AI駆動型オーディオビジュアル生成


AI駆動型オーディオビジュアル生成:Python

本稿では、AI技術を活用したオーディオビジュアル生成システムのPython実装について詳細に解説する。対象読者は、プログラミング、機械学習、信号処理の基礎知識を持つエンジニアおよび研究者とする。本稿では、音質に特に焦点を当て、高品質なオーディオと映像の同期生成を目指す。

1. システム概要

本システムは、以下の主要コンポーネントで構成される。

  1. オーディオ生成モデル: テキストまたはその他の入力からオーディオ信号を生成する。
  2. ビジュアル生成モデル: オーディオ信号または他の入力に基づいて視覚コンテンツを生成する。
  3. 同期モジュール: オーディオとビジュアルのタイミングを調整し、同期した出力を生成する。

2. オーディオ生成モデル

本実装では、Variational Autoencoder (VAE) ベースのオーディオ生成モデルを採用する。VAEは、潜在空間を学習し、その空間から多様なオーディオサンプルを生成する能力を持つ。

2.1. データ準備

オーディオデータは、サンプリングレート44.1kHzのモノラルWAVファイル形式を前提とする。データセットは、正規化および増幅処理を施し、VAEモデルの学習に適した形に変換する。短時間フーリエ変換 (STFT) を適用し、スペクトログラムを特徴量とする。窓関数にはハミング窓を使用し、オーバーラップは50%とする。

import librosa
import numpy as np
import torch
from torch.utils.data import Dataset, DataLoader

class AudioDataset(Dataset):
    def __init__(self, audio_files, sample_rate=44100, window_size=2048, hop_length=1024):
        self.audio_files = audio_files
        self.sample_rate = sample_rate
        self.window_size = window_size
        self.hop_length = hop_length
        self.spectrograms = []

        for file in self.audio_files:
            y, sr = librosa.load(file, sr=self.sample_rate)
            if y.size > 0 :  # 読み込みエラーを回避
                stft = librosa.stft(y, n_fft=self.window_size, hop_length=self.hop_length, window='hamming')
                spectrogram = np.abs(stft)
                self.spectrograms.append(spectrogram)

        self.spectrograms = np.array(self.spectrograms) # リストをnumpy配列に変換

    def __len__(self):
        return len(self.spectrograms)

    def __getitem__(self, idx):
        return torch.from_numpy(self.spectrograms[idx]).float()

def load_audio_data(data_dir, batch_size=32):
    import os
    audio_files = [os.path.join(data_dir, f) for f in os.listdir(data_dir) if f.endswith('.wav')]
    dataset = AudioDataset(audio_files)
    dataloader = DataLoader(dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True)
    return dataloader

2.2. VAEモデル実装

VAEモデルは、エンコーダとデコーダで構成される。エンコーダは入力スペクトログラムを潜在空間に射影し、デコーダは潜在空間のサンプルからスペクトログラムを再構築する。損失関数には、再構成損失とKLダイバージェンスを使用する。

import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch.optim as optim

class Encoder(nn.Module):
    def __init__(self, input_size, hidden_size, latent_size):
        super(Encoder, self).__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(input_size, hidden_size)
        self.fc_mu = nn.Linear(hidden_size, latent_size)
        self.fc_logvar = nn.Linear(hidden_size, latent_size)

    def forward(self, x):
        x = F.relu(self.fc1(x))
        mu = self.fc_mu(x)
        logvar = self.fc_logvar(x)
        return mu, logvar

class Decoder(nn.Module):
    def __init__(self, latent_size, hidden_size, output_size):
        super(Decoder, self).__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(latent_size, hidden_size)
        self.fc2 = nn.Linear(hidden_size, output_size)

    def forward(self, z):
        z = F.relu(self.fc1(z))
        return torch.sigmoid(self.fc2(z))  # スペクトログラムの値は0~1に正規化されていることを前提とする

class VAE(nn.Module):
    def __init__(self, input_size, hidden_size, latent_size):
        super(VAE, self).__init__()
        self.encoder = Encoder(input_size, hidden_size, latent_size)
        self.decoder = Decoder(latent_size, hidden_size, input_size)

    def reparameterize(self, mu, logvar):
        std = torch.exp(0.5 * logvar)
        eps = torch.randn_like(std)
        return mu + eps * std

    def forward(self, x):
        mu, logvar = self.encoder(x)
        z = self.reparameterize(mu, logvar)
        reconstructed_x = self.decoder(z)
        return reconstructed_x, mu, logvar

def loss_function(recon_x, x, mu, logvar):
    recon_loss = F.mse_loss(recon_x, x, reduction='sum')
    kl_div = -0.5 * torch.sum(1 + logvar - mu.pow(2) - logvar.exp())
    return recon_loss + kl_div

def train_vae(model, dataloader, num_epochs=100, learning_rate=1e-3):
    optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=learning_rate)
    for epoch in range(num_epochs):
        for batch_idx, x in enumerate(dataloader):
            optimizer.zero_grad()
            x = x.reshape(x.size(0), -1)
            recon_x, mu, logvar = model(x)
            loss = loss_function(recon_x, x, mu, logvar)
            loss.backward()
            optimizer.step()

        if epoch % 10 == 0 :
           print(f"Epoch: {epoch}, Loss: {loss.item()}")

    return model

def generate_audio(model, latent_size, output_size, num_samples=10):
   with torch.no_grad():
        z = torch.randn(num_samples, latent_size)
        spectrogram = model.decoder(z)

   return spectrogram.reshape(num_samples, 1025, -1).cpu().numpy()

