TensorFlow和Pytorch中的音频增强

对于图像相关的任务，对图像进行旋转、模糊或调整大小是常见的数据增强的方法。因为图像的自身属性与其他数据类型数据增强相比，图像的数据增强是非常直观的，我们只需要查看图像就可以看到特定图像是如何转换的，并且使用肉眼就能对效果有一个初步的评判结果。尽管增强在图像域中很常见，但在其他的领域中也是可以进行数据增强的操作的，本篇文章将介绍音频方向的数据增强方法。

在这篇文章中，将介绍如何将增强应用到 TensorFlow 中的数据集的两种方法。第一种方式直接修改数据；第二种方式是在网络的前向传播期间这样做的。除此以外我们还会介绍使用torchaudio的内置方法实现与TF相同的功能。

直接音频增强

首先需要生成一个人工音频数据集。我们不需要加载预先存在的数据集，而是根据需要重复 librosa 库中的一个样本：

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import librosa
import tensorflow as tf

def build_artificial_dataset(num_samples: int):
    data = []
    sampling_rates = []

    for i in range(num_samples):
        y, sr = librosa.load(librosa.ex('nutcracker'))
        data.append(y)
        sampling_rates.append(sr)
    features_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(data)
    labels_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(sampling_rates)
    dataset = tf.data.Dataset.zip((features_dataset, labels_dataset))

    return dataset

ds = build_artificial_dataset(10)

在此过程中创建了一个 Dataset 对象，我们也可以使用纯 NumPy 数组这个可以根据实际需求选择。

现在小数据集已经可以使用，可以开始应用增强了。对于这一步，为了简单起见，本文中使用 audiomentations 库，我们只使用三个增强方式， PitchShift、Shift 和 ApplyGaussianNoise。前两个移动音高（PitchShift）和数据（Shift，可以认为是滚动数据；例如，狗的叫声将移动 5 秒）。最后一次转换使信号更嘈杂，增加了神经网络的挑战。接下来，将所有三个增强功能组合到一个管道中：

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from audiomentations import Compose, AddGaussianNoise, PitchShift, Shift

augmentations_pipeline = Compose(
    [
        AddGaussianNoise(min_amplitude=0.001, max_amplitude=0.015, p=0.5),
        PitchShift(min_semitones=-4, max_semitones=4, p=0.5),
        Shift(min_fraction=-0.5, max_fraction=0.5, p=0.5),
    ]
)

在输入数据之前，必须编写一些额外的代码。这因为我们正在使用一个 Dataset 对象，这些代码告诉 TensorFlow 临时将张量转换为 NumPy 数组，然后再输入到数据增强的处理流程中：

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def apply_pipeline(y, sr):
    shifted = augmentations_pipeline(y, sr)
    return shifted


@tf.function
def tf_apply_pipeline(feature, sr, ):
    """
    Applies the augmentation pipeline to audio files
    @param y: audio data
    @param sr: sampling rate
    @return: augmented audio data
    """
    augmented_feature = tf.numpy_function(
        apply_pipeline, inp=[feature, sr], Tout=tf.float32, name="apply_pipeline"
    )

    return augmented_feature, sr


def augment_audio_dataset(dataset: tf.data.Dataset):
    dataset = dataset.map(tf_apply_pipeline)

    return dataset

有了这些辅助函数，就可以扩充我们的数据集了。最后，还需要再末尾添加维度来添加一个维度，这会将单个音频样本从 (num_data_point,) 转换为 (num_data_points, 1)，表明我们有单声道音频：

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ds = augment_audio_dataset(ds)
ds = ds.map(lambda y, sr: (tf.expand_dims(y, axis=-1), sr))

这样就完成了直接的音频数据增强

前向传播期间进行音频增强

上面的方式相比，在网络中增加音频数据会将计算负载放在前向传递上。

为了达到这个目的，这里使用提供自定义 TensorFlow 层的 kapre 库。我们使用 MelSpectrogram 层，它接受原始（即未修改的）音频数据并在 GPU 上计算 Mel 频谱图。

