Multimodal biometrics score level fusion using non-confidence information

Multimodal biometrics refers to automatic authentication methods that depend on multiple modalities of measurable physical characteristics. It alleviates most of the restrictions of single biometrics. To combine the multimodal biometrics scores, three different categories of fusion approaches including rule based, classification based and density based approaches are available. When choosing an approach, one has to consider not only the fusion performance, but also system requirements and other circumstances. In the context of verification, classification errors arise from samples in the overlapping region (or non- confidence region) between genuine users and impostors. In score space, a further separation of the samples outside the non-confidence region does not result in further verification improvements. Therefore, information contained in the non-confidence region might be useful for improving the fusion process. Up to this point, no attempts are reported in the literature that tries to enhance the fusion process using this additional information. In this work, the use of this information is explored in rule based and density based approaches mentioned above

Advances in Subspace-based Solutions for Diarization in the Broadcast Domain

La motivación de esta tesis es la necesidad de soluciones robustas al problema de diarización. Estas técnicas de diarización deben proporcionar valor añadido a la creciente cantidad disponible de datos multimedia mediante la precisa discriminación de los locutores presentes en la señal de audio. Desafortunadamente, hasta tiempos recientes este tipo de tecnologías solamente era viable en condiciones restringidas, quedando por tanto lejos de una solución general. Las razones detrás de las limitadas prestaciones de los sistemas de diarización son múltiples. La primera causa a tener en cuenta es la alta complejidad de la producción de la voz humana, en particular acerca de los procesos fisiológicos necesarios para incluir las características discriminativas de locutor en la señal de voz. Esta complejidad hace del proceso inverso, la estimación de dichas características a partir del audio, una tarea ineficiente por medio de las técnicas actuales del estado del arte. Consecuentemente, en su lugar deberán tenerse en cuenta aproximaciones. Los esfuerzos en la tarea de modelado han proporcionado modelos cada vez más elaborados, aunque no buscando la explicación última de naturaleza fisiológica de la señal de voz. En su lugar estos modelos aprenden relaciones entre la señales acústicas a partir de un gran conjunto de datos de entrenamiento. El desarrollo de modelos aproximados genera a su vez una segunda razón, la variabilidad de dominio. Debido al uso de relaciones aprendidas a partir de un conjunto de entrenamiento concreto, cualquier cambio de dominio que modifique las condiciones acústicas con respecto a los datos de entrenamiento condiciona las relaciones asumidas, pudiendo causar fallos consistentes en los sistemas.Nuestra contribución a las tecnologías de diarización se ha centrado en el entorno de radiodifusión. Este dominio es actualmente un entorno todavía complejo para los sistemas de diarización donde ninguna simplificación de la tarea puede ser tenida en cuenta. Por tanto, se deberá desarrollar un modelado eficiente del audio para extraer la información de locutor y como inferir el etiquetado correspondiente. Además, la presencia de múltiples condiciones acústicas debido a la existencia de diferentes programas y/o géneros en el domino requiere el desarrollo de técnicas capaces de adaptar el conocimiento adquirido en un determinado escenario donde la información está disponible a aquellos entornos donde dicha información es limitada o sencillamente no disponible.Para este propósito el trabajo desarrollado a lo largo de la tesis se ha centrado en tres subtareas: caracterización de locutor, agrupamiento y adaptación de modelos. La primera subtarea busca el modelado de un fragmento de audio para obtener representaciones precisas de los locutores involucrados, poniendo de manifiesto sus propiedades discriminativas. En este área se ha llevado a cabo un estudio acerca de las actuales estrategias de modelado, especialmente atendiendo a las limitaciones de las representaciones extraídas y poniendo de manifiesto el tipo de errores que pueden generar. Además, se han propuesto alternativas basadas en redes neuronales haciendo uso del conocimiento adquirido. La segunda tarea es el agrupamiento, encargado de desarrollar estrategias que busquen el etiquetado óptimo de los locutores. La investigación desarrollada durante esta tesis ha propuesto nuevas estrategias para estimar el mejor reparto de locutores basadas en técnicas de subespacios, especialmente PLDA. Finalmente, la tarea de adaptación de modelos busca transferir el conocimiento obtenido de un conjunto de entrenamiento a dominios alternativos donde no hay datos para extraerlo. Para este propósito los esfuerzos se han centrado en la extracción no supervisada de información de locutor del propio audio a diarizar, sinedo posteriormente usada en la adaptación de los modelos involucrados.<br /

