Abstract To avoid the confusion of phonetic acoustic models between different languages is one of the most challenges in multilingual speech recogniti
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1 以 狄 式 分 佈 為 基 礎 之 多 語 聲 學 模 型 拆 分 及 合 併 Multilingual Acoustic Model Splitting and Merging by Latent Dirichlet Allocation 葉 瑞 峰 Jui-Feng Yeh 國 立 嘉 義 大 學 資 訊 工 程 學 系 Department of Computer Science and Information Engineering ational Chiayi University 李 勝 豐 Sheng-Feng Li 國 立 嘉 義 大 學 資 訊 工 程 學 系 Department of Computer Science and Information Engineering ational Chiayi University 許 希 聖 Shi-Sheng Shiu 國 立 嘉 義 大 學 資 訊 工 程 學 系 Department of Computer Science and Information Engineering ational Chiayi University 摘 要 在 整 合 型 多 語 辨 識 環 境 下, 如 何 避 免 不 同 語 言 間 的 音 標 混 淆 是 重 要 的 課 題 之 一 本 篇 論 文 針 對 相 異 語 言 間 的 聲 學 模 型 混 淆, 提 出 以 狄 式 分 佈 (LDA, Latent Dirichlet Allocation) 為 基 礎 的 聲 學 模 型 混 淆 度 偵 測 以 三 連 音 素 聲 學 模 型 為 基 礎 將 聲 學 模 型 分 裂 後 再 使 用 潛 藏 狄 式 分 佈 選 擇 合 併 的 聲 學 模 型 組 後 並 進 行 合 併, 以 解 決 因 為 不 同 語 言 發 音 變 異 所 產 生 的 聲 學 模 型 混 淆 度 本 篇 論 文 分 為 三 個 部 分, 第 一 部 分 為 介 紹 發 音 屬 性 和 語 音 事 件, 其 為 從 訊 號 面 尋 找 各 種 特 徵 並 與 特 定 聲 學 模 型 之 間 的 相 關 性 第 二 部 分 為 介 紹 狄 式 分 佈 (LDA, Latent Dirichlet Allocation) 以 及 模 型 間 混 淆 度 的 偵 測 方 法, 狄 式 分 佈 是 一 個 階 層 式 的 數 學 模 型, 早 期 是 由 David M. Blei 等 人 提 出 用 來 做 為 文 件 分 類 及 文 件 產 生 所 使 用, 但 其 架 構 相 當 適 合 應 用 在 語 音 辨 識 自 然 語 言 處 理 等 領 域 最 後 部 分 則 是 對 本 論 文 所 提 出 之 方 法 進 行 實 驗 驗 證 並 分 析 關 鍵 詞 : 多 語 辨 識, 狄 式 分 佈, 模 型 拆 分, 模 型 合 併
2 Abstract To avoid the confusion of phonetic acoustic models between different languages is one of the most challenges in multilingual speech recognition. We proposed the method based on Latent Dirichlet Allocation to avoid the confusion of phonetic acoustic models between different languages. We split phonetic acoustic models based on tri-phone. And merging the group that selected by Latent Dirichlet Allocation Detector to solve pronunciation variants problems between different languages. This paper has three parts. First part is introduced the Pronunciation Event and Articulatory Features. Second part is about Latent Dirichlet Allocation and the acoustic model selecting method using Latent Dirichlet Allocation. Latent Dirichlet Allocation is a Hierarchical math model that proposed by David M. Blei at It is often used on documents classification and document generation. The structure of LDA is also suitable for speech recognition and nature language processing. The final is experiment result and verification the method we proposed. Keywords: Multilingual speech recognition, Latent Dirichlet Allocation, Acoustic Model Splitting, Acoustic Model Merging 一 緒 論 ( 一 ) 研 究 動 機 由 於 目 前 網 路 與 交 通 的 發 達, 使 得 全 球 化 成 為 必 然 的 趨 勢, 再 加 上 台 灣 本 身 就 是 屬 於 一 個 多 族 群 社 會, 因 此 在 日 常 生 活 環 境 中 接 觸 到 其 他 語 言 的 機 會 也 日 進 增 加 除 了 平 常 所 聽 到 和 看 到 的 資 訊 含 有 