【扩散模型】【文本到音频论文系列翻译二】使用指令微调LLM和潜在扩散模型的文本到音频生成

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github: https://github.com/declare-lab/tango
效果：https://tango-web.github.io/
论文地址：https://arxiv.org/pdf/2304.13731.pdf
数据集audiocaps下载： https://blog.csdn.net/weixin_43509698/article/details/131406337
任务描述： 文本输入生成音频，例如输入A bird is whistling.，结果会输出一只小鸟在鸣叫的声音
训练心得： audiocaps下载完成后需要按data下的json文件将音频文件的名称修改为json中的名字，即 YouTube_ID ，将音频文件采样成单通道的16KHz的文件，并根据实际修改json文件。

文生音频的模型架构图：

摘 要

  最近的大型语言 型(LLM)允许许多有趣的属性，例如，基于指令和思想链的微调，这在许多自然语言处理(NLP)任务中显著提高了零样本和少样本(Zero-Shot和Few-Shot)性能。 受这些成功 的启发 ,我们采用了这 样 一个指令调优的LLM FLAN-T5 作为文本到音频(T T A)生成的文本编码器，该任务的目标是从文本描述生成音频。先前在TT A 上的工作要么预先训练一个联合文本-音频编码器，要么使用非指令调优模型 ，如T5。因此，我们基于潜在扩散模型(LDM)的方法 (TANGO 在大多
数指标上优于最 先进 的 AudioLDM，并且在 AudioCaps 测试集上保持可比性， 尽管在小 63 倍 的 数 据集上训练LDM并保持文本编码器冻结 。 这种改进也可能归因于在训练集中采用了基于音频压力的增强 ， 而之前的方法采用随机混合。

1 介绍

  随着文本到图 像 (TTI )自动生成的成功 [31-33]， 许 多研究人员采用与 前 者类 似的 技术 ， 也成 功地 进行了 文 本 到音 频 (TT A )生 成[17,18, 43]。 这 样 的 模型 在 媒 体制 作 中 可能 有 很强 的 潜 在价值，因 为 创作者 总是 在 寻找 适 合他 们创 作 的新 颖声 音 。这 在 原型 制作 或 小规 模项 目 中尤 其 有用 ，因 为 制作 精确的声音可能 是不 可行的 。除 此之外 ，这 些技术 还为 通用的 多模态 A I 铺 平了道 路， 可以同 时识 别和生成多种模态。
  为此 ，现 有 的作 品使 用了 大 型文 本编 码 器， 例如 ， RoBERTa[ 19]和 T5[3 0]， 对 要生 成的 音频 的 文本描 述 进行 编码 。 随后 ， 大型 变压 器 解码 器 或扩 散模 型 生成 音 频先 验 ，随 后由 预 训练 的 VAE 解码， 然 后是 声 码 器。 相 反， 我 们假 设 用指 令 调优 的 大 型语 言 模型 (L L M)替 换 文 本 编码 器 将提 高 文本理 解和 整体 音频 生 成， 而无 需任 何 微调 ，因 为它 最近 发 现了 梯度 下降 模 仿特 性[4]。为 了 增强 训练样 本， 现 有的 方 法采 用随 机 生成 的音 频 对组 合， 以 及它 们 的描 述的 串 联。 这样 的 混合 并没 有 考虑 到 源 音 频 的整 体 压 力 水 平 ， 可 能 会 导 致 更 大声 的 音 频 压 倒 更 安 静 的 音 频 。 因此 ， 我 们 采 用 了Tokoz um e 等人 [3 9]建 议的 基 于压 力水 平的 混合 方法
  我们 的模 型 (TA N G O )受到 1 潜 在扩 散模 型 (L D M)[3 3]和 Au dioL D M[ 18]模型的启发。然而 ，我 们没 有使用 基于CLAP 的 嵌 入， 而是 使用 了大 型语 言模 型 (LL M)， 因 为 它具 有强 大的 表征 能力 和微 调机 制，可以 帮助 学 习文 本 描述 中的 复 杂概 念。 我 们的 实验 结 果表 明 ，使 用 LL M 大 大 提 高 了文 本到 音 频的生 成， 并 且优 于最 先 进的 模 型， 即使 在 使用 显着 较 小的 数据 集 时也 是如 此 。在 图 像生 成文 献 中，之前 已经 有撒 哈拉 等人 研究 过 LL M 的 效 果。 然而 ，他 们认 为 T5 是 文本 编码 器， 它没 有在 基于 指令的 数据 集上 进行 预训 练。 FL A N-T5[3]使 用 T5 检 查点 初始 化， 并 在 1.8 K NL P 任 务的 数据 集上 进行指 令和 思维 链推 理的 微调 。 通过 利用 基于 指令 的调 优， FL A N-T5 在几个 N LP 任 务上 实 现了 最先进的性能，与具有数十亿参数的 llm 的 性能 相匹 配。
在 第 3 节中 ， 我 们通 过 经验 证 明， 尽 管 L D M 在 小 63 倍 的 数 据 集 上进 行 训练 ， 但 T A N G O 在Au dioCa ps 测 试集 的 大多 数 指标 上都 优于 Audio L D M 和 其 他 基线 方法 。 我们 相 信， 如 果 TA N G O在更大的数据集 (如 AudioSet )上进 行训 练 (如 Liu et al.[18]所做的)， 它 将能 够提 供更 好的 结果 ，并 提高 其识别更广泛声音的能力。

