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語音辨識和語音轉文字 AI 的實際運作方式

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重點

現代語音轉文字系統將聲波轉換成頻譜圖像,然後將該圖像輸入神經網絡,逐個令牌預測文本。同樣的核心方法——由Google的設備上辨識器和OpenAI的Whisper等系統首創——現在為手機鍵盤、智慧揚聲器和無障礙工具提供動力,儘管研究人員也記錄了這些模型發明未曾被說過的詞語的情況。

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每當手機轉錄語音信箱、智慧揚聲器回答口頭問題,或字幕應用顯示即時字幕時,同一個基本管道就在後台運行:聲音被轉換成視覺圖案,神經網絡讀取該圖案來猜測詞語。本文詳細解釋了該管道的運作方式、哪些系統被廣泛使用,以及該技術仍然出錯的地方。

從聲波到頻譜圖

語音轉文字系統不直接讀取原始音頻。根據OpenAI發佈在arXiv上的Whisper模型技術論文,音頻首先被轉換為神經網絡能夠有效處理的形式,然後才進行任何轉錄。OpenAI在GitHub上發佈的Whisper開發文檔將該模型描述為「一個通用語音辨識模型」,可處理多語言轉錄、英文翻譯、口頭語言辨識和語音活動檢測——所有這些都通過一個模型而非多個獨立階段實現。

現代系統中的常見技術是將音頻轉換為梅爾頻譜圖:一張圖表,顯示錄音中每個時刻存在哪些頻率,按照人耳對音高的感知方式進行縮放。這種類似圖像的表示(而非原始波形)就是輸入神經網絡的內容。

兩種不同的方法:雲端規模和設備端

並非所有語音辨識系統都以相同方式構建,差異決定了它們如何以及在哪裡運行。

OpenAI的Whisper在arXiv論文「通過大規模弱監督進行強健語音辨識」中有所描述,該模型使用編碼器-解碼器轉換器架構進行訓練,類似於GPT等文本生成模型背後的架構,訓練數據為680,000小時的從互聯網收集的多語言和多任務音頻。編碼器處理頻譜圖;解碼器然後逐個預測文本令牌。論文作者報告該模型「在零次學習設置下能很好地泛化到標準基準」,這意味著無需在這些特定基準上進行微調,且「與人類相比,該模型接近其準確性和穩健性」。

Google的Gboard鍵盤設備端辨識器採用了不同的設計目標,該系統在Google Research部落格2019年3月12日的文章中有所描述。Google沒有使用在遠端伺服器上運行的大型模型,而是構建了被稱為「全神經設備端語音辨識器」的系統,使用了一種稱為RNN轉換器(RNN-T)的技術。該系統通過應用參數量化壓縮到約80MB——相比之下Google傳統生產模型使用的搜索圖約為2GB——該技術據該文章說相比訓練後的浮點版本(壓縮前約450MB)實現了大約四倍的縮減。由於整個模型都能放在手機上,Google表示它「提供與傳統伺服器型模型相同的準確性」,同時「即使離線也能工作」,避免了向遠端伺服器發送音頻帶來的延遲或中斷。

兩種語音辨識方法的比較
功能雲端規模模型(如Whisper)設備端模型(如Google的Gboard辨識器)
運行位置伺服器/雲端(或下載的大型模型)直接在手機上
核心架構編碼器-解碼器轉換器RNN轉換器(RNN-T)
訓練數據根據OpenAI論文,680,000小時,多語言Google在本文中未指定
可離線工作不固有是,按設計
報告的大小多個模型大小,最大1.55億參數,根據GitHub根據Google,壓縮後約80MB(壓縮前450MB)

