Introducing non-linear analysis into sustained speech characterization to improve sleep apnea detection

The final publication is available at Springer via http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-25020-0_28Proceedings of 5th International Conference on Nonlinear Speech Processing, NOLISP 2011, Las Palmas de Gran Canaria (Spain)We present a novel approach for detecting severe obstructive sleep apnea (OSA) cases by introducing non-linear analysis into sustained speech characterization. The proposed scheme was designed for providing additional information into our baseline system, built on top of state-of-the-art cepstral domain modeling techniques, aiming to improve accuracy rates. This new information is lightly correlated with our previous MFCC modeling of sustained speech and uncorrelated with the information in our continuous speech modeling scheme. Tests have been performed to evaluate the improvement for our detection task, based on sustained speech as well as combined with a continuous speech classifier, resulting in a 10% relative reduction in classification for the first and a 33% relative reduction for the fused scheme. Results encourage us to consider the existence of non-linear effects on OSA patients’ voices, and to think about tools which could be used to improve short-time analysis.The activities described in this paper were funded by the Spanish Ministry of Science and Innovation as part of the TEC2009-14719-C02-02 (PriorSpeech) project

A Fast Gradient Approximation for Nonlinear Blind Signal Processing

When dealing with nonlinear blind processing algorithms (deconvolution or post-nonlinear source separation), complex mathematical estimations must be done giving as a result very slow algorithms. This is the case, for example, in speech processing, spike signals deconvolution or microarray data analysis. In this paper, we propose a simple method to reduce computational time for the inversion of Wiener systems or the separation of post-nonlinear mixtures, by using a linear approximation in a minimum mutual information algorithm. Simulation results demonstrate that linear spline interpolation is fast and accurate, obtaining very good results (similar to those obtained without approximation) while computational time is dramatically decreased. On the other hand, cubic spline interpolation also obtains similar good results, but due to its intrinsic complexity, the global algorithm is much more slow and hence not useful for our purpose

Voice Disorder Classification Based on Multitaper Mel Frequency Cepstral Coefficients Features

The Mel Frequency Cepstral Coefficients (MFCCs) are widely used in order to extract essential information from a voice signal and became a popular feature extractor used in audio processing. However, MFCC features are usually calculated from a single window (taper) characterized by large variance. This study shows investigations on reducing variance for the classification of two different voice qualities (normal voice and disordered voice) using multitaper MFCC features. We also compare their performance by newly proposed windowing techniques and conventional single-taper technique. The results demonstrate that adapted weighted Thomson multitaper method could distinguish between normal voice and disordered voice better than the results done by the conventional single-taper (Hamming window) technique and two newly proposed windowing methods. The multitaper MFCC features may be helpful in identifying voices at risk for a real pathology that has to be proven later

Reconeixement afectiu automàtic mitjançant l'anàlisi de paràmetres acústics i lingüístics de la parla espontània

