论文阅读笔记：Neural Speech Synthesis with Transformer Network

我会带着你远行 2022-12-26 13:30 232阅读 0赞

提示：阅读论文时进行相关思想、结构、优缺点，内容进行提炼和记录，论文和相关引用会标明出处。

### 文章目录 ###

*  前言
 *  介绍
 *  相关知识
 *  模型结构
 *  实验结果
 *  总结

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# 前言 #

> 标题：Neural Speech Synthesis with Transformer Network  
> 原文链接：[Link][]  
> Github：[NLP相关Paper笔记和代码复现][NLP_Paper]  
> 说明：阅读论文时进行相关思想、结构、优缺点，内容进行提炼和记录，论文和相关引用会标明出处，引用之处如有侵权，烦请告知删除。  
> 转载请注明：DengBoCong

# 介绍 #

虽然像Tacotron2这样的TTS模型实现了最新的性能，但它们仍然存在两个问题：

*  在训练和推理过程中效率低下（巨慢）
 *  难以使用当前的递归神经网络（RNN）对长期依赖性进行建模

本文受Transformer启发，使用多头自注意力机制取代Tacotron2中的RNN结构和原始注意力机制。借助多头自注意力机制，可以并行构造编码器和解码器中的隐藏状态，从而提高训练效率，同时，不同时间步的任意两个输入通过自注意力机制直接连接，有效解决了远程依赖问题。使用phoneme（音素）序列作为输入，Transformer TTS网络生成梅尔频谱图，然后通过WaveNet声码器以输出最终的音频结果。

> phoneme音素：能区分意义的最小声音单位，比如dog和fog中，d和f只要改变一个就改变了意义。

*  Tacotron2模型结构  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0RCQ18xMjE_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]
 *  Transformer模型结构  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0RCQ18xMjE_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

# 相关知识 #

这里对一些语音方面的相关概念进行说明，如果不感兴趣想要直接看论文内容，可以直接跳过这一节。

*  speech wave：语音波是一种compound wave，即包含各种频率的波。因此在频域上表示语音更为合适。
 *  pitch音高：声音的尖锐程度，在频域中表现为频率的高低。
 *  基础频率F0：浊音中存在基础频率，而清音中不存在，F0决定了声音的音高。
 *  formants共振峰：是一种元音特有的在频域中的现象，因为只有元音有基础频率。每个元音都有两个共振峰，可以用来区分元音，记为F1和F2。F1,F2取决于基础频率，如果基础频率太高，共振峰可能会消失，这种情况下就区分不出来元音，这种现象在各种女高音身上比较常见。
 *  timbre音色：音色在广义上是指声音不同于其它的特点，在语音中不同的音节都有不同的特点，这可以通过频域观察出来，另外，特别地，对于元音我们可以通过共振峰来分辨音色。
 *  noise：噪音、辅音(摩擦音)都会有broad spectrum，也就是说我们无法通过共振峰来识别它们。
 *  envelope包络：在波的时域和频域图中，用来形容图形的整体形状的叫做包络。
 *  frontend：主要是文字处理，使用NLP技术，从离散到离散，包括基本的分词、text normalization、POS以及特有的Pronunciation标注。
 *  backend：根据前端结果生成语音，从离散到连续
 *  segmentation & normalization：去噪、分句、分词以及把缩写、日期、时间、数字还有符号都换成可发音的词，这一步叫spell out。基本都基于规则。

# 模型结构 #

与基于RNN的模型相比，在神经TTS中使用Transformer具有两个优点：

*  因为可以并行提供解码器输入序列的帧，它可以通过取代循环连接来进行并行训练。
 *  自注意力将整个序列的全局上下文注入到每个输入帧中，直接建立了长距离依赖关系

在本节中，将介绍Transformer TTS模型的体系结构，并分析每个部分的功能，整个模型结构图如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0RCQ18xMjE_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

