巧用语言模型——让准确率再涨一点点！

news2024/9/20 9:38:30

还记得在去年，我们曾经发过一篇文章介绍 icefall 中的语言模型使用方法：升点小技巧之—在icefall中巧用语言模型。如今半年过去了，k2 团队又有了一些新进展。今天来给大家做一个小小的总结，再给大家的模型涨涨点（又又又又又可以找老板涨工资了！）。本篇文章将分别介绍 CTC 和 RNN-T 两种模型上的语言模型使用方法，大家可以挑选适合自己的方法使用~

1. CTC

不知道大家还记不记得，在上次的分享中我们介绍了一个叫做 Low-order Density Ratio (LODR) 的解码办法（忘了的同学快去补课！），即在使用 Density Ratio 的时，用一个低阶 n-gram 的分数近似端到端模型的内部语言模型（Internal Language Model， ILM）的分数。在 RNN-T 模型上使用该方法比单纯使用 shallow fusion 更为有效，是升点的不二法门。下图是一个简单的对比：

既然 LODR 在 RNN-T 模型上这么有效，那同样为端到端模型的 CTC 是否也能从 LODR 上受益呢？虽然 CTC 没有一个接受文本信息的 decoder，但作为一个端到端模型，我们猜测 CTC 和 RNN-T 一样，不可避免地学习了一些 high-level 的语言模型信息，也就是所谓的 ILM 信息。如果能够在解码的时候去除 ILM 的分数，那是不是能够进一步提升 CTC 和语言模型融合的能力？

对此，我们 k2 团队做了一些探索，尝试将 LODR 融入到 CTC 的解码中。我们尝试了同领域（in-domain）和跨领域（cross-domain）测试的场景，即使用在 LibriSpeech 上训练的模型分别在 LibriSpeech 和 GigaSpeech 的测试集上解码。我们分别在 LS 官方文本训练集和GigaSpeech数据集的文本上训练了两个 4-gram 语言模型，分别作为 LODR 中的Target domain 语言模型。在进行 LODR 时，我们使用了 LS 960小时文本上训练的 2-gram 作为 source-domain 语言模型。解码时，我们抽取 CTC lattice 中的 nbest-list 进行 rescore，公式如下：

其中和分别是 4-gram 和 2-gram 的分数。我们选用了zipformer-ctc 模型进行测试，实验结果如下:

我们发现，在 in-domain 的情境下，LODR 并不能够提升 CTC 模型的准确率，相较于单纯 nbest-rescore，LODR带来的收益非常有限，在 test-clean 和 test-other 上只有0.02和0.01的差距。但是在 cross-domain 的情境下，LODR 能够显著减少 CTC 模型在 target domain 的词错率。这从侧面证明了 CTC 模型在端到端训练时也一定程度上学习了一些语言模型的信息。在现实场景中，ASR 模型的部署环境更接近于 cross-domain，感兴趣的小伙伴不妨试试在 CTC 解码时使用 LODR 吧！该方法我们近期会提交 PR ，还请大家多多关注icefall！

2. RNN-T

说完了 CTC 模型，我们再回来看看 RNN-T 模型。在升点小技巧之—在icefall中巧用语言模型这篇文章中，我们提到 Shallow fusion（SF）和 LODR 两种都能够显著降低 RNN-T 的词错率的办法。但天下没有免费的午餐，由于需要神经网络语言模型（例如 RNNLM）的前向运算，解码所需要的时间相较单纯 beam search 会明显变长。为了解决这一缺点，我们最近刚刚实现了一版基于 rescore 的 RNN-T 语言模型融合解码办法，能够在仅仅牺牲一点点准确率的前提下，大幅缩短解码时间。

由于 SF 需要在每生成一个新 non-blank token 时进行一次打分，并且要为每个可能的 hypothesis 存储语言模型的状态，所需要的时间和显存都明显比 beam search 多。但如果只是用 RNNLM 对 beam search 的 n-best list 进行rescore，运算量和所需储存的 RNNLM 状态都能明显下降。在 rescore 的基础上，我们可以再加入一个 2-gram 语言模型进行 LODR 的解码。我们使用在LibriSpeech 上训练的 pruned_transducer_stateless7_streaming （流式 zipformer）模型进行测试，比较 shallow fusion，rescore，rescore + LODR 这三种解码办法的 WER。三种办法都使用了同样的 RNNLM，参数量为17M，LODR 使用的 2-gram 是在960h 的文本上训练的。结果如下：

不难发现，三种结合了语言模型的解码办法都能够显著减少 RNN-T 模型的词错率。随着 beam 的增长，rescore 和 SF 的 WER 差距越来越小，当 beam size 为 12 时，rescore 甚至略胜 SF 一筹，在 test-clean 和 test-other 都减少了超过 10% 的相对词错率。在 rescore 的基础上再加入 LODR 能够进一步减小 WER，相对词错率减少达到了 13.8% 和 12.2%。下表展示了上述几种解码办法完成 test-clean 解码所需要的时间：

可以看出，在 WER 相近的前提下，rescore 所需要的时间远远小于 SF。在 rescore 的过程中加入 LODR 仅仅让解码时间相较于 beam search 增加了20%，却减少了13.8%的词错率，可谓是又快又准。基于 rescore 的这两个解码办法已经提交在 icefall中，详见这两个 PR：