Adversarial Training for Multi-Channel Sign Language Production

Sign Languages are rich multi-channel languages, requiring articulation of both manual (hands) and non-manual (face and body) features in a precise, intricate manner. Sign Language Production (SLP), the automatic translation from spoken to sign languages, must embody this full sign morphology to be truly understandable by the Deaf community. Previous work has mainly focused on manual feature production, with an under-articulated output caused by regression to the mean. In this paper, we propose an Adversarial Multi-Channel approach to SLP. We frame sign production as a minimax game between a transformer-based Generator and a conditional Discriminator. Our adversarial discriminator evaluates the realism of sign production conditioned on the source text, pushing the generator towards a realistic and articulate output. Additionally, we fully encapsulate sign articulators with the inclusion of non-manual features, producing facial features and mouthing patterns. We evaluate on the challenging RWTH-PHOENIX-Weather-2014T (PHOENIX14T) dataset, and report state-of-the art SLP back-translation performance for manual production. We set new benchmarks for the production of multi-channel sign to underpin future research into realistic SLP

Continuous 3D Multi-Channel Sign Language Production via Progressive Transformers and Mixture Density Networks

Sign languages are multi-channel visual languages, where signers use a continuous 3D space to communicate.Sign Language Production (SLP), the automatic translation from spoken to sign languages, must embody both the continuous articulation and full morphology of sign to be truly understandable by the Deaf community. Previous deep learning-based SLP works have produced only a concatenation of isolated signs focusing primarily on the manual features, leading to a robotic and non-expressive production. In this work, we propose a novel Progressive Transformer architecture, the first SLP model to translate from spoken language sentences to continuous 3D multi-channel sign pose sequences in an end-to-end manner. Our transformer network architecture introduces a counter decoding that enables variable length continuous sequence generation by tracking the production progress over time and predicting the end of sequence. We present extensive data augmentation techniques to reduce prediction drift, alongside an adversarial training regime and a Mixture Density Network (MDN) formulation to produce realistic and expressive sign pose sequences. We propose a back translation evaluation mechanism for SLP, presenting benchmark quantitative results on the challenging PHOENIX14T dataset and setting baselines for future research. We further provide a user evaluation of our SLP model, to understand the Deaf reception of our sign pose productions

TensorLayer: A Versatile Library for Efficient Deep Learning Development

Deep learning has enabled major advances in the fields of computer vision, natural language processing, and multimedia among many others. Developing a deep learning system is arduous and complex, as it involves constructing neural network architectures, managing training/trained models, tuning optimization process, preprocessing and organizing data, etc. TensorLayer is a versatile Python library that aims at helping researchers and engineers efficiently develop deep learning systems. It offers rich abstractions for neural networks, model and data management, and parallel workflow mechanism. While boosting efficiency, TensorLayer maintains both performance and scalability. TensorLayer was released in September 2016 on GitHub, and has helped people from academia and industry develop real-world applications of deep learning.Comment: ACM Multimedia 201

Progressive Transformers for End-to-End Sign Language Production

The goal of automatic Sign Language Production (SLP) is to translate spoken language to a continuous stream of sign language video at a level comparable to a human translator. If this was achievable, then it would revolutionise Deaf hearing communications. Previous work on predominantly isolated SLP has shown the need for architectures that are better suited to the continuous domain of full sign sequences. In this paper, we propose Progressive Transformers, a novel architecture that can translate from discrete spoken language sentences to continuous 3D skeleton pose outputs representing sign language. We present two model configurations, an end-to-end network that produces sign direct from text and a stacked network that utilises a gloss intermediary. Our transformer network architecture introduces a counter that enables continuous sequence generation at training and inference. We also provide several data augmentation processes to overcome the problem of drift and improve the performance of SLP models. We propose a back translation evaluation mechanism for SLP, presenting benchmark quantitative results on the challenging RWTH-PHOENIX-Weather-2014T(PHOENIX14T) dataset and setting baselines for future research

Towards Diverse and Natural Image Descriptions via a Conditional GAN

Despite the substantial progress in recent years, the image captioning techniques are still far from being perfect.Sentences produced by existing methods, e.g. those based on RNNs, are often overly rigid and lacking in variability. This issue is related to a learning principle widely used in practice, that is, to maximize the likelihood of training samples. This principle encourages high resemblance to the "ground-truth" captions while suppressing other reasonable descriptions. Conventional evaluation metrics, e.g. BLEU and METEOR, also favor such restrictive methods. In this paper, we explore an alternative approach, with the aim to improve the naturalness and diversity -- two essential properties of human expression. Specifically, we propose a new framework based on Conditional Generative Adversarial Networks (CGAN), which jointly learns a generator to produce descriptions conditioned on images and an evaluator to assess how well a description fits the visual content. It is noteworthy that training a sequence generator is nontrivial. We overcome the difficulty by Policy Gradient, a strategy stemming from Reinforcement Learning, which allows the generator to receive early feedback along the way. We tested our method on two large datasets, where it performed competitively against real people in our user study and outperformed other methods on various tasks.Comment: accepted in ICCV2017 as an Oral pape

