本文闡述了如何利用Tensorflow編寫一個(gè)基本的端到端自動(dòng)語音識別（Automatic Speech Recognition，ASR）系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了最小神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)組成部分以及可將音頻轉(zhuǎn)為可讀文本的前綴束搜索解碼器。

雖然當(dāng)下關(guān)于如何搭建基礎(chǔ)機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的文獻(xiàn)或資料有很多，但是大部分都是圍繞計(jì)算機(jī)視覺和自然語言處理展開的，極少有文章就語音識別展開介紹。本文旨在填補(bǔ)這一空缺，幫助初學(xué)者降低入門難度，提高學(xué)習(xí)自信。

前提

初學(xué)者需要熟練掌握：

· 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組成

· 如何訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

· 如何利用語言模型求得詞序的概率

概述

· 音頻預(yù)處理：將原始音頻轉(zhuǎn)換為可用作神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入的數(shù)據(jù)

· 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：搭建一個(gè)簡單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用于將音頻特征轉(zhuǎn)換為文本中可能出現(xiàn)的字符的概率分布

· CTC損失：計(jì)算不使用相應(yīng)字符標(biāo)注音頻時(shí)間步長的損失

· 解碼：利用前綴束搜索和語言模型，根據(jù)各個(gè)時(shí)間步長的概率分布生成文本

本文重點(diǎn)講解了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、CTC損失和解碼。

音頻預(yù)處理

搭建語音識別系統(tǒng)，首先需要將音頻轉(zhuǎn)換為特征矩陣，并輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中。完成這一步的簡單方法就是創(chuàng)建頻譜圖。

def create_spectrogram（signals）：

stfts = tf.signal.stft（signals， fft_length=256）

spectrograms = tf.math.pow（tf.abs（stfts）， 0.5）

return spectrograms

這一方法會計(jì)算出音頻信號的短時(shí)傅里葉變換（Short-time Fourier Transform）以及功率譜，其最終輸出可直接用作神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入的頻譜圖矩陣。其他方法包括濾波器組和MFCC（Mel頻率倒譜系數(shù)）等。

了解更多音頻預(yù)處理知識：https://haythamfayek.com/2016/04/21/speech-processing-for-machine-learning.html

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

下圖展現(xiàn)了一個(gè)簡單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

語音識別基本結(jié)構(gòu)

頻譜圖輸入可以看作是每個(gè)時(shí)間步長的向量。1D卷積層從各個(gè)向量中提取出特征，形成特征向量序列，并輸入LSTM層進(jìn)一步處理。LSTM層（或雙LSTM層）的輸入則傳遞至全連接層。利用softmax激活函數(shù)，可得出每個(gè)時(shí)間步長的字符概率分布。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將會用CTC損失函數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練（CTC即Connectionist Temporal Classification，是一種時(shí)序分類算法）。熟悉整個(gè)建模流程后可嘗試使用更復(fù)雜的模型。

class ASR（tf.keras.Model）：

def __init__（self， filters， kernel_size， conv_stride， conv_border， n_lstm_units， n_dense_units）：

super（ASR， self）.__init__（）

self.conv_layer = tf.keras.layers.Conv1D（filters，

kernel_size，

strides=conv_stride，

padding=conv_border，

activation=‘relu’）

self.lstm_layer = tf.keras.layers.LSTM（n_lstm_units，

return_sequences=True，

activation=‘tanh’）

self.lstm_layer_back = tf.keras.layers.LSTM（n_lstm_units，

return_sequences=True，

go_backwards=True，

activation=‘tanh’）

self.blstm_layer = tf.keras.layers.Bidirectional（self.lstm_layer， backward_layer=self.lstm_layer_back）

self.dense_layer = tf.keras.layers.Dense（n_dense_units）

def call（self， x）：

x = self.conv_layer（x）

x = self.blstm_layer（x）

x = self.dense_layer（x）

return x

為什么使用CTC呢？搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)旨在預(yù)測每個(gè)時(shí)間步長的字符。然而現(xiàn)有的標(biāo)簽并不是各個(gè)時(shí)間步長的字符，僅僅是音頻的轉(zhuǎn)換文本。而文本的各個(gè)字符可能橫跨多個(gè)步長。如果對音頻的各個(gè)時(shí)間步長進(jìn)行標(biāo)記，C-A-T就會變成C-C-C-A-A-T-T。而每隔一段時(shí)間，如10毫秒，對音頻數(shù)據(jù)集進(jìn)行標(biāo)注，并不是一個(gè)切實(shí)可行的方法。CTC則解決上了上述問題。CTC并不需要標(biāo)記每個(gè)時(shí)間步長。它忽略了文本中每個(gè)字符的位置和實(shí)際相位差，把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)概率矩陣輸入和相應(yīng)的文本作為輸入。

