Sprekende en luisterende computers

De kleine, teddybeerachtige wezens in de StarWars-film Return of the Jedi zijn volstrekt onverstaanbaar. Luke Skywalker roept de hulp in van de robot C-3PO. Die vertaalt feilloos het gebrabbel, een opmerkelijke demonstratie van taal- en spraaktechnologie die in de werkelijkheid nog niet is geëvenaard. Allereerst identificeert C-3PO de taal waarin Luke Skywalker hem vraagt het gebrabbel te vertalen. Dan herkent hij de woorden en begrijpt hij de inhoud van het verzoek. Vervolgens doet hij hetzelfde voor de woorden in de onbekende taal: taal identificeren, woorden herkennen en betekenis begrijpen. Dan vertaalt hij het gebrabbel in de taal van de vraagsteller en spreekt hij de vertaalde mededelingen uit.

Spraakherkenning en spraaksysnthese zijn voorbeelden van taal- en spraaktechnologie. Uiteindelijk moeten deze technieken een vloeiend gesprek tussen mens en machine mogelijk maken. Zo'n systeem noemt men een gesprokendialoogsysteem. Denk hierbij bijvoorbeeld aan Captain Kirk uit de film Star Trek, die regelmatig met zijn boordcomputer praat. Inmiddels zijn gesproken-dialoogsystemen, die aanvankelijk alleen in science-fictionfilms voorkwamen, werkelijkheid geworden.

Oplijning

De afdeling Taal en Spraak van de Katholieke Universiteit Nijmegen werkt sinds enige tijd aan de ontwikkeling van een gesprokendialoogsysteem voor het Nederlands. Het Openbaar Vervoer Informatie Systeem is de eerste concrete toepassing. Het informatiesysteem verstrekt via de telefoon automatisch het grootste gedeelte van de informatie die in het spoorboekje van de Nederlandse Spoorwegen te vinden is. Je vraagt het systeem naar vertrek- en aankomsttijden en de computer antwoordt in duidelijk Nederlands.

Om een dialoog te kunnen voeren moet de computer allereerst in staat zijn de gesproken vraag te herkennen. Uiteraard herkent de computer alleen de woorden die in zijn woordenboek staan. Het nieuwe spraakherkenningssysteem van IBM, ViaVoice, beschikt bijvoorbeeld, afhankelijk van de toepassing, over een woordenschat tot ruim 128.000 woorden. Zo'n woordenboek bevat van ieder woord twee vormen: ten eerste de orthografische vorm, oftewel het woord zoals het wordt geschreven, en ten tweede het woord zoals het wordt uitgesproken. Dit is een reeks van foneemsymbolen, en heet daarom een foneemtranscriptie. Ieder foneemsymbool staat voor een bepaalde klank.

(C) Natuur & Techniek
Figuur 1. Het proces van spraakherkenning grafisch weergegeven.
Het proces van spraakherkenning grafisch weergegeven: het woord computer'. Op de horizontale as staat steeds de tijd, verticaal van boven naar beneden allereerst het spraaksignaal, vervolgens een spectrale analyse, waarbij paars via rood en oranje tot geel een toenemende energie in het betreffende frequentiegebied aangeeft, daaronder de foneeminterpretatie en onderaan de orthografische interpretatie.

Aan de ingebruikname van een spraakherkenner gaat een trainingsfase vooraf. In de trainingsfase maakt het systeem kennis met een grote verzameling spraakfragmenten, waarbij ieder fragment vergezeld gaat van de bijbehorende tekst. Een dergelijke verzameling heet een corpus. Het systeem zoekt bij alle fragmenten uit het corpus de woorden in het woordenboek en vervangt ieder woord door zijn foneemtranscriptie. Vervolgens bepaalt het zogenaamde Viterbi-algoritme de optimale oplijning tussen het spraaksignaal en de foneemtranscriptie. Deze oplijning is in feite een segmentering, die in het spraaksignaal de grenzen van ieder van de elementen uit de foneemtranscriptie bepaalt. Bovendien berekent het Viterbi-algoritme voor de gevonden oplijning de kans dat het spraaksignaal en de foneemtranscriptie bij elkaar horen. Het algoritme kiest de oplijning met de grootste kans: de optimale oplijning. In de trainingsfase worden het Viterbi-algoritme en een trainingswoordenboek gebruikt om een trainingscorpus geheel te segmenteren. Na segmentatie kan voor iedere basiseenheid (foneem) worden opgezocht welke stukken spraaksignaal uit het trainingscorpus hierbij horen. Voor ieder foneem worden alle bijbehorende stukken spraaksignaal statistisch verwerkt en wordt een model berekend: een zogenaamd hidden Markov model. Ieder aldus berekend akoestisch model is een statistische beschrijving van alle bij dat foneem behorende stukken spraaksignaal uit het trainingscorpus.

