JP5099146B2 - 歌唱採点装置および歌唱採点処理のプログラム - Google Patents
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Description
例えば、ある特許文献のカラオケ採点装置は、MIDIメッセージで与えられたメロディ情報に対する歌唱者の歌い方を評価するために、第1の検出手段が歌唱者の音声に基づいてそのピッチデータおよびレベルデータを検出し、第2の検出手段がMIDIメッセージの中の歌唱者の発音すべき歌唱メロディに対応するノートオン/オフデータ、ピッチデータおよびレベルデータを検出する。そして、それぞれ検出されたピッチデータおよびレベルデータを個々にピッチ比較手段およびレベル比較手段で比較し、その比較結果とノートオン/オフデータとに基づいて、歌唱法の評価のためのデータを作成する。(特許文献1参照)
また、別の特許文献のカラオケ採点装置は、模範となる音声とマイクから入力される歌唱者の音声との近似度を、より精度よく自動的に判定するために、この特許文献における図1の構成に示されているように、レーザディスク101において再生された模範歌唱の音声信号は、レベル検出部A103およびピッチ検出部A104に供給され、レベル検出部A103において検出された信号レベルデータおよびピッチ検出部A104において検出されたピッチデータがバッファA102に格納される。また、利用者の音声はマイク201から入力されて、音声信号がレベル検出部B203およびピッチ検出部B204に供給され、レベル検出部B203において検出された信号レベルデータおよびピッチ検出部B204において検出されたピッチデータはバッファB202に格納される。そして、比較判定部300は、それぞれの系統において格納されたデータを読み出し、レベル信号から歌うタイミングを、ピッチデータからピッチずれの判定を行い、比較結果を採点データとして出力する。(特許文献2参照)
例えば、ある特許文献の音声変換装置は、簡単な位相制御処理により高品質にピッチ周波数を変換して音声信号を分析するために、デジタル変換された第1の音声信号を受け、フーリエ変換によりスペクトル信号に変換するフーリエ変換手段と、フーリエ変換手段からスペクトル信号を受け、スペクトル信号の中から音源情報信号を選択的に出力する選択手段と、選択手段から音源情報信号を受け、音源情報信号のピッチ周波数を変換し、周波数変換された信号を出力する周波数変換手段と、フーリエ変換手段からのスペクトル信号に含まれるスペクトル包絡信号と周波数変換手段から出力された信号とに応答して、ピッチ周波数が変換されたスペクトル信号を分析フレーム毎に受け、これを逆フーリエ変換により第2の音声信号に変換する逆フーリエ変換手段と、逆フーリエ変換手段から第2の音声信号を受け、ピッチ周波数の変換倍率に応答して、第2の音声信号の位相を分析フレームのシフト幅によって制御する位相制御手段を含む構成になっている。(特許文献3参照)
また、上記特許文献1および特許文献2においては、上級の歌唱者がビブラート唱法によってピッチに揺らぎが発生した場合には、それをピッチずれと誤って判断して歌唱力を低く評価するという課題があった。
また、上記特許文献1および特許文献2においては、入力される音声信号のピッチおよびレベルを2系統の比較手段によって比較し、ピッチずれおよび発音タイミングずれを検出して歌唱力を評価しているので、装置が複雑な構成になるという課題があった。
一方、上記特許文献3においては、フーリエ変換したスペクトル信号の中から音源情報信号、すなわち、基本周波数の音である基音のピッチを直接的に検出して選択するようになっているが、基音のレベルよりも倍音のレベルのほうが高い場合があるので、マイクから入力される音声信号の基音のピッチを確実に検出することができないという課題があった。
前記第1のパラメータtは、前記基準値からのピッチ差分の許容範囲としてのピッチ範囲をdiff_t[セント]とすると、
で表わされ、
前記第2のパラメータaは、最低評価値となるピッチ差分値をdiff_a[セント]とすると、
で表わされ、
かつ前記評価演算手段は、前記基準値からの平均ピッチ差分をxとし、評価値gradeを、
で算出する構成になっている。
