论文阅读-Whisper语音识别（OpenAI）

一、论文信息

论文名称：Robust Speech Recognition via Large-Scale Weak Supervision

代码地址：https://github.com/openai/whisper

官方博客：https://openai.com/blog/whisper

作者团队：OpenAI

二、介绍

Whisper是一个通用语音识别模型。它是在各种音频的大型数据集上训练的，也是一个多任务模型，可以执行多语言语音识别以及语音翻译和语言识别。人工智能公司 OpenAI 开源了Whisper 自动语音识别系统，Open AI 强调 Whisper 的语音识别能力已达到人类水准。

Whisper 是一个自动语音识别（ASR，Automatic Speech Recognition）系统，OpenAI 通过从网络上收集了 68 万小时的多语言，其中11万小时覆盖96 种语言，12万小时的语言标号为英语，用多任务（multitask）监督数据对 Whisper 进行了训练。OpenAI 认为使用这样一个庞大而多样的数据集，可以提高对口音、背景噪音和技术术语的识别能力。除了可以用于语音识别，Whisper 还能实现多种语言的转录，以及将这些语言翻译成英语。

三、方法

Whisper体系结构是一种简单的端到端方法，实现为编码器-解码器Transformer。输入音频被分成30秒的片段，转换成log-Mel谱图，然后传入编码器。解码器被训练来预测相应的文本标题，并混合特殊标记，指示单一模型执行诸如语言识别、短语级时间戳、多语言语音转录和英语语音翻译等任务。

数据预处理

用了off-the-shelf结构，所有的音频从采样到16000Hz，再把它变成一个80通道的Log Scale Mel Spectrogram。将长为30s的语音信号变为3000个数据点，每个数据点上它的维度是80，最后将所有数值都放在-1和+1之间，它的均值大概也是0。

模型架构

1. 序列到序列学习

模型输入长度（log-mel）为3000，特征维度为80。

2. 多任务 

• 英文转录：输入一段英文语音转录为英文文字；

• 任何语言语音到英文转录；

• 任何语言语音转录成对应语言；

• 输入一段背景音乐，判断无人说话。

3. 多任务流程 

4.  模型细节：不同层不同宽度不同头的个数。

四、实验

1. zero-shot：在很多其他语音数据集上评估whisper性能。

 2. 评估准则：WER 词错误率

假设要预测N个字母，错误率为预测的字母和真实的字母之间需要进行多少次修改。S为替换次数，D是多少次删除，I是多少次插入，如果全部正确则为0，C是正确词的个数。

3. 性能

• X轴为在比较干净的语音数据集LibriSpeech的词错误率，Y轴为在别的数据集上的错误率，完美的模型一般表现为在两种数据集上错误率相似，但实际相差较远。

• 多语言语音识别性能

• Whisper模型在各个语言上的词错误率

X轴，每个语言在训练集中有多少小时的训练数据，Y轴对应的词错误率，当数据集成倍增长时，词错误率也是按比例下降，假设想把错误率往下降一倍，那么训练数据集需要增加16倍。在英语上的词错误率为5%，跟人有点近似了。但在中文、韩语、阿拉伯语上表现不那么明显，原因可能是和别的语言发音很不一样，且在Tokenizer上的设计不那么适合中文等语言。

• 翻译性能

上图右，X轴为所有语言翻译的小时数，其中韩语较多，几万小时，但BLEU比中位线要差一点。

• 语言识别性能：性能一般

• 模型变大时在数据集上的效果

p1英语语音识别，从最小的38M到最大时，可以看到WER在下降。

p2多语言语音识别，整体也在下降。

p3翻译，效果也在上升。

p4语言识别，随着模型增大，精度有所提升。