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语音合成的预训练模型

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语音合成的预训练模型

与 ASR（语音识别）和音频分类任务相比，语音合成的预训练模型检查点明显较少。在 🤗 Hub 上，您可以找到近 300 个适合的检查点。 在这些预训练模型中，我们将重点关注两种在 🤗 Transformers 库中开箱即用的架构——SpeechT5 和 Massive Multilingual Speech（MMS）。 在本节中，我们将探索如何在 Transformers 库中使用这些预训练模型进行 TTS（语音合成）。

SpeechT5

SpeechT5 是由 Microsoft 的 Junyi Ao 等人发布的模型，它能够处理一系列语音任务。虽然本单元中我们关注的是文本转语音， 但这个模型还可以用于语音转文本的任务（语音识别或说话人识别），以及语音转语音的任务（例如语音增强或变声器）。这是模型设计和预训练的方式所决定的。

SpeechT5 的核心是一个常规的 Transformer 编码器-解码器模型。就像任何其他 Transformer 一样，编码器-解码器网络使用隐藏表示来模拟序列到序列的转换。这个 Transformer 骨架对 SpeechT5 支持的所有任务都是相同的。

除此之外，SpeechT5 还有六个模态特定（语音/文本）的预处理网络（pre-nets）和后处理网络（post-nets）。输入的语音或文本（取决于任务）通过相应的预处理网络被预处理， 以获得 Transformer 可以使用的隐藏表示。然后，Transformer 的输出被送进后处理网络，转化为目标模态的输出。

以下是该模型的架构（图片来源于原始论文）：

SpeechT5 architecture from the original paper

SpeechT5 首先使用大规模的未标注语音和文本数据进行预训练，以获得不同模态的统一表示。在预训练阶段，所有的预处理网络和后处理网络同时使用。

预训练之后，将整个编解码器骨架针对每个单独任务进行微调。在这个步骤中，只有与特定任务相关的预处理和后处理网络被采用。 例如，要使用 SpeechT5 进行语音合成，您需要选择文本编码器预处理网络来处理文本输入，以及语音解码器的预处理和后处理网络来处理语音输出。

这样就可以获得多个针对不同语音任务微调的模型，它们都受益于最开始在未标注数据上预训练时学到的知识。

尽管模型开始时使用的是同一个预训练模型的相同权重集，但微调后的最终版本会大不相同。所以，您不能仅仅通过更换预处理和后处理网络， 就将一个微调后的 ASR 模型转换为一个可用的 TTS 模型。SpeechT5 很灵活，但还没有灵活到这个程度 QwQ

让我们具体看看 SpeechT5 在 TTS（文本到语音）任务中使用的预/后处理网络是什么：

  • 文本编码器预处理网络（Text encoder pre-net）：一个文本嵌入层，将文本词元映射到编码器可以读入的隐藏表示。这与 NLP 模型（如 BERT）中的做法类似。
  • 语音解码器预处理网络（Speech decoder pre-net）：这个网络以对数梅尔谱（log mel spectrogram）为输入，并使用一连串的线性层来将频谱图压缩成隐藏表示。
  • 语音解码器后处理网络（Speech decoder post-net）：这个网络预测一个残差来添加到输出的频谱图中，用于优化模型输出的结果。

结合起来，这就是 SpeechT5 在语音合成中使用的架构：

SpeechT5 architecture for TTS

正如您所看到的，输出是一个对数梅尔谱，而不是最终的波形。如果您记得，我们在 第 3 单元 简要讨论过这个话题。 生成语音的模型的输出常常是对数梅尔谱，还需要通过一个额外的神经网络，即声码器（vocoder），才能转换成波形。

让我们看看具体应该怎么做。

首先，让我们从 🤗 Hub 加载微调过的 TTS SpeechT5 模型，以及用于分词和特征提取的处理器对象：

from transformers import SpeechT5Processor, SpeechT5ForTextToSpeech

processor = SpeechT5Processor.from_pretrained("microsoft/speecht5_tts")
model = SpeechT5ForTextToSpeech.from_pretrained("microsoft/speecht5_tts")

