应用HTK搭建语音拨号系统2：创建单音素HMM模型

选自：http://maotong.blog.hexun.com/6204849_d.html

苏统华

哈尔滨工业大学人工智能研究室

2006年10月30日

该系统能够识别连续说出的数字串和若干组姓名。建模是针对子词(sub-word, eg. 音素)，具有一定的可扩充性。当加入一个新名字时，只需修改发音词典和任务语法即可。模型为连续混合高斯输出，运用语音决策树聚类形成的绑定状态式三音素。

2. 创建单音素HMM模型

涉及创建一系列单高斯单音素HMM的过程。

[step 6]一致初始法创建单音素模型

定义一个原始模型proto：

文件名：proto

~o <VecSize> 39 <MFCC_0_D_A>

~h "proto"

<NumStates> 5

<State> 2

<Mean> 39

0.0 (x39)

<Variance> 39

1.0 (x39)

<State> 3

<Mean> 39

0.0 (x39)

<Variance> 39

1.0 (x39)

<State> 4

<Mean> 39

0.0 (x39)

<Variance> 39

1.0 (x39)

<TransP> 5

0.0 1.0 0.0 0.0 0.0

0.0 0.6 0.4 0.0 0.0

0.0 0.0 0.6 0.4 0.0

0.0 0.0 0.0 0.7 0.3

0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

训练文件存于train.scp中，用全局均值和方差来初始化HMM模型的高斯参数：

HCompV -C .\config\config1 -f 0.01 -m -S train.scp -M .\hmms\hmm0 proto

注4：也可以省掉-C参数，只要train.scp里是特征文件列表，并且特征是MFCC_0_D_A

在目录hmm0下生成了更新后的proto和一个截至宏vFloors。基于.\hmms\hmm0\下的两个文件，手工制作主宏文件（Master Macro File）hmmdefs和与vFloors相关的宏macro，具体制作过程见HTK book，压缩包中有实例。

由于暂时不用sp模型，删去monophones1中的sp，构成monophones0文件，重估参数：

HERest -C .\config\config1 -I .\labels\phones0.mlf -t 250.0 150.0 1000.0 -S train.scp -H .\hmms\hmm0\macros -H .\hmms\hmm0\hmmdefs -M .\hmms\hmm1 .\lists\monophones0

同上，重复估计两次：

HERest -C .\config\config1 -I .\labels\phones0.mlf -t 250.0 150.0 1000.0 -S train.scp -H .\hmms\hmm1\macros -H .\hmms\\hmm1\hmmdefs -M .\hmms\hmm2 .\lists\monophones0

HERest -C .\config\config1 -I .\labels\phones0.mlf -t 250.0 150.0 1000.0 -S train.scp -H .\hmms\hmm2\macros -H .\hmms\hmm2\hmmdefs -M .\hmms\hmm3 .\lists\monophones0

注5：为节省空间，也因为上面三步很简单（想出错都难），hmm1和hmm2下的模型文件并没有包含在压缩包里。但hmm3下的模型文件包含在压缩包里了（因为下一步要用到）。

[step 7]修补哑音素模型

对sil模型加入回溯链，对sp绑定到sil的中间状态上。具体的，哑音素模型按下面两步执行。首先，修改hmm3\hmmdef，复制sil的中间状态为sp模型的唯一状态,另存到\hmms\hmm4目录下。然后，指明sp绑定到sil中间状态，利用HHEd加入回溯转移概率：

HHEd -H .\hmms\hmm4\macros -H .\hmms\hmm4\hmmdefs -M .\hmms\hmm5 sil.hed .\lists\monophones1

修改mkphones0.led,去掉最后一行，存为mkphones1.led，利用HLEd工具得到包含sp的音素级真值文本：

HLEd -l * -d .\dict\dict1 -i .\labels\phones1.mlf mkphones1.led .\labels\trainwords.mlf

重估两次：

HERest -C .\config\config1 -I .\labels\phones1.mlf -t 250.0 150.0 1000.0 -S train.scp -H .\hmms\hmm5\macros -H .\hmms\hmm5\hmmdefs -M .\hmms\hmm6 .\lists\monophones1

HERest -C .\config\config1 -I .\labels\phones1.mlf -t 250.0 150.0 1000.0 -S train.scp -H .\hmms\hmm6\macros -H .\hmms\hmm6\hmmdefs -M .\hmms\hmm7 .\lists\monophones1

注6：hmm5和hmm6下的模型文件并没有包含在压缩包里。为了进行下面的阶段性测试，hmm7下的模型文件包含在压缩包里了。

这么没头没尾的干下去，太枯燥了！我们先看看这时的识别率如何吧，也能增加一点成就感。执行如下命令：

HVite -H .\hmms\hmm7\macros -H .\hmms\hmm7\hmmdefs -S test.scp -l * -i .\results\recout_step7.mlf -w wdnet -p 0.0 -s 5.0 .\dict\dict1 .\lists\monophones1

HResults -I .\labels\testwords.mlf .\lists\monophones1 .\results\recout_step7.mlf

输出结果如下：

====================== HTK Results Analysis =======================

Date: Mon Oct 30 20:20:52 2006

Ref : .\labels\testwords.mlf

Rec : .\results\recout_step7.mlf

------------------------ Overall Results --------------------------

SENT: %Correct=0.00 [H=0, S=15, N=15]