Hypothesen

Voor succesvolle spraakherkenning zijn niet alleen akoestische modellen nodig, maar ook taalmodellen. Het huidige systeem gebruikt een unigram (de kans op ieder woord) en een bigram (de kans op een woordpaar) taalmodel. Deze taalmodellen worden getraind door in het corpus te tellen hoe vaak ieder woord respectievelijk iedere combinatie van twee woorden voorkomt. Dit aantal gedeeld door het totaal aantal woorden respectievelijk woordparen levert de kans op.

In de herkenningsfase wordt tot slot geprobeerd een onbekende uiting te herkennen. De spraakherkenner genereert alle mogelijke opeenvolgingen van woorden. Omdat van te voren niet bekend is uit hoeveel woorden een zin bestaat, is het aantal hypothesen gigantisch groot, zeker als de herkenner over een grote woordenschat beschikt. Gelukkig scoort de spraakherkenner alle hypothesen van begin af aan, dat wil zeggen dat het bepaalt hoe waarschijnlijk iedere hypothese is gegeven het binnenkomende (onbekende) signaal. Hiervoor maakt het programma weer gebruik van het Viterbi-algoritme, dat de optimale oplijning en de bijbehorende kans bepaalt. Het merendeel van de hypothesen blijkt dan al na een paar stappen zoveel minder waarschijnlijk te zijn dan de favorieten, dat ze zonder enig gevaar uit de lijst van mogelijke oplossingen kunnen worden geschrapt. Op die manier blijven geheugenbeslag en rekentijd voor het scoren van de hypothesen binnen redelijke grenzen. Dit is belangrijk omdat een spraakherkenner in de praktijk real-time moet werken. Uiteindelijk valt de keuze op de opeenvolging van woorden met de grootste kans zo heeft de computer de aangeboden zin verstaan.

Opel Astra

Zodra de vraag verstaan is van spraak is omgezet in tekst moet de computer de vraag interpreteren en er een antwoord op verzinnen. Er bestaan vele dialoogstrategieën om een computer een gesprek te laten voeren. Een tijd lang was het bijvoorbeeld mogelijk dat je in Nederland een automaat van de ANWB belde om de waarde van je auto te bepalen. Een mogelijke dialoog verloopt dan als volgt: "voor Opel toets 0, voor Peugeot toets 1...," enzovoort. Nadat je een automerk had gekozen, moest je het type en bouwjaar kiezen. Hierbij doorliep je een vast menu, met op iedere plek een beperkt aantal keuzen. In plaats van het intoetsen van nummers zou ook spraak kunnen worden gebruikt: "voor Opel zeg 0, voor Peugeot zeg 1...". Dergelijke dialoogstructuren zijn in het begin daadwerkelijk toegepast, omdat de beschikbare spraakherkenners alleen de getallen 0 tot 9 konden herkennen. Iets natuurlijker wordt het als je direct "Opel" of "Peugeot" kunt zeggen, maar nog steeds moet je dan een vast menu doorlopen.

Ofschoon je op deze manier tot de gewenste informatie kunt komen, vinden veel bellers dit een omslachtige en onnatuurlijke manier. Wat je het liefst zou willen zeggen is: "Wat is de waarde van mijn Opel Astra uit 1994?" In dat geval zul je een dialoogstrategie moeten gebruiken die gemengd-initiatiefdialoog genoemd wordt, omdat zowel het systeem als de beller het initiatief kunnen nemen. Dit is dus niet het geval bij een menugebaseerd systeem waar het systeem altijd het initiatief neemt door vragen te stellen waarop de beller alleen zeer specifieke antwoorden kan geven. Het Openbaar Vervoer Informatie Systeem voert een gemengd-initiatiefdialoog.

