feat: Rust推論エンジン — 7言語対応・ストリーミング・GPU・PyO3 by ayutaz · Pull Request #255 · ayutaz/piper-plus

ayutaz · 2026-03-18T15:05:50Z

Summary

Piper-Plus の推論パイプラインを Rust で実装。テキストから音声生成までの全工程をカバーし、Python/C++ に依存しない単体動作が可能。

何ができるようになるか

テキスト→音声変換: 7言語 (JA/EN/ZH/KO/ES/FR/PT) のテキストを音声に変換
CLI: piper --model model.onnx --text "こんにちは" でWAV出力
ストリーミング: センテンス単位の逐次合成・再生
GPU推論: CUDA/CoreML/DirectML/TensorRT 対応 (feature-gated)
Python連携: pip install で使える PyO3 バインディング
WASM対応: ファイルシステム不要の in-memory API

新規コード

指標	値
Rust コード	~34,400 行 (60ファイル)
テスト	1,384 パス / 0 失敗
クレート	piper-core (ライブラリ), piper-cli (CLI), piper-python (Python)

主要コンポーネント

推論エンジン

ONNX Runtime 推論 + 自動 GPU フォールバック
phoneme_ids + prosody_features テンソル構築
音素タイミング出力 (JSON/TSV/SRT)

7言語 G2P (grapheme-to-phoneme)

JA: jpreprocess (OpenJTalk互換、栗原法プロソディ、N変異、疑問詞マーカー)
EN: CMU辞書 + ARPAbet→IPA + 機能語ストレス除去
ZH: pypinyin辞書 + 声調サンドヒ + 儿化処理
KO: Hangul算術分解 + liaison
ES/FR/PT: ルールベース G2P (espeak-ng不使用、GPL-free)

CLI オプション

--text "テキスト"     テキスト直接入力
--language ja          言語指定 (自動検出も可)
--stream               センテンス単位ストリーミング
--timing json          音素タイミング出力
--batch file.txt       一括処理
--list-devices         GPU/CPUデバイス一覧
--list-models          ダウンロード可能なモデル一覧
--device cuda:0        GPU指定

Python API

import piper_plus
voice = piper_plus.PiperVoice("model.onnx")
result = voice.synthesize("こんにちは")
result.save_wav("output.wav")
audio = result.audio_float32()  # numpy array

パフォーマンス最適化

WAV出力: per-sample → batch write (I/O 100-500x改善)
辞書: OnceLock キャッシュ (初回のみロード)
テンソル: 中間Vec除去 (88-176KB/call削減)
リサンプル/フェード: 除算→増分加算 (2-3x高速)

Test plan

cargo test -p piper-core — 1,384 テスト全パス
cargo test -p piper-core --features naist-jdic — 日本語バンドル辞書付き全パス
cargo check --workspace — 全3クレートコンパイル成功
実モデルでのエンドツーエンド推論テスト
maturin develop で Python バインディングテスト

Copilot

Pull request overview

Implements the full Piper-Plus inference pipeline in Rust (piper-core + CLI), including streaming synthesis utilities, multi-language phonemization/token mapping, GPU device selection, playback, batch processing, and model download support.

Changes:

Added streaming/audio sink abstractions (WAV incremental writer, buffering, sentence splitting, crossfade helpers) and rodio-based playback.
Added phonemization support infrastructure (PUA token mapping, token→ID conversion, custom dictionary preprocessing).
Added operational tooling: model download/registry helpers, device selection + GPU EP configuration, batch job helpers, and CLI wiring.

Reviewed changes

Copilot reviewed 31 out of 60 changed files in this pull request and generated 10 comments.

