A Formal Model of Ambiguity and its Applications in Machine Translation

Systems that process natural language must cope with and resolve ambiguity. In this dissertation, a model of language processing is advocated in which multiple inputs and multiple analyses of inputs are considered concurrently and a single analysis is only a last resort. Compared to conventional models, this approach can be understood as replacing single-element inputs and outputs with weighted sets of inputs and outputs. Although processing components must deal with sets (rather than individual elements), constraints are imposed on the elements of these sets, and the representations from existing models may be reused. However, to deal efficiently with large (or infinite) sets, compact representations of sets that share structure between elements, such as weighted finite-state transducers and synchronous context-free grammars, are necessary. These representations and algorithms for manipulating them are discussed in depth in depth. To establish the effectiveness and tractability of the proposed processing model, it is applied to several problems in machine translation. Starting with spoken language translation, it is shown that translating a set of transcription hypotheses yields better translations compared to a baseline in which a single (1-best) transcription hypothesis is selected and then translated, independent of the translation model formalism used. More subtle forms of ambiguity that arise even in text-only translation (such as decisions conventionally made during system development about how to preprocess text) are then discussed, and it is shown that the ambiguity-preserving paradigm can be employed in these cases as well, again leading to improved translation quality. A model for supervised learning that learns from training data where sets (rather than single elements) of correct labels are provided for each training instance and use it to learn a model of compound word segmentation is also introduced, which is used as a preprocessing step in machine translation

Multilingual Spoken Language Understanding using graphs and multiple translations

This is the author’s version of a work that was accepted for publication in Computer Speech and Language. Changes resulting from the publishing process, such as peer review, editing, corrections, structural formatting, and other quality control mechanisms may not be reflected in this document. Changes may have been made to this work since it was submitted for publication. A definitive version was subsequently published in Computer Speech and Language, vol. 38 (2016). DOI 10.1016/j.csl.2016.01.002.In this paper, we present an approach to multilingual Spoken Language Understanding based on a process of generalization of multiple translations, followed by a specific methodology to perform a semantic parsing of these combined translations. A statistical semantic model, which is learned from a segmented and labeled corpus, is used to represent the semantics of the task in a language. Our goal is to allow the users to interact with the system using other languages different from the one used to train the semantic models, avoiding the cost of segmenting and labeling a training corpus for each language. In order to reduce the effect of translation errors and to increase the coverage, we propose an algorithm to generate graphs of words from different translations. We also propose an algorithm to parse graphs of words with the statistical semantic model. The experimental results confirm the good behavior of this approach using French and English as input languages in a spoken language understanding task that was developed for Spanish. (C) 2016 Elsevier Ltd. All rights reserved.This work is partially supported by the Spanish MEC under contract TIN2014-54288-C4-3-R and by the Spanish MICINN under FPU Grant AP2010-4193.Calvo Lance, M.; Hurtado Oliver, LF.; García-Granada, F.; Sanchís Arnal, E.; Segarra Soriano, E. (2016). Multilingual Spoken Language Understanding using graphs and multiple translations. Computer Speech and Language. 38:86-103. https://doi.org/10.1016/j.csl.2016.01.002S861033

A Strategy for Multilingual Spoken Language Understanding Based on Graphs of Linguistic Units

