昇思25天学习打卡营第10天 | 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模型基于Transformer结构，可以分解为三个不同的阶段:

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。
训练MusicGen解码器来预测离散的隐形状态音频token。
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。

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。

在这里插入图片描述

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
# 实验环境已经预装了mindspore==2.2.14，如需更换mindspore版本，可更改下面mindspore的版本号
!pip uninstall mindspore -y
!pip install -i https://pypi.mirrors.ustc.edu.cn/simple mindspore==2.2.14

%%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

# 查看当前 mindspore 版本
!pip show mindspore

Name: mindspore
Version: 2.2.14
Summary: MindSpore is a new open source deep learning training/inference framework that could be used for mobile, edge and cloud scenarios.
Home-page: https://www.mindspore.cn
Author: The MindSpore Authors
Author-email: [email protected]
License: Apache 2.0
Location: /home/nginx/miniconda/envs/jupyter/lib/python3.9/site-packages
Requires: asttokens, astunparse, numpy, packaging, pillow, protobuf, psutil, scipy
Required-by: mindnlp

from mindnlp.transformers import MusicgenForConditionalGeneration

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

Building prefix dict from the default dictionary ...
Dumping model to file cache /tmp/jieba.cache
Loading model cost 1.024 seconds.
Prefix dict has been built successfully.



  0%|          | 0.00/1.55k [00:00<?, ?B/s]



  0%|          | 0.00/2.20G [00:00<?, ?B/s]


Failed to download: ("Connection broken: ConnectionResetError(104, 'Connection reset by peer')", ConnectionResetError(104, 'Connection reset by peer'))
Retrying... (attempt 0/5)



  9%|9         | 203M/2.20G [00:00<?, ?B/s]


\


  0%|          | 0.00/224 [00:00<?, ?B/s]

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)

CPU times: user 6min 25s, sys: 1min 15s, total: 7min 40s
Wall time: 9min 34s

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

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

from IPython.display import Audio
# 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)

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

5.12

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

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)

  0%|          | 0.00/433 [00:00<?, ?B/s]



  0%|          | 0.00/773k [00:00<?, ?B/s]



0.00B [00:00, ?B/s]



  0%|          | 0.00/335 [00:00<?, ?B/s]


CPU times: user 6min 23s, sys: 1min 11s, total: 7min 35s
Wall time: 10min 16s

scipy.io.wavfile.write("musicgen_out_text.wav", rate=sampling_rate, data=audio_values[0, 0].asnumpy())

from IPython.display import Audio
# 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)

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

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)

  0%|          | 0.00/275 [00:00<?, ?B/s]



Downloading readme:   0%|          | 0.00/400 [00:00<?, ?B/s]


'HTTPSConnectionPool(host='cdn-lfs.hf-mirror.com', port=443): Read timed out.' thrown while requesting GET https://hf-mirror.com/datasets/sanchit-gandhi/gtzan/resolve/4bd857132cb0e731bef3ec68558e7acc0a85f144/data/train-00000-of-00003-abaaa5719027ce5c.parquet
Retrying in 1s [Retry 1/5].


CPU times: user 6min 37s, sys: 1min 10s, total: 7min 48s
Wall time: 11min 36s

scipy.io.wavfile.write("musicgen_out_audio.wav", rate=sampling_rate, data=audio_values[0, 0].asnumpy())

from IPython.display import Audio
# 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)

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"]

# take the first quater of the audio sample
sample_1 = sample["array"][: len(sample["array"]) // 4]

# take the first half of the audio sample
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)

# post-process to remove padding from the batched audio
audio_values = processor.batch_decode(audio_values, padding_mask=inputs.padding_mask)

Audio(audio_values[0], rate=sampling_rate)

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：

print('guidance_scale:\t'+str(model.generation_config.guidance_scale))
print('max_new_tokens:\t'+str(model.generation_config.max_new_tokens))
print('temperature:\t'+str(model.generation_config.temperature))
# 更多参数见
# https://gitee.com/mindspore-lab/mindnlp
# mindnlp/mindnlp/transformers/generation/configuration_utils.py

guidance_scale:	4.0
max_new_tokens:	256
temperature:	1.5

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

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)

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。