ICLR 2025｜小米新一代Kaldi语音识别算法CR-CTC，纯CTC性能实现SOTA

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新一代 Kaldi 团队是由 Kaldi 之父、IEEE fellow、小米集团首席语音科学家 Daniel Povey 领衔的团队，专注于开源语音基础引擎研发，从神经网络声学编码器、损失函数、优化器和解码器等各方面重构语音技术链路，旨在提高智能语音任务的准确率和效率。

目前，新一代 Kaldi 项目（https://github.com/k2-fsa）主要由四个子项目构成：核心算法库 k2、通用语音数据处理工具包 Lhotse、解决方案集合 Icefall 以及服务端引擎 Sherpa，方便开发者轻松训练、部署自己的智能语音模型。

近日，小米集团新一代 Kaldi 团队关于语音识别算法的论文《CR-CTC: Consistency regularization on CTC for improved speech recognition》被 ICLR 2025 接收。

论文链接：https://arxiv.org/pdf/2410.05101
论文代码：https://github.com/k2-fsa/icefall/pull/1766（已 merge 进 icefall 框架）

摘要

主流的自动语音识别（ASR）模型包括 CTC [1]、transducer [2] 和混合系统 CTC/AED [3]。CTC 是其中最简单、最便于部署的方法，但由于它的性能通常明显落后于 Transducer 和 CTC/AED，这限制了它的实际应用。

为此，新一代 Kaldi 团队提出了 Consistency-Regularized CTC (CR-CTC)，可以让纯 CTC 模型的识别性能比肩 Transducer 和 CTC/AED。CR-CTC 在多个主流的 ASR 数据集，包括 LibriSpeech、Aishell-1、GigaSpeech 等数据集上，取得新的 SOTA 结果（不依赖外部训练数据和外部语言模型）。

例如，在 LibriSpeech 数据集上训练 Zipformer-L，标准 CTC 的 WER 为 2.5/5.72，CTC/AED 的 WER 为 2.09/4.59, Pruned Transducer 的 WER 为 2.00/4.38；CR-CTC 的 WER 为 2.02/4.35；CTC/AED 和 Pruned Transducer 挂上 CR-CTC 联合训练后，WER 可分别进一步降低到 1.96/4.08 和 1.88/3.95。

方法实现

如 Figure 1 所示，CR-CTC 方法非常简单，先从同一个输入 Mel-spectrogram x 得到两个不同的 augmented views

和

，分别输入参数共享的 encoder 模型 f，得到对应的两个 CTC 概率分布

和

，除了计算两个 CTC loss

和

，还引入 consistency regularization loss 来约束两个分布的一致性：

。系统总体 loss 为：

其中 α 为控制正则的超参数，默认设置为 0.2。

Different augmented views

我们对同一个输入 x 的两个 copy 独立地使用 SpecAugment [4] 来获得不同的 augmented views

和

。SpecAugment 包含 time warping、frequency masking 和 time masking。由于 time warping 会显著改变输出的时间戳，因此我们在创建 copy 前先应用 time warping，防止两个分支的输出分布在时间戳上严重不匹配。接着，分别对两个 copy 独立应用 frequency masking 和 time masking，得到了

和

。相较于普通的 ASR 系统，我们特意使用了更大程度的 time masking。

Consistency regularization loss

我们在CTC 分布的每一帧上应用 consistency regularization，通过最小化每一对分布

和

之间的双向 KL 散度：

和

。此处，sg 表示 stop-gradient，防止这一项的梯度影响目标分布。Consistency regularization loss 公式为：

方法解释

论文从三个不同的角度来解释 CR-CTC 的本质行为：1）self-distillation；2）masked prediction；3）peak suppression。

Self-distillation

当我们在训练中使用 dropout [5] 和 stochastic depth [6] 等模型正则技术，可以看作我们正在隐式地训练随机采样的不同 sub-model，这些 sub-model 最终被集成为一个 ensemble 用于推理。与 R-Drop [7] 和 cosub [8] 类似，CR-CTC 在进行对不同 sub-model 之间的 self-distillation，监督信号为对方提供的帧级别的 token 分布。另外，CR-CTC 使用了不同的 augmented views（以及更大程度的 time-masking），让这些 sub-model 接触输入数据的不同角度的信息，加强他们预测的多样性，这样有利于更丰富、更完备的知识蒸馏。

Masked prediction

在 CR-CTC 中，那些覆盖在 time masking 区域的帧，被要求着基于其他没有被 masked 的区域，去预测对方提供的 token 分布。这个过程类似于 masked-based 自监督模型 [9,10,11]，鼓励模型去学习非 mask 部分的上下文表征信息，并发掘模型隐式的语言建模能力。我们在 CR-CTC 中使用不同的 augmented views，减少两边同时被覆盖在 time masking 区域的帧的出现，提高这些被 masked 位置所接收的 token 分布的质量。另外，使用更大程度的 time masking 可以加强 masked prediction 行为，进而增强模型对上下文表征信息的学习。

