A Comprehensive Survey of Deep Learning in Remote Sensing: Theories, Tools and Challenges for the Community

In recent years, deep learning (DL), a re-branding of neural networks (NNs), has risen to the top in numerous areas, namely computer vision (CV), speech recognition, natural language processing, etc. Whereas remote sensing (RS) possesses a number of unique challenges, primarily related to sensors and applications, inevitably RS draws from many of the same theories as CV; e.g., statistics, fusion, and machine learning, to name a few. This means that the RS community should be aware of, if not at the leading edge of, of advancements like DL. Herein, we provide the most comprehensive survey of state-of-the-art RS DL research. We also review recent new developments in the DL field that can be used in DL for RS. Namely, we focus on theories, tools and challenges for the RS community. Specifically, we focus on unsolved challenges and opportunities as it relates to (i) inadequate data sets, (ii) human-understandable solutions for modelling physical phenomena, (iii) Big Data, (iv) non-traditional heterogeneous data sources, (v) DL architectures and learning algorithms for spectral, spatial and temporal data, (vi) transfer learning, (vii) an improved theoretical understanding of DL systems, (viii) high barriers to entry, and (ix) training and optimizing the DL.Comment: 64 pages, 411 references. To appear in Journal of Applied Remote Sensin

Efficient, end-to-end and self-supervised methods for speech processing and generation

