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

Acoustic Approaches to Gender and Accent Identification

There has been considerable research on the problems of speaker and language recognition from samples of speech. A less researched problem is that of accent recognition. Although this is a similar problem to language identification, di�erent accents of a language exhibit more fine-grained di�erences between classes than languages. This presents a tougher problem for traditional classification techniques. In this thesis, we propose and evaluate a number of techniques for gender and accent classification. These techniques are novel modifications and extensions to state of the art algorithms, and they result in enhanced performance on gender and accent recognition. The first part of the thesis focuses on the problem of gender identification, and presents a technique that gives improved performance in situations where training and test conditions are mismatched. The bulk of this thesis is concerned with the application of the i-Vector technique to accent identification, which is the most successful approach to acoustic classification to have emerged in recent years. We show that it is possible to achieve high accuracy accent identification without reliance on transcriptions and without utilising phoneme recognition algorithms. The thesis describes various stages in the development of i-Vector based accent classification that improve the standard approaches usually applied for speaker or language identification, which are insu�cient. We demonstrate that very good accent identification performance is possible with acoustic methods by considering di�erent i-Vector projections, frontend parameters, i-Vector configuration parameters, and an optimised fusion of the resulting i-Vector classifiers we can obtain from the same data. We claim to have achieved the best accent identification performance on the test corpus for acoustic methods, with up to 90% identification rate. This performance is even better than previously reported acoustic-phonotactic based systems on the same corpus, and is very close to performance obtained via transcription based accent identification. Finally, we demonstrate that the utilization of our techniques for speech recognition purposes leads to considerably lower word error rates. Keywords: Accent Identification, Gender Identification, Speaker Identification, Gaussian Mixture Model, Support Vector Machine, i-Vector, Factor Analysis, Feature Extraction, British English, Prosody, Speech Recognition

Advances in Subspace-based Solutions for Diarization in the Broadcast Domain

La motivación de esta tesis es la necesidad de soluciones robustas al problema de diarización. Estas técnicas de diarización deben proporcionar valor añadido a la creciente cantidad disponible de datos multimedia mediante la precisa discriminación de los locutores presentes en la señal de audio. Desafortunadamente, hasta tiempos recientes este tipo de tecnologías solamente era viable en condiciones restringidas, quedando por tanto lejos de una solución general. Las razones detrás de las limitadas prestaciones de los sistemas de diarización son múltiples. La primera causa a tener en cuenta es la alta complejidad de la producción de la voz humana, en particular acerca de los procesos fisiológicos necesarios para incluir las características discriminativas de locutor en la señal de voz. Esta complejidad hace del proceso inverso, la estimación de dichas características a partir del audio, una tarea ineficiente por medio de las técnicas actuales del estado del arte. Consecuentemente, en su lugar deberán tenerse en cuenta aproximaciones. Los esfuerzos en la tarea de modelado han proporcionado modelos cada vez más elaborados, aunque no buscando la explicación última de naturaleza fisiológica de la señal de voz. En su lugar estos modelos aprenden relaciones entre la señales acústicas a partir de un gran conjunto de datos de entrenamiento. El desarrollo de modelos aproximados genera a su vez una segunda razón, la variabilidad de dominio. Debido al uso de relaciones aprendidas a partir de un conjunto de entrenamiento concreto, cualquier cambio de dominio que modifique las condiciones acústicas con respecto a los datos de entrenamiento condiciona las relaciones asumidas, pudiendo causar fallos consistentes en los sistemas.Nuestra contribución a las tecnologías de diarización se ha centrado en el entorno de radiodifusión. Este dominio es actualmente un entorno todavía complejo para los sistemas de diarización donde ninguna simplificación de la tarea puede ser tenida en cuenta. Por tanto, se deberá desarrollar un modelado eficiente del audio para extraer la información de locutor y como inferir el etiquetado correspondiente. Además, la presencia de múltiples condiciones acústicas debido a la existencia de diferentes programas y/o géneros en el domino requiere el desarrollo de técnicas capaces de adaptar el conocimiento adquirido en un determinado escenario donde la información está disponible a aquellos entornos donde dicha información es limitada o sencillamente no disponible.Para este propósito el trabajo desarrollado a lo largo de la tesis se ha centrado en tres subtareas: caracterización de locutor, agrupamiento y adaptación de modelos. La primera subtarea busca el modelado de un fragmento de audio para obtener representaciones precisas de los locutores involucrados, poniendo de manifiesto sus propiedades discriminativas. En este área se ha llevado a cabo un estudio acerca de las actuales estrategias de modelado, especialmente atendiendo a las limitaciones de las representaciones extraídas y poniendo de manifiesto el tipo de errores que pueden generar. Además, se han propuesto alternativas basadas en redes neuronales haciendo uso del conocimiento adquirido. La segunda tarea es el agrupamiento, encargado de desarrollar estrategias que busquen el etiquetado óptimo de los locutores. La investigación desarrollada durante esta tesis ha propuesto nuevas estrategias para estimar el mejor reparto de locutores basadas en técnicas de subespacios, especialmente PLDA. Finalmente, la tarea de adaptación de modelos busca transferir el conocimiento obtenido de un conjunto de entrenamiento a dominios alternativos donde no hay datos para extraerlo. Para este propósito los esfuerzos se han centrado en la extracción no supervisada de información de locutor del propio audio a diarizar, sinedo posteriormente usada en la adaptación de los modelos involucrados.<br /

