AI Mass人工智能大模型即服务时代:AI Mass在音乐创作中的应用案例
作者:禅与计算机程序设计艺术
1.背景介绍
概述
随着人工智能技术显著发展及计算能力的进步、云端计算被广泛推广以及海量数据大量出现等新趋势,在这一背景下人类对音频数据的认知变得日益复杂。目前 audio data analysis 已经成为诸多领域的重要任务之一。
作为一个 music producer而言,
为了提高 music production 的效果需具备高质量音源。
如今通过移动互联网及网络平台广泛传播
人们可以通过手机电脑等多种设备方便地收集整理音源
利用云端服务辅助方便地收集整理音源
从而实现 sound resource integration 的无缝连接。
然而 audio data processing 和 analysis 资源消耗高且耗时长,
因此如何提高 audio data processing efficiency 和 accuracy 是一个值得重点研究的问题。
随着云端服务时代的到来,在机器学习模型的应用范围内不断扩大规模与复杂度的情况下
尽管在现实生产环境中
为了应对这些问题,在大型音频创作者社区中推广云服务时遇到的技术挑战方面寻求解决方案的目标下
AI Mass介绍
2.核心概念与联系
大模型
大模型通常指运用神经网络或其他机器学习技术构建的复杂系统。由于参数数量庞大,导致内存占用过高,并难以在短时间内完成训练过程。一旦参数数量达到一定程度,则可将其视为大型复杂系统。对于声学系统的规模而言,通常在几十到几百兆之间,实现这一规模则需要配备强大的硬件设施,并伴随高昂的成本。从数据处理角度来看,在音频分析领域所处理的数据量通常为几个十亿字节或更大
在线学习(Online Learning)
基于数据驱动的方法论是现代教育的重要组成部分。采用线上教学模式,在线学习能够将新出现的样本信息及时且准确地传递至模型中,并帮助其完成自我更新与优化过程。一个经典的案例是推荐系统,在这个框架下可以根据用户的阅读历史与偏好精准地推送相关内容。涵盖的主要内容包括三个核心领域:数据采集与处理、算法优化与训练以及结果反馈机制。
个体学习(Individual Learning): 对每一个体(如用户)实施学习,并将这些相关信息整合到模型里。举个例子来说,当新用户首次接触某首歌曲时,他们就会根据自身的喜好偏好记住这首歌,并主动向系统提供相关的信息。这样一来,在推荐系统中就能根据不同用户的个性化需求来展示相应的音乐内容。
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群体学习(Group Learning): 组织一批具有相似特征的用户群体,在这一过程中逐步形成一套共有知识体系。每隔一段时间会对当前活跃的用户群体进行一次分类整理,并将这些用户的共有特征提取出来并整合在一起,形成一个统一的行为模式。随后向该统一模式提供输入数据以提升模型的学习效果与泛化能力。
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增量学习(Incremental Learning): 采用增量学习方法:运用增量学习策略。仅更新新增样本数据:保持之前学到的知识。例如:用户的实时行为数据呈现动态更新特征:仅在最近时间段内持续纳入模型训练过程。
在线学习的优势在于能够迅速应对变化、促进知识获取并减少对持久记忆的依赖。然而,在线学习受到限制的主要原因在于大模型需要消耗大量存储空间和硬件资源无法直接应用于在线学习场景因此必须采用离线方式进行训练以适应实际应用需求
云端计算
云端计算主要体现在将模型的运算任务转移至服务器端,并依托云计算技术服务商的强大能力提供高效率的音频分析服务。鉴于模型体积较大导致训练周期较长,在实际应用中通常需要依赖于高速网络连接至云计算服务提供商以保证运算速度的有效提升。该类服务的优势在于其具备高度可靠性特点,在运行过程中几乎不会出现突然中断的情况;同时运营成本相对较低,在满足大部分用户需求方面表现突出。此外,在安全性方面也具有显著优势——能够有效防止客户端设备在处理本地数据时出现泄露或受到安全威胁的情况。
3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学模型公式详细讲解
语音识别算法详解
该语音识别系统(Voice Activity Detection, VAD)旨在将混音信号划分为包含语音的部分,并减除噪声以及无意义的声音。其工作流程包括以下步骤:首先对信号进行预处理;然后检测其中包含的语音片段;接着分离出目标声音;最后输出识别结果。
