Công nghệ chuyển văn bản thành giọng nói (Text to Speech) đã trở thành một phần quan trọng trong cuộc sống hiện đại. Bài viết này sẽ khám phá các phương pháp và kỹ thuật phát triển TTS, từ nguyên lý hoạt động đến các mô hình nhằm cung cấp cái nhìn tổng quan về công nghệ đang được ứng dụng rộng rãi này.
1. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của hệ thống tổng hợp tiếng nói chất lượng cao bao gồm ba thành phần chính: Thành phần xử lý ngôn ngữ tự nhiên (NLP – Natural Language Processing), Mô hình âm học (Acoustic model) và Mô hình sinh tiếng nói (Voice generation model).
1.1 Thành phần xử lý ngôn ngữ tự nhiên
Đây là thành phần tiếp nhận văn bản đầu vào, sau đó tiến hành tiền xử lý và chuẩn hóa dữ liệu cho các bước phía sau. Một vài bước tiền xử lý quan trọng có thể kể đến như: mở rộng từ viết tắt, bỏ ký tự đặc biệt, sửa lỗi chính tả,… Ngoài ra thành phần này giúp cho việc phân tích những đặc trưng về mặt ngôn ngữ học của văn bản đầu vào như thông tin về vị trí âm vị, âm vực (tone), loại từ,…
1.2 Mô hình âm học
Mô hình âm học là thành phần giúp mô hình hóa giọng nói dưới dạng các tham số âm học đại diện cho những đặc trưng giọng nói của con người. Sau đó có thể tái tạo lại giọng nói từ những giá trị âm học đó. Những đặc trưng âm học có thể kể đến như: cao độ (pitch), trường độ (duration), năng lượng (energy).
1.3 Mô hình sinh tiếng nói
Dữ liệu trung gian mel-spectrogram được dự đoán ở mô hình âm học sẽ được đưa vào mô hình sinh tiếng nói gọi là Vocoder. Mô hình này sẽ chuyển đổi mel-spectrogram chứa những thông tin âm học dự đoán sang dạng tín hiệu âm thanh (waveform).
Tổng hợp tiếng nói là một quá trình phức tạp bao gồm nhiều bước từ tiền xử lý văn bản, phân tích ngôn ngữ, chuyển đổi sang biểu diễn âm thanh đến tổng hợp giọng nói. Với sự phát triển của các mô hình học sâu và mạng lưới thần kinh, chất lượng và tự nhiên của giọng nói tổng hợp đã được cải thiện đáng kể, mở ra nhiều ứng dụng mới và tiềm năng trong tương lai.
2. Phương pháp tổng hợp giọng nói
Phương pháp tổng hợp giọng nói là các kỹ thuật và phương pháp được sử dụng để tạo ra giọng nói từ văn bản. Mỗi phương pháp có cách tiếp cận và đặc điểm riêng, dựa trên các dữ liệu huấn luyện và mô hình khác nhau.
2.1 Phương pháp ghép nối (Concatenative Synthesis)
Phương pháp ghép nối là một kỹ thuật tổng hợp giọng nói dựa trên việc ghép nối các đoạn âm thanh nhỏ đã được ghi âm trước đó. Để thực hiện phương pháp này, cần có các loại dữ liệu và mô hình cụ thể như: dữ liệu âm thanh, dữ liệu văn bản và mô hình.
2.1.1 Dữ liệu âm thanh
Trước tiên, dữ liệu âm thanh cần có các đơn vị âm thanh cụ thể như diphone, triphone, âm tiết hoặc từ và phải được ghi âm chất lượng cao để đảm bảo tính tự nhiên của giọng nói. Phương pháp này cần một lượng lớn dữ liệu để bao quát đủ các biến thể âm thanh theo ngữ cảnh, ngữ điệu và tình huống phát âm khác nhau.
2.1.2 Dữ liệu văn bản
Dữ liệu văn bản cần có phiên âm cụ thể để hỗ trợ quá trình ghép nối, cùng với các chú thích ngữ cảnh về ngữ điệu, âm sắc và trọng âm. Điều này giúp đảm bảo giọng nói tổng hợp tự nhiên và mạch lạc. Bên cạnh đó, dữ liệu ngữ pháp và ngôn ngữ như từ điển phát âm và thông tin ngữ pháp cũng rất quan trọng để hỗ trợ mô hình phát âm chính xác.
2.1.3 Mô hình
Phương pháp ghép nối sử dụng một số mô hình quan trọng để thực hiện quá trình tổng hợp giọng nói. Dưới đây là các mô hình chính được sử dụng:
- Mô hình Grapheme-to-Phoneme (G2P): Chuyển đổi văn bản thành các ký hiệu âm vị, sử dụng các quy tắc ngữ âm hoặc các mô hình học máy như Hidden Markov Models (HMM) hoặc mạng nơ-ron. Mô hình này học cách phát âm của các từ dựa trên dữ liệu ngữ âm và văn bản được chú thích.
