Speech recognition systems and russian pronunciation variation in the context of VoiceInteraction

The present thesis aims to describe the work performed during the internship for the master’s degree in Linguistics at VoiceInteraction, an international Artificial Intelligence (AI) company, specializing in developing speech processing technologies. The goal of the internship was to study phonetic characteristics of the Russian language, attending to four main tasks: description of the phonetic-phonological inventory; validation of transcriptions of broadcast news; validation of a previously created lexicon composed by ten thousand (10 000) most frequently observed words in a text corpus crawled from Russian reference newspapers websites; and integration of filled pauses into the Automatic Speech Recognizer (ASR). Initially, a collection of audio and text broadcast news media from Russian-speaking regions, European Russian, Belarus, and the Caucasus Region, featuring different varieties of Russian was conducted. The extracted data and the company's existing data were used to train the acoustic, pronunciation, and language models. The audio data was automatically processed in a proprietary platform and then revised by human annotators. Transcriptions produced automatically and reviewed by annotators were analyzed, and the most common errors were extracted to provide feedback to the community of annotators. The validation of transcriptions, along with the annotation of all of the disfluencies (that previously were left out), resulted in the decrease of Word Error Rate (WER) in most cases. In some cases (in European Russian transcriptions), WER increased, the models were not sufficiently effective to identify the correct words, potentially problematic. Also, audio with overlapped speech, disfluencies, and acoustic events can impact the WER. Since we used the model that was only trained with European Russian to recognize other varieties of Russian language, it resulted in high WER for Belarus and the Caucasus region. The characterization of the Russian phonetic-phonological inventory and the construction of pronunciation rules for internal and external sandhi phenomena were performed for the validation of the lexicon – ten thousand of the most frequently observed words in a text corpus crawled from Russian reference newspapers websites, were revised and modified for the extraction of linguistic patterns to be used in a statistical Grapheme-to-phone (G2P) model. Two evaluations were conducted: before the modifications to the lexicon and after. Preliminary results without training the model show no significant results - 19.85% WER before the modifications, and 19.97% WER after, with a difference of 0.12%. However, we observed a slight improvement of the most frequent words. In the future, we aim to extend the analysis of the lexicon to the 400 000 entries (total lexicon size), analyze the type of errors that are produced, decrease the word error rate (WER), and analyze acoustic models, as well. In this work, we also studied filled pauses, since we believe that research on filled pauses for the Russian language can improve the recognition system of VoiceInteraction, by reducing the processing time and increasing the quality. These are marked in the transcriptions with “%”. In Russian, according to the literature (Ten, 2015; Harlamova, 2008; Bogradonova-Belgarian & Baeva, 2018), these are %a [a], %am [am], %@ [ə], %@m [əm], %e [e], %ɨ [ɨ], %m [m], and %n [n]. In the speech data, two more filled pauses were found, namely, %na [na] and %mna [mna], as far as we know, not yet referenced in the literature. Finally, the work performed during an internship contributed to a European project - Artificial Intelligence and Advanced Data Analysis for Authority Agencies (AIDA). The main goal of the present project is to build a solution capable of automating the processing of large amounts of data that Law Enforcement Agencies (LEAs) have to analyze in the investigations of Terrorism and Cybercrime, using pioneering machine learning and artificial intelligence methods. VoiceInteraction's main contribution to the project was to apply ASR and validate the transcriptions of the Russian (religious-related content). In