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| 本文作者： 楊曉凡 | 2017-10-09 10:33 |
雷鋒網(wǎng) AI 科技評(píng)論按：基于深度學(xué)習(xí)的有監(jiān)督語(yǔ)音分離在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界越來(lái)越受到關(guān)注，也是深度學(xué)習(xí)在語(yǔ)音領(lǐng)域的應(yīng)用中重要的一部分。作為雷鋒網(wǎng)AI研習(xí)社近期組織的一系列語(yǔ)音領(lǐng)域應(yīng)用的分享會(huì)之一，本次我們請(qǐng)到了來(lái)自搜狗的研究員文仕學(xué)對(duì)語(yǔ)音分離方面主要的研究課題和相關(guān)方法做一些介紹。
文仕學(xué)，過(guò)去學(xué)物理，后來(lái)學(xué)EE，現(xiàn)在從事Deep Learning工作，未來(lái)投身AI和CM事業(yè)。他的研究興趣在于語(yǔ)音信號(hào)處理和深度學(xué)習(xí)。在加入搜狗之前，曾在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)習(xí)，在該領(lǐng)域的期刊和會(huì)議上發(fā)表了若干篇論文。現(xiàn)在在搜狗語(yǔ)音團(tuán)隊(duì)任副研究員。
雷鋒網(wǎng) AI 科技評(píng)論將本次分享的內(nèi)容整理如下。
分享主題：基于深度學(xué)習(xí)的語(yǔ)音分離
文仕學(xué)首先介紹了“語(yǔ)音分離”（Speech Separation）是怎么樣的一種任務(wù)。這個(gè)問(wèn)題來(lái)自于“雞尾酒會(huì)問(wèn)題”，采集的音頻信號(hào)中除了主說(shuō)話人之外，還有其他人說(shuō)話聲的干擾和噪音干擾。語(yǔ)音分離的目標(biāo)就是從這些干擾中分離出主說(shuō)話人的語(yǔ)音。
根據(jù)干擾的不同，語(yǔ)音分離任務(wù)可以分為三類：
當(dāng)干擾為噪聲信號(hào)時(shí)，可以稱為“語(yǔ)音增強(qiáng)”（Speech Enhancement）
當(dāng)干擾為其他說(shuō)話人時(shí)，可以稱為“多說(shuō)話人分離”（Speaker Separation）
當(dāng)干擾為目標(biāo)說(shuō)話人自己聲音的反射波時(shí)，可以稱為“解混響”（De-reverberation）
由于麥克風(fēng)采集到的聲音中可能包括噪聲、其他人說(shuō)話的聲音、混響等干擾，不做語(yǔ)音分離、直接進(jìn)行識(shí)別的話，會(huì)影響到識(shí)別的準(zhǔn)確率。因此在語(yǔ)音識(shí)別的前端加上語(yǔ)音分離技術(shù)，把目標(biāo)說(shuō)話人的聲音和其它干擾分開(kāi)就可以提高語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的魯棒性，這從而也成為現(xiàn)代語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)中不可或缺的一環(huán)。
基于深度學(xué)習(xí)的語(yǔ)音分離，主要是用基于深度學(xué)習(xí)的方法，從訓(xùn)練數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)語(yǔ)音、說(shuō)話人和噪音的特征，從而實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音分離的目標(biāo)。
這次分享的內(nèi)容有以下這5個(gè)部分：分離使用的模型、訓(xùn)練目標(biāo)的設(shè)置、訓(xùn)練數(shù)據(jù)的生成、單通道語(yǔ)音分離算法的介紹和討論。
第一類模型是多層感知機(jī)，DNN，可以先做RBM預(yù)訓(xùn)練，再做微調(diào)（fine-tune）；不過(guò)文仕學(xué)介紹，他們團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在大數(shù)據(jù)集上不需要預(yù)訓(xùn)練也可以收斂。
