李 鵬 楊元維 高賢君 杜李慧 周 意 蔣夢(mèng)月 張凈波

(長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 武漢 430100)

0 引言

語音識(shí)別是指計(jì)算機(jī)能夠理解人的語言，將音頻信息轉(zhuǎn)換成文本信息。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，語音識(shí)別被逐漸應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，因此與之相關(guān)的研究也越來越受到重視。特別地，Google、Microsoft、科大訊飛、百度等公司，都爭相在語音識(shí)別上投入大規(guī)模的研發(fā)，推出相關(guān)的算法、軟件及應(yīng)用。語音識(shí)別的產(chǎn)業(yè)化也進(jìn)一步推動(dòng)著語音識(shí)別技術(shù)的發(fā)展。

語音識(shí)別的相關(guān)研究最早可以追溯至20 世紀(jì)50 年代AT&T 貝爾研究室。該研究室的Audry 系統(tǒng)基于簡單的孤立詞，能夠?qū)?0 個(gè)單音節(jié)單詞進(jìn)行識(shí)別。在60 年代提出的動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整(Dynamic time warping,DTW)方法[1]，有效解決了兩個(gè)不同長度音頻片段的對(duì)齊問題。隨后語音識(shí)別研究進(jìn)一步發(fā)展，線性預(yù)測分析技術(shù)(Linear predictive coding,LPC)被擴(kuò)展應(yīng)用[2]，DTW也基本成熟。與此同時(shí)，隱馬爾科夫模型(Hidden Markov model,HMM)理論被提出。隨著HMM技術(shù)不斷成熟和完善，語音識(shí)別從原來的模板匹配的方法轉(zhuǎn)變?yōu)楦怕誓Ｐ偷姆椒╗3]，并且以HMM 相關(guān)模型為主要研究方法[4]。而后，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial neural net,ANN)逐漸被用于語音識(shí)別的研究中[5]，以尋求新的突破。楊華民等[6]采用ANN 進(jìn)行語音識(shí)別的原理，給出了求解語音特征參數(shù)和典型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程，通過具體的實(shí)例展示了ANN 技術(shù)的實(shí)用化。但傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身也存在需要大量標(biāo)記數(shù)據(jù)等問題。2006年，Hinton等[7]提出了深度學(xué)習(xí)的概念。此后，深度學(xué)習(xí)以其良好的普適性被應(yīng)用到語音識(shí)別領(lǐng)域里，打破了HMM的主導(dǎo)局面，極大地提升了基于傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的語音識(shí)別系統(tǒng)的性能，突破了某些應(yīng)用情景中的識(shí)別瓶頸[8]。

在深度學(xué)習(xí)的大環(huán)境下，最初應(yīng)用在語音識(shí)別里的是深度置信網(wǎng)絡(luò)(Deep belief network,DBN)[9]，能夠?qū)ι窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練以達(dá)到使模型穩(wěn)定的效果。而后深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Deep neural network,DNN)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolution neural network,CNN)和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Recurrent neural network,RNN)等相繼問世，這引發(fā)了人們對(duì)各類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深入研究。張仕良[10]指出基于DNN 的訓(xùn)練速度相較于CNN 或RNN 的更快，然而利用DNN 進(jìn)行語音識(shí)別卻未能良好解決其中較為重要的時(shí)序問題。DNN 和CNN 對(duì)輸入的音頻信號(hào)的感受視野相對(duì)固定，所以對(duì)于與時(shí)序相關(guān)的問題不具有較好的處理能力。RNN 在隱含層存在反饋連接，它能通過遞歸來挖掘序列中上文的相關(guān)信息，在一定程度上克服DNN 和CNN 的缺點(diǎn)[11]，但是卻無法挖掘序列中下文的相關(guān)信息。隨后，Schuster等[12]提出雙向循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Bidirectional RNN,Bi-RNN)，并彌補(bǔ)了RNN 的缺點(diǎn)，能夠同時(shí)利用上下文信息，在時(shí)序問題上相對(duì)于RNN識(shí)別正確率取得了進(jìn)一步的提升。因此本文基于Bi-RNN 模型在語音識(shí)別方面進(jìn)行研究，從言語產(chǎn)生與言語感知的角度對(duì)Bi-RNN 進(jìn)行更深層次的解讀，探討了Bi-RNN 模型在不同噪聲環(huán)境中的識(shí)別效果，并進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，選取出一套適合本模型的參數(shù)，進(jìn)一步地降低了語音識(shí)別錯(cuò)誤率。

