Синтез речи

Си́нтез ре́чи — в широком смысле — восстановление формы речевого сигнала по его параметрамШаблон:Ref; в узком смысле — формирование речевого сигнала по печатному тексту. Шаблон:Stub

История

У синтеза речи долгая история, обросшая легендами. Еще в Х веке Герберту Аврилакскому приписывали владение искусством изготовления терафима — говорящей мёртвой головы. Сделанная из бронзы, эта голова словами «да» и «нет» отвечала на вопросы любого к ней обращавшегося. В середине XIII века монах-доминиканец Альберт фон Больштедт и английский философ и естествоиспытатель Роджер Бэкон также пытались создавать первые образцы «говорящих голов».

В конце XVIII века датский учёный Христиан Кратценштейн, действительный член Российской Академии Наук, создал модель речевого тракта человека, способную произносить пять долгих гласных звуков (а, э, и, о, у). Модель представляла собой систему акустических резонаторов различной формы, издававших гласные звуки при помощи вибрирующих язычков, возбуждаемых воздушным потоком. В 1778 австрийский учёный Вольфганг фон Кампелен дополнил модель Кратценштейна моделями языка и губ и представил акустическо-механическую говорящую машину, способную воспроизводить определенные звуки и их комбинации. Шипящие и свистящие выдувались с помощью специального меха с ручным управлением. В 1837 учёный Чарльз Уитстоун (Charles Wheatstone) представил улучшенный вариант машины, способный воспроизводить гласные и большинство согласных звуков. А в 1846 году Джезеф Фабер (Joseph Faber) продемонстрировал свой говорящий орга́н Euphonia, в котором была реализована попытка синтезирования не только речи, но и пения.

В конце XIX века знаменитый учёный Александр Белл создал собственную «говорящую» механическую модель, очень схожую по конструкции с машиной Уитстоуна. С наступлением XX века началась эра электрических машин, и учёные получили возможность использовать генераторы звуковых волн и на их базе строить алгоритмические модели.

В 1930-х годах работник Bell Labs Хомер Дадли (Homer Dudley), работая над проблемой поиска путей для снижения пропускной способности необходимой в телефонии, чтобы увеличить ее передающую способность, разрабатывает VOCODER (сокращенно от Шаблон:Lang-en — голос, Шаблон:Lang-en — кодировщик) — управляемый с помощью клавиатуры электронный анализатор и синтезатор речи. Идея Дадли заключалась в том, чтобы проанализировать голосовой сигнал, разобрать его на части и пересинтезировать в менее требовательный к пропускной способности линии. Усовершенствованный вариант вокодера Дадли, VODER, был представлен на Нью-Йоркской всемирной выставке 1939 годаШаблон:Ref.

Первые синтезаторы речи звучали довольно неестественно, и часто едва можно было разобрать производимые ими фразы. Однако качество синтезированной речи постоянно улучшалось, и речь, генерируемую современными системами синтеза реча, порой не отличить от реальной человеческой речи. Но несмотря на успехи электронных синтезаторов речи, исследования в области создания механических синтезаторов речи по-прежнему ведутся, например, для использования в роботах-гуманоидах.Шаблон:Ref

Первые системы синтеза речи на базе вычислительной техники стали появляться в конце 1950-х годов, а первый синтезатор «текст-речь» был создан в 1968.

Способы синтеза речи

Все способы синтеза речи можно подразделить на три группы:Шаблон:Ref

• параметрический синтез;
• конкатенативный, или компиляционный (компилятивный) синтез;
• синтез по правилам.

Параметрический синтез

Параметрический синтез речи является конечной операцией в вокодерных системах, где речевой сигнал представляется набором небольшого числа непрерывно изменяющихся параметров. Параметрический синтез целесообразно применять в тех случаях, когда набор сообщений ограничен и изменяется не слишком часто. Достоинством такого способа является возможность записать речь для любого языка и любого диктора. Качество параметрического синтеза может быть очень высоким (в зависимости от степени сжатия информации в параметрическом представлении). Однако параметрический синтез не может применяться для произвольных, заранее не заданных сообщений.

Компиляционный синтез

Компиляционный синтез сводится к составлению сообщения из предварительно записанного словаря исходных элементов синтеза. Размер элементов синтеза не меньше слова. Очевидно, что содержание синтезируемых сообщений фиксируется объёмом словаря. Как правило, число единиц словаря не превышает нескольких сотен слов. Основная проблема в компилятивном синтезе — объёмы памяти для хранения словаря. В этой связи используются разнообразные методы сжатия/кодирования речевого сигнала. Компилятивный синтез имеет широкое практическое применение. За рубежом разнообразные устройства (от военных самолётов до бытовых устройств) оснащаются системами речевого ответа. В нашей стране системы речевого ответа до недавнего времени использовались в основном в области военной техники, сейчас они находят всё большее применение в повседневной жизни, например, в справочных службах операторов сотовой связи при получении информации о состоянии счета абонента.

