Speaker recognition by means of restricted Boltzmann machine adaptation

Restricted Boltzmann Machines (RBMs) have shown success in speaker recognition. In this paper, RBMs are investigated in a framework comprising a universal model training and model adaptation. Taking advantage of RBM unsupervised learning algorithm, a global model is trained based on all available background data. This general speaker-independent model, referred to as URBM, is further adapted to the data of a specific speaker to build speaker-dependent model. In order to show its effectiveness, we have applied this framework to two different tasks. It has been used to discriminatively model target and impostor spectral features for classification. It has been also utilized to produce a vector-based representation for speakers. This vector-based representation, similar to i-vector, can be further used for speaker recognition using either cosine scoring or Probabilistic Linear Discriminant Analysis (PLDA). The evaluation is performed on the core test condition of the NIST SRE 2006 database.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

From features to speaker vectors by means of restricted Boltzmann machine adaptation

Restricted Boltzmann Machines (RBMs) have shown success in different stages of speaker recognition systems. In this paper, we propose a novel framework to produce a vector-based representation for each speaker, which will be referred to as RBM-vector. This new approach maps the speaker spectral features to a single fixed-dimensional vector carrying speaker-specific information. In this work, a global model, referred to as Universal RBM (URBM), is trained taking advantage of RBM unsupervised learning capabilities. Then, this URBM is adapted to the data of each speaker in the development, enrolment and evaluation datasets. The network connection weights of the adapted RBMs are further concatenated and subject to a whitening with dimension reduction stage to build the speaker vectors. The evaluation is performed on the core test condition of the NIST SRE 2006 database, and it is shown that RBM-vectors achieve 15% relative improvement in terms of EER compared to i-vectors using cosine scoring. The score fusion with i-vector attains more than 24% relative improvement. The interest of this result for score fusion yields on the fact that both vectors are produced in an unsupervised fashion and can be used instead of i-vector/PLDA approach, when no data label is available. Results obtained for RBM-vector/PLDA framework is comparable with the ones from i-vector/PLDA. Their score fusion achieves 14% relative improvement compared to i-vector/PLDA.Peer ReviewedPostprint (published version

On deep speaker embeddings for text-independent speaker recognition

We investigate deep neural network performance in the textindependent speaker recognition task. We demonstrate that using angular softmax activation at the last classification layer of a classification neural network instead of a simple softmax activation allows to train a more generalized discriminative speaker embedding extractor. Cosine similarity is an effective metric for speaker verification in this embedding space. We also address the problem of choosing an architecture for the extractor. We found that deep networks with residual frame level connections outperform wide but relatively shallow architectures. This paper also proposes several improvements for previous DNN-based extractor systems to increase the speaker recognition accuracy. We show that the discriminatively trained similarity metric learning approach outperforms the standard LDA-PLDA method as an embedding backend. The results obtained on Speakers in the Wild and NIST SRE 2016 evaluation sets demonstrate robustness of the proposed systems when dealing with close to real-life conditions.Comment: Submitted to Odyssey 201

Métodos discriminativos para la optimización de modelos en la Verificación del Hablante

