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深度解析音频检测背后的技术 | 雷锋网公开课

本文作者:程弢 2017-04-17 11:44 专题:雷锋网公开课
导语:音频检测究竟能解决哪些问题?这一技术是如何进行鉴黄的?

网络直播行业经历了过去两年的井喷式爆发后,到现在依旧保持着持续火热的态势。但这一市场火爆的背后也一直暴露了一些问题,低俗内容屡见不鲜。显然,要解决这一问题就必须要有比人工鉴黄效率更高的手段,用人工智能技术来鉴黄就是现在直播平台通用的手段。

虽然不少企业都把目光聚焦在视频鉴黄上,但音频审核也是人工智能鉴黄技术的一部分,二者缺一不可。那在大家熟悉的视频鉴黄之外,音频检测究竟能解决哪些问题?这一技术是如何进行鉴黄的呢?

本期雷锋网(公众号:雷锋网)硬创公开课,我们邀请了极限元智能科技联合创始人马骥为大家解读关于音频审核背后的技术。

嘉宾介绍

深度解析音频检测背后的技术 | 雷锋网公开课

马骥:极限元智能科技联合创始人,曾先后就职于中科院软件研究所、华为技术有限公司,获得多项关于语音及音频领域的专利,资深软件开发工程师和网络安全解决方案专家,擅长从用户角度分析需求,提供有效的技术解决方案,具有丰富的商业交流和项目管理经验。

以下内容整理自本期公开课,雷锋网做了不改变原意的编辑:

一、音视频审核的需求现状

音视频审核主要针对互联网传播的信息进行审核,审核的内容有有害信息(涉黄、涉暴)、敏感信息。

以直播平台为例,2016年,是互联网直播平台爆发的一年,除了各式各样的直播形式。与此同时,也出现了大量的在线实时信息,这其中是有害信息,涉黄是最为严重的一个现象。今年,相关部门已经针对这些乱象加大了打击力度,因此基于互联网直播平台的有害信息检测成为重中之重。

以图像识别技术为基础如何进行鉴黄?在直播的时候,每个直播间会间隔一秒或几秒采集一个关键帧,关键帧会发送到图像识别引擎,引擎根据图像的颜色、纹理等等特征来对敏感图像进行过滤,这一过程会检测肢体轮廓等关键特征信息,然后对检测图像特征与特征库模型里面的特征相似度进行匹配,给予待测图像色情、正常、性感等不同维度的权重值,以权重值最高的作为判定结果输出。

基于图像识别得视频涉黄检测准确率可以达到99%以上,可以为视频直播平台节省70%以上的工作量。

还有一些是语音为主的直播节目,比如谈话聊天、脱口秀、在线广播等。视频检测所使用到的图像技术就很难在这些应用场景发挥作用,所以音频检测需要有针对性的技术手段。

除了刚刚提到的几个音频检测应用场景之外,例如网络音视频资源审核,例如微信发布语音视频信息,平台后台会对这些数据进行审核;另外公安技侦通过技术手段来侦查网络、电话犯罪行为;第三个是呼叫中心,传统呼叫中心会产生大量的电话录音,很多行业会对这些录音进行录音质检,从这些录音中提取业务开展的情况;最后一个是电信安全,主要是以关键词检索的手段来防止电信诈骗。

二、音频检测采用的技术手段

音频可以分为有内容和无内容两种:说话内容相关的包括说了什么?(涉政、涉黄、涉赌还是广告信息),另外还可以从说话内容来判断语种以及说话人的辨识;此外还有与说话内容无关的信息,例如特定录音片段、歌曲旋律、环境音等等。

针对不同的数据类型有不同的检测技术。针对说话内容有语音识别、关键词检索等;针对语种的判别有语种识别的技术;针对说话人的识别有声纹识别技术;针对说话内容无关的通常采用音频比对的技术来进行检测。

语音识别的关键技术——声学模型

语音识别的声学模型主要有以下两种:混合声学模型和端到端的声学模型。

混合声学模型通常是隐马尔科夫模型结合混合高斯、深度神经网络、深度循环神经网络以及深度卷积神经网络的一个模型。

端到端声学模型目前有两大类,一是连接时序分类—长短时记忆模型,二是注意力模型。

声学模型——混合高斯—隐马尔科夫模型

深度解析音频检测背后的技术 | 雷锋网公开课

混合高斯—隐马尔科夫模型是根据语音的短时平稳性采用采用隐马尔科夫模型对三因子进行建模。图中显示的是,输入语音参数通过混合高斯模型计算每一个隐马尔科夫模型状态的后验概率,然后隐马尔可夫模型转移概率来描述状态之间的转移。