Krant

Zodra de computer het antwoord op de gestelde vraag heeft geformuleerd, moet het nog worden uitgeproken. Er is een aantal mogelijkheden om dit te doen. Welke mogelijkheid wordt gekozen hangt af van de hoeveelheid tekst in de applicatie. Als de hoeveelheid mededelingen in een toepassing klein is, volstaat het terugspelen van opgenomen boodschappen. Vijftien jaar geleden was de afdeling Taal en Spraak van de Katholieke Universiteit Nijmegen betrokken bij de ontwikkeling van een sprekende lift, die (met name voor visueel gehandicapten) belangrijke informatie uitspreekt, zoals "de lift komt" en "u nadert de eerste verdieping". Deze techniek wordt nu ook toegepast in speelgoed, zoals de sprekende pop.

Het werken met opgenomen boodschappen is ondoenlijk als de hoeveelheid tekst heel groot is. In dat geval biedt de zogenaamde spraaksynthese uitkomst. Een mooi voorbeeld is de elektronisch leesbare krant. Zo verstrekt het Centrum voor Gesproken Lektuur in Grave voor visueel gehandicapten elektronische versies van kranten. De gebruiker haalt via de telefoonlijn de digitale versie op de eigen computer binnen. Via speciale software en spraaksynthese kan hij vervolgens de krant beluisteren.

(C) Natuur & Techniek
Tabel 1. Fonemen.
Fonemen, of spraakklanken, zijn de bouwstenen van de spraak. OVIS is getraind in bovenstaande 35 fonemen. Links steeds de foneem, rechts een voorbeeld van een woord waarin de klank voorkomt.

Bij spraaksynthese wordt de binnenkomende tekst, een reeks van letters, allereerst omgezet in een reeks van foneemsymbolen (klanktekens, zie pagina 14). In het woord rekenwerk' bijvoorbeeld zitten drie verschillende klanken e', die dus elk met een ander foneem moeten worden beschreven. Vervolgens wordt de reeks fonemen omgezet in een spraaksignaal. Ofschoon deze spraak (zeker na enige gewenning) goed verstaanbaar is, valt het meteen op dat het geen menselijke spraak is maar een computerstem. In de meeste commerciële applicaties geeft men nog de voorkeur aan een meer natuurlijk klinkende stem, zo ook voor het verstrekken van reisinformatie door het Openbaar Vervoer Informatie Systeem (OVIS). Zelfs het beperkte aantal mededelingen dat OVIS moet uitspreken, is al te groot om allemaal apart op te nemen. Het terugspelen van een volledige verzameling opgenomen boodschappen is dan onmogelijk. Denk hierbij aan het grote aantal combinaties van stations en reistijden. De lijsten van afzonderlijke onderdelen (stationsnamen, dagen, data en tijdstippen) is echter te overzien en kan wel van tevoren worden opgenomen. Dit is bij OVIS gebeurd. Naar gelang de informatie die de gebruiker nodig heeft, plakt het systeem simpelweg spraakfragmenten aan elkaar vast. Deze techniek noemt men spraakconcatenatie. Het nadeel van deze techniek is natuurlijk dat als je woorden wilt toevoegen je deze eerst moet opnemen.

PIN-code

Een populaire toepassing van spraakherkenningstechnologie is de dicteersoftware. Wie niet op spreektempo kan typen, kan met zulke programmatuur enorme tijdwinst boeken. Een andere toepassing is het handenvrij telefoneren. Onlangs stelde een Nederlandse politieke partij voor om telefoneren in de auto alleen toe te staan als deze techniek wordt gebruikt. Zonder de handen van het stuur te nemen vertel je de telefoon wie je wilt bellen de spraakherkenning in de telefoon doet de rest.

Voor toepassingen in bijvoorbeeld beveiliging is alleen het herkennen van gesproken tekst niet voldoende. De identiteit van de spreker moet ook op basis van zijn spraak worden vastgesteld. Een toepassing die binnenkort zeker gebruikt gaat worden, is telefonisch thuisbankieren. De klant noemt zijn rekeningnummer en pincode, de spraakherkenner herkent dit, weet dan wiens rekening het betreft en controleert of de spraak die van de rekeninghouder is. Een andere toepassing van spraakherkenning en sprekerverificatie is stemgestuurde toegangscontrole: de deur van een ruimte gaat alleen open als de juiste persoon de juiste boodschap uitspreekt.

