rnn的音频降噪背后技术原理

rnniose:

这个演示展示了 RNNoise 项目，说明了如何将深度学习应用于噪声抑制。其核心理念是将经典的信号处理方法与深度学习结合，打造一个小巧、快速的实时噪声抑制算法。它不需要昂贵的 GPU —— 在树莓派上就能轻松运行。相比传统的噪声抑制系统（我们都经历过那些），这个算法不仅结构更简单（更容易调试），而且听起来效果更好。

噪声抑制:

噪声抑制在语音处理领域是一个相当古老的话题，最早可以追溯到上世纪70年代。顾名思义，它的核心思想是：从一个带噪声的信号中尽可能去除噪声，同时对其中的语音内容造成最小的失真。

这是一个传统噪声抑制算法的概念图示。其中，语音活动检测（VAD）模块会判断当前信号中是包含语音，还是只有噪声。这个信息会被传递给噪声谱估计模块，用于分析噪声的频谱特征（即每个频率上有多大的能量）。一旦我们知道了噪声的“样子”，就可以将其从输入音频中“减去”（当然，实际操作远没有听起来那么简单）。

从上面的图来看，噪声抑制看起来很简单：就三个概念上很直观的任务，搞定了，对吧？对——但也不完全对！

任何一个本科电子工程专业的学生都能写出一个“看起来能用”的噪声抑制算法……偶尔能用。但难点在于：让它在各种噪声环境下都能稳定且效果良好地工作。这需要你非常仔细地调试算法中的每一个参数，还要为一些奇怪的信号写特殊处理逻辑，并进行大量的测试。总有某些“奇葩”的信号会引发问题，然后你不得不继续调，调着调着还容易“修好一个地方、搞坏三个地方”。

这项工作是50% 科学，50% 艺术。我以前在开发 speexdsp 库中的噪声抑制器时就经历过这种情况。它算是能用，但效果并不算好。

深度学习与循环神经网络:

深度学习是一个老思想的新版本：人工神经网络。尽管人工神经网络自上世纪60年代就已经存在了，但近年来的革新在于：

1、我们现在知道如何构建超过两层隐藏层的深层网络；
2、我们知道如何让循环神经网络（RNN）记住很久以前的模式；
3、我们拥有足够的计算资源来真正训练这些网络。

循环神经网络（RNN）在这里非常重要，因为它们能够对时间序列进行建模，而不是像传统方法那样将输入和输出帧看作彼此独立的。这在噪声抑制中尤为关键，因为我们需要一定的时间来准确估计噪声的特性。

很长一段时间里，RNN 的能力受到了严重限制，原因有两个：

1、它们无法长时间保存信息；
2、在进行“时间上的反向传播”时使用的梯度下降过程效率非常低，容易出现梯度消失问题。

这两个难题后来通过门控单元（gated units）的发明得以解决，典型的门控结构包括：

1、长短期记忆网络（LSTM）
2、门控循环单元（GRU）
3、以及其他众多变体

RNNoise 使用的是 GRU（门控循环单元），因为它在这个任务上的表现比 LSTM 略好一些，而且占用的资源更少（包括 CPU 和存储权重所需的内存）。

与传统的简单 RNN 单元相比，GRU 额外引入了两个“门控”机制：

1、重置门（reset gate）：控制在计算新的状态时，是否要使用之前的记忆（状态）；
2、更新门（update gate）：控制当前状态在新输入下要更新多少。

特别是更新门，当它“关闭”时，GRU 就可以很轻松地保持某些信息不变、长期记忆。

正因为如此，GRU（以及 LSTM）在性能上远胜于传统的简单循环神经网络单元。

比较简单的循环单元（Simple RNN）和 GRU（门控循环单元）时，差异体现在 GRU 中的 r 门（重置门）和 z 门（更新门）。正是这两个门的存在，使 GRU 能够学习更长期的模式。

这两个门都是“软开关”（其值在 0 到 1 之间），它们的取值是根据上一时刻整个网络层的状态和当前输入，通过 Sigmoid 激活函数计算出来的。

当更新门 z 保持在左边（=趋近于0）时，当前的状态可以在很长一段时间内保持不变 —— 直到某个条件触发，导致 z 门“切换到右边”（=趋近于1），从而更新状态。

混合式方法:

由于深度学习的成功，如今越来越流行用深度神经网络来包办整个问题。这种方式被称为端到端（end-to-end）方法 —— 从头到尾都是神经元。

端到端方法已经被广泛应用于语音识别和语音合成。一方面，这些系统证明了深度神经网络的强大能力；但另一方面，它们有时也会显得效率低下，甚至在资源使用上非常浪费。

举个例子，有些用于噪声抑制的方案中，网络包含了成千上万个神经元、数千万个参数，整个降噪操作都交给神经网络来完成。

这种方法的缺点不仅仅是运行时的计算代价，还包括模型本身的体积问题 —— 你的程序可能只需要几百行代码，但却要附带几十兆（甚至更多）大小的权重文件。

这就是我们为什么采用不同的方法：

我们保留所有基础的信号处理部分（这些本来就需要），而不是让神经网络去模拟它们；然后只让神经网络去学习那些最难调、最易出错、最烦人的部分，也就是传统信号处理旁边那些“麻烦”的细节。

此外，我们的目标也和很多使用深度学习做语音降噪的研究不同：我们关注的是实时通信，而不是语音识别。这意味着我们不能“预见”未来超过几毫秒的音频 —— 在 RNNoise 中，我们的前瞻时间是 10 毫秒。这对实时性能来说非常关键。

定义问题:

为了避免输出数量过多 —— 也就是避免使用大量神经元 —— 我们决定不直接处理音频采样或完整频谱。相反，我们采用了按 Bark 频率尺度划分的频率带，这种尺度更符合人耳对声音的感知方式。

我们最终使用了总共 22 个频带，而不是原本可能需要处理的 480 个复数频谱值（即每一帧的完整频谱数据）。

Bark 频率尺度是一种心理声学尺度，它将频率划分为更贴近人类听觉感知的区间。

通过减少频率分辨率（从 480 降到 22），不仅大大降低了神经网络的输出维度，同时还能保留足够的音质信息，是效果和效率的权衡。

Opus 编码器的频带划分布局 vs 实际的 Bark 频率尺度。在 RNNoise 中，我们采用了与 Opus 相同的基本频带划分方式。

由于我们对频带进行了重叠处理，因此 Opus 频带之间的边界就成了 RNNoise 中重叠频带的中心位置。

在高频部分，频带变得更宽，因为人耳在高频段的频率分辨能力较差；而在低频部分，频带相对较窄，但不会像 Bark 尺度那样窄 —— 因为如果频带太窄，我们就无法收集到足够的数据来进行良好的估计。

当然，我们无法仅凭 22 个频带的能量重建出完整的音频信号。但我们可以做的是：为每个频带计算一个增益（gain）值，并将其应用到对应频带的信号上。

你可以把它想象成一个 22 段的均衡器（equalizer），我们通过快速调整每个频带的音量级别，来抑制噪声，同时保留有用的语音信号。

这种“按频带增益调整”的方式有几个优点：

1、模型更简单：因为只需要处理少量频带，所以模型计算量更小，结构更精简。
2、避免“音乐噪声（musical noise）”伪影：所谓音乐噪声，是指噪声抑制时只让一个频点通过，而旁边的频点被强烈压制，从而产生类似“哒哒哒”或“嗡嗡嗡”的金属感杂音。如果使用较宽的频带，我们要么让整段频带通过，要么整体压制，这样就不会留下孤立的频点，从而避免这种伪影。
3、更安全的模型输出范围：因为我们让神经网络预测的是频带的增益值，这些值始终限定在 0 到 1 之间。所以我们可以直接用 Sigmoid 激活函数来生成它们 —— 它的输出范围也是 0 到 1。这样就能确保网络不会输出特别“离谱”的结果，比如把一个本不存在的噪声“加”出来。

对于网络的输出，我们本来也可以选择使用 ReLU（修正线性单元）激活函数，用它来表示从 0 到正无穷的以分贝（dB）为单位的衰减量。

但为了在训练过程中更好地优化频带增益（gain），我们采用的损失函数是：

将增益提升到 α 次幂之后，再计算均方误差（MSE）。

到目前为止，我们发现当 α = 0.5 时，从感知听感上来说，模型的降噪效果是最好的。

而如果使用 α 趋近于 0，那等价于最小化对数频谱距离（log spectral distance），这种方式的问题在于：

当最优增益非常接近 0（也就是极度抑制时），训练会变得很不稳定、难以优化。

使用频带带来的主要缺点是：频率分辨率较低，因此无法精细地抑制音调谐波之间的噪声。不过，好消息是——这并不是特别重要，而且有一个非常简单的技巧可以处理这个问题（见下方的“音高滤波”部分）。

既然我们在输出中使用的是 22 个频带，那么在输入中保留更高的频率分辨率其实也没有意义，因此我们也使用同样的 22 个频带来将频谱信息输入到神经网络中。

由于音频具有极大的动态范围，直接输入能量值并不好。我们采用的方法是：

计算能量的对数值（log energy），这样数值分布更平稳、更易训练。另外，在此基础上我们还使用了离散余弦变换（DCT）对特征进行去相关处理，这不会带来坏处，反而能提升特征表达能力。

这样处理后得到的特征是基于 Bark 频率尺度的倒谱（cepstrum），它与语音识别中常用的 Mel 频率倒谱系数（MFCC）非常相似。

除了这些倒谱系数，我们还额外加入了以下输入特征：

前 6 个倒谱系数在时间维度上的一阶和二阶导数（反映特征随时间的变化）
音高周期（即基频的倒数）
在 6 个频带上的音高增益（表示语音的有声强度 / 清晰度）
一个特殊的非平稳性值，它对检测语音是否存在非常有用（但在本演示中不作深入介绍）

这些加起来，一共构成了 42 个神经网络的输入特征。

深度架构：

我们所使用的深度网络架构是从传统噪声抑制方法中获得灵感的。大部分的处理工作是通过 3 层 GRU（门控循环单元）来完成的。

下图展示了我们用于计算频带增益（band gains）的各层结构，以及该架构如何对应到传统噪声抑制的各个步骤。

当然，像许多神经网络应用一样，我们并没有确凿的证据证明网络的各层真的按照我们设想的方式工作。但实际测试表明，这种网络结构在效果上优于我们尝试过的其他拓扑结构，因此我们有理由相信它大致按我们设计的思路在发挥作用。

本项目中使用的神经网络拓扑结构图如下。图中的每个方框代表一层神经元，其中括号内的数字表示该层包含的单元数量。

Dense 层表示的是全连接的非循环层（非循环神经网络）；
网络的一个输出是用于不同频率上的一组增益值（gains），这些增益会被应用于音频的频带上，用来实现噪声抑制；
网络的另一个输出是语音活动概率（voice activity probability），它并不直接用于降噪处理，但作为网络的一个有用副产物，在其他应用（比如语音检测、编码优化等）中非常有价值。