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

Optimization of data-driven filterbank for automatic speaker verification

Most of the speech processing applications use triangular filters spaced in mel-scale for feature extraction. In this paper, we propose a new data-driven filter design method which optimizes filter parameters from a given speech data. First, we introduce a frame-selection based approach for developing speech-signal-based frequency warping scale. Then, we propose a new method for computing the filter frequency responses by using principal component analysis (PCA). The main advantage of the proposed method over the recently introduced deep learning based methods is that it requires very limited amount of unlabeled speech-data. We demonstrate that the proposed filterbank has more speaker discriminative power than commonly used mel filterbank as well as existing data-driven filterbank. We conduct automatic speaker verification (ASV) experiments with different corpora using various classifier back-ends. We show that the acoustic features created with proposed filterbank are better than existing mel-frequency cepstral coefficients (MFCCs) and speech-signal-based frequency cepstral coefficients (SFCCs) in most cases. In the experiments with VoxCeleb1 and popular i-vector back-end, we observe 9.75% relative improvement in equal error rate (EER) over MFCCs. Similarly, the relative improvement is 4.43% with recently introduced x-vector system. We obtain further improvement using fusion of the proposed method with standard MFCC-based approach.Comment: Published in Digital Signal Processing journal (Elsevier

Binary Biometrics: An Analytic Framework to Estimate the Performance Curves Under Gaussian Assumption

In recent years, the protection of biometric data has gained increased interest from the scientific community. Methods such as the fuzzy commitment scheme, helper-data system, fuzzy extractors, fuzzy vault, and cancelable biometrics have been proposed for protecting biometric data. Most of these methods use cryptographic primitives or error-correcting codes (ECCs) and use a binary representation of the real-valued biometric data. Hence, the difference between two biometric samples is given by the Hamming distance (HD) or bit errors between the binary vectors obtained from the enrollment and verification phases, respectively. If the HD is smaller (larger) than the decision threshold, then the subject is accepted (rejected) as genuine. Because of the use of ECCs, this decision threshold is limited to the maximum error-correcting capacity of the code, consequently limiting the false rejection rate (FRR) and false acceptance rate tradeoff. A method to improve the FRR consists of using multiple biometric samples in either the enrollment or verification phase. The noise is suppressed, hence reducing the number of bit errors and decreasing the HD. In practice, the number of samples is empirically chosen without fully considering its fundamental impact. In this paper, we present a Gaussian analytical framework for estimating the performance of a binary biometric system given the number of samples being used in the enrollment and the verification phase. The error-detection tradeoff curve that combines the false acceptance and false rejection rates is estimated to assess the system performance. The analytic expressions are validated using the Face Recognition Grand Challenge v2 and Fingerprint Verification Competition 2000 biometric databases

A Nonlinear Mixture Autoregressive Model For Speaker Verification

In this work, we apply a nonlinear mixture autoregressive (MixAR) model to supplant the Gaussian mixture model for speaker verification. MixAR is a statistical model that is a probabilistically weighted combination of components, each of which is an autoregressive filter in addition to a mean. The probabilistic mixing and the datadependent weights are responsible for the nonlinear nature of the model. Our experiments with synthetic as well as real speech data from standard speech corpora show that MixAR model outperforms GMM, especially under unseen noisy conditions. Moreover, MixAR did not require delta features and used 2.5x fewer parameters to achieve comparable or better performance as that of GMM using static as well as delta features. Also, MixAR suffered less from overitting issues than GMM when training data was sparse. However, MixAR performance deteriorated more quickly than that of GMM when evaluation data duration was reduced. This could pose limitations on the required minimum amount of evaluation data when using MixAR model for speaker verification

Deep Spoken Keyword Spotting:An Overview

Spoken keyword spotting (KWS) deals with the identification of keywords in audio streams and has become a fast-growing technology thanks to the paradigm shift introduced by deep learning a few years ago. This has allowed the rapid embedding of deep KWS in a myriad of small electronic devices with different purposes like the activation of voice assistants. Prospects suggest a sustained growth in terms of social use of this technology. Thus, it is not surprising that deep KWS has become a hot research topic among speech scientists, who constantly look for KWS performance improvement and computational complexity reduction. This context motivates this paper, in which we conduct a literature review into deep spoken KWS to assist practitioners and researchers who are interested in this technology. Specifically, this overview has a comprehensive nature by covering a thorough analysis of deep KWS systems (which includes speech features, acoustic modeling and posterior handling), robustness methods, applications, datasets, evaluation metrics, performance of deep KWS systems and audio-visual KWS. The analysis performed in this paper allows us to identify a number of directions for future research, including directions adopted from automatic speech recognition research and directions that are unique to the problem of spoken KWS