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音声の認識 (Speech Recognition)
入力された音声を文字列に変換する
(Speech-to-Text)
概要
– 特徴抽出[Feature extraction] (MFCC)
– 音響モデル[Acoustic model] (HMM)
– 言語モデル[Language model]
(FSG, N-gram)
– デコーダ[Decoder]](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
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音声認識の基礎
- 2. 2 音声の認識 (Speech Recognition) 入力された音声を文字列に変換する (Speech-to-Text) 概要 – 特徴抽出[Feature extraction] (MFCC) – 音響モデル[Acoustic model] (HMM) – 言語モデル[Language model] (FSG, N-gram) – デコーダ[Decoder]
- 6. 6 サウンドスペクトログラムは どうやって作るか フレーム (frame) 窓関数 フーリエ変換 Fourier Transform 窓関数 Window Function Frame Shift ハミング窓など Hamming Window
- 7. 7 声の高さとスペクトル
- 10. 10 確率的音声認識の原理 事後確率最大となる確率的推定問題 (Maximum a posteiori probability) W = arg max W PW∣X = arg max W p X∣W PW p X = arg max W p X∣W PW
- 11. 11 特徴量の抽出 スペクトルの概形を表すパラメータを 使う – スペクトルの概形⇔声道伝達関数⇔音韻 – スペクトルの微細構造(⇔ピッチ)は使わな い 概形自体は冗長⇒よりコンパクトな特徴 – ケプストラム (Cepstrum) 時間構造の利用 – Δケプストラム，ΔΔケプストラム
- 13. 13 スペクトルとケプストラム FFTケプストラム (FFT Cepstrum)： 対数パワースペクトルのフーリエ変換 – 低次のケプストラム係数が対数スペクトル の概形に対応→音声認識に利用 – 高次のケプストラムのピークが基本周波数 に対応→ピッチ抽出に利用 C =F [log∣X ∣ 2 ]
- 15. 15 ケプストラムの仲間たち(1) FFTケプストラム (FFT Cepstrum) – 音声→パワースペクトル→対数パワースペ クトル→ケプストラム LPCケプストラム (LPC Cepstrum) – 音声→線形予測係数→LPCスペクトル→対数 LPCスペクトル→ケプストラム
- 17. 17 ケプストラムの仲間たち(2) メル周波数軸上のケプストラム – LPCメルケプストラム (LPC mel cepstrum) • LPCケプストラム係数を変換 – メルLPCケプストラム (Mel LPC cepstrum) • 音声波形をフィルタでメル周波数変換してLPC分 析 – MFCC (Mel Frequency Cepstral Coefficients) • メル周波数間隔のバンドパスフィルタ出力のコサ イン変換
- 20. 20 音響モデル (Acoustic model) 記号(音素，単語など) W が特徴量系列 X に対応する確率 p(X|W)を計算する – どうやって確率をつけるか？ – XもWも可変長⇒どう対応付けるか？ 隠れマルコフモデル(HMM)によるモデ ル化 – 特徴量系列を，特定の確率分布に従う系列 の連続としてモデル化
- 21. 21 HMM:隠れマルコフモデル HMMは特徴量系列を生成するモデル – 非決定性有限状態オートマトン – 「現在の状態」が確率的に変わりながら， 確率的に特徴ベクトルを生成する 状態iからjへの遷移 確率 状態iでの特徴ベク トルxの出力確率密 度 状態iの初期確率 i ai j bi x 多次元混合正規分布がよく用い られる
- 22. 22 HMMによる特徴ベクトルの生 成 HMMの「動作」 – 現在、ある状態にいる – ある確率で状態遷移 – 状態遷移と同時に特徴ベクトルを1個生成 する – どんな特徴ベクトルを生成するかは確率的 に決まっている – 生成された特徴ベクトルから、どの状態を 経てそれが出力されたかを知ることができ ない
- 23. 23 HMMと確率 Model M Vectors X p(X∣M) p(X∣M)=∑ S p(X∣S) S=s1 s2…sN 特定の状態系列 p(X∣S)=∏ i=1 N asi−1 si bsi (xi) 効率の良い計算方法がある （forward algorithm)
- 24. 24 HMMと確率 Model M Vectors X p(M∣X)= p(X∣M) p(M) ∫ p(X∣M) p(M)dX Bayes' Theorem 逆の確率が計算できる
- 25. 25 HMMの特徴 生成モデルである (vs. 識別モデル) – 音声の特徴量系列が出力される「確率密度」を計算する ことができる 任意の長さの系列が生成できる – 伸び縮みする系列を扱うのに適している – 系列と状態を対応付ける方法が確立している(ビタビアル ゴリズム) 学習によってパラメータが推定できる – サンプルを与えることで，そのサンプルを生成する確率 が高いHMMを推定することができる (Baum-Welch のア ルゴリズム)
- 26. 26 HMMの学習 (Training) 各シンボル(音素など)のデータを大量に 与えることでHMMが学習できる /a/ /i/ /o/ /a/のサンプ ル /i/のサンプル /o/のサンプ ル
- 27. 27 HMMの学習 基本的な学習原理:最尤推定 (Maximum Likelihood Estimation) Training Data X1,...,XK Model M ̂M=argmax M p( X∣M) 効率の良い学習アルゴリズム (Baum-Welch Algorithm)
- 28. 28 HMMによる認識(1) 入力系列XがHMM ηで生成される確率 密度 p(X|η)を計算する /a/ /i/ /o/ X p X∣/ a / p X∣/ i / p X∣/ o /
- 29. 29 HMMによる認識(2) 辞書を利用した単語の確率計算 /a/ /a//k/ /o/ /i//k/ X 赤 ⇒ /a/ /k/ /a/ 沖 ⇒ /o/ /k/ /i/ p X∣赤 p X∣沖 確率最大の単語を探せば 単語認識ができる
- 30. 30 言語モデル (Language model) 文を構成する単語の並びの制約を表現するモ デル ある文の並びを「評価」する – 1/0の評価：文法 (受理可能/不可能) • 有限状態文法(有限状態オートマトン) • 文脈自由文法(CFG) – 並びの「良さ」を確率的に評価： 統計的言語 モデル • N-gram • その他の確率的言語モデル
- 32. 32 統計的言語モデル もっと大規模な文を認識するには？ – 文章の音声入力など ある単語が並ぶ確率（並びやすさ）を 使う これを直接求めるのは難しい →近似によって求める Pw1 w2wN =∏i Pwi∣w1wi−1
- 33. 33 N-gram言語モデル ある単語の生起確率が直前のn-1単語に のみ依存すると仮定 – n=2の場合 Pw1wN =∏i Pwi∣wi−1 n=1: unigram n=2: bigram n=3: trigram
- 34. 34 一番良い文を探そう 20000種類の単語を知っている音声認識 …システムでは – ７個の単語からなる文は 200007 =1.28×1030 通り – 文1個の計算に1/10000秒かかったとする – 全部調べるには400京年（400億年の1億 倍）かかる
- 35. 35 デコーダによる探索 見込みのありそうな文だけ探す – 途中までスコアを計算しながら、可能性の ありそうな文だけを残し、残りは調べない 今日 は 良い 天気 でした 今日 で 言葉のつながりが悪い 音が似ていない コンピュータチェスなどと同じ手法