Improving large vocabulary continuous speech recognition by combining GMM-based and reservoir-based acoustic modeling

In earlier work we have shown that good phoneme recognition is possible with a so-called reservoir, a special type of recurrent neural network. In this paper, different architectures based on Reservoir Computing (RC) for large vocabulary continuous speech recognition are investigated. Besides experiments with HMM hybrids, it is shown that a RC-HMM tandem can achieve the same recognition accuracy as a classical HMM, which is a promising result for such a fairly new paradigm. It is also demonstrated that a state-level combination of the scores of the tandem and the baseline HMM leads to a significant improvement over the baseline. A word error rate reduction of the order of 20\% relative is possible

Deep learning as a tool for neural data analysis: Speech classification and cross-frequency coupling in human sensorimotor cortex.

A fundamental challenge in neuroscience is to understand what structure in the world is represented in spatially distributed patterns of neural activity from multiple single-trial measurements. This is often accomplished by learning a simple, linear transformations between neural features and features of the sensory stimuli or motor task. While successful in some early sensory processing areas, linear mappings are unlikely to be ideal tools for elucidating nonlinear, hierarchical representations of higher-order brain areas during complex tasks, such as the production of speech by humans. Here, we apply deep networks to predict produced speech syllables from a dataset of high gamma cortical surface electric potentials recorded from human sensorimotor cortex. We find that deep networks had higher decoding prediction accuracy compared to baseline models. Having established that deep networks extract more task relevant information from neural data sets relative to linear models (i.e., higher predictive accuracy), we next sought to demonstrate their utility as a data analysis tool for neuroscience. We first show that deep network's confusions revealed hierarchical latent structure in the neural data, which recapitulated the underlying articulatory nature of speech motor control. We next broadened the frequency features beyond high-gamma and identified a novel high-gamma-to-beta coupling during speech production. Finally, we used deep networks to compare task-relevant information in different neural frequency bands, and found that the high-gamma band contains the vast majority of information relevant for the speech prediction task, with little-to-no additional contribution from lower-frequency amplitudes. Together, these results demonstrate the utility of deep networks as a data analysis tool for basic and applied neuroscience

Hidden Markov models and neural networks for speech recognition

The Hidden Markov Model (HMMs) is one of the most successful modeling approaches for acoustic events in speech recognition, and more recently it has proven useful for several problems in biological sequence analysis. Although the HMM is good at capturing the temporal nature of processes such as speech, it has a very limited capacity for recognizing complex patterns involving more than first order dependencies in the observed data sequences. This is due to the first order state process and the assumption of state conditional independence between observations. Artificial Neural Networks (NNs) are almost the opposite: they cannot model dynamic, temporally extended phenomena very well, but are good at static classification and regression tasks. Combining the two frameworks in a sensible way can therefore lead to a more powerful model with better classification abilities. The overall aim of this work has been to develop a probabilistic hybrid of hidden Markov models and neural networks and ..

