La thèse présentée propose l’introduction de scénarios temporels pour guider ou composer l’improvisation musicale homme-machine et étudie la dialectique entre planification et réactivité dans les systèmes interactifs dédiés à l’improvisation. On fait ici référence à des systèmes informatiques capables de produire de la musique en relation directe avec le contexte musical produit par une situation de concert. Ces travaux s’inscrivent dans la lignée des recherches sur la modélisation du style et l’improvisation automatique vue comme la navigation à travers une mémoire musicale provenant du jeu d’un musicien « analogique » improvisant aux côtés du système ou d’un corpus préalablement appris.

On cherche ici à appréhender l'improvisation pulsée et dite « idiomatique » (c'est-à-dire se référant à un idiome particulier) en opposition à l'improvisation « non idiomatique » à laquelle étaient dédiées les recherches mentionnées précédemment. Dans le cas idiomatique, l'improvisateur est confronté à des questions d'acceptabilité au regard de l'idiome qui se posent donc également à un système d'improvisation voulant se frotter à l'improvisation jazz, blues, rock… sans être pour autant limité à des règles impératives interdisant toute transgression et digression. En s’appuyant sur l’existence d’une structure formalisée antérieure à la performance dans de nombreux répertoires improvisés (une « grille d’accords » par exemple) ces travaux proposent : un modèle d’improvisation guidée par un « scénario » introduisant des mécanismes d’anticipation ; une architecture temporelle hybride combinant anticipation et réactivité ; et un cadre pour composer des sessions d’improvisation idiomatique ou non à l’échelle du scénario en exploitant la généricité des modèles.

On décrira donc tout d’abord un modèle pour l’improvisation musicale guidée par une structure formelle. Dans ce cadre, « improviser » signifie articuler une mémoire musicale et un « scénario » guidant l’improvisation, une « grille d’accords » dans l’improvisation jazz par exemple. Ce modèle permet d’assurer la conformité des improvisations de la machine au scénario, et utilise la connaissance a priori de la structure temporelle de l’improvisation pour introduire des mécanismes d’anticipation dans le processus de génération musicale, à la manière d’un musicien prévoyant la résolution d’une cadence.

Ce modèle peut être utilisé dans un processus compositionnel et est intrinsèquement « hors temps » puisqu’une de ses exécutions produit une séquence complète qui sera ensuite déroulée dans le temps. On présentera ensuite son intégration dans un cadre dynamique d’improvisation guidée. Dans ce contexte, une « réaction » ne peut pas être vue comme une réponse épidermique et instantanée mais doit tirer profit de la connaissance du scénario pour s’inscrire dans le temps. On considèrera donc une réaction comme une révision des anticipations à court-terme à la lumière de nouveaux évènements. La question de la conciliation entre planification long-terme et réactivité est abordée en modélisant l’improvisation guidée comme des appels dynamiques à des processus statiques, c’est-à-dire des appels « en temps » à un modèle compositionnel.

Pour pouvoir jouer avec des musiciens et en utilisant le son de ces musiciens, cette architecture propose également un module de rendu audio permettant d’improviser en réinjectant le son des co-improvisateurs, traité et transformé en temps-réel pour satisfaire le scénario d’improvisation, tout en étant synchronisé avec le temps réel de la performance, mesuré par un tempo possiblement fluctuant. Enfin, on montrera que la généricité de l'association « scénario / mémoire » et la possibilité de définir des scénarios dynamiques incitent à explorer d'autres directions que l'improvisation jazz. Des scénarios décrits avec un alphabet spécifique à un projet musical ou en termes de descripteurs audio-musicaux permettent d'aborder d’autres modes de guidage de l'improvisation musicale. De cette manière, les musiciens pour qui la définition d'un alphabet musical et la conception de scénarios d'improvisation font partie intégrante du processus créatif peuvent être impliqués en amont de la performance.