Evaluation and analysis of hybrid intelligent pattern recognition techniques for speaker identification

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel University.The rapid momentum of the technology progress in the recent years has led to a tremendous rise in the use of biometric authentication systems. The objective of this research is to investigate the problem of identifying a speaker from its voice regardless of the content (i.e. text-independent), and to design efficient methods of combining face and voice in producing a robust authentication system. A novel approach towards speaker identification is developed using wavelet analysis, and multiple neural networks including Probabilistic Neural Network (PNN), General Regressive Neural Network (GRNN)and Radial Basis Function-Neural Network (RBF NN) with the AND voting scheme. This approach is tested on GRID and VidTIMIT cor-pora and comprehensive test results have been validated with state- of-the-art approaches. The system was found to be competitive and it improved the recognition rate by 15% as compared to the classical Mel-frequency Cepstral Coe±cients (MFCC), and reduced the recognition time by 40% compared to Back Propagation Neural Network (BPNN), Gaussian Mixture Models (GMM) and Principal Component Analysis (PCA). Another novel approach using vowel formant analysis is implemented using Linear Discriminant Analysis (LDA). Vowel formant based speaker identification is best suitable for real-time implementation and requires only a few bytes of information to be stored for each speaker, making it both storage and time efficient. Tested on GRID and Vid-TIMIT, the proposed scheme was found to be 85.05% accurate when Linear Predictive Coding (LPC) is used to extract the vowel formants, which is much higher than the accuracy of BPNN and GMM. Since the proposed scheme does not require any training time other than creating a small database of vowel formants, it is faster as well. Furthermore, an increasing number of speakers makes it di±cult for BPNN and GMM to sustain their accuracy, but the proposed score-based methodology stays almost linear. Finally, a novel audio-visual fusion based identification system is implemented using GMM and MFCC for speaker identi¯cation and PCA for face recognition. The results of speaker identification and face recognition are fused at different levels, namely the feature, score and decision levels. Both the score-level and decision-level (with OR voting) fusions were shown to outperform the feature-level fusion in terms of accuracy and error resilience. The result is in line with the distinct nature of the two modalities which lose themselves when combined at the feature-level. The GRID and VidTIMIT test results validate that the proposed scheme is one of the best candidates for the fusion of face and voice due to its low computational time and high recognition accuracy

