Leveraging audio-visual speech effectively via deep learning

The rising popularity of neural networks, combined with the recent proliferation of online audio-visual media, has led to a revolution in the way machines encode, recognize, and generate acoustic and visual speech. Despite the ubiquity of naturally paired audio-visual data, only a limited number of works have applied recent advances in deep learning to leverage the duality between audio and video within this domain. This thesis considers the use of neural networks to learn from large unlabelled datasets of audio-visual speech to enable new practical applications. We begin by training a visual speech encoder that predicts latent features extracted from the corresponding audio on a large unlabelled audio-visual corpus. We apply the trained visual encoder to improve performance on lip reading in real-world scenarios. Following this, we extend the idea of video learning from audio by training a model to synthesize raw speech directly from raw video, without the need for text transcriptions. Remarkably, we find that this framework is capable of reconstructing intelligible audio from videos of new, previously unseen speakers. We also experiment with a separate speech reconstruction framework, which leverages recent advances in sequence modeling and spectrogram inversion to improve the realism of the generated speech. We then apply our research in video-to-speech synthesis to advance the state-of-the-art in audio-visual speech enhancement, by proposing a new vocoder-based model that performs particularly well under extremely noisy scenarios. Lastly, we aim to fully realize the potential of paired audio-visual data by proposing two novel frameworks that leverage acoustic and visual speech to train two encoders that learn from each other simultaneously. We leverage these pre-trained encoders for deepfake detection, speech recognition, and lip reading, and find that they consistently yield improvements over training from scratch.Open Acces

