Application of automatic speech recognition technologies to singing

The research field of Music Information Retrieval is concerned with the automatic analysis of musical characteristics. One aspect that has not received much attention so far is the automatic analysis of sung lyrics. On the other hand, the field of Automatic Speech Recognition has produced many methods for the automatic analysis of speech, but those have rarely been employed for singing. This thesis analyzes the feasibility of applying various speech recognition methods to singing, and suggests adaptations. In addition, the routes to practical applications for these systems are described. Five tasks are considered: Phoneme recognition, language identification, keyword spotting, lyrics-to-audio alignment, and retrieval of lyrics from sung queries. The main bottleneck in almost all of these tasks lies in the recognition of phonemes from sung audio. Conventional models trained on speech do not perform well when applied to singing. Training models on singing is difficult due to a lack of annotated data. This thesis offers two approaches for generating such data sets. For the first one, speech recordings are made more “song-like”. In the second approach, textual lyrics are automatically aligned to an existing singing data set. In both cases, these new data sets are then used for training new acoustic models, offering considerable improvements over models trained on speech. Building on these improved acoustic models, speech recognition algorithms for the individual tasks were adapted to singing by either improving their robustness to the differing characteristics of singing, or by exploiting the specific features of singing performances. Examples of improving robustness include the use of keyword-filler HMMs for keyword spotting, an i-vector approach for language identification, and a method for alignment and lyrics retrieval that allows highly varying durations. Features of singing are utilized in various ways: In an approach for language identification that is well-suited for long recordings; in a method for keyword spotting based on phoneme durations in singing; and in an algorithm for alignment and retrieval that exploits known phoneme confusions in singing.Das Gebiet des Music Information Retrieval befasst sich mit der automatischen Analyse von musikalischen Charakteristika. Ein Aspekt, der bisher kaum erforscht wurde, ist dabei der gesungene Text. Auf der anderen Seite werden in der automatischen Spracherkennung viele Methoden für die automatische Analyse von Sprache entwickelt, jedoch selten für Gesang. Die vorliegende Arbeit untersucht die Anwendung von Methoden aus der Spracherkennung auf Gesang und beschreibt mögliche Anpassungen. Zudem werden Wege zur praktischen Anwendung dieser Ansätze aufgezeigt. Fünf Themen werden dabei betrachtet: Phonemerkennung, Sprachenidentifikation, Schlagwortsuche, Text-zu-Gesangs-Alignment und Suche von Texten anhand von gesungenen Anfragen. Das größte Hindernis bei fast allen dieser Themen ist die Erkennung von Phonemen aus Gesangsaufnahmen. Herkömmliche, auf Sprache trainierte Modelle, bieten keine guten Ergebnisse für Gesang. Das Trainieren von Modellen auf Gesang ist schwierig, da kaum annotierte Daten verfügbar sind. Diese Arbeit zeigt zwei Ansätze auf, um solche Daten zu generieren. Für den ersten wurden Sprachaufnahmen künstlich gesangsähnlicher gemacht. Für den zweiten wurden Texte automatisch zu einem vorhandenen Gesangsdatensatz zugeordnet. Die neuen Datensätze wurden zum Trainieren neuer Modelle genutzt, welche deutliche Verbesserungen gegenüber sprachbasierten Modellen bieten. Auf diesen verbesserten akustischen Modellen aufbauend wurden Algorithmen aus der Spracherkennung für die verschiedenen Aufgaben angepasst, entweder durch das Verbessern der Robustheit gegenüber Gesangscharakteristika oder durch das Ausnutzen von hilfreichen Besonderheiten von Gesang. Beispiele für die verbesserte Robustheit sind der Einsatz von Keyword-Filler-HMMs für die Schlagwortsuche, ein i-Vector-Ansatz für die Sprachenidentifikation sowie eine Methode für das Alignment und die Textsuche, die stark schwankende Phonemdauern nicht bestraft. Die Besonderheiten von Gesang werden auf verschiedene Weisen genutzt: So z.B. in einem Ansatz für die Sprachenidentifikation, der lange Aufnahmen benötigt; in einer Methode für die Schlagwortsuche, die bekannte Phonemdauern in Gesang mit einbezieht; und in einem Algorithmus für das Alignment und die Textsuche, der bekannte Phonemkonfusionen verwertet