本文的总体贡献有三个方面:
  1.我 们不 使 用任 何联 合 文本 -音 频编 码器 (如 CLAP)作 为 指 导。Liu 等 人 [18]声 称 ，为 了 获得 更好 的 表现， 在 训 练过 程 中 基 于 CLAP 的 音 频 指 导 是必 要 的 。在 训 练 和推 理 中 ，我 们 使 用了 一 个冻 结 指 令调整的预训练 LLM FLA N-T 5， 它具 有很 强 的文 本 表示 能力 ， 用于 文本 指 导。
  2.A udioL D M 需 要 微调 RoBE RT a[1 9]文 本编 码器 来预 训练 CL AP。 然而 ，我 们在 L DM 训 练 期间 保持 FLA N-T5 文 本 编码 器冻 结。 因此 ，我 们发现 L D M 本 身能 够从 一个比 A udioL D M 小 63 倍的 训练集中学习文本到音频的概念映射和组合， 给定 一个 指令 调谐 的 LL M。
  3.为 了混 合 音频 对 以增 强数 据 ， 受 Toko zu m e 等 人 的启 发 ，我 们考 虑 音频 对 的压 力水 平 ，而 不 是像 AudioL D M 这样 的 随机 组合 。 这确 保了 融 合音 频中 两 个源 音 频的 良好 表 示。

2 方 法

   如图 1 所 示 ， TANGO 有 三 个 主 要 组 成 部 分:1)文本编码器， 2)潜 在 扩 散 模 型( LDM )，以及3) and iii) mel-spectogram/audio VAE。文本编码器对音频的输入描述进行编码。随后，使用文本表示 从 标 准 高 斯 噪 声 中 构 建 音 频 或 音 频 先 验 的 潜 在 表 示 ， 使 用 反 向 扩 散 。 然 后 ， mel-spectogram VAE 解 码 器 根据 潜 在 音频 表 示构 建 mel-spectogram。该梅尔谱图被 馈 送到 声 码 器以 生 成最 终 的 音频。

2.1 文本提示编码器

  我 们 使 用 预 训 练 的 LLM FL A N-T5 -L A R G E(780 M )[3] 作 为 文 本 编 码 器 (E) ，得到 t ex t 文 本 编 码τ∈ RL× d，其中 L 和 dtext分 别为 令 牌 计数 和 令牌 嵌入 大 小。 由于 在 大规 模 思维链 (CoT)和基于指令的 数 据 集上 对 FL A N -T 5 模 型 进 行 了预 训 练 ，Dai 等 人[[4] ]假 设 它 们能 够 通 过注 意 力 权重 模 拟梯 度 下 降 ， 从上 下 文 信 息 中 很 好 地 学 习 新 任务 。 这 一 特 性 在 较 老 的 大 型 模 型中 是 缺 失 的 ， 例 如RoB ER T a [ 19] ( Liu 等人 使 用的 [18] )和 T5 [3 0] ( Kr euk 等 人 使用 的[17])。 考 虑 到每 个 输入 样本 都 是一 个 不 同 的 任务 ， 我 们 可 以 合 理 地 假 设 梯 度下 降 模 拟 特 性 在 不 微 调 文 本 编 码器 的 情 况 下 ， 在 学习 文 本 和 声 学概 念 之 间 的 映 射 方 面 可 能 是 关键 的 。 更 丰 富 的 预 训 练 也 可 能 允许 编 码 器 以 更 少 的噪 声 和 丰 富 的上 下 文 更 好 地 强 调 关 键 细 节 。这 再 次 可 能 导 致 将 相 关 的 文 本 概念 更 好 地 转 化 为 声学对 应 物。 因 此， 我 们将 文 本编 码 器保 持 冻结 状 态， 假 设随 后 的反 向 扩散 过 程 (参见第 2.2 节 )能够在 构 建之 前很 好 地学 习 音频 的模 态 间映 射 。我 们还 怀 疑微 调 可能会降低 其上 下 文学 习 text能力 ，因 为 音频 模 态的 梯度 不 在预 训 练数 据集 的 分布 范围 内 。这 与 Liu 等人的[18]形 成 对比 ， 他们对 预 训 练的 文 本 编码 器 进 行微 调 ， 将其 作 为 文本 -音 频 联 合 表示 学 习(CL AP )的 一 部 分， 以 允 许从文 本中 预 先重 建音 频 。在 第 3 节 中， 我 们通 过经 验 证明 ，这 种 联合 表 示学 习对 于 文本 到音 频 的转换可能不是必需的。

2.2 文 本引导生成的潜在扩散模型

  潜在扩散模型 (L D M)[33]改编自 Liu 等人的 [18]，目的 是在文本编码 τ 的指 导下构建音 频先验 z0 (见第 2.5节)。这本质上简 化为用参数 化的 pθ (z0|τ )近似真实先 验 q(z0 |τ )。LD M 可 以通 过正 向和 反向扩 散过 程来 实现 上述 功能 。正向 扩散 是一 个预 定噪 声参数 为 0 <1 2 β<
β<···< β    

