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论文地址：DeepFilternet2: 面向嵌入式设备的全波段音频实时语音增强
论文代码：https://github.com/Rikorose/DeepFilterNet
引用格式：Schröter H, Rosenkranz T, Maier A. DeepFilterNet2: Towards Real-Time Speech Enhancement on Embedded Devices for Full-Band Audio[J]. arXiv preprint arXiv:2205.05474, 2022.
摘要
基于深度学习的语音增强技术已经取得了巨大的进步，最近还扩展到了全频带音频(48 kHz)。然而，许多方法都有相当高的计算复杂度，需要大的时间缓冲来实时使用，例如由于时间卷积或注意力。这两者都使得这些方法在嵌入式设备上不可行。这项工作进一步扩展了DeepFilterNet，利用语音的谐波结构实现了有效的语音增强。训练过程、数据增强和网络结构中的几项优化使SE性能达到了最先进的水平，同时在笔记本Core-i5 CPU上将实时因子降低到0.04。这使得算法可以在嵌入式设备上实时运行。DeepFilterNet框架可以在开源许可下获取。
索引术语：DeepFilterNet，语音增强，全波段，两级建模
1 引言
最近，基于深度学习的语音增强已经扩展到全频带(48 kHz)[1,2,3,4]。大多数SOTA方法通过对噪声音频信号进行短时傅里叶变换(STFT)在频域进行SE，并在类似于深度神经网络(DNN)的U-Net中对信号进行增强。然而，许多方法在乘法累积操作(MAC)和内存带宽方面有相对较大的计算需求。也就是说，较高的采样率通常需要较大的FFT窗口，从而产生大量的频率bin，这直接转化为更多的MAC。
PercepNet[1]通过使用三角形ERB(等效矩形带宽)滤波器组解决了这个问题。在这里，基于STFT的频率bin被对数压缩到32个ERB波段。然而，这只允许实值处理，这就是为什么PercepNet额外应用梳状过滤器来更好地增强语音的周期性成分。相反，FRCRN[3]将频率bin分成3个通道，以减少频率轴的大小。这种方法允许对复数比例掩码(CRM)进行复数的处理和预测。类似地，DMF-Net[4]使用多波段方法，其中频率轴被分成3个波段，由不同的网络分别处理。一般来说，与单阶段方法相比，像DMF-Net这样的多阶段网络最近展示了它们的潜力。例如，GaGNet[5]在特征提取阶段之后使用两个所谓的glance和gaze阶段。glance模块在粗量级域上工作，而gaze模块在复数域上处理频谱，允许以更精细的分辨率重建频谱。
在这项工作中，我们扩展了[2]的工作，[2]也分为两个阶段。DeepFilterNet利用了由一个周期分量和一个随机分量组成的语音模型。第一阶段在ERB域中工作，只增强语音包络，而第二阶段使用深度滤波[6,7]来增强周期性成分。在本文中，我们描述了在Voicebank+Demand[8]和深度噪声抑制(DNS) 4盲测挑战数据集[9]上实现SOTA性能的几个优化。此外，这些优化提高了运行时性能，使得在树莓派4上实时运行模型成为可能。
2 方法
2.1 信号模型和DeepFilterNet框架
我们假设噪音和语音是不相关的，比如
$$公式1：x(t)=s(t)*h(t)+n(t)$$
其中$s(t)$是纯净语音信号，$n(t)$是加性噪声，$h(t)$是模拟混响环境的房间脉冲响应，产生噪声混合物$x(t)$。这直接转化为频域
$$公式2：X(k,f)=S(k,f)*H(k,f)+N(k,f)$$
其中$X(k, f)$为时域信号$X(t)$的STFT表示，$k, f$为时间和频率指标。
在本研究中，我们采用了DeepFilterNet[2]的两阶段去噪过程。也就是说，第一阶段在量级范围内运行，并预测实值增益。整个第一阶段在一个压缩的ERB域内进行，目的是在模拟人耳听觉感知时减少计算复杂性。因此，第一阶段的目的是在粗频率分辨率下增强语音包络。第二阶段利用深度滤波在复数域内工作[7,6]，试图重构语音的周期性。[2]表明，深度滤波(DF)通常优于传统的复数比掩模(CRMs)，特别是在very noisy的条件下。
组合SE过程可以表述如下。编码器$F_{enc}$将ERB和复数特征编码到一个embedding $\varepsilon$中。
$$公式3：\varepsilon (k)=F_{enc}(X_{erb}(k,b),X_{df}(k,f_{erb}))$$
接下来，第一阶段预测实值增益$G$并增强语音包络，从而得到短时频谱$Y_G$。
$$公式4：\begin{aligned}
G_{erb}(k, b) &=\mathcal{F}_{erb\_dec}(\mathcal{E}(k)) \\
G(k, f) &=\operatorname{interp}(G_{{erb }}(k, b)) \\
Y_G(k, f) &=X(k, f) \cdot G(k, f)
\end{aligned}$$
最后在第二阶段，$F_{df\_dec}$预测了$N$阶的DF系数$C_{df}^N$，然后将其线性应用于$Y_G$。
