EMG-to-Speech: Direct Generation of Speech from Facial Electromyographic Signals

The general objective of this work is the design, implementation, improvement and evaluation of a system that uses surface electromyographic (EMG) signals and directly synthesizes an audible speech output: EMG-to-speech

Efficient, end-to-end and self-supervised methods for speech processing and generation

Deep learning has affected the speech processing and generation fields in many directions. First, end-to-end architectures allow the direct injection and synthesis of waveform samples. Secondly, the exploration of efficient solutions allow to implement these systems in computationally restricted environments, like smartphones. Finally, the latest trends exploit audio-visual data with least supervision. In this thesis these three directions are explored. Firstly, we propose the use of recent pseudo-recurrent structures, like self-attention models and quasi-recurrent networks, to build acoustic models for text-to-speech. The proposed system, QLAD, turns out to synthesize faster on CPU and GPU than its recurrent counterpart whilst preserving the good synthesis quality level, which is competitive with state of the art vocoder-based models. Then, a generative adversarial network is proposed for speech enhancement, named SEGAN. This model works as a speech-to-speech conversion system in time-domain, where a single inference operation is needed for all samples to operate through a fully convolutional structure. This implies an increment in modeling efficiency with respect to other existing models, which are auto-regressive and also work in time-domain. SEGAN achieves prominent results in noise supression and preservation of speech naturalness and intelligibility when compared to the other classic and deep regression based systems. We also show that SEGAN is efficient in transferring its operations to new languages and noises. A SEGAN trained for English performs similarly to this language on Catalan and Korean with only 24 seconds of adaptation data. Finally, we unveil the generative capacity of the model to recover signals from several distortions. We hence propose the concept of generalized speech enhancement. First, the model proofs to be effective to recover voiced speech from whispered one. Then the model is scaled up to solve other distortions that require a recomposition of damaged parts of the signal, like extending the bandwidth or recovering lost temporal sections, among others. The model improves by including additional acoustic losses in a multi-task setup to impose a relevant perceptual weighting on the generated result. Moreover, a two-step training schedule is also proposed to stabilize the adversarial training after the addition of such losses, and both components boost SEGAN's performance across distortions.Finally, we propose a problem-agnostic speech encoder, named PASE, together with the framework to train it. PASE is a fully convolutional network that yields compact representations from speech waveforms. These representations contain abstract information like the speaker identity, the prosodic features or the spoken contents. A self-supervised framework is also proposed to train this encoder, which suposes a new step towards unsupervised learning for speech processing. Once the encoder is trained, it can be exported to solve different tasks that require speech as input. We first explore the performance of PASE codes to solve speaker recognition, emotion recognition and speech recognition. PASE works competitively well compared to well-designed classic features in these tasks, specially after some supervised adaptation. Finally, PASE also provides good descriptors of identity for multi-speaker modeling in text-to-speech, which is advantageous to model novel identities without retraining the model.L'aprenentatge profund ha afectat els camps de processament i generació de la parla en vàries direccions. Primer, les arquitectures fi-a-fi permeten la injecció i síntesi de mostres temporals directament. D'altra banda, amb l'exploració de solucions eficients permet l'aplicació d'aquests sistemes en entorns de computació restringida, com els telèfons intel·ligents. Finalment, les darreres tendències exploren les dades d'àudio i veu per derivar-ne representacions amb la mínima supervisió. En aquesta tesi precisament s'exploren aquestes tres direccions. Primer de tot, es proposa l'ús d'estructures pseudo-recurrents recents, com els models d’auto atenció i les xarxes quasi-recurrents, per a construir models acústics text-a-veu. Així, el sistema QLAD proposat en aquest treball sintetitza més ràpid en CPU i GPU que el seu homòleg recurrent, preservant el mateix nivell de qualitat de síntesi, competitiu amb l'estat de l'art en models basats en vocoder. A continuació es proposa un model de xarxa adversària generativa per a millora de veu, anomenat SEGAN. Aquest model fa conversions de veu-a-veu en temps amb una sola operació d'inferència sobre una estructura purament convolucional. Això implica un increment en l'eficiència respecte altres models existents auto regressius i que també treballen en el domini temporal. La SEGAN aconsegueix resultats prominents d'extracció de soroll i preservació de la naturalitat i la intel·ligibilitat de la veu comparat amb altres sistemes clàssics i models regressius basats en xarxes neuronals profundes en espectre. També es demostra que la SEGAN és eficient transferint les seves operacions a nous llenguatges i sorolls. Així, un model SEGAN entrenat en Anglès aconsegueix un rendiment comparable a aquesta llengua quan el transferim al català o al coreà amb només 24 segons de dades d'adaptació. Finalment, explorem l'ús de tota la capacitat generativa del model i l’apliquem a recuperació de senyals de veu malmeses per vàries distorsions severes. Això ho anomenem millora de la parla generalitzada. Primer, el model demostra ser efectiu per a la tasca de recuperació de senyal sonoritzat a partir de senyal xiuxiuejat. Posteriorment, el model escala a poder resoldre altres distorsions que requereixen una reconstrucció de parts del senyal que s’han malmès, com extensió d’ample de banda i recuperació de seccions temporals perdudes, entre d’altres. En aquesta última aplicació del model, el fet d’incloure funcions de pèrdua acústicament rellevants incrementa la naturalitat del resultat final, en una estructura multi-tasca que prediu característiques acústiques a la sortida de la xarxa discriminadora de la nostra GAN. També es proposa fer un entrenament en dues etapes del sistema SEGAN, el qual mostra un increment significatiu de l’equilibri en la sinèrgia adversària i la qualitat generada finalment després d’afegir les funcions acústiques. Finalment, proposem un codificador de veu agnòstic al problema, anomenat PASE, juntament amb el conjunt d’eines per entrenar-lo. El PASE és un sistema purament convolucional que crea representacions compactes de trames de veu. Aquestes representacions contenen informació abstracta com identitat del parlant, les característiques prosòdiques i els continguts lingüístics. També es proposa un entorn auto-supervisat multi-tasca per tal d’entrenar aquest sistema, el qual suposa un avenç en el terreny de l’aprenentatge no supervisat en l’àmbit del processament de la parla. Una vegada el codificador esta entrenat, es pot exportar per a solventar diferents tasques que requereixin tenir senyals de veu a l’entrada. Primer explorem el rendiment d’aquest codificador per a solventar tasques de reconeixement del parlant, de l’emoció i de la parla, mostrant-se efectiu especialment si s’ajusta la representació de manera supervisada amb un conjunt de dades d’adaptació