  用 U- N et[34]对 噪 声估 计 θ 进行 参数 化， 并加 入交 叉关 注分 量， 以包 含 文本 指导 τ。 相比 之下 ，Au dioL D M[ 18]在 训 练过 程中 使用 音频 作为 指导 。在 推 理过 程中 ，它 们切 换回 文本 指导 ，因 为这 是通过 预先 训练 的联 合文 本音 频嵌 入 (CL AP)来 促 进的 。 如 2.1 节 所述 ，我 们没 有发 现音 频指 导训 练和预训练 CLA P 是 必要 的。

2.3 增强

  许多文本到图像 [28 ]和 文 本 到 音 频[ 17 ]的 工 作 已 经 显 示 了 使 用 基 于 融 合 的 增 强 样 本 进 行 训 练 以提高扩散网络的跨模态概念组成能力的有效性。因此，我们通过将现有音频对相互叠加并连接其字幕来合 成额 外 的 文 本 -音频对。与 Liu et al.[18]和 Kr euk et al.[1 7]不 同的 是， 为了 混合 音频 对， 我们 不会 随机 地将 它们 组合 起来 。根据 To koz um e 等 人 的 研究 ，我 们 转而 考虑 人类 听 觉感 知的 融 合。 具体 来 说， 我们 考 虑了 音频 压力水 平 G， 以 确 保高 压 水 平的 样 本 不会 压 倒 低压 水 平的 样 本 。音 频 样 本的 权 重(x1 )计 算 为 相对 压力级(其分布参见附 录中 的图 2 )

式 1 中，2 分别为两个音频样本的压力级 x1 and x2。这确保了两个音频样本的良好表示，后混音
此外，正如 Tokozum e 等人 b [39]所指 出的，声波的 能量与其振 幅的平方成 正比。因此 ，我们将 x1and x2 as 混合

2.4 无分类器引导

  为了引导反向扩散过程重构音频先验 z0，我们采用 文本输入 τ 的无分类器引导 [7]。在推 理过程中，
相对于传递空文本的非引导估计 θ，一个引导尺度 w控制了文本引导对噪声估计的贡献 λ，其中:

我们 还 训练 了 一 个模 型 ，在 训 练过 程 中 ， 10 %的 样 本 的文 本 指导 被 随机 丢 弃 。我 们 发现 这 个模 型的表现与一个总是对所有样本使用文本引导的模型相当。

2.5 音 频 VAE和 声码器

  音频 变 分 自编 码 器Avariational auto-encoder (VAE)[ 13]将音频样本 m∈ R T× F 的 频 谱 压缩 为 音频先 验 z0∈ R C ×T / r× F/ r，其中 C、 T、 F、 r 分 别 为信 道 数、 时 隙 数、 频 隙数 和 压 缩级 别 。 L D M(参 见2.2 节 )使用输入-文本 引 导 τ 重建 音 频先 验 z0 - uuu。 编 码 器 和 解码 器 由 ResUNet 块 [1 5]组成，并通 过 最 大化 证 据下 界 (E L B O)[ 13]和 最 小 化 对 抗性 损 失[9]进 行 训 练。 我 们 采用 Liu 等人 b[ 18]提供的 音 频 VAE 检 查 点 。 因 此 ，我 们 使用 他 们 的最 佳 报告 设 置 ，其 中 C 和 r 分别被设置为 8 和 4。作为将 音频 - va e 解 码器 生成 的 mel-spectogram 转 换为 音频的声码器 ，我们也使用 HiFi-G A N [14]作为 Liu 等人的 [18 ]。

3 实验

3.1 数据集和训练

  Text-to-Audio生成。 我们在 AudioCaps 数据集 [12 ]上 执 行主 要 的 文本 到 音频 生 成 实验 。 该数 据 集包 含 45,4 38 个 音 频 片 段 ， 与人 工 编 写 的训 练 字 幕配 对 。 验 证集 包 含 224 0 个 实 例 。 音 频片 段 长10 秒，从 Y ou Tu b e 视 频 中收 集 。 这些 片 段最 初 是 众包 的 ，作 为 音 频分 类 任务 中 更 大 的 AudioSet数据集[5]的 一部 分 。
  我们 只使 用来 自 Audio Caps 数 据 集的 成对 (文 本、 音频 )实例 来训 练 L D M。 我 们使 用 Audio Caps 测试集 作为 评估 数据 。 测试 集为 每个 音频 片 段包 含五 个人 工编 写 的字 幕。 为了 与 Liu 等 人的 工作 保持一 致 的评 价 ，我 们对 随 机选 择 的每 个 片段 使 用一 个标 题 。随 机 选择 的 标题 被 用作 文本 提 示， 我们使用它从我们的模型中生成音频信号。
  音 频 VAE 和 声 码 器。 我们使用 Liu 等 人 的 音 频 V AE 模 型 。 这 个 VAE 网络是在 A udioSet 、Au dioCa ps、 Freeso und2 和 BBC 音效库 3 (SFX )数 据集 上训 练的 。 Freesou nd 和 B BC SF X 中 较 长的音频 片段 被截 断到前 30 秒 ，然 后分 成三 个部 分， 每个 部分 10 秒。 所有 音频 片段 以 16K Hz 频率重新采样，用于训练 VA E 网络 。我 们 对 VAE 网 络使 用 4 级 压缩 和 8 个 潜在 通道 。
  我们 还使 用 Liu 等人 [18]的 声 码 器， 从 V AE 解 码 器 生成 的 mel 谱 图生 成音 频 波形 。声 码 器是 在Au dioSet 数 据集 上 训练 的 HiFi-G A N [1 4]网 络 。所 有音 频 片段 在 16 K Hz 重 新 采 样以 训练 声 码器 网络。
  模 型 、 超 参数 和 训 练细 节 我们将 FL A N-T5-L A R GE 文本 编 码器 冻结 在 T A N G O 中 ，只 训练 潜在 扩 散模型 的参 数 。扩 散模 型 基于 稳 定扩 散 U- N et 架 构 [33,34]，共有 866 M 个 参 数 。 我们 在 U- N et 模 型中使用 8 个通道和 1 024 个 交叉 注意 维 度。
  我们使用学习率为 3e-5 的 Ada m W 优化器 [20]和线性学 习率调度器 进行训练。 我们在 AudioCaps 数据集上训练 了 40 个 epoch 的 模型，并报 告了具有最 佳验证损失 的检查点的 结果，这是我 们在 epoc h39 获得的。我 们使用四 个 A6000 gp u 来训 练 TA N G O，总共需 要 52 小时来训 练 40 个 epoch，在 每个 epoch 结 束时进行验 证。我们使用 每个 GPU 批处 理大小为 3(2 个 原始实例 + 1 个增 强实例 )，具 有4 个梯度累积步骤。训练的有效批大小为 3 (instan ce)∗ 4 (accum ulation)∗ 4 (GPU) = 48。

