Comparison of Non-Parametric Bayesian Mixture Models for Syllable Clustering and Zero-Resource Speech Processing

Peer reviewe

Subspace Gaussian Mixture Models for Language Identification and Dysarthric Speech Intelligibility Assessment

En esta Tesis se ha investigado la aplicación de técnicas de modelado de subespacios de mezclas de Gaussianas en dos problemas relacionados con las tecnologías del habla, como son la identificación automática de idioma (LID, por sus siglas en inglés) y la evaluación automática de inteligibilidad en el habla de personas con disartria. Una de las técnicas más importantes estudiadas es el análisis factorial conjunto (JFA, por sus siglas en inglés). JFA es, en esencia, un modelo de mezclas de Gaussianas en el que la media de cada componente se expresa como una suma de factores de dimensión reducida, y donde cada factor representa una contribución diferente a la señal de audio. Esta factorización nos permite compensar nuestros modelos frente a contribuciones indeseadas presentes en la señal, como la información de canal. JFA se ha investigado como clasficador y como extractor de parámetros. En esta última aproximación se modela un solo factor que representa todas las contribuciones presentes en la señal. Los puntos en este subespacio se denominan i-Vectors. Así, un i-Vector es un vector de baja dimensión que representa una grabación de audio. Los i-Vectors han resultado ser muy útiles como vector de características para representar señales en diferentes problemas relacionados con el aprendizaje de máquinas. En relación al problema de LID, se han investigado dos sistemas diferentes de acuerdo al tipo de información extraída de la señal. En el primero, la señal se parametriza en vectores acústicos con información espectral a corto plazo. En este caso, observamos mejoras de hasta un 50% con el sistema basado en i-Vectors respecto al sistema que utilizaba JFA como clasificador. Se comprobó que el subespacio de canal del modelo JFA también contenía información del idioma, mientras que con los i-Vectors no se descarta ningún tipo de información, y además, son útiles para mitigar diferencias entre los datos de entrenamiento y de evaluación. En la fase de clasificación, los i-Vectors de cada idioma se modelaron con una distribución Gaussiana en la que la matriz de covarianza era común para todos. Este método es simple y rápido, y no requiere de ningún post-procesado de los i-Vectors. En el segundo sistema, se introdujo el uso de información prosódica y formántica en un sistema de LID basado en i-Vectors. La precisión de éste estaba por debajo de la del sistema acústico. Sin embargo, los dos sistemas son complementarios, y se obtuvo hasta un 20% de mejora con la fusión de los dos respecto al sistema acústico solo. Tras los buenos resultados obtenidos para LID, y dado que, teóricamente, los i-Vectors capturan toda la información presente en la señal, decidimos usarlos para la evaluar de manera automática la inteligibilidad en el habla de personas con disartria. Los logopedas están muy interesados en esta tecnología porque permitiría evaluar a sus pacientes de una manera objetiva y consistente. En este caso, los i-Vectors se obtuvieron a partir de información espectral a corto plazo de la señal, y la inteligibilidad se calculó a partir de los i-Vectors obtenidos para un conjunto de palabras dichas por el locutor evaluado. Comprobamos que los resultados eran mucho mejores si en el entrenamiento del sistema se incorporaban datos de la persona que iba a ser evaluada. No obstante, esta limitación podría aliviarse utilizando una mayor cantidad de datos para entrenar el sistema.In this Thesis, we investigated how to effciently apply subspace Gaussian mixture modeling techniques onto two speech technology problems, namely automatic spoken language identification (LID) and automatic intelligibility assessment of dysarthric speech. One of the most important of such techniques in this Thesis was joint factor analysis (JFA). JFA is essentially a Gaussian mixture model where the mean of the components is expressed as a sum of low-dimension factors that represent different contributions to the speech signal. This factorization makes it possible to compensate for undesired sources of variability, like the channel. JFA was investigated as final classiffer and as feature extractor. In the latter approach, a single subspace including all sources of variability is trained, and points in this subspace are known as i-Vectors. Thus, one i-Vector is defined as a low-dimension representation of a single utterance, and they are a very powerful feature for different machine learning problems. We have investigated two different LID systems according to the type of features extracted from speech. First, we extracted acoustic features representing short-time spectral information. In this case, we observed relative improvements with i-Vectors with respect to JFA of up to 50%. We realized that the channel subspace in a JFA model also contains language information whereas i-Vectors do not discard any language information, and moreover, they help to reduce mismatches between training and testing data. For classification, we modeled the i-Vectors of each language with a Gaussian distribution with covariance matrix shared among languages. This method is simple and fast, and it worked well without any post-processing. Second, we introduced the use of prosodic and formant information with the i-Vectors system. The performance was below the acoustic system but both were found to be complementary and we obtained up to a 20% relative improvement with the fusion with respect to the acoustic system alone. Given the success in LID and the fact that i-Vectors capture all the information that is present in the data, we decided to use i-Vectors for other tasks, specifically, the assessment of speech intelligibility in speakers with different types of dysarthria. Speech therapists are very interested in this technology because it would allow them to objectively and consistently rate the intelligibility of their patients. In this case, the input features were extracted from short-term spectral information, and the intelligibility was assessed from the i-Vectors calculated from a set of words uttered by the tested speaker. We found that the performance was clearly much better if we had available data for training of the person that would use the application. We think that this limitation could be relaxed if we had larger databases for training. However, the recording process is not easy for people with disabilities, and it is difficult to obtain large datasets of dysarthric speakers open to the research community. Finally, the same system architecture for intelligibility assessment based on i-Vectors was used for predicting the accuracy that an automatic speech recognizer (ASR) system would obtain with dysarthric speakers. The only difference between both was the ground truth label set used for training. Predicting the performance response of an ASR system would increase the confidence of speech therapists in these systems and would diminish health related costs. The results were not as satisfactory as in the previous case, probably because an ASR is a complex system whose accuracy can be very difficult to be predicted only with acoustic information. Nonetheless, we think that we opened a door to an interesting research direction for the two problems