Music Information Retrieval: An Inspirational Guide to Transfer from Related Disciplines

The emerging field of Music Information Retrieval (MIR) has been influenced by neighboring domains in signal processing and machine learning, including automatic speech recognition, image processing and text information retrieval. In this contribution, we start with concrete examples for methodology transfer between speech and music processing, oriented on the building blocks of pattern recognition: preprocessing, feature extraction, and classification/decoding. We then assume a higher level viewpoint when describing sources of mutual inspiration derived from text and image information retrieval. We conclude that dealing with the peculiarities of music in MIR research has contributed to advancing the state-of-the-art in other fields, and that many future challenges in MIR are strikingly similar to those that other research areas have been facing

Automatic assessment of motivational interview with diabetes patients

Diabetes cost the UK NHS £10 billion each year, and the cost pressure is projected to get worse. Motivational Interviewing (MI) is a goal-driven clinical conversation that seeks to reduce this cost by encouraging patients to take ownership of day-to-day monitoring and medication, whose effectiveness is commonly evaluated against the Motivational Interviewing Treatment Integrity (MITI) manual. Unfortunately, measuring clinicians’ MI performance is costly, requiring expert human instructors to ensure the adherence of MITI. Although it is desirable to assess MI in an automated fashion, many challenges still remain due to its complexity. In this thesis, an automatic system to assess clinicians adherence to the MITI criteria using different spoken language techniques was developed. The system tackled the chal- lenges using automatic speech recognition (ASR), speaker diarisation, topic modelling and clinicians’ behaviour code identification. For ASR, only 8 hours of in-domain MI data are available for training. The experiments with different open-source datasets, for example, WSJCAM0 and AMI, are presented. I have explored adaptative training of the ASR system and also the best training criterion and neural network structure. Over 45 minutes of MI testing data, the best ASR system achieves 43.59% word error rate. The i-vector based diarisation system achieves an F-measure of 0.822. The MITI behaviour code classification system with manual transcriptions achieves an accuracy of 78% for Non Question/Question classification, an accuracy of 80% for Open Question/Closed Question classification and an accuracy of 78% for MI Adherence and MI Non-Adherence classification. Topic modelling was applied to track whether the conversation segments were related to ‘diabetes’ or not on manual transcriptions as well as ASR outputs. The full automatic assessment system achieve an Assessment Error Rate of 22.54%. This is the first system that targets the full automation of MI assessment with reasonable performance. In addition, the error analysis from each step is able to guide future research in this area for further improvement and optimisation

