Representation Learning for Spoken term Detection

Spoken Term Detection (STD) is the task of searching a given spoken query word in large speech database. Applications of STD include speech data indexing, voice dialling, telephone monitoring and data mining. Performance of STD depends mainly on representation of speech signal and matching of represented signal. This work investigates methods for robust representation of speech signal, which is invariant to speaker variability, in the context of STD task. Here the representation is in the form of templates, a sequence of feature vectors. Typical representation in speech community Mel-Frequency CepstralCoe cients (MFCC) carry both speech-specific and speaker-specific information, so the need for better representation. Searching is done by matching sequence of feature vectors of query and reference utterances by using Subsequence Dynamic Time Warping (DTW). The performance of the proposed representation is evaluated on Telugu broadcast news data. In the absence of labelled data i.e., in unsupervised setting, we propose to capture joint density of acoustic space spanned by MFCCs using Gaussian Mixture Models (GMM) and Gaussian-Bernoulli Restricted Boltzmann Machines (GBRBM). Posterior features extracted from trained models are used to search the query word. It is noticed that 8% and 12% improvement in STD performance compared to MFCC by using GMM and GBRBM posterior features respectively. As transcribed data is not required, this approach is optimal solution to low-resource languages. But due to it’s intermediate performance, this method cannot be immediate solution to high resource language