Advancing Text-to-GLOSS Neural Translation Using a Novel Hyper-parameter Optimization Technique

In this paper, we investigate the use of transformers for Neural Machine Translation of text-to-GLOSS for Deaf and Hard-of-Hearing communication. Due to the scarcity of available data and limited resources for text-to-GLOSS translation, we treat the problem as a low-resource language task. We use our novel hyper-parameter exploration technique to explore a variety of architectural parameters and build an optimal transformer-based architecture specifically tailored for text-to-GLOSS translation. The study aims to improve the accuracy and fluency of Neural Machine Translation generated GLOSS. This is achieved by examining various architectural parameters including layer count, attention heads, embedding dimension, dropout, and label smoothing to identify the optimal architecture for improving text-to-GLOSS translation performance. The experiments conducted on the PHOENIX14T dataset reveal that the optimal transformer architecture outperforms previous work on the same dataset. The best model reaches a ROUGE (Recall-Oriented Understudy for Gisting Evaluation) score of 55.18% and a BLEU-1 (BiLingual Evaluation Understudy 1) score of 63.6%, outperforming state-of-the-art results on the BLEU1 and ROUGE score by 8.42 and 0.63 respectively.Comment: 8 pages, 5 figure

Data and methods for a visual understanding of sign languages

Signed languages are complete and natural languages used as the first or preferred mode of communication by millions of people worldwide. However, they, unfortunately, continue to be marginalized languages. Designing, building, and evaluating models that work on sign languages presents compelling research challenges and requires interdisciplinary and collaborative efforts. The recent advances in Machine Learning (ML) and Artificial Intelligence (AI) has the power to enable better accessibility to sign language users and narrow down the existing communication barrier between the Deaf community and non-sign language users. However, recent AI-powered technologies still do not account for sign language in their pipelines. This is mainly because sign languages are visual languages, that use manual and non-manual features to convey information, and do not have a standard written form. Thus, the goal of this thesis is to contribute to the development of new technologies that account for sign language by creating large-scale multimodal resources suitable for training modern data-hungry machine learning models and developing automatic systems that focus on computer vision tasks related to sign language that aims at learning better visual understanding of sign languages. Thus, in Part I, we introduce the How2Sign dataset, which is a large-scale collection of multimodal and multiview sign language videos in American Sign Language. In Part II, we contribute to the development of technologies that account for sign languages by presenting in Chapter 4 a framework called Spot-Align, based on sign spotting methods, to automatically annotate sign instances in continuous sign language. We further present the benefits of this framework and establish a baseline for the sign language recognition task on the How2Sign dataset. In addition to that, in Chapter 5 we benefit from the different annotations and modalities of the How2Sign to explore sign language video retrieval by learning cross-modal embeddings. Later in Chapter 6, we explore sign language video generation by applying Generative Adversarial Networks to the sign language domain and assess if and how well sign language users can understand automatically generated sign language videos by proposing an evaluation protocol based on How2Sign topics and English translationLes llengües de signes són llengües completes i naturals que utilitzen milions de persones de tot el món com mode de comunicació primer o preferit. Tanmateix, malauradament, continuen essent llengües marginades. Dissenyar, construir i avaluar tecnologies que funcionin amb les llengües de signes presenta reptes de recerca que requereixen d’esforços interdisciplinaris i col·laboratius. Els avenços recents en l’aprenentatge automàtic i la intel·ligència artificial (IA) poden millorar l’accessibilitat tecnològica dels signants, i alhora reduir la barrera