為什麼這對無障礙很重要

語音辨識只能很好地識別訓練中看到足夠多的語音模式。Google的AI社會公益團隊在2019年5月7日的部落格文章中推出了Project Euphonia,稱標準模型是根據該文章稱為「典型」語音的大量數據構建的,因此對於語音因中風、ALS、多發性硬化症、創傷性腦損傷和帕金森氏症而改變的人表現不佳;與該項目合作過的ALS倡導組織Team Gleason另外列出了腦癱作為可能使該技術更難使用的條件之一。該項目要求具有非典型語音的志願者錄製短語,以便研究人員可以構建更具包容性的模型。同一部落格在2022年的後續文章宣佈該項目的研究正在擴展到四種更多語言——法語、印地語、日語和西班牙語——除了其最初的英語工作之外,並表示更廣泛的努力已發展成Project Relate,在2021年11月的一篇單獨Google部落格文章中描述為一個Android應用程式,當時以測試版形式推出,旨在學習用戶的個人語音模式並構建個性化的辨識模型。

該技術仍然失敗的地方:「幻覺」

自動轉錄不僅僅是緩慢或偶爾出錯——研究人員記錄了模型發明未曾被說過的內容的案例,這種失敗模式通常稱為幻覺。Fortune在2024年10月26日發表的報導引用了康奈爾大學的Allison Koenecke和弗吉尼亞大學的Mona Sloane,他們發現在他們在Whisper轉錄中識別的幻覺中,近40%包含研究人員分類為有害或令人擔憂的內容,包括編造的暴力聲明和在原始音頻中不存在的虛構種族評論。同一報告稱Nabla公司基於Whisper的轉錄服務已被40個衛生系統中超過30,000名臨床醫生使用,到那時大約700萬次醫療訪問已被轉錄,儘管OpenAI曾警告不要在「高風險領域」使用Whisper,因為轉錄錯誤可能影響決定。

與人類相比,該模型接近其準確性和穩健性。

— OpenAI的Whisper研究論文,arXiv

人們每天遇到這種情況的地方

常見問題

語音辨識和語音轉文字有什麼區別?
在實踐中,這些術語可互換使用:兩者都描述將口頭音頻轉換為書面文本的軟體,使用OpenAI和Google技術出版物中描述的頻譜圖加神經網絡管道。
語音轉文字可以不用互聯網連接工作嗎?
可以,如果辨識器足夠小以完全在設備上運行。Google的Gboard辨識器在2019年3月Google Research部落格文章中有所描述,其專門設計為在約80MB的離線環境中運行,不同於依賴遠端伺服器的早期系統。
為什麼AI轉錄有時會產生從未說過的文本?
這稱為幻覺。Fortune引用的研究發現,在OpenAI的Whisper模型中,研究人員識別的幻覺中,近40%包含被分類為有害的內容,如編造的暴力聲明或原始音頻中不存在的種族評論。
語音轉文字AI訓練的音頻數據有多少?
OpenAI在arXiv上的Whisper論文指出該模型使用680,000小時的從互聯網收集的多語言和多任務音頻進行訓練。
如何使語音辨識對患有語音障礙的人更易於訪問?
Google的Project Euphonia在2019年5月的部落格文章中推出,從具有非典型語音的志願者收集語音樣本——由該文章命名的中風、ALS、多發性硬化症、創傷性腦損傷和帕金森氏症以及ALS組織Team Gleason也提及的腦癱引起——以構建更具包容性的個性化辨識模型。2022年的後續文章說該工作發展成Project Relate,該應用在2021年11月的一篇單獨Google文章中描述為一個Android應用程式,當時以測試版形式推出,學習用戶的語音模式以構建個性化模型。

來源

  1. arXiv — Robust Speech Recognition via Large-Scale Weak Supervision (Whisper paper)
  2. GitHub (OpenAI) — openai/whisper repository
  3. Google Research Blog — An All-Neural On-Device Speech Recognizer
  4. Google (blog.google) — How AI can improve products for people with impaired speech
  5. Google (blog.google) — How we build with and for people with disabilities
  6. Fortune — OpenAI's transcription tool has a hallucination problem, researchers say
  7. Team Gleason — Project Euphonia collaboration overview

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