[EN] In this thesis, the problem of multilingual spoken language understanding is addressed using graphs to model and combine the different knowledge sources that take part in the understanding process. As a result of this work, a full multilingual spoken language understanding system has been developed, in which statistical models and graphs of linguistic units are used. One key feature of this system is its ability to combine and process multiple inputs provided by one or more sources such as speech recognizers or machine translators. A graph-based monolingual spoken language understanding system was developed as a starting point. The input to this system is a set of sentences that is provided by one or more speech recognition systems. First, these sentences are combined by means of a grammatical inference algorithm in order to build a graph of words. Next, the graph of words is processed to construct a graph of concepts by using a dynamic programming algorithm that identifies the lexical structures that represent the different concepts of the task. Finally, the graph of concepts is used to build the best sequence of concepts. The multilingual case happens when the user speaks a language different to the one natively supported by the system. In this thesis, a test-on-source approach was followed. This means that the input sentences are translated into the system's language, and then they are processed by the monolingual system. For this purpose, two speech translation systems were developed. The output of these speech translation systems are graphs of words that are then processed by the monolingual graph-based spoken language understanding system. Both in the monolingual case and in the multilingual case, the experimental results show that a combination of several inputs allows to improve the results obtained with a single input. In fact, this approach outperforms the current state of the art in many cases when several inputs are combined.[ES] En esta tesis se aborda el problema de la comprensión multilingüe del habla utilizando grafos para modelizar y combinar las diversas fuentes de conocimiento que intervienen en el proceso. Como resultado se ha desarrollado un sistema completo de comprensión multilingüe que utiliza modelos estadísticos y grafos de unidades lingüísticas. El punto fuerte de este sistema es su capacidad para combinar y procesar múltiples entradas proporcionadas por una o varias fuentes, como reconocedores de habla o traductores automáticos. Como punto de partida se desarrolló un sistema de comprensión multilingüe basado en grafos. La entrada a este sistema es un conjunto de frases obtenido a partir de uno o varios reconocedores de habla. En primer lugar, se aplica un algoritmo de inferencia gramatical que combina estas frases y obtiene un grafo de palabras. A continuación, se analiza el grafo de palabras mediante un algoritmo de programación dinámica que identifica las estructuras léxicas correspondientes a los distintos conceptos de la tarea, de forma que se construye un grafo de conceptos. Finalmente, se procesa el grafo de conceptos para encontrar la mejo secuencia de conceptos. El caso multilingüe ocurre cuando el usuario habla una lengua distinta a la original del sistema. En este trabajo se ha utilizado una estrategia test-on-source, en la cual las frases de entrada se traducen al lenguaje del sistema y éste las trata de forma monolingüe. Para ello se han propuesto dos sistemas de traducción del habla cuya salida son grafos de palabras, los cuales son procesados por el algoritmo de comprensión basado en grafos. Tanto en la configuración monolingüe como en la multilingüe los resultados muestran que la combinación de varias entradas permite mejorar los resultados obtenidos con una sola entrada. De hecho, esta aproximación consigue en muchos casos mejores resultados que el actual estado del arte cuando se utiliza una combinación de varias entradas.[CA] Aquesta tesi tracta el problema de la comprensió multilingüe de la parla utilitzant grafs per a modelitzar i combinar les diverses fonts de coneixement que intervenen en el procés. Com a resultat s'ha desenvolupat un sistema complet de comprensió multilingüe de la parla que utilitza models estadístics i grafs d'unitats lingüístiques. El punt fort d'aquest sistema és la seua capacitat per combinar i processar múltiples entrades proporcionades per una o diverses fonts, com reconeixedors de la parla o traductors automàtics. Com a punt de partida, es va desenvolupar un sistema de comprensió monolingüe basat en grafs. L'entrada d'aquest sistema és un conjunt de frases obtingut a partir d'un o més reconeixedors de la parla. En primer lloc, s'aplica un algorisme d'inferència gramatical que combina aquestes frases i obté un graf de paraules. A continuació, s'analitza el graf de paraules mitjançant un algorisme de programació dinàmica que identifica les estructures lèxiques corresponents als distints conceptes de la tasca, de forma que es construeix un graf de conceptes. Finalment, es processa aquest graf de conceptes per trobar la millor seqüència de conceptes. El cas multilingüe ocorre quan l'usuari parla una llengua diferent a l'original del sistema. En aquest treball s'ha utilitzat una estratègia test-on-source, en la qual les frases d'entrada es tradueixen a la llengua del sistema, i aquest les tracta de forma monolingüe. Per a fer-ho es proposen dos sistemes de traducció de la parla l'eixida dels quals són grafs de paraules. Aquests grafs són posteriorment processats per l'algorisme de comprensió basat en grafs. Tant per la configuració monolingüe com per la multilingüe els resultats mostren que la combinació de diverses entrades és capaç de millorar el resultats obtinguts utilitzant una sola entrada. De fet, aquesta aproximació aconsegueix en molts casos millors resultats que l'actual estat de l'art quan s'utilitza una combinació de diverses entrades.Calvo Lance, M. (2016). A Strategy for Multilingual Spoken Language Understanding Based on Graphs of Linguistic Units [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62407TESI

The Roles of Language Models and Hierarchical Models in Neural Sequence-to-Sequence Prediction

