Speaker Verification，声纹验证详解——语音信号处理学习（九）

参考文献：

Speaker Verification哔哩哔哩bilibili

2020 年 3月 新番 李宏毅 人类语言处理 独家笔记 声纹识别 - 16 - 知乎 (zhihu.com)

(2) Meta Learning – Metric-based (1/3) - YouTube

如何理解等错误率(EER, Equal Error Rate)？请不要只给定义 - 知乎 (zhihu.com)

本次省略所有引用论文

目录

一、Introduction

模型的简单介绍

评价指标 Equal Error Rate（EER）

二、Speaker Embedding 讲解

模型框架

数据集

Speaker Embedding 制作方法

三、End-to-End 端到端学习

训练数据准备

模型设计

四、一些补充的问题与回答

---

一、Introduction

模型的简单介绍

• 声音模型有这么一大类，其模型主要需要完成的任务是，输入一段语音，输出某一类别。

• 相关的模型或任务有：

  • Emotion Recognition：情绪识别，输入语音，判断语者情绪如何。

  • Sound Event Detection：声音事件侦测，输入语音，判断发生了什么事，可以用于安保等行业。

  • Autism Recognition：自闭症识别，输入语音，判断是否患有自闭症。

  • Keyword Spotting：关键词识别，输入语音，判断指定的关键词是否在语音中出现过。

  

• 那么采用这类模型，和语者有关的任务有哪些呢？

  • Speaker Recognition / Identification：语者识别，判断一段语音是谁说的。其本质就是使用多语者的语料库进行训练，然后再输入一段语音，通过模型输出所有语者的 Confidence（可信度），谁的可信度高就判断为这段信号是谁说的。这里我们不再过多介绍。

    

  • Speaker Verification：语者验证，输入两段语音，判断这两段语音是否是同一个人说的。给定之前一段记录好的声音和一段新输入的声音，模型会判断二者的相似度，并输出一个表示相似度的概率（图中scalar为标量的意思），通过阈值来判断二者是否是同一个人说的。典型的应用如银行客服判断取钱的人是否是存钱者。

    

  • Speaker Diarization：语者分段标记，输入一段语音，识别这段语音中，谁在何时说了话。SD 系统先要把声音信号进行分割（Segmentation）。通常每一段是一句话，或是一个段落。接下来我们再做 聚类（Clustering）来标记哪一段是同一个人声。如果不同说话人的数量是已知的，那么只需要知道这段话是谁讲的就好，比如电话场景通常是两个人。如果不知道是多少人在说话，比如会议场景，我们就需要把属于同一个人的声音聚成一类，并给它一个编号。这里就需要用到一些前两种技术，也就是语者识别和声纹识别的技术。

    

评价指标 Equal Error Rate（EER）

• Equal Error Rate（EER），中文名叫 等错误率 。在 Speaker Verification 模型中，我们通常需要人为设置一个阈值，来决定二者是否为同一个人说的。很自然的我们能知道，设置不同的阈值，模型的表现自然也不同。阈值选择通常会留给用户。那么我们怎么去评判两个模型孰优孰劣呢？

• 我们会把所有的阈值都穷举出来，画成一个图像，计算 EER。我们先给一些简单的样例。

  

  • 如果我直接把阈值设为1.0，那么对于这个模型来说，无论是哪两段语音输入进来，模型都会判断为不是同一个人所说。

  • 如果我把阈值设的挺高，比如0.8，那么这个模型来说，可能使用同一个语者的两段音频，被误判为不同人说的，这个误判率【False Negative Rate】会比较高，因为你的标准比较苛刻；不过使用不同语者的两段音频，被误判为同一人说的，这个误判率【False Positive Rate】就比较低了。

  • 如果之后我直接把阈值设为0，那么对于这个模型来说，无论是哪两段语音输入进来，模型都会判断为就是同一个人所说，利用刚刚的概念我们可以说，FNR = 0，FPR = 1。

• 最后，以 FPR 数值为 x 轴，以 FNR 数值为 y 轴，我们将图像画出，而 EER 就是当 FPR = FNR 时，二者的大小。

  

二、Speaker Embedding 讲解

模型框架

• 那么 SV 模型具体长什么样子呢？传统的 SV 模型通常是采用了某些方法，输入一段声音讯号，就能输出一个向量来表示语者特征。这个语者特征也就是我们所说的 Speaker Embedding。有了这个方法，我们就能将两段声音讯号都转为 Speaker Embedding，然后去比较二者的相似度即可。

  

• 模型使用具体步骤：

  

  • Stage 1：Development，即模型训练，使用语料库对模型进行训练，从而让模型学习到 Speaker Embedding 的编码方式。

  • Stage 2：Enrollment，即声纹录入，需要说话者将自己的声音录入系统。系统会把这些声音一个个输入模型，得到语者嵌入，再取平均，储存到数据库。

  • Stage 3：Evaluation，即声纹评估，也就是验证阶段，系统会把检测到的人声输入模型得到另一个语者嵌入，与之前储存到的嵌入做比较，得出是否是同一个人的结论。

  值得一提的是，刚刚所说的步骤中，训练模型使用的语料库的语者并不会在后续模型使用中出现。

• 而 SV 模型的这一套思想，其实和 Metric-based meta learning 思想近乎相同。详情可以参考(2) Meta Learning – Metric-based (1/3) - YouTube。

数据集

• 训练 SV 抽取 Speaker Embedding 的模型需要一个多大的数据集呢？谷歌用了 18000 个语者，总共 36M 个句子去训练模。实验跑不动这种数据。一般我们会用相对小一些的 Benchmark Corpus（基准语料库），比如 VoxCeleb 数据集来训练。

  

Speaker Embedding 制作方法

• 早期采用的方法是 i-vector，不管输入的语音有多长，最终都会生成一个400维的 i-vector，来表示声纹信息。i 意思是 identity。i-Vector 是一个非常强的方法。在 16 年之前都没有被 DL 打败。

  

• 而最早采用 deep learning 来抽取 Speaker Embedding 的模型就是 d-vector。它是截取一小段声音讯号（因为后面使用的 DNN 输入长度是固定的），送到 DNN中去，经过多层网络后最终输出。在训练过程中，我们一直将这个模型当成 Speaker Recognition 模型来进行训练，即最后输出是哪个语者讲的话。而模型训练完后，其最后一个隐藏层的输出我们将它拿出来，这就是我们要的 d-vector。

  我们不用最后一层 output layer 的输出，就是因为此时它将要决定是声音来源于哪个语者，所以它的维度是和训练时语者数目有关的，而我们并不想要这样的 vector，所以使用的是最后一个隐藏层（hidden layer）的输出。

  

• 当然，刚刚的方法只是看了一小段语音而已。想要看完一整段语音也很简单，每一个小段都进行上述的操作，最终取平均，就得到最终的 d-vector了。在 2014 年，d-vector 可以做到与 i-vector 相当的效果。不过这也只是让大家知道，原来深度学习可以做这玩意。

  

• 到了2018 年，出了 x-vector。它会把每个语音片段通过模型后的输出用一种方式聚合起来，而不是像 d-vector 那样简单的取平均。这种方式是取每个维度的均值和方差向量，拼接起来后，再输入给一个模型做 Speaker Recognition 任务。到时取这个模型输出的隐层，作为表征声纹信息的 x-vector。它与 d-vector 不同在，它考虑的是一整段的语音信息。这里也可以考虑用 LSTM 来做聚合。

  

• 当然也可以用 Attention 来做啦，算出每一个语音片段的注意力权重，然后再做加权求和。还有从图像那边借来的方法 NetVLAD，其主要思想是一段语音中并非所有的片段都是人声，其中有的是环境噪音。我们可以想办法从中只取出人声的部分。具体细节这里不再赘述。

  

• 综合这些方法，我们都是先按照 Speaker Recognition 任务来进行模型的训练，然后再抽取输出，拿到 Speaker Verification 任务中去用。

三、End-to-End 端到端学习

此前，我们都是想办法得到 Speaker Embedding，然后计算二者的相似度来完成任务的。这是分离的方法，那我们有没有什么办法将“计算 Speaker Embedding”和“计算相似度”二者联合起来做 joint learning，一起去学习训练呢？

训练数据准备

• 首先我们需要准备我们训练的数据。在以前的任务中，我们手上有的资料是一堆的语者，每个语者说了一堆的话。假设我们的 Enrollment 环节要求语者要说 k 句话，那么我们就这么准备资料：

  • Positive Examples：从某个语者说的话中挑出 k 句话当作注册的句子输入进模型中，取同一个语者的另一句话当作测试的句子再输入进模型中，最终输出的数值要越大越好。

    

  • Negative Examples：从某个语者说的话中挑出 k 句话当作注册的句子输入进模型中，取另一个语者的一句话当作测试的句子再输入进模型中，最终输出的数值要越小越好。

    

• 当然，除了这种准备数据集的方法，我们还有其他各种各样的方法，比如 Generalized E2E（GE2E，[Wan, et al., ICASSP’18]）等等，这里不再赘述。

模型设计

• 端到端模型它内部的构造是完全仿造传统的 SV 的模型。有 K 个注册的句子，每一个句子都会进入一个网络中并产生一个 vector 来充当 Speaker Embedding，用来测试的句子也是一样，经过一个网络生成一个 vector。

• 接下来，我们取注册句子生成的 vector 做个平均，得到一个 vector，然后再将其与刚刚测试句子生成的 vector 计算相似度，这里也可以使用一个网络来计算相似度，最终得到一个分数。怎样端对端训练？不同人讲的语音我们就希望分数能小点，同一个人讲的声音我们就希望分数大点。

• 常用的相似度计算是先计算二者的余弦相似度，然后再做一些小变换，如乘上一个权重，然后再加一个偏置。

  

• 这种端对端的模型可以分成 Text-dependent 和 Text-independent。若注册和评估说的都是相同文字内容，就是 Text-dependent，比如必须要说同样的暗语“芝麻开门”。若可以是不同的文字内容，就是Text-independent。

• 如果想做 Text-independent，那么我们在抽取 Speaker Embedding 类似物的时候就需要尽可能只抽取语者信息，而不去抽取内容信息。在这里，我们可以引入 GAN 的思想，来对抗训练。我们可以在 生成的 Speaker Embedding 后面接上一个 Discriminator（判别器），来识别文字内容（有点像 ASR）。而我们训练的目标又多了一个，输出 Speaker Embedding 的网络要想办法去骗过这个判别器，尽可能让它无法从声纹嵌入中识别出文字内容。

四、一些补充的问题与回答

1. EER 的意义是什么：

   因为此模型的错误有两种，一种是明明是同一个人说的，你说是不同人；还有一种是话是不同人说的，你却判断是同一个人说的。那么这就要涉及到两种错误率的 trade-off（权衡折衷），那么 EER 就是看当这两种错误的错误率相同时大小为多少，以此来评判模型优劣。

   这里还可以参考知乎上的回答：如何理解等错误率(EER, Equal Error Rate)？请不要只给定义 - 知乎 (zhihu.com)，其实大差不差啦。