Towards End-to-End Acoustic Localization using Deep Learning: from Audio Signal to Source Position Coordinates

This paper presents a novel approach for indoor acoustic source localization using microphone arrays and based on a Convolutional Neural Network (CNN). The proposed solution is, to the best of our knowledge, the first published work in which the CNN is designed to directly estimate the three dimensional position of an acoustic source, using the raw audio signal as the input information avoiding the use of hand crafted audio features. Given the limited amount of available localization data, we propose in this paper a training strategy based on two steps. We first train our network using semi-synthetic data, generated from close talk speech recordings, and where we simulate the time delays and distortion suffered in the signal that propagates from the source to the array of microphones. We then fine tune this network using a small amount of real data. Our experimental results show that this strategy is able to produce networks that significantly improve existing localization methods based on \textit{SRP-PHAT} strategies. In addition, our experiments show that our CNN method exhibits better resistance against varying gender of the speaker and different window sizes compared with the other methods.Comment: 18 pages, 3 figures, 8 table

Métodos discriminativos para la optimización de modelos en la Verificación del Hablante

La creciente necesidad de sistemas de autenticación seguros ha motivado el interés de algoritmos efectivos de Verificación de Hablante (VH). Dicha necesidad de algoritmos de alto rendimiento, capaces de obtener tasas de error bajas, ha abierto varias ramas de investigación. En este trabajo proponemos investigar, desde un punto de vista discriminativo, un conjunto de metodologías para mejorar el desempeño del estado del arte de los sistemas de VH. En un primer enfoque investigamos la optimización de los hiper-parámetros para explícitamente considerar el compromiso entre los errores de falsa aceptación y falso rechazo. El objetivo de la optimización se puede lograr maximizando el área bajo la curva conocida como ROC (Receiver Operating Characteristic) por sus siglas en inglés. Creemos que esta optimización de los parámetros no debe de estar limitada solo a un punto de operación y una estrategia más robusta es optimizar los parámetros para incrementar el área bajo la curva, AUC (Area Under the Curve por sus siglas en inglés) de modo que todos los puntos sean maximizados. Estudiaremos cómo optimizar los parámetros utilizando la representación matemática del área bajo la curva ROC basada en la estadística de Wilcoxon Mann Whitney (WMW) y el cálculo adecuado empleando el algoritmo de descendente probabilístico generalizado. Además, analizamos el efecto y mejoras en métricas como la curva detection error tradeoff (DET), el error conocido como Equal Error Rate (EER) y el valor mínimo de la función de detección de costo, minimum value of the detection cost function (minDCF) todos ellos por sue siglas en inglés. En un segundo enfoque, investigamos la señal de voz como una combinación de atributos que contienen información del hablante, del canal y el ruido. Los sistemas de verificación convencionales entrenan modelos únicos genéricos para todos los casos, y manejan las variaciones de estos atributos ya sea usando análisis de factores o no considerando esas variaciones de manera explícita. Proponemos una nueva metodología para particionar el espacio de los datos de acuerdo a estas carcterísticas y entrenar modelos por separado para cada partición. Las particiones se pueden obtener de acuerdo a cada atributo. En esta investigación mostraremos como entrenar efectivamente los modelos de manera discriminativa para maximizar la separación entre ellos. Además, el diseño de algoritimos robustos a las condiciones de ruido juegan un papel clave que permite a los sistemas de VH operar en condiciones reales. Proponemos extender nuestras metodologías para mitigar los efectos del ruido en esas condiciones. Para nuestro primer enfoque, en una situación donde el ruido se encuentre presente, el punto de operación puede no ser solo un punto, o puede existir un corrimiento de forma impredecible. Mostraremos como nuestra metodología de maximización del área bajo la curva ROC es más robusta que la usada por clasificadores convencionales incluso cuando el ruido no está explícitamente considerado. Además, podemos encontrar ruido a diferentes relación señal a ruido (SNR) que puede degradar el desempeño del sistema. Así, es factible considerar una descomposición eficiente de las señales de voz que tome en cuenta los diferentes atributos como son SNR, el ruido y el tipo de canal. Consideramos que en lugar de abordar el problema con un modelo unificado, una descomposición en particiones del espacio de características basado en atributos especiales puede proporcionar mejores resultados. Esos atributos pueden representar diferentes canales y condiciones de ruido. Hemos analizado el potencial de estas metodologías que permiten mejorar el desempeño del estado del arte de los sistemas reduciendo el error, y por otra parte controlar los puntos de operación y mitigar los efectos del ruido

Continuous Interaction with a Virtual Human

Attentive Speaking and Active Listening require that a Virtual Human be capable of simultaneous perception/interpretation and production of communicative behavior. A Virtual Human should be able to signal its attitude and attention while it is listening to its interaction partner, and be able to attend to its interaction partner while it is speaking – and modify its communicative behavior on-the-fly based on what it perceives from its partner. This report presents the results of a four week summer project that was part of eNTERFACE’10. The project resulted in progress on several aspects of continuous interaction such as scheduling and interrupting multimodal behavior, automatic classification of listener responses, generation of response eliciting behavior, and models for appropriate reactions to listener responses. A pilot user study was conducted with ten participants. In addition, the project yielded a number of deliverables that are released for public access

A Subband-Based SVM Front-End for Robust ASR

This work proposes a novel support vector machine (SVM) based robust automatic speech recognition (ASR) front-end that operates on an ensemble of the subband components of high-dimensional acoustic waveforms. The key issues of selecting the appropriate SVM kernels for classification in frequency subbands and the combination of individual subband classifiers using ensemble methods are addressed. The proposed front-end is compared with state-of-the-art ASR front-ends in terms of robustness to additive noise and linear filtering. Experiments performed on the TIMIT phoneme classification task demonstrate the benefits of the proposed subband based SVM front-end: it outperforms the standard cepstral front-end in the presence of noise and linear filtering for signal-to-noise ratio (SNR) below 12-dB. A combination of the proposed front-end with a conventional front-end such as MFCC yields further improvements over the individual front ends across the full range of noise levels

Vision-Guided Robot Hearing

International audienceNatural human-robot interaction (HRI) in complex and unpredictable environments is important with many potential applicatons. While vision-based HRI has been thoroughly investigated, robot hearing and audio-based HRI are emerging research topics in robotics. In typical real-world scenarios, humans are at some distance from the robot and hence the sensory (microphone) data are strongly impaired by background noise, reverberations and competing auditory sources. In this context, the detection and localization of speakers plays a key role that enables several tasks, such as improving the signal-to-noise ratio for speech recognition, speaker recognition, speaker tracking, etc. In this paper we address the problem of how to detect and localize people that are both seen and heard. We introduce a hybrid deterministic/probabilistic model. The deterministic component allows us to map 3D visual data onto an 1D auditory space. The probabilistic component of the model enables the visual features to guide the grouping of the auditory features in order to form audiovisual (AV) objects. The proposed model and the associated algorithms are implemented in real-time (17 FPS) using a stereoscopic camera pair and two microphones embedded into the head of the humanoid robot NAO. We perform experiments with (i)~synthetic data, (ii)~publicly available data gathered with an audiovisual robotic head, and (iii)~data acquired using the NAO robot. The results validate the approach and are an encouragement to investigate how vision and hearing could be further combined for robust HRI