• 2024年9月19日
• in Computer Science, Sound
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Seed-Music: A Unified Framework for High Quality and Controlled Music Generation

• https://arxiv.org/abs/2409.09214
• https://arxiv.org/pdf/2409.09214

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1. はじめに

1.1 音楽生成の背景と課題

音楽は人類文化の根幹を成す要素であり、特に声楽（ボーカル音楽）は人類の歴史を通じて重要な役割を果たしてきました。しかし、音楽制作には以下のような複雑な工程が必要です：

• 制作前の準備
• 作詞作曲
• レコーディング
• 編集
• ミキシング
• マスタリング

これらの工程は専門的なスキルを必要とし、多くの人々にとって参入障壁となっています。

1.2 現状の技術的課題

現代の深層生成モデルは、以下のような課題に直面しています：

1. ドメインの複雑性：
2. 短期的な旋律の一貫性と長期的な構造の整合性が必要
3. 歌声には広い周波数帯域にわたる重複音が存在
4. 歌唱には広いピッチ範囲と表現技術が必要

5. 複数の要素（歌声、和音、打楽器等）を同時に生成する必要がある

6. 評価の難しさ：

7. 芸術的品質の評価には専門知識が必要
8. 旋律の魅力、和音進行の整合性、構造の適切さ、表現力の評価が必要
9. 文化や地域による美的基準の違いが存在

10. 芸術的要素の定量化が困難

11. データの複雑性：

12. 歌詞、ジャンル、楽器編成、曲構造などの注釈付きデータが必要
13. 音楽注釈には専門知識が必要

14. 一般的な音声書き起こしや画像ラベリングと比べて難しい

15. ユーザーニーズの多様性：

16. 初心者とプロフェッショナルで要求が大きく異なる
17. テキストから音楽を生成するシステムは初心者には革新的だが、プロには限定的
18. プロは個々の楽器トラックへのきめ細かい制御を求める
19. 楽器奏者によって編集ニーズが異なる

2. システムアーキテクチャ

2.1 基本構成

Seed-Musicは3つの主要コンポーネントで構成されています：

1. Representation Learning（表現学習）モジュール：
2. 生の音声波形を中間表現に変換

3. 情報の圧縮と本質的特徴の抽出を担当

4. Generator（生成器）：

5. ユーザーからの多様な制御入力を処理
6. 適切な中間表現を生成

7. 入力と出力の整合性を保証

8. Renderer（レンダラー）：

9. 中間表現から高品質な音声波形を生成
10. 音響的な詳細を忠実に再現

2.2 中間表現の種類と特徴

システムは3種類の中間表現をサポートしています：

1. オーディオトークン
2. メリット：
   • セマンティックと音響情報の効率的なエンコード
   • 自己回帰LMとの親和性が高い

3. デメリット：

   • 解釈が困難
   • 発音、音色、ピッチなどが複雑に絡み合う

4. シンボル音楽トークン（MIDIなど）

5. メリット：
   • 離散的で解釈が容易
   • 直接的な編集が可能

6. デメリット：

   • 音響的詳細の欠如
   • 大規模な教師データが必要

7. ボコーダー潜在表現

8. メリット：
   • 音響的詳細の保持
   • レンダラーの負荷軽減
9. デメリット：
   • 解釈不可能
   • 予測タスクに不要な情報も含む

3. パイプラインの詳細実装

3.1 オーディオトークンベースのパイプライン

このパイプラインは4つの主要な構成要素を持ちます：

1. オーディオトークナイザー
2. 音楽波形を低レートの離散トークンに変換

3. 以下の要素を効率的にエンコード：

   • メロディ
   • リズム
   • ハーモニー
   • 音素
   • 楽器の音色

4. 自己回帰言語モデル（Generator）

5. 機能：
   • 制御信号をプレフィックストークンに変換
   • ターゲットオーディオトークンの予測

6. 制御信号の処理方法：

   • カテゴリ信号：ジャンルタグなどをルックアップテーブルで変換
   • 浮動小数点信号：xValエンコーディングで連続値を表現
   • 歌詞信号：音素シーケンスに変換
   • 参照音声信号：トークン化して埋め込みに変換

