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    High Performance Neural Networks for Online Speech Recognizer

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    Automatische Spracherkennung (engl. automatic speech recognition, ASR) beschreibt die Fähigkeit einer Maschine, Wörter und Ausdrücke gesprochener Sprache zu identifizieren und diese in ein für Menschen lesbares Format zu konvertieren. Die Anwendungen sind ein maßgeblicher Teil des digitalen Lebens bspw. wird der Dialog zwischen Mensch und Maschine oder ein Dialog zwischen Menschen, die unterschiedliche Muttersprachen sprechen, ermöglicht. Um diese Fähigkeit in vollem Maße zu gewährleisten, müssen ASR-Anwendungen nicht nur mit hoher Genauigkeit, sondern, für eine Interaktion mit einem Benutzer, auch schnell genug, antworten. Dieses Wechselspiel beider Bedingungen eröffnet das Forschungsgebiet der Online Speech Recognition, welche sich von der konventionellen Spracherkennung, die sich ausschließlich mit dem Problem der Genauigkeit befasst, unterscheidet. Schon über ein halbes Jahrhundert wird aktiv in der automatischen Spracherkennung geforscht. Verschiedene Muster- und Template-Matching-Methoden wurden bis Mitte 1980 erforscht, als das Hidden Markov Model (HMM) einen Durchbruch zur Lösung der Spracherkennungsaufgabe ermöglichte. Der HMM-Ansatz schafft ein allgemeines Framework, welches Schwankungen in der Zeit sowie Spektrums-Domäne der Sprache statistisch entkoppelt und modelliert. Ein HMM-basierter Erkenner wird auf eine komplexe Pipeline aufgesetzt, welche aus etlichen statistischen und nicht-statistischen Komponenten, wie bspw. einem Aussprachewörterbuch, HMM-Topologien, Phonem-Cluster-Bäumen, einem akustischen Modell und einem Sprachmodell, besteht. Durch aktuelle Fortschritte bei künstlichen neuronalen Netzen (KNN) für die akustische sowie sprachliche Modellierung dominiert der hybride HMM/KNN-Ansatz in unterschiedlichen ASR-Anwendungen. In den letzten Jahren hat die Einführung komplett neuronaler Ende-zu-Ende Spracherkennungssystems, welche eine neuronale Netzwerkarchitektur verwenden, um die direkt Abbildung eines akustischen Signals zu einer textuellen Transkription zu approximieren, großes Interesse auf sich gezogen. Die Vorteile des Ende-zu-Ende-Ansatzes liegen in der Einfachheit des Trainings eines kompletten Spracherkennungssystems, wobei die komplexe Struktur einer HMM-basierten Pipeline entfällt. Gleichzeitig benötigt die Ende-zu-Ende ASR oft eine wesentlich größere Trainingsdatenmenge und es ist eine größere Herausforderung ein Ende-zu-Ende Modell so anzupassen, dass es auf einer neuen Aufgabe gut abschneidet. Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung eines hoch-performanten Spracherkennungssystems für ein Online- und Streaming-Szenario. Der Autor erreichte dies durch ein Vorgehen in zwei Schritten. Im ersten Schritt wurden vielfältige Techniken im HMM-KNN- und Ende-zu-Ende-Paradigma angewandt, um ein hoch-performantes System im Batch-Mode zu bauen. Batch-Mode bedeutet, dass die vollständigen Audiodaten beim Start der Verarbeitung zur Verfügung stehen. Im zweiten Schritt wurden effiziente Anpassungen untersucht, die einem hoch-performanten Batch-Mode-System ermöglichen Inferenzen online bzw. fortlaufend durchzuführen. Gleichzeitig wurden neuartige Algorithmen zu Reduktion der wahrgenommenen Latenz, welche das kritischste Problem von online Spracherkennern ist, entwickelt. Erster Schritt. Die vorgestellte Techniken, die auf hochperformante Ergebnisse abzielen, können anhand deren Position in der Spracherkennungs-Pipeline, wie Merkmalsextraktion und Daten-Augmentierung, kategorisiert werden. Bevor Sprachsignale eine digitale Form annehmen, sind sie als Ergebnis der Faltung mehrere Frequenzkomponenten in einem großen Dynamikumfang bekannt. Diese Merkmale können drastisch durch natürliche Faktoren, wie bspw. unterschiedliche Sprecher, Umgebungen order Aufnahmegeräte, beeinflusst werden. Die große Varianz der Sprachsignale verursacht typischerweise die Diskrepanz zwischen Training und Test und kann die Erkennungsleistung drastisch verschlechtern. Diese Diskrepanz gehen wir durch zwei high-level Ansätze, welche auf Neuronalen Netzen basieren, in der Merkmalsextraktion an. Wir zeigten, dass auf tiefe neuronale Netze (DNN) basierte akustische Modelle, die mittels dieser Sprecher-angepasster Merkmale trainiert wurden, in Bezug auf die Wortfehlerrate (WER) relativ, bis zu 19% besser abschneiden, als herkömmliche