音頻處理問題難？快使用Tensorflow構建一個語音識別模型
譯文【51CTO.com快譯】本文我們將通過一個使用Tensorflow對一些聲音剪輯進行分類的例子，幫助你了解足夠的基礎知識，從而能夠構建自己的語音識別模型。另外，你也可以通過進一步的學習，將這些概念應用到更大、更復雜的音頻文件中。
本案例的完整代碼可以在??GitHub??上獲取。
獲取數據
數據收集是數據科學中的難題之一。雖然有很多可用的數據，但并不是所有的數據都容易用于機器學習問題。因此必須確保數據是干凈的、有標簽的和完整的。
為了實現本次案例，我們將使用Google發布的一些音頻文件，可以在??Github??上獲取。
首先，我們將創建一個新的Conducto管道。在這里，您可以構建，訓練和測試模型，并與其他感興趣的人共享鏈接：
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# Main Pipeline
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def main() -> co.Serial:
path = "/conducto/data/pipeline"
root = co.Serial(image = get_image())
# Get data from keras for testing and training
root["Get Data"] = co.Exec(run_whole_thing, f"{path}/raw")
return root
然后，開始編寫 run_whole_thing 功能：
def run_whole_thing(out_dir):
os.makedirs(out_dir, exist_ok=True)
# Set seed for experiment reproducibility
seed = 55
tf.random.set_seed(seed)
np.random.seed(seed)
data_dir = pathlib.Path("data/mini_speech_commands")
接下來，設置目錄以保存音頻文件：
if not data_dir.exists():
# Get the files from external source and put them in an accessible directory
tf.keras.utils.get_file(
'mini_speech_commands.zip',
origin="http://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/data/mini_speech_commands.zip",
extract=True)
預處理數據
現在將數據保存在正確的目錄中，可以將其拆分為訓練、測試和驗證數據集。
首先，我們需要編寫一些函數來幫助預處理數據，以使其可以在我們的模型中起作用。
我們需要算法能夠理解的數據格式。我們將使用卷積神經網絡，所以數據需要轉換成圖像。
第一個函數將把二進制音頻文件轉換成一個張量：
# Convert the binary audio file to a tensor
def decode_audio(audio_binary):
audio, _ = tf.audio.decode_wav(audio_binary)
return tf.squeeze(audio, axis=-1)
由于我們有一個具有原始數據的張量，所以我們需要得到匹配它們的標簽。這就是下面的函數通過從文件路徑獲取音頻文件的標簽功能：
# Get the label (yes, no, up, down, etc) for an audio file.
def get_label(file_path):
parts = tf.strings.split(file_path, os.path.sep)
return parts[-2]
接下來，我們需要將音頻文件與正確的標簽相關聯。執行此操作并返回一個可與 Tensorflow配合使用的元組：
# Create a tuple that has the labeled audio files
def get_waveform_and_label(file_path):
label = get_label(file_path)
audio_binary = tf.io.read_file(file_path)
waveform = decode_audio(audio_binary)
return waveform, label
前面我們簡要提到了使用卷積神經網絡(CNN)算法。這是我們處理語音識別模型的方法之一。通常CNN在圖像數據上工作得很好，有助于減少預處理時間。
我們要利用這一點，把音頻文件轉換成頻譜圖。頻譜圖是頻率頻譜的圖像。如果查看一個音頻文件，你會發現它只是頻率數據。因此，我們要寫一個將音頻數據轉換成圖像的函數：
# Convert audio files to images
def get_spectrogram(waveform):
# Padding for files with less than 16000 samples
zero_padding = tf.zeros([16000] - tf.shape(waveform), dtype=tf.float32)
# Concatenate audio with padding so that all audio clips will be of the same length
waveform = tf.cast(waveform, tf.float32)
equal_length = tf.concat([waveform, zero_padding], 0)
spectrogram = tf.signal.stft(
equal_length, frame_length=255, frame_step=128)
spectrogram = tf.abs(spectrogram)
return spectrogram
現在我們已經將數據格式化為圖像，我們需要將正確的標簽應用于這些圖像。這與我們制作原始音頻文件的做法類似：
# Label the images created from the audio files and return a tuple
def get_spectrogram_and_label_id(audio, label):
spectrogram = get_spectrogram(audio)
spectrogram = tf.expand_dims(spectrogram, -1)
label_id = tf.argmax(label == commands)
return spectrogram, label_id
我們需要的最后一個 helper 函數將處理傳遞給它的任何音頻文件集的所有上述操作：
# Preprocess any audio files
def preprocess_dataset(files, autotune, commands):
# Creates the dataset
files_ds = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(files)
# Matches audio files with correct labels
output_ds = files_ds.map(get_waveform_and_label,
num_parallel_calls=autotune)
# Matches audio file images to the correct labels
output_dsoutput_dsoutput_ds = output_ds.map(
get_spectrogram_and_label_id, num_parallel_calls=autotune)
return output_ds
當已經有了所有這些輔助函數，我們就可以分割數據了。
將數據拆分為數據集
將音頻文件轉換為圖像有助于使用CNN更容易處理數據，這就是我們編寫所有這些幫助函數的原因。我們將做一些事情來簡化數據的分割。
首先，我們將獲得所有音頻文件的潛在命令列表，我們將在代碼的其他地方使用這些命令：
# Get all of the commands for the audio files
commands = np.array(tf.io.gfile.listdir(str(data_dir)))
commandscommandscommands = commands[commands != 'README.md']
然后我們將得到數據目錄中所有文件的列表，并對其進行混洗，以便為每個需要的數據集分配隨機值：
# Get a list of all the files in the directory
filenames = tf.io.gfile.glob(str(data_dir) + '/*/*')