Bij Openbaar Vervoer Reisinformatie is het OVIS gesproken-dialoogsysteem al operationeel en talrijke andere toepassingen zullen spoedig volgen. In de toekomst zal het steeds vaker gebeuren dat je niet alleen tussen neus en lippen door iets tegen een machine zegt, maar dat hij je ook nog eens begrijpt.

Auteur

Dr Helmer Strik (41) studeerde natuurkunde aan de Katholieke Universiteit Nijmegen en promoveerde in 1994 aan dezelfde universiteit. Op de afdeling Taal & Spraak van deze universiteit verzorgt hij een aantal colleges in het kader van de opleidingen Taal, Spraak & Informatica (TSI) en Spraak- & Taalpathologie (STP). Hij doet onderzoek in het kader van verschillende Europese projecten en een post-doctoraal project van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen.

Literatuur

Markowitz JA. Using speech recognition. New Jersey: Prentice-Hall Inc., 1996.
Rabiner LR, Juang B-H. Fundamentals of speech recognition. New Jersey: Prentice-Hall Inc., 1993.
Schmandt C. Voice communication with computers. New York: Van Nostrand Reinhold, 1994.
Van Santen JPH, Sproat RW, Olive JP, Hirschberg J. Progress in speech synthesis. New York: Springer-Verlag, 1996.

Computerspraak op internet

Appendix 1: Praten met een computer

Reizigers met het openbaar vervoer kunnen voor vertrek- en aankomsttijden bij een informatienummer terecht. Wie wil, kan zich daarbij door een computer te woord laten staan.

Wie in Nederland Openbaar Vervoer Reisinformatie belt (0900 9292) krijgt meestal een telefonist(e) van vlees en bloed aan de lijn. Van middernacht tot 6 uur s ochtends en bij wachttijden van meer dan 30 seconden wordt de beller door een computer met spraakherkenning te woord gestaan: het Openbaar Vervoer Informatie Systeem (OVIS). Van de 30.000 tot 35.000 telefoontjes die Openbaar Vervoer Reisinformatie dagelijks te verwerken krijgt, worden er momenteel zo'n 3500 door de computer afgehandeld.

Systeem: "Van welk station naar welk station wilt u reizen?"

De openingszin is belangrijk. Zou het systeem gewoon "goedemorgen" zeggen, dan zijn mensen geneigd om allerlei lange verhalen te gaan vertellen. Als de dialoog daarentegen begint met een gerichte vraag, geven de bellers vaker een bondig antwoord zoals bijvoorbeeld:

Gebruiker: "Ik wil morgen van Maarn naar Amsterdam."

De spraakherkenner zet het spraaksignaal om in een woordreeks. De natuurlijke-taalverwerkingsmodule zoekt naar concepten in de herkende woorden. In dit geval vindt hij de concepten morgen', Maarn' en Amsterdam'. De dialoogcontrolemodule slaat deze informatie op en kijkt of er nog iets ontbreekt. In dit geval ontbreekt het tijdstip van vertrek of van aankomst. Omdat de door de beller gegeven informatie nog niet compleet is, moet het systeem om aanvullende gegevens vragen. De dialoogcontrolemodule formuleert de vraag (in tekstvorm). De spraakgenerator zet deze vraag (tekst) om in spraak. Deze gesproken vraag wordt via de telefoon naar de gebruiker gestuurd.

Systeem: "Hoe laat wilt u morgen van Maarn naar Amsterdam reizen?"

Gebruiker: "Ik wil morgenavond om acht uur vertrekken."

De spraakherkenner herkent weer de woorden en de natuurlijke-taalverwerkingsmodule zoekt naar concepten. In dit geval morgenavond' en om 8 uur'. Ofschoon eerder al morgen' herkend was, is het concept morgenavond' toch nog belangrijk, namelijk om te weten of de gebruiker om 8 uur 's morgens of 's avonds wil vertrekken. De dialoogcontrolemodule ziet dat de vraag nu compleet gespecificeerd is, zoekt het antwoord op in het gegevensbestand en formuleert het antwoord (in tekstvorm). De spraakgenerator zet het antwoord weer om in klanken, die via de telefoon naar de gebruiker worden gestuurd. Tenslotte vraagt het systeem of de gebruiker nog andere informatie wil. Als de gebruiker ontkennend antwoordt, bedankt het systeem voor het gebruik en verbreekt het de verbinding.

