【人工智能】Transformers之Pipeline（一）：音频分类（audio-classification）

2024-08-13 14:24:17 浏览数 (1)

一、引言

pipeline（管道）是huggingface transformers库中一种极简方式使用大模型推理的抽象，将所有大模型分为音频（Audio）、计算机视觉（Computer vision）、自然语言处理（NLP）、多模态（Multimodal）等4大类，28小类任务（tasks）。共计覆盖32万个模型

今天介绍Audio音频的第一篇，音频分类（audio-classification），在huggingface库内共有2500个音频分类模型。

二、音频分类（audio-classification）

2.1 概述

音频分类，顾名思义就是将音频打标签或分配类别的任务。主要应用场景有语音情绪分类、语音命令分类、说话人分类、音乐风格判别、语言判别等。

2.2 技术原理

音频分类，主要思想就是将音频的音谱切分成25ms-60ms的片段，通过CNN等卷积神经网络模型提取特征并进行embedding化，基于transformer与文本类别对齐训练。下面介绍2个代表模型：

2.2.1 Wav2vec 2.0模型

Wav2vec 2.0是 Meta在2020年发表的无监督语音预训练模型。它的核心思想是通过向量量化（Vector Quantization，VQ）构造自建监督训练目标，对输入做大量掩码后利用对比学习损失函数进行训练。模型结构如图，基于卷积网络（Convoluational Neural Network，CNN）的特征提取器将原始音频编码为帧特征序列，通过 VQ 模块把每帧特征转变为离散特征 Q，并作为自监督目标。同时，帧特征序列做掩码操作后进入 Transformer [5] 模型得到上下文表示 C。最后通过对比学习损失函数，拉近掩码位置的上下文表示与对应的离散特征 q 的距离，即正样本对。

2.2.1 HuBERT模型

HuBERT是Meta在2021年发表的模型，模型结构类似 Wav2vec 2.0，不同的是训练方法。Wav2vec 2.0 是在训练时将语音特征离散化作为自监督目标，而 HuBERT 则通过在 MFCC 特征或 HuBERT 特征上做 K-means 聚类，得到训练目标。HuBERT 模型采用迭代训练的方式，BASE 模型第一次迭代在 MFCC 特征上做聚类，第二次迭代在第一次迭代得到的 HuBERT 模型的中间层特征上做聚类，LARGE 和 XLARGE 模型则用 BASE 模型的第二次迭代模型提取特征做聚类。从原始论文实验结果来看，HuBERT 模型效果要优于 Wav2vec 2.0，特别是下游任务有监督训练数据极少的情况，如 1 小时、10 分钟。

2.3 pipeline参数

2.3.1 pipeline对象实例化参数

  • 模型（PreTrainedModel或TFPreTrainedModel）— 管道将使用其进行预测的模型。 对于 PyTorch，这需要从PreTrainedModel继承；对于 TensorFlow，这需要从TFPreTrainedModel继承。
  • feature_extractor ( SequenceFeatureExtractor ) — 管道将使用的特征提取器来为模型编码数据。此对象继承自 SequenceFeatureExtractor。
  • modelcard（str或ModelCard，可选） — 属于此管道模型的模型卡。
  • framework（str，可选）— 要使用的框架，"pt"适用于 PyTorch 或"tf"TensorFlow。必须安装指定的框架。 如果未指定框架，则默认为当前安装的框架。如果未指定框架且安装了两个框架，则默认为 的框架model，如果未提供模型，则默认为 PyTorch。
  • 任务（str，默认为""）— 管道的任务标识符。
  • num_workers（int，可选，默认为 8）— 当管道将使用DataLoader（传递数据集时，在 Pytorch 模型的 GPU 上）时，要使用的工作者数量。
  • batch_size（int，可选，默认为 1）— 当管道将使用DataLoader（传递数据集时，在 Pytorch 模型的 GPU 上）时，要使用的批次的大小，对于推理来说，这并不总是有益的，请阅读使用管道进行批处理。
  • args_parser（ArgumentHandler，可选） - 引用负责解析提供的管道参数的对象。
  • 设备（int，可选，默认为 -1）— CPU/GPU 支持的设备序号。将其设置为 -1 将利用 CPU，设置为正数将在关联的 CUDA 设备 ID 上运行模型。您可以传递本机torch.device或str太
  • torch_dtype（str或torch.dtype，可选） - 直接发送model_kwargs（只是一种更简单的快捷方式）以使用此模型的可用精度（torch.float16，，torch.bfloat16...或"auto"）
  • binary_output（bool，可选，默认为False）——标志指示管道的输出是否应以序列化格式（即 pickle）或原始输出数据（例如文本）进行。
2.3.2 pipeline对象使用参数

