Bayesian analysis of fingerprint, face and signature evidences with automatic biometric systems

This is the author’s version of a work that was accepted for publication in Forensic Science International. Changes resulting from the publishing process, such as peer review, editing, corrections, structural formatting, and other quality control mechanisms may not be reflected in this document. Changes may have been made to this work since it was submitted for publication. A definitive version was subsequently published in Forensic Science International, Vol 155, Issue 2 (20 December 2005) DOI: 10.1016/j.forsciint.2004.11.007The Bayesian approach provides a unified and logical framework for the analysis of evidence and to provide results in the form of likelihood ratios (LR) from the forensic laboratory to court. In this contribution we want to clarify how the biometric scientist or laboratory can adapt their conventional biometric systems or technologies to work according to this Bayesian approach. Forensic systems providing their results in the form of LR will be assessed through Tippett plots, which give a clear representation of the LR-based performance both for targets (the suspect is the author/source of the test pattern) and non-targets. However, the computation procedures of the LR values, especially with biometric evidences, are still an open issue. Reliable estimation techniques showing good generalization properties for the estimation of the between- and within-source variabilities of the test pattern are required, as variance restriction techniques in the within-source density estimation to stand for the variability of the source with the course of time. Fingerprint, face and on-line signature recognition systems will be adapted to work according to this Bayesian approach showing both the likelihood ratios range in each application and the adequacy of these biometric techniques to the daily forensic work.This work has been partially supported under MCYT Projects TIC2000-1683, TIC2000-1669, TIC2003-09068, TIC2003-08382 and Spanish Police Force ‘‘Guardia Civil’’ Research Program

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 /

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

Deep learning methods in speaker recognition: a review

This paper summarizes the applied deep learning practices in the field of speaker recognition, both verification and identification. Speaker recognition has been a widely used field topic of speech technology. Many research works have been carried out and little progress has been achieved in the past 5-6 years. However, as deep learning techniques do advance in most machine learning fields, the former state-of-the-art methods are getting replaced by them in speaker recognition too. It seems that DL becomes the now state-of-the-art solution for both speaker verification and identification. The standard x-vectors, additional to i-vectors, are used as baseline in most of the novel works. The increasing amount of gathered data opens up the territory to DL, where they are the most effective

Histogram equalization for robust text-independent speaker verification in telephone environments

Word processed copy. Includes bibliographical references

Review of Research on Speech Technology: Main Contributions From Spanish Research Groups

In the last two decades, there has been an important increase in research on speech technology in Spain, mainly due to a higher level of funding from European, Spanish and local institutions and also due to a growing interest in these technologies for developing new services and applications. This paper provides a review of the main areas of speech technology addressed by research groups in Spain, their main contributions in the recent years and the main focus of interest these days. This description is classified in five main areas: audio processing including speech, speaker characterization, speech and language processing, text to speech conversion and spoken language applications. This paper also introduces the Spanish Network of Speech Technologies (RTTH. Red Temática en Tecnologías del Habla) as the research network that includes almost all the researchers working in this area, presenting some figures, its objectives and its main activities developed in the last years

Machine Learning Mitigants for Speech Based Cyber Risk

Statistical analysis of speech is an emerging area of machine learning. In this paper, we tackle the biometric challenge of Automatic Speaker Verification (ASV) of differentiating between samples generated by two distinct populations of utterances, those of an authentic human voice and those generated by a synthetic one. Solving such an issue through a statistical perspective foresees the definition of a decision rule function and a learning procedure to identify the optimal classifier. Classical state-of-the-art countermeasures rely on strong assumptions such as stationarity or local-stationarity of speech that may be atypical to encounter in practice. We explore in this regard a robust non-linear and non-stationary signal decomposition method known as the Empirical Mode Decomposition combined with the Mel-Frequency Cepstral Coefficients in a novel fashion with a refined classifier technique known as multi-kernel Support Vector machine. We undertake significant real data case studies covering multiple ASV systems using different datasets, including the ASVSpoof 2019 challenge database. The obtained results overwhelmingly demonstrate the significance of our feature extraction and classifier approach versus existing conventional methods in reducing the threat of cyber-attack perpetrated by synthetic voice replication seeking unauthorised access