语音识别系列1--语音识别CTC之数据准备

忘是亡心i 2022-01-29 23:09 514阅读 0赞

**语音识别CTC之数据准备**

**一、简介**

CTC是一种端到端的神经网络训练方法，在语音识别领域应用非常广泛，和传统的语音识别HMM相比，CTC省略了数据对齐，特征选取的过程。传统的HMM在训练神经网络之前需要选择特定的语音特征，比如FBANK、MFCC。而CTC则直接将语音转到频域即可使用，传统的HMM在训练之前需要对数据进行帧对齐，对齐的过程首先要进行HMM-GMM的聚类，并且较小的建模粒度需要做状态的绑定，因为较大的建模粒度效果往往不好。最后使用GMM或者DNN对齐的标签也不是很准确。而端到端的CTC技术正好解决了这个问题，建模粒度更大，HMM-DNN模型用一个DNN模型替代，不需要对齐标签，仅需要整句话的标签即可，语料充足的情况下效果比传统的HMM方法要好。

tensorflow原生支持CTC目标函数，网络结构搭建简单，是一个不错的深度学习工具，我们通过tensorflow训练CTC模型，在3000小时语音数据的基础上，效果达到了字准95%，句准91%的效果，下面我们首先介绍训练过程的数据准备阶段。

**二、数据格式**

输入为kaldi提取的ark文件对应的scp文件，标签文件，输出为准备好的tfrecord文件。

scp文件格式如下：

0000000000000000000001 3000h.ark:43

0000000000000000000002 3000h.ark:68421

0000000000000000000003 3000h.ark:140799

0000000000000000000004 3000h.ark:213177

0000000000000000000005 3000h.ark:269235

0000000000000000000006 3000h.ark:312973

标签文件格式如下：

0000000000000000000001 125 61 146 113 146 2 216 115 124 1

0000000000000000000002 26 126 56 19 123 61 26 7

0000000000000000000003 57 163 26 62 143 95 121 98 121 59

0000000000000000000004 26 126 56 19 58 37 26 7 124 38 57 180

0000000000000000000005 192 189 58 23 121 62 124 129

0000000000000000000006 28 19 146 139 57 31 26 0

**三、代码**

Python代码如下：

import numpy as np
    from tqdm import tqdm
    import sys 
    import struct
    
    #统计空标签个数
    null_label=0
    
    def int64_feature(value):
      return tf.train.Feature(int64_list=tf.train.Int64List(value=[value]))
    
    def bytes_feature(value):
      return tf.train.Feature(bytes_list=tf.train.BytesList(value=[value]))
    
    def get_features(scp_file):
      #找到特征存储位置并读取
      scp_file = scp_file.split(':')
      file_name = scp_file[0]
      position = int(scp_file[1]) + 5 
      with open(file_name, 'rb') as f:
        f.seek(position)
        #获取特征帧数
        var_byte = struct.unpack('B', f.read(1))[0]
        seq_len = struct.unpack('i', f.read(var_byte))[0]
        #获取特征维数
        var_byte = struct.unpack('B', f.read(1))[0]
        feat_width = struct.unpack('i', f.read(var_byte))[0]
        #读取特征
        feats = f.read(4 * seq_len * feat_width)
      #返回特征及特征帧数
      return feats, seq_len
    
    def get_label(raw_label):
      #标签转为int数组
      label = np.asarray(raw_label).astype(np.int64)
      #标签转字符串
      label = label.tostring()
      return label
    
    def create_tfrecord(scp_file, text_file, tfrecord_file):
      #声明全局变量
      global null_label
    
      #特征索引全部读入内存
      with open(scp_file) as f:
        scp_list = f.readlines()
      #标签全部读入内存
      with open(text_file) as f:
        text_list = f.readlines()
      #检查特征文件与标签文件语音个数是否相等
      if (len(scp_list) != len(text_list)):
        print("error, wav file and text lines num not equal")
        return
      print("Converting data into %s ..." % tfrecord_file)
      #创建写文件句柄
      writer = tf.python_io.TFRecordWriter(tfrecord_file)
      #tqdm显示处理进度条
      for i in tqdm(range(len(scp_list))):
        scp_line = scp_list[i].split()
        text_line = text_list[i].split()
        #检查特征ID和标签ID是否相同
        if (scp_line[0] != text_line[0]):
          print("scp and label not equal")
          break
        #读取特征及特征帧数
        feature, seq_len = get_features(scp_line[1])
        #读取标签
        label = get_label(text_line[1:])
        #标签长度为0时略过此条音频
        if (len(label)==0):
          null_label+=1
          continue
        #TFrecord数据格式
        tf_example = tf.train.Example(
          features = tf.train.Features(
            feature={
              #序列化为字符型
              'feature': bytes_feature(feature),
              'label'  : bytes_feature(label),
              #序列化为整形
              'seq_len': int64_feature(seq_len)
            }
          )
    )
        #写入文件句柄
        writer.write(tf_example.SerializeToString())
      #关闭文件句柄
      writer.close()
    
    if __name__ == "__main__":
      #输入使用kaldi提取特征的ark文件对应的scp索引文件，每一句话对应的标签文件，输出为tfrecord文件
      if (len(sys.argv) != 4):
        print (sys.argv[0], ":please input scp file, label file and output file")
        exit(0)
      else:
        #导入tensorflow
        import tensorflow as tf
        #输入
        scpfile=sys.argv[1]
        textfile=sys.argv[2]
        #输出
        outputfile=sys.argv[3]
        #根据特征文件和标签文件生成tfrecord文件
        create_tfrecord(scpfile, textfile, outputfile)
        #统计输出空标签的文件个数
    print("null label ", null_label)

**四、总结**

以上就是tensorflow的数据准备过程，多卡并行的时候数据读取还是比较慢，如何快速有效读写文件也是需要解决的一个问题。