- 오래 쓰이는 디지털 음성 비서에는 깨끗한 합성음보다 감정, 리듬, 맥락을 반영하는 음성 존재감(voice presence) 이 더 중요하며, Sesame는 이를 위해 Conversational Speech Model을 제안함
- CSM은 텍스트와 음성을 함께 처리하는 엔드투엔드 멀티모달 transformer로, 대화 이력을 활용해 더 자연스럽고 일관된 발화를 생성하도록 설계됨
- 모델은 RVQ 토큰을 직접 다루되, 0번째 코드북을 맡는 백본과 나머지 코드북을 복원하는 작은 오디오 디코더로 나눠 지연과 표현력의 균형을 노림
- 약 100만 시간의 주로 영어 공개 오디오 데이터로 Tiny, Small, Medium 3개 크기를 학습했고, WER·화자 유사도 외에 동형이의어 발음과 발음 일관성 평가를 추가함
- 맥락이 없을 때는 CSM-Medium과 실제 음성 사이 선호 차이가 뚜렷하지 않았지만, 대화 맥락이 주어지면 실제 녹음이 더 적절한 이어말하기로 선호되어 대화 운율 격차가 남아 있음
음성 존재감과 목표
- Sesame의 목표는 말소리가 실제로 이해받고 가치 있게 느껴지게 만드는 음성 존재감을 구현하는 것임
- 현재 디지털 음성 비서는 중립적인 말투에 머무르는 경우가 많아, 초기 신기함이 사라진 뒤 일상에서 계속 쓰이기 어려움
- 필요한 구성 요소는 네 가지로 정리됨
- 감정 지능: 감정적 맥락을 읽고 반응함
- 대화 역학: 자연스러운 타이밍, 멈춤, 끼어들기, 강조를 처리함
- 맥락 인식: 상황에 맞춰 톤과 스타일을 조정함
- 일관된 성격: 신뢰 가능하고 적절한 존재감을 유지함
- 현재 데모의 동반자는 친근함과 표현력을 강조하도록 최적화되어 있으며, 성격·기억·표현력·적절성은 아직 개선 중임
Conversational Speech Model의 문제 설정
- 전통적인 TTS는 텍스트에서 음성을 바로 생성하지만, 자연스러운 대화에 필요한 맥락 인식이 부족함
- 최근 모델이 사람 같은 음성을 만들 수 있어도, 한 문장을 말하는 방식은 여러 가지이고 특정 상황에 맞는 방식은 그중 일부뿐임
- 톤, 리듬, 대화 이력 같은 추가 맥락이 없으면 모델이 가장 적절한 발화 방식을 고르기 어려움
- CSM은 이 문제를 엔드투엔드 멀티모달 학습으로 다루며, transformer가 대화 이력을 이용해 더 자연스럽고 일관된 음성을 생성하도록 함
- 핵심 특징은 두 가지임
- 단일 단계 모델로 동작해 효율과 표현력을 높임
- 일반 공개 평가가 포화된 상황에서, 맥락 능력의 진전을 측정하기 위한 별도 평가 모음을 사용함
오디오 토큰과 RVQ 설계
- transformer로 오디오를 모델링하려면 연속 파형을 이산 오디오 토큰 시퀀스로 변환함
- 현대 접근법은 보통 두 종류의 토큰을 사용함
- 의미 토큰: 의미와 음소 특징을 압축해 담으며, 고충실도 표현은 희생함
- 음향 토큰: 세밀한 음향 정보를 담아 고충실도 복원을 가능하게 하고, 화자 정체성과 음색 같은 특성을 유지함
- 일반적인 방식은 의미 토큰을 먼저 모델링한 뒤 RVQ나 확산 기반 방법으로 오디오를 생성함
- 이 2단계 방식은 구조화된 합성이 가능하지만, 의미 토큰이 운율까지 충분히 담아야 하는 병목을 만듦
- RVQ 기반 방식은 한 프레임 안의 코드북 간 순차 의존성을 처리해야 함
- delay pattern은 높은 코드북을 점진적으로 밀어 같은 프레임의 낮은 코드북에 조건화함
