Data and methods for a visual understanding of sign languages

Signed languages are complete and natural languages used as the first or preferred mode of communication by millions of people worldwide. However, they, unfortunately, continue to be marginalized languages. Designing, building, and evaluating models that work on sign languages presents compelling research challenges and requires interdisciplinary and collaborative efforts. The recent advances in Machine Learning (ML) and Artificial Intelligence (AI) has the power to enable better accessibility to sign language users and narrow down the existing communication barrier between the Deaf community and non-sign language users. However, recent AI-powered technologies still do not account for sign language in their pipelines. This is mainly because sign languages are visual languages, that use manual and non-manual features to convey information, and do not have a standard written form. Thus, the goal of this thesis is to contribute to the development of new technologies that account for sign language by creating large-scale multimodal resources suitable for training modern data-hungry machine learning models and developing automatic systems that focus on computer vision tasks related to sign language that aims at learning better visual understanding of sign languages. Thus, in Part I, we introduce the How2Sign dataset, which is a large-scale collection of multimodal and multiview sign language videos in American Sign Language. In Part II, we contribute to the development of technologies that account for sign languages by presenting in Chapter 4 a framework called Spot-Align, based on sign spotting methods, to automatically annotate sign instances in continuous sign language. We further present the benefits of this framework and establish a baseline for the sign language recognition task on the How2Sign dataset. In addition to that, in Chapter 5 we benefit from the different annotations and modalities of the How2Sign to explore sign language video retrieval by learning cross-modal embeddings. Later in Chapter 6, we explore sign language video generation by applying Generative Adversarial Networks to the sign language domain and assess if and how well sign language users can understand automatically generated sign language videos by proposing an evaluation protocol based on How2Sign topics and English translationLes llengües de signes són llengües completes i naturals que utilitzen milions de persones de tot el món com mode de comunicació primer o preferit. Tanmateix, malauradament, continuen essent llengües marginades. Dissenyar, construir i avaluar tecnologies que funcionin amb les llengües de signes presenta reptes de recerca que requereixen d’esforços interdisciplinaris i col·laboratius. Els avenços recents en l’aprenentatge automàtic i la intel·ligència artificial (IA) poden millorar l’accessibilitat tecnològica dels signants, i alhora reduir la barrera de comunicació existent entre la comunitat sorda i les persones no-signants. Tanmateix, les tecnologies més modernes en IA encara no consideren les llengües de signes en les seves interfícies amb l’usuari. Això es deu principalment a que les llengües de signes són llenguatges visuals, que utilitzen característiques manuals i no manuals per transmetre informació, i no tenen una forma escrita estàndard. Els objectius principals d’aquesta tesi són la creació de recursos multimodals a gran escala adequats per entrenar models d’aprenentatge automàtic per a llengües de signes, i desenvolupar sistemes de visió per computador adreçats a una millor comprensió automàtica de les llengües de signes. Així, a la Part I presentem la base de dades How2Sign, una gran col·lecció multimodal i multivista de vídeos de la llengua de signes nord-americana. A la Part II, contribuïm al desenvolupament de tecnologia per a llengües de signes, presentant al capítol 4 una solució per anotar signes automàticament anomenada Spot-Align, basada en mètodes de localització de signes en seqüències contínues de signes. Després, presentem els avantatges d’aquesta solució i proporcionem uns primers resultats per la tasca de reconeixement de la llengua de signes a la base de dades How2Sign. A continuació, al capítol 5 aprofitem de les anotacions i diverses modalitats de How2Sign per explorar la cerca de vídeos en llengua de signes a partir de l’entrenament d’incrustacions multimodals. Finalment, al capítol 6, explorem la generació de vídeos en llengua de signes aplicant xarxes adversàries generatives al domini de la llengua de signes. Avaluem fins a quin punt els signants poden entendre els vídeos generats automàticament, proposant un nou protocol d’avaluació basat en les categories dins de How2Sign i la traducció dels vídeos a l’anglès escritLas lenguas de signos son lenguas completas y naturales que utilizan millones de personas de todo el mundo como modo de comunicación primero o preferido. Sin embargo, desgraciadamente, siguen siendo lenguas marginadas. Diseñar, construir y evaluar tecnologías que funcionen con las lenguas de signos presenta retos de investigación que requieren esfuerzos interdisciplinares y colaborativos. Los avances recientes en el aprendizaje automático y la inteligencia artificial (IA) pueden mejorar la accesibilidad tecnológica de los signantes, al tiempo que reducir la barrera de comunicación existente entre la comunidad sorda y las personas no signantes. Sin embargo, las tecnologías más modernas en IA todavía no consideran las lenguas de signos en sus interfaces con el usuario. Esto se debe principalmente a que las lenguas de signos son lenguajes visuales, que utilizan características manuales y no manuales para transmitir información, y carecen de una forma escrita estándar. Los principales objetivos de esta tesis son la creación de recursos multimodales a gran escala adecuados para entrenar modelos de aprendizaje automático para lenguas de signos, y desarrollar sistemas de visión por computador dirigidos a una mejor comprensión automática de las lenguas de signos. Así, en la Parte I presentamos la base de datos How2Sign, una gran colección multimodal y multivista de vídeos de lenguaje la lengua de signos estadounidense. En la Part II, contribuimos al desarrollo de tecnología para lenguas de signos, presentando en el capítulo 4 una solución para anotar signos automáticamente llamada Spot-Align, basada en métodos de localización de signos en secuencias continuas de signos. Después, presentamos las ventajas de esta solución y proporcionamos unos primeros resultados por la tarea de reconocimiento de la lengua de signos en la base de datos How2Sign. A continuación, en el capítulo 5 aprovechamos de las anotaciones y diversas modalidades de How2Sign para explorar la búsqueda de vídeos en lengua de signos a partir del entrenamiento de incrustaciones multimodales. Finalmente, en el capítulo 6, exploramos la generación de vídeos en lengua de signos aplicando redes adversarias generativas al dominio de la lengua de signos. Evaluamos hasta qué punto los signantes pueden entender los vídeos generados automáticamente, proponiendo un nuevo protocolo de evaluación basado en las categorías dentro de How2Sign y la traducción de los vídeos al inglés escrito.Teoria del Senyal i Comunicacion

