240702_昇思学习打卡-Day14-基于MindNLP+MusicGen生成自己的个性化音乐

前面一致做的都是图像的，可视化比较强，可以有比较多的图片帮助理解，但今天这个是关于音频的生成，基本只有干巴巴的代码，我尽量描述清楚些。相关研究成果参考论文《Simple and Controllable Music Generation》

首先我们来了解一下MusicGen，这个是Meta（前身是Facebook）推出的根据文字生成音乐的项目，其支持文生曲，曲生曲。用户可以通过修改描述词汇来生成不同风格的音乐。大家可以先去他的官网在线体验一下：MusicGen - a Hugging Face Space by facebook，这个网站可能需要大家自行优化一下网络，，不然不太好进。但进不了也没关系，咱们以下内容就是自己用代码实现这个东西。

MusicGen模型基于Transformer结构（上几篇有提到一点），可以分解为三个阶段：

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。

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。

下载模型

首先我们要开始干肯定要先把人家的模型拿到，我们为了保证下载速度，从一个镜像站下载（默认预装了mindspore环境）。

%%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

from mindnlp.transformers import MusicgenForConditionalGeneration

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

生成音乐

拿到模型了，就可以直接开始干了

MusicGen支持两种生成模式（贪心(greedy)和采样(sampling)），据前人经验，采样得到的结果优于贪心，所以我们站在巨人的肩膀上，使用采样就得了，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

无提示生成就是随机输入，网络随机生成音频，随机的什么都没给，效果大多数情况不太符合我们的预期，但此处作以演示。

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（执行比较慢，大家耐心等待）:

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

audio_values = model.generate(**unconditional_inputs, do_sample=True, max_new_tokens=256)

执行完了之后会输出如下内容，就是方便我们观察的：

'''
CPU times: user 3min 13s, sys: 12.1 s, total: 3min 26s
Wall time: 1min 32s

这段输出是执行代码单元格后，关于该单元格执行时间的报告。它分为两部分：CPU时间和Wall time。
CPU times:
user: 3分钟13秒，指的是代码在CPU上执行用户指令所花费的时间。这包括了程序的所有计算任务，但不包括等待操作系统服务的时间。
sys: 12.1秒，代表在内核模式下执行操作系统任务所花费的时间，比如系统调用。
total: 3分钟26秒，是用户时间和系统时间的总和，表明代码直接使用CPU资源的总时间。
Wall time:
1分钟32秒，这是从代码执行开始到结束的真实世界时间，也叫“墙钟时间”。它包含了CPU时间、I/O等待时间、以及其他可能的阻塞或等待事件，因此通常情况下Wall time会大于或等于CPU时间的总和。在这个例子中，Wall time显著小于CPU时间的总和，这可能表明代码执行过程中有并行处理发生，或者外部资源（如GPU计算、多线程处理）的有效利用，从而使得整体任务完成得更快。
'''

此时我们生成的音乐就是这个audio_values，但是，这个的格式还是a Torch tensor of shape (batch_size, num_channels, sequence_length)，可以通过打印这个audio_values进行观察

audio_values
'''
输出为
Tensor(shape=[1, 1, 161920], dtype=Float32, value=
[[[-3.18956435e-01, -3.33604872e-01, -3.37755263e-01 ...  9.57774445e-02,  9.85850617e-02, -2.61695194e-03]]])
'''

说人话就是咱现在还听不着，所以就得进行一个转换。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())

此时默认保存在根目录，执行完了之后就可以去试听了，但是也可以直接载入notebook进行试听：

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)

执行完了之后就会显示一个音频播放条，如下（这个放不了哦，别点，别说我忽悠你）：
（但我吧wav转MP4了，正在审核，审核结束了我加进来）

此时我们可以对生成的音频进行计数，也就是计算其长度，如下：

audio_length_in_s = 256 / model.config.audio_encoder.frame_rate

audio_length_in_s
'''
输出：5.12
'''

使用文本提示生成（文生曲）

基于文本提示，通过AutoProcessor（一个预处理器）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。记得开采样模式。

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。

# 使用%%time魔术命令来测量以下代码块的执行时间
%%time

# 导入AutoProcessor类，用于自动化处理文本和生成音频特征
from mindnlp.transformers import AutoProcessor

# 初始化处理器，使用预训练模型"facebook/musicgen-small"
# 这里的处理器是为特定任务（音乐生成）配置的
processor = AutoProcessor.from_pretrained("facebook/musicgen-small")

# 处理输入文本，将其转换为模型可以接受的格式
# padding参数确保所有输入具有相同的长度
# return_tensors指定返回的张量类型为"ms"
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",
)

# 使用模型生成音频数据
# do_sample参数允许模型以随机方式生成音频
# guidance_scale参数控制创新和多样性的平衡
# max_new_tokens参数限制生成音频的最大新令牌数量
audio_values = model.generate(**inputs, do_sample=True, guidance_scale=3, max_new_tokens=256)

这里我们输入的文本是"80s pop track with bassy drums and synth", “90s rock song with loud guitars and heavy drums”

，即“80 年代流行曲目与低音鼓和合成器”、“90 年代摇滚歌曲与响亮的吉他和沉重的鼓”

正常的转换格式、保存曲目及在notebook进行试听：

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（曲生曲）

我们刚才处理所用到的预处理器AutoProfessor同样可以对音频进行处理，要处理音频肯定就要音频文件嘛，就有个读取路径，然后进行预处理，处理完了就交给网络模型大展身手，最后保存出来。

%%time
from datasets import load_dataset

# 初始化处理器，使用预训练模型"facebook/musicgen-small"
processor = AutoProcessor.from_pretrained("facebook/musicgen-small")
# 加载数据
dataset = load_dataset("sanchit-gandhi/gtzan", split="train", streaming=True)
sample = next(iter(dataset))["audio"]

# 截取音频样本的前半部分
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())

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

首先我们对默认的生成配置进行检查：

model.generation_config.to_dict()

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)

打卡图片：