LoveLive！出了一篇AI論文：生成模型自動寫曲譜

機(jī)器之心報(bào)道

編輯：澤南、小舟

我們終于知道那些折磨人的樂譜是怎么來的了 —— 都是 AI 生成的。

知名偶像企劃 LoveLive! 發(fā) AI 論文了，是的沒錯。

最近，預(yù)印版論文平臺 arXiv 上的一篇論文引起了人們的注意，其作者來自游戲開發(fā)商 KLab 和九州大學(xué)。他們提出了一種給偶像歌曲自動寫譜的模型，更重要的是，作者表示這種方法其實(shí)已經(jīng)應(yīng)用過很長一段時間了。

通過深度學(xué)習(xí)技術(shù)，AI 算法在圖像分類，語音識別等任務(wù)上有了優(yōu)異的表現(xiàn)，但在理解復(fù)雜、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)方面，機(jī)器學(xué)習(xí)面臨的挑戰(zhàn)更大，比如理解音頻，視頻，文本內(nèi)容，以及它們產(chǎn)生的機(jī)制。物理學(xué)家費(fèi)曼曾說過：「凡是我不能親自創(chuàng)造出來的，我就不是真正理解?！?/p>

而隨著技術(shù)的發(fā)展，深度生成模型已在學(xué)界和業(yè)界獲得了廣泛應(yīng)用。在如今的游戲開發(fā)過程中，生成模型正在幫助我們構(gòu)建各種內(nèi)容，包括圖形、聲音、角色動作、對話、場景和關(guān)卡設(shè)計(jì)。

KLab 等機(jī)構(gòu)提交的論文介紹了自己的節(jié)奏動作游戲生成模型。KLab Inc 是一家智能手機(jī)游戲開發(fā)商。該公司在線運(yùn)營的節(jié)奏動作游戲包括《Love Live！學(xué)院偶像季：群星閃耀》（簡稱 LLAS）已以 6 種語言在全球發(fā)行，獲得了上千萬用戶。已經(jīng)有一系列具有類似影響的類似游戲，這使得該工作與大量玩家密切相關(guān)。

在 LLAS 中，開發(fā)者面臨的挑戰(zhàn)是為不同歌曲生成樂譜，提示玩家在不同時機(jī)點(diǎn)擊或拉拽按鍵，這是節(jié)奏音樂游戲中所定義的挑戰(zhàn)。在一局游戲中，飄過來的按鈕被稱為音符，它們形成類似于樂譜的空間圖案，與后臺播放的歌曲節(jié)奏對應(yīng)。一首歌曲存在不同的難度模式，從初級、中級、高級和專家到挑戰(zhàn)，復(fù)雜度順序遞增。

相對其他音游，LLAS 雖然不怎么考驗(yàn)反應(yīng)速度，但機(jī)制相對復(fù)雜得多在全部按準(zhǔn)的前提下還有 buff、debuff、三種屬性分別對應(yīng)體力、暴擊和分?jǐn)?shù)，想要高分還需要在打歌時不停切換隊(duì)伍。

由于 LoveLive！是一個有 12 年歷史的企劃，包含四個團(tuán)體和數(shù)個小團(tuán)體，個人還有角色歌，很多歌曲都會在游戲中出現(xiàn)，設(shè)計(jì)對應(yīng)的樂譜變成了一件極具挑戰(zhàn)的工作。

隨便一搜就上千首歌曲。

游戲開發(fā)者表示，他們的做法是通過 AI 輔助的半自動化方式：先由 AI 生成樂譜，再由 KLab 的藝術(shù)家進(jìn)行微調(diào)，另一種方式是 AI 生成低難度樂譜，游戲設(shè)計(jì)師在這個基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)高難度。

KLab 表示，他們使用的 GenéLive! 模型成功地降低了一半業(yè)務(wù)成本，該模型已部署在公司日常的業(yè)務(wù)運(yùn)營中，并在可預(yù)見的未來時間里持續(xù)應(yīng)用。

降低樂譜生成的成本對于在線音游開發(fā)者來說是一個重要挑戰(zhàn)，因?yàn)樗侨粘＿\(yùn)營的瓶頸。KLab 提出的方法實(shí)現(xiàn)了只需要音頻，就可以直接生成樂譜。

在研究過程中，開發(fā)者們首先提出了 Dance Dance Convolution (DDC) ，生成了具有人類高水平的，較高難度游戲模式的樂譜，但低難度反而效果不好。隨后研究者們通過改進(jìn)數(shù)據(jù)集和多尺度 conv-stack 架構(gòu)，成功捕捉了樂譜中四分音符之間的時間依賴性以及八分音符和提示節(jié)拍的位置，它們是音游中放置按鍵的較好時機(jī)。