- RVQ tokenizer에 N개 코드북이 있으면 첫 오디오 조각을 디코딩하기 전 N번의 백본 단계가 필요해 time-to-first-audio가 나빠짐
- 오디오북 같은 오프라인 용도에는 적합하지만 실시간 시나리오에서는 지연이 문제가 됨
CSM 구조와 추론 방식
- CSM은 RVQ 토큰을 직접 다루는 멀티모달 텍스트·음성 모델임
- 구조는 두 개의 자기회귀 transformer로 나뉨
- 첫 번째 멀티모달 백본은 텍스트와 오디오를 교차 입력으로 받아 0번째 코드북을 모델링함
- 두 번째 오디오 디코더는 각 코드북마다 별도 linear head를 사용해 나머지 N−1개 코드북을 모델링하고 음성을 복원함
- 디코더는 백본보다 훨씬 작아 낮은 지연 생성을 가능하게 하면서도 모델을 엔드투엔드로 유지함
- 추론은 다음 흐름을 따름
- 텍스트 토큰과 오디오 토큰을 순차적으로 백본에 입력함
- 백본이 0번째 코드북 수준을 예측함
- 디코더가 0번째 수준에 조건화해 1부터 N−1까지의 수준을 샘플링함
- 복원된 오디오 토큰은 다음 단계를 위해 다시 백본에 자기회귀적으로 입력됨
- audio EOT 심볼이 나오면 생성이 끝나고, 다음 요청에서는 사용자 발화 같은 중간 오디오가 오디오·텍스트 전사 토큰으로 표현됨
- 두 transformer는 Llama 아키텍처 변형이며, 텍스트 토큰은 Llama tokenizer로 생성됨
- 오디오는 split-RVQ tokenizer인 Mimi로 처리되며, 12.5Hz에서 프레임마다 의미 코드북 1개와 N−1개 음향 코드북을 생성함
- 학습 샘플은 텍스트와 오디오가 번갈아 교차하는 패턴이며, 화자 정체성은 텍스트 표현 안에 직접 인코딩됨
학습 효율과 데이터
- 학습 중 오디오 디코더는 B×S의 유효 배치 크기와 N개 코드북을 자기회귀적으로 처리해 큰 메모리 부담을 만듦
- 이 부담은 작은 모델에서도 학습을 늦추고, 모델 확장과 빠른 실험을 어렵게 함
- Sesame는 전체 RVQ 코드북의 충실도를 유지하면서 병목을 줄이기 위해 compute amortization을 사용함
- 오디오 디코더는 오디오 프레임의 무작위 1/16 부분집합에서만 학습됨
- 0번째 코드북은 모든 프레임에서 학습됨
- 이 방식에서 학습 중 오디오 디코더 손실에 지각 가능한 차이를 보지 못함
- 데이터셋은 공개 오디오를 전사, 화자 분리, 분할한 뒤 필터링해 구성됨
- 필터링 후 데이터는 약 100만 시간이며 대부분 영어 오디오임
- 학습한 모델 크기는 세 가지임
- Tiny: 1B 백본, 100M 디코더
- Small: 3B 백본, 250M 디코더
- Medium: 8B 백본, 300M 디코더
- 각 모델은 2048 시퀀스 길이, 약 2분 오디오 기준으로 5 epoch 학습됨
샘플과 평가 체계
- 샘플은 준언어적 요소, 외국어 단어, 맥락적 표현력, 발음 교정, 여러 화자 대화 등을 포함함
- 평가 모음은 네 측면을 측정함
- 텍스트 충실도
- 맥락 활용
- 운율
- 지연 시간
- 객관 평가는 WER, 새 발음 테스트, 화자 유사도 등을 포함함
- 주관 평가는 Expresso 데이터셋을 사용한 Comparative Mean Opinion Score(CMOS) 인간 평가로 구성됨
- 전통적 벤치마크인 WER와 speaker similarity에서는 CSM을 포함한 최신 모델이 거의 인간 수준을 달성해 포화 상태에 가까움
발음과 맥락 이해 평가