SISTEM REKOMENDASI LAGU BERDASARKAN JENIS SUARA PENYANYI PADA APLIKASI KARAOKE

Karaoke merupakan salah satu hiburan yang populer sebagai sarana refreshing. Dalam perkembangannya, karaoke pun telah banyak hadir dalam bentuk aplikasi. Namun, permasalahan yang sering muncul pada saat bernyanyi karaoke adalah ada kalanya nada pada lagu yang dinyanyikan terlalu tinggi atau terlalu rendah dari suara penyamyi sehingga menimbulkan suara sumbang (fals). Permasalahan ini muncul karena banyak orang yang belum mengetahui jenis suara yang dimilikinya. Namun aplikasi karaoke yang ada saat ini, belum ada yang mengakomodasi permasalahan tersebut. Untuk mengatasi hal tersebut, pada penelitian ini diusulkan solusi berupa aplikasi karaoke yang dapat mendeteksi jenis suara pengguna dan memberikan rekomendasi lagu yang sesuai dengan jenis suara pengguna tersebut. Proses pertama yang dilakukan adalah pengolahan suara pengguna, kemudian dilakukan analisis frekuensi pada suara tersebut. Frekuensi yang didapat selanjutnya dipetakan ke dalam rentang nada pada jenis suara untuk menentukan jenis suara penyanyi. Selanjutnya, sistem menampilkan daftar rekomendasi lagu yang sesuai dengan jenis suara pengguna tersebut. Berdasarkan eksperimen yang dilakukan, aplikasi yang diusulkan berhasil melakukan pendeteksian jenis suara dan memberikan rekomendasi lagu yang sesuai dengan jenis suara pengguna

