想象一下在機場等你的航班。突然，一個重要的商務電話與一個高姿態(tài)的客戶點亮了你的手機。大量的背景噪音使你周圍的聲音變得雜亂無章——背景嘈雜，飛機起飛，也許是飛行通告。你必須接電話，而且你要聽清楚。

我們都曾處于這種尷尬、不理想的境地。這只是現(xiàn)代商業(yè)的一部分。

背景噪音無處不在。這很煩人。

現(xiàn)在想象一下，當你接電話說話時，噪音神奇地消失了，而另一端所有人能聽到的都是你的聲音。沒有聲音的低語穿過。

我們的激情代表著我們的愿景。讓我們聽聽好的降噪效果。

兩年前，我們坐下來，決定開發(fā)一種技術，可以完全消除人與人之間交流中的背景噪音，使之更加愉悅和易懂。從那時起，這個問題就成了我們的困擾。

讓我們看看是什么讓噪聲抑制如此困難，構建實時低延遲噪聲抑制系統(tǒng)需要什么，以及深度學習如何幫助我們將質(zhì)量提升到一個新的水平。

噪聲抑制技術的現(xiàn)狀

讓我們弄清楚什么是噪音抑制。乍一看，這似乎令人困惑。

本文中的噪聲抑制是指抑制從 你的 背景到您正在通話的人的噪聲，以及來自 他們的 背景的噪聲。

這與 有源噪聲消除 相反， VZX23 指的是抑制來自周圍環(huán)境的不必要的噪音。主動噪聲消除通常需要多麥克風耳機（如 BoseQuiteComfort ）。

這篇文章的重點是噪聲抑制， 不主動噪聲消除。

傳統(tǒng)的噪聲抑制方法

傳統(tǒng)的噪聲抑制已經(jīng)在邊緣設備上得到了有效的實現(xiàn)，如電話、筆記本電腦、會議系統(tǒng)等。這似乎是一種直觀的方法，因為它是邊緣設備，首先捕捉用戶的聲音。一旦捕獲，設備過濾掉噪音，并將結果發(fā)送到呼叫的另一端。

10 年前的手機通話體驗相當糟糕。一些移動電話仍然如此；然而，更現(xiàn)代的手機配備了多個麥克風（ mic ），這有助于在通話時抑制環(huán)境噪音。

當前一代手機包括兩個或兩個以上的麥克風，最新的 iPhone 有 4 個。第一個麥克風放在手機的前底部，最靠近用戶說話時的嘴，直接捕捉用戶的聲音。手機設計師將第二個麥克風放置在離第一個麥克風盡可能遠的地方，通常放在手機的上背部。

兩個麥克風都能捕捉周圍的聲音。靠近嘴的麥克風捕捉到更多的聲音能量；第二個麥克風捕捉的聲音更少。軟件有效地將這些信息相互抵消，產(chǎn)生（幾乎）干凈的聲音。

這聽起來很簡單，但很多情況下都存在這種技術失敗的情況。想象一下，當這個人不說話，而麥克風聽到的只是噪音。或者想象這個人在說話的時候，比如跑步的時候，正在積極地搖晃/轉動手機。處理這些情況很棘手。

對于設備原始設備制造商和 ODM 來說，兩個或更多的麥克風也使得音頻路徑和聲學設計變得相當困難和昂貴。音頻/硬件/軟件工程師必須實施次優(yōu)權衡，以支持工業(yè)設計和語音質(zhì)量要求…

考慮到這些困難，今天的手機在中等噪音的環(huán)境中表現(xiàn)得相當好。現(xiàn)有的噪聲抑制解決方案并不完美，但確實提供了改進的用戶體驗。

使用分離式話筒時，外形因素會起作用。第一個和第二個麥克風之間的距離必須滿足最低要求。當用戶把手機放在耳朵和嘴上說話時，效果很好。

然而，現(xiàn)代手機的“棒棒糖”外形可能不會長期存在。可穿戴設備（智能手表、胸前的麥克風）、筆記本電腦、平板電腦和 Alexa 等智能語音助手顛覆了平板手機的外形。用戶從不同的角度和不同的距離與他們的設備交談。在大多數(shù)情況下，沒有可行的解決辦法。噪音抑制只是失敗了。