Aquesta tesi aborda el reconeixement automàtic d'emocions espontànies basat en l'anàlisi del senyal de veu. Es realitza dins del Grup de recerca de Tecnologies Mèdia d’Enginyeria i Arquitectura La Salle, tenint el seu origen en un moment en el qual existeixen obertes diverses línies de recerca relacionades amb la síntesi afectiva però cap d’elles relacionada amb la seva anàlisi. La motivació és millorar la interacció persona-màquina aportant un mòdul d'anàlisi en l'entrada dels sistemes que permeti, posteriorment, generar una resposta adequada a través dels mòduls de síntesis en la sortida dels mateixos. El focus d'atenció se situa en l'expressivitat afectiva, intentant dotar d'habilitats d'intel•ligència emocional a sistemes d'intel•ligència artificial amb l'objectiu d'aconseguir que la interacció persona-màquina s'assembli, en la major mesura possible, a la comunicació humana. En primer lloc es realitza una anàlisi preliminar basada en locucions gravades en condicions ideals. L'expressivitat vocal en aquest cas és actuada i els enregistraments responen a un guió previ que determina a priori l'etiqueta que descriu el contingut afectiu de les mateixes. Si bé aquest no és el paradigma de la interacció en un entorn realista, aquest primer pas serveix per provar les primeres aproximacions a la parametrització dels corpus, els mètodes de selecció de paràmetres i la seva utilitat en l'optimització dels procediments, així com la viabilitat de considerar el sistema de reconeixement afectiu com un exercici de classificació categòrica. Així mateix, permet comparar els resultats obtinguts en aquest escenari amb els que s'obtenen posteriorment en l'escenari realista. Si bé pot considerar-se que la utilitat d'un marc de treball com l'aquí proposat manca d'interès més enllà de l’exercici de comprovació citat, en aquesta tesi es proposa un sistema basat en aquest plantejament la finalitat del qual és la validació automàtica d'un corpus de veu expressiva destinat a síntesi, ja que en síntesi sí és necessari que el corpus estigui gravat en condicions òptimes posat perquè serà emprat per a la generació de noves locucions. En segon lloc la tesi aprofundeix en l'anàlisi del corpus FAU Aibo, un corpus multilocutor de veu expressiva espontània gravat en alemany a partir d'interaccions naturals d'un grup de nens i nenes amb un robot dotat d'un micròfon. En aquest cas el plantejament és completament diferent a l'anterior partint de la definició del propi corpus, en el qual les locucions no responen a un guió previ i les etiquetes afectives s'assignen posteriorment a partir de l'avaluació subjectiva de les mateixes. Així mateix, el grau d'expressivitat emocional d'aquestes locucions és inferior al de les gravades per un actor o una actriu perquè que són espontànies i les emocions, atès que es generen de forma natural, no responen necessàriament a una definició prototípica. Tot això sense considerar que les condicions d'enregistrament no són les mateixes que les que s'obtindrien en un estudi d'enregistrament professional. En aquest escenari els resultats són molt diferents als obtinguts en l'escenari anterior raó per la qual es fa necessari un estudi més detallat. En aquest sentit es plantegen dues parametritzacions, una a nivell acústic i una altra a nivell lingüístic, ja que la segona podria no veure's tan afectada pels elements que poden degradar la primera, tals com a soroll o altres artefactes. Es proposen diferents sistemes de classificació de complexitat variable malgrat que, sovint, els sistemes més senzills produeixen resultats adequats. També es proposen diferents agrupacions de paràmetres intentant aconseguir un conjunt de dades el més petit possible que sigui capaç de dur a terme un reconeixement afectiu automàtic de forma eficaç. Els resultats obtinguts en l'anàlisi de les expressions espontànies posen de manifest la complexitat del problema tractat i es corresponen amb valors inferiors als obtinguts a partir de corpus gravats en condicions ideals. No obstant això, els esquemes proposats aconsegueixen obtenir resultats que superen els publicats a data d’avui en estudis realitzats en condicions anàlogues i obren, per tant, la porta a recerques futures en aquest àmbit.Esta tesis aborda el reconocimiento automático de emociones espontáneas basado en el análisis de la señal de voz. Se realiza dentro del Grup de recerca de Tecnologies Mèdia de Enginyeria i Arquitectura La Salle, teniendo su origen en un momento en el que existen abiertas varias líneas de investigación relacionadas con la síntesis afectiva pero ninguna relacionada con su análisis. La motivación es mejorar la interacción persona-máquina aportando un módulo de análisis en la entrada de los sistemas que permita, posteriormente, generar una respuesta adecuada a través de los módulos de síntesis en la salida de los mismos. El centro de atención se sitúa en la expresividad afectiva, intentando dotar de habilidades de inteligencia emocional a sistemas de inteligencia artificial con el objetivo de lograr que la interacción persona-máquina se asemeje, en la mayor medida posible, a la comunicación humana. En primer lugar se realiza un análisis preliminar basado en locuciones grabadas en condiciones ideales. La expresividad vocal en este caso es actuada y las grabaciones responden a un guion previo que determina a priori la etiqueta que describe el contenido afectivo de las mismas. Si bien este no es el paradigma de la interacción en un entorno realista, este primer paso sirve para probar las primeras aproximaciones a la parametrización de los corpus, los métodos de selección de parámetros y su utilidad en la optimización de los procedimientos, así como la viabilidad de considerar el sistema de reconocimiento afectivo como un ejercicio de clasificación categórica. Asimismo, permite comparar los resultados obtenidos en este escenario con los que se obtienen posteriormente en el escenario realista. Si bien pudiera considerarse que la utilidad de un marco de trabajo como el aquí propuesto carece de