Bag-of-words representations for computer audition

Computer audition is omnipresent in everyday life, in applications ranging from personalised virtual agents to health care. From a technical point of view, the goal is to robustly classify the content of an audio signal in terms of a defined set of labels, such as, e.g., the acoustic scene, a medical diagnosis, or, in the case of speech, what is said or how it is said. Typical approaches employ machine learning (ML), which means that task-specific models are trained by means of examples. Despite recent successes in neural network-based end-to-end learning, taking the raw audio signal as input, models relying on hand-crafted acoustic features are still superior in some domains, especially for tasks where data is scarce. One major issue is nevertheless that a sequence of acoustic low-level descriptors (LLDs) cannot be fed directly into many ML algorithms as they require a static and fixed-length input. Moreover, also for dynamic classifiers, compressing the information of the LLDs over a temporal block by summarising them can be beneficial. However, the type of instance-level representation has a fundamental impact on the performance of the model. In this thesis, the so-called bag-of-audio-words (BoAW) representation is investigated as an alternative to the standard approach of statistical functionals. BoAW is an unsupervised method of representation learning, inspired from the bag-of-words method in natural language processing, forming a histogram of the terms present in a document. The toolkit openXBOW is introduced, enabling systematic learning and optimisation of these feature representations, unified across arbitrary modalities of numeric or symbolic descriptors. A number of experiments on BoAW are presented and discussed, focussing on a large number of potential applications and corresponding databases, ranging from emotion recognition in speech to medical diagnosis. The evaluations include a comparison of different acoustic LLD sets and configurations of the BoAW generation process. The key findings are that BoAW features are a meaningful alternative to statistical functionals, offering certain benefits, while being able to preserve the advantages of functionals, such as data-independence. Furthermore, it is shown that both representations are complementary and their fusion improves the performance of a machine listening system.Maschinelles Hören ist im täglichen Leben allgegenwärtig, mit Anwendungen, die von personalisierten virtuellen Agenten bis hin zum Gesundheitswesen reichen. Aus technischer Sicht besteht das Ziel darin, den Inhalt eines Audiosignals hinsichtlich einer Auswahl definierter Labels robust zu klassifizieren. Die Labels beschreiben bspw. die akustische Umgebung der Aufnahme, eine medizinische Diagnose oder - im Falle von Sprache - was gesagt wird oder wie es gesagt wird. Übliche Ansätze hierzu verwenden maschinelles Lernen, d.h., es werden anwendungsspezifische Modelle anhand von Beispieldaten trainiert. Trotz jüngster Erfolge beim Ende-zu-Ende-Lernen mittels neuronaler Netze, in welchen das unverarbeitete Audiosignal als Eingabe benutzt wird, sind Modelle, die auf definierten akustischen Merkmalen basieren, in manchen Bereichen weiterhin überlegen. Dies gilt im Besonderen für Einsatzzwecke, für die nur wenige Daten vorhanden sind. Allerdings besteht dabei das Problem, dass Zeitfolgen von akustischen Deskriptoren in viele Algorithmen des maschinellen Lernens nicht direkt eingespeist werden können, da diese eine statische Eingabe fester Länge benötigen. Außerdem kann es auch für dynamische (zeitabhängige) Klassifikatoren vorteilhaft sein, die Deskriptoren über ein gewisses Zeitintervall zusammenzufassen. Jedoch hat die Art der Merkmalsdarstellung einen grundlegenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Modells. In der vorliegenden Dissertation wird der sogenannte Bag-of-Audio-Words-Ansatz (BoAW) als Alternative zum Standardansatz der statistischen Funktionale untersucht. BoAW ist eine Methode des unüberwachten Lernens von Merkmalsdarstellungen, die von der Bag-of-Words-Methode in der Computerlinguistik inspiriert wurde, bei der ein Textdokument als Histogramm der vorkommenden Wörter beschrieben wird. Das Toolkit openXBOW wird vorgestellt, welches systematisches Training und Optimierung dieser Merkmalsdarstellungen - vereinheitlicht für beliebige Modalitäten mit numerischen oder symbolischen Deskriptoren - erlaubt. Es werden einige Experimente zum BoAW-Ansatz durchgeführt und diskutiert, die sich auf eine große Zahl möglicher Anwendungen und entsprechende Datensätze beziehen, von der Emotionserkennung in gesprochener Sprache bis zur medizinischen Diagnostik. Die Auswertungen beinhalten einen Vergleich verschiedener akustischer Deskriptoren und Konfigurationen der BoAW-Methode. Die wichtigsten Erkenntnisse sind, dass BoAW-Merkmalsvektoren eine geeignete Alternative zu statistischen Funktionalen darstellen, gewisse Vorzüge bieten und gleichzeitig wichtige Eigenschaften der Funktionale, wie bspw. die Datenunabhängigkeit, erhalten können. Zudem wird gezeigt, dass beide Darstellungen komplementär sind und eine Fusionierung die Leistungsfähigkeit eines Systems des maschinellen Hörens verbessert

Models and analysis of vocal emissions for biomedical applications

This book of Proceedings collects the papers presented at the 3rd International Workshop on Models and Analysis of Vocal Emissions for Biomedical Applications, MAVEBA 2003, held 10-12 December 2003, Firenze, Italy. The workshop is organised every two years, and aims to stimulate contacts between specialists active in research and industrial developments, in the area of voice analysis for biomedical applications. The scope of the Workshop includes all aspects of voice modelling and analysis, ranging from fundamental research to all kinds of biomedical applications and related established and advanced technologies

Models and analysis of vocal emissions for biomedical applications: 5th International Workshop: December 13-15, 2007, Firenze, Italy

The MAVEBA Workshop proceedings, held on a biannual basis, collect the scientific papers presented both as oral and poster contributions, during the conference. The main subjects are: development of theoretical and mechanical models as an aid to the study of main phonatory dysfunctions, as well as the biomedical engineering methods for the analysis of voice signals and images, as a support to clinical diagnosis and classification of vocal pathologies. The Workshop has the sponsorship of: Ente Cassa Risparmio di Firenze, COST Action 2103, Biomedical Signal Processing and Control Journal (Elsevier Eds.), IEEE Biomedical Engineering Soc. Special Issues of International Journals have been, and will be, published, collecting selected papers from the conference

