【语音识别】基于GMM-HMM的语音识别系统

基于GMM-HMM的语音识别系统
终极目的：让机器“听懂” 。
• 对齐：“音频wav” 和“文本txt”的对应关系
• 训练：已知对齐（wav及其txt），迭代计算模型参数。
• 解码：根据训练得到的模型参数，从wav推出txt。

核心：训练和解码

目录：

1. 基于孤立词的GMM-HMM语音识别系统
   a. 训练（前向后向训练/Viterbi训练）
   b. 解码
2. 基于单音素的GMM-HMM语音识别系统
   a. 音素/词典
   b. 训练
   c. 解码
3. 基于三音素的GMM-HMM语音识别系统
   a. 三音素
   b. 决策树
   c. 训练
   d. 解码
4. 基于GMM-HMM语音识别系统流程

1.基于孤立词的GMM-HMM语音识别系统

建模
建立特征向量与模型之间的关系
Xtest测试特征，Pw(X)是词w的概率模型，vocab是词表（在该示例中即0～9 10个数字）

这里的意思就是我们首先要对每个词建模，在他们落在每个词上面的概率，最后选择最大概率那个作为答案。

语音识别中的GMM（对角的GMM，协方差为对角阵，MFCC特征）。语音识别中的HMM，采用3状态，左右模型的HMM：

·为什么采用3状态？这是前人大量实验给出的经验值；
左右模型的HMM：对于每个状态，它只能跳转到自身或者下一个状态。类似于人的发音过程，连续不可逆
对于每个状态有一个GMM模型，对于每个词有一个HMM模型，当一段语音输入后，根据Viterbi算法得到一个序列在GMM-HMM上的概率，然后通过Viterbi回溯得到每帧属于HMM的哪个状态（对齐）。

训练
从系统的角度思考
• 输入：词w和w所对应的训练数据
• 输出：词w的HMM-GMM模型，也就是其参数

关键点
• 任务：训练数据Xw1,Xw2,Xw3… 中训练Pw(X)，估计HMM-GMM参数
• 准则：最大似然
• 方法：
• Viterbi学习(Viterbi训练)
• Baum-Welch学习(前向后向训练)

下面进行viterbi算法与EM算法的训练，那么我们就要对应找到初始状态，状态转移概率矩阵，观测概率矩阵。
初始状态：从左到右的HMM。
转移矩阵：跳回到自己或者跳向下一个参数
观测矩阵：混合系数、均值、方差

Viterbi算法
• E步(hard count)
Viterbi算法得到最优的状态序列（对齐 alignment），在t时刻处于状态𝑖𝑖上的概率(非0即1）
GMM模型中在t时刻处于状态𝑖𝑖第𝑘𝑘个GMM分量的概率（依然是soft count）
• M步(normalize)
更新转移参数、GMM参数（混合系数、均值、方差）
• 重复E/M

前向后向训练
• E步(soft count)
前向算法+后向算法，在时刻t处于状态i的概率
在时刻 t处于状态j且为GMM第k个分量的概率
• M步(normalize)
更新转移参数、GMM参数（混合系数、均值、方差）
• 重复E/M
这里可以去看我的前面那篇讲HMM的笔记

解码
• 从系统的角度思考
• 输入
各个词的HMM-GMM模型
未知的测试语音Xtest
• 输出：
Xtest是哪个词
• 关键点
概率问题对所有的w，如何 计算𝑃𝑃𝑤𝑤(𝑿𝑿𝒕𝒕𝒆𝒆𝒆𝒆𝒆𝒆)
方法：
前向算法
Viterbi算法（可以回溯到最优的状态序列）

如果是有两个数字识别：
其拓扑图为：

状态转移图为：

可以看出直接通过viterbi算法找到最佳路径即可

如果是连续数字识别呢？
加上一个循环即可。在识别完一个词，可以加入下一个词的识别。与此同时，还可以采用并行的办法提高效率，因为是并行的，在某个时刻，可能同时会有多个词达到结束状态，分别对应着一段路径，然后又要同时进行下一个词的识别，那么为了避免多余的计算，采用和Viterbi一样的思路，只选取最大概率的路径，扔掉其他。

孤立词系统的缺点
1.建模单元数，计算量和词典大小成正比
2.词的状态数对每个词应该不同，长词状态更多
3.不在词典中的情况
4.词不是最小的单位，音素才是

从而采用3音素建模：

训练流程变成：

问题：如果一句话中包含多个单词？
这个采用和上述相同的方法，加入循环结构，当到达结束状态时进行下一个词的识别。

基于三音素的GMM-HMM语音识别系统
单音素的缺点：
1.建模单元少
2.音素的发音受上下文影响（协同发音）

解决方案：考虑音素的上下文（Context），一般的，考虑前一个/后一个，称之为三音素，表示为A-B+C
同时采用决策树的方法来优化存储结构，减少重复参数出现。

决策树长这样：
• 二叉树
• 每个非叶子结点上都会有一个问题
• 叶子结点是一个绑定三音素的集合
• 绑定的粒度为状态
A-B+C和A-B+D的第1个状态绑定在一起，并不代表其第2/3个状态也要在一起
也就是B的每个状态都有一颗小的决策树

问题集的构建：语言学家定义，Kaldi中通过自顶向下的聚类自动构建问题集。
它是一种基础状态的绑定，每一个叶子结点都绑定了一种状态

决策树的构建
即，最优问题。初始条件类似图中的根节点，“-zh+”，从问题集中选择合适的问题，分裂该节点，使相近的三音素分类到相同的节点上。假设根节点所有三音素对应的特征服从一个多元单高斯分布，可以计算出该单高斯分布的均值和方差，则可以计算出该节点任意一个特征在高斯上的似然。
数据：S=(x1,…,xm)∈（R^N）m
模型：假设其服从单高斯分布，并且各维独立，也就是对角GMM

似然：

分成两类：
注：left与right，对应问题的Y与N

似然增益：

最优问题q*：

决策树的构建流程：
1.初始状态（单因素系统对齐，一个根节点）
2.选择一个节点，从问题集中选择似然增益最大的问题作为该节点问题，建立该节点左右子节点，并将该节点一分为二
3.重复2，直至满足一定的终止条件。

基于GMM-HMM语音识别系统流程
• 数据准备：音素列表、词典、训练数据（音频/文本）
• 特征提取：MFCC特征
• 单音素GMM-HMM：Viterbi训练（获取输入与最佳状态的对齐）
• 三音素GMM-HMM：决策树和三音素，Viterbi训练
• 解码

作业是来自哥伦比亚大学的语音识别课程，不过有点难，后续会把我的作业链接发在评论区。
感谢收看，记得点赞~