基于音素混淆網(wǎng)絡(luò)的蒙古語語音關(guān)鍵詞檢測方法的研究

飛 龍,高光來，鮑玉來

(1. 內(nèi)蒙古大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021；2. 內(nèi)蒙古大學(xué)圖書館，內(nèi)蒙古 呼和浩特，010021)

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基于音素混淆網(wǎng)絡(luò)的蒙古語語音關(guān)鍵詞檢測方法的研究

飛 龍1,高光來1，鮑玉來2

(1. 內(nèi)蒙古大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021；2. 內(nèi)蒙古大學(xué)圖書館，內(nèi)蒙古 呼和浩特，010021)

蒙古語語音識別系統(tǒng)的詞表很難覆蓋所有的蒙古文單詞，并且隨著社會的發(fā)展，蒙古文的新詞和外來詞也越來越多。為了解決蒙古語語音關(guān)鍵詞檢測系統(tǒng)中的集外詞檢測問題，該文提出了基于音素混淆網(wǎng)絡(luò)的蒙古語語音關(guān)鍵詞檢測方法，并采用音素混淆矩陣改進(jìn)了關(guān)鍵詞的置信度計(jì)算方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于音素混淆網(wǎng)絡(luò)的蒙古語語音關(guān)鍵詞檢測方法可以較好地解決集外詞的檢測問題。蒙古語語音關(guān)鍵詞檢測系統(tǒng)采用改進(jìn)的置信度計(jì)算方法后精確率提高了6%，召回率提高了2.69%，性能得到明顯的提升。

蒙古語；關(guān)鍵詞檢測；集外詞；混淆網(wǎng)絡(luò)；音素混淆矩陣

1 引言

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，蒙古語語音資料在教育、影視、文化等諸多方面的應(yīng)用越來越廣泛，數(shù)量急劇增加，已形成了豐富的民族文化資源。如何對這些語音文檔進(jìn)行有效地檢索和分類成為了蒙古文信息處理領(lǐng)域中的一個熱點(diǎn)問題。語音關(guān)鍵詞檢測技術(shù)是根據(jù)用戶給定的查詢，從指定的語音數(shù)據(jù)集中返回與其對應(yīng)的語音片段。

在之前的研究中，我們提出了基于詞混淆網(wǎng)絡(luò)(Confusion Network, CN)的蒙古文語音關(guān)鍵詞檢測方法[1]，該方法分為兩個階段進(jìn)行處理。第一階段為識別階段，通過蒙古語大詞匯量連續(xù)語音識別(Large Vocabulary Continuous Speech Recognition, LVCSR)系統(tǒng)[2-3]把語音識別成文本；第二階段為檢測階段，從識別的文本中查詢對應(yīng)關(guān)鍵詞，并返回結(jié)果。蒙古語是有粘著性特點(diǎn)的語言，蒙古文單詞是由詞根綴加多個后綴組成，而所有的詞根和后綴可以組合成大規(guī)模的蒙古文單詞?，F(xiàn)有的蒙古語LVCSR系統(tǒng)的發(fā)音詞典無法包含所有的蒙古文單詞。并且，隨著社會的發(fā)展，蒙古文的新詞和外來詞也越來越多。因此，蒙古文集外詞(Out of Vocabulary，OOV)的檢測問題成為了蒙古語語音關(guān)鍵詞檢測系統(tǒng)亟待解決的關(guān)鍵問題。

漢語LVCSR中的集外詞可以以詞(或單字)的合成詞形式被識別出來，因此在漢語語音識別任務(wù)和語音檢索任務(wù)中，集外詞問題往往被忽略而很少提及。英語語音檢索任務(wù)中集外詞問題一直是研究熱點(diǎn)之一，他們主要采用了子詞或音素的識別形式解決集外詞的檢測問題[4-7]。

為了解決蒙古文集外詞的檢測問題，本文提出了基于音素混淆網(wǎng)絡(luò)的蒙古語語音關(guān)鍵詞檢測方法。蒙古語語音文件被解碼成音素形式時(shí)正確識別率會變得很低，并會出現(xiàn)很多不符合韻律學(xué)的發(fā)音序列。為了提高系統(tǒng)的精準(zhǔn)率和召回率，本文采用了音素混淆矩陣(Phoneme Confusion Matrix, PCM)來計(jì)算關(guān)鍵詞的置信度得分，并得到了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

