Audio Imputation Using the Non-negative Hidden Markov Model

Abstract. Missing data in corrupted audio recordings poses a challeng-ing problem for audio signal processing. In this paper we present an approach that allows us to estimate missing values in the time-frequency domain of audio signals. The proposed approach, based on the Non-negative Hidden Markov Model, enables more temporally coherent es-timation for the missing data by taking into account both the spectral and temporal information of the audio signal. This approach is able to reconstruct highly corrupted audio signals with large parts of the spectro-gram missing. We demonstrate this approach on real-world polyphonic music signals. The initial experimental results show that our approach has advantages over a previous missing data imputation method.

A Comprehensive Survey on Rare Event Prediction

Rare event prediction involves identifying and forecasting events with a low probability using machine learning and data analysis. Due to the imbalanced data distributions, where the frequency of common events vastly outweighs that of rare events, it requires using specialized methods within each step of the machine learning pipeline, i.e., from data processing to algorithms to evaluation protocols. Predicting the occurrences of rare events is important for real-world applications, such as Industry 4.0, and is an active research area in statistical and machine learning. This paper comprehensively reviews the current approaches for rare event prediction along four dimensions: rare event data, data processing, algorithmic approaches, and evaluation approaches. Specifically, we consider 73 datasets from different modalities (i.e., numerical, image, text, and audio), four major categories of data processing, five major algorithmic groupings, and two broader evaluation approaches. This paper aims to identify gaps in the current literature and highlight the challenges of predicting rare events. It also suggests potential research directions, which can help guide practitioners and researchers.Comment: 44 page

Studies on noise robust automatic speech recognition

Noise in everyday acoustic environments such as cars, traffic environments, and cafeterias remains one of the main challenges in automatic speech recognition (ASR). As a research theme, it has received wide attention in conferences and scientific journals focused on speech technology. This article collection reviews both the classic and novel approaches suggested for noise robust ASR. The articles are literature reviews written for the spring 2009 seminar course on noise robust automatic speech recognition (course code T-61.6060) held at TKK

