基于Tensorflow2实现的中文声纹识别
前言
本章介绍如何使用Tensorflow实现简单的声纹识别模型，首先你需要熟悉音频分类，没有了解的可以查看这篇文章《基于Tensorflow实现声音分类》 。基于这个知识基础之上，我们训练一个声纹识别模型，通过这个模型我们可以识别说话的人是谁，可以应用在一些需要音频验证的项目。不同的是本项目使用了ArcFace Loss，ArcFace loss：Additive Angular Margin Loss（加性角度间隔损失函数），对特征向量和权重归一化，对θ加上角度间隔m，角度间隔比余弦间隔在对角度的影响更加直接。
源码地址：VoiceprintRecognition-Tensorflow
使用环境：
- Python 3.7
- Tensorflow 2.3.0
模型下载
| 数据集 | 类别数量 | 准确率 | 下载地址 |
|---|---|---|---|
| 中文语音语料数据集 | 3242 | 999693 | 点击下载 |
安装环境
- 安装Tensorflow，如果已经安装过Tensorflow，测无需再次安装。
pip install tensorflow==2.3.0 -i https://mirrors.aliyun.com/pypi/simple/
- 安装其他依赖库，命令如下。
pip install -r requirements.txt -i https://mirrors.aliyun.com/pypi/simple/
创建数据
本教程笔者使用的是中文语音语料数据集 ，这个数据集一共有3242个人的语音数据，有1130000+条语音数据。如果读者有其他更好的数据集，可以混合在一起使用，但要用python的工具模块aukit处理音频，降噪和去除静音。
首先是创建一个数据列表，数据列表的格式为<语音文件路径\t语音分类标签>，创建这个列表主要是方便之后的读取，也是方便读取使用其他的语音数据集，语音分类标签是指说话人的唯一ID，不同的语音数据集，可以通过编写对应的生成数据列表的函数，把这些数据集都写在同一个数据列表中。
在create_data.py写下以下代码，因为中文语音语料数据集 这个数据集是mp3格式的，作者发现这种格式读取速度很慢，所以笔者把全部的mp3格式的音频转换为wav格式，在创建数据列表之后，可能有些数据的是错误的，所以我们要检查一下，将错误的数据删除。执行下面程序完成数据准备。
python create_data.py
执行上面的程序之后，会生成以下的数据格式，如果要自定义数据，参考如下数据列表，前面是音频的相对路径，后面的是该音频对应的说话人的标签，就跟分类一样。
dataset/zhvoice/zhmagicdata/5_895/5_895_20170614203758.wav 3238
dataset/zhvoice/zhmagicdata/5_895/5_895_20170614214007.wav 3238
dataset/zhvoice/zhmagicdata/5_941/5_941_20170613151344.wav 3239
dataset/zhvoice/zhmagicdata/5_941/5_941_20170614221329.wav 3239
dataset/zhvoice/zhmagicdata/5_941/5_941_20170616153308.wav 3239
dataset/zhvoice/zhmagicdata/5_968/5_968_20170614162657.wav 3240
dataset/zhvoice/zhmagicdata/5_968/5_968_20170622194003.wav 3240
dataset/zhvoice/zhmagicdata/5_968/5_968_20170707200554.wav 3240
dataset/zhvoice/zhmagicdata/5_970/5_970_20170616000122.wav 3241
数据读取
有了上面创建的数据列表和均值标准值，就可以用于训练读取。主要是把语音数据转换短时傅里叶变换的幅度谱，使用librosa可以很方便计算音频的特征，如梅尔频谱的API为librosa.feature.melspectrogram()，输出的是numpy值，可以直接用PaddlePaddle训练和预测。跟梅尔频谱同样很重要的梅尔倒谱（MFCCs）更多用于语音识别中，对应的API为librosa.feature.mfcc()。在本项目中使用的API分别是librosa.stft()和librosa.magphase()。在训练时，使用了数据增强，如随机翻转拼接，随机裁剪。经过处理，最终得到一个257*257的短时傅里叶变换的幅度谱。
wav, sr_ret = librosa.load(audio_path, sr=sr)
linear = librosa.stft(extended_wav, n_fft=n_fft, win_length=win_length, hop_length=hop_length)
mag, _ = librosa.magphase(linear )
freq, freq_time = mag.shape
spec_mag = mag[:, :spec_len]
mean = np.mean(spec_mag, 0, keepdims=True)
std = np.std(spec_mag, 0, keepdims=True)
spec_mag = (spec_mag - mean) / (std + 1e-5)
训练模型
创建train.py开始训练模型，使用的是经过修改过的resnet34模型，数据输入层设置为[None, 1, 257, 257]，这个大小就是短时傅里叶变换的幅度谱的shape，如果读者使用了其他的语音长度，也需要修改这个值。每训练一轮结束之后，执行一次模型评估，计算模型的准确率，以观察模型的收敛情况。同样的，每一轮训练结束保存一次模型，分别保存了可以恢复训练的模型参数，也可以作为预训练模型参数。还保存预测模型，用于之后预测。
python train.py
训练过程中，会使用tensorboard保存训练日志，通过启动tensorboard可以随时查看训练结果，启动命令tensorboard --logdir=log --host 0.0.0.0
评估模型
训练结束之后会保存预测模型，我们用预测模型来预测测试集中的音频特征，然后使用音频特征进行两两对比，阈值从0到1,步长为0.01进行控制，找到最佳的阈值并计算准确率。
python eval.py
输出类似如下：
----------- Configuration Arguments -----------
input_shape: (1, 257, 257)
list_path: dataset/test_list.txt
model_path: models/infer/model
------------------------------------------------
开始提取全部的音频特征...
