Computation of the one-dimensional unwrapped phase

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2006.Includes bibliographical references (p. 101-102). "Cepstrum bibliography" (p. 67-100).In this thesis, the computation of the unwrapped phase of the discrete-time Fourier transform (DTFT) of a one-dimensional finite-length signal is explored. The phase of the DTFT is not unique, and may contain integer multiple of 27r discontinuities. The unwrapped phase is the instance of the phase function chosen to ensure continuity. This thesis presents existing algorithms for computing the unwrapped phase, discussing their weaknesses and strengths. Then two composite algorithms are proposed that use the existing ones, combining their strengths while avoiding their weaknesses. The core of the proposed methods is based on recent advances in polynomial factoring. The proposed methods are implemented and compared to the existing ones.by Zahi Nadim Karam.S.M

Precise Estimation of Vocal Tract and Voice Source Characteristics

This thesis addresses the problem of quality degradation in speech produced by parameter-based speech synthesis, within the framework of an articulatory-acoustic forward mapping. I first investigate current problems in speech parameterisation, and point out the fact that conventional parameterisation inaccurately extracts the vocal tract response due to interference from the harmonic structure of voiced speech. To overcome this problem, I introduce a method for estimating filter responses more precisely from periodic signals. The method achieves such estimation in the frequency domain by approximating all the harmonics observed in several frames based on a least squares criterion. It is shown that the proposed method is capable of estimating the response more accurately than widely-used frame-by-frame parameterisation, for simulations using synthetic speech and for an articulatory-acoustic mapping using actual speech. I also deal with the source-filter separation problem and independent control of the voice source characteristic during speech synthesis. I propose a statistical approach to separating out the vocal-tract filter response from the voice source characteristic using a large articulatory database. The approach realises such separation for voiced speech using an iterative approximation procedure under the assumption that the speech production process is a linear system composed of a voice source and a vocal-tract filter, and that each of the components is controlled independently by different sets of factors. Experimental results show that controlling the source characteristic greatly improves the accuracy of the articulatory-acoustic mapping, and that the spectral variation of the source characteristic is evidently influenced by the fundamental frequency or the power of speech. The thesis provides more accurate acoustical approximation of the vocal tract response, which will be beneficial in a wide range of speech technologies, and lays the groundwork in speech science for a new type of corpus-based statistical solution to the source-filter separation problem

Hidden Markov Models

Hidden Markov Models (HMMs), although known for decades, have made a big career nowadays and are still in state of development. This book presents theoretical issues and a variety of HMMs applications in speech recognition and synthesis, medicine, neurosciences, computational biology, bioinformatics, seismology, environment protection and engineering. I hope that the reader will find this book useful and helpful for their own research

Design of hardware architectures for HMM–based signal processing systems with applications to advanced human-machine interfaces

