Deep Learning for Audio Signal Processing

Given the recent surge in developments of deep learning, this article provides a review of the state-of-the-art deep learning techniques for audio signal processing. Speech, music, and environmental sound processing are considered side-by-side, in order to point out similarities and differences between the domains, highlighting general methods, problems, key references, and potential for cross-fertilization between areas. The dominant feature representations (in particular, log-mel spectra and raw waveform) and deep learning models are reviewed, including convolutional neural networks, variants of the long short-term memory architecture, as well as more audio-specific neural network models. Subsequently, prominent deep learning application areas are covered, i.e. audio recognition (automatic speech recognition, music information retrieval, environmental sound detection, localization and tracking) and synthesis and transformation (source separation, audio enhancement, generative models for speech, sound, and music synthesis). Finally, key issues and future questions regarding deep learning applied to audio signal processing are identified.Comment: 15 pages, 2 pdf figure

Speech Recognition

Chapters in the first part of the book cover all the essential speech processing techniques for building robust, automatic speech recognition systems: the representation for speech signals and the methods for speech-features extraction, acoustic and language modeling, efficient algorithms for searching the hypothesis space, and multimodal approaches to speech recognition. The last part of the book is devoted to other speech processing applications that can use the information from automatic speech recognition for speaker identification and tracking, for prosody modeling in emotion-detection systems and in other speech processing applications that are able to operate in real-world environments, like mobile communication services and smart homes

Sequence to sequence learning and its speech applications

Recurrent Neural Networks (RNNs), which has the attractive properties of modelling sequences, has been dominant in speech field in the recent decades. Convolutional Neural Networks (CNNs) has been shown as an alternative to model sequences because of its capacity of reducing spectral variations and modeling spectral correlations in acoustic features for automatic speech recognition (ASR). Recent work suggests that complex numbers could be used as a richer feature representation than spectrum which may benefit the speech related tasks. In the thesis, we first cover the basic concepts in machine learning, building blocks of deep learning and discuss the popular methods that are capable of doing sequence-to-sequence modelling, specially convolutional neural networks, which is famous as a class of feed-forward nets. We then present two research work related to sequence-to-sequence modelling on speech. We introduce a new approach to address speech recognition with convolutional neural networks which shows the comparable results with their recurrent neural networks counterpart. In addition, we present a new model taking advantage of the representation in the complex domain and define complex convolutions, complex batch-normalization, complex weight initialization strategies. The new model results in state-of-the-art of speech spectrum prediction in a convolutional recurrent setting.Les réseaux neuronaux récurrents (RNN) ont été dominants dans le domaine de la parole au cours des dernières décennies, étant donné leurs propriétés attrayantes de modélisation de séquence. Les réseaux neuronaux convolutionnels (CNN) ont été présentés comme une alternative pour la modélisation de séquences en raison de leur capacité à réduire les variations spectrales et à modéliser les corrélations spectrales dans les caractéristiques acoustiques pour la reconnaissance automatique de la parole (ASR). Des travaux récents suggèrent que les nombres complexes pourraient être utilisés comme une représentation de caractéristique plus riche que le spectre et qui pouvaient donc être bénéfique pour les tâches liées à la parole. Dans la thèse, nous abordons d’abord les concepts de base de l’apprentissage automatique, les blocs de construction de l’apprentissage profond et discutons des méthodes populaires capables de faire des modélisations séquentielles, en particulier des réseaux de neurones convolutionnels, célèbres en tant que réseaux feedfoward. Nous présentons ensuite deux travaux de recherche liés à la modélisation séquence-séquence sur la parole. Premierement, nous introduisons une nouvelle approche pour adresser la reconnaissance de la parole avec des réseaux de neurones convolutionnels qui montre des performances comparables avec leur homologue des réseaux neuronaux récurrents. Deuxièmement, nous présentons un nouveau mo- dèle, tirant parti de la représentation dans le domaine complexe, et définissons des circonvolutions complexes, des stratégies complexes de normalisation par lots et d’initialisation de poids complexes. Le modèle a atteint l’état de l’art de la tâche de prédiction du spectre de la parole dans un cadre récurrent convolutionnel

Cross-Lingual Voice Conversion with Non-Parallel Data

In this project a Phonetic Posteriorgram (PPG) based Voice Conversion system is implemented. The main goal is to perform and evaluate conversions of singing voice. The cross-gender and cross-lingual scenarios are considered. Additionally, the use of spectral envelope based MFCC and pseudo-singing dataset for ASR training are proposed in order to improve the performance of the system in the singing context

