Deep Learning for Environmentally Robust Speech Recognition: An Overview of Recent Developments

Eliminating the negative effect of non-stationary environmental noise is a long-standing research topic for automatic speech recognition that stills remains an important challenge. Data-driven supervised approaches, including ones based on deep neural networks, have recently emerged as potential alternatives to traditional unsupervised approaches and with sufficient training, can alleviate the shortcomings of the unsupervised methods in various real-life acoustic environments. In this light, we review recently developed, representative deep learning approaches for tackling non-stationary additive and convolutional degradation of speech with the aim of providing guidelines for those involved in the development of environmentally robust speech recognition systems. We separately discuss single- and multi-channel techniques developed for the front-end and back-end of speech recognition systems, as well as joint front-end and back-end training frameworks

ARTICULATORY INFORMATION FOR ROBUST SPEECH RECOGNITION

Current Automatic Speech Recognition (ASR) systems fail to perform nearly as good as human speech recognition performance due to their lack of robustness against speech variability and noise contamination. The goal of this dissertation is to investigate these critical robustness issues, put forth different ways to address them and finally present an ASR architecture based upon these robustness criteria. Acoustic variations adversely affect the performance of current phone-based ASR systems, in which speech is modeled as `beads-on-a-string', where the beads are the individual phone units. While phone units are distinctive in cognitive domain, they are varying in the physical domain and their variation occurs due to a combination of factors including speech style, speaking rate etc.; a phenomenon commonly known as `coarticulation'. Traditional ASR systems address such coarticulatory variations by using contextualized phone-units such as triphones. Articulatory phonology accounts for coarticulatory variations by modeling speech as a constellation of constricting actions known as articulatory gestures. In such a framework, speech variations such as coarticulation and lenition are accounted for by gestural overlap in time and gestural reduction in space. To realize a gesture-based ASR system, articulatory gestures have to be inferred from the acoustic signal. At the initial stage of this research an initial study was performed using synthetically generated speech to obtain a proof-of-concept that articulatory gestures can indeed be recognized from the speech signal. It was observed that having vocal tract constriction trajectories (TVs) as intermediate representation facilitated the gesture recognition task from the speech signal. Presently no natural speech database contains articulatory gesture annotation; hence an automated iterative time-warping architecture is proposed that can annotate any natural speech database with articulatory gestures and TVs. Two natural speech databases: X-ray microbeam and Aurora-2 were annotated, where the former was used to train a TV-estimator and the latter was used to train a Dynamic Bayesian Network (DBN) based ASR architecture. The DBN architecture used two sets of observation: (a) acoustic features in the form of mel-frequency cepstral coefficients (MFCCs) and (b) TVs (estimated from the acoustic speech signal). In this setup the articulatory gestures were modeled as hidden random variables, hence eliminating the necessity for explicit gesture recognition. Word recognition results using the DBN architecture indicate that articulatory representations not only can help to account for coarticulatory variations but can also significantly improve the noise robustness of ASR system

Advances in Binary and Multiclass Audio Segmentation with Deep Learning Techniques

