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distil-whisper

快速高效的音频转录模型

Distil-Whisper语音识别模型压缩自然语言处理机器学习Github开源项目

Distil-Whisper是OpenAI Whisper模型的蒸馏版本，速度提升6倍，模型规模缩小49%，同时保持了相近的准确性。该项目支持短语音和长语音转录，提供多个针对英语语音识别的高效模型。Distil-Whisper还可作为Whisper的辅助模型实现推测解码，在保证输出一致性的同时将速度提升2倍。

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介绍相关项目

Distil-Whisper

[论文] [模型] [Colab] [训练代码]

Distil-Whisper 是 Whisper 的蒸馏版本，速度快 6 倍，体积小 49%，在域外评估集上的词错误率（WER）相差不到 1%：

模型参数量 / 百万相对延迟 ↑短音频 WER ↓长音频 WER ↓
large-v315501.08.411.0
distil-large-v37566.39.710.8
distil-large-v27565.810.111.6
distil-medium.en3946.811.112.4
distil-small.en1665.612.112.8

对于大多数应用，我们推荐使用最新的 distil-large-v3 检查点，因为它是性能最佳的蒸馏检查点，并且与所有 Whisper 库兼容。唯一的例外是内存非常有限的资源受限应用，如设备上或移动应用，在这种情况下 distil-small.en 是一个很好的选择，因为它只有 166M 参数，而且其性能与 Whisper large-v3 的 WER 相差不到 4%。

**注意：**Distil-Whisper 目前仅适用于英语语音识别。我们正在与社区合作，对其他语言的 Whisper 进行蒸馏。如果您有兴趣对您的语言进行 Whisper 蒸馏，请查看提供的训练代码。我们将在准备就绪后很快更新存储库，添加多语言检查点！

1. 使用方法

Distil-Whisper 在 Hugging Face 🤗 Transformers 4.35 版本及以后版本中得到支持。要运行该模型，首先安装最新版本的 Transformers 库。在这个例子中，我们还将安装 🤗 Datasets 以从 Hugging Face Hub 加载一个示例音频数据集：

pip install --upgrade pip
pip install --upgrade transformers accelerate datasets[audio]

短音频转录

短音频转录是指转录长度不超过 30 秒的音频样本的过程，这是 Whisper 模型的最大接收域。这意味着整个音频片段可以一次性处理，无需分块。

首先，我们通过方便的 AutoModelForSpeechSeq2Seq 和 AutoProcessor 类加载 Distil-Whisper。

我们以 float16 精度加载模型，并通过传递 low_cpu_mem_usage=True 确保加载时间尽可能短。此外，我们通过传递 use_safetensors=True 确保模型以 safetensors 格式加载：

import torch
from transformers import AutoModelForSpeechSeq2Seq, AutoProcessor, pipeline

device = "cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu"
torch_dtype = torch.float16 if torch.cuda.is_available() else torch.float32

model_id = "distil-whisper/distil-large-v3"

model = AutoModelForSpeechSeq2Seq.from_pretrained(
    model_id, torch_dtype=torch_dtype, low_cpu_mem_usage=True, use_safetensors=True
)
model.to(device)

processor = AutoProcessor.from_pretrained(model_id)

然后可以将模型和处理器传递给 pipeline。请注意，如果您想对生成过程有更多控制，可以直接使用模型 + 处理器 API，如下所示。

pipe = pipeline(
    "automatic-speech-recognition",
    model=model,
    tokenizer=processor.tokenizer,
    feature_extractor=processor.feature_extractor,
    max_new_tokens=128,
    torch_dtype=torch_dtype,
    device=device,
)

接下来，我们从 LibriSpeech 语料库加载一个示例短音频：

from datasets import load_dataset

dataset = load_dataset("hf-internal-testing/librispeech_asr_dummy", "clean", split="validation")
sample = dataset[0]["audio"]

最后，我们可以调用 pipeline 来转录音频：

result = pipe(sample)
print(result["text"])

要转录本地音频文件，只需在调用 pipeline 时传递音频文件的路径：

result = pipe("audio.mp3")
print(result["text"])

有关如何自定义自动语音识别 pipeline 的更多信息，请参阅 ASR pipeline 文档。 我们还提供了一个端到端的 Google Colab，用于对比 Whisper 和 Distil-Whisper 的性能。