Apprentissage automatique pour le codage cognitif de la parole

Depuis les années 80, les codecs vocaux reposent sur des stratégies de codage à court terme qui fonctionnent au niveau de la sous-trame ou de la trame (généralement 5 à 20 ms). Les chercheurs ont essentiellement ajusté et combiné un nombre limité de technologies disponibles (transformation, prédiction linéaire, quantification) et de stratégies (suivi de forme d'onde, mise en forme du bruit) pour construire des architectures de codage de plus en plus complexes. Dans cette thèse, plutôt que de s'appuyer sur des stratégies de codage à court terme, nous développons un cadre alternatif pour la compression de la parole en codant les attributs de la parole qui sont des caractéristiques perceptuellement importantes des signaux vocaux. Afin d'atteindre cet objectif, nous résolvons trois problèmes de complexité croissante, à savoir la classification, la prédiction et l'apprentissage des représentations. La classification est un élément courant dans les conceptions de codecs modernes. Dans un premier temps, nous concevons un classifieur pour identifier les émotions, qui sont parmi les attributs à long terme les plus complexes de la parole. Dans une deuxième étape, nous concevons un prédicteur d'échantillon de parole, qui est un autre élément commun dans les conceptions de codecs modernes, pour mettre en évidence les avantages du traitement du signal de parole à long terme et non linéaire. Ensuite, nous explorons les variables latentes, un espace de représentations de la parole, pour coder les attributs de la parole à court et à long terme. Enfin, nous proposons un réseau décodeur pour synthétiser les signaux de parole à partir de ces représentations, ce qui constitue notre dernière étape vers la construction d'une méthode complète de compression de la parole basée sur l'apprentissage automatique de bout en bout. Bien que chaque étape de développement proposée dans cette thèse puisse faire partie d'un codec à elle seule, chaque étape fournit également des informations et une base pour la prochaine étape de développement jusqu'à ce qu'un codec entièrement basé sur l'apprentissage automatique soit atteint. Les deux premières étapes, la classification et la prédiction, fournissent de nouveaux outils qui pourraient remplacer et améliorer des éléments des codecs existants. Dans la première étape, nous utilisons une combinaison de modèle source-filtre et de machine à état liquide (LSM), pour démontrer que les caractéristiques liées aux émotions peuvent être facilement extraites et classées à l'aide d'un simple classificateur. Dans la deuxième étape, un seul réseau de bout en bout utilisant une longue mémoire à court terme (LSTM) est utilisé pour produire des trames vocales avec une qualité subjective élevée pour les applications de masquage de perte de paquets (PLC). Dans les dernières étapes, nous nous appuyons sur les résultats des étapes précédentes pour concevoir un codec entièrement basé sur l'apprentissage automatique. un réseau d'encodage, formulé à l'aide d'un réseau neuronal profond (DNN) et entraîné sur plusieurs bases de données publiques, extrait et encode les représentations de la parole en utilisant la prédiction dans un espace latent. Une approche d'apprentissage non supervisé basée sur plusieurs principes de cognition est proposée pour extraire des représentations à partir de trames de parole courtes et longues en utilisant l'information mutuelle et la perte contrastive. La capacité de ces représentations apprises à capturer divers attributs de la parole à court et à long terme est démontrée. Enfin, une structure de décodage est proposée pour synthétiser des signaux de parole à partir de ces représentations. L'entraînement contradictoire est utilisé comme une approximation des mesures subjectives de la qualité de la parole afin de synthétiser des échantillons de parole à consonance naturelle. La haute qualité perceptuelle de la parole synthétisée ainsi obtenue prouve que les représentations extraites sont efficaces pour préserver toutes sortes d'attributs de la parole et donc qu'une méthode de compression complète est démontrée avec l'approche proposée.Abstract: Since the 80s, speech codecs have relied on short-term coding strategies that operate at the subframe or frame level (typically 5 to 20ms). Researchers essentially adjusted and combined a limited number of available technologies (transform, linear prediction, quantization) and strategies (waveform matching, noise shaping) to build increasingly complex coding architectures. In this thesis, rather than relying on short-term coding strategies, we develop an alternative framework for speech compression by encoding speech attributes that are perceptually important characteristics of speech signals. In order to achieve this objective, we solve three problems of increasing complexity, namely classification, prediction and representation learning. Classification is a common element in modern codec designs. In a first step, we design a classifier to identify emotions, which are among the most complex long-term speech attributes. In a second step, we design a speech sample predictor, which is another common element in modern codec designs, to highlight the benefits of long-term and non-linear speech signal processing. Then, we explore latent variables, a space of speech representations, to encode both short-term and long-term speech attributes. Lastly, we propose a decoder network to synthesize speech signals from these representations, which constitutes our final step towards building a complete, end-to-end machine-learning based speech compression method. The first two steps, classification and prediction, provide new tools that could replace and improve elements of existing codecs. In the first step, we use a combination of source-filter model and liquid state machine (LSM), to demonstrate that features related to emotions can be easily extracted and classified using a simple classifier. In the second step, a single end-to-end network using long short-term memory (LSTM) is shown to produce speech frames with high subjective quality for packet loss concealment (PLC) applications. In the last steps, we build upon the results of previous steps to design a fully machine learning-based codec. An encoder network, formulated using a deep neural network (DNN) and trained on multiple public databases, extracts and encodes speech representations using prediction in a latent space. An unsupervised learning approach based on several principles of cognition is proposed to extract representations from both short and long frames of data using mutual information and contrastive loss. The ability of these learned representations to capture various short- and long-term speech attributes is demonstrated. Finally, a decoder structure is proposed to synthesize speech signals from these representations. Adversarial training is used as an approximation to subjective speech quality measures in order to synthesize natural-sounding speech samples. The high perceptual quality of synthesized speech thus achieved proves that the extracted representations are efficient at preserving all sorts of speech attributes and therefore that a complete compression method is demonstrated with the proposed approach