EP0157903B1 - Verfahren und Anordnung für die Sprachsynthese - Google Patents

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EP0157903B1
EP0157903B1 EP19840109492 EP84109492A EP0157903B1 EP 0157903 B1 EP0157903 B1 EP 0157903B1 EP 19840109492 EP19840109492 EP 19840109492 EP 84109492 A EP84109492 A EP 84109492A EP 0157903 B1 EP0157903 B1 EP 0157903B1
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EP
European Patent Office
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vowel
consonant
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uniform
vowels
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EP19840109492
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Christian Deforeit
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Matth Hohner AG
Original Assignee
Matth Hohner AG
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10L—SPEECH ANALYSIS OR SYNTHESIS; SPEECH RECOGNITION; SPEECH OR VOICE PROCESSING; SPEECH OR AUDIO CODING OR DECODING
    • G10L13/00—Speech synthesis; Text to speech systems
    • G10L13/08—Text analysis or generation of parameters for speech synthesis out of text, e.g. grapheme to phoneme translation, prosody generation or stress or intonation determination

Definitions

  • the invention relates to a method for speech synthesis and an arrangement for carrying it out.
  • the invention has for its object to significantly reduce the amount of memory, so that the method even for mass consumer goods, for. B. toys, (dolls' voices and the like) is applicable.
  • Claim 1 defines the method according to the invention. It can be seen that each consonant is only stored in combination with a single unit vowel, which is to be referred to here and below as "&", and which has approximately the "e” in the German word “all”, in the English word “the”, in the French word “le”. It has been shown that when reading out with a corresponding time delay, the & is masked completely or at least to such an extent by the actual vowel then reproduced that the resulting syllable largely comes close to natural pronunciation.
  • & unit vowel
  • Claim 5 defines an arrangement according to the invention with which speech synthesis can be carried out.
  • Fig. 1 the upper diagram shows the envelope curve of the consonant channel, the lower one that of the vowel channel, the simple word "DATO" being chosen as an example. It can be seen that the & parts of the consonant channel and the vowels are reproduced at the same time, and the weak & sound is strongly masked by this alone. This masking can also be supported by further measures.
  • Fig. 2 represents a first means for this. It is known that the frequency spectrum of the consonants and vowels is different; e.g. For a male voice, for example, the maxima of the consonants are in the range of approximately 600 ... 3000 Hz, the vowels in the range of approximately 200 ... 1000 Hz. Accordingly, filters with the passbands shown in FIG. 2 are assigned to the two channels , where the filtering can be done either during recording or during playback.
  • Fig. 3 shows schematically the format for the storage.
  • the sounds are digitized, that is, with a clock of z. B. 10 KHz or more amplitude sampled and the data thus obtained are stored in successive memory locations for serial readout.
  • two memory locations for command data are kept free, namely a "continue” command and a "end” command.
  • the “continue” command means the point in time at which the other channel is to continue reading; this command is in the consonant data when the actual consonant sound changes to the & part, while in the vowel data it is close to the end of the data string.
  • the command “end” goes without saying, but is necessary because the individual phonemes have different durations.
  • the "continue” command can be used to increase the masking effect by using its occurrence the envelope of the channel just read is damped, as indicated in Fig. 4, for which one can use a conventional analog attenuator consisting of diode, resistor and capacitor.
  • Fig. 5 shows in block form an embodiment of a speech synthesizer which - as can be seen - is extremely simple.
  • the phonemes to be reproduced are selected by external means, for example a microprocessor, and do not form part of the subject matter of the present invention; an external control circuit is therefore only indicated here as block 1.
  • the arrangement comprises two mutually identical channels, only one of which is described below.
  • a memory address counter 2 is set by the control circuit 1 to a specific phoneme start address.
  • a phoneme memory 3 contains all the phonemes required for a given language, with thirty-six phonemes being sufficient for many languages. After filtering during recording (as explained above), the phonemes are digitized and stored in the format shown in FIG. 3; For example, the codes “0" or “1” can be reserved for the commands "Continue” or “End”.
