Thema: Finite State Transducer (FST)

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1 Thema: Finite State Transducer (FST)
Siamak Mehraghdam

2 Überblick Einführung: TTS-System
TTS-System kann charakterisiert werden als Analyse-Prozess TTS-System ist modular aufgebaut  wir betrachten hier nur die Textanalysekomponente (TAC) TAC ist in einem einheitlichem Rahmen implementiert, der auf gewichtete endliche Automaten beruht (WFST)

3 Einschub: Was sind WFST´s ?
WFST´s sind FTS´s mit Gewichtungen an den Pfaden Durch die Gewichtungen lassen sich linguistische Alternationen beschreiben und vorhersagen Gewichte werden aufgrund linguistischer Kenntnisse oder auch Intuition zugewiesen

4 Aufbau der linguistischen Textanalyekomponente
Eingabetext wird in einem finite-state-akzeptor konvertiert Dann mit Hilfe von FST´s kompiliert  liefert alle möglichen legalen lexikalischen und morphologischen Analysen Disambiguierung der Alternativen erfolgt durch eine andere Komponente

5 Aufbau der linguistischen Textanalyekomponente (2)
Diese Komponente filtert die wahrscheinlichste Analyse unter Berücksichtigung des wortübergreifenden Kontextes heraus Die beste Analyse wird dann mit phonolgischer Komponente kombiniert

6 Finite-state-transducer (FST) Einführung:
Wie kommen wir auf FST´s ??? Stellen eine Annahme auf: Der einzige Weg um mit Morphemen Wörter zu bilden ist die Konkenation  naheliegendste Annahme: Vorangehendes Morphem entscheidet über nachfolgendes Morphem

7 Finite-state-transducer (FST) Einführung: (2)
Beispiel: Betrachtung des Wortes „hospitalization“ Morphologische Struktur: Hospital + ize + ation Da Hospital = Substantiv  „ize“ darf folgen  wir haben ein Verb „ation“ macht aus einem Verb ein Substantiv ize + ation ist erlaubt  hospital ize ation ist erlaubt

8 Finite-state-transducer (FST) Einführung: (3)
Realisierung mit Hilfe eine finite-state-machines Definition des FSM: Maschine M mit Sprache L M = ( Q, ,q1 , F) mit: Q = Anzahl der Zustände = endliches Alphabet der Morphem der Sprache L = Funktion Q x  Q: qi Q v L : qj Q mit (qi , ) = qj F = Menge der Endzustände q1 ist der Startwert

9 Finite-state-transducer (FST) Einführung: (4)
Noun i -al -ize -ation 1 2 3 Adj i Dieses Bsp. ist ein winziges Fragment aus der Morphembildung des Englischen

10 Finite-state-transducer (FST)
FST´s werden in Textanalyse jeglicher Art verwendet Unterschied FSM und FST: FSM akzeptiert Sprache aus einem endlichem Alphabet einzelner Symbole ( z.B. A={a, b, c}) FST akzeptiert hingegen Sprachen mit paarweisen Symbolen ( z.B. A= {a:a , b:b , c:c , a:Ø , Ø:c} )

11 Finite-state-transducer (FST) (2)
Alphabet wird getrennt auf 2 „Bänder“ Linkes Symbol = 1.Band = oberes Band = „lexikal tape“ Rechtes Symbol = 2.Band = unteres Band = „surface tape“ z.B. bei (a:a) muss ein a vom 1.Band einem a vom 2.Band entsprechen Um alles besser zu verstehen betrachten wir ein Beispiel

12 FST Beispiel 1: Alphabet A={a:Ø , a:a , b:b}
Regulärer Ausdruck: a:a* a:Ø b:b* R erlaubt z.B. : <aaabbb , aabbb> , <a , Ø> , <abb , bb> R verwirft z.B. : <aaabbb , aaabbb> , <a , a> , <bbb , bbb>

13 FST Beispiel 1: (2) a : a b : b a : Ø 1 2 Darstellung von FST´s oder FSM´s auch mit Hilfe von „state transition“ Tabellen möglich: a b State: Ø 1: 1 2 2:

14 FST Beispiel 2: Beispiel einer phonologischen Regel aus dem Sanskrit
Dentales /n/ wird in ein retroflexes /ņ/ umgewandelt wenn: Irgendwo im Wort vorher ein retroflexer Konsonant /ş, r/ existiert. uşnataraanaam  uşņataraaņaam

15 FST Beispiel 2: (2) Ohne FST´s müsste die Regel sukzessive von links nach rechts angewendet werden Aber ein FST einmal angewendet auf dem ganzen String löst das Problem Der reguläre Ausdruck zu dieser Regel lautet: ( =:=* R:= [-cor]:=* -[+son]:= =:=*)*

16 FST Beispiel 2: (3) R bezeichnet die retroflexen Konsonanten /ş, r/
( =:=* R:= [-cor]:=* -[+son]:= =:=*)* R bezeichnet die retroflexen Konsonanten /ş, r/ = bedeutet „irgendetwas“ Die state transition Tabelle sieht wie folgt aus: ş r t n [+son] = State: ņ 1: 2 1 2: 3 3:

17 FST Beispiel 2: (4) n:n n:ņ r:= ş:= t:= ş:= n:n =:= t:= [+son]:= n:n
n:n n:ņ r:= ş:= t:= ş:= n:n =:= t:= [+son]:= n:n =:= [+son]:= r:= ş:= 1 2 t:= =:= [+son]:= r:= n:ņ 3 n:ņ