New insights into hierarchical clustering and linguistic normalization for speaker diarization

Face au volume croissant de données audio et multimédia, les technologies liées à l'indexation de données et à l'analyse de contenu ont suscité beaucoup d'intérêt dans la communauté scientifique. Parmi celles-ci, la segmentation et le regroupement en locuteurs, répondant ainsi à la question 'Qui parle quand ?' a émergé comme une technique de pointe dans la communauté de traitement de la parole. D'importants progrès ont été réalisés dans le domaine ces dernières années principalement menés par les évaluations internationales du NIST. Tout au long de ces évaluations, deux approches se sont démarquées : l'une est bottom-up et l'autre top-down. L'ensemble des systèmes les plus performants ces dernières années furent essentiellement des systèmes types bottom-up, cependant nous expliquons dans cette thèse que l'approche top-down comporte elle aussi certains avantages. En effet, dans un premier temps, nous montrons qu'après avoir introduit une nouvelle composante de purification des clusters dans l'approche top-down, nous obtenons des performances comparables à celles de l'approche bottom-up. De plus, en étudiant en détails les deux types d'approches nous montrons que celles-ci se comportent différemment face à la discrimination des locuteurs et la robustesse face à la composante lexicale. Ces différences sont alors exploitées au travers d'un nouveau système combinant les deux approches. Enfin, nous présentons une nouvelle technologie capable de limiter l'influence de la composante lexicale, source potentielle d'artefacts dans le regroupement et la segmentation en locuteurs. Notre nouvelle approche se nomme Phone Adaptive Training par analogie au Speaker Adaptive TrainingThe ever-expanding volume of available audio and multimedia data has elevated technologies related to content indexing and structuring to the forefront of research. Speaker diarization, commonly referred to as the who spoke when?' task, is one such example and has emerged as a prominent, core enabling technology in the wider speech processing research community. Speaker diarization involves the detection of speaker turns within an audio document (segmentation) and the grouping together of all same-speaker segments (clustering). Much progress has been made in the field over recent years partly spearheaded by the NIST Rich Transcription evaluations focus on meeting domain, in the proceedings of which are found two general approaches: top-down and bottom-up. Even though the best performing systems over recent years have all been bottom-up approaches we show in this thesis that the top-down approach is not without significant merit. Indeed we first introduce a new purification component leading to competitive performance to the bottom-up approach. Moreover, while investigating the two diarization approaches more thoroughly we show that they behave differently in discriminating between individual speakers and in normalizing unwanted acoustic variation, i.e.\ that which does not pertain to different speakers. This difference of behaviours leads to a new top-down/bottom-up system combination outperforming the respective baseline system. Finally, we introduce a new technology able to limit the influence of linguistic effects, responsible for biasing the convergence of the diarization system. Our novel approach is referred to as Phone Adaptive Training (PAT).PARIS-Télécom ParisTech (751132302) / SudocSudocFranceF

Frame-level features conveying phonetic information for language and speaker recognition

150 p.This Thesis, developed in the Software Technologies Working Group of the Departmentof Electricity and Electronics of the University of the Basque Country, focuseson the research eld of spoken language and speaker recognition technologies.More specically, the research carried out studies the design of a set of featuresconveying spectral acoustic and phonotactic information, searches for the optimalfeature extraction parameters, and analyses the integration and usage of the featuresin language recognition systems, and the complementarity of these approacheswith regard to state-of-the-art systems. The study reveals that systems trained onthe proposed set of features, denoted as Phone Log-Likelihood Ratios (PLLRs), arehighly competitive, outperforming in several benchmarks other state-of-the-art systems.Moreover, PLLR-based systems also provide complementary information withregard to other phonotactic and acoustic approaches, which makes them suitable infusions to improve the overall performance of spoken language recognition systems.The usage of this features is also studied in speaker recognition tasks. In this context,the results attained by the approaches based on PLLR features are not as remarkableas the ones of systems based on standard acoustic features, but they still providecomplementary information that can be used to enhance the overall performance ofthe speaker recognition systems

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 /

Exploring variabilities through factor analysis in automatic acoustic language recognition

