Evaluation of innovative computer-assisted transcription and translation strategies for video lecture repositories

Nowadays, the technology enhanced learning area has experienced a strong growth with many new learning approaches like blended learning, flip teaching, massive open online courses, and open educational resources to complement face-to-face lectures. Specifically, video lectures are fast becoming an everyday educational resource in higher education for all of these new learning approaches, and they are being incorporated into existing university curricula around the world. Transcriptions and translations can improve the utility of these audiovisual assets, but rarely are present due to a lack of cost-effective solutions to do so. Lecture searchability, accessibility to people with impairments, translatability for foreign students, plagiarism detection, content recommendation, note-taking, and discovery of content-related videos are examples of advantages of the presence of transcriptions. For this reason, the aim of this thesis is to test in real-life case studies ways to obtain multilingual captions for video lectures in a cost-effective way by using state-of-the-art automatic speech recognition and machine translation techniques. Also, we explore interaction protocols to review these automatic transcriptions and translations, because unfortunately automatic subtitles are not error-free. In addition, we take a step further into multilingualism by extending our findings and evaluation to several languages. Finally, the outcomes of this thesis have been applied to thousands of video lectures in European universities and institutions.Hoy en día, el área del aprendizaje mejorado por la tecnología ha experimentado un fuerte crecimiento con muchos nuevos enfoques de aprendizaje como el aprendizaje combinado, la clase inversa, los cursos masivos abiertos en línea, y nuevos recursos educativos abiertos para complementar las clases presenciales. En concreto, los videos docentes se están convirtiendo rápidamente en un recurso educativo cotidiano en la educación superior para todos estos nuevos enfoques de aprendizaje, y se están incorporando a los planes de estudios universitarios existentes en todo el mundo. Las transcripciones y las traducciones pueden mejorar la utilidad de estos recursos audiovisuales, pero rara vez están presentes debido a la falta de soluciones rentables para hacerlo. La búsqueda de y en los videos, la accesibilidad a personas con impedimentos, la traducción para estudiantes extranjeros, la detección de plagios, la recomendación de contenido, la toma de notas y el descubrimiento de videos relacionados son ejemplos de las ventajas de la presencia de transcripciones. Por esta razón, el objetivo de esta tesis es probar en casos de estudio de la vida real las formas de obtener subtítulos multilingües para videos docentes de una manera rentable, mediante el uso de técnicas avanzadas de reconocimiento automático de voz y de traducción automática. Además, exploramos diferentes modelos de interacción para revisar estas transcripciones y traducciones automáticas, pues desafortunadamente los subtítulos automáticos no están libres de errores. Además, damos un paso más en el multilingüismo extendiendo nuestros hallazgos y evaluaciones a muchos idiomas. Por último, destacar que los resultados de esta tesis se han aplicado a miles de vídeos docentes en universidades e instituciones europeas.Hui en dia, l'àrea d'aprenentatge millorat per la tecnologia ha experimentat un fort creixement, amb molts nous enfocaments d'aprenentatge com l'aprenentatge combinat, la classe inversa, els cursos massius oberts en línia i nous recursos educatius oberts per tal de complementar les classes presencials. En concret, els vídeos docents s'estan convertint ràpidament en un recurs educatiu quotidià en l'educació superior per a tots aquests nous enfocaments d'aprenentatge i estan incorporant-se als plans d'estudi universitari existents arreu del món. Les transcripcions i les traduccions poden millorar la utilitat d'aquests recursos audiovisuals, però rara vegada estan presents a causa de la falta de solucions rendibles per fer-ho. La cerca de i als vídeos, l'accessibilitat a persones amb impediments, la traducció per estudiants estrangers, la detecció de plagi, la recomanació de contingut, la presa de notes i el descobriment de vídeos relacionats són un exemple dels avantatges de la presència de transcripcions. Per aquesta raó, l'objectiu d'aquesta tesi és provar en casos d'estudi de la vida real les formes d'obtenir subtítols multilingües per a vídeos docents d'una manera rendible, mitjançant l'ús de tècniques avançades de reconeixement automàtic de veu i de traducció automàtica. A més a més, s'exploren diferents models d'interacció per a revisar aquestes transcripcions i traduccions automàtiques, puix malauradament els subtítols automàtics no estan lliures d'errades. A més, es fa un pas més en el multilingüisme estenent els nostres descobriments i avaluacions a molts idiomes. Per últim, destacar que els resultats d'aquesta tesi s'han aplicat a milers de vídeos docents en universitats i institucions europees.Valor Miró, JD. (2017). Evaluation of innovative computer-assisted transcription and translation strategies for video lecture repositories [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90496TESI

Speech technologies for the audiovisual and multimedia interaction environments

361 p

