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【多模态大模型】GLM-4-Voice端到端语音交互机器人VoiceAI

news 来源：原创 2025/9/13 14:55:42

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写在前面：开源选手中最能打的

GLM-4-Voice，由智谱 AI 和清华大学共同研发，并发表论文 “GLM-4-Voice: Towards Intelligent and Human-Like End-to-End Spoken Chatbot”，旨在打造智能且类人化的端到端语音聊天机器人。GLM-4-Voice 不仅支持中文和英文，进行实时语音对话，还能根据用户指令调整语音的细微差别，例如情感、语调、语速和方言。

一、模型结构：端到端语音处理，融合文本能力

GLM-4-Voice 的模型架构以自回归 Transformer 为基础，并进行了精巧的改造，实现了端到端的语音处理能力。其核心目标是在保持 LLM 强大文本处理能力的同时，赋予模型理解和生成自然语音的能力。

GLM-4-Voice 的模型架构主要由以下几个核心组件构成：

语音 Tokenizer (Speech Tokenizer)
负责将连续的语音波形转换为离散的语音 Token (Speech Token)，保留语义信息和部分声学信息。GLM-4-Voice 采用了监督式语音 Tokenizer，以 12.5Hz 的帧率，超低比特率 (175bps) 高效表示语音。

创新点：超低比特率、单码本语音 Tokenizer。

实现逻辑：微调预训练 ASR 模型 Whisper-large-v3，引入向量量化 (Vector Quantization, VQ) 瓶颈层，提取语音语义 Token。

语音 Decoder (Speech Decoder)
将离散的语音 Token 转换为自然流畅的语音波形。GLM-4-Voice 采用了基于流匹配 (Flow-Matching) 的语音 Decoder，保证语音生成质量。

创新点：流匹配语音 Decoder，支持流式推理。

实现逻辑：基于 CosyVoice 的 Decoder 架构，包含语音 Token Encoder、条件流匹配模型和 HiFi-GAN 声码器。

LLM 主体 (LLM Body)
负责语义理解、对话管理和文本生成。GLM-4-Voice 复用了 GLM-4-9B-Base 的 LLM 主体，并扩展词汇表以支持语音 Token。

创新点：融合语音和文本处理能力，共享 LLM 主体。

实现逻辑：基于 Transformer 的自回归语言模型，处理文本和语音 Token 序列。

模型架构图解：

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音频Tokenizer和Decoder图解：

架构优势：

端到端语音处理：模型直接处理语音输入和输出，无需 ASR 和 TTS 模块，降低延迟，避免错误累积。

融合文本能力：复用 LLM 主体，继承强大的文本理解和生成能力，实现语音和文本的知识共享。

高效语音 Tokenization：超低比特率语音 Tokenizer，高效表示语音信息，降低计算开销。

高质量语音生成：流匹配语音 Decoder，生成自然流畅、富有表现力的语音。

二、模型预训练：海量语音-文本数据，多任务联合训练

GLM-4-Voice 的预训练目标是赋予 LLM 主体强大的语音建模能力，并建立语音和文本之间的跨模态知识桥梁。为了实现这一目标，GLM-4-Voice 采用了多阶段、大规模的联合预训练策略，利用了海量的语音-文本数据。

预训练数据类型：

交错式语音-文本数据 (Interleaved Speech-Text Data)：合成数据，利用文本预训练语料库，通过文本到 Token 模型合成语音 Token，构建语音 Token 和文本 Token 交错排列的数据。用于跨模态知识迁移，将文本知识迁移到语音模态。

创新点：合成交错式语音-文本数据，低成本高效构建跨模态数据。

实现逻辑

利用预训练的文本到 Token 模型，将文本语料库转换为语音 Token 序列，并与原始文本 Token 交错排列。

无监督语音数据 (Unsupervised Speech Data)：真实语音数据，包含 70 万小时的语音，鼓励模型学习真实世界语音的特性。

创新点：海量无监督语音数据，提升语音建模能力。

实现逻辑：收集大规模语音数据，用于训练语音 Token 预测任务，提升模型对语音的理解和生成能力。

监督式语音-文本数据 (Supervised Speech-Text Data)

配对数据，包含 ASR (自动语音识别) 和 TTS (文本到语音) 数据，提升模型在基本语音任务上的能力。

创新点：监督式语音-文本数据，提升 ASR 和 TTS 基础能力。

实现逻辑：利用 ASR 数据训练语音到文本的映射，利用 TTS 数据训练文本到语音的映射，提升模型跨模态转换能力。

文本预训练数据 (Text Pre-training Data)：纯文本数据，用于保持模型的文本处理能力。

创新点：混合文本预训练数据，保持 LLM 文本能力。

实现逻辑：混合少量文本预训练数据，防止模型在语音预训练过程中遗忘文本知识。

预训练阶段划分：

Stage 1: 大规模语音-文本联合预训练 (Large-scale Speech-Text Pre-training)：利用上述四种数据，进行混合训练，目标是扩展 LLM 的语音建模能力。

