Automatic Speech Recognition for Low-resource Languages and Accents Using Multilingual and Crosslingual Information

This thesis explores methods to rapidly bootstrap automatic speech recognition systems for languages, which lack resources for speech and language processing. We focus on finding approaches which allow using data from multiple languages to improve the performance for those languages on different levels, such as feature extraction, acoustic modeling and language modeling. Under application aspects, this thesis also includes research work on non-native and Code-Switching speech

Sparse and Low-rank Modeling for Automatic Speech Recognition

This thesis deals with exploiting the low-dimensional multi-subspace structure of speech towards the goal of improving acoustic modeling for automatic speech recognition (ASR). Leveraging the parsimonious hierarchical nature of speech, we hypothesize that whenever a speech signal is measured in a high-dimensional feature space, the true class information is embedded in low-dimensional subspaces whereas noise is scattered as random high-dimensional erroneous estimations in the features. In this context, the contribution of this thesis is twofold: (i) identify sparse and low-rank modeling approaches as excellent tools for extracting the class-specific low-dimensional subspaces in speech features, and (ii) employ these tools under novel ASR frameworks to enrich the acoustic information present in the speech features towards the goal of improving ASR. Techniques developed in this thesis focus on deep neural network (DNN) based posterior features which, under the sparse and low-rank modeling approaches, unveil the underlying class-specific low-dimensional subspaces very elegantly. In this thesis, we tackle ASR tasks of varying difficulty, ranging from isolated word recognition (IWR) and connected digit recognition (CDR) to large-vocabulary continuous speech recognition (LVCSR). For IWR and CDR, we propose a novel \textit{Compressive Sensing} (CS) perspective towards ASR. Here exemplar-based speech recognition is posed as a problem of recovering sparse high-dimensional word representations from compressed low-dimensional phonetic representations. In the context of LVCSR, this thesis argues that albeit their power in representation learning, DNN based acoustic models still have room for improvement in exploiting the \textit{union of low-dimensional subspaces} structure of speech data. Therefore, this thesis proposes to enhance DNN posteriors by projecting them onto the manifolds of the underlying classes using principal component analysis (PCA) or compressive sensing based dictionaries. Projected posteriors are shown to be more accurate training targets for learning better acoustic models, resulting in improved ASR performance. The proposed approach is evaluated on both close-talk and far-field conditions, confirming the importance of sparse and low-rank modeling of speech in building a robust ASR framework. Finally, the conclusions of this thesis are further consolidated by an information theoretic analysis approach which explicitly quantifies the contribution of proposed techniques in improving ASR