CONTRIBUTIONS TO EFFICIENT AUTOMATIC TRANSCRIPTION OF VIDEO LECTURES

Tesis por compendio[ES] Durante los últimos años, los repositorios multimedia en línea se han convertido en fuentes clave de conocimiento gracias al auge de Internet, especialmente en el área de la educación. Instituciones educativas de todo el mundo han dedicado muchos recursos en la búsqueda de nuevos métodos de enseñanza, tanto para mejorar la asimilación de nuevos conocimientos, como para poder llegar a una audiencia más amplia. Como resultado, hoy en día disponemos de diferentes repositorios con clases grabadas que siven como herramientas complementarias en la enseñanza, o incluso pueden asentar una nueva base en la enseñanza a distancia. Sin embargo, deben cumplir con una serie de requisitos para que la experiencia sea totalmente satisfactoria y es aquí donde la transcripción de los materiales juega un papel fundamental. La transcripción posibilita una búsqueda precisa de los materiales en los que el alumno está interesado, se abre la puerta a la traducción automática, a funciones de recomendación, a la generación de resumenes de las charlas y además, el poder hacer llegar el contenido a personas con discapacidades auditivas. No obstante, la generación de estas transcripciones puede resultar muy costosa. Con todo esto en mente, la presente tesis tiene como objetivo proporcionar nuevas herramientas y técnicas que faciliten la transcripción de estos repositorios. En particular, abordamos el desarrollo de un conjunto de herramientas de reconocimiento de automático del habla, con énfasis en las técnicas de aprendizaje profundo que contribuyen a proporcionar transcripciones precisas en casos de estudio reales. Además, se presentan diferentes participaciones en competiciones internacionales donde se demuestra la competitividad del software comparada con otras soluciones. Por otra parte, en aras de mejorar los sistemas de reconocimiento, se propone una nueva técnica de adaptación de estos sistemas al interlocutor basada en el uso Medidas de Confianza. Esto además motivó el desarrollo de técnicas para la mejora en la estimación de este tipo de medidas por medio de Redes Neuronales Recurrentes. Todas las contribuciones presentadas se han probado en diferentes repositorios educativos. De hecho, el toolkit transLectures-UPV es parte de un conjunto de herramientas que sirve para generar transcripciones de clases en diferentes universidades e instituciones españolas y europeas.[CA] Durant els últims anys, els repositoris multimèdia en línia s'han convertit en fonts clau de coneixement gràcies a l'expansió d'Internet, especialment en l'àrea de l'educació. Institucions educatives de tot el món han dedicat molts recursos en la recerca de nous mètodes d'ensenyament, tant per millorar l'assimilació de nous coneixements, com per poder arribar a una audiència més àmplia. Com a resultat, avui dia disposem de diferents repositoris amb classes gravades que serveixen com a eines complementàries en l'ensenyament, o fins i tot poden assentar una nova base a l'ensenyament a distància. No obstant això, han de complir amb una sèrie de requisits perquè la experiència siga totalment satisfactòria i és ací on la transcripció dels materials juga un paper fonamental. La transcripció possibilita una recerca precisa dels materials en els quals l'alumne està interessat, s'obri la porta a la traducció automàtica, a funcions de recomanació, a la generació de resums de les xerrades i el poder fer arribar el contingut a persones amb discapacitats auditives. No obstant, la generació d'aquestes transcripcions pot resultar molt costosa. Amb això en ment, la present tesi té com a objectiu proporcionar noves eines i tècniques que faciliten la transcripció d'aquests repositoris. En particular, abordem el desenvolupament d'un conjunt d'eines de reconeixement automàtic de la parla, amb èmfasi en les tècniques d'aprenentatge profund que contribueixen a proporcionar transcripcions precises en casos d'estudi reals. A més, es presenten diferents participacions en competicions internacionals on es demostra la competitivitat del programari comparada amb altres solucions. D'altra banda, per tal de millorar els sistemes de reconeixement, es proposa una nova tècnica d'adaptació d'aquests sistemes a l'interlocutor basada en l'ús de Mesures de Confiança. A més, això va motivar el desenvolupament de tècniques per a la millora en l'estimació d'aquest tipus de mesures per mitjà de Xarxes Neuronals Recurrents. Totes les contribucions presentades s'han provat en diferents repositoris educatius. De fet, el toolkit transLectures-UPV és part d'un conjunt d'eines que serveix per generar transcripcions de classes en diferents universitats i institucions espanyoles i europees.