7. トークン拡散モデル

8. Diffusion Transformer (DiT)アーキテクチャを使用
9. 注意層とMLPの積層構造

10. ノイズレベルの段階的な予測

11. 音響ボコーダー

12. 低フレームレートのVAEボコーダーデコーダー
13. 44.1kHzステレオ音声波形を生成

3.2 シンボルトークンベースのパイプライン

特徴的な実装ポイント：

1. リードシートトークン

2. 以下の情報を含む：

   • ピッチ
   • 音価
   • 小節内位置
   • 音素アライメント
   • セクション情報
   • 楽器情報
   • テンポ

3. 音楽情報抽出（MIR）モデル群

4. ビートトラッキング
5. キーとコード検出
6. 構造セグメンテーション
7. 5楽器MIDI転写（ボーカル、ピアノ、ギター、ベース、ドラム）

8. 歌詞転写

9. トークン生成方式

10. REMI方式：楽器トラックを拍ベースで量子化

11. xVal方式：発音時刻と音価を連続値でエンコード

12. 人間の知識の活用

13. 音楽理論ルールによる制約
14. トークン予測の精度向上

3.3 ボコーダー潜在表現ベースのパイプライン

主要な特徴：

1. 条件付け手法
2. ボコーダー潜在空間での文脈条件付け
3. 入力ノイズ空間での文脈条件付け
4. 時系列入力による条件付け

5. マルチチャネル出力のサポート

6. 実装上の利点

7. 自己回帰変換器の省略
8. より柔軟な条件付け入力
9. 大規模で多様な入力に対応
10. マルチチャネル入出力の容易な実現

3.4 モデルの学習と推論

学習プロセス：

1. 事前学習
2. 一般的な音楽音声のモデリング

3. 基礎的な生成能力の獲得

4. ファインチューニング

5. データファインチューニング：音楽性の向上

6. 指示ファインチューニング：制御性の向上

7. 強化学習（RL）による後学習

8. 報酬モデルの種類：
   • 歌詞の編集距離
   • ジャンル予測精度
   • 曲構造の一致度
   • テンポ、楽器編成の一致
   • 人間フィードバック

推論時の最適化：

1. サンプリング手法
2. Classifier-free guidanceの慎重な調整

3. 音楽性とプロンプト忠実度のバランス

4. 高速化技術

5. モデル蒸留による反復回数の削減
6. ストリーミングデコーディングの実装

4. 主要アプリケーションの詳細

4.1 Lyrics2Song（歌詞から音楽生成）

1. 基本機能
2. 歌詞とスタイル記述からの音楽生成
3. セクションタグ（verse、chorus、bridge等）のサポート

4. オーディオトークンベースパイプラインの活用

5. 生成能力

6. ショートフォーム音声クリップ生成
7. フルレングストラック制作
8. 表現力豊かなボーカルパフォーマンス

9. 多様なジャンルと楽器編成

10. 参照音声による制御

11. 継続モード：
    • 参照音声のトークンを直接使用
    • 構造的、旋律的、音響的な類似性を維持

12. リミックスモード：

    • 参照音声の特徴を埋め込みベクトルとして使用
    • グローバルな特徴を保持しつつ新しいスタイルを生成

13. 評価指標

14. 定量的評価：
    • 単語誤り率（WER）
    • 音楽タグ付けパフォーマンス
15. 定性的評価（CMOS）：
    • 音楽性
    • 音質
    • プロンプトへの忠実度

4.2 Lyrics2Leadsheet2Song

1. 2段階プロセス
2. Lyrics2Leadsheet：
   • 歌詞からリードシート生成
   • スタイル記述の反映

3. Leadsheet2Song：

   • リードシートから完全な音声ミックス生成
   • 自然な演奏表現の付加

4. リードシートトークンの特徴

5. 8種類のイベントタイプ：
   • 歌詞音素
   • 小節
   • コード
   • ボーカルノート
   • ベースノート
   • ピアノノート
   • ギターノート
   • ドラムノート
6. トラック別の情報管理

