Распознавание речи

Распознавание речи (англ. Speech Recognition) — процесс преобразования речевого сигнала в цифровую информацию.

Задачей распознавания является сопоставление набору акустических признаков речевого сигнала или наблюдений [math]X(x_1 ,...,x_n)[/math] последовательности слов [math]W(w_1 ,...,w_k)[/math], имеющих наибольшую вероятность правдоподобия среди всех кандидатов. Для этого используется формула Байеса:

[math]W = argmax \left[\frac{P(W)*P(X|W)}{P(X)}\right][/math]

Причем, в процессе распознавания вероятность уже полученных признаков Р(Х) не подлежит оптимизации и знаменатель в формуле не испльзуется:

[math]W = argmax[P(W)*P(X|W)][/math]

Классификация систем распознавания речи

Системы распознавания речи классифицируются:

• по размеру словаря (ограниченный набор слов, словарь большого размера);
• по зависимости от диктора (дикторозависимые и дикторонезависимые системы);
• по типу речи (слитная или раздельная речь);
• по назначению (системы диктовки, командные системы);
• по используемому алгоритму (нейронные сети, скрытые Марковские модели, динамическое программирование);
• по типу структурной единицы (фразы, слова, фонемы, дифоны, аллофоны);
• по принципу выделения структурных единиц (распознавание по шаблону, выделение лексических элементов).

Структура систем распознавания речи

Системы распознавания речи впервые появились в 1952 году. С тех пор методы распознавания не раз менялись. Ранее использовались такие методы и алгоритмы, как:

• Динамическое программирование (Dynamic Time Warping) - временные динамические алгоритмы, выполняющие классификацию на основе сравнения с эталоном.
• Методы дискриминантного анализа, основанные на Байесовской дискриминации (Bayesian discrimination).
• Скрытые Марковские Модели (Hidden Markov Model).
• Нейронные сети (Neural Networks).

В настоящее время, перечисленные выше методы как правило комбинируются. Их сочетание позволяет получить более высокое качество распознавания, чем использование каждой модели отдельно.

Системы распознавания речи имеют следующие основные модули:

• Акустическая модель
• Языковая модель
• Декодер

Акустическая модель

Фонема (phoneme) — элементарная единица человеческой речи. Примерами фонем являются транскрипции в формате IPA — так, слово hello состоит из фонем [hɛˈləʊ].

Акустическая модель — это функция, принимающая на вход признаки на небольшом участке акустического сигнала (фрейме) и выдающая распределение вероятностей различных фонем на этом фрейме. Таким образом, акустическая модель дает возможность по звуку восстановить, что было произнесено — с той или иной степенью уверенности.
Самой популярной реализацией акустической модели является скрытая Марковская модель (СММ), в которой скрытыми состояниями являются фонемы, а наблюдениями — распределения вероятностей признаков на фрейме.

Рассмотрим подробнее акустическую модель на основе СММ для слова six:

Акустическая модель для слова six. Источник

В круглых (скрытых) состояниях изображены фонемы, а в квадратных (наблюдениях) — распределения вероятностей признаков (для упрощения, здесь изображено одномерное распределение). Фонемы часто разбивают на 3 этапа — начало, середину и конец, — потому что фонема может звучать по-разному в зависимости от момента времени её произнесения. Каждое скрытое состояние содержит переход само в себя, так как время произнесения одной фонемы может занять несколько фреймов. Вероятности перехода между фонемами в СММ являются обучаемыми параметрами, и для их настройки используют алгоритм Баума-Велша. Последовательность фонем по набору распределений на фреймах восстанавливают по алгоритму Витерби.

Отличие нормального распределения от GMM. Источник

В качестве функции распределения вероятностей признаков часто выбирают смешанную гауссову модель (англ. Gaussian Mixture Model, GMM): дело в том, что одна и та же фонема может звучать по-разному, например, в зависимости от акцента. Так как эта функция является по сути суммой нескольких нормальных распределений, она позволяет учесть различные звучания одной и той же фонемы.

Языковая модель

Языковая модель — позволяет узнать, какие последовательности слов в языке более вероятны, а какие менее. Здесь в самом простом случае требуется предсказать следующее слово по известным предыдущим словам. В традиционных системах применялись модели типа N-грамм, в которых на основе большого количества текстов оценивались распределения вероятности появления слова в зависимости от N предшествующих слов. Для получения надежных оценок распределений параметр N должен быть достаточно мал: одно, два или три слова — модели униграмм, биграмм или триграмм соответственно. Внедрение языковой модели в систему распознавания речи позволило значительно повысить качество распознавания за счет учета контекста.