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

Speaker Recognition in Unconstrained Environments

Speaker recognition is applied in smart home devices, interactive voice response systems, call centers, online banking and payment solutions as well as in forensic scenarios. This dissertation is concerned with speaker recognition systems in unconstrained environments. Before this dissertation, research on making better decisions in unconstrained environments was insufficient. Aside from decision making, unconstrained environments imply two other subjects: security and privacy. Within the scope of this dissertation, these research subjects are regarded as both security against short-term replay attacks and privacy preservation within state-of-the-art biometric voice comparators in the light of a potential leak of biometric data. The aforementioned research subjects are united in this dissertation to sustain good decision making processes facing uncertainty from varying signal quality and to strengthen security as well as preserve privacy. Conventionally, biometric comparators are trained to classify between mated and non-mated reference,--,probe pairs under idealistic conditions but are expected to operate well in the real world. However, the more the voice signal quality degrades, the more erroneous decisions are made. The severity of their impact depends on the requirements of a biometric application. In this dissertation, quality estimates are proposed and employed for the purpose of making better decisions on average in a formalized way (quantitative method), while the specifications of decision requirements of a biometric application remain unknown. By using the Bayesian decision framework, the specification of application-depending decision requirements is formalized, outlining operating points: the decision thresholds. The assessed quality conditions combine ambient and biometric noise, both of which occurring in commercial as well as in forensic application scenarios. Dual-use (civil and governmental) technology is investigated. As it seems unfeasible to train systems for every possible signal degradation, a low amount of quality conditions is used. After examining the impact of degrading signal quality on biometric feature extraction, the extraction is assumed ideal in order to conduct a fair benchmark. This dissertation proposes and investigates methods for propagating information about quality to decision making. By employing quality estimates, a biometric system's output (comparison scores) is normalized in order to ensure that each score encodes the least-favorable decision trade-off in its value. Application development is segregated from requirement specification. Furthermore, class discrimination and score calibration performance is improved over all decision requirements for real world applications. In contrast to the ISOIEC 19795-1:2006 standard on biometric performance (error rates), this dissertation is based on biometric inference for probabilistic decision making (subject to prior probabilities and cost terms). This dissertation elaborates on the paradigm shift from requirements by error rates to requirements by beliefs in priors and costs. Binary decision error trade-off plots are proposed, interrelating error rates with prior and cost beliefs, i.e., formalized decision requirements. Verbal tags are introduced to summarize categories of least-favorable decisions: the plot's canvas follows from Bayesian decision theory. Empirical error rates are plotted, encoding categories of decision trade-offs by line styles. Performance is visualized in the latent decision subspace for evaluating empirical performance regarding changes in prior and cost based decision requirements. Security against short-term audio replay attacks (a collage of sound units such as phonemes and syllables) is strengthened. The unit-selection attack is posed by the ASVspoof 2015 challenge (English speech data), representing the most difficult to detect voice presentation attack of this challenge. In this dissertation, unit-selection attacks are created for German speech data, where support vector machine and Gaussian mixture model classifiers are trained to detect collage edges in speech representations based on wavelet and Fourier analyses. Competitive results are reached compared to the challenged submissions. Homomorphic encryption is proposed to preserve the privacy of biometric information in the case of database leakage. In this dissertation, log-likelihood ratio scores, representing biometric evidence objectively, are computed in the latent biometric subspace. Conventional comparators rely on the feature extraction to ideally represent biometric information, latent subspace comparators are trained to find ideal representations of the biometric information in voice reference and probe samples to be compared. Two protocols are proposed for the the two-covariance comparison model, a special case of probabilistic linear discriminant analysis. Log-likelihood ratio scores are computed in the encrypted domain based on encrypted representations of the biometric reference and probe. As a consequence, the biometric information conveyed in voice samples is, in contrast to many existing protection schemes, stored protected and without information loss. The first protocol preserves privacy of end-users, requiring one public/private key pair per biometric application. The latter protocol preserves privacy of end-users and comparator vendors with two key pairs. Comparators estimate the biometric evidence in the latent subspace, such that the subspace model requires data protection as well. In both protocols, log-likelihood ratio based decision making meets the requirements of the ISOIEC 24745:2011 biometric information protection standard in terms of unlinkability, irreversibility, and renewability properties of the protected voice data

Proceedings of the 35th WIC Symposium on Information Theory in the Benelux and the 4th joint WIC/IEEE Symposium on Information Theory and Signal Processing in the Benelux, Eindhoven, the Netherlands May 12-13, 2014

Compressive sensing (CS) as an approach for data acquisition has recently received much attention. In CS, the signal recovery problem from the observed data requires the solution of a sparse vector from an underdetermined system of equations. The underlying sparse signal recovery problem is quite general with many applications and is the focus of this talk. The main emphasis will be on Bayesian approaches for sparse signal recovery. We will examine sparse priors such as the super-Gaussian and student-t priors and appropriate MAP estimation methods. In particular, re-weighted l2 and re-weighted l1 methods developed to solve the optimization problem will be discussed. The talk will also examine a hierarchical Bayesian framework and then study in detail an empirical Bayesian method, the Sparse Bayesian Learning (SBL) method. If time permits, we will also discuss Bayesian methods for sparse recovery problems with structure; Intra-vector correlation in the context of the block sparse model and inter-vector correlation in the context of the multiple measurement vector problem

Proceedings of the 35th WIC Symposium on Information Theory in the Benelux and the 4th joint WIC/IEEE Symposium on Information Theory and Signal Processing in the Benelux, Eindhoven, the Netherlands May 12-13, 2014

