Discriminative preprocessing of speech : towards improving biometric authentication

Im Rahmen des "SecurePhone-Projektes" wurde ein multimodales System zur Benutzerauthentifizierung entwickelt, das auf ein PDA implementiert wurde. Bei der vollzogenen Erweiterung dieses Systems wurde der Möglichkeit nachgegangen, die Benutzerauthentifizierung durch eine auf biometrischen Parametern (E.: "feature enhancement") basierende Unterscheidung zwischen Sprechern sowie durch eine Kombination mehrerer Parameter zu verbessern. In der vorliegenden Dissertation wird ein allgemeines Bezugssystem zur Verbesserung der Parameter präsentiert, das ein mehrschichtiges neuronales Netz (E.: "MLP: multilayer perceptron") benutzt, um zu einer optimalen Sprecherdiskrimination zu gelangen. In einem ersten Schritt wird beim Trainieren des MLPs eine Teilmenge der Sprecher (Sprecherbasis) berücksichtigt, um die zugrundeliegenden Charakteristika des vorhandenen akustischen Parameterraums darzustellen. Am Ende eines zweiten Schrittes steht die Erkenntnis, dass die Größe der verwendeten Sprecherbasis die Leistungsfähigkeit eines Sprechererkennungssystems entscheidend beeinflussen kann. Ein dritter Schritt führt zur Feststellung, dass sich die Selektion der Sprecherbasis ebenfalls auf die Leistungsfähigkeit des Systems auswirken kann. Aufgrund dieser Beobachtung wird eine automatische Selektionsmethode für die Sprecher auf der Basis des maximalen Durchschnittswertes der Zwischenklassenvariation (between-class variance) vorgeschlagen. Unter Rückgriff auf verschiedene sprachliche Produktionssituationen (Sprachproduktion mit und ohne Hintergrundgeräusche; Sprachproduktion beim Telefonieren) wird gezeigt, dass diese Methode die Leistungsfähigkeit des Erkennungssystems verbessern kann. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wird erwartet, dass sich die hier für die Sprechererkennung verwendete Methode auch für andere biometrische Modalitäten als sinnvoll erweist. Zusätzlich wird in der vorliegenden Dissertation eine alternative Parameterrepräsentation vorgeschlagen, die aus der sog. "Sprecher-Stimme-Signatur" (E.: "SVS: speaker voice signature") abgeleitet wird. Die SVS besteht aus Trajektorien in einem Kohonennetz (E.: "SOM: self-organising map"), das den akustischen Raum repräsentiert. Als weiteres Ergebnis der Arbeit erweist sich diese Parameterrepräsentation als Ergänzung zu dem zugrundeliegenden Parameterset. Deshalb liegt eine Kombination beider Parametersets im Sinne einer Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Erkennungssystems nahe. Am Ende der Arbeit sind schließlich einige potentielle Erweiterungsmöglichkeiten zu den vorgestellten Methoden zu finden. Schlüsselwörter: Feature Enhancement, MLP, SOM, Sprecher-Basis-Selektion, SprechererkennungIn the context of the SecurePhone project, a multimodal user authentication system was developed for implementation on a PDA. Extending this system, we investigate biometric feature enhancement and multi-feature fusion with the aim of improving user authentication accuracy. In this dissertation, a general framework for feature enhancement is proposed which uses a multilayer perceptron (MLP) to achieve optimal speaker discrimination. First, to train this MLP a subset of speakers (speaker basis) is used to represent the underlying characteristics of the given acoustic feature space. Second, the size of the speaker basis is found to be among the crucial factors affecting the performance of a speaker recognition system. Third, it is found that the selection of the speaker basis can also influence system performance. Based on this observation, an automatic speaker selection approach is proposed on the basis of the maximal average between-class variance. Tests in a variety of conditions, including clean and noisy as well as telephone speech, show that this approach can improve the performance of speaker recognition systems. This approach, which is applied here to feature enhancement for speaker recognition, can be expected to also be effective with other biometric modalities besides speech. Further, an alternative feature representation is proposed in this dissertation, which is derived from what we call speaker voice signatures (SVS). These are trajectories in a Kohonen self organising map (SOM) which has been trained to represent the acoustic space. This feature representation is found to be somewhat complementary to the baseline feature set, suggesting that they can be fused to achieve improved performance in speaker recognition. Finally, this dissertation finishes with a number of potential extensions of the proposed approaches. Keywords: feature enhancement, MLP, SOM, speaker basis selection, speaker recognition, biometric, authentication, verificatio

Documenting, Interpreting, Publishing, and Reusing : Linking archaeological reports and excavation archives in the virtual space