interés más allá del mero ejercicio de comprobación citado, en esta tesis se propone un sistema basado en este planteamiento cuya finalidad es la validación automática de un corpus de voz expresiva destinado a síntesis, ya que en síntesis sí es necesario que el corpus esté grabado en condiciones óptimas puesto que será empleado para la generación de nuevas locuciones. En segundo lugar la tesis profundiza en el análisis del corpus FAU Aibo, un corpus multilocutor de voz expresiva espontánea grabado en alemán a partir de interacciones naturales de un grupo de niños y niñas con un robot dotado de un micrófono. En este caso el planteamiento es completamente distinto al anterior partiendo de la definición del propio corpus, en el que las locuciones no responden a un guion previo y las etiquetas afectivas se asignan posteriormente a partir de la evaluación subjetiva de las mismas. Asimismo, el grado de expresividad emocional de estas locuciones es inferior al de las grabadas por un actor o una actriz en tanto que son espontáneas y las emociones, dado que se generan de forma natural, no responden necesariamente a una definición prototípica. Todo ello sin considerar que las condiciones de grabación no son las mismas que las que se obtendrían en un estudio de grabación profesional. En este escenario los resultados son muy diferentes a los obtenidos en el escenario anterior por lo que se requiere un estudio más detallado. En este sentido se plantean dos parametrizaciones, una a nivel acústico y otra a nivel lingüístico, ya que la segunda podría no verse tan afectada por los elementos que pueden degradar la primera, tales como ruido u otros artefactos. Se proponen distintos sistemas de clasificación de complejidad variable a pesar de que, a menudo, los sistemas más sencillos producen resultados buenos. También se proponen distintas agrupaciones de parámetros intentando conseguir un conjunto de datos lo más pequeño posible que sea capaz de llevar a cabo un reconocimiento afectivo automático de forma eficaz. Los resultados obtenidos en el análisis de las expresiones espontáneas ponen de manifiesto la complejidad del problema tratado y se corresponden con valores inferiores a los obtenidos a partir de corpus grabados en condiciones ideales. Sin embargo, los esquemas propuestos logran obtener resultados que superan los publicados hasta la fecha en estudios realizados en condiciones análogas y abren, por lo tanto, la puerta a investigaciones futuras en este ámbito.The topic of this thesis is about automatic spontaneous emotion recognition from the analysis of the speech signal. It is carried out in the Grup de recerca de Tecnologies Mèdia of Enginyeria i Arquitectura La Salle, and it was started when several research lines related to the synthesis of emotions were in progress but no one related to its analysis. The motivation is to improve human-machine interaction by developing an analysis module to be adapted as an input to the devices able to generate an appropriate answer at the output through their synthesis modules. The highlight is the expression of emotion, trying to give emotional intelligence skills to systems of artificial intelligence. The main goal is to make human-machine interaction more similar to human communication. First, we carried out a preliminary analysis of utterances recorded under ideal conditions. Vocal expression was, in this case, acted and the recordings followed a script which determined the descriptive label of their emotional content. Although this was not the paradigm of interaction in a realistic scenario, this previous step was useful to test the first approaches to parameterisation of corpora, feature selection methods and their utility optimizing the proposed procedures, and to determine whether the consideration of the emotion recognition problem as a categorical classification exercise is viable. Moreover, it allowed the comparison of the results in this scenario with the results obtained in the realistic environment. This framework can be useful in other contexts, additionally to this comparison utility. In this thesis we propose a system based on it with the goal of validating automatically an expressive speech corpus for synthesis. In the synthesis field, corpora must be recorded under real conditions to create new speech utterances. Second, we present an analysis of the FAU Aibo corpus, a multispeaker corpus of emotional spontaneous speech recorded in German from the interaction of a group of children with a robot with a microphone. In this case the approach was different because of the definition of the corpus. The recordings of the FAU Aibo corpus did not follow a script and the emotion category labels were assigned after a subjective evaluation process. Moreover, the emotional content of these recordings was lower than in those recorded by actors because of their spontaneity and emotions were not prototypical because they were generated naturally, not following a script. Furthermore, recording conditions were not the same that in a professional recording studio. In this scenario, results were very different to those obtained in the previous one. For this reason a more accurate analysis was required. In this sense we used two parameterisations, adding linguistic parameters to the acoustic information because the first one could be more robust to noise or some other artefacts than the second one. We considered several classifiers of different complexity although, often, simple systems get the better results. Moreover, we defined several sets of features trying to get a reduced set of data able to work efficiently in the automatic emotion recognition task. Results related to the analysis of the spontaneous emotions confirmed the complexity of the problem and revealed lower values than those associated to the corpus recorded under ideal conditions. However, the schemas got better results than those published so far in works carried out under similar conditions. This opens a door to future research in this area