训练数据比例： 30% 文本数据，剩余为语音相关数据 (交错式语音-文本数据为主)。

训练时长： 1 万亿 Token。

训练目标： Next Token Prediction (预测下一个 Token)。

Stage 2: 监督式微调 (Supervised Fine-tuning)：利用高质量的对话式语音数据，采用 Streaming Thoughts 模板进行微调，提升聊天机器人的对话能力和语音质量。

训练数据：高质量对话式语音数据，包括多轮对话和语音风格控制数据。

训练时长： 20 个 epoch (语音输出)，4 个 epoch (文本输出)。

训练目标：最大化对话质量和语音自然度。

预训练流程图解（两阶段）：

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预训练优势：

海量数据驱动： 1 万亿 Token 预训练，充分利用大规模语音-文本数据，提升模型性能。

多任务联合训练：融合多种预训练任务，全面提升模型语音和文本能力，实现跨模态知识融合。

分阶段训练：两阶段训练策略，先扩展语音建模能力，再提升对话质量和语音风格控制能力，循序渐进，高效训练。

三、后训练：Streaming Thoughts 模板，提升对话流畅性

GLM-4-Voice 的后训练 (Stage 2) 专注于提升聊天机器人的对话能力和语音质量。为了实现低延迟、高质量的语音对话，GLM-4-Voice 提出了 Streaming Thoughts (流式思考) 模板。

1 Streaming Thoughts 模板的核心思想：

解耦语音-文本任务：将语音到语音任务解耦为语音到文本和文本到语音两个子任务。

交替输出文本和语音 Token：在生成 response 时，模型交替输出文本 Token 和语音 Token，实现文本指导语音生成，提升语音连贯性。

降低初始延迟：模型无需等待完整文本生成完毕，即可开始生成语音，降低用户感知延迟。

2 Streaming Thoughts 模板工作流程：

用户语音输入 (Qs)：用户通过语音输入 Query。

模型交替输出 (GLM-4-Voice)：模型以 1:2 的比例交替输出文本 Token 和语音 Token。

先输出 13 个文本 Token (At 部分)。

再输出 26 个语音 Token (As 部分)。

交替进行，直至生成完整 response。

文本和语音 Token 拼接：将交替输出的文本 Token 拼接成文本 response (At)，语音 Token 拼接成语音 response (As)。

语音 Decoder 合成语音：使用语音 Decoder 将语音 Token 合成语音波形 (Speech Decoder)。

语音输出 (Model Output)：将合成的语音波形输出给用户。

3 Streaming Thoughts优势：

低延迟：无需等待完整文本生成，即可开始生成语音，降低用户感知延迟，实现实时对话。

高质量：文本指导语音生成，保证语音内容与文本语义一致，提升语音连贯性和质量。

流式输出：模型以流式方式输出文本和语音 Token，支持流式推理，进一步降低延迟。

四、推理：解耦式语音-语音任务，平衡质量与延迟

GLM-4-Voice 的推理过程采用了解耦式语音-语音任务策略，将端到端语音聊天机器人任务分解为两个子任务：

语音到文本 (Speech-to-Text)：模型根据用户语音输入 (Qs)，生成文本 response (At)。

语音和文本到语音 (Speech-and-Text-to-Speech)：模型结合用户语音输入 (Qs) 和文本 response (At)，生成语音 response (As)，并自适应调整语调和韵律，保证对话连贯性。

推理流程：

语音 Tokenization：使用语音 Tokenizer 将用户语音输入 (Qs) 转换为语音 Token 序列。

LLM 推理 (Speech-to-Text)：将语音 Token 序列输入 LLM，模型生成文本 response (At)。

LLM 推理 (Speech-and-Text-to-Speech)：将用户语音 Token 序列 (Qs) 和文本 response (At) 拼接后输入 LLM，模型生成语音 response (As) 的语音 Token 序列。

