Základy fonetiky
Digitaliza	ce akustického signálu
Počítačové zpracování řeči
Luděk Bártek
Fakulta Informatiky Masarykova Univerzita Brno
podzim 2013
Základy fonetiky Digitalizace akustického signálu
Obsah
Q Základy fonetiky
Q Digitalizace akustického signálu
Fonetika
Základy fonetiky Digitalizace akustického signálu
• Přírodní věda na pomezí lingvistiky, anatomie, fyziologie a fyziky (akustiky)
• Zkoumá zvukovou stánku jazyka z různých aspektů jazyka:.
• fyziologickou činnost mluvidel
• akustickou podstatu zvuků.
• Dělení fonetiky:
• artikulační- tvorba fónů ve zvukovém ústrojí
• akustická - přenos zvuků prostředím, jejich frekvence, ...
• percepční - jak jsou zvuky přijímány,
Základy fonetiky Digitalizace akustického signálu
Základy fonetiky
• Foném - elementární zvukový segment, který je schopný diferencovat vyšší znakové jednotky jazykového systému (morfémy).
• Fonémy:
• samohlásky:
• základní frekvence
• formanty
• samohlásky:
• znělé - na vzniku se spolupodílí hlasivky
• neznělé.
• Koartikulace - vzniká změnou parametrů řečového ústrojí při přechodu z jedné hlásky na druhou
• další řečové jednotky:
• alofón
• difón
• trifón
• Fonetický přepis - Jednoznačný a přesný zápis mluvené řeči. Psaná a mluvená forma téže promluvy se mohou lišit.
Základy fonetiky Digitalizace akustického signálu
Fonetický přepis
• Přesný a jednoznačný zápis mluvené řeči.
• IPA- International Phonetic Alphabet
• součást standardu UNICODE.
• Národní fonetické abecedy.
• TTS - většinou využívají ľbitový ASCII přepis znaků z IPA (SAMPA - Speech Assessment Methods Phonetic Alphabet)např. DITe
• pravidla pro přepis:
• změna znělosti na hranici znělá souhláska - neznělá souhláska
• měkčení souhlásek, pokud následuje /, ě
• ...
• Občas může být přepis regionálně závislý:
• sh:
• Čechy - sch
• Morava - zh
Základy fonetiky
Podrobnosti viz stránky International Phonetic Association (http://www.langsci.ucl.ac.uk/ipa/)
Základy fonetiky Digitalizace akustického signálu
Česká fonetická abeceda
• Krátké samohlásky:
• a a pata, ee led, li lid, o/do rod, uu ruka
• Dlouhé samohlásky:
• a: a:, á pátá; e: e:, é léto; i: i:, í lípa; o:/d: o:, ó tón; u: u:, ú úkol
• Dvojhlásky:
• au au, au auto: eu eu, eu euforie- ou/du ou ou houba
• Souhlásky:
• m m matka- rrj rrj, tramvaj- n n nos p ň kůň rj rj banka
a p p pes; b b babička; 11 táta; d d dům; c t tapka; k k kost; g g gram
» ts c co- dz 3, dz- leckdo- ffč čáp- CÍ5, dž džem
• f f fuj- v v voda- s s sen- z z zub- J š šíp- 3Ž žena- x x, ch chléb-YYabych byl- R In hra
• r r rak- r ř řeka- r ř, ř rybář
• j j já; I I les
• r r krk- I I vlk- m m rožmberk
Základy fonetiky Digitalizace akustického signálu
Ukázka textu v abecedě SAMPA spolu s výsledkem.
