Speech Dereverberation Based on Integrated Deep and Ensemble Learning Algorithm

Reverberation, which is generally caused by sound reflections from walls, ceilings, and floors, can result in severe performance degradation of acoustic applications. Due to a complicated combination of attenuation and time-delay effects, the reverberation property is difficult to characterize, and it remains a challenging task to effectively retrieve the anechoic speech signals from reverberation ones. In the present study, we proposed a novel integrated deep and ensemble learning algorithm (IDEA) for speech dereverberation. The IDEA consists of offline and online phases. In the offline phase, we train multiple dereverberation models, each aiming to precisely dereverb speech signals in a particular acoustic environment; then a unified fusion function is estimated that aims to integrate the information of multiple dereverberation models. In the online phase, an input utterance is first processed by each of the dereverberation models. The outputs of all models are integrated accordingly to generate the final anechoic signal. We evaluated the IDEA on designed acoustic environments, including both matched and mismatched conditions of the training and testing data. Experimental results confirm that the proposed IDEA outperforms single deep-neural-network-based dereverberation model with the same model architecture and training data

An ensemble speaker and speaking environment modeling approach to robust speech recognition

In this study, an ensemble speaker and speaking environment modeling (ESSEM) approach is proposed to characterize environments in order to enhance performance robustness of automatic speech recognition (ASR) systems under adverse conditions. The ESSEM process comprises two stages, the offline and online phases. In the offline phase, we prepare an ensemble speaker and speaking environment space formed by a collection of super-vectors. Each super-vector consists of the entire set of means from all the Gaussian mixture components of a set of hidden Markov Models that characterizes a particular environment. In the online phase, with the ensemble environment space prepared in the offline phase, we estimate the super-vector for a new testing environment based on a stochastic matching criterion. A series of techniques is proposed to further improve the original ESSEM approach on both offline and online phases. For the offline phase, we focus on methods to enhance the construction and coverage of the environment space. We first demonstrate environment clustering and environment partitioning algorithms to well structure the environment space; then, we propose a discriminative training algorithm to enhance discrimination across environment super-vectors and therefore broaden the coverage of the ensemble environment space. For the online phase, we study methods to increase the efficiency and precision in estimating the target super-vector for the testing condition. To enhance the efficiency, we incorporate dimensionality reduction techniques to reduce the complexity of the original environment space. To improve the precision, we first study different forms of mapping function and propose a weighted N-best information technique; then, we propose cohort selection, environment space adaptation and multiple cluster matching algorithms to facilitate the environment characterization. We evaluate the proposed ESSEM framework on the Aurora-2 connected digit recognition task. Experimental results verify that the original ESSEM approach already provides clear improvement over a baseline system without environment compensation. Moreover, the performance of ESSEM can be further enhanced by using the proposed offline and online algorithms. A significant improvement of 16.08% word error rate reduction is achieved by ESSEM with optimal offline and online configuration over our best baseline system on the Aurora-2 task.Ph.D.Committee Chair: Lee, Chin-Hui; Committee Member: Anthony Joseph Yezzi; Committee Member: Biing-Hwang (Fred) Juang; Committee Member: Mark Clements; Committee Member: Ming Yua

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