Multimodaalsel emotsioonide tuvastamisel põhineva inimese-roboti suhtluse arendamine

Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsiooneÜks afektiivse arvutiteaduse peamistest huviobjektidest on mitmemodaalne emotsioonituvastus, mis leiab rakendust peamiselt inimese-arvuti interaktsioonis. Emotsiooni äratundmiseks uuritakse nendes süsteemides nii inimese näoilmeid kui kakõnet. Käesolevas töös uuritakse inimese emotsioonide ja nende avaldumise visuaalseid ja akustilisi tunnuseid, et töötada välja automaatne multimodaalne emotsioonituvastussüsteem. Kõnest arvutatakse mel-sageduse kepstri kordajad, helisignaali erinevate komponentide energiad ja prosoodilised näitajad. Näoilmeteanalüüsimiseks kasutatakse kahte erinevat strateegiat. Esiteks arvutatakse inimesenäo tähtsamate punktide vahelised erinevad geomeetrilised suhted. Teiseks võetakse emotsionaalse sisuga video kokku vähendatud hulgaks põhikaadriteks, misantakse sisendiks konvolutsioonilisele tehisnärvivõrgule emotsioonide visuaalsekseristamiseks. Kolme klassifitseerija väljunditest (1 akustiline, 2 visuaalset) koostatakse uus kogum tunnuseid, mida kasutatakse õppimiseks süsteemi viimasesetapis. Loodud süsteemi katsetati SAVEE, Poola ja Serbia emotsionaalse kõneandmebaaside, eNTERFACE’05 ja RML andmebaaside peal. Saadud tulemusednäitavad, et võrreldes olemasolevatega võimaldab käesoleva töö raames loodudsüsteem suuremat täpsust emotsioonide äratundmisel. Lisaks anname käesolevastöös ülevaate kirjanduses väljapakutud süsteemidest, millel on võimekus tunda äraemotsiooniga seotud ̆zeste. Selle ülevaate eesmärgiks on hõlbustada uute uurimissuundade leidmist, mis aitaksid lisada töö raames loodud süsteemile ̆zestipõhiseemotsioonituvastuse võimekuse, et veelgi enam tõsta süsteemi emotsioonide äratundmise täpsust.Automatic multimodal emotion recognition is a fundamental subject of interest in affective computing. Its main applications are in human-computer interaction. The systems developed for the foregoing purpose consider combinations of different modalities, based on vocal and visual cues. This thesis takes the foregoing modalities into account, in order to develop an automatic multimodal emotion recognition system. More specifically, it takes advantage of the information extracted from speech and face signals. From speech signals, Mel-frequency cepstral coefficients, filter-bank energies and prosodic features are extracted. Moreover, two different strategies are considered for analyzing the facial data. First, facial landmarks' geometric relations, i.e. distances and angles, are computed. Second, we summarize each emotional video into a reduced set of key-frames. Then they are taught to visually discriminate between the emotions. In order to do so, a convolutional neural network is applied to the key-frames summarizing the videos. Afterward, the output confidence values of all the classifiers from both of the modalities are used to define a new feature space. Lastly, the latter values are learned for the final emotion label prediction, in a late fusion. The experiments are conducted on the SAVEE, Polish, Serbian, eNTERFACE'05 and RML datasets. The results show significant performance improvements by the proposed system in comparison to the existing alternatives, defining the current state-of-the-art on all the datasets. Additionally, we provide a review of emotional body gesture recognition systems proposed in the literature. The aim of the foregoing part is to help figure out possible future research directions for enhancing the performance of the proposed system. More clearly, we imply that incorporating data representing gestures, which constitute another major component of the visual modality, can result in a more efficient framework

Models and Analysis of Vocal Emissions for Biomedical Applications

The International Workshop on Models and Analysis of Vocal Emissions for Biomedical Applications (MAVEBA) came into being in 1999 from the particularly felt need of sharing know-how, objectives and results between areas that until then seemed quite distinct such as bioengineering, medicine and singing. MAVEBA deals with all aspects concerning the study of the human voice with applications ranging from the neonate to the adult and elderly. Over the years the initial issues have grown and spread also in other aspects of research such as occupational voice disorders, neurology, rehabilitation, image and video analysis. MAVEBA takes place every two years always in Firenze, Italy. This edition celebrates twenty years of uninterrupted and succesfully research in the field of voice analysis