前記第1のパラメータtは、前記基準値からのピッチ差分の許容範囲としてのピッチ範囲をdiff_t[セント]とすると、
で表わされ、
前記第2のパラメータaは、最低評価値となるピッチ差分値をdiff_a[セント]とすると、
で表わされ、
かつ前記ステップCにおいて、前記基準値からの平均ピッチ差分をxとし、評価値gradeを、
で算出する構成になっている。
図1は、実施の形態におけるカラオケ装置の構成図である。図1において、CPU1は、装置全体の制御を行うとともに、少容量のROM・RAMおよびDSP(デジタル信号プロセッサ)機能を有する。CPU1のシステムバスには、曲メモリ2、スイッチ部3、ROM4、RAM5、表示部6、A/D変換器8、及び楽音生成部9が相互に接続され、CPU1と各部との間でデータやコマンドの授受を行う。
FFTの実行により、周波数が異なる周波数チャンネル毎に、実数成分と虚数成分を持つ周波数成分が抽出される。実数成分をreal、虚数成分をimgと表記すると、各周波数チャンネルの周波数振幅mag、及び位相phaseは以下のように算出することができる。
phase=arctan(img/real) ・・・ (2)
arctanを用いて算出される位相phaseは、−π〜πの間に制限される。しかし、位相phaseは角速度の積分値であるから展開する必要がある。展開の有無の区別を容易にするために、折り畳まれている位相を小文字のθ、展開されている位相を大文字のΘで表記すると、本来は
Θk,t=θk,t+2nπ n=0,1,2,・・・ ・・・ (3)
となる。このことから、位相phase(=θ)はnを求めて展開する必要がある。ここで式(3)中のΘに下添字として付したk、tはそれぞれ、周波数チャンネルのインデクス、時刻を表している。
先ず、フレーム間の位相差Δθを次のようにして算出する。
Δθi,k=θi,k−θi-1,k ・・・ (4)
ここで、Δθi,kは元音声波形の周波数チャンネルkにおける直前のフレームと今回のフレームとの間の位相差、下添字のiはフレームをそれぞれ表している。今回のフレーム(現フレーム)はi、直前のフレームはi−1で表されている。
Ωi,k=(2π・fs)・k/N ・・・ (5)
で示される。その周波数Ωi,kの時、直前のフレームとの時間差をΔtとすると、位相差ΔZi,kは
ΔZi,k=Ωi,k・Δt ・・・ (6)
で算出できる。時間差Δtは
Δt=N/(fs・OVL) ・・・ (7)
である。式(6)は位相展開されている状態なので、以下のように記述できる。
式(4)で算出される位相差Δθi,kと式(8)中の位相差Δζi,kの差をδ(=Δθi,k−Δζi,k)とすると
Δθi,k−Ωi,k・Δt=(Δζi,k+δ)−(Δζi,k+2nπ)
=δ−2nπ ・・・ (9)
が導出できる。従って式(9)の右辺の2nπを削除してその範囲を−πからπの間に制限すればδを算出できる。そのδは、元音声波形において実際に検出される位相差(以降「実位相差」と呼ぶ)である。
ΔΘi,k=δ+Ωi,k・Δt=δ+(Δζi,k+2nπ)=Δθi,k+2nπ
・・・ (10)
式(10)中のΩi,k・Δtは、式(5)、(7)より下記のように変形できる。
=(2π/OVL)・k ・・・ (11)
FFTを含む離散フーリエ変換(DFT)では、音声データ(信号)に含まれる周波数成分の周波数がDFT点数の整数倍となる特別な場合を除き、すべての周波数チャンネルに周波数成分が漏れ出して(遷移して)しまう。そのため、信号の調波構造等を分析する場合は、DFTの結果から実際に周波数成分が存在する周波数チャンネルを検出する作業が必要になる。
δ[k−2]>δ[k−1]>δ[k]>δ[k+1]>δ[k+2]
このようなゼロクロス判定条件を満たす周波数チャンネルkを探すことにより、正から負に大きくゼロクロスする点に最も近い周波数チャンネルを倍音チャンネルとして高精度に抽出することができる。その抽出は、FFT点数が十分でなく、周波数振幅による倍音チャンネルの抽出が困難であっても確実に行うことができる。より高精度な抽出を行う必要がある場合には、ピーク検出を併せて行うようにしてもよい。
