ICLR 2025｜小米新一代Kaldi語音識別算法CR-CTC，純CTC性能實現(xiàn)SOTA

作者：機器之心 2025-02-07 15:00:00

近日，小米集團新一代 Kaldi 團隊關(guān)于語音識別算法的論文《CR-CTC: Consistency regularization on CTC for improved speech recognition》被 ICLR 2025 接收。

新一代 Kaldi 團隊是由 Kaldi 之父、IEEE fellow、小米集團首席語音科學家 Daniel Povey 領(lǐng)銜的團隊，專注于開源語音基礎(chǔ)引擎研發(fā)，從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聲學編碼器、損失函數(shù)、優(yōu)化器和解碼器等各方面重構(gòu)語音技術(shù)鏈路，旨在提高智能語音任務(wù)的準確率和效率。

目前，新一代 Kaldi 項目（https://github.com/k2-fsa）主要由四個子項目構(gòu)成：核心算法庫 k2、通用語音數(shù)據(jù)處理工具包 Lhotse、解決方案集合 Icefall 以及服務(wù)端引擎 Sherpa，方便開發(fā)者輕松訓練、部署自己的智能語音模型。

近日，小米集團新一代 Kaldi 團隊關(guān)于語音識別算法的論文《CR-CTC: Consistency regularization on CTC for improved speech recognition》被 ICLR 2025 接收。

論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/2410.05101
論文代碼：https://github.com/k2-fsa/icefall/pull/1766（已 merge 進 icefall 框架）

摘要

主流的自動語音識別（ASR）模型包括 CTC [1]、transducer [2] 和混合系統(tǒng) CTC/AED [3]。CTC 是其中最簡單、最便于部署的方法，但由于它的性能通常明顯落后于 Transducer 和 CTC/AED，這限制了它的實際應(yīng)用。

為此，新一代 Kaldi 團隊提出了 Consistency-Regularized CTC (CR-CTC)，可以讓純 CTC 模型的識別性能比肩 Transducer 和 CTC/AED。CR-CTC 在多個主流的 ASR 數(shù)據(jù)集，包括 LibriSpeech、Aishell-1、GigaSpeech 等數(shù)據(jù)集上，取得新的 SOTA 結(jié)果（不依賴外部訓練數(shù)據(jù)和外部語言模型）。

例如，在 LibriSpeech 數(shù)據(jù)集上訓練 Zipformer-L，標準 CTC 的 WER 為 2.5/5.72，CTC/AED 的 WER 為 2.09/4.59, Pruned Transducer 的 WER 為 2.00/4.38；CR-CTC 的 WER 為 2.02/4.35；CTC/AED 和 Pruned Transducer 掛上 CR-CTC 聯(lián)合訓練后，WER 可分別進一步降低到 1.96/4.08 和 1.88/3.95。

方法實現(xiàn)

如 Figure 1 所示，CR-CTC 方法非常簡單，先從同一個輸入 Mel-spectrogram x 得到兩個不同的 augmented views 和，分別輸入?yún)?shù)共享的 encoder 模型 f，得到對應(yīng)的兩個 CTC 概率分布和，除了計算兩個 CTC loss 和，還引入 consistency regularization loss 來約束兩個分布的一致性：。系統(tǒng)總體 loss 為：

其中 α 為控制正則的超參數(shù)，默認設(shè)置為 0.2。

Different augmented views

我們對同一個輸入 x 的兩個 copy 獨立地使用 SpecAugment [4] 來獲得不同的 augmented views 和。SpecAugment 包含 time warping、frequency masking 和 time masking。由于 time warping 會顯著改變輸出的時間戳，因此我們在創(chuàng)建 copy 前先應(yīng)用 time warping，防止兩個分支的輸出分布在時間戳上嚴重不匹配。接著，分別對兩個 copy 獨立應(yīng)用 frequency masking 和 time masking，得到了和。相較于普通的 ASR 系統(tǒng)，我們特意使用了更大程度的 time masking。

Consistency regularization loss

我們在CTC 分布的每一幀上應(yīng)用 consistency regularization，通過最小化每一對分布和之間的雙向 KL 散度：和。此處，sg 表示 stop-gradient，防止這一項的梯度影響目標分布。Consistency regularization loss 公式為：

方法解釋

論文從三個不同的角度來解釋 CR-CTC 的本質(zhì)行為：1）self-distillation；2）masked prediction；3）peak suppression。

Self-distillation

當我們在訓練中使用 dropout [5] 和 stochastic depth [6] 等模型正則技術(shù)，可以看作我們正在隱式地訓練隨機采樣的不同 sub-model，這些 sub-model 最終被集成為一個 ensemble 用于推理。與 R-Drop [7] 和 cosub [8] 類似，CR-CTC 在進行對不同 sub-model 之間的 self-distillation，監(jiān)督信號為對方提供的幀級別的 token 分布。另外，CR-CTC 使用了不同的 augmented views（以及更大程度的 time-masking），讓這些 sub-model 接觸輸入數(shù)據(jù)的不同角度的信息，加強他們預(yù)測的多樣性，這樣有利于更豐富、更完備的知識蒸餾。

Masked prediction

在 CR-CTC 中，那些覆蓋在 time masking 區(qū)域的幀，被要求著基于其他沒有被 masked 的區(qū)域，去預(yù)測對方提供的 token 分布。這個過程類似于 masked-based 自監(jiān)督模型 [9,10,11]，鼓勵模型去學習非 mask 部分的上下文表征信息，并發(fā)掘模型隱式的語言建模能力。我們在 CR-CTC 中使用不同的 augmented views，減少兩邊同時被覆蓋在 time masking 區(qū)域的幀的出現(xiàn)，提高這些被 masked 位置所接收的 token 分布的質(zhì)量。另外，使用更大程度的 time masking 可以加強 masked prediction 行為，進而增強模型對上下文表征信息的學習。

Peak suppression

眾所周知，CTC 通常會學習到非常尖的概率分布。如 Figure 2 (left) 所示，non-blank token 只占 1 幀，其他的都是 blank，它們的概率都非常高。這種現(xiàn)象表明模型有可能已經(jīng)過擬合了，泛化能力不強。CR-CTC 的 consistency regularization 引導(dǎo)著模型學習兩邊分布的平均，這使得模型學習到的 CTC 分布會更加平滑。這個 peak suppression 行為減少了在訓練數(shù)據(jù)上的過度置信，從而增強模型的泛化能力。如 Figure 2 (right) 所示，CR-CTC 學習到的分布更加平滑，概率更低，伴隨著更多 non-blank 的 repeat 出現(xiàn)。

實驗結(jié)果

論文主要使用 Zipformer [12] 作為 speech encoder 進行實驗驗證。由于 CR-CTC 訓練時需要進行兩次 forward，我們對 CR-CTC 模型的 batch size 和 epoch 數(shù)都設(shè)置為標準 CTC 模型的一半，來確保兩者訓練代價可比較。具體使用的 GPU 數(shù)量和 epoch 數(shù)在論文附錄中。

與 SOTA 模型相比較

Table 1、2、3 分別展示了不同模型在 LibriSpeech、Aishell-1、GigaSpeech 三個數(shù)據(jù)集上的表現(xiàn)（不依賴外部訓練數(shù)據(jù)和外部語言模型）。總的來說，CR-CTC 的性能顯著超越標準 CTC，和 CTC/AED 與 Transducer 模型效果相當。另外，掛上 CR-CTC 聯(lián)合訓練，可以進一步提升 CTC/AED 和 Transducer 的性能。在這三個數(shù)據(jù)集上，我們?nèi)〉昧诵碌?SOTA 結(jié)果。