Wavelet-based techniques for speech recognition

In this thesis, new wavelet-based techniques have been developed for the extraction of features from speech signals for the purpose of automatic speech recognition (ASR). One of the advantages of the wavelet transform over the short time Fourier transform (STFT) is its capability to process non-stationary signals. Since speech signals are not strictly stationary the wavelet transform is a better choice for time-frequency transformation of these signals. In addition it has compactly supported basis functions, thereby reducing the amount of computation as opposed to STFT where an overlapping window is needed. [Continues.

Offline and real time noise reduction in speech signals using the discrete wavelet packet decomposition

This thesis describes the development of an offline and real time wavelet based speech enhancement system to process speech corrupted with various amounts of white Gaussian noise and other different noise types

Fractals in the Nervous System: conceptual Implications for Theoretical Neuroscience

This essay is presented with two principal objectives in mind: first, to document the prevalence of fractals at all levels of the nervous system, giving credence to the notion of their functional relevance; and second, to draw attention to the as yet still unresolved issues of the detailed relationships among power law scaling, self-similarity, and self-organized criticality. As regards criticality, I will document that it has become a pivotal reference point in Neurodynamics. Furthermore, I will emphasize the not yet fully appreciated significance of allometric control processes. For dynamic fractals, I will assemble reasons for attributing to them the capacity to adapt task execution to contextual changes across a range of scales. The final Section consists of general reflections on the implications of the reviewed data, and identifies what appear to be issues of fundamental importance for future research in the rapidly evolving topic of this review

Separation of musical sources and structure from single-channel polyphonic recordings

EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

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

On the automatic detection of otolith features for fish species identification and their age estimation