With the advent of deep learning, research in many areas of machine learning is converging towards the same set of methods and models. For example, long short-term memory networks are not only popular for various tasks in natural language processing (NLP) such as speech recognition, machine translation, handwriting recognition, syntactic parsing, etc., but they are also applicable to seemingly unrelated fields such as robot control, time series prediction, and bioinformatics. Recent advances in contextual word embeddings like BERT boast with achieving state-of-the-art results on 11 NLP tasks with the same model. Before deep learning, a speech recognizer and a syntactic parser used to have little in common as systems were much more tailored towards the task at hand. At the core of this development is the tendency to view each task as yet another data mapping problem, neglecting the particular characteristics and (soft) requirements tasks often have in practice. This often goes along with a sharp break of deep learning methods with previous research in the specific area. This work can be understood as an antithesis to this paradigm. We show how traditional symbolic statistical machine translation models can still improve neural machine translation (NMT) while reducing the risk for common pathologies of NMT such as hallucinations and neologisms. Other external symbolic models such as spell checkers and morphology databases help neural grammatical error correction. We also focus on language models that often do not play a role in vanilla end-to-end approaches and apply them in different ways to word reordering, grammatical error correction, low-resource NMT, and document-level NMT. Finally, we demonstrate the benefit of hierarchical models in sequence-to-sequence prediction. Hand-engineered covering grammars are effective in preventing catastrophic errors in neural text normalization systems. Our operation sequence model for interpretable NMT represents translation as a series of actions that modify the translation state, and can also be seen as derivation in a formal grammar.EPSRC grant EP/L027623/1 EPSRC Tier-2 capital grant EP/P020259/

Confusion modelling for lip-reading

Lip-reading is mostly used as a means of communication by people with hearing di�fficulties. Recent work has explored the automation of this process, with the aim of building a speech recognition system entirely driven by lip movements. However, this work has so far produced poor results because of factors such as high variability of speaker features, diffi�culties in mapping from visual features to speech sounds, and high co-articulation of visual features. The motivation for the work in this thesis is inspired by previous work in dysarthric speech recognition [Morales, 2009]. Dysathric speakers have poor control over their articulators, often leading to a reduced phonemic repertoire. The premise of this thesis is that recognition of the visual speech signal is a similar problem to recog- nition of dysarthric speech, in that some information about the speech signal has been lost in both cases, and this brings about a systematic pattern of errors in the decoded output. This work attempts to exploit the systematic nature of these errors by modelling them in the framework of a weighted finite-state transducer cascade. Results indicate that the technique can achieve slightly lower error rates than the conventional approach. In addition, it explores some interesting more general questions for automated lip-reading