在進(jìn)行語音識(shí)別之前，本文首先對(duì)音頻進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理包括對(duì)音頻進(jìn)行預(yù)加重、分幀和加窗。對(duì)預(yù)處理之后的音頻做語音特征提取，即將音頻轉(zhuǎn)化為梅爾頻率倒譜系數(shù)(Mel frequency cepstral coefficient,MFCC)。再用訓(xùn)練集迭代訓(xùn)練模型，將訓(xùn)練后的模型對(duì)測試集進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最后得到識(shí)別結(jié)果。

1 循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

ANN 是一種由大量簡單處理單元(神經(jīng)元)按照不同的連接方式組成的運(yùn)算模型。一個(gè)神經(jīng)元的模型如圖1所示。在結(jié)構(gòu)上可以將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)劃分為3層——輸入層、隱含層、輸出層(圖2)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入/輸出關(guān)系表示為下列公式：

圖1 神經(jīng)元模型Fig.1 Neuron model

圖2 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Neural network

其中：wij為連接權(quán)重，即神經(jīng)元i與神經(jīng)元j之間的連接強(qiáng)度；χj為神經(jīng)元i的某個(gè)狀態(tài)變量；θi為神經(jīng)元i的閾值；ui為神經(jīng)元i的活躍值；oj為神經(jīng)元i的一個(gè)輸出；f為激活函數(shù)。

1.2 單向循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

在DNN 或者CNN 中，它們的基本前提是每層之間的節(jié)點(diǎn)連接是相互獨(dú)立的。這樣的結(jié)構(gòu)存在一個(gè)潛在的弊端，即無法對(duì)具有時(shí)間特性的相關(guān)信息來建立模型。然而語音識(shí)別卻是一個(gè)典型的具有時(shí)間特性的問題[13]，輸入順序是一個(gè)非常重要的因素，它不類似于圖像識(shí)別——對(duì)輸入的順序無特殊要求。因此為了解決DNN、CNN 的這種弊端，對(duì)RNN的研究在20世紀(jì)80年代迅速開展起來。

相較于DNN或者CNN，RNN最大的不同之處就是在隱含層中增加了節(jié)點(diǎn)之間的連接[14-15]，這使得隱含層的輸入不僅來源于輸入層，還包含了隱含層前一時(shí)刻的輸出。RNN 是根據(jù)人的記憶原理而產(chǎn)生的。比如一句話“我要去飯吃了”，這句話聽起來很奇怪，這是因?yàn)榇竽X接收到這段話會(huì)受到刺激，進(jìn)而產(chǎn)生預(yù)測功能。如果“我要去”后面跟著“吃”，就感覺很正常。從言語產(chǎn)生和言語感知的角度來理解，這是因?yàn)榇竽X對(duì)每個(gè)字的先后順序是有一定的判斷的。其模型如圖3所示。

在RNN 中，上一時(shí)間點(diǎn)到當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)變換過程中每層的權(quán)重W是共享的，這樣在很大程度上減少了訓(xùn)練參數(shù)數(shù)目。圖3 中，W0表示輸入層與隱含層之間的權(quán)重值，W1表示上一時(shí)刻隱含層到當(dāng)前時(shí)刻隱含層之間的權(quán)重值，W2表示隱含層與輸出層之間的權(quán)重值；S(t)表示隱含層的第t個(gè)RNN 節(jié)點(diǎn)的輸出狀態(tài)。