Los avances tecnológicos acaecidos en la última década han cambiado completamente la forma en la que la población interactúa con el contenido multimedia. Esto ha propiciado un aumento significativo tanto en la generación como el consumo de dicho contenido. El análisis y la anotación manual de toda esta información no son factibles dado el gran volumen actual, lo que releva la necesidad de herramientas automáticas que ayuden en la transición hacia flujos de trabajo asistidos o parcialmente automáticos. En los últimos años, la mayoría de estas herramientas están basadas en el uso de redes neuronales y deep learning. En este contexto, el trabajo que se describe en esta tesis se centra en el ámbito de la extracción de información a partir de señales de audio. Particularmente, se estudia la tarea de segmentación de audio, cuyo principal objetivo es obtener una secuencia de etiquetas que aíslen diferentes regiones en una señal de entrada de acuerdo con una serie de características descritas en un conjunto predefinido de clases, como por ejemplo voz, música o ruido.La primera parte de esta memoria esta centrada en la tarea de detección de actividad de voz. Recientemente, diferentes campañas de evaluación internacionales han propuesto esta tarea como uno de sus retos. Entre ellas se encuentra el reto Fearless steps, que trabaja con audios de las grabaciones de las misiones Apollo de la NASA. Para este reto, se propone una solución basada en aprendizaje supervisado usando una red convolucional recurrente como clasificador. La principal contribución es un método que combina información de filtros de 1D y 2D en la etapa convolucional para que sea procesada posteriormente por la etapa recurrente. Motivado por la introducción de los datos del reto Fearless steps, se plantea una evaluación de diferentes técnicas de adaptación de dominio, con el objetivo de comprobar las prestaciones de un sistema entrenado con datos de dominios habituales y evaluado en este nuevo dominio presentado en el reto. Los métodos descritos no requieren de etiquetas en el dominio objetivo, lo que facilita su uso en aplicaciones prácticas. En términos generales, se observa que los métodos que buscan minimizar el cambio en las distribuciones estadísticas entre los dominios fuente y objetivo obtienen los resultados mas prometedores. Los avances recientes en técnicas de representación obtenidas mediante aprendizaje auto-supervisado han demostrado grandes mejoras en prestaciones en varias tareas relacionadas con el procesado de voz. Siguiendo esta línea, se plantea la incorporación de dichas representaciones en la tarea de detección de actividad de voz. Las ediciones más recientes del reto Fearless steps modificaron su propósito, buscando ahora evaluar las capacidades de generalización de los sistemas. El objetivo entonces con las técnicas introducidas es poder beneficiarse de grandes cantidades de datos no etiquetados para mejorar la robustez del sistema. Los resultados experimentales sugieren que el aprendizaje auto-supervisado de representaciones permite obtener sistemas que son mucho menos sensibles al cambio de dominio.En la segunda parte de este documento se analiza una tarea de segmentación de audio más genérica que busca clasificar de manera simultanea una señal de audio como voz, música, ruido o una combinación de estas. En el contexto de los datos propuesto para el reto de segmentación de audio Albayzín 2010, se presenta un enfoque basado en el uso de redes neuronales recurrentes como clasificador principal, y un modelo de postprocesado integrado por modelos ocultos de Markov. Se introduce un nuevo bloque en la arquitectura neuronal con el objetivo de eliminar la información temporal redundante, mejorando las prestaciones y reduciendo el numero de operaciones por segundo al mismo tiempo. Esta propuesta obtuvo mejores prestaciones que soluciones presentadas anteriormenteen la literatura, y que aproximaciones similares basadas en redes neuronales profundas. Mientras que los resultados con aprendizaje auto-supervisado de representaciones eran prometedores en tareas de segmentación binaria, si se aplican en tareas de segmentación multiclase surgen una serie de cuestiones. Las técnicas habituales de aumento de datos que se aplican en el entrenamiento fuerzan al modelo a compensar el ruido de fondo o la música. En estas condiciones las características obtenidas podrían no representar de manera precisa aquellas clases generadas de manera similar a las versiones aumentadas vistas en el entrenamiento. Este hecho limita la mejora global de prestaciones observada al aplicar estas técnicas en tareas como la propuesta en la evaluación Albayzín 2010.La última parte de este trabajo ha investigado la aplicación de nuevas funciones de coste en la tarea de segmentación de audio, con el principal objetivo de mitigar los problemas que se derivan de utilizar un conjunto de datos de entrenamiento limitado. Se ha demostrado que nuevas técnicas de optimización basadas en las métricas AUC y AUC parcial pueden mejorar objetivos de entrenamiento tradicionales como la entropía cruzada en varias tareas de detección. Con esta idea en mente, en esta tesis se introducen dichas técnicas en la tarea de detección de música. Considerando que la cantidad de datos etiquetados para esta tarea es limitada comparado con otras tareas, las funciones de coste basadas en la métrica AUC se aplican con el objetivo de mejorar las prestaciones cuando el conjunto de datos de entrenamiento es relativamente pequeño. La mayoría de los sistemas que utilizan las técnicas de optimización basadas en métricas AUC se limitan a tareas binarias ya que ese el ámbito de aplicación habitual de la métrica AUC. Además, el etiquetado de audios con taxonomías más detalladas en las que hay múltiples opciones posibles es más complejo, por lo que la cantidad de audio etiquetada en algunas tareas de segmentación multiclase es limitada. Como una extensión natural, se propone una generalización de las técnicas de optimización basadas en la métrica AUC binaria, de tal manera que se puedan aplicar con un número arbitrario de clases. Dos funciones de coste distintas se introducen, usando como base para su formulación las variaciones multiclase de la métrica AUC propuestas en la literatura: una basada en un enfoque uno contra uno, y otra basada en un enfoque uno contra el resto.<br /

