LiJian-kaldi搭建在线语音识别系统 资料汇总

感谢视频制作者李健和视频上传者北洋村的热心分享
原视频在：https://www.bilibili.com/video/BV19a4y1h7cB
大家记得三连～

说明

Kaldi的资料比较少，对新手特别不友好，我也是无意中搜到了这个视频的资料，看完确实收获很大，学习的过程一方面是复现出作者的各种模型，另一方面，也想在心中形成kaldi的一个big picture。

但这个视频并无相关的学习资料，另外视频的知识点的索引也不全面，我分享的目的也是希望大家一起搜集资料，互相分享，互相促进，所以这篇文章也会不断更新。

已经搜集的资料在：度盘链接，密码: p2nj
主要包括作者提到的一些资料，有些比较难下载，我这里替大家下载好了：

注意：没有作者的代码源文件和数据集

知识点的笔记

目标：从无到有搭建起中文在线语音识别Demo

P1 准备kaldi的数据文件夹（四个基本文件）

本章节前置知识有：shell的基本工具：grep、sed、awk，linux指令的管道机制，kaldi源代码的基本结构、环境变量配置等，熟悉egs/wsj的utils和steps

本节主要讲述了训练模型前的基本准备，需要准备好四个文件：wav.scp、text、utt2spk和spk2utt，如下表所示：

需要准备的文件	文件的作用	文件内容示例	模式
wav.scp	语音文件id到语音wav文件的映射	sentense_id /path/to/wavfile.wav
text	语音文件id到语音内容的映射	sentense_id 今天天气很好
utt2spk	语音文件id到说话人的id映射	sentense_id speaker_id
spk2utt	说话人的id 到语音文件id的映射	speaker_id sentense_id1 sentense_id2 sentense_id3	…

• 其中spk2utt是1对多的关系，其余都是一对一的关系
• spk2utt可以通过命令得到 ./utils/utt2spk_to_spk2utt.pl utt2spk > spk2utt
• 一些数据集还需要说话人性别映射（spk2gender）数据
• 作者比较硬核，直接用linux shell脚本来实现上述文件的制作
• 因为不同的语音数据集涉及的处理流程不一致，所以我建议这里了解基本原理即可，不必纠结
• 我个人习惯使用python脚本，python能很方便生成这些文件

P2 准备语言模型相关文件

作者继续准备data/local/dict目录下的文件：

需要准备的文件	文件的作用	文件内容示例	模式
lexicon.txt	发音字典（单词由什么发音音素构成的），有的数据集会提供	你好 n i3 h ao3 （1-4代表声调，5代表轻声）	…
word.list	单词集合（text出现的单词，已去重）	今天 天气 很好
silence_phones.txt	音素集合（text出现的单词发音，已去重）	SIL SPN
nonsilence_phones.txt	音素集合（text出现的单词发音，已去重）	ah ao

• 对P1的text中的每行句子进行分词，分词使用的是python里面的mmseg包
• lexicon是发音词典，一般数据集会提供，如果不提供需要自己生成，我分享的lexicon.txt就是来自aishell数据集
• word.list 是把text分词后的单词去重后的集合，经过实测，貌似有些数据集是不需要生成这个的
• phones.txt 是所有出现的音素集合，按照有无发音可以分成silence_phones和nonsilence_phones
• 这部分同样可以用python来做，但是kaldi提供了不少脚本，更方便
• 这节主要讲述分词，生成word.list和phones.txt在下一节（P3）还会提到
• 部分数据集还需要生成lexiconp.txt，里面包含概率

这里部分效果如下所示：
lexicon.txt：

分词的结果：

P3 数据集划分&建立语言模型&MFCC

本节作者继续讲述训练语言模型需要用的文件，还提到了不少的脚本：

• kaldi数据划分的脚本（subset_data_dir.sh）
• 验证训练文件的正确性脚本（fix_data_dir.sh）

然后作者继续生成，data/local/dict 目录下的文件,如下所示：

注意这里只是作者的习惯，有些数据集（aishell）使用了data/local/lang 和data/local/lm 等多个文件夹来保存这些文件)