order to do so, all the tasks performed during the thesis were very relevant and applied in the scope of the AIDA project. Transcription analysis results from the AIDA project showed a high Out-of-Vocabulary (OOV) rate and high substitution (SUBS) rate. Since the language model used in this project was adapted for broadcast content, the religious-related words were left out. Also, function words were incorrectly recognized, in most cases, due to coarticulation with the previous or the following word.A presente tese descreve o trabalho que foi realizado no âmbito de um estágio em linguística computacional na VoiceInteraction, uma empresa de tecnologias de processamento de fala. Desde o início da sua atividade, a empresa tem-se dedicado ao desenvolvimento de tecnologia própria em várias áreas do processamento computacional da fala, entre elas, síntese de fala, processamento de língua natural e reconhecimento automático de fala, representando esta última a principal área de negócio da empresa. A tecnologia de reconhecimento de automático de fala da VoiceInteraction explora a utilização de modelos híbridos em combinação com as redes neuronais (DNN - Deep Neural Networks), que, segundo Lüscher et al. (2019), apresenta um melhor desempenho, quando comparado com modelos de end-to-end apenas. O objetivo principal do estágio focou-se no estudo da fonética da língua russa, atendendo a quatro tarefas: criação do inventário fonético-fonológico; validação das transcrições de noticiários; validação do léxico previamente criado e integração de pausas preenchidas no sistema. Inicialmente, foi realizada uma recolha dos principais meios de comunicação (áudio e texto), apresentando diferentes variedades do russo, nomeadamente, da Rússia Europeia, Bielorrússia e Cáucaso Central. Na Rússia europeia o russo é a língua oficial, na Bielorrússia o russo faz parte das línguas oficiais do país, e na região do Cáucaso Central, o russo é usado como língua franca, visto que este era falado na União Soviética e continua até hoje a ser falado nas regiões pós-Soviéticas. Tratou-se de abranger a maior cobertura possível da língua russa e neste momento apenas foi possível recolher os dados das variedades mencionadas. Os dados extraídos de momento, juntamente com os dados já existentes na empresa, foram utilizados no treino dos modelos acústicos, modelos de pronúncia e modelos de língua. Para o tratamento dos dados de áudio, estes foram inseridos numa plataforma proprietária da empresa, Calligraphus, que, para além de fornecer uma interface de transcrição para os anotadores humanos poderem transcrever os conteúdos, efetua também uma sugestão de transcrição automática desses mesmos conteúdos, a fim de diminuir o esforço despendido pelos anotadores na tarefa. De seguida, as transcrições foram analisadas, de forma a garantir que o sistema de anotação criado pela VoiceInteraction foi seguido, indicando todas as disfluências de fala (fenómenos característicos da edição da fala), tais como prolongamentos, pausas preenchidas, repetições, entre outros e transcrevendo a fala o mais próximo da realidade. Posteriormente, os erros sistemáticos foram analisados e exportados, de forma a fornecer orientações e sugestões de melhoria aos anotadores humanos e, por outro lado, melhorar o desempenho do sistema de reconhecimento. Após a validação das transcrições, juntamente com a anotação de todas as disfluências (que anteriormente eram deixadas de fora), observamos uma diminuição de WER, na maioria dos casos, tal como esperado. Porém, em alguns casos, observamos um aumento do WER. Apesar das correções efetuadas aos ficheiros analisados, os modelos não foram suficientemente eficazes no reconhecimento das palavras corretas, potencialmente problemáticas. A elevada taxa de WER nos áudios com debates políticos, está relacionada com uma maior frequência de fala sobreposta e disfluências (e.g., pausas preenchidas, prolongamentos). O modelo utilizado para reconhecer todas as variedades foi treinado apenas com a variedade de russo europeu e, por isso, o WER alto também foi observado para as variedades da Bielorrússia e para a região do Cáucaso. Numa perspetiva baseada em dados coletados pela empresa, foi realizada, de igual modo, uma caracterização