自动语音识别:
工作原理与 1952 年以来的语音识别发展史

ASR 把口语转换成书面文字。本文为您讲清它是什么、现代引擎如何运作、准确率怎样衡量,并梳理语音识别发展史:从 1952 年贝尔实验室只认得十个数字的 Audrey,到如今支持 54+ 种语言。

什么是 ASR?

自动语音识别(ASR)是把口语转换成书面文字的技术。 ASR 系统接收音频信号,分析其中的声音,再推断出最有可能的词序列。转录软件、语音助手、实时字幕、听写工具和语音搜索背后都是它。

ASR 是 automatic speech recognition 的缩写,也有厂商写作 automated speech recognition,两者指的是同一回事。想用两分钟快速了解,请阅读我们的ASR 概览。本文则会讲得更深,从引擎本身一直讲到背后 70 年的研究。

这个词常和另外三个概念混在一起,而它们各自回答的是不同的问题:

  • ASR(自动语音识别) 把语音音频转换成文字,回答“说了什么?”
  • 语音转文字 是同一项技术的产品化叫法,回答的同样是“说了什么?”
  • 声纹识别(说话人识别) 辨认或验证是谁在说话,回答“是谁说的?”
  • NLP(自然语言处理) 理解文字的含义,回答“这是什么意思?”

在实际使用中,ASR 和语音转文字可以互换:ASR 是工程术语,语音转文字是产品说法。最容易混淆的是声纹识别。它认的是说话的人,就像手机只为机主解锁;ASR 则不管是谁在说,照样把话转写出来。NLP 位于下游:音频先变成文字,再由 NLP 做摘要、回答相关问题或据此执行操作。

ASR 是如何工作的?

现代 ASR 是一个把音频直接映射成文字的神经网络,但在历史上的大部分时间里,它都是由五个独立模型串成的流水线。

经典流水线的工作方式如下,后文的发展史正是一块一块把它搭起来的:

  1. 采集与预处理。 音频经过数字化和清理,再被切成很短的帧,每帧通常只有几十毫秒。
  2. 特征提取。 每一帧都被转换成一组紧凑的数值,描述它在不同频率上的能量。
  3. 声学模型。 这个模型把这些特征对应到音素,也就是一门语言最基本的发音单位,判断刚才最可能发出了哪些音。
  4. 语言模型。 这个模型知道哪些词序列更常见,所以引擎会写出“我想睡觉”而不是“我想水饺”:两者都对得上音频,只有一个说得通。
  5. 解码器。 解码器在声学模型和语言模型的联合概率中搜索,输出最有可能的那句话。

转向端到端

从 2010 年代中期开始,端到端深度学习模型(如今大多基于 Transformer 架构)用数十万小时的语音训练,直接学会从原始音频到文字的映射。不再需要手工编写的发音词典,也不再有单独的声学模型,网络把这一切一并学会。正是这一转变,让转录准确率在 2010 年代的提升超过了此前四十年的总和。

由于这些模型从海量音频中学习,它们应对口音、背景噪音和自然对话的能力远胜流水线系统,而且能在同一步里预测标点和大小写,所以现代转录稿读起来就像一份正式文档。

ASR 准确率如何衡量

业界的标准指标是词错误率(WER):把机器转录稿和一份仔细校对过的人工转录稿逐词比对,每一个替换、删除和插入的词都算一次错误。5% 的 WER 大约相当于每 20 个词错 1 个,也就是 95% 的准确率。WER 完全取决于测试音频,所以两家厂商的准确率数字很少能直接比较;我们的指南详细讲解了计算公式,还附有计算器。

语音识别一览

诞生
语音识别诞生于 1952 年:贝尔实验室的 Audrey 系统能识别单一说话人念出的 0 到 9 十个数字。
首款消费级软件
1990 年上市的 Dragon Dictate 售价约 9,000 美元,是第一款面向公众销售的语音识别产品,用户每说一个词都得停顿一下。
首次听懂 1,000 个词
1976 年,卡内基梅隆大学的 Harpy 能听懂 1,011 个词,正是 DARPA 为其五年期语音理解研究计划定下的目标。
与人类持平
2017 年,Microsoft 在 Switchboard 电话语音基准上测得 5.1% 的词错误率,与转录同一批通话的专业转录员打成平手。
开放模型
OpenAI 于 2022 年 9 月发布的 Whisper 以 680,000 小时音频训练而成,能转录近 100 种语言,模型权重公开。
今天
Sonix 创立于 2017 年,支持 54+ 种语言,准确率达 99%,一小时的录音约 5 到 6 分钟即可转录完成。