其 他 語 言 外, 現 在 連 平 時 對 話 也 會 經 常 含 有 英 文 台 語 甚 至 是 日 語 的 情 況 產 生 也 因 此 語 音 辨 識 成 為 近 年 來 熱 門 的 科 學 研 究 項 目 之 一, 而 且 市 面 上 也 有 許 多 相 關 應 用 類 產 品, 例 如 :Google Android 平 台 的 Google Voice Search Apple 的 Siri 語 音 助 理 等, 但 目 前 這 些 平 台 都 只 能 對 單 一 種 語 言 進 行 辨 識, 因 此 難 以 應 付 日 進 增 加 的 多 語 環 境, 因 此 需 要 一 種 可 以 辨 識 多 種 語 言 的 辨 識 器 早 期 的 多 語 辨 識 器 第 一 步 是 先 將 語 言 類 型 辨 識 出 來 後, 再 將 輸 入 的 語 音 訊 號 送 進 對 應 的 辨 識 器 辨 識 但 是 由 於 不 同 語 言 的 音 標 集 合 並 不 完 全 相 同, 且 多 數 的 語 音 辨 識 器 是 針 對 特 定 語 言 的 音 標 集 合 進 行 模 型 之 訓 練, 因 此 若 是 在 第 一 階 段 的 語 言 種 類 辨 識 錯 誤, 而 將 輸 入 語 句 送 入 所 對 應 的 錯 誤 語 言 辨 識 器 中, 則 所 產 生 的 結 果 將 會 是 幾 乎 完 全 不 符 預 期 而 其 綜 合 辨 識 正 確 率 也 會 受 到 兩 個 元 件 的 錯 誤 疊 加 而 降 低 為 了 解 決 此 問 題, 將 前 後 整 合 在 一 起 設 計 一 個 辨 識 器 可 以 直 接 辨 識 多 國 語 言 的 架 構 則 被 採 用, 以 減 少 錯 誤 率 的 累 加 要 將 多 個 語 言 整 合 在 同 一 辨 識 器 內 大 致 上 可 分 為 三 種 方 法, 第 一 種 是 將 各 個 單 一 語 言 的 音 標 集 合 併 成 共 同 音 標 集 合, 並 以 此 為 依 據 來 建 立 多 語 的 辨 識 器 第 二 種 是 使 用 專 家 知 識 所 建 立 的 跨 語 言 音 標 集 合 來 合 併 不 同 語 言 的 音 標, 目 前 國 際 音 標 集 合 有 國 際 音 標 (The International Phonetic Alphabet, IPA) 字 母 音 標 評 估 法 (Speech Assessment Methods Phonetic Alphabet, SAMPA) Worldbet 等 第 三 種 是 計 算 不 同 音 標 之 間 的 相 似 性, 並 由 估 算 出 來 的 相 似 性 來 建 立 共 同 的 音 標 集 本 文 主 要 注 重 於 使 用 專 家 知 識 所 建 立 的 跨 語 言 音 標 集 合 之 方 法, 在 此 主 要 是 使 用
3 國 際 音 標 (The International Phonetic Alphabet, IPA), 雖 然 IPA 提 供 了 一 個 通 用 的 音 標 符 號 集, 但 在 不 同 語 言 的 情 況 下, 會 出 現 雖 然 屬 於 同 一 個 音 標, 但 是 其 發 音 模 式 仍 然 會 有 些 不 同 的 情 況 或 者 是 不 同 語 言 的 不 同 的 音 標, 但 是 其 發 音 模 式 卻 極 為 相 似 為 了 解 決 上 述 之 問 題, 因 此 將 同 音 標 但 發 音 不 同 的 聲 學 模 型 進 行 拆 分, 而 音 標 不 同 發 音 類 似 的 聲 學 模 型 進 行 合 併, 以 減 少 混 淆 的 情 況 ( 二 ) 相 關 研 究 為 了 解 決 發 音 變 異 而 造 成 語 音 模 型 混 淆 的 情 形, 國 外 學 者 根 據 不 同 的 發 音 變 異 法 進 行 了 許 多 的 研 究 關 於 個 人 化 發 音 變 異 的 研 究,1993 年 Hamada 和 Miki 等 人 提 出, 運 用 動 態 規 劃 (dynamic programming) 和 向 量 量 化 (vector quantization) 的 方 式 比 較 ative Speaker 與 on-ative Speaker 在 同 一 個 字 發 音 上 的 差 異 [2] 1996 年 eumeyer 和 Franc 等 人 則 定 義 了 HMM Log-Likelihood Segment duration 和 Timing 等 特 徵 參 數, 針 對 整 個 句 子 做 發 音 評 估, 而 且 實 驗 的 結 果 發 現 normalized segment duration scores 與 專 家 給 予 的 分 數 中 有 最 高 的 相 關 性 [3] 1997 年 Ronen 等 人 提 出 MisPronunciation network 的 概 念 考 慮 每 個 音 素 在 native speaker 與 non-native speaker 的 發 音 情 形, 建 立 對 應 的 HMM Model, 辨 識 的 時 候 發 音 網 路 同 時 考 慮 native speaker 與 non-native speaker 的 發 音 情 形 [4] 1999 年 Franco 等 則 是 使 用 兩 個 分 別 由 native speaker 與 non-native speaker 所 訓 練 的 聲 學 模 型, 利 用 log-likelihood ratio 來 評 估 發 音 錯 誤, 同 時 也 證 明 了 這 樣 的 方 法 比 利 用 a posterior score 的 方 式 與 專 家 所 給 予 的 分 數 有 更 高 的 相 關 性 [5] 在 模 型 方 面, 則 是 麻 省 理 工 學 院 的 Final State Transducer (FST) [6] Haizhou Li, Bin Ma, and Chin-Hui Lee 於 期 刊 上 發 表 的 研 究 多 語 辨 識 [7], 提 出 了 新 的 辨 識 單 元 構 想, 不 再 以 音 標 為 單 元 而 是 用 人 類 實 際 發 音 的 方 法 來 做 為 單 位 此 方 法 是 從 訊 號 面 尋 找 各 種 特 徵, 並 以 這 些 特 徵 建 立 出 各 種 發 音 事 件 (Pronunciation Event) 的 辨 識 器, 並 將 所 有 發 音 事 件 辨 識 器 結 果 進 行 