End-to-end Audiovisual Speech Activity Detection with Bimodal Recurrent Neural Models

Speech activity detection (SAD) plays an important role in current speech processing systems, including automatic speech recognition (ASR). SAD is particularly difficult in environments with acoustic noise. A practical solution is to incorporate visual information, increasing the robustness of the SAD approach. An audiovisual system has the advantage of being robust to different speech modes (e.g., whisper speech) or background noise. Recent advances in audiovisual speech processing using deep learning have opened opportunities to capture in a principled way the temporal relationships between acoustic and visual features. This study explores this idea proposing a \emph{bimodal recurrent neural network} (BRNN) framework for SAD. The approach models the temporal dynamic of the sequential audiovisual data, improving the accuracy and robustness of the proposed SAD system. Instead of estimating hand-crafted features, the study investigates an end-to-end training approach, where acoustic and visual features are directly learned from the raw data during training. The experimental evaluation considers a large audiovisual corpus with over 60.8 hours of recordings, collected from 105 speakers. The results demonstrate that the proposed framework leads to absolute improvements up to 1.2% under practical scenarios over a VAD baseline using only audio implemented with deep neural network (DNN). The proposed approach achieves 92.7% F1-score when it is evaluated using the sensors from a portable tablet under noisy acoustic environment, which is only 1.0% lower than the performance obtained under ideal conditions (e.g., clean speech obtained with a high definition camera and a close-talking microphone).Comment: Submitted to Speech Communicatio

Increase Apparent Public Speaking Fluency By Speech Augmentation

Fluent and confident speech is desirable to every speaker. But professional speech delivering requires a great deal of experience and practice. In this paper, we propose a speech stream manipulation system which can help non-professional speakers to produce fluent, professional-like speech content, in turn contributing towards better listener engagement and comprehension. We propose to achieve this task by manipulating the disfluencies in human speech, like the sounds 'uh' and 'um', the filler words and awkward long silences. Given any unrehearsed speech we segment and silence the filled pauses and doctor the duration of imposed silence as well as other long pauses ('disfluent') by a predictive model learned using professional speech dataset. Finally, we output a audio stream in which speaker sounds more fluent, confident and practiced compared to the original speech he/she recorded. According to our quantitative evaluation, we significantly increase the fluency of speech by reducing rate of pauses and fillers

