Google 庆祝巴哈生日，这是音乐 AI Doodle 背后的技术

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3 月 21 日，Google 发表有史以来第一个人工智慧音乐 AI Doodle，庆祝世界着名的德国作曲家和音乐家──Johann Sebastian Bach（约翰‧塞巴斯蒂安‧巴哈）的生日！

Doodle 是 Google Magenta 和 Google PAIR 团队合作完成，是一种互动游戏，玩家可创作自己选择的两种旋律音乐。按下按钮后，Doodle 会使用机器学习将旋律协调为巴哈的音乐风格（如果你碰巧在 Doodle 发现非常特别的复活节彩蛋，那可能是巴哈时 1680 年代的混合摇滚风格）。

伟大的德国音乐家巴哈

1685 年 3 月 21 日，巴哈出生在德国艾森纳赫小镇。他在一个音乐大家庭长大：父亲能用多种乐器演奏，还担任镇上乐队的指挥。大哥也是音乐家，巴哈 10 岁时父亲去世了，从此跟着哥哥长大。巴哈也是杰出的风琴手，他还懂得如何制作和修复复杂的管弦乐器。

巴哈是多产音乐家，每周都能创作一首大合唱曲，同时巴哈也非常谦逊，把自己的成功归于天赐灵感和严格的职业道德。他活着的时候只有几部作品出版，但现在散于世界各地的手稿作品超过 1,000 部。

随着 19 世纪“Bach revival”，巴哈名声一飞冲天，当时，音乐界开始认可和推崇他的四声部和声。也许衡量音乐家的最好标准是对其他艺术家的影响，几个世纪以来一直如此。

然而，音乐家并不是唯一受巴哈音乐影响的人。“旅行者 2 号”太空探测器发射后，科学家兼作家 Lewis Thomas 建议将巴哈的音乐传递到太阳系最外层。“我建议使用巴哈的音乐，所有巴哈的音乐”，他写道。

Doodle 背后的故事

我们可先看看下面的影片，了解 Doodle 诞生的经过。

开发 Doodle 的第一步是什么？就是建立机器学习模型。传统的电脑程式设计是订定一套规则让电脑给答案，但机器学习是经过输入大量资料，让电脑学会找出答案。今天 Doodle 使用的模型是由 Magenta 团队的 Anna Huang 开发，她开发了 Coconet，是一种多功能模型，可用于各种音乐工作，如协调旋律或从头开始作曲（可在 Magenta 部落格看到更多技术细节）。

具体来说，Coconet 接受 306 次巴哈合唱协调训练。巴哈的合唱团总是有四声部，每声部都有自己的旋律线，同时演奏能创造出丰富悦耳的和声。这种简洁架构成为机器学习模型良好的训练资料。

PAIR 团队使用 TensorFlow.js，使机器学习完全在 Web 浏览器进行，不需要像传统机器学习使用大量服务器。如果某人电脑或装置不够快，无法使用 TensorFlow.js 执行 Doodle，Doodle 还可与 Google 新 Tensor 处理单元（TPUs）一起使用，就是在资料中心快速处理机器学习工作。

这些套件与 Doodle 团队的工程相结合，创造了今天看到的 Doodle。

Bach Doodle 背后的机器学习模型

Doodle 背后的机器学习模型是 Coconet。3 年前 Magenta 团队成立时，开始研究这个模型。当时他们只使用机器学习（ML）生成旋律。写出好旋律很难，更不用说和弦了。但就像每个音乐系学生，他们想到了巴哈的音乐！使用巴哈 306 个合唱协调数据集，他们能训练机器学习模型，以巴哈的风格生成复调音乐。

Coconet 被训练从残缺片段回复巴哈的音乐：团队从巴哈音乐里取一片段，随机移除一些音符，然后让模型根据内文推测出缺失的音符。结果是通用的对位模型，接受任意不完全的乐谱输入，计算出完整的乐谱。这设定涵盖了各种各样的音乐工作，例如协调旋律、建立平滑过渡、重写和细化现有音乐及从头开始创作音乐。

传统的模型通常是按照开始到结束的时间顺序生成音符，而 Coconet 可从任何时间开始，以任何顺序开发音符。这种弹性使它成为有效的辅助合成工具。音乐家将这点使用于工作流程的方法是反复让 Coconet 填写分数，每次都保留好内容并移除其余内容。事实上，这就是 Coconet 的内部工作机制：在回圈生成材料，反复重写和移除自己的工作。它从粗略的想法开始，然后反复算出细节，并把材料调整成连贯的整体。

模型的工作原理

Coconet 抓取不完整的乐谱并补充缺失的部分。为了训练它，团队从巴哈的四声部圣咏选出一段，随机移除一些音符，并要求模型重建移除的音符。巴哈作曲和 Coconet 作品间的差异有个学习讯号，透过这个讯号就可训练模型。

透过随机移除音符，团队希望得到能处理任意不完整输入的模型。它相当于一次训练多个模型，每个模型都适用不同场景。

在团队看来，“乐谱”是 3D 的。巴哈的合唱是为四声部创作，分别是女高音（S）、女中音（A）、男高音（T）和男低音（B）。每声部的音乐都用钢琴曲来表现：一个 2D 阵列，时间（离散）为行，音高为栏。我们假设每声部在任何给定的时间都只唱一个音。因此对每声部、每个时间点，都有一 one-hot 基音向量，除了一个单独表示正在唱音高向量，其他元素都为零。有不确定性的情况下（例如模型汇出），此基音向量将包含基音上的分类机率分布。

团队把这叠钢琴视为卷积特征图，时间和音高构成 2D 卷积空间，每声部都提供一个通道。由于他们输入模型的音符不完整，于是为每声部提供其余的掩膜通道：二进位值指示每个时间点该声部的音高是否已知。故进入模型的是八通道特征图。

模型是非常简单的卷积神经网络，有批量标准化和残差连结。对使用 TensorFlow.js 达成在浏览器执行模型的 Doodle，可透过切换到非垂直可分离卷积来加快计算速度。

团队训练该模型，以提高分配音高给真正音符的机率，促使模型去理解接收的不完整乐谱的音乐含义──现在用什么调，是什么乐器，下个音符是什么，前面的音符是什么？

一旦模型训练好，就可从模型产生的机率分布撷取音乐。我们可根据每个音符的分部取样每个音符。然而，这无法解释取样音符之间的相互作用。通常，确定其中一个音符会改变其他音符的分部。

计算互动作用的一种方法是取样其中一个音高，添加到不完整的乐谱，然后再次透过模型传递结果，再重新计算剩余音高的分散。重复这个过程直到所有音符都确定，团队考虑所有关联同时完成乐谱。

实际上他们采用的方法更强大：将模型汇出视为粗略的草稿，然后反复重写、逐步细化。具体地说，同时取样所有音符，获得完整的（但通常无意义）乐谱，然后将部分移除并再次传给模型，然后重复此过程。随着时间推移，需要抹去和重写的音符越来越少。

团队建模的过程中，每次只建模一个变数。同时，他们采用无序建模，且采用 Gibbs 取样法，从多个顺序生成乐谱，因此保证模型有效。

• Celebrating Johann Sebastian Bach
• Coconet: the ML model behind today’s Bach Doodle

（本文由 雷锋网 授权转载；首图来源：Google）

延伸阅读：

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