Hondatze kognitibo arinaren detekzio goiztiarrerako hizketa ezagutza automatikoan oinarrituriko ekarpenak

302 p.Alzheimerdun gaixoengan, mintzamena ez ezik, erantzun emozionala ere kaltetu egiten da. Emozioak giza gogoaren arkitekturarekin zerikusia dituzten prozesu kognitiboak dira, eta erabakiak hartzearekin eta oroimenaren kudeaketa edota arretarekin zerikusia dute, eta aldi berean ere, horiek hertsiki lotuta dauden komunikazioarekin. Hortaz, erantzun eta kudeaketa emozionalak ere badira gaitzaren hasierako fase horietan nahasten diren beste komunikazio-elementu batzuk, eta disfluentzia bezala, emozio-erantzuna narriadura kognitiboa neurtzeko adierazlea izan daiteke.Hortaz, zenbait atazaren bidez sortutako ahots-laginen azterketak direla medio, disfluentzia eta emozio-erantzuna jaso daitezke. Hizkuntzarekiko independenteak diren parametroak bildu eta horien hizkeraren nahasmenduak ezaugarritu badaitezke, ekarpena lagungarria izan daiteke diagnostikoa egingo duten espezialistentzat.Lehengaiak ahots-laginak direnez, ingurune kliniko zein etxeko ingurunean egindako ataza desberdinen bidez grabazioak egin eta datu-baseak osatu dira, osasun-guneen irizpide etikoak kontuan hartuta eta. Datu-base horien ikerketaren bidez, galera kognitiboaren garapena neurtu, kuantifikatu, balioztatu eta sailkatu nahi da. Gaitzaren etapa desberdinak hautematen laguntzeko ekarpena egin nahi da, eta horretarako, hizkuntzarekiko independenteak diren parametroen azterketa automatikorako teknika eta metodologiak garatu dira. Mintzamen automatikoaren analisian oinarritutako multi-hurbilketa ez-lineala egin da, zeinak hizketa-analisian erabiltzen diren denborazko serieen konplexutasunaren neurtze kuantitatiboa eman diezaguke

Hondatze kognitibo arinaren detekzio goiztiarrerako hizketa ezagutza automatikoan oinarrituriko ekarpenak

302 p.Alzheimerdun gaixoengan, mintzamena ez ezik, erantzun emozionala ere kaltetu egiten da. Emozioak giza gogoaren arkitekturarekin zerikusia dituzten prozesu kognitiboak dira, eta erabakiak hartzearekin eta oroimenaren kudeaketa edota arretarekin zerikusia dute, eta aldi berean ere, horiek hertsiki lotuta dauden komunikazioarekin. Hortaz, erantzun eta kudeaketa emozionalak ere badira gaitzaren hasierako fase horietan nahasten diren beste komunikazio-elementu batzuk, eta disfluentzia bezala, emozio-erantzuna narriadura kognitiboa neurtzeko adierazlea izan daiteke.Hortaz, zenbait atazaren bidez sortutako ahots-laginen azterketak direla medio, disfluentzia eta emozio-erantzuna jaso daitezke. Hizkuntzarekiko independenteak diren parametroak bildu eta horien hizkeraren nahasmenduak ezaugarritu badaitezke, ekarpena lagungarria izan daiteke diagnostikoa egingo duten espezialistentzat.Lehengaiak ahots-laginak direnez, ingurune kliniko zein etxeko ingurunean egindako ataza desberdinen bidez grabazioak egin eta datu-baseak osatu dira, osasun-guneen irizpide etikoak kontuan hartuta eta. Datu-base horien ikerketaren bidez, galera kognitiboaren garapena neurtu, kuantifikatu, balioztatu eta sailkatu nahi da. Gaitzaren etapa desberdinak hautematen laguntzeko ekarpena egin nahi da, eta horretarako, hizkuntzarekiko independenteak diren parametroen azterketa automatikorako teknika eta metodologiak garatu dira. Mintzamen automatikoaren analisian oinarritutako multi-hurbilketa ez-lineala egin da, zeinak hizketa-analisian erabiltzen diren denborazko serieen konplexutasunaren neurtze kuantitatiboa eman diezaguke