OpenAI 免費開源語音辨識系統-- Whisper 安裝簡介及原理

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M.H. 2023-04-25 02:22:26 ‧ 28489 瀏覽

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Whisper 是 OpenAI 提供的一種開源的自動語音辨識( Automatic Speech Recognition，ASR )的神經網路模型，用來執行語音辨識(language identification)與翻譯(speech translation)的功能。能夠將各種語言的語音轉錄成文字(multilingual speech recognition)，甚至可以處理較差的音頻品質或過多的背景雜訊。

模型架構，安裝需求和標準，可參考官方文檔: https://github.com/openai/whisper

Introducing Whisper - OpenAI: https://openai.com/research/whisper (裡面就有"Read paper", "View code", "View model card")
Read paper: https://cdn.openai.com/papers/whisper.pdf
View code: https://github.com/openai/whisper
View model card:https://github.com/openai/whisper/blob/main/model-card.md

上圖為 Whisper 的模型訓練方法,可以從 paper 看,不過筆者在這邊簡單解釋一下:

數據資料集(data)
左上為 Multitask(多工) training data ,總共 680k hours (其實也透漏資料大小), 為何叫多工呢? 因為它分為四種: (1) 英文轉錄, (2) 任何語言翻譯為英文,(3) 非英語系轉錄,(4) 不講話(只有背景音樂)
訓練 (training)
它的訓練過程在右邊,主要為 sequence-to-sequence learning, sequence-to-sequence model 是一類將序列轉化為序列技術的統稱，最初即是由 Google Translate 研究團隊所開發。關於 sequence-to-sequence, 主要是由 Encoder 和 Decoder 兩個 RNN 所構成, 可以想像 Encoder 相當於處理 input data, 我們餵資料給它,經由特徵工程(或 attention, 或影像壓縮處理, 去噪....等等特殊處理),然後再經由 Decoder 之後輸出。關於 sequence-to-sequence,可以參考這篇: http://zake7749.github.io/2017/09/28/Sequence-to-Sequence-tutorial/ ,寫的還不錯。

好了,所以我們可以看到圖片的左下方有個箭頭,將 Multitask training data (多工訓練資料) 餵進去 Log-Mel Spectrogram (Mel Spectrogram, 梅爾頻譜),何謂梅爾頻譜? 其實,它就是在語音處理中常常用到的頻譜,在語音分類中把信號變成圖片,然後用分類圖片的算法 (例如: CNN) 來分類語音。更多詳細梅爾頻譜的資料,請參考: https://blog.csdn.net/bo17244504/article/details/124707265
https://medium.com/analytics-vidhya/understanding-the-mel-spectrogram-fca2afa2ce53
https://zhuanlan.zhihu.com/p/351956040

因此, 這些頻譜經由 CNN (2xConv1D + GELU) 的方法 training (訓練),再經由正弦波位置編碼(Sinusoidal position encoder, 所謂正弦波位置編碼,簡單講就是在 transformer 架構中加入一些關於 token 位置的信息,其演算法使用了不同频率的正弦函數来作為位置編碼,所以叫作正弦波位置編碼),接著,進入 Tranformer Encoder 的過程 (MLP + self-attention),(MLP + self-attention)...(MLP + self-attention),(self-attention 來自相同序列),幾層我不知道,或許多層多次,然後再經由 cross attention (cross attention 來自不同序列),經由 transformer decoder 輸出。當然,在訓練過程中,我們可以得知 Multitask training format 中 token 的信息,與訓練好的模型來預測下一個 token。這也意味著可以經由模型來輸出講者的說話模式(內容)。

正弦波位置編碼可參考: https://zhuanlan.zhihu.com/p/98641990, https://zhuanlan.zhihu.com/p/338592312
MLP:https://chih-sheng-huang821.medium.com/%E6%A9%9F%E5%99%A8%E5%AD%B8%E7%BF%92-%E7%A5%9E%E7%B6%93%E7%B6%B2%E8%B7%AF-%E5%A4%9A%E5%B1%A4%E6%84%9F%E7%9F%A5%E6%A9%9F-multilayer-perceptron-mlp-%E5%90%AB%E8%A9%B3%E7%B4%B0%E6%8E%A8%E5%B0%8E-ee4f3d5d1b41
https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E5%A4%9A%E5%B1%82%E6%84%9F%E7%9F%A5%E5%99%A8

Multitask training format
最下方為 Multitask training format,剛剛有談到拿來作為訓練資料集,主要分為三種類型的 token: special tokens, text tokens, timestamp tokens; 一開始,輸入原本的語音內容,先將內容分為兩類:有語音,與沒有語音(可能沒錄好,或是正好為講話間隙,即長時間沒有語音出現);沒有語音則經由語音活性檢測 (Voice activity detection，VAD),再度確認,或是將其處理掉;若有語音則分為英語系,和非英語系兩種,都可由下列兩種方式錄製或翻譯:
(1) 需要時間校準(Time-aligned Transcription): 於 text token 之間,插入 begin time 和 end time。所以您可以看到之後我下面 output 錄製語音的 .txt 檔案,有開始,和結束時間紀錄。
(2) 不需時間校準 (Text-only Transcription): 只有 text tokens,但它可以允許 dataset fine tune。