  • a clock generator 5 generates the read clock of z. B. 10 KHz, for both channels. The read data go to a decoder 4, which determines whether it is data or one of the commands "continue” or "end”. Data pass through a digital-to-analog converter 6 and a multiplier 7 to a summing element 8 and from there to an amplifier-loudspeaker unit 9.
  • a phoneme request flip-flop 11 is set for the other channel; it is reset by the external control circuit when the next start address is entered. Furthermore, when the command "continue” is switched a damping flip-flop 12, which connects an envelope generator 13 with its output F to the one, with its output F to the other channel, which acts on the multiplier 7, so that the output of the channel in question is gently damped without, however, the "click” noise.
  • the outputs of both channels are combined in the summing element 8.
  • the respective set state of the flip-flop 12 is also transmitted to the external control circuit in order to signal the latter which of the two channels can be occupied, for example at the beginning of a readout cycle after the circuit has been started up.
  • the memory expenditure can be halved if only one phoneme memory 3 is provided for both channels and the reading is done in time division multiplex.
  • the multiplier 7 is already included in certain commercially available digital-to-analog converters, so that the output of the envelope generator 13 need only be connected to the corresponding input of the converter.
  • the circuit can also be largely implemented in a microprocessor, in which case either the two envelope generators and the two converters remain outside or only a single, common converter, while all other processes are carried out digitally by the microprocessor.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Sprachsynthese und eine Anordnung zu seiner Durchführung.
  • Es ist bekannt, die in einer Sprache vorkommenden Phoneme (Konsonanten und Vokale) einzeln abzuspeichern und dann bedarfsweise sequentiell auszulesen. Da die Anzahl der Phoneme relativ gering ist, bietet sich dabei die Möglichkeit, mit relativ wenig Speicherkapazität zu arbeiten. Nachteilig ist jedoch, daß bei der Wiedergabe ein von natürlicher Sprache stark abweichender Klang entsteht, weil zwischen aufeinanderfolgenden Konsonanten und Vokalen ein "Klick-"geräusch hörbar wird, so daß dieses Prinzip praktisch nicht angewandt wird.
  • Um eine der menschlichen Sprache weitgehend angenäherte synthetische Sprache zu erzeugen, geht man daher so vor, daß jeweils aus den vorkommenden Konsonanten und den vorkommenden Vokalen gebildete Kombinationen, sogenannte Di-Phoneme, gespeichert und ausgelesen werden. Es versteht sich, daß hierfür eine sehr erhebliche Speicherkapazität benötigt wird, die für eine indogermanische Sprache in der Größenordnung von etwa 500 oder mehr Di-Phonemen liegt. Die Verwendung des Verfahrens beschränkt sich demgemäß auf solche Fälle, bei denen ein erheblicher Aufwand gerechtfertigt ist.
  • Ausgehend von dem letztgenannten Verfahren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Speicheraufwand erheblich herabzusetzen, so daß das Verfahren auch bei Massenkonsumgütern, z. B. Spielzeugen, (Puppenstimmen und dergleichen) anwendbar wird.
  • Der Patentanspruch 1 definiert das erfindungsgemäße Verfahren. Man erkennt, daß jeder Konsonant nur in Kombination mit einem einzigen Einheitsvokal abgespeichert wird, der hier und im folgenden mit "&" bezeichnet werden soll, und der etwa dem "e" im deutschen Wort "alle", im englischen Wort "the", im französischen Wort "le" entspricht. Es hat sich gezeigt, daß bei entsprechend zeitversetztem Auslesen das & von dem dann wiedergegebenen eigentlichen Vokal völlig oder jedenfalls soweit maskiert wird, daß die resultierende Silbe der natürlichen Aussprache weitgehend nahekommt.
  • Bei der üblichen digitalen Abspeicherung der Phoneme ist es zweckmäßig, bei den Konsonanten an der richtigen Stelle einen Befehl abzuspeichern, der den Beginn der Auslesung des Vokalspeichers einleitet. Ferner kann es zweckmäßig sein, durch entsprechend ausgelegte Filter die Frequenzen der Konsonanten einerseits, der Vokale andererseits unterschiedlich zu verstärken bzw. zu bedämpfen, um die Maskierung der & zu verbessern.
