AWS re:Invent 2016: Deep Learning in Alexa
 |
leiphone 作者：亞萌
按：2016年1月11日-12日，美國加州聖克拉拉市，AI Frontier大會召開，這次大會聚集了美國人工智慧公司裡，最強悍的明星人物，包括谷歌大腦負責人Jeff Dean、微軟AI首席科學家鄧力、亞馬遜首席科學家Nikko Strom、百度AI實驗室主管Adam Coates、Facebook科學家賈楊清等20多位業界大咖，堪稱AI業界領域的一場盛事。
作為2017開年最紅火的，人工智慧之星Alexa項目的領導者，亞馬遜首席科學家Nikko Strom帶來了演講，詳細闡述了Alexa裡的大規模深度的基本架構、語音辨識、語音合成等內容，尤其提到了Alexa為「雞尾酒派對難題」找到了有效的解決方法。
Nikko Strom，亞馬遜首席科學家。1997年於瑞典工學院獲得博士學位，之後擔任MIT電腦科學實驗室研究員，2000年加入初創公司Tellme Networks，2007年加入微軟，推進商業語音辨識技術的高階研究。
2011年加入亞馬遜，並擔任首席科學家，領導語音辨識及相關領域的深度學習項目，是如今炙手可熱的亞馬遜Echo和Alexa項目的創始成員。
以下是根據Nikko Strom現場演講整理而成，在不改變願意的基礎上做了刪減和補充。
這是Amazon Echo，內置了一個Alexa系統，提供語音服務，你可以把它放到你的家裡，你可以跟它對話，並不需要拿遙控器來控制。這個Holiday Season，我們加入了新的白色Echo和Dot，你們當中應該有很多人，比較偏愛白色的電子產品。
其它的一些產品，並沒有內置Alexa系統，但是可以與其連接，比如家裡的燈具、咖啡機、恆溫器等，你只需要語音，就可以讓它們執行一些命令。另外，開發者們通過「Skills」來給Alexa增加更多的功能應用。
如今數百萬的家庭裡放置了Echo，而它真正地在被使用著，由此我們得到的數據多到瘋狂（insane），可能會超出你的想像。我無法告訴你確切的數字，但盡可能往大了去想吧。
大規模深度學習
人的耳朵並非每時每刻，都在蒐集語音資訊，「聽」的時間大約佔10%，所以一個人成長到16歲的年紀，他/她所聽到的語音訓練時間，大概有14016小時，關於這個數據，我後面會提到一個對比。
回到Alexa，我們把數千個小時的真實語音訓練數據，儲存到S3中，使用EC2雲上的分布式GPU集群，來訓練深度學習模型。
在訓練模型的過程中，用MapReduce的方法，效果並不理想，因為節點之間，需要頻繁地保持同步更新，不能再透過增加更多的節點，來加速運算。
我們可以這樣理解，那就是GPU集群更新模型的計算，速度非常之快，每秒都有幾次更新，而每次更新大約是模型本身的大小。也就是說，每一個線程（Worker），都要跟其它線程同步更新幾百兆的量，而這在一秒鐘的時間裡，要發生很多次。所以，MapReduce的方法效果並不是很好。
我們在Alexa里的解決方法就是，使用幾個逼近算法（Approximations），來減少這些更新的規模，將其壓縮3個量級。這裡是我們一篇2015年論文的圖表，我們可以看到，隨著GPU線程的增加，訓練速度加快。
到 40個GUP線程時，幾乎成直線上升，然後增速有點放緩。80 GPU線程，對應著大約55萬幀/秒的速度，每一秒的語音大約包含100幀，也就是說這時的一秒鐘，可以處理大約90分鐘的語音。前面我提到一個人要花16年的時間，來學習1.4萬小時的語音，而用我們的系統，大約3個小時就可以學習完成。
這就是我們大致的深度學習基礎架構。
Alexa的語音辨識
