Discriminative and adaptive training for robust speech recognition and understanding

Robust automatic speech recognition (ASR) and understanding (ASU) under various conditions remains to be a challenging problem even with the advances of deep learning. To achieve robust ASU, two discriminative training objectives are proposed for keyword spotting and topic classification: (1) To accurately recognize the semantically important keywords, the non-uniform error cost minimum classification error training of deep neural network (DNN) and bi-directional long short-term memory (BLSTM) acoustic models is proposed to minimize the recognition errors of only the keywords. (2) To compensate for the mismatched objectives of speech recognition and understanding, minimum semantic error cost training of the BLSTM acoustic model is proposed to generate semantically accurate lattices for topic classification. Further, to expand the application of the ASU system to various conditions, four adaptive training approaches are proposed to improve the robustness of the ASR under different conditions: (1) To suppress the effect of inter-speaker variability on speaker-independent DNN acoustic model, speaker-invariant training is proposed to learn a deep representation in the DNN that is both senone-discriminative and speaker-invariant through adversarial multi-task training (2) To achieve condition-robust unsupervised adaptation with parallel data, adversarial teacher-student learning is proposed to suppress multiple factors of condition variability in the procedure of knowledge transfer from a well-trained source domain LSTM acoustic model to the target domain. (3) To further improve the adversarial learning for unsupervised adaptation with unparallel data, domain separation networks are used to enhance the domain-invariance of the senone-discriminative deep representation by explicitly modeling the private component that is unique to each domain. (4) To achieve robust far-field ASR, an LSTM adaptive beamforming network is proposed to estimate the real-time beamforming filter coefficients to cope with non-stationary environmental noise and dynamic nature of source and microphones positions.Ph.D

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

Single-Microphone Speech Enhancement and Separation Using Deep Learning

The cocktail party problem comprises the challenging task of understanding a speech signal in a complex acoustic environment, where multiple speakers and background noise signals simultaneously interfere with the speech signal of interest. A signal processing algorithm that can effectively increase the speech intelligibility and quality of speech signals in such complicated acoustic situations is highly desirable. Especially for applications involving mobile communication devices and hearing assistive devices. Due to the re-emergence of machine learning techniques, today, known as deep learning, the challenges involved with such algorithms might be overcome. In this PhD thesis, we study and develop deep learning-based techniques for two sub-disciplines of the cocktail party problem: single-microphone speech enhancement and single-microphone multi-talker speech separation. Specifically, we conduct in-depth empirical analysis of the generalizability capability of modern deep learning-based single-microphone speech enhancement algorithms. We show that performance of such algorithms is closely linked to the training data, and good generalizability can be achieved with carefully designed training data. Furthermore, we propose uPIT, a deep learning-based algorithm for single-microphone speech separation and we report state-of-the-art results on a speaker-independent multi-talker speech separation task. Additionally, we show that uPIT works well for joint speech separation and enhancement without explicit prior knowledge about the noise type or number of speakers. Finally, we show that deep learning-based speech enhancement algorithms designed to minimize the classical short-time spectral amplitude mean squared error leads to enhanced speech signals which are essentially optimal in terms of STOI, a state-of-the-art speech intelligibility estimator.Comment: PhD Thesis. 233 page