Ces recherches ont été menées en interaction constante avec des musiciens experts, en intégrant pleinement ces collaborations au processus itératif de conception des modèles et architectures. Ceux-ci ont été implémentés dans le système ImproteK, utilisé à de nombreuses reprises lors de performances avec des improvisateurs. Au cours de ces collaborations, les sessions d'expérimentations ont été associées à des entretiens et séances de réécoute afin de valider les modèles et de recueillir de nombreuses appréciations formulées par les musiciens pour valider et affiner les choix technologiques.

Contexte
Ces recherches s’inscrivent dans la lignée des travaux sur l’improvisation automatique vue comme la navigation à travers une cartographie symbolique du jeu d’un musicien (Dubnov et al., 1998), et des applications de ces principes dans le système temps-réel d’improvisation OMax (Assayag et al., 2008; Lévy et al. 2012).

OMax a donné naissance à deux projets de recherche :

• SoMax (Bonnasse-Gahot, 2014), s'intéressant à l'accompagnement automatique, et utilisant une écoute réactive pour conduire l’improvisation de la machine pas à pas en traduisant les entrées des musiciens co-improvisateurs en contraintes pour naviguer à travers un corpus,
• ImproteK, dont il est question ici, introduisant une planification long-terme dans l’improvisation grâce à une structure de scénario.
  

Travaux
Les premiers modèles intégrant des contraintes temporelles et des connaissances a priori sur le contexte d'improvisation ont été élaborés et implémentés dans le premier prototype d’ImproteK (voir publ. (7)) au début de ma thèse. Ils introduisaient un formalisme portant différentes dimensions musicales selon les applications (des contraintes métriques en ce qui concerne le rythme, ou des progressions d’accords en ce qui concerne l’harmonie) en s'appuyant sur des travaux antérieurs sur la génération automatique de séquences d'accords (Chemillier 2001, 2004).

Une généralisation de ces concepts (accompagnée d'un travail sur la généricité des modèles et de leurs implémentations) a mené à l'introduction d'une structure formelle de scénario pour guider ou composer l'improvisation homme-machine en introduisant des mécanismes d'anticipation (voir publ. (1, 2)).

Le système a ensuite bénéficié d’une recherche plus large sur une architecture permettant la coordination temporelle de différentes « stratégies d’improvisation » au sein d’un même « plan d’improvisation » structuré par les occurrences d’évènements complexes (voir publ. (5, 6)). Cette architecture d’ordonnancement permet de concilier la spontanéité et la réactivité inhérentes à l’improvisation avec une organisation temporelle prédéfinie, comme cela peut être le cas avec la musique idiomatique.

Depuis 2011, le développement des modèles et du logiciel ImproteK est mené en parallèle avec un travail de terrain avec des musiciens professionnels pour collecter des jugements experts sur les productions du système (voir publ. (3, 4)).

Les séquences du scénario et de la mémoire étant différentes dans le cas général, il faut donc exploiter au mieux leurs motifs communs pour extraire et assembler des segments de la mémoire tout en évitant l'écueil de la simple recopie dans le cas où les deux séquences présentent une grande similarité.

Pour atteindre cet objectif, le modèle proposé dans (2) et amélioré dans (1) associe à chaque phase de génération :

• l'anticipation en assurant la continuité avec le futur du scénario
• la cohérence avec la logique musicale de la mémoire en assurant la continuité avec le passé de la mémoire. (Ce dernier point permet de créer des transitions musicales cohérentes même si les séquences collectées dans la mémoire pour créer l'improvisation ne sont pas contiguës.)

Continuité avec le futur du scénario (figure précédente : flèches rouges vers l'avant)

A chaque instant de l'improvisation, les segments de la mémoire correspondant à une partie de la section du scénario qui reste à jouer sont des préfixes du suffixe courant du scénario.

L'algorithme recherchant ces évènements dans la mémoire reprend le schéma classique des algorithmes de recherche des occurrences d'un motif dans un texte en l'adaptant à l'indexation de tous les préfixes d'un motif dans un texte : comparaisons et appels à une fonction de suppléance pour décaler une fenêtre glissante afin d'éviter les comparaisons redondantes.