Automatic Recognition of Non-Verbal Acoustic Communication Events With Neural Networks

Non-verbal acoustic communication is of high importance to humans and animals: Infants use the voice as a primary communication tool. Animals of all kinds employ acoustic communication, such as chimpanzees, which use pant-hoot vocalizations for long-distance communication. Many applications require the assessment of such communication for a variety of analysis goals. Computational systems can support these areas through automatization of the assessment process. This is of particular importance in monitoring scenarios over large spatial and time scales, which are infeasible to perform manually. Algorithms for sound recognition have traditionally been based on conventional machine learning approaches. In recent years, so-called representation learning approaches have gained increasing popularity. This particularly includes deep learning approaches that feed raw data to deep neural networks. However, there remain open challenges in applying these approaches to automatic recognition of non-verbal acoustic communication events, such as compensating for small data set sizes. The leading question of this thesis is: How can we apply deep learning more effectively to automatic recognition of non-verbal acoustic communication events? The target communication types were specifically (1) infant vocalizations and (2) chimpanzee long-distance calls. This thesis comprises four studies that investigated aspects of this question: Study (A) investigated the assessment of infant vocalizations by laypersons. The central goal was to derive an infant vocalization classification scheme based on the laypersons' perception. The study method was based on the Nijmegen Protocol, where participants rated vocalization recordings through various items, such as affective ratings and class labels. Results showed a strong association between valence ratings and class labels, which was used to derive a classification scheme. Study (B) was a comparative study on various neural network types for the automatic classification of infant vocalizations. The goal was to determine the best performing network type among the currently most prevailing ones, while considering the influence of their architectural configuration. Results showed that convolutional neural networks outperformed recurrent neural networks and that the choice of the frequency and time aggregation layer inside the network is the most important architectural choice. Study (C) was a detailed investigation on computer vision-like convolutional neural networks for infant vocalization classification. The goal was to determine the most important architectural properties for increasing classification performance. Results confirmed the importance of the aggregation layer and additionally identified the input size of the fully-connected layers and the accumulated receptive field to be of major importance. Study (D) was an investigation on compensating class imbalance for chimpanzee call detection in naturalistic long-term recordings. The goal was to determine which compensation method among a selected group improved performance the most for a deep learning system. Results showed that spectrogram denoising was most effective, while methods for compensating relative imbalance either retained or decreased performance.:1. Introduction 2. Foundations in Automatic Recognition of Acoustic Communication 3. State of Research 4. Study (A): Investigation of the Assessment of Infant Vocalizations by Laypersons 5. Study (B): Comparison of Neural Network Types for Automatic Classification of Infant Vocalizations 6. Study (C): Detailed Investigation of CNNs for Automatic Classification of Infant Vocalizations 7. Study (D): Compensating Class Imbalance for Acoustic Chimpanzee Detection With Convolutional Recurrent Neural Networks 8. Conclusion and Collected Discussion 9. AppendixNonverbale akustische Kommunikation ist für Menschen und Tiere von großer Bedeutung: Säuglinge nutzen die Stimme als primäres Kommunikationsmittel. Schimpanse verwenden sogenannte 'Pant-hoots' und Trommeln zur Kommunikation über weite Entfernungen. Viele Anwendungen erfordern die Beurteilung solcher Kommunikation für verschiedenste Analyseziele. Algorithmen können solche Bereiche durch die