法政大学 情報科学部 ディジタルメディア学科 4年 08k1014 小泉 悠馬

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1 擦弦時の奏法行動を考慮した意図表現の合成手法 : VIOCODER 2012/06/02 第 95 回情報処理学会音楽情報科学研究会 法政大学大学院情報科学研究科 小泉悠馬, 伊藤克亘

2 はじめに擦弦楽器の合成音への表現力付与手法 研究の概要 擦弦楽器の合成音に演奏表現による音色の変化をもたせる 擦弦楽器の音の生成の流れから 音色変化の特徴を推定する 推定した特徴をもとに 楽音を合成する 予備知識 擦弦楽器の音の生成過程 擦弦運動 : ヘルムホルツ運動 楽器内での共鳴 擦弦楽器の演奏表現の特徴と その理由 従来の擦弦楽器の楽音合成手法と その問題点

3 擦弦楽器の音の生成過程 奏者のイメージ 楽譜を翻訳し イメージを奏法に変換 人間のイメージと行動 奏者が 楽譜を元に音をイメージ イメージを元に弦を擦り (= 擦弦 : 奏法行動 ) 弦が振動 物理モデル 擦弦振動 楽器共鳴 演奏音 弦の振動が楽器内で共鳴 楽音の放射

4 擦弦振動 : ヘルムホルツ振動 固定端から擦弦位置までの位置の比で頂点が決定する三角波 振幅 Stick-Slip 運動 対数パワ 時間 実際の擦弦振動は 奏法による変化や 擦弦雑音が含まれる 奏法 : 弦に対する力の入れ方 演奏では 擦弦振動を聞いているのではない 擦弦振動が駒を振動させ 胴で共鳴した音

5 楽器内での共鳴 擦弦振動が駒を伝わり胴体へと伝達され 共鳴する 胴体での共鳴の計測が必要 時間領域領域 入力伝達系出力入力伝達系出力 インパルス応答を計測 f 字孔共鳴

6 擦弦楽器の表現のバリエーション 音色変化による多彩な表現 楽音生成の特徴 撥弦楽器などと違い 駆動源に常にロードをかけている 歌声や吹奏楽器と違い 手による駆動源の制御 様々な奏法と表現のバリエーション = 制御方法が複雑発想記号と対応した 弦を擦る位置 弦を擦る速度 弦にかける重さ 独特な特殊奏法 サルタート スピッカート マルテラート フラウタート ポンティセロ など ( はっきりと ) ( やわらかく ) ( 荒々しく ) ( 軽やかに ) ( 情熱的に )

7 擦弦楽器の楽音合成手法 物理モデル合成 楽器に力学的センサを取り付け 奏法パラメータを取得楽器が弾けるユーザーのみが意図表現 ( 音色 ) を制御可能 素片接続合成 事前に演奏された楽音コーパスを用いて合成表現の豊富さはコーパス量に依存し コーパスの表現情報で音色制御 スコア入力 サンプル選択 楽音コーパス 変換 楽音出力 奏法パラメータの例 [8] 素片接続合成方式 コンピュータ音楽の例 Microsoft GS Wavetable SW Synth:

8 発表の構成 擦弦楽器の合成音への表現力付与手法 :VIOCODER 奏者による意図表現の違い 擦弦楽器の音色変化による意図表現の合成手法 奏法による音色変化の合成へ向けた方針 奏法モデルの推定 奏法モデルを用いた楽音合成 まとめ 今後の課題

9 奏者による音楽表現の違い 音楽によってコントロールされる音の特徴 リズム 譜面の音価 リズムのゆらぎ 音色 楽器の種類 表現の音色変化 奏者による表現の変化 音高 絶対音高 ビブラート 音量 音量記号 フレーズの変化 ベースとなる発想記号は同じで 表現は似ていても 個人差が存在 個人差も自由に合成したい 曲名 : ツィゴイネルワイゼン, 発想記号 : tres passione( 非常に情熱的に ) 奏者 A: 硬めの音色奏者 B: 柔らかい音色 奏者 A: 譜面と違う音長奏者 B: 譜面通りの音長 奏者 A: 奏者 B:

10 演奏表現の生成 作曲家 演奏者は音楽で 聴衆にイメージを伝えている イメージ 奏者の個性 media 楽譜 絶対音高 表現情報 楽譜メディアを元に楽音をイメージ 演奏者 イメージ空間 イメージを奏法へ変換 media 楽音 イメージ 奏法誤差

11 演奏表現の生成 作曲家演奏者は音楽で 聴衆にイメージを伝えているイメージ 奏者の個性 演奏者 コンピュータ音楽が 音楽 media ( 芸術 ) であるためには 意図表現 ( イメージ ) を自由に制御できる必要がある 楽譜 絶対音高 表現情報 イメージ空間 楽譜メディアを元に楽音をイメージ イメージを奏法へ変換 media 楽音 イメージ 奏法誤差

12 発想記号による音色の変化の合成 同一の譜面 クリエイタ A のイメージ クリエイタ B のイメージ クリエイタ C イメージ クリエイターのイメージ通りに音色制御可能な合成手法 ベース ( 楽譜が ) が同じものから イメージ ( 奏法 ) による音色変化 合成システム A のイメージを反映した音色の楽音 B のイメージを反映した音色の楽音 C のイメージを反映した音色の楽音 イメージを入力して 表現を持った音色を合成 バイオリンの音の生成過程から 発想記号の音響的な特徴を抽出

13 音色の意図表現情報の抽出に向けた方針 奏者のイメージ 擦弦振動 楽器共鳴 演奏音 楽譜を翻訳し イメージを奏法に変換 人間の奏法により制御されるのは擦弦振動 擦弦振動中の 意図表現に起因する情報を制御したい

14 音色の意図表現情報の抽出に向けた方針 奏者のイメージ 擦弦振動 楽器共鳴 演奏音 楽譜を翻訳し イメージを奏法に変換 人間の奏法により制御されるのは擦弦振動奏法によらない擦弦振動と 奏法のモデルに分離理想状態のヘルムホルツ振動発想記号 奏法による表現力付与がされていない擦弦振動 奏法による擦弦振動の変化

15 奏法による音色の変化の推定 擦弦振動 : S 演奏音 : Y frequency 奏法モデル : E frequency frequency 楽器の共鳴 : I Y = SEI frequency

16 奏法による音色の変化の推定 擦弦振動 : S 演奏音 : Y frequency 奏法モデル : E frequency frequency 楽器の共鳴 : I Y E = SEI Y SI frequency

17 VIOCODER 弦楽器の駆動音源は擦弦振動 VOCODER は 擦弦楽器の演奏とは対応していない 奏法の変化による 音色変化の合成を扱いにくい 擦弦楽器の演奏と対応した音色制御の合成手法の提案 振幅 振幅 基本的な擦弦振動の駆動音源 基本 ( 音の高さ ) 振幅 ( 音の大きさ ) 擦弦楽器の音 奏法の意図表現による音色変化 音色変化( スペクトル包絡 )

18 振幅 擦弦振動のモデル化 :VIOCODER 理想状態の振動が奏法により変化したものと捉える S 理想状態のヘルムホルツ振動 調波成分 振幅 E 調波制御機構 SE 擦弦振動スペクトル 振幅 振幅 非調波成分 振幅 白色雑音 非調波制御機構

19 奏法モデルを導入した合成の流れ

20 理想状態での擦弦振動 : S グローバルな擦弦振動 : ヘルムホルツ振動 固定端から擦弦位置までの位置の比 β で頂点が決定する三角波 固定端から擦弦位置の距離 :x 弦長 : l β = x/l 奏法によらない擦弦振動の式 : s(t) = N 1 n+1 n 2 φ n β sin(ω n t) φ β = sin nπβ frequency

21 楽器の共鳴特性 : I 伝達系の推定はインパルス応答を測定 無響室で巨大なスピーカーとレコード針を用いて測定 [15] 駒の部分で計測を行っていない 弦の振動は 駒を通して胴体に伝わる 直接駆動型スピーカーを用いて測定 包絡 ( 概形 ) や f 字孔共鳴などの特徴を測定できている

