百度推出完全端到端的并行音频波形生成模型，比WaveNet快千倍 | 论文

稿件来源：百度硅谷研究院 量子位授权转载 | 公众号 QbitAI

语音合成（Text-to-Speech，TTS）是将自然语言文本转换成语音音频输出的技术，在AI时代的人机交互中扮演至关重要的角色。 百度硅谷人工智能实验室的研究员最近提出了一种全新的基于WaveNet的并行音频波形（raw audio waveform）生成模型ClariNet，合成速度比起原始的WaveNet提升了数千倍，可以达到实时合成速度的十倍以上。 更值得注意的是，ClariNet还是语音合成领域第一个真正的端到端模型：使用单个神经网络，直接从文本输入到原始音频波形输出。 注：ClariNet名称由来——clari词根在拉丁语中是clear, bright的意思。同时clarinet是一种”端到端”的乐器，而且其声音与人的声音接近

最近，百度硅谷人工智能实验室的研究员提出的ClariNet（合成语音展示），是一种全新的基于WaveNet的并行音频波形（raw audio waveform）生成模型。

WaveNet 是目前能够完美模仿人类声音的语音合成技术（注：Google I/O大会所展示的超逼真语音合成背后的支撑技术）,自从其被提出，就得到了广泛的离线应用。

但由于其自回归（autoregressive）的特点，只能按时间顺序逐个生成波形采样点，导致合成速度极慢，无法在online应用场合使用。ClariNet中所提出的并行波形生成模型基于高斯逆自回归流（Gaussian inverse autoregressive flow），可以完全并行地生成一段语音所对应的原始音频波形。

比起自回归的WaveNet模型，其合成速度提升了数千倍，可以达到实时合成的十倍以上（实时合成即合成1秒音频波形需要1秒钟的计算）。

△ClariNet模型生成音频

对比DeepMind稍早提出的Parallel WaveNet，ClariNet中所用到的teacher WaveNet的输出概率分布是一个方差有下界的单高斯分布，并且直接使用最大似然估计来学习，并不需要引入任何额外的训练技巧。

特别值得瞩目的是，ClariNet中的概率分布蒸馏（probability density distillation）过程简单优美，直接闭式地（closed-form）来计算训练目标函数KL散度（KL divergence），大大简化了训练算法，并且使得蒸馏过程效率极高——通常5万次迭代后，就可以得到很好的结果（DeepMind的论文中需要100万步迭代）。

同时作者还提出了正则化KL散度的办法，大大提高了训练过程的数值稳定性，使得蒸馏学习过程简单易训练 。而Parallel WaveNet由于需要蒙特卡洛采样来近似KL散度，使得梯度估计的噪音很大，训练过程很不稳定，外界极难重现DeepMind的实验结果——截至目前开源社区无人能够成功重现。

更值得注意的是，ClariNet还是语音合成领域第一个完全的端到端系统（end-to-end system），可以通过单个神经网络，直接将文本转换为原始的音频波形（raw audio waveform）。而先前为业界所熟知的“端到端”语音合成系统（比如Google提出的Tacotron，百度之前提出的Deep Voice 3 ），实际是先将文本转换为频谱（spectrogram），然后通过波形生成模型WaveNet或者Griffin-Lim 算法，将频谱转换成原始波形输出。

这种方法由于文本到频谱的模型和WaveNet是分别训练优化的，往往导致次优的结果。而百度研究员提出的ClariNet，则是完全打通了从文本到原始音频波形的端到端训练，实现了对整个TTS系统的联合优化， 比起分别训练的模型，在语音合成的自然度上有大幅提升（参见文末合成语音示例）。

另外，ClariNet是全卷积模型，模型隐状态（hidden states）之间没有顺序依赖关系，可以完全利用GPU这样的并行计算资源，因而训练速度比起基于循环神经网络（RNN）的模型要快10倍以上。

ClariNet的网络结构如下图所示。

它使用基于注意力机制（Attention）的编码器-解码器模块（Encoder-Decoder）来学习文本字符与频谱帧之间的对齐关系。解码器的隐状态（hidden states）被送给Bridge-net来进行双向的时序信息处理和升采样（upsample）。最终Bridge-net的隐状态被送给音频波形生成模块（Vocoder），作为其条件输入（conditioner），来最终合成原始音频波形。整个网络的各个模块，使用一维卷积操作（convolution block）来进行时序信息的建模。

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论文地址：https://arxiv.org/pdf/1807.07281.pdf

合成语音示例：https://clarinet-demo.github.io/

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