Grapheme-to-phoneme conversion in the era of globalization
Authors:   , Polyàkova Tatyana V. 
Published: October 2023

This thesis focuses on the phonetic transcription in the framework of text-to-speech conversion, especially on improving adaptability, reliability and multilingual support in the phonetic module. The language is constantly evolving making the adaptability one of major concerns in phonetic transcription. The phonetic transcription has been addressed from a data- based approach. On one hand, several classifiers such as Decision Trees, Finite State Transducers, Hidden Markov Models were studied and applied to the grapheme-to-phoneme conversion task. In addition, we analyzed a method of generation of pronunciation by analogy, considering different strategies. Further improvements were obtained by means of application of the transformation-based error-driven learning algorithm. The most significant improvements were obtained for classifiers with higher error rates. The experimental results show that the adaptability of phonetic module was improved, having obtained word error rates as low as 12% (for English).
Next, steps were taken towards increasing reliability of the output of the phonetic module. Although, the G2P results were quite good, in order to achieve a higher level of reliability we propose using dictionary fusion. The ways the pronunciations are represented in different lexica depend on many factors such as: expert¿s opinion, local accent specifications, phonetic alphabet chosen, assimilation level (for proper names), etc. There are often discrepancies between pronunciations of the same word found in different lexica. The fusion system is a system that learns phoneme-to-phoneme transformations and converts pronunciations from the source lexicon into pronunciations from the target lexicon.
Another important part of this thesis consisted in acing the challenge of multilingualism, a phenomenon that is becoming a usual part of our daily lives. Our goal was to obtain such pronunciations for foreign inclusions that would not be totally unfamiliar either to a native or proficient speakers of the language to be adapted, or to speakers of this language with average to low proficiency. Nativization by analogy was applied to both orthographic and phonetic forms of the word. The results obtained show that phonetic analogy gives better performance than analogy in the orthographic domain for both proper names and common nouns. Both objective and perceptual results obtained show the validity of this proposal.

Fa tan sols uns deu anys les aplicacions de sistemes TTS eren molt més limitades, encara que un passat tan recent sembla més llunyà a causa dels canvis produïts en les nostres vides per la invasió massiva de les tecnologies intel·ligents. Els processos d’automatització de serveis també han assolit nous nivells. Què és el que defineix un bon sistema TTS avui dia? El mercat exigeix que aquest sigui molt adaptable a qualsevol tipus d’àmbit. També és imprescindible un alt nivell de fiabilitat ja que un simple error d’un TTS pot causar problemes seriosos en el nostre dia a dia. La nostra agenda és cada vegada més exigent i hem de fer front a més volums d’informació en menys temps. Deleguem les nostres tasques
quotidianes als nostres dispositius intel·ligents que ens ajuden a llegir llibres, triar productes, trobar un lloc al mapa, etc. A més viatgem més i més cada dia. Aprenem a parlar noves llengües, les barregem, en un món més i més globalitzat. Un sistema TTS que no és capaç de fer front a les entrades multilingües no serà capaç de sostenir la competència. Els sistemes TTS moderns han de ser multilingües. La transcripció fonètica és el primer mòdul del TTS per la qual cosa el seu correcte funcionament és fonamental. Aquesta tesi se centra en la millora de l’adaptabilitat, fiabilitat i suport multilingüe del mòdul fonètic del nostre sistema TTS. El mòdul de transcripció fonètica del TTS va passar de ser basat en regles o
diccionaris a ser automàtic, derivat de dades. La llengua està en constant evolució, igual que tots els organismes vius. És per això que l’adaptabilitat és un dels principals problemes de la transcripció fonètica. Per millorar-la es necessita un mètode basat en dades que funcioni bé per a derivar la pronunciació de paraules no trobades al lèxic del sistema. En aquesta tesi es comparen diferents mètodes G2P impulsats per dades que utilitzen les mateixes dades d’entrenament i test i es proposen millores. S’han aplicat diversos classificadors basats en dades, com ara arbres de decisió, traductors d’estats finits i models de Markov, a la tasca de transcripció fonètica, analitzant i comparant els resultats.
