语音识别算法阅读之transformer-transducer(google)
论文：
TRANSFORMER TRANSDUCER: A STREAMABLE SPEECH RECOGNITION MODELWITH TRANSFORMER ENCODERS AND RNN-T LOSS
思想：
论文作者借助RNN-T的整体架构，利用transformer替换RNN结构；因为transformer是一种非循环的attention机制，所以可以并行化计算，提升计算效率；此外，作者还对attention的上下文时序信息宽度做了限制，即仅利用有限宽度的上下文时序信息，在损失较小精度的条件下，可以满足流式语音识别的要求；还有一点是，作者表明当transformer采用非限制的attention结构时，在librispeech数据集上能够取得state-of-the-art的识别效果
说明：该轮文思路跟facebook的论文[1]基本一致，都是采用transformer替换RNN-T中的RNN结构，且均从限制attention上下文时序信息的宽度角度考虑，降低计算和延迟；但二者在细节方面略有不同，比如输入特征维度、数据增强、模型大小、结点参数、位置编码产生方式等均有所不同；此外，该轮文在解码时采样了语言模型融合的策略，提升识别效果；
模型：
模型以RNN-T为整体框架，包含transformer encoder网络、transformer预测网络和feed-forward联合网络；损失采用的RNN-T的损失，即最大化标签序列对应所有对齐的概率和；
- transformer encoder：由多个block堆叠而成，每个block包含layer norm、multi-head attention、feed-forward network和resnet connection；
- 每个block的输入都会先进行layer norm进行归一化，使得训练稳定，收敛更快
- multi-head attention有多个self-attention(Q=K=V)并连而成，输入特征被转换到多个子空间进行特征建模，最后再将各个子空间的输出进行合并，得到高层次的特征编码;需要说明的是，为提升计算效率，可以对attention所关注的上下文时序信息宽度进行控制；
- feed-forward network由多层全连接串联而成，激活函数为ReLU；并且训练时采用dropout防止过度拟合
- resnet connection的采样一方面能够为上层提供更多的特征信息，另一方面也使得训练时反向传播更加稳定
- transformer 预测网络：具有跟encoder类似的结构，只不过预测网络的attention不能利用未来信息，所以网络的attention仅限定在历史的状态；此外，作者还通过限定attention的历史状态个数来降低计算复杂度，O(T2)->O(T)
- feed-forward联合网络：encoder的输出和预测网络的输出进行线性组合之后，输入到联合网络进行任务化学习；网络由多层全连接层组成，最后一层为softmax；网络的输出为后验概率分布
其中，AudioEncoder、LabelEncoder分别为encoder网络和预测网络输出；P为联合网络输出的后验概率；ti为时间序号；Label(z1:i-1)表示预测网络的历史non-blank输出序列
Loss:网络的目标是最大化标签序列对应的所有对齐的概率和，取负号是可转化成最小化；
其中，P(yi|xi)代表第i个样本的标签序列对应的所有可能对齐的概率和；α(Ti,Ui)是采用前向算法计算得到的对齐路径的概率和，前向算法在每个时间步上对路径进行合并并更新累计概率变量α(t, u)，实现高效的概率计算过程，α(t, u)表示为在时间t，经过状态u的所有路径的概率和；
其中，(zi,ti)表示输出与ti时刻编码特征的对齐
训练：
- 数据集：语音数据集：LibriSpeech 970hours；文本数据集：LibriSpeech对应10M文本＋额外800M本文
- 输入特征：128log fbanks；下采样帧率33.3hz;
- 特征增强specaugment[2]：通过[2]进行增强，仅采样时间掩蔽和频率掩蔽，且frequency masking(F = 50,mF = 2)andtimemasking(T = 30,mT = 10)
- 模型参数：
- transformer encoder网络：18*block(feed-forward(layer-norm(x)+attentionlayer(layer-norm(x)))
- 预测网络：2*block(feed-forward(layer-norm(x)+attentionlayer(layer-norm(x)))
- 联合网络：一层全连接(激活tanh)＋一层softmax
- 学习率策略：ramp-up阶段(0～4k steps)：从0线性ramp-up到2.5e−4；hold阶段(4k~30k steps):保持2.5e−4；指数衰减阶段(30k～200k steps):衰减到2.5e−6为止
- 高斯噪声(10k steps~)：训练时模型的权重参数引入高斯噪声，提升鲁棒性，高斯参数(μ = 0, σ = 0.01)
实验结果：
- 当T-T的encoder采样full时间序列attention时，效果优于BiLSTM的encoder结构；此外当T-T采用transformer结构的语言模型融合时能够取得可比state-of-the-art的结果
- 对于encoder网络，缩短attention利用的左右上下文时间序列宽度均会造成识别错误率的上升；对于预测网络，其attention结构不利用未来的时间状态信息，但缩短其利用的历史状态个数也会造成识别错误率的轻微上升；不过，当合理控制上下文状态的个数，可以使得对识别结果的影响比较轻微
- 对于一个n层的transformer网络，当right context＝1时，当前步的输出需要的延迟时间为(n-1)*30ms;如下图，当n＝3、帧率为33.3hz时，预测y7时的延迟为90ms
- 训练速度：在参数量相似的条件下，T-T相对于基于LSTM的RNN-T训练速度提升3.5倍(1 day:3.5 days)
结论：
- 提出了一种基于transformer的端到端的RNN-T结构，称之为Transformer Transducer；该模型，一方面借助transformer的非循环结构，网络可并行化计算，显著提升训练效率；另一方面，在LibriSpeech数据集上取得了新的state-of-the-art的效果
- Transformer Transducer还允许控制attention利用的上下文状态个数，从而有效降低延迟和计算，在精度轻微损失的条件下，满足流式语音识别的要求
Reference：