语音识别发展史始于 1952 年的贝尔实验室

第一台语音识别机 1952 年诞生于贝尔实验室,它只听得懂十个词:从零到九的数字。

Audrey:自动数字识别器

K. H. Davis、R. Biddulph 和 S. Balashek 用模拟电路搭建了 Audrey,整套设备装满了一个六英尺高的继电器机架。说话人对着电话听筒念出一个数字,机器测量元音的共振峰,听到哪个数字,旁边的指示灯就会亮起。按设计者本人的声音调校后,识别率可达 97% 到 99%;换成陌生人就基本失灵。Audrey 从未走出实验室,因为让接线员拨号更便宜,但它回答了一个根本问题:机器到底能不能听懂人说话。

IBM Shoebox 与 1960 年代

1962 年,IBM 在西雅图世界博览会上展示了 Shoebox。它能识别 16 个口述词,也就是十个数字和六个算术指令,并用它们驱动一台加法机。美国、英国、日本和苏联的实验室陆续造出了能识别元音和小词表的机器;1968 年,Taras Vintsyuk 提出了动态时间规整,让机器可以比较语速不同的语音。到 1969 年,这个领域雄心有余而理论不足,贝尔实验室的 John Pierce 甚至把它比作把水变成汽油的把戏。

DARPA 的语音理解研究计划把词汇量推过了 1,000 词

1971 至 1976 年,DARPA 资助了当时规模最大的语音识别研究,卡内基梅隆大学的 Harpy 达成了 1,000 词的目标。

五年目标

语音理解研究计划要求做出这样一套系统:能听懂多位说话人的连续语音,词汇量 1,000 词,错误率低于 10%;DARPA 出资让卡内基梅隆大学、BBN、SRI 等机构同台竞争。1976 年在卡内基梅隆大学完成的 Harpy 能听懂 1,011 个词,大致相当于三岁孩子的词汇量,也是唯一达标的系统。它的诀窍在于搜索时尽早剪掉不太可能的词序列,而不是逐一权衡所有可能,这个思路至今仍是每一个解码器的核心。

统计方法的转向

同一时期还诞生了此后 40 年间无人能敌的思路。在卡内基梅隆大学,James Baker 1975 年的博士论文描述了 DRAGON 系统,它把语音当作隐马尔可夫模型来处理,让概率而非手写规则来判断说了哪些词。在 IBM,Fred Jelinek 的团队把同样的方法做进了一套研究用听写系统,并加入 n-gram 语言模型,识别器因此可以根据前两个词猜测下一个词。与此同时,贝尔实验室从单一说话人转向多人,造出了能跨说话人工作的识别器,这正是电话应用所需要的。

1980 年代,隐马尔可夫模型让语音识别走向统计化

1980 年代用概率取代了模式匹配,词汇量在十年间从几百个词增长到 20,000 个。

隐马尔可夫模型如何“听”

隐马尔可夫模型并不试图把声音和模板逐一比对。它问的是:哪一串音素最有可能产生收到的这段音频,然后哪一串词最有可能产生这串音素。概率由录音语料训练得出,所以数据越多,识别器就越好,这一特性在互联网到来之后变得举足轻重。隐马尔可夫模型与 n-gram 语言模型结合,成为每一个研究实验室的标准架构,直到 2012 年被深度学习取代。

Tangora、Sphinx 与第一批产品

到 1980 年代中期,IBM 的 Tangora 已能识别 20,000 词的词汇量,不过它要求词与词之间停顿,还得针对每位说话人单独训练。1988 年,李开复 (Kai-Fu Lee) 在卡内基梅隆大学开发的 Sphinx 系统首次把大词汇量、连续语音和说话人无关三者集于一台识别器。James Baker 和 Janet Baker 于 1982 年创立的 Dragon Systems 开始销售面向个人电脑的识别软件。语音识别也第一次走进了消费者的生活:1987 年,Worlds of Wonder 的 Julie 玩偶能回应几句口语,电话公司也开始试用语音拨号。这些玩具很粗糙,却把“语音识别”这个说法带进了寻常人家。