Merkmalsextraktionen. Im zweiten Ansatz wird ein Long short-term memory (LSTM) Netzwerk, das mittels Connectionist Temporal Classification (CTC) Kriterium auf Phon-Labeln trainiert wurde, als High-Level Merkmals-Transformation verwendet. Die Kombination der aus dem CTC-Netzwerk extrahierten Merkmale und der Bottleneck-Merkmale ergab einen effizienten Merkmalsraum, der ein DNN-basiertes akustisches Modell ein starkes CTC-basierendes Baseline Modell mit deutlichem Vorsprung übertreffen ließ. Darüber hinaus zeigten wir, dass die Verwendung einer Standard Cepstral Mean und Varianz Normalisierung (CMVN) als low-level Merkmalsextraktion in einer potenziellen Diskrepanz von Offline Training und Online Test resultiert und schlugen eine Lineare Diskriminaz Analyse (LDA), die auf linearer Transformation basiert, als Ersatz vor. Daten-Augmentierung wurde in der Spracherkennung verwendet, um zusätzliche Trainingsdaten zu generieren und so die Qualität der Trainingsdaten zu erhöhen. Diese Technik verbessert die Robustheit des Modells und verhindert Overfitting. Wir zeigten, dass Overfitting das kritischste Problem beim Training eines Ende-zu-Ende Sequence-to-sequence (S2S) Modells für die Spracherkennungsaufgabe ist und stellten zwei neuartige on-the-fly Daten-Augmentierungsmethoden als Lösung vor. Die erste Methode (dynamic time stretching) simuliert den Effekt von Geschwindigkeitsänderungen durch eine direkte Manipulation der zeitlichen Folge an Frequenzvektoren durch eine Echtzeit-Interpolationsfunktion. In der zweiten Methode zeigten wir eine effiziente Strategie, um gesprochene Sätze on-the-fly zu sub-samplen und so die Trainingsdatenmenge mit mehrere Varianten eines einzelnen Samples zu vergrößern. Wir zeigten, dass diese Methoden sehr effizient sind, um Overfitting zu vermeiden und die Kombination mit der SpecAugment-Methode aus der Literatur verbesserte die Leistung des vorgestellten S2S-Modells zu einem State-of-the-Art auf dem Benchmark für Telefongespräche. Zweiter Schritt. Wir zeigten, dass die vorgestellten Hoch-leistungs-Batch-Mode ASR Systeme des hybriden (HMM/KNN) und Ende-zu-Ende Paradigmas die Anforderungen in einer online bzw. realen Situation, durch zusätzliche Anpassungen und Inferenz-Techniken, erfüllen. Weder der üblicherweise verwendete Echtzeitfaktor, noch die Commitment-Latenz sind ausreichend, um die vom Benutzer wahrgenommene Latenz aufzuzeigen. Wir stellten eine neuartige und effiziente Methode zur Messung der vom Benutzer wahrgenommenen Latenz in einer Online- und Streaming-Situation vor. Wir zeigten weiter auf, dass ein fortlaufender HMM/KNN Erkenner entweder für den Latenzhöchstwert oder die mittlere Latenz optimiert werden sollte, um das Nutzererlebnis zu verbessern. Um die Latenzmetrik zu optimieren, führten wir einen Mechanismus ein (Hypothese Update), welcher erlaubt hypothetische Transkripte früh zum Benutzer zu schicken und diese später teilweise zu korrigieren. In Experimenten in einer realen Situation in der Vorlesungspräsentations-Domäne konnte gezeigt werden, dass dieses Vorgehen die Wort-basierte Latenz unseres Erkenners stark reduziert, d.h. von 2,10 auf 1,09 Sekunden. Das Sequence-to-sequence (S2S) Attention-basiertes Modell ist für Ende-zu-Ende Spracherkennung zunehmend beliebt geworden. Etliche Vorteile der Architektur und der Optimierung eines S2S-Modells wurde vorgestellt, um State-of-the-Art Ergebnisse auf Standard-Benchmarks zu erreichen. Wie S2S-Modelle mit ihrem Batch-Mode Kapazität aber für eine online Spracherkennung gebraucht werden können, ist dennoch eine offene Forschungsfrage. Wir näherten uns diesem Problem, indem wir die Latenzprobleme, die durch die normale Softmax-Attention Funktion, bidirektionale Encoder und die Inferenz mit Strahlensuche verursacht wurden, analysierten. Wir nahmen uns all dieser Latenzprobleme in einem an, in dem wir einen zusätzlichen Trainings-Loss, um die Unsicherheit der Attention-Funktion auf Frames auf die vorausgeblickt wird, und einen neuartigen Inferenz-Algorithmus, der partielle Hypothesen bestimmt, vorstellen. Unsere Experimente auf dem Datensatz mit Telefongesprächen zeigten, dass unser Stream-Erkenner, mit einer Verzögerung von 1,5~Sekunden für alle Ausgabeelemente, in vollem Umfang die Performanz eines Batch-Mode-Systems derselben Konfiguration erreicht. Nach bestem Wissen ist dies das erste Mal, dass ein S2S-Spracherkennungsmodell in einer online Situation ohne Einbußen in der Genauigkeit genutzt werden kann

