VOICE BIOMETRICS UNDER MISMATCHED NOISE CONDITIONS

This thesis describes research into effective voice biometrics (speaker recognition) under mismatched noise conditions. Over the last two decades, this class of biometrics has been the subject of considerable research due to its various applications in such areas as telephone banking, remote access control and surveillance. One of the main challenges associated with the deployment of voice biometrics in practice is that of undesired variations in speech characteristics caused by environmental noise. Such variations can in turn lead to a mismatch between the corresponding test and reference material from the same speaker. This is found to adversely affect the performance of speaker recognition in terms of accuracy. To address the above problem, a novel approach is introduced and investigated. The proposed method is based on minimising the noise mismatch between reference speaker models and the given test utterance, and involves a new form of Test-Normalisation (T-Norm) for further enhancing matching scores under the aforementioned adverse operating conditions. Through experimental investigations, based on the two main classes of speaker recognition (i.e. verification/ open-set identification), it is shown that the proposed approach can significantly improve the performance accuracy under mismatched noise conditions. In order to further improve the recognition accuracy in severe mismatch conditions, an approach to enhancing the above stated method is proposed. This, which involves providing a closer adjustment of the reference speaker models to the noise condition in the test utterance, is shown to considerably increase the accuracy in extreme cases of noisy test data. Moreover, to tackle the computational burden associated with the use of the enhanced approach with open-set identification, an efficient algorithm for its realisation in this context is introduced and evaluated. The thesis presents a detailed description of the research undertaken, describes the experimental investigations and provides a thorough analysis of the outcomes

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

Open-set Speaker Identification

This study is motivated by the growing need for effective extraction of intelligence and evidence from audio recordings in the fight against crime, a need made ever more apparent with the recent expansion of criminal and terrorist organisations. The main focus is to enhance open-set speaker identification process within the speaker identification systems, which are affected by noisy audio data obtained under uncontrolled environments such as in the street, in restaurants or other places of businesses. Consequently, two investigations are initially carried out including the effects of environmental noise on the accuracy of open-set speaker recognition, which thoroughly cover relevant conditions in the considered application areas, such as variable training data length, background noise and real world noise, and the effects of short and varied duration reference data in open-set speaker recognition. The investigations led to a novel method termed “vowel boosting” to enhance the reliability in speaker identification when operating with varied duration speech data under uncontrolled conditions. Vowels naturally contain more speaker specific information. Therefore, by emphasising this natural phenomenon in speech data, it enables better identification performance. The traditional state-of-the-art GMM-UBMs and i-vectors are used to evaluate “vowel boosting”. The proposed approach boosts the impact of the vowels on the speaker scores, which improves the recognition accuracy for the specific case of open-set identification with short and varied duration of speech material