Advances in Binary and Multiclass Audio Segmentation with Deep Learning Techniques

Los avances tecnológicos acaecidos en la última década han cambiado completamente la forma en la que la población interactúa con el contenido multimedia. Esto ha propiciado un aumento significativo tanto en la generación como el consumo de dicho contenido. El análisis y la anotación manual de toda esta información no son factibles dado el gran volumen actual, lo que releva la necesidad de herramientas automáticas que ayuden en la transición hacia flujos de trabajo asistidos o parcialmente automáticos. En los últimos años, la mayoría de estas herramientas están basadas en el uso de redes neuronales y deep learning. En este contexto, el trabajo que se describe en esta tesis se centra en el ámbito de la extracción de información a partir de señales de audio. Particularmente, se estudia la tarea de segmentación de audio, cuyo principal objetivo es obtener una secuencia de etiquetas que aíslen diferentes regiones en una señal de entrada de acuerdo con una serie de características descritas en un conjunto predefinido de clases, como por ejemplo voz, música o ruido.La primera parte de esta memoria esta centrada en la tarea de detección de actividad de voz. Recientemente, diferentes campañas de evaluación internacionales han propuesto esta tarea como uno de sus retos. Entre ellas se encuentra el reto Fearless steps, que trabaja con audios de las grabaciones de las misiones Apollo de la NASA. Para este reto, se propone una solución basada en aprendizaje supervisado usando una red convolucional recurrente como clasificador. La principal contribución es un método que combina información de filtros de 1D y 2D en la etapa convolucional para que sea procesada posteriormente por la etapa recurrente. Motivado por la introducción de los datos del reto Fearless steps, se plantea una evaluación de diferentes técnicas de adaptación de dominio, con el objetivo de comprobar las prestaciones de un sistema entrenado con datos de dominios habituales y evaluado en este nuevo dominio presentado en el reto. Los métodos descritos no requieren de etiquetas en el dominio objetivo, lo que facilita su uso en aplicaciones prácticas. En términos generales, se observa que los métodos que buscan minimizar el cambio en las distribuciones estadísticas entre los dominios fuente y objetivo obtienen los resultados mas prometedores. Los avances recientes en técnicas de representación obtenidas mediante aprendizaje auto-supervisado han demostrado grandes mejoras en prestaciones en varias tareas relacionadas con el procesado de voz. Siguiendo esta línea, se plantea la incorporación de dichas representaciones en la tarea de detección de actividad de voz. Las ediciones más recientes del reto Fearless steps modificaron su propósito, buscando ahora evaluar las capacidades de generalización de los sistemas. El objetivo entonces con las técnicas introducidas es poder beneficiarse de grandes cantidades de datos no etiquetados para mejorar la robustez del sistema. Los resultados experimentales sugieren que el aprendizaje auto-supervisado de representaciones permite obtener sistemas que son mucho menos sensibles al cambio de dominio.En la segunda parte