本文其余部分組織如下： 第2節(jié)介紹了蒙古語發(fā)音特點(diǎn)；第3節(jié)詳細(xì)描述了基于音素混淆網(wǎng)絡(luò)的蒙古語語音關(guān)鍵詞檢測方法；第4節(jié)為實(shí)驗(yàn)部分；最后為結(jié)論部分。

2 蒙古語發(fā)音特點(diǎn)

蒙古文是拼音文字，它的字母表由8個元音字母和27個輔音字母組成[8]。在蒙古語中，語音最小單位為音素，常用的口語發(fā)音音素共64個，其中元音音素37個，輔音音素27個，如表1所示。在蒙古語口語中，元音音素可分為兩類： 一類是獨(dú)立元音，這類元音音素發(fā)音比較清晰，比較完整，而且往往也是一個詞的重音所在，獨(dú)立元音包括處于單詞第一音節(jié)的短元音以及處于單詞任意位置的長元音和復(fù)合元音。另一類是依附元音，這類元音音素通常發(fā)音不夠清晰，不夠完整，它包括處于非第一音節(jié)的所有短元音。

表1 蒙古文音素表

3 基于音素混淆網(wǎng)絡(luò)的蒙古語語音關(guān)鍵詞檢測

基于音素混淆網(wǎng)絡(luò)的蒙古語語音關(guān)鍵詞檢測系統(tǒng)的框架如圖1所示。首先，利用蒙古語自動語音識別(Automatic Speech Recognition, ASR)系統(tǒng)將蒙古語語音文件進(jìn)行解碼，并生成音素網(wǎng)格文件；其次，將音素網(wǎng)格文件轉(zhuǎn)化成混淆網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的文件，并建立索引；最后，采用蒙古文字母到音素轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[8]將關(guān)鍵詞轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的音素串，并利用音素串從索引庫中進(jìn)行檢測。

圖1 基于音素混淆網(wǎng)絡(luò)的蒙古文關(guān)鍵詞檢測系統(tǒng)框架

3.1 ASR解碼

本文采用蒙古語ASR系統(tǒng)對蒙古語語音文件進(jìn)行了解碼。蒙古語ASR系統(tǒng)的聲學(xué)模型采用了詞內(nèi)上下文相關(guān)的三音素模型，并利用決策樹進(jìn)行了捆綁，最后采用CHMM混合高斯模型進(jìn)行了訓(xùn)練。訓(xùn)練語言模型時(shí)，首先將訓(xùn)練文本中的全部蒙古文單詞轉(zhuǎn)換成了音素串形式，并用n-gram語言模型進(jìn)行了訓(xùn)練。語言模型的平滑算法采用了Kneser-Ney平滑算法。最后，利用聲學(xué)模型和語言模型將蒙古語語音文件解碼成n-best音素網(wǎng)格文件。

3.2 音素混淆網(wǎng)絡(luò)的生成和索引的建立

最大似然識別結(jié)果(最優(yōu)路徑)有比較高的錯誤率，但網(wǎng)格中往往包含了大量正確的補(bǔ)充信息。網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。網(wǎng)格主要由節(jié)點(diǎn)和邊組成，每一個節(jié)點(diǎn)(Node)表示一個時(shí)間點(diǎn)，每一條邊(Arc)表示一個識別單元假設(shè)(Hypothesis： 音素)，邊將不同時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)連接起來，形成一個有向非循環(huán)圖。

圖2 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖

音素網(wǎng)格可以用來進(jìn)行語音關(guān)鍵詞檢測，然而，網(wǎng)格具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用存儲空間大的缺點(diǎn)。Mangu等人[9]提出的混淆網(wǎng)絡(luò)(Confusion Network)是一種新穎的語音識別多候選存儲結(jié)構(gòu)，是對網(wǎng)格進(jìn)一步處理的結(jié)果，可以看作是一種簡化的線性網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，比網(wǎng)格占用存儲空間更小，研究表明混淆網(wǎng)絡(luò)能獲得比網(wǎng)格更小的詞錯誤率。混淆網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 混淆網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

