文章目錄

• 1 Introduction
• 2 WaveNet
• • 2.1 WaveNet的架構(gòu)
  • 2.2 Softmax Distribution
  • 2.3 Causal Convolution和Dilated Convolution
  • 2.4 Gated Activation Unit
  • 2.5 小結(jié)
• 3 FFTNet
• 4 WaveRNN
• 4.1 Dual Softmax Layer
• 4.2 Model Coarse
• • 4.3 Model Fine
  • 4.4 小結(jié)
• 5 WaveGlow

本文為李弘毅老師【Vocoder】的課程筆記，這次課程由助教同學(xué)許博竣講授，課程視頻youtube地址，點(diǎn)這里👈(需翻墻)。

下文中用到的圖片均來(lái)自于李宏毅老師的PPT，若有侵權(quán)，必定刪除。

文章索引：

上篇 - 5 Speaker Verification

下篇 - 7-1 Overview of NLP Tasks

總目錄

1 Introduction

我們?cè)谥暗恼n程中有講過(guò)TTS(Text to Speech)模型和VC(Voice Conversion)模型。這兩個(gè)模型一般吐出來(lái)的都是一個(gè)叫做Spectrogram的東西，Spectrogram不是語(yǔ)音，它是一個(gè)表示各個(gè)時(shí)間點(diǎn)各個(gè)頻率的聲音強(qiáng)度的圖譜（下圖的圖譜中，橫軸為時(shí)間，縱軸為聲音頻率，顏色深淺表示強(qiáng)度）。因此要轉(zhuǎn)化為最終的語(yǔ)音，還需要一個(gè)叫做Vocoder的模型。總而言之，Vocoder就是把Spectrogram轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音的模型。

為什么我們必須要有一個(gè)Vocoder，而不是讓我們的網(wǎng)絡(luò)直接生成一段語(yǔ)音呢？假設(shè)我們有一段語(yǔ)音$x$，然后這段語(yǔ)音$x$經(jīng)過(guò)短時(shí)傅里葉變換之后，可以得到一個(gè)與時(shí)間$t$和頻率$f$相關(guān)的復(fù)數(shù)，這個(gè)復(fù)數(shù)的幅值$A_{t,f}$就是我們剛才聊到的Spectrogram，而$e^{i{\theta }_{t,f}}$就是相位。TTS或者VC直接生成的結(jié)果都是$A_{t,f}$，沒(méi)有相位。相位不同，產(chǎn)生的音質(zhì)的差別是很大的，所以相位是必須要有的，這個(gè)相位就需要一個(gè)叫做Vocoder的模型去生成。

其實(shí)要把相位直接放到模型里去end-to-end的train也行，但是這一方面會(huì)加大模型的訓(xùn)練難度，另一方面Vocoder是TTS和VC這樣的任務(wù)都需要的，單獨(dú)拿出來(lái)train的話，既可以兩邊通用，又可以降低TTS和VC的訓(xùn)練難度。

2 WaveNet

我們的聲音信號(hào)放大來(lái)看，就是一串點(diǎn)的序列，WaveNet借鑒了autogressive model的思想，泛一點(diǎn)來(lái)說(shuō)就是輸入前$t?1$個(gè)點(diǎn)，輸出第$t$個(gè)點(diǎn)，然后把新生成的點(diǎn)放到隊(duì)列當(dāng)中去，繼續(xù)生成下一個(gè)點(diǎn)。WaveNet最重要的部分就是Causal Convolutions，說(shuō)簡(jiǎn)單點(diǎn)就是一堆卷積。

2.1 WaveNet的架構(gòu)

WaveNet的整體架構(gòu)如下圖所示。Input就是聲音信號(hào)的前$t?1$個(gè)點(diǎn)，然后Input會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)Causal Conv，經(jīng)過(guò)Causal Conv之后，會(huì)經(jīng)過(guò)k層layers，layers就是由dialated conv和$1\times 1$卷積組成的殘差網(wǎng)絡(luò)，每層都會(huì)輸出一個(gè)特征，利用skip-connection組合起來(lái)之后，再經(jīng)過(guò)兩個(gè)$1\times 1$卷積和Softmax就得到了最終的結(jié)果。

2.2 Softmax Distribution

我們的輸入和輸出都是one-hot的向量，所以這里要用到softmax。我們的聲音信號(hào)上每個(gè)點(diǎn)的數(shù)值是一個(gè)16-bit的int，范圍在[-32768, 32767]，如果直接把這個(gè)進(jìn)行one-hot的話，我們softmax的layer將會(huì)有65536個(gè)類(lèi)別，這太難了。所以這里用了一個(gè)叫做μ-law的方法，把[-32768, 32767] (16-bit int)的信號(hào)轉(zhuǎn)變到了[0, 255] (8-bit int)。這個(gè)過(guò)程如下所示，先將信號(hào)數(shù)值轉(zhuǎn)化到[-1, 1]，然后用一個(gè)叫做μ-law的方法再轉(zhuǎn)換一下，范圍仍在[-1, 1]，最后再轉(zhuǎn)化到[0, 255]。之所以要用μ-law是因?yàn)棣?law可以減小量化誤差。