This PhD thesis examines how application of 3D visualization and related digital analytical tools is having a transformative impact on archaeological practice via improvement of visual-spatial thinking and the strengthening of conceptual understanding. However, the deployment of these new digital methods is essentially still at an experimental stage. Therefore, the thesis undertakes a critical evaluation of current progress, identifying both shortcomings and opportunities. It argues that more work is needed to systematically identify and resolve current operational challenges in order to create improved digital frameworks that can strengthen future performance across the wider discipline.The PhD research is based on four “parallel experiments” designed to facilitate mutual enrichment and on-going refinement. Each individual experiment generated research articles, which investigate how particular 3D and digital methods can be adapted to diverse kinds of archaeological sites and features,each with unique characteristics. The articles demonstrate how particular methods can be deployed to constantly refine and improve documentation procedures, and to review and adjust interpretation during the excavation process. In total, the thesis produced five research articles and three new web-based publishing systems.Overall, the thesis demonstrates that application, proactive evaluation and constant improvement of new 3D visualization and digital analytical tools will play an increasingly significant role in strengthening and better integrating future archaeological methods and practice. The research also generates original insights and new digital platforms that together underline the importance of applying these new digital tools across the wider archaeological discipline. Finally, the thesis cautions that digital innovation needs to be anchored in an "open science" culture, including strong ethical frameworks and commitment to FAIR principles (i.e. Findability, Accessibility, Interoperability, and Reusability) of data archiving as a key component of research design and wider societal engagement

Evaluation and analysis of hybrid intelligent pattern recognition techniques for speaker identification

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel University.The rapid momentum of the technology progress in the recent years has led to a tremendous rise in the use of biometric authentication systems. The objective of this research is to investigate the problem of identifying a speaker from its voice regardless of the content (i.e. text-independent), and to design efficient methods of combining face and voice in producing a robust authentication system. A novel approach towards speaker identification is developed using wavelet analysis, and multiple neural networks including Probabilistic Neural Network (PNN), General Regressive Neural Network (GRNN)and Radial Basis Function-Neural Network (RBF NN) with the AND voting scheme. This approach is tested on GRID and VidTIMIT cor-pora and comprehensive test results have been validated with state- of-the-art approaches. The system was found to be competitive and it improved the recognition rate by 15% as compared to the classical Mel-frequency Cepstral Coe±cients (MFCC), and reduced the recognition time by 40% compared to Back Propagation Neural Network (BPNN), Gaussian Mixture Models (GMM) and Principal Component Analysis (PCA). Another novel approach using vowel formant analysis is implemented using Linear Discriminant Analysis (LDA). Vowel formant based speaker identification is best suitable for real-time implementation and requires only a few bytes of information to be stored for each speaker, making it both storage and time efficient. Tested on GRID and Vid-TIMIT, the proposed scheme was found to be 85.05% accurate when Linear Predictive Coding (LPC) is used to extract the vowel formants, which is much higher than the accuracy of BPNN and GMM. Since the proposed scheme does not require any training time other than creating a small database of vowel formants, it is faster as well. Furthermore, an increasing number of speakers makes it di±cult for BPNN and GMM to sustain their accuracy, but the proposed score-based methodology stays almost linear. Finally, a novel audio-visual fusion based identification system is implemented using GMM and MFCC for speaker identi¯cation and PCA for face recognition. The results of speaker identification and face recognition are fused at different levels, namely the feature, score and decision levels. Both the score-level and decision-level (with OR voting) fusions were shown to outperform the feature-level fusion in terms of accuracy and error resilience. The result is in line with the distinct nature of the two modalities which lose themselves when combined at the feature-level. The GRID and VidTIMIT test results validate that the proposed scheme is one of the best candidates for the fusion of face and voice due to its low computational time and high recognition accuracy

Novel neural approaches to data topology analysis and telemedicine

1noL'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmentopen676. INGEGNERIA ELETTRICAnoopenRandazzo, Vincenz