L'algorithme proposé utilise la fonction de suppléance introduite dans Morris & Pratt (Morris & Pratt 1970) pour bénéficier du lien direct entre la table des bords d'un mot et l'indexation de tous ses préfixes au sein de lui-même (Crochemore 2007). Cette information obtenue lors d'une phase d'analyse permet ensuite d'accélérer l'indexation de tous les préfixes du mot dans le texte choisi comme corpus.

Cet algorithme s'exécute en temps Θ(m) et n'excède pas 2*m-1 comparaisons et la phase d'analyse s'exécute en temps Θ(s_T), avec m la longueur de la mémoire, et s_T la longueur du scénario restant à jouer au temps T (suffixe du scénario original).

Continuité avec le passé de la mémoire musicale (figure précédente : flèches noires vers l'arrière)

La recherche présentée dans le paragraphe ci-dessus est associée avec une indexation des évènements de la mémoire présentant un passé commun avec le dernier élément joué. Cette information est obtenue grâce à la structure d'automate choisie pour apprendre la mémoire musicale : l'oracle des facteurs (Allauzen et al. 1999, Lefebvre et al. 2002). Cet automate fini déterministe reconnaît (un peu plus que) le langage défini par l'ensemble des facteurs du mot sur lequel il est construit, et son algorithme de construction est incrémental et linéaire en temps et en mémoire.

Comme Omax et les autres systèmes utilisant cet automate pour l'improvisation musicale, il n'est pas utilisé ici pour effectuer une recherche de motifs à proprement parler : on utilise certains de ses liens de construction pour obtenir des informations sur les similarités internes à la mémoire musicale. Celles-ci sont utiles à deux titres :

• elles sont combinées avec l'algorithme décrit précédemment pour choisir les endroits de la mémoire qui présentent une continuité avec le futur du scénario et dont le passé (les évènements précédents) correspondent à ce qui a été joué,
• elles permettent également de chaîner des séquences non contiguës et de suivre des chemins non-linéaires tout en préservant la continuité du discours musical.

La continuité relative au passé de la mémoire est donc assurée en étendant les heuristiques pour l'improvisation, l'harmonisation, et l'arrangement proposées dans une première version des modèles (7), qui adaptaient à la problématique de l'improvisation guidée les méthodes de navigation introduites dans (Assayag & Dubnov 2004, Assayag & Bloch 2007), dédiées à l'improvisation libre.

A un premier niveau, l'introduction d'une structure de scénario dans le modèle présenté ci-dessus permet d'assurer l'acceptabilité de ce que produit le système eu égard à des normes stylistiques et à des valeurs esthétiques implicitement associées aux idiomes utilisés (voir le paragraphe suivant). L'analyse des similarités internes de la mémoire évoquée plus haut permet également de recontextualiser des enchaînements et de tuiler des séquences présentant un passé musical commun afin de produire des séquences nouvelles qui ne sont pas présentes en l'état dans la mémoire musicale originale.

Ensuite, la connaissance du futur que fournit le scénario permet d'introduire des mécanismes d'anticipation pour améliorer la qualité des improvisations produites, ce qui est d'autant plus pertinent dans le cas d'improvisations « hybrides » (voir le paragraphe « hybridation »).

Enfin, on montrera dans une section suivante comment cette structure de scénario permet d'aller au-delà de simples critères de conformité pour ouvrir à la composition de performances improvisées.

La figure ci-dessous donne une représentation simplifiée (réduite aux plus longs motifs communs) : improviser sur la grille de Blue in green (Scénario) en utilisant les plus longues portions d'Autumn Leaves (Mémoire).

Pour illustrer ce processus, la vidéo ci-dessous présente un extrait de concert avec Bernard Lubat réalisé avec un des premiers prototypes (MIDI) du système. Celui-ci est utilisé pour jouer thème et variations, puis un chorus sur un scénario défini par une grille harmonique. Il utilise une mémoire musicale très hétérogène constituée du matériau musical enregistré au cours de la performance, et d'un ensemble d'interprétations de standards de jazz, ballades, morceaux de musique brésilienne,… par différents interprètes.

Hybrid improvisation using an online and offline heterogeneous memory, with Bernard Lubat - Voir la vidéo sur Vimeo.