In questa tesi viene proposto un nuovo approccio per lo sviluppo di interfacce uomo–macchina. In particolare si tratta il caso di sistemi di pattern recognition che fanno uso di Hidden Markov Models per la classificazione. Il progetto di ricerca è partito dall’ideazione di nuove tecniche per la realizzazione di sistemi di riconoscimento vocale per parlato spontaneo. Gli HMM sono stati scelti come lo strumento algoritmico di base per la realizzazione del sistema. Dopo una fase di studio preliminare gli obiettivi sono stati estesi alla realizzazione di una architettura hardware in grado di fornire uno strumento riconfigurabile che possa essere utilizzato non solo per il riconoscimento vocale, ma in qualsiasi tipo di classificatore basato su HMM. Il lavoro si concentra quindi sullo sviluppo di architetture hardware dedicate, ma nuovi risultati sono stati ottenuti anche a livello di applicazione per quanto riguarda la classificazione di segnali elettroencefalografici attraverso gli HMM. Innanzitutto state sviluppata una architettura a livello di sistema applicabile a qualsiasi sistema di pattern recognition che faccia usi di HMM. L’architettura stata concepita in modo tale da essere utilizzabile come un sistema stand–alone. Definita l’architettura, un processore hardware per HMM, completamente riconfigurabile, stato decritto in linguaggio VHDL e simulato con successo. Un array parallelo di questi processori costituisce di fatto il nucleo di processamento dell’architettura sviluppata. Sulla base del progetto in VHDL, due piattaforme di prototipaggio rapido basate su FPGA sono state selezionate per dei test di implementazione. Diverse configurazioni costituite da array paralleli di processori HMM sono state implementate su FPGA. Le soluzioni che offrivano un miglior compromesso tra prestazioni e quantità di risorse hardware utilizzate sono state selezionate per ulteriori analisi. Un sistema software per il pattern recognition basato su HMM stato scelto come sistema di riferimento per verificare la corretta funzionalità delle architetture implementate. Diversi test sono stati progettati per validare che il funzionamento del sistema corrispondesse alle specifiche iniziali. Le versioni implementate del sistema sono state confrontate con il software di riferimento sulla base dei risultati forniti dai test. Dal confronto è stato possibile appurare che le architetture sviluppate hanno un comportamento corrispondente a quello richiesto. Infine le implementazioni dell’array parallelo di processori HMM `e sono state applicate a due applicazioni reali: un riconoscitore vocale, ed un classificatore per interfacce basate su segnali elettroencefalografici. In entrambi i casi l’architettura si è dimostrata in grado di gestire l’applicazione senza alcun problema. L’uso del processamento hardware per il riconoscimento vocale apre di fatto la strada a nuovi sviluppi nel campo grazie al notevole incremento di prestazioni ottenibili in termini di tempo di esecuzione. L’applicazione al processamento dell’EEG, invece, introduce di fatto un approccio completamente nuovo alla classificazione di questo tipo di segnali, e mostra come in futuro potrebbe essere possibile lo sviluppo di interfacce basate sulla classificazione dei segnali generati dal pensiero spontaneo. I possibili sviluppi del lavoro iniziato con questa tesi sono molteplici. Una direzione possibile è quella dell’implementazione completa dell’architettura proposta come un sistema stand–alone riconfigurabile per l’accelerazione di sistemi per pattern recognition di qualsiasi natura purchè basati su HMM. Le potenzialità di tale sistema renderebbero possibile la realizzazione di classificatiori in tempo reale con un alto grado di complessità, e quindi allo sviluppo di interfacce realmente multimodali, con una vasta gamma di applicazioni, dai sistemi di per lo spazio a quelli di supporto per persone disabili.In this thesis a new approach is described for the development of human–computer interfaces. In particular the case of pattern recognition systems based on Hidden Markov Models have been taken into account. The research started from he development of techniques for the realization of natural language speech recognition systems. The Hidden Markov Model (HMM) was chosen as the main algorithmic tool to be used to build the system. After the early work the goal was extended to the development of an hardware architecture that provided a reconfigurable tool to be used in any pattern recognition task, and not only in speech recognition. The whole work is thus focused on the development of dedicated hardware architectures, but also some new results have been obtained on the classification of electroencephalographic signals through the use of HMMs. Firstly a system–level architecture has been developed to be used in HMM based pattern recognition systems. The architecture has been conceived in order to be able to work as a stand–alone system. Then a VHDL description has been made of a flexible and completely reconfigurable hardware HMM processor and the design was successfully simulated. A parallel array of these processors is actually the core processing block of the developed architecture. Then two suitable FPGA based, fast prototyping platforms have been identified to be the targets for the implementation tests. Different configurations of parallel HMM processor arrays have been set up and mapped on the target FPGAs. Some solutions have been selected to be the best in terms of balance between performance and resources utilization. Furthermore a software HMM based pattern recognition system has been chosen to be the reference system for the functionality of the implemented subsystems. A set of tests have been developed with the aim to test the correct functionality of the hardware. The implemented system was compared to the reference system on the basis of the tests’ results, and it was found that the behavior was the one expected and the required functionality was correctly achieved. Finally the implementation of the parallel HMM array was tested through its application to two real–world applications: a speech recognition task and a brain–computer interface task. In both cases the architecture showed to be functionally suitable and powerful enough to handle the task without problems. The application of the hardware processing to speech recognition opens new perspectives in the design of this kind of systems because of the dramatic increment in performance. The application to brain–computer interface is really interesting because of a new approach in the classification of EEG that shows how could be possible a future development of interfaces based on the classification of spontaneous thought. The possible evolution directions of the work started with this thesis are many. Effort could be spent of the implementation of the developed architecture as a stand–alone reconfigurable system suitable for any kind of HMM–based pattern recognition task. The potential performance of such a system could open the way to extremely complex real–time pattern recognition systems, and thus to the realization of truly multimodal interfaces, with a variety of applications, from space to aid systems for the impaired