L’algorisme TBL, basat en aprenentatge dels errors proporciona millores adicionals als classificadors esmentats. Aquest mètode permet capturar patrons d’errors i corregir-los. Les millores més significatives s’obtenen per classificadors amb taxes d’errors més gran. Els millors resultats s’obtenen mitjançant l’aplicació del millor classificador FST amb posterior correcció dels errors pel TBL. Els resultats obtingut per altres classificadors i corregits pel TBL mostren millores entre 2-4 punts percentuals en la taxa d’error de les paraules.
La millora que s’obté mitjançant l’aplicació del TBL per als resultats del classificador més simple basat només en correspondències lletra-fonema presents en el corpus d’entrenament, ML, és enorme (77-83 punts percentuals depenent del lèxic), el que demostra l’eficàcia del TBL per si sol. L’èxit de l’algorisme TBL demostra l’eficàcia de l’aprenentatge basat en els errors, que és bastant similar a l’aprenentatge de llengües pels humans.
Una altra tècnica que els éssers humans utilitzen de forma regular en l’aprenentatge d’idiomes és la pronunciació per analogia. Això és encara més cert per a llengües amb ortografia profunda, on la correspondència entre la forma escrita i parlada és bastant ambigua. Per millorar encara més la capacitat d’adaptació del nostre mòdul de pronunciació fonètica, es va desenvolupar un algorisme de pronunciació per analogia. Aquest algorisme troba arcs de lletres als quals correspon la mateixa pronunciació i calcula la seva freqüència.
La pronunciació d’una nova paraula es construeix amb els arcs més llargs que constitueixen el camí més curt a través del graf de totes les pronunciacions disponibles per a aquesta paraula. Es basa en paràmetres com ara la freqüència d’arc, posició en la paraula, etc. Les
pronunciacions que contenen el menor nombre d’arcs (si hi ha més d’una) es donen un rang i les estratègies de puntuació escullen la millor opció. En aquest treball s’han proposat noves estratègies de puntuació i s’han obtingut resultats prometedors. Una de les noves estratègies propostes clarament supera a les altres. Les noves estratègies propostes també apareixen a la llista de les millors combinacions d’estratègies. Els millors resultats per al PbA són entre 63 i 88 % paraules correctes segons el lèxic. S’han avaluat els G2P no solament per a l’anglès, si no també per altres idiomes europeus. També s’ha considerat el cas de la parla contínua. Per L’anglès, La adaptació de la pronunciació a la parla contínua considera les formes febles. Els resultats generals mostren que la capacitat d’adaptació del mòdul fonètic ha estat millorada. També s’ha actuat en línies que permeten augmentar la fiabilitat del mòdul fonètic.
Tot i que els resultats experimentals per al G2P són bastant bons, encara hi ha errors que poden impedir que la intel·ligibilitat de certes paraules i, per tant, reduir la qualitat de la parla en general. Es proposa aconseguir un major nivell de fiabilitat a través de fusió de diccionaris. Les pronunciació de les paraules presents en els diccionaris depèn de molts factors, per exemple: opinió experta, especificacions de l’accent local, alfabet fonètic triat, nivell d’assimilació (per a noms propis), etc. Sovint hi ha discrepàncies entre la pronunciació de la mateixa paraula en diferents lèxics. En general, aquestes discrepàncies, encara que de vegades significatives, no obstaculitzen greument la pronunciació global de la paraula ja que totes les pronunciacions lèxic han estat prèviament validades per un lingüista expert. Aquestes discrepàncies normalment es troben a la pronunciació de vocals i diftongs. La substitució de vocals per similars no es considera un error greu perquè no afecta la intel·ligibilitat i per tant la qualitat de veu. El sistema de fusió proposat es basa en el mètode P2P, que transforma les pronunciacions del lèxic d’origen a les pronunciacions
del lèxic de destí (el sistema està capacitat per aprendre aquestes transformacions). Per entrenar el classificador, es seleccionen les entrades comunes entre el lèxic font i destí.