语音 Decoding：使用语音 Decoder 将语音 Token 序列转换为语音波形 (As)。

语音输出：将合成的语音波形输出给用户。

推理策略优势：

提升语音质量：文本 response (At) 指导语音 response (As) 生成，保证语音内容准确性和连贯性。

自适应语音风格：模型根据用户语音输入和文本 response，自适应调整语音语调和韵律，提升对话自然度。

平衡质量与延迟：解耦式推理策略，在保证语音质量的同时，也为 Streaming Thoughts 模板的低延迟输出创造了条件。

延迟优化：

GLM-4-Voice 在推理延迟方面进行了精细优化，主要包括：

流式语音 Tokenizer：语音 Tokenizer 采用流式设计，边接收语音输入，边进行 Tokenization，降低 Tokenization 延迟。

Streaming Thoughts 模板：模型交替输出文本和语音 Token，无需等待完整文本生成，降低 LLM 解码延迟。

语音 Decoder 流式推理：语音 Decoder 支持流式推理，边接收语音 Token，边合成语音波形，降低语音合成延迟。

延迟计算公式：

论文中给出了 GLM-4-Voice 整体 response 延迟的计算公式，详细分析了各个环节的延迟占比，并验证了 Streaming Thoughts 模板在降低延迟方面的有效性。

五、实验评估：

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多项语音-文本任务，超越 SOTA 基线
GLM-4-Voice 在多项语音-文本任务上进行了全面的实验评估，证明了其卓越的性能和类人化的语音交互能力。

评估任务：

语音语言建模 (Speech Language Modeling)：评估模型对交错式语音-文本数据的建模能力。

数据集： Spoken StoryCloze 和 Spoken Topic-StoryCloze。

评估指标：准确率 (Accuracy)。

结果： GLM-4-Voice 在 S→T 和 S→S 两种设置下，均超越 SOTA 基线模型，展现出强大的语音语言建模能力。

语音问答 (Spoken Question Answering)：评估模型在语音理解和知识问答方面的能力。

数据集： Web Questions, Llama Questions 和 TriviaQA。

评估指标：准确率 (Accuracy)。

结果： GLM-4-Voice 在 S→T 和 S→S 两种设置下，均大幅超越 SOTA 基线模型，特别是在 Llama Questions 数据集上，S→T 设置下准确率达到 64.7%，S→S 设置下达到 50.7%，显著优于其他模型。

ASR 和 TTS (语音识别和语音合成)：评估模型在语音识别和语音合成方面的基础能力。

数据集： LibriSpeech (英语) 和 AISHELL-1 (中文) (ASR)，LibriTTS 和 Seed-TTS (TTS)。

评估指标：词错误率 (WER) / 字错误率 (CER) (ASR)，词错误率 (WER) (TTS)。

结果： GLM-4-Voice 在 ASR 和 TTS 任务上，与 Whisper-large-v3 和 CosyVoice 等 SOTA 基线模型性能相当，表明模型在语音和文本模态上都具备强大的基础能力。

聊天模型评估 (Chat Model Evaluation)：评估聊天机器人的对话质量和类人化程度。

评估数据集： Llama-Omni 的聊天评估数据集。

评估指标： ChatGPT 评分 (GPT-4o 评估，1-10 分)，UTMOS (语音自然度)，ASR-WER (语音-文本对齐度)。

结果： GLM-4-Voice 在 ChatGPT 评分和 UTMOS 指标上均显著优于其他基线模型，ASR-WER 指标也达到 SOTA 水平，表明 GLM-4-Voice 在对话质量、语音自然度和语音-文本对齐度方面均表现出色，证明了其类人化的语音交互能力。

实验结果总结：

GLM-4-Voice 在多项语音-文本任务上均取得了 SOTA 或接近 SOTA 的性能，全面超越现有基线模型，证明了其模型架构、预训练和后训练策略的有效性。特别是聊天模型评估结果，突显了 GLM-4-Voice 在智能性和类人化语音交互方面的优势。

六、小结：语音交互

GLM-4-Voice 的成功发布，标志着端到端语音聊天机器人技术迈出了重要一步。它有效地融合了 LLM 的强大文本能力和语音处理能力，实现了智能、自然、低延迟的语音交互体验。

GLM-4-Voice 的主要贡献：

端到端语音聊天机器人架构：提出了一种基于 Transformer 的端到端语音聊天机器人架构，无需 ASR 和 TTS 模块，降低延迟，避免错误累积。

超低比特率语音 Tokenizer：设计了超低比特率、单码本语音 Tokenizer，高效表示语音信息，降低计算开销。

Streaming Thoughts 模板：提出了 Streaming Thoughts 模板，实现文本指导语音生成，提升对话流畅性和降低延迟。

大规模语音-文本联合预训练：探索了大规模语音-文本联合预训练策略，有效提升模型语音建模能力和跨模态知识融合能力。

卓越的性能：在多项语音-文本任务上取得 SOTA 或接近 SOTA 的性能，展现出强大的语音交互能力。

写在前面：开源选手中最能打的

一、模型结构：端到端语音处理，融合文本能力

二、模型预训练：海量语音-文本数据，多任务联合训练

三、后训练：Streaming Thoughts 模板，提升对话流畅性

四、推理：解耦式语音-语音任务，平衡质量与延迟

五、实验评估：

六、小结：语音交互

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