[EN] During the last years, on-line multimedia repositories have become key knowledge assets thanks to the rise of Internet and especially in the area of education. Educational institutions around the world have devoted big efforts to explore different teaching methods, to improve the transmission of knowledge and to reach a wider audience. As a result, online video lecture repositories are now available and serve as complementary tools that can boost the learning experience to better assimilate new concepts. In order to guarantee the success of these repositories the transcription of each lecture plays a very important role because it constitutes the first step towards the availability of many other features. This transcription allows the searchability of learning materials, enables the translation into another languages, provides recommendation functions, gives the possibility to provide content summaries, guarantees the access to people with hearing disabilities, etc. However, the transcription of these videos is expensive in terms of time and human cost. To this purpose, this thesis aims at providing new tools and techniques that ease the transcription of these repositories. In particular, we address the development of a complete Automatic Speech Recognition Toolkit with an special focus on the Deep Learning techniques that contribute to provide accurate transcriptions in real-world scenarios. This toolkit is tested against many other in different international competitions showing comparable transcription quality. Moreover, a new technique to improve the recognition accuracy has been proposed which makes use of Confidence Measures, and constitutes the spark that motivated the proposal of new Confidence Measures techniques that helped to further improve the transcription quality. To this end, a new speaker-adapted confidence measure approach was proposed for models based on Recurrent Neural Networks. The contributions proposed herein have been tested in real-life scenarios in different educational repositories. In fact, the transLectures-UPV toolkit is part of a set of tools for providing video lecture transcriptions in many different Spanish and European universities and institutions.Agua Teba, MÁD. (2019). CONTRIBUTIONS TO EFFICIENT AUTOMATIC TRANSCRIPTION OF VIDEO LECTURES [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/130198TESISCompendi

Multilingual audio information management system based on semantic knowledge in complex environments

This paper proposes a multilingual audio information management system based on semantic knowledge in complex environments. The complex environment is defined by the limited resources (financial, material, human, and audio resources); the poor quality of the audio signal taken from an internet radio channel; the multilingual context (Spanish, French, and Basque that is in under-resourced situation in some areas); and the regular appearance of cross-lingual elements between the three languages. In addition to this, the system is also constrained by the requirements of the local multilingual industrial sector. We present the first evolutionary system based on a scalable architecture that is able to fulfill these specifications with automatic adaptation based on automatic semantic speech recognition, folksonomies, automatic configuration selection, machine learning, neural computing methodologies, and collaborative networks. As a result, it can be said that the initial goals have been accomplished and the usability of the final application has been tested successfully, even with non-experienced users.This work is being funded by Grants: TEC201677791-C4 from Plan Nacional de I + D + i, Ministry of Economic Affairs and Competitiveness of Spain and from the DomusVi Foundation Kms para recorder, the Basque Government (ELKARTEK KK-2018/00114, GEJ IT1189-19, the Government of Gipuzkoa (DG18/14 DG17/16), UPV/EHU (GIU19/090), COST ACTION (CA18106, CA15225)

Adding expressiveness to unit selection speech synthesis and to numerical voice production

La parla és una de les formes de comunicació més naturals i directes entre éssers humans, ja que codifica un missatge i també claus paralingüístiques sobre l’estat emocional del locutor, el to o la seva intenció, esdevenint així fonamental en la consecució d’una interacció humà-màquina (HCI) més natural. En aquest context, la generació de parla expressiva pel canal de sortida d’HCI és un element clau en el desenvolupament de tecnologies assistencials o assistents personals entre altres aplicacions. La parla sintètica pot ser generada a partir de parla enregistrada utilitzant mètodes basats en corpus com la selecció d’unitats (US), que poden aconseguir resultats d’alta qualitat però d’expressivitat restringida a la pròpia del corpus. A fi de millorar la qualitat de la sortida de la síntesi, la tendència actual és construir bases de dades de veu cada cop més grans, seguint especialment l’aproximació de síntesi anomenada End-to-End basada en tècniques d’aprenentatge profund. Tanmateix, enregistrar corpus ad-hoc per cada estil expressiu desitjat pot ser extremadament costós o fins i tot inviable si el locutor no és capaç de realitzar adequadament els estils requerits per a una aplicació donada (ex: cant en el domini de la narració de contes). Alternativament, nous mètodes basats en la física de la producció de veu s’han desenvolupat a la darrera dècada gràcies a l’increment en la potència computacional. Per exemple, vocals o diftongs poden ser obtinguts utilitzant el mètode d’elements finits (FEM) per simular la propagació d’ones acústiques a través d’una geometria 3D realista del tracte vocal obtinguda a partir de ressonàncies magnètiques (MRI). Tanmateix, atès que els principals esforços en aquests mètodes de producció numèrica de veu s’han focalitzat en la millora del modelat del procés de generació de veu, fins ara s’ha prestat poca atenció a la seva expressivitat. A més, la col·lecció de dades per aquestes simulacions és molt costosa, a més de requerir un llarg postprocessament manual com el necessari per extreure geometries 3D del tracte vocal a partir de MRI. L’objectiu de la tesi és afegir expressivitat en un sistema que genera veu neutra, sense haver d’adquirir dades expressives del locutor original. Per un