High Performance Neural Networks for Online Speech Recognizer

Automatische Spracherkennung (engl. automatic speech recognition, ASR) beschreibt die Fähigkeit einer Maschine, Wörter und Ausdrücke gesprochener Sprache zu identifizieren und diese in ein für Menschen lesbares Format zu konvertieren. Die Anwendungen sind ein maßgeblicher Teil des digitalen Lebens bspw. wird der Dialog zwischen Mensch und Maschine oder ein Dialog zwischen Menschen, die unterschiedliche Muttersprachen sprechen, ermöglicht. Um diese Fähigkeit in vollem Maße zu gewährleisten, müssen ASR-Anwendungen nicht nur mit hoher Genauigkeit, sondern, für eine Interaktion mit einem Benutzer, auch schnell genug, antworten. Dieses Wechselspiel beider Bedingungen eröffnet das Forschungsgebiet der Online Speech Recognition, welche sich von der konventionellen Spracherkennung, die sich ausschließlich mit dem Problem der Genauigkeit befasst, unterscheidet. Schon über ein halbes Jahrhundert wird aktiv in der automatischen Spracherkennung geforscht. Verschiedene Muster- und Template-Matching-Methoden wurden bis Mitte 1980 erforscht, als das Hidden Markov Model (HMM) einen Durchbruch zur Lösung der Spracherkennungsaufgabe ermöglichte. Der HMM-Ansatz schafft ein allgemeines Framework, welches Schwankungen in der Zeit sowie Spektrums-Domäne der Sprache statistisch entkoppelt und modelliert. Ein HMM-basierter Erkenner wird auf eine komplexe Pipeline aufgesetzt, welche aus etlichen statistischen und nicht-statistischen Komponenten, wie bspw. einem Aussprachewörterbuch, HMM-Topologien, Phonem-Cluster-Bäumen, einem akustischen Modell und einem Sprachmodell, besteht. Durch aktuelle Fortschritte bei künstlichen neuronalen Netzen (KNN) für die akustische sowie sprachliche Modellierung dominiert der hybride HMM/KNN-Ansatz in unterschiedlichen ASR-Anwendungen. In den letzten Jahren hat die Einführung komplett neuronaler Ende-zu-Ende Spracherkennungssystems, welche eine neuronale Netzwerkarchitektur verwenden, um die direkt Abbildung eines akustischen Signals zu einer textuellen Transkription zu approximieren, großes Interesse auf sich gezogen. Die Vorteile des Ende-zu-Ende-Ansatzes liegen in der Einfachheit des Trainings eines kompletten Spracherkennungssystems, wobei die komplexe Struktur einer HMM-basierten Pipeline entfällt. Gleichzeitig benötigt die Ende-zu-Ende ASR oft eine wesentlich größere Trainingsdatenmenge und es ist eine größere Herausforderung ein Ende-zu-Ende Modell so anzupassen, dass es auf einer neuen Aufgabe gut abschneidet. Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung eines hoch-performanten Spracherkennungssystems für ein Online- und Streaming-Szenario. Der Autor erreichte dies durch ein Vorgehen in zwei Schritten. Im ersten Schritt wurden vielfältige Techniken im HMM-KNN- und Ende-zu-Ende-Paradigma angewandt, um ein hoch-performantes System im Batch-Mode zu bauen. Batch-Mode bedeutet, dass die vollständigen Audiodaten beim Start der Verarbeitung zur Verfügung stehen. Im zweiten Schritt wurden effiziente Anpassungen untersucht, die einem hoch-performanten Batch-Mode-System ermöglichen Inferenzen online bzw. fortlaufend durchzuführen. Gleichzeitig wurden neuartige Algorithmen zu Reduktion der wahrgenommenen Latenz, welche das kritischste Problem von online Spracherkennern ist, entwickelt. Erster Schritt. Die vorgestellte Techniken, die auf hochperformante Ergebnisse abzielen, können anhand deren Position in der Spracherkennungs-Pipeline, wie Merkmalsextraktion und Daten-Augmentierung, kategorisiert werden. Bevor Sprachsignale eine digitale Form annehmen, sind sie als Ergebnis der Faltung mehrere Frequenzkomponenten in einem großen Dynamikumfang bekannt. Diese Merkmale können drastisch durch natürliche Faktoren, wie bspw. unterschiedliche Sprecher, Umgebungen order Aufnahmegeräte, beeinflusst werden. Die große Varianz der Sprachsignale verursacht typischerweise die Diskrepanz zwischen Training und Test und kann die Erkennungsleistung drastisch verschlechtern. Diese Diskrepanz gehen wir durch zwei high-level Ansätze, welche auf Neuronalen Netzen basieren, in der Merkmalsextraktion an. Wir zeigten, dass auf tiefe neuronale Netze (DNN) basierte akustische Modelle, die mittels dieser Sprecher-angepasster Merkmale trainiert wurden, in Bezug auf die Wortfehlerrate (WER) relativ, bis zu 19% besser abschneiden, als herkömmliche Merkmalsextraktionen. Im zweiten Ansatz wird ein