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牛津大学xDeepMind 自然语言处理 Natural Language Processing

语音识别 Speech Recognition

1. 语音识别概述

   1. 问题定义：自动语音识别（ASR）、文本到语音合成（TTS）等
   2. 相关任务：说话人识别、语音增强、语音分离等

2. 语音的表示与构成

   1. 物理实现：空气压力波、经声带、声道等调制

   2. 声学表示：

      1. 采样与量化：不同采样率和位深

      2. 傅里叶分析：短时快速傅里叶变换

      3. 梅尔频率表示：log-mel特征

         梅尔频率表示是对 FFT 结果在梅尔尺度上进行局部加权平均并取对数得到的 log-mel 特征，通常每帧 40 + 维，是神经网络语音建模的默认选择；

      4. MFCCs：梅尔频率倒谱系数

         MFCCs 是梅尔滤波器组能量的离散余弦变换，具有白化和低维特性，类似对数谱的主成分，GMM 语音识别系统可能使用 13 个 MFCCs，还可结合帧堆叠、差分和二阶差分等。

   3. 语音构成：由句子组成，句子由单词组成、最小单位是音素，涉及同音字、韵律等

   4. 数据集：TIMIT、WSJ、Broadcast News等

3. 语音识别历史

   1960s：动态时间规整

   1970s：隐马尔可夫模型

   1986-1995：多层感知机用于语音识别

   1995-2009：GMMs成为主导

   2022-：神经网络特征（如”瓶颈“或”串联“特征 neck）

   2006-：深度网络用于语音识别，2012年称为主导范式

   1990、2012-：循环网络用于语音识别及新模型出现（注意力、LAS、神经转换器）

4. 概率性语音识别

   1. 模型：隐马尔可夫模型

   2. 基本方程：选择最可能的单词序列，为声学模型和语言模型分数的乘积

   3. 语言模型：建模单词序列概率

   4. transduction过程：从信号到语言，涉及特征提取、声学模型、词典、语言模型等，利用加权有限状态转换器（WFST）构建图，进行组合、优化等操作。

      

      1. 基础流程：从音频到语义的分层转换
         • Audio（音频）：语音识别的原始输入，是连续的声波信号（如人说话的声音）。
         • Feature Extraction（特征提取）：将音频转换为帧（Frame）（短时间片段，如 25ms / 帧），并提取声学特征（如梅尔频谱、MFCC 等），把物理声波转化为机器可处理的数字特征。
         • Acoustic Model（声学模型）：通过State（状态）和Phoneme（音素） 建模特征与语音单元的映射：
         ◦ State（状态）：音素的细分状态（因发音受前后语境影响，需更细粒度建模，常通 过决策树聚类生成）。
         ◦ Phoneme（音素）：语言中最小发音单位（如汉语 “啊”、英语 “/æ/” ），是连接声 学特征与文字的桥梁。
         • Lexicon（词典）：建立Phoneme（音素） 与Word（词） 的映射，实现 “发音组合 → 文字” 的转换（如音素 “/kæt/” 对应单词 “cat” ）。
         • Language Model（语言模型）：基于Word（词） 序列建模，预测 “哪些词更可能连续出现”（如 “I want to” 比 “I want the” 更符合语法时，语言模型会赋予更高概率 ），提升识别合理性。
         • Sentence（句子）：通过词序列拼接、语言模型约束，形成完整语句。
         • Meaning（含义）：结合NLP（自然语言处理） 技术，解析句子语义，实现从语音到理解的最终目标（如把 “Open the door” 转化为执行指令 ）。

   5. 语音单位：包括音素（如 “cat” 对应 / K/, /AE/, /T/）、上下文无关和相关的 HMM 状态、双音素、音节、字符、整个单词等，选择取决于语言、数据集大小等。

   6. 上下文相关语音聚类：音素的实现依赖前后语境，需对不同语境实现建模，但多数未被观测到，因此通过聚类（如决策树）分组并训练联合模型，对未观测语境有 “退避” 规则。

   7. 高斯混合模型：1990-2010年主导ASR，建模每个状态的声学特征概率分布，常用对角协方差高斯，通过 EM 算法训练，参数可并行估计，但难以跨状态共享参数 / 数据。

