語音信號處理 第4版 第10章 語音合成與轉(zhuǎn)換 思考題答案

第10章語音合成與轉(zhuǎn)換思考題答案1.語音合成的目的是什么？它主要可分為哪幾類？什么叫波形合成法和參數(shù)合成法？其區(qū)別在哪里？試比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)。語音合成的目的：語音合成的目的是制造出能夠模擬人類發(fā)音的機(jī)器，使一些以其他方式表示或存儲的信息能轉(zhuǎn)換為語音，讓人們能通過聽覺方便地獲得這些信息。語音合成的分類：語音合成主要分為波形合成法和參數(shù)合成法兩大類。波形合成法：波形合成法是一種直接將語音信號進(jìn)行存儲和重放的方法。它包括兩種形式：一種是波形編碼合成，另一種是波形編輯合成。波形編碼合成：類似于語音編碼中的波形編解碼方法，通過直接存儲或壓縮存儲要合成語音的發(fā)音波形來實(shí)現(xiàn)。優(yōu)點(diǎn)是簡單，缺點(diǎn)是需要很大的存儲容量。波形編輯合成：通過選取音庫中采取自然語言的合成單元的波形，對這些波形進(jìn)行編輯拼接后輸出。優(yōu)點(diǎn)是可以合成高質(zhì)量語音，缺點(diǎn)是對基元之間的相互影響較小，只能合成有限詞匯的語音段。參數(shù)合成法：參數(shù)合成法也稱為分析合成法，是一種比較復(fù)雜的方法。通過對語音信號進(jìn)行分析，提取出語音的參數(shù)以壓縮存儲量，然后由人工控制這些參數(shù)的合成。優(yōu)點(diǎn)：音庫一般較小，系統(tǒng)適應(yīng)的韻律特征范圍較寬，比特率低，音質(zhì)適中。缺點(diǎn)：算法復(fù)雜、參數(shù)多，并且在壓縮比較大時信息丟失較大，合成出的語音不夠自然清晰。2.波形編碼合成中的波形拼接合成和規(guī)則合成法中的波形拼接有什么不同？波形編碼合成中的波形拼接：這種方法類似于直接對存儲于音庫中的語音運(yùn)用PSOLA算法進(jìn)行拼接，從而整合成完整的語音。其特點(diǎn)是簡單直接，但只能用于有限的詞匯和語句。規(guī)則合成法中的波形拼接：這種方法首先在大量語音庫中選擇最合適的語音單元來用于拼接，并在選音過程中采用多種復(fù)雜的技術(shù)。最后在拼接時使用PSOLA等算法對其合成語音的韻律特征進(jìn)行修改，從而使合成的語音達(dá)到很高的音質(zhì)。其特點(diǎn)是能夠生成無限詞匯的語句，但復(fù)雜度較高。為什么說用波形或參數(shù)來合成語音的原理，與語音通信的接收端的語音合成的工作原理是完全相同的？原理相同：無論是波形編碼還是參數(shù)編碼方法，其原理都等同于語音通信中的波形編碼器和聲碼器中的接收端的工作過程。兩者都是通過分析或者變換得到的存儲在語音庫中的參數(shù)或碼序列作為合成數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)語音合成。因此，可以說兩者存在一定共同點(diǎn)。4.對語音合成的激勵函數(shù)有什么要求？在漢語中，對各種音段，應(yīng)該使用什么樣的激勵函數(shù)較為合適？激勵函數(shù)的要求：激勵函數(shù)必須能夠產(chǎn)生符合發(fā)音生理過程的聲音信號。對于濁音來說，最簡單的激勵源是三角波脈沖；但對于高質(zhì)量的語音合成，激勵源的脈沖形狀十分重要。例如多項式波、濾波成形波等更為精確的形式可以提高激勵源的質(zhì)量。對于清音來說，通常使用白噪聲或偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的序列作為激勵源。漢語中的激勵函數(shù)：在漢語中，對于不同的音段應(yīng)采用不同的激勵函數(shù)。發(fā)濁音時可以使用周期沖激序列或周期沖激調(diào)制的噪聲；發(fā)清音時則可以使用偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的序列或平坦頻譜的高斯分布隨機(jī)數(shù)疊加序列。這樣可以保證生成的語音更加自然和清晰。5.什么是PSOLA合成算法？它有幾種實(shí)現(xiàn)方式？利用時域基音同步疊加技術(shù)合成語音的實(shí)現(xiàn)步驟是什么？PSOLA合成算法：PSOLA（基音同步疊加技術(shù)）是一種用于波形編輯合成語音技術(shù)中對合成語音的韻律進(jìn)行修改的算法。它能夠保持原始語音的主要音段特征，同時在音節(jié)拼接時靈活調(diào)整其基音、能量和音長等韻律特征。PSOLA算法有多種實(shí)現(xiàn)方式，包括時域基音同步疊加（TD-PSOLA）、線性預(yù)測基音同步疊加（LPCPSOLA）和頻域基音同步疊加（FD-PSOLA）。實(shí)現(xiàn)步驟：利用時域基音同步疊加技術(shù)合成語音的主要步驟如下：基音同步分析：設(shè)置與合成單元濁音段的基音保持同步的一系列位置點(diǎn)（同步標(biāo)記），并對短時信號進(jìn)行截取和處理?