Long short-term memory (LSTM) Netzwerk, das mittels Connectionist Temporal Classification (CTC) Kriterium auf Phon-Labeln trainiert wurde, als High-Level Merkmals-Transformation verwendet. Die Kombination der aus dem CTC-Netzwerk extrahierten Merkmale und der Bottleneck-Merkmale ergab einen effizienten Merkmalsraum, der ein DNN-basiertes akustisches Modell ein starkes CTC-basierendes Baseline Modell mit deutlichem Vorsprung übertreffen ließ. Darüber hinaus zeigten wir, dass die Verwendung einer Standard Cepstral Mean und Varianz Normalisierung (CMVN) als low-level Merkmalsextraktion in einer potenziellen Diskrepanz von Offline Training und Online Test resultiert und schlugen eine Lineare Diskriminaz Analyse (LDA), die auf linearer Transformation basiert, als Ersatz vor. Daten-Augmentierung wurde in der Spracherkennung verwendet, um zusätzliche Trainingsdaten zu generieren und so die Qualität der Trainingsdaten zu erhöhen. Diese Technik verbessert die Robustheit des Modells und verhindert Overfitting. Wir zeigten, dass Overfitting das kritischste Problem beim Training eines Ende-zu-Ende Sequence-to-sequence (S2S) Modells für die Spracherkennungsaufgabe ist und stellten zwei neuartige on-the-fly Daten-Augmentierungsmethoden als Lösung vor. Die erste Methode (dynamic time stretching) simuliert den Effekt von Geschwindigkeitsänderungen durch eine direkte Manipulation der zeitlichen Folge an Frequenzvektoren durch eine Echtzeit-Interpolationsfunktion. In der zweiten Methode zeigten wir eine effiziente Strategie, um gesprochene Sätze on-the-fly zu sub-samplen und so die Trainingsdatenmenge mit mehrere Varianten eines einzelnen Samples zu vergrößern. Wir zeigten, dass diese Methoden sehr effizient sind, um Overfitting zu vermeiden und die Kombination mit der SpecAugment-Methode aus der Literatur verbesserte die Leistung des vorgestellten S2S-Modells zu einem State-of-the-Art auf dem Benchmark für Telefongespräche. Zweiter Schritt. Wir zeigten, dass die vorgestellten Hoch-leistungs-Batch-Mode ASR Systeme des hybriden (HMM/KNN) und Ende-zu-Ende Paradigmas die Anforderungen in einer online bzw. realen Situation, durch zusätzliche Anpassungen und Inferenz-Techniken, erfüllen. Weder der üblicherweise verwendete Echtzeitfaktor, noch die Commitment-Latenz sind ausreichend, um die vom Benutzer wahrgenommene Latenz aufzuzeigen. Wir stellten eine neuartige und effiziente Methode zur Messung der vom Benutzer wahrgenommenen Latenz in einer Online- und Streaming-Situation vor. Wir zeigten weiter auf, dass ein fortlaufender HMM/KNN Erkenner entweder für den Latenzhöchstwert oder die mittlere Latenz optimiert werden sollte, um das Nutzererlebnis zu verbessern. Um die Latenzmetrik zu optimieren, führten wir einen Mechanismus ein (Hypothese Update), welcher erlaubt hypothetische Transkripte früh zum Benutzer zu schicken und diese später teilweise zu korrigieren. In Experimenten in einer realen Situation in der Vorlesungspräsentations-Domäne konnte gezeigt werden, dass dieses Vorgehen die Wort-basierte Latenz unseres Erkenners stark reduziert, d.h. von 2,10 auf 1,09 Sekunden. Das Sequence-to-sequence (S2S) Attention-basiertes Modell ist für Ende-zu-Ende Spracherkennung zunehmend beliebt geworden. Etliche Vorteile der Architektur und der Optimierung eines S2S-Modells wurde vorgestellt, um State-of-the-Art Ergebnisse auf Standard-Benchmarks zu erreichen. Wie S2S-Modelle mit ihrem Batch-Mode Kapazität aber für eine online Spracherkennung gebraucht werden können, ist dennoch eine offene Forschungsfrage. Wir näherten uns diesem Problem, indem wir die Latenzprobleme, die durch die normale Softmax-Attention Funktion, bidirektionale Encoder und die Inferenz mit Strahlensuche verursacht wurden, analysierten. Wir nahmen uns all dieser Latenzprobleme in einem an, in dem wir einen zusätzlichen Trainings-Loss, um die Unsicherheit der Attention-Funktion auf Frames auf die vorausgeblickt wird, und einen neuartigen Inferenz-Algorithmus, der partielle Hypothesen bestimmt, vorstellen. Unsere Experimente auf dem Datensatz mit Telefongesprächen zeigten, dass unser Stream-Erkenner, mit einer Verzögerung von 1,5~Sekunden für alle Ausgabeelemente, in vollem Umfang die Performanz eines Batch-Mode-Systems derselben Konfiguration erreicht. Nach bestem Wissen ist dies das erste Mal, dass ein S2S-Spracherkennungsmodell in einer online Situation ohne Einbußen in der Genauigkeit genutzt werden kann