交 叉 比 對 出 所 要 辨 識 單 元 之 音 標, 此 方 法 可 以 有 效 減 低 聲 學 模 型 數 量, 因 此 具 有 較 佳 的 抗 噪 能 力 [8] 王 小 川 [9] 教 授 在 語 音 信 號 處 理 一 書 中 對 於 語 音 辨 識 的 基 礎 知 識 背 景 和 流 程 有 相 當 詳 細 的 敘 述, 對 於 想 要 學 習 語 音 辨 識 的 人 是 一 本 很 好 的 入 門 書 籍 長 庚 大 學 則 是 長 年 來 進 行 台 灣 本 土 語 言 的 研 究, 梁 敏 雄 [10] 建 立 以 IPA 為 基 礎 的 台 語 音 標 集 合 ForPA 文 字 轉 語 音 (TTS) 和 發 音 偵 錯 應 用 於 語 言 教 學 與 台 語 語 音 語 料 庫 設 計 與 收 集 陳 志 宇 [11] 則 探 討 了 同 時 對 國 台 雙 語 的 大 詞 彙 連 續 語 音 辨 識 楊 永 泰 [12] 將 音 標 替 換 改 變 成 中 文 而 將 隱 藏 式 馬 可 夫 模 型 運 用 在 中 文 辨 識 上 非 本 國 母 語 人 士 所 講 的 語 言 會 產 生 發 音 變 異, 例 如 台 灣 人 講 英 文, 此 種 發 音 變 異 會 使 系 統 產 生 極 大 的 誤 判 國 立 成 功 大 學 的 蔡 佩 珊 沈 涵 平 吳 宗 憲 [13] 提 出 以 更 小 的 單 位 senone 作 為 基 本 的 辨 識 單 元, 以 更 加 詳 細 的 模 擬 發 音 變 異, 並 建 立 包 含 發 音 變 異 之 英 文 聲 學 模 型
4 二 系 統 架 構 ( 一 ) 系 統 框 架 圖 一 為 本 論 文 之 系 統 架 構 根 據 其 處 理 流 程 可 以 分 為 訓 練 階 段 與 測 試 階 段 訓 練 階 段 為 使 用 狄 式 分 佈 進 行 對 音 素 聲 學 模 型 的 混 淆 偵 測, 測 試 階 段 則 是 將 混 淆 發 生 的 模 型 進 行 分 割 或 合 併 後 進 行 效 能 測 試 ( 二 ) 訓 練 部 分 圖 一 系 統 架 構 在 訓 練 時 的 初 始 階 段 為 使 用 39 維 MFCC 參 數 和 HTK 來 建 立 起 以 隱 藏 式 馬 可 夫 模 型 (HMM, Hidden Markov Model) 為 基 礎 的 多 語 言 Tri-phone 聲 學 模 型 此 階 段 將 不 同 語 言 相 同 音 標 視 為 不 同 音 標, 並 且 根 據 Tri-phone 定 義 分 裂 模 型, 但 是 不 進 行 State-Tying 和 模 型 合 併 第 二 階 段 為 使 用 語 料 標 記 建 立 以 狄 式 分 佈 (LDA, Latent Dirichlet Allocation) 為 基 礎 的 偵 測 器 : 群 內 驗 證 偵 測 器 (Intra-clustering verification Detector) 過 來 根 據 以 狄 式 分 佈 為 基 礎 的 群 內 驗 證 偵 測 器 分 別 根 據 發 音 部 位 和 發 音 方 法 進 行 分 群, 由 於 每 一 個 音 素 都 可 以 對 應 的 單 一 的 發 音 部 位 和 發 音 方 法, 因 此 將 發 音 方 法 與 發 音 部 位 皆 分 類 在 同 一 群 之 音 素 定 為 合 併 目 標, 而 將 沒 有 兩 者 皆 分 類 在 同 一 群 的 音 標 示 為 不 同 之 分 群 最 後 再 根 據 此 分 群 對 第 一 階 段 所 建 立 的 聲 學 模 型 進 行 合 併, 最 後 即 可 得 到 修 正 過 之 聲 學 模 型
5 ( 三 ) 測 試 部 分 測 試 部 分 最 主 要 的 是 對 訓 練 階 段 所 修 正 的 聲 學 模 型 進 行 效 能 與 正 確 性 測 試 從 使 用 者 輸 入 的 語 句 抽 取 39 維 MFCC 參 數 和 語 音 屬 性 並 使 用 修 正 過 的 聲 學 模 型 進 行 辨 識, 並 根 據 辨 識 結 果 來 判 斷 是 否 有 減 少 聲 學 模 型 混 淆 程 度 三 發 音 事 件 為 了 解 決 語 音 辨 識 的 瓶 頸, 美 國 喬 治 亞 理 工 學 院 的 李 錦 輝 (C.-H. Lee) 教 授 提 出 了 偵 測 式 (Detection-based) 的 方 法, 其 主 要 概 念 為 人 類 再 發 音 的 時 候 會 有 發 音 部 位 (Place) 與 發 音 方 法 (Manner), 藉 由 發 音 語 言 學 來 描 述 語 音 而 發 音 部 位 與 發 音 方 法 則 統 稱 為 發 音 事 件 而 為 了 要 偵 測 發 音 事 件, 則 藉 由 直 接 觀 察 語 音 訊 號 來 尋 找 出 特 定 發 音 事 件 下 的 有 效 特 徵 來 偵 測, 而 這 些 特 徵 則 稱 為 語 音 屬 性 (Articulatory Features) 其 特 性 是 藉 由 多 層 化 架 構 而 縮 減 了 模 型 數 量, 也 因 為 與 人 類 發 音 的 方 法 有 所 關 連, 因 此 其 具 有 較 高 的 強 健 性 因 此 對 於 不 同 語 言 相 同 音 標 也 較 不 容 易 產 生 混 淆 為 了 處 理 在 多 語 辨 識 的 環 境 下 的 音 標 混 淆, 本 文 使 用 了 發 音 事 件 來 進 行 偵 測 發 音 事 件 有 許 多 不 同 的 分 類 法, 但 其 共 通 特 性 則 為 可 以 跨 語 言 的 對 應 到 特 定 的 音 標, 因 此 為 了 建 立 起 跨 語 言 的 音 標 集 合, 本 文 主 要 使 用 了 國 際 音 標 集 合 (Internal Phone Alphabet,IPA) 之 定 義 來 進 行 發 音 事 件 分 類 經 過 對 台 語 音 標 (ForPA) 國 語 音 標 和 英 文 (KK 音 標 ) 對 應 後, 使 用 到 的 發 音 方 法 (Manner) 總 共 有 六 類 : 鼻 音 (asal) 塞 音 (Stop) 摩 擦 音 (Fricative) 近 音 (Approximant) 塞 擦 音 (Affricate) 和 顫 音 (Trill) 而 使 用 的 發 音 部 位 (Place) 總 共 有 十 三 類 : 雙 唇 音 (Bilabial) 唇 齒 音 (Labio-dental) 