1990 年代,语音识别登上个人电脑

更快的处理器让听写从实验室演示变成了盒装软件,一套共同的基准也让进展变得容易衡量。

Dragon Dictate 到 NaturallySpeaking

Dragon Dictate 于 1990 年上市,售价约 9,000 美元。它是第一款普通公众能买到的语音识别产品,但要求每说一个词就停顿一下。1997 年,Dragon NaturallySpeaking 去掉了这个停顿:它能在家用 PC 上识别连续语音,速度约为每分钟 100 词,同年 IBM 以 ViaVoice 应战。律师、医生或作家第一次可以对着电脑说话并得到可用的文字,前提是先训练它,再逐一纠错。

电话语音菜单与最早的基准

1996 年,BellSouth 推出了 VAL,一个能回答口头提问的拨入式语音门户,此后您与之周旋过的每一套自动电话系统都是它的后代。在幕后,DARPA 和美国国家标准与技术研究院每年在 Switchboard 电话语料库等共享录音上组织评测,词错误率成了每个实验室都要汇报的数字。从那时起,语音识别的历史很大程度上就是这个数字不断下降的历史。

2000 年代,语音识别搬上了云端

这十年的大部分时间里,准确率停在 80% 左右,直到 Google 把识别从设备搬到了自己的服务器上。

平台期

到 2001 年,最好的系统转录听写语音的准确率约为 80%,之后几年带来的是修修补补,而非飞跃。桌面听写始终是小众市场,电话语音菜单依旧让人恼火,研究经费也日渐减少。隐马尔可夫模型已接近天花板,而将要取代它的模型还没有等来所需的算力和数据。

Google Voice Search

Google 2007 年推出的 GOOG-411 号码查询服务收集了数百万条口语查询。2008 年 11 月,Google Voice Search 以 iPhone 应用的形式上线,语音识别的形态从此改变:手机只负责录音,识别则在 Google 的数据中心里运行,所用模型远超任何设备的容量,并以 2300 亿词的搜索查询训练而成。识别从一个程序变成了一项服务,至今仍是这个形态。

时间线

语音识别发展史, 逐年梳理

下表每一条都标注了年份。表格前后的章节会解释它们各自为何重要。

年份里程碑为何重要
1952贝尔实验室造出 Audrey第一台能识别语音的机器:单一说话人的 0 到 9
1962IBM 展示 Shoebox16 个词,在西雅图世界博览会上公开亮相
1971DARPA 启动语音理解研究计划五年资助,目标 1,000 词
1976卡内基梅隆大学的 Harpy 达标1,011 个词,剪枝搜索沿用至今
1986IBM 的 Tangora 达到 20,000 词隐马尔可夫模型和 n-gram 语言模型成为标准
1988卡内基梅隆大学的 Sphinx连续语音、说话人无关、大词汇量,三者合一
1990Dragon Dictate 上市第一款面向消费者销售的语音识别产品
1997Dragon NaturallySpeaking 与 IBM ViaVoice家用 PC 上的连续听写,约每分钟 100 词
2008Google Voice Search识别搬上云端,从每一条查询中学习
2011Apple 推出 Siri主流手机内置语音助手
2012深度神经网络取代高斯混合模型错误率一步下降最多三分之一
2016Microsoft 在 Switchboard 报告 5.9%首次在会话基准上宣称达到人类水平
2017Microsoft 5.1%、IBM 5.5%、Google 4.9%;Transformer 发表人类水平之争落幕,下一代架构登场
2020wav2vec 2.0 与 Conformer自监督学习减少了对标注数据的依赖
2022OpenAI 发布 Whisper680,000 小时训练数据,近 100 种语言,权重开放

2010 年代,深度学习让错误率下降过半

2011 至 2017 年,会话电话语音的词错误率从百分之十几降到了 5% 左右,语音助手也走进了家庭。

Siri 与语音助手

2011 年 10 月,Apple 随 iPhone 4S 推出 Siri;Amazon 于 2014 年在 Echo 上推出 Alexa,Google 则在 2016 年推出 Google Home。这些助手的意义不在识别本身(它们和 Google Voice Search 一样在云端运行),而在于培养出的习惯:数亿人开始每天和机器说话,每一句话都成了训练数据。