de comunicació existent entre la comunitat sorda i les persones no-signants. Tanmateix, les tecnologies més modernes en IA encara no consideren les llengües de signes en les seves interfícies amb l’usuari. Això es deu principalment a que les llengües de signes són llenguatges visuals, que utilitzen característiques manuals i no manuals per transmetre informació, i no tenen una forma escrita estàndard. Els objectius principals d’aquesta tesi són la creació de recursos multimodals a gran escala adequats per entrenar models d’aprenentatge automàtic per a llengües de signes, i desenvolupar sistemes de visió per computador adreçats a una millor comprensió automàtica de les llengües de signes. Així, a la Part I presentem la base de dades How2Sign, una gran col·lecció multimodal i multivista de vídeos de la llengua de signes nord-americana. A la Part II, contribuïm al desenvolupament de tecnologia per a llengües de signes, presentant al capítol 4 una solució per anotar signes automàticament anomenada Spot-Align, basada en mètodes de localització de signes en seqüències contínues de signes. Després, presentem els avantatges d’aquesta solució i proporcionem uns primers resultats per la tasca de reconeixement de la llengua de signes a la base de dades How2Sign. A continuació, al capítol 5 aprofitem de les anotacions i diverses modalitats de How2Sign per explorar la cerca de vídeos en llengua de signes a partir de l’entrenament d’incrustacions multimodals. Finalment, al capítol 6, explorem la generació de vídeos en llengua de signes aplicant xarxes adversàries generatives al domini de la llengua de signes. Avaluem fins a quin punt els signants poden entendre els vídeos generats automàticament, proposant un nou protocol d’avaluació basat en les categories dins de How2Sign i la traducció dels vídeos a l’anglès escritLas lenguas de signos son lenguas completas y naturales que utilizan millones de personas de todo el mundo como modo de comunicación primero o preferido. Sin embargo, desgraciadamente, siguen siendo lenguas marginadas. Diseñar, construir y evaluar tecnologías que funcionen con las lenguas de signos presenta retos de investigación que requieren esfuerzos interdisciplinares y colaborativos. Los avances recientes en el aprendizaje automático y la inteligencia artificial (IA) pueden mejorar la accesibilidad tecnológica de los signantes, al tiempo que reducir la barrera de comunicación existente entre la comunidad sorda y las personas no signantes. Sin embargo, las tecnologías más modernas en IA todavía no consideran las lenguas de signos en sus interfaces con el usuario. Esto se debe principalmente a que las lenguas de signos son lenguajes visuales, que utilizan características manuales y no manuales para transmitir información, y carecen de una forma escrita estándar. Los principales objetivos de esta tesis son la creación de recursos multimodales a gran escala adecuados para entrenar modelos de aprendizaje automático para lenguas de signos, y desarrollar sistemas de visión por computador dirigidos a una mejor comprensión automática de las lenguas de signos. Así, en la Parte I presentamos la base de datos How2Sign, una gran colección multimodal y multivista de vídeos de lenguaje la lengua de signos estadounidense. En la Part II, contribuimos al desarrollo de tecnología para lenguas de signos, presentando en el capítulo 4 una solución para anotar signos automáticamente llamada Spot-Align, basada en métodos de localización de signos en secuencias continuas de signos. Después, presentamos las ventajas de esta solución y proporcionamos unos primeros resultados por la tarea de reconocimiento de la lengua de signos en la base de datos How2Sign. A continuación, en el capítulo 5 aprovechamos de las anotaciones y diversas modalidades de How2Sign para explorar la búsqueda de vídeos en lengua de signos a partir del entrenamiento de incrustaciones multimodales. Finalmente, en el capítulo 6, exploramos la generación de vídeos en lengua de signos aplicando redes adversarias generativas al dominio de la lengua de signos. Evaluamos hasta qué punto los signantes pueden entender los vídeos generados automáticamente, proponiendo un nuevo protocolo de evaluación basado en las categorías dentro de How2Sign y la traducción de los vídeos al inglés escrito.Teoria del Senyal i Comunicacion

