《昇思25天学习打卡营第17天|热门LLM及其他AI应用-基于MindNLP+MusicGen生成自己的个性化音乐》

基于MindNLP+MusicGen生成自己的个性化音乐

MusicGen是来自Meta AI的Jade Copet等人提出的基于单个语言模型（LM）的音乐生成模型，能够根据文本描述或音频提示生成高质量的音乐样本，相关研究成果参考论文《Simple and Controllable Music Generation》。

MusicGen是一种单个语言模型（LM），它可以在多个压缩的离散音乐表示（即，令牌）流上运行。与先前的工作不同，MusicGen由单阶段变换器LM和高效的令牌交织模式组成，无需像分层或上采样那样级联多个模型。采用这种方法，在基于文本描述或旋律特征的条件下，使用MusicGen生成高质量的单声道和立体声样本，从而更好地控制生成的输出。

MusicGen 是专门用于音乐生成的音频生成模型。音乐曲目比环境声音更为复杂，在创建新颖的音乐作品时，尤其是在长期结构上生成连贯的样本尤为重要。该建模方法可以自然地扩展到立体声音乐生成。

在《MusicGen》工作中，我们探索了控制音乐生成的其他方法，并提出了一种新颖的无监督旋律引导生成方法，基于音程图。给定一个音乐样本，我们通过音程图提取主要旋律。音程图是一种特征，可以捕捉音乐的和声和旋律特征，并且对乐器和音色具有鲁棒性。该信号用于指导生成过程跟随提取的旋律，同时忠实于提供的文本描述。

MusicGen模型基于Transformer结构，可以分解为三个不同的阶段:

1. 用户输入的文本描述作为输入传递给一个固定的文本编码器模型，以获得一系列隐形状态表示。
2. 训练MusicGen解码器来预测离散的隐形状态音频token。
3. 对这些音频token使用音频压缩模型（如EnCodec）进行解码，以恢复音频波形。

MusicGen直接使用谷歌的t5-base及其权重作为文本编码器模型，并使用EnCodec 32kHz及其权重作为音频压缩模型。MusicGen解码器是一个语言模型架构，针对音乐生成任务从零开始进行训练。

借助最新的多带扩散编码解码器（MBD-EnCodec），MusicGen的音频质量可以进一步提升。尽管需要更多的计算，但经过MBD增强的EnCodec生成的样本具有更少的音频失真。

MusicGen 模型的新颖之处在于音频代码的预测方式。传统上，每个码本都必须由一个单独的模型（即分层）或通过不断优化 Transformer 模型的输出（即上采样）进行预测。与传统方法不同，MusicGen采用单个stage的Transformer LM结合高效的token交织模式，取消了多层级的多个模型结构，例如分层或上采样，这使得MusicGen能够生成单声道和立体声的高质量音乐样本，同时提供更好的生成输出控制。MusicGen不仅能够生成符合文本描述的音乐，还能够通过旋律条件控制生成的音调结构。

Figure 1: MusicGen使用的码本延迟模式，来源于 MusicGen paper.

下载模型

MusicGen提供了small、medium和big三种规格的预训练权重文件，本次指南默认使用small规格的权重，生成的音频质量较低，但是生成的速度是最快的：

%%capture captured_output
# 该案例在 mindnlp 0.3.1 版本完成适配，如果发现案例跑不通，可以指定mindnlp版本，执行`!pip install mindnlp==0.3.1 jieba soundfile librosa`
!pip install -i https://pypi.mirrors.ustc.edu.cn/simple mindnlp jieba soundfile librosa
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from mindnlp.transformers import MusicgenForConditionalGeneration

model = MusicgenForConditionalGeneration.from_pretrained("facebook/musicgen-small")
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生成音乐

MusicGen支持两种生成模式：贪心（greedy）和采样（sampling）。在实际执行过程中，采样模式得到的结果要显著优于贪心模式。因此我们默认启用采样模式，并且可以在调用MusicgenForConditionalGeneration.generate时设置do_sample=True来显式指定使用采样模式。

无提示生成

我们可以通过方法 MusicgenForConditionalGeneration.get_unconditional_inputs 获得网络的随机输入，然后使用 .generate 方法进行自回归生成，指定 do_sample=True 来启用采样模式:

%%time
unconditional_inputs = model.get_unconditional_inputs(num_samples=1)

audio_values = model.generate(**unconditional_inputs, do_sample=True, max_new_tokens=256)
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音频输出是格式是: a Torch tensor of shape (batch_size, num_channels, sequence_length)。
使用第三方库scipy将输出的音频保存为musicgen_out.wav 文件。

import scipy
from IPython.display import Audio

sampling_rate = model.config.audio_encoder.sampling_rate
scipy.io.wavfile.write("musicgen_out.wav", rate=sampling_rate, data=audio_values[0, 0].asnumpy())

