Adaptation of speech recognition systems to selected real-world deployment conditions

Tato habilitační práce se zabývá problematikou adaptace systémů rozpoznávání řeči na vybrané reálné podmínky nasazení. Je koncipována jako sborník celkem dvanácti článků, které se touto problematikou zabývají. Jde o publikace, jejichž jsem hlavním autorem nebo spoluatorem, a které vznikly v rámci několika navazujících výzkumných projektů. Na řešení těchto projektů jsem se podílel jak v roli člena výzkumného týmu, tak i v roli řešitele nebo spoluřešitele. Publikace zařazené do tohoto sborníku lze rozdělit podle tématu do tří hlavních skupin. Jejich společným jmenovatelem je snaha přizpůsobit daný rozpoznávací systém novým podmínkám či konkrétnímu faktoru, který významným způsobem ovlivňuje jeho funkci či přesnost. První skupina článků se zabývá úlohou neřízené adaptace na mluvčího, kdy systém přizpůsobuje svoje parametry specifickým hlasovým charakteristikám dané mluvící osoby. Druhá část práce se pak věnuje problematice identifikace neřečových událostí na vstupu do systému a související úloze rozpoznávání řeči s hlukem (a zejména hudbou) na pozadí. Konečně třetí část práce se zabývá přístupy, které umožňují přepis audio signálu obsahujícího promluvy ve více než v jednom jazyce. Jde o metody adaptace existujícího rozpoznávacího systému na nový jazyk a metody identifikace jazyka z audio signálu. Obě zmíněné identifikační úlohy jsou přitom vyšetřovány zejména v náročném a méně probádaném režimu zpracování po jednotlivých rámcích vstupního signálu, který je jako jediný vhodný pro on-line nasazení, např. pro streamovaná data.This habilitation thesis deals with adaptation of automatic speech recognition (ASR) systems to selected real-world deployment conditions. It is presented in the form of a collection of twelve articles dealing with this task; I am the main author or a co-author of these articles. They were published during my work on several consecutive research projects. I have participated in the solution of them as a member of the research team as well as the investigator or a co-investigator. These articles can be divided into three main groups according to their topics. They have in common the effort to adapt a particular ASR system to a specific factor or deployment condition that affects its function or accuracy. The first group of articles is focused on an unsupervised speaker adaptation task, where the ASR system adapts its parameters to the specific voice characteristics of one particular speaker. The second part deals with a) methods allowing the system to identify non-speech events on the input, and b) the related task of recognition of speech with non-speech events, particularly music, in the background. Finally, the third part is devoted to the methods that allow the transcription of an audio signal containing multilingual utterances. It includes a) approaches for adapting the existing recognition system to a new language and b) methods for identification of the language from the audio signal. The two mentioned identification tasks are in particular investigated under the demanding and less explored frame-wise scenario, which is the only one suitable for processing of on-line data streams

Neural Networks for Document Image and Text Processing

Nowadays, the main libraries and document archives are investing a considerable effort on digitizing their collections. Indeed, most of them are scanning the documents and publishing the resulting images without their corresponding transcriptions. This seriously limits the document exploitation possibilities. When the transcription is necessary, it is manually performed by human experts, which is a very expensive and error-prone task. Obtaining transcriptions to the level of required quality demands the intervention of human experts to review and correct the resulting output of the recognition engines. To this end, it is extremely useful to provide interactive tools to obtain and edit the transcription. Although text recognition is the final goal, several previous steps (known as preprocessing) are necessary in order to get a fine transcription from a digitized image. Document cleaning, enhancement, and binarization (if they are needed) are the first stages of the recognition pipeline. Historical Handwritten Documents, in addition, show several degradations, stains, ink-trough and other artifacts. Therefore, more sophisticated and elaborate methods are required when dealing with these kind of documents, even expert supervision in some cases is needed. Once images have been cleaned, main zones of the image have to be detected: those that contain text and other parts such as images, decorations, versal letters. Moreover, the relations among them and the final text have to be detected. Those preprocessing steps are critical for the final performance of the system since an error at this point will be propagated during the rest of the transcription process. The ultimate goal of the Document Image Analysis pipeline is to receive the transcription of the text (Optical Character Recognition and Handwritten Text Recognition). During this thesis we aimed to improve the main stages of the recognition pipeline, from the scanned documents as input to the final