシブルディスク)ドライブ352及びCD−ROM(コンパクトディスク読出専用メモリ)ドライブ350を有するコンピュータ340と、キーボード346と、マウス348と、モニタ342と、マイク370と、スピーカ372とを含む。   Referring to FIG. 7, the computer system 330 includes a computer 340 having an FD (flexible disk) drive 352 and a CD-ROM (compact disk read only memory) drive 350, a keyboard 346, a mouse 348, and a monitor 342. , And microphone 370 and speaker 372.

図8を参照して、コンピュータ340は、FDドライブ352及びCD−ROMドライブ350に加えて、CPU(中央処理装置)356と、CPU356、FDドライブ352及びCD−ROMドライブ350に接続されたバス366と、ブートアッププログラム等を記憶する読出専用メモリ(ROM)358と、バス366に接続され、プログラム命令、システムプログラム、及び作業データ等を記憶するランダムアクセスメモリ(RAM)360と、バス366、マイク370及びスピーカ372に接続され、マイク370からの電気信号をデジタル化しフレーム化する処理と、CPU356により生成された音声をアナログ信号化し、スピーカ372に与えるためのサウンドボード368とを含む。コンピュータシステム330はさらに、図示しないプリンタを含んでもよい。   Referring to FIG. 8, in addition to the FD drive 352 and the CD-ROM drive 350, the computer 340 includes a CPU (central processing unit) 356 and a bus 366 connected to the CPU 356, the FD drive 352, and the CD-ROM drive 350. A read only memory (ROM) 358 for storing a boot-up program and the like; a random access memory (RAM) 360 connected to the bus 366 for storing program instructions, system programs, work data, and the like; a bus 366, a microphone; 370 and a speaker 372, and includes a process of digitizing an electrical signal from the microphone 370 into a frame, and a sound board 368 for converting the sound generated by the CPU 356 into an analog signal and supplying the analog signal to the speaker 372. The computer system 330 may further include a printer (not shown).

ここでは示さないが、コンピュータ340はさらに、ローカルエリアネットワーク(LAN)への接続を提供するネットワークアダプタボードを含んでもよい。   Although not shown here, the computer 340 may further include a network adapter board that provides a connection to a local area network (LAN).

コンピュータシステム330に本実施の形態に係る声道断面積関数推定システム100、又はその一部をなすパラメータ算出部118若しくは逆推定処理部120としての動作を行なわせるためのコンピュータプログラムは、CD−ROMドライブ350又はFDドライブ352に挿入されるCD−ROM362又はFD364に記憶され、さらにハードディスク354に転送される。又は、プログラムは図示しないネットワークを通じてコンピュータ340に送信されハードディスク354に記憶されてもよい。プログラムは実行の際にRAM360にロードされる。CD−ROM362から、FD364から、又はネットワークを介して、直接にRAM360にプログラムをロードしてもよい。   A computer program for causing the computer system 330 to operate as the vocal tract cross-sectional area function estimation system 100 according to the present embodiment or the parameter calculation unit 118 or the inverse estimation processing unit 120 forming a part thereof is a CD-ROM. The data is stored in the CD-ROM 362 or FD 364 inserted in the drive 350 or FD drive 352 and further transferred to the hard disk 354. Alternatively, the program may be transmitted to the computer 340 through a network (not shown) and stored in the hard disk 354. The program is loaded into the RAM 360 when executed. The program may be loaded directly into the RAM 360 from the CD-ROM 362, from the FD 364, or via a network.

このプログラムは、コンピュータ340にこの実施の形態に係る声道断面積関数推定システム100、又はその一部をなすパラメータ算出部118若しくは逆推定処理部120としての動作を行なわせる複数の命令を含む。この動作を行なわせるのに必要な基本的機能のいくつかはコンピュータ340上で動作するオペレーティングシステム(OS)もしくはサードパーティのプログラム、又はコンピュータ340にインストールされる各種ツールキットのモジュールにより提供される。従って、このプログラムはこの実施の形態のシステムを実現するのに必要な機能全てを必ずしも含まなくてよい。このプログラムは、命令のうち、所望の結果が得られるように制御されたやり方で適切な機能又は「ツール」を呼出す事により、上記した声道断面積関数推定システム100、又はその一部をなすパラメータ算出部118若しくは逆推定処理部120としての動作を実行する命令のみを含んでいればよい。コンピュータシステム330の動作は周知であるので、ここでは繰返さない。   This program includes a plurality of instructions that cause the computer 340 to operate as the vocal tract cross-sectional area function estimation system 100 according to this embodiment, or the parameter calculation unit 118 or the inverse estimation processing unit 120 that forms a part thereof. Some of the basic functions required to perform this operation are provided by operating system (OS) or third party programs running on the computer 340 or various toolkit modules installed on the computer 340. Therefore, this program does not necessarily include all functions necessary for realizing the system of this embodiment. This program makes up the vocal tract cross-sectional area function estimation system 100 described above or a part thereof by calling an appropriate function or “tool” in a controlled manner to obtain a desired result. It is only necessary to include an instruction for executing an operation as the parameter calculation unit 118 or the inverse estimation processing unit 120. The operation of computer system 330 is well known and will not be repeated here.

