Paraformer 语音识别原理

Paraformer(Parallel Transformer)非自回归端到端语音系统需要解决两个问题：

1. 准确预测输出序列长度，送入预测语音信号判断包含多少文字。 如何从encoder 的输出中提取隐层表征，作为decoder的输入。

采用一个预测器（Predictor）来预测文字个数并通过Continuous integrate-and-fire (CIF)机制来抽取文字对应的声学隐变量

2. 如何增强非自回归预测内部依赖的建模能力。

基于GLM的 Sampler模块来增强模型对上下文语义的建模

Paraformerr的组成：Encoder(编码器)，Predictor(预测器)，Sampler（采样器），Decoder（解码器），loss function。

• Encoder(编码器)，把声学特征转变成固定维度的稠密向量.
• Predictor(预测器)，预测文字个数^′,实现语音和文本对齐,并通过Continuous integrate-and-fire (CIF)机制来抽取文字对应的声学隐变量_。
• Sampler（采样器），通过采样，将声学特征向量与目标文字向量变换成含有语义信息的特征向量，配合双向的Decoder来增强模型对于上下文的建模能力；采用Glangcing LM增强非自回归的上下文建模能力.
• Decoder（解码器），把向量转变成目标文字

Encoder

采用SAN-M结构，对于语音建模来说，全局建模和局部建模都极为关键，所以标准的Self-attention层增加了局部建模模块Memory Block，从而增加Self-attention的局部建模能力。

Decoder

离线和流式系统采用不同结构。离线识别使用双向SAN-M，流式识别采用单向的SAN-M，并结合基于SCAMA的流式注意力机制来实现。SCAMA流式注意力机制原理如上图所示，首先针对语音特征进行分chunk操作，送入encoder建模后进入predictor分别预测每个chunk的输出token数目。Decoder在接受到token数目和隐层表征后，来基于SCAMA流式注意力机制预测每个chunk的输出。

Predictor

基于CIF来预测输出token的数目，并提取隐层表征作为decoder的输入。即将encoder预测输出送入函数，将每帧的预测输出转化为一个0-1之间的概率分布，连续给集合的概率得到一个域限门值 β，根据 β 输出一个token。
Continuous Integrate-and-Fire(CIF)来产生声学embedding。CIF是软单调对齐，被用来做流式语音识别。

训练的时候额外采用MAE Loss来使得预测的概率和等于整个输出的token数目。推理的时候采用门限值 β 为1，也就是累积到1的时候输出一个token，来预测整条语音的输出字数。

举例如下图，$\alpha$从左到右，0.3+0.5+0.3=1.1>1,于是fire一个token。$E_{\alpha 1}=0.3\ast H1+0.5\ast H2+0.2\ast h3$。由于还剩0.1的值没有用，于是0.1用于下一个token计算。同理，$E_{\alpha 2}=0.1\ast H3+0.6\ast H4+0.3\ast H5$, $E_{\alpha 3}=0.1\ast H5+0.9\ast H6$。 $E_{\alpha 4}=0.2\ast H7+0.6\ast H8$. 共fire了4次，也就是4个$E_{\alpha }$
。

Sampler

上图中展示了四种常见的建模方式：

第一个是自回归Decoder，即当前时刻依赖前一时刻的输出；
第二个是标准的单轮迭代的非自回归端到端Decoder，使用独立建模方式；
第三个是 MLM，它是多轮迭代非自回归常采用的方式，将某些时刻替换成mask，利用周边的token预测mask的位置，并通过多轮迭代的方式提升预测精度。
第四个是Paraformer采用的建模方式，通过GLM浏览语言模型对隐层表征和grand truth的label进行采样，预测隐层表征对应输出的token来提升token的内部建模能力，从而减少Paraformer中的替换错误。

假设输入$(X,Y)$, $X$表示语音，有$T$帧，$Y$表示文字，有$N$个文字。Encoder把输入$X$映射到隐藏表示$H$。 然后Predictor把隐藏表示映射为预测的文字个数$N^{{}^{\prime }}$和对应的声学向量embedding $E_a$。输入$E_a$和$H$给Decoder，产生最后的预测$Y^{{}^{\prime }}$，这是第一次解码，主要为了得到预测的结果并通过Sampler模块来采样，这时梯度并不回传（其实代码里是可选择的）。Sampler 采样$E_a$和目标$E_c$来产生$E_s$，需要依据$Y^{{}^{\prime }}$和$Y$之间的距离。Decoder最后使用$E_s$和$H$来预测最终的结果$Y^{{}^{\prime \prime }}$，这时才会回传梯度。最后，$Y^{{}^{\prime \prime }}$用来采样负例并计算MWER, 通过目标长度N和预测的$N^{{}^{\prime }}$来计算MAE。
推断时，Sampler模块可以去掉，只使用$E_a$和$H$来预测$Y^{{}^{\prime }}$，从而推理时并没有增加额外计算量。

loss

基于负样本采样的MWER训练准则。

https://zhuanlan.zhihu.com/p/649558283
https://zhuanlan.zhihu.com/p/637849790
https://arxiv.org/abs/2206.08317