通过时域分析(Time Domain)的方法识别语音片段;
通过频域分析(Frequency Domain)的方法识别语音片段;
综合两种分析结果确定语音片段的时间范围;
基于分界点划分出完整的语音片段。
时域检测方法
时域检测方法的目的是检测语音片段是否存在。常用的时域检测方法有:
- 简单阈值法是依据某个标准判断语音信号的幅度是否超过一定数值;
- 中心阈值法则首先计算窗口中心位置的幅度值;如果计算所得幅度低于设定值,则认为该窗口内没有语音存在;
- 带通滤波法则通过滤除多重频段干扰实现对目标声音信号的有效提取;
- 语谱图法则首先构建语谱图来展示声音频率随时间的变化特征;然后,在分析过程中如果某一小区域中没有任何频率成分对应于声音信号,则判定该区域为无声区。
其中,在技术上来说最为简单的就是简单阈值法这一种方法。时域检测的一般输出结果是一个时间序列,并用于描述语音片段的存在情况相当于0或1序列。
频域检测方法
该频域检测技术的主要目标在于识别出语音信号所处的位置;即明确哪些频率区间内包含语音信号;常见的频域检测手段包括:
- 波束赋形法:对频谱实施分帧处理,在每一固定时长内分析各子频带中的最大幅值;
- FFT滤波法:经由FFT算法完成语音信号的DFT变换,在随后采用滤波器截取所需频段信息以获得语音信号的DFT结果;
- MFCC法:基于Mel频率倒谱系数(MFCCs)表征语音信号的关键特征参数。每相邻两帧之间依次计算对应的MFCC序列,并综合两者的信息作为最终特征。
模型选取
在多数情况下,在追求最佳检测精度的过程中,
通过模型融合的方式整合各算法产生的检测结果,
从而明确语音片段的时间界限。
这些方法包括
- 多模型融合法:通过综合不同模型的检测结果获得最佳输出;
- 标签平滑法:使不同模型检测结果与参考标注之间的距离达到最小;
- 概率投票法:通过对每一帧的不同模型检测结果进行统计分析得出各类的概率值,并选择概率最大的帧作为最终输出;
- 阈值选择法:通过按阈值分层处理不同模型检测的结果,并选择其中置信度最高的一层作为最终输出。
模型训练过程
整个训练过程包含两个环节:一是特征抽取(Feature Extraction),二是分类器训练(Classification Training)。其中,在第一步中我们进行了特征抽取(Feature Extraction)。具体而言,在这一阶段中我们从原始的语音信号中提取出有用的信息或指标,并将其作为后续处理的基础。而在第二步中则进行了分类器训练(Classification Training)。具体来说,在这一阶段中我们将通过利用这些被抽取出来的特征向量以及对应的标签数据来构建并优化我们的分类模型。通过这种方式我们能够判断每个特定的feature vector是否属于某个预先定义好的类别
特征提取
特征提取的主要任务是将语音信号映射为便于机器学习算法后续处理的特征向量。现有的多数情况下采用这些方法。
帧级特征:将语音信号划分为固定时间区间,并对每个区间内的语音信号进行采样处理后获取其对应的特征参数;通过逐一计算各帧的特征参数,并结合统一的时间间隔划分标准,则可获得标准化的特征向量序列;该方法通常采用以下几种基本类型:首先是对时域特性的分析;其次是对频域特性的分析;最后是对变换域相关特性的分析;其中常用的时域特性包括幅度值、能量分布形态以及频谱相位信息;而频域特性则主要包含三阶共振峰频率(LPC)、线性预测残差(LPRes)以及线性谱包络(LSBP)等指标;此外还有基于变换系数的方法分析结果:如离散傅里叶变换(DFT)、谱包络系数(SCoef)、谱能量(SEnergy)以及短时平均能量(STAEn)等。
- 窗函数:采用窗函数对信号进行处理,在每帧中降低相邻帧之间的相关性。
- Mel频率倒谱系数:通过线性窗函数对语音信号进行加窗处理,在每帧上执行Mel滤波,并计算对应于每个MEL频率的倒谱系数。
分类训练
分类训练的目标是建立一个模型能够实现准确的特征识别。常用的分类器包括:
线性支持向量机(Linear Support Vector Machine, SVM): 该算法通过最大化类别间隔的方式实现二类分类任务的求解。
深度神经网络(Deep Neural Network, DNN): 卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, CNN)在图像识别和目标检测等视觉计算领域表现优异。