High Performance Neural Networks for Online Speech Recognizer

Automatische Spracherkennung (engl. automatic speech recognition, ASR) beschreibt die Fähigkeit einer Maschine, Wörter und Ausdrücke gesprochener Sprache zu identifizieren und diese in ein für Menschen lesbares Format zu konvertieren. Die Anwendungen sind ein maßgeblicher Teil des digitalen Lebens bspw. wird der Dialog zwischen Mensch und Maschine oder ein Dialog zwischen Menschen, die unterschiedliche Muttersprachen sprechen, ermöglicht. Um diese Fähigkeit in vollem Maße zu gewährleisten, müssen ASR-Anwendungen nicht nur mit hoher Genauigkeit, sondern, für eine Interaktion mit einem Benutzer, auch schnell genug, antworten. Dieses Wechselspiel beider Bedingungen eröffnet das Forschungsgebiet der Online Speech Recognition, welche sich von der konventionellen Spracherkennung, die sich ausschließlich mit dem Problem der Genauigkeit befasst, unterscheidet. Schon über ein halbes Jahrhundert wird aktiv in der automatischen Spracherkennung geforscht. Verschiedene Muster- und Template-Matching-Methoden wurden bis Mitte 1980 erforscht, als das Hidden Markov Model (HMM) einen Durchbruch zur Lösung der Spracherkennungsaufgabe ermöglichte. Der HMM-Ansatz schafft ein allgemeines Framework, welches Schwankungen in der Zeit sowie Spektrums-Domäne der Sprache statistisch entkoppelt und modelliert. Ein HMM-basierter Erkenner wird auf eine komplexe Pipeline aufgesetzt, welche aus etlichen statistischen und nicht-statistischen Komponenten, wie bspw. einem Aussprachewörterbuch, HMM-Topologien, Phonem-Cluster-Bäumen, einem akustischen Modell und einem Sprachmodell, besteht. Durch aktuelle Fortschritte bei künstlichen neuronalen Netzen (KNN) für die akustische sowie sprachliche Modellierung dominiert der hybride HMM/KNN-Ansatz in unterschiedlichen ASR-Anwendungen. In den letzten Jahren hat die Einführung komplett neuronaler Ende-zu-Ende Spracherkennungssystems, welche eine neuronale Netzwerkarchitektur verwenden, um die direkt Abbildung eines akustischen Signals zu einer textuellen Transkription zu approximieren, großes Interesse auf sich gezogen. Die Vorteile des Ende-zu-Ende-Ansatzes liegen in der Einfachheit des Trainings eines kompletten Spracherkennungssystems, wobei die komplexe Struktur einer HMM-basierten Pipeline entfällt. Gleichzeitig benötigt die Ende-zu-Ende ASR oft eine wesentlich größere Trainingsdatenmenge und es ist eine größere Herausforderung ein Ende-zu-Ende Modell so anzupassen, dass es auf einer neuen Aufgabe gut abschneidet. Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung eines hoch-performanten Spracherkennungssystems für ein Online- und Streaming-Szenario. Der Autor erreichte dies durch ein Vorgehen in zwei Schritten. Im ersten Schritt wurden vielfältige Techniken im HMM-KNN- und Ende-zu-Ende-Paradigma angewandt, um ein hoch-performantes System im Batch-Mode zu bauen. Batch-Mode bedeutet, dass die vollständigen Audiodaten beim Start der Verarbeitung zur Verfügung stehen. Im zweiten Schritt wurden effiziente Anpassungen untersucht, die einem hoch-performanten Batch-Mode-System ermöglichen Inferenzen online bzw. fortlaufend durchzuführen. Gleichzeitig wurden neuartige Algorithmen zu Reduktion der wahrgenommenen Latenz, welche das kritischste Problem von online Spracherkennern ist, entwickelt. Erster Schritt. Die vorgestellte Techniken, die auf hochperformante Ergebnisse abzielen, können anhand deren Position in der Spracherkennungs-Pipeline, wie Merkmalsextraktion und Daten-Augmentierung, kategorisiert werden. Bevor Sprachsignale eine digitale Form annehmen, sind sie als Ergebnis der Faltung mehrere Frequenzkomponenten in einem großen Dynamikumfang bekannt. Diese Merkmale können drastisch durch natürliche Faktoren, wie bspw. unterschiedliche Sprecher, Umgebungen order Aufnahmegeräte, beeinflusst werden. Die große Varianz der Sprachsignale verursacht typischerweise die Diskrepanz zwischen Training und Test und kann die Erkennungsleistung drastisch verschlechtern. Diese Diskrepanz gehen wir durch zwei high-level Ansätze, welche auf Neuronalen Netzen basieren, in der Merkmalsextraktion an. Wir zeigten, dass auf tiefe neuronale Netze (DNN) basierte akustische Modelle, die mittels dieser Sprecher-angepasster Merkmale trainiert wurden, in Bezug auf die Wortfehlerrate (WER) relativ, bis zu 19% besser abschneiden, als herkömmliche Merkmalsextraktionen. Im zweiten Ansatz wird ein Long short-term memory (LSTM) Netzwerk, das mittels Connectionist Temporal Classification (CTC) Kriterium auf Phon-Labeln trainiert wurde, als High-Level Merkmals-Transformation verwendet. Die Kombination der aus dem CTC-Netzwerk extrahierten Merkmale und der Bottleneck-Merkmale ergab einen effizienten Merkmalsraum, der ein DNN-basiertes akustisches Modell ein starkes CTC-basierendes Baseline Modell mit deutlichem Vorsprung übertreffen ließ. Darüber hinaus zeigten wir, dass die Verwendung einer Standard Cepstral Mean und Varianz Normalisierung (CMVN) als low-level Merkmalsextraktion in einer potenziellen Diskrepanz von Offline Training und Online Test resultiert und schlugen eine Lineare Diskriminaz Analyse (LDA), die auf linearer Transformation basiert, als Ersatz vor. Daten-Augmentierung wurde in der Spracherkennung verwendet, um zusätzliche Trainingsdaten zu generieren und so die Qualität der Trainingsdaten zu erhöhen. Diese Technik verbessert die Robustheit des Modells und verhindert Overfitting. Wir zeigten, dass Overfitting das kritischste Problem beim Training eines Ende-zu-Ende Sequence-to-sequence (S2S) Modells für die Spracherkennungsaufgabe ist und stellten zwei neuartige on-the-fly Daten-Augmentierungsmethoden als Lösung vor. Die erste Methode (dynamic time stretching) simuliert den Effekt von Geschwindigkeitsänderungen durch eine direkte Manipulation der zeitlichen Folge an Frequenzvektoren durch eine Echtzeit-Interpolationsfunktion. In der zweiten Methode zeigten wir eine effiziente Strategie, um gesprochene Sätze on-the-fly zu sub-samplen und so die Trainingsdatenmenge mit mehrere Varianten eines einzelnen Samples zu vergrößern. Wir zeigten, dass diese Methoden sehr effizient sind, um Overfitting zu vermeiden und die Kombination mit der SpecAugment-Methode aus der Literatur verbesserte die Leistung des vorgestellten S2S-Modells zu einem State-of-the-Art auf dem Benchmark für Telefongespräche. Zweiter Schritt. Wir zeigten, dass die vorgestellten Hoch-leistungs-Batch-Mode ASR Systeme des hybriden (HMM/KNN) und Ende-zu-Ende Paradigmas die Anforderungen in einer online bzw. realen Situation, durch zusätzliche Anpassungen und Inferenz-Techniken, erfüllen. Weder der üblicherweise verwendete Echtzeitfaktor, noch die Commitment-Latenz sind ausreichend, um die vom Benutzer wahrgenommene Latenz aufzuzeigen. Wir stellten eine neuartige und effiziente Methode zur Messung der vom Benutzer wahrgenommenen Latenz in einer Online- und Streaming-Situation vor. Wir zeigten weiter auf, dass ein fortlaufender HMM/KNN Erkenner entweder für den Latenzhöchstwert oder die mittlere Latenz optimiert werden sollte, um das Nutzererlebnis zu verbessern. Um die Latenzmetrik zu optimieren, führten wir einen Mechanismus ein (Hypothese Update), welcher erlaubt hypothetische Transkripte früh zum Benutzer zu schicken und diese später teilweise zu korrigieren. In Experimenten in einer realen Situation in der Vorlesungspräsentations-Domäne konnte gezeigt werden, dass dieses Vorgehen die Wort-basierte Latenz unseres Erkenners stark reduziert, d.h. von 2,10 auf 1,09 Sekunden. Das Sequence-to-sequence (S2S) Attention-basiertes Modell ist für Ende-zu-Ende Spracherkennung zunehmend beliebt geworden. Etliche Vorteile der Architektur und der Optimierung eines S2S-Modells wurde vorgestellt, um State-of-the-Art Ergebnisse auf Standard-Benchmarks zu erreichen. Wie S2S-Modelle mit ihrem Batch-Mode Kapazität aber für eine online Spracherkennung gebraucht werden können, ist dennoch eine offene Forschungsfrage. Wir näherten uns diesem Problem, indem wir die Latenzprobleme, die durch die normale Softmax-Attention Funktion, bidirektionale Encoder und die Inferenz mit Strahlensuche verursacht wurden, analysierten. Wir nahmen uns all dieser Latenzprobleme in einem an, in dem wir einen zusätzlichen Trainings-Loss, um die Unsicherheit der Attention-Funktion auf Frames auf die vorausgeblickt wird, und einen neuartigen Inferenz-Algorithmus, der partielle Hypothesen bestimmt, vorstellen. Unsere Experimente auf dem Datensatz mit Telefongesprächen zeigten, dass unser Stream-Erkenner, mit einer Verzögerung von 1,5~Sekunden für alle Ausgabeelemente, in vollem Umfang die Performanz eines Batch-Mode-Systems derselben Konfiguration erreicht. Nach bestem Wissen ist dies das erste Mal, dass ein S2S-Spracherkennungsmodell in einer online Situation ohne Einbußen in der Genauigkeit genutzt werden kann