High Performance Neural Networks for Online Speech Recognizer

Automatische Spracherkennung (engl. automatic speech recognition, ASR) beschreibt die Fähigkeit einer Maschine, Wörter und Ausdrücke gesprochener Sprache zu identifizieren und diese in ein für Menschen lesbares Format zu konvertieren. Die Anwendungen sind ein maßgeblicher Teil des digitalen Lebens bspw. wird der Dialog zwischen Mensch und Maschine oder ein Dialog zwischen Menschen, die unterschiedliche Muttersprachen sprechen, ermöglicht. Um diese Fähigkeit in vollem Maße zu gewährleisten, müssen ASR-Anwendungen nicht nur mit hoher Genauigkeit, sondern, für eine Interaktion mit einem Benutzer, auch schnell genug, antworten. Dieses Wechselspiel beider Bedingungen eröffnet das Forschungsgebiet der Online Speech Recognition, welche sich von der konventionellen Spracherkennung, die sich ausschließlich mit dem Problem der Genauigkeit befasst, unterscheidet. Schon über ein halbes Jahrhundert wird aktiv in der automatischen Spracherkennung geforscht. Verschiedene Muster- und Template-Matching-Methoden wurden bis Mitte 1980 erforscht, als das Hidden Markov Model (HMM) einen Durchbruch zur Lösung der Spracherkennungsaufgabe ermöglichte. Der HMM-Ansatz schafft ein allgemeines Framework, welches Schwankungen in der Zeit sowie Spektrums-Domäne der Sprache statistisch entkoppelt und modelliert. Ein HMM-basierter Erkenner wird auf eine komplexe Pipeline aufgesetzt, welche aus etlichen statistischen und nicht-statistischen Komponenten, wie bspw. einem Aussprachewörterbuch, HMM-Topologien, Phonem-Cluster-Bäumen, einem akustischen Modell und einem Sprachmodell, besteht. Durch aktuelle Fortschritte bei künstlichen neuronalen Netzen (KNN) für die akustische sowie sprachliche Modellierung dominiert der hybride HMM/KNN-Ansatz in unterschiedlichen ASR-Anwendungen. In den letzten Jahren hat die Einführung komplett neuronaler Ende-zu-Ende Spracherkennungssystems, welche eine neuronale Netzwerkarchitektur verwenden, um die direkt Abbildung eines akustischen Signals zu einer textuellen Transkription zu approximieren, großes Interesse auf sich gezogen. Die Vorteile des Ende-zu-Ende-Ansatzes liegen in der Einfachheit des Trainings eines kompletten Spracherkennungssystems, wobei die komplexe Struktur einer HMM-basierten Pipeline entfällt. Gleichzeitig benötigt die Ende-zu-Ende ASR oft eine wesentlich größere Trainingsdatenmenge und es ist eine größere Herausforderung ein Ende-zu-Ende Modell so anzupassen, dass es auf einer neuen Aufgabe gut abschneidet. Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung eines hoch-performanten Spracherkennungssystems für ein Online- und Streaming-Szenario. Der Autor erreichte dies durch ein Vorgehen in zwei Schritten. Im ersten Schritt wurden vielfältige Techniken im HMM-KNN- und Ende-zu-Ende-Paradigma angewandt, um ein hoch-performantes System im Batch-Mode zu bauen. Batch-Mode bedeutet, dass die vollständigen Audiodaten beim Start der Verarbeitung zur Verfügung stehen. Im zweiten Schritt wurden effiziente Anpassungen untersucht, die einem hoch-performanten Batch-Mode-System ermöglichen Inferenzen online bzw. fortlaufend durchzuführen. Gleichzeitig wurden neuartige Algorithmen zu Reduktion der wahrgenommenen Latenz, welche das kritischste Problem von online Spracherkennern ist, entwickelt. Erster Schritt. Die vorgestellte Techniken, die auf hochperformante Ergebnisse abzielen, können anhand deren Position in der Spracherkennungs-Pipeline, wie Merkmalsextraktion und Daten-Augmentierung, kategorisiert werden. Bevor Sprachsignale eine digitale Form annehmen, sind sie als Ergebnis der Faltung mehrere Frequenzkomponenten in einem großen Dynamikumfang bekannt. Diese Merkmale können drastisch durch natürliche Faktoren, wie bspw. unterschiedliche Sprecher, Umgebungen order Aufnahmegeräte, beeinflusst werden. Die große Varianz der Sprachsignale verursacht typischerweise die Diskrepanz zwischen Training und Test und kann die Erkennungsleistung drastisch verschlechtern. Diese Diskrepanz gehen wir durch zwei high-level Ansätze, welche auf Neuronalen Netzen basieren, in der Merkmalsextraktion an. Wir zeigten, dass auf tiefe neuronale Netze (DNN) basierte akustische Modelle, die mittels dieser Sprecher-angepasster Merkmale trainiert wurden, in Bezug auf die Wortfehlerrate (WER) relativ, bis zu 19% besser abschneiden, als herkömmliche Merkmalsextraktionen. Im zweiten Ansatz wird ein