Intermezzo: Sprekerverificatie

Automatische sprekerverificatie is het door een computer verifiëren van de identiteit van een persoon aan de hand van zijn of haar stemkarakteristieken. Net zoals mensen moet de computer eerst iemands stem leren kennen voordat hij de stem kan herkennen. Tijdens het kennismakingsproces legt de computer de stemkarakteristieken vast in een sprekermodel op basis van een ingesproken tekst. Het model dat de beste prestaties levert bij spraakherkenning, namelijk het statistische hidden Markov model, werkt ook het beste bij sprekerverificatie. Bij sprekerverificatie wordt iedere stemkarakteristiek beschreven door een gemiddelde en een variantie.

Is er eenmaal zo'n model, dan is de computer in staat de stem te herkennen. In de herkenningfase claimt een onbekende persoon X de identiteit van A (door bijvoorbeeld zijn rekeningnummer of pin-code te noemen). De computer vergelijkt de spraak van X met het sprekermodel van A en het automatische sprekerverificatiealgoritme geeft dan als output: met een kans van p procent is persoon X dezelfde als A.

Omdat de herkenner nooit 100% zeker is moet dan nog een drempelwaarde gekozen worden: bijvoorbeeld als de p groter is dan 80% dan beslist het systeem dat X dezelfde moet zijn als A. Verhogen we de drempelwaarde dan wordt het systeem meer inbraakbestendig, maar tegelijkertijd wordt de kans groter dat gebruikers onterecht worden geweigerd. De instelling van de drempelwaarde wordt grotendeels bepaald door de aard van de toepassing, maar de instelling zou bijvoorbeeld zo kunnen worden gekozen dat het percentage herkenningsfouten wordt geminimaliseerd. In testversies waar sprekerverificatie gebeurt met cijferreeksen (zoals rekeningnummers), is gebleken dat een foutenpercentage van minder dan 3% mogelijk is.

Blijkbaar zijn stemkarakteristieken uniek genoeg om in een overtuigende meerderheid van de gevallen een correcte uitspraak te doen over de identiteit van een spreker. Wie het zelf eens wil proberen kan terecht op de spraak-beveiligde internetsite van de afdeling Taal en Spraak van de Katholieke Universiteit Nijmegen: http://lands.let.kun.nl/TSpublic/cave.

Ir Johan Koolwaaij is verbonden aan de afdeling Taal & Spraak van de Katholieke Universiteit Nijmegen

Bijschriften bij niet afgebeelde figuren

Met de knieën sturend een rotonde nemen hoeft niet meer: de handen kunnen voortaan aan het stuur blijven tijdens het telefoneren. Noem het nummer of de naam van degene die gebeld moet worden en de telefoon kiest zelf het nummer communiceren zonder dat je een toets hoeft aan te raken.
De Siemens Voice Engine. Op deze chip is de elektronica voor de herkenning, opslag en weergave van spraak ge�ntegreerd.
BMW wil nog dit jaar spraakherkenning in de auto leveren. De bestuurder kan het navigatiesysteem mondeling de bestemming opgeven. Niet alleen via het beeldscherm maar ook middels spraaksynthese wijst het navigatiesysteem de bestuurder dan de weg. Een aan de spraakherkenning gekoppelde telefoon die automatisch het gewenste nummer kiest vraagt minder aandacht van de bestuurder.
De geldautomaat vraagt in de toekomst niet alleen een PIN-code, maar ook een spraakfragment alvorens tot uitbetaling te besluiten.
De Nederlandse firma Libertel is een van de bedrijven die spraakherkenningstechnologie toepast. Noem het nummer en het wordt gekozen. De spraakherkenning vindt plaats in de centrale, en niet in de telefoon. British Telecom experimenteert met een Talking head: de computer synthetiseert niet alleen de spraak, maar voorziet de spraak ook van een bijbehorend hoofd. De lippen bewegen synchroon met de woorden mee.

Authors:	H. Strik & J.W. Koolwaaij
Reference:	Natuur & Techniek, Natuurwetenschappelijk & Technisch maandblad, 66e jaargang, nr. 9, sept. 1998, pp. 10-19.