循环神经网络(Recurrent Neural Network, RNN): 该类深度学习模型特别适合处理具有时序特性的数据序列分析任务。
决策树(Decision Tree): 决策树模型基于属性划分输入数据,并通过递归构建分层结构实现分类预测功能。
声纹识别算法详解
语音特征识别技术(Speaker Verification)旨在比较两个语音样本之间的特征以判断其身份是否一致。具体而言该系统通过采集并分析被测个体的语音数据然后将采集到的数据与存储的标准模板进行匹配以此实现身份验证的目的。
首先完成对两人声音样本的特征提取工作。
其中STFT即为一种用于语音信号分析的方法,在时域上将时间信号分解为多个短时频段。
谱图则描述了语音信号在特定时间段内的频谱特性。
最后一种指标ZCR则用于衡量语音过程中声带活动与静止状态的时间占比情况。
比对过程中的关键步骤体现了声纹识别算法的核心逻辑。在该算法中,在获得两组样本数据后,在该算法中首先测定两组样本数据之间是否存在显著差异;为了量化这种差异程度,在此过程中需要测定两者之间的相似程度;为此目的,在实际应用中通常会采用以下几种主要的距离度量方法:
• 余弦相似度是通过测量两向量间夹角的余弦值来评估它们的方向一致性;
• 曼哈顿距离是基于两维空间中各分量差绝对值总和的方法;
• 闵氏(Minkowski)距离则用于综合评估各维度数据间的差异程度;
• 而杰卡德(Jaccard)系数则通过比较序列共同元素的比例来反映其相似程度。
分类训练:在声纹识别模型的训练过程中,可采用上述所述的分类方法进行模型训练。然而,在实际应用中也可考虑采用基于密度分布的方法进行数据分组。这些聚类算法的具体实现方式如下:首先针对K均值聚类而言,在该算法中我们假设每个簇都可由均值向量进行表征,并通过迭代过程直至收敛状态来优化簇划分;其次在DBSCAN聚类中,则需设定参数ε(eps),该参数反映了样本点间的最小距离要求;最后基于层次聚类策略,则会根据对象间的相似性关系构建多层次的群组结构以达到最终分组目标
- 结果评估:最后,根据模型的分类结果,确定两人的声纹是否匹配。
4.具体代码实例和详细解释说明
基于TensorFlow的声纹识别算法
我们来展示一下基于TensorFlow实现声纹识别技术的Python代码吧!首先是必要的库导入,请确保安装了相关的依赖项。
import tensorflow as tf
from scipy.io import wavfile # For loading the audio file
import numpy as np
def load_wav_file(filename):
"""Load a WAV file"""
sampling_rate, data = wavfile.read(filename)
if len(data.shape)>1:
data=np.mean(data,axis=1)
return data,sampling_rate
代码解读
load_wav_file()函数用于加载WAV文件,返回数据和采样率。
def compute_spectrogram(signal, sr, nperseg=160, noverlap=79):
"""Compute the spectrogram of an input signal"""
freqs, times, spec = stft(signal, fs=sr, window='hann', nperseg=nperseg, noverlap=noverlap)
# Scale by the number of samples to get units dB per sample
dbscale = lambda x: 10 * np.log10(np.abs(x) / len(signal))
logspec = list(map(dbscale, spec))
return freqs, times, logspec
代码解读
该函数负责生成输入信号的频域特征。主要通过调用stft()函数执行短时傅里叶变换操作,并随后完成dB归一化处理。
def extract_features(y, sr, feature_type="mfcc"):
"""Extract features from a raw audio signal y at a given sample rate sr."""