Long short-term memory (LSTM) Netzwerk, das mittels Connectionist Temporal Classification (CTC) Kriterium auf Phon-Labeln trainiert wurde, als High-Level Merkmals-Transformation verwendet. Die Kombination der aus dem CTC-Netzwerk extrahierten Merkmale und der Bottleneck-Merkmale ergab einen effizienten Merkmalsraum, der ein DNN-basiertes akustisches Modell ein starkes CTC-basierendes Baseline Modell mit deutlichem Vorsprung übertreffen ließ. Darüber hinaus zeigten wir, dass die Verwendung einer Standard Cepstral Mean und Varianz Normalisierung (CMVN) als low-level Merkmalsextraktion in einer potenziellen Diskrepanz von Offline Training und Online Test resultiert und schlugen eine Lineare Diskriminaz Analyse (LDA), die auf linearer Transformation basiert, als Ersatz vor. Daten-Augmentierung wurde in der Spracherkennung verwendet, um zusätzliche Trainingsdaten zu generieren und so die Qualität der Trainingsdaten zu erhöhen. Diese Technik verbessert die Robustheit des Modells und verhindert Overfitting. Wir zeigten, dass Overfitting das kritischste Problem beim Training eines Ende-zu-Ende Sequence-to-sequence (S2S) Modells für die Spracherkennungsaufgabe ist und stellten zwei neuartige on-the-fly Daten-Augmentierungsmethoden als Lösung vor. Die erste Methode (dynamic time stretching) simuliert den Effekt von Geschwindigkeitsänderungen durch eine direkte Manipulation der zeitlichen Folge an Frequenzvektoren durch eine Echtzeit-Interpolationsfunktion. In der zweiten Methode zeigten wir eine effiziente Strategie, um gesprochene Sätze on-the-fly zu sub-samplen und so die Trainingsdatenmenge mit mehrere Varianten eines einzelnen Samples zu vergrößern. Wir zeigten, dass diese Methoden sehr effizient sind, um Overfitting zu vermeiden und die Kombination mit der SpecAugment-Methode aus der Literatur verbesserte die Leistung des vorgestellten S2S-Modells zu einem State-of-the-Art auf dem Benchmark für Telefongespräche. Zweiter Schritt. Wir zeigten, dass die vorgestellten Hoch-leistungs-Batch-Mode ASR Systeme des hybriden (HMM/KNN) und Ende-zu-Ende Paradigmas die Anforderungen in einer online bzw. realen Situation, durch zusätzliche Anpassungen und Inferenz-Techniken, erfüllen. Weder der üblicherweise verwendete Echtzeitfaktor, noch die Commitment-Latenz sind ausreichend, um die vom Benutzer wahrgenommene Latenz aufzuzeigen. Wir stellten eine neuartige und effiziente Methode zur Messung der vom Benutzer wahrgenommenen Latenz in einer Online- und Streaming-Situation vor. Wir zeigten weiter auf, dass ein fortlaufender HMM/KNN Erkenner entweder für den Latenzhöchstwert oder die mittlere Latenz optimiert werden sollte, um das Nutzererlebnis zu verbessern. Um die Latenzmetrik zu optimieren, führten wir einen Mechanismus ein (Hypothese Update), welcher erlaubt hypothetische Transkripte früh zum Benutzer zu schicken und diese später teilweise zu korrigieren. In Experimenten in einer realen Situation in der Vorlesungspräsentations-Domäne konnte gezeigt werden, dass dieses Vorgehen die Wort-basierte Latenz unseres Erkenners stark reduziert, d.h. von 2,10 auf 1,09 Sekunden. Das Sequence-to-sequence (S2S) Attention-basiertes Modell ist für Ende-zu-Ende Spracherkennung zunehmend beliebt geworden. Etliche Vorteile der Architektur und der Optimierung eines S2S-Modells wurde vorgestellt, um State-of-the-Art Ergebnisse auf Standard-Benchmarks zu erreichen. Wie S2S-Modelle mit ihrem Batch-Mode Kapazität aber für eine online Spracherkennung gebraucht werden können, ist dennoch eine offene Forschungsfrage. Wir näherten uns diesem Problem, indem wir die Latenzprobleme, die durch die normale Softmax-Attention Funktion, bidirektionale Encoder und die Inferenz mit Strahlensuche verursacht wurden, analysierten. Wir nahmen uns all dieser Latenzprobleme in einem an, in dem wir einen zusätzlichen Trainings-Loss, um die Unsicherheit der Attention-Funktion auf Frames auf die vorausgeblickt wird, und einen neuartigen Inferenz-Algorithmus, der partielle Hypothesen bestimmt, vorstellen. Unsere Experimente auf dem Datensatz mit Telefongesprächen zeigten, dass unser Stream-Erkenner, mit einer Verzögerung von 1,5~Sekunden für alle Ausgabeelemente, in vollem Umfang die Performanz eines Batch-Mode-Systems derselben Konfiguration erreicht. Nach bestem Wissen ist dies das erste Mal, dass ein S2S-Spracherkennungsmodell in einer online Situation ohne Einbußen in der Genauigkeit genutzt werden kann

