機器之心報道

編輯：杜偉、梓文

(資料圖片)

年初，谷歌推出了音樂生成大模型 MusicLM，效果非常不錯。有人稱這比大火的 ChatGPT 還重要，幾乎解決了音樂生成問題。近日，Meta 也推出了自己的文本音樂生成模型 MusicGen，并且非商業(yè)用途免費使用。

在進入正文前，我們先聽兩段 MusicGen 生成的音樂。我們輸入文本描述「a man walks in the rain, come accross a beautiful girl, and they dance happily」

然后嘗試輸入周杰倫《七里香》歌詞中的前兩句「窗外的麻雀在電線桿上多嘴，你說這一句 很有夏天的感覺」（支持中文）

試玩地址：https://huggingface.co/spaces/facebook/MusicGen

文本到音樂是指在給定文本描述的情況下生成音樂作品的任務(wù)，例如「90 年代吉他即興搖滾歌曲」。作為一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，生成音樂要對長序列進行建模。與語音不同，音樂需要使用全頻譜，這意味著以更高的速率對信號進行采樣，即音樂錄音的標準采樣率為 44.1 kHz 或 48 kHz，而語音的采樣率為 16 kHz。

此外，音樂包含不同樂器的和聲和旋律，這使音樂有著復雜的結(jié)構(gòu)。但由于人類聽眾對不和諧十分敏感，因此對生成音樂的旋律不會有太大容錯率。當然，以多種方法控制生成過程的能力對音樂創(chuàng)作者來說是必不可少的，如鍵、樂器、旋律、流派等。

最近自監(jiān)督音頻表示學習、序列建模和音頻合成方面的進展，為開發(fā)此類模型提供了條件。為了使音頻建模更加容易，最近的研究提出將音頻信號表示為「表示同一信號」的離散 token 流。這使得高質(zhì)量的音頻生成和有效的音頻建模成為可能。然而這需要聯(lián)合建模幾個并行的依賴流。

Kharitonov 等人 [ 2022 ] 、Kreuk 等人 [ 2022 ] 提出采用延遲方法并行建模語音 token 的多流，即在不同流之間引入偏移量。Agostinelli 等人 [ 2023 ] 提出使用不同粒度的多個離散標記序列來表示音樂片段，并使用自回歸模型的層次結(jié)構(gòu)對其進行建模。同時，Donahue 等人 [ 2023 ] 采用了類似的方法，但針對的是演唱到伴奏生成的任務(wù)。最近，Wang 等人 [ 2023 ] 提出分兩個階段解決這個問題：限制對第一個 token 流建模。然后應(yīng)用 post-network 以非自回歸的方式聯(lián)合建模其余的流。

本文中，Meta AI 的研究者提出了 MUSICGEN，這是一種簡單、可控的音樂生成模型，能在給定文本描述的情況下生成高質(zhì)量的音樂。

論文地址：https://arxiv.org/pdf/2306.05284.pdf

研究者提出一個對多個并行聲學 token 流進行建模的通用框架，作為以前研究的概括 ( 見下圖 1 ) 。為提高生成樣本的可控性，本文還引入了無監(jiān)督旋律條件，使模型能夠根據(jù)給定和聲和旋律生成結(jié)構(gòu)匹配的音樂。本文對 MUSICGEN 進行了廣泛的評估，所提出的方法在很大程度上優(yōu)于評估基線：MUSICGEN 的主觀評分為 84.8 ( 滿分 100 分 ) ，而最佳基線為 80.5。此外，本文還提供一項消融研究，闡明了每個組件對整體模型性能的重要性。

最后，人工評估表明，MUSICGEN 產(chǎn)生了高質(zhì)量的樣本，這些樣本在符合文本描述，在旋律上也更好地與給定的和聲結(jié)構(gòu)對齊。