神经网络这一步

2012 年,来自 Microsoft、Google、IBM 和多伦多大学的研究人员(其中包括 Geoffrey Hinton)联合发表论文,证明在声学建模这一侧用深度神经网络训练,错误率比 HMM 系统沿用了 25 年的高斯混合模型最多可降低三分之一。2014 年,百度的 Deep Speech 更进一步,端到端训练单个循环神经网络,从音频直接输出字符,不需要发音词典,也不需要手工搭建的流水线。语音识别成了一个深度学习问题,GPU 和数据最多的实验室由此领先。

向人类水平冲刺

Switchboard 基准是一组电话对话录音,它成了这场比赛的记分牌。2016 年 10 月,Microsoft 报告了 5.9% 的词错误率,与其请来转录同一批通话的专业转录员持平,并称之为达到人类水平。IBM 于 2017 年 3 月以 5.5% 应战,Google 当年 5 月宣布在自家测试集上达到 4.9%;2017 年 8 月,Microsoft 在更严谨的人类基线下达到了 5.1%。下图出自 Mary Meeker 的 2017 年《互联网趋势》报告,显示 Google 的词准确率越过了 95% 大关。同年,Transformer 架构发表,不到三年就接管了语音领域。

图表:Google 的词准确率突破 95%,出自 Mary Meeker 的 2017 年《互联网趋势》报告

Whisper 与 Transformer 让转录成为标配

自监督训练加上一个开放模型,把准确的多语言转录从科技巨头的专属能力,变成了任何产品都能提供的功能。

从无标注音频中学习

2010 年代的瓶颈是标注数据:每一小时训练音频都需要人工转录稿。2020 年,Facebook AI 的 wav2vec 2.0 先从未经转录的原始音频中学习语音表征,随后只需十分钟的标注语音就能微调出一个可用的识别器。Google 同年发表的 Conformer 把卷积与 Transformer 注意力结合起来,在标准基准上刷新了纪录。两者一起让 Transformer 成为语音领域的默认架构,也大幅降低了新增一门语言的成本。

Whisper

2022 年 9 月,OpenAI 发布了 Whisper,它用从网络上收集的 680,000 小时音频训练而成,覆盖近 100 种语言,模型权重公开,任何人都能运行。它并非在每项基准上都最准确,但面对口音、背景噪音和专业词汇时的稳健程度是早先的学术模型所不及的,而且它是免费的。几个月内它就进入了成千上万的产品,转录公司要回答的问题也从“能不能识别语音”变成了“围绕转录稿能做出什么”。

自动语种识别有自己的一段历史

判断说的是哪种语言,和判断说了哪些词是两个不同的问题,它也用了整整半个世纪才得以解决。

从音素统计到 i-vector

1970 年代最早的语种识别实验靠声音的统计特征来区分语言。到 1990 年代,这演变成了音位配列法:先跑一个音素识别器,再看哪种语言的音素模式最吻合;美国国家标准与技术研究院也在 1996 年开始举办正式的语种识别评测。2010 年代,从说话人识别借来的 i-vector,即一段录音的紧凑摘要,催生了只需几秒音频就能判断语种的系统。

内置于模型之中

现代多语言识别器把这两个问题合二为一。Whisper 及其后继者把语种作为转录稿的第一个 token 来预测,语种识别因此成了识别的副产品,而不再是单独的一步。正因如此,一个产品无需为每种语言各配一台识别器就能处理 54+ 种语言,您说的是哪种语言,也不再限制您能转录什么。

ASR 的现状

在清晰、录制良好的音频上,现代 ASR 已接近完美,所以引擎之间的差距如今体现在难处理的音频上,以及拿到转录稿之后还能做什么。

主流引擎的基准分数已经趋于接近,所以评估厂商时,要问的不再是“准确率多少?”,而是它如何处理您的音频,又能用转录稿做些什么。Sonix 就是 2026 年生产级 ASR 的一个实例:

实打实的准确率

在清晰的高质量音频上,Sonix 的准确率可达 99%;借助自动转录,一小时的录音约 5 到 6 分钟即可完成。任何准确率数字(包括我们的)都取决于音频本身,所以唯一有意义的基准,是用您自己的录音试一试。

语言

Sonix 支持54+ 种语言的转录与翻译。Whisper 时代的模型让广泛的语言覆盖成了标配而非亮点,每种语言的准确率则取决于该语言有多少训练音频。

实时

实时转录可在对方还在说话时,于 2 秒内推送字幕,这正是端到端架构带来的直接红利。

谁说了什么

如今的引擎能自动区分不同说话人,这项任务称为说话人分离;我们的说话人分离指南介绍了它的原理,以及它在哪些情况下仍会出错。

转录稿之外

摘要、章节和翻译把原始文字变成可以直接使用的内容。ASR 已经成为理解流程的第一步,而不再是最终产品。在 Sonix 上,您的前 30 分钟免费,可以用自己的音频亲自体验。