7. 時間構造の明示的な表現

8. 応用例

9. 歌声合成（SVS）
10. 個別楽器トラックの生成
11. プロフェッショナル向け編集機能

4.3 MusicEDiT（音楽編集システム）

1. 技術的特徴
2. 拡散モデルベースのインペインティング
3. リードシート条件付けによる制御

4. 非因果的アプローチの活用

5. 編集機能

6. 歌詞編集：
   • 同一言語内での変更
   • 言語間での変換
7. メロディ編集：
   • 特定時間区間の調整
   • 他の要素の保持
8. バッキングトラックの保持

4.4 ゼロショット歌声変換

1. 技術的課題
2. ボーカルミックス処理：
   • 背景楽器との調和維持
   • MSS（音源分離）への依存回避
3. 音域の課題：
   • 広い歌唱音域への対応
   • 参照声質の一般化

4. 表現技術：

   • 多様な歌唱技法の再現
   • 発音とプロソディの維持

5. システムの特徴

6. 最小限の参照データ要件
7. 話し声からの歌声変換
8. アマチュアから専門家レベルの変換

5. 倫理的配慮とセーフティ

5.1 倫理的アプローチ

1. 基本方針
2. ミュージシャンの生活支援
3. 創造的表現のツールとしての位置づけ

4. バイアスの最小化

5. 制御要素の提供

6. 芸術的選択の自由度確保
7. ユーザーの創造性の促進
8. 作品価値の向上支援

5.2 安全性への取り組み

1. なりすまし防止
2. 多段階検証メソッド
3. 音声コンテンツの認証

4. 認可ユーザーの声のみを使用

5. 保護機能

6. マルチレベル透かし
7. 複製チェック
8. 生成プロセスの追跡可能性

6. 将来の展望

1. 技術的発展
2. 生成モデルの更なる改善
3. リアルタイム処理の強化

4. マルチモーダル統合の深化

5. 応用分野の拡大

6. ショートフォームビデオ
7. フィルム
8. ゲーム

9. AR/VR体験

10. 産業への影響

11. 音楽制作ワークフローの革新
12. プロアマチュア間の架け橋
13. 新しい芸術表現の可能性

この論文は、AIによる音楽生成・編集の分野に大きな革新をもたらす包括的なフレームワークを提案しています。技術的な革新性と実用性を兼ね備え、今後の音楽産業に大きな影響を与える可能性を秘めています。

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Seed-Musicが歌詞を自然に楽曲に組み込める理由について、論文の内容から重要なポイントを解説します：

1. 多層的な学習アプローチ

1.1 音素レベルの処理

• 歌詞をそのまま使用せず、音素シーケンスに変換
• 各音素の発音特性を考慮した処理が可能
• 言語に依存しない普遍的な音声要素として扱える

1.2 リズムと音楽構造の統合

• 音素を音楽的な時間構造（拍、小節）に合わせて配置
• セクションタグ（verse、chorus等）による楽曲構造との整合性確保
• テンポと音素の持続時間を適切に調整

2. 高度な中間表現の活用

2.1 オーディオトークン方式

• メロディ、リズム、ハーモニー、音素を統合的に表現
• 歌唱表現の微妙なニュアンスを保持
• 音楽的文脈を考慮した生成が可能

2.2 リードシートトークン方式

• 歌詞の音素と音符を明示的に紐付け
• 音楽理論に基づく制約の適用
• プロフェッショナルレベルの編集可能性

3. 品質管理メカニズム

3.1 評価指標の活用

• 単語誤り率（WER）による歌詞の正確性チェック
• 音楽タグ付けによるスタイルの一貫性確認
• 人間による主観評価（CMOS）の反映

3.2 強化学習による最適化

• 歌詞の編集距離を報酬として使用
• プロンプトとの整合性を報酬として反映
• 人間のフィードバックを学習に組み込み

4. 複雑な課題への対応

4.1 歌唱表現の処理

• 広いピッチ範囲への対応
• 多様な歌唱技法の再現
• 表現力豊かな演奏の生成

4.2 言語特性への対応

• 複数言語のサポート
• 言語間での自然な変換
• 文化的な歌唱スタイルの考慮

5. 技術的な工夫

5.1 前処理の最適化

• 効率的な音声トークン化
• セマンティック情報と音響情報のバランス
• 適切な圧縮率の選択

5.2 生成プロセスの制御

• Classifier-free guidanceの調整
• ストリーミングデコーディングの実装
• リアルタイム性の確保

これらの要素が複合的に機能することで、Seed-Musicは歌詞を自然に楽曲に統合することができます。特に、音素レベルでの処理と多様な中間表現の活用が、違和感の少ない歌唱生成を可能にしている重要な要因といえます。