Els experiments es duen a terme tant per paraules comuns com per a noms propis. Els experiment realitzat s’han basat en les tècniques DT i FST. Els resultats mostren que la qualitat de la parla en general es pot millorar significativament donadas les baixes taxes d’error de G2P i una àmplia cobertura del diccionari del sistema. El sistema TTS final és més adaptable i fiable, més preparat per afrontar el repte del multilingüisme, el fenomen que ja forma part habitual de les nostres vides quotidianes.
Aquesta tesi considera contextos que contenen la barreja de llengües, on la llengua pot canviar de forma inesperada. Aquestes situacions abunden en les xarxes socials, fòrums, etc. Es proposa un esquema de G2P multilingüe incloent la nativització. El primer component d’un TTS multilingüe és el mòdul d’identificació d’idioma. S’ha desenvolupat un identificador d’idioma basat en n -gramas (de lletres) obtenint bons resultats. Els contextos amb llengües mixtes han de ser tractats amb especial delicadesa. En general, cada frase o paràgraf tenen una llengua principal i les paraules estrangeres presents s’hi consideren inclusions. A l’hora de decidir com pronunciar frases en diverses llengües es poden considerar
dos escenaris: 1) aplicar, per cada llengua el diferents G2P classificadors propis de la llengua (es produiria canvis fonètics bruscs que sonarien molt poc natural); 2) aplicar el classificador G2P per a l’idioma principal de la frase suposant que aquesta pronunciació seria més acceptable que la que conté fonemes estrangers. I si cap de les propostes anteriors es acceptada? Per països com Espanya, on el domini de llengües estrangeres per la població general és bastant limitat, proposem nativitzar la pronunciació de paraules estrangeres en frases espanyoles. Quins criteris s’han d’utilitzar tenint en compte les significatives diferències en l’inventari de fonemes? El nostre objectiu és obtenir pronunciacions que
no són del tot desconegudes i que siguin acceptades tant per parlants nadius o amb alt domini de l’idioma estranger com per parlants d’aquesta llengua amb nivell mitjà o baix.
En aquest treball la nativització es porta a terme per a les inclusions angleses i catalanes en frases en castellà. Quan hi ha diferències significatives en els inventaris de fonemes entre les llengües nativització presenta reptes addicionals. Per tal de validar ràpidament la idea de nativització es van crear taules de mapeig de fonemes estrangers als nativizats, també es va dur a terme una avaluació perceptual. La nativització basada en taules mostra un major nivell d’acceptació per part del públic que la síntesi sense cap nativiztació.
Per tal de millorar encara més els resultats de nativització de forma eficaç es necessita un mètode basat en dades. Com a gran part de pronunciacions estrangeres s’aprenen per analogia, l’aplicació del PbA a aquesta tasca és idoni, sobretot perquè ja ha demostrat excel·lents resultats per a la tasca de transcripció fonètica. Per a això s’explora l’analogia tant en el domini ortogràfic com fonètic. Tots els mètodes basats en dades requereixen un corpus d’entrenament i PbA, per descomptat, no és una excepció. Ja que cap corpus de nativització adequat per a la tasca estava disponible es va prendre la decisió de crear un corpus d’entrenament i test per entrenar i validar el nostre classificador per inclusions
angleses en castellà, i un altre joc per a les catalanes. Tots els dos corpus d’entrenament contenen 1.000 paraules i són ortogràficament equilibrats. S’aplica la nativització per analogia basada en la forma ortogràfica de la paraula G2Pnat i també basada en la forma fonètica acs ppnat per tal d’nativitzar paraules comunes i noms propis en anglès i paraules comunes en català en frases en castellà. Els resultats obtinguts mostren que l’analogia fonètica dóna un millor rendiment que l’analogia en el domini ortogràfic pels noms propis i paraules comunes. No obstant això, els resultats obtinguts per als noms propis anglesos es troben uns 12 punts percentuals per sota dels obtinguts per a les paraules comunes en
anglès. Això és degut al fet que la pronunciació noms propis està influenciada per factors més complexos i fins i tot per als éssers humans presenta importants reptes. L’algorisme TBL també s’ha aplicat per millorar els resultats de nativización per inclusions angleses.