CTC 損失計(jì)算

輸出矩陣示例

假設(shè)真實(shí)的數(shù)據(jù)標(biāo)簽為CAT，在四個(gè)時(shí)間步長中，有序列C-C-A-T，C-A-A-T，C-A-T-T，_-C-A-T，C-A-T-_與真實(shí)數(shù)據(jù)相對應(yīng)。將這些序列的概率相加，可得到真實(shí)數(shù)據(jù)的概率。根據(jù)輸出的概率矩陣，將序列的各個(gè)字符的概率相乘，可得到單個(gè)序列的概率。則上述序列的總概率為0.0288+0.0144+0.0036+0.0576+0.0012=0.1056。CTC損失則為該概率的負(fù)對數(shù)。Tensorflow自帶損失函數(shù)文件。

解碼

由上文的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可輸出一個(gè)CTC矩陣。這一矩陣給出了各個(gè)時(shí)間步長中每個(gè)字符在其字符集中的概率。利用前綴束搜索，可從CTC矩陣中得出所需的文本。

除了字母和空格符，CTC矩陣的字符集還包括兩種特別的標(biāo)記（token，也稱為令牌）——空白標(biāo)記和字符串結(jié)束標(biāo)記。

空白標(biāo)記的作用：CTC矩陣中的時(shí)間步長通常比較小，如10毫秒。因此，句子中的一個(gè)字符會橫跨多個(gè)時(shí)間步長。如，C-A-T會變成C-C-C-A-A-T-T。所以，需要將CTC矩陣中出現(xiàn)該問題的字符串中的重復(fù)部分折疊，消除重復(fù)。那么像FUNNY這種本來就有兩個(gè)重復(fù)字符（N）的詞要怎么辦呢？在這種情況下，就可以使用空白標(biāo)記，將其插入兩個(gè)N中間，就可以防止N被折疊。而這么做實(shí)際上并沒有在文本中添加任何東西，也就不會影響其內(nèi)容或形式。因此，F(xiàn)-F-U-N-［空白］-N-N-Y最終會變成FUNNY。

結(jié)束標(biāo)記的作用：字符串的結(jié)束表示著一句話的結(jié)束。對字符串結(jié)束標(biāo)記后的時(shí)間步長進(jìn)行解碼不會給候選字符串增加任何內(nèi)容。

步驟

初始化

· 準(zhǔn)備一個(gè)初始列表。列表包括多個(gè)候選字符串，一個(gè)空白字符串，以及各個(gè)字符串在不同時(shí)間步長以空白標(biāo)記結(jié)束的概率，和以非空白標(biāo)記結(jié)束的概率。在時(shí)刻0，空白字符串以空白標(biāo)記結(jié)束的概率為1，以非空白標(biāo)記結(jié)束的概率則為0。

迭代

· 選擇一個(gè)候選字符串，將字符一個(gè)一個(gè)添加進(jìn)去。計(jì)算拓展后的字符串在時(shí)刻1以空白標(biāo)記和非空白標(biāo)記結(jié)束的概率。將拓展字符串及其概率記錄到列表中。將拓展字符串作為新的候選字符串，在下一時(shí)刻重復(fù)上述步驟。

· 情況A：如果添加的字符是空白標(biāo)記，則保持候選字符串不變。

· 情況B：如果添加的字符是空格符，則根據(jù)語言模型將概率與和候選字符串的概率成比例的數(shù)字相乘。這一步可以防止錯(cuò)誤拼寫變成最佳候選字符串。如，避免COOL被拼成KUL輸出。

· 情況C：如果添加的字符和候選字符串的最后一個(gè)字符相同，（以候選字符串FUN和字符N為例），則生成兩個(gè)新的候選字符串，F(xiàn)UNN和FUN。生成FUN的概率取決于FUN以空白標(biāo)記結(jié)束的概率。生成FUNN的概率則取決于FUN以非空白標(biāo)記結(jié)束的概率。因此，如果FUN以非空白標(biāo)記結(jié)束，則去除額外的字符N。

輸出

經(jīng)過所有時(shí)間步長迭代得出的最佳候選字符串就是輸出。

為了加快這一過程，可作出如下兩個(gè)修改。

1.在每一個(gè)時(shí)間步長，去除其他字符串，僅留下最佳的K個(gè)候選字符串。具體操作為：根據(jù)字符串以空白和非空白標(biāo)記結(jié)束的概率之和，對候選字符串進(jìn)行分類。

2.去除矩陣中概率之和低于某個(gè)閾值（如0.001）的字符。

具體操作細(xì)節(jié)可參考如下代碼。

def prefix_beam_search（ctc，

alphabet，

blank_token，

end_token，

space_token，

lm，

k=25，

alpha=0.30，

beta=5，

prune=0.001）：

‘’‘

function to perform prefix beam search on output ctc matrix and return the best string

：param ctc： output matrix

：param alphabet： list of strings in the order their probabilties are present in ctc output

：param blank_token： string representing blank token

：param end_token： string representing end token

：param space_token： string representing space token

：param lm： function to calculate language model probability of given string

：param k： threshold for selecting the k best prefixes at each timestep

：param alpha： language model weight （b/w 0 and 1）

：param beta： language model compensation （should be proportional to alpha）

：param prune： threshold on the output matrix probability of a character.