Patterns in Motion - From the Detection of Primitives to Steering Animations

In recent decades, the world of technology has developed rapidly. Illustrative of this trend is the growing number of affrdable methods for recording new and bigger data sets. The resulting masses of multivariate and high-dimensional data represent a new challenge for research and industry. This thesis is dedicated to the development of novel methods for processing multivariate time series data, thus meeting this Data Science related challenge. This is done by introducing a range of different methods designed to deal with time series data. The variety of methods re ects the different requirements and the typical stage of data processing ranging from pre-processing to post- processing and data recycling. Many of the techniques introduced work in a general setting. However, various types of motion recordings of human and animal subjects were chosen as representatives of multi-variate time series. The different data modalities include Motion Capture data, accelerations, gyroscopes, electromyography, depth data (Kinect) and animated 3D-meshes. It is the goal of this thesis to provide a deeper understanding of working with multi-variate time series by taking the example of multi-variate motion data. However, in order to maintain an overview of the matter, the thesis follows a basic general pipeline. This pipeline was developed as a guideline for time series processing and is the first contribution of this work. Each part of the thesis represents one important stage of this pipeline which can be summarized under the topics segmentation, analysis and synthesis. Specific examples of different data modalities, processing requirements and methods to meet those are discussed in the chapters of the respective parts. One important contribution of this thesis is a novel method for temporal segmentation of motion data. It is based on the idea of self-similarities within motion data and is capable of unsupervised segmentation of range of motion data into distinct activities and motion primitives. The examples concerned with the analysis of multi-variate time series re ect the role of data analysis in different inter-disciplinary contexts and also the variety of requirements that comes with collaboration with other sciences. These requirements are directly connected to current challenges in data science. Finally, the problem of synthesis of multi-variate time series is discussed using a graph-based example and examples related to rigging or steering of meshes. Synthesis is an important stage in data processing because it creates new data from existing ones in a controlled way. This makes exploiting existing data sets and and access of more condensed data possible, thus providing feasible alternatives to otherwise time-consuming manual processing.Muster in Bewegung - Von der Erkennung von Primitiven zur Steuerung von Animationen In den letzten Jahrzehnten hat sich die Welt der Technologie rapide entwickelt. Beispielhaft für diese Entwicklung ist die wachsende Zahl erschwinglicher Methoden zum Aufzeichnen neuer und immer größerer Datenmengen. Die sich daraus ergebenden Massen multivariater und hochdimensionaler Daten stellen Forschung wie Industrie vor neuartige Probleme. Diese Arbeit ist der Entwicklung neuer Verfahren zur Verarbeitung multivariater Zeitreihen gewidmet und stellt sich damit einer großen Herausforderung, welche unmittelbar mit dem neuen Feld der sogenannten Data Science verbunden ist. In ihr werden ein Reihe von verschiedenen Verfahren zur Verarbeitung multivariater Zeitserien eingeführt. Die verschiedenen Verfahren gehen jeweils auf unterschiedliche Anforderungen und typische Stadien der Datenverarbeitung ein und reichen von Vorverarbeitung bis zur Nachverarbeitung und darüber hinaus zur Wiederverwertung. Viele der vorgestellten Techniken eignen sich zur Verarbeitung allgemeiner multivariater Zeitreihen. Allerdings wurden hier eine Anzahl verschiedenartiger Aufnahmen von menschlichen und tierischen Subjekte ausgewählt, welche als Vertreter für allgemeine multivariate Zeitreihen gelten können. Zu den unterschiedlichen Modalitäten der Aufnahmen gehören Motion Capture Daten, Beschleunigungen, Gyroskopdaten, Elektromyographie, Tiefenbilder ( Kinect ) und animierte 3D -Meshes. Es ist das Ziel dieser Arbeit, am Beispiel der multivariaten Bewegungsdaten ein tieferes Verstndnis für den Umgang mit multivariaten Zeitreihen zu vermitteln. Um jedoch einen Überblick ber die Materie zu wahren, folgt sie jedoch einer grundlegenden und allgemeinen Pipeline. Diese Pipeline wurde als Leitfaden für die Verarbeitung von Zeitreihen entwickelt und ist der erste Beitrag dieser Arbeit. Jeder weitere Teil der Arbeit behandelt eine von drei größeren Stationen in der Pipeline, welche sich unter unter die Themen Segmentierung, Analyse und Synthese eingliedern lassen. Beispiele verschiedener Datenmodalitäten und Anforderungen an ihre Verarbeitung erläutern die jeweiligen Verfahren. Ein wichtiger Beitrag dieser Arbeit ist ein neuartiges Verfahren zur zeitlichen Segmentierung von Bewegungsdaten. Dieses basiert auf der Idee der Selbstähnlichkeit von Bewegungsdaten und ist in der Lage, verschiedenste Bewegungsdaten voll-automatisch in unterschiedliche Aktivitäten und Bewegungs-Primitive zu zerlegen. Die Beispiele fr die Analyse multivariater Zeitreihen spiegeln die Rolle der Datenanalyse in verschiedenen interdisziplinären Zusammenhänge besonders wider und illustrieren auch die Vielfalt der Anforderungen, die sich in interdisziplinären Kontexten auftun. Schließlich wird das Problem der Synthese multivariater Zeitreihen unter Verwendung eines graph-basierten und eines Steering Beispiels diskutiert. Synthese ist insofern ein wichtiger Schritt in der Datenverarbeitung, da sie es erlaubt, auf kontrollierte Art neue Daten aus vorhandenen zu erzeugen. Dies macht die Nutzung bestehender Datensätze und den Zugang zu dichteren Datenmodellen möglich, wodurch Alternativen zur ansonsten zeitaufwendigen manuellen Verarbeitung aufgezeigt werden