Design of hardware architectures for HMM–based signal processing systems with applications to advanced human-machine interfaces

In questa tesi viene proposto un nuovo approccio per lo sviluppo di interfacce uomo–macchina. In particolare si tratta il caso di sistemi di pattern recognition che fanno uso di Hidden Markov Models per la classificazione. Il progetto di ricerca è partito dall’ideazione di nuove tecniche per la realizzazione di sistemi di riconoscimento vocale per parlato spontaneo. Gli HMM sono stati scelti come lo strumento algoritmico di base per la realizzazione del sistema. Dopo una fase di studio preliminare gli obiettivi sono stati estesi alla realizzazione di una architettura hardware in grado di fornire uno strumento riconfigurabile che possa essere utilizzato non solo per il riconoscimento vocale, ma in qualsiasi tipo di classificatore basato su HMM. Il lavoro si concentra quindi sullo sviluppo di architetture hardware dedicate, ma nuovi risultati sono stati ottenuti anche a livello di applicazione per quanto riguarda la classificazione di segnali elettroencefalografici attraverso gli HMM. Innanzitutto state sviluppata una architettura a livello di sistema applicabile a qualsiasi sistema di pattern recognition che faccia usi di HMM. L’architettura stata concepita in modo tale da essere utilizzabile come un sistema stand–alone. Definita l’architettura, un processore hardware per HMM, completamente riconfigurabile, stato decritto in linguaggio VHDL e simulato con successo. Un array parallelo di questi processori costituisce di fatto il nucleo di processamento dell’architettura sviluppata. Sulla base del progetto in VHDL, due piattaforme di prototipaggio rapido basate su FPGA sono state selezionate per dei test di implementazione. Diverse configurazioni costituite da array paralleli di processori HMM sono state implementate su FPGA. Le soluzioni che offrivano un miglior compromesso tra prestazioni e quantità di risorse hardware utilizzate sono state selezionate per ulteriori analisi. Un sistema software per il pattern recognition basato su HMM stato scelto come sistema di riferimento per verificare la corretta funzionalità delle architetture implementate. Diversi test sono stati progettati per validare che il funzionamento del sistema corrispondesse alle specifiche iniziali. Le versioni implementate del sistema sono state confrontate con il software di riferimento sulla base dei risultati forniti dai test. Dal confronto è stato possibile appurare che le architetture sviluppate hanno un comportamento corrispondente a quello richiesto. Infine le implementazioni dell’array parallelo di processori HMM `e sono state applicate a due applicazioni reali: un riconoscitore vocale, ed un classificatore per interfacce basate su segnali elettroencefalografici. In entrambi i casi l’architettura si è dimostrata in grado di gestire l’applicazione senza alcun problema. L’uso del processamento hardware per il riconoscimento vocale apre di fatto la strada a nuovi sviluppi nel campo grazie al notevole incremento di prestazioni ottenibili in termini di tempo di esecuzione. L’applicazione al processamento dell’EEG, invece, introduce di fatto un approccio completamente nuovo alla classificazione di questo tipo di segnali, e mostra come in futuro potrebbe essere possibile lo sviluppo di interfacce basate sulla classificazione dei segnali generati dal pensiero spontaneo. I possibili sviluppi del lavoro iniziato con questa tesi sono molteplici. Una direzione possibile è quella dell’implementazione completa dell’architettura proposta come un sistema stand–alone riconfigurabile per l’accelerazione di sistemi per pattern recognition di qualsiasi natura purchè basati su HMM. Le potenzialità di tale sistema renderebbero possibile la realizzazione di classificatiori in tempo reale con un alto grado di complessità, e quindi allo sviluppo di interfacce realmente multimodali, con una vasta gamma di applicazioni, dai sistemi di per lo spazio a quelli di supporto per persone disabili.In this thesis a new approach is described for the development of human–computer interfaces. In particular the case of pattern recognition systems based on Hidden Markov Models have been