- Unit Selection Model: Chọn các đơn vị âm thanh từ kho dữ liệu lớn sao cho khớp với chuỗi phiên âm đầu vào, đồng thời đảm bảo sự liên kết mượt mà, tự nhiên và ít gây ra sự ngắt quãng khi ghép nối.
- Prosody Matching Model: Điều chỉnh ngữ điệu và âm sắc của giọng nói dựa trên ngữ cảnh của câu văn bản để đảm bảo giọng nói tự nhiên và dễ nghe.
Với các dữ liệu và mô hình này, phương pháp ghép nối có thể tạo ra giọng nói chất lượng cao và tự nhiên.
2.2 Phương pháp tổng hợp dựa trên tham số thống kê (Parametric Synthesis)
Để tạo ra giọng nói chất lượng cao và phù hợp với nhiều ngữ cảnh khác nhau, phương pháp tổng hợp dựa trên tham số thống kê yêu cầu dữ liệu âm thanh chất lượng cao và đa dạng.
2.2.1 Dữ liệu âm thanh
Để thực hiện phương pháp này, cần có dữ liệu âm thanh đa dạng và đầy đủ, đảm bảo chất lượng cao và độ đồng nhất để mô hình học được các đặc trưng âm học chính xác mà không bị nhiễu.
2.2.2 Dữ liệu văn bản
Cần được phiên âm chuẩn xác và chú thích các tham số như ngữ điệu, âm sắc và trọng âm để mô hình có thể điều chỉnh giọng nói phù hợp với ngữ cảnh. Ngoài ra, từ điển phát âm và thông tin ngữ pháp cũng rất quan trọng để hỗ trợ mô hình trong việc xử lý và phát âm chính xác các câu văn bản.
2.2.3 Mô hình
Phương pháp tổng hợp dựa trên tham số thống kê (Parametric Synthesis) sử dụng hai mô hình chính để tạo ra giọng nói từ dữ liệu huấn luyện.
- Mạng học sâu (Deep Neural Networks – DNN): Học các đặc trưng âm học từ dữ liệu huấn luyện, bao gồm thông tin về ngữ điệu, âm sắc và trọng âm, từ đó tạo ra giọng nói tự nhiên và mạch lạc.
- Mô hình Hidden Markov Models (HMM): Được sử dụng để mô phỏng chuỗi âm thanh và học các tham số âm học, giúp chuyển đổi giữa các trạng thái âm học khác nhau để tạo ra giọng nói liên tục và tự nhiên.
Sự kết hợp của các mô hình này giúp phương pháp Parametric Synthesis tạo ra giọng nói chất lượng cao, phù hợp với nhiều ngữ cảnh khác nhau.
2.3 Phương pháp tổng hợp tiếng nói hiện đại End-To-End
Phương pháp tổng hợp tiếng nói hiện đại End-to-End là một tiếp cận tiên tiến trong lĩnh vực tổng hợp giọng nói (Speech Synthesis), tập trung vào việc tạo ra giọng nói tự nhiên và chất lượng cao từ văn bản đầu vào mà không cần các bước trung gian phức tạp như phân tích và ghép nối. Để thực hiện phương pháp này, cần sử dụng các dữ liệu và mô hình cụ thể như sau:
2.3.1 Dữ liệu
Để huấn luyện một hệ thống TTS End-to-End, cần có các loại dữ liệu như âm thanh và văn bản đa dạng, bao gồm mẫu giọng nói thực tế và các câu văn phong phú.
- Bộ mã hóa (Encoder): Bộ mã hóa sử dụng mạng Neural Network để chuyển đổi thông tin từ văn bản thành các đặc trưng ngữ cảnh và ngữ âm.
- Bộ giải mã (Decoder): Bộ giải mã dùng mạng Neural Network để chuyển các đặc trưng từ bộ mã hóa thành giọng nói tự nhiên.
2.3.2 Mô hình
Mô hình âm học như FastSpeech2 hoặc HiFi-GAN được sử dụng để chuyển đổi các đặc trưng âm thanh từ các câu văn đã được giải mã thành âm thanh chất lượng cao. Điều này giúp cải thiện đáng kể chất lượng và độ tự nhiên của giọng nói được tổng hợp.
3. Nền tảng tích hợp TTS
Trong lĩnh vực công nghệ Text to Speech, các nền tảng đám mây hay thư viện mã nguồn mở đã cung cấp các giải pháp nhanh chóng để triển khai và sử dụng mô hình TTS hiện đại.