從多話筒設計轉向單話筒設計

多麥克風設計有幾個重要的缺點。

它們需要一定的外形尺寸，使其僅適用于特定的使用場合，例如帶有粘性麥克風的電話或耳機（專為呼叫中心或入耳式監(jiān)聽器設計）。

多麥克風設計使得音頻路徑變得復雜，需要更多的硬件和代碼。此外，為二次麥克風鉆孔帶來了工業(yè) ID 質(zhì)量和產(chǎn)量問題。

只能在邊緣或設備側處理音頻。因此，由于低功耗和計算需求，支持它的算法并不十分復雜。

現(xiàn)在想象一個解決方案，你只需要一個麥克風，所有的后處理都由軟件處理。這使得硬件設計更加簡單和高效。

事實證明，在音頻流中分離噪聲和人類語言是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。此函數(shù)不存在高性能算法。

傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理（ DSP ）算法通過逐幀處理音頻信號，不斷地尋找噪聲模式并加以適應。這些算法在某些用例中運行良好。然而，它們并不能適應我們?nèi)粘－h(huán)境中存在的噪音的多樣性和可變性。

存在兩種基本噪聲類型： 固定的 和 非靜止 ，如圖 4 所示。

圖 4 。白噪聲（平穩(wěn)）和啁啾噪聲（非平穩(wěn)）的 SpeCTR 圖

把靜止的噪音想象成一種可重復但又不同于人聲的聲音。傳統(tǒng)的 DSP 算法（自適應濾波器）可以很有效地濾除這些噪聲。

非平穩(wěn)噪聲具有復雜的模式，很難與人的聲音區(qū)分開來。信號可能很短，來去非常快（例如鍵盤輸入或警報器）。有關技術上更正確的定義，請參閱此 Quora 文章 。

如果你想同時戰(zhàn)勝靜止和非靜止噪聲，你需要超越傳統(tǒng)的 DSP 。在 2Hz ，我們相信深度學習可以成為處理這些困難應用的重要工具。

用深度學習分離背景噪聲

關于將深度學習應用于噪聲抑制的一篇基礎論文似乎是 2015 年徐勇著 。

Yong 提出了一種回歸方法來學習為每個音頻頻率生成一個比率掩碼。所產(chǎn)生的比率掩模可以使人的聲音保持完整，并刪除外來噪音。雖然遠不是完美的，但這是一個很好的早期方法。

在隨后的幾年里，許多不同的方法被采用；高級方法幾乎總是相同的，包括三個步驟，如圖 5 所示：

數(shù)據(jù)收集 ：將干凈語音與噪聲混合生成大數(shù)據(jù)集

培訓 ：在輸入時將此數(shù)據(jù)集饋送給 DNN ，在輸出時向 DNN 提供干凈的語音

推論 ：生成一個掩模（二進制、比率或復合），它將離開人聲并過濾掉噪聲

圖 5 。數(shù)據(jù)收集和培訓管道

在 2Hz 頻率下，我們用不同的 DNN 進行了實驗，并提出了我們獨特的 DNN 架構，可以對各種噪聲產(chǎn)生顯著的效果。在嘈雜的演講中，平均 MOS 評分 （平均意見得分）提高了 1 。 4 分，這是我們看到的最好的結果。這一結果令人印象深刻，因為在單個麥克風上運行的傳統(tǒng) DSP 算法通常 減少 的 MOS 分數(shù)。

語音延遲。實時 DNN 可能嗎？

低延遲是語音通信的關鍵。人類在交談時可以忍受長達 200 毫秒的端到端延遲，否則我們會在通話中互相交談。潛伏期越長，我們就越注意到它，也就越惱火。

有三個因素會影響端到端延遲：網(wǎng)絡、計算和編解碼器。通常網(wǎng)絡延遲的影響最大。編解碼器的延遲在 5-80ms 之間，這取決于編解碼器及其模式，但現(xiàn)代編解碼器已經(jīng)變得相當高效。計算延遲實際上取決于很多因素。