A step towards Advancing Digital Phenotyping In Mental Healthcare

Smartphones and wrist-wearable devices have infiltrated our lives in recent years. According to published statistics, nearly 84% of the world’s population owns a smartphone, and almost 10% own a wearable device today (2022). These devices continuously generate various data sources from multiple sensors and apps, creating our digital phenotypes. This opens new research opportunities, particularly in mental health care, which has previously relied almost exclusively on self-reports of mental health symptoms. Unobtrusive monitoring using patients’ devices may result in clinically valuable markers that can improve diagnostic processes, tailor treatment choices, provide continuous insights into their condition for actionable outcomes, such as early signs of relapse, and develop new intervention models. However, these data sources must be translated into meaningful, actionable features related to mental health to achieve their full potential. In the mental health field, there is a great need and much to be gained from defining a way to continuously assess the evolution of patients’ mental states, ideally in their everyday environment, to support the monitoring and treatments by health care providers. A smartphone-based approach may be valuable in gathering long-term objective data, aside from the usually used self-ratings, to predict clinical state changes and investigate causal inferences about state changes in patients (e.g., those with affective disorders). Being objective does not imply that passive data collection is also perfect. It has several challenges: some sensors generate vast volumes of data, and others cause significant battery drain. Furthermore, the analysis of raw passive data is complicated, and collecting certain types of data may interfere with the phenotype of interest. Nonetheless, machine learning is predisposed to address these matters and advance psychiatry’s era of personalised medicine. This work aimed to advance the research efforts on mobile and wearable sensors for mental health monitoring. We applied supervised and unsupervised machine learning methods to model and understand mental disease evolution based on the digital phenotype of patients and clinician assessments at the follow-up visits, which provide ground truths. We needed to cope with regularly and irregularly sampled, high-dimensional, and heterogeneous time series data susceptible to distortion and missingness. Hence, the developed methods must be robust to these limitations and handle missing data properly. Throughout the various projects presented here, we used probabilistic latent variable models for data imputation and feature extraction, namely, mixture models (MM) and hidden Markov models (HMM). These unsupervised models can learn even in the presence of missing data by marginalising the missing values in the function of the present observations. Once the generative models are trained on the data set with missing values, they can be used to generate samples for imputation. First, the most probable component/state has to be found for each sample. Then, sampling from the most probable distribution yields valid and robust parameter estimates and explicit imputed values for variables that can be analysed as outcomes or predictors. The imputation process can be repeated several times, creating multiple datasets, thereby accounting for the uncertainty in the imputed values and implicitly augmenting the data. Moreover, they are robust to moderate deviations of the observed data from the assumed underlying distribution and provide accurate estimates even when missingness is high. Depending on the properties of the data at hand, we employed feature extraction methods combined with classical machine learning algorithms or deep learning-based techniques for temporal modelling to predict various mental health outcomes - emotional state, World Health Organisation Disability Assessment Schedule (WHODAS 2.0) functionality scores and Generalised Anxiety Disorder-7 (GAD-7) scores, of psychiatric outpatients. We mainly focused on one-size-fits-all models, as the labelled sample size per patient was limited; however, in the mood prediction case, it was possible to apply personalised models. Integrating machines and algorithms into the clinical workflow require interpretability to increase acceptance. Therefore, we also analysed feature importance by computing Shapley additive explanations (SHAP) values. SHAP values provide an overview of essential features in the machine learning models by designating the weight of predictability of each feature positively or negatively to the target variable. The provided solutions, as such, are proof of concept, which require further clinical validation to be deployable in the clinical workflow. Still, the results are promising and lay some foundations for future research and collaboration among clinicians, patients, and computer scientists. They set the paths to advance future research prospects in technology-based mental healthcare.En los últimos años, los smartphones y los dispositivos y pulseras inteligentes, comúnmente conocidos como wearables, se han infiltrado en nuestras vidas. Según las estadísticas publicadas a día de hoy (2022), cerca del 84% de la población tiene un smartphone y aproximadamente un 10% también posee un wearable. Estos dispositivos generan datos de forma continua en base a distintos sensores y aplicaciones, creando así nuestro fenotipo digital. Estos datos abren nuevas vías de investigación, particularmente en el área de salud mental, dónde las fuentes de datos han sido casi exclusivamente autoevaluaciones de síntomas de salud mental. Monitorizar de forma no intrusiva a los pacientes mediante sus dispositivos puede dar lugar a marcadores valiosos en aplicación clínica. Esto permite mejorar los procesos de diagnóstico, adaptar tratamientos, e incluso proporcionar información continua sobre el estado de los pacientes, como signos tempranos de recaída, y hasta desarrollar nuevos modelos de intervención. Aun así, estos datos en crudo han de ser traducidos a datos interpretables relacionados con la salud mental para conseguir un máximo rendimiento de los mismos. En salud mental existe una gran necesidad, y además hay mucho que ganar, de definir cómo evaluar de forma continuada la evolución del estado mental de los pacientes en su entorno cotidiano para ayudar en el tratamiento y seguimiento de los mismos por parte de los profesionales sanitarios. En este ámbito, un enfoque basado en datos recopilados desde sus smartphones puede ser valioso para recoger datos objetivos a largo plazo al mismo tiempo que se acompaña de las autoevaluaciones utilizadas habitualmente. La combinación de ambos tipos de datos puede ayudar a predecir los cambios en el estado clínico de estos pacientes e investigar las relaciones causales sobre estos cambios (por ejemplo, en aquellos que padecen trastornos afectivos). Aunque la recogida de datos de forma pasiva tiene la ventaja de ser objetiva, también implica varios retos. Por un lado, ciertos sensores generan grandes volúmenes de datos, provocando un importante consumo de batería. Además, el análisis de los datos pasivos en crudo es complicado, y la recogida de ciertos tipos de datos puede interferir con el fenotipo que se quiera analizar. No obstante, el machine learning o aprendizaje automático, está predispuesto a resolver estas cuestiones y aportar avances en la medicina personalizada aplicada a psiquiatría. Esta tesis tiene como objetivo avanzar en la investigación de los datos recogidos por sensores de smartphones y wearables para la monitorización en salud mental. Para ello, aplicamos métodos de aprendizaje automático supervisado y no supervisado para modelar y comprender la evolución de las enfermedades mentales basándonos en el fenotipo digital de los pacientes. Estos resultados se comparan con las evaluaciones de los médicos en las visitas de seguimiento, que proporcionan las etiquetas reales. Para aplicar estos métodos hemos lidiado con datos provenientes de series temporales con alta dimensionalidad, muestreados de forma regular e irregular, heterogéneos y, además, susceptibles a presentar patrones de datos perdidos y/o distorsionados. Por lo tanto, los métodos desarrollados deben ser resistentes a estas limitaciones y manejar adecuadamente los datos perdidos. A lo largo de los distintos proyectos presentados en este trabajo, hemos utilizado modelos probabilísticos de variables latentes para la imputación de datos y la extracción de características, como por ejemplo, Mixture Models (MM) y hidden Markov Models (HMM). Estos modelos no supervisados pueden aprender incluso en presencia de datos perdidos, marginalizando estos valores en función de las datos que sí han sido observados. Una vez entrenados los modelos generativos en el conjunto de datos con valores perdidos, pueden utilizarse para imputar dichos valores generando muestras. En primer lugar, hay que encontrar el componente/estado más probable para cada muestra. Luego, se muestrea de la distirbución más probable resultando en estimaciones de parámetros robustos y válidos. Además, genera imputaciones explícitas que pueden ser tratadas como resultados. Este proceso de imputación puede repetirse varias veces, creando múltiples conjuntos de datos, con lo que se tiene en cuenta la incertidumbre de los valores imputados y aumentándose así, implícitamente, los datos. Además, estas imputaciones son resistentes a desviaciones que puedan existir en los datos observados con respecto a la distribución subyacente asumida y proporcionan estimaciones precisas incluso cuando la falta de datos es elevada. Dependiendo de las propiedades de los datos en cuestión, hemos usado métodos de extracción de características combinados con algoritmos clásicos de aprendizaje automático o técnicas basadas en deep learning o aprendizaje profundo para el modelado temporal. La finalidad de ambas opciones es ser capaces de predecir varios resultados de salud mental/estado emocional, como la puntuación sobre el World Health Organisation Disability Assessment Schedule (WHODAS 2.0), o las puntuaciones del generalised anxiety disorder-7 (GAD-7) de pacientes psiquiátricos ambulatorios. Nos centramos principalmente en modelos generalizados, es decir, no personalizados para cada paciente sino explicativos para la mayoría, ya que el tamaño de muestras etiquetada por paciente es limitado; sin embargo, en el caso de la predicción del estado de ánimo, puidmos aplicar modelos personalizados. Para que la integración de las máquinas y algoritmos dentro del flujo de trabajo clínico sea aceptada, se requiere que los resultados sean interpretables. Por lo tanto, en este trabajo también analizamos la importancia de las características sacadas por cada algoritmo en base a los valores de las explicaciones aditivas de Shapley (SHAP). Estos valores proporcionan una visión general de las características esenciales en los modelos de aprendizaje automático designando el peso, positivo o negativo, de cada característica en su predictibilidad sobre la variable objetivo. Las soluciones aportadas en esta tesis, como tales, son pruebas de concepto, que requieren una mayor validación clínica para poder ser desplegadas en el flujo de trabajo clínico. Aun así, los resultados son prometedores y sientan base para futuras investigaciones y colaboraciones entre clínicos, pacientes y científicos de datos. Éstas establecen las guías para avanzar en las perspectivas de investigación futuras en la atención sanitaria mental basada en la tecnología.Programa de Doctorado en Multimedia y Comunicaciones por la Universidad Carlos III de Madrid y la Universidad Rey Juan CarlosPresidente: David Ramírez García.- Secretario: Alfredo Nazábal Rentería.- Vocal: María Luisa Barrigón Estéve