  • 输入（np.ndarray或bytes或str或dict） — 输入可以是：
    • str这是音频文件的文件名，将以正确的采样率读取该文件以使用ffmpeg获取波形。这需要在系统上安装ffmpeg 。
    • bytes它应该是音频文件的内容，并以相同的方式由ffmpeg进行解释。
    • （np.ndarray形状为（n，）类型为np.float32或np.float64）正确采样率的原始音频（不再进行进一步检查）
    • dict形式可用于传递任意采样的原始音频sampling_rate，并让此管道进行重新采样。字典必须采用 或 格式{"sampling_rate": int, "raw": np.array}，{"sampling_rate": int, "array": np.array}其中键"raw"或 "array"用于表示原始音频波形。
  • top_k（int，可选，默认为 None）— 管道将返回的顶部标签数。如果提供的数字等于None或高于模型配置中可用的标签数，则将默认为标签数。

2.4 pipeline实战

2.4.1 指令识别（默认模型）

pipeline对于audio-classification的默认模型时superb/wav2vec2-base-superb-ks，使用pipeline时，如果仅设置task=audio-classification，不设置模型，则下载并使用默认模型。

代码语言：javascript复制
import os
os.environ["HF_ENDPOINT"] = "https://hf-mirror.com"
os.environ["CUDA_VISIBLE_DEVICES"] = "2"

from transformers import pipeline

speech_file = "./output_video_enhanced.mp3"
pipe = pipeline(task="audio-classification")
result = pipe(speech_file)
print(result)

这是一个上下左右yes及no的指令识别模型，感觉像是训练动物。

代码语言：javascript复制
[{'score': 0.9988580942153931, 'label': '_unknown_'}, {'score': 0.000909291033167392, 'label': 'down'}, {'score': 9.889943612506613e-05, 'label': 'no'}, {'score': 7.015655864961445e-05, 'label': 'yes'}, {'score': 5.134344974067062e-05, 'label': 'stop'}]
2.4.2 情感识别

我们指定模型为情感识别模型ehcalabres/wav2vec2-lg-xlsr-en-speech-emotion-recognition，具体代码为：

代码语言：javascript复制
import os
os.environ["HF_ENDPOINT"] = "https://hf-mirror.com"
os.environ["CUDA_VISIBLE_DEVICES"] = "2"

from transformers import pipeline

speech_file = "./output_video_enhanced.mp3"
pipe = pipeline(task="audio-classification",model="ehcalabres/wav2vec2-lg-xlsr-en-speech-emotion-recognition")
result = pipe(speech_file)
print(result)

输入为一段mp3格式的语音，输出为

代码语言：javascript复制
[{'score': 0.13128453493118286, 'label': 'angry'}, {'score': 0.12990005314350128, 'label': 'calm'}, {'score': 0.1262471228837967, 'label': 'happy'}, {'score': 0.12568499147891998, 'label': 'surprised'}, {'score': 0.12327362596988678, 'label': 'disgust'}]

2.5 模型排名

在huggingface上，我们筛选音频分类模型，并按下载量从高到低排序：

三、总结

本文对transformers之pipeline的音频分类（audio-classification）从概述、技术原理、pipeline参数、pipeline实战、模型排名等方面进行介绍，读者可以基于pipeline使用文中的代码极简的进行音频分类推理，应用于音频情感识别、音乐曲风判断等业务场景。

音频 人工智能 audio classification pipeline

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