Low latency modeling of temporal contexts for speech recognition

This thesis focuses on the development of neural network acoustic models for large vocabulary continuous speech recognition (LVCSR) to satisfy the design goals of low latency and low computational complexity. Low latency enables online speech recognition; and low computational complexity helps reduce the computational cost both during training and inference. Long span sequential dependencies and sequential distortions in the input vector sequence are a major challenge in acoustic modeling. Recurrent neural networks have been shown to effectively model these dependencies. Specifically, bidirectional long short term memory (BLSTM) networks, provide state-of-the-art performance across several LVCSR tasks. However the deployment of bidirectional models for online LVCSR is non-trivial due to their large latency; and unidirectional LSTM models are typically preferred. In this thesis we explore the use of hierarchical temporal convolution to model long span temporal dependencies. We propose a sub-sampled variant of these temporal convolution neural networks, termed time-delay neural networks (TDNNs). These sub-sampled TDNNs reduce the computation complexity by ~5x, compared to TDNNs, during frame randomized pre-training. These models are shown to be effective in modeling long-span temporal contexts, however there is a performance gap compared to (B)LSTMs. As recent advancements in acoustic model training have eliminated the need for frame randomized pre-training we modify the TDNN architecture to use higher sampling rates, as the increased computation can be amortized over the sequence. These variants of sub- sampled TDNNs provide performance superior to unidirectional LSTM networks, while also affording a lower real time factor (RTF) during inference. However we show that the BLSTM models outperform both the TDNN and LSTM models. We propose a hybrid architecture interleaving temporal convolution and LSTM layers which is shown to outperform the BLSTM models. Further we improve these BLSTM models by using higher frame rates at lower layers and show that the proposed TDNN- LSTM model performs similar to these superior BLSTM models, while reducing the overall latency to 200 ms. Finally we describe an online system for reverberation robust ASR, using the above described models in conjunction with other data augmentation techniques like reverberation simulation, which simulates far-field environments, and volume perturbation, which helps tackle volume variation even without gain normalization

Streaming Automatic Speech Recognition with Hybrid Architectures and Deep Neural Network Models

Tesis por compendio[ES] Durante la última década, los medios de comunicación han experimentado una revolución, alejándose de la televisión convencional hacia las plataformas de contenido bajo demanda. Además, esta revolución no ha cambiado solamente la manera en la que nos entretenemos, si no también la manera en la que aprendemos. En este sentido, las plataformas de contenido educativo bajo demanda también han proliferado para proporcionar recursos educativos de diversos tipos. Estas nuevas vías de distribución de contenido han llegado con nuevos requisitos para mejorar la accesibilidad, en particular las relacionadas con las dificultades de audición y las barreras lingüísticas. Aquí radica la oportunidad para el reconocimiento automático del habla (RAH) para cumplir estos requisitos, proporcionando subtitulado automático de alta calidad. Este subtitulado proporciona una base sólida para reducir esta brecha de accesibilidad, especialmente para contenido en directo o streaming. Estos sistemas de streaming deben trabajar bajo estrictas condiciones de tiempo real, proporcionando la subtitulación tan rápido como sea posible, trabajando con un contexto limitado. Sin embargo, esta limitación puede conllevar una degradación de la calidad cuando se compara con los sistemas para contenido en diferido u offline. Esta tesis propone un sistema de RAH en streaming con baja latencia, con una calidad similar a un sistema offline. Concretamente, este trabajo describe el camino seguido desde el sistema offline híbrido inicial hasta el eficiente sistema final de reconocimiento en streaming. El primer paso es la adaptación del sistema para efectuar una sola iteración de reconocimiento haciendo uso de modelos de lenguaje estado del arte basados en redes neuronales. En los sistemas basados en múltiples iteraciones estos modelos son relegados a una segunda (o posterior) iteración por su gran coste computacional. Tras adaptar el modelo de lenguaje, el modelo acústico basado en redes neuronales también tiene que adaptarse para trabajar con un contexto limitado. La integración y la adaptación de estos modelos es ampliamente descrita en esta tesis, evaluando el sistema RAH resultante, completamente adaptado para streaming, en conjuntos de datos académicos extensamente utilizados y desafiantes tareas basadas en contenidos audiovisuales reales. Como resultado, el sistema proporciona bajas tasas de error con un reducido tiempo de respuesta, comparables al sistema offline.[CA] Durant l'última dècada, els mitjans de comunicació han experimentat una revolució, allunyant-se de la televisió convencional cap a les plataformes de contingut sota demanda. A més a més, aquesta revolució no ha canviat només la manera en la que ens entretenim, si no també la manera en la que aprenem. En aquest sentit, les plataformes de contingut educatiu sota demanda també han proliferat pera proporcionar recursos educatius de diversos tipus. Aquestes noves vies de distribució de contingut han arribat amb nous requisits per a millorar l'accessibilitat, en particular les relacionades amb les dificultats d'audició i les barreres lingüístiques. Aquí radica l'oportunitat per al reconeixement automàtic de la parla (RAH) per a complir aquests requisits, proporcionant subtitulat automàtic d'alta qualitat. Aquest subtitulat proporciona una base sòlida per a reduir aquesta bretxa d'accessibilitat, especialment per a contingut en directe o streaming. Aquests sistemes han de treballar sota estrictes condicions de temps real, proporcionant la subtitulació tan ràpid com sigui possible, treballant en un context limitat. Aquesta limitació, però, pot comportar una degradació de la qualitat quan es compara amb els sistemes per a contingut en diferit o offline. Aquesta tesi proposa un sistema de RAH en streaming amb baixa latència, amb una qualitat similar a un sistema offline. Concretament, aquest treball descriu el camí seguit des del sistema offline híbrid inicial fins l'eficient sistema final de reconeixement en streaming. El primer pas és l'adaptació del sistema per a efectuar una sola iteració de reconeixement fent servir els models de llenguatge de l'estat de l'art basat en xarxes neuronals. En els sistemes basats en múltiples iteracions aquests models son relegades a una segona (o posterior) iteració pel seu gran cost computacional. Un cop el model de llenguatge s'ha adaptat, el model acústic basat en xarxes neuronals també s'ha d'adaptar per a treballar amb un context limitat. La integració i l'adaptació d'aquests models és àmpliament descrita en aquesta tesi, avaluant el sistema RAH resultant, completament adaptat per streaming, en conjunts de dades acadèmiques àmpliament utilitzades i desafiants tasques basades en continguts audiovisuals reals. Com a resultat, el sistema proporciona baixes taxes d'error amb un reduït temps de resposta, comparables al sistema offline.[EN] Over the last decade, the media have experienced a revolution, turning away from the conventional TV in favor of on-demand platforms. In addition, this media revolution not only changed the way entertainment is conceived but also how learning is conducted. Indeed, on-demand educational platforms have also proliferated and are now providing educational resources on diverse topics. These new ways to distribute content have come along with requirements to improve accessibility, particularly related to hearing difficulties and language barriers. Here is the opportunity for automatic speech recognition (ASR) to comply with these requirements by providing high-quality automatic captioning. Automatic captioning provides a sound basis for diminishing the accessibility gap, especially for live or streaming content. To this end, streaming ASR must work under strict real-time conditions, providing captions as fast as possible, and working with limited context. However, this limited context usually leads to a quality degradation as compared to the pre-recorded or offline content. This thesis is aimed at developing low-latency streaming ASR with a quality similar to offline ASR. More precisely, it describes the path followed from an initial hybrid offline system to an efficient streaming-adapted system. The first step is to perform a single recognition pass using a state-of-the-art neural network-based language model. In conventional multi-pass systems, this model is often deferred to the second or later pass due to its computational complexity. As with the language model, the neural-based acoustic model is also properly adapted to work with limited context. The adaptation and integration of these models is thoroughly described and assessed using fully-fledged streaming systems on well-known academic and challenging real-world benchmarks. In brief, it is shown that the proposed adaptation of the language and acoustic models allows the streaming-adapted system to reach the accuracy of the initial offline system with low latency.Jorge Cano, J. (2022). Streaming Automatic Speech Recognition with Hybrid Architectures and Deep Neural Network Models [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191001Compendi