唇 軟 顎 (Labio-velar) 齒 音 (Dental) 齦 音 (Alveolar) 齦 後 音 (Post-alv) 捲 舌 (Retroflex) 齦 顎 音 (Alveolo-palatal) 齦 硬 顎 (Palato-alveolar) 硬 顎 音 (Patatal) 軟 顎 (Velar) 小 舌 音 (Uvular) 和 聲 門 音 (Glottal) 四 潛 藏 狄 式 分 佈 偵 測 器 ( 一 ) 概 述 潛 藏 狄 式 分 佈 是 一 種 階 層 化 的 生 成 機 率 模 型, 是 由 David M. Blei[1] 於 2003 年 所 提 出 的, 最 初 是 用 於 文 章 和 文 本 的 主 題 偵 測 狄 式 分 佈 模 型 有 一 個 先 決 條 件 : 詞 袋 假 設 (Bag of Words Assumption), 也 就 是 不 考 慮 詞 彙 (Word) 在 文 章 中 的 出 現 順 序 和 文 法 關 係, 只 考 慮 單 一 詞 彙 在 特 定 文 章 中 之 出 現 次 數 其 所 使 用 之 原 理 為 某 些 詞 彙 在 特 定 主 題 下 出 現 之 機 率 和 次 數 較 高, 因 此 狄 式 分 佈 的 模 型 建 立 方 式 為 統 計 各 個 詞 彙 (Word) 在 文 本 中 出 現 的 次 數 來 計 算 由 於 此 方 法 在 文 本 和 文 章 分 類 可 以 取 得 相 當 好 的 成 效, 因 此 被 廣 泛 的 使 用 於 主 題 偵 測 和 主 題 分 類 的 應 用 上 在 多 語 環 境 下, 因 為 不 同 語 言 的 語 者 間 之 發 音 變 化 幅 度 會 相 當 的 大, 也 因 此 若 是 根 據 以 往 的 聲 學 模 型 只 使 用 短 期 內 (Short-term) 的 資 料 來 辨 識 所 能 提 升 的 效 能 幅 度 有 限, 而 且 在 發 音 變 異 產 生 的 狀 況 下 也 難 以 只 使 用 訊 號 上 短 期 的 資 料 來 加 以 識 別 但 語 音 訊 號 的 時 變 性 相 當 的 大, 因 此 在 訊 號 面 一 次 使 用 較 長 資 料 的 方 法 難 度 也 高 所 以 本 文 根 據 語 料 標 記 使 用 狄 式 分 佈 將 整 句 的 資 訊 也 一 併 考 慮 以 提 升 對 發 音 變 異 之 強 健 性
6 ( 二 ) 潛 藏 狄 式 分 佈 模 型 (Latent Dirichlet Allocation Model) 1. 潛 藏 狄 式 分 佈 (Latent Dirichlet Allocation) 潛 藏 狄 式 分 佈 (Latent Dirichlet Allocation, LDA) 是 由 機 率 式 潛 藏 語 意 分 析 (Probabilistic Latent Semantic Analysis, PLSA) 延 伸 發 展 而 來, 而 機 率 式 潛 藏 語 意 分 析 又 是 由 潛 藏 語 意 分 析 (Latent Semantic Analysis, LSA) 發 展 而 來 上 述 三 個 模 型 都 是 屬 於 潛 藏 主 題 模 型 (Latent Topic Model), 由 於 連 模 型 所 面 臨 的 缺 乏 長 距 離 資 訊 和 資 料 稀 疏 問 題, 而 潛 藏 主 題 模 型 則 是 解 決 問 題 多 種 方 法 的 其 中 之 一 其 概 念 為 使 用 非 監 督 式 學 習 方 法 (Unsupervised Training) 來 找 出 隱 含 於 文 件 或 文 章 中 的 最 主 要 的 主 題 語 意 資 訊 潛 藏 狄 式 分 佈 不 同 於 機 率 式 潛 藏 語 意 分 析 的 地 方 在 於 從 文 件 到 主 題 之 間 多 了 一 層 的 狄 式 分 布 (Dirichlet Distribution), 使 得 模 型 參 數 數 量 不 會 因 為 語 料 增 加 而 大 幅 度 的 增 加, 同 時 對 於 出 現 在 語 料 庫 外 的 文 件 也 可 以 從 狄 式 分 佈 中 取 出 一 個 最 適 合 此 文 件 的 潛 藏 主 題 機 率 分 佈 由 於 潛 藏 狄 式 分 佈 是 藉 由 逆 向 通 過 文 件 建 立 生 成 模 型, 因 此 要 先 理 解 潛 藏 狄 式 分 佈 是 如 何 產 生 一 篇 文 章 的 假 設 語 料 庫 M 中 有 K 個 主 題,T1,T2,T3,.Tk, 並 且 有 V 個 字 彙, 當 隨 機 選 取 一 個 主 題 Ti 的 時 候, 以 Ti 為 主 題 的 文 章 則 有 一 的 序 列 文 字, 而 這 些 文 字 與 Ti 有 關 連, 並 且 有 一 個 機 率 值 代 表 在 主 題 Ti 下 時 每 個 文 字 所 出 現 之 機 率 而 選 擇 其 他 主 題 時 後 也 會 有 相 同 的 參 數 來 描 述 該 主 題 此 時 限 定 文 檔 長 度 為, 不 停 的 挑 選 文 字 直 到 數 量 到 後, 便 可 以 藉 由 對 應 的 參 數 得 到 該 建 立 文 件 對 於 各 主 題 的 相 關 性 2. 潛 藏 狄 式 分 佈 偵 測 器 雖 然 偵 測 式 方 法 (Detection Based) 在 多 語 環 境 下 對 於 不 同 語 言 同 音 標 之 發 音 仍 然 具 有 高 強 健 性 不 至 於 混 淆, 但 是 往 往 不 同 語 言 的 語 者 對 於 相 同 音 標 之 發 音 變 異 仍 然 會 使 得 發 音 事 件 產 生 混 淆, 有 鑒 於 此 現 象 難 以 使 用 短 距 離 的 訊 號 來 解 決, 因 此 我 們 使 用 長 距 離 詞 彙 語 意 資 訊 來 協 助 偵 測 出 混 淆 的 問 題 並 將 會 發 聲 混 淆 的 聲 學 模 型 以 及 性 質 相 同 的 聲 學 模 型 進 行 合 併 不 同 於 三 連 音 素 模 型 (Tri-Phone) 的 狀 態 聚 類 (State-Tying) 根 據 短 距 離 的 資 料 相 似 度 合 併, 我 們 藉 由 潛 藏 狄 式 分 佈 擷 取 長 距 離 詞 彙 語 意 資 訊, 例 如 觸 發 詞 對, 以 及 使 用 了 發 音 語 言 學 的 定 義 對 分 裂 的 三 連 音 素 模 型 進 行 聲 學 模 型 的 合 併 由 於 潛 藏 