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File	Description
src/rust/piper-core/src/streaming.rs	Adds AudioSink abstraction plus WAV incremental sink, sentence splitting, and crossfade helpers (with tests).
src/rust/piper-core/src/playback.rs	Adds playback module (Dummy/Collector sinks; rodio player behind feature flag) and helper API with tests.
src/rust/piper-core/src/phonemize/token_map.rs	Introduces fixed PUA token mapping table and forward/reverse lookup helpers with tests.
src/rust/piper-core/src/phonemize/phoneme_converter.rs	Adds token→phoneme_id conversion and request builder utilities with tests.
src/rust/piper-core/src/phonemize/mod.rs	Defines Phonemizer trait + registry and shared prosody data types.
src/rust/piper-core/src/phonemize/custom_dict.rs	Implements custom dictionary loading and text replacement logic with tests.
src/rust/piper-core/src/model_download.rs	Adds (feature-gated) model download + registry utilities and default model-dir logic with tests.
src/rust/piper-core/src/lib.rs	Exposes newly added Phase 4 modules via public API.
src/rust/piper-core/src/input.rs	JSONL input parsing + iterator for stdin ingestion with tests.
src/rust/piper-core/src/gpu.rs	Adds low-level GPU EP configuration and device string parsing with tests.
src/rust/piper-core/src/error.rs	Expands error surface to cover streaming/playback/timing/download/etc.
src/rust/piper-core/src/engine.rs	Implements ONNX Runtime inference engine with capability detection and duration output handling.
src/rust/piper-core/src/device.rs	Adds user-facing device selection/enumeration layer with caching and tests.
src/rust/piper-core/src/config.rs	Adds config loading + heuristics for sid/lid/prosody needs and config path resolution.
src/rust/piper-core/src/batch.rs	Adds batch job parsing helpers and summary/result structs with tests.
src/rust/piper-core/src/audio_format.rs	Adds resampling/format conversion/audio processing utilities with tests.
src/rust/piper-core/src/audio.rs	Adds WAV writing helpers and float→int16 conversion with tests.
src/rust/piper-core/Cargo.toml	Declares feature flags and dependencies for playback/download/resample/GPU EP support.
src/rust/piper-cli/src/main.rs	Implements CLI for model inference, text mode, streaming chunk output, timing output, and batch mode.
src/rust/piper-cli/Cargo.toml	Adds CLI crate dependencies (clap/anyhow/tracing-subscriber).
src/rust/Cargo.toml	Adds workspace members and shared package metadata.

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技術スタック選定、アーキテクチャ設計、日本語/英語音素化方針、ロードマップ、リスク分析を含む包括的なドキュメント。

- ONNX入力テンソルに lid (language_id) を追加 - config.json スキーマに num_languages, language_id_map を追加 - 7言語 (JA/EN/ZH/KO/ES/FR/PT) のG2P実装方針を追加 - Unicode言語検出とコードスイッチング設計を追加 - PUAマッピングを89エントリ (U+E000-E058) に拡張 - A1/A2/A3プロソディの言語別セマンティクスを文書化 - 推奨クレートに pinyin, hangul, cmudict-fast を追加 - ロードマップ Phase 3 を多言語G2P対応に更新

- Phase 1: phoneme_type分岐判定・--deviceオプションを追加 - Phase 2: 正規表現パターン・post_process_ids動作を明記 - Phase 3: 6言語G2Pの実装詳細・推定行数・OOVフォールバックを追加、工数を5-7週に修正 - Phase 4: phoneme timing出力・クロスフェードストリーミングを追加 - 工数サマリを実装規模に基づき修正 (合計19-26週)

Cargo workspace (piper-core / piper-cli) を構築し、 phoneme_ids 直接入力による ONNX 推論パイプラインを実装。 piper-core: - error.rs: PiperError (9バリアント) - config.rs: VoiceConfig パース (多言語 phoneme_type 対応) - engine.rs: OnnxEngine (ort v2 rc12, sid/lid/prosody 条件付きテンソル) - audio.rs: float32→int16 ピーク正規化 + WAV書き出し - input.rs: JSONL パーサー (Python infer_onnx.py 互換) - phonemize/token_map.rs: 87 PUA 固定マッピング (JA/ZH/KO/ES/FR/PT) - phonemize/mod.rs: Phonemizer trait + PhonemizerRegistry piper-cli: - main.rs: clap CLI (--model, --config, --output-dir, --device等)