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セクションタグによる楽曲構造の整合性確保について、論文の内容から詳しく解説します：

1. セクションタグの機能と重要性

1.1 基本的な役割

• 楽曲の論理的な構造を定義
• 各部分の機能と特徴を明示的に指定
• 一貫性のある楽曲展開を実現

1.2 主なセクションタグ

• Verse（詩節）
• Chorus（サビ）
• Bridge（橋渡し部分）
• Intro（導入部）
• Outro（終結部） など

2. 技術的な実装方法

2.1 リードシートトークンでの表現

bar 
track: lyrics
onset: 0 bar
duration: 1 bar
lyrics: [verse] first line of verse
...
track: chord
onset: 0 bar
chord: C
...

2.2 処理の特徴

• セクションごとに異なる音楽的特徴を学習
• 各セクションの典型的なパターンを認識
• セクション間の自然な遷移を生成

3. セクションごとの特性制御

3.1 音楽的要素の調整

• メロディの複雑さ
• ハーモニーの密度
• リズムパターン
• 楽器編成

3.2 歌唱表現の制御

• Verseでは歌詞の明瞭性を重視
• Chorusでは印象的なメロディと力強い表現
• Bridgeでは変化と展開を意識

4. 構造的一貫性の確保

4.1 自動評価システム

• 構造検出モデルによる検証
• セクション間のバランス確認
• 遷移の自然さの評価

4.2 強化学習での活用

• 曲構造の一致度を報酬として使用
• セクション特性の適切な表現を学習
• 長期的な一貫性の維持を強化

5. 実際の応用例

5.1 完全な楽曲生成

• セクションの適切な配置
• 各部分の特徴的な表現
• 全体としての統一感

5.2 部分的な編集

• 特定セクションの再生成
• 構造を保持したまま部分修正
• セクション間の調和維持

6. 主な利点

6.1 創造的な制御

• 楽曲構造の明示的なデザイン
• セクションごとの特性カスタマイズ
• 意図した展開の実現

6.2 品質向上

• 構造的な崩れの防止
• 自然な楽曲展開の実現
• プロフェッショナルな品質の確保

このように、セクションタグは単なるラベル付けではなく、楽曲全体の構造と表現を制御する重要な要素として機能しています。これにより、Seed-Musicは一貫性のある、プロフェッショナルな品質の楽曲を生成することができます。

また、セクションタグの活用は、ユーザーが意図する楽曲構造を明示的に指定できる点でも重要です。これは特に、プロフェッショナルな音楽制作者のワークフローとの親和性を高めることにもつながっています。

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Seed-Musicにおける歌詞の自然な発音とリズム制御について、論文から重要なポイントを解説します：

1. 音素レベルでの精密な制御

1.1 音素アライメントシステム

track: lyrics
onset: 0 bar
duration: 1 bar
lyrics: twinkle twinkle
track: vocal
onset: 0 bar
duration: 1/4 bar
pitch: C4

• 各音素の開始時刻と持続時間を厳密に制御
• 音符との一対一対応を確立
• リズムグリッドへの正確な配置

1.2 音素の特性考慮

• 子音と母音の適切な長さ配分
• 音素間の自然な遷移
• 歌唱特有の音素の伸び方を学習

2. 多層的な品質管理

2.1 学習時の評価指標

• WER（Word Error Rate）による発音精度の評価
• 以下の要素を考慮：
• 母音の伸長
• 子音の強調
• ピッチの変動
• 歌唱特有のリズムパターン