Декодер

В ходе работы системы автоматического распознавания речи задача распознавания сводится к определению наиболее вероятной последовательности слов, соответствующих содержанию речевого сигнала. Наиболее вероятный кандидат должен определяться с учетом как акустической, так и лингвистической информации. Это означает, что необходимо производить эффективный поиск среди возможных кандидатов с учетом различной вероятностной информации. При распознавании слитной речи число таких кандидатов огромно, и даже использование самых простых моделей приводит к серьезным проблемам, связанным с быстродействием и памятью систем. Как результат, эта задача выносится в отдельный модуль системы автоматического распознавания речи, называемый декодером. Декодер должен определять наиболее грамматически вероятную гипотезу для неизвестного высказывания – то есть определять наиболее вероятный путь по сети распознавания, состоящей из моделей слов (которые, в свою очередь, формируются из моделей отдельных фонов). Правдоподобие (likelihood) гипотезы определяется двумя факторами, а именно вероятностями последовательности фонов, приписываемыми акустической моделью, и вероятностями следования слов друг за другом, определяемыми моделью языка.

Рассмотрим математическую основу декодеров.
Отбрасывая несущественный на этапе распознавания знаменатель, запишем:

[math]W = argmax [P(W)P(XW)][/math]

где [math]X = x_1^T = x_1 ,..., x_N[/math] – последовательность векторов признаков входного сигнала, [math]W = w_1^n = w_1 ,..., w_n[/math] – последовательность слов, принадлежащих словарю размером [math]N_W[/math]. Первый множитель P(W) описывает вклад лингвистического модуля, второй P(X|W) – лексического, фонетического и акустического источников знаний. В соответствии с концепцией марковских цепей, второй множитель представляет собой сумму вероятностей всех возможных последовательностей состояний, что приводит к уравнению:

[math]W = argmax [P(W)\sum_{S_1^T} P(x_1^T, s_1^T | w_1^N)][/math]

где [math]s_1^T[/math] – одна из последовательностей состояний, порождаемых последовательностью слов [math]w_1^n[/math]. На практике применяется критерий Витерби. – ищется последовательность состояний, дающая максимальный вклад в сумму:

[math]W = argmax[P(W)^aMax[P(x_1^T, s_1^T | w_1^N)]][/math]

Различают систему раннего и систему позднего предсказания. В первой выполняется предсказание для акустической и языковой модели независимо, а затем оба предсказания поступают в декодер. При позднем предсказании, вычисленные признаки речи в акустической и языковой моделях без предсказания поступают в декодер и уже на основе их совместного декодирования выполняется предсказание.

Этапы распознавания:

1. Обработка речи начинается с оценки качества речевого сигнала. На этом этапе определяется уровень помех и искажений.
2. Результат оценки поступает в модуль акустической адаптации, который управляет модулем расчета параметров речи, необходимых для распознавания.
3. В сигнале выделяются участки, содержащие речь, и происходит оценка параметров речи. Происходит выделение фонетических и просодических вероятностных характеристик для синтаксического, семантического и прагматического анализа. (Оценка информации о части речи, форме слова и статистические связи между словами.)
4. Далее параметры речи поступают в основной блок системы распознавания — декодер. Это компонент, который сопоставляет входной речевой поток с информацией, хранящейся в акустических и языковых моделях, и определяет наиболее вероятную последовательность слов, которая и является конечным результатом распознавания.

Признаки

Разделение осциллограммы на фреймы. Источник

Входные данные представляют собой непрерывную осциллограмму звуковой волны. В задачах распознавания речи эту осциллограмму разбивают на фреймы — фрагменты звукового потока длительностью около 20 мс и шагом 10 мс. Такой размер соответствует скорости человеческой речи: если человек говорит по 3 слова в секунду, каждое из которых состоит примерно из 4 звуков и каждый звук разбивается на 3 этапа, то на этап выходит около 28 мс. Каждый фрейм независимо трансформируется и подвергается извлечению признаков, тем самым образуя векторизированный набор данных для задачи машинного обучения.

Признаки речевых событий, используемые при распознавании речи:

• Спектр Фурье.
• Спектр Фурье в шкале мел.
• Коэффициенты линейного предсказания.
• Кепстр.

Спектр Фурье

Спектр Фурье получают, используя алгоритм БПФ (Быстрого Преобразования Фурье) с длиной окна равной 2-4 периода основного тона, что составляет около 20 мс. При частоте квантования 10-16 кГц выбирается окно 256 отсчетов.

Для ослабления искажений сигнала, вызванных применением к непрерывному сигналу конечного окна анализа, чаще всего используется окно Хэмминга по формуле:

[math]S'(n) = [0.54 - 0.46cos\left(\frac{2\pi n}{N-1}\right)]*S(n)[/math]

где n = 1..N, N – размерность окна, S(n) – отсчеты речевого сигнала.