3.1 Google Cloud Text-to-Speech
Google Cloud Text-to-Speech là một trong những công nghệ tiên tiến nhất trong lĩnh vực TTS, cung cấp khả năng tạo ra các giọng đọc có tính chân thực và phong phú. Dịch vụ cho phép linh hoạt tích hợp vào các ứng dụng website và di động thông qua API đơn giản. Bạn có thể tích hợp Google Cloud Text-to-Speech vào các sản phẩm và dịch vụ của mình một cách dễ dàng và nhanh chóng.
3.2 Amazon Polly
Nền tảng Amazon Polly là một dịch vụ Text to Speech của Amazon Web Services (AWS), được phát triển để cung cấp khả năng chuyển đổi văn bản thành giọng nói tự nhiên. Amazon Polly cung cấp các API để điều chỉnh tốc độ đọc, ngữ điệu, đặc tính giọng nói và cả thời gian nghỉ giữa các câu. Điều này giúp cá nhân hóa trải nghiệm người dùng và tối ưu hóa tính phù hợp của giọng nói với từng ứng dụng cụ thể.
3.3 Microsoft Azure TTS
Dịch vụ sử dụng các công nghệ tiên tiến trong xử lý tiếng nói và mô hình học sâu để tạo ra âm thanh chất lượng cao và gần giống với giọng nói thực tế. Azure TTS cam kết cung cấp trải nghiệm người dùng tốt nhất có thể trong việc chuyển đổi văn bản thành giọng nói. Azure TTS hỗ trợ nhiều loại giọng đọc từ nam và nữ, cũng như các biến thể khác nhau về ngữ điệu và phong cách đọc.
3.4 Open AI Text To Speech
Nền tảng Text To Speech (TTS) của OpenAI sử dụng các mô hình học sâu tiên tiến như GPT-3 và các kỹ thuật tiên tiến khác trong xử lý ngôn ngữ tự nhiên để tạo ra giọng nói tự nhiên và mượt mà. Hỗ trợ nhiều giọng nói và ngôn ngữ khác nhau, cho phép người dùng lựa chọn giọng nói phù hợp nhất cho ứng dụng của mình. Với sự hỗ trợ từ công nghệ tiên tiến và cộng đồng phát triển mạnh mẽ, nền tảng này đang trở thành lựa chọn hàng đầu cho nhiều doanh nghiệp và nhà phát triển trên toàn thế giới.
3.5 Các thư viện mã nguồn mở
Các thư viện mã nguồn mở TTS là những công cụ phổ biến được cộng đồng phát triển và sử dụng để tạo ra giọng nói tổng hợp từ văn bản.
- ESPnet: Thư viện mã nguồn mở được phát triển bởi Nhật Bản, chuyên về các công nghệ xử lý tiếng nói, bao gồm cả tổng hợp tiếng nói. ESPnet hỗ trợ các mô hình chuyển văn bản thành âm thanh tiên tiến và cung cấp các công cụ và tài liệu để phát triển và triển khai các hệ thống TTS.
- Mozilla TTS: Là một dự án mã nguồn mở của Mozilla, tập trung vào phát triển các mô hình TTS hiện đại và cộng đồng xây dựng giọng nói tổng hợp mở rộng. Mozilla TTS hỗ trợ nhiều ngôn ngữ và các mô hình mạnh mẽ như Tacotron 2 và Transformer TTS.
- Nemo (NVIDIA): Thư viện mã nguồn mở Nemo (NVIDIA) là một công cụ mạnh mẽ do NVIDIA phát triển nhằm hỗ trợ việc xây dựng và triển khai các mô hình học sâu, đặc biệt trong lĩnh vực xử lý ngôn ngữ tự nhiên (NLP), nhận diện giọng nói (ASR), và chuyển văn bản thành giọng nói (TTS).
- Thư viện mã nguồn mở Coqui-TTS là một công cụ mạnh mẽ và linh hoạt, được thiết kế để hỗ trợ việc tạo và huấn luyện các mô hình chuyển văn bản thành giọng nói (Text-to-Speech, TTS). Đây là một dự án do cộng đồng phát triển, với mục tiêu mang đến các giải pháp TTS chất lượng cao và dễ sử dụng.
Công nghệ chuyển văn bản thành giọng nói đã trải qua những bước tiến mạnh mẽ từ các phương pháp truyền thống như ghép nối và tham số thống kê đến các phương pháp hiện đại End-to-End. Hiện nay, các nền tảng tích hợp và thư viện mã nguồn mở đã giúp việc phát triển và triển khai các hệ thống TTS trở nên dễ dàng hơn, mang lại cho người dùng trải nghiệm giọng nói tự nhiên và chất lượng cao. Đồng thời, những tiến bộ này cũng thúc đẩy sự phát triển toàn diện của công nghệ tổng hợp giọng nói.