costat, s’afegeixen capacitats expressives a un sistema de conversió de text a parla basat en selecció d’unitats (US-TTS) dotat d’un corpus de veu neutra, per adreçar necessitats específiques i concretes en l’àmbit de la narració de contes, com són la veu cantada o situacions de suspens. A tal efecte, la veu és parametritzada utilitzant un model harmònic i transformada a l’estil expressiu desitjat d’acord amb un sistema expert. Es presenta una primera aproximació, centrada en la síntesi de suspens creixent per a la narració de contes, i es demostra la seva viabilitat pel que fa a naturalitat i qualitat de narració de contes. També s’afegeixen capacitats de cant al sistema US-TTS mitjançant la integració de mòduls de transformació de parla a veu cantada en el pipeline del TTS, i la incorporació d’un mòdul de generació de prosòdia expressiva que permet al mòdul de US seleccionar unitats més properes a la prosòdia cantada obtinguda a partir de la partitura d’entrada. Això resulta en un framework de síntesi de conversió de text a parla i veu cantada basat en selecció d’unitats (US-TTS&S) que pot generar veu parlada i cantada a partir d'un petit corpus de veu neutra (~2.6h). D’acord amb els resultats objectius, l’estratègia de US guiada per la partitura permet reduir els factors de modificació de pitch requerits per produir veu cantada a partir de les unitats de veu parlada seleccionades, però en canvi té una efectivitat limitada amb els factors de modificació de les durades degut a la curta durada de les vocals parlades neutres. Els resultats dels tests perceptius mostren que tot i òbviament obtenir una naturalitat inferior a la oferta per un sintetitzador professional de veu cantada, el framework pot adreçar necessitats puntuals de veu cantada per a la síntesis de narració de contes amb una qualitat raonable. La incorporació d’expressivitat s’investiga també en la simulació numèrica 3D de vocals basada en FEM mitjançant modificacions de les senyals d’excitació glotal utilitzant una aproximació font-filtre de producció de veu. Aquestes senyals es generen utilitzant un model Liljencrants-Fant (LF) controlat amb el paràmetre de forma del pols Rd, que permet explorar el continu de fonació lax-tens a més del rang de freqüències fonamentals, F0, de la veu parlada. S’analitza la contribució de la font glotal als modes d’alt ordre en la síntesis FEM de les vocals cardinals [a], [i] i [u] mitjançant la comparació dels valors d’energia d’alta freqüència (HFE) obtinguts amb geometries realistes i simplificades del tracte vocal. Les simulacions indiquen que els modes d’alt ordre es preveuen perceptivament rellevants d’acord amb valors de referència de la literatura, particularment per a fonacions tenses i/o F0s altes. En canvi, per a vocals amb una fonació laxa i/o F0s baixes els nivells d’HFE poden resultar inaudibles, especialment si no hi ha soroll d’aspiració en la font glotal. Després d’aquest estudi preliminar, s’han analitzat les característiques d’excitació de vocals alegres i agressives d’un corpus paral·lel de veu en castellà amb l’objectiu d’incorporar aquests estils expressius de veu tensa en la simulació numèrica de veu. Per a tal efecte, s’ha usat el vocoder GlottDNN per analitzar variacions d’F0 i pendent espectral relacionades amb l’excitació glotal en vocals [a]. Aquestes variacions es mapegen mitjançant la comparació amb vocals sintètiques en valors d’F0 i Rd per simular vocals que s’assemblin als estils alegre i agressiu. Els resultats mostren que és necessari incrementar l’F0 i disminuir l’Rd respecte la veu neutra, amb variacions majors per a alegre que per agressiu, especialment per a vocals accentuades. Els resultats aconseguits en les investigacions realitzades validen la possibilitat d’afegir expressivitat a la síntesi basada en corpus US-TTS i a la simulació numèrica de veu basada en FEM. Tanmateix, encara hi ha marge de millora. Per exemple, l’estratègia aplicada a la producció numèrica de veu es podria millorar estudiant i desenvolupant mètodes de filtratge invers així com incorporant modificacions del tracte vocal, mentre que el framework US-TTS&S es podria beneficiar dels avenços en tècniques de transformació de veu incloent transformacions de la qualitat de veu, aprofitant l’experiència adquirida en la simulació numèrica de vocals expressives.El habla es una de las formas de comunicación más naturales y directas entre seres humanos, ya que codifica un mensaje y también claves paralingüísticas sobre el estado emocional del locutor, el tono o su intención, convirtiéndose así en fundamental en la consecución de una interacción humano-máquina (HCI) más natural. En este contexto, la generación de habla expresiva para el canal de salida de HCI es un elemento clave en el desarrollo de tecnologías asistenciales o asistentes personales entre otras aplicaciones. El habla sintética puede ser generada a partir de habla gravada utilizando métodos basados en corpus como la selección de unidades (US), que pueden conseguir resultados de alta calidad, pero de expresividad restringida a la propia del corpus. A fin de mejorar la calidad de la salida de la síntesis, la tendencia actual es construir bases de datos de voz cada vez más grandes, siguiendo especialmente la aproximación de síntesis llamada End-to-End basada en técnicas de aprendizaje profundo. Sin embargo, gravar corpus ad-hoc para cada estilo expresivo deseado puede ser extremadamente costoso o incluso inviable si el locutor no es capaz de realizar adecuadamente