GitHub標星近1萬：只需5秒音源，這個網路就能實時“克隆”你的聲音

作者 | Google團隊

譯者 | 凱隱

編輯 | Jane

出品 | AI科技大本營（ID：rgznai100）

本文中，Google 團隊提出了一種文字語音合成（text to speech）神經系統，能通過少量樣本學習到多個不同說話者（speaker）的語音特徵，併合成他們的講話音訊。此外，對於訓練時網路沒有接觸過的說話者，也能在不重新訓練的情況下，僅通過未知說話者數秒的音訊來合成其講話音訊，即網路具有零樣本學習能力。

目前，已經有人將該論文實現並在 GitHub 上釋出了開源專案，目前該專案標星超 9.5k，fork 數是 1.5k。

GitHub連結：

https://github.com/CorentinJ/Real-Time-Voice-Cloning?utm_source=mybridge&utm_medium=blog&utm_campaign=read_more

 

簡介

 

傳統的自然語音合成系統在訓練時需要大量的高質量樣本，通常對每個說話者，都需要成百上千分鐘的訓練資料，這使得模型通常不具有普適性，不能大規模應用到複雜環境（有許多不同的說話者）。而這些網路都是將語音建模和語音合成兩個過程混合在一起。本文工作首先將這兩個過程分開，通過第一個語音特徵編碼網路（encoder）建模說話者的語音特徵，接著通過第二個高質量的TTS網路完成特徵到語音的轉換。

兩個網路可以分別在不同的資料集上訓練，因此對訓練資料的需求量大大降低。對於特徵編碼網路，其關鍵在於聲紋資訊的建模，即判斷兩段語音為同一人所說，因此可以從語音識別（speaker verification）任務進行遷移學習，並且該網路可以在帶有噪聲和混響的多目標資料集上訓練。

 

為了保證網路對未知（訓練集中沒有的）說話者仍然具有聲音特徵提取能力，編碼網路在18K說話者的資料集上訓練，而語音合成網路只需要在1.2K說話者的資料集上訓練。

 

網路結構

            

 

主要由三部分構成：

 

聲音特徵編碼器（speaker encoder）：

 

1. 語音編碼器，提取說話者的聲音特徵資訊。將說話者的語音嵌入編碼為固定維度的向量，該向量表示了說話者的聲音潛在特徵。

 

2. 序列到序列的對映合成網路

基於Tacotron 2的對映網路，通過文字和1得到的向量來生成對數梅爾頻譜圖（log mel spectrogram）。

（梅爾光譜圖將譜圖的頻率標度Hz取對數，轉換為梅爾標度，使得人耳對聲音的敏感度與梅爾標度承線性正相關關係）

 

3.基於WaveNet的自迴歸語音合成網路

將梅爾頻譜圖（譜域）轉化為時間序列聲音波形圖（時域），完成語音的合成。

 

需要注意的是，這三部分網路都是獨立訓練的，聲音編碼器網路主要對序列對映網路起到條件監督作用，保證生成的語音具有說話者的獨特聲音特徵。

 

1. 聲音特徵編碼器

 

編碼器主要將參考語音訊號嵌入編碼到固定維度的向量空間，並以此為監督，使對映網路能生成具有相同特徵的原始聲音訊號（梅爾光譜圖）。編碼器的關鍵作用在於相似性度量，對於同一說話者的不同語音，其在嵌入向量空間中的向量距離（餘弦夾角）應該儘可能小，而對不同說話者應該儘可能大。此外，編碼器還應具有抗噪能力和魯棒性，能夠不受具體語音內容和背景噪聲的影響，提取出說話者聲音的潛在特徵資訊。這些要求和語音識別模型（speaker-discriminative）的要求不謀而合，因此可以進行遷移學習。

 