3.2 基 线 模型

  在我 们的 研 究中 ，我 们 检查 了 三种 现有 模 型:Y ang 等人的 DiffSo und, K re uk 等 人的 Audio G en, Liu等人 的 A udioL D M。 A udio G en 和 DiffS oun d 使 用文 本 嵌入 进行 条 件生 成训 练 ， 而 Audio L D M 使用音 频嵌 入 来避 免配 对 文本 音 频数 据中 弱 文本 描述 的 潜在 噪声 。 A udioL D M 使用来自 C L AP 的 音频嵌 入 ，并 断 言它 们 在捕 获 跨模 态 信息 方面 是 有效 的 。这 些 模型 在 大型 数 据集 (包 括 A udioS et)上进行 了预 训 练， 并在 评 估前 对 A udioC aps 数 据 集 进行 了 微调 ，以 提 高性 能。 因 此， 将它 们 与我 们的 TANGO 模 型进 行 比较 并不 完 全公 平 。
  尽管 在一 个 小得 多的 数 据集 上 训练 ，我 们 的模 型 T A N G O 优于 在 大得 多的 数 据集 上 训练 的基 线 。我们 可能 在 很大 程度 上 将此 归 因于 LL M FL A N -T5 的 使 用 。因 此 ，我们的 模型 T A N G O 将自己与现有的三个模型区分 开来， 使 其成 为该 领 域当 前研 究 的一 个令 人 兴奋 的补 充。
  值得 注意 的是 ， Liu 等人 [18]的 A udioL D M -L -Full-F T 检 查点 在 我们 的研 究中 不可 用。 因此 ，我 们使 用了 由 作 者 发 布的 Audio L D M-M-F ull-F T 检 查 点 ， 该 检查 点有 416 M 个参数。这个检查点在Au dioCa ps 和 M usicCa ps 数 据集 上进 行了 微调 。在 我们 的研 究中 ，我 们使 用这 个 检查 点进 行了 主观评 估。 我们 尝试 对 Au dioCap s 数 据集 上的 AudioL D M -L -Full 检查 点进 行微 调。 然而 ，由 于缺 乏关于所使用的超参数的信息，我们无法重现 Liu 等 人的 研究 结果 。
  我 们 的 模 型 可 以 直 接 与 audio c m - l 进 行 比 较 ， 因 为 它 具 有 几 乎 相 同 数 量 的 参 数 ， 并 且 仅 在Au dioC aps 数 据集 上 进行 训练 。 但值 得注 意 的是 ， Liu 等人 [18]并 没 有 释放 该 检查 点 ，这 使得 我 们无法对其生成的样本进行主观评价。