• Fonetický přepis věty "Čeština je krásná řeč"
• tSeSTina je kra:sna: r/etS
• Syntetizovaná věta "Čeština je krásná řeč." (data/cestina.wav)
Základy fonetiky Digitalizace akustického signálu
Fonetika - samohlásky
» Krátké samohlásky - a, e, i, o, u
• Dlouhá samohlásky - á, é, í, (ó), ú
• Dvojhlásky - (eu), (au), ou
• Samohlásky:
• základní hlasivkový tón - 100 - 400 Hz
• formanty - rezonancí v dutinách hlasového traktu zesílené části akustického spektra
Základy fonetiky Digitalizace akustického signálu
Formanty
• Určující pro rozpoznávání samohlásek
• Formant F\ vzniká rezonancí v dutině ústní
• Formant F2 vzniká rezonancí v dutině hrdelní
• Hlavní formanty - spektrální poloha a intenzita může být dána:
• muž
• žena
• dítě
• individuálně
• Vyšší formanty F3 -
• výskyt bývá individuální
Základy fonetiky Digitalizace akustického signálu
Formanty Fl a F2 pro české samohlásky
hláska	Fl [Hz]	F2 [Hz]
a	750 - 1100	1100 - 1500
e	500 - 700	1500 - 2000
i	300 - 500	2000 - 3000
o	500 - 700	900 - 1200
u	300 - 500	600 - 1000
Základy fonetiky Digitalizace akustického signálu
Četnost výskytu samohlásek
• e - 10 %
• a, o, i - 6 — 7 %
• í - 4 %
• další jen s nepatrnou frekvencí:
• á, u, é, ou, ú
• ó, au, eu
Základy fonetiky
Základy fonetiky
Základy fonetiky
Základy fonetiky
Základy fonetiky
Základy fonetiky
Základy fonetiky
Základy fonetiky Digitalizace akustického signálu
Souhlásky (konsonanty)
• Zvukově dynamické děje.
• Pojem formantu ztrácí význam
• tónový charakter mají pouze části některých souhlásek.
• Klasifikace:
• znělé (sonorní)
• neznělé (šumové)
• fonetikové dále podle místa a způsobu artikulace na:
• retné - m, b, p, w, v, f
• zubní - n, d, t, dh, th
• dásňové - c, z, s, dz
• patrové - ň, d, t, ž, š
• závěrové (okluzívy, ražené, explozívy) - b, d, d, g, p, t
• úžinové - v, z, ž, f, th, s, š, ...
Základy fonetiky Digitalizace akustického signálu
Znělé a neznělé souhlásky
• Znělé souhlásky
• charakteristické přítomností základního tónu
• na vytváření se aktivně podílejí hlasivky.
• Neznělé souhlásky
• hlasivky jsou pasivní (otevřené)
• Párové
• neliší se artikulací, pouze znělostí
• např. b-p, d-t. z-s, ...
Základy fonetiky
Základy fonetiky Digitalizace akustického signálu
Podle způsobu tvorby
• Okluzívy
• závěrové souhlásky
• vytvořena překážka výdechovému proudu vzduchu:
• jazyk
• zuby
• rty
• (p, b), (t, d), (t, ď), (k, g), m, n, ň
• Frikativy
• úžinové
• zúžení výdechové cesty při artikulaci
• (s, z), (š, ž), (f, v), (ch, h), I, j, r, ř
• Semiokluzívy
• polouzávěrové
• vytváří se jak překážkou, tak zúžením výdechové cesty
• c, č
Základy fonetiky
Základy fonetiky
Základy fonetiky
Základy fonetiky Digitalizace akustického signálu
Koartikulace
• Modifikace fonému v řečovém kontextu.
• Nutnost přenastavit řečový trakt na další foném.
• Způsobuje problémy při:
• syntéze řeči
• rozpoznávání řeči.
Základy fonetiky
Základy fonetiky
Základy fonetiky Digitalizace akustického signálu
Digitalizace zvuku
• Cíl - převod spojitého signálu na posloupnost digitálních hodnot vhodných pro uchování v počítači.
• Postup digitalizace:
O Vzorkování - převod reálných vstupních hodnot na posloupnost
diskrétních reálných čísel. O Kvantizace - převod posloupnosti reálných čísel na posloupnost
celých čísel.
