ICASSP 2024｜字節(jié)跳動流媒體音頻團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新方案解決丟包補(bǔ)償、通用音質(zhì)修復(fù)問題

量子位的朋友們 2024-01-06 11:21:30 來源：量子位

在本屆ICASSP 2024 各類音頻國際挑戰(zhàn)賽中，字節(jié)跳動流媒體音頻團(tuán)隊(duì)聯(lián)合西北工業(yè)大學(xué)音頻語音與語言處理研究實(shí)驗(yàn)室，在丟包補(bǔ)償（Packet Loss Concealment， PLC）與音質(zhì)修復(fù)（Speech Signal Improvement， SSI）兩個(gè)挑戰(zhàn)賽道中，多項(xiàng)指標(biāo)上表現(xiàn)優(yōu)秀，分別取得第一和第二的成績，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

ICASSP峰會上的音頻挑戰(zhàn)賽由國際音頻頂級會議 ICASSP 和微軟聯(lián)合發(fā)起，旨在激發(fā)各研究構(gòu)在音頻效果與音質(zhì)提升上的研究，自第一屆舉辦以來就吸引了亞馬遜、騰訊、阿里巴巴、百度、快手、中科院、西工大等全球諸多知名企業(yè)和科研院所的參與。隨著流媒體領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，讓聲音聽的清，聽和真，變成音頻技術(shù)行業(yè)發(fā)展必然趨勢。圍繞著如何讓用戶有更優(yōu)的音頻體驗(yàn)，多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)對音頻從采集到轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行端到端的優(yōu)化，這一過程包含了如何對音頻采集缺陷，算法處理缺陷，編解碼缺陷，網(wǎng)絡(luò)傳輸缺陷等進(jìn)行一體化修復(fù)。本屆挑戰(zhàn)賽中，字節(jié)跳動流媒體音頻團(tuán)隊(duì)結(jié)合真實(shí)的業(yè)務(wù)落地場景，參加了丟包補(bǔ)償與通用音質(zhì)修復(fù)這兩個(gè)挑戰(zhàn)賽道。

ICASSP PLC 挑戰(zhàn)賽旨在解決網(wǎng)絡(luò)IP通話中長間隔數(shù)據(jù)包丟失和全帶音頻（48k Hz采樣率）處理的問題。該挑戰(zhàn)具有嚴(yán)格的時(shí)延限制，同時(shí)提供了苛刻的數(shù)據(jù)集來反映不利的網(wǎng)絡(luò)條件。主觀評估將使用P.804多維音頻質(zhì)量評估方法進(jìn)行，同時(shí)WER也被用于評估參賽系統(tǒng)生成語音的可懂度。流媒體音頻技術(shù)團(tuán)隊(duì)通過對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，有效降低了丟包補(bǔ)償模型的復(fù)雜度。同時(shí)，通過多判別器對抗訓(xùn)練與多任務(wù)學(xué)習(xí)，使丟包補(bǔ)償模型可以以高質(zhì)量、高可懂度恢復(fù)丟包片段，最終取得第一的成績。

ICASSP SSI 挑戰(zhàn)賽旨在解決通信系統(tǒng)中語音信號面臨的頻率響應(yīng)失真、不連續(xù)失真、響度失真、噪聲和混響這五類問題。該挑戰(zhàn)賽在嚴(yán)格設(shè)置模型時(shí)延以及因果性的前提下，使用ITU-TP.804標(biāo)準(zhǔn)下的主觀意見分和語音識別率綜合評判名次。流媒體技術(shù)團(tuán)隊(duì)使用兩階段模型結(jié)構(gòu)將復(fù)雜的修復(fù)問題簡化為多個(gè)子任務(wù)，在第一階段主要修復(fù)頻率響應(yīng)失真、不連續(xù)失真以及響度失真，并進(jìn)行初步降噪與去混響；在第二階段進(jìn)一步去除第一階段生成的偽影以及殘余噪聲。最終，團(tuán)隊(duì)在實(shí)時(shí)賽道取得第二名的成績。