LSTM（長(zhǎng)短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)）的方法中把語(yǔ)音作為一個(gè)隨時(shí)間變化的序列進(jìn)行建模，比較適合語(yǔ)音數(shù)據(jù)；CNN（卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）通過(guò)共享權(quán)值，可以在減少訓(xùn)練參數(shù)的同時(shí)獲得比全連接的DNN更好的性能。
近些年也有人用GAN（對(duì)抗性生成式網(wǎng)絡(luò)）做語(yǔ)音增強(qiáng)。模型中通常會(huì)把生成器設(shè)置為全部是卷積層，為了減少訓(xùn)練參數(shù)從而縮短訓(xùn)練時(shí)間；判別器負(fù)責(zé)向生成器提供生成數(shù)據(jù)的真?zhèn)涡畔ⅲ瑤椭善飨蛑吧筛蓛袈曇簟钡姆较蛭⒄{(diào)。
訓(xùn)練目標(biāo)包括兩類，一類是基于Mask的方法，另一類是基于頻譜映射的方法。
基于Mask的方法又可以分為幾類
“理想二值掩蔽”（Ideal Binary Mask）中的分離任務(wù)就成為了一個(gè)二分類問(wèn)題。這類方法根據(jù)聽(tīng)覺(jué)感知特性，把音頻信號(hào)分成不同的子帶，根據(jù)每個(gè)時(shí)頻單元上的信噪比，把對(duì)應(yīng)的時(shí)頻單元的能量設(shè)為0（噪音占主導(dǎo)的情況下）或者保持原樣（目標(biāo)語(yǔ)音占主導(dǎo)的情況下）。
第二類基于Mask的方法是IRM（Ideal Ratio Mask），它同樣對(duì)每個(gè)時(shí)頻單元進(jìn)行計(jì)算，但不同于IBM的“非零即一”，IRM中會(huì)計(jì)算語(yǔ)音信號(hào)和噪音之間的能量比，得到介于0到1之間的一個(gè)數(shù)，然后據(jù)此改變時(shí)頻單元的能量大小。IRM是對(duì)IBM的演進(jìn)，反映了各個(gè)時(shí)頻單元上對(duì)噪聲的抑制程度，可以進(jìn)一步提高分離后語(yǔ)音的質(zhì)量和可懂度。
TBM與IRM類似，但不是對(duì)每個(gè)時(shí)頻單元計(jì)算其中語(yǔ)音和噪聲的信噪比，而是計(jì)算其中語(yǔ)音和一個(gè)固定噪聲的信噪比
SMM是IRM在幅度上的一種形式
PSM中加入了干凈語(yǔ)音和帶噪語(yǔ)音中的相位差信息，有更高的自由度
雖然基于Mask的方法有這么多，但最常用的還是開(kāi)頭的IBM和IRM兩種
如果使用頻譜映射，分離問(wèn)題就成為了一個(gè)回歸問(wèn)題。
頻譜映射可以使用幅度譜、功率譜、梅爾譜以及Gammatone功率譜。Gammatone是模擬人耳耳蝸濾波后的特征。為了壓縮參數(shù)的動(dòng)態(tài)范圍以及考慮人耳的聽(tīng)覺(jué)效應(yīng)，通常還會(huì)加上對(duì)數(shù)操作，比如對(duì)數(shù)功率譜。
基于頻譜映射的方法，是讓模型通過(guò)有監(jiān)督學(xué)習(xí)，自己學(xué)習(xí)有干擾的頻譜到無(wú)干擾的頻譜（干凈語(yǔ)音）之間的映射關(guān)系；模型可以是DNN、CNN、LSTM甚至GAN。
這一頁(yè)是使用相同的DNN模型、相同的輸入特征、不同的訓(xùn)練目標(biāo)得到的結(jié)果。
左邊的STOI指語(yǔ)音的可懂度，得分在0到1之間，越高越好；右邊的PESQ是語(yǔ)音的聽(tīng)覺(jué)質(zhì)量、聽(tīng)感，范圍為-0.5到4.5，也是越高越好。
基于Mask的方法STOI表現(xiàn)較好，原因是有共振峰的能量得到了較好的保留，而相鄰共振峰之間波谷處的聲音雖然失真較大，但人耳對(duì)這類失真并不敏感；兩類方法在PESQ中表現(xiàn)相當(dāng)。
針對(duì)語(yǔ)音分離中的語(yǔ)音增強(qiáng)任務(wù)，首先可以通過(guò)人為加噪的方法生成帶噪語(yǔ)音和干凈語(yǔ)音對(duì)，分別作為輸入和輸出（有標(biāo)注數(shù)據(jù)），對(duì)有監(jiān)督學(xué)習(xí)模型進(jìn)行訓(xùn)練。加入的噪聲可以是各種收集到的真實(shí)世界中的噪聲。
不過(guò)收集噪聲需要成本，而且人工能夠收集到的噪音總是有限的，最好能夠有一套完備、合理的方案，用仿真的方式生成任意需要的噪聲。 在今年的MLSP（信號(hào)處理機(jī)器學(xué)習(xí)）會(huì)議上，搜狗語(yǔ)音團(tuán)隊(duì)就發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于噪聲基的工作，通過(guò)構(gòu)造一個(gè)噪聲基模型，在不使用任何真實(shí)噪音數(shù)據(jù)的情況下，生成帶噪語(yǔ)音對(duì)語(yǔ)音增強(qiáng)模型進(jìn)行訓(xùn)練，達(dá)到了與使用50種真實(shí)噪音的情況下相當(dāng)?shù)男阅埽ㄏ聢D）。
