声音合成——Foley Sound——DECASE项目——多模态智能感知与应用—

声音合成——Foley Sound——DECASE项目——多模态智能感知与应用——课程学习（5）

news2024/11/17 3:41:00

文章目录

- - 概述
  - 一、Approaches And Challenges
  - - 生成的声音是什么类型
    - 训练模型使用的是什么特征
    - - 原始音频Raw Audio
      - 频谱图Spectrograms
    - 声音生成模型常用的结构
    - - 生成模型的输入
  - 二、Autoencoders Explained Easily
  - - 自动编码器的通俗解释
    - PCA和编码器的区别
    - 如何训练一个编码器
    - Deep Autoencoder
    - 使用自动编码生成的过程
  - 三、Generation with AutoEncoders: Results and Limitations使用自动编码器生成声音的结果和限制
  - 四、From Autoencoders to Variational Autoencoders:The Encoder
  - - 改变了编码器的的组件
    - 改变了损失函数
  - 五、Sound Generations with VAEs
  - - 对于音频数据集的预处理
    - - 使用的数据集
    - 训练
    - 具体代码

概述

这部分是学习网课的具体内容，国外的网站，有时间可以二创一下。
下述为课堂笔记

一、Approaches And Challenges

这一节主要是介绍声音生成系统，常见的一些方法，以及他们所面对的一些挑战，主要是围绕着几个问题展开
- 生成的声音是什么类型的
- 训练模型使用的特征是什么
- 所采用而深度学习模型是什么
- 生成的模型的输入是什么

生成的声音是什么类型

给你一段文字，自动生成相对应的语音
给你一段音乐，你可以将之生成为不同风格的另一种音乐
Foley 声音设计，这就是类似电影用的配乐，根据需求生成汽车发动的声音，大雷声
。。。

训练模型使用的是什么特征

原始音频Raw Audio

在这里插入图片描述

比较有名的文章推荐
- WaveNet：A Generative Model For Raw Audio
- Jukebox：A generative model for music

在这里插入图片描述

该类型的生成模型具有如下的特点
- 需要处理的数据量大
- 无法提取复杂结构特征
  - 这里指的是long range dependency feature
  - 比如说音色，旋律、和弦之类的，可能要处理好几秒钟才能学会的东西
- 数据量大，会导致模型很复杂，是的计算量很大
- 生成过程很慢，原始数据量很大，模型很复杂

频谱图Spectrograms

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使用频谱图代替波形图，横坐标是时间，总坐标是对应的频率，然后颜色表示声音的强度。

具体步骤如下

首先使用短时傅立叶变换（short time Fourier Transformation）将波形图转变为时频域的频谱图

在这里插入图片描述

然后以频谱图作为输入，放到神经网络上进行训练

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经过训练的网络在生成新的频谱图

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然后在使用ISTFT（inverse short time Fourier Transformation 逆短时傅立叶变换）将频谱图转变为波形图

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频谱图生成声音的优点

比起波形图，频谱图的时间轴更加紧凑完整，因为他并没有像时域图一样，保存那么多的节点
能够获取比较复杂的特征（long-range dependency）
- 音色、音节、曲风
在保证了完整的信息的同时，确保了计算量比较小

频谱图生成声音的缺点

难以提取出图片中的局部特征(保真度)，因为直接转换成频谱图，类似一种由細颗粒度转成粗颗粒度的过程，所以保真度一般

声音生成模型常用的结构

常见的结构有如下的几种
- GAN
- Autoencoder
- Variational Autoencoder（VAE）
- VQ-VAE

生成模型的输入

Conditioning Generations
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根据输入的语音信息，生成生成符合特定条件的声音

Autonomous Generations

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模型生成任意的声音，这主要是和训练集相关的

Continuation Generations

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根据输入的seed生成特定的音频，一般是某一个没有完成的音乐片段

二、Autoencoders Explained Easily

自动编码器的通俗解释

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自动编码器是一种无监督学习,学习数据中的一些结构和模式
自动编码器是一种bottleneck structure 就是上图中间绿色的两个节点，类似一个瓶口的结构，两边宽，中间窄
实现的功能就是：
- 将输入数据压缩到编码器中，然后能通过编码器还原出原来的数据
- 确保了原始数据的低维表示
构成
- 编码：从宽的结构到窄的结构
  - 将原始数据压缩为低维度表示，主要是包含了最重要的属性或者特征
- 解码：从窄的结构到宽的结构
  - 将压缩之后的数据，重新恢复到原来的维度，重建原始数据
条件
- 需要确保，输入数据的不同维度之间要有依赖关系，如果相互独立，没有办法进行降维

PCA和编码器的区别

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在上述图中，一个点表示一个数据分布，
- PCA只能在直线上对数据的分布进行拟合
- 编码器可以你和数据分布的非线性关系
PCA和编码器都是用来降维的，都能减少数据的维度
PCA只能学习线性关系，只能提取简单的特征
编码器能够学习非线性关系，较之于上者，可以提取更加复杂的特征

如何训练一个编码器

使用反向传播
最小化重建损失函数，直接比较解码器还原的输出和原始的输入之间的差别
- 一般来说用的是平方差，或者根平方差
  * 关于损失函数
- 上述重建损失函数，只能确保输出尽可能的利用输入数据的有效特征
- 为了防止过拟合，还需要加上对应的正则化项，具体如下

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Deep Autoencoder

这里参考一下，常见的编码解码器，相关的链接
还有一篇国外的链接，讲得也不错，链接

在这里插入图片描述

Encoder编码器
- 卷积层
- Leaky Relu
- Batch normalization
Decoder解码器
- 卷积层的转置Convolution traspose,不同于卷积的下采样，这里是对卷积进行一个上采样，实现数据的扩充
- Leaky Relu
- Batch normalization

使用自动编码生成的过程

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每一次输入一个样本之后，都会对特征空间进行改变，具体表现为新增加一个特征点
在通过编码器训练特征空间的同时，也会训练解码器，并且通过输出和输入数据的重构损失函数来调整参数

在这里插入图片描述

声音生成过程，就是在调整之后的特征空间中，随机选择一个点，然后对这个点进行解码，生成新的样本

三、Generation with AutoEncoders: Results and Limitations使用自动编码器生成声音的结果和限制

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训练过程：
- 上数为编码器中的潜在特征空间，由于一开始设置为二维空间，所以可以直接画出来。不同颜色的点，表示不同类别的样例的特征在二维空间中的映射。
生成过程
- 通过对潜在空间进行随机采样，获取任意的点，并通过解码程序，生成对应的新的样例
通过观察上述特征图可以看到，自动编码器具有如下的缺点
- 特征空间并不是完全关于原点对称，很多特征点很密集，很多特征点很稀疏
- 特征空间中存在地方并没有任何的颜色，这部分的采样点，并不能生成有效的数字，因为分不清到底属于哪一块
- 特征空间缺少多样性，对于这个特空空间进行采样，可以发现，对于所占面积比较大的区间，选中的概率更大。