los estilos requeridos para una aplicación dada (ej: canto en el dominio de la narración de cuentos). Alternativamente, nuevos métodos basados en la física de la producción de voz se han desarrollado en la última década gracias al incremento en la potencia computacional. Por ejemplo, vocales o diptongos pueden ser obtenidos utilizando el método de elementos finitos (FEM) para simular la propagación de ondas acústicas a través de una geometría 3D realista del tracto vocal obtenida a partir de resonancias magnéticas (MRI). Sin embargo, dado que los principales esfuerzos en estos métodos de producción numérica de voz se han focalizado en la mejora del modelado del proceso de generación de voz, hasta ahora se ha prestado poca atención a su expresividad. Además, la colección de datos para estas simulaciones es muy costosa, además de requerir un largo postproceso manual como el necesario para extraer geometrías 3D del tracto vocal a partir de MRI. El objetivo de la tesis es añadir expresividad en un sistema que genera voz neutra, sin tener que adquirir datos expresivos del locutor original. Per un lado, se añaden capacidades expresivas a un sistema de conversión de texto a habla basado en selección de unidades (US-TTS) dotado de un corpus de voz neutra, para abordar necesidades específicas y concretas en el ámbito de la narración de cuentos, como son la voz cantada o situaciones de suspense. Para ello, la voz se parametriza utilizando un modelo harmónico y se transforma al estilo expresivo deseado de acuerdo con un sistema experto. Se presenta una primera aproximación, centrada en la síntesis de suspense creciente para la narración de cuentos, y se demuestra su viabilidad en cuanto a naturalidad y calidad de narración de cuentos. También se añaden capacidades de canto al sistema US-TTS mediante la integración de módulos de transformación de habla a voz cantada en el pipeline del TTS, y la incorporación de un módulo de generación de prosodia expresiva que permite al módulo de US seleccionar unidades más cercanas a la prosodia cantada obtenida a partir de la partitura de entrada. Esto resulta en un framework de síntesis de conversión de texto a habla y voz cantada basado en selección de unidades (US-TTS&S) que puede generar voz hablada y cantada a partir del mismo pequeño corpus de voz neutra (~2.6h). De acuerdo con los resultados objetivos, la estrategia de US guiada por la partitura permite reducir los factores de modificación de pitch requeridos para producir voz cantada a partir de las unidades de voz hablada seleccionadas, pero en cambio tiene una efectividad limitada con los factores de modificación de duraciones debido a la corta duración de las vocales habladas neutras. Los resultados de las pruebas perceptivas muestran que, a pesar de obtener una naturalidad obviamente inferior a la ofrecida por un sintetizador profesional de voz cantada, el framework puede abordar necesidades puntuales de voz cantada para la síntesis de narración de cuentos con una calidad razonable. La incorporación de expresividad se investiga también en la simulación numérica 3D de vocales basada en FEM mediante modificaciones en las señales de excitación glotal utilizando una aproximación fuente-filtro de producción de voz. Estas señales se generan utilizando un modelo Liljencrants-Fant (LF) controlado con el parámetro de forma del pulso Rd, que permite explorar el continuo de fonación laxo-tenso además del rango de frecuencias fundamentales, F0, de la voz hablada. Se analiza la contribución de la fuente glotal a los modos de alto orden en la síntesis FEM de las vocales cardinales [a], [i] y [u] mediante la comparación de los valores de energía de alta frecuencia (HFE) obtenidos con geometrías realistas y simplificadas del tracto vocal. Las simulaciones indican que los modos de alto orden se prevén perceptivamente relevantes de acuerdo con valores de referencia de la literatura, particularmente para fonaciones tensas y/o F0s altas. En cambio, para vocales con una fonación laxa y/o F0s bajas los niveles de HFE pueden resultar inaudibles, especialmente si no hay ruido de aspiración en la fuente glotal. Después de este estudio preliminar, se han analizado las características de excitación de vocales alegres y agresivas de un corpus paralelo de voz en castellano con el objetivo de incorporar estos estilos expresivos de voz tensa en la simulación numérica de voz. Para ello, se ha usado el vocoder GlottDNN para analizar variaciones de F0 y pendiente espectral relacionadas con la excitación glotal en vocales [a]. Estas variaciones se mapean mediante la comparación con vocales sintéticas en valores de F0 y Rd para simular vocales que se asemejen a los estilos alegre y agresivo. Los resultados muestran que es necesario incrementar la F0 y disminuir la Rd respecto la voz neutra, con variaciones mayores para alegre que para agresivo, especialmente para vocales acentuadas. Los resultados conseguidos en las investigaciones realizadas validan la posibilidad de añadir expresividad a la síntesis basada en corpus US-TTS y a la simulación numérica de voz basada en FEM. Sin embargo, hay margen de mejora. Por ejemplo, la estrategia aplicada a la producción numérica de voz se podría mejorar estudiando y desarrollando métodos de filtrado inverso, así como incorporando modificaciones del tracto vocal, mientras que el framework US-TTS&S desarrollado se podría beneficiar de los avances en técnicas de transformación de voz incluyendo transformaciones de la calidad de la