混合高斯—隐马尔科夫模型是出现最早应用最久远的模型。

声学模型——深度神经网络—隐马尔科夫模型

深度解析音频检测背后的技术 | 雷锋网公开课

混合神经网络—隐马尔科夫模型是将混合高斯模型用深度神经网络进行替代,但是保留了隐马尔科夫的结构,对于输入端的扩帧和深度神经网络的非线性变换,识别率可以得到很大的提升。

声学模型——深度循环神经网络—隐马尔科夫模型

前面的深度神经网络对历史信息的建模只是通过在输入端扩帧实现的,但对历史信息的建模作用是有限的。

深度解析音频检测背后的技术 | 雷锋网公开课

在深度循环神经网络中,对输入的历史信息可以进行有效的建模,可以做大限度的保留历史信息。根据现有的实验结果来看,在很多任务上,深度循环神经网络性能表现要由于深度神经网络。

当然,深度循环神经网络也存在一些缺点。例如,在训练的时候,会出现梯度爆炸和梯度消失的问题。

那么如何有限解决梯度爆炸和梯度消失的问题呢?学者又引入了一种长短时记忆模型。

声学模型——长短时记忆模型

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长短时记忆模型采用控制门(包括输入门、遗忘门和输出门)将梯度累积变成梯度累加,在一定程度上可以解决深度循环神经网络训练时梯度消失的问题。

声学模型——深度卷积神经网络—隐马尔科夫模型

上面提到的深度循环神经网络能够有效地对历史信息进行建模,但是它存在计算量太大的问题,特别是为了减少这种梯度消失又引入了长短时记忆模型之后,计算的信息量有加剧。应对这一难题,业界又引入了深度卷积神经网络模型。

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这种模型在图像识别领域和语音识别领域都得到了显著的效果。

在语音识别领域,我们可以从图中可以看出,一共有四种深度神经网络的模型结构,随着深度的增加可以有效地提升声学模型的构建能力。

声学模型——连接时序分类—长短时记忆模型

前面提到的都是基于混合模型,以隐马尔科夫模型来构建转换概率的模型。

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在训练过程中,如果要用到高斯混合模型进行强制对齐结果的训练。针对这个问题,也有学则提出了不需要强制对齐的训练方法,例如连接时序分类(CTC),这种方法可以有效加速解码速度。

声学模型——注意力模型

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另外一种不需要强制对齐的训练方法是注意力模型的训练方法(如上图)。

语言模型

语言模型——N-Gram

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基于N-Gram的特点是每个词出现的概率,之和前面第N-1个词有关,整句话出现的概率是每个词出现的概率的乘积。

N-Gram有一个缺点,由于数据稀缺性需要进行一个平滑算法,然后得到后验概率。

语言模型——DNN-Gram

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DNN-Gram把深度神经网络引入可以有效地克服平滑算法的误差。例如图中显示的,通过深度神经网络构建语音性不需要平滑算法的处理。

语言模型——RNN-Gram

和声学模型一样,构建语言模型也需要对历史信息进行训练建模,在声学模型中提到的深度循环神经网络在这里也有应用。

基于深度神经网络的语言模型每个词出现的概率和N-Gram一样,只是和向前的第N-1个词有关,但实际上,每个词出现的频率和之前所有词都有相关性,因此需要引入历史信息进行训练建模。

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所以在这里加入了RNN-Gram进行语言模型的构建。

近几年,语音识别的声学模型和语言模型都得到了很大的提高。2016年,微软的语音识别团队宣称在swithboard数据集上超过了人类,swithboard数据集是一个以口语为主的训练测试数据集,包含了大量的副语言,所以用这种数据集进行语音识别测试具有一定的挑战性。

不过,语音识别在一些特殊领域的识别效果就大打折扣了。在强干扰环境和特殊领域中,可以通过基于语音识别的关键词检索方法来进行音频信息的检查。

基于语音识别的关键词检索

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基于语音识别的关键词检索是将语音识别的结构构建成一个索引网络,然后把关键词从索引网络中找出来。从这一流程图中可以看到,首先把语音进行识别处理,从里面提取索引构建索引网络,进行关键词检索的时候,我们会把关键词表在网络中进行频率,找到概率最高的,输出其关键词匹配结果。

