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

Speech recognition with probabilistic transcriptions and end-to-end systems using deep learning

In this thesis, we develop deep learning models in automatic speech recognition (ASR) for two contrasting tasks characterized by the amounts of labeled data available for training. In the first half, we deal with scenarios when there are limited or no labeled data for training ASR systems. This situation is commonly prevalent in languages which are under-resourced. However, in the second half, we train ASR systems with large amounts of labeled data in English. Our objective is to improve modern end-to-end (E2E) ASR using attention modeling. Thus, the two primary contributions of this thesis are the following: Cross-Lingual Speech Recognition in Under-Resourced Scenarios: A well-resourced language is a language with an abundance of resources to support the development of speech technology. Those resources are usually defined in terms of 100+ hours of speech data, corresponding transcriptions, pronunciation dictionaries, and language models. In contrast, an under-resourced language lacks one or more of these resources. The most expensive and time-consuming resource is the acquisition of transcriptions due to the difficulty in finding native transcribers. The first part of the thesis proposes methods by which deep neural networks (DNNs) can be trained when there are limited or no transcribed data in the target language. Such scenarios are common for languages which are under-resourced. Two key components of this proposition are Transfer Learning and Crowdsourcing. Through these methods, we demonstrate that it is possible to borrow statistical knowledge of acoustics from a variety of other well-resourced languages to learn the parameters of a the DNN in the target under-resourced language. In particular, we use well-resourced languages as cross-entropy regularizers to improve the generalization capacity of the target language. A key accomplishment of this study is that it is the first to train DNNs using noisy labels in the target language transcribed by non-native speakers available in online marketplaces. End-to-End Large Vocabulary Automatic Speech Recognition: Recent advances in ASR have been mostly due to the advent of deep learning models. Such models have the ability to discover complex non-linear relationships between attributes that are usually found in real-world tasks. Despite these advances, building a conventional ASR system is a cumbersome procedure since it involves optimizing several components separately in a disjoint fashion. To alleviate this problem, modern ASR systems have adopted a new approach of directly transducing speech signals to text. Such systems are known as E2E systems and one such system is the Connectionist Temporal Classification (CTC). However, one drawback of CTC is the hard alignment problem as it relies only on the current input to generate the current output. In reality, the output at the current time is influenced not only by the current input but also by inputs in the past and the future. Thus, the second part of the thesis proposes advancing state-of-the-art E2E speech recognition for large corpora by directly incorporating attention modeling within the CTC framework. In attention modeling, inputs in the current, past, and future are distinctively weighted depending on the degree of influence they exert on the current output. We accomplish this by deriving new context vectors using time convolution features to model attention as part of the CTC network. To further improve attention modeling, we extract more reliable content information from a network representing an implicit language model. Finally, we used vector based attention weights that are applied on context vectors across both time and their individual components. A key accomplishment of this study is that it is the first to incorporate attention directly within the CTC network. Furthermore, we show that our proposed attention-based CTC model, even in the absence of an explicit language model, is able to achieve lower word error rates than a well-trained conventional ASR system equipped with a strong external language model

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

Adaptation and Augmentation: Towards Better Rescoring Strategies for Automatic Speech Recognition and Spoken Term Detection

Selecting the best prediction from a set of candidates is an essential problem for many spoken language processing tasks, including automatic speech recognition (ASR) and spoken keyword spotting (KWS). Generally, the selection is determined by a confidence score assigned to each candidate. Calibrating these confidence scores (i.e., rescoring them) could make better selections and improve the system performance. This dissertation focuses on using tailored language models to rescore ASR hypotheses as well as keyword search results for ASR-based KWS. This dissertation introduces three kinds of rescoring techniques: (1) Freezing most model parameters while fine-tuning the output layer in order to adapt neural network language models (NNLMs) from the written domain to the spoken domain. Experiments on a large-scale Italian corpus show a 30.2% relative reduction in perplexity at the word-cluster level and a 2.3% relative reduction in WER in a state-of-the-art Italian ASR system. (2) Incorporating source application information associated with speech queries. By exploring a range of adaptation model architectures, we achieve a 21.3% relative reduction in perplexity compared to a fine-tuned baseline. Initial experiments using a state-of-the-art Italian ASR system show a 3.0% relative reduction in WER on top of an unadapted 5-gram LM. In addition, human evaluations show significant improvements by using the source application information. (3) Marrying machine learning algorithms (classification and ranking) with a variety of signals to rescore keyword search results in the context of KWS for low-resource languages. These systems, built for the IARPA BABEL Program, enhance search performance in terms of maximum term-weighted value (MTWV) across six different low-resource languages: Vietnamese, Tagalog, Pashto, Turkish, Zulu and Tamil

Improving the translation environment for professional translators

When using computer-aided translation systems in a typical, professional translation workflow, there are several stages at which there is room for improvement. The SCATE (Smart Computer-Aided Translation Environment) project investigated several of these aspects, both from a human-computer interaction point of view, as well as from a purely technological side. This paper describes the SCATE research with respect to improved fuzzy matching, parallel treebanks, the integration of translation memories with machine translation, quality estimation, terminology extraction from comparable texts, the use of speech recognition in the translation process, and human computer interaction and interface design for the professional translation environment. For each of these topics, we describe the experiments we performed and the conclusions drawn, providing an overview of the highlights of the entire SCATE project