Deep learning has affected the speech processing and generation fields in many directions. First, end-to-end architectures allow the direct injection and synthesis of waveform samples. Secondly, the exploration of efficient solutions allow to implement these systems in computationally restricted environments, like smartphones. Finally, the latest trends exploit audio-visual data with least supervision. In this thesis these three directions are explored. Firstly, we propose the use of recent pseudo-recurrent structures, like self-attention models and quasi-recurrent networks, to build acoustic models for text-to-speech. The proposed system, QLAD, turns out to synthesize faster on CPU and GPU than its recurrent counterpart whilst preserving the good synthesis quality level, which is competitive with state of the art vocoder-based models. Then, a generative adversarial network is proposed for speech enhancement, named SEGAN. This model works as a speech-to-speech conversion system in time-domain, where a single inference operation is needed for all samples to operate through a fully convolutional structure. This implies an increment in modeling efficiency with respect to other existing models, which are auto-regressive and also work in time-domain. SEGAN achieves prominent results in noise supression and preservation of speech naturalness and intelligibility when compared to the other classic and deep regression based systems. We also show that SEGAN is efficient in transferring its operations to new languages and noises. A SEGAN trained for English performs similarly to this language on Catalan and Korean with only 24 seconds of adaptation data. Finally, we unveil the generative capacity of the model to recover signals from several distortions. We hence propose the concept of generalized speech enhancement. First, the model proofs to be effective to recover voiced speech from whispered one. Then the model is scaled up to solve other distortions that require a recomposition of damaged parts of the signal, like extending the bandwidth or recovering lost temporal sections, among others. The model improves by including additional acoustic losses in a multi-task setup to impose a relevant perceptual weighting on the generated result. Moreover, a two-step training schedule is also proposed to stabilize the adversarial training after the addition of such losses, and both components boost SEGAN's performance across distortions.Finally, we propose a problem-agnostic speech encoder, named PASE, together with the framework to train it. PASE is a fully convolutional network that yields compact representations from speech waveforms. These representations contain abstract information like the speaker identity, the prosodic features or the spoken contents. A self-supervised framework is also proposed to train this encoder, which suposes a new step towards unsupervised learning for speech processing. Once the encoder is trained, it can be exported to solve different tasks that require speech as input. We first explore the performance of PASE codes to solve speaker recognition, emotion recognition and speech recognition. PASE works competitively well compared to well-designed classic features in these tasks, specially after some supervised adaptation. Finally, PASE also provides good descriptors of identity for multi-speaker modeling in text-to-speech, which is advantageous to model novel identities without retraining the model.L'aprenentatge profund ha afectat els camps de processament i generació de la parla en vàries direccions. Primer, les arquitectures fi-a-fi permeten la injecció i síntesi de mostres temporals directament. D'altra banda, amb l'exploració de solucions eficients permet l'aplicació d'aquests sistemes en entorns de computació restringida, com els telèfons intel·ligents. Finalment, les darreres tendències exploren les dades d'àudio i veu per derivar-ne representacions amb la mínima supervisió. En aquesta tesi precisament s'exploren aquestes tres direccions. Primer de tot, es proposa l'ús d'estructures pseudo-recurrents recents, com els models d’auto atenció i les xarxes quasi-recurrents, per a construir models acústics text-a-veu. Així, el sistema QLAD proposat en aquest treball sintetitza més ràpid en CPU i GPU que el seu homòleg recurrent, preservant el mateix nivell de qualitat de síntesi, competitiu amb l'estat de l'art en models basats en vocoder. A continuació es proposa un model de xarxa adversària generativa per a millora de veu, anomenat SEGAN. Aquest model fa conversions de veu-a-veu en temps amb una sola operació d'inferència sobre una estructura purament convolucional. Això implica un increment en l'eficiència respecte altres models existents auto regressius i que també treballen en el domini temporal. La SEGAN aconsegueix resultats prominents d'extracció de soroll i preservació de la naturalitat i la intel·ligibilitat de la veu comparat amb altres sistemes clàssics i models regressius basats en xarxes neuronals profundes en espectre. També es demostra que la SEGAN és eficient transferint les seves operacions a nous llenguatges i sorolls. Així, un model SEGAN entrenat en Anglès aconsegueix un rendiment comparable a aquesta llengua quan el transferim al català o al coreà amb només 24 segons de dades d'adaptació. Finalment, explorem l'ús de tota la capacitat generativa del model i l’apliquem a recuperació de senyals de veu malmeses per vàries distorsions severes. Això ho anomenem millora de la parla generalitzada. Primer, el model demostra ser efectiu per a la tasca de recuperació de senyal sonoritzat a partir de senyal xiuxiuejat. Posteriorment, el model escala a poder resoldre altres distorsions que requereixen una reconstrucció de parts del senyal que s’han malmès, com extensió d’ample de banda i recuperació de seccions temporals perdudes, entre d’altres. En aquesta última aplicació del model, el fet d’incloure funcions de pèrdua acústicament rellevants incrementa la naturalitat del resultat final, en una estructura multi-tasca que prediu característiques acústiques a la sortida de la xarxa discriminadora de la nostra GAN. També es proposa fer un entrenament en dues etapes del sistema SEGAN, el qual mostra un increment significatiu de l’equilibri en la sinèrgia adversària i la qualitat generada finalment després d’afegir les funcions acústiques. Finalment, proposem un codificador de veu agnòstic al problema, anomenat PASE, juntament amb el conjunt d’eines per entrenar-lo. El PASE és un sistema purament convolucional que crea representacions compactes de trames de veu. Aquestes representacions contenen informació abstracta com identitat del parlant, les característiques prosòdiques i els continguts lingüístics. També es proposa un entorn auto-supervisat multi-tasca per tal d’entrenar aquest sistema, el qual suposa un avenç en el terreny de l’aprenentatge no supervisat en l’àmbit del processament de la parla. Una vegada el codificador esta entrenat, es pot exportar per a solventar diferents tasques que requereixin tenir senyals de veu a l’entrada. Primer explorem el rendiment d’aquest codificador per a solventar tasques de reconeixement del parlant, de l’emoció i de la parla, mostrant-se efectiu especialment si s’ajusta la representació de manera supervisada amb un conjunt de dades d’adaptació

Efficient, end-to-end and self-supervised methods for speech processing and generation