接下来，给输入的文本分词。

inputs = processor(text="Don't count the days, make the days count.", return_tensors="pt")

SpeechT5 TTS 模型不仅限于生成一种音色的语音。相反，它能够使用所谓的“说话人嵌入”（speaker embeddings）来模仿各种特定说话人的声音特征。

说话人嵌入（Speaker embeddings）是一个固定大小的向量，不论音频的长度如何都能用一种紧凑的方式表示说话人的身份。这些向量捕获了关于说话人的音色、口音、 语调以及其他独特特征的关键信息，这些特征区分了不同的说话人。这样的嵌入有说话人验证（speaker verification）、说话人分离（speaker diarization）、 说话人识别（speaker identification）等多种应用。生成说话人嵌入时最常用的技术包括：

  • I-Vectors（身份向量）：I-Vectors 基于高斯混合模型（Gaussian mixture model，GMM）。它属于无监督学习，用一个特定说话人的 GMM 的统计数据得出一个低维度、固定大小的向量来代表说话人。
  • X-Vectors：X-Vectors 利用了深度神经网络（DNN），通过整合时间维度的上下文来捕获帧级的说话人信息。

X-Vectors 是 SOTA（state-of-the-art）的方法，在测试集上的表现优于 I-Vectors。 X-Vectors 是深度神经网络产生的：它被训练以区分不同说话人，并将长度不一的语音音频映射到固定维度的嵌入。您还可以加载提前计算好的 X-Vector 说话人嵌入，它封装好了某个特定说话人的说话特征。

让我们从 Hub 上的数据集中加载一个说话人嵌入。这些嵌入是使用 CMU ARCTIC 数据集 和 这个脚本 获得的，这里使用任何 X-Vector 嵌入都可以。

from datasets import load_dataset

embeddings_dataset = load_dataset("Matthijs/cmu-arctic-xvectors", split="validation")

import torch

speaker_embeddings = torch.tensor(embeddings_dataset[7306]["xvector"]).unsqueeze(0)

说话人嵌入是形状为 (1, 512) 的张量，我们选的这个说话人嵌入描述的是一个女声。

此时，我们已经有足够的输入来生成对数梅尔谱作为输出，您可以这样做：

spectrogram = model.generate_speech(inputs["input_ids"], speaker_embeddings)

这会输出一个形状为 (140, 80) 的张量，包含对数梅尔谱。第一维是序列长度，可能每次运行代码它的取值都会不一样， 因为语音解码器预处理网络（pre-net）总是对输入序列用 dropout。这给生成的语音添加了一些随机变化。

如果我们想生成语音波形，我们还需要指定一个用于把频谱图转换为波形的声码器（vocoder）。理论上，您可以使用任何适用于 80-bin 梅尔谱的声码器。 🤗 Transformers 提供了一个基于 HiFi-GAN 的声码器，可以很方便地使用。其权重由 SpeechT5 的原作者友情提供。

HiFi-GAN 是一种用于高保真语音合成的 SOTA 生成对抗网络（GAN）。它能够根据输入的频谱图生成高品质且逼真的音频波形。

总的来说，HiFi-GAN 由一个生成器和两个鉴别器组成。生成器是一个全卷积神经网络，它以梅尔谱作为输入并学习产生原始音频波形。 鉴别器负责区分真实音频和生成音频。这两个鉴别器关注音频的不同方面。

HiFi-GAN 在大量高品质音频数据上进行训练。它采用所谓的对抗训练，其中生成器和鉴别器网络相互竞争。最初，生成器产生的音频质量较低， 鉴别器可以轻松地将其与真实音频区分开。随着训练的进行，生成器改进其输出，目标是欺骗鉴别器。反过来，鉴别器也学会更准确地区分真实和生成的音频。 这种对抗性反馈循环帮助两个网络随时间推移提升性能。最终，HiFi-GAN 学会生成高保真音频，精密地模仿训练数据的特征。