；敉叫薷模涸诤铣梢?guī)則的指導(dǎo)下調(diào)整同步標(biāo)記，產(chǎn)生新的基音同步標(biāo)記，通過插入、刪除等方式改變合成語音的時長和基頻等參數(shù)。基音同步合成：利用短時合成信號進(jìn)行疊加合成，根據(jù)需要調(diào)整時長和基頻變化后的短時信號進(jìn)行疊加得到最終的合成語音。6.什么是TTS？它可以應(yīng)用到哪些領(lǐng)域？一般一個TTS系統(tǒng)是由哪幾個部分組成的？TTS的定義：TTS（Text-to-Speech）即文本轉(zhuǎn)語音技術(shù)，是將文本轉(zhuǎn)換為可聽聲音的技術(shù)。它賦予機(jī)器“人工嘴巴”的功能，使機(jī)器像人一樣說話。應(yīng)用領(lǐng)域：TTS技術(shù)廣泛應(yīng)用于自動報時、報警、公共汽車自動報站、電話查詢服務(wù)業(yè)務(wù)、語音咨詢應(yīng)答系統(tǒng)以及打印出版過程中的文本校對等領(lǐng)域。此外還有電子函件及各種電子出版物的語音閱讀、識別合成型聲碼器等應(yīng)用前景也十分光明。TTS系統(tǒng)的組成部分：一個典型的TTS系統(tǒng)主要由文本預(yù)處理模塊、聲學(xué)模型模塊、聲碼器模塊和后處理模塊組成。文本預(yù)處理模塊負(fù)責(zé)將輸入的文本進(jìn)行規(guī)范化處理；聲學(xué)模型模塊將文本轉(zhuǎn)換為聲學(xué)特征；聲碼器模塊基于所得到的聲學(xué)特征完成目標(biāo)語音的合成；后處理模塊則對生成的語音進(jìn)行優(yōu)化處理以提高其自然度和可懂度。7.在TTS系統(tǒng)中，應(yīng)如何考慮音長的規(guī)則？在漢語中，有哪些有關(guān)音長或調(diào)長的規(guī)律？應(yīng)如何考慮一字多音多義問題？音長的規(guī)則：在TTS系統(tǒng)中，音長的規(guī)則應(yīng)根據(jù)實(shí)際發(fā)音情況進(jìn)行調(diào)整。一般來說，音長的調(diào)整需要考慮上下文語境和語義內(nèi)容等因素。對于漢語來說，常見的音長規(guī)則包括停頓、語調(diào)變化等。例如在句末通常會有較長的停頓時間以標(biāo)示句子結(jié)束。同時還要結(jié)合具體的詞語意義來決定音長的長短變化。一字多音多義問題的處理：一字多音多義問題是TTS系統(tǒng)中的一個重要挑戰(zhàn)之一。為了解決這個問題，可以在系統(tǒng)設(shè)計中引入上下文語境分析機(jī)制來動態(tài)確定每個字的具體讀音。例如可以通過訓(xùn)練大量的語料庫來建立不同上下文下的發(fā)音模型，使得系統(tǒng)能夠在具體使用時根據(jù)上下文選擇合適的讀音模式來進(jìn)行轉(zhuǎn)換和生成。此外可以采用基于深度學(xué)習(xí)的方法來提高系統(tǒng)的智能化程度和準(zhǔn)確性。8.在TTS系統(tǒng)中，應(yīng)如何進(jìn)行語音合成中的韻律控制？為什么韻律控制直接關(guān)系到合成語音的自然度與可懂度？韻律控制方法：在TTS系統(tǒng)中進(jìn)行韻律控制的方法主要包括基音頻率的控制、能量控制以及語調(diào)變化等方面。通過調(diào)整這些參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)更自然的韻律效果并提高可懂度與自然度。常用的方法包括基于規(guī)則的方法和基于統(tǒng)計模型的方法等。例如可以通過建立統(tǒng)計模型來學(xué)習(xí)不同語境下的韻律模式并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)更自然的韻律效果。另外也可以采用基于深度學(xué)習(xí)的方法來進(jìn)一步提高韻律控制的精度和效果。韻律控制的重要性：韻律控制直接關(guān)系到合成語音的自然度與可懂度的原因是因為在實(shí)際語言交流中人們的語調(diào)、重音等韻律特征對于理解語義內(nèi)容非常重要。如果缺乏有效的韻律控制措施就會導(dǎo)致生成的語音聽起來不自然或者難以理解的情況出現(xiàn)。因此通過合理的韻律控制可以顯著改善TTS系統(tǒng)的質(zhì)量和用戶體驗效果。9.常用的頻譜特征參數(shù)轉(zhuǎn)換方法有哪些？各有什么特點(diǎn)？矢量量化法：矢量量化法通過將源語音和目標(biāo)語音的頻譜特征參數(shù)進(jìn)行量化，建立碼本并映射加權(quán)系數(shù)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。優(yōu)點(diǎn)是簡單有效，缺點(diǎn)是忽略了各個子空間的聯(lián)系，可能導(dǎo)致不連續(xù)性。