Streaming Neural Speech Translation

Abstract

[ES] Gracias a avances significativos en aprendizaje profundo, la traducción del habla (ST) se ha convertido en un campo consolidado, lo que permite la utilización de la tecnología ST en soluciones para entornos de producción. Como consecuencia del aumento constante del número de horas de contenido audiovisual generado cada año, así como una mayor sensibilización sobre la importancia de la accesibilidad, la ST está preparada para convertirse en un elemento clave para la producción de contenidos audiovisuales, tanto de ocio como educativos.

A pesar de que se ha progresado significativamente en ST, la mayor parte de la investigación se ha centrado en el escenario en diferido (offline), en el cual todo el audio de entrada está disponible. En cambio, la ST en directo (online) es una temática en la que falta mucho por investigar. En concreto, existe un caso de traducción en directo, la traducción continua (streaming), que traduce un flujo continuo de palabras en tiempo real y bajo unas estrictas condiciones de latencia. Este es un problema mucho más realista, que es necesario resolver para que sea posible aplicar la ST a una variedad de tareas de la vida real.

Esta tesis está centrada en investigar y desarrollar las técnicas claves que son necesarias para una solución de ST continua. En primer lugar, de cara a permitir el desarrollo y la evaluación de sistemas de ST, se ha recopilado un nuevo conjunto de datos para ST multilingüe, que expande significativamente el número de horas disponibles para ST. A continuación se ha desarrollado un segmentador preparado para la condición continua, que se utiliza para segmentar las transcripciones intermedias de nuestra solución por etapas, que consiste en un sistema de reconocimiento automático del habla (ASR), seguido de un sistema de traducción automática (MT) encargado de traducir las transcripciones intermedias al idioma de destino elegido. Diversas investigaciones han concluido que la calidad de la segmentación es un factor muy influyente es la calidad del sistema MT, por lo que el desarrollo de un segmentador efectivo es un paso fundamental en el proceso de ST continua. Este segmentador se ha integrado en la solución por etapas, y estas se optimizan de manera conjunta para alcanzar el equilibrio óptimo entre calidad y latencia.

La ST continua tiene unas restricciones de latencia mucho más estrictas que la ST en directo, ya que el nivel deseado de latencia tiene que mantenerse durante todo el proceso de traducción. Por tanto, es crucial ser capaz de medir de manera precisa esta latencia, pero las métricas estándar de ST en directo no se adaptan bien a esta tarea. Como consecuencia de esto, se proponen nuevos métodos para la evaluación de ST continua, que garantizan unos resultados precisos a la vez que interpretables.

Por último, se presenta un nuevo método para mejorar la calidad de la traducción continua mediante el uso de información contextual. Mientras que los sistemas tradicionales de ST en directo traducen audios de manera aislada, existe abundante información contextual que está disponible para mejorar los sistemas de ST continua. Nuestra propuesta introduce el concepto de historia continua, que consiste en el almacenamiento de la información más reciente del proceso de traducción, que se utiliza más adelante por el modelo para mejorar la calidad de la traducción.

[CA] Gràcies a avanços significatius en aprenentatge profund, la traducció de la parla (ST) s'ha convertit en un camp consolidat, la qual cosa permet la utilització de la tecnologia ST en solucions per a entorns de producció. A conseqüència de l'augment constant del nombre d'hores de contingut audiovisual generat cada any, així com una major sensibilització sobre la importància de l'accessibilitat, la ST està preparada per a convertir-se en un element clau per a la producció de continguts audiovisuals, tant d'oci com educatius.

A pesar que s'ha progressat significativament en ST, la major part de la recerca s'ha centrat en l'escenari en diferit, en el qual tot l'àudio d'entrada està disponible. En canvi, la ST en directe és una temàtica en la qual falta molt per investigar. En concret, existeix un cas de traducció en directe, la traducció contínua, que tradueix un flux continu de paraules en temps real i sota unes estrictes condicions de latència. Aquest és un problema molt més realista, que és necessari resoldre perquè sigui possible aplicar la ST a una varietat de tasques de la vida real.

