Acústica del Habla. Introducción a las Tecnologías del Habla 2 o cuatrimestre 2014 Agustín Gravano

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1 Acústica del Habla Introducción a las Tecnologías del Habla 2 o cuatrimestre 2014 Agustín Gravano

2 Repaso clase anterior Procesamiento del Habla Construir sistemas informáticos capaces de manipular efectivamente el lenguaje oral. Reconocimiento del habla (ASR). Síntesis del habla (TTS). Sistemas de diálogo. Identificación del hablante. Detección de emociones. Interfaces de usuario. Clase de hoy: elementos de acústica

3 Sonido Fluctuaciones de presión en el aire causadas por fuentes como instrumentos musicales, bocinas de autos, voces, etc. 1) Las ondas se propagan por el aire y llegan al oído. 2) El sistema auditivo las traduce a impulsos neuronales. 3) El cerebro los interpreta como sonido. Audición y percepción del sonido: capítulos 3 y 4 del Johnson, Acoustic & Auditory Phonetics.

4 Propagación del Sonido: Analogías No tan buena analogía... Analogía un poco más adecuada.

5

6 Sonidos Sonidos periódicos Ondas periódicas simples Ondas periódicas complejas (o compuestas) Sonidos aperiódicos Ruido blanco, sonido transitorio.

7 Sonidos Periódicos Ondas periódicas simples Ondas senoidales y(t) = A sen(2 π f t + Φ) Definidas por: Frecuencia Amplitud Fase

8 Ondas Periódicas Simples Ciclo: Cada repetición del patrón senoidal. Período (T): Duración del ciclo. Frecuencia (f): Cantidad de ciclos por segundo. En otras palabras: Cantidad de veces que el patrón senoidal se repite por segundo. Se mide en hertz (Hz). 1 Hz = 1 ciclo por segundo. f = 1/T Ej: T=0.01s, f=100hz

9 Ondas Periódicas Simples Amplitud: Desviación máxima de fluctuación de la presión por sobre la presión atmosférica normal. Fase: Timing de la forma de onda relativo a algún punto de referencia. ej1.py

10 Ondas Periódicas Complejas Ondas periódicas complejas: Ondas cíclicas formadas por múltiples ondas senoidales. Ej: onda formada por senoidales de 100 y 1000Hz.

11 Ondas Periódicas Complejas Ejemplo: onda compleja formada por 4 senoidales

12 Sonidos Aperiódicos No tienen un patrón que se repita regularmente. Ejemplos: Ruido blanco: Fluctuación aleatoria de presión. Espectro plano: igual amplitud para todas las frecuencias. Estática de radio, viento entre los árboles, [s], [f]. Ondas transitorias: Fluctuaciones súbitas de presión que no se sostienen ni se repiten. Portazos, disparos, mouse clicks, [p], [t].

13 Análisis de Fourier Cualquier función puede descomponerse en una suma de ondas senoidales. Espectro energético: Amplitudes Fast Fourier Transform (FFT) Frecuencias Algoritmos eficientes para computar el espectro de una señal a partir de un número de muestras.

14 Visualizaciones Al agregar una dimensión temporal al espectro energético, obtenemos un espectrograma. tiempo

15 Sonidos Aperiódicos Ruido blanco ej2.py Onda transitoria

16 Procesamiento Digital de Señales Señal analógica (continua): La línea de tiempo tiene valores de amplitud con precisión infinita en todos los puntos. Señal digital (discreta): La línea de tiempo tiene sólo una secuencia de valores de amplitud con precisión finita.

17 Procesamiento Digital de Señales Un micrófono convierte oscilaciones de presión en el aire (sonido) en oscilaciones de voltaje. Los dispositivos analógicos (discos de vinilo, cassettes) las guardan como señales continuas. Los dispositivos digitales (computadoras, CDs) las convierten y guardan como señales discretas. Conversión Analógica-Digital (Digitalización) 1) Muestreo: Discretización del tiempo. 2) Cuantización: Discretización de la amplitud.

18 Conversión Analógica-Digital Tasa de muestreo (sampling rate) Cada cuánto hay que tomar muestras de la señal? Es necesario tomar al menos 2 muestras por ciclo para capturar la periodicidad de una onda (Teorema de Nyquist-Shannon).

19 Conversión Analógica-Digital Balance entre muestreo y almacenamiento Oído humano: máxima frecuencia ~20kHz 44.1kHz: calidad de CD de audio Pero realmente necesitamos guardar 44k muestras por segundo si queremos almacenar habla? Teléfono: 300 Hz 4kHz (muestreo = 8kHz). Algunos sonidos del lenguajes (fonos) tienen frecuencias mayores a 4kHz: [s], [f]. Un tasa de muestreo de 16kHz suele alcanzar para el procesamiento del habla. sox --info IN.WAV Sample Rate : 16000

20 Conversión Analógica-Digital Error de muestreo: aliasing. Ocurre cuando la señal contiene frecuencias mayores a la mitad de la tasa de muestreo (frec. de Nyquist). Solución #1: Incrementar la tasa de muestreo. Solución #2: Filtrar las frecuencias superiores (filtro antialiasing).

21 Filtros Acústicos Bloquean sonidos de ciertas frecuencias. Filtro pasa-bajos (low-pass): Bloquea las componentes con frecuencia mayor a un umbral. Filtro pasa-altos (high-pass): Bloquea las componentes con frecuencia menor a un umbral. Filtro pasa-banda (band-pass): Bloquea las componentes con frecuencia por fuera de una banda. sox IN.WAV OUT.WAV lowpass highpass FREQ sox IN.WAV OUT.WAV bandpass FREQ WIDTH

22 Conversión Analógica-Digital Cuantización Las computadoras no tienen precisión infinita. Cuán precisas deben ser las muestras de amplitud de la señal? 8, 12, 16, 32 bits por muestra 256, 4096, 65536, niveles de amplitud. sox --info IN.WAV Precision : 16-bit Cuántos niveles es necesario distinguir?

23 Conversión Analógica-Digital Balance entre precisión de cuantización y almacenamiento. Los errores de cuantización se reducen aumentando la precisión, pero a costa de más espacio. La elección depende de los datos y de la aplicación. Habla: 16kHz, 16bits suele ser razonable.

24 Conversión Analógica-Digital Problema derivado de la cuantización: Saturación digital (clipping): La amplitud de la señal es mayor al rango representable. Solución #1: Redefinir los niveles de amplitud. Solución #2: Disminuir la amplitud de la fuente.

25 Ejercicios Escuchar bach.wav (44.1kHz, 16bits) Fragmento de Partita en Sol Mayor de J. S. Bach. play FILENAME Bajar sampling rate a 16, 8, 4 khz y comparar. sox IN.WAV -r FREQ OUT.WAV Subir sampling rate de 4 khz a 44.1kHz. Por qué no vuelve a estar en buena calidad? Aplicar filtro high-pass de 8kHz a: Audio original a 44.1 khz. Audio resampleado a 16 khz. Crear espectrogramas de los audios y comparar. sox IN.WAV -n spectrogram -o OUT.PNG

26 Resumen Sonidos periódicos y aperiódicos. Ondas periódicas simples y complejas. Ruido blanco; ondas transitorias. Análisis de Fourier. FFT. Espectrograma. Procesamiento digital de señales. Tasa de muestreo; precisión. Herramientas: sox y python. Próximos temas: fonética y fonología, prosodia, más herramientas (Praat).

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