transcription. We focused our effort on applying Neural Networks and deep learning techniques directly on the document images to extract suitable features that will be used by the different tasks dealt during the following work: Image Cleaning and Enhancement (Document Image Binarization), Layout Extraction, Text Line Extraction, Text Line Normalization and finally decoding (or text line recognition). As one can see, the following work focuses on small improvements through the several Document Image Analysis stages, but also deals with some of the real challenges: historical manuscripts and documents without clear layouts or very degraded documents. Neural Networks are a central topic for the whole work collected in this document. Different convolutional models have been applied for document image cleaning and enhancement. Connectionist models have been used, as well, for text line extraction: first, for detecting interest points and combining them in text segments and, finally, extracting the lines by means of aggregation techniques; and second, for pixel labeling to extract the main body area of the text and then the limits of the lines. For text line preprocessing, i.e., to normalize the text lines before recognizing them, similar models have been used to detect the main body area and then to height-normalize the images giving more importance to the central area of the text. Finally, Convolutional Neural Networks and deep multilayer perceptrons have been combined with hidden Markov models to improve our transcription engine significantly. The suitability of all these approaches has been tested with different corpora for any of the stages dealt, giving competitive results for most of the methodologies presented.Hoy en día, las principales librerías y archivos está invirtiendo un esfuerzo considerable en la digitalización de sus colecciones. De hecho, la mayoría están escaneando estos documentos y publicando únicamente las imágenes sin transcripciones, limitando seriamente la posibilidad de explotar estos documentos. Cuando la transcripción es necesaria, esta se realiza normalmente por expertos de forma manual, lo cual es una tarea costosa y propensa a errores. Si se utilizan sistemas de reconocimiento automático se necesita la intervención de expertos humanos para revisar y corregir la salida de estos motores de reconocimiento. Por ello, es extremadamente útil para proporcionar herramientas interactivas con el fin de generar y corregir la transcripciones. Aunque el reconocimiento de texto es el objetivo final del Análisis de Documentos, varios pasos previos (preprocesamiento) son necesarios para conseguir una buena transcripción a partir de una imagen digitalizada. La limpieza, mejora y binarización de las imágenes son las primeras etapas del proceso de reconocimiento. Además, los manuscritos históricos tienen una mayor dificultad en el preprocesamiento, puesto que pueden mostrar varios tipos de degradaciones, manchas, tinta a través del papel y demás dificultades. Por lo tanto, este tipo de documentos requiere métodos de preprocesamiento más sofisticados. En algunos casos, incluso, se precisa de la supervisión de expertos para garantizar buenos resultados en esta etapa. Una vez que las imágenes han sido limpiadas, las diferentes zonas de la imagen deben de ser localizadas: texto, gráficos, dibujos, decoraciones, letras versales, etc. Por otra parte, también es importante conocer las relaciones entre estas entidades. Estas etapas del pre-procesamiento son críticas para el rendimiento final del sistema, ya que los errores cometidos en aquí se propagarán al resto del proceso de transcripción. El objetivo principal del trabajo presentado en este documento es mejorar las principales etapas del proceso de reconocimiento completo: desde las imágenes escaneadas hasta la transcripción final. Nuestros esfuerzos se centran en aplicar técnicas de Redes Neuronales (ANNs) y aprendizaje profundo directamente sobre las imágenes de los documentos, con la intención de extraer características adecuadas para las diferentes tareas: Limpieza y Mejora de Documentos, Extracción de Líneas, Normalización de Líneas de Texto y, finalmente, transcripción del texto. Como se puede apreciar, el trabajo se centra en pequeñas mejoras en diferentes etapas del Análisis y Procesamiento de Documentos, pero también trata de abordar tareas más complejas: manuscritos históricos, o documentos que presentan degradaciones. Las ANNs y el aprendizaje profundo son uno de los temas centrales de esta tesis. Diferentes modelos neuronales convolucionales se han desarrollado para la limpieza y mejora de imágenes de documentos. También se han utilizado modelos conexionistas para la extracción de líneas: primero, para detectar puntos de interés y segmentos de texto y, agregarlos para extraer las líneas del documento; y en segundo lugar, etiquetando directamente los píxeles de la imagen para extraer la zona central del texto y así definir los límites de las líneas. Para el preproceso de las líneas de texto, es decir, la normalización del texto antes del reconocimiento final, se han utilizado modelos similares a los mencionados para detectar la zona central del texto. Las imagenes se rescalan a una altura fija dando más importancia a esta