Modularity and Neural Integration in Large-Vocabulary Continuous Speech Recognition

This Thesis tackles the problems of modularity in Large-Vocabulary Continuous Speech Recognition with use of Neural Network

Adaptation of speech recognition systems to selected real-world deployment conditions

Tato habilitační práce se zabývá problematikou adaptace systémů rozpoznávání řeči na vybrané reálné podmínky nasazení. Je koncipována jako sborník celkem dvanácti článků, které se touto problematikou zabývají. Jde o publikace, jejichž jsem hlavním autorem nebo spoluatorem, a které vznikly v rámci několika navazujících výzkumných projektů. Na řešení těchto projektů jsem se podílel jak v roli člena výzkumného týmu, tak i v roli řešitele nebo spoluřešitele. Publikace zařazené do tohoto sborníku lze rozdělit podle tématu do tří hlavních skupin. Jejich společným jmenovatelem je snaha přizpůsobit daný rozpoznávací systém novým podmínkám či konkrétnímu faktoru, který významným způsobem ovlivňuje jeho funkci či přesnost. První skupina článků se zabývá úlohou neřízené adaptace na mluvčího, kdy systém přizpůsobuje svoje parametry specifickým hlasovým charakteristikám dané mluvící osoby. Druhá část práce se pak věnuje problematice identifikace neřečových událostí na vstupu do systému a související úloze rozpoznávání řeči s hlukem (a zejména hudbou) na pozadí. Konečně třetí část práce se zabývá přístupy, které umožňují přepis audio signálu obsahujícího promluvy ve více než v jednom jazyce. Jde o metody adaptace existujícího rozpoznávacího systému na nový jazyk a metody identifikace jazyka z audio signálu. Obě zmíněné identifikační úlohy jsou přitom vyšetřovány zejména v náročném a méně probádaném režimu zpracování po jednotlivých rámcích vstupního signálu, který je jako jediný vhodný pro on-line nasazení, např. pro streamovaná data.This habilitation thesis deals with adaptation of automatic speech recognition (ASR) systems to selected real-world deployment conditions. It is presented in the form of a collection of twelve articles dealing with this task; I am the main author or a co-author of these articles. They were published during my work on several consecutive research projects. I have participated in the solution of them as a member of the research team as well as the investigator or a co-investigator. These articles can be divided into three main groups according to their topics. They have in common the effort to adapt a particular ASR system to a specific factor or deployment condition that affects its function or accuracy. The first group of articles is focused on an unsupervised speaker adaptation task, where the ASR system adapts its parameters to the specific voice characteristics of one particular speaker. The second part deals with a) methods allowing the system to identify non-speech events on the input, and b) the related task of recognition of speech with non-speech events, particularly music, in the background. Finally, the third part is devoted to the methods that allow the transcription of an audio signal containing multilingual utterances. It includes a) approaches for adapting the existing recognition system to a new language and b) methods for identification of the language from the audio signal. The two mentioned identification tasks are in particular investigated under the demanding and less explored frame-wise scenario, which is the only one suitable for processing of on-line data streams