[-32768, 32767] (16-bit int) -> [-1, 1] -> [-1, 1] (μ-law) -> [0, 255] (8-bit int)

μ-law就是下面這個(gè)公式，這里不做過(guò)多介紹。

2.3 Causal Convolution和Dilated Convolution

Causal Convolution(因果卷積)就是下圖這個(gè)東西。它是專門(mén)針對(duì)時(shí)間序列設(shè)計(jì)的，所以它輸出的時(shí)候，不會(huì)考慮未來(lái)的信息，而且隱藏層越多，考慮過(guò)去的時(shí)間越久遠(yuǎn)。比如下圖是一個(gè)kernel size為2的Causal Convolution，最終的output會(huì)考慮前5個(gè)時(shí)間點(diǎn)的信息。

而Dilatied Convolution則是下圖所示的這樣，它的目的是在卷積中加入空洞來(lái)增加感受野。這樣一來(lái)就不用像標(biāo)準(zhǔn)的CNN那樣去pooling了。

而把這兩者結(jié)合起來(lái)就是Dilated Causal Convolution了。這樣一來(lái)模型就可以看到更長(zhǎng)遠(yuǎn)的信息了，這在點(diǎn)非常密集的語(yǔ)音里是非常必要的。

2.4 Gated Activation Unit

這里還有一個(gè)需要提一下的就是這個(gè)Gated Activation Unit，那其實(shí)就是經(jīng)過(guò)了兩個(gè)不同的激活函數(shù)，如下圖所示。

如果我們要給模型加一些條件的話，就可以加載這個(gè)Gated Activation Unit的部分。如果一些全局的特征，比如說(shuō)話人的一些條件，就像Global Condition那樣加，如果是要加Spectrogram這樣的隨時(shí)間變化的條件，就可以像Local condition這樣加。

2.5 小結(jié)

WaveNet可以直接使用waveform level的特征，利用到了Dilated Causal Convolution去增大感受野，同時(shí)也可以接受各種的條件輸入，最終出來(lái)的結(jié)果也是比較不錯(cuò)的。但是，它有一個(gè)問(wèn)題就是速度太慢了，這也可以想象，畢竟autogressive這種方法計(jì)算下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的輸出時(shí)，是需要利用到之前輸出的結(jié)果的，因此無(wú)法并行計(jì)算。所以之后提出的一些網(wǎng)絡(luò)，基本都是為了解決速度的問(wèn)題。

3 FFTNet

FFTNet和WaveNet一樣都是autogressive model，它簡(jiǎn)化了WaveNet中的一些繁瑣計(jì)算，同時(shí)提出了一種可以用到所有的autogressive model上的訓(xùn)練和合成技巧。

FFTNet的模型架構(gòu)如下圖所示，它會(huì)把輸入$x$分為$x_L$和$x_R$兩個(gè)部分，然后分別經(jīng)過(guò)一個(gè)卷積之后，加起來(lái)，再過(guò)一層卷積，使得總長(zhǎng)度減半，這樣運(yùn)行兩層，得到最終結(jié)果。這樣得到的特征，也是考慮了一定范圍的語(yǔ)音特征的，比如下圖中輸出的綠色部分就是考慮了$x_L$生成的。

FFTNet提出了四個(gè)技巧：

• 在開(kāi)頭做zero-padding可以讓訓(xùn)練結(jié)果更好
• 最后取結(jié)果是，不是直接去最大概率的那個(gè)值，而是根據(jù)概率分布去做sample
• 在訓(xùn)練時(shí)，給輸入加上一些噪聲
• 加入去噪聲的后處理

FFTNet最終可以達(dá)到和WaveNet差不多的效果，但速度卻快上很多。

4 WaveRNN

WaveRNN是Google提出來(lái)的，說(shuō)簡(jiǎn)單點(diǎn)就是用RNN去代替之前的CNN。

4.1 Dual Softmax Layer

WaveRNN沒(méi)有用之前把16bit轉(zhuǎn)成8bit的方法，而是把16bit轉(zhuǎn)成了兩個(gè)8bit，然后做兩次softmax的操作。

4.2 Model Coarse

產(chǎn)生$c_t$的部分如下圖所示，中間這塊我們可以把它看成一個(gè)GRU，它吃$c_{t?1}$和$f_{t?1}$，以及上一個(gè)time step的hiddent state，輸出$c_t$。

4.3 Model Fine

產(chǎn)生$f_t$的部分如下圖所示，中間這塊我們可以把它看成一個(gè)GRU，它吃$c_{t?1}$和$f_{t?1}$，以及上一個(gè)time step的hiddent state，除此之外，還有剛才產(chǎn)生的$c+t$，輸出$f_t$。

4.4 小結(jié)

WaveRNN還有一些加速的技巧，最終可以達(dá)到在手機(jī)cpu上real time的效果，非常強(qiáng)~

5 WaveGlow

WaveGlow放棄了autogressive的方法，基于flow-based model去做的，這個(gè)模型非常難train，有興趣的同學(xué)可以看一下視頻或者相關(guān)資料學(xué)習(xí)，這里不做介紹了。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Chapter6_Vocoder的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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