Delay Penalty for RNN-T and CTC

1. 背景

之前介绍了如何在 RNN-T 流式模型上应用时延正则，以及在 Conformer 和 LSTM 上的实验结果。

本期公众号重点带大家回顾下具体的思路，以及如何类似地在 CTC 流式模型上应用时延正则。

有些内容可能有所重复，读者可适当跳过。

2. Delay penalty for RNN-T

标准 RNN-T

如图1所示，RNN-T lattice 包含了特征序列和标签序列之间所有可能的对齐路径，两个序列的长度通常不一致。在 lattice 中，从点 (t,u) 出发，向上走的边表示输出 yu+1，分数为 y(t,u)；向右走的边表示输出 ∅，分数为 ∅(t,u)。

此处我们提及的 lattice 边上的分数，无特殊说明情况下，都是 log-probability。

图1

假设 lattice 中路径 i 的分数为 si，RNN-T 的目标函数 L 为最大化 lattice 中所有路径的分数之和：

L=log⁡∑iexp⁡(si)

我们通常使用动态规划算法 forward-backward[1] 来高效地计算目标函数 L，不需要显式计算每条路径的分数 si。具体地，令 α(t,u) 表示在 lattice 中在看到了特征 x0…t 的条件下，输出标签 y0…u 的分数。我们可以得到状态转移方程：

α(t,u)=LogAdd(α(t,u−1)+y(t,u−1),α(t−1,u)+∅(t−1,u)),

lattice 中所有路径的总分数 L，即状态转移的终点，可以计算为：

L=α(T−1,U)+∅(T−1,U)

我们可以发现，RNN-T 的目标函数 L 并没有考虑不同的路径所对应的时延。如图1所示，红色的路径更早地输出 symbol，时延较低；而蓝色的路径更晚地输出 symbol，时延较高。

与非流式模型不同，流式模型无法看到句子中所有的 context。流式模型为了看到更多的上下文，以达到更好的识别性能，会倾向于增强时延较高的路径， 如图1中蓝色的路径。如图2蓝色线所示，随着训练进行，没有时延正则的 RNN-T 流式模型的时延逐渐上升。

图2

Delay-penalized RNN-T

为了惩罚 RNN-T 模型的时延，我们的想法是在目标函数 L 上增加一个时延正则项 Ldelay，得到一个新的目标函数 Laug：

Laug=L+Ldelay

Ldelay 表示 lattice 中所有路径的平均时延分数（值越大，代表时延越低），定义为：

Ldelay=λ∑idiwi

其中，di 为路径 i 的时延分数，λ 是一个超参数，wi 为路径 i 的分数在整个 lattice 中的比重：

wi=∂L∂si=exp⁡(si)∑iexp⁡(si)

此处，di 的值越大，表示路径 i 的时延越低。

下文会具体讲解时延分数 di 的定义。

因此，通过引入时延正则项 Ldelay，RNN-T 会被约束着去增强那些时延较低（di 较大）的路径 i，为他们赋予一个更高的分数 si。

上文提到，我们在优化 L 的过程中，并没有显式计算各个路径 i 的分数 si。那么问题来了，为了优化 Laug，难道我们还要去显示地求出各个路径 i 的分数 si，来计算 wi 吗？这无疑是一种极其低效且不优雅的做法。

此时，Daniel 抛出了一长串数学公式，证明了我们可以优雅地实现 Laug 的优化。

由于篇幅限制，我们不在此列出具体的证明过程。感兴趣的同学可以阅读论文 https://arxiv.org/pdf/2211.00490.pdf，保证学过高中数学的同学都能看懂。

简而言之，对于一个较小的超参数 λ，带时延正则的目标函数 Laug 对路径分数 si 的导数 ∂Laug∂si 可以近似为：

∂Laug∂si≈exp⁡(λdi+si)∑iexp⁡(λdi+si)

我们只需要在优化标准目标函数 L 的过程中，将 si 替换为 λdi+si，即可达到近似地优化 Laug 的效果：

si′=λdi+si

接下来我们来讲一下在 RNN-T lattice 中如何定义 di。令 π={πu}0U−1 为输出标签序列 y0...U−1 （即向上走的边）的帧索引。我们定义路径 i 的时延分数 di 为这些帧索引 πu 相对于句子中间帧的 offset:

di=∑u(T−12−πu)

此处，之所以要加上它们相对于中间帧的 offset，是为了使得引入时延正则后，loss 函数的数值不会和原来相差太大。

图3

如图3所示，为了实现 si′，我们只需要修改 lattice 中那些输出 symbol 的边（即向上走的边），加上与帧索引对应的 offset：

y′(t,u)=y(t,u)+λ×(T−12−t)

因此，在执行 forward-backward 算法之前，我们只需要将 y(t,u) 替换为 y′(t,u)，即可以一种简单高效的方式，近似地优化带时延正则的目标函数 Laug。