Probabilistic sequential matrix factorization

We introduce the probabilistic sequential matrix factorization (PSMF) method for factorizing time-varying and non-stationary datasets consisting of high-dimensional time-series. In particular, we consider nonlinear Gaussian state-space models where sequential approximate inference results in the factorization of a data matrix into a dictionary and time-varying coefficients with potentially nonlinear Markovian dependencies. The assumed Markovian structure on the coefficients enables us to encode temporal dependencies into a low-dimensional feature space. The proposed inference method is solely based on an approximate extended Kalman filtering scheme, which makes the resulting method particularly efficient. PSMF can account for temporal nonlinearities and, more importantly, can be used to calibrate and estimate generic differentiable nonlinear subspace models. We also introduce a robust version of PSMF, called rPSMF, which uses Student-t filters to handle model misspecification. We show that PSMF can be used in multiple contexts: modeling time series with a periodic subspace, robustifying changepoint detection methods, and imputing missing data in several high-dimensional time-series, such as measurements of pollutants across London.Comment: Accepted for publication at AISTATS 202

Twin Networks: Matching the Future for Sequence Generation

We propose a simple technique for encouraging generative RNNs to plan ahead. We train a "backward" recurrent network to generate a given sequence in reverse order, and we encourage states of the forward model to predict cotemporal states of the backward model. The backward network is used only during training, and plays no role during sampling or inference. We hypothesize that our approach eases modeling of long-term dependencies by implicitly forcing the forward states to hold information about the longer-term future (as contained in the backward states). We show empirically that our approach achieves 9% relative improvement for a speech recognition task, and achieves significant improvement on a COCO caption generation task.Comment: 12 pages, 3 figures, published at ICLR 201