S’obtenen millores per als resultats obtinguts per P2Pnat, així com per als resultats obtinguts per les taules de nativiztació. Els bons resultats obtinguts per l’algorisme TBL aplicat a la predicció del mètode ML demostra l’eficàcia del mètode d’aprenentatge a partir d’errors, també per a aquesta tasca. A l’avaluació perceptual duta a terme per inclusions angleses en castellà, es va demanar als oients que votessin el millor dels tres mètodes disponibles: G2P (per castellà), NatTAB i P2Pnat. P2Pnat és triat com el millor en el 50 % dels casos mentre que el G2P per a espanyol obté la majoria de vots negatius (45 % dels casos). Aquests resultats perceptuals i els encoratjadors resultats objectius demostren la idoneïtat de nativització per sistemes TTS multilingües

Hace tan sólo unos diez años, las aplicaciones de sistemas TTS estaban mucho más limitadas, aunque un pasado tan reciente parece más lejano debido a los cambios producidos en nuestras vidas por la invasión masiva de las tecnologías inteligentes. Los procesos de automatización de los servicios han alcanzado a nuevos niveles. ¿Qué es lo que define un buen sistema TTS hoy en día? El mercado exige que éste sea muy adaptable a cualquier tipo de ámbito. También es imprescindible un alto nivel de fiabilidad, ya que un simple error de un TTS puede causar problemas serios en nuestro día a día. Nuestra agenda es cada vez más exigente y tenemos que hacer frente a un volumen cada vez mayor de información en menos tiempo. Delegamos nuestras tareas cotidianas a nuestros dispositivos inteligentes que nos ayudan a leer libros, elegir productos, encontrar un lugar en el mapa, etc.
Además, cada día viajamos más, aprendemos a hablar nuevas lenguas, las mezclamos, volviéndonos más y más globalizados. Un sistema TTS que no sea capaz de hacer frente a las entradas multilngües no será capaz de sostener la competencia. Los sistemas TTS modernos tienen que ser multilngües. La transcripción fonética es el primer módulo del TTS por lo cual su correcto funcionamiento es fundamental.
Esta tesis se centra en la mejora de la adaptabilidad, fiabilidad y soporte del módulo fonético de nuestro sistema TTS. El módulo de transcripción fonética del TTS pasó de ser basado en reglas o diccionarios a ser automática, basada en datos. La lengua está en constante evolución al igual que todos los organismos vivos. Es por eso que la adaptabilidad es uno de los principales problemas de la transcripción fonética. Para mejorarla se necesita un método basado en datos que funcione bien para derivar la pronunciación de palabras no encontradas en el léxico del sistema. En esta tesis se comparan diferentes métodos G2P basados en datos, utilizando los mismos datos de entrenamiento y test y se proponen mejoras. Se han estudiado clasificadores basados en datos, tales como árboles de decisión, traductores de estados finitos y modelos de Markov, aplicados a la tarea de transcripción fonética y comparando los resultados.
El algoritmo TBL, basado en aprendizaje de los errores y que permite capturar patrones de errores y corregirlos ha aportado nuevas mejoras, que han sido especialmente significativas para los clasificadores con tasa de error más alta. Los mejores resultados se obtienen mediante la aplicación del mejor clasificador FST con posterior corrección de los errores por el TBL. Los resultados obtenido por otros clasificadores y corregidos por el
TBL muestran mejoras entre 2-4 puntos porcentuales en la tasa de error de las palabras. La mejora que se obtiene mediante la aplicación del TBL para a los resultados del clasificador más simple, basado solamente en correspondencias letra-fonema presentes en el corpus de entrenamiento, ML, es enorme (77-83 puntos porcentuales dependiendo del léxico), lo que demuestra la eficacia del TBL por si solo. El éxito del algoritmo TBL demuestra la eficacia del aprendizaje basado en los errores, que es bastante similar al aprendizaje de lenguas por los humanos.
Otra técnica que los seres humanos utilizan de forma regular en el aprendizaje de idiomas es pronunciación por analogía. Esto es aún más cierto para lenguas con ortografía profunda, donde la correspondencia entre la forma escrita y hablada es bastante ambigua. Para mejorar aún más la capacidad de adaptación de nuestro módulo de pronunciación fonética, se ha estudiado un algoritmo de pronunciación por analogía. Este algoritmo encuentra arcos de letras a los que corresponde la misma pronunciación y calcula su frecuencia. La pronunciación de una nueva palabra se construye con los arcos más largos que constituyen el camino más corto a través del grafo de todas las pronunciaciones disponibles para esta
palabra. Se basa en parámetros tales como la frecuencia de arco, posición en la palabra, etc., las pronunciaciones que contienen el menor número de arcos (si hay más de una ) se dan un rango y las estrategias de puntuación escogen la mejor opción.
En esta tesis se han propuesto nuevas estrategias de puntuación, obteniéndose resultados prometedores. Una de las nuevas estrategias propuestas claramente supera a los demás. Además, las estrategias propuestas también aparecen seleccionadas al observar las mejores
combinaciones de estrategias. Los mejores resultados para PbA son entre 63 y 88% palabras correctas según el léxico. Se obtienen resultados G2P no solamente para el inglés, sino también para otros idiomas europeos. También se ha considerado el caso del habla continua, adaptando la pronunciación para el habla continua del inglés, utilizando las llamadas formas débiles. Los resultados generales muestran que la capacidad de adaptación del módulo fonético ha sido mejorada.
Otra línea de investigación en esta tesis se encamina a aumentar la fiabilidad del módulo fonético. Aunque, los resultados experimentales para el G2P son bastante buenos, todavía existen errores que pueden impedir que la inteligibilidad de ciertas palabras y, por lo tanto, reducir la calidad del habla en general. Para lograr un mayor nivel de fiabilidad se propone utilizar la fusión de diccionarios. Las pronunciación de las palabras presentes en los distintos diccionarios depende de muchos factores, por ejemplo: opinión experta, especificaciones del acento local, alfabeto fonético elegido, nivel de asimilación (para nombres propios), etc. A menudo hay discrepancias entre la pronunciación de la misma palabra en diferentes léxicos. Por lo general, estas discrepancias, aunque a veces significativas, no obstaculizan gravemente la pronunciación global de la palabra ya que todas las pronunciaciones léxico han sido previamente validadas por un lingüista experto. Estas discrepancias normalmente se encuentran en la pronunciación de vocales y diptongos. La sustitución de vocales por otras similares no se considera un error grave porque no afecta la inteligibilidad y por lo tanto la calidad de voz. El sistema de fusión estudiado es un sistema P2P que transforma las pronunciaciones del léxico de origen en pronunciaciones del léxico destino (el sistema está capacitado para aprender estas transformaciones). Para entrenar el clasificador,
se seleccionan las entradas comunes entre el léxico fuente y destino. Se han realizado experimentos tanto para las palabras comunes como para los nombres propios, considerando los métodos de transformación basados en DT y FST. Los resultados experimentales muestran que la calidad del habla en general se puede mejorar significativamente dadas las bajas tasas de error de G2P y la amplia cobertura del diccionario del sistema. Un sistema TTS adaptable y fiable tiene que estar preparado para afrontar el reto del multilingüísmo, fenómeno que ya forma parte habitual de nuestras vidas cotidianas.
Esta tesis también ha considerado contextos que contienen la mezcla de lenguas, en los que la lengua puede cambiar de forma inesperada. Este tipo de contextos abundan en las redes sociales, foros, etc. Se propone un esquema de G2P multilngüe incluyendo la nativización. El primer componente de un TTS multilngüe es el módulo de identificación de idioma. Se ha desarrollado un identificador de idioma basado n -gramas (de letras) que proporciona buenos resultados. Los contextos en los que intervienen varias lenguas deben ser tratados con especial delicadeza. Por lo general, cada frase o párrafo tienen una lengua principal y las palabras extranjeras presentes en ella se consideran inclusiones.