$$公式5：\begin{aligned}
C_{\mathrm{df}}^N\left(k, i, f_{\mathrm{df}}\right) &=\mathcal{F}_{\mathrm{df} d e c}(\mathcal{E}(k)) \\
Y\left(k, f^{\prime}\right) &=\sum_{i=0}^N C\left(k, i, f^{\prime}\right) \cdot X(k-i+l, f)
\end{aligned}$$
$l$是DF look-ahead。如前所述，第二级只工作在频频谱的较低部分，频率为$f_{df}$= 5 kHz。DeepFilterNet2框架如图1所示。
图1所示 DeepFilterNet2语音增强过程的概述
2.2 训练流程
在DeepFilterNet[2]中，我们使用了exponential learning rate schedule和fixed weight decay。在这项工作中，我们还使用了一个学习率warmup 3个epoch，然后是cosine decay。最重要的是，我们在每次迭代时更新学习率，而不是在每个阶段之后更新。类似地，我们用不断增加的cosine schedule来安排权值衰减，从而为训练的后期阶段带来更大的正则化。最后，为了实现更快的收敛，特别是在训练的开始阶段，我们使用batch scheduling[10]，batch size从8开始，逐渐增加到96。调度方案如图2所示。
图2所示 用于训练的学习率、权重衰减和batch size
2.3 多目标损失
我们采用[2]的频谱损失$L_{spec}$。此外，使用多分辨率(MR)频谱损失，其中增强频谱$Y(k, f)$首先转换为时域，然后计算多个stft，窗口从5 ms到40 ms[11]。为了传播这种损失的梯度，我们使用pytorch STFT/ISTFT，它在数值上足够接近于Rust中实现的原始DeepFilterNet处理循环。
$$公式6：\mathcal{L}_{\mathrm{MR}}=\sum_i\left\|\left|Y_i^{\prime}\right|^c-\left|S_i^{\prime}\right|^c\right\|^2\left\|\left|Y_i^{\prime}\right|^c e^{j \varphi_Y}-\left|S_i^{\prime}\right|^c e^{j \varphi_S}\right\|^2$$
其中$Y_i'= STFT_i(y)$为预测TD信号y的第$i$个窗口大小为{5,10,20,40}ms的STFT, $c = 0.3$为压缩参数[1]。与DeepFilterNet[2]相比，我们去掉了$\alpha$损失项，因为所使用的启发式仅是局部语音周期性的较差近似。此外，DF可以增强非语音部分的语音，并可以通过将系数$t_0$的实部设置为1，将其余系数设置为0来禁用其效果。多目标综合损失为：
$$公式7：L=\lambda_{spec}L_{spec}+\lambda_{ML}L_{ML}$$
2.4 数据增强
DeepFilterNet在深度噪声抑制(DNS) 3挑战数据集[12]上进行训练，而我们在DNS4[9]的英语部分上对DeepFilterNet2进行训练，因为DNS4[9]包含更多的全波段噪声和语音样本。
在语音增强中，通常只减少背景噪声，在某些情况下还会减少混响[1,11,2]。在这项工作中，我们将SE的概念进一步扩展到下降。因此，我们区分了动态数据预处理管道中的增强和失真。增强应用于语音和噪声样本，目的是进一步扩展网络在训练中观察到的数据分布。另一方面，失真只应用于语音样本，用于噪声混合的创建。清晰语音目标不受失真变换的影响。因此，DNN学会重建原始的、未失真的语音信号。目前，DeepFilterNet框架支持以下随机增强
- 随机二阶滤波[13]
- 改变Gain
- 通过二阶滤波器的均衡器
- 重采样的速度和音高变化[13]
- 添加彩色噪声(不用于语音样本)
除去噪外，DeepFilterNet还将尝试恢复以下失真:
- 混响：通过衰减房间传递函数，目标信号将包含更少的混响。
- 裁剪信噪比为[20,0]dB的伪影。
2.5 DNN
我们保留了DeepFilterNet[2]的一般卷积U-Net结构，但做了以下调整。最终的架构如图3所示。
1、Unification of the encoder。ERB和复数特征的卷积现在都在编码器中处理，连接，并传递到分组线性(GLinear)层和单个GRU。
2、Simplify Grouping。以前，线性层和GRU层的分组是通过独立的更小的层实现的，这导致了相对较高的处理开销。在DeepFilterNet2中，只有线性层在频率轴上分组，通过单一矩阵乘法实现。GRU hidden dim被减少到256。我们还在DF解码器的输出层应用分组，激励相邻频率足以预测滤波器系数。这大大减少了运行时间，而只增加了少量flop的数量。
3、Reduction of temporal kernels。虽然时间卷积(TCN)或时间注意已经成功地应用于SE，但它们在实时推理时需要时间缓冲。这可以通过环形缓冲区有效地实现，然而，缓冲区需要保存在内存中。这种额外的内存访问可能会导致带宽成为限制瓶颈，尤其对于嵌入式设备来说可能是这种情况。因此，我们减小了卷积的核大小并将卷积从2*3转置到1*3，即频率轴上的1D。现在只有输入层通过因果3*3卷积合并了时间上下文。这大大减少了实时推理期间使用的时间缓冲区。