圖3 循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of RNN

1.3 雙向循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

由1.2 節(jié)可知，傳統(tǒng)的RNN 只是利用了上一時(shí)刻的信息，而在具有時(shí)間特性的語言序列中，有很多需要同時(shí)聯(lián)系過去與未來時(shí)刻的信息。同樣是這句話“我要去飯吃了”，如果說出“飯”的前面一個(gè)字是什么，大腦可能需要時(shí)間思考一下，甚至要再默念一遍這句話，而不是反著讀這句話“了吃飯去要我”，但最終都會(huì)找到這個(gè)字。這種現(xiàn)象引發(fā)了兩個(gè)很值得思考的問題：第一，大腦可以通過一定的規(guī)則而找到“飯”這個(gè)字前面的字，這種現(xiàn)象可以理解為大腦對(duì)于信息的存儲(chǔ)，并不是簡單的單獨(dú)存儲(chǔ)，而是一種鏈條式的存儲(chǔ)方式，這種方法有個(gè)極大的好處，大腦只要記住相關(guān)的存儲(chǔ)規(guī)則或者方法就可以，這樣大大節(jié)省了很多空間。第二，大腦很難進(jìn)行反方向的搜尋信息?；谶@種現(xiàn)象，Bi-RNN 應(yīng)運(yùn)而生，相對(duì)于CNN 結(jié)構(gòu)與DNN 結(jié)構(gòu)，其最大的特點(diǎn)在于能夠?qū)⑦^去與未來的信息作為輸入再一次地輸入到神經(jīng)元，這種結(jié)構(gòu)非常適合具有時(shí)序性質(zhì)的數(shù)據(jù)，但同時(shí)也可能需要更長的訓(xùn)練時(shí)間。Bi-RNN 結(jié)構(gòu)解決了其中較為重要的時(shí)序問題，能夠?qū)σ恍┯袝r(shí)間依賴性的數(shù)據(jù)進(jìn)行更好的學(xué)習(xí)，如語音識(shí)別、情感分類、文本分類、機(jī)器翻譯、詞向量的生成等，將Bi-RNN 展開后，可看出在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中有一部分參數(shù)是共享的，這在一定程度上大大減少了所訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)個(gè)數(shù)，同時(shí)也帶來了另一個(gè)優(yōu)勢——Bi-RNN 輸入可以是不固定長度的序列。因此基于傳統(tǒng)的RNN 計(jì)算原理，可對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定程度的改進(jìn)，推導(dǎo)出Bi-RNN結(jié)構(gòu)。Bi-RNN 可以同時(shí)利用過去與未來時(shí)刻的信息，將時(shí)間序列信息分為前后兩個(gè)方向，輸入到模型里，并構(gòu)建向前層與向后層用來保存兩個(gè)方向的信息，同時(shí)輸出層需要等待向前層與向后層完成更新[16]，才能進(jìn)行更新。其模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

Bi-RNN 的整個(gè)計(jì)算過程與單向循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類似，即在單向循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上增加了一層方向相反的隱含層。從輸入層到輸出層的傳播過程中，共有6個(gè)共享權(quán)值。圖4中，W0表示輸入層與向前層之間的權(quán)重值，W1表示上一時(shí)刻隱含層到當(dāng)前時(shí)刻隱含層之間的權(quán)重值，W2表示輸入層與向后層之間的權(quán)重值，W3表示向前層與輸出層之間的權(quán)重值，W4表示下一時(shí)刻隱含層到當(dāng)前時(shí)刻隱含層之間的權(quán)重值，W5表示向后層與輸出層之間的權(quán)重值。Bi-RNN 結(jié)構(gòu)向前傳播的計(jì)算過程如下列公式：