    The Effect Of Acoustic Variability On Automatic Speaker Recognition Systems

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    This thesis examines the influence of acoustic variability on automatic speaker recognition systems (ASRs) with three aims. i. To measure ASR performance under 5 commonly encountered acoustic conditions; ii. To contribute towards ASR system development with the provision of new research data; iii. To assess ASR suitability for forensic speaker comparison (FSC) application and investigative/pre-forensic use. The thesis begins with a literature review and explanation of relevant technical terms. Five categories of research experiments then examine ASR performance, reflective of conditions influencing speech quantity (inhibitors) and speech quality (contaminants), acknowledging quality often influences quantity. Experiments pertain to: net speech duration, signal to noise ratio (SNR), reverberation, frequency bandwidth and transcoding (codecs). The ASR system is placed under scrutiny with examination of settings and optimum conditions (e.g. matched/unmatched test audio and speaker models). Output is examined in relation to baseline performance and metrics assist in informing if ASRs should be applied to suboptimal audio recordings. Results indicate that modern ASRs are relatively resilient to low and moderate levels of the acoustic contaminants and inhibitors examined, whilst remaining sensitive to higher levels. The thesis provides discussion on issues such as the complexity and fragility of the speech signal path, speaker variability, difficulty in measuring conditions and mitigation (thresholds and settings). The application of ASRs to casework is discussed with recommendations, acknowledging the different modes of operation (e.g. investigative usage) and current UK limitations regarding presenting ASR output as evidence in criminal trials. In summary, and in the context of acoustic variability, the thesis recommends that ASRs could be applied to pre-forensic cases, accepting extraneous issues endure which require governance such as validation of method (ASR standardisation) and population data selection. However, ASRs remain unsuitable for broad forensic application with many acoustic conditions causing irrecoverable speech data loss contributing to high error rates