為了提高檢測速度，本文對生成的音素混淆網(wǎng)絡(luò)文件建立了索引。音素混淆網(wǎng)絡(luò)中存在著大量的空弧，所以對索引庫進(jìn)行搜索時(shí)必須對空弧也要進(jìn)行處理。本文建立索引時(shí)為了保證混淆網(wǎng)絡(luò)的完整性，將空弧當(dāng)成獨(dú)立的一個音素進(jìn)行了處理，所以對空弧也建立了對應(yīng)的索引。對空弧建立索引時(shí)，因?yàn)榭栈≈挥泻篁?yàn)概率得分，沒有其他附加信息(如開始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、聲學(xué)得分和語言模型得分等)，所以將其他信息都置為了空。

首先，我們對音素混淆網(wǎng)絡(luò)建立了前向索引，并根據(jù)前向索引建立了逆向索引。逆向索引的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 音素逆向索引結(jié)構(gòu)

其中，PhoID為音素的編號，Num表示該音素對應(yīng)的命中向量個數(shù)，F(xiàn)ileID為語音文件編號，SliceID為混淆集編號，Ptr為音素的后驗(yàn)概率，StartTime為音素的開始時(shí)間，Duration為音素的持續(xù)時(shí)間。

3.3 關(guān)鍵詞的搜索與確認(rèn)

3.3.1 音素混淆矩陣

PCM的每個元素p(wi|wj)代表音素wj被替換成音素wi的概率。我們通過音素混淆網(wǎng)絡(luò)生成混淆矩陣。假設(shè)語音片段中都包含音素wj，則分類函數(shù)α(n)定義為式(1)。

那么音素混淆概率p(wi|wj)可以被表示成式(2)。

其中，N表示訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的語音片段的總數(shù)，K表示所有音素的數(shù)目，count(wk|wj)表示在同一個語音片段中跟wj對齊的wk的數(shù)目。

3.3.2 搜索與確認(rèn)

對于輸入關(guān)鍵詞，經(jīng)過字母到音素轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)音素串，對每個音素，按照混淆概率由高到低排列，找出前n個競爭音素，生成該音素的競爭集VieSet。假設(shè)關(guān)鍵詞為Q，轉(zhuǎn)換成音素串形式為Q={q1,q2,...,qm}，m為音素?cái)?shù)目。對于混淆網(wǎng)絡(luò)D，關(guān)鍵詞Q的置信度得分為score(m,D)，可以表示成式(3)和式(4)。

其中，λ為權(quán)重系數(shù)，p(qi|D)為qi的后驗(yàn)概率，Prela(i,D)為音素qi的競爭集VieSet(qi)的后驗(yàn)概率總和，p(qi|φj)為混淆矩陣的概率值。

音素混淆網(wǎng)絡(luò)中存在著大量的空弧，所以索引搜索時(shí)必須對空弧也要進(jìn)行處理。在音素逆向索引中搜索關(guān)鍵詞的過程如圖5所示。Heps表示刪除命中向量(對應(yīng)混淆網(wǎng)絡(luò)中的空弧)，Hi表示音素qi和相同位置的所有競爭集VieSet(qi)的命中向量的合并。Hi的置信度可以通過式(3)得到。搜索方法的主要思想是： 首先，從H1中搜索q1，如果命中則生成候選集X1，然后從H2，Heps和X1中搜索q1q2，如果命中則生成候選集X2，通過這種方式我們可以檢測到音素串對應(yīng)的候選集Xm；最后，通過候選集Xm的置信度排序得到關(guān)鍵詞的檢測結(jié)果。

圖5 從音素逆向索引中搜索關(guān)鍵詞的過程

4 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)使用的工具有HTK3.4[10]和SRILM[11]。實(shí)驗(yàn)用來檢測關(guān)鍵詞的蒙古語語音語料為15 000句，約21小時(shí)。本文選擇了10個關(guān)鍵詞(query)對測試語音進(jìn)行了檢測，每個關(guān)鍵詞包含2個到5個蒙古文單詞。