Deep learning has affected the speech processing and generation fields in many directions. First, end-to-end architectures allow the direct injection and synthesis of waveform samples. Secondly, the exploration of efficient solutions allow to implement these systems in computationally restricted environments, like smartphones. Finally, the latest trends exploit audio-visual data with least supervision. In this thesis these three directions are explored. Firstly, we propose the use of recent pseudo-recurrent structures, like self-attention models and quasi-recurrent networks, to build acoustic models for text-to-speech. The proposed system, QLAD, turns out to synthesize faster on CPU and GPU than its recurrent counterpart whilst preserving the good synthesis quality level, which is competitive with state of the art vocoder-based models. Then, a generative adversarial network is proposed for speech enhancement, named SEGAN. This model works as a speech-to-speech conversion system in time-domain, where a single inference operation is needed for all samples to operate through a fully convolutional structure. This implies an increment in modeling efficiency with respect to other existing models, which are auto-regressive and also work in time-domain. SEGAN achieves prominent results in noise supression and preservation of speech naturalness and intelligibility when compared to the other classic and deep regression based systems. We also show that SEGAN is efficient in transferring its operations to new languages and noises. A SEGAN trained for English performs similarly to this language on Catalan and Korean with only 24 seconds of adaptation data. Finally, we unveil the generative capacity of the model to recover signals from several distortions. We hence propose the concept of generalized speech enhancement. First, the model proofs to be effective to recover voiced speech from whispered one. Then the model is scaled up to solve other distortions that require a recomposition of damaged parts of the signal, like extending the bandwidth or recovering lost temporal sections, among others. The model improves by including additional acoustic losses in a multi-task setup to impose a relevant perceptual weighting on the generated result. Moreover, a two-step training schedule is also proposed to stabilize the adversarial training after the addition of such losses, and both components boost SEGAN's performance across distortions.Finally, we propose a problem-agnostic speech encoder, named PASE, together with the framework to train it. PASE is a fully convolutional network that yields compact representations from speech waveforms. These representations contain abstract information like the speaker identity, the prosodic features or the spoken contents. A self-supervised framework is also proposed to train this encoder, which suposes a new step towards unsupervised learning for speech processing. Once the encoder is trained, it can be exported to solve different tasks that require speech as input. We first explore the performance of PASE codes to solve speaker recognition, emotion recognition and speech recognition. PASE works competitively well compared to well-designed classic features in these tasks, specially after some supervised adaptation. Finally, PASE also provides good descriptors of identity for multi-speaker modeling in text-to-speech, which is advantageous to model novel identities without retraining the model.L'aprenentatge profund ha afectat els camps de processament i generació de la parla en vàries direccions. Primer, les arquitectures fi-a-fi permeten la injecció i síntesi de mostres temporals directament. D'altra banda, amb l'exploració de solucions eficients permet l'aplicació d'aquests sistemes en entorns de computació restringida, com els telèfons intel·ligents. Finalment, les darreres tendències exploren les dades d'àudio i veu per derivar-ne representacions amb la mínima supervisió. En aquesta tesi precisament s'exploren aquestes tres direccions. Primer de tot, es proposa l'ús d'estructures pseudo-recurrents recents, com els models d’auto atenció i les xarxes quasi-recurrents, per a construir models acústics text-a-veu. Així, el sistema QLAD proposat en aquest treball sintetitza més ràpid en CPU i GPU que el seu homòleg recurrent, preservant el mateix nivell de qualitat de síntesi, competitiu amb l'estat de l'art en models basats en vocoder. A continuació es proposa un model de xarxa adversària generativa per a millora de veu, anomenat SEGAN. Aquest model fa conversions de veu-a-veu en temps amb una sola operació d'inferència sobre una estructura purament convolucional. Això implica un increment en l'eficiència respecte altres models existents auto regressius i que també treballen en el domini temporal. La SEGAN aconsegueix resultats prominents d'extracció de soroll i preservació de la naturalitat i la intel·ligibilitat de la veu comparat amb altres sistemes clàssics i models regressius basats en xarxes neuronals profundes en espectre. També es demostra que la SEGAN és eficient transferint les seves operacions a nous llenguatges i sorolls. Així, un model SEGAN entrenat en Anglès aconsegueix un rendiment comparable a aquesta llengua quan el transferim al català o al coreà amb només 24 segons de dades d'adaptació. Finalment, explorem l'ús de tota la capacitat generativa del model i l’apliquem a recuperació de senyals de veu malmeses per vàries distorsions severes. Això ho anomenem millora de la parla generalitzada. Primer, el model demostra ser efectiu per a la tasca de recuperació de senyal sonoritzat a partir de senyal xiuxiuejat. Posteriorment, el model escala a poder resoldre altres distorsions que requereixen una reconstrucció de parts del senyal que s’han malmès, com extensió d’ample de banda i recuperació de seccions temporals perdudes, entre d’altres. En aquesta última aplicació del model, el fet d’incloure funcions de pèrdua acústicament rellevants incrementa la naturalitat del resultat final, en una estructura multi-tasca que prediu característiques acústiques a la sortida de la xarxa discriminadora de la nostra GAN. També es proposa fer un entrenament en dues etapes del sistema SEGAN, el qual mostra un increment significatiu de l’equilibri en la sinèrgia adversària i la qualitat generada finalment després d’afegir les funcions acústiques. Finalment, proposem un codificador de veu agnòstic al problema, anomenat PASE, juntament amb el conjunt d’eines per entrenar-lo. El PASE és un sistema purament convolucional que crea representacions compactes de trames de veu. Aquestes representacions contenen informació abstracta com identitat del parlant, les característiques prosòdiques i els continguts lingüístics. També es proposa un entorn auto-supervisat multi-tasca per tal d’entrenar aquest sistema, el qual suposa un avenç en el terreny de l’aprenentatge no supervisat en l’àmbit del processament de la parla. Una vegada el codificador esta entrenat, es pot exportar per a solventar diferents tasques que requereixin tenir senyals de veu a l’entrada. Primer explorem el rendiment d’aquest codificador per a solventar tasques de reconeixement del parlant, de l’emoció i de la parla, mostrant-se efectiu especialment si s’ajusta la representació de manera supervisada amb un conjunt de dades d’adaptació.Postprint (published version