要更好地控制生成参数，请直接使用模型 + 处理器 API：

可以将特定的生成参数传递给 model.generate，包括用于束搜索的 num_beams、用于段级时间戳的 return_timestamps 和用于提示的 prompt_ids。有关更多详细信息，请参阅文档字符串。

import torch
from transformers import AutoModelForSpeechSeq2Seq, AutoProcessor
from datasets import Audio, load_dataset


device = "cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu"
torch_dtype = torch.float16 if torch.cuda.is_available() else torch.float32
model_id = "distil-whisper/distil-large-v3"

model = AutoModelForSpeechSeq2Seq.from_pretrained(
    model_id, torch_dtype=torch_dtype, low_cpu_mem_usage=True, use_safetensors=True
)
model.to(device)

processor = AutoProcessor.from_pretrained(model_id)

dataset = load_dataset("hf-internal-testing/librispeech_asr_dummy", "clean", split="validation")
dataset = dataset.cast_column("audio", Audio(processor.feature_extractor.sampling_rate))
sample = dataset[0]["audio"]

input_features = processor(
  sample["array"], sampling_rate=sample["sampling_rate"], return_tensors="pt"
).input_features

input_features = input_features.to(device, dtype=torch_dtype)

gen_kwargs = {
  "max_new_tokens": 128,
  "num_beams": 1,
  "return_timestamps": False,
}

pred_ids = model.generate(input_features, **gen_kwargs)
pred_text = processor.batch_decode(pred_ids, skip_special_tokens=True, decode_with_timestamps=gen_kwargs["return_timestamps"])

print(pred_text)

顺序长形式

最新的distil-large-v3检查点专门设计用于与OpenAI的顺序长形式转录算法兼容。该算法使用滑动窗口对长音频文件(>30秒)进行缓冲推理,与分块长形式算法相比,可以返回更准确的转录。

在以下任一情况下应该使用顺序长形式算法:

  1. 转录准确性是最重要的因素,而延迟不太重要
  2. 你正在转录批量长音频文件,在这种情况下,顺序算法的延迟与分块算法相当,但准确度高出0.5% WER

如果你正在转录单个长音频文件,并且延迟是最重要的因素,你应该使用下面描述的分块算法分块长形式。有关不同算法的详细解释,请参阅Distil-Whisper论文的第5节。

我们首先像之前一样加载模型和处理器:

import torch
from transformers import AutoModelForSpeechSeq2Seq, AutoProcessor

device = "cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu"
torch_dtype = torch.float16 if torch.cuda.is_available() else torch.float32

model_id = "distil-whisper/distil-large-v3"

model = AutoModelForSpeechSeq2Seq.from_pretrained(
    model_id, torch_dtype=torch_dtype, low_cpu_mem_usage=True, use_safetensors=True
)
model.to(device)

processor = AutoProcessor.from_pretrained(model_id)

然后可以将模型和处理器传递给pipeline。 请注意,如果你想对生成过程有更多控制,可以直接使用model.generate(...)API,如下所示。

pipe = pipeline(
    "automatic-speech-recognition",
    model=model,
    tokenizer=processor.tokenizer,
    feature_extractor=processor.feature_extractor,
    max_new_tokens=128,
    torch_dtype=torch_dtype,
    device=device,
)

接下来,我们加载一个长形式的音频样本。这里,我们使用了来自LibriSpeech语料库的连接样本示例:

from datasets import load_dataset

dataset = load_dataset("distil-whisper/librispeech_long", "clean", split="validation")
sample = dataset[0]["audio"]

最后,我们可以调用pipeline来转录音频:

result = pipe(sample)
print(result["text"])

要转录本地音频文件,只需在调用pipeline时传递音频文件的路径:

result = pipe("audio.mp3")
print(result["text"])

分块长形式

distil-large-v3仍然兼容Transformers分块长形式算法。当需要对单个大型音频文件进行转录并要求尽可能快的推理时,应该使用此算法。在这种情况下,分块算法比OpenAI的顺序长形式实现快9倍(参见Distil-Whisper论文的表7)。

我们可以像之前一样加载模型和处理器:

import torch
from transformers import AutoModelForSpeechSeq2Seq, AutoProcessor

device = "cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu"
torch_dtype = torch.float16 if torch.cuda.is_available() else torch.float32

model_id = "distil-whisper/distil-large-v3"

model = AutoModelForSpeechSeq2Seq.from_pretrained(
    model_id, torch_dtype=torch_dtype, low_cpu_mem_usage=True, use_safetensors=True
)
model.to(device)

processor = AutoProcessor.from_pretrained(model_id)

