Unsupervised crosslingual adaptation of tokenisers for spoken language recognition

Phone tokenisers are used in spoken language recognition (SLR) to obtain elementary phonetic information. We present a study on the use of deep neural network tokenisers. Unsupervised crosslingual adaptation was performed to adapt the baseline tokeniser trained on English conversational telephone speech data to different languages. Two training and adaptation approaches, namely cross-entropy adaptation and state-level minimum Bayes risk adaptation, were tested in a bottleneck i-vector and a phonotactic SLR system. The SLR systems using the tokenisers adapted to different languages were combined using score fusion, giving 7-18% reduction in minimum detection cost function (minDCF) compared with the baseline configurations without adapted tokenisers. Analysis of results showed that the ensemble tokenisers gave diverse representation of phonemes, thus bringing complementary effects when SLR systems with different tokenisers were combined. SLR performance was also shown to be related to the quality of the adapted tokenisers

Unsupervised crosslingual adaptation of tokenisers for spoken language recognition

Phone tokenisers are used in spoken language recognition (SLR) to obtain elementary phonetic information. We present a study on the use of deep neural network tokenisers. Unsupervised crosslingual adaptation was performed to adapt the baseline tokeniser trained on English conversational telephone speech data to different languages. Two training and adaptation approaches, namely cross-entropy adaptation and state-level minimum Bayes risk adaptation, were tested in a bottleneck i-vector and a phonotactic SLR system. The SLR systems using the tokenisers adapted to different languages were combined using score fusion, giving 7-18% reduction in minimum detection cost function (minDCF) compared with the baseline configurations without adapted tokenisers. Analysis of results showed that the ensemble tokenisers gave diverse representation of phonemes, thus bringing complementary effects when SLR systems with different tokenisers were combined. SLR performance was also shown to be related to the quality of the adapted tokenisers

On the Robustness of Arabic Speech Dialect Identification

Arabic dialect identification (ADI) tools are an important part of the large-scale data collection pipelines necessary for training speech recognition models. As these pipelines require application of ADI tools to potentially out-of-domain data, we aim to investigate how vulnerable the tools may be to this domain shift. With self-supervised learning (SSL) models as a starting point, we evaluate transfer learning and direct classification from SSL features. We undertake our evaluation under rich conditions, with a goal to develop ADI systems from pretrained models and ultimately evaluate performance on newly collected data. In order to understand what factors contribute to model decisions, we carry out a careful human study of a subset of our data. Our analysis confirms that domain shift is a major challenge for ADI models. We also find that while self-training does alleviate this challenges, it may be insufficient for realistic conditions

Metric learning loss functions to reduce domain mismatch in the x-vector space for language recognition

International audienceState-of-the-art language recognition systems are based on dis-criminative embeddings called x-vectors. Channel and gender distortions produce mismatch in such x-vector space where em-beddings corresponding to the same language are not grouped in an unique cluster. To control this mismatch, we propose to train the x-vector DNN with metric learning objective functions. Combining a classification loss with the metric learning n-pair loss allows to improve the language recognition performance. Such a system achieves a robustness comparable to a system trained with a domain adaptation loss function but without using the domain information. We also analyze the mismatch due to channel and gender, in comparison to language proximity, in the x-vector space. This is achieved using the Maximum Mean Discrepancy divergence measure between groups of x-vectors. Our analysis shows that using the metric learning loss function reduces gender and channel mismatch in the x-vector space, even for languages only observed on one channel in the train set

Subspace Gaussian Mixture Models for Language Identification and Dysarthric Speech Intelligibility Assessment