de este documento se analiza una tarea de segmentación de audio más genérica que busca clasificar de manera simultanea una señal de audio como voz, música, ruido o una combinación de estas. En el contexto de los datos propuesto para el reto de segmentación de audio Albayzín 2010, se presenta un enfoque basado en el uso de redes neuronales recurrentes como clasificador principal, y un modelo de postprocesado integrado por modelos ocultos de Markov. Se introduce un nuevo bloque en la arquitectura neuronal con el objetivo de eliminar la información temporal redundante, mejorando las prestaciones y reduciendo el numero de operaciones por segundo al mismo tiempo. Esta propuesta obtuvo mejores prestaciones que soluciones presentadas anteriormenteen la literatura, y que aproximaciones similares basadas en redes neuronales profundas. Mientras que los resultados con aprendizaje auto-supervisado de representaciones eran prometedores en tareas de segmentación binaria, si se aplican en tareas de segmentación multiclase surgen una serie de cuestiones. Las técnicas habituales de aumento de datos que se aplican en el entrenamiento fuerzan al modelo a compensar el ruido de fondo o la música. En estas condiciones las características obtenidas podrían no representar de manera precisa aquellas clases generadas de manera similar a las versiones aumentadas vistas en el entrenamiento. Este hecho limita la mejora global de prestaciones observada al aplicar estas técnicas en tareas como la propuesta en la evaluación Albayzín 2010.La última parte de este trabajo ha investigado la aplicación de nuevas funciones de coste en la tarea de segmentación de audio, con el principal objetivo de mitigar los problemas que se derivan de utilizar un conjunto de datos de entrenamiento limitado. Se ha demostrado que nuevas técnicas de optimización basadas en las métricas AUC y AUC parcial pueden mejorar objetivos de entrenamiento tradicionales como la entropía cruzada en varias tareas de detección. Con esta idea en mente, en esta tesis se introducen dichas técnicas en la tarea de detección de música. Considerando que la cantidad de datos etiquetados para esta tarea es limitada comparado con otras tareas, las funciones de coste basadas en la métrica AUC se aplican con el objetivo de mejorar las prestaciones cuando el conjunto de datos de entrenamiento es relativamente pequeño. La mayoría de los sistemas que utilizan las técnicas de optimización basadas en métricas AUC se limitan a tareas binarias ya que ese el ámbito de aplicación habitual de la métrica AUC. Además, el etiquetado de audios con taxonomías más detalladas en las que hay múltiples opciones posibles es más complejo, por lo que la cantidad de audio etiquetada en algunas tareas de segmentación multiclase es limitada. Como una extensión natural, se propone una generalización de las técnicas de optimización basadas en la métrica AUC binaria, de tal manera que se puedan aplicar con un número arbitrario de clases. Dos funciones de coste distintas se introducen, usando como base para su formulación las variaciones multiclase de la métrica AUC propuestas en la literatura: una basada en un enfoque uno contra uno, y otra basada en un enfoque uno contra el resto.<br /