DDC 由兩個子模型組成：onset（生成音符的時機(jī)）和 sym（決定音符類型，如輕按或滑動）

目前正在使用的 AI 模型在所有難度的曲譜上都獲得了很好的效果，研究人員還展望了該技術(shù)擴(kuò)展到其他領(lǐng)域的可能性。

論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2202.12823

KLab 應(yīng)用深度生成模型來合成樂譜，并改進(jìn)樂譜的制作流程，將業(yè)務(wù)成本降低了一半。該研究闡明了如何通過專門用于節(jié)奏動作的多尺度新模型 GenéLive!，借助節(jié)拍等來克服挑戰(zhàn)，并使用 KLab 的生產(chǎn)數(shù)據(jù)集和開放數(shù)據(jù)集進(jìn)行了評估。

方法

此前，KLab 樂譜的生成工作流是在不考慮自動化的情況下形成的，幾乎沒有達(dá)成明確的規(guī)則或數(shù)學(xué)優(yōu)化目標(biāo)。因此，該研究選擇使用監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)。到 2019 年底，KLab 已經(jīng)發(fā)布了數(shù)百首歌曲的音頻序列和相應(yīng)的人工生成樂譜。

一方面，這個項(xiàng)目被要求快速交付并起到協(xié)助的作用；另一方面，項(xiàng)目的目標(biāo)具有挑戰(zhàn)性，旨在改進(jìn) SOTA 深度生成模型。通常，研究新型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要大量的反復(fù)試驗(yàn)，這個過程需要六個月或更長時間。

為了解決時間上的問題，該研究組織了一個模型開發(fā)團(tuán)隊(duì)和一個模型服務(wù)團(tuán)隊(duì)，通過與藝術(shù)家團(tuán)隊(duì)保持聯(lián)系獲得反饋，將其反映到模型開發(fā)和服務(wù)中，并在第一時間提供更新的模型，從而使他們保持一致。

GenéLive! 的基礎(chǔ)模型由卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) CNN 層和長短期記憶網(wǎng)絡(luò) LSTM 層組成。對于頻域中的信號，作者利用 CNN 層來捕獲頻率特征，對于時域利用 LSTM 層來完成任務(wù)。

GenéLive! 的模型架構(gòu)。

在這里，卷積堆棧（conv-stack）的主要任務(wù)是使用 CNN 層從 mel 頻譜圖中提取特征。conv-stack 包括一個具有批量標(biāo)準(zhǔn)化的標(biāo)準(zhǔn) CNN 層、一個最大池化層和一個 dropout 層，激活函數(shù)是 ReLU。最后為了規(guī)范輸出，這里使用了全連接層。

時域方面采用了 BiLSTM，提供前一個 conv-stack 的輸出作為輸入。為了實(shí)現(xiàn)不同的難度模式，作者將難度編碼為一個標(biāo)量（初級是 10，中級是 20，以此類推）并將這個值作為新特征附加到 convstack 的輸出中。

Conv-stack 架構(gòu)。

在訓(xùn)練數(shù)據(jù)方面，GenéLive! 使用了幾百首早期的 LLAS 歌曲，《歌之王子殿下》的歌曲，以及音樂游戲引擎「Stepmania」中可公開訪問的音樂和樂譜。

模型開發(fā)

該模型是由 KLab 和九州大學(xué)合作完成的。兩個團(tuán)隊(duì)之間需要一個基于 Web 的協(xié)作平臺來共享源代碼、數(shù)據(jù)集、模型和實(shí)驗(yàn)等。具體來說，該研究用于模型開發(fā)的系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示。

模型服務(wù)

為了使樂譜生成程序可供藝術(shù)家按需使用，它應(yīng)該方便藝術(shù)家自行使用而無需 AI 工程師的幫助。并且由于該程序需要高端 GPU，將其安裝在藝術(shù)家的本地計(jì)算機(jī)上并不是一個合適的選擇。該模型服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了度量該方法中每個組件的性能，研究者在「Love Live! All Stars」數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了消融實(shí)驗(yàn)。

下表 3 的結(jié)果表明 GenéLive! 模型優(yōu)于此前的 SOTA 模型 DDC。

為了評估節(jié)拍指導(dǎo)的作用，消融實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如下圖 9 所示。

使用未修改版 conv-stack 訓(xùn)練模型和當(dāng)前 GenéLive! 模型的結(jié)果差異如下圖所示。

GenéLive! 模型一次性訓(xùn)練全部難度模式，為了查看這種訓(xùn)練方式的優(yōu)勢。該研究將其與每種難度模式單獨(dú)訓(xùn)練的結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果如下圖所示。

LoveLive! 企劃的活動范圍包括動漫、游戲和真人偶像團(tuán)體。音樂游戲《Love Live! School Idol Festival》自 2013 年開始運(yùn)營，截至 2019 年 9 月在日本擁有超過 2500 萬用戶。新一代的游戲《Love Live! School Idol Festival All Stars》目前在全球已有上千萬用戶。

GenéLive! 的研究，說不定也能讓音游在 AI 領(lǐng)域里火起來。

關(guān)鍵詞： LoveLive出了一篇AI論文生成模型自動寫曲譜 klab