要启用分块,请将chunk_length_s参数传递给pipeline。对于distil-large-v3,25秒的块长度是最佳的。要激活批处理,请传递参数batch_size:

pipe = pipeline(
    "automatic-speech-recognition",
    model=model,
    tokenizer=processor.tokenizer,
    feature_extractor=processor.feature_extractor,
    max_new_tokens=128,
    chunk_length_s=25,
    batch_size=16,
    torch_dtype=torch_dtype,
    device=device,
)

参数max_new_tokens控制每个分块生成的最大标记数。在典型的语音设置中，每秒最多说3个词。因此，对于30秒的输入，最多有90个词（约128个标记）。我们将每个分块生成的最大标记数设置为128，以截断可能在片段末尾出现的任何幻觉。这些标记会在分块边界使用长形式分块转录算法被移除，所以在生成过程中直接截断它们更有效，可以避免解码器中的冗余生成步骤。

现在，让我们加载一个长形式音频样本。这里，我们使用来自LibriSpeech语料库的连接样本示例：

from datasets import load_dataset

dataset = load_dataset("distil-whisper/librispeech_long", "clean", split="validation")
sample = dataset[0]["audio"]

最后，我们可以调用管道来转录音频：

result = pipe(sample)
print(result["text"])

有关如何自定义自动语音识别管道的更多信息，请参阅ASR管道文档。

推测解码

Distil-Whisper可以作为Whisper的辅助模型用于推测解码。推测解码在数学上确保获得与Whisper完全相同的输出，同时速度提高2倍。这使其成为现有Whisper管道的完美替代品，因为可以保证相同的输出。

对于推测解码，我们需要加载教师模型：openai/whisper-large-v3。以及辅助模型（又称学生模型）distil-whisper/distil-large-v3。

让我们首先加载教师模型和处理器。我们以与前面示例中加载Distil-Whisper模型相同的方式来做这件事：

from transformers import AutoModelForSpeechSeq2Seq, AutoProcessor
import torch

device = "cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu"
torch_dtype = torch.float16 if torch.cuda.is_available() else torch.float32

model_id = "openai/whisper-large-v3"

model = AutoModelForSpeechSeq2Seq.from_pretrained(
    model_id, torch_dtype=torch_dtype, low_cpu_mem_usage=True, use_safetensors=True
)
model.to(device)

processor = AutoProcessor.from_pretrained(model_id)

现在让我们加载辅助模型。由于Distil-Whisper与教师模型共享完全相同的编码器，我们只需要将2层解码器加载为"仅解码器"模型：

from transformers import AutoModelForCausalLM
assistant_model_id = "distil-whisper/distil-large-v2"

assistant_model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(
    assistant_model_id, torch_dtype=torch_dtype, low_cpu_mem_usage=True, use_safetensors=True
)
assistant_model.to(device)

辅助模型与教师共享相同的处理器，所以不需要加载学生处理器。

现在我们可以将辅助模型传递给管道以用于推测解码。我们将其作为generate_kwarg传递，键为"assistant_model"，以启用推测解码：

pipe = pipeline(
    "automatic-speech-recognition",
    model=model,
    tokenizer=processor.tokenizer,
    feature_extractor=processor.feature_extractor,
    max_new_tokens=128,
    generate_kwargs={"assistant_model": assistant_model},
    torch_dtype=torch_dtype,
    device=device,
)

和之前一样，我们可以将任何样本传递给管道进行转录：

from datasets import load_dataset

dataset = load_dataset("hf-internal-testing/librispeech_asr_dummy", "clean", split="validation")
sample = dataset[0]["audio"]

result = pipe(sample)
print(result["text"])

**注意：**推测解码平均应比仅使用Whisper large-v2快2倍，而VRAM内存使用量仅增加8%，同时在数学上确保相同的结果。这使其成为现有语音识别管道中Whisper large-v2的完美替代品。

有关推测解码的更多详细信息，请参阅以下资源：

额外的速度和内存改进

您可以对Distil-Whisper应用额外的速度和内存改进，我们将在下面介绍这些内容。

Flash Attention

如果您的GPU支持，我们建议使用Flash Attention 2。 为此，您首先需要安装Flash Attention：

pip install flash-attn --no-build-isolation

然后您可以传递use_flash_attention_2=True给from_pretrained以启用Flash Attention 2：

- model = AutoModelForSpeechSeq2Seq.from_pretrained(model_id, torch_dtype=torch_dtype, low_cpu_mem_usage=True, use_safetensors=True)
+ model = AutoModelForSpeechSeq2Seq.from_pretrained(model_id, torch_dtype=torch_dtype, low_cpu_mem_usage=True, use_safetensors=True, use_flash_attention_2=True)