End-to-End Neural Speech Translation

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Methoden zur Verbesserung der automatischen Übersetzung gesprochener Sprache (kurz: Speech Translation). Die Eingabe ist hierbei ein akustisches Signal, die Ausgabe ist der zugehörige Text in einer anderen Sprache. Die Anwendungen sind vielfältig und reichen u.a. von dialogbasierten Übersetzungssystemen in begrenzten Domänen bis hin zu vollautomatischen Vorlesungsübersetzungssystemen. Speech Translation ist ein komplexer Vorgang der in der Praxis noch viele Fehler produziert. Ein Grund hierfür ist die Zweiteilung in Spracherkennungskomponente und Übersetzungskomponente: beide Komponenten produzieren für sich genommen eine gewisse Menge an Fehlern, zusätzlich werden die Fehler der ersten Komponente an die zweite Komponente weitergereicht (sog. Error Propagation) was zusätzliche Fehler in der Ausgabe verursacht. Die Vermeidung des Error Propagation Problems ist daher grundlegender Forschungsgegenstand im Speech Translation Bereich. In der Vergangenheit wurden bereits Methoden entwickelt, welche die Schnittstelle zwischen Spracherkenner und Übersetzer verbessern sollen, etwa durch Weiterreichen mehrerer Erkennungshypothesen oder durch Kombination beider Modelle mittels Finite State Transducers. Diese basieren jedoch weitgehend auf veralteten, statistischen Übersetzungsverfahren, die mittlerweile fast vollständig durch komplett neuronale Sequence-to-Sequence Modelle ersetzt wurden. Die vorliegende Dissertation betrachtet mehrere Ansätze zur Verbesserung von Speech Translation, alle motiviert durch das Ziel, Error Propagation zu vermeiden, sowie durch die Herausforderungen und Möglichkeiten der neuen komplett neuronalen Modelle zur Spracherkennung und Übersetzung. Hierbei werden wir zum Teil völlig neuartige Modelle entwickeln und zum Teil Strategien entwickeln um erfolgreiche klassische Ideen auf neuronale Modelle zu übertragen. Wir betrachten zunächst eine einfachere Variante unseres Problems, die Spracherkennung. Um Speech Translation Modelle zu entwickeln die komplett auf neuronalen Sequence-to-Sequence Modellen basieren, müssen wir zunächst sicherstellen dass wir dieses einfachere Problem zufriedenstellend mit ähnlichen Modellen lösen können. Dazu entwickeln wir zunächst ein komplett neuronales Baseline Spracherkennungs-System auf Grundlage von Ergebnissen aus der Literatur, welches wir anschließend durch eine neuartige Self-Attentional Architektur erweitern. Wir zeigen dass wir hiermit sowohl die Trainingszeit verkürzen können, als auch bessere Einblicke in die oft als Blackbox beschriebenen Netze gewinnen und diese aus linguistischer Sicht interpretieren können. Als nächstes widmen wir uns dem kaskadierten Ansatz zur Speech Translation. Hier nehmen wir an, dass eine Ausgabe eines Spracherkenners gegeben ist, und wir diese so akkurat wie möglich übersetzen wollen. Dazu ist es nötig, mit den Fehlern des Spracherkenners umzugehen, was wir erstens durch verbesserte Robustheit des Übersetzers und zweitens durch Betrachten alternativer Erkennungshypothesen erreichen. Die Verbesserung der Robustheit der Übersetzungskomponente, unser erster Beitrag, erreichen wir durch das Verrauschen der Trainings-Eingaben, wodurch das Modell lernt, mit fehlerhaften Eingaben und insbesondere Spracherkennungsfehlern besser umzugehen. Zweitens entwickeln wir ein Lattice-to-Sequence Übersetzungsmodell, also ein Modell welches Wortgraphen als Eingaben erwartet und diese in eine übersetzte Wortsequenz überführt. Dies ermöglicht uns, einen Teil des Hypothesenraums des Spracherkenners, in Form eines eben solchen Wortgraphen, an den Spracherkenner weiterzureichen. Hierdurch hat die Übersetzungskomponente Zugriff auf verschiedene alternative Ausgaben des Spracherkenners und kann im Training lernen, daraus selbständig die zum Übersetzen optimale und weniger fehlerbehaftete Eingabe zu extrahieren. Schließlich kommen wir zum finalen und wichtigsten Beitrag dieser Dissertation. Ein vielversprechender neuer Speech Translation Ansatz ist die direkte Modellierung, d.h. ohne explizite Erzeugung eines Transkripts in der Quellsprache als Zwischenschritt. Hierzu sind direkte Daten, d.h. Tonaufnahmen mit zugehörigen textuellen Übersetzungen nötig, im Unterschied zu kaskadierten Modellen, welche auf transkribierte Tonaufnahmen sowie davon unabhängigen parallelen übersetzten Texten trainiert werden. Erstmals bieten die neuen end-to-end trainierbaren Sequence-to-Sequence Modelle grundsätzlich die Möglichkeit dieses direkten Weges und wurden auch bereits von einigen Forschungsgruppen entsprechend getestet, jedoch sind die Ergebnisse teils widersprüchlich und es bleibt bisher unklar, ob man Verbesserungen gegenüber kaskadierten Systemen erwarten kann. Wir zeigen hier dass dies entscheidend von der Menge der verfügbaren Daten abhängt, was sich leicht dadurch erklären lässt dass direkte Modellierung ein deutlich komplexeres Problem darstellt als der Weg über zwei Schritte. Solche Situationen bedeuten im Maschinellen Lernen oftmals dass mehr Daten benötigt werden. Dies führt uns zu einem fundamentalen Problem dieses ansonsten sehr vielversprechenden Ansatzes, nämlich dass mehr direkte Trainingsdaten benötigt werden, obwohl diese in der Praxis sehr viel schwieriger zu sammeln sind als Trainingsdaten für traditionelle Systeme. Als Ausweg testen wir zunächst eine naheliegende Strategie, weitere traditionelle Daten ins direkte Modell-Training zu integrieren: Multi-Task Training. Dies stellt sich in unseren Experimenten allerdings als unzureichend heraus. Wir entwickeln daher ein neues Modell, das ähnlich einer Kaskade auf zwei Modellierungsschritten basiert, jedoch komplett durch Backpropagation trainiert wird und dabei bei der Übersetzung nur auf Audio-Kontextvektoren zurückgreift und damit nicht durch Erkennungsfehler beeinträchtigt wird. Wir zeigen dass dieses Modell erstens unter idealen Datenkonditionen bessere Ergebnisse gegenüber vergleichbaren direkten und kaskadierten Modellen erzielt, und zweitens deutlich mehr von zusätzlichen traditionellen Daten profitiert als die einfacheren direkten Modelle. Wir zeigen damit erstmals, dass end-to-end trainierbare Speech Translation Modelle eine ernst zu nehmende und praktisch relevante Alternative für traditionelle Ansätze sind

