李宏毅《DLHLP》学习笔记6 - 语言模型

视频链接：https://www.youtube.com/watch?v=dymfkWtVUdo&list=PLJV_el3uVTsO07RpBYFsXg-bN5Lu0nhdG&index=8&ab_channel=Hung-yiLee
课件链接：https://speech.ee.ntu.edu.tw/~tlkagk/courses/DLHLP20/ASR3.pdf

1. Language Model

LM的作用是预测token sequence出现的概率。对于输出文本的模型，LM通常都是很有帮助的。

N-gram LM 有smooth的问题，然后，引出Continuous LM，再进一步扩展到Deep Learning based LM.

2. N-gram LM

传统的LM是N-gram LM，下面介绍一下N-gram LM的技术细节。

2.1 N-gram细节

常见的N-gram有2-gram，3-gram，。。。

2.2 N-gram LM的局限

局限是什么？估计的概率可能并不准确。

1. N越大，问题越明显；
2. 在训练集中，n-grams并没有出现。
   
   如何解决？使用的技术叫做language model smoothing

3. Continuous LM

在Deep Learning技术出现之前，使用的方法叫continuous LM，这是一个源于推荐系统的技术。
在推荐系统中，使用Matrix Factorization的技术，为用户进行推荐。如下图的B用户，推荐蓝色框的内容。

借助上面说的Matrix Factorzation技术，就可以引出Continuous LM的设计思路了。
下图中表格里的纵轴和横轴都是词典里所有的词汇，每个词汇是需要用一个向量表示，这个向量是需要在后面学习出来的。表格中的值是根据收集到的文章进行的统计值，其中，0是没有出现的组合。
假设$n_{ij}=v^i.h^j$，那么，我们需要做的就是最小化下面这个损失函数。

在使用的过程中，假设"dog"和"cat"的vector学习以后比较相近，那么，即使"dog jumped"从来没有见过，也可以通过vector计算出一个非0的值。

下面从另外一个视角看一下Continuous LM的样子，可以将Continuous LM看做是只有一个hidden layer的NN，如下：

这样，就可以很自然地想到可以使用更深层的NN来构建LM。

4. NN-based LM

NN-based LM最初是用于解决N-gram的问题，用于预测下一个word输出的概率。


为了使用很多的word作为前置词汇，来预测后续出现词汇的概率，这里，就引入了RNN-based LM。这种能力是N-gram无法企及的！

RNN-based LM可以很复杂，但是，研究表明：只需要使用LSTM，再配上合适的optimization和regularization，就可以得到很好的结果了。

5. 如何使用LM提升语音识别？

这里以LAS为例，简单介绍一下常见的几种结合方式：

5.1 Shallow Fusion

Shallow Fusion是将已经训练好的LM和LAS Decoder放在一起使用，将两者的输出整合起来。

5.2 Deep Fusion

Deep Fusion是将LAS的输出和LM的输出，作为一个新network的输入，来训练这个network，可以视为使用Network代替上述的整合公式。
这种方式存在一个问题：Network训练好以后，对应的LM就不能随意更换了。

课程中，李宏毅老师说，使用下面的方式，可以解决上述的问题。
使用LM在softmax前的特征作为Network的输入，可以解决network重训练的问题，尚未理解。

5.3 Cold Fusion

Cold Fusion的思路是在训练LAS和Network时，使用已经训练好的LM。

这种方式的好处是可以使LAS训练过程快速收敛。
但是，这样做的话，一点更换LM，整个LAS都需要重新训练。