Torch Scale-Product-Attention (SDPA)

如果您的GPU不支持Flash Attention，我们建议使用BetterTransformers。 为此，您首先需要安装optimum：

pip install --upgrade optimum

然后在使用模型之前将其转换为"BetterTransformer"模型：

model = AutoModelForSpeechSeq2Seq.from_pretrained(model_id, torch_dtype=torch_dtype, low_cpu_mem_usage=True, use_safetensors=True)
+ model = model.to_bettertransformer()

导出到其他库

Distil-Whisper 在以下库中支持原始的"顺序"长形式转录算法。点击表格中的链接可查看每个库的相关代码片段：

库distil-small.endistil-medium.endistil-large-v2
OpenAI Whisper链接链接链接
Whisper cpp链接链接链接
Transformers js链接链接链接
Candle (Rust)链接链接链接

将"分块"长形式转录算法集成到各个库中的更新将在此处发布。

有关 🤗 Transformers 的代码示例，请参阅短形式和长形式转录部分。

2. 为什么使用 Distil-Whisper？⁉️

Distil-Whisper 旨在成为 Whisper 英语语音识别的即插即用替代品。以下是五个选择 Distil-Whisper 的理由：

  1. **更快的推理速度：**推理速度提高 6 倍，同时在分布外音频上的表现与 Whisper 的词错率相差不到 1%：

  1. **对噪声的鲁棒性：**在低信噪比下表现出强大的词错率性能：

  1. **对幻觉的鲁棒性：**重复的 5 元词组重复次数减少 1.3 倍（5-Dup.），插入错误率（IER）比 Whisper 低 2.1%：

  1. **为推测解码设计：**Distil-Whisper 可作为 Whisper 的辅助模型使用，提供 2 倍的推理速度，同时在数学上保证与 Whisper 模型输出相同的结果。
  2. **宽松的许可证：**Distil-Whisper 采用 MIT 许可证，可用于商业应用。

3. 方法 ✍️

为了蒸馏 Whisper，我们复制了整个编码器模块并在训练期间冻结它。我们只复制了两个解码器层，这两层分别初始化为 Whisper 的第一层和最后一层解码器。Whisper 的其他所有解码器层都被舍弃：

Distil-Whisper 采用知识蒸馏目标进行训练。具体来说，它被训练以最小化蒸馏模型和 Whisper 模型之间的 KL 散度，以及伪标记音频数据上的交叉熵损失。

我们在总计 22,000 小时的伪标记音频数据上训练 Distil-Whisper，涵盖 10 个领域和超过 18,000 名说话者：

这种多样化的音频数据集对确保 Distil-Whisper 在不同数据集和领域的鲁棒性至关重要。

此外，我们使用词错率过滤器来剔除 Whisper 错误转录或产生幻觉的伪标签。这极大地提高了下游蒸馏模型的词错率性能。

有关蒸馏设置和评估结果的完整详情，请参阅 Distil-Whisper 论文。

4. 训练代码

用于复现 Distil-Whisper 的训练代码可在 training 目录中找到。这些代码已经过改编，足够通用，可用于多语言语音识别的 Whisper 蒸馏，方便社区中的任何人根据自己选择的语言来蒸馏 Whisper。

5. 致谢

6. 引用

如果您使用了这个模型，请考虑引用 Distil-Whisper 论文：

@misc{gandhi2023distilwhisper,
      title={Distil-Whisper: Robust Knowledge Distillation via Large-Scale Pseudo Labelling}, 
      author={Sanchit Gandhi and Patrick von Platen and Alexander M. Rush},
      year={2023},
      eprint={2311.00430},
      archivePrefix={arXiv},
      primaryClass={cs.CL}
}

还有Whisper论文：

@misc{radford2022robust,
      title={通过大规模弱监督实现稳健的语音识别}, 
      author={Alec Radford 和 Jong Wook Kim 和 Tao Xu 和 Greg Brockman 和 Christine McLeavey 和 Ilya Sutskever},
      year={2022},
      eprint={2212.04356},
      archivePrefix={arXiv},
      primaryClass={eess.AS}
}
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