A Silent-Speech Interface using Electro-Optical Stomatography

Sprachtechnologie ist eine große und wachsende Industrie, die das Leben von technologieinteressierten Nutzern auf zahlreichen Wegen bereichert. Viele potenzielle Nutzer werden jedoch ausgeschlossen: Nämlich alle Sprecher, die nur schwer oder sogar gar nicht Sprache produzieren können. Silent-Speech Interfaces bieten einen Weg, mit Maschinen durch ein bequemes sprachgesteuertes Interface zu kommunizieren ohne dafür akustische Sprache zu benötigen. Sie können außerdem prinzipiell eine Ersatzstimme stellen, indem sie die intendierten Äußerungen, die der Nutzer nur still artikuliert, künstlich synthetisieren. Diese Dissertation stellt ein neues Silent-Speech Interface vor, das auf einem neu entwickelten Messsystem namens Elektro-Optischer Stomatografie und einem neuartigen parametrischen Vokaltraktmodell basiert, das die Echtzeitsynthese von Sprache basierend auf den gemessenen Daten ermöglicht. Mit der Hardware wurden Studien zur Einzelworterkennung durchgeführt, die den Stand der Technik in der intra- und inter-individuellen Genauigkeit erreichten und übertrafen. Darüber hinaus wurde eine Studie abgeschlossen, in der die Hardware zur Steuerung des Vokaltraktmodells in einer direkten Artikulation-zu-Sprache-Synthese verwendet wurde. Während die Verständlichkeit der Synthese von Vokalen sehr hoch eingeschätzt wurde, ist die Verständlichkeit von Konsonanten und kontinuierlicher Sprache sehr schlecht. Vielversprechende Möglichkeiten zur Verbesserung des Systems werden im Ausblick diskutiert.:Statement of authorship iii Abstract v List of Figures vii List of Tables xi Acronyms xiii 1. Introduction 1 1.1. The concept of a Silent-Speech Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2. Structure of this work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2. Fundamentals of phonetics 7 2.1. Components of the human speech production system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2. Vowel sounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3. Consonantal sounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.4. Acoustic properties of speech sounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.5. Coarticulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.6. Phonotactics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.7. Summary and implications for the design of a Silent-Speech Interface (SSI) . . . . . . . 21 3. Articulatory data acquisition techniques in Silent-Speech Interfaces 25 3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2. Scope of the literature review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.3. Video Recordings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.4. Ultrasonography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.5. Electromyography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.6. Permanent-Magnetic Articulography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.7. Electromagnetic Articulography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.8. Radio waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.9. Palatography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.10.Conclusion and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4. Electro-Optical Stomatography 55 4.1. Contact sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.2. Optical distance sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.3. Lip sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.4. Sensor Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.5. Control Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.6. Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5. Articulation-to-Text 99 5.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.2. Command word recognition pilot study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.3. Command word recognition small-scale study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6. Articulation-to-Speech 109 6.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.2. Articulatory synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.3. The six point vocal tract model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 6.4. Objective evaluation of the vocal tract model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 6.5. Perceptual evaluation of the vocal tract model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6.6. Direct synthesis using EOS to control the vocal tract model . . . . . . . . . . . . . . . . 125 6.7. Pitch and voicing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 7. Summary and outlook 145 7.1. Summary of the contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 7.2. Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 A. Overview of the International Phonetic Alphabet 151 B. Mathematical proofs and derivations 153 B.1. Combinatoric calculations illustrating the reduction of possible syllables using phonotactics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 B.2. Signal Averaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 B.3. Effect of the contact sensor area on the conductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 B.4. Calculation of the forward current for the OP280V diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 C. Schematics and layouts 157 C.1. Schematics of the control unit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 C.2. Layout of the control unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 C.3. Bill of materials of the control unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 C.4. Schematics of the sensor unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 C.5. Layout of the sensor unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 C.6. Bill of materials of the sensor unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 D. Sensor unit assembly 169 E. Firmware flow and data protocol 177 F. Palate file format 181 G. Supplemental material