A Review of Deep Learning Techniques for Speech Processing

The field of speech processing has undergone a transformative shift with the advent of deep learning. The use of multiple processing layers has enabled the creation of models capable of extracting intricate features from speech data. This development has paved the way for unparalleled advancements in speech recognition, text-to-speech synthesis, automatic speech recognition, and emotion recognition, propelling the performance of these tasks to unprecedented heights. The power of deep learning techniques has opened up new avenues for research and innovation in the field of speech processing, with far-reaching implications for a range of industries and applications. This review paper provides a comprehensive overview of the key deep learning models and their applications in speech-processing tasks. We begin by tracing the evolution of speech processing research, from early approaches, such as MFCC and HMM, to more recent advances in deep learning architectures, such as CNNs, RNNs, transformers, conformers, and diffusion models. We categorize the approaches and compare their strengths and weaknesses for solving speech-processing tasks. Furthermore, we extensively cover various speech-processing tasks, datasets, and benchmarks used in the literature and describe how different deep-learning networks have been utilized to tackle these tasks. Additionally, we discuss the challenges and future directions of deep learning in speech processing, including the need for more parameter-efficient, interpretable models and the potential of deep learning for multimodal speech processing. By examining the field's evolution, comparing and contrasting different approaches, and highlighting future directions and challenges, we hope to inspire further research in this exciting and rapidly advancing field

Rapid Generation of Pronunciation Dictionaries for new Domains and Languages

This dissertation presents innovative strategies and methods for the rapid generation of pronunciation dictionaries for new domains and languages. Depending on various conditions, solutions are proposed and developed. Starting from the straightforward scenario in which the target language is present in written form on the Internet and the mapping between speech and written language is close up to the difficult scenario in which no written form for the target language exists

Low-resource speech translation

We explore the task of speech-to-text translation (ST), where speech in one language (source) is converted to text in a different one (target). Traditional ST systems go through an intermediate step where the source language speech is first converted to source language text using an automatic speech recognition (ASR) system, which is then converted to target language text using a machine translation (MT) system. However, this pipeline based approach is impractical for unwritten languages spoken by millions of people around the world, leaving them without access to free and automated translation services such as Google Translate. The lack of such translation services can have important real-world consequences. For example, in the aftermath of a disaster scenario, easily available translation services can help better co-ordinate relief efforts. How can we expand the coverage of automated ST systems to include scenarios which lack source language text? In this thesis we investigate one possible solution: we build ST systems to directly translate source language speech into target language text, thereby forgoing the dependency on source language text. To build such a system, we use only speech data paired with text translations as training data. We also specifically focus on low-resource settings, where we expect at most tens of hours of training data to be available for unwritten or endangered languages. Our work can be broadly divided into three parts. First we explore how we can leverage prior work to build ST systems. We find that neural sequence-to-sequence models are an effective and convenient method for ST, but produce poor quality translations when trained in low-resource settings. In the second part of this thesis, we explore methods to improve the translation performance of our neural ST systems which do not require labeling additional speech data in the low-resource language, a potentially tedious and expensive process. Instead we exploit labeled speech data for high-resource languages which is widely available and relatively easier to obtain. We show that pretraining a neural model with ASR data from a high-resource language, different from both the source and target ST languages, improves ST performance. In the final part of our thesis, we study whether ST systems can be used to build applications which have traditionally relied on the availability of ASR systems, such as information retrieval, clustering audio documents, or question/answering. We build proof-of-concept systems for two downstream applications: topic prediction for speech and cross-lingual keyword spotting. Our results indicate that low-resource ST systems can still outperform simple baselines for these tasks, leaving the door open for further exploratory work. This thesis provides, for the first time, an in-depth study of neural models for the task of direct ST across a range of training data settings on a realistic multi-speaker speech corpus. Our contributions include a set of open-source tools to encourage further research

Exploiting Untranscribed Broadcast Data for Improved Code-switching Detection

Contains fulltext : 178860.PDF (publisher's version ) (Open Access)Interspeech 2017, 20 augustus 201