    Speech Recognition

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    Chapters in the first part of the book cover all the essential speech processing techniques for building robust, automatic speech recognition systems: the representation for speech signals and the methods for speech-features extraction, acoustic and language modeling, efficient algorithms for searching the hypothesis space, and multimodal approaches to speech recognition. The last part of the book is devoted to other speech processing applications that can use the information from automatic speech recognition for speaker identification and tracking, for prosody modeling in emotion-detection systems and in other speech processing applications that are able to operate in real-world environments, like mobile communication services and smart homes

    Deep Learning for Distant Speech Recognition

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    Deep learning is an emerging technology that is considered one of the most promising directions for reaching higher levels of artificial intelligence. Among the other achievements, building computers that understand speech represents a crucial leap towards intelligent machines. Despite the great efforts of the past decades, however, a natural and robust human-machine speech interaction still appears to be out of reach, especially when users interact with a distant microphone in noisy and reverberant environments. The latter disturbances severely hamper the intelligibility of a speech signal, making Distant Speech Recognition (DSR) one of the major open challenges in the field. This thesis addresses the latter scenario and proposes some novel techniques, architectures, and algorithms to improve the robustness of distant-talking acoustic models. We first elaborate on methodologies for realistic data contamination, with a particular emphasis on DNN training with simulated data. We then investigate on approaches for better exploiting speech contexts, proposing some original methodologies for both feed-forward and recurrent neural networks. Lastly, inspired by the idea that cooperation across different DNNs could be the key for counteracting the harmful effects of noise and reverberation, we propose a novel deep learning paradigm called network of deep neural networks. The analysis of the original concepts were based on extensive experimental validations conducted on both real and simulated data, considering different corpora, microphone configurations, environments, noisy conditions, and ASR tasks.Comment: PhD Thesis Unitn, 201

    Robust learning of acoustic representations from diverse speech data

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    Automatic speech recognition is increasingly applied to new domains. A key challenge is to robustly learn, update and maintain representations to cope with transient acoustic conditions. A typical example is broadcast media, for which speakers and environments may change rapidly, and available supervision may be poor. The concern of this thesis is to build and investigate methods for acoustic modelling that are robust to the characteristics and transient conditions as embodied by such media. The first contribution of the thesis is a technique to make use of inaccurate transcriptions as supervision for acoustic model training. There is an abundance of audio with approximate labels, but training methods can be sensitive to label errors, and their use is therefore not trivial. State-of-the-art semi-supervised training makes effective use of a lattice of supervision, inherently encoding uncertainty in the labels to avoid overfitting to poor supervision, but does not make use of the transcriptions. Existing approaches that do aim to make use of the transcriptions typically employ an algorithm to filter or combine the transcriptions with the recognition output from a seed model, but the final result does not encode uncertainty. We propose a method to combine the lattice output from a biased recognition pass with the transcripts, crucially preserving uncertainty in the lattice where appropriate. This substantially reduces the word error rate on a broadcast task. The second contribution is a method to factorise representations for speakers and environments so that they may be combined in novel combinations. In realistic scenarios, the speaker or environment transform at test time might be unknown, or there may be insufficient data to learn a joint transform. We show that in such cases, factorised, or independent, representations are required to avoid deteriorating performance. Using i-vectors, we factorise speaker or environment information using multi-condition training with neural networks. Specifically, we extract bottleneck features from networks trained to classify either speakers or environments. The resulting factorised representations prove beneficial when one factor is missing at test time, or when all factors are seen, but not in the desired combination. The third contribution is an investigation of model adaptation in a longitudinal setting. In this scenario, we repeatedly adapt a model to new data, with the constraint that previous data becomes unavailable. We first demonstrate the effect of such a constraint, and show that using a cyclical learning rate may help. We then observe that these successive models lend themselves well to ensembling. Finally, we show that the impact of this constraint in an active learning setting may be detrimental to performance, and suggest to combine active learning with semi-supervised training to avoid biasing the model. The fourth contribution is a method to adapt low-level features in a parameter-efficient and interpretable manner. We propose to adapt the filters in a neural feature extractor, known as SincNet. In contrast to traditional techniques that warp the filterbank frequencies in standard feature extraction, adapting SincNet parameters is more flexible and more readily optimised, whilst maintaining interpretability. On a task adapting from adult to child speech, we show that this layer is well suited for adaptation and is very effective with respect to the small number of adapted parameters