0 Kódování - způsob uložení a kódování posloupnosti celočíselných hodnot získaných v kroku 2.
Základy fonetiky Digitalizace akustického signálu
Vzorkování
• Transformace spojitého časové závislého signálu s(t) na časově diskrétní posloupnost s„(7~) = 0, 1, 2, ...
• T - perioda vzorkování.
• Pokud nemá dojít ke ztrátě informace, musí být vzorkovací frekvence aspoň dvojnásobkem nejvyšší frekvence, která je signálu obsažena.
• Po čase T je sejmuta a dána na výstup (ke kvantizaci) hodnota ze vstupního snímače.
• většinou okamžitá úroveň napětí nebo proudu na vstupu.
• Oblasti použití
• digitální zpracování zvuku
• audio CD
• mp3 - navíc použita ztrátová komprese
• miniDisc - navíc použita ztrátová komprese ATRAC
• DAT
• ...
• digitální zpracování signálu obecně (digitalizace dat z různých analogových měřících zařízení, digitální zpracování obrazu, . ..)
Základy fonetiky Digitalizace akustického signálu
• Analogový signál s(t) lze rekonstruovat z hodnot vzorků s„(7~) následovně:
právě tehdy když je vzorkovací frekvence alespoň dvojnásobkem nejvyšší frekvence obsažené ve vstupním signálu. • Důsledky:
• Vzorkovací frekvence by měla být alespoň dvojnásobkem nejvyšší frekvence vstupního signálu.
• Je-li menší dochází ke zkreslení složek vyšších frekvencí.
• Spor příznivců a odpůrců audio CD - je 44kHz dostačující vzorkovací frekvence pro hudbu?
n)
n))
Základy fonetiky Digitalizace akustického signálu
Kvantizace
• Převod reálných navzorkovaných hodnot na celočíselné hodnoty.
• Počet celočíselných hodnot = počet úrovní kvantování
• 256
• 65 536
• 16 777 216
» Kvantizační krok - reálný interval přiřazený kvantizované jednotce.
• Na vstupu je signál s amplitudou 128 mA (-128 - 127 mA).
• 8bitová kvantizace - 256 kvantizačních úrovní
• kvantizační krok — 25(^A^ — í[mA\.
9 Běžně používané kvantizace - 8, 16, 24 bitů.
• Realizováno pomocí A/D převodníků
• součást zvukových karet
• mobilních telefonů a ...
Základy fonetiky Digitalizace akustického signálu
Běžně používané parametry digitalizace zvuku
• Vzorkovací frekvence:
• 8 kHz - telefonní kvalita
• 16 kHz - běžná řeč
• 22 kHz - rozhlasová kvalita
• 44 kHz - audio CD
• 48 kHz - DVD
• Kvantizace:
• 8 bitů
• 16 bitů
• 24 bitů
• Počet audio kanálů
» 1
• 2
• 4
• 6 (5.1, 5 směrových kanálů + basy)
Základy fonetiky Digitalizace akustického signálu
Způsoby kódování signálu
• PCM - přímé ukládání hodnot získaných kvantizací.
• Výhody - jednoduché na zpracování, nedochází k další ztrátě informací.
• Nevýhody:
• často malé rozdíly mezi hodnotami sousedních vzorků -značná redundance dat,
• konstantní hodnota kvantizačního kroku (závisí na parametrech AD převodníku) - v případě malé amplitudy vstupního signálu - ztráta informace (signál nepřekročí kvantizační krok), v případě velké amplitudy - hodnota překročí rozsah - zkreslení signálu. Oba případy brání kvalitní rekonstrukci původního signálu.
	Základy fonetiky 1
Digitalizace	akustického signálu 1
Kódování průběhu	vlny
Řešení nevýhod PCM	
• Diferenční PCM
• Uchovávání rozdílů sousedních vzorků místo uchovávání jej i hodnot.
• Hodnota rozdílu bývá podstatně menší než hodnota vzorku lze uchovat pomocí méně bitů.
• Adaptivní PCM
o Kvantizační krok se určuje na základě amplitudy vstupního signálu.