《我和我的祖國》原本就是家喻戶曉的經典曲目，在保留原曲風格的基礎上進行二次創作，使其具有鮮明的時代特色、賦予其新時期新的內涵，無疑對人工智慧是一個挑戰。機器之心就此採訪了AI交響變奏曲《我和我的祖國》曲目團隊技術負責人，揭秘這首國慶獻禮樂曲背後的硬核技術。據瞭解，AI 交響變奏曲《我和我的祖國》運用了平安首創且行業中尚未發表的具有獨創性的 AVM 自動變奏模型，它會利用深度學習技術對音樂作品實現多維度的特徵學習與提取，並結合強化學習技術讓機器學會變奏手法。總體上，結合規則系統的作曲經驗，以及深度模型的學習能力，AI 能找出最能表示主題情感的音樂片段。 聲聲聞來皆辛苦，AI 譜曲不尋常 能夠譜寫出波瀾壯闊的交響變奏曲，需要的不僅僅是模型與資料的交匯。在 AI 生成《我和我的祖國》交響變奏曲的過程，團隊遇到了很多不同的挑戰，隨之而來的則是諸多技術領域的創新和突破。據悉，這是全球領域首次嘗試藉助 AI 譜寫交響變奏曲。儘管在這一階段，很多問題都需要用專家規則判斷和約束，但透過 AI 與專家知識的結合，使得「AI+音樂」能在教育、配樂等更廣泛的實現不同形式的探索和嘗試。 兩個世界第一 利用 AVM 架構模型生成的 AI 交響曲，實現了兩個世界第一：全世界第一個能夠進行多旋律交響曲譜曲的 AI 以及全世界第一個可變譜曲風格的 AI。儘管過去很多研究都進行了 AI 譜曲的工作，但生成的樂曲都是單旋律的，其中沒有和聲、對位，也沒有區分聲道等音樂中的必備要素。這樣的生成結果僅僅只是音符的組合，和實際生活中我們聽到的真實歌曲還差了很遠。 背後原因在於，目前大部分演算法模型並沒有完整地輸入樂曲的全部資訊，而僅僅只是單個音符的序列。研究院在生成樂曲的過程中，採用了多種類別標籤的音樂資料，使 AI 同時學習到了曲子的節奏、和聲、對位、調式等八種類別的音樂資訊，並根據這些資訊進行譜曲工作。 此外，過去的多個 AI 生成的結果都帶有同樣的弊病：僅能實現一種曲風。以谷歌在巴赫誕辰日的產品為例，AI 僅能根據人們輸入的旋律進行巴赫風格的模仿，無法換成其他風格。 而據平安研究院介紹，他們的人工智慧演算法使用了 VAE 模組，其目的就是為了讓模型能夠根據使用者提出的語義資訊要求，調整模型的超引數，使得最終生成的樂曲符合使用者的需求。這樣一來，AI 實現了真正意義上的「按需譜曲」，而不是帶著以模仿為核心功能的傳聲筒。 譜曲到演奏的「最後一公里」由人類專家完成 要保證生成的曲子在實際演出達到預期效果，這是有相當大難度的。 首先，如何將語義資訊利用 AI 融入曲子中呢？利用神經網路強大的擬合能力，平安人工智慧研究院選擇了數萬個旋律片段，並根據其表達的情感打上情感標籤，然後在模型中使用 transformer 進行訓練。這樣一來，隱層向量可以學習到特定模式的旋律所對應的語義標籤資訊，對譜曲中設定好的語義要求進行旋律上的關聯。 另一個問題則是 AI 譜曲和真實演奏之間出現的斷層問題。我們知道，很多時候序列的生成時不太好控制和約束，難免會出現異常的音符旋律組合。這樣會導致 AI 生成的結果無法在實際中進行演奏。例如，一些音符的組合對於人類而言難以演奏（比如指法無法切換），或者生成的旋律不符合樂理規律等。 對於這樣的問題，研究者引入了專家知識，使用規則和人類專家干預進行調整和約束。例如，用樂理規則自動化地對錯誤的序列進行調整，並引入專家進行評價，讓人類作曲家進行調整和改進，使得樂隊可以演奏最終的譜好的曲子。 AI+音樂：應用場景廣闊 為什麼要做 AI 和音樂結合的應用？在平安看來，AI 在音樂場景中有很多應用，有廣闊的市場空間待挖掘。 用 AI 輔助歌曲生成，在樂理和文化研究、音樂教育和娛樂消費市場有大量的應用場景。