WORD: %Corr=94.12, Acc=41.18 [H=64, D=0, S=4, I=36, N=68]

==============================================================

看着上面的结果，你不感到奇怪么？话语级识别正确率怎么是零！通过分析识别输出文件recout_step7.mlf，发现在每一句上都加上了SENT-START和SENT-END。这是与标注真值文本无法完全吻合的黑手呀！一个解决办法是在运行HResults时加入-e选项来忽略掉SENT-START和SENT-END，如下所示：

HResults -e ??? SENT-START -e ??? SENT-END -I .\labels\testwords.mlf .\lists\monophones1 .\results\recout_step7.mlf

这时的输出结果：

====================== HTK Results Analysis =======================

Date: Mon Oct 30 20:33:27 2006

Ref : .\labels\testwords.mlf

Rec : .\results\recout_step7.mlf

------------------------ Overall Results --------------------------

SENT: %Correct=66.67 [H=10, S=5, N=15]

WORD: %Corr=94.12, Acc=85.29 [H=64, D=0, S=4, I=6, N=68]

===============================================================

上面的方案可以解决问题，但不是很完美。应该在获得的识别结果中（recount_step7.mlf）不产生SENT-START和SENT-END才好。分析dict1字典发现，对应SENT-START和SENT-END的相关信息如下：

SENT-END sil

SENT-START sil

应该加入[]以表示他们并不输出任何东西。把dict1字典另存为dict2并替换上面两行成如下形式：

SENT-END [] sil

SENT-START [] sil

重新运行问题解决。相应的，HResults的参数可以省掉-e了：

HVite -H .\hmms\hmm7\macros -H .\hmms\hmm7\hmmdefs -S test.scp -l * -i .\results\recout_step7_2.mlf -w wdnet -p 0.0 -s 5.0 .\dict\dict2 .\lists\monophones1

HResults -I .\labels\testwords.mlf .\lists\monophones1 .\results\recout_step7_2.mlf

[step 8]重校准训练数据

确认trainwords.mlf中的路径为”*/S0???.lab”，修改dict2 加入silence sil一项，另存为dict3，执行HVite进行Viterbi校准：

HVite -l * -o SWT -b silence -C .\config\config1 -a -H .\hmms\hmm7\macros -H .\hmms\hmm7\hmmdefs -i .\labels\aligned.mlf -m -t 350.0 -y lab -I .\labels\trainwords.mlf -S train.scp .\dict\dict3 .\lists\monophones1

重估两次：

HERest -C .\config\config1 -I .\labels\aligned.mlf -t 250.0 150.0 1000.0 -S train.scp -H .\hmms\hmm7\macros -H .\hmms\hmm7\hmmdefs -M .\hmms\hmm8 .\lists\monophones1

HERest -C .\config\config1 -I .\labels\aligned.mlf -t 250.0 150.0 1000.0 -S train.scp -H .\hmms\hmm8\macros -H .\hmms\hmm8\hmmdefs -M .\hmms\hmm9 .\lists\monophones1

我们再来看看这时的识别率怎么样。

HVite -H .\hmms\hmm9\macros -H .\hmms\hmm9\hmmdefs -S test.scp -l * -i .\results\recout_step8.mlf -w wdnet -p 0.0 -s 5.0 .\dict\dict2 .\lists\monophones1

HResults -I .\labels\testwords.mlf .\lists\monophones1 .\results\recout_step8.mlf

这时的输出结果：

====================== HTK Results Analysis =======================

Date: Mon Oct 30 21:06:51 2006

Ref : .\labels\testwords.mlf

Rec : .\results\recout_step8.mlf

------------------------ Overall Results --------------------------

SENT: %Correct=73.33 [H=11, S=4, N=15]

WORD: %Corr=97.06, Acc=88.24 [H=66, D=0, S=2, I=6, N=68]

===============================================================

可以看出，识别结果比校准前有不小的提高。我们继续重估两次测试一下结果，看看会出现什么情况：

HERest -C .\config\config1 -I .\labels\aligned.mlf -t 250.0 150.0 1000.0 -S train.scp -H .\hmms\hmm9\macros -H .\hmms\hmm9\hmmdefs -M .\hmms\hmm9_1 .\lists\monophones1

HERest -C .\config\config1 -I .\labels\aligned.mlf -t 250.0 150.0 1000.0 -S train.scp -H .\hmms\hmm9_1\macros -H .\hmms\hmm9_1\hmmdefs -M .\hmms\hmm9_2 .\lists\monophones1

HVite -H .\hmms\hmm9\macros -H .\hmms\hmm9\hmmdefs -S test.scp -l * -i .\results\recout_step8_2.mlf -w wdnet -p 0.0 -s 5.0 .\dict\dict2 .\lists\monophones1

HResults -I .\labels\testwords.mlf .\lists\monophones1 .\results\recout_step8_2.mlf

识别结果如下：

====================== HTK Results Analysis =======================

Date: Mon Oct 30 21:18:34 2006

Ref : .\labels\testwords.mlf

Rec : .\results\recout_step8_2.mlf

------------------------ Overall Results --------------------------

SENT: %Correct=73.33 [H=11, S=4, N=15]

WORD: %Corr=97.06, Acc=88.24 [H=66, D=0, S=2, I=6, N=68]

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发现识别结果提高有限!下面通过绑定状态的三音素模型来进一步提高识别效果。

注7：hmm8和hmm9_1下的模型文件并没有包含在压缩包里。