編碼器主要由三層LSTM構成，輸入是40通道數的對數梅爾頻譜圖，最後一層最後一幀cell對應的輸出經過L2正則化處理後，即得到整個序列的嵌入向量表示。實際推理時，任意長度的輸入語音訊號都會被800ms的視窗分割為多段，每段得到一個輸出，最後將所有輸出平均疊加，得到最終的嵌入向量。這種方法和短時傅立葉變換（STFT）非常相似。

 

訓練集包含按1.6s劃分的音訊樣本，以及他們所對應的說話者label資訊，不使用任何重複樣本。

生成的嵌入空間向量視覺化如下圖：

              

可以看到不同的說話者在嵌入空間中對應不同的聚類範圍，可以輕易區分，並且不同性別的說話者分別位於兩側。

 

然而合成語音和真實語音也比較容易區分開，合成語音離聚類中心的距離更遠。這說明合成語音的真實度還不夠。

 

2. 序列到序列的對映合成網路

 

在Tacotron 2的基礎上，額外新增了對多個不同說話者的語音進行合成的功能。Tacotron 2包含注意力層，作者發現直接將嵌入向量作為注意力層的輸入，能使網路對不同的說話者語音收斂。

該網路獨立於編碼器網路的訓練，以音訊訊號和對應的文字作為輸入，音訊訊號首先經過預訓練的編碼器提取特徵，然後再作為attention層的輸入。網路輸出特徵由視窗長度為50ms，步長為12.5ms序列構成，經過梅爾標度濾波器和對數動態範圍壓縮後，得到梅爾頻譜圖。為了降低噪聲資料的影響，本文還對該部分的損失函式額外新增了L1正則化。

 

輸入梅爾頻譜圖與合成頻譜圖的對比示例如下：

              

右圖紅線表示文字和頻譜的對應關係。可以看到，用於參考監督的語音訊號不需要與目標語音訊號在文字上一致，這也是本工作的一大特色。

 

3. 基於WaveNet的自迴歸語音合成網路

 

在得到合成頻譜圖後，還需要進一步轉化為時域上的聲音波形圖，這部分主要通過自迴歸WaveNet完成。由於上一個合成器生成的序列已經包含了聲音合成所需的全部資訊，因此這部分不需要編碼器進行監督。

 

4.零樣本推斷

除了以上三部分，網路還具備零樣本推斷能力。即對於不在訓練集內的說話者（不可見），只需要該說話者幾秒的音訊段，編碼器就能提取出說話者的關鍵語音特徵，並用來輔助對映網路合成序列。並且不需要這段語音與待合成的語音具有相同文字。

 

實驗結果

 

主要在VCTK和LibriSpeech兩個大型資料集上訓練。

 

語音自然度

 

首先評估了模型合成語音的自然度（即真實度），構建了一個具有100個句子的驗證集（不在訓練集中），然後對每個資料集，都選擇一定數量的可見和不可見說話者，對每個說話者隨機選擇一個句子作為編碼器的輸入，然後對該說話者的所有句子進行合成，再與原來的真值進行對比：

 

              

語音相似度

 

為了驗證合成語音與原始說話者語音是否相似，對每個說話者的每段語音，都隨機選擇另一段語音作為真值，然後評估他們的相似度：

    

說話人認證

 

該指標與前面兩個指標相反，旨在驗證語音識別系統能否有效區分合成語音和真實語音：

              

語音編碼器評估

 

語音編碼器是本文工作的核心網路，訓練編碼器所用的資料集對網路整體效能有較大影響：

               

總結

 

本文提出的語音合成網路，能對訓練不可見的說話者進行聲音合成，並且僅僅依賴於說話者的一小段語音，這使得該網路能夠大規模應用於實際環境，也使得語音造假的成本大大降低，類似於之前的deepfake網路。

 

作者指出該網路生成的合成語音和真實語音仍然是可以區分的，這是因為訓練集的數量不足（避免太逼真帶來的安全問題）。如果要生成非常逼真的聲音，對每個目標說話，仍然需要數十分鐘的語音。

https://arxiv.org/pdf/1806.04558.pdf

（*本文為AI科技大本營編譯文章，轉載請微信聯絡 1092722531）

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