22 調波成分における奏法の影響の推定 調波成分 : 元のスペクトルから調波成分をサンプリング Y(ω, k) Y(ω n, k) Y ω n, k = S h ω n, k E h ω n, k I ω n 楽器の共鳴特性の除去 調波成分のスペクトログラム S: ヘルムホルツ振動 E: 奏法モデル I: 楽器の共鳴 S h ω n, k E h ω n, k I ω n I(ω n ) S h ω n, k E h ω n, k

23 調波成分における奏法の影響の推定 奏法制御機構は音色変化 信号のパワーを変化させない N 奏法モデルの推定 E h n, k S h n, k 2 = S h n, k 2 N 理想状態のヘルムホルツ振動のスペクトルが求まる S: ヘルムホルツ振動 E: 奏法モデル S h ω n, k E h ω n, k S h ω n, k E h ω n, k

24 非調波成分における奏法の影響の推定 特に発音時の音色への色付けとして重要な要素 観測スペクトルから 調波成分を除去したもの 調波成分に 窓関数の影響を畳み込む Y(ω, k) S h ω n, k E h ω n, k I ω n W ω S f ω, k E f ω, k I(ω) 擦弦ノイズは slip 区間において白色雑音として扱われる S f ω, k は すべてのにおいて一定 楽器の共鳴特性を取り除いたものを 奏法の影響とする

25 VIOCODER 合成の流れ 入力 F 0 軌跡 振幅 奏法の特徴を持ったスペクトル包絡 奏法モデル 奏法の特徴を持ったスペクトル包絡 楽器の共鳴特性 表現力のある合成楽音 TANDEM- STRAIGHT による合成 振幅 時間

26 VIOCODER 合成の流れ 発想記号 dolce ( やわらかく ) 演奏音 : 表現なし : 表現あり : dolce らしい柔らかい音 音色表現のない硬い音 実際の演奏のような柔らかい音 奏法の特徴を持ったスペクトル包絡 楽器の共鳴特性 表現力のある合成楽音 TANDEM- STRAIGHT による合成 振幅 時間

27 分析合成音の主観評価 ( 聴取実験 ) 抽出された奏法モデルを人間は知覚できるか? 5 種類の発想記号で分析合成されたE 線のG 音 (787Hz) 発想記号 Y SEI SI marcato( はっきりと ) dolce( 甘く やわらかく ) leggero( 軽やかに ) appassionato( 情熱的に ) feroce( 荒々しく ) 実測演奏音 ビブラート 振幅の変化 音色の変化 ビブラート 振幅の変化 被験者擦弦楽器を 3 年以上経験してる 15 名

28 評価結果に対する考察 feroce: 発音や擦弦時に発生する雑音が重要となる発想記号 被験者の意見 荒々しさ ( 擦弦圧力 ) が足らない 音がなめらかすぎる 擦弦時に 弦に対して非常に強い圧力をかける 擦弦ノイズを用いて音色を表現 他の発想記号に比べて 発音時の圧力が大きい 擦弦振動開始時は 圧力が大きいとヘルムホルツ振動とならない 他の発音の擦弦雑音が重要となる発想記号でも 多くの被験者から同様の意見 (e.g. marcato, leggiero)

29 おわりに 奏法行動による音色変化を考慮した意図表現の合成手法 :VIOCODER 擦弦楽器の楽音生成過程から 奏法 ( 発想記号 ) の音響特徴を推定奏法モデルを用いた 楽音の合成方式 : VIOCODER 抽出された奏法モデルの聴取実験 : 奏法モデルの使用により 合成音の評点が増加 :3つの発想記号において 演奏音声と有意差なし 調波成分において 奏法行動の音響特徴を合成可能