  • Der Patentanspruch 5 definiert eine Anordnung gemäß der Erfindung, mit der die Sprachsynthese durchführbar ist.
  • Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen soll die Erfindung nachstehend im einzelnen erläutert werden.
    • Fig. 1 zeigt anhand eines Beispiels das Prinzip des Verfahrens,
    • Fig. 2 zeigt Frequenzgänge von Filtern für Vokale und Konsonanten,
    • Fig. 3 zeigt schematisch ein mögliches Speicherformat für Konsonanten und Vokale,
    • Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Hüllkurve für die Konsonantenerzeugung,
    • Fig. 5 ist ein Blockdiagramm einer Anordnung zur Ausführung des Verfahrens, und
    • Fig. 6 ist ein Diagramm zur Darstellung des Zeitablaufs bei der Synthese eines einfachen Wortes.
  • Da der Auslesevorgang zeitversetzt, däs heißt so erfolgt, daß die Auslesung eines Vokals bereits beginnt, während noch das Auslesen des Konsonanten-Di-Phonems (nämlich dessen &-Teil) abläuft, arbeitet man mit zwei Auslesekanälen. In Fig. 1 stellt das obere Diagramm den Hüllkurvenverlauf des Konsonantenkanals, das untere den des Vokalkanals dar, wobei als Beispiel das einfache Wort "DATO" gewählt ist. Man erkennt, daß gleichzeitig die &-Anteile des Konsonantenkanals und die Vokale wiedergegeben werden, und bereits dadurch werden die schwachen &-Laute stark maskiert. Diese Maskierung kann aber noch durch weitere Maßnahmen unterstützt werden.
  • Fig. 2 stellt ein erstes Mittel hierfür dar. Es ist bekannt, daß das Frequenzspektrum der Konsonanten und Vokale unterschiedlich ist; z. B. liegen bei einer männlichen Stimme die Maxima der Konsonanten im Bereich von etwa 600...3000 Hz, der Vokale im Bereich von etwa 200...1000 Hz. Dementsprechend werden den beiden Kanälen Filter mit den in Fig. 2 gezeigten Durchlaßbändern zugeordnet, wobei die Filterung entweder bei der Aufzeichnung oder bei der Wiedergabe erfolgen kann.
  • Fig. 3 zeigt schematisch das Format für die Speicherung. Bei der Aufzeichnung werden die Laute digitalisiert, das heißt mit einem Takt von z. B. 10 KHz oder mehr amplitudenabgetastet und die so erhaltenen Daten werden in aufeinanderfolgenden Speicherplätzen für serielles Auslesen abgespeichert. Es werden jedoch zwei Speicherplätze für Kommandodaten freigehalten, nämlich ein Kommando "weiter" und ein Kommando "Ende". Das Kommando "weiter" bedeutet den Zeitpunkt, bei welchem der jeweils andere Kanal mit dem Auslesen fortfahren soll; dieses Kommando liegt bei den Konsonantendaten beim Übergang des eigentlichen Konsonantenlauts zum &-Teil, während es bei den Vokaldaten nahe dem Ende des Datenstrangs liegt. Das Kommando "Ende" versteht sich von selbst, ist aber erforderlich, weil die einzelnen Phoneme unterschiedliche Dauer besitzen. Das Kommando "weiter" kann dazu verwendet werden, um den Maskierungseffekt noch zu verstärken, indem bei seinem Auftreten die Hüllkurve des gerade ausgelesenen Kanals bedämpft wird, wie in Fig. 4 angedeutet, wofür man ein übliches analog arbeitendes Dämpfungsglied aus Diode, Widerstand und Kondensator verwenden kann.
  • Fig. 5 zeigt in Blockform ein Ausführungsbeispiel eines Sprachsynthesizers, der - wie man erkennt - höchst einfach aufgebaut ist. Die Auswahl der wiederzugebenden Phoneme erfolgt durch externe Mittel, beispielsweise einen Mikroprozessor, und bildet keinen Gegenstand der vorliegenden Erfindung; hier ist deshalb nur als Block 1 eine externe Steuerschaltung angedeutet.
