WaveNet深度学习网络-结构简介

参考博文：https://www.jianshu.com/p/bb13ae73e427

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简介

　　WaveNet是probabilistic and autoregressive的生成，对每个预测的audio sample的分布都基于前面的前面的sample分布。在TTS的应用中，能达到state_of_art的效果，听觉感受上优于parametric and concatenative的系统。同时系统还可以生成音乐，作为discriminative model对phoneme做识别。Wavenet模型是一种序列生成模型，可以用于语音生成建模。在语音合成的声学模型建模中，Wavenet可以直接学习到采样值序列的映射，因此具有很好的合成效果。目前wavenet在语音合成声学模型建模，vocoder方面都有应用，在语音合成领域有很大的潜力。

　　这篇博客主要解读WaveNet 语音识别/合成算法。这篇论文另辟蹊径，主要使用dilated casual CNN 而不是LSTM 去实现语音算法，非常值得学习。主要内容可以总结如下

1. WaveNet 通用模型介绍，不只是针对于语音模型

2. WaveNet 实验结果介绍

3. 实战tensorflow WaveNet 的实验过程, 实战选择的是 WaveNet ASR. 主要原因是ASR 的标注比较容易判断，而语音合成text-to-speech很不好判断，主要通过人工打分。

本文实战代码是 https://github.com/buriburisuri/speech-to-text-wavenet, WaveNet 论文是https://arxiv.org/pdf/1609.03499.pdf

WaveNet 模型

通用WaveNet

　　　　　　　　　Fig. 1 WaveNet 结构图

　　这里dilated casual convolution 翻译成带洞因果卷积。带洞对应的就是dilated, 就是和普通卷积步长stride 不同， stride会更大一些，这样关注的范围（receptive field）就变大了. casual 对应的就是因果，主要就是不要用未来的输出/结果做当前的输入。这个方法对比RNN, 好处就是可以并行计算，提高预测训练速度。但是这个方法还是有他本身的局限性。在测试时，需要使用自回归当前的输出语言当做输入进行下一时刻的计算（auto regressive）限制了他的速度。下面这个图， Fig. 2 解释了自回归的特点，即当前的输出会当做下一时刻的输入进行计算。

Fig.2 WaveNet 动态展示（https://deepmind.com/blog/wavenet-generative-model-raw-audio/）

　　　　　　Fig. 3 多层带洞卷积 WaveNet

　　Fig. 3 这里介绍了多层的带洞卷积wavenet. 这样做的目的就是提高感受视野（receptive field）. 比如Fig. 3的output, 就是基于16 个Input 产生的，这样感受视野会远远大于dilation =1 的多层网络。 WaveNet 的文章里用的dilation 是1, 2, 4, …, 512, 1, 2, 4, …, 512, 1, 2, 4, …, 512，这个相当于有30层带洞卷积，能关注的视野也就很大了。具体计算，1,2,4,...512 需要有1024个输入。那么1024*3/（16*1000），就能关注192ms的信息了，对于16kHz 的声音信号。

　　　　　　Fig.4 整体WaveNet 架构

　　WaveNet的整体结构就如Fig. 4 所示，其中包含了残差连接，和gated activation unit.这个就是图中的两路， tanh 和sigmoid 的计算。其他也没什么复杂的啦。

Conditional WaveNet

　　　　Gated activation unit

　　　　Conditioned gated activation unit

　　前面讲的都是WaveNet 的通用属性，还没涉及到text-to-speech 或者speech recognition. 文章这里加了个h, 就是用来加一些依赖关系。比如添加声音ID, 音乐器械的信息之类的。对于text-to-speech, h 的信息就应该是语音/语言特征值了。这里要说下，由于使用了提前算好的特征值， WaveNet不是端到端的训练。

WaveNet 实验结果：

　　WaveNet 这里的实验结果是主观测试，判断生成的生意是否听起来自然。打分如下：

1: Bad, 2: Poor, 3: Fair, 4: Good, 5: Excellent。所以也就是算所有人打分的平均值啦。

实战tensorflow WaveNet

　　使用的代码再次强调 https://github.com/buriburisuri/speech-to-text-wavenet

模型架构

　　　　Fig. 5 WaveNet-ASR

　　这里使用的是MFCC feature. MFCC 如果不了解，读者可以去学这个课。

https://nlp.stanford.edu/courses/lsa352/lsa352.lec6.6up.pdf

　　CTC loss 在我以前的博客中有讲解过。

　　整体的架构就如Table, Layer 1, 2 就是front layer, 主要是全连接层+bn, 接下来Layer3-10 就是一个block，这样的block 有 15个。这些block 的区别就是dilation 不同。 dialtion 会从1， 2, 4, 8, 16 这样改变，重复三次，就是15个block.