其中，X(t)表示在t時(shí)刻的輸入，S(t)表示向前層的第t個(gè)RNN 節(jié)點(diǎn)的輸出，H(t)表示向后層的第t個(gè)RNN 節(jié)點(diǎn)的輸出，O(t)表示在t時(shí)刻的輸出，b和b1表示偏置參數(shù)，f和g均表示激活函數(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的RNN 而言，Bi-RNN 實(shí)現(xiàn)了同時(shí)利用過去與未來時(shí)刻的信息，因此記憶效果比之前更佳。

圖4 雙向循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of Bi-RNN

2 漢語識(shí)別實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文基于tensorflow 深度學(xué)習(xí)平臺(tái)，使用Anaconda 軟件中自帶的spyder 編譯器進(jìn)行編譯，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。共設(shè)置了3組實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)1：為了說明Bi-RNN 在語音識(shí)別上的優(yōu)越性，分別用DNN 模型與Bi-RNN 模型對(duì)不帶噪聲的訓(xùn)練集進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并與文獻(xiàn)[17]所提出的改進(jìn)CNN算法進(jìn)行比較；

實(shí)驗(yàn)2：為了測驗(yàn)基于某一個(gè)環(huán)境訓(xùn)練出的模型在不同背景噪聲的音頻識(shí)別效果，首先根據(jù)訓(xùn)練音頻類型共設(shè)置了3 組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)下再根據(jù)測試音頻類型分別設(shè)置3 個(gè)實(shí)驗(yàn)；先用Bi-RNN 模型對(duì)3 個(gè)訓(xùn)練集分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，再基于3 種訓(xùn)練集所訓(xùn)練出的模型對(duì)其他噪聲類型的測試集進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；

實(shí)驗(yàn)3：為了研究隱含層中神經(jīng)元數(shù)量對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的影響，本實(shí)驗(yàn)基于Bi-RNN模型，通過調(diào)整隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，設(shè)置8組實(shí)驗(yàn)，再使用不帶噪聲的訓(xùn)練集進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)流程圖如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.5 Flow chart of experiment

2.2 數(shù)據(jù)集描述

本文采用了兩個(gè)版本的THCHS-30 語料庫：第一個(gè)是通過單個(gè)碳粒揚(yáng)聲器，在安靜的辦公室環(huán)境下錄制的無噪聲音頻；第二個(gè)是通過簡單的波形混合，在第一個(gè)版本的數(shù)據(jù)加上了白噪聲和咖啡館噪聲，噪聲和音頻的能量相等。THCHS-30 的文本是從大容量的新聞選取出1000 句，音頻總時(shí)長超過30 h。參與該語料庫錄音的人員，大部分是會(huì)說流利普通話的大學(xué)生。

由于計(jì)算機(jī)性能的限制，本文沒有對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練。選用句子的發(fā)音人數(shù)目為22人，包括15 名女生和7 名男生，每句話在30 字左右，其中陳述句居多，約為95%左右。雙音素占35%左右，三音素占53%左右，單音素與四音素共占12%左右，雙音素與三音素覆蓋率較好。本文共建立了3 個(gè)訓(xùn)練集以及3 個(gè)相對(duì)應(yīng)的測試集，每個(gè)訓(xùn)練集包括2241句話，測試集包括249句話，這3 個(gè)訓(xùn)練集的差別只是在于帶噪聲的類型，其他方面設(shè)置保持一致，并且訓(xùn)練集與測試集的文字內(nèi)容是相一致的。

2.3 模型的構(gòu)建

基于上述Bi-RNN 的優(yōu)點(diǎn)，本文采用Bi-RNN構(gòu)建模型。在文獻(xiàn)[18]中，DNN 的性能并不是隨著層數(shù)增加而增加的，并表明3～5 個(gè)隱層的DNN 結(jié)構(gòu)是合適的。據(jù)此本文所構(gòu)建的模型共包括5層，其中第1 層、第2 層與第4 層都為852 個(gè)單元的全連接層，激活函數(shù)采用ReLU；第3 層為852 維的雙向循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，為了減小模型產(chǎn)生過擬合現(xiàn)象，在每層后面加一個(gè)Dropout 層；第5層為全連接層，并采用(X+1)個(gè)單元的Softmax 用于分類，其中X表示字體的個(gè)數(shù)，1 表示空白符號(hào)，X+1 表示字體與空白符號(hào)的概率分布。語音識(shí)別屬于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)序類分類，通過聯(lián)結(jié)主義時(shí)間分類(Connectionist temporal classification,CTC)來解決輸入與輸出的序列長度不等的問題。使用ctc_loss 方法來計(jì)算損失值。模型如圖6所示。