Advances in Image Processing, Analysis and Recognition Technology

For many decades, researchers have been trying to make computers’ analysis of images as effective as the system of human vision is. For this purpose, many algorithms and systems have previously been created. The whole process covers various stages, including image processing, representation and recognition. The results of this work can be applied to many computer-assisted areas of everyday life. They improve particular activities and provide handy tools, which are sometimes only for entertainment, but quite often, they significantly increase our safety. In fact, the practical implementation of image processing algorithms is particularly wide. Moreover, the rapid growth of computational complexity and computer efficiency has allowed for the development of more sophisticated and effective algorithms and tools. Although significant progress has been made so far, many issues still remain, resulting in the need for the development of novel approaches

Term-driven E-Commerce

Die Arbeit nimmt sich der textuellen Dimension des E-Commerce an. Grundlegende Hypothese ist die textuelle Gebundenheit von Information und Transaktion im Bereich des elektronischen Handels. Überall dort, wo Produkte und Dienstleistungen angeboten, nachgefragt, wahrgenommen und bewertet werden, kommen natürlichsprachige Ausdrücke zum Einsatz. Daraus resultiert ist zum einen, wie bedeutsam es ist, die Varianz textueller Beschreibungen im E-Commerce zu erfassen, zum anderen können die umfangreichen textuellen Ressourcen, die bei E-Commerce-Interaktionen anfallen, im Hinblick auf ein besseres Verständnis natürlicher Sprache herangezogen werden

Neuromorphic auditory computing: towards a digital, event-based implementation of the hearing sense for robotics

In this work, it is intended to advance on the development of the neuromorphic audio processing systems in robots through the implementation of an open-source neuromorphic cochlea, event-based models of primary auditory nuclei, and their potential use for real-time robotics applications. First, the main gaps when working with neuromorphic cochleae were identified. Among them, the accessibility and usability of such sensors can be considered as a critical aspect. Silicon cochleae could not be as flexible as desired for some applications. However, FPGA-based sensors can be considered as an alternative for fast prototyping and proof-of-concept applications. Therefore, a software tool was implemented for generating open-source, user-configurable Neuromorphic Auditory Sensor models that can be deployed in any FPGA, removing the aforementioned barriers for the neuromorphic research community. Next, the biological principles of the animals' auditory system were studied with the aim of continuing the development of the Neuromorphic Auditory Sensor. More specifically, the principles of binaural hearing were deeply studied for implementing event-based models to perform real-time sound source localization tasks. Two different approaches were followed to extract inter-aural time differences from event-based auditory signals. On the one hand, a digital, event-based design of the Jeffress model was implemented. On the other hand, a novel digital implementation of the Time Difference Encoder model was designed and implemented on FPGA. Finally, three different robotic platforms were used for evaluating the performance of the proposed real-time neuromorphic audio processing architectures. An audio-guided central pattern generator was used to control a hexapod robot in real-time using spiking neural networks on SpiNNaker. Then, a sensory integration application was implemented combining sound source localization and obstacle avoidance for autonomous robots navigation. Lastly, the Neuromorphic Auditory Sensor was integrated within the iCub robotic platform, being the first time that an event-based cochlea is used in a humanoid robot. Then, the conclusions obtained are presented and new features and improvements are proposed for future works.En este trabajo se pretende avanzar en el desarrollo de los sistemas de procesamiento de audio neuromórficos en robots a través de la implementación de una cóclea neuromórfica de código abierto, modelos basados en eventos de los núcleos auditivos primarios, y su potencial uso para aplicaciones de robótica en tiempo real. En primer lugar, se identificaron los principales problemas a la hora de trabajar con cócleas neuromórficas. Entre ellos, la accesibilidad y usabilidad de dichos sensores puede considerarse un aspecto crítico. Los circuitos integrados analógicos que implementan modelos cocleares pueden no pueden ser tan flexibles como se desea para algunas aplicaciones específicas. Sin embargo, los sensores basados en FPGA pueden considerarse una alternativa para el desarrollo rápido y flexible de prototipos y aplicaciones de prueba de concepto. Por lo tanto, en este trabajo se implementó una herramienta de software para generar modelos de sensores auditivos neuromórficos de código abierto y configurables por el usuario, que pueden desplegarse en cualquier FPGA, eliminando las barreras mencionadas para la comunidad de investigación neuromórfica. A continuación, se estudiaron los principios biológicos del sistema auditivo de los animales con el objetivo de continuar con el desarrollo del Sensor Auditivo Neuromórfico (NAS). Más concretamente, se estudiaron en profundidad los principios de la audición binaural con el fin de implementar modelos basados en eventos para realizar tareas de localización de fuentes sonoras en tiempo real. Se siguieron dos enfoques diferentes para extraer las diferencias temporales interaurales de las señales auditivas basadas en eventos. Por un lado, se implementó un diseño digital basado en eventos del modelo Jeffress. Por otro lado, se diseñó una novedosa implementación digital del modelo de codificador de diferencias temporales y se implementó en FPGA. Por último, se utilizaron tres plataformas robóticas diferentes para evaluar el rendimiento de las arquitecturas de procesamiento de audio neuromórfico en tiempo real propuestas. Se utilizó un generador central de patrones guiado por audio para controlar un robot hexápodo en tiempo real utilizando redes neuronales pulsantes en SpiNNaker. A continuación, se implementó una aplicación de integración sensorial que combina la localización de fuentes de sonido y la evitación de obstáculos para la navegación de robots autónomos. Por último, se integró el Sensor Auditivo Neuromórfico dentro de la plataforma robótica iCub, siendo la primera vez que se utiliza una cóclea basada en eventos en un robot humanoide. Por último, en este trabajo se presentan las conclusiones obtenidas y se proponen nuevas funcionalidades y mejoras para futuros trabajos