Data and methods for a visual understanding of sign languages

Signed languages are complete and natural languages used as the first or preferred mode of communication by millions of people worldwide. However, they, unfortunately, continue to be marginalized languages. Designing, building, and evaluating models that work on sign languages presents compelling research challenges and requires interdisciplinary and collaborative efforts. The recent advances in Machine Learning (ML) and Artificial Intelligence (AI) has the power to enable better accessibility to sign language users and narrow down the existing communication barrier between the Deaf community and non-sign language users. However, recent AI-powered technologies still do not account for sign language in their pipelines. This is mainly because sign languages are visual languages, that use manual and non-manual features to convey information, and do not have a standard written form. Thus, the goal of this thesis is to contribute to the development of new technologies that account for sign language by creating large-scale multimodal resources suitable for training modern data-hungry machine learning models and developing automatic systems that focus on computer vision tasks related to sign language that aims at learning better visual understanding of sign languages. Thus, in Part I, we introduce the How2Sign dataset, which is a large-scale collection of multimodal and multiview sign language videos in American Sign Language. In Part II, we contribute to the development of technologies that account for sign languages by presenting in Chapter 4 a framework called Spot-Align, based on sign spotting methods, to automatically annotate sign instances in continuous sign language. We further present the benefits of this framework and establish a baseline for the sign language recognition task on the How2Sign dataset. In addition to that, in Chapter 5 we benefit from the different annotations and modalities of the How2Sign to explore sign language video retrieval by learning cross-modal embeddings. Later in Chapter 6, we explore sign language video generation by applying Generative Adversarial Networks to the sign language domain and assess if and how well sign language users can understand automatically generated sign language videos by proposing an evaluation protocol based on How2Sign topics and English translationLes llengües de signes són llengües completes i naturals que utilitzen milions de persones de tot el món com mode de comunicació primer o preferit. Tanmateix, malauradament, continuen essent llengües marginades. Dissenyar, construir i avaluar tecnologies que funcionin amb les llengües de signes presenta reptes de recerca que requereixen d’esforços interdisciplinaris i col·laboratius. Els avenços recents en l’aprenentatge automàtic i la intel·ligència artificial (IA) poden millorar l’accessibilitat tecnològica dels signants, i alhora reduir la barrera de comunicació existent entre la comunitat sorda i les persones no-signants. Tanmateix, les tecnologies més modernes en IA encara no consideren les llengües de signes en les seves interfícies amb l’usuari. Això es deu principalment a que les llengües de signes són llenguatges visuals, que utilitzen característiques manuals i no manuals per transmetre informació, i no tenen una forma escrita estàndard. Els objectius principals d’aquesta tesi són la creació de recursos multimodals a gran escala adequats per entrenar models d’aprenentatge automàtic per a llengües de signes, i desenvolupar sistemes de visió per computador adreçats a una millor comprensió automàtica de les llengües de signes. Així, a la Part I presentem la base de dades How2Sign, una gran col·lecció multimodal i multivista de vídeos de la llengua de signes nord-americana. A la Part II, contribuïm al desenvolupament de tecnologia per a llengües de signes, presentant al capítol 4 una solució per anotar signes automàticament anomenada Spot-Align, basada en mètodes de localització de signes en seqüències contínues de signes. Després, presentem els avantatges d’aquesta solució i proporcionem uns primers resultats per la tasca de reconeixement de la llengua de signes a la base de dades How2Sign. A continuació, al capítol 5 aprofitem de les anotacions i diverses modalitats de How2Sign per explorar la cerca de vídeos en llengua de signes a partir de l’entrenament d’incrustacions multimodals. Finalment, al capítol 6, explorem la generació de vídeos en llengua de signes aplicant xarxes adversàries generatives al domini de la llengua de signes. Avaluem fins a quin punt els signants poden entendre els vídeos generats automàticament, proposant un nou protocol d’avaluació basat en les categories dins de How2Sign i la