【NLP】自然语言处理学习笔记（二）语音转换

前言

本笔记参考的课程是李宏毅老师的自然语言处理 课程Link：https://aistudio.baidu.com/aistudio/education/lessonvideo/1000466

Voice Conversion

什么是语音转换？ 语音转换就是将一段语音转换成另一段语音，内容保持不变。 比如，最常见的应用是变声器。此外，也可以实现语音降噪，语音加噪等其它应用场景。

Categories

语音数据可分为两个种类：Parallel Data和Unparallel Data Parallel Data即一对对的数据集，两段相同内容的语音由不同音源来发出。 Unparallel Data即不同内容的语音。 Parallel Data比较难获取到足够的数据，因此，后续模型采用的均是Unparallel Data。

Methods

语音转换的主要方法分两大类：Feature Disentangle 和 Direct Transformation

Feature Disentangle

Feature Disentangle，顾名思义是将特征进行提取分离。 例如，下图中，将两段语音分别提取内容信息和说话人的特征信息，将提取出的信息进行结合，就达到了替换声音的说出相同内容的效果。

想法很美好，但是要提取得非常干净是比较困难的。 那么，下面就要训练两个编码器，因为是非对称的信息，没有GroundTruth无法训练，因此就直接用一段语音进行训练。

图中，输入一段语音，经过Encoder和Decoder之后，将重塑的语音和之前的语音比较，越接近越好，这样就能训练。然而，存在的一个问题是，怎么保证Content Encoder和Speaker Encoder能够提取出对应的内容呢，因为像这样两个Encoder的地位是一样的，提取的特征肯定会出现混杂。

有一种解决方式是不用Speaker Encoder，输入对应说话人的独热向量。

这种方法必须提前知道所有语音库中有多少个说话人，并且每一段输入的语音必须单独只有一个说话人。因此，仍然有局限性。

另一种解决方式是保持Speaker Encoder不变，在Content Encoder后面加上一个Speaker Classifier作为鉴别器(Discriminator)。在训练Content Encoder的过程中，同时训练Speaker Classifer，形成对抗结构。如果Content Encoder的效果好，那么Speaker Classifer的效果就越差。利用Speaker Classifer的效果来反推Content Encoder的效果，因此目标是Speaker Classifer的准确率越低越好。

在这个思路的基础上，还能做进一步改进，在Content Encoder后面加一层instance normalization，如下图所示：

IN的作用就类似于图像领域的BN层，下图中，对于一段语音信号，使用一维卷积进行特征提取，经过IN后，将每个Filter提取出信息减去均值并除以方差，这样就将每个channel标准化，均值为0，方差为1。

为什么这样做可以过滤说话人的特征信息呢？举个例子，比如男生的声音普遍是低频信号，女生的声音普遍是高频信号，这样标准化之后，就将两者放在同一个范围内，有效滤除了说话者的声音特征。

利用Content Encoder的分类器，可以来判断这样操作是否有效，如图所示，有IN层的准确率为37.5%，没有IN层的准确率为65.8%，前面说过，这个准确率要越小，代表Content Encoder越有效。数据说明，加入IN层是work的。

当然，还能进一步优化，比如，在Decoder后面加一层AdaIN。

AdaIN的步骤是先将Decoder出来的结果标准化(IN)，然后再将Speaker Encoder的结果用下图中的公式进行添加。 这样操作的原因也不难理解，因为直接将两个Encoder的结果混杂输出，效果不一定好，这样处理能够优化输出的结果。

这套方法在训练阶段似乎是可行的，但在测试时，会产生一个新的问题。

如图所示，训练时两个Encoder是采用的相同的说话人或者是同一段音频，但是在测试时，我们需要的目的是用A的语音来替换B的内容，这和训练时的场景并不一致，从而会出现导致结果不好(Low Quality)

于是，为解决这一问题，就有了2nd Stage Training方法。

2nd Stage Training是保持训练场景和测试场景一致，即Content Encoder和Speaker Encoder是不同的说话人(下图中Speaker Encoder简化成了独热码)。然而，前面也提到过，这样做的话Decoder出来的结果是没有Groundtruth的，无法直接进行监督训练。 那么，2nd Stage Training的办法是在Decoder后面添加一个判别器(Discriminator)和一个分类器(Speaker Classifier)，判别器用来判断输出的语音是否像真人，分类器用来判断输出语音属于哪个说话人。但是这样仍然容易造成模型输出不稳定的情况，因此给Decoder打上一个补丁(Patcher)，Patcher输入输出和Decoder一样，这样将两者的输出加在一起，可以增强模型的稳定性。

Direct Transformation

除了分离特征的方法外，还有一种思路是借鉴图像领域的生成对抗网络(Gan)，从而直接进行转换。

Cycle GAN

Cycle GAN的结构如下图所示：

图中蓝色代表说话人X的语音信号，红色代表说话人Y的语音信号。 首先输入X到判生成器Gx->y中，生成器会将X的信号转换成Y，然后将该信号和真实的Y信号来一起输入到判别器Dy中，让其分辨输入的语音是否真正属于Y，假如判别器无法正确判别，说明生成器的效果不错，能够“骗过”判别器。 值得注意的是，在生成器Gx->y后又加了一个生成器Gy->x，重新将信号还原成X，再比较输入输出X的接近程度。这样做的目的是确保生成器Gx->y是正常工作的。如果没有这个步骤，可能生成器Gx->y会“偷懒”，一直生成同一个Y语音，这不是我们想要的。 其次，Gx->y下面还有一对信号，输入Y，之后再输出Y，然后比较两者的接近程度，正常情况下，不应该发生变化，这样做是为了模型训练的稳定性。

Cycle GAN中的X和Y是对称的，也就是说，将其互换，也可以work。

StarGAN

CycleGAN能够比较好得处理两个说话者的情况，如果说话者增多，假如有N个说话者，每两个人之间就需要2个生成器，总共需要N x (N-1)个生成器。

StarGAN的主要思想是把每个说话者转变成一个向量的形式，这样就可以在同一个模型中来表示多个说话者。它的结构如图中下半部分所示：

从图中可以看出StarGAN的结构和CycleGAN几乎一样，不同之处仅在于输入的speaker向量可以选择多个。

Blow

还有另一种思路不是利用Gan，而是利用流模型(flow-based model)来做语音转换，这里不作详细展开。