Neural approaches to spoken content embedding

Comparing spoken segments is a central operation to speech processing. Traditional approaches in this area have favored frame-level dynamic programming algorithms, such as dynamic time warping, because they require no supervision, but they are limited in performance and efficiency. As an alternative, acoustic word embeddings -- fixed-dimensional vector representations of variable-length spoken word segments -- have begun to be considered for such tasks as well. However, the current space of such discriminative embedding models, training approaches, and their application to real-world downstream tasks is limited. We start by considering ``single-view" training losses where the goal is to learn an acoustic word embedding model that separates same-word and different-word spoken segment pairs. Then, we consider ``multi-view" contrastive losses. In this setting, acoustic word embeddings are learned jointly with embeddings of character sequences to generate acoustically grounded embeddings of written words, or acoustically grounded word embeddings. In this thesis, we contribute new discriminative acoustic word embedding (AWE) and acoustically grounded word embedding (AGWE) approaches based on recurrent neural networks (RNNs). We improve model training in terms of both efficiency and performance. We take these developments beyond English to several low-resource languages and show that multilingual training improves performance when labeled data is limited. We apply our embedding models, both monolingual and multilingual, to the downstream tasks of query-by-example speech search and automatic speech recognition. Finally, we show how our embedding approaches compare with and complement more recent self-supervised speech models.Comment: PhD thesi

Dynamic Predictions of Thermal Heating and Cooling of Silicon Wafer

Neural Networks are now emerging in every industry. All the industries are trying their best to exploit the benefits of neural networks and deep learning to make predictions or simulate their ongoing process with the use of their generated data. The purpose of this report is to study the heating pattern of a silicon wafer and make predictions using various machine learning techniques. The heating of the silicon wafer involves various factors ranging from number of lamps, wafer properties and points taken in consideration to capture the heating temperature. This process involves dynamic inputs which facilitates the heating of the silicon wafer to make an IC chip. In this research, LSTMs (Long Short Term Memory) and RNNs (Recurrent Neural Network) have been used with the time series. This problem comes under the Multivariate time series analysis where time factor is taken into account as the heating goes on. This study includes the wafer heating pattern recognition, implementing LSTM and findings which leads to advancement of the silicon wafer heating so that manufacturing firms can identify heating anomalies and adjust inout parameters in their heating recipes to get the best yield. Also, these findings help to simulate the wafer heating by inputting the input parameters to get the surface temperature of the silicon wafer so that process engineers can build a fair idea of the recipe adjustments beforehand to get the best yield. The technical implementation done in this comprises use of Keras and sklearn libraries to use the machine learning capability via Python

Albayzin 2018 Evaluation: The IberSpeech-RTVE Challenge on Speech Technologies for Spanish Broadcast Media

The IberSpeech-RTVE Challenge presented at IberSpeech 2018 is a new Albayzin evaluation series supported by the Spanish Thematic Network on Speech Technologies (Red Temática en Tecnologías del Habla (RTTH)). That series was focused on speech-to-text transcription, speaker diarization, and multimodal diarization of television programs. For this purpose, the Corporacion Radio Television Española (RTVE), the main public service broadcaster in Spain, and the RTVE Chair at the University of Zaragoza made more than 500 h of broadcast content and subtitles available for scientists. The dataset included about 20 programs of different kinds and topics produced and broadcast by RTVE between 2015 and 2018. The programs presented different challenges from the point of view of speech technologies such as: the diversity of Spanish accents, overlapping speech, spontaneous speech, acoustic variability, background noise, or specific vocabulary. This paper describes the database and the evaluation process and summarizes the results obtained