我們知道語音辨識系統框架，主要包括四大塊：信號處理、聲學模型、解碼器和後處理。
首先我們將從麥克風收集來的聲音，進行一些信號處理，將語音信號轉化到頻域，從每10毫秒的語音中提出一個特徵向量，提供給後面的聲學模型。
聲學模型負責把音頻，分類成不同的音素。接下來就是解碼器，可以得出概率最高一串詞串，最後一步是後處理，就是把單詞組合成容易讀取的文本。
在這幾個步驟中，我們或多或少都會用到機器學習，和深度學習的方法。但是我今天主要講一下聲學模型的部分。
聲學模型就是一個分類器（classifier），輸入的是向量，輸出的是語音類別的機率。這是一個典型的神經網路。底部是輸入的信息，隱藏層將向量轉化到最後一層裡的音素機率。
這裡是一個美式英語的Alexa語音辨識系統，所以就會輸出美式英語中的各個音素。在Echo初始發佈的時候，我們錄了幾千個小時的美式英語語音，來訓練神經網路模型，這個成本是很高的。
當然，世界上還有很多其它的語言，比如我們在2016年9月發行了德語版的Echo，如果再重頭來一遍，用幾千個小時的德語語音來訓練，成本是很高的。
所以，這個神經網路模型一個有趣的地方，就是可以「遷移學習」，你可以保持原有網路中其它層不變，只把最後的一層換成德語的。
兩種不同的語言，音素有很多是不一樣的，但是仍然有很多相同的部分。所以，你可以只使用少量的德語的訓練數據，在稍作改變的模型上，就可以最終得到不錯的德語結果。
雞尾酒派對難題
在一個充滿很多人的空間里，Alexa需要弄清楚到底誰在說話。開始的部分比較簡單，用戶說一句喚醒詞「Alexa」，Echo上的對應方向的麥克風就會開啓，但接下來的部分就比較困難了。
比如，在一個雞尾酒派對中，一個人說「Alexa，來一點爵士樂」，但如果他/她的旁邊緊挨著同伴一起交談，在很短的時間裡都說話，那麼要弄清楚，到底是誰在發出指令就比較困難了。
這個問題的解決方案來自於2016年的一份論文《錨定語音檢測》（Anchored Speech Detection）。一開始，我們得到喚醒詞「Alexa」，我們使用一個RNN從中提取一個「錨定嵌入」（Anchor embedding），這代表了喚醒詞裡包含語音特徵。
接下來，我們用了另一個不同的RNN，從後續的請求語句中提取語音特徵，基於此得出一個端點決策。這就是我們解決雞尾酒派對難題的方法。
語音合成
Alexa裡的語音合成技術，也用在了Polly裡。語音合成的步驟一般包括：
第一步，將文本規範化。如果你還記得的話，這一步驟恰是對「語音識別」里的最後一個步驟的逆向操作。第二步，把字素轉換成音素，由此得到音素串。第三步是關鍵的一步，也是最難的一步，就是將音素生成波形，也就是真正的聲音。
最後，就可以把音頻播放出來了。
Alexa擁有連續的語音合成。我們錄下了數小時人的自然發音的音頻，然後將其切割成非常小的片段，由此組成一個數據庫。這些被切割的片段被稱為「雙連音片段」（Di-phone segment），雙連音由一個音素的後半段，和另一個音素的前半段組成，當最終把語音整合起來時，聲音聽起來的效果就比較好。
當你創建這個數據庫時，要高度細緻，保證整個數據庫裡，片段的一致性。另外一個重要的環節是算法方面的，如何選擇最佳的片段序列，結合在一起形成最終的波形。
首先要弄清楚目標函數是什麼，來確保得到最合適的「雙連音片段」，以及如何從龐大的數據庫裡，搜索到這些片段。比如，我們會把這些片段標籤上屬性，我今天會談到三個屬性，分別是音高（pitch）、時長（duration）和密度（intensity），我們也要用RNN為這些特徵找到目標值。
之後，我們在數據庫中，搜索到最佳片段組合序列，然後播放出來。
0 comments:
張貼留言