丟包補(bǔ)償系統(tǒng)

為解決48kHz全帶音頻處理復(fù)雜度的問題，在丟包補(bǔ)償系統(tǒng)中使用了頻域模型，并根據(jù)頻率將音頻分為0-8kHz，8-24kHz兩個(gè)子帶并行處理。將主要計(jì)算量集中在對聽感影響更大的0-8kHz頻段，實(shí)現(xiàn)了低復(fù)雜度、高質(zhì)量的丟包補(bǔ)償。為了應(yīng)對長間隔丟包問題，在編解碼器每層后添加了時(shí)頻擴(kuò)張卷積模塊(TFDCM)，在保持小尺寸卷積核同時(shí)通過時(shí)間和頻率維度逐層膨脹的因果擴(kuò)張卷積捕獲長時(shí)歷史信息與頻率相關(guān)性。

為了更高質(zhì)量的補(bǔ)償音頻，結(jié)合使用頻域多分辨率判別器、時(shí)域多周期判別器與MetricGAN，進(jìn)行生成對抗訓(xùn)練，使得生成音頻聽感優(yōu)秀。對于長間隔丟包以及可懂度的問題，采用多任務(wù)學(xué)習(xí)框架。除了通常的語音信號相似度學(xué)習(xí)，還引入了基頻預(yù)測與基于whisper的語義理解損失函數(shù)。模型最長能夠以高質(zhì)量恢復(fù)超過100ms的丟包片段，且恢復(fù)音頻可懂度較高，詞正確率(WAcc)指標(biāo)領(lǐng)先所有參賽隊(duì)伍，總體評估得分并列第一。

丟包補(bǔ)償模型結(jié)構(gòu)示意圖

音質(zhì)修復(fù)系統(tǒng)

為了修復(fù)同時(shí)受多種失真影響的音頻，構(gòu)建系統(tǒng)中使用了兩階段模型架構(gòu)，在不同階段著重對不同失真進(jìn)行處理。一階段模型使用映射（Mapping）的方式直接預(yù)測修復(fù)后音頻的復(fù)數(shù)譜，從而使模型同時(shí)具備生成音頻缺失成分與消除干擾信號的能力，同時(shí)為了提升模型的長時(shí)捕獲信息的能力，在編碼器和解碼器中引入了時(shí)頻卷積模塊（Time-Frequency Convlution Module，TFCM）；由于映射法的不穩(wěn)定性，可能產(chǎn)生偽影，因此引入使用掩蔽（Mask）方式的二階段模型，并采用子帶-全帶建模的方式對頻帶進(jìn)行細(xì)粒度建模，從而進(jìn)一步消除一階段模型生成的偽影與殘余噪聲。

為了提升生成的音頻成分的自然度，引入生成式對抗網(wǎng)絡(luò)框架，使用多分辨率判別器、分子帶多分辨率判別器輔助模型進(jìn)行訓(xùn)練。同時(shí)為了多階段模型在訓(xùn)練時(shí)更容易收斂，首先在降噪和去混響任務(wù)上對二階段模型進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，然后凍結(jié)已訓(xùn)練完成的一階段模型的參數(shù)，并將其與預(yù)訓(xùn)練的二階段模型級聯(lián)進(jìn)行聯(lián)合訓(xùn)練，從而加快模型收斂。

音質(zhì)修復(fù)模型結(jié)構(gòu)示意圖

團(tuán)隊(duì)介紹

字節(jié)跳動流媒體音頻團(tuán)隊(duì)，致力于提供全球互聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)高質(zhì)量、低延時(shí)的實(shí)時(shí)音視頻通信能力，幫助開發(fā)者快速構(gòu)建語音通話、視頻通話、互動直播、轉(zhuǎn)推直播等豐富場景功能，目前已覆蓋互娛、教育、會議、游戲、汽車、金融、IoT 等實(shí)時(shí)音視頻互動場景，服務(wù)數(shù)億用戶。