构建检索网络

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构建检索网络是语音关键词检索的重要环节。在这个图中,在第一个时间段内(w1、w3、w6、w7),这句话被识别成了四个不同的词,语音识别只能给出一条路径,但在语音关键词检索网络中可以从四个结果中进行筛选。

关键词检索

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有了检索网络后,接下来的工作就是关键词检索工作。关键词检索是基于音节数据,首先将用户设定的关键词文本解析成音节数据,再从检索网络中找出匹配结果,相比语音识别这种文本结果检索,这种容错性更强,而且关键词检索可以只用在基于CTC,计算量更小,执行效率更高,更适用于海量数据的检索场景。

说话人识别的关键技术

说话人识别也称之为声纹识别,主要目的是对说话人的身份确认和辨识。

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它的流程如下:首先对说话人的训练建模,把注册语音进行特征提取,模型训练之后得到说话人的模型库;在测试的时候,我们需要通过一个很短的音频去提取特征值,然后基于之前构建的模型进行阈值判断,判断出是集合内还是外,最终确认身份。

在这一过程中,注册语音只要10s左右的语音,测试只要2-5s的语音。

说话人识别的关键技术——特征提取-MFCC

MFCC(梅尔频率倒谱系数),梅尔频率是基于人耳听觉特性提取出来的,和赫兹频率呈现一个非线性对应关系。梅尔频率倒谱系数是利用好梅尔频率和赫兹频谱关系计算得出的赫兹频谱特征,其主要应用于语音数据的特征提取。

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这张图显示的就是MFCC的提取过程,输入语音进行傅里叶变换,从中得到频谱,然后通过梅尔滤波器进行倒谱分析,再得到MFCC系数。

说话人识别的关键技术——特征提取-DBN

MFCC是浅层的特征,只要通过语音参数的分析就可以得到,但是说话人之间不同的特征还体现在其它特点上,仅通过MFCC是无法捕捉到的。

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所以又要利用神经网络来解决。神经网络有一个特征层叫BottleNeck,BottleNeck是深度神经网络参数维度最少的一层,很像一个瓶颈。

BottleNeck特征提取是通过语音识别深度神经网络训练得到的。

说话人识别的关键技术——模型训练GMM

完成关键特征提取后就要进行模型训练。

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GMM的训练流程是:首先把训练语音进行特征提取,得到梅尔频率倒谱系数,然后生成一个通用背景模型,再通过MAP的方法得到说话人的模型。

注册语音的流程也是类似,通过特征提取,进行模型训练得到混合高斯模型。

在测试的时候,把测试语音进行特征提取,然后从通用背景模型和混合高斯模型进行最大相似度的判断,再输出识别结果。

说话人识别的关键技术——模型训练I-Vector

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I-Vector在近两年有比较广泛的应用,它将说话人特征和信道特征统一建模,得到说话人特征通过信道补偿记录进行识别,有效解决了训练样本和实际检测样本存在信道不匹配的问题。

信道特征对说话人识别的准确性干扰很大,如果前期学习建模过程中,能把信道特征统一建模后期在识别的时候,可以实现信道补偿,大大提升说话人识别的鲁棒性。

说话人识别的关键技术——模型训练DNN

我们还可以进一步介入深度神经网络的方式来提取统计量。

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用深度神经网络替代一些统一背景模型,可以把音素相关信息通过语音识别的深度神经网络结合起来,采集到更多的说话人特征信息。

音频对比技术

特征提取

音频对比技术也是引用很早很广泛的音频检索技术。

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音频对比主要是从音频信号中提取特征,通过特征进行比对来检索。图中提取的过程就是通过频谱最大值点来建模。

特征构建

在完成最大值点完成建模后,我们需要进行特征的构建。

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特征构建是通过最大值点之间的距离来建模,例如两个最大值点的距离、位置信息作为一个固定的特征来完成音频特征信息的构建。

检索

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有了上述音频特征之后,就可以对两个不同音频进行检索,最大相似度的地方就是相似点。这种技术最适用于录音片段的检索。