圖6 模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of model structure

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)1

用上述Bi-RNN模型對(duì)無噪聲的訓(xùn)練集進(jìn)行訓(xùn)練，測試集也使用無噪聲的音頻；同時(shí)對(duì)DNN 與RNN 構(gòu)建模型，并采用相同的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中DNN 的模型結(jié)構(gòu)是將上述Bi-RNN 模型的第3 層Bi-RNN 層換成全連接層。Bi-RNN 與DNN 實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練集的損失函數(shù)值和正確率分別如圖7與圖8所示。

圖7 兩種不同模型的損失函數(shù)Fig.7 Loss function of two different models

圖8 兩種不同模型的識(shí)別正確率Fig.8 Recognition accuracy of two different models

由圖7 和圖8 可以看出，Bi-RNN 模型的損失函數(shù)值下降到穩(wěn)定的速度最快，且訓(xùn)練集的正確率也高。兩種模型的訓(xùn)練集的正確率相差不大，正確率都在93%左右。但測試集的效果顯示Bi-RNN 模型遠(yuǎn)強(qiáng)于DNN 模型。在用DNN 模型進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，其在訓(xùn)練集上的效果很好，但在測試集上錯(cuò)誤率大大增加。從數(shù)據(jù)上表現(xiàn)出DNN模型產(chǎn)生了“過擬合”。

Bi-RNN 結(jié)構(gòu)相對(duì)于DNN 結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，Bi-RNN 對(duì)上下文相關(guān)性的擬合較強(qiáng)，理論上Bi-RNN相對(duì)于DNN 更應(yīng)該陷入過擬合的問題，而結(jié)果顯示Bi-RNN 的識(shí)別錯(cuò)誤率更低，因此單純用“過擬合”來解釋是自相矛盾的。通過對(duì)DNN的神經(jīng)元進(jìn)行多次調(diào)整，當(dāng)神經(jīng)元數(shù)量到612 時(shí)，其錯(cuò)誤率最低為53.26%，相比Bi-RNN還是很高，因此并不能簡單地通過“過擬合”來解釋，說明產(chǎn)生這種現(xiàn)象根本原因在于Bi-RNN 與DNN 結(jié)構(gòu)的差異性。受到協(xié)同發(fā)音的影響，語音中的各幀之間有著很強(qiáng)的相關(guān)性，每一個(gè)字的發(fā)音受到前后幾個(gè)字的影響。在進(jìn)行輸入時(shí)，DNN 是把相鄰的幾幀進(jìn)行拼接，并且其輸入窗口是固定的。而Bi-RNN 在時(shí)序問題上能夠更好地體現(xiàn)長時(shí)相關(guān)性，可以將過去與未來的信息同時(shí)輸入得到輸出結(jié)果，以作為預(yù)測當(dāng)前的輸入，能夠更加深刻地了解其內(nèi)在聯(lián)系，因此降低了錯(cuò)誤率。本文又與文獻(xiàn)[17]所提出的改進(jìn)CNN算法相比較，錯(cuò)誤率也比其提出的方法較低，可見本文的Bi-RNN模型要比文獻(xiàn)[17]所提出的改進(jìn)CNN 模型在語音識(shí)別方面性能要好。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 兩種模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results of two models

實(shí)驗(yàn)2

在現(xiàn)實(shí)生活中，環(huán)境因素是動(dòng)態(tài)易變的。為了測試模型在不同環(huán)境下的識(shí)別效果，首先將Bi-RNN 模型在不同類型且?guī)г胍纛l的、信噪比為0 dB 的條件下進(jìn)行訓(xùn)練再測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 基于不同音頻訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Based on the experimental results of different audio training