Aquesta tesi està centrada en investigar i desenvolupar les tècniques claus que són necessàries per a una solució de ST contínua. En primer lloc, de cara a permetre el desenvolupament i l'avaluació de sistemes de ST, s'ha recopilat un nou conjunt de dades per a ST multilingüe, que expandeix significativament la quantitat de dades disponibles per a ST. A continuació s'ha desenvolupat un segmentador preparat per a la condició contínua, que s'utilitza per a segmentar les transcripcions intermèdies de la nostra solució per etapes, que consisteix en un sistema de reconeixement automàtic de la parla (ASR), seguit d'un sistema de traducció automàtica (MT) encarregat de traduir les transcripcions intermèdies a l'idioma de destí triat. Diveros treballs de recerca han conclòs que la qualitat de la segmentació és un factor molt important en la qualitat del sistema MT, per la qual cosa el desenvolupament d'un segmentador efectiu és un pas fonamental en el procés de ST contínua. Aquest segmentador s'ha integrat en la solució per etapes, i aquestes s'optimitzen de manera conjunta per a aconseguir l'equilibri òptim entre qualitat i latència.

La ST contínua té unes restriccions de latència molt més estrictes que la ST en directe, ja que el nivell desitjat de latència ha de mantindre's durant tot el procés de traducció. Per tant, és crucial ser capaç de mesurar de manera precisa aquesta latència, però les mètriques estàndard de ST en directe no s'adapten bé a aquesta tasca. A conseqüència d'això, es proposen nous mètodes per a l'avaluació de ST contínua, que garanteixen uns resultats precisos alhora que interpretables.

Finalment, es presenta un nou mètode per a millorar la qualitat de la traducció contínua mitjançant l'ús d'informació contextual. Mentre que els sistemes tradicionals de ST en directe tradueixen àudios de manera aïllada, existeix abundant informació contextual que està disponible per a millorar els sistemes de ST contínua. La nostra proposta introdueix el concepte d'història contínua, que consisteix en l'emmagatzematge de la informació més recent del procés de traducció, que s'utilitza més endavant pel model per a millorar la qualitat de la traducció.

[EN] Thanks to significant advances in Deep Learning, Speech Translation (ST) has become a mature field that enables the use of ST technology in production-ready solutions. Due to the ever-increasing hours of audio-visual content produced each year, as well as higher awareness of the importance of media accessibility, ST is poised to become a key element for the production of entertainment and educational media.

Although significant advances have been made in ST, most research has focused on the offline scenario, where the entire input audio is available. In contrast, online ST remains an under-researched topic. A special case of online ST, streaming ST, translates an unbounded input stream in a real-time fashion under strict latency constraints. This is a much more realistic problem that needs to be solved in order to apply ST to a variety of real-life tasks.

The focus of this thesis is on researching and developing key techniques necessary for a successful streaming ST solution. First, in order to enable ST system development and evaluation, a new multilingual ST dataset is collected, which significantly expands the amount of hours available for ST. Then, a streaming-ready segmenter component is developed to segment the intermediate transcriptions of our proposed cascade solution, which consists in an Automatic Speech Recognition (ASR) system that transcribes the audio, followed by a Machine Translation (MT) system that translates the intermediate transcriptions into the desired language. Research has shown that segmentation quality plays a significant role in downstream MT performance, so the development of an effective streaming segmenter is a critical step in the streaming ST process. This segmenter is then integrated and the components of the cascade are jointly optimized to achieve an appropriate quality-latency trade-off.

Streaming ST has much more strict latency constraints than standard online ST, as the desired latency level must be maintained during the whole translation process. Therefore, it is crucial to be able to accurately measure this latency, but the standard online ST metrics are not well suited for this task. As a consequence, new evaluation methods are proposed for streaming ST evaluation, which ensure realistic, yet interpretable results.

Lastly, a novel method is presented for improving translation quality through the use of contextual information. Whereas standard online ST systems translate audios in isolation, there is a wealth of contextual information available for improving streaming ST systems. Our approach introduces the concept of streaming history by storing the most recent information of the translation process, which is then used by the model in order to improve translation quality.