<変形>
なお、上記実施の形態では、MRI画像を用いて声道断面積関数の推定のためのパラメータの学習を行なった。しかし本発明はそのような実施の形態には限定されない。MRI画像と同様の3D透過画像が得られ、それによって声道断面積が測定できるような画像が得られるのであれば、どのような方法を用いてもよい。上記実施の形態では、静止透過画像と透過動画像とはともにMRIを用いている。しかし両者が一致している必要はない。静止透過画像と、透過動画像とを異なる手法で入手するようにしてもよい。さらに、上記実施の形態では、MRI動画像114の撮影と、音声データ116の収録とは別々に、ただし同期音発生装置112を使用して同期させて行なった。これはMRIの撮影においては大きな騒音が発生するため、音声データを良好な状態で収録する事ができないという制約によるものであった。従って、MRI以外の方法で、静かな環境で透過動画像が撮影できるのであれば、同時に音声データ116の収録を行なっても差し支えない。また、MRIを用いる場合でも、音声データ116の収録が良好にできるのであれば、撮影と音声の収録とを同時に行なってもよい。
<Deformation>
In the above embodiment, parameters for estimating the vocal tract cross-sectional area function are learned using the MRI image. However, the present invention is not limited to such an embodiment. Any method may be used as long as a 3D transmission image similar to the MRI image is obtained, and an image capable of measuring the vocal tract cross-sectional area can be obtained. In the above embodiment, both the still transmission image and the transmission moving image use MRI. But they don't have to match. You may make it acquire a still transmission image and a transmission moving image with a different method. Furthermore, in the above-described embodiment, the MRI moving image 114 is captured and the audio data 116 is recorded separately, but synchronized using the synchronous sound generator 112. This is due to the restriction that sound data cannot be recorded in a good state because a large noise is generated in MRI imaging. Therefore, if a transmission moving image can be taken in a quiet environment by a method other than MRI, the audio data 116 may be recorded at the same time. Even when MRI is used, if the audio data 116 can be recorded satisfactorily, imaging and audio recording may be performed simultaneously.

又、上記実施の形態では、音声データに対しケプストラム分析を行ない、得られたケプストラム係数のうち第1次〜第24次の係数の線形和で主成分の重みを近似している。これは、実験で24次までのケプストラム係数を用いるとよい結果が得られたためである。しかし、話者によっては最適な次数が多少変わることはあり得るし、また、同一人物でも、用いるケプストラム係数の次数を多少増減させてもよい事はいうまでもない。   In the above embodiment, the cepstrum analysis is performed on the voice data, and the weight of the principal component is approximated by the linear sum of the first to 24th coefficients among the obtained cepstrum coefficients. This is because good results were obtained using cepstrum coefficients up to the 24th order in the experiment. However, the optimum order may vary somewhat depending on the speaker, and it is needless to say that the order of the cepstrum coefficient to be used may be slightly increased or decreased even for the same person.

今回開示された実施の形態は単に例示であって、本発明が上記した実施の形態のみに制限されるわけではない。本発明の範囲は、発明の詳細な説明の記載を参酌した上で、特許請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含む。   The embodiment disclosed herein is merely an example, and the present invention is not limited to the above-described embodiment. The scope of the present invention is indicated by each claim in the claims after taking into account the description of the detailed description of the invention, and all modifications within the meaning and scope equivalent to the wording described therein are intended. Including.