- 새 음성 전사 기반 벤치마크는 발음과 맥락 이해를 더 잘 평가하기 위해 도입됨
- 동형이의어 구분은 철자는 같지만 발음이 다른 단어를 올바르게 발음하는지 평가함
- 예시는 “lead”가 금속 의미의 /lɛd/인지, 이끌다 의미의 /liːd/인지 구분하는 경우임
- 발음 이어말하기 일관성은 여러 발음 변형이 있는 단어가 다중 턴 음성에서 일관되게 유지되는지 평가함
- 예시는 “route”가 /raʊt/ 또는 /ruːt/로 달라질 수 있는 경우임
- 동형이의어 정확도 평가는 5개 단어 lead, bass, tear, wound, row에 대해 각 2개 변형을 포함한 200개 음성 샘플로 수행됨
- 발음 일관성 평가는 aunt, data, envelope, mobile, route, vase, either, adult, often, caramel 등 10개 단어를 포함한 200개 음성 샘플로 수행됨
- 평가는 wav2vec2-lv-60-espeak-cv-ft를 사용함
- Play.ht, Elevenlabs, OpenAI 생성 결과는 각 API 문서의 기본 설정과 기본 음성으로 만들어짐
- 전반적으로 모델 크기가 커질수록 성능이 좋아져, 스케일링이 더 사실적인 음성 합성에 도움이 된다는 가설을 뒷받침함
인간 평가 결과
- CSM-Medium의 자연스러움과 운율 적절성을 평가하기 위해 Expresso 데이터셋으로 두 번의 CMOS 연구를 수행함
- 평가자는 모델 생성 음성과 실제 인간 녹음 한 쌍을 듣고, 기준에 비해 생성 샘플을 7점 선호 척도로 평가함
- 첫 번째 연구는 맥락 없이 생성 샘플과 인간 샘플을 제시하고 “어느 쪽이 더 인간 음성처럼 느껴지는지”를 고르게 함
- 두 번째 연구는 이전 90초의 오디오와 텍스트 맥락을 함께 제공하고 “어느 쪽이 대화의 더 적절한 이어말하기처럼 느껴지는지”를 고르게 함
- 80명이 유료로 참여했고, 각 참여자는 평균 15개 예시를 평가함
- 맥락이 없을 때는 평가자들이 생성 음성과 실제 음성 사이에서 뚜렷한 선호를 보이지 않아 자연스러움 평가가 포화 상태임을 시사함
- 맥락이 포함되면 평가자들이 원본 녹음을 꾸준히 선호해, 대화형 음성 생성에서 인간 운율과의 격차가 남아 있음
공개 계획과 한계
- Sesame는 연구의 핵심 구성 요소를 오픈소스로 공개할 계획이며, 모델은 Apache 2.0 라이선스로 제공될 예정임
- 업데이트와 기여는 SesameAILabs/csm GitHub 저장소에서 확인할 수 있음
- 현재 CSM은 주로 영어 데이터로 학습됨
- 데이터 오염 때문에 일부 다국어 능력이 나타나지만 아직 잘 작동하지 않음
- 사전학습 언어 모델의 가중치에 들어 있는 정보도 활용하지 않음
- 향후 몇 달 동안 모델 크기 확대, 데이터셋 규모 증가, 20개 이상 언어 지원 확대를 계획함
- 사전학습 언어 모델을 활용하는 방법도 탐색해, 음성과 텍스트에 대한 깊은 지식을 가진 대형 멀티모달 모델을 목표로 함
- CSM은 고품질 대화 운율을 생성하지만 대화의 텍스트와 음성 내용만 모델링하며, 대화 구조 자체는 모델링하지 못함
- 인간 대화는 턴 교대, 멈춤, 속도 조절 등을 포함하는 복잡한 과정이어서, 향후 AI 대화는 이런 역학을 데이터에서 암묵적으로 학습하는 완전 이중(fully duplex) 모델에 가까움
- 완전 이중 모델에는 데이터 큐레이션부터 사후학습 방법론까지 스택 전반의 근본적 변화가 필요함