Modelo acústico de língua inglesa falada por portugueses

Trabalho de projecto de mestrado em Engenharia Informática, apresentado à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2007No contexto do reconhecimento robusto de fala baseado em modelos de Markov não observáveis (do inglês Hidden Markov Models - HMMs) este trabalho descreve algumas metodologias e experiências tendo em vista o reconhecimento de oradores estrangeiros. Quando falamos em Reconhecimento de Fala falamos obrigatoriamente em Modelos Acústicos também. Os modelos acústicos reflectem a maneira como pronunciamos/articulamos uma língua, modelando a sequência de sons emitidos aquando da fala. Essa modelação assenta em segmentos de fala mínimos, os fones, para os quais existe um conjunto de símbolos/alfabetos que representam a sua pronunciação. É no campo da fonética articulatória e acústica que se estuda a representação desses símbolos, sua articulação e pronunciação. Conseguimos descrever palavras analisando as unidades que as constituem, os fones. Um reconhecedor de fala interpreta o sinal de entrada, a fala, como uma sequência de símbolos codificados. Para isso, o sinal é fragmentado em observações de sensivelmente 10 milissegundos cada, reduzindo assim o factor de análise ao intervalo de tempo onde as características de um segmento de som não variam. Os modelos acústicos dão-nos uma noção sobre a probabilidade de uma determinada observação corresponder a uma determinada entidade. É, portanto, através de modelos sobre as entidades do vocabulário a reconhecer que é possível voltar a juntar esses fragmentos de som. Os modelos desenvolvidos neste trabalho são baseados em HMMs. Chamam-se assim por se fundamentarem nas cadeias de Markov (1856 - 1922): sequências de estados onde cada estado é condicionado pelo seu anterior. Localizando esta abordagem no nosso domínio, há que construir um conjunto de modelos - um para cada classe de sons a reconhecer - que serão treinados por dados de treino. Os dados são ficheiros áudio e respectivas transcrições (ao nível da palavra) de modo a que seja possível decompor essa transcrição em fones e alinhá-la a cada som do ficheiro áudio correspondente. Usando um modelo de estados, onde cada estado representa uma observação ou segmento de fala descrita, os dados vão-se reagrupando de maneira a criar modelos estatísticos, cada vez mais fidedignos, que consistam em representações das entidades da fala de uma determinada língua. O reconhecimento por parte de oradores estrangeiros com pronuncias diferentes da língua para qual o reconhecedor foi concebido, pode ser um grande problema para precisão de um reconhecedor. Esta variação pode ser ainda mais problemática que a variação dialectal de uma determinada língua, isto porque depende do conhecimento que cada orador têm relativamente à língua estrangeira. Usando para uma pequena quantidade áudio de oradores estrangeiros para o treino de novos modelos acústicos, foram efectuadas diversas experiências usando corpora de Portugueses a falar Inglês, de Português Europeu e de Inglês. Inicialmente foi explorado o comportamento, separadamente, dos modelos de Ingleses nativos e Portugueses nativos, quando testados com os corpora de teste (teste com nativos e teste com não nativos). De seguida foi treinado um outro modelo usando em simultâneo como corpus de treino, o áudio de Portugueses a falar Inglês e o de Ingleses nativos. Uma outra experiência levada a cabo teve em conta o uso de técnicas de adaptação, tal como a técnica MLLR, do inglês Maximum Likelihood Linear Regression. Esta última permite a adaptação de uma determinada característica do orador, neste caso o sotaque estrangeiro, a um determinado modelo inicial. Com uma pequena quantidade de dados representando a característica que se quer modelar, esta técnica calcula um conjunto de transformações que serão aplicadas ao modelo que se quer adaptar. Foi também explorado o campo da modelação fonética onde estudou-se como é que o orador estrangeiro pronuncia a língua estrangeira, neste caso um Português a falar Inglês. Este estudo foi feito com a ajuda de um linguista, o qual definiu um conjunto de fones, resultado do mapeamento do inventário de fones do Inglês para o Português, que representam o Inglês falado por Portugueses de um determinado grupo de prestígio. Dada a grande variabilidade de pronúncias teve de se definir este grupo tendo em conta o nível de literacia dos oradores. Este estudo foi posteriormente usado na criação de um novo modelo treinado com os corpora de Portugueses a falar Inglês e de Portugueses nativos. Desta forma representamos um reconhecedor de Português nativo onde o reconhecimento de termos ingleses é possível. Tendo em conta a temática do reconhecimento de fala este projecto focou também a recolha de corpora para português europeu e a compilação de um léxico de Português europeu. Na área de aquisição de corpora o autor esteve envolvido na extracção e preparação dos dados de fala telefónica, para posterior treino de novos modelos acústicos de português europeu. Para compilação do léxico de português europeu usou-se um método incremental semi-automático. Este método consistiu em gerar automaticamente a pronunciação de grupos de 10 mil palavras, sendo cada grupo revisto e corrigido por um linguista. Cada grupo de palavras revistas era posteriormente usado para melhorar as regras de geração automática de pronunciações.The tremendous growth of technology has increased the need of integration of spoken language technologies into our daily applications, providing an easy and natural access to information. These applications are of different nature with different user’s interfaces. Besides voice enabled Internet portals or tourist information systems, automatic speech recognition systems can be used in home user’s experiences where TV and other appliances could be voice controlled, discarding keyboards or mouse interfaces, or in mobile phones and palm-sized computers for a hands-free and eyes-free manipulation. The development of these systems causes several known difficulties. One of them concerns the recognizer accuracy on dealing with non-native speakers with different phonetic pronunciations of a given language. The non-native accent can be more problematic than a dialect variation on the language. This mismatch depends on the individual speaking proficiency and speaker’s mother tongue. Consequently, when the speaker’s native language is not the same as the one that was used to train the recognizer, there is a considerable loss in recognition performance. In this thesis, we examine the problem of non-native speech in a speaker-independent and large-vocabulary recognizer in which a small amount of non-native data was used for training. Several experiments were performed using Hidden Markov models, trained with speech corpora containing European Portuguese native speakers, English native speakers and English spoken by European Portuguese native speakers. Initially it was explored the behaviour of an English native model and non-native English speakers’ model. Then using different corpus weights for the English native speakers and English spoken by Portuguese speakers it was trained a model as a pool of accents. Through adaptation techniques it was used the Maximum Likelihood Linear Regression method. It was also explored how European Portuguese speakers pronounce English language studying the correspondences between the phone sets of the foreign and target languages. The result was a new phone set, consequence of the mapping between the English and the Portuguese phone sets. Then a new model was trained with English Spoken by Portuguese speakers’ data and Portuguese native data. Concerning the speech recognition subject this work has other two purposes: collecting Portuguese corpora and supporting the compilation of a Portuguese lexicon, adopting some methods and algorithms to generate automatic phonetic pronunciations. The collected corpora was processed in order to train acoustic models to be used in the Exchange 2007 domain, namely in Outlook Voice Access

