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

Predictive Coding: a Theoretical and Experimental Review

Predictive coding offers a potentially unifying account of cortical function -- postulating that the core function of the brain is to minimize prediction errors with respect to a generative model of the world. The theory is closely related to the Bayesian brain framework and, over the last two decades, has gained substantial influence in the fields of theoretical and cognitive neuroscience. A large body of research has arisen based on both empirically testing improved and extended theoretical and mathematical models of predictive coding, as well as in evaluating their potential biological plausibility for implementation in the brain and the concrete neurophysiological and psychological predictions made by the theory. Despite this enduring popularity, however, no comprehensive review of predictive coding theory, and especially of recent developments in this field, exists. Here, we provide a comprehensive review both of the core mathematical structure and logic of predictive coding, thus complementing recent tutorials in the literature. We also review a wide range of classic and recent work within the framework, ranging from the neurobiologically realistic microcircuits that could implement predictive coding, to the close relationship between predictive coding and the widely-used backpropagation of error algorithm, as well as surveying the close relationships between predictive coding and modern machine learning techniques.Comment: 27/07/21 initial upload; 14/01/22 maths fix; 05/07/22 maths fix; 12/07/22 text fixe

Harnessing function from form: towards bio-inspired artificial intelligence in neuronal substrates

Despite the recent success of deep learning, the mammalian brain is still unrivaled when it comes to interpreting complex, high-dimensional data streams like visual, auditory and somatosensory stimuli. However, the underlying computational principles allowing the brain to deal with unreliable, high-dimensional and often incomplete data while having a power consumption on the order of a few watt are still mostly unknown. In this work, we investigate how specific functionalities emerge from simple structures observed in the mammalian cortex, and how these might be utilized in non-von Neumann devices like “neuromorphic hardware”. Firstly, we show that an ensemble of deterministic, spiking neural networks can be shaped by a simple, local learning rule to perform sampling-based Bayesian inference. This suggests a coding scheme where spikes (or “action potentials”) represent samples of a posterior distribution, constrained by sensory input, without the need for any source of stochasticity. Secondly, we introduce a top-down framework where neuronal and synaptic dynamics are derived using a least action principle and gradient-based minimization. Combined, neurosynaptic dynamics approximate real-time error backpropagation, mappable to mechanistic components of cortical networks, whose dynamics can again be described within the proposed framework. The presented models narrow the gap between well-defined, functional algorithms and their biophysical implementation, improving our understanding of the computational principles the brain might employ. Furthermore, such models are naturally translated to hardware mimicking the vastly parallel neural structure of the brain, promising a strongly accelerated and energy-efficient implementation of powerful learning and inference algorithms, which we demonstrate for the physical model system “BrainScaleS–1”

Joint and individual analysis of breast cancer histologic images and genomic covariates

A key challenge in modern data analysis is understanding connections between complex and differing modalities of data. For example, two of the main approaches to the study of breast cancer are histopathology (analyzing visual characteristics of tumors) and genetics. While histopathology is the gold standard for diagnostics and there have been many recent breakthroughs in genetics, there is little overlap between these two fields. We aim to bridge this gap by developing methods based on Angle-based Joint and Individual Variation Explained (AJIVE) to directly explore similarities and differences between these two modalities. Our approach exploits Convolutional Neural Networks (CNNs) as a powerful, automatic method for image feature extraction to address some of the challenges presented by statistical analysis of histopathology image data. CNNs raise issues of interpretability that we address by developing novel methods to explore visual modes of variation captured by statistical algorithms (e.g. PCA or AJIVE) applied to CNN features. Our results provide many interpretable connections and contrasts between histopathology and genetics