4、Depthwise pathway convolutions。当使用可分离卷积时，大量的参数和flop位于1*1卷积处。因此，在路径卷积(PConv)中添加分组可以大大减少参数，同时不会损失任何显著的SE性能。
图3 DeepFilterNet2架构
2.6 后处理
我们采用了Valin等人[1]首先提出的后滤波器，目的是略微过衰减有噪声的TF bin，同时为噪声较小的频点增加一些增益。我们在第一阶段的预测gains上执行此操作
$$公式8：\begin{aligned}
G^{\prime}(k, b) &\leftarrow G(k, b)) \cdot \sin \left(\frac{\pi}{2} G(k, b)\right) \\
G(k, b) & \leftarrow \frac{(1+\beta) \cdot G(k, b)}{1+\beta+G^{\prime}(b, k)}
\end{aligned}$$
3 实验
3.1 实现细节
如2.4节所述，我们在DNS4数据集上训练DeepFilterNet2，总共使用超过500小时的全波段纯净语音(大约)。150 H的噪声以及150个真实的和60000个模拟的HRTFs。我们将数据分为训练集、验证集和测试集(70%、15%、15%)。Voicebank集是分离说话人独占，与测试集没有重叠。我们在Voicebank+Demand测试集[8]和DNS4盲测试集[9]上评估了我们的方法。我们用AdamW对模型进行了100个epoch的训练，并根据验证损失选择最佳模型。
在这项工作中，我们使用20毫秒的窗口，50%的重叠，以及两个帧的look-ahead，导致总体算法延迟40毫秒。我们取32个ERB波段，$f_{DF}$= 5kHz，DF阶数$N = 5$，look-ahead = 2帧。损失参数$\lambda_{spec}=1e3$和$\lambda_{spec}=5e2$的选择使两个损失的数量级相同。源代码和一个预先训练的DeepFilterNet2可以在https://github.com/Rikorose/DeepFilterNet获得。
3.2 结果
我们使用Valentini语音库+需求测试集[8]来评估DeepFilterNet2的语音增强性能。因此，我们选择WB-PESQ [19]， STOI[20]和综合指标CSIG, CBAK, COVL[21]。表1显示了DeepFilterNet2与其他先进(SOTA)方法的比较结果。可以发现，DeepFilterNet2实现了sota级别的结果，同时需要最小的每秒乘法累积运算(MACS)。在DeepFilterNet(第2.5节)上，参数的数量略有增加，但该网络能够以两倍多的速度运行，并获得0.27的高PESQ评分。GaGNet[5]实现了类似的RTF，同时具有良好的SE性能。然而，它只在提供整个音频时运行得很快，由于它使用了大的时间卷积核，需要大的时间缓冲区。FRCRN[3]在大多数指标上都能获得最好的结果，但具有较高的计算复杂度，这在嵌入式设备上是不可实现的。
表1 Voicebank+Demand测试集的客观结果。实时因子(RTF)是在笔记本Core i5-8250U CPU上通过5次运行的平均值来测量的。
未报告的相关工作表示为 -
- a、度量和RTF测量的源代码和权重提供在https://github.com/xiph/rnnoise
- b、注意，RNNoise运行单线程
- c、RTF测量的源代码提供在https://github.com/huyanxin/DeepComplexCRN
- d、复合和STOI指标由相同的作者在[16]中提供
- e、度量和RTF测量的源代码和权重提供在：https://github.com/hit-thusz-RookieCJ/FullSubNet-plus
- f、RTF测量的源代码提供在：https://github.com/Andong-Li-speech/GaGNet
表2显示了DNSMOS P.835[22]在DNS4盲试验集上的结果。虽然deepfilternet[2]不能提高语音质量平均意见评分(SIGMOS)，但使用DeepFilterNet2我们也获得了良好的结果，对于背景和总体MOS值。此外，DeepFilterNet2相对接近用于选择纯净语音样本来训练DNS4基线NSNet2 (SIG=4.2, BAK=4.5, OVL=4.0)[9]的最小DNSMOS值，进一步强调了其良好的SE性能。
4 结论
在这项工作中，我们提出了一个低复杂度的语音增强框架DeepFilterNet2。利用DeepFilterNet的感知方法，我们能够进一步应用一些优化，从而提高SOTA SE的性能。由于其轻量级的架构，它可以在树莓派4上以0.42的实时系数运行。在未来的工作中，我们计划将语音增强的想法扩展到其他增强，比如纠正由于当前房间环境造成的低通特性。
5 参考
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