其它技术

1.语音欲处理技术:包括音频编解码、噪声消除(软件处理,硬件解决方案)、语音信号增强。

2.语义识别:对语音识别后的文本结果进行分析,结合上下文,来判断真是意图。

3.语种识别、男女声识别:识别方言、外语语种、发音人性别进行识别。

4.流媒体技术:在实时音频数据处理中,需要用到数据切分、数据缓存。

5.云平台技术:云服务架构设计、、服务模块化整合、负载均衡等。

6.大数据技术:海量数据存储、训练样本自动提取、模型训练等。

三、应用场景案例

音频审核数据来源可以分为实时数据和存量数据。存量数据主要是现有的语音资源,实时数据则包括正在直播的广播、电视节目等。

存量音频数据审核

场景:电信运营商诈骗电话检测

这是针对存量数据的解决方案,它有大量的通话录音,而且因为设备供应商的不同,会造成音频格式、音质不统一;另外,电话录音还存在噪声干扰、方言口音问题。

针对这类数据的检测,我们可以提供一套完整的解决方案。

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首先把通话录音通过API接口上传到关键词检索服务器上,关键词检索服务器的API网关对它的请求进行分类处理之后,移交给后续的业务网关来分发处理。首先要进行音频预处理,音频格式转码、语音降噪等,然后把处理后的文件存储;接下来,把结果反馈给业务网关,由音频比对对已知录音片段进行检测,如果有匹配这些录音片段就反馈结果——存在诈骗信息。

如果经过音频比对没有发现诈骗信息,我们会调用关键词检索服务。

实时音频数据审核

场景:在线直播平台敏感信息检测

它的数据是实时生成的,需要用到流媒体技术,包含图像、音频两大数据源,所用到的检测技术也不一样。音频检测还分为语种、说话人确认、内容识别。累积了大量的检测数据之后,对后期的模型优化升级也提出了更高的要求。

首先会对直播中的音视频资源提取,分别交由图像处理模块和语音处理模块,针对图像数据我们要提取关键帧,针对语音数据,我们会把视频数据中的音频资源提取出来。

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图像数据的处理,拿到图像数据关键帧后会定时发送到处理平台上( 雷锋网注:可以在云端或者私有云部署)。

在图像识别部分要对图像预处理、图像分割,拿到有效的区域来检测,在有害信息识别检测阶段,我么会完成特征提取、目标分类、判断匹配,找出里面涉黄、涉暴的信息。如果用户有进一步的需求,例如广告识别的要求,我们可以根据二维码、数字、字符检测技术来进行广告的识别。

音频的数据提取之后,上传到到服务器端。音频实时处理有个局限是会占用大量的带宽,所以通常采用私有云的部署方式。

拿到音频数据之后,第一步是音频预处理(流媒体缓存、断句切分、统一格式、降噪处理),然后是内容检测(语音识别、关键词检索、语音识别)。除了内容审核之外,还有其它的检测,例如直播平台会对当前主播身份的确认、广告检测、语种识别等。

精彩问答

Q:从极限元的方案来看,音频审核还存在什么Bug,它适用于哪些领域?

A:Bug肯定是有的,主要是目前技术的局限性,识别的准确率还是问题。在视频直播、呼叫中心的应用场景涉及到的比较多,只要能产生大量音频数据的行业都可以使用音频审核技术。

Q:音频审核是否是人工+机器结合的审核方式?哪些部分必须要人工来处理?标准是怎样的?

A:机器目前只是粗检索,如果要100%的准确率还是需要人工来完成。

Q:语音识别和声纹识别部分对硬件的要求很高,那一般情况下需要配套的硬件方案吗?

A:这是有的,我们通常会推荐一些硬件方案,而且不同的应用场景也会有不同的推荐。例如,用户在私有云端部署,对计算量要求很高但对带宽的需求很小,如果在云端部署,对带宽有更高的要求。

Q:音频审核对降噪有做哪些处理?

A:主要是为了减少直播中存在的声道干扰和背景声的干扰,例如不同麦克风回声,还有一些已知的噪声信号,我们会针对这些做一些预处理。

Q:关键词是怎么设定的?改变关键词的话,对整个系统方案影响很大啊。

A:关键词的设定目前还是人工设定为主,机器不能自动提取关键词。例如上文提到的电信诈骗,里面的关键词也是人工筛查得出的。

Q:系统同时结合音频和视频方案最难的地方在哪里?

A:如果是同一段视频既要图像检测又要音频检测,在时间点的同步上是一个很大的难点,因为语音识别、图像识别是两套系统。

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