*  Text-to-Phoneme转换器：由于训练数据不足的情况下很难学习语言的所有规律性，并且某些例外情况很少出现，而无法通过神经网络学习。因此，作者建立了一个规则系统并将其实现为文本到音素的转换器，它可以覆盖绝大多数情况。
 *  Scaled Positional编码：采用的位置编码是Transformer的正弦位置编码：  
     P E ( p o s , 2 i ) = s i n ( p o s 1000 0 2 i d m o d e l ) PE(pos,2i)=sin(\\frac\{pos\}\{10000^\{\\frac\{2i\}\{d\_\{model\}\}\}\}) PE(pos,2i)=sin(10000dmodel2ipos)  P E ( p o s , 2 i + 1 ) = c o s ( p o s 1000 0 2 i d m o d e l ) PE(pos,2i+1)=cos(\\frac\{pos\}\{10000^\{\\frac\{2i\}\{d\_\{model\}\}\}\}) PE(pos,2i\+1)=cos(10000dmodel2ipos)  
    其中  p o s pos pos 是时间步长索引， 2 i 2i 2i 和  2 i + 1 2i+1 2i\+1 是通道索引， d m o d e l d\_\{model\} dmodel 是每个帧的维数。不过有一点要注意的是，不像文本训练那样，source和target都是一个语言空间，embedding的编码是相似的。TTS中使用固定的位置嵌入可能会对编码器和解码器的pre-nets都施加严格的约束（将在后面描述），因此作者使用具有可训练权重的位置编码，以便这些位置编码可以自适应地匹配编码器和解码器pre-nets输出的比例，公式如下：  
     x i = p r e n e t ( p h o n e m e i ) + α P E ( i ) x\_i=prenet(phoneme\_i)+\\alpha PE(i) xi=prenet(phonemei)\+αPE(i)  
    其中 α \\alpha α是可训练权重。
 *  Encoder Pre-net：在Tacotron2中，将三层CNN应用于输入文本嵌入，它可以对输入字符序列中的上下文进行建模。在这里的Transformer TTS模型中，将 phoneme序列输入到同一网络中，这称为“encoder pre-net”。每个phoneme具有512维的可训练嵌入，每个卷积层的输出具有512个通道，然后进行batch normalization、ReLU激活以及dropout。此外，由于ReLU的输出范围是  \[ 0 , ∞ \] \[0,\\infty\] \[0,∞\]，而这些位置编码的每个维数都在  \[ − 1 , 1 \] \[-1,1\] \[−1,1\] 中，所以作者在最终ReLU激活后添加了线性层。在实验中证明，在Nonnegative Embeddings中添加以0为中心的位置信息将影响模型的性能。
 *  Decoder Pre-net：梅尔频谱图首先被具有ReLU激活的，由两个全连接层（每个层都有256个隐藏单元）组成的神经网络处理，称为“decoder pre-net”，它在TTS系统中起着重要作用。phonemes具有可训练的嵌入，因此其子空间是自适应的，而梅尔频谱图的是固定的。**作者推断decoder pre-net负责将梅尔频谱图投影到与phonemes嵌入相同的子空间中，从而可以计算  ⟨ p h o n e m e , m e l   f r a m e ⟩ \\left \\langle phoneme, mel\\ frame \\right \\rangle ⟨phoneme,mel frame⟩ 对的相似性，从而使注意力机制发挥作用**。此外，还尝试了2个没有非线性激活的全连接层，但是无法生成合理的注意力矩阵来对齐编码器和解码器的隐藏状态。此外，**作者推测梅尔谱图具有一个紧凑且低维的子空间，其中256个隐藏单元足以映射**。同encoder pre-net一样，还添加了一个附加的线性层，不仅用于中心一致性，而且还获得与位置编码相同的尺寸。
 *  Encoder：在Tacotron2中，编码器是双向RNN，而这里使用Transformer编码器代替它。与原始的双向RNN相比，多头注意力将注意力分散到几个子空间中，从而可以在多个不同方面建模帧关系，并直接建立任意两个帧之间的长依赖关系，因此每个帧都被视为整个序列的全局上下文。这对于合成音频韵律至关重要，尤其是在句子较长的情况下。
 *  Decoder：在Tacotron2中，解码器是一个结合location sensitive attention的2层RNN，而这里使用Transformer解码器代替它。
 *  Mel Linear、Stop Linear和Post-net：与Tacotron2相同，我们分别使用两个不同的线性层来预测梅尔频谱图和停止标记，并使用5层CNN产生残差来完善mel频谱图的重建。值得一提的是，对于停止标记的线性层而言，每个序列的末尾只有一个正样本，表示“停止”，而其他帧则是负样本，这种不平衡可能导致无法停止的推断。在计算二元交叉熵损失时，作者在停止标记的正样本上施加正权重  ( 5.0 ∼ 8.0 ) (5.0\\sim 8.0) (5.0∼8.0)，从而有效地解决了这个问题。

# 实验结果 #

实验使用25小时的专业语音对测试Transformer TTS模型，并通过人工测试在MOS和CMOS中评估音频质量。**由于训练样本的长度相差很大，因此，如果以长样本为准扩大batch尺寸将占用很大内存，而如果以短样本为准缩小batch尺寸则会浪费并行计算能力，因此，作者使用动态batch大小，其中最大总的Mel光谱图帧数是固定的，并且一个batch应包含尽可能多的样本。**

Tacotron2使用字符序列作为输入，而本文的模型是根据pre-normalized phoneme序列训练的。自回归WaveNet包含2个QRNN层和20个扩张层，所有残差通道和扩张通道的大小均为  256 256 256。QRNN最终输出的每一帧均被复制200次，以具有与音频样本相同的空间分辨率且条件为20扩张层。

下表是MOS和CMOS指标的对比结果：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0RCQ18xMjE_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]  
下图是模型生成的梅尔频谱的结果对比：如我们所见，论文模型在重建以红色矩形标记的细节方面做得更好，而Tacotron2在高频区域则省略了细节纹理。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0RCQ18xMjE_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]  
下表显示了中心一致的位置编码效果稍好：  
![在这里插入图片描述][2020120611221863.png_pic_center]

下图表明编码器和解码器的最终位置编码比例不同的对比：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0RCQ18xMjE_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]

下表显示了具有可缩放比例的模型，其性能略有提高：  
![在这里插入图片描述][20201206112337437.png_pic_center]

下面3张表是比较具有不同层数和头注意力数的性能和训练速度。发现减少层数和头注意力数均可以提高训练速度，但另一方面，会在不同程度上损害模型性能。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0RCQ18xMjE_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]  
![在这里插入图片描述][20201206113940804.png_pic_center]

# 总结 #

值得再次提及的是batch大小对于训练稳定性至关重要，并且更多的层可以完善生成的mel频谱图的细节，尤其是在高频区域，从而提高模型性能。论文作者对这一模型做了很多的实验，总的来说，训练时期的速度大大提高，加快了2到3倍，生成语音的质量也好于传统RNN结构模型（存疑，复现版本仅仅能做到效果相接近，可能是作者的调参技艺比较高超）。基于Transformer的TTS模型已是现在主流的End-to-End TTS系统的baseline，它的实现必不可少，而且因为Transformer本身优异的结构，也能大大加快实验的速度。

[Link]: https://arxiv.org/pdf/1809.08895.pdf
[NLP_Paper]: https://github.com/DengBoCong/nlp-paper
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