由表2 可看出，Bi-RNN模型對(duì)3 種不同環(huán)境下的語音庫進(jìn)行訓(xùn)練以及測試。首先通過對(duì)表2 識(shí)別錯(cuò)誤率中第1、4、7 三個(gè)數(shù)據(jù)的比較，表明訓(xùn)練和測試音頻類型相同時(shí)帶有噪聲的音頻的錯(cuò)誤率要比無噪聲的音頻錯(cuò)誤率要高，其中白噪聲的錯(cuò)誤率最高，錯(cuò)誤率為27.16%，這是因?yàn)榘自肼暫涂Х瑞^噪聲同屬于加性噪聲，白噪聲屬于平穩(wěn)噪聲，咖啡館噪聲屬于緩變?cè)肼暋０自肼暿敲鞔_定義的，因?yàn)槠鋵拵c均勻連續(xù)特點(diǎn)，噪聲信號(hào)與語音信號(hào)重合度很大，導(dǎo)致了對(duì)語音識(shí)別影響很大，其語譜圖如圖9所示?？Х瑞^噪聲的頻譜分析雖和語音類似，而噪聲信號(hào)與語音信號(hào)重合度相對(duì)較小，對(duì)語音識(shí)別影響相對(duì)較小，其語譜圖如圖10所示。通過與純凈語音語譜圖(圖11)進(jìn)行比較，可以看出白噪聲共振峰軌跡的干擾要比咖啡館噪聲大，因此白噪聲的識(shí)別錯(cuò)誤率更高。然后通過對(duì)每組內(nèi)的3 個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較時(shí)，即當(dāng)訓(xùn)練音頻與測試音頻的類型不同時(shí)，其識(shí)別錯(cuò)誤率大大增加，這是因?yàn)橛糜谟?xùn)練音頻的背景噪聲與測試語音的背景噪聲不一致，訓(xùn)練環(huán)境與識(shí)別環(huán)境有著巨大的差異，最終導(dǎo)致了識(shí)別語音特征與模板特征之間的失配，系統(tǒng)的性能大大降低。

圖9 加白噪聲的音頻語譜圖Fig.9 Audio spectrum with white noise

圖10 加咖啡館噪聲的音頻語譜圖Fig.10 Audio spectrum with cafe noise

圖11 純凈音頻語譜圖Fig.11 Pure audio spectrum

實(shí)驗(yàn)3

為了研究隱含層中神經(jīng)元數(shù)量對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的影響，采用Bi-RNN模型，通過對(duì)隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)調(diào)整，進(jìn)行識(shí)別。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，當(dāng)神經(jīng)元數(shù)量增加到512時(shí)，識(shí)別錯(cuò)誤率大幅減少，這是因?yàn)殡[含層節(jié)點(diǎn)數(shù)量過少，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)與處理能力較差；而當(dāng)神經(jīng)元數(shù)量大于512時(shí)，識(shí)別錯(cuò)誤率的減少程度較緩，說明了神經(jīng)元的數(shù)量將趨于飽和狀態(tài)；當(dāng)神經(jīng)元數(shù)量大于等于1024 時(shí)，錯(cuò)誤率出現(xiàn)增加趨勢，說明再增加神經(jīng)元數(shù)量，就會(huì)出現(xiàn)在訓(xùn)練集上有很好的識(shí)別效果，但是在測試集上的識(shí)別效果變差的現(xiàn)象，即出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象。

表3 不同神經(jīng)元數(shù)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results for different numbers of neurons