Discriminative features for GMM and i-vector based speaker diarization

Speaker diarization has received several research attentions over the last decade. Among the different domains of speaker diarization, diarization in meeting domain is the most challenging one. It usually contains spontaneous speech and is, for example, susceptible to reverberation. The appropriate selection of speech features is one of the factors that affect the performance of speaker diarization systems. Mel Frequency Cepstral Coefficients (MFCC) are the most widely used short-term speech features in speaker diarization. Other factors that affect the performance of speaker diarization systems are the techniques employed to perform both speaker segmentation and speaker clustering. In this thesis, we have proposed the use of jitter and shimmer long-term voice-quality features both for Gaussian Mixture Modeling (GMM) and i-vector based speaker diarization systems. The voice-quality features are used together with the state-of-the-art short-term cepstral and long-term speech ones. The long-term features consist of prosody and Glottal-to-Noise excitation ratio (GNE) descriptors. Firstly, the voice-quality, prosodic and GNE features are stacked in the same feature vector. Then, they are fused with cepstral coefficients at the score likelihood level both for the proposed Gaussian Mixture Modeling (GMM) and i-vector based speaker diarization systems. For the proposed GMM based speaker diarization system, independent HMM models are estimated from the short-term and long-term speech feature sets. The fusion of the short-term descriptors with the long-term ones in speaker segmentation is carried out by linearly weighting the log-likelihood scores of Viterbi decoding. In the case of speaker clustering, the fusion of the short-term cepstral features with the long-term ones is carried out by linearly fusing the Bayesian Information Criterion (BIC) scores corresponding to these feature sets. For the proposed i-vector based speaker diarization system, the speaker segmentation is carried out exactly the same as in the previously mentioned GMM based speaker diarization system. However, the speaker clustering technique is based on the recently introduced factor analysis paradigm. Two set of i-vectors are extracted from the speaker segmentation hypothesis. Whilst the first i-vector is extracted from short-term cepstral features, the second one is extracted from the voice quality, prosody and GNE descriptors. Then, the cosine-distance and Probabilistic Linear Discriminant Analysis (PLDA) scores of i-vectors are linearly weighted to obtain a fused similarity score. Finally, the fused score is used as speaker clustering distance. We have also proposed the use of delta dynamic features for speaker clustering. The motivation for using deltas in clustering is that delta dynamic features capture the transitional characteristics of the speech signal which contain speaker specific information. This information is not captured by the static cepstral coefficients. The delta features are used together with the short-term static cepstral coefficients and long-term speech features (i.e., voice-quality, prosody and GNE) both for GMM and i-vector based speaker diarization systems. The experiments have been carried out on Augmented Multi-party Interaction (AMI) meeting corpus. The experimental results show that the use of voice-quality, prosody, GNE and delta dynamic features improve the performance of both GMM and i-vector based speaker diarization systems.La diarización del altavoz ha recibido varias atenciones de investigación durante la última década. Entre los diferentes dominios de la diarización del hablante, la diarización en el dominio del encuentro es la más difícil. Normalmente contiene habla espontánea y, por ejemplo, es susceptible de reverberación. La selección apropiada de las características del habla es uno de los factores que afectan el rendimiento de los sistemas de diarización de los altavoces. Los Coeficientes Cepstral de Frecuencia Mel (MFCC) son las características de habla de corto plazo más utilizadas en la diarización de los altavoces. Otros factores que afectan el rendimiento de los sistemas de diarización del altavoz son las técnicas empleadas para realizar tanto la segmentación del altavoz como el agrupamiento de altavoces. En esta tesis, hemos propuesto el uso de jitter y shimmer características de calidad de voz a largo plazo tanto para GMM y i-vector basada en sistemas de diarización de altavoces. Las características de calidad de voz se utilizan junto con el estado de la técnica a corto plazo cepstral y de larga duración de habla. Las características a largo plazo consisten en la prosodia y los descriptores de relación de excitación Glottal-a-Ruido (GNE). En primer lugar, las características de calidad de voz, prosódica y GNE se apilan en el mismo vector de características. A continuación, se fusionan con coeficientes cepstrales en el nivel de verosimilitud de puntajes tanto para los sistemas de diarización de altavoces basados ¿¿en el modelo Gaussian Mixture Modeling (GMM) como en los sistemas basados ¿¿en i-vector. . Para el sistema de diarización de altavoces basado en GMM propuesto, se calculan modelos HMM independientes a partir de cada conjunto de características. En la segmentación de los altavoces, la fusión de los descriptores a corto plazo con los de largo plazo se lleva a cabo mediante la ponderación lineal de las puntuaciones log-probabilidad de decodificación Viterbi. En la agrupación de altavoces, la fusión de las características cepstrales a corto plazo con las de largo plazo se lleva a cabo mediante la fusión lineal de las puntuaciones Bayesian Information Criterion (BIC) correspondientes a estos conjuntos de características. Para el sistema de diarización de altavoces basado en un vector i, la fusión de características se realiza exactamente igual a la del sistema basado en GMM antes mencionado. Sin embargo, la técnica de agrupación de altavoces se basa en el paradigma de análisis de factores recientemente introducido. Dos conjuntos de i-vectores se extraen de la hipótesis de segmentación de altavoz. Mientras que el primer vector i se extrae de características espectrales a corto plazo, el segundo se extrae de los descriptores de calidad de voz apilados, prosódicos y GNE. A continuación, las puntuaciones de coseno-distancia y Probabilistic Linear Discriminant Analysis (PLDA) entre i-vectores se ponderan linealmente para obtener una puntuación de similitud fundida. Finalmente, la puntuación fusionada se utiliza como distancia de agrupación de altavoces. También hemos propuesto el uso de características dinámicas delta para la agrupación de locutores. La motivación para el uso de deltas en la agrupación es que las características dinámicas delta capturan las características de transición de la señal de voz que contienen información específica del locutor. Esta información no es capturada por los coeficientes cepstrales estáticos. Las características delta se usan junto con los coeficientes cepstrales estáticos a corto plazo y las características de voz a largo plazo (es decir, calidad de voz, prosodia y GNE) tanto para sistemas de diarización de altavoces basados en GMM como en sistemas i-vector. Los resultados experimentales sobre AMI muestran que el uso de calidad vocal, prosódica, GNE y dinámicas delta mejoran el rendimiento de los sistemas de diarización de altavoces basados en GMM e i-vector.Postprint (published version