Automatisierung der Beurteilung unterstützen. Dies ist besonders wichtig beim Monitoring langer Zeitspannen oder großer Gebiete, welche manuell nicht durchführbar sind. Algorithmen zur Geräuscherkennung verwendeten bisher größtenteils konventionelle Ansätzen des maschinellen Lernens. In den letzten Jahren hat eine alternative Herangehensweise Popularität gewonnen, das sogenannte Representation Learning. Dazu gehört insbesondere Deep Learning, bei dem Rohdaten in tiefe neuronale Netze eingespeist werden. Jedoch gibt es bei der Anwendung dieser Ansätze auf die automatische Erkennung von nonverbaler akustischer Kommunikation ungelöste Herausforderungen, wie z.B. die Kompensation der relativ kleinen Datenmengen. Die Leitfrage dieser Arbeit ist: Wie können wir Deep Learning effektiver zur automatischen Erkennung nonverbaler akustischer Kommunikation verwenden? Diese Arbeit konzentriert sich speziell auf zwei Kommunikationsarten: (1) vokale Laute von Säuglingen (2) Langstreckenrufe von Schimpansen. Diese Arbeit umfasst vier Studien, welche Aspekte dieser Frage untersuchen: Studie (A) untersuchte die Beurteilung von Säuglingslauten durch Laien. Zentrales Ziel war die Ableitung eines Klassifikationsschemas für Säuglingslaute auf der Grundlage der Wahrnehmung von Laien. Die Untersuchungsmethode basierte auf dem sogenannten Nijmegen-Protokoll. Hier beurteilten die Teilnehmenden Lautaufnahmen von Säuglingen anhand verschiedener Variablen, wie z.B. affektive Bewertungen und Klassenbezeichnungen. Die Ergebnisse zeigten eine starke Assoziation zwischen Valenzbewertungen und Klassenbezeichnungen, die zur Ableitung eines Klassifikationsschemas verwendet wurde. Studie (B) war eine vergleichende Studie verschiedener Typen neuronaler Netzwerke für die automatische Klassifizierung von Säuglingslauten. Ziel war es, den leistungsfähigsten Netzwerktyp unter den momentan verbreitetsten Typen zu ermitteln. Hierbei wurde der Einfluss verschiedener architektonischer Konfigurationen innerhalb der Typen berücksichtigt. Die Ergebnisse zeigten, dass Convolutional Neural Networks eine höhere Performance als Recurrent Neural Networks erreichten. Außerdem wurde gezeigt, dass die Wahl der Frequenz- und Zeitaggregationsschicht die wichtigste architektonische Entscheidung ist. Studie (C) war eine detaillierte Untersuchung von Computer Vision-ähnlichen Convolutional Neural Networks für die Klassifizierung von Säuglingslauten. Ziel war es, die wichtigsten architektonischen Eigenschaften zur Steigerung der Erkennungsperformance zu bestimmen. Die Ergebnisse bestätigten die Bedeutung der Aggregationsschicht. Zusätzlich Eigenschaften, die als wichtig identifiziert wurden, waren die Eingangsgröße der vollständig verbundenen Schichten und das akkumulierte rezeptive Feld. Studie (D) war eine Untersuchung zur Kompensation der Klassenimbalance zur Erkennung von Schimpansenrufen in Langzeitaufnahmen. Ziel war es, herauszufinden, welche Kompensationsmethode aus einer Menge ausgewählter Methoden die Performance eines Deep Learning Systems am meisten verbessert. Die Ergebnisse zeigten, dass Spektrogrammentrauschen am effektivsten war, während Methoden zur Kompensation des relativen Ungleichgewichts die Performance entweder gleichhielten oder verringerten.:1. Introduction 2. Foundations in Automatic Recognition of Acoustic Communication 3. State of Research 4. Study (A): Investigation of the Assessment of Infant Vocalizations by Laypersons 5. Study (B): Comparison of Neural Network Types for Automatic Classification of Infant Vocalizations 6. Study (C): Detailed Investigation of CNNs for Automatic Classification of Infant Vocalizations 7. Study (D): Compensating Class Imbalance for Acoustic Chimpanzee Detection With Convolutional Recurrent Neural Networks 8. Conclusion and Collected Discussion 9. Appendi

Models and Analysis of Vocal Emissions for Biomedical Applications

The MAVEBA Workshop proceedings, held on a biannual basis, collect the scientific papers presented both as oral and poster contributions, during the conference. The main subjects are: development of theoretical and mechanical models as an aid to the study of main phonatory dysfunctions, as well as the biomedical engineering methods for the analysis of voice signals and images, as a support to clinical diagnosis and classification of vocal pathologies