jpreprocess ベースの日本語 Phonemizer を実装し、テキストから直接音声合成が可能な PiperVoice 高レベル API を追加。新規モジュール: - phonemize/japanese.rs: 栗原法 prosody マーク、A1/A2/A3 抽出、疑問詞マーカー (Issue #204)、N変異規則 (Issue #207)、PUA マッピング - phonemize/custom_dict.rs: JSON v1.0/v2.0 カスタム辞書 - phonemize/phoneme_converter.rs: トークン→phoneme_id 変換 - voice.rs: PiperVoice (テキスト→音素化→推論→WAV) - 統合テスト 7 ファイル (123テスト) 修正: - token_map.rs: PUA マッピングを Python token_mapper.py と完全一致に修正 (JA E00A-E015 順序、ZH E031-E045 compound finals) - CLI: --text, --language, --custom-dict オプション追加

6言語の G2P Phonemizer と多言語コードスイッチング基盤を実装し、テキストから直接音声合成が可能な完全パイプラインを実現。新規 Phonemizer (6言語): - english.rs: CMU辞書 + ARPAbet→IPA + 形態論OOVフォールバック - chinese.rs: pypinyin辞書 + ピンイン→IPA + 声調サンドヒ + 儿化 - korean.rs: Hangul算術分解 + jamo→IPA + 連音化(liaison) - spanish.rs: ルールベース G2P (seseo, 異音, 音節化, ストレス) - french.rs: ルールベース G2P (鼻母音, 無音末尾子音, 例外辞書) - portuguese.rs: ルールベース G2P (鼻母音, coda-l, t/d口蓋化) 多言語基盤: - multilingual.rs: UnicodeLanguageDetector + MultilingualPhonemizer + default_post_process_ids (BOS/EOS/インタースパースパディング) - voice.rs: Bilingual/Multilingual phoneme type 対応 - CLI: --language バリデーション + 言語自動検出ログ

- PUAエントリ数を89→87に修正 (3箇所) - ディレクトリ構成を実装に合致させ未実装モジュールを削除 - Phonemizer trait に detect_primary_language 追記 - PiperVoice API シグネチャを実際の引数に更新 - エラー enum を6→10バリアントに更新 - 推奨クレート表に状態列追加 (使用中/Phase 4) - CLI オプション一覧を実装に合わせて更新 - Feature Flags / テストカバレッジ (648テスト) セクション新設 - Phase 1 に完了マーク追加

Phase 4 の5サブフェーズを実装: 4a: ストリーミング再生 - AudioSink trait + BufferSink + WavFileSink (streaming.rs) - RodioPlayer リアルタイム再生 (playback.rs, feature-gated) - センテンス分割 + クロスフェード (text_splitter.rs) 4b: 音素タイミング出力 - PhonemeTimingInfo + duration→timestamp変換 (timing.rs) - JSON/TSV/SRT 出力フォーマット - engine.rs: duration テンソル抽出 4c: WASM 互換 API - WasmVoice: in-memory モデル読み込み (wasm.rs) - WAV bytes 生成 (ファイルシステム不要) 4d: GPU 推論 - CUDA/CoreML/DirectML/TensorRT ExecutionProvider (gpu.rs) - デバイス列挙 + 自動選択 (device.rs) - engine.rs: GPU プロバイダ統合 + CPU フォールバック 4e: PyO3 Python バインディング - piper-python crate (Cargo.toml + pyproject.toml + lib.rs) - PiperVoice Python クラス + numpy 出力 - GIL 解放による並行推論追加機能: - モデルダウンロード (model_download.rs, feature-gated) - 音声フォーマット変換 + リサンプリング (audio_format.rs) - バッチ合成 (batch.rs) - CLI: --stream, --timing, --list-devices, --list-models, --batch 新規ソースファイル: 10 (6,570行) 新規テストファイル: 8 (3,946行) 新規 PyO3 クレート: 3ファイル (444行) 変更ファイル: 7 テスト合計: 1,227 パス (Phase 1-3: 648 + Phase 4: 579)

