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语音情感识别--RNN

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人工智能

文章：Emotion Recognition From Speech With Recurrent Neural Networks

代码部分：https://github.com/vladimir-chernykh/emotion_recognition

1. 背景与简介

1.1. 现状

计算机只能识别“说了什么”，无法识别“谁说的”、“怎样说”。

1.2. 目标

关注“怎样说”，识别说话者的情感。

1.3. 困难

（1）一句话的情感是什么因人而异，因此很难定义某句话的情感是什么；

（2）经常会遇到的情况是，整句话没什么情感，但中间几个词带有情感。

1.4. 工作

（1）在语音情感识别中应用了CTC损失函数，从而可以识别一个较长的包含有情感的部分和没有情感部分的utterance（句子），从而解决上述的第二个困难。

（2）可以预测一个句子的情感状态序列。

2. IEMOCAP数据描述

2.1. 基本信息

包含10个演员的音频+视频信息，时长为12小时，每一段录音都是一男一女对话。

2.2. 处理

将对话分成小的utterances（句子），每一个长度基本都是3-15秒，然后让专家去评估这些话的情感。句子按照性别被分为两种。Label有10个种类：neutral（中立）、happiness（开心）、sadness（伤心）、anger（生气）、surprise（惊喜）、fear（害怕）、disgust frustration（厌恶）、excited（兴奋）等。本文只讨论四种：anger、excitement、neutral、sadness。

值得一提的是，只有在超过一般的专家都同意这句话为某种情感的时候，这句话才会被打上标签。

2.3. 特征

（1）Acoustic features（声学特征）：比如波、信号、语调等。

（2）Prosodic features（声韵特征）：比如词之间的停顿、韵律、声音大小等。但是这些特征的问题在于它会依赖于说话者。

（3）Linguistic features（语言学特征）：语义特征。但是问题在于这是声音，我们并不能得到精确的台词，无法得到说话内容。

这篇文章只用了acoustic features，总共34个特征。文章对所有声音段都进行如下处理：利用0.2秒的窗口，每次滑动0.1秒，计算特征。

3. 问题描述

本质上就是一个多分类问题。

训练集：

特征：，真实label序列：。

，

注意特征序列的长度和真实label序列的长度一般来说不会相等，真实label序列长度会小于等于特征序列的长度，即。

举个例子，一个人说“你好“，表现出来的可能是n-n-n-i-i-h-a-a-o-o-o，但输出的就只有nihao。这里跟CTC方法的提出很有关系，之后会解释为什么。

目标：找到分类器，满足

4. 方法

这里用几个RNN模型结合两种方法进行。

4.1. One-label方法

定义：无论utterance多长，每个utterance只有一个情感label。回顾一下IEMOCAP数据集，它的标记方法就属于这种。所以这个时候。

把通过分类器预测出来的值记为

loss函数：

不足：

（1）无论utterance长度多长都只转换成一个label

（2）做在线学习的时候，不会有已经分割好的utterance，因此很难再根据一个一个的utterance去预测label值。

过程图：

4.2. CTC（Connectionist Temporal Classification，联结主义时间分类器）

定义：一种end-to-end（端到端）计算损失函数的方法，一个utterance不再是只能有一个label了，而是有一个label序列。

引用知乎用户@火华对CTC的一个解释，可以看到CTC是用来解决输入输出长度不一时用传统的损失函数无法计算的问题：

RNN模型可以用来对两个序列之间的关系进行建模。但是，传统的RNN，标注序列和输入的序列是一一对应的。语音识别中的序列建模问题不是这样：识别出的字符序列或者音素序列长度远小于输入的特征帧序列。所以不能直接用RNN来建模。CTC解决这一问题的方法是，在标注符号集中加一个空白符号blank，然后利用RNN进行标注，最后把blank符号和预测出的重复符号消除。比如有可能预测除了一个"--a-bb"，就对应序列"ab"。这样就让RNN可以对长度小于输入序列的标注序列进行预测了。