Compressive sensing (CS) as an approach for data acquisition has recently received much attention. In CS, the signal recovery problem from the observed data requires the solution of a sparse vector from an underdetermined system of equations. The underlying sparse signal recovery problem is quite general with many applications and is the focus of this talk. The main emphasis will be on Bayesian approaches for sparse signal recovery. We will examine sparse priors such as the super-Gaussian and student-t priors and appropriate MAP estimation methods. In particular, re-weighted l2 and re-weighted l1 methods developed to solve the optimization problem will be discussed. The talk will also examine a hierarchical Bayesian framework and then study in detail an empirical Bayesian method, the Sparse Bayesian Learning (SBL) method. If time permits, we will also discuss Bayesian methods for sparse recovery problems with structure; Intra-vector correlation in the context of the block sparse model and inter-vector correlation in the context of the multiple measurement vector problem

Subspace Gaussian Mixture Models for Language Identification and Dysarthric Speech Intelligibility Assessment

En esta Tesis se ha investigado la aplicación de técnicas de modelado de subespacios de mezclas de Gaussianas en dos problemas relacionados con las tecnologías del habla, como son la identificación automática de idioma (LID, por sus siglas en inglés) y la evaluación automática de inteligibilidad en el habla de personas con disartria. Una de las técnicas más importantes estudiadas es el análisis factorial conjunto (JFA, por sus siglas en inglés). JFA es, en esencia, un modelo de mezclas de Gaussianas en el que la media de cada componente se expresa como una suma de factores de dimensión reducida, y donde cada factor representa una contribución diferente a la señal de audio. Esta factorización nos permite compensar nuestros modelos frente a contribuciones indeseadas presentes en la señal, como la información de canal. JFA se ha investigado como clasficador y como extractor de parámetros. En esta última aproximación se modela un solo factor que representa todas las contribuciones presentes en la señal. Los puntos en este subespacio se denominan i-Vectors. Así, un i-Vector es un vector de baja dimensión que representa una grabación de audio. Los i-Vectors han resultado ser muy útiles como vector de características para representar señales en diferentes problemas relacionados con el aprendizaje de máquinas. En relación al problema de LID, se han investigado dos sistemas diferentes de acuerdo al tipo de información extraída de la señal. En el primero, la señal se parametriza en vectores acústicos con información espectral a corto plazo. En este caso, observamos mejoras de hasta un 50% con el sistema basado en i-Vectors respecto al sistema que utilizaba JFA como clasificador. Se comprobó que el subespacio de canal del modelo JFA también contenía información del idioma, mientras que con los i-Vectors no se descarta ningún tipo de información, y además, son útiles para mitigar diferencias entre los datos de entrenamiento y de evaluación. En la fase de clasificación, los i-Vectors de cada idioma se modelaron con una distribución Gaussiana en la que la matriz de covarianza era común para todos. Este método es simple y rápido, y no requiere de ningún post-procesado de los i-Vectors. En el segundo sistema, se introdujo el uso de información prosódica y formántica en un sistema de LID basado en i-Vectors. La precisión de éste estaba por debajo de la del sistema acústico. Sin embargo, los dos sistemas son complementarios, y se obtuvo hasta un 20% de mejora con la fusión de los dos respecto al sistema acústico solo. Tras los buenos resultados obtenidos para LID, y dado que, teóricamente, los i-Vectors capturan toda la información presente en la señal, decidimos usarlos para la evaluar de manera automática la inteligibilidad en el habla de personas con disartria. Los logopedas están muy interesados en esta tecnología porque permitiría evaluar a sus pacientes de una manera objetiva y consistente. En este caso, los i-Vectors se obtuvieron a partir de información espectral a corto plazo de la señal, y la inteligibilidad se calculó a partir de los i-Vectors obtenidos para un conjunto de palabras dichas por el locutor evaluado. Comprobamos que los resultados eran mucho mejores si en el entrenamiento del sistema se incorporaban datos de la persona que iba a ser evaluada. No obstante, esta limitación podría aliviarse utilizando una mayor cantidad de datos para entrenar el sistema.In this Thesis, we investigated how to effciently apply subspace Gaussian mixture modeling techniques onto two speech technology problems, namely automatic spoken language identification (LID) and automatic intelligibility assessment of dysarthric speech. One of the most important of such techniques in this Thesis was joint factor analysis (JFA). JFA is essentially a Gaussian mixture model where the mean of the components is expressed as a sum of low-dimension factors that represent different contributions to the speech signal. This factorization makes it possible to compensate for undesired sources of variability, like the channel. JFA was investigated as final classiffer and as feature extractor. In the latter approach, a single subspace including all sources of variability is trained, and points in this subspace are known as i-Vectors. Thus, one i-Vector is defined as a low-dimension representation of a single utterance, and they are a very powerful feature for different machine learning problems. We have investigated two different LID systems according to the type of features extracted from speech. First, we extracted acoustic features representing short-time spectral information. In this case, we observed relative improvements with i-Vectors with respect to JFA of up to 50%. We realized that the channel subspace in a JFA model also contains language information whereas i-Vectors do not discard any language information, and moreover, they help to reduce mismatches between training and testing data. For classification, we modeled the i-Vectors of each language with a Gaussian distribution with covariance matrix shared among languages. This method is simple and fast, and it worked well without any post-processing. Second, we introduced the use of prosodic and formant information with the i-Vectors system. The performance was below the acoustic system but both were found to be complementary and we obtained up to a 20% relative improvement with the fusion with respect to the acoustic system alone. Given the success in LID and the fact that i-Vectors capture all the information that is present in the data, we decided to use i-Vectors for other tasks, specifically, the assessment of speech intelligibility in speakers with different types of dysarthria. Speech therapists are very interested in this technology because it would allow them to objectively and consistently rate the intelligibility of their patients. In this case, the input features were extracted from short-term spectral information, and the intelligibility was assessed from the i-Vectors calculated from a set of words uttered by the tested speaker. We found that the performance was clearly much better if we had available data for training of the person that would use the application. We think that this limitation could be relaxed if we had larger databases for training. However, the recording process is not easy for people with disabilities, and it is difficult to obtain large datasets of dysarthric speakers open to the research community. Finally, the same system architecture for intelligibility assessment based on i-Vectors was used for predicting the accuracy that an automatic speech recognizer (ASR) system would obtain with dysarthric speakers. The only difference between both was the ground truth label set used for training. Predicting the performance response of an ASR system would increase the confidence of speech therapists in these systems and would diminish health related costs. The results were not as satisfactory as in the previous case, probably because an ASR is a complex system whose accuracy can be very difficult to be predicted only with acoustic information. Nonetheless, we think that we opened a door to an interesting research direction for the two problems

