Time–Frequency Cepstral Features and Heteroscedastic Linear Discriminant Analysis for Language Recognition

The shifted delta cepstrum (SDC) is a widely used feature extraction for language recognition (LRE). With a high context width due to incorporation of multiple frames, SDC outperforms traditional delta and acceleration feature vectors. However, it also introduces correlation into the concatenated feature vector, which increases redundancy and may degrade the performance of backend classifiers. In this paper, we first propose a time-frequency cepstral (TFC) feature vector, which is obtained by performing a temporal discrete cosine transform (DCT) on the cepstrum matrix and selecting the transformed elements in a zigzag scan order. Beyond this, we increase discriminability through a heteroscedastic linear discriminant analysis (HLDA) on the full cepstrum matrix. By utilizing block diagonal matrix constraints, the large HLDA problem is then reduced to several smaller HLDA problems, creating a block diagonal HLDA (BDHLDA) algorithm which has much lower computational complexity. The BDHLDA method is finally extended to the GMM domain, using the simpler TFC features during re-estimation to provide significantly improved computation speed. Experiments on NIST 2003 and 2007 LRE evaluation corpora show that TFC is more effective than SDC, and that the GMM-based BDHLDA results in lower equal error rate (EER) and minimum average cost (Cavg) than either TFC or SDC approaches

Extracción de características mediante redes neuronales multicapa para reconocimiento de idioma

Este Trabajo Fin de Grado tiene como objetivo estudiar la utilización de características bottleneck extraídas de una red neuronal profunda entrenada para reconocimiento del habla, y reemplazar con ellas a las tradicionales características acústicas MFCC como parámetros de entrada a un sistema de reconocimiento automático de idioma UBM/Ivector. Para abordar esto, se implementará en primer lugar un sistema de reconocimiento de idioma siguiendo la aproximación clásica UBM/i-vector, basado en características acústicas MFCC que servirá como sistema de referencia. Después se entrenarán cuatro redes neuronales profundas con el objetivo de extraer características bottleneck que capturen información a cuatro niveles diferentes de abstracción y finalmente se implementarán cuatro sistemas de reconocimiento de idioma que usen estas características. La base de datos que se usará para el entrenamiento de las redes neuronales será Switchboard, y para el entrenamiento del sistema de reconocimiento de idioma UBM/ivector se hará uso de los audios proporcionados por el National Institute of Standards and Technology (NIST) para el Plan de Evaluación de Reconocimiento de Idioma de 2015 (LRE15). Las principales herramientas con las que se trabajarán son: Kaldi para la implementación de los sistemas de reconocimiento de idioma, Theano para el entrenamiento de las redes neuronales y extracción de características bottleneck, y también se hará uso de Matlab para generar los modelos, conseguir las puntuaciones (scores) y realizar la evaluación de los sistemas. Para evaluar la mejora que pueda suponer el uso de estas características bottleneck en reconocimiento de idioma, se compararán los resultados obtenidos en los cuatro sistemas que usen estas características con los resultados obtenidos con el sistema de referencia basado en MFCC. El rendimiento de los sistemas se medirá según el porcentaje de acierto en la predicción de idioma de los segmentos de evaluación en distintas pruebas previstas. A su vez, se hará una comparativa entre estos sistemas que emplean distintas características de entrada siguiendo la métrica del Equal Error Rate (EER) obtenido en cada uno de ellos.This Bachelor Thesis has the objective of studying the use of bottleneck features extracted from a deep neural network trained for speech recognition in order to replace the traditional MFCC acoustic features as input parameters for an automatic UBM/i-vector language recognition system. To do so, in the first place a language recognition system with a classical UBM/i-vector approach –based on acoustic features MFCC which works as reference system– will be implemented. After that, four deep neural networks will be implemented with the purpose of extracting bottleneck features that collect information in four different abstraction levels. Finally, four language recognition systems that us this features will be implemented. The database that will be used for the neural networks training will be Switchboard, and for the UBM/i-vector language recognition system audio recordings provided by the National Institute of Standards and Technology (NIST) for the 2015 NIST Language Recognition Evaluation Plan (LRE15) will be used. The main tools we will be working with are: Kaldi for the language recognition system implementation, Theano for the neural networks training and bottleneck features extraction. Matlab will also be used to generate models, get the scores and perform the systems evaluations. To evaluate the improvement, these bottleneck features can mean in language recognition, the obtained results will be compared in the four systems that use these features with those obtained with the referral system based on MFCC. The systems’ performance will be measured according to the success rate in the language prediction of the evaluation segments over various tests. Moreover, these systems with different input features will be compared following the Equal Error Rate (EER) obtained from each of them