regarding the vocal tract model 183 H. Articulation-to-Speech: Optimal hyperparameters 189 Bibliography 191Speech technology is a major and growing industry that enriches the lives of technologically-minded people in a number of ways. Many potential users are, however, excluded: Namely, all speakers who cannot easily or even at all produce speech. Silent-Speech Interfaces offer a way to communicate with a machine by a convenient speech recognition interface without the need for acoustic speech. They also can potentially provide a full replacement voice by synthesizing the intended utterances that are only silently articulated by the user. To that end, the speech movements need to be captured and mapped to either text or acoustic speech. This dissertation proposes a new Silent-Speech Interface based on a newly developed measurement technology called Electro-Optical Stomatography and a novel parametric vocal tract model to facilitate real-time speech synthesis based on the measured data. The hardware was used to conduct command word recognition studies reaching state-of-the-art intra- and inter-individual performance. Furthermore, a study on using the hardware to control the vocal tract model in a direct articulation-to-speech synthesis loop was also completed. While the intelligibility of synthesized vowels was high, the intelligibility of consonants and connected speech was quite poor. Promising ways to improve the system are discussed in the outlook.:Statement of authorship iii Abstract v List of Figures vii List of Tables xi Acronyms xiii 1. Introduction 1 1.1. The concept of a Silent-Speech Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2. Structure of this work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2. Fundamentals of phonetics 7 2.1. Components of the human speech production system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2. Vowel sounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3. Consonantal sounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.4. Acoustic properties of speech sounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.5. Coarticulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.6. Phonotactics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.7. Summary and implications for the design of a Silent-Speech Interface (SSI) . . . . . . . 21 3. Articulatory data acquisition techniques in Silent-Speech Interfaces 25 3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2. Scope of the literature review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.3. Video Recordings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.4. Ultrasonography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.5. Electromyography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.6. Permanent-Magnetic Articulography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.7. Electromagnetic Articulography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.8. Radio waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.9. Palatography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.10.Conclusion and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4. Electro-Optical Stomatography 55 4.1. Contact sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.2. Optical distance sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.3. Lip sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.4. Sensor Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.5. Control Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.6. Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5. Articulation-to-Text 99 5.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.2. Command word recognition pilot study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.3. Command word recognition small-scale study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6. Articulation-to-Speech 109 6.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.2. Articulatory synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.3. The six point vocal tract model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 6.4. Objective evaluation of the vocal tract model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 6.5. Perceptual evaluation of the vocal tract model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6.6. Direct synthesis using EOS to control the vocal tract model . . . . . . . . . . . . . . . . 125 6.7. Pitch and voicing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 7. Summary and outlook 145 7.1. Summary of the contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 7.2. Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 A. Overview of the International Phonetic Alphabet 151 B. Mathematical proofs and derivations 153 B.1. Combinatoric calculations illustrating the reduction of possible syllables using phonotactics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 B.2. Signal Averaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 B.3. Effect of the contact sensor area on the conductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 B.4. Calculation of the forward current for the OP280V diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 C. Schematics and layouts 157 C.1. Schematics of the control unit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 C.2. Layout of the control unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 C.3. Bill of materials of the control unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 C.4. Schematics of the sensor unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 C.5. Layout of the sensor unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 C.6. Bill of materials of the sensor unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 D. Sensor unit assembly 169 E. Firmware flow and data protocol 177 F. Palate file format 181 G. Supplemental material regarding the vocal tract model 183 H. Articulation-to-Speech: Optimal hyperparameters 189 Bibliography 19