首先，透過 AI 生成特定風格的音樂，有助於研究樂理理論、研究特定地域、文化中的樂曲風格。同時，使用 AI 生成音樂，可以輔助教師教授音樂知識。在娛樂領域，很多短影片和場景有音樂生成的需求，有了 AI，可以針對影片中的語境，或使用者對使用場景的需求進行定製，快速生產音樂產品。 平安也已開始嘗試將 AI 作曲與營銷活動場景相融合，剛剛收官的「平安 920：以 AI 之名」大型綜合金融營銷活動中，透過個性化的人人作曲遊戲，吸引消費者注意力，降低獲客門檻，提升主業價值。未來，「AI+音樂」還將結合平安的金融、醫療、智慧城市等生態，探索音樂治療、音樂生活、音樂教育等多領域的結合情景，可預期，在 AI 音樂的商業價值層面將無可限量。 未來，平安人工智慧研究院希望能夠進一步探索 AI+音樂的各種應用，讓 AI 不僅能夠譜曲，還能夠作詞，並在生成譜子的時候更為智慧，更符合真實的演奏環境。AI 交響變奏曲技術負責人表示：「AI 在音樂場景中的應用依然處於『嬰兒時期』，我們願意挑戰尖端領域的研究。」
那麼，這兩個模型該如何合作才能構建更合理的變奏段落呢？平安 AI 團隊表示，Transformer 是一種基本變奏模型，它學習到的是基本段落與變奏段落之間的差別，但是，無法按照使用者的需求，將變奏曲中需要表達的各種特性手動地加進去。例如我們希望變奏曲變得更「歡快」一些，同時又帶有一些「民族風」特色。 但是 VAE 則正好能學習到這些特徵。透過調整 VAE 的隱向量，我們可以為變奏段落賦予同的風格。平安 AI 團隊表示，因為整個交響曲反映了從鴉片戰爭到現在中華民族復興的奮鬥主題，因此不同的音樂元素還需要融合，它們需要透過 VAE 加到標準變奏曲中。 AI 編曲的資料之本 對於機器學習模型，資料是最重要的，要學會生成一般的變奏段落，就要求有海量的基本段落和變奏段落；要學會各種曲調風格特徵，就要求有各種音樂標籤，從而確定不同的旋律到底代表什麼語義標籤。平安 AI 團隊表示，訓練資料使用了超過 70 萬首樂曲，包括各類題材的古典音樂作品、紅色歌曲，以及民歌等作品。研究者用此資料集進行結構化訓練，讓機器學習及理解音樂重要特徵。 除了樂曲的積累，平安 AI 團隊表示，他們還積累了全方位的音樂資料，包括歌詞、各種專家規則、多種樂器的音源、人類的聲音源等聲音相關的資料。只有累積了多領域、全方位的音樂資料，才能將它們組合在一起構建更優秀的模型。 多樣化的音樂特徵標註 有了海量的音樂資料後，這些樂曲應該經過什麼樣的標註才能滿足訓練機器學習模型的要求？ 在專案中，平安 AI 團隊主要從兩個層面對結構化的樂曲進行標註。第一，團隊需要確定訓練用的樂曲表達了什麼樣的主題、描述了什麼樣的內容、呈現了什麼樣的情緒，並按照確定好的主題內容對對應的旋律進行標註。有了這些標註，才能向模型灌輸帶有語義標籤的音樂資料，創造出描述故事脈絡和特定主體情緒的變奏曲，這一層面的標註由音樂家和自動化的程式配合完成。 第二，團隊需要對音樂作品進行定量分析，根據分析結果進行資料標註。音樂作品本身的結構化資訊主要表現為發展手法、和聲、曲式、對位、配器、調性、調式、拍號等八個維度。資料標註遵從音樂理論知識，由音樂理論專家團隊標註完成。 現在，瞭解資料的主要結構後，就能更清晰地理解模型結構了。首先將音樂曲譜轉變成特定編碼格式的詞序列，再將上述標註資料作為條件約束嵌入其中。在生成階段，可以對這些維度進行操控，比如變調、約束和聲序進等。 最後，資料與機器學習的配合是非常強大的，像變奏曲這種需要大量原創性的工作，這項研究工作也表明 ML 擁有強大的能力。雖然目前自動變奏模型還有很多改進方向與可能性，但平安的 AI 變奏交響曲確實證明了 ML 在藝術領域的潛力。
