Evolution des paramètres de source pour différentes qualités vocales, déterminés sur le signal EGG

02/08/2016
Publication e-STA e-STA 2010-1
OAI : oai:www.see.asso.fr:545:2010-1:17198
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Evolution des paramètres de source pour différentes qualités vocales, déterminés sur le signal EGG

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            <title>Evolution des paramètres de source pour différentes qualités vocales, déterminés sur le signal EGG</title></titles>
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        <publicationYear>2016</publicationYear>
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	    <date dateType="Created">Tue 2 Aug 2016</date>
	    <date dateType="Updated">Sun 16 Jul 2017</date>
            <date dateType="Submitted">Fri 17 Aug 2018</date>
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Evolution des paramètres de source pour différentes qualités vocales, déterminés sur le signal EGG A. Belhaj Université de Tunis El Manar, ENIT, Tunis, (Tunisie), Email: belhajasma@yahoo.fr A. Bouzid Université de Sfax, ISECS, Tunisia, Email: bouzidacha@yahoo.fr A. Naït-Ali Université Paris 12, Laboratoire Images, Signaux et Systèmes Intelligents (LiSSi. EA. 3956), Créteil (France), Email: naitali@univ-paris12.fr Abstract Le présent travail concerne la mesure de paramètres de source à partir du signal Electroglottographique EGG et particulièrement la durée ouverte de la glotte en phase de voisement. La durée de la phase ouverte de la glotte est obtenue comme la distance séparant l’instant d’ouverture de la glotte de l’instant de fermeture. Ces instants sont mesurés sur le signal EGG par la détection des extrema du produit multi-échelle des signaux EGG. Les minima représentent les instants de fermeture de la glotte et les maxima représentent les instants d’ouverture de la glotte. Le produit multi-échelle étant le produit des coefficients de la transformée en ondelette du signal pour trois échelles successives. La mesure de la durée ouverte de la glotte est opérée sur la base de sons « Voqual Quality 03» constituée par des fichiers de sons prononcés par un locuteur male avec différentes qualités vocales et les signaux EGG correspondants. Le quotient ouvert peut être déterminé par le rapport de la phase ouverte sur la période du voisement. Ce rapport est étudié pour différentes qualités vocales. Key words: EGG, qualité vocale, durée de la phase ouverte, produit multiéchelle, signaux electroglottographiques, instants d’ouverture et de fermeture de la glotte . 1. Introduction La qualité vocale d’un locuteur est généralement et en grande partie due au comportement de la source vocale. La complexité de la source vocale et la non disponibilité du signal d’excitation de la source rendent difficile l’extraction des paramètres de la glotte [1], [2]. Les courbes laryngographiques décrivant le comportement des cordes vocales pendant la phonation permettent de mesurer les caractéristiques de la source pour en déduire les différentes qualités vocales. L’éléctroglottographie (EGG), est une méthode non invasive et simple qui permet l’investigation du mouvement vibratoire en cours de phonation, son principal intérêt est de fournir une référence pour la mesure des paramètres caractéristiques de la glotte dont principalement l’instant de fermeture de la glotte (GCI) et l’instant d’ouverture de la glotte (GOI). Ces instants sont utilisés pour déterminer divers paramètres relatifs à l’appréciation de la qualité du son dont principalement la période de voisement T0 et le quotient ouvert représentant la durée de la phase ouverte relative à la période du signal. En effet la dérivée du signal EGG appelée DEGG montre deux types de pics opposés. Les pics d’amplitudes élevées coïncident avec la fermeture de la glotte et les pics de faibles amplitudes correspondent aux instants d’ouverture de la glotte. A partir de ces instants, la période fondamentale T0 est délimitée par les deux instants