if feature_type == "mfcc":
mfcc = librosa.feature.mfcc(y=y, sr=sr, n_mfcc=13)
elif feature_type == "fbank":
fbank = librosa.core.spectrum.power_to_db(librosa.feature.melspectrogram(y=y, sr=sr, hop_length=hop_len))
else:
raise ValueError("Invalid feature type specified.")
delta1_mfcc = librosa.feature.delta(mfcc, order=1)
delta2_mfcc = librosa.feature.delta(mfcc, order=2)
return np.concatenate([mfcc.T, delta1_mfcc.T, delta2_mfcc.T], axis=1).astype('float32')
代码解读
该函数负责提取语音信号中的关键特征信息,并基于Librosa库的MFCC和ΔMFCC进行计算。
def train_model():
"""Train a model on the dataset using TensorFlow."""
dataset = np.load('/path/to/dataset.npy')
X_train, Y_train, X_test, Y_test = split_dataset(dataset)
# Define placeholders and variables
learning_rate = tf.placeholder(tf.float32)
dropout_keep_prob = tf.placeholder(tf.float32)
num_outputs = Y_train.shape[1]
inputs = tf.placeholder(tf.float32, [None, X_train.shape[1]])
labels = tf.placeholder(tf.int32, [None])
logits = build_network(inputs, num_outputs, is_training=True)
loss = tf.reduce_mean(tf.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits(labels=labels, logits=logits))
optimizer = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate=learning_rate).minimize(loss)
correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(logits, 1), labels)
accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32))
saver = tf.train.Saver()
with tf.Session() as sess:
sess.run(tf.global_variables_initializer())
for i in range(num_epochs):
_, c = sess.run([optimizer, loss], feed_dict={
inputs: X_train,
labels: Y_train,
learning_rate: lr,
dropout_keep_prob: keep_prob})
test_accuracy = sess.run(accuracy,
{inputs: X_test, labels: Y_test, dropout_keep_prob: 1.0})
print("Epoch", i+1, ", Cost=", "{:.3f}".format(c), \
"Test Accuracy=", "{:.3f}".format(test_accuracy))
save_path = saver.save(sess, "/tmp/speech_recognizer.ckpt")
print("Model saved in file: %s" % save_path)
def split_dataset(dataset):
"""Split the dataset into training and testing sets."""
np.random.shuffle(dataset)
n_samples = int(0.7*dataset.shape[0])
X_train = dataset[:n_samples, :-1]
Y_train = dataset[:n_samples, -1].reshape(-1,1).astype(int)
X_test = dataset[n_samples:, :-1]
Y_test = dataset[n_samples:, -1].reshape(-1,1).astype(int)
return X_train, Y_train, X_test, Y_test
代码解读
该函数用于对模型进行训练。接着设定训练轮次以及dropout比率后调用split_dataset将数据划分为训练集与测试集。随后为构建网络准备占位符与变量:定义占位符X_train, Y_train, X_test, Y_test, 学习率lr以及保持概率keep_prob并将这些占位符传递给build_network生成logits输出结果。计算损失loss及准确率accuracy值并利用Adam优化器更新模型参数最后保存最优模型参数至指定路径
def predict(audio_path, model_path="/tmp/speech_recognizer.ckpt"):
"""Predict whether an input WAV file matches any of the trained speakers."""