Reconfigurable acceleration of Recurrent Neural Networks

Recurrent Neural Networks (RNNs) have been successful in a wide range of applications involving temporal sequences such as natural language processing, speech recognition and video analysis. However, RNNs often require a significant amount of memory and computational resources. In addition, the recurrent nature and data dependencies in RNN computations can lead to system stall, resulting in low throughput and high latency. This work describes novel parallel hardware architectures for accelerating RNN inference using Field-Programmable Gate Array (FPGA) technology, which considers the data dependencies and high computational costs of RNNs. The first contribution of this thesis is a latency-hiding architecture that utilizes column-wise matrix-vector multiplication instead of the conventional row-wise operation to eliminate data dependencies and improve the throughput of RNN inference designs. This architecture is further enhanced by a configurable checkerboard tiling strategy which allows large dimensions of weight matrices, while supporting element-based parallelism and vector-based parallelism. The presented reconfigurable RNN designs show significant speedup over CPU, GPU, and other FPGA designs. The second contribution of this thesis is a weight reuse approach for large RNN models with weights stored in off-chip memory, running with a batch size of one. A novel blocking-batching strategy is proposed to optimize the throughput of large RNN designs on FPGAs by reusing the RNN weights. Performance analysis is also introduced to enable FPGA designs to achieve the best trade-off between area, power consumption and performance. Promising power efficiency improvement has been achieved in addition to speeding up over CPU and GPU designs. The third contribution of this thesis is a low latency design for RNNs based on a partially-folded hardware architecture. It also introduces a technique that balances initiation interval of multi-layer RNN inferences to increase hardware efficiency and throughput while reducing latency. The approach is evaluated on a variety of applications, including gravitational wave detection and Bayesian RNN-based ECG anomaly detection. To facilitate the use of this approach, we open source an RNN template which enables the generation of low-latency FPGA designs with efficient resource utilization using high-level synthesis tools.Open Acces

Pattern Recognition

Pattern recognition is a very wide research field. It involves factors as diverse as sensors, feature extraction, pattern classification, decision fusion, applications and others. The signals processed are commonly one, two or three dimensional, the processing is done in real- time or takes hours and days, some systems look for one narrow object class, others search huge databases for entries with at least a small amount of similarity. No single person can claim expertise across the whole field, which develops rapidly, updates its paradigms and comprehends several philosophical approaches. This book reflects this diversity by presenting a selection of recent developments within the area of pattern recognition and related fields. It covers theoretical advances in classification and feature extraction as well as application-oriented works. Authors of these 25 works present and advocate recent achievements of their research related to the field of pattern recognition