Subspace Gaussian Mixture Models for Language Identification and Dysarthric Speech Intelligibility Assessment

En esta Tesis se ha investigado la aplicación de técnicas de modelado de subespacios de mezclas de Gaussianas en dos problemas relacionados con las tecnologías del habla, como son la identificación automática de idioma (LID, por sus siglas en inglés) y la evaluación automática de inteligibilidad en el habla de personas con disartria. Una de las técnicas más importantes estudiadas es el análisis factorial conjunto (JFA, por sus siglas en inglés). JFA es, en esencia, un modelo de mezclas de Gaussianas en el que la media de cada componente se expresa como una suma de factores de dimensión reducida, y donde cada factor representa una contribución diferente a la señal de audio. Esta factorización nos permite compensar nuestros modelos frente a contribuciones indeseadas presentes en la señal, como la información de canal. JFA se ha investigado como clasficador y como extractor de parámetros. En esta última aproximación se modela un solo factor que representa todas las contribuciones presentes en la señal. Los puntos en este subespacio se denominan i-Vectors. Así, un i-Vector es un vector de baja dimensión que representa una grabación de audio. Los i-Vectors han resultado ser muy útiles como vector de características para representar señales en diferentes problemas relacionados con el aprendizaje de máquinas. En relación al problema de LID, se han investigado dos sistemas diferentes de acuerdo al tipo de información extraída de la señal. En el primero, la señal se parametriza en vectores acústicos con información espectral a corto plazo. En este caso, observamos mejoras de hasta un 50% con el sistema basado en i-Vectors respecto al sistema que utilizaba JFA como clasificador. Se comprobó que el subespacio de canal del modelo JFA también contenía información del idioma, mientras que con los i-Vectors no se descarta ningún tipo de información, y además, son útiles para mitigar diferencias entre los datos de entrenamiento y de evaluación. En la fase de clasificación, los i-Vectors de cada idioma se modelaron con una distribución Gaussiana en la que la matriz de covarianza era común para todos. Este método es simple y rápido, y no requiere de ningún post-procesado de los i-Vectors. En el segundo sistema, se introdujo el uso de información prosódica y formántica en un sistema de LID basado en i-Vectors. La precisión de éste estaba por debajo de la del sistema acústico. Sin embargo, los dos sistemas son complementarios, y se obtuvo hasta un 20% de mejora con la fusión de los dos respecto al sistema acústico solo. Tras los buenos resultados obtenidos para LID, y dado que, teóricamente, los i-Vectors capturan toda la información presente en la señal, decidimos usarlos para la evaluar de manera automática la inteligibilidad en el habla de personas con disartria. Los logopedas están muy interesados en esta tecnología porque permitiría evaluar a sus pacientes de una manera objetiva y consistente. En este caso, los i-Vectors se obtuvieron a partir de información espectral a corto plazo de la señal, y la inteligibilidad se calculó a partir de los i-Vectors obtenidos para un conjunto de palabras dichas por el locutor evaluado. Comprobamos que los resultados eran mucho mejores si en el entrenamiento del sistema se incorporaban datos de la persona que iba a ser evaluada. No obstante, esta limitación podría aliviarse utilizando una mayor cantidad de datos para entrenar el sistema.In this Thesis, we investigated how to effciently apply subspace Gaussian mixture modeling techniques onto two speech technology problems, namely