Полный синтез речи по правилам

Полный синтез речи по правилам (или синтез по печатному тексту) обеспечивает управление всеми параметрами речевого сигнала и, таким образом, может генерировать речь по заранее неизвестному тексту. В этом случае параметры, полученные при анализе речевого сигнала, сохраняются в памяти так же, как и правила соединения звуков в слова и фразы. Синтез реализуется путем моделирования речевого тракта, применения аналоговой или цифровой техники. Причём в процессе синтезирования значения параметров и правила соединения фонем вводят последовательно через определённый временной интервал, например 5—10 мс. Метод синтеза речи по печатному тексту (синтез по правилам) базируется на запрограммированном знании акустических и лингвистических ограничений и не использует непосредственно элементов человеческой речи. В системах, основанных на этом способе синтеза, выделяется два подхода. Первый подход направлен на построение модели речепроизводящей системы человека, он известен под названием артикуляторного синтеза. Второй подход — формантный синтез по правилам. Разборчивость и натуральность таких синтезаторов может быть доведена до величин, сравнимых с характеристиками естественной речи.

Синтез речи по правилам с использованием предварительно запомненных отрезков естественного языка — это разновидность синтеза речи по правилам, которая получила распространение в связи с появлением возможностей манипулирования речевым сигналом в оцифрованной форме. В зависимости от размера исходных элементов синтеза выделяются следующие виды синтеза:

• микросегментный (микроволновый);
• аллофонический;
• дифонный;
• полуслоговой;
• слоговой;
• синтез из единиц произвольного размера.

Обычно в качестве таких элементов используются полуслоги — сегменты, содержащие половину согласного и половину примыкающего к нему гласного. При этом можно синтезировать речь по заранее не заданному тексту, но трудно управлять интонационными характеристиками. Качество такого синтеза не соответствует качеству естественной речи, поскольку на границах сшивки дифонов часто возникают искажения. Компиляция речи из заранее записанных словоформ также не решает проблемы высококачественного синтеза произвольных сообщений, поскольку акустические и просодические (длительность и интонация) характеристики слов изменяются в зависимости от типа фразы и места слова во фразе. Это положение не меняется даже при использовании больших объемов памяти для хранения словоформ.

Применение синтеза речи

Синтез речи по тексту или коду сообщения может быть использован в технике связи, в информационно-справочных системах, для помощи слепым и немым, при управлении человеком со стороны автомата, для выдачи информации о технологических процессах, в военной и космической технике, в робототехнике, в акустическом диалоге человека с компьютером. Вообще синтез речи может потребоваться во всех случаях, когда получателем информации является человек.

Примечания

1. Шаблон:Note В таком определении преобразование звукового давления в электрическое напряжение и наоборот в микрофоне и телефоне, а также запись и воспроизведение, например, с магнитных носителей не являются синтезом. Дискретизация и квантование речевого сигнала при импульсно-кодовой модуляции также не относятся к синтезу речи, но генерация речевого сигнала в вокодерных системах может считаться синтезом.
2. Шаблон:Note На страничке Dennis Klatt’s History of Speech Synthesis, посвящённой истории развития синтезаторов речи, представлены звуковые файлы с записями различных синтезаторов речи. Есть файл с записью звучания вокодера Хомера Дадли.
3. Шаблон:Note Например, японские ученые из лаборатории Таканиси (Takanishi Laboratory) университета Васеда (Waseda University) работают над созданием антропоморфической модели говорящего робота. Последняя их разработка (2005) — модель Waseda Talker No.5 — имеет весь набор речевых инструментов: легкие, гортань, мягкое нёбо, язык, зубы, губы и пр. В общей сложности все эти органы имеют 18 степеней свободы. На их страничке Anthropomorphic Talking Robot Waseda-Talker Series можно ознакомиться с более подробной информацией, в том числе фотографиями и видеозаписями.

Использованная литература

1. Шаблон:NoteСорокин В. Н. Синтез речи. — М.: Наука, 1992, с. 392.

Ссылки

• Внедрение речевых технологий Страница посвящена вопросам внедрения технологий синтеза речи в компьютерные программные продукты, содержит много ссылок на статьи о речевых технологиях.