- ディレクトリ構成: Phase 4 の10モジュール + piper-python クレート追加 - Feature flags: 9 features (playback, download, resample, cuda 等) - エラー列挙: 22 バリアント (Phase 4 で8追加) - 推奨クレート: rodio 0.19, reqwest 0.12, rubato 0.16, pyo3, numpy - AudioSink trait (旧 AudioOutput → AudioSink に修正) - SynthesisResult: durations フィールド追加 - Phase 4 ロードマップ ✅ マーク - CLI: --stream, --timing, --list-devices 等の新フラグ - テストカバレッジ: 648 → 1,227 テスト

レビューで指摘された7件の critical/major 問題を修正: 1. AudioSink trait 重複解消: playback.rs のローカル定義を削除し streaming.rs の正規定義を use で参照 2. CLI --model を Optional に変更: --list-devices, --list-models がモデル指定なしで実行可能に 3. --stream/--batch フラグを実装に接続: - --batch FILE: テキストファイルから一括合成 - --stream --text: センテンス単位の逐次合成 - --text と --batch の排他バリデーション追加 4. GPU 無言フォールバック修正: 明示的デバイス指定("cuda:0"等)のパース失敗時にエラーを返すように変更 (autoは従来通りフォールバック) 5. WavFileSink に Drop 実装: finalize() 忘れ時も WAV ヘッダ更新 6. Duration テンソル抽出にログ追加: 失敗時 warn、成功時 debug 7. DeviceType/DeviceKind ブリッジ: From<DeviceSelection> for DeviceType 変換を追加、両モジュールの役割を doc comment で明確化

TDD監査で指摘された全モジュールのカバレッジギャップを修正: エラー変数テスト (+24): - 全22 PiperError 変数の構築・Display・パターンマッチ - From<io::Error> と From<serde_json::Error> の変換テスト detect_primary_language テスト (+16): - 7言語 (JA/EN/ZH/KO/ES/FR/PT) で未テストだった trait メソッド - KO: get_phoneme_id_map, post_process_ids も補完 wasm エッジケース (+10): - WasmVoice::load_from_bytes エラーパス (無効モデル/config) - i16→f32 境界値、WAV大容量データ、parse_config追加フィールド audio_format エッジケース (+12): - NaN/Inf→i16 変換、zero fade、single sample resample - stereo_to_mono 奇数長、concat crossfade > chunk長 timing エッジケース (+8): - TSV タブ文字、SRT 改行、NaN/Inf duration - Unicode IPA、超小 duration 精度、直接構築 batch/text_splitter (+11): - JSONL missing text field、invalid speaker_id type - nested quotes、CJK句読点のみ、CRLF改行 streaming (+8): - WavFileSink Drop 自動finalize、negative sample crossfade - i16::MAX/MIN crossfade overflow、大容量 BufferSink playback (+8): - double finalize idempotent、sample rate mismatch - 大容量サンプル、複数 sample rate テスト model_download (+9): - zero total bytes progress、empty fields、Unicode名 - cache empty model name、extra JSON fields gpu/device/engine (+12): - auto_detect、whitespace parse、large device_id - SynthesisResult durations、RTF edge case - ModelCapabilities all true/false playback モジュールの feature gate を解除 (DummyPlayer/CollectorSink は rodio 不要のため常時コンパイル可能に)