traducció dels vídeos a l’anglès escritLas lenguas de signos son lenguas completas y naturales que utilizan millones de personas de todo el mundo como modo de comunicación primero o preferido. Sin embargo, desgraciadamente, siguen siendo lenguas marginadas. Diseñar, construir y evaluar tecnologías que funcionen con las lenguas de signos presenta retos de investigación que requieren esfuerzos interdisciplinares y colaborativos. Los avances recientes en el aprendizaje automático y la inteligencia artificial (IA) pueden mejorar la accesibilidad tecnológica de los signantes, al tiempo que reducir la barrera de comunicación existente entre la comunidad sorda y las personas no signantes. Sin embargo, las tecnologías más modernas en IA todavía no consideran las lenguas de signos en sus interfaces con el usuario. Esto se debe principalmente a que las lenguas de signos son lenguajes visuales, que utilizan características manuales y no manuales para transmitir información, y carecen de una forma escrita estándar. Los principales objetivos de esta tesis son la creación de recursos multimodales a gran escala adecuados para entrenar modelos de aprendizaje automático para lenguas de signos, y desarrollar sistemas de visión por computador dirigidos a una mejor comprensión automática de las lenguas de signos. Así, en la Parte I presentamos la base de datos How2Sign, una gran colección multimodal y multivista de vídeos de lenguaje la lengua de signos estadounidense. En la Part II, contribuimos al desarrollo de tecnología para lenguas de signos, presentando en el capítulo 4 una solución para anotar signos automáticamente llamada Spot-Align, basada en métodos de localización de signos en secuencias continuas de signos. Después, presentamos las ventajas de esta solución y proporcionamos unos primeros resultados por la tarea de reconocimiento de la lengua de signos en la base de datos How2Sign. A continuación, en el capítulo 5 aprovechamos de las anotaciones y diversas modalidades de How2Sign para explorar la búsqueda de vídeos en lengua de signos a partir del entrenamiento de incrustaciones multimodales. Finalmente, en el capítulo 6, exploramos la generación de vídeos en lengua de signos aplicando redes adversarias generativas al dominio de la lengua de signos. Evaluamos hasta qué punto los signantes pueden entender los vídeos generados automáticamente, proponiendo un nuevo protocolo de evaluación basado en las categorías dentro de How2Sign y la traducción de los vídeos al inglés escrito.Postprint (published version

Comparison of ALBAYZIN query-by-example spoken term detection 2012 and 2014 evaluations

Query-by-example spoken term detection (QbE STD) aims at retrieving data from a speech repository given an acoustic query containing the term of interest as input. Nowadays, it is receiving much interest due to the large volume of multimedia information. This paper presents the systems submitted to the ALBAYZIN QbE STD 2014 evaluation held as a part of the ALBAYZIN 2014 Evaluation campaign within the context of the IberSPEECH 2014 conference. This is the second QbE STD evaluation in Spanish, which allows us to evaluate the progress in this technology for this language. The evaluation consists in retrieving the speech files that contain the input queries, indicating the start and end times where the input queries were found, along with a score value that reflects the confidence given to the detection of the query. Evaluation is conducted on a Spanish spontaneous speech database containing a set of talks from workshops, which amount to about 7 h of speech. We present the database, the evaluation metric, the systems submitted to the evaluation, the results, and compare this second evaluation with the first ALBAYZIN QbE STD evaluation held in 2012. Four different research groups took part in the evaluations held in 2012 and 2014. In 2014, new multi-word and foreign queries were added to the single-word and in-language queries used in 2012. Systems submitted to the second evaluation are hybrid systems which integrate letter transcription- and template matching-based systems. Despite the significant improvement obtained by the systems submitted to this second evaluation compared to those of the first evaluation, results still show the difficulty of this task and indicate that there is still room for improvement.This research was funded by the Spanish Government ('SpeechTech4All Project' TEC2012 38939 C03 01 and 'CMC-V2 Project' TEC2012 37585 C02 01), the Galician Government through the research contract GRC2014/024 (Modalidade: Grupos de Referencia Competitiva 2014) and 'AtlantTIC Project' CN2012/160, and also by the Spanish Government and the European Regional Development Fund (ERDF) under project TACTICA