2.2 フィードバックシステム

• 音楽タグ付けモデルによる評価
• 構造的セグメンテーションの確認
• 人間の評価者によるCMOS評価

3. 高度な中間表現の活用

3.1 オーディオトークン方式での利点

• 音響特性と意味内容の統合的な表現
• 歌唱表現の微細なニュアンスの保持
• コンテキストを考慮した生成

3.2 リードシートトークン方式の特徴

• 音符と音素の明示的な紐付け
• 音楽理論に基づく制約の適用
• プロフェッショナルレベルの編集可能性

4. 専門的な音楽知識の組み込み

4.1 音楽情報抽出（MIR）モデルの活用

• ビートトラッキング
• キーとコード検出
• 構造セグメンテーション
• 5楽器MIDI転写
• 歌詞転写

4.2 音楽理論の応用

• 拍節構造との整合性
• フレージングの自然さ
• アクセントの適切な配置

5. 高度な生成制御システム

5.1 リアルタイム制御

• ストリーミングデコーディング
• 動的な調整機能
• フィードバックの即時反映

5.2 品質最適化

• Classifier-free guidanceの適用
• モデル蒸留による効率化
• 強化学習による継続的改善

6. プロフェッショナル品質の実現要因

6.1 統合的アプローチ

• 音響的特徴の保持
• 音楽的整合性の確保
• 歌唱表現の自然さ

6.2 詳細な制御機能

• 音素単位の微調整
• リズムの精密な制御
• 表現力の豊かさ

このように、Seed-Musicは複数の技術的要素を組み合わせることで、自然な発音とリズム制御を実現しています。特に：

1. 音素レベルでの精密な制御
2. 多層的な品質管理システム
3. 専門的な音楽知識の活用
4. 高度な中間表現の利用

これらの要素が総合的に機能することで、プロフェッショナルレベルの歌唱表現が可能となっています。また、継続的な品質改善のためのフィードバックシステムも重要な役割を果たしています。

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音素（phoneme）について説明します。

1. 音素の基本概念

1.1 定義

• 言語において意味を区別する最小の音声単位
• 単語の意味を区別できる最小の音の単位
• 発話の基本的な構成要素

1.2 具体例

日本語の例：

「かた」という単語の場合：
/k/ + /a/ + /t/ + /a/ の4つの音素

「はた」の場合：
/h/ + /a/ + /t/ + /a/ の4つの音素

→ /k/ と /h/ の音素の違いで意味が変わる（肩 vs 旗）

英語の例：

"cat" の場合：
/k/ + /æ/ + /t/ の3つの音素

"bat" の場合：
/b/ + /æ/ + /t/ の3つの音素

→ /k/ と /b/ の音素の違いで意味が変わる

2. 音素の種類

2.1 子音

• 口腔内で空気の流れを妨げて作る音
• 例：/k/、/t/、/p/、/s/ など
• 特徴：
• 破裂音（p, b, t, d, k, g）
• 摩擦音（f, v, s, z）
• 鼻音（m, n） など

2.2 母音

• 口腔内で空気の流れを妨げずに作る音
• 例：/a/、/i/、/u/、/e/、/o/ など
• 特徴：
• 口の開き方
• 舌の位置
• 唇の形 により異なる音になる

3. Seed-Musicにおける音素の重要性

3.1 歌唱生成での役割

• 正確な発音の制御
• 自然な歌声の実現
• 言語間の変換への対応

3.2 技術的な活用

入力テキスト「Hello」の場合：
1. 音素分解: /h/ + /ə/ + /l/ + /oʊ/
2. 各音素の特性を考慮：
   - 持続時間
   - ピッチ変化
   - 強弱
3. 音楽的な要素との同期：
   - リズム
   - メロディ
   - 表現

3.3 利点

1. 精密な制御が可能
2. 各音素の長さ
3. 音の強さ

4. ピッチの変化

5. 多言語対応

6. 言語に依存しない処理

7. 異なる言語間での変換

8. 自然な歌唱表現

9. 滑らかな音の接続
10. 歌唱特有の音の伸ばし方
11. 感情表現との連携

4. 音素と音楽の関係

4.1 音楽的タイミング

• 拍節構造との整合
• リズムパターンへの適合
• フレージングの形成

4.2 歌唱表現

• ビブラート
• 音の強弱
• 音色の変化 との連携

このように、音素は言語の音声を構成する基本単位であり、Seed-Musicでは自然な歌唱生成のための重要な要素として活用されています。音素レベルでの制御により、高品質な歌声生成が可能となっています。