狄 式 分 佈 具 有 詞 袋 假 設 的 前 提 下, 其 所 觀 察 到 的 資 料 長 度 足 夠 包 含 長 距 離 的 詞 彙 語 意 資 訊 因 為 語 音 事 件 和 語 音 屬 性 的 相 互 關 係 也 是 屬 於 階 層 化 架 構, 因 此 根 據 其 聲 學 模 型 的 相 互 關 係 對 潛 藏 狄 式 分 佈 之 架 構 重 新 建 構 後 之 圖 型 表 示 法 如 圖 二, 圖 形 中 參 數 所 代 表 之 意 義 如 表 一 在 這 裡 將 每 一 段 語 句 (Utterance) 視 為 一 個 文 件 (Document), 因 此 根 據 潛 藏 式 狄 式 分 佈 定 義 則 可 以 得 到 特 定 發 音 事 件 與 語 意 上 的 相 對 關 係 而 聯 合 機 率 分 佈 為 p(m α M, α P, β) ( 式 4.1) = p(θ M α M ) p(θ P α P ) { p(z M θ M )p(z P θ P )p(w Z M, Z P, L, β) } dθ M dθ P n=1
7 圖 二 潛 藏 狄 式 分 佈 偵 測 器 之 圖 型 表 示 法 符 號 αm αp β θm θp W M L ZP ZM 表 一 潛 藏 狄 式 分 佈 偵 測 器 之 參 數 代 表 意 義 描 述 K 向 量, 發 音 方 法 的 dirichlet 分 布 K 向 量, 發 音 部 位 的 dirichlet 分 布 所 有 語 言 下 之 聲 學 模 型 機 率 某 段 語 句 的 發 音 方 法 發 生 之 機 率 某 段 語 句 的 發 音 部 位 發 生 之 機 率 聲 學 模 型 (phone model) 語 料 庫 某 段 語 句 的 聲 學 模 型 集 合 語 言 發 音 部 位 (Place) 發 音 方 法 (Manner) 根 據 式 4.1 要 計 算 的 參 數 為 αm, αp,β, 但 由 於 用 來 估 算 潛 藏 狄 式 分 佈 參 數 的 最 大 期 望 演 算 法 (Expectation-maximization algorithm, EM algorithm) 一 次 只 能 估 測 兩 個 參 數, 而 根 據 發 音 語 言 學 之 定 義 發 音 方 法 和 發 音 部 位 兩 事 件 為 互 相 獨 立 (independent), 因 此 我 們 可 以 將 其 拆 成 αm β 和 αp β 兩 個 部 分 分 開 估 測 而 拆 開 後 分 別 的 聯 合 機 率 則 分 別 為 為 式 4.2 與 式 4.3 所 示
8 p(m α M, β) = p(θ M α M ) { p(z M θ M )p(w Z M, L, β) n=1 p(m α P, β) = p(θ P α P ) { p(z P θ P )p(w Z P, L, β) n=1 } dθ M ( 式 4.2) } dθ P ( 式 4.3) 之 後 我 們 可 以 由 β 得 到 每 個 主 題 下 所 有 音 素 的 出 現 機 率, 而 進 而 得 到 分 類 過 後 的 音 素 集 合 在 原 始 的 狄 式 分 佈 中 會 發 生 若 單 一 文 件 過 短 會 因 為 有 效 資 訊 過 少 而 使 得 模 型 訓 練 過 程 無 法 收 斂 或 者 是 影 響 到 結 果 但 在 我 們 的 研 究 中, 語 句 中 的 每 一 個 音 素 對 應 到 潛 藏 狄 式 分 佈 都 可 以 視 為 具 有 資 訊 的 單 詞, 因 此 即 使 只 有 2-4 個 字 詞 的 短 句 的 語 句 也 具 有 足 夠 的 資 訊 來 加 以 判 定 其 組 成 ( 三 ) 語 音 事 件 降 維 與 合 併 聲 學 模 型 之 選 擇 1. 語 音 事 件 降 維 在 本 文 中 將 一 段 語 句 視 為 一 個 文 件, 因 此 根 據 潛 藏 狄 式 分 佈 之 物 理 意 義 : 若 某 個 字 詞 (Word) 從 屬 於 某 個 主 題, 則 當 某 文 件 屬 於 某 個 特 定 主 題 的 時 候, 則 從 屬 於 某 個 主 題 的 字 詞 出 現 次 數 會 較 高 將 主 題 對 應 到 的 則 是 字 詞 (Word) 因 為 在 特 定 的 語 言 下, 若 以 字 詞 為 單 位, 有 些 音 素 經 常 性 的 會 出 現 在 一 起, 因 此 本 文 將 原 狄 式 分 佈 之 主 題 數 設 定 為 字 詞 數 量 但 由 於 字 詞 數 量 過 多, 而 且 潛 藏 狄 式 分 佈 之 運 算 時 間 與 主 題 數 成 正 比, 若 將 所 有 可 能 出 現 的 字 詞 數 量 設 定 為 主 題 數, 其 主 題 數 過 多 不 僅 在 運 算 時 間 上 不 允 許, 也 因 為 目 標 之 集 合 過 大, 語 料 會 面 臨 嚴 重 不 足 之 情 況, 因 此 實 際 上 並 不 可 行 因 此 為 了 解 決 此 問 題, 我 們 將 字 的 組 成 音 素 根 據 國 際 音 標 集 合 之 定 義, 將 每 個 音 素 拆 解 成 發 音 方 法 (Manner) 與 發 音 位 置 (Place), 而 發 音 方 法 和 發 音 位 置 在 這 裡 即 是 語 音 事 件 2. 合 併 聲 學 模 型 之 選 擇 本 文 根 據 國 際 音 標 集 合 定 義 將 發 音 部 位 (Place) 分 為 13 類, 而 發 音 方 法 (Manner) 定 為 6 類, 而 母 音 則 由 舌 面 前 後 共 5 類 舌 面 高 低 共 7 類 唇 形 共 2 類 舌 面 前 後 為 前 (Front) 次 前 (ear-front) 央 (Central) 次 後 (ear-back) 後 (Back) 舌 面 高 低 為 閉 (Close) 次 閉 (ear-close) 半 閉 (Close-mid) 中 (Mid) 半 開 (Open-mid) 次 開 (ear-open) 開 (Open) 脣 形 為 圓 唇 (Rounded) 與 非 圓 唇 (Unrounded) 我 們 會 先 將 發 音 方 法 和 發 音 部 位 使 用 不 同 的 潛 藏 狄 式 分 佈 偵 測 器 分 別 偵 測 並 分 群, 最 後 再 將 發 音 部 位 相 同 但 發 音 方 法 不 同 以 及 發 音 部 位 不 同 但 發 音 方 法 相 同 的 音 素 視 為 不 同 分 群, 換 句 話 說 則 是 只 留 下 發 音 部 位 與 發 音 方 法 皆 分 類 再 一 起 的 音 素 進 行 合 併 五 實 驗 設 計 與 分 析 ( 一 ) 實 驗 語 料 與 工 具 台 語 實 驗 語 料 使 用 良 敏 雄 博 士 所 錄 製 之 語 料, 語 料 為 16kHz, 16bit 之 麥 克 風 語 料 共 句, 標 記 為 ForPA, 其 中 共 有 韻 母 9 種 聲 母 18 種 和 鼻 音 尾 聲 母 5 種 英 文 使