Deep Learning for Distant Speech Recognition

Deep learning is an emerging technology that is considered one of the most promising directions for reaching higher levels of artificial intelligence. Among the other achievements, building computers that understand speech represents a crucial leap towards intelligent machines. Despite the great efforts of the past decades, however, a natural and robust human-machine speech interaction still appears to be out of reach, especially when users interact with a distant microphone in noisy and reverberant environments. The latter disturbances severely hamper the intelligibility of a speech signal, making Distant Speech Recognition (DSR) one of the major open challenges in the field. This thesis addresses the latter scenario and proposes some novel techniques, architectures, and algorithms to improve the robustness of distant-talking acoustic models. We first elaborate on methodologies for realistic data contamination, with a particular emphasis on DNN training with simulated data. We then investigate on approaches for better exploiting speech contexts, proposing some original methodologies for both feed-forward and recurrent neural networks. Lastly, inspired by the idea that cooperation across different DNNs could be the key for counteracting the harmful effects of noise and reverberation, we propose a novel deep learning paradigm called network of deep neural networks. The analysis of the original concepts were based on extensive experimental validations conducted on both real and simulated data, considering different corpora, microphone configurations, environments, noisy conditions, and ASR tasks.Comment: PhD Thesis Unitn, 201

Low Resource Efficient Speech Retrieval

Speech retrieval refers to the task of retrieving the information, which is useful or relevant to a user query, from speech collection. This thesis aims to examine ways in which speech retrieval can be improved in terms of requiring low resources - without extensively annotated corpora on which automated processing systems are typically built - and achieving high computational efficiency. This work is focused on two speech retrieval technologies, spoken keyword retrieval and spoken document classification. Firstly, keyword retrieval - also referred to as keyword search (KWS) or spoken term detection - is defined as the task of retrieving the occurrences of a keyword specified by the user in text form, from speech collections. We make advances in an open vocabulary KWS platform using context-dependent Point Process Model (PPM). We further accomplish a PPM-based lattice generation framework, which improves KWS performance and enables automatic speech recognition (ASR) decoding. Secondly, the massive volumes of speech data motivate the effort to organize and search speech collections through spoken document classification. In classifying real-world unstructured speech into predefined classes, the wildly collected speech recordings can be extremely long, of varying length, and contain multiple class label shifts at variable locations in the audio. For this reason each spoken document is often first split into sequential segments, and then each segment is independently classified. We present a general purpose method for classifying spoken segments, using a cascade of language independent acoustic modeling, foreign-language to English translation lexicons, and English-language classification. Next, instead of classifying each segment independently, we demonstrate that exploring the contextual dependencies across sequential segments can provide large classification performance improvements. Lastly, we remove the need of any orthographic lexicon and instead exploit alternative unsupervised approaches to decoding speech in terms of automatically discovered word-like or phoneme-like units. We show that the spoken segment representations based on such lexical or phonetic discovery can achieve competitive classification performance as compared to those based on a domain-mismatched ASR or a universal phone set ASR

