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

Domain Adaptation for Inertial Measurement Unit-based Human Activity Recognition: A Survey

Machine learning-based wearable human activity recognition (WHAR) models enable the development of various smart and connected community applications such as sleep pattern monitoring, medication reminders, cognitive health assessment, sports analytics, etc. However, the widespread adoption of these WHAR models is impeded by their degraded performance in the presence of data distribution heterogeneities caused by the sensor placement at different body positions, inherent biases and heterogeneities across devices, and personal and environmental diversities. Various traditional machine learning algorithms and transfer learning techniques have been proposed in the literature to address the underpinning challenges of handling such data heterogeneities. Domain adaptation is one such transfer learning techniques that has gained significant popularity in recent literature. In this paper, we survey the recent progress of domain adaptation techniques in the Inertial Measurement Unit (IMU)-based human activity recognition area, discuss potential future directions

Advances in deep learning methods for speech recognition and understanding

Ce travail expose plusieurs études dans les domaines de la reconnaissance de la parole et compréhension du langage parlé. La compréhension sémantique du langage parlé est un sous-domaine important de l'intelligence artificielle. Le traitement de la parole intéresse depuis longtemps les chercheurs, puisque la parole est une des charactéristiques qui definit l'être humain. Avec le développement du réseau neuronal artificiel, le domaine a connu une évolution rapide à la fois en terme de précision et de perception humaine. Une autre étape importante a été franchie avec le développement d'approches bout en bout. De telles approches permettent une coadaptation de toutes les parties du modèle, ce qui augmente ainsi les performances, et ce qui simplifie la procédure d'entrainement. Les modèles de bout en bout sont devenus réalisables avec la quantité croissante de données disponibles, de ressources informatiques et, surtout, avec de nombreux développements architecturaux innovateurs. Néanmoins, les approches traditionnelles (qui ne sont pas bout en bout) sont toujours pertinentes pour le traitement de la parole en raison des données difficiles dans les environnements bruyants, de la parole avec un accent et de la grande variété de dialectes. Dans le premier travail, nous explorons la reconnaissance de la parole hybride dans des environnements bruyants. Nous proposons de traiter la reconnaissance de la parole, qui fonctionne dans un nouvel environnement composé de différents bruits inconnus, comme une tâche d'adaptation de domaine. Pour cela, nous utilisons la nouvelle technique à l'époque de l'adaptation du domaine antagoniste. En résumé, ces travaux antérieurs proposaient de former des caractéristiques de manière à ce qu'elles soient distinctives pour la tâche principale, mais non-distinctive pour la tâche secondaire. Cette tâche secondaire est conçue pour être la tâche de reconnaissance de domaine. Ainsi, les fonctionnalités entraînées sont invariantes vis-à-vis du domaine considéré. Dans notre travail, nous adoptons cette technique et la modifions pour la tâche de reconnaissance de la parole dans un environnement bruyant. Dans le second travail, nous développons une méthode générale pour la régularisation des réseaux génératif récurrents. Il est connu que les réseaux récurrents ont souvent des difficultés à rester sur le même chemin, lors de la production de sorties longues. Bien qu'il soit possible d'utiliser des réseaux bidirectionnels pour une meilleure traitement de séquences pour l'apprentissage des charactéristiques, qui n'est pas applicable au cas génératif. Nous avons développé un moyen d'améliorer la cohérence de la production de longues séquences avec des réseaux récurrents. Nous proposons un moyen de construire un modèle similaire à un réseau bidirectionnel. L'idée centrale est d'utiliser une perte L2 entre les réseaux récurrents génératifs vers l'avant et vers l'arrière. Nous fournissons une évaluation expérimentale sur une multitude de tâches et d'ensembles de données, y compris la reconnaissance vocale, le sous-titrage d'images et la modélisation du langage. Dans le troisième article, nous étudions la possibilité de développer un identificateur d'intention de bout en bout pour la compréhension du langage parlé. La compréhension sémantique du langage parlé est une étape importante vers le développement d'une intelligence artificielle de type humain. Nous avons vu que les approches de bout en bout montrent des performances élevées sur les tâches, y compris la traduction automatique et la reconnaissance de la parole. Nous nous inspirons des travaux antérieurs pour développer un système de bout en bout pour la reconnaissance de l'intention.This work presents several studies in the areas of speech recognition and understanding. The semantic speech understanding is an important sub-domain of the broader field of artificial intelligence. Speech processing has had interest from the researchers for long time because language is one of the defining characteristics of a human being. With the development of neural networks, the domain has seen rapid progress both in terms of accuracy and human perception. Another important milestone was achieved with the development of end-to-end approaches. Such approaches allow co-adaptation of all the parts of the model thus increasing the performance, as well as simplifying the training procedure. End-to-end models became feasible with the increasing amount of available data, computational resources, and most importantly with many novel architectural developments. Nevertheless, traditional, non end-to-end, approaches are still relevant for speech processing due to challenging data in noisy environments, accented speech, and high variety of dialects. In the first work, we explore the hybrid speech recognition in noisy environments. We propose to treat the recognition in the unseen noise condition as the domain adaptation task. For this, we use the novel at the time technique of the adversarial domain adaptation. In the nutshell, this prior work proposed to train features in such a way that they are discriminative for the primary task, but non-discriminative for the secondary task. This secondary task is constructed to be the domain recognition task. Thus, the features trained are invariant towards the domain at hand. In our work, we adopt this technique and modify it for the task of noisy speech recognition. In the second work, we develop a general method for regularizing the generative recurrent networks. It is known that the recurrent networks frequently have difficulties staying on same track when generating long outputs. While it is possible to use bi-directional networks for better sequence aggregation for feature learning, it is not applicable for the generative case. We developed a way improve the consistency of generating long sequences with recurrent networks. We propose a way to construct a model similar to bi-directional network. The key insight is to use a soft L2 loss between the forward and the backward generative recurrent networks. We provide experimental evaluation on a multitude of tasks and datasets, including speech recognition, image captioning, and language modeling. In the third paper, we investigate the possibility of developing an end-to-end intent recognizer for spoken language understanding. The semantic spoken language understanding is an important step towards developing a human-like artificial intelligence. We have seen that the end-to-end approaches show high performance on the tasks including machine translation and speech recognition. We draw the inspiration from the prior works to develop an end-to-end system for intent recognition