需要准备的文件	文件的作用	文件内容示例
lexicon	发音字典（单词由什么音素构成的）	你情我愿 n i3 q ing2 uu uo3 vv van4
word.list	单词集合（text出现的单词，已去重）	今天 天气 很好 …
phones.txt	音素集合（text出现的单词发音，已去重）	ah ao …
nonesilence_phones.txt	非静音音素集合	不包括下面的silence_phones
silence_phones.txt	静音音素集合	SIL（静音） SPN（有声音但无法识别） NSN（非口语噪声） LAU（笑声）
optional_phones.txt	填充词之间的静音音素	SIL（词间静音）
extra_questions.txt	构建音素的上下文决策树时会遇到的基本问题	这里作者保持该文件为空

• 准备好上述文件之后，运行指令（utils/prepare_lang.sh）生成需要用到的文件，这个比较重要（定位时间：2:07:10）这一步会生成L.fst文件（decode才需要，训练不需要，下面作者还会解释）
  运行如下指令：

utils/prepare_lang.sh data/local/dict "!SIL" data/lang_tmp data/lang

data/local/dict就是我们刚才准备好的，data/lang_tmp是临时文件夹，data/lang是生成的文件目录，最终生成的 data/lang文件夹的内容如下所示：（定位时间：2:30:12）

生成的文件作者也解释了各个文件的作用，在定位时间：2:29:40
L.fst是lexicon的WFST格式（下一节会介绍）， 已经把所有的音素转成了对应关系（解码图），该图的输入：音素组合，输出：词。是后续训练H、C、L解码图的一种，G训练的时候还用不到。
L_disambig.fst 目的是消除歧义，有同音字，加入#进行区分。
oov.txt是词汇表以外的词（Out of Vocabulary Words)，oov.int是对应的id
phone.txt 存放了所有的音素和其编号 形如：
typo HMM模型的参数，打开这个文件，我们可以发现静音音素有五个状态，非静音音素只有三个状态

另外：

• 因为时间原因，作者通过egs/hkust的相关例子（定位时间：2:28:04）解释了整体的训练过程
• 有了这个文件夹之后，就可以进一步训练模型了：
  
• 作者在最后继续介绍了MFCC的使用方法（定位时间：2:33:00），使用的指令为：./steps/make_mfcc.sh --mfcc-config conf/mfcc.conf data/all exp/extract_mfcc mfcc，然而上述是二进制文件，无法直接读取，如果需要读取，可以用命令：copy-feats ark:raw_mfcc_all.1.ark ark,t:readark.txt

下面是MFCC提取的向量，维度是13维：

P3这一节开始接触到了kaldi的HCLG，HCLG是WSFT格式的语音任务相关的表示，对于语音识别中用到的隐马尔科夫模型（H）、发音词典（L）、语言模型（G）以及上下文（C），都可以用 一个加权有限状态接收器（WFST）来表示。

下一节作者也会讲解，这里推荐一些资料供大家预习一下
1、WSFT的学习推荐阅读《Speech Recognition Algorithms Using Weighted Finite-StateTransducer》，这个文件我已经放到分享的文件中，着重了解什么是接收器，什么是转录器
2、 HCLG的学习建议阅读链接，整个HCLG的过程：构建语言模型（G.fst），发音词典模型（L.fst），以及合并的模型（LG.fst和CLG.FST），生成HMM模型（H.fst），最终合并、确定、最小化得到HCLG.fst。我的理解是，通过FST（有限状态转录机）的格式把语音识别各个模块组合到了一起，每组合一次，语音识别的功能就会多一个，方面语音解码的时候使用。

P4 使用srilm训练语言模型&WFST介绍

这一节的重点在怎么训练语言模型和WSFT
（1）语言模型，N-gram的原理可参考这篇博客：链接
（2）WSFT的推荐资料见上一节

知识点快速索引：

• 使用kaldi并行提取train和test的MFCC，CMVN（倒谱归一化），并通过这个例子了解kaldi的流程
• 演示kaldi怎么训练一个语言模型，n-gram，工具是srilm （定位时间：1:30:00）
• G.fsat介绍(定位时间：1:52:31）
• WSFT解码图（定位时间：1:54:00）
• 令牌（token passing）讲解:解码时候需要（定位时间：2:33:00）

截至目前，已有的重要文件：
data/lang 发音词典（L）：
data/local/lm 语言模型（G，只在解码时需要）

G.fst生成指令：
G.fst可视化指令：

L.fst可视化指令：

组合L和G的命令：在utils/make_graph

P5 GMM-HMM算法&HCLG过程&训练脚本讲解

GMM+HMM的理论部分我建议学习李航老师的《统计学习方法（第二版）》，主要学习：HMM评价、解码和参数估计问题，视频的话建议学习李琳山老师的数字语音处理，b站上也有相关的视频。kaldi官方也有一个教程（链接）。DTW扩展阅读我推荐看王赟的知乎live，DTW是怎么过渡到GMM的（概率密度代替欧氏距离）。