Peak suppression

众所周知，CTC 通常会学习到非常尖的概率分布。如 Figure 2 (left) 所示，non-blank token 只占 1 帧，其他的都是 blank，它们的概率都非常高。这种现象表明模型有可能已经过拟合了，泛化能力不强。CR-CTC 的 consistency regularization 引导着模型学习两边分布的平均，这使得模型学习到的 CTC 分布会更加平滑。这个 peak suppression 行为减少了在训练数据上的过度置信，从而增强模型的泛化能力。如 Figure 2 (right) 所示，CR-CTC 学习到的分布更加平滑，概率更低，伴随着更多 non-blank 的 repeat 出现。

实验结果

论文主要使用 Zipformer [12] 作为 speech encoder 进行实验验证。由于 CR-CTC 训练时需要进行两次 forward，我们对 CR-CTC 模型的 batch size 和 epoch 数都设置为标准 CTC 模型的一半，来确保两者训练代价可比较。具体使用的 GPU 数量和 epoch 数在论文附录中。

与 SOTA 模型相比较

Table 1、2、3 分别展示了不同模型在 LibriSpeech、Aishell-1、GigaSpeech 三个数据集上的表现（不依赖外部训练数据和外部语言模型）。总的来说，CR-CTC 的性能显著超越标准 CTC，和 CTC/AED 与 Transducer 模型效果相当。另外，挂上 CR-CTC 联合训练，可以进一步提升 CTC/AED 和 Transducer 的性能。在这三个数据集上，我们取得了新的 SOTA 结果。

消融实验

Table 4、5、6 分别展示了 CR-CTC 关于不同解释角度 self-distillation、masked prediction、peak suppression 的消融实验结果，具体说明可参考论文。

与挂一个 auxiliary head 联合训练相比较

想要提升 CTC 系统的性能，一个最直接的方法便是挂一个 AED head 或者一个 Transducer head 联合训练。如 Table 7 所示，CR-CTC 的性能明显超过这两个方法，参数还更少。

在 Conformer 模型上验证

如 Table 17 所示，使用 Conformer [13] 作为 speech encoder 时，CR-CTC 同样可以显著提升 CTC 的性能，并且略微超过 CTC/AED 和 Transducer。

^参考

^{[1] Graves, A., Fernández, S., Gomez, F., & Schmidhuber, J. (2006, June). Connectionist temporal classification: labelling unsegmented sequence data with recurrent neural networks. In Proceedings of the 23rd international conference on Machine learning (pp. 369-376).}

^{[2] Graves, A. (2012). Sequence transduction with recurrent neural networks. arXiv preprint arXiv:1211.3711.}

^{[3] Watanabe, S., Hori, T., Kim, S., Hershey, J. R., & Hayashi, T. (2017). Hybrid CTC/attention architecture for end-to-end speech recognition. IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, 11 (8), 1240-1253.}

^{[4] Park, D. S., Chan, W., Zhang, Y., Chiu, C. C., Zoph, B., Cubuk, E. D., & Le, Q. V. (2019). Specaugment: A simple data augmentation method for automatic speech recognition. arXiv preprint arXiv:1904.08779.}

^{[5] Srivastava, N., Hinton, G., Krizhevsky, A., Sutskever, I., & Salakhutdinov, R. (2014). Dropout: a simple way to prevent neural networks from overfitting. The journal of machine learning research, 15 (1), 1929-1958.}

^{[6] Huang, G., Sun, Y., Liu, Z., Sedra, D., & Weinberger, K. Q. (2016). Deep networks with stochastic depth. In Computer Vision–ECCV 2016: 14th European Conference, Amsterdam, The Netherlands, October 11–14, 2016, Proceedings, Part IV 14 (pp. 646-661). Springer International Publishing.}

^{[7] Wu, L., Li, J., Wang, Y., Meng, Q., Qin, T., Chen, W., … & Liu, T. Y. (2021). R-drop: Regularized dropout for neural networks. Advances in Neural Information Processing Systems, 34, 10890-10905.}

^{[8] Touvron, H., Cord, M., Oquab, M., Bojanowski, P., Verbeek, J., & Jégou, H. (2023). Co-training 2L submodels for visual recognition. In Proceedings of the IEEE/CVF Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (pp. 11701-11710).}

^{[9] Devlin, J. (2018). Bert: Pre-training of deep bidirectional transformers for language understanding. arXiv preprint arXiv:1810.04805.}

^{[10] Baevski, A., Zhou, Y., Mohamed, A., & Auli, M. (2020). wav2vec 2.0: A framework for self-supervised learning of speech representations. Advances in neural information processing systems, 33, 12449-12460.}

^{[11] Hsu, W. N., Bolte, B., Tsai, Y. H. H., Lakhotia, K., Salakhutdinov, R., & Mohamed, A. (2021). Hubert: Self-supervised speech representation learning by masked prediction of hidden units. IEEE/ACM transactions on audio, speech, and language processing, 29, 3451-3460.}

^{[12] Yao, Z., Guo, L., Yang, X., Kang, W., Kuang, F., Yang, Y., … & Povey, D. (2023, October). Zipformer: A faster and better encoder for automatic speech recognition. In The Twelfth International Conference on Learning Representations.}

^{[13] Gulati, A., Qin, J., Chiu, C. C., Parmar, N., Zhang, Y., Yu, J., … & Pang, R. (2020). Conformer: Convolution-augmented transformer for speech recognition. arXiv preprint arXiv:2005.08100.}

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