ICASSP 2023丨基于 CTC 的模型改进，实现更强的模型结构

分享一篇网易智企易盾 AI Lab 团队在ICASSP 2023被收录的语音识别方向的论文《Improving CTC-based ASR Models with Gated Interplayer Collaboration（基于 CTC 的模型改进，实现更强的模型结构）》

论文地址：https://arxiv.org/abs/2205.12462

语音识别本质上是语音序列到文字序列的转化，而要完成这样的转化，一般会用到三类模型，CTC、Attention-based 和 RNN-transducer，它们在完成任务的时候采用了不同的路径：

• CTC：基于神经网络模型，在训练过程中通过反向传播来更新模型参数以最小化损失函数。该算法引入了“空白符”来表示无意义字符或者间隔符号。CTC 适合处理输入输出长度相差较大的数据，如语音识别中将声学特征映射为文本；

• Attention-based：注意力机制，也是基于神经网络模型，并且使用一种称为“注意力”的技术来对输入进行加权汇聚。在每个时间步骤上，该模型会根据当前状态和所有输入计算出一个分布式权重向量，并将其应用于所有输入以产生一个加权平均值作为输出。这种方式可以使得模型更好地关注与当前预测相关的部分信息；

• RNN-transducer：转录器，这个算法结合了编码器-解码器框架和自回归建模思想，在生成目标序列时同时考虑源语言句子和已生成部分目标语言句子之间的交互作用。与其他两种方法不同，RNN-transducer 没有明确区分编码器和解码器阶段，并且直接从源语言到目标语言进行转换，因此可以同时考虑源语言句子和已生成部分目标语言句子之间的交互作用。

相比后两者，虽然 CTC 具有天然的非自回归解码性质，解码速度相对快很多，但依然有着性能劣势：

1. CTC 算法设置了条件独立性假设，即 CTC 假设每个时间步的输出之间是独立的。这对语音识别任务来说并不合理，假如说“ji rou”这个发音，在不同的上下文中预测的文字内容应该不一样的。如果上文是“我喜欢吃”，接下来“鸡”的概率应该更高，同理如果上文是“他手臂有”，接下来“肌”的概率应该更高。如果通过 CTC 训练，很容易就会在忽略上文的前提下，输出“我喜欢吃肌肉”这样好笑的文本。

2.从建模的视角来看，Attention-based 模型和 RNN-Transducer 模型根据输入和之前时间步的输出预测当前时间步的输出，而 CTC 模型仅仅利用输入来预测当下的输出，在 CTC 模型的建模过程中，文本信息仅仅是作为一种监督信号回传给网络，并没有作为网络的输入显式促进模型的预测。

我们希望能在保留 CTC 解码效率的同时，尽可能地解决以上两点劣势。于是，我们想从 CTC 模型本身出发，设计轻量级的模块给基于 CTC 的模型引入文本信息，使得模型能够整合声学和文本信息，学习到文本序列上下文之间的相互作用，从而缓解 CTC 算法的条件独立性假设。但过程中，我们碰到了两个问题：如何在CTC模型（Encoder +CTC 结构）里注入文本信息？如何自适应地融合文本特征和声学特征？

为了实现上述目标，我们设计了 Gated Interlayer Collaboration（简写为GIC）机制。GIC 模块主要包含一个嵌入层（embedding layer）和一个门控单元（gate unit）。其中，嵌入层用于生成每一音频输入帧的文本信息，门控单元用于自适应地融合文本信息和声学信息。

具体地，我们的方法基于多任务学习（Multi-task Learning）框架，利用编码器模块（Encoder）中间层的输出计算辅助 CTC loss，整个网络的目标函数是最后一层的 CTC loss 和中间层辅助 CTC loss 的加权和。GIC 将网络中间层的预测，即 Softmax 输出的概率分布作为每一帧的软标签，点乘嵌入层矩阵之和作为每一帧的文本表征。最后，生成的文本表征和声学表征通过一个门控单元自适应地融合，成为一个新特征输入到下一层。此时的新特征融合了文本特征和声学特征，使得下一层的 Encoder 模块可以学习到声学序列上下文信息和文本序列上下文信息。整个模型的框架如下图所示：

在 Conformer 和 Transformer 这两个模型上的实验表明：

1. GIC 同时支持汉语和英语的场景识别，同时准确度均取得了显著的性能提升；

2. GIC 模型性能超过了同参数规模的 Attention-based 和 RNN-transducer 模型，并且具有非自回归解码的优势，带来数倍的解码速度提升；

3. 相对原始的 CTC 模型，GIC 在多个开源数据集有远超 10% 的相对性能提升。

Conformer 上的数据表现

Transformer 上的数据表现

GIC 为 CTC 模型的性能带来了很大的提升。相对原始的 CTC 模型，GIC 模块大约带来 2M 的额外参数，其中，计算中间层辅助 CTC loss 所用的线性层与最后一层是共享的，不会带来额外的参数。多个中间层共享嵌入层，带来 256*5000 约等于 1.3M 的参数。除此之外，多个门控单元的参数是 256*256*2*k，合计约 0.6M 的额外参数量。

论文中的 GIC 已经应用在了网易易盾的内容审核业务中。

作为网易智企旗下一站式数字内容风控品牌，易盾长期专注于数字内容安全风控和反垃圾信息的技术研发和创新。其中，针对以声音作为载体的数字内容，易盾提供了多种音频内容审核引擎，包括歌曲、广播、电视节目、直播等各种类型的音频内容，及时检测和过滤含有敏感、违规、低俗，广告内容的语音，从而减少不良内容的社会影响，营造良好的网络环境。

针对有具体语义内容的音频，易盾通过语音识别技术将音频文件中的语音内容转写为文字内容，再利用检测模块分析和处理文本，从而实现对音频内容的自动化审核和过滤。因此，语音识别的准确率与音频内容的审核效率和准确性是息息相关的，会直接影响到客户开展业务的安全与稳定。

论文中的 GIC 在内容审核中的应用取得了显著的效果提升。在实际的应用过程中，需要调试的超参数有两个，分别是多任务学习系数 lambda 和中间层层数 k。在 18 层编码器结构中我们发现 k=5，lambda=0.5 有较好的实验效果。接着，我们会从这个设置开始尝试，不断微调以确定最优的超参数。