taken into account. The research started from he development of techniques for the realization of natural language speech recognition systems. The Hidden Markov Model (HMM) was chosen as the main algorithmic tool to be used to build the system. After the early work the goal was extended to the development of an hardware architecture that provided a reconfigurable tool to be used in any pattern recognition task, and not only in speech recognition. The whole work is thus focused on the development of dedicated hardware architectures, but also some new results have been obtained on the classification of electroencephalographic signals through the use of HMMs. Firstly a system–level architecture has been developed to be used in HMM based pattern recognition systems. The architecture has been conceived in order to be able to work as a stand–alone system. Then a VHDL description has been made of a flexible and completely reconfigurable hardware HMM processor and the design was successfully simulated. A parallel array of these processors is actually the core processing block of the developed architecture. Then two suitable FPGA based, fast prototyping platforms have been identified to be the targets for the implementation tests. Different configurations of parallel HMM processor arrays have been set up and mapped on the target FPGAs. Some solutions have been selected to be the best in terms of balance between performance and resources utilization. Furthermore a software HMM based pattern recognition system has been chosen to be the reference system for the functionality of the implemented subsystems. A set of tests have been developed with the aim to test the correct functionality of the hardware. The implemented system was compared to the reference system on the basis of the tests’ results, and it was found that the behavior was the one expected and the required functionality was correctly achieved. Finally the implementation of the parallel HMM array was tested through its application to two real–world applications: a speech recognition task and a brain–computer interface task. In both cases the architecture showed to be functionally suitable and powerful enough to handle the task without problems. The application of the hardware processing to speech recognition opens new perspectives in the design of this kind of systems because of the dramatic increment in performance. The application to brain–computer interface is really interesting because of a new approach in the classification of EEG that shows how could be possible a future development of interfaces based on the classification of spontaneous thought. The possible evolution directions of the work started with this thesis are many. Effort could be spent of the implementation of the developed architecture as a stand–alone reconfigurable system suitable for any kind of HMM–based pattern recognition task. The potential performance of such a system could open the way to extremely complex real–time pattern recognition systems, and thus to the realization of truly multimodal interfaces, with a variety of applications, from space to aid systems for the impaired

Advances in Data Mining Knowledge Discovery and Applications

Advances in Data Mining Knowledge Discovery and Applications aims to help data miners, researchers, scholars, and PhD students who wish to apply data mining techniques. The primary contribution of this book is highlighting frontier fields and implementations of the knowledge discovery and data mining. It seems to be same things are repeated again. But in general, same approach and techniques may help us in different fields and expertise areas. This book presents knowledge discovery and data mining applications in two different sections. As known that, data mining covers areas of statistics, machine learning, data management and databases, pattern recognition, artificial intelligence, and other areas. In this book, most of the areas are covered with different data mining applications. The eighteen chapters have been classified in two parts: Knowledge Discovery and Data Mining Applications

Calibration, rectification et stéréoscopie

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal