用 Python 训练自己的语音识别系统，这波操作稳了

近几年来语音识别技术得到了迅速发展，从手机中的Siri语音智能助手、微软的小娜以及各种平台的智能音箱等等，各种语音识别的项目得到了广泛应用。

语音识别属于感知智能，而让机器从简单的识别语音到理解语音，则上升到了认知智能层面，机器的自然语言理解能力如何，也成为了其是否有智慧的标志，而自然语言理解正是目前难点。

同时考虑到目前大多数的语音识别平台都是借助于智能云，对于语音识别的训练对于大多数人而言还较为神秘，故今天我们将利用python搭建自己的语音识别系统。

最终模型的识别效果如下：

实验前的准备

首先我们使用的python版本是3.6.5所用到的库有cv2库用来图像处理；

Numpy库用来矩阵运算；Keras框架用来训练和加载模型。Librosa和python_speech_features库用于提取音频特征。Glob和pickle库用来读取本地数据集。

数据集准备
首先数据集使用的是清华大学的thchs30中文数据。

这些录音根据其文本内容分成了四部分，A（句子的ID是1~250），B（句子的ID是251~500），C（501~750），D（751~1000）。ABC三组包括30个人的10893句发音，用来做训练，D包括10个人的2496句发音，用来做测试。

data文件夹中包含（.wav文件和.trn文件；trn文件里存放的是.wav文件的文字描述:第一行为词，第二行为拼音，第三行为音素）；

数据集如下：

模型训练

1、提取语音数据集的MFCC特征：
首先人的声音是通过声道产生的，声道的形状决定了发出怎样的声音。如果我们可以准确的知道这个形状，那么我们就可以对产生的音素进行准确的描述。声道的形状在语音短时功率谱的包络中显示出来。而MFCCs就是一种准确描述这个包络的一种特征。

其中提取的MFCC特征如下图可见。

故我们在读取数据集的基础上，要将其语音特征提取存储以方便加载入神经网络进行训练。

其对应的代码如下：

#读取数据集文件  
text_paths = glob.glob('data/*.trn')  
total = len(text_paths)  
print(total)  
with open(text_paths[0], 'r', encoding='utf8') as fr:  
lines = fr.readlines  
print(lines)  
#数据集文件trn内容读取保存到数组中  
texts =   
paths =   
for path in text_paths:  
with open(path, 'r', encoding='utf8') as fr:  
lines = fr.readlines  
line = lines[0].strip('n').replace(' ', '')  
texts.append(line)  
paths.append(path.rstrip('.trn'))  
print(paths[0], texts[0])  
#定义mfcc数  
mfcc_dim = 13  
#根据数据集标定的音素读入  
def load_and_trim(path):  
audio, sr = librosa.load(path)  
energy = librosa.feature.rmse(audio)  
frames = np.nonzero(energy >= np.max(energy) / 5)  
indices = librosa.core.frames_to_samples(frames)[1]  
audio = audio[indices[0]:indices[-1]] if indices.size else audio[0:0]  
return audio, sr  
#提取音频特征并存储  
features =   
for i in tqdm(range(total)):  
path = paths[i]  
audio, sr = load_and_trim(path)  
features.append(mfcc(audio, sr, numcep=mfcc_dim, nfft=551))  
print(len(features), features[0].shape) 

2、神经网络预处理：
在进行神经网络加载训练前，我们需要对读取的MFCC特征进行归一化，主要目的是为了加快收敛，提高效果和减少干扰。然后处理好数据集和标签定义输入和输出即可。

对应代码如下：

#随机选择100个数据集  
samples = random.sample(features, 100)  
samples = np.vstack(samples)  
#平均MFCC的值为了归一化处理  
mfcc_mean = np.mean(samples, axis=0)  
#计算标准差为了归一化  
mfcc_std = np.std(samples, axis=0)  
print(mfcc_mean)  
print(mfcc_std)  
#归一化特征  
features = [(feature - mfcc_mean) / (mfcc_std + 1e-14) for feature in features]  
#将数据集读入的标签和对应id存储列表  
chars = {}  
for text in texts:  
for c in text:  
chars[c] = chars.get(c, 0) + 1  
chars = sorted(chars.items, key=lambda x: x[1], reverse=True)  
chars = [char[0] for char in chars]  
print(len(chars), chars[:100])  
char2id = {c: i for i, c in enumerate(chars)}  
id2char = {i: c for i, c in enumerate(chars)}  
data_index = np.arange(total)  
np.random.shuffle(data_index)  
train_size = int(0.9 * total)  
test_size = total - train_size  
train_index = data_index[:train_size]  
test_index = data_index[train_size:]  
#神经网络输入和输出X,Y的读入数据集特征  
X_train = [features[i] for i in train_index]  
Y_train = [texts[i] for i in train_index]  
X_test = [features[i] for i in test_index]  
Y_test = [texts[i] for i in test_index] 

3、神经网络函数定义：
其中包括训练的批次，卷积层函数、标准化函数、激活层函数等等。

其中第⼀个维度为⼩⽚段的个数，原始语⾳越长，第⼀个维度也越⼤， 第⼆个维度为 MFCC 特征的维度。得到原始语⾳的数值表⽰后，就可以使⽤ WaveNet 实现。由于 MFCC 特征为⼀维序列，所以使⽤ Conv1D 进⾏卷积。 因果是指，卷积的输出只和当前位置之前的输⼊有关，即不使⽤未来的 特征，可以理解为将卷积的位置向前偏移。WaveNet 模型结构如下所⽰：

具体如下可见：

batch_size = 16  
#定义训练批次的产生，一次训练16个  
def batch_generator(x, y, batch_size=batch_size):  
offset = 0  
while True:  
offset += batch_size  
if offset == batch_size or offset >= len(x):  
data_index = np.arange(len(x))  
np.random.shuffle(data_index)  
x = [x[i] for i in data_index]  
y = [y[i] for i in data_index]  
offset = batch_size  
X_data = x[offset - batch_size: offset]  
Y_data = y[offset - batch_size: offset]  
X_maxlen = max([X_data[i].shape[0] for i in range(batch_size)])  
Y_maxlen = max([len(Y_data[i]) for i in range(batch_size)])  
X_batch = np.zeros([batch_size, X_maxlen, mfcc_dim])  
Y_batch = np.ones([batch_size, Y_maxlen]) * len(char2id)  
X_length = np.zeros([batch_size, 1], dtype='int32')  
Y_length = np.zeros([batch_size, 1], dtype='int32')  
for i in range(batch_size):  
X_length[i, 0] = X_data[i].shape[0]  
X_batch[i, :X_length[i, 0], :] = X_data[i]  
Y_length[i, 0] = len(Y_data[i])  
Y_batch[i, :Y_length[i, 0]] = [char2id[c] for c in Y_data[i]]  
inputs = {'X': X_batch, 'Y': Y_batch, 'X_length': X_length, 'Y_length': Y_length}  
outputs = {'ctc': np.zeros([batch_size])}  
epochs = 50  
num_blocks = 3  
filters = 128  
X = Input(shape=(None, mfcc_dim,), dtype='float32', name='X')  
Y = Input(shape=(None,), dtype='float32', name='Y')  
X_length = Input(shape=(1,), dtype='int32', name='X_length')  
Y_length = Input(shape=(1,), dtype='int32', name='Y_length')  
#卷积1层  
def conv1d(inputs, filters, kernel_size, dilation_rate):  
return Conv1D(filters=filters, kernel_size=kernel_size, strides=1, padding='causal', activation=None,  
dilation_rate=dilation_rate)(inputs)  
#标准化函数  
def batchnorm(inputs):  
return BatchNormalization(inputs)  
#激活层函数  
def activation(inputs, activation):  
return Activation(activation)(inputs)  
#全连接层函数  
def res_block(inputs, filters, kernel_size, dilation_rate):  
hf = activation(batchnorm(conv1d(inputs, filters, kernel_size, dilation_rate)), 'tanh')  
hg = activation(batchnorm(conv1d(inputs, filters, kernel_size, dilation_rate)), 'sigmoid')  
h0 = Multiply([hf, hg])  
ha = activation(batchnorm(conv1d(h0, filters, 1, 1)), 'tanh')  
hs = activation(batchnorm(conv1d(h0, filters, 1, 1)), 'tanh')  
return Add([ha, inputs]), hs  
h0 = activation(batchnorm(conv1d(X, filters, 1, 1)), 'tanh')  
shortcut =   
for i in range(num_blocks):  
for r in [1, 2, 4, 8, 16]:  
h0, s = res_block(h0, filters, 7, r)  
shortcut.append(s)  
h1 = activation(Add(shortcut), 'relu')  
h1 = activation(batchnorm(conv1d(h1, filters, 1, 1)), 'relu')  
#softmax损失函数输出结果  
Y_pred = activation(batchnorm(conv1d(h1, len(char2id) + 1, 1, 1)), 'softmax')  
sub_model = Model(inputs=X, outputs=Y_pred)  
#计算损失函数  
def calc_ctc_loss(args):  
y, yp, ypl, yl = args  
return K.ctc_batch_cost(y, yp, ypl, yl) 