Sequential decision modeling in uncertain conditions

Cette thèse consiste en une série d’approches pour la modélisation de décision structurée - c’est-à-dire qu’elle propose des solutions utilisant des modèles génératifs pour des tâches intégrant plusieurs entrées et sorties, ces entrées et sorties étant dictées par des interactions complexes entre leurs éléments. Un aspect crucial de ces problèmes est la présence en plus d’un résultat correct, des résultats structurellement différents mais considérés tout aussi corrects, résultant d’une grande mais nécessaire incertitude sur les sorties du système. Cette thèse présente quatre articles sur ce sujet, se concentrent en particulier sur le domaine de la synthèse vocale à partir de texte, génération symbolique de musique, traitement de texte, reconnaissance automatique de la parole, et apprentissage de représentations pour la parole et le texte. Chaque article présente une approche particulière à un problème dans ces domaines respectifs, en proposant et étudiant des architectures profondes pour ces domaines. Bien que ces techniques d’apprentissage profond utilisées dans ces articles sont suffisamment versatiles et expressives pour être utilisées dans d’autres domaines, nous resterons concentrés sur les applications décrites dans chaque article. Le premier article présente une approche permettant le contrôle détaillé, au niveau phonétique et symbolique, d’un système de synthèse vocale, en utilisant une méthode d’échange efficace permettant de combiner des représentations à un niveau lexical. Puisque cette combinaison permet un contrôle proportionné sur les conditions d’entrée, et améliore les prononciations faisant uniquement usage de caractères, ce système de combinaison pour la synthèse vocale a été préféré durant des tests A/B par rapport à des modèles de référence équivalents utilisant les mêmes modalités. Le deuxième article se concentre sur un autre système de synthèse vocale, cette fois-ci centré sur la construction d’une représentation multi-échelle de la parole à travers une décomposition structurée des descripteurs audio. En particulier, l’intérêt de ce travail est dans sa méthodologie économe en calcul malgré avoir été bâti à partir de travaux antérieurs beaucoup plus demandant en ressources de calcul. Afin de bien pouvoir faire de la synthèse vocale sous ces contraintes computationelles, plusieurs nouvelles composantes ont été conçues et intégrées à ce qui devient un modèle efficace de synthèse vocale. Le troisième article un nouveau modèle auto-régressif pour modéliser des chaînes de symboles. Ce modèle fait usage de prédictions et d’estimations itérative et répétées afin de construire une sortie structurée respectant plusieurs contraintes correspondant au domaine sous-jacent. Ce modèle est testé dans le cadre de la génération symbolique de musique et la modélisation de texte, faisant preuve d’excellentes performances en particulier quand la quantité de données s’avère limitée. Le dernier article de la thèse se concentre sur l’étude des représentations pour la parole et le texte apprise à partir d’un système de reconnaissance vocale d’un travail antérieur. À travers une série d’études systématiques utilisant des modèles pré-entraînés de texte et de durée, relations qualitatives entre les données de texte et de parole, et études de performance sur la récupération transmodal “few shot”, nous exposons plusieurs propriétés essentielles sous-jacent à la performance du système, ouvrant la voie pour des développements algorithmiques futurs. De plus, les différents modèles résultants de cette étude obtiennent des résultats impressionnants sur un nombre de tâches de référence utilisant des modèles pré-entraîné transféré sans modification.This thesis presents a sequence of approaches to structured decision modeling - that is, proposing generative solutions to tasks with multiple inputs and outputs, featuring complicated interactions between input elements and output elements. Crucially, these problems also include a high amount of uncertainty about the correct outcome and many largely equivalent but structurally different outcomes can be considered equally correct. This thesis presents four articles about these topics, particularly focusing on the domains of text-to-speech synthesis, symbolic music generation, text processing, automatic speech recognition, and speech-text representation learning. Each article presents a particular approach to solving problems in these respective domains, focused on proposing and understanding deep learning architectures for these domains. The deep learning techniques used in these articles are broadly applicable, flexible, and powerful enough that these general approaches may find application to other areas however we remain focused on the domains discussed in each respective article. The first article presents an approach allowing for flexible phonetic and character control of a text-to-speech system, utilizing an efficient "swap-out" method for blending representations at the word level. This blending allows for smooth control over input conditions, and also strengthens character only pronunciations, resulting in a preference for a blended text-to-speech system in A/B testing, compared to an equivalent baselines even when using the same input information modalities. The second article focuses on another text-to-speech system, this time centered on building multi-scale representations of speech audio using a structured decomposition of audio features. Particularly this work focuses on a compute efficient methodology, while building on prior work which requires a much greater computational budget than the proposed system. In order to effectively perform text-to-speech synthesis under these computational constraints, a number of new components are constructed and integrated, resulting in an efficient model for text-to-speech synthesis. The third article presents a new non-autoregressive model for modeling symbolic sequences. This model uses iterative prediction and re-estimation in order to build structured outputs, which respect numerous constraints in the underlying sequence domain. This model is applied to symbolic music modeling and text modeling, showing excellent performance particularly in limited data generative settings. The final article in this thesis focuses on understanding the speech-text representations learned by a text-injected speech recognition system from prior literature. Through a systematic series of studies utilizing pre-trained text and duration models, qualitative relations between text and speech sequences, and performance studies in few-shot cross-modal retrieval, we reveal a number of crucial properties underlying the performance of this system, paving the way for future algorithmic development. In addition, model variants built during this study achieve impressive performance results on a number of benchmark tasks using partially frozen and transferred parameters

Articulatory-WaveNet: Deep Autoregressive Model for Acoustic-to-Articulatory Inversion

Acoustic-to-Articulatory Inversion, the estimation of articulatory kinematics from speech, is an important problem which has received significant attention in recent years. Estimated articulatory movements from such models can be used for many applications, including speech synthesis, automatic speech recognition, and facial kinematics for talking-head animation devices. Knowledge about the position of the articulators can also be extremely useful in speech therapy systems and Computer-Aided Language Learning (CALL) and Computer-Aided Pronunciation Training (CAPT) systems for second language learners. Acoustic-to-Articulatory Inversion is a challenging problem due to the complexity of articulation patterns and significant inter-speaker differences. This is even more challenging when applied to non-native speakers without any kinematic training data. This dissertation attempts to address these problems through the development of up-graded architectures for Articulatory Inversion. The proposed Articulatory-WaveNet architecture is based on a dilated causal convolutional layer structure that improves the Acoustic-to-Articulatory Inversion estimated results for both speaker-dependent and speaker-independent scenarios. The system has been evaluated on the ElectroMagnetic Articulography corpus of Mandarin Accented English (EMA-MAE) corpus, consisting of 39 speakers including both native English speakers and Mandarin accented English speakers. Results show that Articulatory-WaveNet improves the performance of the speaker-dependent and speaker-independent Acoustic-to-Articulatory Inversion systems significantly compared to the previously reported results