本発明の一実施の形態に係る声道断面積関数推定システム100の機能的構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the functional structure of the vocal tract cross-sectional area function estimation system 100 which concerns on one embodiment of this invention. 声道断面積関数に関する第1の主成分のフレームごとの値と、対応する声道断面積関数とを示す図である。It is a figure which shows the value for every flame | frame of the 1st main component regarding a vocal tract cross-sectional area function, and a corresponding vocal tract cross-sectional area function. 声道断面積関数に関する第2の主成分のフレームごとの値と、対応する声道断面積関数とを示す図である。It is a figure which shows the value for every frame of the 2nd main component regarding a vocal tract cross-sectional area function, and a corresponding vocal tract cross-sectional area function. 声道断面積関数に関する第3の主成分のフレームごとの値と、対応する声道断面積関数とを示す図である。It is a figure which shows the value for every frame of the 3rd main component regarding a vocal tract cross-sectional area function, and a corresponding vocal tract cross-sectional area function. MRI動画像から得られた第1及び第2の主成分、及び推定された2種類の第1及び第2の主成分の、フレームごとの値を示す図である。It is a figure which shows the value for every flame | frame of the 1st and 2nd principal component obtained from the MRI moving image, and two types of estimated 1st and 2nd principal components. 発話者の連続音声から推定された声道断面積関数を、学習時に用いられたMRI動画像から得られた声道断面積関数、及びその第1及び第2の主成分による表現とを示す図である。The figure which shows the vocal tract cross-sectional area function estimated from the continuous speech of a speaker, the vocal tract cross-sectional area function obtained from the MRI moving image used at the time of learning, and the expression by the 1st and 2nd main component. It is. 本発明の一実施の形態に係る声道断面積関数推定システム100、又はその一部をなすパラメータ算出部118又は逆推定処理部120を実現するコンピュータシステムの外観図である。1 is an external view of a computer system that implements a vocal tract cross-sectional area function estimation system 100 according to an embodiment of the present invention, or a parameter calculation unit 118 or an inverse estimation processing unit 120 that forms a part thereof. 図7に示すコンピュータシステムのブロック図である。FIG. 8 is a block diagram of the computer system shown in FIG. 7.

符号の説明Explanation of symbols

100 声道断面積関数推定システム
110 静止MRI画像
112 同期音発生装置
114 MRI動画像
116 音声データ
118 パラメータ算出部
120 逆推定処理部
140 PCA処理部
142,146,150,154 記憶部
144 動画像データ射影処理部
148 ケプストラム係数算出部
152 重回帰分析処理部
180 音声キャプチャ処理部
182 ケプストラム係数算出部
184 線形変換処理部
186 声道断面積関数推定部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Vocal tract cross-sectional area function estimation system 110 Still MRI image 112 Synchronous sound generator 114 MRI moving image 116 Audio | voice data 118 Parameter calculation part 120 Inverse estimation process part 140 PCA process part 142,146,150,154 Memory | storage part 144 Moving image data Projection processing unit 148 Cepstrum coefficient calculation unit 152 Multiple regression analysis processing unit 180 Voice capture processing unit 182 Cepstrum coefficient calculation unit 184 Linear transformation processing unit 186 Vocal tract cross-sectional area function estimation unit

Claims (4)