This thesis deals with the automatic detection of features in signals, either extracted from photographs or captured by means of electronic sensors, and its possible application in the detection of morphological structures in fish otoliths so as to identify species and estimate their age at death. From a more biological perspective, otoliths, which are calcified structures located in the auditory system of all teleostean fish, constitute one of the main elements employed in the study and management of marine ecology. In this sense, the application of Fourier descriptors to otolith images, combined with component analysis, is habitually a first and a key step towards characterizing their morphology and identifying fish species. However, some of the main limitations arise from the poor interpretation that can be obtained with this representation and the use that is made of the coefficients, as generally they are selected manually for classification purposes, both in quantity and representativity. The automatic detection of irregularities in signals, and their interpretation, was first addressed in the so-called Best-Basis paradigm. In this sense, Saito's Local discriminant Bases algorithm (LDB) uses the Discrete Wavelet Packet Transform (DWPT) as the main descriptive tool for positioning the irregularities in the time-frequency space, and an energy-based discriminant measure to guide the automatic search of relevant features in this domain. Current density-based proposals have tried to overcome the limitations of the energy-based functions with relatively little success. However, other measure strategies more consistent with the true classification capability, and which can provide generalization while reducing the dimensionality of features, are yet to be developed. The proposal of this work focuses on a new framework for one-dimensional signals. An important conclusion extracted therein is that such generalization involves a mesure system of bounded values representing the density where no class overlaps. This determines severely the selection of features and the vector size that is needed for proper class identification, which must be implemented not only based on global discriminant values but also on the complementary information regarding the provision of samples in the domain. The new tools have been used in the biological study of different hake species, yielding good classification results. However, a major contribution lies on the further interpretation of features the tool performs, including the structure of irregularities, time-frequency position, extension support and degree of importance, which is highlighted automatically on the same images or signals. As for aging applications, a new demodulation strategy for compensating the nonlinear growth effect on the intensity profile has been developed. Although the method is, in principle, able to adapt automatically to the specific growth of individual specimens, preliminary results with LDB-based techniques suggest to study the effect of lighting conditions on the otoliths in order to design more reliable techniques for reducing image contrast variation. In the meantime, a new theoretic framework for otolith-based fish age estimation has been presented. This theory suggests that if the true fish growth curve is known, the regular periodicity of age structures in the demodulated profile is related to the radial length the original intensity profile is extracted from. Therefore, if this periodicity can be measured, it is possible to infer the exact fish age omitting feature extractors and classifiers. This could have important implications in the use of computational resources anc current aging approaches.El eje principal de esta tesis trata sobre la detección automática de singularidades en señales, tanto si se extraen de imágenes fotográ cas como si se capturan de sensores electrónicos, así como su posible aplicación en la detección de estructuras morfológicas en otolitos de peces para identi car especies, y realizar una estimación de la edad en el momento de su muerte. Desde una vertiente más biológica, los otolitos, que son estructuras calcáreas alojadas en el sistema auditivo de todos los peces teleósteos, constituyen uno de los elementos principales en el estudio y la gestión de la ecología marina. En este sentido, el uso combinado de descriptores de Fourier y el análisis de componentes es el primer paso y la clave para caracterizar su morfología e identi car especies marinas. Sin embargo, una de las limitaciones principales de este sistema de representación subyace en la interpretación limitada que se puede obtener de las irregularidades, así como el uso que se hace de los coe cientes en tareas de clasi cación que, por lo general, acostumbra a seleccionarse manualmente tanto por lo que respecta a la cantidad y a su importancia. La detección automática de irregularidades en señales, y su interpretación, se abordó por primera bajo el marco del Best-Basis paradigm. En este sentido, el algoritmo Local Discriminant Bases (LDB) de N. Saito utiliza la Transformada Wavelet Discreta (DWT) para describir el posicionamiento de características en el espacio tiempo-frecuencia, y una medida discriminante basada en la energía para guiar la búsqueda automática de características en dicho dominio. Propuestas recientes basadas en funciones de densidad han tratado de superar las limitaciones que presentaban las medidas de energía con un éxito relativo. No obstante, todavía están por desarrollar nuevas estrategias más consistentes con la capacidad real de clasi cación y que ofrezcan mayor generalización al reducir la dimensión de los datos de entrada. La propuesta de este trabajo se centra en un nuevo marco para señales unidimensionales. Una conclusión principal que se extrae es que dicha generalización pasa por un marco de medidas de valores acotados que re ejen la densidad donde las clases no se solapan. Esto condiciona severamente el proceso de selección de características y el tamaño del vector necesario para