Deep Learning for Audio Signal Processing

Given the recent surge in developments of deep learning, this article provides a review of the state-of-the-art deep learning techniques for audio signal processing. Speech, music, and environmental sound processing are considered side-by-side, in order to point out similarities and differences between the domains, highlighting general methods, problems, key references, and potential for cross-fertilization between areas. The dominant feature representations (in particular, log-mel spectra and raw waveform) and deep learning models are reviewed, including convolutional neural networks, variants of the long short-term memory architecture, as well as more audio-specific neural network models. Subsequently, prominent deep learning application areas are covered, i.e. audio recognition (automatic speech recognition, music information retrieval, environmental sound detection, localization and tracking) and synthesis and transformation (source separation, audio enhancement, generative models for speech, sound, and music synthesis). Finally, key issues and future questions regarding deep learning applied to audio signal processing are identified.Comment: 15 pages, 2 pdf figure

Syväoppiminen puhutun kielen tunnistamisessa

This thesis applies deep learning based classification techniques to identify natural languages from speech. The primary motivation behind this thesis is to implement accurate techniques for segmenting multimedia materials by the languages spoken in them. Several existing state-of-the-art, deep learning based approaches are discussed and a subset of the discussed approaches are selected for quantitative experimentation. The selected model architectures are trained on several well-known spoken language identification datasets containing several different languages. Segmentation granularity varies between models, some supporting input audio lengths of 0.2 seconds, while others require 10 second long input to make a language decision. Results from the thesis experiments show that an unsupervised representation of acoustic units, produced by a deep sequence-to-sequence auto encoder, cannot reach the language identification performance of a supervised representation, produced by a multilingual phoneme recognizer. Contrary to most existing results, in this thesis, acoustic-phonetic language classifiers trained on labeled spectral representations outperform phonotactic classifiers trained on bottleneck features of a multilingual phoneme recognizer. More work is required, using transcribed datasets and automatic speech recognition techniques, to investigate why phoneme embeddings did not outperform simple, labeled spectral features. While an accurate online language segmentation tool for multimedia materials could not be constructed, the work completed in this thesis provides several insights for building feasible, modern spoken language identification systems. As a side-product of the experiments performed during this thesis, a free open source spoken language identification software library called "lidbox" was developed, allowing future experiments to begin where the experiments of this thesis end.Tämä diplomityö keskittyy soveltamaan syviä neuroverkkomalleja luonnollisten kielien automaattiseen tunnistamiseen puheesta. Tämän työn ensisijainen tavoite on toteuttaa tarkka menetelmä multimediamateriaalien ositteluun niissä esiintyvien puhuttujen kielien perusteella. Työssä tarkastellaan useampaa jo olemassa olevaa neuroverkkoihin perustuvaa lähestymistapaa, joista valitaan alijoukko tarkempaan tarkasteluun, kvantitatiivisten kokeiden suorittamiseksi. Valitut malliarkkitehtuurit koulutetaan käyttäen eri puhetietokantoja, sisältäen useampia eri kieliä. Kieliosittelun hienojakoisuus vaihtelee käytettyjen mallien mukaan, 0,2 sekunnista 10 sekuntiin, riippuen kuinka pitkän aikaikkunan perusteella malli pystyy tuottamaan kieliennusteen. Diplomityön aikana suoritetut kokeet osoittavat, että sekvenssiautoenkoodaajalla ohjaamattomasti löydetty puheen diskreetti akustinen esitysmuoto ei ole riittävä kielen tunnistamista varten, verrattuna foneemitunnistimen tuottamaan, ohjatusti opetettuun foneemiesitysmuotoon. Tässä työssä havaittiin, että akustisfoneettiset kielentunnistusmallit saavuttavat korkeamman kielentunnistustarkkuuden kuin foneemiesitysmuotoa käyttävät kielentunnistusmallit, mikä eroaa monista kirjallisuudessa esitetyistä tuloksista. Diplomityön tutkimuksia on jatkettava, esimerkiksi litteroituja puhetietokantoja ja puheentunnistusmenetelmiä käyttäen, jotta pystyttäisiin selittämään miksi foneemimallin tuottamalla esitysmuodolla ei saatu parempia tuloksia kuin yksinkertaisemmalla, taajuusspektrin esitysmuodolla. Tämän työn aikana puhutun kielen tunnistaminen osoittautui huomattavasti haasteellisemmaksi kuin mitä työn alussa oli arvioitu, eikä työn aikana onnistuttu toteuttamaan tarpeeksi tarkkaa multimediamateriaalien kielienosittelumenetelmää. Tästä huolimatta, työssä esitetyt lähestymistavat tarjoavat toimivia käytännön menetelmiä puhutun kielen tunnistamiseen tarkoitettujen, modernien järjestelmien rakentamiseksi. Tämän diplomityön sivutuotteena syntyi myös puhutun kielen tunnistamiseen tarkoitettu avoimen lähdekoodin kirjasto nimeltä "lidbox", jonka ansiosta tämän työn kvantitatiivisia kokeita voi jatkaa siitä, mihin ne tämän työn päätteeksi jäivät

Wildlife Communication

This report contains a progress report for the ph.d. project titled “Wildlife Communication”. The project focuses on investigating how signal processing and pattern recognition can be used to improve wildlife management in agriculture. Wildlife management systems used today experience habituation from wild animals which makes them ineffective. An intelligent wildlife management system could monitor its own effectiveness and alter its scaring strategy based on this