3.3 评价指标

客观的评价。 在这项工作 中， 我 们使 用了 两个 常用 的 客观 指标 :Frech et 音频 距离 (F A D)和 KL 散度。FA D[1 1]是 一种 感知 度量 ，改 编 自 Fech et Inc eption Distanc e (FI D )， 用于 音频 域。 与基 于参 考的 指标不 同， 它 在不 使用 任 何参 考 音频 样本 的 情况 下测 量 生成 的音 频 分布 与真 实 音频 分 布之 间的 距 离。另一 方 面 ， K L 散 度[43,17 ]是 一 种 依 赖于 参 考的 度 量 ，它 根 据 预训 练 的分 类 器 生成 的 标 签计 算 原始音 频样 本和 生成 音频 样本 分布 之间 的散 度。 虽然 FAD 更 多 地 与人 类感 知有 关，但 K L 散 度捕 获了原 始 音频 信 号和 生成 音 频信 号 之间 基 于它 们 所存 在 的广 泛概 念 的相 似 性。 除 了 FA D 外，我们还使 用 Fre ch et 距 离 (FD)[ 18]作 ** 客观 指标 。** F D 与 FA D 相 似， 但它 用 PA N N 代 替了 V G Gish 分 类器。在 FA D 和 F D 中 使 用不 同的 分类 器使 我们 能够 使用 不同 的 特征 表示 来评 估生 成的 音频 的性 能。
主 观评 价。 继 Liu 等人 [18]和 Kre uk 等 人 [17]之后 ，我 们要求 六名 人类评 估人 员评估 30 个随 机选 择的基线 和 tang o 生成的音 频样 本的两 个方 面—— 整体 音频质 量 (O VL)和 与 输入 文本的 相关 性 (REL)，范围从 1到 100。 评估 者精 通英语 ，并 被很好 地指 导做出 公平 的评估 。
主要的结果。 我们 在 表 1 中 报 告 了 我 们 的 主 要 比 较 研 究 。 我 们 将 我 们 提 出 的 T A N G O 方 法与DiffSo und [43 ]、 Audio G en [17 ]以 及 Au dioL D M [1 8]的各种配置进行了比较。在推理过程中，Au dioL D M 从 L D M 中采样 20 0 步 获 得 了 最 佳结 果 。 为 了公 平 比 较 ， 我们 还在 T A N G O 和其他Audio L D M 实验中 使用了 200 个 推 理 步 骤 。 我 们 对 TA N G O 使 用 无 分 类 器 的 指 导 等 级 为 3。Audio LD M 在 他们 的各 种 实验 中使 用 了 {2,2 .5,3 }之 间的 指 导量 表。
  当 仅在 Audio- Cap s 数 据 集 上训 练 时 ，TA N G O 在 客 观 指 标上获得 了新 的 最 先 进的 结 果 ，得 分 为24.52 F D, 1.37 KL 和 1.5 9 F A D。 这 明显 优于 最直 接的 基线 au diocd m - l， 后者 也只 使用 A udioCa ps数据 集进 行 L DM 训 练 。我 们将 此归 因于 在 T A N G O 中使用 FLA N -T5 作 为文本编 码器 。我 们 还注意到， TA N G O 的 性 能匹 配或优于 Audio L D M-* -F T 模 型 ，后 者使 用了 显著 (~ 63 倍 )更 大的 数据 集进 行L D M 训练。 Audio L D M-*-F T 模 型 使用 了两 个阶 段 的 L D M 训 练— —首 先 在四 个数 据集 的集 合 上，然后 只在 Au dioCaps 上 。因 此 ，与 Audio L D M- *-F T 型 号系 列 相比 ， TA N G O 具 有 更高 的采 样效率。
  在 主观 评 价 方 面， T A N G O 也 显示出非常好的结果，其整体音频质量得分为 85. 94，相关性得分为 80.36，表 明 其音 频 生成 能力 明 显优 于 A udio LD M 和其 他 基线 文 本到 音频 生 成方 法。
  表 1:T A N G O 模 型与 基线 TTA 模 型 的 比较 。F T 表 示该 模型 在 Au dioc aps ( A C)数 据 集 上进 行了 微 调。AS 和 AC 分别代表 Au dioSet 和 Audio cC aps 数 据 集。 除了 A udio L D M-L-F ull 外， 我 们借 用 了 [18]的所 有结 果 ， Audio L D M -L -Full 是 使用 作 者在 Hu ggingf a ce 上 发 布的 模型 进 行评 估的 。 尽管 L D M是在 一个 小 得多 的数 据 集上 训 练的 ， 但 TA N G O 在 客 观 和 主 观指 标上 都 优于 AudioL D M 和其他基线 TTA 模型 。表 示 使用 L iu 等 人释 放的 检 查点 获 得结 果 。[18]。

  表 2:在 大型 数据 集的 语料 库上 训练 时， T A N G O 和 基线 TT A 模 型 的 比较 。T A N G O-Full-F T 首先在 包含 AudioSet 、 A udioCa ps 、 Frees ound 和 BBC 数据集样本的语料库上进行预训练，然后对AudioC aps 进 行微 调。

  大数据集上的训练。 在本实 验 中 ， 我 们 遵 循 两 个 步 骤 来 提 高 T A N G O 的 性 能 。 首先，我们使用来 自 Wav Ca ps[ 24]、 A udio Ca ps 、 ES C[ 26]、 Ur b an- S ou nd [3 6]、 Music C aps [1]、 G T Z A N [4 0]和Musica l Instrum e ntsda ta set4 的文本提示 和 音 频样 本 组 成 的 不 同 语 料 库 进 行 预训 练 。 数 据 集 统 计表 3。所 有超 过 10 秒 的音 频片 段被 分割 成连 续 10 秒 或更 短的 分区 。我 们还 将所 有音 频片 段重 新采样到 16 K Hz。 Wav Ca ps 数 据 集由 chatgpt 为 FreeS ound5、 BBC 音效 6 (SF X)和 AudioS et 强 标记 子集生 成的 字幕 组成 。城 市声 音 和 ESC50 数 据 集包 含各 种环 境声 音。 乐器 数据 集包 含吉 他、 鼓、 小提琴 和钢 琴乐 器的 声音 。 GT Z A N 数 据集 包含 不同 音乐 类型 的 声音 -古典 ，爵 士等 。这 四个 数据 集 -城市 声音 ， ESC50， 乐 器， G TZ A N 是 音 频分 类数 据集 。我 们使 用分 类标 签， 例如 钢琴 和一 个更 自然的钢琴提示音，为这 些数 据集 的每 个音 频样 本创 建两 个不 同的 训练 实例 。
最初 的预 训 练阶 段旨 在 获取 对 音频 和文 本 交互 的广 泛 理解 。接 下 来， 我 们针 对 A udioC aps 数据集
  对预 训练 模 型进 行微 调 。所 获 得的 结果 如表 2 所 示 ，表 明与 A udio L D M 家 族 中 的类 似 模型相比 ，T A N G O -F U LL-F T 实 现 了 显 着 的 性能 改 进 。这 些 可 比模 型 经 历了 相 同 的预 训 练 和 微调 方 法 ，突 出了我 们的 方 法在 提高 模 型整 体 性能 方面 的 有效 性。 我 们使 用 4 个 A60 00 gpu 对 T A N G O 进 行 了持续 20 万 步的 预 训练 。为 了 优化 训 练过 程， 我 们将 每 个 GP U 的 批 大 小设 置 为 2，并 采 用 8 个梯 度累积 步骤 ， 这有 效地 将 批大 小 增加到 64 个 。 我 们在 Au dioCa ps 上 微 调了 57 K 步 的 模型 。 为了 帮助 TTA 中的 开源 研 究， 我们 公 开发 布了 这 个数 据集 。