voz, aprovechando la experiencia adquirida en la simulación numérica de vocales expresivas.Speech is one of the most natural and direct forms of communication between human beings, as it codifies both a message and paralinguistic cues about the emotional state of the speaker, its mood, or its intention, thus becoming instrumental in pursuing a more natural Human Computer Interaction (HCI). In this context, the generation of expressive speech for the HCI output channel is a key element in the development of assistive technologies or personal assistants among other applications. Synthetic speech can be generated from recorded speech using corpus-based methods such as Unit-Selection (US), which can achieve high quality results but whose expressiveness is restricted to that available in the speech corpus. In order to improve the quality of the synthesis output, the current trend is to build ever larger speech databases, especially following the so-called End-to-End synthesis approach based on deep learning techniques. However, recording ad-hoc corpora for each and every desired expressive style can be extremely costly, or even unfeasible if the speaker is unable to properly perform the styles required for a given application (e.g., singing in the storytelling domain). Alternatively, new methods based on the physics of voice production have been developed in the last decade thanks to the increase in computing power. For instance, vowels or diphthongs can be obtained using the Finite Element Method (FEM) to simulate the propagation of acoustic waves through a 3D realistic vocal tract geometry obtained from Magnetic Resonance Imaging (MRI). However, since the main efforts in these numerical voice production methods have been focused on improving the modelling of the voice generation process, little attention has been paid to its expressiveness up to now. Furthermore, the collection of data for such simulations is very costly, besides requiring manual time-consuming postprocessing like that needed to extract 3D vocal tract geometries from MRI. The aim of the thesis is to add expressiveness into a system that generates neutral voice, without having to acquire expressive data from the original speaker. One the one hand, expressive capabilities are added to a Unit-Selection Text-to-Speech (US-TTS) system fed with a neutral speech corpus, to address specific and timely needs in the storytelling domain, such as for singing or in suspenseful situations. To this end, speech is parameterised using a harmonic-based model and subsequently transformed to the target expressive style according to an expert system. A first approach dealing with the synthesis of storytelling increasing suspense shows the viability of the proposal in terms of naturalness and storytelling quality. Singing capabilities are also added to the US-TTS system through the integration of Speech-to-Singing (STS) transformation modules into the TTS pipeline, and by incorporating an expressive prosody generation module that allows the US to select units closer to the target singing prosody obtained from the input score. This results in a Unit Selection based Text-to-Speech-and-Singing (US-TTS&S) synthesis framework that can generate both speech and singing from the same neutral speech small corpus (~2.6 h). According to the objective results, the score-driven US strategy can reduce the pitch scaling factors required to produce singing from the selected spoken units, but its effectiveness is limited regarding the time-scale requirements due to the short duration of the spoken vowels. Results from the perceptual tests show that although the obtained naturalness is obviously far from that given by a professional singing synthesiser, the framework can address eventual singing needs for synthetic storytelling with a reasonable quality. The incorporation of expressiveness is also investigated in the 3D FEM-based numerical simulation of vowels through modifications of the glottal flow signals following a source-filter approach of voice production. These signals are generated using a Liljencrants-Fant (LF) model controlled with the glottal shape parameter Rd, which allows exploring the tense-lax continuum of phonation besides the spoken vocal range of fundamental frequency values, F0. The contribution of the glottal source to higher order modes in the FEM synthesis of cardinal vowels [a], [i] and [u] is analysed through the comparison of the High Frequency Energy (HFE) values obtained with realistic and simplified 3D geometries of the vocal tract. The simulations indicate that higher order modes are expected to be perceptually relevant according to reference values stated in the literature, particularly for tense phonations and/or high F0s. Conversely, vowels with a lax phonation and/or low F0s can result in inaudible HFE levels, especially if aspiration noise is not present in the glottal source. After this preliminary study, the excitation characteristics of happy and aggressive vowels from a Spanish parallel speech corpus are analysed with the aim of incorporating this tense voice expressive styles into the numerical production of voice. To that effect, the GlottDNN vocoder is used to analyse F0 and spectral tilt variations associated with the glottal excitation on vowels [a]. These variations are mapped through the comparison with synthetic vowels into F0 and Rd values to simulate vowels resembling happy and aggressive styles. Results show that it is necessary to increase F0 and decrease Rd with respect to neutral speech, with larger variations for happy than aggressive style, especially for the stressed [a] vowels. The results achieved in the conducted investigations validate the possibility of adding expressiveness to both corpus-based US-TTS synthesis and FEM-based numerical simulation of voice. Nevertheless, there is still room for improvement. For instance, the strategy applied to the numerical voice production could be improved by studying and developing inverse filtering approaches as well as incorporating modifications of the vocal tract, whereas the developed US-TTS&S framework could benefit from advances in voice transformation techniques including voice quality modifications, taking advantage of the experience gained in the numerical simulation of expressive vowels

