人工智能Java SDK:TTS 文本转为语音

TTS 文本转为语音

注意: 为了防止克隆他人声音用于非法用途,代码限定音色文件只能使用程序中给定的音色文件。
声音克隆是指使用特定的音色,结合文字的读音合成音频,使得合成后的音频具有目标说话人的特征,从而达到克隆的目的。
在训练语音克隆模型时,目标音色作为Speaker Encoder的输入,模型会提取这段语音的说话人特征(音色)作为Speaker Embedding。接着,
在训练模型重新合成此类音色的语音时,除了输入的目标文本外,说话人的特征也将成为额外条件加入模型的训练。
在预测时,选取一段新的目标音色作为Speaker Encoder的输入,并提取其说话人特征,最终实现输入为一段文本和一段目标音色,
模型生成目标音色说出此段文本的语音片段。
Google 团队提出了一种文本语音合成(text to speech)神经系统,能通过少量样本学习到多个不同说话者(speaker)的语音特征,
并合成他们的讲话音频。此外,对于训练时网络没有接触过的说话者,也能在不重新训练的情况下,
仅通过未知说话者数秒的音频来合成其讲话音频,即网络具有零样本学习能力。
传统的自然语音合成系统在训练时需要大量的高质量样本,通常对每个说话者,都需要成百上千分钟的训练数据,这使得模型通常不具有普适性,
不能大规模应用到复杂环境(有许多不同的说话者)。而这些网络都是将语音建模和语音合成两个过程混合在一起。
SV2TTS工作首先将这两个过程分开,通过第一个语音特征编码网络(encoder)建模说话者的语音特征,接着通过第二个高质量的TTS网络完成特征到语音的转换。

  • SV2TTS论文
    Transfer Learning from Speaker Verification to Multispeaker Text-To-Speech Synthesis

  • 网络结构
    人工智能Java SDK:TTS 文本转为语音_第1张图片

主要由三部分构成:

声音特征编码器(speaker encoder)

提取说话者的声音特征信息。将说话者的语音嵌入编码为固定维度的向量,该向量表示了说话者的声音潜在特征。
编码器主要将参考语音信号嵌入编码到固定维度的向量空间,并以此为监督,使映射网络能生成具有相同特征的原始声音信号(梅尔频谱图)。
编码器的关键作用在于相似性度量,对于同一说话者的不同语音,其在嵌入向量空间中的向量距离(余弦夹角)应该尽可能小,而对不同说话者应该尽可能大。
此外,编码器还应具有抗噪能力和鲁棒性,能够不受具体语音内容和背景噪声的影响,提取出说话者声音的潜在特征信息。
这些要求和语音识别模型(speaker-discriminative)的要求不谋而合,因此可以进行迁移学习。
编码器主要由三层LSTM构成,输入是40通道数的对数梅尔频谱图,最后一层最后一帧cell对应的输出经过L2正则化处理后,即得到整个序列的嵌入向量表示。
实际推理时,任意长度的输入语音信号都会被800ms的窗口分割为多段,每段得到一个输出,最后将所有输出平均叠加,得到最终的嵌入向量。
这种方法和短时傅里叶变换(STFT)非常相似。
生成的嵌入空间向量可视化如下图:
人工智能Java SDK:TTS 文本转为语音_第2张图片

可以看到不同的说话者在嵌入空间中对应不同的聚类范围,可以轻易区分,并且不同性别的说话者分别位于两侧。
(然而合成语音和真实语音也比较容易区分开,合成语音离聚类中心的距离更远。这说明合成语音的真实度还不够。)

序列到序列的映射合成网络(Tacotron 2)

基于Tacotron 2的映射网络,通过文本和声音特征编码器得到的向量来生成对数梅尔频谱图。
梅尔光谱图将谱图的频率标度Hz取对数,转换为梅尔标度,使得人耳对声音的敏感度与梅尔标度承线性正相关关系。
该网络独立于编码器网络的训练,以音频信号和对应的文本作为输入,音频信号首先经过预训练的编码器提取特征,然后再作为attention层的输入。
网络输出特征由窗口长度为50ms,步长为12.5ms序列构成,经过梅尔标度滤波器和对数动态范围压缩后,得到梅尔频谱图。
为了降低噪声数据的影响,还对该部分的损失函数额外添加了L1正则化。

输入梅尔频谱图与合成频谱图的对比示例如下:
人工智能Java SDK:TTS 文本转为语音_第3张图片
右图红线表示文本和频谱的对应关系。可以看到,用于参考监督的语音信号不需要与目标语音信号在文本上一致,这也是SV2TTS论文工作的一大特色。

关于梅尔频谱图,可以看这篇文章。
https://zhuanlan.zhihu.com/p/408265232

语音合成网络 (WaveGlow)

WaveGlow:一种依靠流的从梅尔频谱图合成高质量语音的网络。它结合了Glow和WaveNet,生成的快、好、高质量的韵律,而且还不需要自动回归。
将梅尔频谱图(谱域)转化为时间序列声音波形图(时域),完成语音的合成。
需要注意的是,这三部分网络都是独立训练的,声音编码器网络主要对序列映射网络起到条件监督作用,保证生成的语音具有说话者的独特声音特征。

运行例子 - TTSExample

运行成功后,命令行应该看到下面的信息:

...
[INFO ] - 文本: 基于给定音色将文本转为语音
[INFO ] - 给定音色: src/test/resources/biaobei-009502.mp3

# 生成特征向量:
[INFO ] - Speaker Embedding Shape: [256]
[INFO ] - Speaker Embedding: [0.06272025, 0.0, 0.24136968, ..., 0.027405139, 0.0, 0.07339379, 0.0]
[INFO ] - mel频谱数据 Shape: [80, 331]
[INFO ] - mel频谱数据: [-6.739388, -6.266942, -5.752069, ..., -10.643405, -10.558134, -10.5380535]
[INFO ] - 生成wav音频文件: build/output/audio.wav

文本 - “基于给定音色将文本转为语音” - 生成的语音效果:
audio.wav

目录:

http://www.aias.top/

Git地址:

https://github.com/mymagicpower/AIAS
https://gitee.com/mymagicpower/AIAS

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