如果將這50種真實(shí)噪聲和噪聲基產(chǎn)生的數(shù)據(jù)混合在一起，性能可以比單獨(dú)使用真實(shí)噪音的情況得到進(jìn)一步提高。這也說(shuō)明噪聲基生成的噪聲和真實(shí)噪聲數(shù)據(jù)之間有著互補(bǔ)性，在實(shí)際應(yīng)用中也可以解開(kāi)一些真實(shí)噪聲數(shù)據(jù)不足帶來(lái)的限制。
如開(kāi)頭所說(shuō)，語(yǔ)音分離任務(wù)可以分為三類，語(yǔ)音增強(qiáng)、多說(shuō)話人分離和解混響。不同任務(wù)的處理方法也有所不同。
對(duì)于語(yǔ)音增強(qiáng)，基于Mask的方法首先進(jìn)行耳蝸濾波，然后特征提取、時(shí)頻單元分類、二值掩蔽、后處理，就可以得到增強(qiáng)后的語(yǔ)音了。
語(yǔ)音增強(qiáng)的另一類基于頻譜映射的方法中，先特征提取，用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)帶噪語(yǔ)音和干凈語(yǔ)音的對(duì)數(shù)功率譜之間映射關(guān)系，再加上波形重建，就可以得到增強(qiáng)后的語(yǔ)音。
基于有監(jiān)督學(xué)習(xí)的算法都存在推廣性（generalization）的問(wèn)題，語(yǔ)音增強(qiáng)這里也不例外。針對(duì)噪音類型、信噪比和說(shuō)話人的推廣性都還有提升的空間。
對(duì)于解混響，同樣可以使用基于頻譜映射的方法。解混響中也需要生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)，但不同于帶噪語(yǔ)音生成時(shí)做時(shí)域的相加，帶混響的語(yǔ)音是在時(shí)域上進(jìn)行卷積；同樣都把干凈語(yǔ)音作為帶標(biāo)注數(shù)據(jù)。
在基于頻譜映射的方法基礎(chǔ)上還可以加以改進(jìn)。對(duì)于不同的混響時(shí)間，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要學(xué)習(xí)的時(shí)間窗口長(zhǎng)度是不一樣的，因而改進(jìn)方法中加入了告知混響時(shí)間的功能，根據(jù)幀移R和擴(kuò)幀數(shù)目N提特征后解碼，可以獲得更好的解混響效果。
多說(shuō)話人分離分為三種情況
目標(biāo)說(shuō)話人和干擾說(shuō)話人都固定，Speaker dependent，有監(jiān)督分離
目標(biāo)說(shuō)話人固定，訓(xùn)練階段和測(cè)試階段的干擾說(shuō)話人可變，Target dependent，半監(jiān)督分離
目標(biāo)說(shuō)話人和干擾說(shuō)話人都可變，Speaker independent，無(wú)監(jiān)督分離
對(duì)于有監(jiān)督和半監(jiān)督分離，可以使用基于頻譜映射的方法，與前面使用基于頻譜映射的方法做語(yǔ)音增強(qiáng)類似。
對(duì)于無(wú)監(jiān)督分類，有無(wú)監(jiān)督聚類、深度聚類以及最近的序列不變訓(xùn)練（PIT）方法。PIT方法的核心是紅框中標(biāo)出的部分，在誤差回傳的時(shí)候，分別計(jì)算輸出序列和標(biāo)注序列間各種組合的均方誤差，然后從這些均方誤差中找到最小的那個(gè)作為回傳誤差，也就是根據(jù)自動(dòng)找到的聲源間的最佳匹配進(jìn)行優(yōu)化，避免出現(xiàn)序列模糊的問(wèn)題。
最后，文仕學(xué)給大家留了兩個(gè)思考題，歡迎大家在評(píng)論區(qū)給出自己的見(jiàn)解。
第一個(gè)問(wèn)題是語(yǔ)音分離任務(wù)中，是按傳統(tǒng)思路先變換到頻域，然后在頻域上進(jìn)行處理，還是直接在時(shí)域上處理比較好？后者的好處是端到端訓(xùn)練，不用考慮頻域方法做傅立葉反變換時(shí)相位的問(wèn)題。
第二個(gè)問(wèn)題是對(duì)于語(yǔ)音增強(qiáng)任務(wù)，應(yīng)該使用真實(shí)噪聲加噪還是使用人工仿真生成的噪聲進(jìn)行降噪？
感謝文仕學(xué)此次的分享以及對(duì)文本的指正，也歡迎大家關(guān)注雷鋒網(wǎng) AI 研習(xí)社未來(lái)的更多分享活動(dòng)！