La vidéo ci-dessous présente un court extrait d'entretien sur l'hybridation avec Bernard Lubat lors d'une session de réécoute d'un solo généré sur la grille de All the things you are en utilisant une mémoire provenant de son morceau D'ici d'en bas.

Court extrait d'entretien sur l'hybridation avec B. Lubat, premier prototype midi du système - Voir la vidéo sur Vimeo.

L'architecture dans laquelle le modèle est embarqué se situe à la frontière entre les paradigmes offline et online concernant la gestion du temps et les stratégies d'ordonnancement et de planification des systèmes musicaux informatiques. D'un côté, offline correspond aux systèmes de « composition assistée par ordinateur » (Assayag 1998), dans lesquels les structures musicales sont calculées en suivant une stratégie du « meilleur effort » et pour lesquels le rendu musical n'implique qu'une planification statique. De l'autre, online correspond aux systèmes dédiés à la performance (Dannenberg 1989) où le temps du calcul fait partie du temps du rendu musical.

Par soucis de concision (et loin de tout anthropomorphisme) on appellera :

• « anticipations » l'état courant du matériau musical généré au-delà du temps de la performance,
• « intentions » l'état courant du scénario et de paramètres secondaires de génération au-delà du temps de la performance.

Dans ce cadre, on appellera « réaction » une altération des intentions déclenchant l'envoi d'une requête au modèle de génération pour produire un fragment d'improvisation commençant à une position donnée du scénario (supérieure ou égale au temps courant de la performance). Les différentes problématiques musicales soulevées par cette vision sont discutées dans (5).

Les anticipations évolutives du système résultent donc d'appels successifs ou concurrents au modèle présenté précédemment. Comme illustré sur la figure ci-dessous, un nouveau fragment d'improvisation généré est mis en mémoire alors que l'improvisation est en train d'être jouée.

Cette architecture repose sur un agent (improvisation handler, voir publ. (5)) embarquant la mémoire, le scénario, le modèle de génération. Son architecture multithread gère les accès concurrents à ces données partagées. Son rôle est de mettre « en temps » le modèle « hors temps » en traduisant les évènements extérieurs en requêtes concurrentes pour générer des fragments d'improvisation.

Cet agent contient également une trace d'exécution qui enregistre l'historique des chemins parcourus dans la mémoire et des paramètres des dernières exécutions du modèle. De cette manière, quand il doit revenir sur des anticipations produites auparavant, le système se souvient de ses exécutions antérieures pour maintenir la cohérence entre les phases de génération successives associées à des requêtes recouvrant des intervalles de temps qui se chevauchent.

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On notera que cette architecture propose un modèle pour répondre à la question « comment réagir ? », mais ne traite pas les questions « à quoi réagir et avec quelle réponse ? », estimant qu'il serait vain d'essayer de capturer des mécanismes universels de réactivité dans l'improvisation.

Le modèle définit des mécanismes abstraits de réaction et décrit comment effectuer les appels concurrents au module de génération et au module de rendu. Il choisit d'offrir la généricité permettant non seulement de définir des alphabets et scénarios (voir section « généricité »), mais également de composer la réaction de telle sorte qu'elle puisse être déclenchée :

• par un opérateur manipulant des paramètres personnalisés (comme dans une partie des vidéos présentées sur cette page où un opérateur joue sur les zones de la mémoire musicale, ou des paramètres de filtrage choisis)
• par une réactivité composée définissant des règles propres à un projet musical.

Nous proposons pour cela une architecture audio (voir publ. (1)) dans laquelle le jeu des musiciens co-improvisateurs est enregistré, segmenté par des marqueurs temporels de pulsation, et indexé en temps-réel au sein d'une partition dynamique (voir publ. (6)). Cette partition dynamique est un programme réactif chargé de synchroniser des processus musicaux et leurs rendus avec les entrées musicales et les entrées de contrôle venant de l'environnement, en particulier une source extérieure de pulsation non-métronomique pour s'adapter au tempo fluctuant des co-improvisateurs humains.

