声谱预测网络(Tacotron2)

整个特征预测网络是一个带有注意力机制(attention)的seq2seq网络。

编码器-解码器(Encoder-Decoder)结构

在原始的编码器-解码器结构中，编码器(encoder)输入一个序列或句子，然后将其压缩到一个固定长度的向量(向量也可以理解为一种形式的序列)中；解码器(decoder)使用固定长度的向量，将其解压成一个序列。

最普遍的方式是使用RNN实现编码器和解码器。

编码器将输入序列映射成固定长度的向量，解码器在生成输出序列阶段，利用注意力机制“关注”向量的不同部分。

编码器

前置知识

双向RNN

双向RNN确保模型能够同时感知前向和后向的信息。双向RNN包含两个独立的RNN，一个前向RNN从前向后读入序列(从\(f_1\)到\(f_{T_x}\))，另一个后向RNN从后向前读入序列(从\(f_{T_x}\)到\(f_1\))，最终的输出为两者的拼接。

在Tacotron2中，编码器将输入序列\(X=[x_1,x_2,...,x_{T_x}]\)映射成序列\(H=[h_1,h_2,...,h_{T_x}]\),其中序列\(H\)被称作“编码器隐状态”(encoder hidden states)。注意：编码器的输入输出序列都拥有相同的长度，\(h_i\)之于相邻分量\(h_j\)拥有的信息等价于\(x_i\)之于\(x_j\)所拥有的信息。

在Tacotron2中，每一个输入分量\(x_i\)就是一个字符。Tacotron2的编码器是一个3层卷积层后跟一个双向LSTM层形成的模块，在Tacotron2中卷积层给予了神经网络类似于\(N-gram\)感知上下文的能力。这里使用卷积层获取上下文主要是由于实践中RNN很难捕获长时依赖，并且卷积层的使用使得模型对不发音字符更为鲁棒(如'know'中的'k')。

经词嵌入(word embedding)的字符序列先送入三层卷积层以提取上下文信息，然后送入一个双向的LSTM中生成编码器隐状态，即：
\[
f_{e}=ReLU(F_3*ReLU(F_2*ReLU(F_1*\overline{E}(X))))\\
H=EncoderRecurrency(f_{e})
\]
其中，\(F_1、F_2、F_3\)为3个卷积核，\(ReLU\)为每一个卷积层上的非线性激活，\(\overline{E}\)表示对字符序列\(X\)做embedding，\(EncoderRecurrency\)表示双向LSTM。

编码器隐状态生成后，就会将其送入注意力网络(attention network)中生成上下文向量(context vector)。
注意力机制

“注意力”(attention)用作编码器和解码器的桥接，本质是一个上下文权重向量组成的矩阵。

\[
Attention(Query,Source)=\sum_{i=1}^{L_x}similarity(Query,Key_i)*Value
\]
如果在机器翻译(NMT)中，\(Souce\)中的\(Key\)和\(Value\)合二为一，指的是同一个东西，即输入句子中每个单词对应的语义编码。

一般的计算步骤：
- 步骤一：\(Key\)和\(Value\)相似度度量：
  - 点积\(Similarity(Query,Key)=Query·Key\)
  - cos相似性\(Similarity(Query,Key)=\frac{Query·Key_i}{||Query||*||Key_i||}\)
  - MLP网络\(Similarity(Query,Key_i)=MLP(Query,Key_i)\)
  - \(Key\)和\(Value\)还可以拼接后再内积一个参数向量，甚至权重都不一定要归一化
- 步骤二：\(softmax\)归一化(alignments/attention weights):
  \[
  a_i=softmax(sim_i)=\frac{e^{sim_i}}{\sum_{j=1}^{L_x}e^{sim_j}}
  \]
- 步骤三：Attention数值(context vector)：
  \[
  Attention(Query,Key)=\sum^{L_x}_{i=1}a_i·Value_i
  \]
在Tacotron中，注意力计算(attention computation)发生在每一个解码器时间步上，其包含以下阶段：
- 目标隐状态(上图绿框所示)与每一个源状态(上图蓝框所示)“相比”，以生成注意力权重(attention weights)或称对齐(alignments)：
  \[
  \alpha_{ts}=\frac{exp(score(h_t,\overline{h_s}))}{\sum_{s'=1}^{S}exp(score(h_t,\overline{h_{s'}}))}
  \]
  其中，\(h_t\)为目标隐状态，\(\overline{h_s}\)为源状态，\(score\)函数常被称作“能量”(energy)，因此可以表示为\(e\)。不同的\(score\)函数决定了不同类型的注意力机制。
- 基于注意力权重，计算上下文向量(context vector)作为源状态的加权平均：
  \[
  c_t=\sum_s\alpha_{ts}\overline{h_s}
  \]
- 注意力向量作为下一个时间步的输入
以下是不同的\(score\)函数：
- 基于内容的注意力机制(content-based attention)：
  \[
  e_{ij}=score(s_{i-1},h_j)=v_a^Ttanh(W_as_{i-1}+U_ah_j)
  \]
  其中，\(s_{i-1}\)为上一个时间步中解码器的输出(解码器隐状态，decoder hidden states)，\(h_j\)是编码器此刻输入(编码器隐状态，encoder hidden state j)，\(v_a\)、\(W_a\)和\(U_a\)是待训练参数张量。由于\(U_ah_j\)是独立于解码步\(i\)的，因此可以独立提前计算。基于内容的注意力机制能够将不同的输出与相应的输入元素连接，而与其位置无关。在Tacotron2中使用基于内容的注意力机制时，当输出对应于's'的Mel频谱帧，模型会寻找所有所有对应于's'的输入。
- 基于位置的注意力机制(location-based attention)：
  \[
  e_{ij}=score(\alpha_{i-1},h_j)=v_a^Ttanh(Wh_j+Uf_{i,j})
  \]
  其中，\(f_{i,j}\)是之前的注意力权重\(\alpha_{i-1}\)经卷积而得的位置特征，\(f_i=F*\alpha_{i-1}\)，\(v_a\)、\(W_a\)、\(U_a\)和\(F\)是待训练参数。
  