先ず、検出した2つの倍音チャンネルのインデクスhm1、hm2に対応する周波数の最大公約数を求める。その最大公約数は、ユークリッドの互除法を使って算出することができる。負でない2つの整数x、yの最大公約数gcd(x、y)は
を再帰的に繰り返すことで算出することができる。式(12)中の「x mod y」はxをyで割った余りを表している。最大公約数gcd(x、y)は別の方法で算出してもよい。
最大公約数xは、ピッチ(基音)に相当する周波数チャンネルを倍音チャンネルとして抽出できたか否かに係わらずに求めることができる。このため、ミッシング・ファンダメンタルと呼ばれる基本周波数が欠落、或いは他の周波数と比較して非常に小さいような楽音でも確実に求めることができる。
最大公約数xを算出した後は、基準インデクスhm1に対応する周波数とがその公約数xの比である倍数hmxを計算する。その倍数hmxは
hmx=hm1/x ・・・ (13)
により求められる。このようにして求める倍数hmxは、基準チャンネルに相当する周波数を基本周波数(基音(ピッチ)の周波数)で割った値に相当する。
ΔΘd・hmx=2πfd・Δt・hmx
=(2πfd・hmx・N)/(fs・OVL) ・・・(14)
により行うことができる。元音声のピッチを目標ピッチに変換するためのピッチスケーリング値ρは
ρ=ΔΘd・hmx/ΔΘi,hm1 ・・・ (15)
で算出できる。図2の位相補償部25は、このようにしてスケーリング値ρを算出してピッチシフタ27に出力する。それにより、ピッチシフタ27はそのスケーリング値ρでピッチスケーリングを行い、ピッチをシフトさせる。
θ'i,k=ΔΘi,k((θ'i-1,hm1−θi-1,hm1)/ΔΘi,hm1+(ρ−1))
+θi,k ・・・(16)
式(16)では、スケーリングを行って得られる位相差には「’」を付して示している。その式(16)によるスケーリングを行うことにより、時間軸上の位相の一貫性(HPC:Horizontal Phase Coherence)およびチャンネル間、すなわち周波数成分間の位相関係(VPC:Vertical Phase Coherence)は共に保存される(特願2004−374090参照)。
real’=mag・cos(phase’) ・・・ (17)
img’ =mag・sin(phase’) ・・・ (18)
歌唱採点処理のプログラムの実行においては、2のべき乗である256(=28)個のサンプルを1フレームとして、伴奏曲のノートオンのピッチとマイク7からの歌唱者の音声信号のピッチとのピッチ差を検出しながら歌唱力の採点を行う。具体的には、カラオケが開始すると8msecごとに歌唱者の音声信号のピッチと歌唱されるべきピッチ(基準値)との差分を検出し、検出したピッチ差分のデータを図2の入力バッファ21に積算する。積算されたピッチ差分のデータは、256msecごと、すなわち32回のピッチ差分のデータの積算値の平均値である平均ピッチ差分が計算される。次に、積算された平均ピッチ差分のデータが約4sec(4096msec)の区間ごとに採点される。
先ず、電源がオンされたことに伴い、初期化処理を実行する(ステップSA1)。ステップSA1の後は、ステップSA2からステップSA4のループ処理を繰り返す。すなわち、スイッチ部3を構成するスイッチへのユーザの操作に対応するためのスイッチ処理を実行し(ステップSA2)、カラオケ処理を実行し(ステップSA3)、発音処理、エフェクト処理、音量調整処理などのその他の処理を実行する(ステップSA4)。
図8は、ピッチ差分を算出する処理のフローチャートである。8msecの経過時間を示すフラグTFが1であるか否かを判別し(ステップSE1)、TFが0の場合はこのフローチャートを終了するが、TFが1の場合には、8msecごとのピッチ比算出処理を実行する(ステップSE2)。
なお、図2に示すフレーム抽出部22、LPF23、及びFFT部24の機能は、ハードウェアとしても実現できるが、この実施形態においては上記ステップSF4の処理を実行することで実現される。同様に、位相補償部25の機能は、ステップSF5の位相補償処理を実行することで実現される。また、IFFT部26、ピッチシフタ27及びフレーム加算部28の機能は、ステップSF6の処理を実行することで実現される。