e descrição do inventário fonético-fonológico do russo e a construção de regras de pronúncia, para fenómenos de sandhi interno e externo (Shcherba, 1957; Litnevskaya, 2006; Lekant, 2007; Popov, 2014). A empresa já empregava, através de um G2P estatístico específico para russo, um inventário fonético para o russo, correspondente à literatura referida anteriormente, mas o mesmo ainda não havia sido validado. Foi possível realizar uma verificação e correção, com base na caracterização dos fones do léxico do russo e nos dados ecológicos obtidos de falantes russos em situações comunicativas diversas. A validação do inventário fonético-fonológico permitiu ainda a consequente validação do léxico de russo. O léxico foi construído com base num conjunto de características (e.g., grafema em posição átona tem como pronúncia correspondente o fone [I] e em posição tónica - [i]; o grafema em posição final de palavra é pronunciado como [- vozeado] - [f]; entre outras características) e foi organizado com base no critério da frequência de uso. No total, foram verificadas dez mil (10 000) palavras mais frequentes do russo, tendo por base as estatísticas resultantes da análise dos conteúdos existentes num repositório de artigos de notícias recolhidos previamente de jornais de referência em língua russa. Foi realizada uma avaliação do sistema de reconhecimento antes e depois da modificação das dez mil palavras mais frequentemente ocorridas no léxico - 19,85% WER antes das modificações, e 19,97% WER depois, com uma diferença de 0,12%. Os resultados preliminares, sem o treino do modelo, não demonstram resultados significativos, porém, observamos uma ligeira melhoria no reconhecimento das palavras mais frequentes, tais como palavras funcionais, acrónimos, verbos, nomes, entre outros. Através destes resultados e com base nas regras criadas a partir da correção das dez mil palavras, pretendemos, no futuro, alargar as mesmas a todo o léxico, constituído por quatrocentas mil (400 000) entradas. Após a validação das transcrições e do léxico, com base na literatura, foi também possível realizar uma análise das pausas preenchidas do russo para a integração no sistema de reconhecimento. O interesse de se incluir também as pausas no reconhecedor automático deveu-se sobretudo a estes mecanismos serem difíceis de identificar automaticamente e poderem ser substituídos ou por afetarem as sequências adjacentes. De acordo com o sistema de anotação da empresa, as pausas preenchidas são marcadas na transcrição com o símbolo de percentagem - %. As pausas preenchidas do russo encontradas na literatura foram %a [a], %am [am] (Rose, 1998; Ten, 2015), %@ [ə], %@m [əm] (Bogdanova-Beglarian & Baeva, 2018) %e [e], %ɨ [ɨ], %m [m] e %n [n] (Harlamova, 2008). Nos dados de áudio disponíveis na referida plataforma, para além das pausas preenchidas mencionadas, foram encontradas mais duas, nomeadamente, %na [na] e %mna [mna], até quanto nos é dado saber, ainda não descritas na literatura. De momento, todas as pausas preenchidas referidas já fazem parte dos modelos de reconhecimento automático de fala para a língua russa. O trabalho desenvolvido durante o estágio, ou seja, a validação dos dados existentes na empresa, foi aplicado ao projeto europeu AIDA - The Artificial Intelligence and Advanced Data Analysis for Authority Agencies. O objetivo principal do presente projeto é de criar uma solução capaz de detetar possíveis crimes informáticos e de terrorismo, utilizando métodos de aprendizagem automática. A principal contribuição da VoiceInteraction para o projeto foi a aplicação do ASR e validação das transcrições do russo (conteúdo relacionado com a religião). Para tal, todas as tarefas realizadas durante a tese foram muito relevantes e aplicadas no âmbito do projeto AIDA. Os resultados da validação das transcrições do projeto, mostraram uma elevada taxa de palavras Fora de Vocabulário (OOV) e uma elevada taxa de Substituição (SUBS). Uma vez que o modelo de língua utilizado neste projeto foi adaptado ao conteúdo noticioso, as palavras relacionadas com a religião não se encontravam neste. Além disso, as palavras funcionais foram incorretamente reconhecidas, na maioria dos casos, devido à coarticulação com a palavra anterior ou a seguinte