  • Die Anordnung umfaßt zwei untereinander identische Kanäle, von denen nachstehend nur einer beschrieben wird.
  • Ein Speicheradressenzähler 2 wird von der Steuerschaltung 1 auf eine bestimmte Phonem-Startadresse gesetzt. Ein Phonemspeicher 3 enthält alle für eine gegebene Sprache benötigten Phoneme, wobei für viele Sprachen sechsunddreißig Phoneme ausreichend sind. Die Phoneme sind nach Filterung bei der Aufnahme (wie oben erläutert) digitalisiert und in dem in Fig. 3 dargestellten Format abgespeichert; dabei können beispielsweise die Kodes "0" bzw. "1" für die Kommandos "weiter" bzw. "Ende" reserviert sein. Ein Taktgenerator 5 erzeugt den Auslesetakt von z. B. 10 KHz, und zwar für beide Kanäle. Die ausgelesenen Daten gelangen zu einem Dekoder 4, der feststellt, ob es sich um Daten oder eines der Kommandos "weiter" bzw. "Ende" handelt. Daten gelangen über einen Digital-Analog-Umsetzer 6 sowie ein Multiplizierglied 7 zu einem Summierglied 8 und von dort zu einer Verstärker-Lautsprecher-Einheit 9.
  • Bei Dekodierung des Kommandos "Ende" wird über ein UND-Gatter 10 die Inkrementierung des Adresszählers 2 gesperrt.
  • Wird das Kommando "weiter" dekodiert, so wird ein Phonem-Anforderungs-Flipflop 11 für den jeweils anderen Kanal gesetzt; seine Rücksetzung erfolgt durch die externe Steuerschaltung bei Eingabe der nächsten Startadresse. Ferner wird beim Kommando "weiter" ein Dämpfungsflipflop 12 umgeschaltet, das mit seinem Ausgang F dem einen, mit seinem Ausgang F dem anderen Kanal einen Hüllkurvengenerator 13 zuschaltet, der auf das Multiplizierglied 7 einwirkt, so daß der Ausgang des betreffenden Kanals sanft abfallend bedämpft wird, ohne daß jedoch das "Klick"- geräusch entsteht. Die Ausgänge beider Kanäle werden im Summierglied 8 kombiniert.
  • Der jeweilige Setzzustand des Flipflops 12 wird auch zu der externen Steuerschaltung übertragen, um dieser zu signalisieren, welcher der beiden Kanäle belegt werden kann, etwa zu Beginn eines Auslesezyklus nach Inbetriebnahme der Schaltung.
  • Bevor unter Bezugnahme auf Fig. 6 ein Synthesevorgang im einzelnen erläutert wird, sei noch auf mögliche Abwandlungen der in Fig. 5 gezeigten Blockschaltung hingewiesen.
  • Der Speicheraufwand läßt sich halbieren, wenn für beide Kanäle nur ein Phonemspeicher 3 vorgesehen ist und das Auslesen im Zeitmultiplex erfolgt. Das Multiplizierglied 7 ist in bestimmten handelsüblichen Digital-Analog-Umsetzern bereits enthalten, so daß man den Ausgang der Hüllkurvengeneratoren 13 nur mit dem entsprechenden Eingang des Umsetzers zu verbinden braucht. Man kann die Schaltung auch weitgehend in einem Mikroprozessor realisieren, wobei dann entweder die beiden Hüllkurvengeneratoren und die beiden Umsetzer außerhalb bleiben oder nur ein einzelner, gemeinsamer Umsetzer, während alle anderen Vorgänge vom Mikroprozessor digital durchgeführt werden.