召回率(Recall rate)和精確率(Precision Rate)是信息檢索的重要評估方法，也可以用來評估關(guān)鍵詞檢測系統(tǒng)的檢出性能，對整個關(guān)鍵詞檢出結(jié)果集的質(zhì)量進(jìn)行量化評價(jià)。召回率是指關(guān)鍵詞被正確找到的比例，精確率是指所有找到關(guān)鍵詞中正確的比例。

實(shí)驗(yàn)利用基于聯(lián)合序列模型的蒙古文字母到音素的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[8]將10個關(guān)鍵詞轉(zhuǎn)換成了音素串形式。我們對沒有采用PCM的基于音素混淆網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵詞檢測方法和采用了PCM的基于音素混淆網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵詞檢測方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較。在采用PCM的方法中，每個音素采用了混淆矩陣概率排名為前5的競爭音素作為了競爭集。

本文通過11點(diǎn)的召回率-精確率曲線分析了兩種關(guān)鍵詞檢測方法的性能，并對所有關(guān)鍵詞的檢測結(jié)果進(jìn)行了平均計(jì)算，結(jié)果如圖6所示。表1給出了兩種關(guān)鍵詞檢測方法的相應(yīng)的11點(diǎn)平均精確率、對應(yīng)的召回率。從圖6和表2中可以看出采用PCM方法的精確度和召回率都明顯優(yōu)于沒有采用PCM的方法，并且平均精確度提高了6%，召回率提高了2.69%。

圖6 召回率-精確率曲線

表2 對傳統(tǒng)蒙古文集外詞檢測的結(jié)果比較

5 結(jié)論

為了解決蒙古文集外詞的檢測問題，本文提出了基于音素混淆網(wǎng)絡(luò)的蒙古語語音關(guān)鍵詞檢測方法。首先，本文介紹了蒙古語發(fā)音特點(diǎn)；其次，介紹了基于音素混淆網(wǎng)絡(luò)的蒙古文關(guān)鍵詞檢測系統(tǒng)的框架；第三，概述了蒙古語ASR解碼和建立音素索引的方法；最后，詳細(xì)描述了采用PCM的關(guān)鍵詞搜索和確認(rèn)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于音素混淆網(wǎng)絡(luò)的蒙古語語音關(guān)鍵詞檢測方法可以較好的解決集外詞的檢測問題，并且采用PCM的置信度計(jì)算方法提高了系統(tǒng)的整體性能。

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Research on Mongolian Spoken Term Detection Based on Phoneme Confusion Network

BAO Feilong1, GAO Guanglai1, BAO Yulai2

(1. College of Computer Science, Inner Mongolia University, Hohhot， Inner Mongolia 010021, China; 2. Library of Inner Mongolia University, Hohhot， Inner Mongolia 010021, China)

To deal with Out-of-Vocabulary detection on Mongolian spoken term detection system, this paper proposes a Mongolian spoken term detection method based on phoneme confusion network.The Confidence Measure is improved by incorporating phoneme confusion matrix. Experimental results show that our method obtains a satisfying performance in the task of Mongolian Out-of-Vocabulary detection, with 6% improvement in precision rate and 2.69% in recall rate.

Mongolian; spoken term detection; Out-of-Vocabulary word; confusion network; phoneme confusion matrix

飛龍(1985—)，博士，講師，主要研究領(lǐng)域?yàn)槊晒盼男畔⑻幚恚Z音識別，語音合成。E?mail：csfeilong@imu．edu．cn高光來(1964—)，碩士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)槟Ｊ阶R別，自然語言處理。E?mail：csggl@imu．edu．cn鮑玉來(1975—)，碩士，副研究館員，碩士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)閿?shù)字圖書館，信息資源管理。E?mail：65003846@qq．com

1003-0077(2015)01-0178-05

2013-04-08 定稿日期： 2013-07-11

國家自然科學(xué)基金(61263037, 71163029)；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金(2014BS0604)；內(nèi)蒙古大學(xué)高層次人才引進(jìn)科研項(xiàng)目

TP391

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