フェーズボコーダ

フェーズボコーダとは

フェーズボコーダは、音声信号を周波数領域で分析し、その振幅と位相を操作することで、時間伸縮やピッチ変換などの効果を実現するボコーダの一種です。この技術は、音声信号の分析、変更、再合成という3つの主要な段階を経て処理を行います。

フェーズボコーダの基本原理

フェーズボコーダの核となるのは、短時間フーリエ変換（STFT）です。処理は以下の手順で行われます。

1. 分析: STFTを用いて時間領域の信号を時間-周波数領域の表現に変換します。
2. 変更: 周波数成分の振幅と位相を任意に操作します。
3. 再合成: 逆STFTを用いて、周波数領域の表現を時間領域の信号に戻します。

この処理により、音声信号の時間的な伸縮やピッチの変更が可能になります。特に、STFT分析フレームの時間的位置を調整することで、時間スケールを変更することができます。

位相コヒーレンス問題

フェーズボコーダにおいて重要な課題となるのが、位相コヒーレンス問題です。これは、STFTによる時間-周波数表現を操作する際に必ず考慮する必要がある問題です。

時間軸方向にオーバーラップした分析窓を使用すると、信号成分が複数のフレームや周波数ビンに拡散してしまいます。これは、隣接するSTFT分析結果が互いに強い相関を持つことに起因します。

STFT表現上で行う変更は、隣接する周波数ビン間（垂直コヒーレンス）や時間フレーム間（水平コヒーレンス）で適切な相関関係を維持する必要があります。特に、位相のコヒーレンスを維持することは、音質の劣化を防ぐ上で非常に重要です。位相コヒーレンスの問題は、適切な解決策が見つかるまで、長期間にわたって研究されてきました。

フェーズボコーダの歴史

• - 初期のフェーズボコーダ: Flanagan & Golden（1966）によって提案された最初のフェーズボコーダは、各周波数ビンの位相間で水平コヒーレンスを維持するアルゴリズムを採用しましたが、垂直コヒーレンスは考慮されていませんでした。
• - STFT再構築の最適化: Griffin & Lim（1984）は、振幅変更後のSTFT表現から音響信号を再構築する最適な方法を提案しました。これは、変更されたSTFTがコヒーレントでなくても、それに最も近い音響信号を生成する手法です。
• - 垂直コヒーレンスの解決: Laroche & Dolson（1999）は、周波数ビン間の位相的整合性を保つ簡単な方法を提案しました。これは、タイムスケーリング操作の品質を大幅に向上させる画期的な進歩でした。
• - 水平コヒーレンスの解決: Röbel（2003）は、発音時の水平位相コヒーレンス維持を可能にする手法を提案しました。これにより、より自然な音質での時間伸縮が可能となりました。
• - ソフトウェア実装: これらの技術を統合したソフトウェア実装例として、IRCAM SuperVPが挙げられます。

音楽における応用

フェーズボコーダは音楽制作においても広く活用されています。

• - トレヴァー・ウィシャートの「Vox V」は、人間の声をフェーズボコーダで分析・変換した作品です。
• - ロジャー・レイノルズの「Transfigured Wind」では、フルート音の時間伸縮にフェーズボコーダが使用されました。
• - 商用音楽制作では、ピッチ修正ソフトウェア「Auto-Tune」の動作原理にもフェーズボコーダが応用されています。

関連技術

フェーズボコーダに関連する技術としては、以下のようなものが挙げられます。

• - 音声分析合成
• - 周波数スペクトル
• - スペクトログラム

まとめ

フェーズボコーダは、音声信号の時間伸縮やピッチ変換を可能にする強力な技術であり、その発展は音楽制作や音声処理の分野に大きな影響を与えてきました。位相コヒーレンスの問題に対する長年の研究を経て、現在では非常に高品質な変換が可能となっています。

出典・参考文献

• - Dudley, Homer (1939), “The vocoder”, Bell Labs Record 17: pp. 122–126

外部リンク

• - The Phase Vocoder: A Tutorial, http://www.panix.com/~jens/pvoc-dolson.par
• - New Phase-Vocoder Techniques for Pitch-Shifting, Harmonizing and Other Exotic Effects, http://www.ee.columbia.edu/~dpwe/papers/LaroD99-pvoc.pdf
• - “Phase Vocoder”, Guitar Pitch Shifter, http://www.guitarpitchshifter.com/algorithm.html#33

ソフトウェア

• - AwesomeBox, https://web.archive.org/web/20110709004823/http://decabear.com/awesomebox.html

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