本文的主要貢獻有如下幾點：

提出了一個簡單高效的模型：可以在 32khz 產(chǎn)生高質(zhì)量的音樂。MUSICGEN 可以通過有效的碼本交錯策略，用單階段語言模型生成一致的音樂；

提出一個單一的模型，進行文本和旋律條件生成，其生成的音頻與提供的旋律是一致的，并符合文本條件信息；

對所提出方法的關(guān)鍵設(shè)計選擇進行了廣泛的客觀及人工評估。

方法概覽

MUSICGEN 包含一個基于自回歸 transformer 的解碼器，并以文本或旋律表示為條件。該（語言）模型基于 EnCodec 音頻 tokenizer 的量化單元，它從低幀離散表示中提供高保真重建效果。此外部署殘差向量量化（RVQ）的壓縮模型會產(chǎn)生多個并行流。在此設(shè)置下，每個流都由來自不同學得碼本的離散 token 組成。

以往的工作提出了一些建模策略來解決這一問題。研究者提出了一種新穎的建模框架，它可以泛化到各種碼本交錯模式。該框架還有幾種變體。基于模式，他們可以充分利用量化音頻 token 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。最后 MUSICGEN 支持基于文本或旋律的條件生成。

音頻 tokenization

研究者使用了 EnCodec，它是一種卷積自編碼器，具有使用 RVQ 量化的潛在空間和對抗重建損失。給定一個參考音頻隨機變量 X ∈ R^df_s，其中 d 表示音頻持續(xù)時間，f_s 表示采樣率。EnCodec 將該變量編碼為幀率為 f_r f_s 的連續(xù)張量，然后該表示被量化為 Q ∈ {1, . . . , N}^K × df_r，其中 K 表示 RVQ 中使用的碼本數(shù)量，N 表示碼本大小。

碼本交錯模式

精確扁平化自回歸分解。自回歸模型需要一個離散隨機序列 U ∈ {1, . . . , N}^S 和序列長度 S。按照慣例，研究者將采用 U_0 = 0，這是一個確定性的特殊 token，表示序列的開始。然后他們可以對分布進行建模。

不精確的自回歸分解。另一種可能是考慮自回歸分解，其中一些碼本需要進行并行預測。比如定義另一個序列，V_0 = 0，并且 t ∈ {1, . . . , N}, k ∈ {1, . . . , K}, V_t,k = Q_t,k。當刪除碼本索引 k 時（如 V_t），這代表了時間為 t 時所有碼本的串聯(lián)。

任意碼本交錯模式。為了試驗此類分解，并準確測量使用不精確分解的影響，研究者引入了碼本交錯模式。首先考慮 = { ( t, k ) : {1, . . . , df_r}, k ∈ {1, . . . , K}}，它是所有時間步和碼本索引對的集合。碼本模式是序列 P= ( P_0, P_1, P_2, . . . , P_S ) ，其中 P_0 = ,，并且 0 < i ≤ S, P_i ，這樣 P 是的分區(qū)。研究者通過并行地預測 P_t 中的所有位置來建模 Q，并以 P_0, P_1, . . . , P_T 中的所有位置為條件。同時考慮到實際效率，他們只選擇了「每個碼本在任何 P_s 中最多出現(xiàn)一次」的模式。

模型條件化

文本條件化。給定與輸入音頻 X 匹配的文本描述，研究者計算條件張量 C ∈ R^T_C × D，其中 D 是自回歸模型中使用的內(nèi)部維數(shù)。

旋律條件化。雖然文本是當今條件生成模型的主要方法，但更自然的音樂方法是以來自另一個音軌甚至口哨或哼唱的旋律結(jié)構(gòu)為條件。這種方法還允許對模型輸出進行迭代優(yōu)化。為了支持這一點，研究者嘗試通過聯(lián)合調(diào)節(jié)輸入的色譜圖和文本描述來控制旋律結(jié)構(gòu)。再最初的試驗中，他們觀察到以原始色譜圖為條件通常會重建原始樣本，導致過擬合。為此，研究者在每個時間步中選擇主要的時頻 bin 來引入信息瓶頸。