# Shuffle the file names so that random bunches can be used as the training, testing, and validation sets
filenames = tf.random.shuffle(filenames)
# Create the list of files for training data
train_files = filenames[:6400]
# Create the list of files for validation data
validation_files = filenames[6400: 6400 + 800]
# Create the list of files for test data
test_files = filenames[-800:]
現在，我們已經清晰地將培訓、驗證和測試文件分開，這樣我們就可以繼續對這些文件進行預處理，使它們為構建和測試模型做好準備。這里使用autotune來在運行時動態調整參數的值：
autotune = tf.data.AUTOTUNE
第一個示例只是為了展示預處理的工作原理，它給了一些我們需要的spectrogram_ds值：
# Get the converted audio files for training the model
files_ds = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(train_files)
waveform_ds = files_ds.map(
get_waveform_and_label, num_parallel_calls=autotune)
spectrogram_ds = waveform_ds.map(
get_spectrogram_and_label_id, num_parallel_calls=autotune)
既然已經了解了預處理的步驟過程，我們可以繼續使用helper函數來處理所有數據集：
# Preprocess the training, test, and validation datasets
train_ds = preprocess_dataset(train_files, autotune, commands)
validation_ds = preprocess_dataset(
validation_files, autotune, commands)
test_ds = preprocess_dataset(test_files, autotune, commands)
我們要設置一些訓練示例，這些訓練示例在每個時期的迭代中運行，因此我們將設置批處理大小：
# Batch datasets for training and validation
batch_size = 64
train_dstrain_dstrain_ds = train_ds.batch(batch_size)
validation_dsvalidation_dsvalidation_ds = validation_ds.batch(batch_size)
最后，我們可以利用緩存來減少訓練模型時的延遲：
# Reduce latency while training
train_dstrain_dstrain_ds = train_ds.cache().prefetch(autotune)
validation_dsvalidation_dsvalidation_ds = validation_ds.cache().prefetch(autotune)
最終，我們的數據集采用了可以訓練模型的形式。
建立模型
由于數據集已明確定義，所以我們可以繼續構建模型。我們將使用CNN創建模型，因此我們需要獲取數據的形狀以獲取適用于我們圖層的正確形狀，然后我們繼續按順序構建模型：
# Build model
for spectrogram, _ in spectrogram_ds.take(1):
input_shape = spectrogram.shape
num_labels = len(commands)
norm_layer = preprocessing.Normalization()
norm_layer.adapt(spectrogram_ds.map(lambda x, _: x))
model = models.Sequential([
layers.Input(shape=input_shape),
preprocessing.Resizing(32, 32),
norm_layer,
layers.Conv2D(32, 3, activation='relu'),
layers.Conv2D(64, 3, activation='relu'),
layers.MaxPooling2D(),
layers.Dropout(0.25),
layers.Flatten(),
layers.Dense(128, activation='relu'),
layers.Dropout(0.5),
layers.Dense(num_labels),
])
model.summary()
我們在模型上做了一些配置，以便給我們最好的準確性：
# Configure built model with losses and metrics
model.compile(
optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(),
loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(
from_logits=True),
metrics=['accuracy'],
)
模型建立好了，現在剩下的就是訓練它了。
訓練模型
在所有的工作都對數據進行預處理和建立模型之后，訓練就相對簡單了。我們確定要使用訓練和驗證數據集運行多少個周期：
# Finally train the model and return info about each epoch
EPOCHS = 10
model.fit(
train_ds,
validation_data=validation_ds,
epochs=EPOCHS,
callbacks=tf.keras.callbacks.EarlyStopping(verbose=1, patience=2),
)
這樣這個模型就已經訓練好了，現在需要對它進行測試。
測試模型
現在我們有了一個準確率約為83%的模型，是時候測試它在新數據上的表現了。所以我們使用測試數據集并將音頻文件從標簽中分離出來：
# Test the model
test_audio = []
test_labels = []
for audio, label in test_ds:
test_audio.append(audio.numpy())
test_labels.append(label.numpy())
test_audio = np.array(test_audio)
test_labels = np.array(test_labels)
然后我們獲取音頻數據并在我們的模型中使用它，看看它是否預測了正確的標簽：
# See how accurate the model is when making predictions on the test dataset
y_pred = np.argmax(model.predict(test_audio), axis=1)
y_true = test_labels
test_acc = sum(y_pred == y_true) / len(y_true)
print(f'Test set accuracy: {test_acc:.0%}')
完成管道
只需要編寫一小段代碼就可以完成您的管道并使其與任何人共享。這定義了將在Conducto管道中使用的圖像，并處理文件執行:
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# Pipeline Helper functions
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def get_image():
return co.Image(
"python:3.8-slim",
copy_dir=".",
reqs_py=["conducto", "tensorflow", "keras"],
)
if __name__ == "__main__":
co.main(default=main)
現在，你可以在終端中運行python pipeline.py——它應該會啟動一個到新Conducto管道的鏈接。
結論
這是解決音頻處理問題的方法之一，但是根據要分析的數據，它可能要復雜得多。如果將其構建在管道中，可以很輕松地與同事共享并在遇到錯誤時獲得幫助或反饋。
【51CTO譯稿，合作站點轉載請注明原文譯者和出處為51CTO.com】
