這篇文章，旨在為具有深入學(xué)習(xí)專業(yè)水平的開發(fā)人員準(zhǔn)備，將幫助您生成一個準(zhǔn)備生產(chǎn)、人工智能、文本到語音的模型。

幾十年來，將文本實時轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量、自然發(fā)音的語音一直是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。最先進(jìn)的語音合成模型是基于參數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 1 。文本到語音（ TTS ）合成通常分兩步完成。

第一步將文本轉(zhuǎn)換成時間對齊的特征，如 mel-spe CTR 圖或 F0 頻率等語言特征；

第二步將時間對齊的功能轉(zhuǎn)換為音頻。

優(yōu)化的 Tacotron2 模型 2 和新的 WaveGlow 模型 1 利用 NVIDIA Volta 上的 張量核 和圖靈 GPUs 將文本實時轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量的自然發(fā)音語音。生成的音頻具有清晰的人聲，沒有背景噪音。

下面是一個使用此模型可以實現(xiàn)的示例：

在遵循 Jupyter 筆記本 中的步驟之后，您將能夠為模型提供英語文本，并且它將生成一個音頻輸出文件。所有重現(xiàn)結(jié)果的腳本都發(fā)布在我們的 NVIDIA 深度學(xué)習(xí)示例 存儲庫的 GitHub 上，其中包含幾個使用張量核心的高性能培訓(xùn)配方。此外，我們還開發(fā)了一個 Jupyter 筆記本 ，供用戶創(chuàng)建自己的容器映像，然后下載數(shù)據(jù)集，逐步重現(xiàn)訓(xùn)練和推理結(jié)果。

模型

我們的 TTS 系統(tǒng)是兩個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的組合：

從“ 基于 Mel-Spe CTR 圖預(yù)測的條件波網(wǎng)自然合成 TTS ”改進(jìn)的 Tacotron 2 （圖 1 ）模型；

來自“ WaveGlow ：一種基于流的語音合成生成網(wǎng)絡(luò) ”的基于流的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

Tacotron 2 和 WaveGlow 模型構(gòu)成了一個 TTS 系統(tǒng)，用戶可以在沒有任何附加韻律信息的情況下從原始文本合成自然發(fā)音的語音。

Tacotron 2 型號

Tacotron 2 2 是一種直接從文本合成語音的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)由一個遞歸的序列到序列特征預(yù)測網(wǎng)絡(luò)組成，該網(wǎng)絡(luò)將字符嵌入映射到 mel 尺度的 spe CTR 圖，然后由一個改進(jìn)的 WaveNet 模型作為聲碼器，從這些 spe CTR 圖合成時域波形，如圖 1 所示。

圖 1 ： Tacotron 2 系統(tǒng)架構(gòu)框圖 1

網(wǎng)絡(luò)由一個編碼器（藍(lán)色）和一個解碼器（橙色）組成。編碼器將一個字符序列轉(zhuǎn)換成一個隱藏的特征表示，作為解碼器的輸入來預(yù)測 spe CTR 圖。輸入文本（黃色）是使用學(xué)習(xí)的 512 維字符嵌入來呈現(xiàn)的，它通過三個卷積層（每個包含 512 個形狀為 5 × 1 的濾波器）的堆棧，然后進(jìn)行批量規(guī)范化和 ReLU 激活。編碼器輸出被傳遞到注意力網(wǎng)絡(luò)（ gray ），該網(wǎng)絡(luò)將完整編碼序列總結(jié)為每個解碼器輸出步驟的固定長度上下文向量。

解碼器是一個自回歸遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它從編碼的輸入序列中一次一幀地預(yù)測 mel-spe CTR 圖。前一個時間步的預(yù)測首先通過一個包含兩個完全連接的 256 個隱藏 ReLU 單元的層的小 pre 網(wǎng)絡(luò)。 prenet 輸出和注意力上下文向量被連接起來，并傳遞到一個由兩個 LSTM 層組成的堆棧，其中包含 1024 個單元。通過線性變換，將 LSTM 輸出與注意上下文向量的連接進(jìn)行投影，以預(yù)測目標(biāo) spe CTR 圖幀。最后，將預(yù)測的 mel-spe CTR 圖通過一個 5 層卷積后網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)預(yù)測一個殘差來加入預(yù)測，以改善整體重建。每個 post-net 層由 512 個形狀為 5 × 1 的過濾器組成，并進(jìn)行批量標(biāo)準(zhǔn)化處理，除最后一層外，所有過濾器均激活。