Whole Word Phonetic Displays for Speech Articulation Training

The main objective of this dissertation is to investigate and develop speech recognition technologies for speech training for people with hearing impairments. During the course of this work, a computer aided speech training system for articulation speech training was also designed and implemented. The speech training system places emphasis on displays to improve children\u27s pronunciation of isolated Consonant-Vowel-Consonant (CVC) words, with displays at both the phonetic level and whole word level. This dissertation presents two hybrid methods for combining Hidden Markov Models (HMMs) and Neural Networks (NNs) for speech recognition. The first method uses NN outputs as posterior probability estimators for HMMs. The second method uses NNs to transform the original speech features to normalized features with reduced correlation. Based on experimental testing, both of the hybrid methods give higher accuracy than standard HMM methods. The second method, using the NN to create normalized features, outperforms the first method in terms of accuracy. Several graphical displays were developed to provide real time visual feedback to users, to help them to improve and correct their pronunciations

Phonetic Error Analysis Beyond Phone Error Rate

In this article, we analyse the performance of the TIMIT-based phone recognition systems beyond the overall phone error rate (PER) metric. We consider three broad phonetic classes (BPCs): {affricate, diphthong, fricative, nasal, plosive, semi-vowel, vowel, silence}, {consonant, vowel, silence} and {voiced, unvoiced, silence} and, calculate the contribution of each phonetic class in terms of the substitution, deletion, insertion and PER. Furthermore, for each BPC we investigate the following: evolution of PER during training, effect of noise (NTIMIT), importance of different spectral subbands (1, 2, 4, and 8 kHz), usefulness of bidirectional vs unidirectional sequential modelling, transfer learning from WSJ and regularisation via monophones. In addition, we construct a confusion matrix for each BPC and analyse the confusions via dimensionality reduction to 2D at the input (acoustic features) and output (logits) levels of the acoustic model. We also compare the performance and confusion matrices of the BLSTM-based hybrid baseline system with those of the GMM-HMM based hybrid, Conformer and wav2vec 2.0 based end-to-end phone recognisers. Finally, the relationship of the unweighted and weighted PERs with the broad phonetic class priors is studied for both the hybrid and end-to-end systems