La problématique traitée par la Reconnaissance de la Langue (LR) porte sur la définition découverte de la langue contenue dans un segment de parole. Cette thèse se base sur des paramètres acoustiques de courte durée, utilisés dans une approche d adaptation de mélanges de Gaussiennes (GMM-UBM). Le problème majeur de nombreuses applications du vaste domaine de la re- problème connaissance de formes consiste en la variabilité des données observées. Dans le contexte de la Reconnaissance de la Langue (LR), cette variabilité nuisible est due à des causes diverses, notamment les caractéristiques du locuteur, l évolution de la parole et de la voix, ainsi que les canaux d acquisition et de transmission. Dans le contexte de la reconnaissance du locuteur, l impact de la variabilité solution peut sensiblement être réduit par la technique d Analyse Factorielle (Joint Factor Analysis, JFA). Dans ce travail, nous introduisons ce paradigme à la Reconnaissance de la Langue. Le succès de la JFA repose sur plusieurs hypothèses. La première est que l information observée est décomposable en une partie universelle, une partie dépendante de la langue et une partie de variabilité, qui elle est indépendante de la langue. La deuxième hypothèse, plus technique, est que la variabilité nuisible se situe dans un sous-espace de faible dimension, qui est défini de manière globale.Dans ce travail, nous analysons le comportement de la JFA dans le contexte d un dispositif de LR du type GMM-UBM. Nous introduisons et analysons également sa combinaison avec des Machines à Vecteurs Support (SVM). Les premières publications sur la JFA regroupaient toute information qui est amélioration nuisible à la tâche (donc ladite variabilité) dans un seul composant. Celui-ci est supposé suivre une distribution Gaussienne. Cette approche permet de traiter les différentes sortes de variabilités d une manière unique. En pratique, nous observons que cette hypothèse n est pas toujours vérifiée. Nous avons, par exemple, le cas où les données peuvent être groupées de manière logique en deux sous-parties clairement distinctes, notamment en données de sources téléphoniques et d émissions radio. Dans ce cas-ci, nos recherches détaillées montrent un certain avantage à traiter les deux types de données par deux systèmes spécifiques et d élire comme score de sortie celui du système qui correspond à la catégorie source du segment testé. Afin de sélectionner le score de l un des systèmes, nous avons besoin d un analyses détecteur de canal source. Nous proposons ici différents nouveaux designs pour engendrées de tels détecteurs automatiques. Dans ce cadre, nous montrons que les facteurs de variabilité (du sous-espace) de la JFA peuvent être utilisés avec succès pour la détection de la source. Ceci ouvre la perspective intéressante de subdiviser les5données en catégories de canal source qui sont établies de manière automatique. En plus de pouvoir s adapter à des nouvelles conditions de source, cette propriété permettrait de pouvoir travailler avec des données d entraînement qui ne sont pas accompagnées d étiquettes sur le canal de source. L approche JFA permet une réduction de la mesure de coûts allant jusqu à généraux 72% relatives, comparé au système GMM-UBM de base. En utilisant des systèmes spécifiques à la source, suivis d un sélecteur de scores, nous obtenons une amélioration relative de 81%.Language Recognition is the problem of discovering the language of a spoken definitionutterance. This thesis achieves this goal by using short term acoustic information within a GMM-UBM approach.The main problem of many pattern recognition applications is the variability of problemthe observed data. In the context of Language Recognition (LR), this troublesomevariability is due to the speaker characteristics, speech evolution, acquisition and transmission channels.In the context of Speaker Recognition, the variability problem is solved by solutionthe Joint Factor Analysis (JFA) technique. Here, we introduce this paradigm toLanguage Recognition. The success of JFA relies on several assumptions: The globalJFA assumption is that the observed information can be decomposed into a universalglobal part, a language-dependent part and the language-independent variabilitypart. The second, more technical assumption consists in the unwanted variability part to be thought to live in a low-dimensional, globally defined subspace. In this work, we analyze how JFA behaves in the context of a GMM-UBM LR framework. We also introduce and analyze its combination with Support Vector Machines(SVMs).The first JFA publications put all unwanted information (hence the variability) improvemen tinto one and the same component, which is thought to follow a Gaussian distribution.This handles diverse kinds of variability in a unique manner. But in practice,we observe that this hypothesis is not always verified. We have for example thecase, where the data can be divided into two clearly separate subsets, namely datafrom telephony and from broadcast sources. In this case, our detailed investigations show that there is some benefit of handling the two kinds of data with two separatesystems and then to elect the output score of the system, which corresponds to the source of the testing utterance.For selecting the score of one or the other system, we need a channel source related analyses detector. We propose here different novel designs for such automatic detectors.In this framework, we show that JFA s variability factors (of the subspace) can beused with success for detecting the source. This opens the interesting perspectiveof partitioning the data into automatically determined channel source categories,avoiding the need of source-labeled training data, which is not always available.The JFA approach results in up to 72% relative cost reduction, compared to the overall resultsGMM-UBM baseline system. Using source specific systems followed by a scoreselector, we achieve 81% relative improvement.AVIGNON-Bib. numérique (840079901) / SudocSudocFranceF