Confidence Score Based Speaker Adaptation of Conformer Speech Recognition Systems

Speaker adaptation techniques provide a powerful solution to customise automatic speech recognition (ASR) systems for individual users. Practical application of unsupervised model-based speaker adaptation techniques to data intensive end-to-end ASR systems is hindered by the scarcity of speaker-level data and performance sensitivity to transcription errors. To address these issues, a set of compact and data efficient speaker-dependent (SD) parameter representations are used to facilitate both speaker adaptive training and test-time unsupervised speaker adaptation of state-of-the-art Conformer ASR systems. The sensitivity to supervision quality is reduced using a confidence score-based selection of the less erroneous subset of speaker-level adaptation data. Two lightweight confidence score estimation modules are proposed to produce more reliable confidence scores. The data sparsity issue, which is exacerbated by data selection, is addressed by modelling the SD parameter uncertainty using Bayesian learning. Experiments on the benchmark 300-hour Switchboard and the 233-hour AMI datasets suggest that the proposed confidence score-based adaptation schemes consistently outperformed the baseline speaker-independent (SI) Conformer model and conventional non-Bayesian, point estimate-based adaptation using no speaker data selection. Similar consistent performance improvements were retained after external Transformer and LSTM language model rescoring. In particular, on the 300-hour Switchboard corpus, statistically significant WER reductions of 1.0%, 1.3%, and 1.4% absolute (9.5%, 10.9%, and 11.3% relative) were obtained over the baseline SI Conformer on the NIST Hub5'00, RT02, and RT03 evaluation sets respectively. Similar WER reductions of 2.7% and 3.3% absolute (8.9% and 10.2% relative) were also obtained on the AMI development and evaluation sets.Comment: IEEE/ACM Transactions on Audio, Speech, and Language Processin