La creciente necesidad de sistemas de autenticación seguros ha motivado el interés de algoritmos efectivos de Verificación de Hablante (VH). Dicha necesidad de algoritmos de alto rendimiento, capaces de obtener tasas de error bajas, ha abierto varias ramas de investigación. En este trabajo proponemos investigar, desde un punto de vista discriminativo, un conjunto de metodologías para mejorar el desempeño del estado del arte de los sistemas de VH. En un primer enfoque investigamos la optimización de los hiper-parámetros para explícitamente considerar el compromiso entre los errores de falsa aceptación y falso rechazo. El objetivo de la optimización se puede lograr maximizando el área bajo la curva conocida como ROC (Receiver Operating Characteristic) por sus siglas en inglés. Creemos que esta optimización de los parámetros no debe de estar limitada solo a un punto de operación y una estrategia más robusta es optimizar los parámetros para incrementar el área bajo la curva, AUC (Area Under the Curve por sus siglas en inglés) de modo que todos los puntos sean maximizados. Estudiaremos cómo optimizar los parámetros utilizando la representación matemática del área bajo la curva ROC basada en la estadística de Wilcoxon Mann Whitney (WMW) y el cálculo adecuado empleando el algoritmo de descendente probabilístico generalizado. Además, analizamos el efecto y mejoras en métricas como la curva detection error tradeoff (DET), el error conocido como Equal Error Rate (EER) y el valor mínimo de la función de detección de costo, minimum value of the detection cost function (minDCF) todos ellos por sue siglas en inglés. En un segundo enfoque, investigamos la señal de voz como una combinación de atributos que contienen información del hablante, del canal y el ruido. Los sistemas de verificación convencionales entrenan modelos únicos genéricos para todos los casos, y manejan las variaciones de estos atributos ya sea usando análisis de factores o no considerando esas variaciones de manera explícita. Proponemos una nueva metodología para particionar el espacio de los datos de acuerdo a estas carcterísticas y entrenar modelos por separado para cada partición. Las particiones se pueden obtener de acuerdo a cada atributo. En esta investigación mostraremos como entrenar efectivamente los modelos de manera discriminativa para maximizar la separación entre ellos. Además, el diseño de algoritimos robustos a las condiciones de ruido juegan un papel clave que permite a los sistemas de VH operar en condiciones reales. Proponemos extender nuestras metodologías para mitigar los efectos del ruido en esas condiciones. Para nuestro primer enfoque, en una situación donde el ruido se encuentre presente, el punto de operación puede no ser solo un punto, o puede existir un corrimiento de forma impredecible. Mostraremos como nuestra metodología de maximización del área bajo la curva ROC es más robusta que la usada por clasificadores convencionales incluso cuando el ruido no está explícitamente considerado. Además, podemos encontrar ruido a diferentes relación señal a ruido (SNR) que puede degradar el desempeño del sistema. Así, es factible considerar una descomposición eficiente de las señales de voz que tome en cuenta los diferentes atributos como son SNR, el ruido y el tipo de canal. Consideramos que en lugar de abordar el problema con un modelo unificado, una descomposición en particiones del espacio de características basado en atributos especiales puede proporcionar mejores resultados. Esos atributos pueden representar diferentes canales y condiciones de ruido. Hemos analizado el potencial de estas metodologías que permiten mejorar el desempeño del estado del arte de los sistemas reduciendo el error, y por otra parte controlar los puntos de operación y mitigar los efectos del ruido