模型架構(gòu)

碼本投影和位置嵌入。給定一個碼本模式，在每個模式步 P_s 中只有一些碼本的存在。研究者從 Q 中檢索出對應(yīng) P_s 中索引的值。每個碼本在 P_s 中最多出現(xiàn)一次或根本不存在。

Transformer 解碼器。輸入被饋入到具有 L 層和 D 維的 transformer 中，每一層都由一個因果自注意力塊組成。然后使用一個跨注意力塊，該塊由條件化信號 C 提供。當使用旋律調(diào)節(jié)時，研究者將條件化張量 C 作為 transformer 輸入的前綴。

Logits 預測。在模式步 P_s 中，transformer 解碼器的輸出被轉(zhuǎn)換為 Q 值的 Logits 預測。每個碼本在 P_s+1 中最多出現(xiàn)一次。如果碼本存在，則從 D 通道到 N 應(yīng)用特定于碼本的線性層來獲得 Logits 預測。

實驗結(jié)果

音頻 tokenization 模型。研究對 32 kHz 單聲道音頻使用非因果五層 EnCodec 模型，其步幅為 640，幀率為 50 Hz，初始隱藏大小為 64，在模型的五層中每層都增加一倍。

變壓器模型，研究訓練了不同大小的自回歸 Transformer 模型：300M, 1.5B, 3.3B 參數(shù)。

訓練數(shù)據(jù)集。研究使用 2 萬小時的授權(quán)音樂來訓練 MUSICGEN。詳細來說，研究使用了一個包含 10K 個高質(zhì)量曲目的內(nèi)部數(shù)據(jù)集，以及分別包含 25K 和 365K 只有樂器曲目的 ShutterStock 和 Pond5 音樂數(shù)據(jù)集。

評估數(shù)據(jù)集。研究在 MusicCaps 基準上對所提出的方法進行了評估，并與之前的工作進行了比較。MusicCaps 是由專家音樂家準備的 5.5K 樣本 ( 10 秒長 ) 和跨流派平衡的 1K 子集組成的。

下表 1 給出了所提方法與 Mousai、Riffusion、MusicLM 和 Noise2Music 的比較。結(jié)果表明，在音頻質(zhì)量和對提供的文本描述的一致性方面，MUSICGEN 的表現(xiàn)優(yōu)于人類聽眾的評估基線。Noise2Music 在 MusicCaps 上的 FAD 方面表現(xiàn)最好，其次是經(jīng)過文本條件訓練的 MUSICGEN。有趣的是，添加旋律條件會降低客觀指標，但是并不會顯著影響人類評分，且仍然優(yōu)于評估的基線。

研究者在給出的評估集上使用客觀和主觀度量，在文本和旋律表示的共同條件下評估 MUSICGEN，結(jié)果見下表 2。結(jié)果表明，用色譜圖條件化訓練的 MUSICGEN 成功地生成了遵循給定旋律的音樂，從而可以更好地控制生成的輸出。MUSICGEN 對于在推理時使用 OVL 和 REL 丟掉色度具有魯棒性。碼本交錯模式的影響。研究者使用 2.2 節(jié)中的框架評估了各種碼本模式，K = 4，由音頻 tokenization 模型給出。本文在下表 3 中報告了客觀和主觀評價。雖然扁平化改善了生成效果，但它的計算成本很高。使用簡單的延遲方法，只需花費一小部分成本就能得到類似的性能。模型大小的影響。下表 4 報告了不同模型大小的結(jié)果，即 300M、1.5B 和 3.3B 參數(shù)模型。正如預期的那樣，擴大模型大小可以得到更好的分數(shù)，但前提是需要更長的訓練和推理時間。主觀評價方面，在 1.5B 時整體質(zhì)量是最優(yōu)的，但更大的模型可以更好地理解文本提示。THE END

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