Chaque unité d'improvisation symbolique générée par le modèle est associée à la date correspondante à lire dans la mémoire audio enregistrée. Le système peut donc ainsi improviser en réinjectant le matériau audio « live », qui est traité et transformé pour satisfaire le scénario et pour être joué de manière synchrone avec une pulsation humaine.

Différentes voix constituant l'improvisation de la machine sont définies comme différentes instances concurrentes d'un même processus générique. Comme l'illustre la figure ci-dessus, ce processus envoie continûment les positions à lire dans la mémoire audio (enregistrée en temps réel) en passant par un vocodeur de phase (SuperVP, Depalle & Poirot 1991, Röbel 2003) permettant la re-synthèse de sons avec des modifications comme l'étirement temporel, la transposition, différents filtrages,… etc.

Lorsqu'à deux temps successifs de l'improvisation générée correspondent deux unités non consécutives de la mémoire audio, un effet de « crossfade » est utilisé entre une nouvelle voix d'improvisation et la précédente, qui est ensuite stoppée après ce relai.

La synchronisation avec l'environnement et la pulsation non-métronomique est réalisée en associant les stratégies de synchronisation de la partition dynamique mentionnée précédemment et le vocodeur de phase qui permet l'étirement temporel avec préservation de l'attaque (Röbel 2003).

Le programme réactif qu'est la partition dynamique est implémenté en utilisant le langage de programmation associé au système Antescofo (Cont 2008, Echeveste et al. 2013). Il contient des variables spécifiques dont les mises à jour sont écoutées de la même manière que des évènements musicaux provenant d'un musicien durant une performance de musique mixte avec suivi automatique de partition.

De cette manière, le système peut se synchroniser sur les mises à jours de ces variables de la même manière qu'il suivrait la pulsation d'un musicien. Quand une telle variable est déclarée en renseignant une connaissance a priori sur la périodicité de ses mises à jour, une nouvelle estimation de tempo est effectuée à chaque fois qu'elle est modifiée en utilisant les algorithmes de Large (Large 2001, Large & Jones 1999).

L'adaptation dynamique au temps réel de la performance de la vitesse de lecture dans la mémoire est donc effectuée en liant une telle variable de synchronisation à la source extérieure de pulsation, comme cela est schématisé sur la figure ci-dessous.

(Les travaux présentés dans cette section ont été menés avec la collaboration de José Echeveste, Jean-Louis Giavitto et l'équipe MuTant dans le cadre de l'élaboration du langage de programmation associé au système Antescofo. Voir publ. (6))

Dans les exemples illustrant les sections précédentes, le guidage par scénario et l'architecture temporelle sont utilisés pour assurer la conformité des improvisations de la machine à des cadres donnés. La généricité de l'association « scénario / mémoire » et la possibilité de définir des scénarios dynamiques incitent à explorer d'autres directions que l'improvisation jazz pour laquelle le système a été initialement conçu. Des scénarios décrits avec un alphabet spécifique à un vocabulaire musical donné (en termes de descripteurs audio-musicaux par exemple, ou avec un alphabet arbitraire) permettent d'aborder de nouveaux modes de guidage et de composition de l'improvisation musicale. Les travaux présentés dans cette section ont pour objectif d'impliquer les musiciens dans le « méta-niveau » de composition que constitue la conception d'un instrument interactif pour l'improvisation évoqué par Rowe dans l'extrait ci-dessous.

"[Interactive music systems] become a ligature connecting improvisation to notated composition, as the same processes used to govern the notated music can be employed to generate new improvisations in real time. This possibility is an expansion of the domain of composition […]. By delegating some of the creative responsibility to the performers and a computer program, the composer pushes composition up (to a meta-level captured in the processes executed by the computer) and out (to the human performers improvising within the logic of the work). An interesting effect of this delegation is that it requires a very detailed specification of the musical decisions needed to produce a computer program at the same time that the composer cedes a large measure of control over musical decision-making to the human improviser."
(Rowe 1999)

Le schéma général des modèles présentés est motivé par la spécificité de l'approche basée sur des métaphores de la réalité de l'improvisation : les choix technologiques sont validés et affinés en interaction avec des musiciens professionnels au cours de séances d'expérimentation effectuées dans le cadre d'une enquête ethnomusicologique mêlant sessions de travail et situations de concert.