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以上模型講解完畢,接下來是安裝的部分。

如果您已有 OpenAI ChatGPT API key，則可以直接進行 OpenAI 語音辨識，不需要額外安裝 Whisper:

pip install openai  #安裝套件

import os
import openai
openai.organization = "org-iLO9ZtJh7FCEufYHGQNle6ur"
openai.api_key = os.getenv("OPENAI_API_KEY")

"OPENAI_API_KEY" 則為您個人所申請的 ChatGPT API key, 需以括號 " " 包住, 例如:您的 ChatGPT API key 為 12345678, 則 "OPENAI_API_KEY" 則為 "12345678"

看 Moedl 詳細資訊及權限:

openai.Model.list()

但如果您沒有OpenAI ChatGPT API key，或您對於 Whisper 很感興趣，則可以參考以下步驟,也就是本文的重點:

基礎環境要求: Python 3.8-3.10 (官方文件說明此 model 在 Python 3.9.9 and PyTorch 1.10.1 進行運行和測試)
下載ffmpeg並添加環境變數
(a) 於此網站 https://github.com/BtbN/FFmpeg-Builds/releases 找到“ffmpeg-master-latest-win64-gpl.zip”版本下載

(b) 解壓縮後，找到bin文件夹下的“ffmpeg.exe”，將它複製到一个文件夾中，添加到系统環境變量

下載 git 並將其加入環境變數內
(a) 於官方網站: https://git-scm.com/download/win 下載安裝套件，安裝過程點擊 next 到最後(如有選項請選擇"預設"(default) 或是"推薦"(Recommend))

(b) 安裝完成後，打開 command-line(CMD 窗口)，輸入 git，安裝成功如下所示:

則可進行 PyTorch 的安裝。

如先前步驟將路徑加入到環境變數中:

PyTorch 安裝
這裡我們使用pip安装，到此網站:https://pytorch.org/ 下拉表格點選所需環境。

因為我電腦尚未額外配置GPU，只有標配 Intel(R) UHD Graphics 620，因此，我選擇的版本如下: "Windows系统"、"pip安装方式"、"Python语言"、"CPU版本的軟件"。

直接以 Command-line (CMD)下指令: pip3 install torch torchvision torchaudio

5.Whisper的安装
以上步驟都完成後，按照官方文檔，開啟 Command-line (CMD 視窗)，下如下指令:
pip install git+https://github.com/openai/whisper.git

然后再運行:
pip install --upgrade --no-deps --force-reinstall git+https://github.com/openai/whisper.git (注意為一行)

完成whisper的安裝。

接下來，測試是否安裝成功:
我們準備一段音檔(.mp3, .wav 或 .m4a 也可以)，可以用 Windows 內建錄音機錄製，我這邊是.mp3 檔案，並將其命名為 audio.mp3，使用 Whisper 將其轉換為文字。在音檔所在文件夾中打開command-line (cmd 窗口)，輸入 whisper audio.mp3

則會生成四個文檔: audio.srt，audio.tsv，audio.txt，audio.vtt。這四個文檔就是音檔的內容，只是其輸出格式不同。

更換轉寫模型:
whisper audio.mp3 --model medium

參考官方文檔 https://github.com/openai/whisper ，還有如下指令:
whisper japanese.wav --language Japanese

whisper japanese.wav --language Japanese --task translate

whisper --help
=> 這個指令可以 show 出相關資訊，包含 model 型態，支援語言種類，以及輸出格式(預設是 all，即包含 txt，vtt，srt，tsv，json)...等等。

另外，在 jupyter notebook 上運行:

import whisper

model = whisper.load_model("base")
result = model.transcribe("audio.mp3")
print(result["text"])

或是

import whisper

model = whisper.load_model("base")

#load audio and pad/trim it to fit 30 seconds
audio = whisper.load_audio("錄製 (3).m4a")
audio = whisper.pad_or_trim(audio)

# make log-Mel spectrogram and move to the same device as the model
mel = whisper.log_mel_spectrogram(audio).to(model.device)

# detect the spoken language
_, probs = model.detect_language(mel)
print(f"Detected language: {max(probs, key=probs.get)}")

# decode the audio
#options = whisper.DecodingOptions()  #預設
options = whisper.DecodingOptions(fp16 = False) # 如果不支援 fp16,以 fp32 取代, 須改為 False
result = whisper.decode(model, mel, options)

# print the recognized text
print(result.text)

其實，還有很多很好玩的功能，請參考官網文件: https://github.com/openai/whisper