100%|█████████████████████████████████████████████████████| 5332/5332 [01:09<00:00, 77.06it/s]
开始两两对比音频特征...
100%|█████████████████████████████████████████████████████| 5332/5332 [01:43<00:00, 51.62it/s]
100%|█████████████████████████████████████████████████████| 100/100 [00:03<00:00, 28.04it/s]
当阈值为0.990000, 准确率最大，准确率为：0.999693
声纹对比
下面开始实现声纹对比，创建infer_contrast.py程序，编写infer()函数，在编写模型的时候，模型是有两个输出的，第一个是模型的分类输出，第二个是音频特征输出。所以在这里要输出的是音频的特征值，有了音频的特征值就可以做声纹识别了。我们输入两个语音，通过预测函数获取他们的特征数据，使用这个特征数据可以求他们的对角余弦值，得到的结果可以作为他们相识度。对于这个相识度的阈值threshold，读者可以根据自己项目的准确度要求进行修改。
python infer_contrast.py --audio_path1=audio/a_1.wav --audio_path2=audio/b_2.wav
输出类似如下：
----------- Configuration Arguments -----------
audio_path1: audio/a_1.wav
audio_path2: audio/b_1.wav
input_shape: (257, 257, 1)
model_path: models/infer_model.h5
threshold: 0.7
------------------------------------------------
Model: "functional_1"
_________________________________________________________________
Layer (type) Output Shape Param #
=================================================================
resnet50v2_input (InputLayer [(None, 257, 257, 1)] 0
_________________________________________________________________
resnet50v2 (Functional) (None, 2048) 23558528
_________________________________________________________________
batch_normalization (BatchNo (None, 2048) 8192
=================================================================
Total params: 23,566,720
Trainable params: 23,517,184
Non-trainable params: 49,536
_________________________________________________________________
audio/a_1.wav 和 audio/b_1.wav 不是同一个人，相似度为：0.503458
声纹识别
在上面的声纹对比的基础上，我们创建infer_recognition.py实现声纹识别。同样是使用上面声纹对比的infer()预测函数，通过这两个同样获取语音的特征数据。 不同的是笔者增加了load_audio_db()和register()，以及recognition()，第一个函数是加载声纹库中的语音数据，这些音频就是相当于已经注册的用户，他们注册的语音数据会存放在这里，如果有用户需要通过声纹登录，就需要拿到用户的语音和语音库中的语音进行声纹对比，如果对比成功，那就相当于登录成功并且获取用户注册时的信息数据。第二个函数register()其实就是把录音保存在声纹库中，同时获取该音频的特征添加到待对比的数据特征中。最后recognition()函数中，这个函数就是将输入的语音和语音库中的语音一一对比。
有了上面的声纹识别的函数，读者可以根据自己项目的需求完成声纹识别的方式，例如笔者下面提供的是通过录音来完成声纹识别。首先必须要加载语音库中的语音，语音库文件夹为audio_db，然后用户回车后录音3秒钟，然后程序会自动录音，并使用录音到的音频进行声纹识别，去匹配语音库中的语音，获取用户的信息。通过这样方式，读者也可以修改成通过服务请求的方式完成声纹识别，例如提供一个API供APP调用，用户在APP上通过声纹登录时，把录音到的语音发送到后端完成声纹识别，再把结果返回给APP，前提是用户已经使用语音注册，并成功把语音数据存放在audio_db文件夹中。
python infer_recognition.py
输出类似如下：
----------- Configuration Arguments -----------
audio_db: audio_db
input_shape: (257, 257, 1)
model_path: models/infer_model.h5
threshold: 0.7
------------------------------------------------
Model: "functional_1"
_________________________________________________________________
Layer (type) Output Shape Param #
=================================================================
resnet50v2_input (InputLayer [(None, 257, 257, 1)] 0
_________________________________________________________________
resnet50v2 (Functional) (None, 2048) 23558528
_________________________________________________________________
batch_normalization (BatchNo (None, 2048) 8192
=================================================================
Total params: 23,566,720
Trainable params: 23,517,184
Non-trainable params: 49,536
_________________________________________________________________
Loaded 李达康 audio.
Loaded 沙瑞金 audio.
请选择功能，0为注册音频到声纹库，1为执行声纹识别：0
按下回车键开机录音，录音3秒中：
开始录音......
录音已结束!
请输入该音频用户的名称：夜雨飘零
请选择功能，0为注册音频到声纹库，1为执行声纹识别：1
按下回车键开机录音，录音3秒中：
开始录音......
录音已结束!
识别说话的为：夜雨飘零，相似度为：0.920434
其他版本
- PaddlePaddle：VoiceprintRecognition-PaddlePaddle
- Pytorch：VoiceprintRecognition-Pytorch
- Keras：VoiceprintRecognition-Keras