我們實現(xiàn)的 Tacotron 2 模型與 1 中描述的模型不同，我們使用：

退出而不是分區(qū)，以使 LSTM 層正則化；

用 WaveGlow 模型 2 代替 WaveNet 來合成波形。

WaveGlow 模型

WaveGlow 1 是一種基于流的網(wǎng)絡(luò)，能夠從 mel-spe CTR 圖生成高質(zhì)量的語音。 WaveGlow 結(jié)合了 Glow 5 和 WaveNet 6 的見解，以提供快速、高效和高質(zhì)量的音頻合成，而無需自動回歸。 WaveGlow 只使用一個網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，只使用一個單一的成本函數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練：使訓(xùn)練過程簡單而穩(wěn)定。我們當(dāng)前的模型以 55 * 22050 = 1212750 的速度合成樣本，這比每秒 22050 個樣本的“實時”要快 55 倍。平均意見得分（ MOS ）表明，它提供的音頻質(zhì)量與在同一數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練的最佳公開可用 WaveNet 實現(xiàn)一樣好。

WaveGlow 是一種生成模型，它通過從分布中采樣來生成音頻。為了使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為生成模型，我們從一個簡單的分布中提取樣本，在我們的例子中，是一個零均值的球面高斯分布，其維數(shù)與我們期望的輸出相同，然后將這些樣本通過一系列層將簡單分布轉(zhuǎn)換為具有期望分布的分布。在這種情況下，我們根據(jù) mel-spe CTR 圖對音頻樣本的分布進(jìn)行建模。

如圖 2 所示，對于通過網(wǎng)絡(luò)的前向傳遞，我們將八個音頻樣本組作為向量，“壓縮”操作，如 Glow 5 所示。然后我們通過幾個“流程步驟”處理這些向量。這里的流動步驟由可逆的 1 × 1 卷積和仿射耦合層組成。在仿射耦合層中，一半的信道作為輸入，然后產(chǎn)生乘法和加法項，用于縮放和平移剩余的信道。

圖 2 ： WaveGlow 網(wǎng)絡(luò) 2

啟用自動混合精度

混合精度 通過以半精度格式執(zhí)行操作，同時以單精度（ FP32 ）存儲最少的信息，從而在網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵部分盡可能多地保留信息，從而顯著提高了計算速度。啟用混合精度利用了 Volta 和 Turing GPUs 上的 張量核 ，在訓(xùn)練時間上提供了顯著的加速——在運算最密集的模型架構(gòu)上，整體加速高達(dá) 3 倍。

使用 混合精度訓(xùn)練 之前需要兩個步驟：

在適當(dāng)?shù)那闆r下移植模型以使用 FP16 數(shù)據(jù)類型；

手動添加損耗縮放以保持較小的漸變值。

通過使用 PyTorch 中的自動混合精度（ AMP ）庫， APEX 中啟用了混合精度，該庫在檢索時將變量強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為半精度，同時以單精度格式存儲變量。為了在反向傳播中保持較小的梯度值，應(yīng)用漸變時必須包含 損耗標(biāo)度 步驟。在 PyTorch 中，通過使用 AMP 提供的 scale _ loss （）方法，可以很容易地應(yīng)用損耗縮放。要使用的縮放值可以是 dynamic 或 fixed 。

通過在訓(xùn)練腳本中添加– amp run 標(biāo)志，可以啟用張量核心的混合精度訓(xùn)練，您可以在我們的 Jupyter 筆記本 中看到示例。

培訓(xùn)業(yè)績

表 1 和表 2 比較了采用 PyTorch -19 。 06-py3 NGC 容器 在帶有 8-V100 16GB GPUs 的 NVIDIA DGX-1 上使用改進(jìn)的 Tacotron 2 和 WaveGlow 模型的訓(xùn)練性能。在整個訓(xùn)練周期內(nèi)，平均性能數(shù)（ Tacotron 2 的輸出 mel spe CTR 圖每秒， WaveGlow 每秒輸出樣本數(shù)）。

表 2 ： WaveGlow 模型的訓(xùn)練性能結(jié)果

如表 1 和表 2 所示，使用張量核進(jìn)行混合精度訓(xùn)練可以實現(xiàn)顯著的加速，并且可以有效地擴(kuò)展到 4 / 8 GPUs 。混合精度訓(xùn)練也保持了與單精度訓(xùn)練相同的精度，并允許更大的批量。語音質(zhì)量取決于模型大小和訓(xùn)練集大小；使用具有自動混合精度的張量核，可以在相同的時間內(nèi)訓(xùn)練出質(zhì)量更高的模型。

考慮到高質(zhì)量所需的模型大小和培訓(xùn)量， GPUs 提供了一個最合適的硬件架構(gòu)，并將吞吐量、帶寬、可伸縮性和易用性進(jìn)行了最佳組合。

推理性能

表 3 和表 4 分別顯示了從 1-V100 和 1-T4 GPU 上的 1000 次推理運行中收集的 Tacotron2 和 WaveGlow 文本到語音系統(tǒng)的推理統(tǒng)計數(shù)據(jù)。從 Tacotron2 推斷開始到 WaveGlow 推斷結(jié)束，測量潛伏期。這些表包括平均延遲、標(biāo)準(zhǔn)偏差和延遲置信區(qū)間（百分比值）。吞吐量是以每秒生成的音頻樣本數(shù)來衡量的。 RTF 是一個實時因子，它告訴我們在 1 秒鐘的壁時間內(nèi)產(chǎn)生了多少秒的語音。

表 3 ： 1-V100 GPU 上 Tacotron2 和 WaveGlow 系統(tǒng)的推斷統(tǒng)計

與 FP32 相比，我們可以看到混合精度推理具有較低的平均延遲和延遲置信區(qū)間（百分比值），同時實現(xiàn)更高的吞吐量并生成更長的平均 RTF （ 1 秒壁時間內(nèi)的語音秒數(shù)）。

表 4 ： 1-T4 GPU 上 Tacotron2 和 WaveGlow 系統(tǒng)的推斷統(tǒng)計

一步一步運行 Jupyter 筆記本

為了達(dá)到上述結(jié)果：

按照 GitHub 上的腳本操作或逐步運行 Jupyter 筆記本 來訓(xùn)練 Tacotron 2 和 WaveGlow v1 。 5 模型。在 Jupyter 筆記本 中，我們提供了完全自動化的腳本來下載和預(yù)處理 LJ 語音數(shù)據(jù)集 ；

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備步驟完成后，使用提供的 Dockerfile 構(gòu)建修改后的 Tacotron 2 和 WaveGlow 容器，并在容器中啟動一個分離的會話；

要使用帶張量核心的 AMP 或使用 FP32 訓(xùn)練我們的模型，請使用 Tacrotron 2 的默認(rèn)參數(shù)和使用單個 GPU 或多個 GPUs 的 WaveGlow 模型執(zhí)行訓(xùn)練步驟。

Training

Tacotron2 和 WaveGlow 模型分別獨立地進(jìn)行訓(xùn)練，兩個模型在訓(xùn)練過程中通過短時傅立葉變換（ STFT ）得到 mel-spe CTR 圖。這些 mel-spe CTR 圖用于 Tacotron 2 情況下的損耗計算，以及在波輝光的情況下作為網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)輸入。

整個驗證數(shù)據(jù)集的平均損失是訓(xùn)練損失的平均值。對于 Tacotron 2 模型，性能是以每秒的總輸入令牌數(shù)來報告的，而對于 WaveGlow 模型，則是以每秒的總輸出樣本數(shù)來報告的。在輸出日志中，這兩個度量值都被記錄為 train _ iter _ items / sec （每次迭代后）和 train _ epoch _ items / sec （在 epoch 上的平均值）。結(jié)果在整個訓(xùn)練周期內(nèi)取平均值，并在訓(xùn)練中包含的所有 GPUs 上求和。

默認(rèn)情況下，我們的訓(xùn)練腳本將使用張量 cCores 啟動混合精度訓(xùn)練。您可以通過刪除– fp16 run 標(biāo)志來更改此行為。

Inference

在訓(xùn)練了 Tacotron 2 和 WaveGlow 模型，或者下載了各自模型的預(yù)先訓(xùn)練的檢查點之后，您可以執(zhí)行以文本為輸入的推理，并生成一個音頻文件。

您可以根據(jù)文本文件的長度自定義文本文件的內(nèi)容，可能需要將– max decoder steps 選項增加到 2000 。 Tacotron 2 模型是在 LJ 語音數(shù)據(jù)集 上訓(xùn)練的，音頻樣本不超過 10 秒，相當(dāng)于 860 個 mel spe CTR 圖。因此，這種推斷在生成相似長度的音頻樣本時可以很好地工作。我們將 mel-spe CTR 圖長度限制設(shè)置為 2000 （約 23 秒），因為實際上它仍然可以生成正確的聲音。如果需要，用戶可以將較長的短語分成多個句子，并分別合成它們。

關(guān)于作者

Maggie Zhang 是 NVIDIA 的深度學(xué)習(xí)工程師，致力于深度學(xué)習(xí)框架和應(yīng)用程序。她在澳大利亞新南威爾士大學(xué)獲得計算機(jī)科學(xué)和工程博士學(xué)位，在那里她從事 GPU / CPU 異構(gòu)計算和編譯器優(yōu)化。

Grzegorz Karch 是 NVIDIA 深度學(xué)習(xí)軟件組的高級 CUDA 算法工程師，專注于語音合成的生成模型。 Grzegorz 擁有德國斯圖加特大學(xué)計算機(jī)科學(xué)博士學(xué)位，在那里他的研究集中在科學(xué)可視化上。

審核編輯：郭婷