基于PaddlePaddle实现的声纹识别系统

前言

本项目使用了EcapaTdnn、ResNetSE、ERes2Net、CAM++等多种先进的声纹识别模型，不排除以后会支持更多模型，同时本项目也支持了MelSpectrogram、Spectrogram、MFCC、Fbank等多种数据预处理方法，使用了ArcFace Loss，ArcFace loss：Additive Angular Margin Loss（加性角度间隔损失函数），对应项目中的AAMLoss，对特征向量和权重归一化，对θ加上角度间隔m，角度间隔比余弦间隔在对角度的影响更加直接，除此之外，还支持AMLoss、ARMLoss、CELoss等多种损失函数。

源码地址：VoiceprintRecognition-PaddlePaddle

使用环境：

• Anaconda 3
• Python 3.8
• PaddlePaddle 2.4.1
• Windows 10 or Ubuntu 18.04

项目特性

1. 支持模型：EcapaTdnn、TDNN、Res2Net、ResNetSE、ERes2Net、CAM++
2. 支持池化层：AttentiveStatsPool(ASP)、SelfAttentivePooling(SAP)、TemporalStatisticsPooling(TSP)、TemporalAveragePooling(TAP)、TemporalStatsPool(TSTP)
3. 支持损失函数：AAMLoss、AMLoss、ARMLoss、CELoss
4. 支持预处理方法：MelSpectrogram、Spectrogram、MFCC、Fbank

模型论文：

• EcapaTdnn：ECAPA-TDNN: Emphasized Channel Attention, Propagation and Aggregation in TDNN Based Speaker Verification
• TDNN：Prediction of speech intelligibility with DNN-based performance measures
• Res2Net：Res2Net: A New Multi-scale Backbone Architecture
• ResNetSE：Squeeze-and-Excitation Networks
• CAMPPlus：CAM++: A Fast and Efficient Network for Speaker Verification Using Context-Aware Masking
• ERes2Net：An Enhanced Res2Net with Local and Global Feature Fusion for Speaker Verification

模型下载

说明：

1. 评估的测试集为CN-Celeb的测试集，包含196个说话人。

安装环境

• 首先安装的是PaddlePaddle的GPU版本，如果已经安装过了，请跳过。

• 安装ppvector库。

使用pip安装，命令如下：

建议源码安装，源码安装能保证使用最新代码。

修改预处理方法

配置文件中默认使用的是Fbank预处理方法，如果要使用其他预处理方法，可以修改配置文件中的安装下面方式修改，具体的值可以根据自己情况修改。如果不清楚如何设置参数，可以直接删除该部分，直接使用默认值。

训练模型

使用train.py训练模型，本项目支持多个音频预处理方式，通过configs/ecapa_tdnn.yml配置文件的参数preprocess_conf.feature_method可以指定，MelSpectrogram为梅尔频谱，Spectrogram为语谱图，MFCC梅尔频谱倒谱系数。通过参数augment_conf_path可以指定数据增强方式。训练过程中，会使用VisualDL保存训练日志，通过启动VisualDL可以随时查看训练结果，启动命令visualdl --logdir=log --host 0.0.0.0

训练输出日志：

VisualDL页面：

VisualDL页面

评估模型

训练结束之后会保存预测模型，我们用预测模型来预测测试集中的音频特征，然后使用音频特征进行两两对比，计算EER和MinDCF。

输出类似如下：

声纹对比

下面开始实现声纹对比，创建infer_contrast.py程序，编写infer()函数，在编写模型的时候，模型是有两个输出的，第一个是模型的分类输出，第二个是音频特征输出。所以在这里要输出的是音频的特征值，有了音频的特征值就可以做声纹识别了。我们输入两个语音，通过预测函数获取他们的特征数据，使用这个特征数据可以求他们的对角余弦值，得到的结果可以作为他们相识度。对于这个相识度的阈值threshold，读者可以根据自己项目的准确度要求进行修改。

输出类似如下：

声纹识别

在上面的声纹对比的基础上，我们创建infer_recognition.py实现声纹识别。同样是使用上面声纹对比的infer()预测函数，通过这两个同样获取语音的特征数据。 不同的是笔者增加了load_audio_db()和register()，以及recognition()，第一个函数是加载声纹库中的语音数据，这些音频就是相当于已经注册的用户，他们注册的语音数据会存放在这里，如果有用户需要通过声纹登录，就需要拿到用户的语音和语音库中的语音进行声纹对比，如果对比成功，那就相当于登录成功并且获取用户注册时的信息数据。第二个函数register()其实就是把录音保存在声纹库中，同时获取该音频的特征添加到待对比的数据特征中。最后recognition()函数中，这个函数就是将输入的语音和语音库中的语音一一对比。 有了上面的声纹识别的函数，读者可以根据自己项目的需求完成声纹识别的方式，例如笔者下面提供的是通过录音来完成声纹识别。首先必须要加载语音库中的语音，语音库文件夹为audio_db，然后用户回车后录音3秒钟，然后程序会自动录音，并使用录音到的音频进行声纹识别，去匹配语音库中的语音，获取用户的信息。通过这样方式，读者也可以修改成通过服务请求的方式完成声纹识别，例如提供一个API供APP调用，用户在APP上通过声纹登录时，把录音到的语音发送到后端完成声纹识别，再把结果返回给APP，前提是用户已经使用语音注册，并成功把语音数据存放在audio_db文件夹中。

输出类似如下：

其他版本

• Tensorflow：VoiceprintRecognition-Tensorflow
• Pytorch：VoiceprintRecognition-Pytorch
• Keras：VoiceprintRecognition-Keras

参考资料

1. https://github.com/PaddlePaddle/PaddleSpeech
2. https://github.com/yeyupiaoling/PaddlePaddle-MobileFaceNets
3. https://github.com/yeyupiaoling/PPASR