automatic spoken language identification (LID) and automatic intelligibility assessment of dysarthric speech. One of the most important of such techniques in this Thesis was joint factor analysis (JFA). JFA is essentially a Gaussian mixture model where the mean of the components is expressed as a sum of low-dimension factors that represent different contributions to the speech signal. This factorization makes it possible to compensate for undesired sources of variability, like the channel. JFA was investigated as final classiffer and as feature extractor. In the latter approach, a single subspace including all sources of variability is trained, and points in this subspace are known as i-Vectors. Thus, one i-Vector is defined as a low-dimension representation of a single utterance, and they are a very powerful feature for different machine learning problems. We have investigated two different LID systems according to the type of features extracted from speech. First, we extracted acoustic features representing short-time spectral information. In this case, we observed relative improvements with i-Vectors with respect to JFA of up to 50%. We realized that the channel subspace in a JFA model also contains language information whereas i-Vectors do not discard any language information, and moreover, they help to reduce mismatches between training and testing data. For classification, we modeled the i-Vectors of each language with a Gaussian distribution with covariance matrix shared among languages. This method is simple and fast, and it worked well without any post-processing. Second, we introduced the use of prosodic and formant information with the i-Vectors system. The performance was below the acoustic system but both were found to be complementary and we obtained up to a 20% relative improvement with the fusion with respect to the acoustic system alone. Given the success in LID and the fact that i-Vectors capture all the information that is present in the data, we decided to use i-Vectors for other tasks, specifically, the assessment of speech intelligibility in speakers with different types of dysarthria. Speech therapists are very interested in this technology because it would allow them to objectively and consistently rate the intelligibility of their patients. In this case, the input features were extracted from short-term spectral information, and the intelligibility was assessed from the i-Vectors calculated from a set of words uttered by the tested speaker. We found that the performance was clearly much better if we had available data for training of the person that would use the application. We think that this limitation could be relaxed if we had larger databases for training. However, the recording process is not easy for people with disabilities, and it is difficult to obtain large datasets of dysarthric speakers open to the research community. Finally, the same system architecture for intelligibility assessment based on i-Vectors was used for predicting the accuracy that an automatic speech recognizer (ASR) system would obtain with dysarthric speakers. The only difference between both was the ground truth label set used for training. Predicting the performance response of an ASR system would increase the confidence of speech therapists in these systems and would diminish health related costs. The results were not as satisfactory as in the previous case, probably because an ASR is a complex system whose accuracy can be very difficult to be predicted only with acoustic information. Nonetheless, we think that we opened a door to an interesting research direction for the two problems