Synergy of Physics-based Reasoning and Machine Learning in Biomedical Applications: Towards Unlimited Deep Learning with Limited Data

Technological advancements enable collecting vast data, i.e., Big Data, in science and industry including biomedical field. Increased computational power allows expedient analysis of collected data using statistical and machine-learning approaches. Historical data incompleteness problem and curse of dimensionality diminish practical value of pure data-driven approaches, especially in biomedicine. Advancements in deep learning (DL) frameworks based on deep neural networks (DNN) improved accuracy in image recognition, natural language processing, and other applications yet severe data limitations and/or absence of transfer-learning-relevant problems drastically reduce advantages of DNN-based DL. Our earlier works demonstrate that hierarchical data representation can be alternatively implemented without NN, using boosting-like algorithms for utilization of existing domain knowledge, tolerating significant data incompleteness, and boosting accuracy of low-complexity models within the classifier ensemble, as illustrated in physiological-data analysis. Beyond obvious use in initial-factor selection, existing simplified models are effectively employed for generation of realistic synthetic data for later DNN pre-training. We review existing machine learning approaches, focusing on limitations caused by training-data incompleteness. We outline our hybrid framework that leverages existing domain-expert models/knowledge, boosting-like model combination, DNN-based DL and other machine learning algorithms for drastic reduction of training-data requirements. Applying this framework is illustrated in context of analyzing physiological data

Adversarial Training in Affective Computing and Sentiment Analysis: Recent Advances and Perspectives

Over the past few years, adversarial training has become an extremely active research topic and has been successfully applied to various Artificial Intelligence (AI) domains. As a potentially crucial technique for the development of the next generation of emotional AI systems, we herein provide a comprehensive overview of the application of adversarial training to affective computing and sentiment analysis. Various representative adversarial training algorithms are explained and discussed accordingly, aimed at tackling diverse challenges associated with emotional AI systems. Further, we highlight a range of potential future research directions. We expect that this overview will help facilitate the development of adversarial training for affective computing and sentiment analysis in both the academic and industrial communities