Automatic analysis of pathological speech

De ernst van een spraakstoornis wordt vaak gemeten a.d.h.v. spraakverstaanbaarheid. Deze maat wordt in de klinische praktijk vaak bepaald met een perceptuele test. Zo’n test is van nature subjectief vermits de therapeut die de test afneemt de (stoornis van de) patiënt vaak kent en ook vertrouwd is met het gebruikte testmateriaal. Daarom is het interessant te onderzoeken of men met spraakherkenning een objectieve beoordelaar van verstaanbaarheid kan creëren. In deze thesis wordt een methodologie uitgewerkt om een gestandaardiseerde perceptuele test, het Nederlandstalig Spraakverstaanbaarheidsonderzoek (NSVO), te automatiseren. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van spraakherkenning om de patiënt fonologisch en fonemisch te karakteriseren en uit deze karakterisering een spraakverstaanbaarheidsscore af te leiden. Experimenten hebben aangetoond dat de berekende scores zeer betrouwbaar zijn. Vermits het NSVO met nonsenswoorden werkt, kunnen vooral kinderen hierdoor leesfouten maken. Daarom werden nieuwe methodes ontwikkeld, gebaseerd op betekenisdragende lopende spraak, die hiertegen robuust zijn en tegelijk ook in verschillende talen gebruikt kunnen worden. Met deze nieuwe modellen bleek het mogelijk te zijn om betrouwbare verstaanbaarheidsscores te berekenen voor Vlaamse, Nederlandse en Duitse spraak. Tenslotte heeft het onderzoek ook belangrijke stappen gezet in de richting van een automatische karakterisering van andere aspecten van de spraakstoornis, zoals articulatie en stemgeving

Models and Analysis of Vocal Emissions for Biomedical Applications

The MAVEBA Workshop proceedings, held on a biannual basis, collect the scientific papers presented both as oral and poster contributions, during the conference. The main subjects are: development of theoretical and mechanical models as an aid to the study of main phonatory dysfunctions, as well as the biomedical engineering methods for the analysis of voice signals and images, as a support to clinical diagnosis and classification of vocal pathologies