計算延遲使 dnn 具有挑戰(zhàn)性。如果你想用 DNN 來處理每一幀，你就有可能引入大的計算延遲，這在現(xiàn)實的部署中是不可接受的。

根據(jù)不同的延遲因素計算：

計算平臺能力

在耳機里運行一個大的 DNN 不是你想做的事情。有 CPU 和功率限制。實現(xiàn)實時處理速度是非常具有挑戰(zhàn)性的，除非平臺有一個加速器，它可以使矩陣乘法更快、更低的功耗。

DNN 體系結構

DNN 的速度取決于你有多少個超參數(shù)和 DNN 層，以及你的節(jié)點運行什么操作。如果你想用最小的噪聲產(chǎn)生高質(zhì)量的音頻，你的 DNN 不能很小。

例如， Mozilla rnnoise 非常快， 也或許可以放入耳機中。然而，它的質(zhì)量并不令人印象深刻的非平穩(wěn)噪聲。

音頻采樣率

DNN 的性能取決于音頻采樣率。采樣率越高，需要提供給 DNN 的超參數(shù)就越多。

相比之下， Mozilla rnnoise 使用分組頻率的頻帶，因此性能對采樣率的依賴最小。雖然這是一個有趣的想法，但這對最終質(zhì)量有不利影響。

窄帶 音頻信號（ 8kHz 采樣率）質(zhì)量較低，但我們的大多數(shù)通信仍在窄帶中進行。這是因為大多數(shù)移動運營商的網(wǎng)絡基礎設施仍然使用窄帶編解碼器對音頻進行編碼和解碼。

由于窄帶每個頻率需要較少的數(shù)據(jù)，因此它可以成為實時 DNN 的一個良好的起始目標。但是當你需要增加對寬帶或超寬帶（ 16kHz 或 22kHz ）和全頻段（ 44 。 1 或 48kHz ）的支持時，事情變得非常困難。如今，許多基于 VoIP 的應用都在使用寬帶，有時甚至使用全頻段編解碼器（開源的 Opus 編解碼器支持所有模式）。

在一個天真的設計中，你的 DNNMIG ht 要求它增長 64 倍，因此要支持全頻段，就要慢 64 倍。

如何測試噪聲抑制算法？

測試語音增強的質(zhì)量很有挑戰(zhàn)性，因為你不能相信人的耳朵。由于年齡、訓練或其他因素，不同的人有不同的聽力能力。不幸的是，沒有開放的和一致的噪聲抑制基準，所以比較結果是有問題的。

大多數(shù)學術論文使用 漁業(yè) 、 莫斯 和 表 來比較結果。你向算法提供原始語音音頻和失真音頻，它會生成一個簡單的度量分數(shù)。例如， PESQ 分數(shù)在 -0 。 5-4 。 5 之間，其中 4 。 5 是一個非常干凈的演講。不過， PESQ 、 MOS 和 STOI 還沒有被設計成額定噪聲級，所以你不能盲目相信它們。在你的過程中你也必須進行主觀測試。

ETSI 室。

一種更專業(yè)的方法來進行主觀音頻測試并使其具有可重復性，就是滿足不同標準機構制定的此類測試標準。

3GPP 電信組織定義了 ETSI 室的概念。如果您打算將您的算法部署到現(xiàn)實世界中，您必須在您的設施中有這樣的設置。 ETSI 室是構建可重復和可靠測試的良好機制；圖 6 顯示了一個示例。

這個房間隔音效果很好。它通常還包括一個人造的人體軀干，一個在軀干內(nèi)模擬聲音的人造嘴（一個揚聲器），以及一個預先設定好的距離的具有麥克風功能的目標設備。

這使測試人員能夠使用周圍的揚聲器模擬不同的噪音，播放“軀干揚聲器”的聲音，并在目標設備上捕獲結果音頻并應用您的算法。所有這些都可以編寫腳本來自動化測試。

出站噪聲與入站噪聲

噪音抑制真的有很多 陰影 。

假設您正在與您的團隊參加電話會議。包括你在內(nèi)，有四個參與者在通話中。現(xiàn)在混音中可能有四種潛在的噪音。每個人都把背景噪音傳給別人。

傳統(tǒng)上，噪聲抑制是在邊緣設備上進行的，這意味著噪聲抑制與麥克風有關。你從麥克風那里得到信號，抑制噪音，然后把信號傳送到上游。

由于單個 mic DNN 方法只需要一個源流，所以您可以將它放在任何地方。現(xiàn)在，假設您希望抑制所有參與者發(fā)出的麥克風信號（ 出站噪聲 ）和揚聲器信號（ 進站噪聲 ）。