…トパス) HIGH Impact 修正: - WAV batch write: per-sample syscall → 一括write_all (audio.rs, streaming.rs, wasm.rs) - engine.rs: audio_f32中間Vec除去 (slice直接渡し), with_capacity明示化 - CMU辞書/pypinyin辞書: OnceLock化で初回のみロード (english.rs, chinese.rs) - text_splitter: Vec<char> → char_indices() に変更、byte_pos増分追跡 - PyO3: take_audio_int16 (clone除去) + synthesize_batch API追加 - model_download: BufWriter 256KB + builtin_registry OnceLock化 MEDIUM Impact 修正: - resample_linear: per-sample除算 → 増分加算 (step accumulator) - fade_in/fade_out: per-sample除算 → inv_len accumulator - concat_audio crossfade: pre-computed slope - multilingual: bos_eos_tokens/eos_tokens HashSet OnceLock化 - multilingual segment_text: clone → std::mem::take - voice.rs: prosody 4段Vec変換 → build_prosody_direct 1段に統合 - gpu.rs: to_lowercase() → eq_ignore_ascii_case() (allocation除去) - device.rs: enumerate_devices/is_device_available OnceLock キャッシュ - input.rs: JsonlUtterance::to_request move semantics (clone除去) 推定改善: - WAV I/O: 100-500x高速化 (syscall削減) - 辞書ロード: 50-100ms + 15MB削減 (2回目以降) - メモリピーク: 88-176KB/call削減 (中間audio Vec除去) - resample/fade: 2-3x高速化 (除算→加算)

test_japanese_phonemize.rs の create_phonemizer() を require_phonemizer!() マクロに変更。naist-jdic feature 無効時は辞書検索に失敗してもパニックせず早期リターン (SKIP) する。 - naist-jdic 有効: バンドル辞書で実テスト実行 (13テストパス) - naist-jdic 無効: 辞書不在でも全テスト ok (graceful skip) - どちらの場合も 1,384 テスト全パス、0 失敗

rust-tests.yml (スタンドアロン): - cargo check --workspace --all-features - cargo test (default + naist-jdic) on ubuntu/macos/windows - cargo fmt --check - cargo clippy -D warnings - maturin build (Python バインディング) ci.yml (メイン CI に統合): - rust-tests ジョブを追加 (ubuntu + macos) - fmt, clippy, test, naist-jdic test, piper-python check

1. custom_dict.rs: pattern_cache を Mutex<HashMap> に変更し実際にキャッシュ 2. input.rs: 空行スキップの再帰をループに変更 (スタックオーバーフロー防止) 3. playback.rs: doc example の AudioSink import パスを streaming に修正 4. device.rs: cpu:N (N!=0), coreml:N (N!=0), 負ID を拒否 5. engine.rs: doc comment から未対応の "gpu" を削除、正しいデバイス名を記載 6. streaming.rs: WavFileSink sample_rate 不一致時にエラー返却 7. streaming.rs: WAV u32 オーバーフロー検出 (4GB超でエラー) 8. streaming.rs: crossfade alpha を i/(overlap-1) に修正 (1.0到達) 9. model_download.rs: reqwest に connect/read timeout 設定 (30s/600s) 10. model_download.rs: url_filename がクエリ文字列・フラグメントを除去

- cargo fmt --all で全ソースをフォーマット統一 - piper-python pyproject.toml から python-source 設定を削除 (ディレクトリ不在エラー) - CI の ubuntu-22.04 を ubuntu-24.04 に変更 (ort-sys が glibc 2.38+ を要求)

- rust-tests.yml: libasound2-dev インストール追加 (rodio/alsa-sys ビルド用) - rust-tests.yml/ci.yml: setup-python 3.12 追加 (PyO3 0.22 は Python 3.14 非対応) - audio_format.rs: PiperError import を #[cfg(feature = "resample")] で条件付きに - voice.rs: build_prosody_direct を #[cfg(test)] で条件付きに - model_download.rs: url_filename を #[cfg(any(feature = "download", test))] で条件付きに

AudioSink トレイトの Send 境界は、コードベース全体でスレッド間転送が一切行われないため不要。この境界が Linux CI で cpal/rodio の !Send (ALSA バックエンド) と衝突しビルド失敗を引き起こしていた。 10エージェントによる調査で以下を確認: - AudioSink は thread::spawn / tokio::spawn / async で一切使用されない - Box<dyn AudioSink> のインスタンスは存在しない - 全使用箇所は &mut dyn AudioSink のローカル参照のみ