successifs de fermeture de la glotte. La phase ouverte est délimitée par l’instant d’ouverture de la glotte et l’instant de fermeture qui le suit. Le quotient ouvert est le rapport de la phase ouverte par la période du fondamental. La qualité vocale est généralement définie comme ce qui différencie deux productions vocales ayant le même contenu lexical. Cela peut se traduire sur une même phrase parlée ou chantée par des vibrations d’intensités, de hauteur, de pitch etc. La qualité vocale dépend également du contexte d’écoute et des attentes de l’auditeur. Dans le cas des voix pathologiques, des e-STA copyright 2010 by see Volume 7, N°1, pp 23-29 échelles perceptives d’évaluation sont élaborées de façon consensuelle : l’échelle GRBAS « Grade, Roughness, Aesthenia, Strain » [3],[4],[5] (N.isshiki and Takeuchi , 1970 ; M. Hirano, 1981, 1989) et l’échelle RBS « Roughness, Breathiness, Hoarseness » [6]. Toutefois la plupart des paramètres qui caractérisent la qualité vocale concernent la source vocale. Ce papier est une étude de l’impact de la durée de la phase ouverte de la glotte sur la qualité vocale en voix parlée à partir des signaux EGG. Le présent papier est organisé comme suit : La second paragraphe est une exploration du produit multiéchelle appliqué au signal EGG, pour la détection des instants d’ouverture et de fermeture de la glotte. Le troisième paragraphe donne une représentation du produit multi-échelle des signaux EGG pour différentes qualités vocales. Ensuite, nous donnons une représentation de la durée de la phase ouverte pour ces différentes qualités. Les paramètres sont calculés après détection des GCIs et GOIs par le produit multi-échelle. La durée de la phase ouverte est représentée sur la base de sons « Voqual Quality’03» pour différentes qualités vocales. 2. Le Produit Multiéchelle de l’EGG La méthode du PM appliquée au signal EGG est une approche pour la détection des instants de d’ouverture et de fermeture de la glotte basée sur le produit des coefficients de la transformée en ondelettes du signal à différentes échelles. Il a été montré dans des travaux antérieurs [7], que la transformée en ondelettes permet de détecter et de caractériser les discontinuités du signal EGG par la transformée en ondelettes continue à un seul moment nul. On utilise dans ce travail l’ondelette spline quadratique qui est une ondelette a un moment nul. Cette ondelette est la mieux adaptée pour la détection des GCIs et GOIs [8], [9]. Les trois échelles choisies sont 1/2, 1 et 2. On utilise l’algorithme du produit multiéchelle, qui procède au calcul du produit des coefficients de la transformée en ondelettes pour les échelles dyadiques successives : ).s,u(fW)u(p j n 1j ∏ = = Le produit p (u) du signal EGG montre des pics aux transitions du signal et présente de faibles valeurs ailleurs [11]. Dans cette opération non linéaire, les pics des coefficients de la transformée en ondelettes sont renforcés par le produit multiéchelle [12],[13],[14]. La combinaison non linéaire tend à rehausser les maxima en atténuant les faux pics. Les pics du signal vont s’aligner à travers les échelles et jusqu’à une certaine limite parce qu’en augmentant l’effet du lissage, la réponse va se diffuser et donc les singularités vont interférer. Le nombre impair du produit permet de préserver le signe de la singularité. Trois échelles dyadiques consécutives suffisent généralement pour une bonne détection des pics [15]. Figure 1: Différentes étapes de détection des GCI et GOI par la méthode MPM. En effet, le signal EGG présente des singularités lissées aux instants d’ouverture et de fermeture de la glotte. Il est ainsi assez difficile dans certains cas de détecter ces instants sur le signal EGG. Pour circonvenir à ce problème, il est alors judicieux d’opérer une combinaison non linéaire des coefficients de la transformée en ondelettes à différentes échelles afin de donner une meilleure estimation des instants de fermeture et d’ouverture de la glotte [16]. La figure 2 illustre la dérivée du signal EGG appelée DEGG, ce signal généralement considéré comme signal de référence ne montre pourtant pas de façon évidente des pics à l’ouverture et à la fermeture. Nous avons opéré la transformé en ondelettes de ce signal Signal EGG voisée TO échelle s2=1 Ws2 Produit Ws1* Ws2* Ws3 Identification des minimums des et maximums GCIs et GOIs TO échelle s3=2 Ws3 TO échelle s1=1/2 Ws1 e-STA copyright 2010 by see Volume 7, N°1, pp 23-29 avec l’ondelette spline quadratique pour générer les pics à la fermeture et à l’ouverture de la glotte sur le signal EGG. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 EGG 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 -0.02 -0.01 0 0.01 Nombres d'échantillonns DEGG Figure 2 : Mot /great/ extrait d’une voix nasale dit par locuteur masculin ; (1) signal EGG, (2) DEGG. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 -0.1 0 0.1 EGG 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 -0.5 0 0.5 DEGG 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 -2 0 2 TO=1/2 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 -5 0 5 TO=1 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 -1 0 1 Nombres d'échantillonns TO=2 Figure 3 : Mot /great/ extrait d’une voix nasale (homme); (1) signal EGG, (2) DEGG,(3) TO pour s=1/2, (4) TO s=1, (5) TO s=2, (6) le produit multiéchelle. La figure 3 montre différents signaux. Le premier est le signal EGG, le second est sa dérivée (signal DEGG) les trois signaux qui suivent montrent respectivement les transformées en ondelettes aux échelles 1/2, 1 et 2. Le dernier signal montre le produit multi-échelle PM. Le PM montre clairement les pics de fermeture de la glotte, ainsi que les pics de l’ouverture de la glotte. Les instants de fermeture sont moins clairs sur la dérivée du signal que sur le produit, alors que les instnts d’ouverture sont inexistants. 3. Application du produit multiéchelle sur les signaux EGG pour différentes qualités vocales Pour appréhender la notion de qualité vocale en voix parlée, nous disposons de la base de sons de l’université d’Orsay comprenant des signaux de parole et des signaux EGG. Il s’agit du texte "She (has) left for a great party today" prononcé avec différentes qualités vocales par un seul locuteur masculin dont la langue maternelle est l’anglais. Le signal de parole est simultanément enregistré avec le signal EGG. Ces deux signaux sont échantillonnés à la fréquence de 44 KHz et codés sur 16bits [17]. Les différentes qualités vocales constituant cette base sont récapitulées dans le tableau suivant : Tableau 1 : Les qualités vocales de la base VOQUAL QUALITY03. Le PM est appliqué sur les signaux EGG de la base Voqual 03 pour la détection des GCIs et GOIs. La figure 4 montre une voix normale faiblement pitchée avec une phase ouverte dépassant la moitié du cycle glottal. La figure 5 illustre le cas d’une voix tendue pitchée qui dure plus longtemps. La figure 6 représente le cas d’une voix shout de fréquence fondamentale élevée variant entre 400 et 600. e-STA copyright 2010 by see Volume 7, N°1, pp 23-29 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 -0.1 0 0.1 EGG 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 -0.5 0 0.5 TO=1/2 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 -1 0 1 TO=1 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 -2 0 2 TO=2 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 -1 0 1 Nombresd'échantillonns MPM Figure 4: Mot /great/ extrait d’une voix normal; (1) signal EGG, (2) TO s=1/2, (3) TO s=1, (4) TO s=2 et (5) le PM. 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 -1 0 1 EGG 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 -5 0 5 TO=1/2 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 -10 0 10 TO=1 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 -20 0 20 TO=2 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 -1 0 1 Nombred'échantilonns MPM Figure 5: Mot /great/ extrait d’une voix Tensed; (1) signal EGG, (2) TO s=1/2, (3) TO s=1, (4) TO s=2 et (5) le PM. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 -1 0 1 EGG 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 -5 0 5 TO=1/2 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 -10 0 10 TO=1 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 -20 0 20 TO=2 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 -1 0 1 Nombred'échantillons MPM Figure 6: Mot /great/ extrait d’une voix Shout; (1) signal EGG, (2) TO s=1/2, (3) TO s=1, (4) TO s=2 et (5) le PM. 4. Mesure de F0 et Oq à partir du signal EGG Les paramètres mesurés sur le signal EGG sont la période fondamentale et la durée de la phase ouverte pour déduire la fréquence fondamentale et le quotient ouvert. Ces paramètres sont calculés à partir de GCI(k) et GOI(k). L’instant de fermeture de la glotte GCI(k) représente la fin de la période du pitch précédente et le début de la période suivante. L’instant d’ouverture de la glotte GOI(k) représente le début de la phase ouverte dans chaque période [18]. La période du pitch est donnée par : )()1()(0 kGCIkGCIkT −+= La fréquence fondamentale est )(0 1 )(0 kT kF = La durée de la phase ouverte permet d’obtenir le quotient ouvert : )(0 )()1( )( KT kGOIkGCI kOq −+ = Bien que la vibration des cordes vocales soit rythmique, il existe une légère différence entre les périodes successives du cycle du larynx. Cette e-STA copyright 2010 by see Volume 7, N°1, pp 23-29 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Fréquencefondamentale(H) Type de la qualité F0 moyen (HZ) F0 moyen+O (HZ) F0 moyen-O (HZ) différence d’un cycle à l’autre est appelée perturbation de la fréquence ou jitter de fréquence qui peut être calculée par : )(0)1(0)(0 kFkFkJiF −+= On définit de même le jitter de quotient donné par: )()1()( kOqkOqkJiOq −+= 0 100 200 300 400 500 600 700 0 50 100 150 Fréquencefondamentale(Hz) Nombre de période CREAK RELAX LOW NORMAL ROUGHNESS HIGH LOUD TENSED SHOUT Figure 7 : Variation du fondamental du mot great pour différentes qualités vocale de la base VOQUAL QUALITY03 0 2 4 6 8 10 12 14 0 50 100 150 Laphaseouverte(ms) Nombre depériode CREAK RELAX LOW NORMAL ROUGHNESS HIGH LOUD TENSED SHOUT Figure 8: Variation de la phase ouverte du mot /great/ pour différentes qualités vocale de la base VOQUAL QUALITY03. La figure 7 montre que les voix tensed et loud se caractérisent par une fréquence fondamentale élevée variant autour de 250Hz avec un très grand nombre de périodes. La voix high a le même comportement concernant la fréquence fondamentale mais elle a une durée supérieure aux voix creak, roughness, relax, low et normal et inférieure aux voix tensed loud et shout. La voix shout représente la qualité avec les valeurs de F0 les plus importantes et également un très grand nombre de périodes. Les voix creak, roughness, relax et normal possèdent de faibles valeurs de F0 instantanées avec un nombre de périodes assez réduit par rapport aux qualités tensed, loud et shout. La figure 8 permet de conclure que les voix creak, roughness, relax, low et normal se distinguent par une phase ouverte de grande durée. Par contre, la phase ouverte de la voix shout du mot great est plus faible similairement aux voix tensed loud et high. 5. Caractérisation des qualités vocales par la mesure de F0, Oq et de leur variation Dans ce papier, nous essayons de caractériser certaines qualités vocales à partir du signal électro- glottographique en voix parlée non pathologique et ce en calculant essentiellement la fréquence fondamentale et le quotient ouvert et en étudiant leur variation. La mesure de ces deux paramètres s’opère en détectant les instants de fermeture (GCI) et d’ouverture de la glotte (GOI) par la méthode du produit multi-échelle. 5.1 Paramètres moyens fonction de la qualité vocale Dans les paragraphes suivants nous allons suivre les variations de la qualité vocale en fonction de F0, Oq, jitter de F0, et jitter de Oq, Figure 9: Graphe de la variation de la fréquence fondamentale dans la base VOQUAL QUALITY03. 