ASR 的未来:难处理的音频、隐私与理解

刷榜竞赛已经结束,剩下的都是不那么光鲜的问题:难处理的音频、私有化部署,以及把文字变成理解。

棘手的场景

多人同时说话、远场麦克风、浓重口音、一句话里切换语言以及专业术语,仍会拉低每一款引擎的表现,我们的也不例外。端到端模型还带来了一种新的失误:在静音或噪音片段,它们偶尔会“幻觉”出流畅的文字,这仍是一个活跃的研究课题,尚未解决。

在设备端运行

出于隐私和速度的考虑,未来会有更多识别在手机、笔记本电脑和耳机上完成,而不是在云端。让 Whisper 级模型瘦身的那些压缩技术,正把准确的识别带到从不向外发送音频的硬件上。

从转录稿到理解

如今,大语言模型能总结会议、回答关于一场访谈的问题,还能根据一堂讲座起草后续材料,而它们之所以做得好,只是因为底下的转录稿足够准确。语音作为交互界面仍在不断发展;“语音将取代所有屏幕”的说法从 1990 年代就有人提,而我们只希望它能可靠地记下人们真正说过的话。

常见问题

ASR 与语音识别, 常见疑问解答

ASR 是什么的缩写?

ASR 是 automatic speech recognition(自动语音识别)的缩写,是把口语转换成书面文字的技术。您也会看到 automated speech recognition 的写法,两者意思相同。在转录领域,ASR、语音识别和语音转文字是通用的说法。

ASR 等同于语音转文字或声纹识别吗?

ASR 和语音转文字是一回事:ASR 是技术术语,语音转文字描述的是它的输出。声纹识别则不同。它根据声音特征辨认是谁在说话,手机只为机主解锁靠的就是它;而 ASR 不论是谁在说,都会把内容转写出来。

ASR 和 NLP 有什么区别?

ASR 把语音音频转换成文字;NLP(自然语言处理)负责理解文字的含义。两者按先后顺序工作:您向语音助手提问时,ASR 先把您的话转写出来,再由 NLP 判断意图并给出答案。在 Sonix 中,ASR 生成转录稿,基于 NLP 的功能再对其进行摘要和分析。

ASR 的准确率有多高?

在清晰的对话录音上,最好的系统已能与专业转录员比肩:2017 年,Microsoft 在 Switchboard 基准上测得 5.1% 的词错误率,此后模型还在持续进步。在音质良好的音频上,Sonix 的准确率可达 99%。背景噪音、远距离麦克风、浓重口音和多人抢话仍会推高错误率,所以请用您自己的录音实测。

语音识别是何时、在哪里发明的?

1952 年。贝尔实验室的 Audrey 系统由 K. H. Davis、R. Biddulph 和 S. Balashek 打造,能识别单一说话人念出的 0 到 9 十个数字。IBM 的 Shoebox 于 1962 年问世,能识别 16 个词;第一款能买到的产品 Dragon Dictate 则在 1990 年上市。

语音识别是谁发明的?

并非某一个人。1952 年,三位贝尔实验室工程师造出了第一台识别器 Audrey。1970 年代,James Baker 和 Fred Jelinek 用隐马尔可夫模型让识别走向统计化;1988 年,李开复 (Kai-Fu Lee) 的 Sphinx 实现了连续语音和说话人无关的识别;2012 年,Geoffrey Hinton 和合作者把深度学习引入了这一领域。

最早的语音识别软件是哪一款?

Dragon Systems 于 1990 年发布的 Dragon Dictate 售价约 $9,000,是第一款面向公众销售的语音识别软件,用户每说一个词都得停顿一下。1997 年发布的 Dragon NaturallySpeaking 则是第一款在家用电脑上广泛普及的连续语音听写软件。

ASR 能转录英语以外的语言吗?

可以。多语言训练数据让广泛的语言覆盖成了标配,现代系统能处理数十种语言。Sonix 支持 54+ 种语言的转录与翻译,包括西班牙语、法语、德语、普通话、日语和阿拉伯语。各语言的准确率不尽相同,取决于该语言有多少训练音频。

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