至于为什么叫端对端，知乎用户@王赟 Maigo 给出了回答：

传统的语音识别系统，是由语音模型、词典、语言模型构成的，而其中的语音模型和语言模型是分别训练的。这就造成每一部分的训练目标（语音模型的likelihood，语言模型的perplexity）都与整个系统的训练目标（word error rate）不一致。而使用了CTC之后，从语音特征（输入端）到文字串（输出端）就只有一个神经网络模型（这就叫“端到端”模型），可以直接用WER的某种proxy作为目标函数来训练这个神经网络，避免花费无用功去优化一个别的目标函数。

额外处理：

既然是要给出label序列，即给出更多的utterance内部的情感细节，而不是简单地给一个句子贴上一个label了，就可能会出现一个情况：一个utterance里面可能有情绪，可能没有情绪。所以这时候要加上一个label叫NULL，因此label集合变成：。

把通过分类器预测出来的值记为

计算步骤：

（1）对于每个输入X，定义一条长度为T的path，则它的条件概率为：

其中，代表最后输出时第t个时刻为第c个分类的概率。

打个比方，现在有一个输入X，它是“你好”的特征，它的真实label序列为“nihao”，一共有30帧。

需要注意的是，即使在训练集中，真实的每一帧label也是无法得知的。因为训练集只给了真实label序列“nihao”，并不会给出具体每一帧是对应哪个label。我们不妨假设它真实情况下每一帧可能会长这样：nnnnnnniiiiihhhh....ooo（一共30帧）。

训练后，每一帧输出都有14个音素（音素就是a,o,i,e,u,n,p,...），比如第一帧真实label为n（但注意，如上所述，我们是不知道它是哪个label的），那t=1的时候，我们就用t=1,c=n对应的y；比如第二帧真实label为n，我们就用t=2,c=n对应的y……最后把T个时刻的对应y都乘起来，就得到这个。

下面这张图可能会看的清晰一点：

（2）接下来通过对path删掉所有连续重复的label和删去所有的NULL，把path转换成label序列的形式。所以会有类似这样的形式：M(-aa-b-b--ccc)=M(abb---bc-)=abbc，“-aa-b-b--ccc”和“abb---bc-”都是path，而“abbc”则是label序列。于是可以计算出每一个label序列的概率：

继续用上面的例子说明。我在上面提到，真实的每一帧label是不知道的，训练集能告诉模型的只有真实的label序列“nihao”，所以我们要把所有可能的每一帧label序列加起来。比如说，“nihao”可能的30帧label序列可能是“nnniiiiihhhaaaooo..oo”，也有可能是“niiiiiiiiiiiihh...aaaoo”，我们需要把所有这些可能的序列概率都加起来，就得到“nihao”的概率。

这一步直接穷举的话计算会很复杂，可以用HMM里面的前向后向算法进行计算。

（3）用最大似然法更新权重w，等同于最小化下式：

还是上面的例子，“nihao”只是众多输入的X里面的一个。还有许许多多比如“buxiangqichuang”、“zhixiangchi”等等语音，同样按（1）和（2）进行计算，然后把这些语音的概率值进行log变换后再求和就得到这条式子。接着不断更新权重，使这条式子最小时达到最优。

（4）利用下式做预测：

比如现在来了一段语音，真实label序列为“nizhenmei”，用上面更新好的权重算出所有可能的label序列，比如“nizhenshou”、“nizhenhaokan”、“meibumei”……最后取概率最大的那个label序列作为预测值。

过程图：

5. 实验

因为实验里面有些细节我还不太看得明白，所以就大致画了一下文章里都做了什么样的实验，以及进行了什么结果对比，有机会再来补充吧：

补充说明：

文章做的实验主要是Model vs Expert的三种方法（Frame-based、Utterance-based的one-label和Utterance-based的CTC）、Human vs Expert。上图我只画了CTC实验里进行了什么结果对比，其他没写，因为CTC的实验分析方法最为详尽，包含了其他实验的分析方法。

Model vs Expert里面的这三种方法都需要和RNN网络（LSTM/BLSTM）结合。