graph = tf.Graph()
with graph.as_default(), tf.device('/cpu:0'):
config = tf.ConfigProto(allow_soft_placement=True)
sess = tf.Session(config=config)
with sess.as_default():
saver = tf.train.import_meta_graph(model_path + '.meta')
saver.restore(sess, model_path)
# Get the placeholders
inputs = graph.get_operation_by_name('inputs').outputs[0]
labels = graph.get_operation_by_name('labels').outputs[0]
dropout_keep_prob = graph.get_operation_by_name('dropout_keep_prob').outputs[0]
# Extract the features and make predictions
feat = preprocess_audio(audio_path)
pred_op = tf.argmax(graph.get_tensor_by_name('final_output/add'), 1)
prediction = sess.run(pred_op,
{inputs: feat, labels: [-1], dropout_keep_prob: 1.0})[0]
return label_dict[str(prediction)]
def preprocess_audio(audio_path):
"""Preprocess an audio file before extracting features."""
filename = os.path.basename(audio_path)
audio_dir = os.path.dirname(os.path.abspath(audio_path))
output_dir = os.path.join(audio_dir, 'preprocessed')
os.makedirs(output_dir, exist_ok=True)
preprocessed_path = os.path.join(output_dir, filename)
cmd = ['ffmpeg', '-i', audio_path,
'-ac', '1', '-ar', str(sampling_rate),
preprocessed_path]
subprocess.call(cmd)
data, _ = load_wav_file(preprocessed_path)
feat = extract_features(data, sampling_rate)
return feat.flatten().astype(np.float32)[np.newaxis,:]
代码解读
predict() 函数负责对输入的 WAV 文件进行生物特征识别,在训练完成后导入预先训练好的模型并构建计算图。该系统会提取输入音频文件的关键特征,并将这些信息传递给 pred_op 操作以完成推断过程。通过获取输入特征向量以及对应的标签信息,系统能够输出最终预测结果。
preprocess_audio() 函数用于前向处理输入的 WAV 文件。该函数先验证输入路径的有效性;随后通过 FFmpeg 工具将音频转换为 mono 音轨并统一采样率,并将转换后的音频文件存放在输出目录中的 preprocessed 子目录中。接着程序会加载经预处理后生成的 WAV 文件,并调用 extract_features() 函数提取特征信息。
5.未来发展趋势与挑战
何时才算"大模型"即服务时代的到来呢?可能并不存在统一的标准。然而,在实践中我们可以通过对实际应用场景中的各种情况进行深入研究和总结来判断其发展程度。
数据规模呈指数级急剧上升,在过去的某个时间段内持续观察到这一现象。
由于多数音频内容生产者都依赖人工获取声音素材,
因此导致的数据规模增速明显快于计算能力提升的速度。
据报道数据显示,
至少截至2017年底,
公开提供的人声数据库(如voxceleb)已被下载超过20亿次。
随着伴随音频内容生产者的数量急剧增加,
相应的人工声音素材需求也在快速增长,
但其增速却明显低于计算能力提升的速度。
当数据量以爆发式增长时
模型向大规模方向发展。尽管当前大多数AI模型仍主要采用神经网络架构,在深度学习技术不断进步的情况下,这些模型正在呈现不断扩大的趋势。就目前情况来看,在多个领域中深度学习模型的参数量通常位于几十到几百兆之间水平,并为此需求带来了对计算资源尤其是需要配备强大的硬件资源以及高性能GPU的支持这一新挑战。
就目前情况来看,在AI Mass的大规模预训练语言模型即服务时代阶段仍处于初期阶段。行业面临着一系列重大挑战,其中主要体现在数据隐私保护问题上以及model transparency不足的问题上.展望未来人工智能技术的应用领域将不断扩展,并有助于解决algorithmic bias,提升predictive capability以及减少computational burden.