--all-features ビルドで playback feature → rodio → alsa-sys が必要なため、check/clippy ジョブに libasound2-dev インストールを追加。

- multilingual.rs: repeat().take() → repeat_n() - phoneme_converter.rs: too_many_arguments を allow - portuguese.rs: collapsible if, bool simplification, &mut Vec→&mut [char], enumerate - spanish.rs: identical if/else blocks, needless range loop - device.rs: FromStr trait を正式実装 - wasm.rs: needless late init を直接初期化に - playback.rs: needless return を除去

- portuguese.rs: rustfmt brace位置修正 + int_plus_one - engine.rs: needless_late_init 3件 + 不要な参照除去 - chinese.rs: identical if blocks統合 + complex type alias - french.rs: collapsible if, bool simplification, needless range loop 2件 - japanese.rs: &mut Vec → &mut [String] - korean.rs: RangeInclusive::contains 使用 - multilingual.rs: 不要な明示的ライフタイム除去

- SendPtr::as_mut: mut_from_ref を allow (unsafe設計上必要) - synthesize/synthesize_batch: too_many_arguments を allow (PyO3 API) - to_pyresult削除: useless conversion警告の原因 → 直接 .map_err() に置換 - save_wav: 同上

clippy useless_conversion の根本原因: .map_err().map() チェーンが PyErr→PyErr の無意味な変換と判定されていた。 Ok(result.map_err(piper_err_to_pyerr)?.into()) パターンに統一し、 cargo fmt で正確なフォーマットを適用。

PyO3 の #[pymethods] が自動で From<PiperError> -> PyErr 変換を挿入するため、明示的な map_err(piper_err_to_pyerr) が clippy に「同型への無意味な変換」と判定される。カスタム例外マッピング (ValueError/IOError/RuntimeError) を維持するため、impl ブロック全体に allow を適用。

#[pymethods] マクロ展開後のコードに #[allow] attribute が伝播しない問題。 Cargo.toml の [lints.clippy] セクションでクレートレベルで allow することで確実に clippy useless_conversion を抑制。

Copilot AI review requested due to automatic review settings March 18, 2026 15:05

ayutaz self-assigned this Mar 18, 2026

ayutaz changed the title ~~feat: Rust推論エンジン Phase 1-4 完全実装~~ feat: Rust推論エンジン — 7言語対応・ストリーミング・GPU・PyO3 Mar 18, 2026

Copilot AI reviewed Mar 18, 2026

View reviewed changes

ayutaz added 20 commits March 19, 2026 11:25

docs: Rust推論実装の調査・設計ガイドを追加

62b5a2c

技術スタック選定、アーキテクチャ設計、日本語/英語音素化方針、ロードマップ、リスク分析を含む包括的なドキュメント。

chore: .gitignore に src/rust/target/ を追加

cfb9fe3

chore: .gitignore に piper-python ビルド成果物を追加

35a95cb

ayutaz force-pushed the feat/rust-inference branch from 5149e9d to 3332e47 Compare March 19, 2026 02:28

ayutaz added 5 commits March 19, 2026 11:35

fix: rust-tests CIにlibasound2-devを復元

b244d3e

--all-features ビルドで playback feature → rodio → alsa-sys が必要なため、check/clippy ジョブに libasound2-dev インストールを追加。

fix: piper-python clippy 7件修正

ed6db0e

- SendPtr::as_mut: mut_from_ref を allow (unsafe設計上必要) - synthesize/synthesize_batch: too_many_arguments を allow (PyO3 API) - to_pyresult削除: useless conversion警告の原因 → 直接 .map_err() に置換 - save_wav: 同上

ayutaz added 2 commits March 19, 2026 14:16

ayutaz merged commit afd82ce into dev Mar 19, 2026
43 checks passed

ayutaz deleted the feat/rust-inference branch March 19, 2026 11:30

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feat: Rust推論エンジン — 7言語対応・ストリーミング・GPU・PyO3 - #255

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