Al definir la estrategia sobre cómo pronunciar frases en varias lenguas puede partirse de dos escenarios: 1) aplicar a cada lengua un clasificador G2P distinto e independiente (que produciría cambios fonéticos bruscos que sonarían muy poco natural); 2) aplicar el clasificador G2P para el idioma principal de la frase suponiendo que esta pronunciación sería más aceptable que la que contiene fonemas extranjeros. Pero, ¿y si ninguno de los escenarios anteriores ofrece una calidad aceptable? Para países como España, donde el dominio de lenguas extranjeras por la población general es bastante limitado proponemos nativizar la pronunciación de palabras extranjeras en frases españolas. ¿Qué criterios se deben utilizar dadas las significativas diferencias en el inventario de fonemas? El objetivo ha sido obtener pronunciaciones que no son del todo desconocidas y que sean aceptadas tanto por hablantes nativos o con alto dominio del idioma extranjero como por hablantes de esa lengua con nivel medio o bajo. La nativización se lleva a cabo estudiando específicamente las inclusiones inglesas y catalanas en frases en castellano. Cuando hay diferencias significativas en los inventarios de fonemas entre las lenguas nativización presenta retos adicionales. Con el fin de validar rápidamente la idea de nativización se crearon tablas de mapeo de fonemas extranjeros a los nativizados y se llevó a cabo una evaluación perceptual. La nativización basada en tablas muestra un mayor nivel de aceptación por parte del público que la síntesis sin nativización.
A fin de mejorar aún más los resultados de nativización de forma eficaz se propone aplicar un método basado en datos. Como gran parte de pronunciaciones extranjeras se aprenden por analogía, la aplicación del PbA a esta tarea es idóneo, sobre todo porque ya ha demostrado excelentes resultados para la tarea de transcripción fonética. Para ello se explora la analogía tanto en el dominio ortográfico como fonético. Todos los métodos basados en datos requieren un corpus de entrenamiento y PbA, por supuesto, no es una excepción. Ya que ningún corpus de nativización adecuado para la tarea estaba disponible se tomó la decisión de crear un corpus de entrenamiento y test para entrenar y validar nuestro clasificador para inclusiones inglesas en castellano y otro similar para las catalanas. Ambos corpus de entrenamiento contienen 1.000 palabras y son ortográficamente equilibrados. Se aplica la nativización por analogía basada en la forma ortográfica de la palabra G2Pnat y también basada en la forma fonética P2Pnat con el fin de nativizar palabras comunes y nombres propios en inglés y palabras comunes en catalán en frases en castellano. Los resultados obtenidos muestran que la analogía fonética da un mejor rendimiento que la analogía en el dominio ortográfico para los nombres propios y palabras comunes. Sin embargo, los resultados obtenidos para los nombres propios ingleses se encuentran unos 12 puntos porcentuales por debajo de los obtenidos para las palabras comunes en inglés. Esto es debido al hecho de que la pronunciación nombres propios está influenciada por factores más complejos e incluso para los seres humanos presenta importantes retos. El algoritmo TBL también se ha aplicado para mejorar los resultados de nativización para inclusiones inglesas. Se han obtenido mejoras tanto para los resultados obtenidos por P2Pnat, como para los resultados obtenidos por las tablas de nativización. Los buenos resultados obtenidos por el algoritmo TBL aplicado a la predicción del método ML demuestra la eficacia del método de aprendizaje a partir de errores también para esta tarea. En la evaluación perceptual
llevada a cabo para ilusiones inglesas en castellano, se pidió a los oyentes que votaran el mejor de los tres métodos disponibles: G2P (para castellano), NatTAB y P2Pnat. P2Pnat es elegido como el mejor en el 50 % de los casos mientras que el G2P para español obtiene la mayoría de votos negativos (45 % de los casos). Estos resultados perceptuales así como los alentadores resultados objetivos demuestran la idoneidad de nativización para sistemas TTS multilngües.