18 Mehrere FST´s Bis jetzt: Implementation einer einzigen phonologischen Regel mit FST Um weitere phonologische Regel zu implementieren muss man die FST´s hintereinanderschalten Stellen wir uns vor: Sanskrit hat die Regel:

19 Mehrere FST´s (2) Stellen wir uns vor: Sanskrit hat die Regel:
Intervocalisches /r/ muss in ein nonretroflexes /l/ umgewandelt werden Jetzt bauen wir ein FST, der dies erfüllt r V = State: l 1: 2 1 2: 3 3:

20 Mehrere FST´s (3) Nun kann man auf dem 1.Band des 1.FST „uşnataraanaam“ laufen lassen Auf dem 2.Band des 1.FST erhält man dann „uşņataraaņaam” Den String vom 2.Band des 1.FST lässt man jetzt auf dem 1.Band des 2.FST laufen Und auf dem 2.Band des 2.FST hat man jetzt „uşņatalaaņaam”

21 Mehrere FST´s (4) Allgemein: n Regel mit n FST´s + (n+1) Bänder implemetierbar wobei: n-1 Bänder sind Zwischenbänder Bei n FST´s können die n-1 Zwischenbänder exponentiell steigen !!!

22 Parallele FST´s Aus diesem Grund ist es besser die FST´s parallel laufen zu lassen. d.h. Jedes FST sieht die gleichen 2 Bänder Die Ergebnisse müssen dann mit einem entsprechendem Algorithmus durch Alignment zusammengeführt werden

23 Namensanalyse in TTS-Systemen
Die korrekte Aussprache von Namen ist eine der größten Herausforderungen für ein TTS-System. Einige Probleme der Namensanalyse: Namen können sehr viele verschiedene etymologische Ursprünge haben Namen können ohne Anpassung an das neue phonologische System in eine Sprache einfliesen Es gibt eine sehr grosse Anzahl verschiedener Namen

24 Namensanalyse in TTS-Systemen (2)
Strassennamen aus zusammengesetzte Wörter (Rheinstraße, Kennedyallee) Viele Namensaussprechungen wiedersprechen den jeweiligen phonologischen Mustern Fazit: Die große Anzahl an Namen mit einer eingeschränkten morphologischen Struktur sind ein grosses Problem

25 Namensanalyse in TTS-Systemen (3)
Einige weitere Probleme: z.B Graphem <e> wird normalerweise auch [e:] ausgesrochen  Melanie, Stefan <chem>  Chemie , Chemnitz Korrekte Analyse von unbekannten orthographischen Strings muss durchgeführt werden

26 Namensanalyse in TTS-Systemen (4)
Motivation für Bern Möbius: Entwicklung einer Namensanalyse und Aussprachekomponente für GerTTS mit Hilfe von WFST´s FST´s erlauben dynamische Kombination und Rekombination von lexikalischen und Morphologischen Substrings

27 Namensanalyse in TTS-Systemen (5)
Trainingsmaterial D-Info 1995 Städtenamen: 3837 Städtenamen ( 15% aller Städte) Graphemstrings mit 3-7 Grapheme wurden aus den Städtenamen entnommen 295 nützliche Graphemstrings (bilden 2969 Städtenamen)

28 Namensanalyse in TTS-Systemen (6)
Vornamen und Strassennamen wurden den 4 Städten Berlin, Hamburg, Köln und München entnommen Vornamen: Alle Vornamen deren Anzahl > 100 wurden genommen 10 beliebtesten Jungen und Mädchennamen neugeborener Kinder von 95/96 754 Vornamen insgesamt

29 Namensanalyse in TTS-Systemen (7)
Strassennamen: Alle Strassennamen aus den 4 Städten Komponenten der Strassennamen wurden seperat gespeichert (Konrad-Adenauer-Platz) 3124 Strassennamenkomponenten Wir betrachten jetzt einen FST für Strassennamen

30 FST für Strassennamen Jede Strasse wird mit Hilfe von bestimmten lexikalischen Morpheme identifiziert z.B. Strasse, Weg, Platz, Gasse, Allee, ... Die vorher gesammelten Information werden in einer kombinierten Liste von 4173 Komponenten + „Identifier“ gespeichert

31 FST für Strassennamen (2)
Silbenmodell / 10 Start # / 0 Wort aus DB / 0.2 # [Streetname] / 0 Root First End [+] / 0.1 Komponentenverbindung / 0.2 [+] / 0.5 Fuge

32 FST für Strassennamen (3)
Beispiel an: „Dachsteinhohenheckenalleenplatz“ Silbenmodel / 10 d´ach / 0.2 st´ein / 0.2 h´ecke / 0.2 all´ee / 0.2 # / 0 # [Streetname] / 0 Start Root platz / 0 First End [+] / 0.1 n / 0.2 [+] / 0.5 Fuge

33 FST für Strassennamen (4)
System wurde getestet Modul in GerTTS eingefügt Ausprache des GerTTS mit Namensanalysekomponente wurde mit GerTTS ohne Namensanalysekomponente getestet Trainingsmaterial und Testmaterial

34 FST für Strassennamen (5)
Trainingsmaterial: Strassennamen wurden zufällig aus den 4 Städten entnommen Testmaterial: Strassennamen wurden aus Frankfurt und Dresden entnommen Trainingsdaten Testdaten New system correct && old system wrong 84.7 % 70 % New system wrong && old system correct 15.3 % 30 %