  基于位置的注意力机制仅关心序列元素的位置和它们之间的距离。基于位置的注意力机制会忽略静音或减少它们，因为该注意力机制没有发现输入的内容。
- 混合注意力机制(hybrid attention)：
  
  顾名思义，混合注意力机制是上述两者注意力机制的结合：
  \[
  e_{ij}=score(s_{i-1},\alpha_{i-1},h_j)=v_a^T\mathop{tanh}(Ws_{i-1}+Vh_j+Uf_{i,j})
  \]
  其中，\(s_{i-1}\)为之前的解码器隐状态，\(\alpha_{i-1}\)是之前的注意力权重，\(h_j\)是第\(j\)个编码器隐状态。为其添加偏置值\(b\)，最终的\(score\)函数计算如下：
  \[
  e_{ij}=v_a^T\mathop{tanh}(Ws_{i-1}+Vh_j+Uf_{i,j}+b)
  \]
  其中，\(v_a\)、\(W\)、\(V\)、\(U\)和\(b\)为待训练参数，\(s_{i-1}\)为上一个时间步中解码器隐状态，\(h_j\)是当前编码器隐状态，\(f_{i,j}\)是之前的注意力权重\(\alpha_{i-1}\)经卷积而得的位置特征(location feature)，\(f_i=F*\alpha_{i-1}\)。混合注意力机制能够同时考虑内容和输入元素的位置。
- Tacotron2注意力机制，Location Sensitive Attention
  \[
  e_{i,j}=score(s_i,c\alpha_{i-1},h_j)=v_a^T\mathop{tanh}(Ws_i+Vh_j+Uf_{i,j}+b)
  \]
  其中，\(s_i\)为当前解码器隐状态而非上一步解码器隐状态，偏置值\(b\)被初始化为0。位置特征\(f_i\)使用累加注意力权重\(c\alpha_i\)卷积而来：
  \[
  f_i=F*c\alpha_{i-1}\\
  c\alpha_i=\sum_{j=1}^{i-1}\alpha_j
  \]
  
  之所以使用加法累加而非乘法累积，原因如图：
  
  累加注意力权重，可以使得注意力权重网络了解它已经学习到的注意力信息，使得模型能在序列中持续进行并且避免重复未预料的语音。
  
  整个注意力机制如图：
解码器

解码过程从输入上一步的输出声谱或上一步的真实声谱到PreNet开始，解码过程如图：

PreNet的输出与使用上一个解码步输出计算而得的上下文向量做拼接，然后整个送入RNN解码器中，RNN解码器的输出用来计算新的上下文向量，最后新计算出来的上下文向量与解码器输出做拼接，送入投影层(projection layer)以预测输出。输出有两种形式，一种是声谱帧，一种是\(<stop\ token>\)的概率，后者是一个简单二分类问题，决定解码过程是否结束。使用缩减因子(reduction factor)即每一个解码步仅允许预测\(r\)(缩减因子)Mel谱帧，能够有效加速计算，减小内存占用。
后处理网络

一旦解码器完成解码，预测得到的Mel谱被送入一系列的卷积层中以提高生成质量。

后处理网络使用残差(residual)计算：
\[
y_{final}=y+y_r
\]
其中，\(y\)为原始输入

上式中，
\[
y_r=PostNet(y)=W_{ps}f_{ps}+b_{ps}
\]
其中，\(f_{ps}=F_{ps,i}*x\)，\(x\)为上一个卷积层的输出或解码器输出，\(F\)为卷积
训练
\[
loss=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}(y_{real,i}-y_i)^2+\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n(y_{real,i}-y_{final,i})^2+\lambda\sum_{j=1}^p w_j^2
\]
其中，\(y_{real,i}\)为真实声谱，\(y_i\)、\(y_{final,i}\)分别为进入后处理网络前、后的声谱，\(n\)为batch中的样本数，\(\lambda\)为正则化参数，\(p\)为参数总数，\(w\)为神经网络中的参数。注意，不需要正则化偏置值。

参考文献

Spectrogram Feature prediction network@github

Attention机制

nmt-tensorflow-tutorial@github

巴特西

声谱预测网络(Tacotron2)

编码器-解码器(Encoder-Decoder)结构

参考文献

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