30 今後の課題 擦弦振動雑音の奏法モデルの推定手法の検討 減衰区間における駆動音源の変更 減衰時の弓を離した後の弦の振動 物理モデルから 駆動音源を考える 奏法モデルを変化させる 意図表現の制御方法 奏法モデルを学習し 他の音高の楽音を合成 駆動音源と奏法モデルが独立ではない問題 奏法モデルの 右手と左手への分離 右手の奏法による擦弦パラメータの変化 左手のビブラートによる張力の変化

31 予備スライド

32 発想記号による奏法モデルの変化と物理的意味 スペクトル重心が高い : 輝かしい音色 スペクトル重心が低い : 曇った音色 擦弦パラメータと音色の変化の指標 ( スペクトル重心 )[8] 発想記号 :marcato( はっきりと ) 発想記号 :dolce( やわらかく ) 対数パワ 対数パワ スペクトル重心 : 5200Hz スペクトル重心 : 2300Hz

33 ビブラートによる奏法モデルの変化 RWC 研究用音楽データベース : 楽器音 ( バイオリン ) 演奏情報 : E 線 G 音 (787Hz), 演奏者 1, 普通の強さ ビブラートによる奏法モデルの変化 F 0

34 音高による奏法モデルの変化 RWC 研究用音楽データベース : 楽器音 ( バイオリン ) 演奏情報 : 演奏者 1, 普通の強さ, ビブラートなし 同じ弦での 音高による奏法モデルの変化 ( 持続区間 ) 対数パワ 対数パワ E 線 F# 音 ( 約 740Hz), の奏法モデル E 線 A# 音 ( 約 932Hz) の奏法モデル 奏者は 音高によって音色が変わらないよう奏法を制御 奏法モデルの包絡は 誤差を含むが似たような形となる

35 擦弦振動における非周期成分 持続部における擦弦ノイズ 発音部における擦弦ノイズ 観測擦弦振動と推定されたノイズ [8] 物理モデルから推定しきれなかった部分をノイズとして扱っている Slip 現象により発生するノイズ ノイズを素片として用いた楽音合成方式 (RPM モデル ) 擦弦 ( 加 ) 速度と圧力と 擦弦振動生成の関係 1:Creaky Sound, 2:Perfect Attack, 3:Multiple Slip Slip 運動が安定するまでの擦弦振動が発音ノイズに関係 marcato などの発想記号では 意図的に 1 のノイズが使われる 成分は剛性 [12] やカオス [13] と関係

36 擦弦振動が安定するまでの状態と意図表現 擦弦楽器奏者は 表現のために 音の発音をコントロールする [20] forte piano 音量と発想記号による 発音 ( 振動生成 ) 時の擦弦振動の状態の分布の変化 [20] [20] K.Guettler, et.al., Acceptance limits for the duration of pre-helmholtz transients in bowed string attacks Journal of the ASA, 1997 forte の方が 全体的に分布が左寄りとなる forte でも marcato の時は発音ノイズを用いることが多いが tenuto, detache の時は発音ノイズを用いることは少ない

37 評点差 SEI と SI の評点差 SEIの評点 SIの評点 feroce( 有意差なし ) dolce( 有意差あり ) 被験者番号被験者番号被験者間の差が大きい, σ 2 = 6.8 被験者間の差が小さい, σ 2 = 0.8

38 VOCODER 声の音色の違いを 声道の形状 ( スペクトル包絡 ) で記述 時間あめんぼあかいなあいうえお 振幅 振幅 声帯による駆動音源 基本 ( 声の高さ ) 振幅 ( 声の大きさ ) 声道による音色変化 音色 ( スペクトル包絡 )

39 発想記号による音色の変化 擦弦楽器奏者による演奏表現の生成 ( はっきりと ) ( やわらかく ) ( 荒々しく ) ( 軽やかに ) ( 情熱的に ) イメージ 弦を擦る位置 弦を擦る速度 弦にかける重さ 表現情報 音色変化 音程変化 音価変化 楽音 楽譜情報 使用楽器 絶対音高 絶対音価 奏者は イメージ ( 発想記号 ) を元に表現情報を生成 楽音合成にも 表現情報の制御と合成が必要

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