  • Fig. 6 zeigt
    • - in Zeile (a) den Takt des Taktgenerators 5; dieser Takt kann starr sein, kann aber auch von der Steuerschaltung 1 variiert werden, um eine der natürlichen Sprache noch ähnlichere Phrasierung zu erzielen,
    • - in Zeile (b) Formate aus dem ersten Kanal, hier die Phoneme "D&" und "T&",
    • - in Zeile (c) den Logikpegel am Ausgang des Flipflop 12,
    • - in Zeile (d) den Logikpegel am Ausgang des Flipflops 11 des zweiten Kanals,
    • - in Zeile (e) Formate aus demselben zweiten Kanal, hier Phoneme "a" und "o",
    • - in Zeile (f) den Logikpegel am Ausgang des Flipflops 11 des ersten Kanals,
    • - in Zeilen (g) bzw. (h) die Hüllkurven, erzeugt von den Hüllkurvengeneratoren 13 des ersten bzw. des zweiten Kanals, und
    • - in Zeilen (i) bzw. (k) die analogen Ausgangssignale des ersten bzw. zweiten Kanals; dabei sind die Hüllkurven nicht als repräsentativ für die tatsächlich erzeugten Laute "D", "A", "T" oder "0" zu verstehen; das Diagramm dient nur der Erläuterung des zeitlichen Ablaufs.

Claims (8)

1. Verfahren für die Sprachsynthese, bei dem Kombinationen aus je einem Konsonanten und einem ihm folgenden Vokal abgespeichert und bedarfsweise ausgelesen werden, dadurch gekennzeichnet, daß
- jeder in der Sprache vorkommende Konsonant, zusammen mit einem schwachen Einheitsvokal «&" abgespeichert wird,
- alle in der Sprache vorkommenden Vokale einzeln abgespeichert werden,
- die gewünschte Konsonanten-Vokal-Kombination durch zeitversetztes Auslesen von Konsonant und Vokal in zwei Kanälen unter Maskierung des Einheitsvokals "&" durch den ausgelesenen Vokal gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Abspeichern der Kombinationen aus Konsonant und Einheitsvokal vokaltypische Frequenzen bedämpft werden und daß beim Abspeichern der Vokale konsonantentypische Frequenzen bedämpft werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden der Einheitsvokale "&" beim Auslesen bedämpft werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslesen mit variabler Taktfrequenz erfolgt.
5. Anordnung zur Sprachsynthese, bestehend aus einer Speichervorrichtung zur Speicherung von Konsonanten und Vokalen und einer Ausleseschaltung zum Auslesen von Kombinationen aus je einem Konsonanten und einem ihm folgenden Vokal, dadurch gekennzeichnet, daß
-jeder in der Sprache vorkommende Konsonant zusammen mit einem schwachen Einheitsvokal «&" in der Speichervorrichtung abgespeichert wird,
-alle in der Sprache vorkommenden Vokale einzeln in der Speichervorrichtung abgespeichert werden,
-die Ausleseschaltung aus zwei alternierend aktivierbaren Auslesekanälen und einem durch ein in einem Kanal ausgelesenes Kommando zur Aktivierung des anderen Kanals ansteuerbaren Umschaltkreis besteht, und die gewünschte Konsonanten-Vokal-Kombination aus den zwei Kanälen zeitversetzt ausliest, und daß
- für jeden Kanal ein vom Umschaltkommando aktivierbarer Hüllkurvengenerator vorgesehen ist, der eine Amplitudenbedämpfung zur Maskierung des Einheitsvokals "&" durch den ausgelesenen Vokal bewirkt.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanal einen Speicher für alle benötigten Laute (Phoneme und Di-Phoneme) umfaßt.
7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, bei der die Laute (Phoneme und Di-Phoneme) digital in jedem Speicher abgespeichert und sequentiell auslesbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest bei den Di-Phonemen das Umsteuer-Kommando in der Auslesesequenz zwischen dem Konsonantenintervall und dem Einheitsvokal-Intervall abgespeichert ist.
8. Anordnung nach Anspruch 5, bei der die Laute (Phoneme und Di-Phoneme) digital in jedem Speicher abgespeichert und sequentiell auslesbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende jeder Auslesesequenz ein Kommando "Ende" auslesbar ist, mittels dem ein nächster Auslesevorgang einleitbar ist.
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