4、模型的训练：
训练的过程如下可见：

ctc_loss = Lambda(calc_ctc_loss, output_shape=(1,), name='ctc')([Y, Y_pred, X_length, Y_length])  
#加载模型训练  
model = Model(inputs=[X, Y, X_length, Y_length], outputs=ctc_loss)  
#建立优化器  
optimizer = SGD(lr=0.02, momentum=0.9, nesterov=True, clipnorm=5)  
#激活模型开始计算  
model.compile(loss={'ctc': lambda ctc_true, ctc_pred: ctc_pred}, optimizer=optimizer)  
checkpointer = ModelCheckpoint(filepath='asr.h5', verbose=0)  
lr_decay = ReduceLRonPlateau(monitor='loss', factor=0.2, patience=1, min_lr=0.000)  
#开始训练  
history = model.fit_generator(  
generator=batch_generator(X_train, Y_train),  
steps_per_epoch=len(X_train) // batch_size,  
epochs=epochs,  
validation_data=batch_generator(X_test, Y_test),  
validation_steps=len(X_test) // batch_size,  
callbacks=[checkpointer, lr_decay])  
#保存模型  
sub_model.save('asr.h5')  
#将字保存在pl=pkl中  
with open('dictionary.pkl', 'wb') as fw:  
pickle.dump([char2id, id2char, mfcc_mean, mfcc_std], fw)  
train_loss = history.history['loss']  
valid_loss = history.history['val_loss']  
plt.plot(np.linspace(1, epochs, epochs), train_loss, label='train')  
plt.plot(np.linspace(1, epochs, epochs), valid_loss, label='valid')  
plt.legend(loc='upper right')  
plt.xlabel('Epoch')  
plt.ylabel('Loss')  
plt.show 

测试模型
读取我们语音数据集生成的字典，通过调用模型来对音频特征识别。

代码如下：

wavs = glob.glob('A2_103.wav')  
print(wavs)  
with open('dictionary.pkl', 'rb') as fr:  
[char2id, id2char, mfcc_mean, mfcc_std] = pickle.load(fr)  
mfcc_dim = 13  
model = load_model('asr.h5')  
index = np.random.randint(len(wavs))  
print(wavs[index])  
audio, sr = librosa.load(wavs[index])  
energy = librosa.feature.rmse(audio)  
frames = np.nonzero(energy >= np.max(energy) / 5)  
indices = librosa.core.frames_to_samples(frames)[1]  
audio = audio[indices[0]:indices[-1]] if indices.size else audio[0:0]  
X_data = mfcc(audio, sr, numcep=mfcc_dim, nfft=551)  
X_data = (X_data - mfcc_mean) / (mfcc_std + 1e-14)  
print(X_data.shape)  
pred = model.predict(np.expand_dims(X_data, axis=0))  
pred_ids = K.eval(K.ctc_decode(pred, [X_data.shape[0]], greedy=False, beam_width=10, top_paths=1)[0][0])  
pred_ids = pred_ids.flatten.tolist  
print(''.join([id2char[i] for i in pred_ids]))  
yield (inputs, outputs) 

到这里，我们整体的程序就搭建完成，下面为我们程序的运行结果：

源码地址：

https://pan.baidu.com/s/1tFlZkMJmrMTD05cd_zxmAg

提取码：ndrr

数据集需要自行下载。