   8. 强制对齐：计算语音特征与语音状态的最大似然对齐，为每个训练话语构建真实转录的语音状态集，用维特比算法找到 ML 单调状态序列，结果为每帧的语音标签，可硬分割或软分割。

   9. 解码：与强制对齐类似，但面对的是图而非直线路径，包含单词间的可选静音、替代发音路径等，通常在对数域使用最大概率，通过 “波束” 保留最佳路径，可能丢失真实最佳路径。

5. 神经网络语音识别

   1. 两种范式：

      一是用神经网络计算非线性特征表示（如 “瓶颈” 或 “串联” 特征），低维表示用 GMMs 建模；

      二是用神经网络估计语音单位概率。

   2. Hybrid networks 混合神经网络：

      训练网络作为分类器，用 softmax 处理语音单位，$y(i)=exp(a(i,\theta ))/{\sum }_{j=1}^{N}exp(a(j,\theta ))$，收敛到语音状态的后验概率$P(c_i|o_t)$,训练损失为交叉熵。解码时用神经网络替代GMMs建模$P(o|c)$，引入”缩放后验“，经验上”先验平滑“项α≈0.8效果更好。

   3. 输入特征：神经网络可处理高维相关特征，如 26 个堆叠的 40 维梅尔滤波器组输入，第一层可学习到特定滤波器。

   4. 架构：包括全连接、卷积网络（如时间延迟神经网络、扩张卷积、Wavenet）、循环网络（如 RNN、LSTM、GRU、双向 RNN、CLDNN）等。

   5. 训练损失：

      1. 交叉熵

      2. CTC：引入可选空白符号，无需 bootstrap 模型，用软目标，不按后验缩放，结果与传统训练相似

   6. 序列判别训练：传统训练最大化给定数据的真实状态序列概率，而序列判别训练设计更接近词错误率的可微损失，使网络学习后验缩放，相对提升传统训练和 CTC 约 15%，如 bMMI、sMBR。

   7. 新架构：

      • Sequence2Sequence 序列到序列：基本模型对语音效果不佳，结合注意力的模型如 Listen, Attend and Spell（输出字符直到 EOS，整合训练集语言模型，难整合外部训练的语言模型）。
      • Watch Listen, Attend and Spell：同时应用于音频和视频流，用计划采样训练。
      • Neural transducer 神经转换器：解决序列到序列模型需完整序列的问题，一次转录单调块，减少延迟。
      • Raw waveform speech recognition 原始波形语音识别：端到端训练，学习滤波器组，可结合卷积滤波器、WaveNet 风格架构、Clockwork RNN 等。

6. 其他主题

   1. 噪声中的语音识别：多风格训练（收集噪声数据或训练时添加随机噪声，如通过 “房间模拟器” 添加混响，可选添加干净重建损失）、训练去噪器等。（注意 Lombard 效应（噪声中声音变化）
   • Sequence2Sequence 序列到序列：基本模型对语音效果不佳，结合注意力的模型如 Listen, Attend and Spell（输出字符直到 EOS，整合训练集语言模型，难整合外部训练的语言模型）。
   • Watch Listen, Attend and Spell：同时应用于音频和视频流，用计划采样训练。
   • Neural transducer 神经转换器：解决序列到序列模型需完整序列的问题，一次转录单调块，减少延迟。
   • Raw waveform speech recognition 原始波形语音识别：端到端训练，学习滤波器组，可结合卷积滤波器、WaveNet 风格架构、Clockwork RNN 等。

7. 其他主题

   1. 噪声中的语音识别：多风格训练（收集噪声数据或训练时添加随机噪声，如通过 “房间模拟器” 添加混响，可选添加干净重建损失）、训练去噪器等。（注意 Lombard 效应（噪声中声音变化）
   2. 多麦克风语音识别：多麦克风提供更丰富表示，“离说话人最近” 的麦克风信噪比更好。波束形成利用麦克风阵列几何和声速计算到达时间差，延迟求和实现信号建设性干涉，噪声破坏性干涉取决于方向 / 频率。神经网络可利用更多特征，需保留相位信息以实现波束形成。