9 用 語 料 為 成 大 錄 製 的 麥 克 風 語 料 共 808 句 國 語 實 驗 語 料 從 TCC300 中 選 出 16kHz, 16bit 之 麥 克 風 語 料 共 2676 句 英 文 語 料 使 用 TIMIT, 語 料 為 16kHz, 16bit 支 麥 克 風 語 料 共 4620 句 特 徵 使 用 梅 爾 倒 頻 譜 系 數 (Mel-scale Frequency Cepstral Coefficients, MFCC) 隱 藏 馬 可 夫 (HMM) 聲 學 模 型 訓 練 和 聲 學 模 型 合 併 部 分 則 是 使 用 英 國 劍 橋 大 學 HTK toolkit 來 建 立 潛 藏 式 狄 式 分 佈 模 型 訓 練 則 是 以 原 作 者 Blei et al. 的 ToolKit 為 基 礎 來 進 行 修 改 隱 藏 馬 可 夫 聲 學 模 型 訓 練 使 用 39 維 的 梅 爾 倒 頻 譜 系 數, 音 框 (frame) 大 小 為 20ms, 每 次 位 移 單 位 (Shift) 為 10ms 隱 藏 式 馬 可 夫 模 型 每 個 狀 態 (State) 留 下 16 個 路 徑, 最 後 再 取 前 10 名 所 有 語 料 皆 無 時 間 標 記, 時 間 斷 點 使 用 Baum-Welch algorithms 計 算 ( 二 ) 實 驗 項 目 1. 評 估 方 式 要 分 析 語 音 辨 識 的 正 確 率 必 須 準 確 的 辨 識 出 正 確 的 字 詞 辨 識 結 果 與 語 料 標 記 互 相 比 較 後, 結 果 與 標 記 完 全 相 符 為 辨 識 正 確 (Correct), 與 標 記 不 同 的 錯 誤 則 根 據 定 義 分 類 成 下 列 幾 種 錯 誤 : (1) 取 代 錯 誤 (Substitution Errors): 將 正 確 的 音 素 替 換 成 其 他 音 素 (2) 刪 除 錯 誤 (Deletion Errors): 沒 有 將 該 辨 識 的 音 素 辨 識 出 來 (3) 插 入 錯 誤 (Insertion Errors): 本 來 沒 有 的 音 素 卻 額 外 辨 識 出 來 為 了 評 估 本 系 統 之 效 能, 我 們 將 分 開 分 析 取 代 錯 誤 率 刪 除 錯 誤 率 插 入 錯 誤 率 以 及 字 錯 誤 率 (Word Error Rate, WER) 和 準 確 度 (Accuracy) 計 算 公 式 如 下 式 : S ( 式 5.1) Substitution Errors Rate = Deletion Errors Rate = Insertion Errors Rate = Word Error Rate = S+D+I Accuracy = C I D I ( 式 5.2) ( 式 5.3) ( 式 5.4) ( 式 5.5) 其 中 為 語 料 標 記 內 所 有 的 音 素 總 數,S 為 取 代 錯 誤 數 量,D 為 刪 除 錯 誤 數 量,I 為 插 入 錯 誤 數 量,C 為 辨 識 正 確 字 詞 數 量,C=-D-S
10 2. 多 語 環 境 下 潛 藏 狄 式 分 佈 合 併 聲 學 模 型 選 擇 之 驗 證 為 了 驗 證 潛 藏 狄 式 分 佈 合 併 聲 學 模 型 在 多 語 環 境 下 之 效 能, 因 此 我 們 同 樣 分 別 對 未 聚 類 三 連 音 素 模 型 已 聚 類 三 連 音 素 模 型 和 由 潛 藏 狄 式 分 佈 合 併 聲 學 模 型 在 國 台 英 三 語 環 境 下 進 行 驗 證 我 們 將 會 分 別 使 用 已 多 語 聲 學 模 型 辨 識 三 語 混 合 國 語 台 語 和 英 語 實 驗 資 料 以 驗 證 在 沒 有 語 言 辨 識 系 統 下 多 語 聲 學 模 型 對 於 每 一 種 語 言 之 效 能 實 驗 環 境 和 工 具 與 單 一 語 言 進 行 之 實 驗 相 同, 訓 練 語 料 和 三 語 混 合 之 測 試 資 料 為 將 TCC300 TIMIT 和 梁 敏 雄 博 士 所 錄 製 之 台 語 語 料 混 合 使 用, 其 實 單 語 測 試 資 料 則 和 上 述 評 估 方 式 所 進 行 的 實 驗 使 用 相 同 的 測 試 語 料 語 料 內 單 一 語 句 只 有 一 種 語 言, 也 就 是 不 做 單 一 語 句 多 種 語 言 混 合 之 實 驗 所 有 語 言 的 音 素 皆 以 IPA 來 表 示 (1) 國 台 英 三 語 混 合 實 驗 結 果 如 圖 三 所 示, 在 多 語 環 境 下 潛 藏 狄 式 分 佈 合 併 的 聲 學 模 型 在 Top5 時 候 有 47.86% 的 最 高 準 確 率, 且 整 體 準 確 率 皆 高 於 其 他 兩 種 聲 學 模 型 在 Top5 時 的 插 入 錯 誤, 本 文 提 出 之 方 法 較 已 聚 合 三 連 音 素 模 型 多 0.24%, 但 取 代 錯 誤 和 刪 除 錯 誤 則 較 已 聚 合 三 連 音 素 模 型 分 別 少 了 1.02% 和 0.74%, 因 此 整 體 的 準 確 率 較 已 三 連 音 素 模 型 多 了 1.52% 因 此 可 以 驗 證 本 文 所 提 出 之 方 法 在 多 語 環 境 下 仍 然 有 較 佳 的 效 能 Accuracy 60.00% 42.09% 44.89% 46.45% 47.86% 50.00% 43.05% 44.83% 46.34% 37.89% 40.33% 40.00% 36.23% 43.43% 44.73% 41.80% 30.00% 38.96% 34.88% 20.00% 10.00% 0.00% Top1 Top2 Top3 Top4 Top5 Triphone Tied Triphone LDA Tied Triphone 圖 三 三 種 聲 