加载声码器就像加载任何其他 🤗 Transformers 模型一样简单。

from transformers import SpeechT5HifiGan

vocoder = SpeechT5HifiGan.from_pretrained("microsoft/speecht5_hifigan")

现在您需要做的就是在生成语音时将其作为参数传递，输出将自动转换为语音波形。

speech = model.generate_speech(inputs["input_ids"], speaker_embeddings, vocoder=vocoder)

让我们来听听输出的结果。SpeechT5 使用的采样率始终是 16 kHz。

from IPython.display import Audio

Audio(speech, rate=16000)

真不错！

请随意使用 SpeechT5 语音合成 demo 探索其他声音，尝试各种各样的输入。请注意，该预训练检查点仅支持英语：

Bark

Bark 是 Suno AI 提出的基于 transformer 的语音合成模型，见 suno-ai/bark。

与 SpeechT5 不同，Bark 直接生成语音波形，无需在推理过程中使用单独的声码器——它已经集成了这一功能。这种功能是通过使用 Encodec 实现的，它既是编解码器也是压缩工具。

借助 Encodec，您可以将音频压缩成轻量级格式以减少内存使用，然后再解压缩以恢复原始音频。这个压缩过程由 8 个 codebook 帮助完成， 每个 codebook 都由整数向量组成。可以将这些 codebook 视为音频的整数形式表示或嵌入，并且每个后续的 codebook 都能在前一个的基础上提高音频重建的质量。 由于 codebook 是整数向量，它们可以被 transformer 模型学习，而 transformer 在这项任务上非常高效。这正是 Bark 被训练去做的任务。

更具体地说，Bark 由 4 个主要的模型组成：

  • BarkSemanticModel（也称为“文本”模型）：一个因果自回归的 transformer 模型，它接收分词后的文本作为输入，并预测表示文本含义的语义文本词元。
  • BarkCoarseModel（也称为“粗粒度声学”模型）：一个因果自回归的 transformer，它接收 BarkSemanticModel 模型的结果作为输入，预测 EnCodec 所需的前两个音频 codebook 。
  • BarkFineModel（“细粒度声学”模型），这次是一个非因果自编码 transformer，它基于之前生成的所有 codebook 嵌入，迭代地预测下一个 codebook 。
  • 在 EncodecModel 预测了所有 codebook 通道后，Bark 使用它来解码输出音频数组。

需要注意的是，前三个模块中的每一个都支持说话人嵌入作为条件参数，以根据预特定的预设调整输出的声音。

Bark 是一个高度可控的语音合成模型，意味着您可以调整各种各样的设置，下面我们将见证这一功能。

在一切开始之前，我们需要加载模型及其处理器。

处理器在这里有两方面的作用：

  1. 它用于对输入文本进行分词，即将其切割成模型可以理解的小片段。
  2. 它存储说话人嵌入，即可以调节生成结果的声音预设。
from transformers import BarkModel, BarkProcessor

model = BarkModel.from_pretrained("suno/bark-small")
processor = BarkProcessor.from_pretrained("suno/bark-small")

Bark 非常多功能，可以通过处理器加载一个 说话人嵌入库 中的说话人嵌入来调节它产生的声音。

# 设置说话人嵌入
inputs = processor("This is a test!", voice_preset="v2/en_speaker_3")

speech_output = model.generate(**inputs).cpu().numpy()

它还可以生成随时可用的多语言语音，例如法语和中文。您可以在 这里 找到支持的语言列表。与下面讨论的 MMS 不同，它不需要指定所使用的语言，只需将输入文本调整为相应的语言即可。

# 试试法语，同时我们也来用一个法语说话人嵌入
inputs = processor("C'est un test!", voice_preset="v2/fr_speaker_1")

speech_output = model.generate(**inputs).cpu().numpy()

该模型还可以生成非语言交流，例如笑、叹息和哭泣。 您只需使用相应的提示修改输入文本，例如 [clears throat]、[laughter] 或 ...。

inputs = processor(
    "[clears throat] This is a test ... and I just took a long pause.",
    voice_preset="v2/fr_speaker_1",
)

speech_output = model.generate(**inputs).cpu().numpy()