如图2中红色的线所示，通过在 RNN-T 目标函数上添加时延正则项，随着训练的进行，我们可以逐步降低流式模型的时延。

代码可以参考 k2 的 PR https://github.com/k2-fsa/k2/pull/976 和 icefall 的 PR https://github.com/k2-fsa/icefall/pull/654。

3. Delay penalty for CTC

CTC 的目标函数[2]和 RNN-T 目标函数的公式一样，也是最大化 lattice 中所有可能的对齐路径分数之和 L：

L=log⁡∑iexp⁡(si)

我们希望可以像 RNN-T 一样，对于 lattice 中每条路径，根据时延对应地修改它的分数 si，即 si′=λdi+si，达到近似地优化带时延正则的目标函数 Laug 的效果。

下面将介绍如何使用 k2 fsa 巧妙地实现这个功能。

大家可以下载文件 https://github.com/k2-fsa/next-gen-kaldi-wechat/blob/master/pdf/LF-MMI-training-and-decoding-in-k2-Part-I.pdf，了解如何用 k2 fsa 实现计算 CTC 目标函数。

图4

假设特征序列的长度为5，标签序列为 Z,O,O。利用 k2 fsa 我们可以得到对应的 CTC lattice。在图4所示，在 CTC lattice 中，每条从起点到终点的路径为：特征序列和标签序列之间的合法对齐路径。每条边上有三个属性：（1）输入标签（label）；（2）输出标签（ aux_label）；（3）分数，即 log_softmax(encoder_output)。

例如，以下三条对齐路径对应着不同的输入标签序列，他们的输出标签序列经过去除 ϵ 后，都可以得到 Z,O,O：

Z,O,∅,O,∅→Z,O,ϵ,O,ϵ

Z,Z,O,∅,O→Z,ϵ,O,ϵ,O

Z,∅,O,∅,O→Z,ϵ,O,ϵ,O

每条对齐路径的时延，取决于那些首次输出 symbol 的边的帧索引 π={πu}0U−1 ，如下面加粗的 symbol:

Z,O,∅,O,∅→Z,O,ϵ,O,ϵ

Z,Z,O,∅,O→Z,ϵ,O,ϵ,O

Z,∅,O,∅,O→Z,ϵ,O,ϵ,O

每条路径中，那些首次输出 symbol 的边的数量是相同的，为标签序列的长度 U。我们可以像上文 RNN-T 一样，定义每个路径 i 的时延分数 di 为：这些帧索引 πu 相对于句子中间帧的 offset。

图5

如图5所示，为了在 CTC 中实现 si′，我们只需要修改 lattice 中首次输出 symbol 的边（标记为红色）上的分数 yt，加上与帧索引（相对于中间帧）的 offset：

yt′=yt+λ×(T−12−t)

因此，在执行动态规划算法求 CTC lattice 中所有路径总分数之前，我们只需要将 yt 替换为 yt′，即可以一种简单高效的方式，近似地优化带时延正则的目标函数 Laug。

在 k2-fsa CTC 实现过程中，利用 k2.Fsa.get_total_scores() 求得 lattice 所有路径总分数。

具体地，如何修改 lattice 上那些首次输出 symbol 的边的分数，可以参考 k2 的 PR https://github.com/k2-fsa/k2/pull/1086，和 icefall 的 PR https://github.com/k2-fsa/icefall/pull/669，里面有详细的注释。

4. 实验结果

RNN-T

如表1所示，在使用 RNN-T 训练的流式 Conformer（chunk=0.32s）和 LSTM 模型上，应用时延正则可以有效降低模型的时延。我们只需通过调节超参数 λ，即可控制 WER 和 symbol delay 之间的 trade-off。

关于 RNN-T 时延正则，大家可以阅读论文 https://arxiv.org/pdf/2211.00490.pdf 了解更详细的实验结果。

表1

CTC

表2展示了使用 CTC 训练的流式 Conformer 模型（chunk=0.32s），应用了时延正则后，在 librispeech 数据集 test-clean 和 test-other 上的结果。可以看出，我们同样可以通过调节超参数 λ，即可控制 WER 和 symbol delay 之间的 trade-off。

由于模型只使用了 CTC 损失函数训练了 25 个 epoch，WER 较差，大家可忽略其绝对数值。

表2

5. 总结

最后，再附上论文地址 https://arxiv.org/pdf/2211.00490.pdf，感兴趣的同学可以阅读 Daniel 的详细证明过程。有疑问的同学欢迎通过 github issue 或者评论区和我们讨论。

参考资料

[1] forward-backward: https://arxiv.org/pdf/1211.3711.pdf

[2] CTC 的目标函数: https://www.cs.toronto.edu/~graves/