Strategies for Handling Out-of-Vocabulary Words in Automatic Speech Recognition

Nowadays, most ASR (automatic speech recognition) systems deployed in industry are closed-vocabulary systems, meaning we have a limited vocabulary of words the system can recognize, and where pronunciations are provided to the system. Words out of this vocabulary are called out-of-vocabulary (OOV) words, for which either pronunciations or both spellings and pronunciations are not known to the system. The basic motivations of developing strategies to handle OOV words are: First, in the training phase, missing or wrong pronunciations of words in training data results in poor acoustic models. Second, in the test phase, words out of the vocabulary cannot be recognized at all, and mis-recognition of OOV words may affect recognition performance of its in-vocabulary neighbors as well. Therefore, this dissertation is dedicated to exploring strategies of handling OOV words in closed-vocabulary ASR. First, we investigate dealing with OOV words in ASR training data, by introducing an acoustic-data driven pronunciation learning framework using a likelihood-reduction based criterion for selecting pronunciation candidates from multiple sources, i.e. standard grapheme-to-phoneme algorithms (G2P) and phonetic decoding, in a greedy fashion. This framework effectively expands a small hand-crafted pronunciation lexicon to cover OOV words, for which the learned pronunciations have higher quality than approaches using G2P alone or using other baseline pruning criteria. Furthermore, applying the proposed framework to generate alternative pronunciations for in-vocabulary (IV) words improves both recognition performance on relevant words and overall acoustic model performance. Second, we investigate dealing with OOV words in ASR test data, i.e. OOV detection and recovery. We first conduct a comparative study of a hybrid lexical model (HLM) approach for OOV detection, and several baseline approaches, with the conclusion that the HLM approach outperforms others in both OOV detection and first pass OOV recovery performance. Next, we introduce a grammar-decoding framework for efficient second pass OOV recovery, showing that with properly designed schemes of estimating OOV unigram probabilities, the framework significantly improves OOV recovery and overall decoding performance compared to first pass decoding. Finally we propose an open-vocabulary word-level recurrent neural network language model (RNNLM) re-scoring framework, making it possible to re-score lattices containing recovered OOVs using a single word-level RNNLM, that was ignorant of OOVs when it was trained. Above all, the whole OOV recovery pipeline shows the potential of a highly efficient open-vocabulary word-level ASR decoding framework, tightly integrated into a standard WFST decoding pipeline

Lost and Found in Translation: Cross-Lingual Question Answering with Result Translation

Using cross-lingual question answering (CLQA), users can find information in languages that they do not know. In this thesis, we consider the broader problem of CLQA with result translation, where answers retrieved by a CLQA system must be translated back to the user's language by a machine translation (MT) system. This task is challenging because answers must be both relevant to the question and adequately translated in order to be correct. In this work, we show that integrating the MT closely with cross-lingual retrieval can improve result relevance and we further demonstrate that automatically correcting errors in the MT output can improve the adequacy of translated results. To understand the task better, we undertake detailed error analyses examining the impact of MT errors on CLQA with result translation. We identify which MT errors are most detrimental to the task and how different cross-lingual information retrieval (CLIR) systems respond to different kinds of MT errors. We describe two main types of CLQA errors caused by MT errors: lost in retrieval errors, where relevant results are not returned, and lost in translation errors, where relevant results are perceived irrelevant due to inadequate MT. To address the lost in retrieval errors, we introduce two novel models for cross-lingual information retrieval that combine complementary source-language and target-language information from MT. We show empirically that these hybrid, bilingual models outperform both monolingual models and a prior hybrid model. Even once relevant results are retrieved, if they are not translated adequately, users will not understand that they are relevant. Rather than improving a specific MT system, we take a more general approach that can be applied to the output of any MT system. Our adequacy-oriented automatic post-editors (APEs) use resources from the CLQA context and information from the MT system to automatically detect and correct phrase-level errors in MT at query time, focusing on the errors that are most likely to impact CLQA: deleted or missing content words and mistranslated named entities. Human evaluations show that these adequacy-oriented APEs can successfully adapt task-agnostic MT systems to the needs of the CLQA task. Since there is no existing test data for translingual QA or IR tasks, we create a translingual information retrieval (TLIR) evaluation corpus. Furthermore, we develop an analysis framework for isolating the impact of MT errors on CLIR and on result understanding, as well as evaluating the whole TLIR task. We use the TLIR corpus to carry out a task-embedded MT evaluation, which shows that our CLIR models address lost in retrieval errors, resulting in higher TLIR recall; and that the APEs successfully correct many lost in translation errors, leading to more adequately translated results

Character Recognition

Character recognition is one of the pattern recognition technologies that are most widely used in practical applications. This book presents recent advances that are relevant to character recognition, from technical topics such as image processing, feature extraction or classification, to new applications including human-computer interfaces. The goal of this book is to provide a reference source for academic research and for professionals working in the character recognition field