    Towards natural speech acquisition: incremental word learning with limited data

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    Ayllon Clemente I. Towards natural speech acquisition: incremental word learning with limited data. Bielefeld: Bielefeld University; 2013

    Recent Advances in Signal Processing

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    The signal processing task is a very critical issue in the majority of new technological inventions and challenges in a variety of applications in both science and engineering fields. Classical signal processing techniques have largely worked with mathematical models that are linear, local, stationary, and Gaussian. They have always favored closed-form tractability over real-world accuracy. These constraints were imposed by the lack of powerful computing tools. During the last few decades, signal processing theories, developments, and applications have matured rapidly and now include tools from many areas of mathematics, computer science, physics, and engineering. This book is targeted primarily toward both students and researchers who want to be exposed to a wide variety of signal processing techniques and algorithms. It includes 27 chapters that can be categorized into five different areas depending on the application at hand. These five categories are ordered to address image processing, speech processing, communication systems, time-series analysis, and educational packages respectively. The book has the advantage of providing a collection of applications that are completely independent and self-contained; thus, the interested reader can choose any chapter and skip to another without losing continuity

    Addressing Variability in Speech when Recognizing Emotion and Mood In-the-Wild

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    Bipolar disorder is a chronic mental illness, affecting 4% of Americans, that is characterized by periodic mood changes ranging from severe depression to extreme compulsive highs. Both mania and depression profoundly impact the behavior of affected individuals, resulting in potentially devastating personal and social consequences. Bipolar disorder is managed clinically with regular interactions with care providers, who assess mood, energy levels, and the form and content of speech. Recent work has proposed smartphones for automatically monitoring mood using speech. Much of the early work in speech-centered mood detection has been done in the laboratory or clinic and is not reflective of the variability found in real-world conversations and conditions. Outside of these settings, automatic mood detection is hard, as the recordings include environmental noise, differences in recording devices, and variations in subject speaking patterns. Without addressing these issues, it is difficult to move towards a passive mobile health system. My research works to address this variability present in speech so that such a system can be created, allowing for interventions to mitigate the life-changing effects of mood transitions. However detecting mood directly from speech is difficult, as mood varies over the course of days or weeks, while speech fluctuates rapidly. To address this, my thesis explores how an intermediate step can be used to aid in this prediction. For example, one of the major symptoms of bipolar disorder is emotion dysregulation - changes in the way emotions are perceived and a lack of inhibition in their expression. My work has supported the relationship between automatically extracted emotion estimates and mood. Because of this, my thesis explores how to mitigate the variability found when detecting emotion from speech. The remainder of my thesis is focused on employing these emotion-based features, as well as features based on language content, to real-world applications. This dissertation is divided into the following parts: Part I: I address the direct classification of mood from speech. This is accomplished by addressing variability due to recording device using preprocessing and multi-task learning. I then show how both subject-specific and population-general information can be combined to significantly improve mood detection. Part II: I explore the automatic detection of emotion from speech and how to control for the other factors of variability present in the speech signal. I use progressive networks as a method to augment emotion with other paralinguistic data including gender and speaker, as well as other datasets. Additionally, I introduce a novel domain generalization method for cross-corpus detection. Part III: I demonstrate real-world applications of speech mood monitoring using everyday conversations. I show how the previously introduced generalized model can predict emotion from the speech of individuals with suicidal ideation, demonstrating its effectiveness across domains. Furthermore, I use these predictions to distinguish individuals with suicidal thoughts from healthy controls. Lastly, I introduce a novel framework for intervention detection in individuals with bipolar disorder. I then create a natural speech mood monitoring system based on features derived from measures of emotion and automatic speech recognition (ASR) transcripts and show effective intervention detection. I conclude this dissertation with the following future directions: (1) Extending my emotion generalization system to include multiple modalities and factors of variability; (2) Expanding natural speech mood monitoring by including more devices, exploring other data besides speech, and investigating mood rating causality.PHDComputer Science & EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttps://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/153461/1/gideonjn_1.pd
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