我們構建了我們的應用程序 克里斯普。 ，明確地處理入站和出站噪聲。

下面的視頻演示如何使用 DNN 完全消除非平穩(wěn)噪聲。

對于入站噪聲抑制，問題變得更加復雜。

你需要處理聲音和聲音的變化，這不是噪聲抑制算法的典型特征。例如，您的團隊 MIG 可能正在使用會議設備，并且坐在遠離該設備的地方。這意味著到達設備 MIG 的語音能量更低。或者他們在車上用 iPhone 在儀表板上給你打電話，這是一個固有的高噪音環(huán)境，由于與揚聲器的距離較遠，聲音很低。在另一種情況下，多人同時講話，你希望保留所有的聲音，而不是將其中的一些聲音作為噪音加以抑制。

當您撥打 Skype 電話時，您會聽到揚聲器中的來電鈴聲。那響聲是不是噪音？或者說“保留音樂”是不是一種噪音？我把它留給你。

向云端移動

到目前為止，您應該已經(jīng)對噪聲抑制的最新技術有了一個堅實的概念，以及為此目的而使用的實時深度學習算法所面臨的挑戰(zhàn)。您還了解了關鍵的延遲要求，這些要求使問題更具挑戰(zhàn)性。你的噪聲抑制算法所增加的總延遲不能超過 20 毫秒，這確實是一個上限。

由于該算法完全基于軟件，它是否可以遷移到云端，如圖 8 所示？

答案是肯定的。首先，基于云的噪聲抑制適用于所有設備。其次，它可以在兩條線路（或電話會議中的多條線路）上執(zhí)行。我們認為噪音抑制和其他語音增強技術可以轉移到云端。這在過去是不可能的，因為多麥克風的要求。移動運營商已經(jīng)制定了各種質(zhì)量標準，設備原始設備制造商必須執(zhí)行這些標準才能提供正確的質(zhì)量水平，迄今為止的解決方案是多個麥克風。然而，深度學習使得在支持單麥克風硬件的同時，能夠在云端抑制噪聲。

最大的挑戰(zhàn)是算法的可擴展性。

使用 NVIDIA GPUs 縮放 20 倍

如果我們希望這些算法能夠擴展到足以服務于真實的 VoIP 負載，我們需要了解它們的性能。

大型 VoIP 基礎設施可同時服務于 10K-100K 流。我們認識的一家 VoIP 服務提供商在一臺裸機媒體服務器上提供 3000 個 G.711 呼叫流，這是相當令人印象深刻的。

有許多因素影響媒體服務器（如 FreeSWITCH ）可以同時提供多少音頻流。一個明顯的因素是服務器平臺。與裸機優(yōu)化部署相比，云部署的媒體服務器提供的性能要低得多，如圖 9 所示。

圖 9 。云托管媒體服務器與裸機媒體服務器的平均流并發(fā)性

服務器端噪聲抑制必須是經(jīng)濟高效的，否則沒有客戶想要部署它。

我們在 2Hz 下的第一個實驗是從 CPU s 開始的。一個 CPU 核心可以處理多達 10 個并行流。這不是一個非常劃算的解決方案。

然后我們在 GPUs 上進行了實驗，結果令人吃驚。單個 NVIDIA 1080ti 可以在沒有任何優(yōu)化的情況下擴展到 1000 個流（圖 10 ）。在正確的優(yōu)化之后，我們看到了擴展到 3000 個流；更多的可能是可能的。