Nous avons en particulier recueilli de nombreuses appréciations formulées par Bernard Lubat sur les résultats produits par la machine qui constituent autant de « jugements de goût » (voir publ. (3)). Ceux-ci traitent d'aspects purement idiomatiques comme le phrasé ou la justesse du tempo, et plus généralement traduisent une pensée esthétique concernant les notions d'erreur et de transgression des limites de ce qui est acceptable ou non au regard de l'idiome.

Court extrait d'entretien sur l'hybridation avec B. Lubat, premier prototype midi du système - Voir la vidéo sur Vimeo.

La démarche « d'observation participante » évoquée dans le paragraphe précédent souligne un autre aspect des recherches présentées : tenter de capturer certains aspects de l'improvisation musicale idiomatique par la modélisation informatique. Dans cette optique, le système ImproteK a été impliqué au premier plan dans des projets de recherche aux thématiques plus vastes, comme les ateliers inattendus dans le cadre du projet Mons capitale de la culture 2015.

« Penser et pratiquer l'improvisation offre l'opportunité de s'interroger sur les rapports entre les automatismes que l'on acquiert dans tous les domaines de l'existence – les automatismes comportementaux aussi bien que mentaux – et la possibilité de dépasser ces automatismes : de se désautomatiser. Il s'agira de critiquer la limite ténue entre l'automatisation, la répétition et la désautomatisation – et de guetter l'apparition de la singularité. »
Ateliers innatendus, IRI

Le thème du festival des rencontres inattendues musique et philosophie de Tournai est la rencontre de l’improvisation et de l’annotation en musique et en philosophie. D'octobre 2014 à août 2015, une école itinérante a été organisée au cours d’ateliers à Mons, Lille et Tournai, alliant des temps de pratique musicale, des temps de réflexion théorique et de discussion, et des temps de conception de dispositifs numériques d’aide à l’improvisation collective et à l'annotation. Elle s'est terminée lors d'un académie d'été à Tournai durant les quatre jours précédant le festival.

En plus de l'improvisation automatique, ImproteK a été mis en oeuvre pour conduire des analyses automatiques de la musique improvisée et en produire des représentations visuelles afin de développer un dispositif de répétition pour le musicien et de représentation pour le public. Au sein de ce projet, le système a été enrichi de systèmes de balisage des enregistrements, d'annotation en réseau, et de catégorisation des improvisations afin d'ouvrir de nouvelles pratiques de jeu interactives pour les musiciens et pour ouvrir de nouvelles pratiques d'écoute active et critique pour les spectateurs.

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• (2) Nika Jérôme, Chemillier Marc, "Improvisation musicale homme-machine guidée par un scénario temporel", Technique et science informatique, vol. 33, n° 7-8 , 2014.
• (3) Chemillier Marc, Nika Jérôme, "'Étrangement musical': les jugements de goût de Bernard Lubat à propos du logiciel d'improvisation ImproteK", Cahiers d'ethnomusicologie, n° 28, 2015 (accepté, à paraître).
• (4) Chemillier Marc, Pouchelon Jean, Andre Julien, Nika Jérôme, "La contramétricité dans les musiques traditionnelles africaines et son rapport au jazz", Anthropologie et société, vol. 38, no. 1, 2014. (Paper)
• (5) Nika Jérôme, Bouche Dimitri, Bresson Jean, Chemillier Marc, Assayag Gérard, "Guided improvisation as dynamic calls to an offline model", Sound and Music Computing conference SMC 2015, Maynooth, 2015. (Paper)
• (6) Nika Jérôme, Echeveste José, Chemillier Marc, Giavitto Jean-Louis, "Planning Human-Computer Improvisation", Proceedings of the International Computer Music Conference ICMC 2014, Athens, 2014. (Paper)
• (7) Nika Jérôme, Chemillier Marc, "ImproteK, integrating harmonic controls into improvisation in the filiation of OMax", Proceedings of the International Computer Music Conference ICMC 2012, Ljubljana, 2012, pp. 180-187. (Paper)

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