A detection-based pattern recognition framework and its applications

The objective of this dissertation is to present a detection-based pattern recognition framework and demonstrate its applications in automatic speech recognition and broadcast news video story segmentation. Inspired by the studies of modern cognitive psychology and real-world pattern recognition systems, a detection-based pattern recognition framework is proposed to provide an alternative solution for some complicated pattern recognition problems. The primitive features are first detected and the task-specific knowledge hierarchy is constructed level by level; then a variety of heterogeneous information sources are combined together and the high-level context is incorporated as additional information at certain stages. A detection-based framework is a â divide-and-conquerâ design paradigm for pattern recognition problems, which will decompose a conceptually difficult problem into many elementary sub-problems that can be handled directly and reliably. Some information fusion strategies will be employed to integrate the evidence from a lower level to form the evidence at a higher level. Such a fusion procedure continues until reaching the top level. Generally, a detection-based framework has many advantages: (1) more flexibility in both detector design and fusion strategies, as these two parts can be optimized separately; (2) parallel and distributed computational components in primitive feature detection. In such a component-based framework, any primitive component can be replaced by a new one while other components remain unchanged; (3) incremental information integration; (4) high level context information as additional information sources, which can be combined with bottom-up processing at any stage. This dissertation presents the basic principles, criteria, and techniques for detector design and hypothesis verification based on the statistical detection and decision theory. In addition, evidence fusion strategies were investigated in this dissertation. Several novel detection algorithms and evidence fusion methods were proposed and their effectiveness was justified in automatic speech recognition and broadcast news video segmentation system. We believe such a detection-based framework can be employed in more applications in the future.Ph.D.Committee Chair: Lee, Chin-Hui; Committee Member: Clements, Mark; Committee Member: Ghovanloo, Maysam; Committee Member: Romberg, Justin; Committee Member: Yuan, Min

Deep Neural Network Architectures for Large-scale, Robust and Small-Footprint Speaker and Language Recognition

Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Escuela Politécnica Superior, Departamento de Tecnología Electrónica y de las Comunicaciones. Fecha de lectura : 27-04-2017Artificial neural networks are powerful learners of the information embedded in speech signals. They can provide compact, multi-level, nonlinear representations of temporal sequences and holistic optimization algorithms capable of surpassing former leading paradigms. Artificial neural networks are, therefore, a promising technology that can be used to enhance our ability to recognize speakers and languages–an ability increasingly in demand in the context of new, voice-enabled interfaces used today by millions of users. The aim of this thesis is to advance the state-of-the-art of language and speaker recognition through the formulation, implementation and empirical analysis of novel approaches for large-scale and portable speech interfaces. Its major contributions are: (1) novel, compact network architectures for language and speaker recognition, including a variety of network topologies based on fully-connected, recurrent, convolutional, and locally connected layers; (2) a bottleneck combination strategy for classical and neural network approaches for long speech sequences; (3) the architectural design of the first, public, multilingual, large vocabulary continuous speech recognition system; and (4) a novel, end-to-end optimization algorithm for text-dependent speaker recognition that is applicable to a range of verification tasks. Experimental results have demonstrated that artificial neural networks can substantially reduce the number of model parameters and surpass the performance of previous approaches to language and speaker recognition, particularly in the cases of long short-term memory recurrent networks (used to model the input speech signal), end-to-end optimization algorithms (used to predict languages or speakers), short testing utterances, and large training data collections.Las redes neuronales artificiales son sistemas de aprendizaje capaces de extraer la información embebida en las señales de voz. Son capaces de modelar de forma eficiente secuencias temporales complejas, con información no lineal y distribuida en distintos niveles semanticos, mediante el uso de algoritmos de optimización integral con la capacidad potencial de mejorar los sistemas aprendizaje automático existentes. Las redes neuronales artificiales son, pues, una tecnología prometedora para mejorar el reconocimiento automático de locutores e idiomas; siendo el reconocimiento de de locutores e idiomas, tareas con cada vez más demanda en los nuevos sistemas de control por voz, que ya utilizan millones de personas. Esta tesis tiene como objetivo la mejora del estado del arte de las tecnologías de reconocimiento de locutor y de idioma mediante la formulación, implementación y análisis empírico de nuevos enfoques basados en redes neuronales, aplicables a dispositivos portátiles y a su uso en gran escala. Las principales contribuciones de esta tesis incluyen la propuesta original de: (1) arquitecturas eficientes que hacen uso de capas neuronales densas, localmente densas, recurrentes y convolucionales; (2) una nueva estrategia de combinación de enfoques clásicos y enfoques basados en el uso de las denominadas redes de cuello de botella; (3) el diseño del primer sistema público de reconocimiento de voz, de vocabulario abierto y continuo, que es además multilingüe; y (4) la propuesta de un nuevo algoritmo de optimización integral para tareas de reconocimiento de locutor, aplicable también a otras tareas de verificación. Los resultados experimentales extraídos de esta tesis han demostrado que las redes neuronales artificiales son capaces de reducir el número de parámetros usados por los algoritmos de reconocimiento tradicionales, así como de mejorar el rendimiento de dichos sistemas de forma substancial. Dicha mejora relativa puede acentuarse a través del modelado de voz mediante redes recurrentes de memoria a largo plazo, el uso de algoritmos de optimización integral, el uso de locuciones de evaluation de corta duración y mediante la optimización del sistema con grandes cantidades de datos de entrenamiento