zona central. Por último, en cuanto a reconocimiento de escritura manuscrita, se han combinado técnicas de ANNs y aprendizaje profundo con Modelos Ocultos de Markov, mejorando significativamente los resultados obtenidos previamente por nuestro motor de reconocimiento. La idoneidad de todos estos enfoques han sido testeados con diferentes corpus en cada una de las tareas tratadas., obtenieAvui en dia, les principals llibreries i arxius històrics estan invertint un esforç considerable en la digitalització de les seues col·leccions de documents. De fet, la majoria estan escanejant aquests documents i publicant únicament les imatges sense les seues transcripcions, fet que limita seriosament la possibilitat d'explotació d'aquests documents. Quan la transcripció del text és necessària, normalment aquesta és realitzada per experts de forma manual, la qual cosa és una tasca costosa i pot provocar errors. Si s'utilitzen sistemes de reconeixement automàtic es necessita la intervenció d'experts humans per a revisar i corregir l'eixida d'aquests motors de reconeixement. Per aquest motiu, és extremadament útil proporcionar eines interactives amb la finalitat de generar i corregir les transcripcions generades pels motors de reconeixement. Tot i que el reconeixement del text és l'objectiu final de l'Anàlisi de Documents, diversos passos previs (coneguts com preprocessament) són necessaris per a l'obtenció de transcripcions acurades a partir d'imatges digitalitzades. La neteja, millora i binarització de les imatges (si calen) són les primeres etapes prèvies al reconeixement. A més a més, els manuscrits històrics presenten una major dificultat d'analisi i preprocessament, perquè poden mostrar diversos tipus de degradacions, taques, tinta a través del paper i altres peculiaritats. Per tant, aquest tipus de documents requereixen mètodes de preprocessament més sofisticats. En alguns casos, fins i tot, es precisa de la supervisió d'experts per a garantir bons resultats en aquesta etapa. Una vegada que les imatges han sigut netejades, les diferents zones de la imatge han de ser localitzades: text, gràfics, dibuixos, decoracions, versals, etc. D'altra banda, també és important conéixer les relacions entre aquestes entitats i el text que contenen. Aquestes etapes del preprocessament són crítiques per al rendiment final del sistema, ja que els errors comesos en aquest moment es propagaran a la resta del procés de transcripció. L'objectiu principal del treball que estem presentant és millorar les principals etapes del procés de reconeixement, és a dir, des de les imatges escanejades fins a l'obtenció final de la transcripció del text. Els nostres esforços se centren en aplicar tècniques de Xarxes Neuronals (ANNs) i aprenentatge profund directament sobre les imatges de documents, amb la intenció d'extraure característiques adequades per a les diferents tasques analitzades: neteja i millora de documents, extracció de línies, normalització de línies de text i, finalment, transcripció. Com es pot apreciar, el treball realitzat aplica xicotetes millores en diferents etapes de l'Anàlisi de Documents, però també tracta d'abordar tasques més complexes: manuscrits històrics, o documents que presenten degradacions. Les ANNs i l'aprenentatge profund són un dels temes centrals d'aquesta tesi. Diferents models neuronals convolucionals s'han desenvolupat per a la neteja i millora de les dels documents. També s'han utilitzat models connexionistes per a la tasca d'extracció de línies: primer, per a detectar punts d'interés i segments de text i, agregar-los per a extraure les línies del document; i en segon lloc, etiquetant directament els pixels de la imatge per a extraure la zona central del text i així definir els límits de les línies. Per al preprocés de les línies de text, és a dir, la normalització del text abans del reconeixement final, s'han utilitzat models similars als utilitzats per a l'extracció de línies. Finalment, quant al reconeixement d'escriptura manuscrita, s'han combinat tècniques de ANNs i aprenentatge profund amb Models Ocults de Markov, que han millorat significativament els resultats obtinguts prèviament pel nostre motor de reconeixement. La idoneïtat de tots aquests enfocaments han sigut testejats amb diferents corpus en cadascuna de les tasques tractadPastor Pellicer, J. (2017). Neural Networks for Document Image and Text Processing [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90443TESI

Guidage non-intrusif d'un bras robotique à l'aide d'un bracelet myoélectrique à électrode sèche