ピッチシフトによりフォルマントも移動する。そのため、シフト量(スケーリング値ρ)が大きくなるほど、合成音声は不自然なものとなる。それを回避するために、フォルマントの補償を併せて行うようにしてもよい。
fi=ΔΘi,hm1/(2π・Δt・hmx)
=(ΔΘi,hm1・fs・OVL)/(2π・N・hmx) ・・・ (19)
により行うことができる。目標ピッチが周波数で指定されているような場合には、基本周波数fiを算出してから、その目標ピッチの周波数との比をとることにより、スケーリング値ρを求めてもよい。また、算出した基本周波数fiは表示部6等によりユーザに知らせるようにしてもよい。合成音声波形の生成については、別の方法を採用してもよい。
まず、8msecごとのピッチ差分の算出回数のカウンタCNTCの値がフレーム数である32に達したか否かを判別し(ステップSH1)、CNTCの値が32に達した後は、CNTBが16より大きいか否かを判別する(ステップSH2)。すなわち、ピッチ差分エラーがフレーム数の半分より多いか否かを判別する。CNTBが16以下である場合には、積算値を右シフトしてビット差分の平均値を算出する(ステップSH3)。フレーム数は2のべき乗の32であるので、フレーム数の半分も2のべき乗の16である。したがって、積算された16個のビット差分の平均値は、積算値を除算する代わりに4ビットの右シフトによって算出する。これによって、CPU1の平均値算出の演算処理を軽減し、「演奏のコケ」と称される音切れのような発音処理のネックを回避できる。
ステップSH2において、CNTBの値が16より多い場合、すなわち、ピッチ差分エラーの数がフレーム数である32の半分を超えた場合には、平均ピッチ差分エラーの積算回数のカウンタCNTEの値をインクリメントする(ステップSH7)。そして、エラー値を区間の平均値とする(ステップSH8)。
まず、256msecごとの平均ピッチ差分の算出回数であるCNTFの値が16になったか否かを判別する(ステップSJ1)。すなわち、平均ピッチ差分の算出回数が1区間である約4sec(4096msec)の最大回数になったか否かを判別する。CNTFの値が16未満の場合にはこのフローチャートを終了するが、CNTFの値が16になったときは、平均ピッチ差分エラーの積算回数のカウンタCNTEの値が平均ピッチ差分の算出回数の半分(許容エラー数)である8より多いか否かを判別する(ステップSJ2)。CNTEの値が8以下である場合には、平均ピッチ差分の積算値を右シフトして平均値を算出する(ステップSJ3)。図11のステップSH4に示したように、CNTDの値である積算回数は8であるので、3ビットの右シフトにより8個の平均ピッチ差分の平均値を算出する。
最初にxの絶対値をとるのは、図8のステップSE5で求めた平均ピッチ差分が正負の符号を含んでいるので、正の値の領域だけで計算を行うためである。
また、ピッチの最小単位である半音のピッチが100セントであり、1オクターブが1200セントであるので、得点が100点となるピッチ範囲をdiff_t[セント]とすると、パラメータtは、下記の式(21)で表される。
得点が0点となるピッチ差分値をdiff_a[セント]とすると、パラメータaは、下記の式(22)で表される。
したがって、膨大な数の評価値を記憶するためのメモリや、曲が終了した後に膨大な数の評価値の平均を算出する演算処理を必要とすることなく、迅速且つ正確に歌唱力をローコストで評価するができる。
したがって、上級の歌唱者がビブラート唱法によってピッチに揺らぎが発生した場合でも、ピッチの揺らぎをピッチずれと見なさず、正当に歌唱力を評価することができる。
したがって、歌唱力を正確に採点することができる。
したがって、除算処理の代わりにシフト処理によってピッチ差分の平均値を算出することで、CPU1に大きな負荷がかからないようにすることができる。その結果、音切れのような発音処理のネックを回避できる。
したがって、入力される歌唱者の音声信号の基音のピッチを確実に検出することができる。
上記実施形態においては、1200セントの1オクターブについた採点を行い、オクターブ違いの同音名については考慮していないが、オクターブ違いを検出して、差分をオクターブ以内の範囲になるように、折り返して採点するような構成にしてもよい。