If the probability of a character is less than this threshold， we do not extend the prefix with it

：return： best string

’‘’

zero_pad = np.zeros（（ctc.shape［0］+1，ctc.shape［1］））

zero_pad［1：，：］ = ctc

ctc = zero_pad

total_timesteps = ctc.shape［0］

# #### Initialization ####

null_token = ‘’

Pb， Pnb = Cache（）， Cache（）

Pb.add（0，null_token，1）

Pnb.add（0，null_token，0）

prefix_list = ［null_token］

# #### Iterations ####

for timestep in range（1， total_timesteps）：

pruned_alphabet = ［alphabet［i］ for i in np.where（ctc［timestep］ 》 prune）［0］］

for prefix in prefix_list：

if len（prefix） 》 0 and prefix［-1］ == end_token：

Pb.add（timestep，prefix，Pb.get（timestep - 1，prefix））

Pnb.add（timestep，prefix，Pnb.get（timestep - 1，prefix））

continue

for character in pruned_alphabet：

character_index = alphabet.index（character）

# #### Iterations ： Case A ####

if character == blank_token：

value = Pb.get（timestep，prefix） + ctc［timestep］［character_index］ * （Pb.get（timestep - 1，prefix） + Pnb.get（timestep - 1，prefix））

Pb.add（timestep，prefix，value）

else：

prefix_extended = prefix + character

# #### Iterations ： Case C ####

if len（prefix） 》 0 and character == prefix［-1］：

value = Pnb.get（timestep，prefix_extended） + ctc［timestep］［character_index］ * Pb.get（timestep-1，prefix）

Pnb.add（timestep，prefix_extended，value）

value = Pnb.get（timestep，prefix） + ctc［timestep］［character_index］ * Pnb.get（timestep-1，prefix）

Pnb.add（timestep，prefix，value）

# #### Iterations ： Case B ####

elif len（prefix.replace（space_token， ‘’）） 》 0 and character in （space_token， end_token）：

lm_prob = lm（prefix_extended.strip（space_token + end_token）） ** alpha

value = Pnb.get（timestep，prefix_extended） + lm_prob * ctc［timestep］［character_index］ * （Pb.get（timestep-1，prefix） + Pnb.get（timestep-1，prefix））

Pnb.add（timestep，prefix_extended，value）

else：

value = Pnb.get（timestep，prefix_extended） + ctc［timestep］［character_index］ * （Pb.get（timestep-1，prefix） + Pnb.get（timestep-1，prefix））

Pnb.add（timestep，prefix_extended，value）

if prefix_extended not in prefix_list：

value = Pb.get（timestep，prefix_extended） + ctc［timestep］［-1］ * （Pb.get（timestep-1，prefix_extended） + Pnb.get（timestep-1，prefix_extended））

Pb.add（timestep，prefix_extended，value）

value = Pnb.get（timestep，prefix_extended） + ctc［timestep］［character_index］ * Pnb.get（timestep-1，prefix_extended）

Pnb.add（timestep，prefix_extended，value）

prefix_list = get_k_most_probable_prefixes（Pb，Pnb，timestep，k，beta）

# #### Output ####

return prefix_list［0］.strip（end_token）

這樣，一個(gè)基礎(chǔ)的語音識別系統(tǒng)就完成了。對上述步驟進(jìn)行復(fù)雜化，可以得到更優(yōu)的結(jié)果，如，搭建更大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和利用音頻預(yù)處理技巧。

完整代碼：https://github.com/apoorvnandan/speech-recognition-primer

注意事項(xiàng)：

1. 文中代碼使用的是TensorFlow2.0系統(tǒng)，舉例使用的音頻文件選自LibriSpeech數(shù)據(jù)庫（http://www.openslr.org/12）。

2. 文中代碼并不包括訓(xùn)練音頻數(shù)據(jù)集的批量處理生成器。讀者需要自己編寫。

3. 讀者亦需自己編寫解碼部分的語言模型函數(shù)。最簡單的方法就是基于語料庫生成一部二元語法字典并計(jì)算字符概率。