# 要收听生成的音频样本，可以使用 Audio 在 notebook 进行播放
Audio(audio_values[0].asnumpy(), rate=sampling_rate)
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参数 max_new_tokens 指定要生成 token 数。根据经验，可以使用 EnCodec 模型的帧速率计算出生成的音频样本的长度（以秒为单位）：

audio_length_in_s = 256 / model.config.audio_encoder.frame_rate

audio_length_in_s
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文本提示生成

首先基于文本提示，通过AutoProcessor对输入进行预处理。然后将预处理后的输入传递给 .generate 方法以生成文本条件音频样本。同样，我们通过设置“do_sample=True”来启用采样模式。

其中，guidance_scale 用于无分类器指导（CFG），设置条件对数之间的权重（从文本提示中预测）和无条件对数（从无条件或空文本中预测）。guidance_scale越高表示生成的模型与输入的文本更加紧密。通过设置guidance_scale > 1来启用 CFG。为获得最佳效果，使用guidance_scale=3（默认值）生成文本提示音频。

%%time
from mindnlp.transformers import AutoProcessor
from IPython.display import Audio

processor = AutoProcessor.from_pretrained("facebook/musicgen-small")

inputs = processor(
    text=["80s pop track with bassy drums and synth", "90s rock song with loud guitars and heavy drums"],
    padding=True,
    return_tensors="ms",
)

audio_values = model.generate(**inputs, do_sample=True, guidance_scale=3, max_new_tokens=256)
scipy.io.wavfile.write("musicgen_out_text.wav", rate=sampling_rate, data=audio_values[0, 0].asnumpy())

# 要收听生成的音频样本，可以使用 Audio 在 notebook 进行播放
Audio(audio_values[0].asnumpy(), rate=sampling_rate)
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音频提示生成

AutoProcessor同样可以对用于音频预测的音频提示进行预处理。在以下示例中，我们首先加载音频文件，然后进行预处理，并将输入给到网络模型来进行音频生成。最后，我们将生成出来的音频文件保存为musicgen_out_audio.wav

%%time
from datasets import load_dataset
from IPython.display import Audio

processor = AutoProcessor.from_pretrained("facebook/musicgen-small")
dataset = load_dataset("sanchit-gandhi/gtzan", split="train", streaming=True)
sample = next(iter(dataset))["audio"]

# take the first half of the audio sample
sample["array"] = sample["array"][: len(sample["array"]) // 2]

inputs = processor(
    audio=sample["array"],
    sampling_rate=sample["sampling_rate"],
    text=["80s blues track with groovy saxophone"],
    padding=True,
    return_tensors="ms",
)

audio_values = model.generate(**inputs, do_sample=True, guidance_scale=3, max_new_tokens=256)
scipy.io.wavfile.write("musicgen_out_audio.wav", rate=sampling_rate, data=audio_values[0, 0].asnumpy())

# 要收听生成的音频样本，可以使用 Audio 在 notebook 进行播放
Audio(audio_values[0].asnumpy(), rate=sampling_rate)
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为了演示批量音频提示生成，我们将按两个不同的比例对样本音频进行切片，以提供两个不同长度的音频样本。由于输入音频提示的长度各不相同，因此在传递到模型之前，它们将被填充到批处理中最长的音频样本的长度。

要恢复最终音频样本，可以对生成的audio_values进行后处理，以再次使用处理器类删除填充：

sample = next(iter(dataset))["audio"]

# 取音频样本的第一个四分之一
sample_1 = sample["array"][: len(sample["array"]) // 4]

# 以音频样本的前半部分为例
sample_2 = sample["array"][: len(sample["array"]) // 2]

inputs = processor(
    audio=[sample_1, sample_2],
    sampling_rate=sample["sampling_rate"],
    text=["80s blues track with groovy saxophone", "90s rock song with loud guitars and heavy drums"],
    padding=True,
    return_tensors="ms",
)

audio_values = model.generate(**inputs, do_sample=True, guidance_scale=3, max_new_tokens=256)

# 从批处理音频中删除填充的后处理
audio_values = processor.batch_decode(audio_values, padding_mask=inputs.padding_mask)

Audio(audio_values[0], rate=sampling_rate)
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生成配置

控制生成过程的默认参数（例如采样、指导比例和生成的令牌数量）可以在模型的生成配置中找到，并根据需要进行更新。首先，我们检查默认的生成配置：

model.generation_config
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我们看到模型默认使用采样模式 （do_sample=True），指导刻度为 3，最大生成长度为 1500（相当于 30 秒的音频）。你可以更新以下任一属性以更改默认生成参数：

# increase the guidance scale to 4.0
model.generation_config.guidance_scale = 4.0

# set the max new tokens to 256
model.generation_config.max_new_tokens = 256

# set the softmax sampling temperature to 1.5
model.generation_config.temperature = 1.5
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现在重新运行生成将使用生成配置中新定义的值

audio_values = model.generate(**inputs)
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请注意，传递给 generate 方法的任何参数都将取代生成配置中的参数，因此在调用 generate 中设置 do_sample=False 将取代生成配置中 model.generation_config.do_sample 的设置。