Спектр Фурье в шкале мел

К каждому кадру, полученного Фурье спектра применяется блок мел-фильтров — треугольных пересекающихся фильтров, расположенных наиболее плотно в области нижних частот. Количество фильтров — 26. Для расчета фильтров выбирается верхняя и нижняя частота. Затем осуществляется переход от частотной шкалы к мел-шкале по формуле:

[math]M(f) = 1127*ln\left(1 + \frac{f}{700}\right)[/math]

На мел-шкале выбираются линейно расположенные точки (28 точек для 26 фильтров), после чего, производится обратный переход в частотную область.

Коэффициенты линейного предсказания

Модель линейного предсказания речи предполагает, что передаточная функция голосового тракта представляется полюсным фильтром с передаточной функцией:

[math]H(z) = \frac{1}{\sum_{i=0}^p a_i z^{-i}}[/math]

где p – число полюсов и [math]a_0 = 1[/math]; Фильтр с такой передаточной функцией позволяет описать поведение сглаженного спектра речевого сигнала с хорошей точностью, за исключением назализованных звуков. Коэффициенты фильтра {[math]a_i[/math]} – выбираются путем минимизации среднеквадратичной ошибки предсказания, просуммированной на окне анализа.

Кепстр

Кепстр (cepstrum) сигнала на основе спектра Фурье вычисляется путем применения косинусного Фурье преобразования к логарифму спектра:

[math]c_j = \sqrt{\frac{2}{N}}\sum_{i=0}^{N-1} \left[s_icos\left(\frac{\pi(j+1)(i+0.5)}{N}\right)\right] = \sum_{i=0}^{N-1} C_{j,i}s_i[/math]

где [math]s_i[/math] – логарифм спектра, N – количество отсчётов спектра, [math]C_{i,j}[/math] – унитарная матрица косинусного преобразования.

Кепстральные коэффициенты, полученные приведённым способом из мел спектра Фурье, широко используются для распознавания с помощью марковских моделей и носят название MFCC (Mel-frequency cepstral coefficients).

Показатели оценки качества распознавания речи

Существуют различные по сложности и прикладному значению задачи распознавания: изолированных слов (команд); ключевых слов в потоке речи; связанной речи (тщательное проговаривание текста с паузами между словами); слитной речи (разделяют диктовку в узкой тематической области, и спонтанную речь, например, в диалоге между людьми).

Оценка системы, распознающей отдельные команды, не представляет каких-либо трудностей – количество неправильно распознанных команд делится на общее количество испытаний и получается процент ошибки. Для систем, распознающих слитную речь, ситуация не столь проста.

Основными показателями качества распознавания слитной речи являются:

• процент правильно распознанных слов (WRR - Word Recognition Rate);
• процент неправильно распознанных слов (WER - Word Error Rate);
• процент неправильно распознанных предложений/фраз (SER - Sentence Error Rate);

Поскольку с развитием речевых технологий показатель WER все более приближается к нулю, то значение улучшения WER более наглядно, чем улучшение точности распознавания слов.

[math]WER = \frac{S+D+I}{T} * 100%[/math]

где T - количество слов в распознаваемой фразе, S - количество замененных слов, D - количество удаленных слов, I - количество вставленных слов. Показатель WER может быть больше 100%.

Другим важным критерием оценки систем распознавания слитной речи является - скорость обработки речи. Она вычисляется с помощью показателя скорости (Real-Time Factor, Speed Factor):

[math]RTF = \frac{T_{proc}}{T_{signal}}[/math]

[math]T_{signal}[/math] - длительность обрабатываемого аудиосигнала;
[math]T_{proc}[/math] - время, необходимое для обработки сигнала.
Если [math]RTF \leqslant 1.0[/math] - то распознавание речи ведется в режиме реального времени.

Применение

Системы распознавания речи начали развиваться как специальные сервисы для людей с ограниченными возможностями, но также нашли применение в различных сферах бизнеса, таких как:

• Телефония: системы голосового самообслуживания;
• "Умный дом": голосовой интерфейс управления;
• Роботы: голосовой интерфейс электронных роботов;
• РС, ноутбуки, телефоны: голосовой ввод команд, диктовка текста;
• Автомобили: голосовое управление в салоне автомобиля.

Основные отрасли применения:

• Голосовое управление
• Голосовые команды
• Голосовой ввод текста
• Голосовой поиск

См. также

• Байесовская классификация
• Распознавание образов
• Распознавание речи от Яндекса
• Субвокальное распознавание

Источники информации

1. [1] - статья на Википедии
2. Тампель И.Б, Карпов А.А. Автоматическое распознавание речи. Учебное пособие. — СПб: Университет ИТМО, 2016. — 138 с.
3. [2] - статья "Классификация систем распознавания речи".
4. [3] - статья "Выделение границ фонем речевого сигнала с помощью мел-частотных спектральных коэффициентов".