• DTW、动态规划算法（时间对齐问题）
• GMM+HMM算法（定位时间：1:30:00）作者推荐看eecs e6870里面的PPT，见度盘分享4-5课
• DNN和GMM的区别（定位时间：1:56:00）：生成模型和判别模型
• HCLG的举例过程（定位时间：2:07:00）
  H： HMM，包括HMM的定义
  C： context，代表上下文关系
  L： lexicon，发声字典
  G： grammar，语法规则接收器
• 作者讲解run.sh脚本（建议大家参见thchs30 run.sh即可，下一节刚开始的时候作者继续讲解了一些脚本流程） （定位时间：2:40:00）

作者讲解HCLG的时候，一直在找LG.fst的可视化例子，我找了一个：
语料为：

语音 识别 技术
语音 识别 算法 公式
作战 防御 工事

LG.fst可视化为：

体会上图：输入音素，输出是句子

这里再推荐一篇结合kaldi的HCLG的文章：链接

P6 模型训练流程

• 先训练GMM+HMM,最终会生成final.mdl文件
• 训练DNN+HMM 大约需要训练三轮
• 讲解了nnet3以及训练的参数设置（如下图）
  
• 基于Kaldi+GStreamer搭建线上的实时语音识别器（没找到pdf，截图，大家凑活看看，详细的直接到视频的后半部分看吧）
  
  
  下面截图略

P7 模型实际部署过程

这节讲述了怎么使用GStreamer，搭建在安卓和网页上，可不看。

主要配置文件如下（yaml格式）：

目录：（这就是部署的时候需要用到的模型文件）

日志：（可以看出效果出来了，但是应该还是需要静一步处理的，最后俩字识别错了）

其他资料

因为作者没有提供自己数据库，我这里找到一个0-10英文发音的教程，教程比较通俗易懂，run.sh流程也不复杂，可以参考：
教程链接、代码链接、中文发音教程链接

实验过程

为了进一步消化作者提到的知识，继续学习LVCSR（大词汇连续语音识别） 相关知识，在kaldi-master/egs/thchs30/有一个清华大学王东老师的中文30小时语音的thchs30例子，基本上覆盖比较全面了，数据集也不大，新手对照run.sh里面练习就行。

也可以从aishell里面挑出10h-20h，练练手，在自己本机上也能快速跑一跑，一般机器估计训练个一天能出结果。

不建议新手参照librispeech学习，我不明白为啥《Kaldi语音识别实战》这本书要用这个数据集！！新手劝退！！这个数据集太大了（语料500小时+，数据集+训练中间文件文件夹轻轻松松就100GB了）， 而且训练时间特别长，对机器性能要求也比较高，我用i9+16GB训练了3天都没出结果，最后内存消耗完了，程序被杀死了。我感觉要快速训练出来，肯定要上集群了。

其他建议

• 建议安装在linux环境或者Mac电脑上，这两个都试过，安装环境非常方便，尽早动手安装，因为安装时间很耗时，第一次安装估计得花费几天时间，顺利的话最起码也要半天时间。最后一步可以用make -j 8 ，这个数字8就是你的cpu物理核心数量，也可以改为4或者其他
• 如果只是单机运行，记得把cmd.sh中所有的queue改成run，不然会报错
• 有时候脚本会遇到中断，需要重新运行，run.sh 没有记忆机制，已经跑过的脚本可以在run.sh里面手动注释了，避免再浪费时间跑一次
• DNN训练是需要GPU的需要找一个能安装nvidia GPU的机器，不然会报错，检测这台机器能不能跑GPU可以运行nvidia-smi指令，可以找老的、带英伟达显卡的笔记本，笔者有一个2012年的笔记本，都能安装nvidia相关的驱动和cuda（最多到cuda9），显存2GB，自己测试足够了。
• 这个视频虽然2017年，但是流程基本上都覆盖挺全的了，除了P1视频，其他的我觉得还是值得反复看几遍的。
• 我也是初学kaldi，这方面资料真的太少了，希望大家踊跃交流吧！
• 比较期待Daniel Povey大神的kaldi-pytorch项目，让熟悉python的人也能快速参与到语音领域。

总之，再次感谢作者分享！

如果有更好的资源和想法，欢迎在留言区讨论、分享，谢谢！