圖 10 。 DNN 算法在 NVIDIA 1080ti 上具有很好的可伸縮性

原始媒體服務器加載，包括處理流和編解碼器解碼仍然發(fā)生在 CPU 上。使用 GPUs 的另一個好處是，只需將一個外部 GPU 連接到您的媒體服務器盒，并將噪聲抑制處理完全卸載到它身上，而不會影響標準音頻處理管道。

用 CUDA 配料

讓我們來看看為什么 GPU 比 CPU 更好地擴展這類應用程序。

CPU 傳統(tǒng)上，供應商在優(yōu)化和加速單線程體系結構方面花費了更多的時間和精力。他們實現(xiàn)了算法、過程和技術，盡可能地從單個線程中壓縮速度。由于過去大多數(shù)應用程序只需要一個線程， CPU 制造商有充分的理由開發(fā)架構來最大化單線程應用程序。

另一方面， GPU 供應商針對需要并行性的操作進行了優(yōu)化。這源于三維圖形處理的大規(guī)模并行需求。 GPUs 的設計使其成千上萬的小內(nèi)核在高度并行的應用程序中工作良好，包括矩陣乘法。

批處理是允許并行化 GPU 的概念。您將成批的數(shù)據(jù)和操作發(fā)送到 GPU ，它并行地處理它們并發(fā)送回。這是處理并發(fā)音頻流的完美工具，如圖 11 所示。

圖 11 。這個簡化的圖表顯示了如何使用批處理在 GPU 上同時處理多個音頻幀

我們使用了 NVIDIA 的 CUDA 庫 直接在 NVIDIA GPUs 上運行應用程序并執(zhí)行批處理。下面的代碼片段使用 CUDA 執(zhí)行矩陣乘法。

void kernelVectorMul(RealPtr dst, ConstRealPtr src1, ConstRealPtr src2, const size_t n) { const size_t i = threadIdx.x + blockIdx.x * blockDim.x; if (i < n) dst[i] = src1[i] * src2[i]; } void Utils::vectorMul(RealPtr dst, ConstRealPtr src1, ConstRealPtr src2, const size_t n) { dim3 gridSize(n / getDeviceMaxThreadsX() + 1, 1, 1); dim3 blockSize(getDeviceMaxThreadsX(), 1, 1); kernelVectorMul <<< gridSize, blockSize >>> (dst, src1, src2, n); } void Utils::vectorMul(Vector& dst, const Vector& src1, const Vector& src2) { vectorMul(dst.getData(), src1.getData(), src2.getData(), dst.getSize()); } void Utils::matrixMulRowByRow(Matrix& dst, const Matrix& src1, const Matrix& src2) { vectorMul(dst.getData(), src1.getData(), src2.getData(), dst.getSize()); } 

下面的代碼使用 CUDA 執(zhí)行 快速傅里葉變換 。

FFT::StatusType FFT::computeBackwardBatched(ComplexTypePtr src, RealTypePtr dst) { StatusType s = cufftExecC2R(backward_handle_, reinterpret_cast(src), dst); dim3 gridSize((getBatchSize() * getForwardDataSize()) / thr_max_ + 1, 1, 1); dim3 blockSize(thr_max_, 1, 1); float val = getForwardDataSize(); kernelDivide <<< gridSize, blockSize >>> (dst, val, getBatchSize() * getForwardDataSize()); return s; } FFT::StatusType FFT::computeBackwardBatched(ComplexVector& src, Vector& dst) { return computeBackwardBatched(src.getData(), dst.getData()); } 

下載用于 Mac 的 Krisp

如果你想在你的 Mac 上嘗試基于深度學習的噪音抑制——你可以用 Crisp 應用程序 來做。

下一步是什么？

音頻是一個令人興奮的領域，而噪聲抑制只是我們在太空中看到的問題之一。深度學習將帶來新的音頻體驗，在 2Hz 頻率下，我們堅信深度學習將改善我們的日常音頻體驗。在 修復語音中斷 和 高清語音播放 的博客文章中可以找到這樣的體驗。

關于作者

Davit Baghdasaryan 是 2Hz.ai 的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人赫茲人工智能這是一家人工智能初創(chuàng)公司，在與伯克利和埃里溫的辦公室進行實時通信時改善語音音頻質(zhì)量。

審核編輯：郭婷