Robocikowo>ROBOCIKOWO
speech-audio-processing

ASR

AktywnyOpublikowany
Zadanie automatycznego przekształcania sygnału mowy w tekst (speech-to-text); współczesne systemy opierają się na głębokich sieciach neuronowych, a jakość mierzy się metryką WER.
Kluczowa innowacja
Sprowadzenie zamiany mowy na tekst do jednego, uczonego end-to-end modelu (CTC, RNN-T, uwaga, Conformer), zastępującego wieloetapowy potok HMM-GMM z osobnym modelem akustycznym, słownikiem wymowy i modelem języka.
Kategoria
speech-audio-processing
Poziom abstrakcji
Paradygmat
Poziom operacji
ModelInferencja
Zastosowania
Transkrypcja i napisy do nagrań audio/wideoAsystenci głosowi i interfejsy sterowane głosemDyktowanie i zamiana mowy na tekst w czasie rzeczywistymTranskrypcja rozmów w call center i spotkańTłumaczenie mowy (jako pierwszy etap potoku)Dostępność dla osób z niepełnosprawnościami (napisy na żywo)

Jak działa

Typowy potok ASR zaczyna się od frontendu cech: sygnał jest dzielony na krótkie ramki i zamieniany na log-melowe banki filtrów (dawniej MFCC). Enkoder akustyczny (RNN, Transformer lub Conformer) przetwarza sekwencję cech na reprezentacje ukryte. Model treningowy łączy je z tekstem jednym z trzech podejść: CTC sumuje prawdopodobieństwa wszystkich wyrównań z tokenem pustym (blank), RNN-T dodaje sieć predykcyjną i sieć łączącą generujące wyjście token po tokenie, a modele enkoder-dekoder z uwagą dekodują autoregresyjnie. Na etapie dekodowania stosuje się beam search, często z fuzją zewnętrznego modelu języka (shallow fusion). Jakość ocenia się przez WER.

Rozwiązany problem

Mowa to zmienny w czasie, ciągły sygnał bez wyraźnych granic słów, a tej samej wypowiedzi towarzyszą różnice akcentu, tempa, szumu i kanału nagrania. ASR rozwiązuje problem odwzorowania takiego sygnału na dyskretny tekst bez potrzeby ręcznego wyrównywania dźwięku do liter oraz w sposób odporny na te zmienności.

Komponenty

Frontend cech akustycznychEkstrakcja cech

Zamienia surowy sygnał na ramki cech (log-mel filterbanks / MFCC).

Enkoder akustycznyModelowanie akustyki

Modeluje sekwencję cech, tworząc reprezentacje ukryte (RNN, Transformer, Conformer).

Mechanizm wyrównania i dekodowaniaOdwzorowanie na tekst

Mapuje reprezentacje akustyczne na tokeny tekstowe (CTC, RNN-T, uwaga).

Model językaPoprawa językowa

Opcjonalny zewnętrzny model języka poprawiający poprawność językową podczas dekodowania.

Oficjalna

Implementacja

Pułapki implementacyjne
Niedopasowanie domeny i warunków akustycznychWysoka

WER gwałtownie rośnie przy szumie, akcentach, nakładającej się mowie i kanałach nagrania innych niż treningowe.

Rozwiązanie:Augmentacja danych (szum, SpecAugment), dostrojenie na docelowej domenie, adaptacja mówcy.
Halucynacje i powtórzenia transkrypcjiŚrednia

Modele enkoder-dekoder (np. Whisper) potrafią generować tekst niepoparty audio, zwłaszcza na ciszy lub długim nagraniu.

Rozwiązanie:Detekcja aktywności głosowej (VAD), ograniczanie powtórzeń, kary za długość, timestampy.
Obsługa długiego audio i segmentacjaŚrednia

Modele uczone na krótkich oknach (np. 30 s w Whisper) wymagają dzielenia nagrania na fragmenty, co może powodować błędy na granicach.

Rozwiązanie:Nakładające się okna, scalanie z kontekstem, wyrównanie na granicach fragmentów.

Ewolucja

1952
System Audrey (Bell Labs)

Rozpoznawanie cyfr mówionych przez jednego mówcę — jeden z pierwszych systemów ASR.

1980
Paradygmat HMM-GMM
Punkt przełomowy

Statystyczne modele akustyczne oparte na ukrytych modelach Markowa dominują w ASR na kolejne dekady.

2006
CTC (Connectionist Temporal Classification)
Punkt przełomowy

Uczenie sekwencji bez ręcznego wyrównania dźwięku do etykiet — fundament end-to-end ASR.

Connectionist Temporal Classification: Labelling Unsegmented Sequence Data with Recurrent Neural Networks (artykuł)
2012
DNN-HMM i RNN-T
Punkt przełomowy

Głębokie sieci jako modele akustyczne oraz transduktory RNN-T (Graves) jako alternatywa dla CTC.

2014
Deep Speech

End-to-end ASR na dużą skalę oparty na CTC (Baidu).

2015
Listen, Attend and Spell (LAS)

Model enkoder-dekoder z mechanizmem uwagi dla ASR.

2020
Conformer
Punkt przełomowy

Konwolucyjnie wzbogacony Transformer; wyniki SOTA na LibriSpeech.

2020
wav2vec 2.0
Punkt przełomowy

Samonadzorowane uczenie reprezentacji mowy redukujące zapotrzebowanie na dane etykietowane.

2022
Whisper
Punkt przełomowy

Trening na dużą skalę ze słabym nadzorem; odporny, wielojęzyczny ASR (OpenAI).

Hiperparametry (konfigurowalne osie)

Architektura modelu akustycznegoKrytyczna

Sieć kodująca sygnał akustyczny.

Conformer
Transformer
RNN/LSTM
Funkcja celu / dekodowanieKrytyczna

Sposób wiązania akustyki z tekstem i generowania wyjścia.

CTC
RNN-T
attention encoder-decoder
Jednostki wyjścioweWysoka

Poziom tokenizacji wyjścia.

znaki (characters)
podsłowa (BPE/WordPiece)
fonemy
Fuzja modelu językaŚrednia

Włączenie zewnętrznego modelu języka do dekodowania.

brak
shallow fusion
rescoring
Frontend cechŚrednia

Reprezentacja wejściowa sygnału.

log-mel filterbanks (80-dim, 16 kHz)
MFCC
surowy przebieg (raw waveform)

Paradygmat wykonania

Tryb główny
Gęsty

Nowoczesne modele ASR (Transformer/Conformer, CTC/RNN-T/uwaga) są gęstymi sieciami neuronowymi; cała sieć jest aktywna dla każdego fragmentu audio.

Wzorzec aktywacji
Wszystkie ścieżki aktywne

Równoległość

Poziom równoległości
Częściowo równoległy

Enkoder akustyczny (zwłaszcza Transformer/Conformer, CTC) przetwarza ramki równolegle w treningu, natomiast dekodowanie autoregresyjne (uwaga, RNN-T) jest sekwencyjne token po tokenie.

Zakres
Trening

Wymagania sprzętowe

Podstawowe

Trening i wsadowa inferencja dużych modeli akustycznych (Transformer/Conformer) korzystają z mnożenia macierzy na rdzeniach tensorowych.

Możliwe

Lekkie modele CTC/RNN-T oraz streamingowy ASR na urządzeniu (on-device) działają na CPU.