Bark 甚至可以产生音乐。您可以通过在单词周围添加 ♪ 音符 ♪ 来做到这一点。

inputs = processor(
    "♪ In the mighty jungle, I'm trying to generate barks.",
)

speech_output = model.generate(**inputs).cpu().numpy()

除了所有这些功能之外，Bark 还支持批处理，这意味着您可以同时处理多个文本条目，但代价是更密集的计算。在某些硬件（例如 GPU）上，批处理可以加快整体生成速度，这意味着一次性生成所有样本比逐个生成样本更快。

让我们尝试生成一些示例：

input_list = [
    "[clears throat] Hello uh ..., my dog is cute [laughter]",
    "Let's try generating speech, with Bark, a text-to-speech model",
    "♪ In the jungle, the mighty jungle, the lion barks tonight ♪",
]

# 设置一个说话人嵌入
inputs = processor(input_list, voice_preset="v2/en_speaker_3")

speech_output = model.generate(**inputs).cpu().numpy()

让我们来一个一个听这些输出。

第一个：

from IPython.display import Audio

sampling_rate = model.generation_config.sample_rate
Audio(speech_output[0], rate=sampling_rate)

第二个：

Audio(speech_output[1], rate=sampling_rate)

第三个：

Audio(speech_output[2], rate=sampling_rate)

Bark 与其他 🤗 Transformers 模型一样，只需几行代码即可针对速度和内存影响进行优化。要了解具体操作方法，请单击 此 colab 演示笔记本。

Massive Multilingual Speech (MMS)

如果您需要一个非英语的预训练模型怎么办？Massive Multilingual Speech（MMS，大规模多语种语音）是另一个涵盖多种语音任务的模型，并且，它支持大量的语言。比方说，它可以合成超过 1,100 种语言的语音。

MMS 的语音合成是基于 VITS Kim et al., 2021 的，它是最先进的 TTS 方法之一。

VITS 是一个语音生成网络，可以将文本转换成语音波形。它的工作方式类似于条件变分自编码器（conditional variational auto-encoder），从输入文本估计音频特征。首先，生成用频谱图表示的声学特征。 然后，使用改编自 HiFi-GAN 的转置卷积层解码出波形。在推理过程中，文本编码被上采样并使用流模块（flow module）和 HiFi-GAN 解码器转换成波形。像 Bark 一样，这里不需要声码器（vocoder），因为已经直接生成波形了。

MMS 模型最近才被添加到 🤗 Transformers 中，所以您需要从源代码安装该库：

pip install git+https://github.com/huggingface/transformers.git

让我们试用一下 MMS，看看如何合成非英语的语音，例如德语。首先，我们将加载特定语言的检查点和分词器：

from transformers import VitsModel, VitsTokenizer

model = VitsModel.from_pretrained("facebook/mms-tts-deu")
tokenizer = VitsTokenizer.from_pretrained("facebook/mms-tts-deu")

您可能会注意到，加载 MMS 模型需要使用 VitsModel 和 VitsTokenizer。这是因为如前所述，MMS 的 TTS 是基于 VITS 模型的。

让我们选择一首德语儿歌的前两句作为示例文本：

text_example = (
    "Ich bin Schnappi das kleine Krokodil, komm aus Ägypten das liegt direkt am Nil."
)

要生成波形输出，使用分词器预处理文本，并将其传递给模型：

import torch

inputs = tokenizer(text_example, return_tensors="pt")
input_ids = inputs["input_ids"]


with torch.no_grad():
    outputs = model(input_ids)

speech = outputs["waveform"]

让我们来听听：

from IPython.display import Audio

Audio(speech, rate=16000)

Wunderbar！如果您想尝试其他语言的 MMS，可以 在 🤗 Hub 上 寻找其他合适的 vits 检查点。

现在，让我们看看如何自己微调一个 TTS 模型！

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