identi car las clases correctamente, que se ha de establecer no sólo en base a valores discriminantes globales sino también en la información complementaria sobre la disposición de las muestras en el dominio. Las nuevas herramientas han sido utilizadas en el estudio biológico de diferentes especies de merluza, donde se han conseguido buenos resultados de identi cación. No obstante, la contribución principal subyace en la interpretación que dicha herramienta hace de las características seleccionadas, y que incluye la estructura de las irregularidades, su posición temporal-frecuencial, extensión en el eje y grado de relevancia, el cual, se resalta automáticamente sobre la misma imagen o señal. Por lo que respecta a la determinación de la edad, se ha planteado una nueva estrategia de demodulación para compensar el efecto del crecimiento no lineal en los per les de intensidad. Inicialmente, aunque el método implementa un proceso de optimización capaz de adaptarse al crecimiento individual de cada pez automáticamente, resultados preliminares obtenidos con técnicas basadas en el LDB sugieren estudiar el efecto de las condiciones lumínicas sobre los otolitos con el n de diseñar algoritmos que reduzcan la variación del contraste de la imagen más ablemente. Mientras tanto, se ha planteado una nueva teoría para estimar la edad de los peces en base a otolitos. Esta teoría sugiere que si la curva de crecimiento real del pez se conoce, el período regular de los anillos en el per l demodulado está relacionado con la longitud total del radio donde se extrae el per l original. Por tanto, si dicha periodicidad es medible, es posible determinar la edad exacta sin necesidad de utilizar extractores de características o clasi cadores, lo cual tendría implicaciones importantes en el uso de recursos computacionales y en las técnicas actuales de estimación de la edad.L'eix principal d'aquesta tesi tracta sobre la detecció automàtica d'irregularitats en senyals, tant si s'extreuen de les imatges fotogrà ques com si es capturen de sensors electrònics, així com la seva possible aplicació en la detecció d'estructures morfològiques en otòlits de peixos per identi car espècies, i realitzar una estimació de l'edat en el moment de la seva mort. Des de la vesant més biològica, els otòlits, que son estructures calcàries que es troben en el sistema auditiu de tots els peixos teleostis, constitueixen un dels elements principals en l'estudi i la gestió de l'ecologia marina. En aquest sentit, l'ús combinat de descriptors de Fourier i l'anàlisi de components es el primer pas i la clau per caracteritzar la seva morfologia i identi car espècies marines. No obstant, una de les limitacions principals d'aquest sistema de representació consisteix en la interpretació limitada de les irregularitats que pot desenvolupar, així com l'ús que es realitza dels coe cients en tasques de classi cació, els quals, acostumen a ser seleccionats manualment tant pel que respecta a la quantitat com la seva importància. La detecció automàtica d'irregularitats en senyals, així com la seva interpretació, es va tractar per primera vegada sota el marc del Best-Basis paradigm. En aquest sentit, l'algorisme Local Discriminant Bases (LDB) de N. Saito es basa en la Transformada Wavelet Discreta (DWT) per descriure el posicionament de característiques dintre de l'espai temporal-freqüencial, i en una mesura discriminant basada en l'energia per guiar la cerca automàtica de característiques dintre d'aquest domini. Propostes més recents basades en funcions de densitat han tractat de superar les limitacions de les mesures d'energia amb un èxit relatiu. No obstant, encara s'han de desenvolupar noves estratègies que siguin més consistents amb la capacitat real de classi cació i ofereixin més generalització al reduir la dimensió de les dades d'entrada. La proposta d'aquest treball es centra en un nou marc per senyals unidimensionals. Una de las conclusions principals que s'extreu es que aquesta generalització passa per establir un marc de mesures acotades on els valors re ecteixin la densitat on cap classe es solapa. Això condiciona bastant el procés de selecció de característiques i la mida del vector necessari per identi car les classes correctament, que s'han d'establir no només en base a valors discriminants globals si no també en informació complementària sobre la disposició de les mostres en el domini. Les noves eines s'han utilitzat en diferents estudis d'espècies de lluç, on s'han obtingut bons resultats d'identi cació. No obstant, l'aportació principal consisteix en la interpretació que l'eina extreu de les característiques seleccionades, i que inclou l'estructura de les irregularitats, la seva posició temporal-freqüencial, extensió en l'eix i grau de rellevància, el qual, es ressalta automàticament sobre les mateixa imatge o senyal. En quan a l'àmbit de determinació de l'edat, s'ha plantejat una nova estratègia de demodulació de senyals per compensar l'efecte del creixement no lineal en els per ls d'intensitat. Tot i que inicialment aquesta tècnica desenvolupa un procés d'optimització capaç d'adaptar-se automàticament al creixement individual de cada peix, els resultats amb el LDB suggereixen estudiar l'efecte de les condicions lumíniques sobre els otòlits amb la nalitat de dissenyar algorismes que redueixin la variació del contrast de les imatges més ablement. Mentrestant s'ha plantejat una nova teoria per realitzar estimacions d'edat en peixos en base als otòlits. Aquesta teoria suggereix que si la corba de creixement és coneguda, el període regular dels anells en el per l d'intensitat demodulat està relacionat amb la longitud total de radi d'on s'agafa el per l original. Per tant, si la periodicitat es pot mesurar, es possible conèixer l'edat exacta del peix sense usar extractors de característiques o classi cadors, la qual cosa tindria implicacions importants en l'ús de recursos computacionals i en les tècniques actuals d'estimació de l'edat.Postprint (published version

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