  不同数据增强策略的效果。 表 4 给出了随机和相对基于压力的数据增强策略的比较。值得注意的是，基于相对压力的增强策略产生了最有希望的结果。在评估 T A N G O 与 A u dio L D M -L 时 ，两者都使用随机数据增强策略， T A N G O 在三个客观指标中的两个方面优 于 Au dio L D M -L。 这一显著的改进可归功于在 T A N G O 中集成了一个强大的大型语言模型( F L A N -T5 )作 为 文 本 提 示编码器。
表 4:随机与相对压力引导增强对客观评估指标的影响。以3 和 200 个推理步骤的指导量表计算得分。

  推 理 步 骤 与 无分 类 器 引导 的 效 果 。 推理步数 和 无分 类器 引 导尺 度 对于 从 潜在 扩 散模 型 中采 样 至关 重要 [38,7]。 我 们 在表 5 中报 告了 不 同步 数 和不 同制 导 尺度 对 Audio Ca ps 中音 频 生成 的影 响 。我 们发现 ，指 导 等级 为 3 的 T A N G O 提 供 了 最 好的 结果。 在 表 5 的左 侧 部分 ， 我们 固定 了 3 的 指导 尺度， 并 将步 数 从 10 变化到 200。 随 着 步 数的 增 加， 生 成的 音 频质 量 和最 终 的客 观 指标 始 终变 得更好 。 Liu et al.[ 18]报道， Au dioL D M 的性能在 100 步 左右 趋于 平 稳， 200 步 只 提供 略微 更 好的 性能。 然而 ， 我们 注意 到 ，当 T A N G O 的 推 理 步骤 从 100 步 增加 到 200 步 时， 性 能有 了实 质 性的 提高，这表明更多的推 理步 骤可 能 会进 一步 提 高性 能 。

  我们在 表 5 的 右半 部分报 告了 用固定 的 100 步改 变指导 量表 的效果 。第 一行使 用 1 的引导 尺度 ，因此 在推 理 过程 中 有效 地完 全 不应 用无 分 类器 的 引导 。不 出 所料 ，这 种 配置 的 性能 很差 ， 在所 有客观度 量上远 远落 后于无 分类 器引导 模型 。指导 分值为 2.5,F D 和 K L 较 好， 指导 分值为 5。在 指导尺度为 3 时，得到最 佳 FA D 指标， 指导 尺度越 大， 指标越 差。
  时序建模 (Temporal Sequence modeling). 我们 分析 了 当 文本 提 示 包含 多 个 连续 事 件 时， T A N G O 和AudioL D M 模 型如何 执行 音频 生成。 考虑 下面的 例子 :一 个小男孩说话，然 后是 塑料叮当声，然后 是一个孩 子笑， 其 中包 含 三 个 独立 的 连 续事件，而滚雷和闪电 只 包含 一 个 。我们使用时态标识符 (while、befor e、 after、 then 和 follows)将 Au dioCaps 测 试集 分离 为两 个子集 ，一 个具 有多个 事件 ，另 一个具有单 个事件 。我 们在表 6 中 显示 了这些 子集 上音频 生成 的客观 评估 结果。 T A N GO 在 多个事 件和单个事 件实例 中都 能获得 最佳 的 F D 和 FA D 分 数。 Audio L D M-M-Full-F T 模型的 K L 散度 得分 最高。我们推 测，与 无参 考的 F D 和 F A D 指 标不 同，来 自 Au dioL D M 中 四个 训练数 据集 的更大 语料 库可能更有助于改进基于参考的 K L 指 标.
  表 6:A udioC ap s 测 试集 中 文本 提示 符 中存 在多 个 事件 或 单个 事件 时 音频 生成 的 客观 评估 结 果。 多个事 件和 单 个事 件子 集 共同 构 成了 整个 AudioC aps 测 试 集 。需 要注 意 的是 ， F D 和 F AD 是语料库级别 的非 线 性指 标， 因 此 表 1 中 报告 的 F D 和 F A D 分 数 并 不是 本 表中 报告 的 子集 分数 的 平均 值 。