Transformer Models for Machine Translation and Streaming Automatic Speech Recognition

[ES] El procesamiento del lenguaje natural (NLP) es un conjunto de problemas computacionales con aplicaciones de máxima relevancia, que junto con otras tecnologías informáticas se ha beneficiado de la revolución que ha significado el aprendizaje profundo. Esta tesis se centra en dos problemas fundamentales para el NLP: la traducción automática (MT) y el reconocimiento automático del habla o transcripción automática (ASR); así como en una arquitectura neuronal profunda, el Transformer, que pondremos en práctica para mejorar las soluciones de MT y ASR en algunas de sus aplicaciones. El ASR y MT pueden servir para obtener textos multilingües de alta calidad a un coste razonable para una diversidad de contenidos audiovisuales. Concre- tamente, esta tesis aborda problemas como el de traducción de noticias o el de subtitulación automática de televisión. El ASR y MT también se pueden com- binar entre sí, generando automáticamente subtítulos traducidos, o con otras soluciones de NLP: resumen de textos para producir resúmenes de discursos, o síntesis del habla para crear doblajes automáticos. Estas aplicaciones quedan fuera del alcance de esta tesis pero pueden aprovechar las contribuciones que contiene, en la meduda que ayudan a mejorar el rendimiento de los sistemas automáticos de los que dependen. Esta tesis contiene una aplicación de la arquitectura Transformer al MT tal y como fue concebida, mediante la que obtenemos resultados de primer nivel en traducción de lenguas semejantes. En capítulos subsecuentes, esta tesis aborda la adaptación del Transformer como modelo de lenguaje para sistemas híbri- dos de ASR en vivo. Posteriormente, describe la aplicación de este tipus de sistemas al caso de uso de subtitulación de televisión, participando en una com- petición pública de RTVE donde obtenemos la primera posición con un marge importante. También demostramos que la mejora se debe principalmenta a la tecnología desarrollada y no tanto a la parte de los datos.[CA] El processament del llenguage natural (NLP) és un conjunt de problemes com- putacionals amb aplicacions de màxima rellevància, que juntament amb al- tres tecnologies informàtiques s'ha beneficiat de la revolució que ha significat l'impacte de l'aprenentatge profund. Aquesta tesi se centra en dos problemes fonamentals per al NLP: la traducció automàtica (MT) i el reconeixement automàtic de la parla o transcripció automàtica (ASR); així com en una ar- quitectura neuronal profunda, el Transformer, que posarem en pràctica per a millorar les solucions de MT i ASR en algunes de les seues aplicacions. l'ASR i MT poden servir per obtindre textos multilingües d'alta qualitat a un cost raonable per a un gran ventall de continguts audiovisuals. Concretament, aquesta tesi aborda problemes com el de traducció de notícies o el de subtitu- lació automàtica de televisió. l'ASR i MT també es poden combinar entre ells, generant automàticament subtítols traduïts, o amb altres solucions de NLP: amb resum de textos per produir resums de discursos, o amb síntesi de la parla per crear doblatges automàtics. Aquestes altres aplicacions es troben fora de l'abast d'aquesta tesi però poden aprofitar les contribucions que conté, en la mesura que ajuden a millorar els resultats dels sistemes automàtics dels quals depenen. Aquesta tesi conté una aplicació de l'arquitectura Transformer al MT tal com va ser concebuda, mitjançant la qual obtenim resultats de primer nivell en traducció de llengües semblants. En capítols subseqüents, aquesta tesi aborda l'adaptació del Transformer com a model de llenguatge per a sistemes híbrids d'ASR en viu. Posteriorment, descriu l'aplicació d'aquest tipus de sistemes al cas d'ús de subtitulació de continguts televisius, participant en una competició pública de RTVE on obtenim la primera posició amb un marge significant. També demostrem que la millora es deu principalment a la tecnologia desen- volupada i no tant a la part de les dades[EN] Natural language processing (NLP) is a set of fundamental computing prob- lems with immense applicability, as language is the natural communication vehicle for people. NLP, along with many other computer technologies, has been revolutionized in recent years by the impact of deep learning. This thesis is centered around two keystone problems for NLP: machine translation (MT) and automatic speech recognition (ASR); and a common deep neural architec- ture, the Transformer, that is leveraged to improve the technical solutions for some MT and ASR applications. ASR and MT can be utilized to produce cost-effective, high-quality multilin- gual texts for a wide