1 :creak 5 :loud 2 :relax 6 :shout 3 :low 7 :normal 4 :high 8 :tensed 9 :roughness e-STA copyright 2010 by see Volume 7, N°1, pp 23-29 La fréquence fondamentale moyennée permet de ressortir 3 groupes qui sont : - Le groupe des qualités vocales basse fréquence qui est constitué des voix creak, relax, low, roughness et normal, - Le groupe des qualités vocales moyenne fréquence qui est constitué des voix high, loud et tensed, - Et le groupe des qualités vocales haute fréquence qui est constitué des voix shout. En phonation normale, l’intervalle de variation moyenne de la fréquence fondamentale se situe entre 70 et 250 Hz, la figure 9 confirme ces données car elle donne une valeur de 99Hz. Figure 10: Variation du quotient ouvert moyen de la base VOQUAL QUALITY03. La figure 10 montre que les voix roughness, creak et relax ont les quotients ouverts les plus élevés. En effet pour la voix roughness, le quotient ouvert est de l’ordre de 0.8. Nous notons également des quotients ouverts relativement bas pour les voix low, loud, shout et tensed variant entre 0.5 et 0.6. Ceci nous amène à conclure que les qualités vocales à fréquences fondamentales élevées, possèdent les plus faibles valeurs du quotient ouvert. A partir de ces figures, on constate qu’une augmentation de la fréquence fondamentale engendre une diminution du quotient ouvert. Les voix roughness et creak possédent le même comportement du fondamental, du jitter de fréquence, et du jitter de quotient. Ces deux qualités vocales se comportent similairement, ceci est valable pour les voix normal et low. Ceci s’explique par le fait qu’une voix normale est naturellement non criante donc elle pourrait être low. 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Jitterde quotientt Type de la qualité Ji Oq moyen Ji Oq moyen+O Ji Oq moyen-O Figure 11: Variation du jitter de la fréquence fondamentale dans la base VOQUAL QUALITY03 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Jitterde quotientt Type de la qualité Ji Oq moyen Ji Oq moyen+O Ji Oq moyen-O Figure 12: Variation du jitter du quotient ouvert dans la base VOQUAL QUALITY03. 6. Conclusion Dans ce travail nous avons essayé de caractériser la qualité vocale à partir des paramètres de la source obtenus à partir des signaux EGG. Ces paramètres sont essentiellement la fréquence fondamentale et le quotient ouvert. Cette mesure est obtenue en détectant les instants d’ouverture et de fermeture de la glotte par la méthode du produit multi-échelle. Les représentations de la fréquence fondamentale, du quotient ouvert, du jitter de fréquence et du jitter de quotient en fonction de la qualité vocale ont permis de regrouper les qualités vocales considérées dans ce travail comme suit: 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Quotient ouvert Type de la qualité Oq moyen Oq moyen+O Oq moyen-O e-STA copyright 2010 by see Volume 7, N°1, pp 23-29 - Les voix creak, roughness sont caractérisées par une fréquence fondamentale moyenne proche de 100Hz et un quotient ouvert moyen supérieur à 0.7. Par contre les voix Normal et low ont les mêmes caractéristiques quant à la fréquence fondamentale avec un quotient ouvert moyen ne dépassant pas 0.62. - Les voix tensed, loud et high sont caractérisées par une fréquence fondamentale moyenne proche de 200Hz et un quotient ouvert inférieur à 0.6 sauf pour la voix high. - Les voix shout sont caractérisées par une fréquence fondamentale moyenne dépassant 350 Hz et un quotient ouvert inférieur à 0.6. Grâce au quotient ouvert, à la fréquence fondamentale et à la variation de ces deux paramètres nous avons pu caractériser le comportement de certaines qualités vocales. Bibliographie [1] T. V. Ananthapadmanabha and B. Yegnanarayana, Epoch extraction from linear prediction residual for identification of closed glottis interval, IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Process., vol. ASSP-27, no.4, pp. 309–319, Aug. 1979. [2] C. Ma, and L. F. Willems, A SVD Approach to Glottal Closure Determination from the Speech Signal, Inst. 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