複数個の母音の各々についての、所定の話者の個々の発話時における静止透過画像と、前記複数個の母音の連続発話時の、前記所定の話者の透過動画像と、前記連続発話時の前記所定の話者の音声データとに基づいて、前記個々の発話時の前記話者の声道断面積関数の平均及び当該平均回りの変化を表わす第1〜第m(mは2以上の自然数)の主成分と、前記連続発話時の前記発話者の声道断面積関数を前記平均及び前記第1〜第mの主成分により近似するための前記第1〜第mの主成分の重みを、前記所定の話者の音声データに対するケプストラム分析により得られる第1次〜第n次(nは予め定められた10以上の自然数)のケプストラム係数の線形和で近似するための係数とを準備するためのパラメータ準備手段と、
話者の音声をキャプチャして得られる、フレーム化された音声信号に対し、フレームごとに前記ケプストラム分析を行ない、前記第1次〜第n次のケプストラム係数をフレームごとに算出するための第1のケプストラム分析手段と、
前記第1のケプストラム分析手段の算出する前記第1次〜第n次のケプストラム係数に対し、前記パラメータ準備手段により準備された前記係数を用いた前記線形和を用いて、前記話者の音声信号の各フレームに対する前記第1〜第mの主成分のための重みを算出するための線形変換部と、
前記線形変換部により算出された前記第1〜第mの主成分のための重みと、前記パラメータ準備手段により準備された前記平均及び前記第1〜第mの主成分とを用いて、前記話者の前記音声信号の各フレームに対し、声道断面積を推定するための声道断面積推定手段とを含む、声道断面積関数の推定装置。
For each of a plurality of vowels, a static transmission image at the time of individual utterance of the predetermined speaker, a transmission video image of the predetermined speaker at the time of continuous utterance of the plurality of vowels, and at the time of the continuous utterance 1 to m-th (m is 2 or more) representing the average of the speaker's vocal tract cross-sectional area function at the time of each individual utterance and the change around the average Natural number) and the weights of the first to m-th principal components for approximating the vocal tract cross-sectional area function of the speaker during the continuous utterance with the average and the first to m-th principal components. Is prepared by a linear sum of cepstrum coefficients of the first order to the nth order (n is a predetermined natural number of 10 or more) obtained by cepstrum analysis on the voice data of the predetermined speaker. Parameter preparation means for
A first cepstrum coefficient is calculated for each frame of a framed audio signal obtained by capturing a speaker's voice, and the first to nth cepstrum coefficients are calculated for each frame. Cepstrum analysis means,
The voice signal of the speaker is obtained by using the linear sum using the coefficients prepared by the parameter preparation means for the first to n-th order cepstrum coefficients calculated by the first cepstrum analysis means. A linear transformation unit for calculating weights for the first to m-th principal components for each frame of
Using the weights for the first to m-th principal components calculated by the linear conversion unit and the average and the first to m-th principal components prepared by the parameter preparation means, An apparatus for estimating a vocal tract cross-sectional area function, comprising: a vocal tract cross-sectional area estimating means for estimating a vocal tract cross-sectional area for each frame of the speech signal of the person.
前記パラメータ準備手段は、
前記複数個の母音の各々についての、前記所定の話者の個々の発話時の声道部分の静止透過画像により得られる声道断面積関数に基づいて、当該複数個の母音に関する声道断面積関数の平均と、前記第1〜第mの主成分とを主成分分析により求めるための主成分分析手段と、
前記透過動画像よりフレームごとに得られる前記連続発話時の声道断面積関数を前記第1〜第mの主成分により形成される空間に射影する事により、前記連続発話時の声道断面積関数を前記第1〜第mの主成分と前記平均とにより表わすための、前記第1〜第mの主成分の重みを算出するための重み算出手段と、
前記連続発話時の前記所定の話者の音声データに対する前記ケプストラム分析を行なう事により、前記第1次〜第n次のケプストラム係数を求めるための第2のケプストラム分析手段と、
前記第2のケプストラム分析手段により得られる前記第1次〜第n次のケプストラム係数の線形和で、前記連続発話時の前記第1〜第mの主成分の重みを近似するための重回帰分析を行なって前記係数を算出するための重回帰分析手段と、
前記平均、前記第1及び第2の主成分、並びに前記第1〜第mの主成分の重みを近似するための前記係数を記憶するための記憶手段とを含む、請求項1に記載の声道断面積関数の推定装置。
The parameter preparation means includes
For each of the plurality of vowels, a vocal tract cross-sectional area related to the plurality of vowels based on a vocal tract cross-sectional area function obtained from a static transmission image of the vocal tract portion at the time of individual speech of the predetermined speaker. A principal component analysis means for obtaining an average of a function and the first to m-th principal components by principal component analysis;
By projecting the vocal tract cross-sectional area function during continuous utterance obtained for each frame from the transmitted moving image onto the space formed by the first to m-th principal components, the vocal tract cross-sectional area during continuous utterance is projected. Weight calculating means for calculating a weight of the first to m-th principal components for representing a function by the first to m-th principal components and the average;
Second cepstrum analysis means for obtaining the first to nth cepstrum coefficients by performing the cepstrum analysis on the voice data of the predetermined speaker during the continuous utterance;
Multiple regression analysis for approximating the weights of the first to m-th principal components at the time of the continuous utterance with a linear sum of the first-order to n-th order cepstrum coefficients obtained by the second cepstrum analysis means. Multiple regression analysis means for calculating the coefficient by performing
The voice according to claim 1, comprising storage means for storing the coefficients for approximating the weights of the average, the first and second principal components, and the first to m-th principal components. Road cross section function estimation device.
前記パラメータ準備手段は、前記声道断面積関数の平均及び前記第1〜第mの主成分と、前記係数とを記憶するための記憶手段を含む、請求項1に記載の声道断面積関数の推定装置。 2. The vocal tract cross-sectional area function according to claim 1, wherein the parameter preparation means includes storage means for storing an average of the vocal tract cross-sectional area function, the first to m-th principal components, and the coefficient. Estimating device. コンピュータにより実行されると、当該コンピュータを請求項1〜請求項3のいずれかに記載の声道断面積関数の推定装置として動作させる、コンピュータプログラム。 A computer program that, when executed by a computer, causes the computer to operate as the vocal tract cross-sectional area function estimation device according to any one of claims 1 to 3.
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