array of media. Particular applications pursued in this thesis are that of news translation or that of automatic live captioning of tele- vision broadcasts. ASR and MT can also be combined with each other, for instance generating automatic translated subtitles from audio, or augmented with other NLP solutions: text summarization to produce a summary of a speech, or speech synthesis to create an automatic translated dubbing, for in- stance. These other applications fall out of the scope of this thesis, but can profit from the contributions that it contains, as they help to improve the performance of the automatic systems on which they depend. This thesis contains an application of the Transformer architecture to MT as it was originally conceived, achieving state-of-the-art results in similar language translation. In successive chapters, this thesis covers the adaptation of the Transformer as a language model for streaming hybrid ASR systems. After- wards, it describes how we applied the developed technology for a specific use case in television captioning by participating in a competitive challenge and achieving the first position by a large margin. We also show that the gains came mostly from the improvement in technology capabilities over two years including that of the Transformer language model adapted for streaming, and the data component was minor.Baquero Arnal, P. (2023). Transformer Models for Machine Translation and Streaming Automatic Speech Recognition [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/19368

Building and Designing Expressive Speech Synthesis

We know there is something special about speech. Our voices are not just a means of communicating. They also give a deep impression of who we are and what we might know. They can betray our upbringing, our emotional state, our state of health. They can be used to persuade and convince, to calm and to excite. As speech systems enter the social domain they are required to interact, support and mediate our social relationships with 1) each other, 2) with digital information, and, increasingly, 3) with AI-based algorithms and processes. Socially Interactive Agents (SIAs) are at the fore- front of research and innovation in this area. There is an assumption that in the future “spoken language will provide a natural conversational interface between human beings and so-called intelligent systems.” [Moore 2017, p. 283]. A considerable amount of previous research work has tested this assumption with mixed results. However, as pointed out “voice interfaces have become notorious for fostering frustration and failure” [Nass and Brave 2005, p.6]. It is within this context, between our exceptional and intelligent human use of speech to communicate and interact with other humans, and our desire to leverage this means of communication for artificial systems, that the technology, often termed expressive speech synthesis uncomfortably falls. Uncomfortably, because it is often overshadowed by issues in interactivity and the underlying intelligence of the system which is something that emerges from the interaction of many of the components in a SIA. This is especially true of what we might term conversational speech, where decoupling how things are spoken, from when and to whom they are spoken, can seem an impossible task. This is an even greater challenge in evaluation and in characterising full systems which have made use of expressive speech. Furthermore when designing an interaction with a SIA, we must not only consider how SIAs should speak but how much, and whether they should even speak at all. These considerations cannot be ignored. Any speech synthesis that is used in the context of an artificial agent will have a perceived accent, a vocal style, an underlying emotion and an intonational model. Dimensions like accent and personality (cross speaker parameters) as well as vocal style, emotion and intonation during an interaction (within-speaker parameters) need to be built in the design of a synthetic voice. Even a default or neutral voice has to consider these same expressive speech synthesis components. Such design parameters have a strong influence on how effectively a system will interact, how it is perceived and its assumed ability to perform a task or function. To ignore these is to blindly accept a set of design decisions that ignores the complex effect speech has on the user’s successful interaction with a system. Thus expressive speech synthesis is a key design component in SIAs. This chapter explores the world of expressive speech synthesis, aiming to act as a starting point for those interested in the design, building and evaluation of such artificial speech. The debates and literature within this topic are vast and are fundamentally multidisciplinary in focus, covering a wide range of disciplines such as linguistics, pragmatics, psychology, speech and language technology, robotics and human-computer interaction (HCI), to name a few. It is not our aim to synthesise these areas but to give a scaffold and a starting point for the reader by exploring the critical dimensions and decisions they may need to consider when choosing to use expressive speech. To do this, the chapter explores the building of expressive synthesis, highlighting key decisions and parameters as well as emphasising future challenges in expressive speech research and development. Yet, before these are expanded upon we must first try and define what we actually mean by expressive speech