線性多變量回歸法：線性多變量回歸法通過對源特征參數(shù)和目標(biāo)特征參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，并運(yùn)用DTW對齊后，建立簡單的線性關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換。優(yōu)點(diǎn)是能夠更好地進(jìn)行特征的轉(zhuǎn)換，缺點(diǎn)是對復(fù)雜特征的處理效果有限。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法利用多層結(jié)構(gòu)提取共振峰等特征，通過BP方法訓(xùn)練模型實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。優(yōu)點(diǎn)是能夠捕捉復(fù)雜的非線性關(guān)系，缺點(diǎn)是計算量較大，需要大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)。多說話人插值法：多說話人插值法通過預(yù)先存儲多個說話人的頻譜包絡(luò)進(jìn)行插值來獲得目標(biāo)頻譜包絡(luò)。優(yōu)點(diǎn)是在說話人數(shù)量較少時效果好，缺點(diǎn)是當(dāng)說話人數(shù)量較多時效果不佳。10.常用的基音周期轉(zhuǎn)換方法有哪些？各有什么特點(diǎn)？平均基音周期轉(zhuǎn)換法：通過分別提取源說話人和目標(biāo)說話人的平均基音周期，然后進(jìn)行比例轉(zhuǎn)換。優(yōu)點(diǎn)是簡單易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是對個體差異的處理不夠精細(xì)。高斯模型轉(zhuǎn)換法：假定源說話人和目標(biāo)說話人的基音周期都服從高斯分布，通過均值和方差的匹配進(jìn)行轉(zhuǎn)換。優(yōu)點(diǎn)是能夠較好地處理個體差異，缺點(diǎn)是假設(shè)條件較為嚴(yán)格。句子碼本模型轉(zhuǎn)換法：采用建立句子級別的基音周期輪廓碼本的方法，直接運(yùn)用目標(biāo)語音的基音輪廓。優(yōu)點(diǎn)是對于有限詞匯量和某些特定應(yīng)用效果好，缺點(diǎn)是需要大量的基音輪廓碼本。11.常用的韻律信息轉(zhuǎn)換方法有哪些？各有什么特點(diǎn)？基于統(tǒng)計的方法：這類方法通過對源語音和目標(biāo)語音的韻律信息進(jìn)行統(tǒng)計分析，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換。例如通過DTW對齊后，建立統(tǒng)計模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換。優(yōu)點(diǎn)是能夠較好地捕捉韻律信息的統(tǒng)計特性，缺點(diǎn)是對復(fù)雜語境的處理能力有限。基于深度學(xué)習(xí)的方法：這類方法利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，通過端到端的訓(xùn)練模型來實(shí)現(xiàn)韻律信息的轉(zhuǎn)換。例如利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對輸入文本進(jìn)行解碼生成韻律特征序列。優(yōu)點(diǎn)是能夠捕捉復(fù)雜的非線性關(guān)系，缺點(diǎn)是需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和計算資源。12.端到端深度學(xué)習(xí)語音合成主要包括哪兩個模塊？各自的作用是什么？聲學(xué)模型：聲學(xué)模型負(fù)責(zé)將文本輸入轉(zhuǎn)換為頻譜等聲學(xué)特征。典型的聲學(xué)模型包括Tacotron、Tacotron2等，這些模型采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法，直接從文本中學(xué)習(xí)期望的聲學(xué)特征。編碼器負(fù)責(zé)將輸入的文本映射到一定維度的向量空間中，經(jīng)過一系列卷積、殘差連接以及注意力機(jī)制處理后得到隱含的狀態(tài)序列；解碼器則自回歸地得到最終的聲學(xué)特征。聲碼器：聲碼器負(fù)責(zé)將聲學(xué)特征轉(zhuǎn)換為可以直接播放的語音?；谏疃葘W(xué)習(xí)所設(shè)計的聲碼器包括Wavenet、ParallelWavenet、WaveRNN等。這些聲碼器利用聲學(xué)特征序列中的采樣點(diǎn)預(yù)測下一個采樣點(diǎn)，通過因果卷積和空洞卷積等方式增加感受野和降低計算量，最終生成高質(zhì)量的目標(biāo)語音。13.在基于深度學(xué)習(xí)的語音合成方法中，因果卷積和空洞卷CNN各有什么特點(diǎn)？因果卷積：因果卷積是