  性能与标签数量的关系。 回想一下， A udioCaps 数据集是根据 AudioS et 数 据 集中 音 频分 类 任务 的注释 进行 策 划的 。因 此 ， Au dioCa ps 中 的文 本 提示 可以 与 Au dioSet 的 离散 类 标签 配对 。 A udioSet数据 集 总共 包 含 632 个 音 频 事件 类 。例 如 ，一个女人 和一 个婴 儿正在 进行 对话， 其 对 应的 音 频片 段有以 下三 个 标签 :Speech, C hil d Speech ki d s peaki ng, Insi de s mall room。我 们 在 Au dioCa ps 中对 具 有一 个标签 、 两 个标 签 和 多个 (两 个 或 更多)标 签 的 实 例进 行 分组 ， 并 跨客 观 指 标评 估 生 成的 音 频 。我 们在 表 7 中报 告 了实 验结 果 。 TA N G O 在 从 带有 一 个标 签 或两 个标 签 的文 本生 成 音频 的所 有 客观 指标上 都优于 Au dioL D M 模 型 。 对 于具 有 多个 标签 的 文本 ， Au dioL D M 获得了更好的 KL 发散分数，T A N G O 获得了更好 的 F D 和 F AD 分 数 。 有趣 的 是， 随 着标 签的 增 加， 所有 的 模型 都获 得 了更 好的 FD 和 KL 分 数， 这 表明 扩 散模 型更 有 效地 处理 了 这些 文本 提 示。
表 7: 对 于 包 含 一 个 、 两 个 或 多 个(两 个 或 更 多 )标 签 的 文 本 ， A udioC aps 中 音 频 生 成 的 性 能 。
  Au dioC aps 中 的每 个 文本 都有 A udioSet 中 相应 的多 类 别标 签 。我 们使 用 这些 标签 将 Au dioCa ps 数据集划分为三个子集。

  增 压 的 影 响和 相 对 压力 水 平 §增 压 的 分 布 我们在前面 的 2.3 节 中描 述了 我们 的增 压策 略。 方程 (9)中相对 压力 水平 p 在 训练 样本 中的 分布 如图 2 所 示， 这意 味着 相 对压 力水 平大 致为 正态 分布 ，许 多样本 的相 对 压力 水 平较 低， 这 可能 在随 机 混合 中表 现 不佳 。 相比 之下 ， 我们 的方 法 允许 更公 平 的混合。

  表 8:A udioC aps 数 据 集 中 最常 见 类别 的 Audio L D M - M -Full FT 和 T A N G O 性 能“ CE B” 表 示 通 道、环境和背景声音 类别 。

  分类模型。 AudioSet 中的类 标签 可以 分层 排列 ，获 得以 下顶 级类 别:i)人 类声 音， ii)动物 声音 ，iii)自然声音，iv)声音事物 ， v)通道 ， 环境 ，背 景声 音 ， vi)源 模糊 的声 音 ，以 及 vii)音 乐。 我们 将 A udioCa ps 中 的类 标签映 射到 上面 列出 的七 个主 要类 别。 音乐 类别 在 Au dioCa ps 中 非常 罕见 ，其 他类 别要 么单 独出 现，要么 与其 他类 别组 合在 一起 。我 们选 择最 常出 现的 类别 组合 ，并 分析 表 8 中构成 AudioC aps 实 例的各 种模 型的 性能 。这 两个 模型 的性 能在 F D 和 KL 指 标 上相 当平 衡， T A N G O 在 某些 方面 更好 ，而 AudioL D M 在 其 他方 面 更好 。然 而， 除了 一组 之 外， T A N G O 在 所 有组 中都 取得 了更好 的 FA D分数，在(人类，动 物 )， (自 然)， (事物 )和(自然 ，事 物 )类 别中 有 很大 的改 进。