Automatic analysis of pathological speech

De ernst van een spraakstoornis wordt vaak gemeten a.d.h.v. spraakverstaanbaarheid. Deze maat wordt in de klinische praktijk vaak bepaald met een perceptuele test. Zo’n test is van nature subjectief vermits de therapeut die de test afneemt de (stoornis van de) patiënt vaak kent en ook vertrouwd is met het gebruikte testmateriaal. Daarom is het interessant te onderzoeken of men met spraakherkenning een objectieve beoordelaar van verstaanbaarheid kan creëren. In deze thesis wordt een methodologie uitgewerkt om een gestandaardiseerde perceptuele test, het Nederlandstalig Spraakverstaanbaarheidsonderzoek (NSVO), te automatiseren. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van spraakherkenning om de patiënt fonologisch en fonemisch te karakteriseren en uit deze karakterisering een spraakverstaanbaarheidsscore af te leiden. Experimenten hebben aangetoond dat de berekende scores zeer betrouwbaar zijn. Vermits het NSVO met nonsenswoorden werkt, kunnen vooral kinderen hierdoor leesfouten maken. Daarom werden nieuwe methodes ontwikkeld, gebaseerd op betekenisdragende lopende spraak, die hiertegen robuust zijn en tegelijk ook in verschillende talen gebruikt kunnen worden. Met deze nieuwe modellen bleek het mogelijk te zijn om betrouwbare verstaanbaarheidsscores te berekenen voor Vlaamse, Nederlandse en Duitse spraak. Tenslotte heeft het onderzoek ook belangrijke stappen gezet in de richting van een automatische karakterisering van andere aspecten van de spraakstoornis, zoals articulatie en stemgeving