Dynamic Acoustic Unit Augmentation With BPE-Dropout for Low-Resource End-to-End Speech Recognition

With the rapid development of speech assistants, adapting server-intended automatic speech recognition (ASR) solutions to a direct device has become crucial. Researchers and industry prefer to use end-to-end ASR systems for on-device speech recognition tasks. This is because end-to-end systems can be made resource-efficient while maintaining a higher quality compared to hybrid systems. However, building end-to-end models requires a significant amount of speech data. Another challenging task associated with speech assistants is personalization, which mainly lies in handling out-of-vocabulary (OOV) words. In this work, we consider building an effective end-to-end ASR system in low-resource setups with a high OOV rate, embodied in Babel Turkish and Babel Georgian tasks. To address the aforementioned problems, we propose a method of dynamic acoustic unit augmentation based on the BPE-dropout technique. It non-deterministically tokenizes utterances to extend the token's contexts and to regularize their distribution for the model's recognition of unseen words. It also reduces the need for optimal subword vocabulary size search. The technique provides a steady improvement in regular and personalized (OOV-oriented) speech recognition tasks (at least 6% relative WER and 25% relative F-score) at no additional computational cost. Owing to the use of BPE-dropout, our monolingual Turkish Conformer established a competitive result with 22.2% character error rate (CER) and 38.9% word error rate (WER), which is close to the best published multilingual system.Comment: 16 pages, 7 figure

Pronunciation modelling in end-to-end text-to-speech synthesis

Sequence-to-sequence (S2S) models in text-to-speech synthesis (TTS) can achieve high-quality naturalness scores without extensive processing of text-input. Since S2S models have been proposed in multiple aspects of the TTS pipeline, the field has focused on embedding the pipeline toward End-to-End (E2E-) TTS where a waveform is predicted directly from a sequence of text or phone characters. Early work on E2ETTS in English, such as Char2Wav [1] and Tacotron [2], suggested that phonetisation (lexicon-lookup and/or G2P modelling) could be implicitly learnt in a text-encoder during training. The benefits of a learned text encoding include improved modelling of phonetic context, which make contextual linguistic features traditionally used in TTS pipelines redundant [3]. Subsequent work on E2E-TTS has since shown similar naturalness scores with text- or phone-input (e.g. as in [4]). Successful modelling of phonetic context has led some to question the benefit of using phone- instead of text-input altogether (see [5]). The use of text-input brings into question the value of the pronunciation lexicon in E2E-TTS. Without phone-input, a S2S encoder learns an implicit grapheme-tophoneme (G2P) model from text-audio pairs during training. With common datasets for E2E-TTS in English, I simulated implicit G2P models, finding increased error rates compared to a traditional, lexicon-based G2P model. Ultimately, successful G2P generalisation is difficult for some words (e.g. foreign words and proper names) since the knowledge to disambiguate their pronunciations may not be provided by the local grapheme context and may require knowledge beyond that contained in sentence-level text-audio sequences. When test stimuli were selected according to G2P difficulty, increased mispronunciations in E2E-TTS with text-input were observed. Following the proposed benefits of subword decomposition in S2S modelling in other language tasks (e.g. neural machine translation), the effects of morphological decomposition were investigated on pronunciation modelling. Learning of the French post-lexical phenomenon liaison was also evaluated. With the goal of an inexpensive, large-scale evaluation of pronunciation modelling, the reliability of automatic speech recognition (ASR) to measure TTS intelligibility was investigated. A re-evaluation of 6 years of results from the Blizzard Challenge was conducted. ASR reliably found similar significant differences between systems as paid listeners in controlled conditions in English. An analysis of transcriptions for words exhibiting difficult-to-predict G2P relations was also conducted. The E2E-ASR Transformer model used was found to be unreliable in its transcription of difficult G2P relations due to homophonic transcription and incorrect transcription of words with difficult G2P relations. A further evaluation of representation mixing in Tacotron finds pronunciation correction is possible when mixing text- and phone-inputs. The thesis concludes that there is still a place for the pronunciation lexicon in E2E-TTS as a pronunciation guide since it can provide assurances that G2P generalisation cannot