Deep neural network acoustic models for multi-dialect Arabic speech recognition

Speech is a desirable communication method between humans and computers. The major concerns of the automatic speech recognition (ASR) are determining a set of classification features and finding a suitable recognition model for these features. Hidden Markov Models (HMMs) have been demonstrated to be powerful models for representing time varying signals. Artificial Neural Networks (ANNs) have also been widely used for representing time varying quasi-stationary signals. Arabic is one of the oldest living languages and one of the oldest Semitic languages in the world, it is also the fifth most generally used language and is the mother tongue for roughly 200 million people. Arabic speech recognition has been a fertile area of reasearch over the previous two decades, as attested by the various papers that have been published on this subject. This thesis investigates phoneme and acoustic models based on Deep Neural Networks (DNN) and Deep Echo State Networks for multi-dialect Arabic Speech Recognition. Moreover, the TIMIT corpus with a wide variety of American dialects is also aimed to evaluate the proposed models. The availability of speech data that is time-aligned and labelled at phonemic level is a fundamental requirement for building speech recognition systems. A developed Arabic phoneme database (APD) was manually timed and phonetically labelled. This dataset was constructed from the King Abdul-Aziz Arabic Phonetics Database (KAPD) database for Saudi Arabia dialect and the Centre for Spoken Language Understanding (CSLU2002) database for different Arabic dialects. This dataset covers 8148 Arabic phonemes. In addition, a corpus of 120 speakers (13 hours of Arabic speech) randomly selected from the Levantine Arabic dialect database that is used for training and 24 speakers (2.4 hours) for testing are revised and transcription errors were manually corrected. The selected dataset is labelled automatically using the HTK Hidden Markov Model toolkit. TIMIT corpus is also used for phone recognition and acoustic modelling task. We used 462 speakers (3.14 hours) for training and 24 speakers (0.81 hours) for testing. For Automatic Speech Recognition (ASR), a Deep Neural Network (DNN) is used to evaluate its adoption in developing a framewise phoneme recognition and an acoustic modelling system for Arabic speech recognition. Restricted Boltzmann Machines (RBMs) DNN models have not been explored for any Arabic corpora previously. This allows us to claim priority for adopting this RBM DNN model for the Levantine Arabic acoustic models. A post-processing enhancement was also applied to the DNN acoustic model outputs in order to improve the recognition accuracy and to obtain the accuracy at a phoneme level instead of the frame level. This post process has significantly improved the recognition performance. An Echo State Network (ESN) is developed and evaluated for Arabic phoneme recognition with different learning algorithms. This investigated the use of the conventional ESN trained with supervised and forced learning algorithms. A novel combined supervised/forced supervised learning algorithm (unsupervised adaptation) was developed and tested on the proposed optimised Arabic phoneme recognition datasets. This new model is evaluated on the Levantine dataset and empirically compared with the results obtained from the baseline Deep Neural Networks (DNNs). A significant improvement on the recognition performance was achieved when the ESN model was implemented compared to the baseline RBM DNN model’s result. The results show that the ESN model has a better ability for recognizing phonemes sequences than the DNN model for a small vocabulary size dataset. The adoption of the ESNs model for acoustic modeling is seen to be more valid than the adoption of the DNNs model for acoustic modeling speech recognition, as ESNs are recurrent models and expected to support sequence models better than the RBM DNN models even with the contextual input window. The TIMIT corpus is also used to investigate deep learning for framewise phoneme classification and acoustic modelling using Deep Neural Networks (DNNs) and Echo State Networks (ESNs) to allow us to make a direct and valid comparison between the proposed systems investigated in this thesis and the published works in equivalent projects based on framewise phoneme recognition used the TIMIT corpus. Our main finding on this corpus is that ESN network outperform time-windowed RBM DNN ones. However, our developed system ESN-based shows 10% lower performance when it was compared to the other systems recently reported in the literature that used the same corpus. This due to the hardware availability and not applying speaker and noise adaption that can improve the results in this thesis as our aim is to investigate the proposed models for speech recognition and to make a direct comparison between these models

Rapid Generation of Pronunciation Dictionaries for new Domains and Languages

This dissertation presents innovative strategies and methods for the rapid generation of pronunciation dictionaries for new domains and languages. Depending on various conditions, solutions are proposed and developed. Starting from the straightforward scenario in which the target language is present in written form on the Internet and the mapping between speech and written language is close up to the difficult scenario in which no written form for the target language exists