Data and methods for a visual understanding of sign languages

Signed languages are complete and natural languages used as the first or preferred mode of communication by millions of people worldwide. However, they, unfortunately, continue to be marginalized languages. Designing, building, and evaluating models that work on sign languages presents compelling research challenges and requires interdisciplinary and collaborative efforts. The recent advances in Machine Learning (ML) and Artificial Intelligence (AI) has the power to enable better accessibility to sign language users and narrow down the existing communication barrier between the Deaf community and non-sign language users. However, recent AI-powered technologies still do not account for sign language in their pipelines. This is mainly because sign languages are visual languages, that use manual and non-manual features to convey information, and do not have a standard written form. Thus, the goal of this thesis is to contribute to the development of new technologies that account for sign language by creating large-scale multimodal resources suitable for training modern data-hungry machine learning models and developing automatic systems that focus on computer vision tasks related to sign language that aims at learning better visual understanding of sign languages. Thus, in Part I, we introduce the How2Sign dataset, which is a large-scale collection of multimodal and multiview sign language videos in American Sign Language. In Part II, we contribute to the development of technologies that account for sign languages by presenting in Chapter 4 a framework called Spot-Align, based on sign spotting methods, to automatically annotate sign instances in continuous sign language. We further present the benefits of this framework and establish a baseline for the sign language recognition task on the How2Sign dataset. In addition to that, in Chapter 5 we benefit from the different annotations and modalities of the How2Sign to explore sign language video retrieval by learning cross-modal embeddings. Later in Chapter 6, we explore sign language video generation by applying Generative Adversarial Networks to the sign language domain and assess if and how well sign language users can understand automatically generated sign language videos by proposing an evaluation protocol based on How2Sign topics and English translationLes llengües de signes són llengües completes i naturals que utilitzen milions de persones de tot el món com mode de comunicació primer o preferit. Tanmateix, malauradament, continuen essent llengües marginades. Dissenyar, construir i avaluar tecnologies que funcionin amb les llengües de signes presenta reptes de recerca que requereixen d’esforços interdisciplinaris i col·laboratius. Els avenços recents en l’aprenentatge automàtic i la intel·ligència artificial (IA) poden millorar l’accessibilitat tecnològica dels signants, i alhora reduir la barrera de comunicació existent entre la comunitat sorda i les persones no-signants. Tanmateix, les tecnologies més modernes en IA encara no consideren les llengües de signes en les seves interfícies amb l’usuari. Això es deu principalment a que les llengües de signes són llenguatges visuals, que utilitzen característiques manuals i no manuals per transmetre informació, i no tenen una forma escrita estàndard. Els objectius principals d’aquesta tesi són la creació de recursos multimodals a gran escala adequats per entrenar models d’aprenentatge automàtic per a llengües de signes, i desenvolupar sistemes de visió per computador adreçats a una millor comprensió automàtica de les llengües de signes. Així, a la Part I presentem la base de dades How2Sign, una gran col·lecció multimodal i multivista de vídeos de la llengua de signes nord-americana. A la Part II, contribuïm al desenvolupament de tecnologia per a llengües de signes, presentant al capítol 4 una solució per anotar signes automàticament anomenada Spot-Align, basada en mètodes de localització de signes en seqüències contínues de signes. Després, presentem els avantatges d’aquesta solució i proporcionem uns primers resultats per la tasca de reconeixement de la llengua de signes a la base de dades How2Sign. A continuació, al capítol 5 aprofitem de les anotacions i diverses modalitats de How2Sign per explorar la cerca de vídeos en llengua de signes a partir de l’entrenament d’incrustacions multimodals. Finalment, al capítol 6, explorem la generació de vídeos en llengua de signes aplicant xarxes adversàries generatives al domini de la llengua de signes. Avaluem fins a quin punt els signants poden entendre els vídeos generats automàticament, proposant un nou protocol d’avaluació basat en les categories dins de How2Sign i la traducció dels vídeos a l’anglès escritLas lenguas de signos son lenguas completas y naturales que utilizan millones de personas de todo el mundo como modo de comunicación primero o preferido. Sin embargo, desgraciadamente, siguen siendo lenguas marginadas. Diseñar, construir y evaluar tecnologías que funcionen con las lenguas de signos presenta retos de investigación que requieren esfuerzos interdisciplinares y colaborativos. Los avances recientes en el aprendizaje automático y la inteligencia artificial (IA) pueden mejorar la accesibilidad tecnológica de los signantes, al tiempo que reducir la barrera de comunicación existente entre la comunidad sorda y las personas no signantes. Sin embargo, las tecnologías más modernas en IA todavía no consideran las lenguas de signos en sus interfaces con el usuario. Esto se debe principalmente a que las lenguas de signos son lenguajes visuales, que utilizan características manuales y no manuales para transmitir información, y carecen de una forma escrita estándar. Los principales objetivos de esta tesis son la creación de recursos multimodales a gran escala adecuados para entrenar modelos de aprendizaje automático para lenguas de signos, y desarrollar sistemas de visión por computador dirigidos a una mejor comprensión automática de las lenguas de signos. Así, en la Parte I presentamos la base de datos How2Sign, una gran colección multimodal y multivista de vídeos de lenguaje la lengua de signos estadounidense. En la Part II, contribuimos al desarrollo de tecnología para lenguas de signos, presentando en el capítulo 4 una solución para anotar signos automáticamente llamada Spot-Align, basada en métodos de localización de signos en secuencias continuas de signos. Después, presentamos las ventajas de esta solución y proporcionamos unos primeros resultados por la tarea de reconocimiento de la lengua de signos en la base de datos How2Sign. A continuación, en el capítulo 5 aprovechamos de las anotaciones y diversas modalidades de How2Sign para explorar la búsqueda de vídeos en lengua de signos a partir del entrenamiento de incrustaciones multimodales. Finalmente, en el capítulo 6, exploramos la generación de vídeos en lengua de signos aplicando redes adversarias generativas al dominio de la lengua de signos. Evaluamos hasta qué punto los signantes pueden entender los vídeos generados automáticamente, proponiendo un nuevo protocolo de evaluación basado en las categorías dentro de How2Sign y la traducción de los vídeos al inglés escrito.Postprint (published version