动态前瞻技术提升语音识别准确率

动态前瞻技术如何提升语音识别性能

自动语音识别（ASR）模型分为因果模型和非因果模型两种类型。因果模型实时处理语音输入，在解释当前音频帧时只能使用之前的帧；非因果模型则等待整个语句完成，在解释当前帧时可以使用前后所有帧的信息。

因果模型延迟较低，但非因果模型因拥有更多上下文信息而更加准确。许多ASR模型通过使用前瞻技术来平衡这两种方法：在决定当前帧的解释前，先让少量额外帧输入。然而，这些额外帧有时并不包含解决歧义所需的关键信息，有时模型即使没有这些信息也能保持准确。

在今年的国际机器学习会议（ICML）上，我们提出了一种基于输入动态确定每个帧前瞻长度的ASR模型。

计算图表示

我们使用计算图来表示模型执行的计算。从左到右，图表征了输入帧处理的连续时间步；从下到上，图表征了从输入到输出的ASR网络连续层。图中的边描绘了过去时间步节点与当前时间步节点之间的因果关系，以及未来时间步节点与当前输出节点之间的依赖关系。

在标准前瞻模型中，邻接矩阵的对角线偏移了固定的前瞻帧数。我们的目标是训练一个调度器，能够实时生成具有不同前瞻程度的邻接矩阵，我们称这些矩阵为掩码。

退火处理

在训练过程中，我们允许邻接矩阵中存在分数值，以便使用可微分的损失函数。通过退火处理，在连续训练周期中，我们强制邻接矩阵的值逐渐趋近于1或0。在推理时，模型输出的值虽然仍是分数，但已足够接近1或0，可以通过简单舍入生成邻接矩阵。

延迟优化

前瞻ASR模型需要在准确性和延迟之间取得平衡。我们通过在训练期间选择损失函数来实现这种平衡。我们计算每个输出的算法延迟，定义为当前输出节点与未来输入节点之间的时间步数，其中依赖路径权重最高。

这使我们能够计算训练集中所有样本的平均算法延迟，并相应地正则化训练期间使用的延迟度量。在另一组实验中，我们使用了计算延迟而非算法延迟的概念，关键是要计算模型在每个时间步能够完成多少积压的计算。

性能比较

我们将模型性能与四个基线进行比较：无前瞻的因果模型；每帧使用相同前瞻的分层模型；执行一次前瞻、追赶、再执行另一次前瞻的分块模型；以及使用标准延迟惩罚项的动态前瞻模型版本。我们还测试了使用Conformer架构和Transformer架构的两个模型版本。

对于固定前瞻基线，我们考虑了三种不同的前瞻间隔：两帧、五帧和十帧。在所有情况下，我们的模型都比所有基线更准确，同时实现了更低的延迟。

致谢：Martin Radfar, Ariya Rastrow, Athanasios Mouchtaris
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