4 相 关 作品

  扩散模型。 近年 来， 扩 散 模 型作 为 生 成 高质 量 语 音 的主 要 方 法 激增[2,1 6,27, 28,1 0,8]。这些模型利用固 定 数 量的 马 尔 可夫 链 步 骤将 白 噪 声信 号 转 换为 结 构 化波 形 。其 中 ， FastDiff 在 高 质 量 语音 合成 [8]方 面 取得 了 显著 的 效果 。 通过 利 用时 间 感 知扩 散 过程 堆 栈， FastDiff 可 以 以 令 人印 象 深刻 的速度 生成 卓越 质量 的语 音样 本， 比 V10 0 GPU 上 的 实时 速度 快 58 倍 ，使 其适 用于 语音 合成 部署 。在端 到 端文 本 到语 音合 成 方面 ， 它超 越 了其 他 现有 的方 法 。另 一 个值 得 注意 的 音频 合成 概 率模 型是 Diff Wa ve[ 16]， 它 是非 自回 归的 ，为 各种 波形 生成 任务 生成 高保 真音 频， 包括 基于 mel 谱图 的神经 语 音编 码、 类 条件 生 成和 无 条件 生 成。 Diff Wa ve 提 供 的 语 音质 量 与强 大 的 Wav e N et 声码 器[25]相 当 ， 同 时 合成 音 频 的速 度 要 快得 多 。 扩散 模 型 已经 成 为 一种 很 有 前途 的 语 音处 理 方 法， 特别是 在语 音增 强方 面 [21,37,2 9,22 ]。 扩散 概率 模型 的最 新进 展导 致了 一种 新的 语音 增强 算法 的发 展，该 算法 将 有 噪声 语 音 信号 的 特 征纳 入 正 向和 反 向 扩散 过 程[23]。 这 种 新 算法 是 概 率扩 散 模 型的 一种广 义 形式 ， 被称 为条 件 扩散 概 率模 型 。在 其 反向 过程 中 ，它 可 以适 应 估计 语 音信 号中 的 非高 斯实噪 声， 使得 其在 提高 语音 质 量方 面非 常有 效。 此外 ， Qiu 等 人[29]提出了 SRT Net， 这是 一种 用于语 音 增强 的 新方 法， 将 扩散 模 型作 为 随机 细 化的 模块 。 所提 出 的方 法 包括 确 定性 模块 和 随机 模块的 联合 网络 ，形 成了 “ 增强 -细化 ”范 式 。本 文还 对所 提出 的方 法的 可 行性 进行 了理 论论 证， 并给出了支持其有效性的实验结果，突出了其在提高语音质量方面的潜力。
  Text-to-Audio生成。 文本到音频 生成 领域 直 到最 近 才得 到有 限 的关 注 [17,4 3]。 在 Y ang 等人的[43]中， 使 用文 本编 码 器来 获 取文 本 特征 ， 然后 由非 自 回归 解 码器 处 理以 生 成谱 图令 牌 。这 些 标记 被馈送 到矢 量 量化 V AE ( V Q - V A E)以 生 成声 谱图 ， 声码 器 使用 该声 谱 图生 成音 频 。非 自回 归 解码 器是 一个 概 率 扩散 模 型 。 此外 ，Y an g 等 人 引 入 了一 种 新 的 数据 增 强 技 术， 称 为 基于 掩 码 的 文本 生成 策略 ( MB T G )， 该 技 术屏 蔽 了 不 代表 任 何 事 件的 输 入 文 本部 分 ， 例如 那 些 表 示时 间 性 的 部分 。M BT G 的 目 的 是在 训练 过 程中 从音 频 中学 习增 强 文本 描 述。 虽然 这 种方 法看 起 来很 有前 途 ，但 它的 根本 限 制 是生 成 的 数 据缺 乏 多 样 性， 因 为 它无 法 混 合 不同 的 音 频样 本 。 后 来， Kre uk 等 人[1 7]对该 方 法进 行了 修 正， 根 据随 机 信噪 比 混合 音频 信 号， 并 将相 应 的文 本 描述 串接 起 来。 这 种方 法允许 生成 新 的 (文 本 、音 频)对， 并 减轻了 Y an g 等 人 的 限制 。与 Y an g 等 人 [43]不同，Kr eu k 等 人提出的架构[17]使用 变 压器 编码 器 和解 码器 网 络从 文 本输 入自 回 归地 生成 音 频令 牌。
  最近 ， Liu 等 人提 出 了 A udioL D M， 将 文 本 到 视觉 的 潜在 扩散 模 型转 化 为文 本 到音 频的 生 成。 他们 预先 训 练 了基 于 va e 的编码器-解 码 器 网络 来 学 习音 频 的 压缩 潜 在 表示 ， 然 后 用它 来 指 导扩 散模型 从 文本 输入 生 成音 频 令牌 。 他们 发 现， 在反 向 扩散 过 程中 使 用音 频 嵌入 而不 是 文本 嵌 入改 善了条 件音 频 生成 。 在推 理期 间 ，他 们 使用 文本 嵌 入进 行 文本 到音 频 的生 成 。使 用预 训 练 的 CL AP获得音频和文本嵌入，这是原始 LD M 模 型中 使用 的 C LIP 嵌入 的 音频 对应 。

5 局 限性

  T AN G O 并不 总是 能够通 过文 本控制 提示 来精细 地控 制其生 成， 因为它 只在 小型 A udioCaps 数据集上进行 训练 。例 如， 《 TA N G O》 中 的几代 人在 木桌 上切 西红 柿和 在金属 桌上 切土 豆是 非常 相似 的。在桌 子上 切 菜也 会 产生 类似 的 音频 样本 。 因此 ， 需要 在更 大 的数 据集 上 训练 文 本到 音频 的 生成 模型， 以使 模型 学习 文本 概念 的组 成和 各种 文本 -音频 映 射。 在未 来， 我们 计划 通过 在更 大的 数据 集上训练 TAN G O 并增强其组成和可控 生成 能力来 改进 它。

6 结 论

在这 项工 作 中， 我们 研 究了 指 令调 谐模 型 FL A N-T 5 在 文 本到 音频 生 成中 的有 效 性。 具体 来 说， 我们在 潜在 扩 散模 型中 使 用 FL A N-T 5 生 成的 文 本嵌 入 来生 成 mel 谱 图 标记 。然 后 将这 些标 记 馈送 到预训 练的 变 分自 编码 器 (V A E )以 生成 m el 谱图 ， 这些 谱 图稍 后由 预 训练 的声 码 器使 用以 生 成音 频 。与 最先 进 的 文本 到 音 频模 型 Audio L D M 相比，我们的模型在客观和主观评估下都取得了卓越的表现 ，尽 管 使用 的训 练 数据 只 减少了 6 3 倍 。我 们 主要 将 这种 性能 改 进归 因于 FL A N-T5 的表示能力， 这是 由 于它 在预 训 练阶 段 基于 指令 的 调整 。在 未 来， 我们 计 划研究 FL A N-T 5 在 其他 音 频任 务中的有效性，例如音频超分辨率和喷漆。

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只是有道翻译的搬运工。