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【语音算法】wav2vec系列原理和使用(语音处理算法)
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wav2vec系列工作由facebook AI Research团队提出，包括wav2vec、vq-wav2vec、wav2vec2.0，效仿nlp上的word2vec，是语音的一种通用特征提取器。本文重点讲解wav2vec2.0模型及其使用方法。
1. wav2vec论文：wav2vec: Unsupervised Pre-training for Speech Recognition
本文提出一种无监督的语音预训练模型 wav2vec，可迁移到语音下游任务。模型结构如下图，分为将原始音频x编码为潜在空间z的 encoder network（5层卷积），和将z转换为contextualized representation的 context network（9层卷积），最终特征维度为512x帧数。目标是在特征层面使用当前帧预测未来帧。
2. vq-wav2vec论文：vq-wav2vec: Self-Supervised Learning of Discrete Speech Representations
本文基于wav2vec，将连续特征z通过提出的量化模块，变成离散特征z‘，实现特征空间从无限的连续到有限的离散的转换过程。文中提出了两种量化方法，Gumbel softmax和K-Means，如下图。 其中，左右两个部分中的 e1 … ev，就是码本（记录特征集，可以理解为 BERT 中的词表），Gumbel通过逻辑值最大化（回传时使用Gumbel softmax来保证可导）找对应码本条，K-Means通过计算与码本距离来找最小距离的码本条。
3. wav2vec2.0论文：wav2vec 2.0: A Framework for Self-Supervised Learning of Speech Representations
本文基于wav2vec，结合了vq-wav2vec的量化模块和Transformer，提出了wav2vec2.0，如下图。其中，encoder network基于CNN，而context network基于Transformer，任务是在特征层面恢复被mask的量化的帧。 模型的整体结构如下图，以下具体讲解结构。
3.1 encoderfeature extractor 使用了7层的一维CNN，步长为(5,2,2,2,2,2,2)，卷积核宽度为(10,3,3,3,3,2,2)。 对于x=16000的输入语音，各卷积层输出的时间维度为： cnn0 (16000-10)/5+1 = 3199 cnn1 (3199-3)/2+1 = 1599 cnn2 (1599-3)/2+1 = 799 cnn3 (799-3)/2+1 = 399 cnn4 (399-3)/2+1 = 199 cnn5 (199-2)/2+1 = 99 (除法有小数，向下取整) cnn6 (99-2)/2+1 = 49 (除法有小数，向下取整) 因此，对于16k采样率的1s的语音对应矩阵(1,16000)，channels大小为512，对应的输出为 (512,49)，时间维度上约相当于每20ms产生一个512维的特征向量，但实际上每一帧都经过多层卷积，可见到的时间不止20ms。 另外，在cnn0使用了GroupNorm，在cnn1-6的输出使用了GELU。
(feature_extractor): Wav2Vec2FeatureEncoder( (conv_layers): ModuleList( (0): Wav2Vec2GroupNormConvLayer( (conv): Conv1d(1, 512, kernel_size=(10,), stride=(5,), bias=False) (activation): GELUActivation() (layer_norm): GroupNorm(512, 512, eps=1e-05, affine=True) ) (1): Wav2Vec2NoLayerNormConvLayer( (conv): Conv1d(512, 512, kernel_size=(3,), stride=(2,), bias=False) (activation): GELUActivation() ) (2): Wav2Vec2NoLayerNormConvLayer( (conv): Conv1d(512, 512, kernel_size=(3,), stride=(2,), bias=False) (activation): GELUActivation() ) (3): Wav2Vec2NoLayerNormConvLayer( (conv): Conv1d(512, 512, kernel_size=(3,), stride=(2,), bias=False) (activation): GELUActivation() ) (4): Wav2Vec2NoLayerNormConvLayer( (conv): Conv1d(512, 512, kernel_size=(3,), stride=(2,), bias=False) (activation): GELUActivation() ) (5): Wav2Vec2NoLayerNormConvLayer( (conv): Conv1d(512, 512, kernel_size=(2,), stride=(2,), bias=False) (activation): GELUActivation() ) (6): Wav2Vec2NoLayerNormConvLayer( (conv): Conv1d(512, 512, kernel_size=(2,), stride=(2,), bias=False) (activation): GELUActivation() ) ) )3.2 context整体结构图中的context包括左右两部分，左边负责将z转换成c（对应wav2vec2特征），右边负责将z离散化以计算损失。
左边部分中，对于输入512x50的z，有： post_extract_proj: 768x50 apply_mask->pos_conv->LN: 768x50 Transformer*12: 768x50 choose_masking: 768xM，M为mask的帧数 final_proj: 256xM
右边部分中，对于输入512x50的z，有： choose_masking: 512xM quantizer: 256xM project_q: 256xM
其中，量化的参数有：码本个数G=2，每个码本的条目个数V=320，条目的维度d/G=256/2=128。参数含义：G=latent_groups，V=latent_vars，d=vq_dim。 具体的quantizer流程如下图所示，前向的时候直接找出来最大值对应的码本中的条目，相当于是一个离散的操作，但是这个步骤不可导，无法进行反向传播，为了解决这个问题，采用了gumbel softmax操作。
3.3 wav2vec2.0的使用（transformers库）import soundfile as sfimport torchfrom transformers import Wav2Vec2ForCTC, Wav2Vec2Processorprocessor = Wav2Vec2Processor.from_pretrained("facebook/wav2vec2-base-960h")model = Wav2Vec2ForCTC.from_pretrained("facebook/wav2vec2-base-960h") # 用于ASR等，32维audio_input, sample_rate = sf.read(path_audio) # (31129,)input_values = processor(audio_input, sampling_rate=sample_rate, return_tensors="pt").input_values # torch.Size([1, 31129])logits = model(input_values).logits # torch.Size([1, 97, 32])predicted_ids = torch.argmax(logits, dim=-1) # torch.Size([1, 97])transcription = processor.decode(predicted_ids[0]) # ASR的解码结果from transformers import Wav2Vec2Modelmodel = Wav2Vec2Model.from_pretrained("facebook/wav2vec2-base-960h") # 用于提取通用特征，768维wav2vec2 = model(input_values)['last_hidden_state'] # torch.Size([1, 97, 768])，模型出来是一个BaseModelOutput的结构体。参考文献https://blog.csdn.net/xmdxcsj/article/details/115787729
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