Deep learning for i-vector speaker and language recognition

Over the last few years, i-vectors have been the state-of-the-art technique in speaker and language recognition. Recent advances in Deep Learning (DL) technology have improved the quality of i-vectors but the DL techniques in use are computationally expensive and need speaker or/and phonetic labels for the background data, which are not easily accessible in practice. On the other hand, the lack of speaker-labeled background data makes a big performance gap, in speaker recognition, between two well-known cosine and Probabilistic Linear Discriminant Analysis (PLDA) i-vector scoring techniques. It has recently been a challenge how to fill this gap without speaker labels, which are expensive in practice. Although some unsupervised clustering techniques are proposed to estimate the speaker labels, they cannot accurately estimate the labels. This thesis tries to solve the problems above by using the DL technology in different ways, without any need of speaker or phonetic labels. In order to fill the performance gap between cosine and PLDA scoring given unlabeled background data, we have proposed an impostor selection algorithm and a universal model adaptation process in a hybrid system based on Deep Belief Networks (DBNs) and Deep Neural Networks (DNNs) to discriminatively model each target speaker. In order to have more insight into the behavior of DL techniques in both single and multi-session speaker enrollment tasks, some experiments have been carried out in both scenarios. Experiments on the National Institute of Standard and Technology (NIST) 2014 i-vector challenge show that 46% of this performance gap, in terms of minDCF, is filled by the proposed DL-based system. Furthermore, the score combination of the proposed DL-based system and PLDA with estimated labels covers 79% of this gap. In the second line of the research, we have developed an efficient alternative vector representation of speech by keeping the computational cost as low as possible and avoiding phonetic labels, which are not always accessible. The proposed vectors will be based on both Gaussian Mixture Models (GMMs) and Restricted Boltzmann Machines (RBMs) and will be referred to as GMM-RBM vectors. The role of RBM is to learn the total speaker and session variability among background GMM supervectors. This RBM, which will be referred to as Universal RBM (URBM), will then be used to transform unseen supervectors to the proposed low dimensional vectors. The use of different activation functions for training the URBM and different transformation functions for extracting the proposed vectors are investigated. At the end, a variant of Rectified Linear Unit (ReLU) which is referred to as Variable ReLU (VReLU) is proposed. Experiments on the core test condition 5 of the NIST Speaker Recognition Evaluation (SRE) 2010 show that comparable results with conventional i-vectors are achieved with a clearly lower computational load in the vector extraction process. Finally, for the Language Identification (LID) application, we have proposed a DNN architecture to model effectively the i-vector space of four languages, English, Spanish, German, and Finnish, in the car environment. Both raw i-vectors and session variability compensated i-vectors are evaluated as input vectors to DNN. The performance of the proposed DNN architecture is compared with both conventional GMM-UBM and i-vector/Linear Discriminant Analysis (LDA) systems considering the effect of duration of signals. It is shown that the signals with duration between 2 and 3 sec meet the accuracy and speed requirements of this application, in which the proposed DNN architecture outperforms GMM-UBM and i-vector/LDA systems by 37% and 28%, respectively.En los últimos años, los i-vectores han sido la técnica de referencia en el reconocimiento de hablantes y de idioma. Los últimos avances en la tecnología de Aprendizaje Profundo (Deep Learning. DL) han mejorado la calidad de los i-vectores, pero las técnicas DL en uso son computacionalmente costosas y necesitan datos etiquetados para cada hablante y/o unidad fon ética, los cuales no son fácilmente accesibles en la práctica. La falta de datos etiquetados provoca una gran diferencia de los resultados en el reconocimiento de hablante con i-vectors entre las dos técnicas de evaluación más utilizados: distancia coseno y Análisis Lineal Discriminante Probabilístico (PLDA). Por el momento, sigue siendo un reto cómo reducir esta brecha sin disponer de las etiquetas de los hablantes, que son costosas de obtener. Aunque se han propuesto algunas técnicas de agrupamiento sin supervisión para estimar las etiquetas de los hablantes, no pueden estimar las etiquetas con precisión. Esta tesis trata de resolver los problemas mencionados usando la tecnología DL de diferentes maneras, sin necesidad de etiquetas de hablante o fon éticas. Con el fin de reducir la diferencia de resultados entre distancia coseno y PLDA a partir de datos no etiquetados, hemos propuesto un algoritmo selección de impostores y la adaptación a un modelo universal en un sistema hibrido basado en Deep Belief Networks (DBN) y Deep Neural Networks (DNN) para modelar a cada hablante objetivo de forma discriminativa. Con el fin de tener más información sobre el comportamiento de las técnicas DL en las tareas de identificación de hablante en una única sesión y en varias sesiones, se han llevado a cabo algunos experimentos en ambos escenarios. Los experimentos utilizando los datos del National Institute of Standard and Technology (NIST) 2014 i-vector Challenge muestran que el 46% de esta diferencia de resultados, en términos de minDCF, se reduce con el sistema propuesto basado en DL. Además, la combinación de evaluaciones del sistema propuesto basado en DL y PLDA con etiquetas estimadas reduce el 79% de esta diferencia. En la segunda línea de la investigación, hemos desarrollado una representación vectorial alternativa eficiente de la voz manteniendo el coste computacional lo más bajo posible y evitando las etiquetas fon éticas, Los vectores propuestos se basan tanto en el Modelo de Mezcla de Gaussianas (GMM) y en las Maquinas Boltzmann Restringidas (RBM), a los que se hacer referencia como vectores GMM-RBM. El papel de la RBM es aprender la variabilidad total del hablante y de la sesión entre los supervectores del GMM gen érico. Este RBM, al que se hará referencia como RBM Universal (URBM), se utilizará para transformar supervectores ocultos en los vectores propuestos, de menor dimensión. Además, se estudia el uso de diferentes funciones de activación para el entrenamiento de la URBM y diferentes funciones de transformación para extraer los vectores propuestos. Finalmente, se propone una variante de la Unidad Lineal Rectificada (ReLU) a la que se hace referencia como Variable ReLU (VReLU). Los experimentos sobre los datos de la condición 5 del test de la NIST Speaker Recognition Evaluation (SRE) 2010 muestran que se han conseguidos resultados comparables con los i-vectores convencionales, con una carga computacional claramente inferior en el proceso de extracción de vectores. Por último, para la aplicación de Identificación de Idioma (LID), hemos propuesto una arquitectura DNN para modelar eficazmente en el entorno del coche el espacio i-vector de cuatro idiomas: inglés, español, alemán y finlandés. Tanto los i-vectores originales como los i-vectores propuestos son evaluados como vectores de entrada a DNN. El rendimiento de la arquitectura DNN propuesta se compara con los sistemas convencionales GMM-UBM y i-vector/Análisis Discriminante Lineal (LDA) considerando el efecto de la duración de las señales. Se muestra que en caso de señales con una duración entre 2 y 3 se obtienen resultados satisfactorios en cuanto a precisión y resultados, superando a los sistemas GMM-UBM y i-vector/LDA en un 37% y 28%, respectivament