Phonologically-Informed Speech Coding for Automatic Speech Recognition-based Foreign Language Pronunciation Training

Automatic speech recognition (ASR) and computer-assisted pronunciation training (CAPT) systems used in foreign-language educational contexts are often not developed with the specific task of second-language acquisition in mind. Systems that are built for this task are often excessively targeted to one native language (L1) or a single phonemic contrast and are therefore burdensome to train. Current algorithms have been shown to provide erroneous feedback to learners and show inconsistencies between human and computer perception. These discrepancies have thus far hindered more extensive application of ASR in educational systems. This thesis reviews the computational models of the human perception of American English vowels for use in an educational context; exploring and comparing two types of acoustic representation: a low-dimensionality linguistically-informed formant representation and more traditional Mel frequency cepstral coefficients (MFCCs). We first compare two algorithms for phoneme classification (support vector machines and long short-term memory recurrent neural networks) trained on American English vowel productions from the TIMIT corpus. We then conduct a perceptual study of non-native English vowel productions perceived by native American English speakers. We compare the results of the computational experiment and the human perception experiment to assess human/model agreement. Dissimilarities between human and model classification are explored. More phonologically-informed audio signal representations should create a more human-aligned, less L1-dependent vowel classification system with higher interpretability that can be further refined with more phonetic- and/or phonological-based research. Results show that linguistically-informed speech coding produces results that better align with human classification, supporting use of the proposed coding for ASR-based CAPT

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

Multinomial logistic regression probability ratio-based feature vectors for Malay vowel recognition

Vowel Recognition is a part of automatic speech recognition (ASR) systems that classifies speech signals into groups of vowels. The performance of Malay vowel recognition (MVR) like any multiclass classification problem depends largely on Feature Vectors (FVs). FVs such as Mel-frequency Cepstral Coefficients (MFCC) have produced high error rates due to poor phoneme information. Classifier transformed probabilistic features have proved a better alternative in conveying phoneme information. However, the high dimensionality of the probabilistic features introduces additional complexity that deteriorates ASR performance. This study aims to improve MVR performance by proposing an algorithm that transforms MFCC FVs into a new set of features using Multinomial Logistic Regression (MLR) to reduce the dimensionality of the probabilistic features. This study was carried out in four phases which are pre-processing and feature extraction, best regression coefficients generation, feature transformation, and performance evaluation. The speech corpus consists of 1953 samples of five Malay vowels of /a/, /e/, /i/, /o/ and /u/ recorded from students of two public universities in Malaysia. Two sets of algorithms were developed which are DBRCs and FELT. DBRCs algorithm determines the best regression coefficients (DBRCs) to obtain the best set of regression coefficients (RCs) from the extracted 39-MFCC FVs through resampling and data swapping approach. FELT algorithm transforms 39-MFCC FVs using logistic transformation method into FELT FVs. Vowel recognition rates of FELT and 39-MFCC FVs were compared using four different classification techniques of Artificial Neural Network, MLR, Linear Discriminant Analysis, and k-Nearest Neighbour. Classification results showed that FELT FVs surpass the performance of 39-MFCC FVs in MVR. Depending on the classifiers used, the improved performance of 1.48% - 11.70% was attained by FELT over MFCC. Furthermore, FELT significantly improved the recognition accuracy of vowels /o/ and /u/ by 5.13% and 8.04% respectively. This study contributes two algorithms for determining the best set of RCs and generating FELT FVs from MFCC. The FELT FVs eliminate the need for dimensionality reduction with comparable performances. Furthermore, FELT FVs improved MVR for all the five vowels especially /o/ and /u/. The improved MVR performance will spur the development of Malay speech-based systems, especially for the Malaysian community