Time-Contrastive Learning Based Deep Bottleneck Features for Text-Dependent Speaker Verification

There are a number of studies about extraction of bottleneck (BN) features from deep neural networks (DNNs)trained to discriminate speakers, pass-phrases and triphone states for improving the performance of text-dependent speaker verification (TD-SV). However, a moderate success has been achieved. A recent study [1] presented a time contrastive learning (TCL) concept to explore the non-stationarity of brain signals for classification of brain states. Speech signals have similar non-stationarity property, and TCL further has the advantage of having no need for labeled data. We therefore present a TCL based BN feature extraction method. The method uniformly partitions each speech utterance in a training dataset into a predefined number of multi-frame segments. Each segment in an utterance corresponds to one class, and class labels are shared across utterances. DNNs are then trained to discriminate all speech frames among the classes to exploit the temporal structure of speech. In addition, we propose a segment-based unsupervised clustering algorithm to re-assign class labels to the segments. TD-SV experiments were conducted on the RedDots challenge database. The TCL-DNNs were trained using speech data of fixed pass-phrases that were excluded from the TD-SV evaluation set, so the learned features can be considered phrase-independent. We compare the performance of the proposed TCL bottleneck (BN) feature with those of short-time cepstral features and BN features extracted from DNNs discriminating speakers, pass-phrases, speaker+pass-phrase, as well as monophones whose labels and boundaries are generated by three different automatic speech recognition (ASR) systems. Experimental results show that the proposed TCL-BN outperforms cepstral features and speaker+pass-phrase discriminant BN features, and its performance is on par with those of ASR derived BN features. Moreover,....Comment: Copyright (c) 2019 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other work

The use of long-term features for GMM- and i-vector-based speaker diarization systems

Several factors contribute to the performance of speaker diarization systems. For instance, the appropriate selection of speech features is one of the key aspects that affect speaker diarization systems. The other factors include the techniques employed to perform both segmentation and clustering. While the static mel frequency cepstral coefficients are the most widely used features in speech-related tasks including speaker diarization, several studies have shown the benefits of augmenting regular speech features with the static ones. In this work, we have proposed and assessed the use of voice-quality features (i.e., jitter, shimmer, and Glottal-to-Noise Excitation ratio) within the framework of speaker diarization. These acoustic attributes are employed together with the state-of-the-art short-term cepstral and long-term prosodic features. Additionally, the use of delta dynamic features is also explored separately both for segmentation and bottom-up clustering sub-tasks. The combination of the different feature sets is carried out at several levels. At the feature level, the long-term speech features are stacked in the same feature vector. At the score level, the short- and long-term speech features are independently modeled and fused at the score likelihood level. Various feature combinations have been applied both for Gaussian mixture modeling and i-vector-based speaker diarization systems. The experiments have been carried out on Augmented Multi-party Interaction meeting corpus. The best result, in terms of diarization error rate, is reported by using i-vector-based cosine-distance clustering together with a signal parameterization consisting of a combination of static cepstral coefficients, delta, voice-quality, and prosodic features. The best result shows about 24% relative diarization error rate improvement compared to the baseline system which is based on Gaussian mixture modeling and short-term static cepstral coefficients.Peer ReviewedPostprint (published version

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

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 /