また、総合得点の計算時に、初級や中級の歌唱者の場合には、ボーナス点を加算して採点するような構成にしてもよい。例えば、区間得点の最高点を保持しておき、総合得点の算出の際に、保持した最高点に、初級や中級のレベルに応じた係数を乗算して、総合点に加算する。
また、上記実施形態においては、平均ピッチ差分および区間採点のときに積算されるデータ数をフレーム数の半分にしたが、平均値を算出する演算を除算の代わりにシフト処理で行うことが可能なように、2のべき乗分の1であればフレーム数の半分でなくてもよい。4分の1、8分の1でもよい。分母が大きくなるほど廃棄するデータ数が多くなるが、採点の信頼性が得られる比率であればよい。一般に、4secのような短い区間においては、歌唱者のレベルにかかわらず歌唱力の変動は極めて少ないので、8分の1やそれより少ないデータ数によっても採点の信頼性は得られる。
また、上記実施形態においては、ピッチ差分を算出して歌唱力を採点する構成にしたが、発音のタイミングの差分を算出して歌唱力を採点する構成にしてもよい。
評価すべき歌唱力が最大評価値となる基準値の許容範囲を規定する第1のパラメータおよび最大評価値から最低評価値の範囲で許容範囲外の歌唱力の度合いを規定する第2のパラメータを設定するステップAと、入力される音声信号の評価値を前記ステップAによって設定された第1のパラメータおよび第2のパラメータに基づいて算出するステップBと、をコンピュータに実行させる。
この場合において、前記ステップBは、入力される音声信号のピッチと前記基準値との差分を算出し、符号を含む差分を積算して当該音声信号のピッチの評価値を前記設定された第1のパラメータおよび第2のパラメータに基づいて算出することを特徴とする。
2 曲メモリ
3 スイッチ部
4 ROM
5 RAM
6 表示部
7 マイク
8 A/D変換器
9 楽音生成部
10 D/A変換器
11 サウンドシステム
Claims (2)
- 評価すべき歌唱力のピッチが最大評価値となる基準値からのピッチ差分の許容範囲を規定する第1のパラメータtおよび最大評価値から最低評価値となるピッチ差分値の範囲で許容範囲外の歌唱力の度合いを規定する第2のパラメータaを設定するパラメータ設定手段と、
入力される伴奏曲の歌唱区間を検索する区間検索手段と、
当該区間検索手段によって検索された歌唱区間内に入力される音声信号の評価値gradeを前記パラメータ設定手段によって設定された第1のパラメータtおよび第2のパラメータaに基づいて算出し、当該歌唱区間外に入力される音声信号については評価の対象外とする算出する評価演算手段と、
を備え、
前記第1のパラメータtは、前記基準値からのピッチ差分の許容範囲としてのピッチ範囲をdiff_t[セント]とすると、
で表わされ、
前記第2のパラメータaは、最低評価値となるピッチ差分値をdiff_a[セント]とすると、
で表わされ、
かつ前記評価演算手段は、前記基準値からの平均ピッチ差分をxとし、評価値gradeを、
で算出する歌唱採点装置。 - 評価すべき歌唱力のピッチが最大評価値となる基準値からのピッチ差分の許容範囲を規定する第1のパラメータtおよび最大評価値から最低評価値となるピッチ差分値の範囲で許容範囲外の歌唱力の度合いを規定する第2のパラメータaを設定するステップAと、
入力される伴奏曲の歌唱区間を検索するステップBと、
当該ステップBによって検索された歌唱区間内に入力される音声信号の評価値gradeを前記ステップAによって設定された第1のパラメータおよび第2のパラメータに基づいて算出し、当該歌唱区間外に入力される音声信号については評価の対象外とするステップCと、
をコンピュータに実行させ、
前記第1のパラメータtは、前記基準値からのピッチ差分の許容範囲としてのピッチ範囲をdiff_t[セント]とすると、
で表わされ、
前記第2のパラメータaは、最低評価値となるピッチ差分値をdiff_a[セント]とすると、
で表わされ、
かつ前記ステップCにおいて、前記基準値からの平均ピッチ差分をxとし、評価値gradeを、
で算出する歌唱採点処理のプログラム。
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