虽然与数据增强没有直接关系，但这有两个好处：

1、我们可以在例如超参数搜索期间优化频谱图生成的参数，从而无需重复将音频生成频谱图。

2、转换直接在 GPU 上进行，因此在原始转换速度和设备内存放置方面都会更快。

首先加载由 kapre 库提供的音频层。这些层获取原始音频数据并计算频谱图表示：

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import kapre

input_layer = tf.keras.layers.Input(shape=input_shape, dtype=tf.float32)

melspectrogram = kapre.composed.get_melspectrogram_layer(
    n_fft=1024,
    return_decibel=True,
    n_mels=256,
    input_data_format='channels_last',
    output_data_format='channels_last')(input_layer)

然后，我们从 spec-augment 包中添加一个增强层。这个包实现了 SpecAugment 论文。[1]，它掩盖了频谱图的一部分。掩蔽混淆了神经网络所需的信息，增加了学习的效果。这种修改迫使网络关注其他特征，从而扩展其泛化到看不见的数据的能力：

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from spec_augment import SpecAugment

spec_augment = SpecAugment(freq_mask_param=27,  # F in paper
                           time_mask_param=100,  # T in paper
                           n_freq_mask=1,  # mF in paper
                           n_time_mask=2,  # mT in paper
                           mask_value=-1, )(melspectrogram)

最后，对于我们的案例，添加了一个未经训练的残差网络，其中包含任意十个类来将数据分类：

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spec_augment = tf.keras.applications.resnet_v2.preprocess_input(spec_augment)
core = tf.keras.applications.resnet_v2.ResNet152V2(
        input_tensor=spec_augment,
        include_top=False,
        pooling="avg",
        weights=None,
    )
core = core.output

output = tf.keras.layers.Dense(units=10)(core)

resnet_model = tf.keras.Model(inputs=[input_layer], outputs=[output], name="audio_model")

这样我们就有了一个深度神经网络，可以在前向传播期间增强音频数据。

torchaudio

上面介绍的都是tf的方法，那么对于pytorch我们怎么办？可以直接使用官方提供的torchaudio包

torchaudio 实现了TimeStrech, TimeMasking 和FrequencyMasking.三种方式，我们看看官方给的代码

TimeStrech：

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spec = get_spectrogram(power=None)
strech = T.TimeStretch()

rate = 1.2
spec_ = strech(spec, rate)
plot_spectrogram(spec_[0].abs(), title=f"Stretched x{rate}", aspect='equal', xmax=304)

plot_spectrogram(spec[0].abs(), title="Original", aspect='equal', xmax=304)

rate = 0.9
spec_ = strech(spec, rate)
plot_spectrogram(spec_[0].abs(), title=f"Stretched x{rate}", aspect='equal', xmax=304)

TimeMasking：

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torch.random.manual_seed(4)

spec = get_spectrogram()
plot_spectrogram(spec[0], title="Original")

masking = T.TimeMasking(time_mask_param=80)
spec = masking(spec)

plot_spectrogram(spec[0], title="Masked along time axis")

FrequencyMasking:

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torch.random.manual_seed(4)

spec = get_spectrogram()
plot_spectrogram(spec[0], title="Original")

masking = T.FrequencyMasking(freq_mask_param=80)
spec = masking(spec)

plot_spectrogram(spec[0], title="Masked along frequency axis")

总结

在这篇博文中，我们介绍了2个主流深度学习框架的音频增强的方法，所以如果你是TF的爱好者，可以使用我们介绍的两种方法进行测试，如果你是pytorch的爱好者，直接使用官方的torchaudio包就可以了。

引用

[1] Park et al., Specaugment: A simple data augmentation method for automatic speech recognition, 2019, Proc. Interspeech 2019

https://ai.googleblog.com/2019/04/specaugment-new-data-augmentation.html

作者：Pascal Janetzky

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