Depuis plusieurs années la robotique est vue comme une solution clef pour améliorer la qualité de vie des personnes ayant subi une amputation. Pour créer de nouvelles prothèses intelligentes qui peuvent être facilement intégrées à la vie quotidienne et acceptée par ces personnes, celles-ci doivent être non-intrusives, fiables et peu coûteuses. L’électromyographie de surface fournit une interface intuitive et non intrusive basée sur l’activité musculaire de l’utilisateur permettant d’interagir avec des robots. Cependant, malgré des recherches approfondies dans le domaine de la classification des signaux sEMG, les classificateurs actuels manquent toujours de fiabilité, car ils ne sont pas robustes face au bruit à court terme (par exemple, petit déplacement des électrodes, fatigue musculaire) ou à long terme (par exemple, changement de la masse musculaire et des tissus adipeux) et requiert donc de recalibrer le classifieur de façon périodique. L’objectif de mon projet de recherche est de proposer une interface myoélectrique humain-robot basé sur des algorithmes d’apprentissage par transfert et d’adaptation de domaine afin d’augmenter la fiabilité du système à long-terme, tout en minimisant l’intrusivité (au niveau du temps de préparation) de ce genre de système. L’aspect non intrusif est obtenu en utilisant un bracelet à électrode sèche possédant dix canaux. Ce bracelet (3DC Armband) est de notre (Docteur Gabriel Gagnon-Turcotte, mes co-directeurs et moi-même) conception et a été réalisé durant mon doctorat. À l’heure d’écrire ces lignes, le 3DC Armband est le bracelet sans fil pour l’enregistrement de signaux sEMG le plus performant disponible. Contrairement aux dispositifs utilisant des électrodes à base de gel qui nécessitent un rasage de l’avant-bras, un nettoyage de la zone de placement et l’application d’un gel conducteur avant l’utilisation, le brassard du 3DC peut simplement être placé sur l’avant-bras sans aucune préparation. Cependant, cette facilité d’utilisation entraîne une diminution de la qualité de l’information du signal. Cette diminution provient du fait que les électrodes sèches obtiennent un signal plus bruité que celle à base de gel. En outre, des méthodes invasives peuvent réduire les déplacements d’électrodes lors de l’utilisation, contrairement au brassard. Pour remédier à cette dégradation de l’information, le projet de recherche s’appuiera sur l’apprentissage profond, et plus précisément sur les réseaux convolutionels. Le projet de recherche a été divisé en trois phases. La première porte sur la conception d’un classifieur permettant la reconnaissance de gestes de la main en temps réel. La deuxième porte sur l’implémentation d’un algorithme d’apprentissage par transfert afin de pouvoir profiter des données provenant d’autres personnes, permettant ainsi d’améliorer la classification des mouvements de la main pour un nouvel individu tout en diminuant le temps de préparation nécessaire pour utiliser le système. La troisième phase consiste en l’élaboration et l’implémentation des algorithmes d’adaptation de domaine et d’apprentissage faiblement supervisé afin de créer un classifieur qui soit robuste au changement à long terme.For several years, robotics has been seen as a key solution to improve the quality of life of people living with upper-limb disabilities. To create new, smart prostheses that can easily be integrated into everyday life, they must be non-intrusive, reliable and inexpensive. Surface electromyography provides an intuitive interface based on a user’s muscle activity to interact with robots. However, despite extensive research in the field of sEMG signal classification, current classifiers still lack reliability due to their lack of robustness to short-term (e.g. small electrode displacement, muscle fatigue) or long-term (e.g. change in muscle mass and adipose tissue) noise. In practice, this mean that to be useful, classifier needs to be periodically re-calibrated, a time consuming process. The goal of my research project is to proposes a human-robot myoelectric interface based on transfer learning and domain adaptation algorithms to increase the reliability of the system in the long term, while at the same time reducing the intrusiveness (in terms of hardware and preparation time) of this kind of systems. The non-intrusive aspect is achieved from a dry-electrode armband featuring ten channels. This armband, named the 3DC Armband is from our (Dr. Gabriel Gagnon-Turcotte, my co-directors and myself) conception and was realized during my doctorate. At the time of writing, the 3DC Armband offers the best performance for currently available dry-electrodes, surface electromyographic armbands. Unlike gel-based electrodes which require intrusive skin preparation (i.e. shaving, cleaning the skin and applying conductive gel), the 3DC Armband can simply be placed on the forearm without any preparation. However, this ease of use results in a decrease in the quality of information. This decrease is due to the fact that the signal recorded by dry electrodes is inherently noisier than gel-based ones. In addition, other systems use invasive methods (intramuscular electromyography) to capture a cleaner signal and reduce the source of noises (e.g. electrode shift). To remedy this degradation of information resulting from the non-intrusiveness of the armband, this research project will rely on deep learning, and more specifically on convolutional networks. The research project was divided into three phases. The first is the design of a classifier allowing the recognition of hand gestures in real-time. The second is the implementation of a transfer learning algorithm to take advantage of the data recorded across multiple users, thereby improving the system’s accuracy, while decreasing the time required to use the system. The third phase is the development and implementation of a domain adaptation and self-supervised learning to enhance the classifier’s robustness to long-term changes