QNRs: toward language for intelligent machines

Impoverished syntax and nondifferentiable vocabularies make natural language a poor medium for neural representation learning and applications. Learned, quasilinguistic neural representations (QNRs) can upgrade words to embeddings and syntax to graphs to provide a more expressive and computationally tractable medium. Graph-structured, embedding-based quasilinguistic representations can support formal and informal reasoning, human and inter-agent communication, and the development of scalable quasilinguistic corpora with characteristics of both literatures and associative memory. To achieve human-like intellectual competence, machines must be fully literate, able not only to read and learn, but to write things worth retaining as contributions to collective knowledge. In support of this goal, QNR-based systems could translate and process natural language corpora to support the aggregation, refinement, integration, extension, and application of knowledge at scale. Incremental development of QNRbased models can build on current methods in neural machine learning, and as systems mature, could potentially complement or replace today’s opaque, error-prone “foundation models” with systems that are more capable, interpretable, and epistemically reliable. Potential applications and implications are broad

Una estrategia de procesamiento automático del habla basada en la detección de atributos

State-of-the-art automatic speech and speaker recognition systems are often built with a pattern matching framework that has proven to achieve low recognition error rates for a variety of resource-rich tasks when the volume of speech and text examples to build statistical acoustic and language models is plentiful, and the speaker, acoustics and language conditions follow a rigid protocol. However, because of the “blackbox” top-down knowledge integration approach, such systems cannot easily leverage a rich set of knowledge sources already available in the literature on speech, acoustics and languages. In this paper, we present a bottom-up approach to knowledge integration, called automatic speech attribute transcription (ASAT), which is intended to be “knowledge-rich”, so that new and existing knowledge sources can be verified and integrated into current spoken language systems to improve recognition accuracy and system robustness. Since the ASAT framework offers a “divide-and-conquer” strategy and a “plug-andplay” game plan, it will facilitate a cooperative speech processing community that every researcher can contribute to, with a view to improving speech processing capabilities which are currently not easily accessible to researchers in the speech science community.Los sistemas más novedosos de reconocimiento automático de habla y de locutor suelen basarse en un sistema de coincidencia de patrones. Gracias a este modo de trabajo, se han obtenido unos bajos índices de error de reconocimiento para una variedad de tareas ricas en recursos, cuando se aporta una cantidad abundante de ejemplos de habla y texto para el entrenamiento estadístico de los modelos acústicos y de lenguaje, y siempre que el locutor y las condiciones acústicas y lingüísticas sigan un protocolo estricto. Sin embargo, debido a su aplicación de un proceso ciego de integración del conocimiento de arriba a abajo, dichos sistemas no pueden aprovechar fácilmente toda una serie de conocimientos ya disponibles en la literatura sobre el habla, la acústica y las lenguas. En este artículo presentamos una aproximación de abajo a arriba a la integración del conocimiento, llamada transcripción automática de atributos del habla (conocida en inglés como automatic speech attribute transcription, ASAT). Dicho enfoque pretende ser “rico en conocimiento”, con el fin de poder verificar las fuentes de conocimiento, tanto nuevas como ya existentes, e integrarlas en los actuales sistemas de lengua hablada para mejorar la precisión del reconocimiento y la robustez del sistema. Dado que ASAT ofrece una estrategia de tipo “divide y vencerás” y un plan de juego de “instalación y uso inmediato” (en inglés, plugand-play), esto facilitará una comunidad cooperativa de procesamiento del habla a la que todo investigador pueda contribuir con vistas a mejorar la capacidad de procesamiento del habla, que en la actualidad no es fácilmente accesible a los investigadores de la comunidad de las ciencias del habla