學 模 型 在 國 台 英 混 合 下 之 辨 識 結 果 (2) 國 語 實 驗 如 圖 四 所 示, 未 聚 類 三 連 音 素 模 型 在 多 語 環 境 下 辨 識 國 語 有 最 高 的 準 確 率 而 有 經 過 模 型 合 併 的 聚 類 三 連 音 素 模 型 和 潛 藏 狄 式 分 佈 選 擇 聲 學 模 型 擇 是 正 確 率 差 距 不 大, 但 兩 者 皆 低 於 未 聚 類 三 連 音 素 模 型 而 未 聚 類 三 連 音 素 模 型 錯 誤 率 改 善 主 要 集 中 在 取 代 錯 誤 潛 在 狄 式 分 佈 和 聚 類 三 連 音 素 模 型 的 比 較 在 插 入 錯 誤 略 高 而 刪 除 錯 誤 低 則 是 與 本 文 前 列 單 語 環 境 下 之 實 驗 相 同 因 此 推 測 有 可 能 是 在 進 行 多 語 模 型 合 併 時 後 國 語 的 音 標 合 併 上 出 現 問 題 或 者 是 因 為 訓 練 語 料 過 少 而 導 致 模 型 描 述 不 夠 全 面, 因 此 在 多 語 環 境 下 產
11 生 了 嚴 重 的 模 型 混 淆 60.00% Accuracy 50.00% 40.00% 30.00% 20.00% 10.00% 42.88% 38.37% 38.95% 45.06% 46.94% 48.08% 48.99% 40.75% 42.42% 43.47% 44.04% 40.64% 42.07% 43.23% 44.44% 0.00% Top1 Top2 Top3 Top4 Top5 Triphone Tied Triphone LDA Tied Triphone 圖 四 多 語 聲 學 模 型 辨 識 國 語 之 辨 識 結 果 (3) 台 語 實 驗 多 語 聲 學 模 型 辨 識 台 語 的 環 境 下, 潛 藏 狄 式 分 佈 選 擇 之 聲 學 模 型 準 確 度 在 Top5 時 略 高 聚 類 三 連 音 素 模 型 0.21%, 而 高 未 聚 類 三 連 音 素 模 型 7.81%, 如 圖 五 所 示 在 Top5 時 取 代 錯 誤 較 聚 類 三 連 音 素 模 型 低 0.23% 刪 除 錯 誤 多 0.02% 而 插 入 錯 誤 則 是 相 同, 整 體 看 來 仍 略 優 於 聚 類 三 連 音 素 模 型 在 的 單 語 環 境 下 台 語 聲 學 模 型 實 驗 之 結 果 顯 示 潛 藏 狄 式 分 佈 選 擇 的 聲 學 模 型 準 確 率 略 低 於 聚 類 三 連 音 素 模 型, 而 在 多 語 環 境 下 之 準 確 率 雖 然 略 有 改 善, 但 依 然 與 聚 類 三 連 音 素 模 型 差 距 不 大 因 此 我 們 推 測 本 文 所 提 出 的 方 法 可 能 在 我 們 所 使 用 的 台 語 語 料 環 境 下 效 能 改 善 有 限, 但 在 多 語 的 情 況 下 仍 然 可 以 略 高 於 聚 類 三 連 音 素 模 型
12 Accuracy 60.00% 50.00% 40.00% 30.00% 20.00% 38.67% 38.44% 31.67% 44.56% 44.23% 37.21% 48.58% 48.00% 41.17% 51.00% 50.73% 43.40% 53.02% 52.81% 45.21% 10.00% 0.00% Top1 Top2 Top3 Top4 Top5 Triphone Tied Triphone LDA Tied Triphone 圖 五 多 語 聲 學 模 型 辨 識 台 語 之 辨 識 結 果 (4) 英 語 實 驗 本 文 所 提 出 之 方 法 在 多 語 環 境 下 以 辨 識 英 語 準 確 度 提 升 率 遠 高 於 國 語 和 台 語, 如 圖 六 所 示, 在 Top5 時 準 確 度 較 聚 類 三 連 音 素 模 型 高 3.16%, 與 未 聚 類 三 連 音 素 模 型 相 比 則 是 高 5.98% 如 表 5.9 所 示, 在 Top5 情 況 下, 取 代 錯 誤 相 較 於 聚 類 三 連 音 素 模 型 有 3.2% 的 改 善, 刪 除 錯 誤 則 是 有 0.63% 的 改 善, 但 插 入 錯 誤 則 是 較 聚 類 三 連 音 素 模 型 高 0.61% 因 此 可 以 看 出 本 文 提 出 之 方 法 在 多 語 環 境 下 辨 識 英 文 可 以 減 少 取 代 錯 誤 和 刪 除 錯 誤, 而 整 體 的 準 確 率 也 有 所 提 升 Accuracy 50.00% 40.00% 30.00% 20.00% 10.00% 36.49% 33.59% 31.14% 40.15% 37.15% 34.46% 42.35% 43.19% 44.03% 39.19% 39.79% 40.80% 36.19% 37.01% 38.05% 0.00% Top1 Top2 Top3 Top4 Top5 Triphone Tied Triphone LDA Tied Triphone 圖 六 多 語 聲 學 模 型 辨 識 英 語 之 辨 識 結 果
13 六 結 論 與 未 來 研 究 發 展 方 向 由 於 目 前 網 路 與 交 通 的 發 達, 使 得 全 球 化 成 為 必 然 的 趨 勢, 而 多 語 辨 識 在 這 個 社 會 也 愈 來 愈 顯 得 重 要 但 有 語 言 辨 識 的 多 語 辨 識 存 在 著 錯 誤 疊 加 的 問 題 不 使 用 語 言 辨 識 的 多 語 辨 識 方 法 被 提 出 用 來 解 決 此 問 題, 但 不 使 用 語 言 辨 識 的 方 法 有 不 同 語 言 間 的 聲 學 模 型 間 容 易 混 淆 的 問 題 存 在, 而 本 文 提 出 使 用 潛 在 狄 式 分 佈 來 進 行 聲 學 模 型 合 併 之 選 擇 所 有 語 言 音 素 皆 以 IPA 表 示, 以 達 到 參 數 共 通 之 目 的 並 且 將 音 素 對 應 到 發 音 部 位 和 發 音 方 法 以 減 少 數 量, 並 且 達 到 減 少 運 算 量 之 目 的, 使 得 潛 藏 狄 式 分 佈 偵 測 器 得 以 運 用 長 距 離 詞 彙 語 意 資 訊, 將 常 常 先 後 成 對 出 現 的 音 素 進 行 合 併, 以 減 少 聲 學 模 型 的 混 淆 實 驗 結 果 顯 示, 由 潛 藏 狄 式 分 佈 所 選 擇 合 併 的 聲 學 模 型 和 聚 類 