Exploring variabilities through factor analysis in automatic acoustic language recognition

La problématique traitée par la Reconnaissance de la Langue (LR) porte sur la définition découverte de la langue contenue dans un segment de parole. Cette thèse se base sur des paramètres acoustiques de courte durée, utilisés dans une approche d adaptation de mélanges de Gaussiennes (GMM-UBM). Le problème majeur de nombreuses applications du vaste domaine de la re- problème connaissance de formes consiste en la variabilité des données observées. Dans le contexte de la Reconnaissance de la Langue (LR), cette variabilité nuisible est due à des causes diverses, notamment les caractéristiques du locuteur, l évolution de la parole et de la voix, ainsi que les canaux d acquisition et de transmission. Dans le contexte de la reconnaissance du locuteur, l impact de la variabilité solution peut sensiblement être réduit par la technique d Analyse Factorielle (Joint Factor Analysis, JFA). Dans ce travail, nous introduisons ce paradigme à la Reconnaissance de la Langue. Le succès de la JFA repose sur plusieurs hypothèses. La première est que l information observée est décomposable en une partie universelle, une partie dépendante de la langue et une partie de variabilité, qui elle est indépendante de la langue. La deuxième hypothèse, plus technique, est que la variabilité nuisible se situe dans un sous-espace de faible dimension, qui est défini de manière globale.Dans ce travail, nous analysons le comportement de la JFA dans le contexte d un dispositif de LR du type GMM-UBM. Nous introduisons et analysons également sa combinaison avec des Machines à Vecteurs Support (SVM). Les premières publications sur la JFA regroupaient toute information qui est amélioration nuisible à la tâche (donc ladite variabilité) dans un seul composant. Celui-ci est supposé suivre une distribution Gaussienne. Cette approche permet de traiter les différentes sortes de variabilités d une manière unique. En pratique, nous observons que cette hypothèse n est pas toujours vérifiée. Nous avons, par exemple, le cas où les données peuvent être groupées de manière logique en deux sous-parties clairement distinctes, notamment en données de sources téléphoniques et d émissions radio. Dans ce cas-ci, nos recherches détaillées montrent un certain avantage à traiter les deux types de données par deux systèmes spécifiques et d élire comme score de sortie celui du système qui correspond à la catégorie source du segment testé. Afin de sélectionner le score de l un des systèmes, nous avons besoin d un analyses détecteur de canal source. Nous proposons ici différents nouveaux designs pour engendrées de tels détecteurs automatiques. Dans ce cadre, nous montrons que les facteurs de variabilité (du sous-espace) de la JFA peuvent être utilisés avec succès pour la détection de la source. Ceci ouvre la perspective intéressante de subdiviser les5données en catégories de canal source qui sont établies de manière automatique. En plus de pouvoir s adapter à des nouvelles conditions de source, cette propriété permettrait de pouvoir travailler avec des données d entraînement qui ne sont pas accompagnées d étiquettes sur le canal de source. L approche JFA permet une réduction de la mesure de coûts allant jusqu à généraux 72% relatives, comparé au système GMM-UBM de base. En utilisant des systèmes spécifiques à la source, suivis d un sélecteur de scores, nous obtenons une amélioration relative de 81%.Language Recognition is the problem of discovering the language of a spoken definitionutterance. This thesis achieves this goal by using short term acoustic information within a GMM-UBM approach.The main problem of many pattern recognition applications is the variability of problemthe observed data. In the context of Language Recognition (LR), this troublesomevariability is due to the speaker characteristics, speech evolution, acquisition and transmission channels.In the context of Speaker Recognition, the variability problem is solved by solutionthe Joint Factor Analysis (JFA) technique. Here, we introduce this paradigm toLanguage Recognition. The success of JFA relies on several assumptions: The globalJFA assumption is that the observed information can be decomposed into a universalglobal part, a language-dependent part and the language-independent variabilitypart. The second, more technical assumption consists in the unwanted variability part to be thought to live in a low-dimensional, globally defined subspace. In this work, we analyze how JFA behaves in the context of a GMM-UBM LR framework. We also introduce and analyze its combination with Support Vector Machines(SVMs).The first JFA publications put all unwanted information (hence the variability) improvemen tinto one and the same component, which is thought to follow a Gaussian distribution.This handles diverse kinds of variability in a unique manner. But in practice,we observe that this hypothesis is not always verified. We have for example thecase, where the data can be divided into two clearly separate subsets, namely datafrom telephony and from broadcast sources. In this case, our detailed investigations show that there is some benefit of handling the two kinds of data with two separatesystems and then to elect the output score of the system, which corresponds to the source of the testing utterance.For selecting the score of one or the other system, we need a channel source related analyses detector. We propose here different novel designs for such automatic detectors.In this framework, we show that JFA s variability factors (of the subspace) can beused with success for detecting the source. This opens the interesting perspectiveof partitioning the data into automatically determined channel source categories,avoiding the need of source-labeled training data, which is not always available.The JFA approach results in up to 72% relative cost reduction, compared to the overall resultsGMM-UBM baseline system. Using source specific systems followed by a scoreselector, we achieve 81% relative improvement.AVIGNON-Bib. numérique (840079901) / SudocSudocFranceF