從這3 個(gè)實(shí)驗(yàn)可看出，Bi-RNN 相對(duì)于DNN 在語音識(shí)別方面效果更加良好，兩個(gè)模型在無噪聲的訓(xùn)練集上效果相差不大。但是在測試集上，DNN 模型錯(cuò)誤率在54.76%，文獻(xiàn)[17]所提出的改進(jìn)CNN 錯(cuò)誤率在22.19%，而Bi-RNN 模型錯(cuò)誤率為19.32%，相對(duì)于DNN模型與改進(jìn)的CNN模型都有了降低。由此可以看出，Bi-RNN 可同時(shí)利用上下文信息，發(fā)揮出其獨(dú)特的優(yōu)勢。當(dāng)使用Bi-RNN模型對(duì)3 種不同類型的音頻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，在無噪聲的測試集上錯(cuò)誤率為19.32%，在帶咖啡館噪聲的測試集的錯(cuò)誤率為24.25%，在帶白噪聲的測試集的錯(cuò)誤率為27.16%，在無噪聲的音頻條件下實(shí)驗(yàn)效果最好；當(dāng)采用基于某一語音庫所訓(xùn)練的模型對(duì)其他兩個(gè)環(huán)境下的音頻進(jìn)行測驗(yàn)時(shí)，效果很差，說明采用單個(gè)訓(xùn)練集訓(xùn)練的模型無法適應(yīng)不同噪聲類型的音頻，在以后的研究中將考慮聯(lián)合訓(xùn)練。在探索隱含層的神經(jīng)元數(shù)量對(duì)識(shí)別效果的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)隱含層每層神經(jīng)元數(shù)量在682～852時(shí)，效果最好。同時(shí)，識(shí)別錯(cuò)誤率并不是隨著隱含層每層神經(jīng)元的增加而降低，甚至當(dāng)神經(jīng)元個(gè)數(shù)增加到一定程度時(shí)，識(shí)別錯(cuò)誤率不下降反而上升。

3 結(jié)論

自深度學(xué)習(xí)的概念提出后，深度學(xué)習(xí)在語音識(shí)別方面相較于傳統(tǒng)的方法，如混合高斯模型，在性能有了很大的提升。其中基于Bi-RNN 模型在語音識(shí)別方面更是具其獨(dú)特的優(yōu)勢。本文使用Bi-RNN進(jìn)行語音方面了探索，并與DNN和改進(jìn)的CNN 進(jìn)行比較，初步驗(yàn)證了Bi-RNN 在語音識(shí)別方面的獨(dú)特優(yōu)勢。同時(shí)對(duì)含有噪聲的音頻的識(shí)別效果進(jìn)行測試，以及隱含層神經(jīng)元數(shù)量對(duì)識(shí)別效果的影響方面，做了初步的探索。結(jié)果如下：(1)在漢語語音識(shí)別中采用Bi-RNN 模型得到了在同樣條件下高于DNN和改進(jìn)的CNN 的識(shí)別率，成功地構(gòu)建了一個(gè)漢語識(shí)別模型；(2)初步考察了噪聲對(duì)Bi-RNN漢語識(shí)別模型的影響，分析了白噪聲的影響大于咖啡館噪聲的原因；(3)研究了Bi-RNN漢語識(shí)別模型中隱含層中神經(jīng)元數(shù)量對(duì)識(shí)別率的影響，提出了該模型中核心層神經(jīng)元數(shù)量為682～852的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

本文由于一些軟件與硬件資源上的限制，有許多問題還需要進(jìn)一步的探索。主要有：

(1)在進(jìn)行探討隱含層神經(jīng)元的數(shù)量對(duì)識(shí)別效果的實(shí)驗(yàn)中，只是提出了神經(jīng)元數(shù)量并不是越多越好，但是對(duì)不同結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)神經(jīng)元數(shù)量的合理設(shè)定的范圍，并未給出結(jié)果，需要進(jìn)一步的探索。

(2)在本文中使用DNN 與Bi-RNN 相結(jié)合用以構(gòu)建模型。在使用DNN 時(shí)，由于參數(shù)太多，易出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象，為了更好地解決這一問題，在接下來的學(xué)習(xí)與探索中，將CNN與Bi-RNN 相結(jié)合來構(gòu)建模型，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。