三 連 音 素 模 型 以 及 未 聚 類 三 連 音 素 模 型 相 比 在 單 語 環 境 下 辨 識 國 語 最 高 有 10.16% 的 準 確 率 改 善, 而 辨 識 英 語 則 有 4.23% 的 準 確 率 改 善 在 多 語 環 境 下 混 合 辨 識 國 台 英 三 語 混 合 的 情 況 下 有 0.24% 的 準 確 度 改 善, 辨 識 英 語 有 3.16% 的 準 確 度 改 善 本 文 所 提 出 之 方 法 雖 然 在 多 數 的 情 況 下 都 可 以 獲 得 準 確 率 的 改 善, 但 是 整 體 辨 識 率 仍 然 偏 低, 多 語 辨 識 相 較 於 單 語 辨 識 的 聲 學 模 型 數 量 會 隨 著 語 言 數 量 成 倍 數 成 長, 而 聲 學 模 型 數 量 愈 多 則 需 要 更 多 的 訓 練 語 料 來 訓 練 因 此 多 語 辨 識 經 常 面 臨 語 料 不 足 的 問 題, 雖 然 經 過 模 型 合 併 後 騎 聲 學 模 型 數 量 仍 然 相 當 龐 大 本 文 所 提 出 之 方 法 最 終 合 併 後 的 聲 學 模 型 數 量 遠 大 於 聚 類 三 連 音 素 模 型, 因 此 需 要 更 多 的 訓 練 語 料 未 來 我 們 會 持 續 的 收 集 大 量 的 語 料, 讓 訓 練 資 料 更 為 完 善, 以 改 善 語 料 不 足 的 問 題 目 前 所 提 出 之 方 法 只 使 用 長 距 離 詞 彙 語 意 資 訊 來 進 行 合 併, 因 此 當 句 子 長 度 較 短 的 時 候 準 確 度 會 有 相 當 程 度 的 下 降, 因 此 未 來 若 可 以 同 時 考 慮 短 距 離 的 資 料 特 性, 例 如 三 連 音 素 模 型 聚 合 時 所 使 用 的 馬 式 距 離, 或 許 可 以 同 時 在 短 句 和 長 句 都 取 得 較 佳 的 結 果 致 謝 本 研 究 承 蒙 中 華 民 國 國 家 科 學 委 員 會 經 費 ( E ) 支 持 方 得 以 完 成, 特 別 感 謝 參 考 文 獻 [1] David M. Blei, Andrew Y. g, Michael I. Jordan, Latent Dirichlet Allocation, Journal of Machine Learning Research 3, pp , [2] Hamada, H., S. Miki, and R. akatsu. Automatic Evaluation of English Pronunciation Based on Speech Recognition Techniques, IEICE Trans. Inf. and Sys E76-D(3): [3] eumeyer, L., H. Franco, M. Weintraub, and P. Price. Pronunciation Scoring of Foreign Language Student Speech In ICSLP 96. Philadelphia, USA, Oct. [4] Ronen, O., eumeyer, L. and Franco, H. Automatic Detection of Mispronunciation for Language Instruction, Proceedings Eurospeech 97, Rhodes, Greece,
14 Proceedings of the Twenty-Fifth Conference on Computational Linguistics and Speech Processing (ROCLIG 2013) [5] Franco, H., eumeyer, L., Ramos, M., and Bratt, H. Automatic Detection of Phone-Level Mispronunciation for Language Learning, Proceedings Eurospeech '99, Budapest, Hungary, [6] H. Shu and I. L. Hetherington, EM Training of Finite-State Transducers and its Application to Pronunciation Modeling, Proc. ICSLP, Denver, CO, September [7] H. Li, B. Ma, and C.H. Lee. A Vector Space Modeling Approach to Spoken Language Identification, Audio, Speech, and Language Processing, IEEE Transactions on vol. 15, O. 1, JAUARY, pp , [8] Sabato Marco Siniscalchi, Dau-Cheng Lyu, Torbjørn Svendsen, Chin-Hui Lee, Experiments on Cross-Language Attribute Detection and Phone Recognition With Minimal Target-Specific Training Data, IEEE TRASACTIOS O AUDIO, SPEECH, AD LAGUAGE PROCESSIG, VOL. 20, O. 3, MARCH [9] 王 小 川, 語 音 信 號 處 理, 二 版, 全 華 圖 書 股 份 有 限 公 司, 2007 [10] 梁 敏 雄, 呂 仁 園, 台 灣 多 語 語 音 資 料 庫 之 建 立 及 應 用, 長 庚 大 學 博 士 文, 2008 [11] 陳 志 宇, 國 台 雙 語 大 詞 彙 與 連 續 音 辨 認 系 統 研 究, 長 庚 大 學 碩 士 論 文, 2000 [12] 楊 永 泰, 隱 藏 式 馬 可 夫 模 型 應 用 於 中 文 語 音 辨 識 之 研 究, 中 原 大 學 碩 士 論 文, 2000 [13] 蔡 佩 珊, 沈 涵 平, 吳 宗 憲, 發 音 事 件 驗 證 於 多 語 辨 識 發 音 變 異 模 型 之 產 生, ROCLIG 2010, page
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