2.3. 音声復元

生成されたスペクトログラムは、逆STFT (iSTFT) を用いて時間領域のオーディオ信号に変換する。 Griffin-Lim アルゴリズムを用いて、位相情報を復元する。

import librosa

def reconstruct_audio(spectrogram, sample_rate=44100, window_size=2048, hop_length=1024, n_iter=100):
    audio = []
    for spec in spectrogram:
        mag_spec = np.abs(spec)
        phase = np.exp(1j * np.angle(librosa.stft(np.random.rand(1, 1000), n_fft=window_size, hop_length=hop_length, window='hamming')))
        y = librosa.istft(mag_spec * phase, hop_length=hop_length, window='hamming', length=None)
        for i in range(n_iter): # Griffin-Limアルゴリズムを使用
            phase = np.exp(1j * np.angle(librosa.stft(y, n_fft=window_size, hop_length=hop_length, window='hamming')))
            y = librosa.istft(mag_spec * phase, hop_length=hop_length, window='hamming', length=None)
        audio.append(y)
    return audio

3. ビジュアル生成モデル

本稿では、オーディオ信号に基づいてビジュアルコンテンツを生成するモデルとして、条件付き生成敵対的ネットワーク (Conditional GAN: cGAN) を採用する。

3.1. データ準備

ビジュアルデータは、オーディオデータのスペクトログラムに対応する画像データとする。必要に応じて、オーディオ信号の特徴量(例えば、メル周波数ケプストラム係数 (MFCC) )を入力とする。

3.2. cGANモデル実装

cGANは、生成器 (Generator) と識別器 (Discriminator) で構成される。生成器は、入力オーディオ信号を条件として、画像を生成する。識別器は、生成された画像と実際の画像を識別する。

具体的なコードは、スペースの都合上省略する。

4. 同期モジュール

オーディオとビジュアルの同期は、オーディオ信号のセグメントに対応する画像を生成することで実現する。生成されたオーディオのセグメントごとに、対応する画像を生成し、動画として繋ぎ合わせる。

import moviepy.editor as mp
import os
def create_video(audio_samples, image_samples, fps=30, output_path="output.mp4"):
    """
    音声と画像を同期させて動画を作成する関
    :param audio_samples: list of np.array, オーディオのサンプルデータ
    :param image_samples: list of np.array, 画像データ
    :param fps: フレームレート
    :param output_path: 出力ファイルパス
    """
    if len(audio_samples) != len(image_samples):
        raise ValueError("オーディオと画像のサンプル数が一致しません。")

    audio_clips = []
    image_clips = []

    for i in range(len(audio_samples)):
        # 音声クリップを作成
        audio_samples[i] = np.array(audio_samples[i])
        audio_clip = mp.AudioClip(lambda t: audio_samples[i][int(t*44100)] if int(t*44100) < len(audio_samples[i]) else 0 , duration=len(audio_samples[i])/44100)
        audio_clips.append(audio_clip)

        # 画像クリップを作成
        image_samples[i] = np.array(image_samples[i])
        image_clip = mp.ImageClip(image_samples[i], duration=len(audio_samples[i])/44100)
        image_clips.append(image_clip)

    # 音声クリップを連結
    audio_final = mp.concatenate_audioclips(audio_clips)

    # 画像クリップを連結
    video_final = mp.concatenate_videoclips(image_clips)

    # 動画に音声を合成
    video_final = video_final.set_audio(audio_final)

    # 出力
    video_final.write_videofile(output_path, fps=fps, codec='libx264', audio_codec='aac')

5. 音質への配慮

音質向上のため、以下の手法を導入する。

  • データ拡張: ノイズ付加、時間伸縮などのデータ拡張を行い、モデルのロバスト性を向上させる。
  • 高品質なオーディオデータ: 高品質なオーディオデータを使用し、モデルの学習を促進する。
  • 後処理: 生成されたオーディオ信号に、ノイズ除去やイコライザ処理を適用する。
  • サンプリングレートとビット深度: 44.1kHz以上のサンプリングレートと16bit以上のビット深度でオーディオを扱う。

6. まとめ

当てて詳細に記述しました。必要に応じて、具体的なコードやモデルアーキテクチャの詳細をさらに加筆してください。

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