En esta Tesis se ha investigado la aplicación de técnicas de modelado de subespacios de mezclas de Gaussianas en dos problemas relacionados con las tecnologías del habla, como son la identificación automática de idioma (LID, por sus siglas en inglés) y la evaluación automática de inteligibilidad en el habla de personas con disartria. Una de las técnicas más importantes estudiadas es el análisis factorial conjunto (JFA, por sus siglas en inglés). JFA es, en esencia, un modelo de mezclas de Gaussianas en el que la media de cada componente se expresa como una suma de factores de dimensión reducida, y donde cada factor representa una contribución diferente a la señal de audio. Esta factorización nos permite compensar nuestros modelos frente a contribuciones indeseadas presentes en la señal, como la información de canal. JFA se ha investigado como clasficador y como extractor de parámetros. En esta última aproximación se modela un solo factor que representa todas las contribuciones presentes en la señal. Los puntos en este subespacio se denominan i-Vectors. Así, un i-Vector es un vector de baja dimensión que representa una grabación de audio. Los i-Vectors han resultado ser muy útiles como vector de características para representar señales en diferentes problemas relacionados con el aprendizaje de máquinas. En relación al problema de LID, se han investigado dos sistemas diferentes de acuerdo al tipo de información extraída de la señal. En el primero, la señal se parametriza en vectores acústicos con información espectral a corto plazo. En este caso, observamos mejoras de hasta un 50% con el sistema basado en i-Vectors respecto al sistema que utilizaba JFA como clasificador. Se comprobó que el subespacio de canal del modelo JFA también contenía información del idioma, mientras que con los i-Vectors no se descarta ningún tipo de información, y además, son útiles para mitigar diferencias entre los datos de entrenamiento y de evaluación. En la fase de clasificación, los i-Vectors de cada idioma se modelaron con una distribución Gaussiana en la que la matriz de covarianza era común para todos. Este método es simple y rápido, y no requiere de ningún post-procesado de los i-Vectors. En el segundo sistema, se introdujo el uso de información prosódica y formántica en un sistema de LID basado en i-Vectors. La precisión de éste estaba por debajo de la del sistema acústico. Sin embargo, los dos sistemas son complementarios, y se obtuvo hasta un 20% de mejora con la fusión de los dos respecto al sistema acústico solo. Tras los buenos resultados obtenidos para LID, y dado que, teóricamente, los i-Vectors capturan toda la información presente en la señal, decidimos usarlos para la evaluar de manera automática la inteligibilidad en el habla de personas con disartria. Los logopedas están muy interesados en esta tecnología porque permitiría evaluar a sus pacientes de una manera objetiva y consistente. En este caso, los i-Vectors se obtuvieron a partir de información espectral a corto plazo de la señal, y la inteligibilidad se calculó a partir de los i-Vectors obtenidos para un conjunto de palabras dichas por el locutor evaluado. Comprobamos que los resultados eran mucho mejores si en el entrenamiento del sistema se incorporaban datos de la persona que iba a ser evaluada. No obstante, esta limitación podría aliviarse utilizando una mayor cantidad de datos para entrenar el sistema.In this Thesis, we investigated how to effciently apply subspace Gaussian mixture modeling techniques onto two speech technology problems, namely automatic spoken language identification (LID) and automatic intelligibility assessment of dysarthric speech. One of the most important of such techniques in this Thesis was joint factor analysis (JFA). JFA is essentially a Gaussian mixture model where the mean of the components is expressed as a sum of low-dimension factors that represent different contributions to the speech signal. This factorization makes it possible to compensate for undesired sources of variability, like the channel. JFA was investigated as final classiffer and as feature extractor. In the latter approach, a single subspace including all sources of variability is trained, and points in this subspace are known as i-Vectors. Thus, one i-Vector is defined as a low-dimension representation of a single utterance, and they are a very powerful feature for different machine learning problems. We have investigated two different LID systems according to the type of features extracted from speech. First, we extracted acoustic features representing short-time spectral information. In this case, we observed relative improvements with i-Vectors with respect to JFA of up to 50%. We realized that the channel subspace in a JFA model also contains language information whereas i-Vectors do not discard any language information, and moreover, they help to reduce mismatches between training and testing data. For classification, we modeled the i-Vectors of each language with a Gaussian distribution with covariance matrix shared among languages. This method is simple and fast, and it worked well without any post-processing. Second, we introduced the use of prosodic and formant information with the i-Vectors system. The performance was below the acoustic system but both were found to be complementary and we obtained up to a 20% relative improvement with the fusion with respect to the acoustic system alone. Given the success in LID and the fact that i-Vectors capture all the information that is present in the data, we decided to use i-Vectors for other tasks, specifically, the assessment of speech intelligibility in speakers with different types of dysarthria. Speech therapists are very interested in this technology because it would allow them to objectively and consistently rate the intelligibility of their patients. In this case, the input features were extracted from short-term spectral information, and the intelligibility was assessed from the i-Vectors calculated from a set of words uttered by the tested speaker. We found that the performance was clearly much better if we had available data for training of the person that would use the application. We think that this limitation could be relaxed if we had larger databases for training. However, the recording process is not easy for people with disabilities, and it is difficult to obtain large datasets of dysarthric speakers open to the research community. Finally, the same system architecture for intelligibility assessment based on i-Vectors was used for predicting the accuracy that an automatic speech recognizer (ASR) system would obtain with dysarthric speakers. The only difference between both was the ground truth label set used for training. Predicting the performance response of an ASR system would increase the confidence of speech therapists in these systems and would diminish health related costs. The results were not as satisfactory as in the previous case, probably because an ASR is a complex system whose accuracy can be very difficult to be predicted only with acoustic information. Nonetheless, we think that we opened a door to an interesting research direction for the two problems

Deep Neural Network Architectures for Large-scale, Robust and Small-Footprint Speaker and Language Recognition

Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Escuela Politécnica Superior, Departamento de Tecnología Electrónica y de las Comunicaciones. Fecha de lectura : 27-04-2017Artificial neural networks are powerful learners of the information embedded in speech signals. They can provide compact, multi-level, nonlinear representations of temporal sequences and holistic optimization algorithms capable of surpassing former leading paradigms. Artificial neural networks are, therefore, a promising technology that can be used to enhance our ability to recognize speakers and languages–an ability increasingly in demand in the context of new, voice-enabled interfaces used today by millions of users. The aim of this thesis is to advance the state-of-the-art of language and speaker recognition through the formulation, implementation and empirical analysis of novel approaches for large-scale and portable speech interfaces. Its major contributions are: (1) novel, compact network architectures for language and speaker recognition, including a variety of network topologies based on fully-connected, recurrent, convolutional, and locally connected layers; (2) a bottleneck combination strategy for classical and neural network approaches for long speech sequences; (3) the architectural design of the first, public, multilingual, large vocabulary continuous speech recognition system; and (4) a novel, end-to-end optimization algorithm for text-dependent speaker recognition that is applicable to a range of verification tasks. Experimental results have demonstrated that artificial neural networks can substantially reduce the number of model parameters and surpass the performance of previous approaches to language and speaker recognition, particularly in the cases of long short-term memory recurrent networks (used to model the input speech signal), end-to-end optimization algorithms (used to predict languages or speakers), short testing utterances, and large training data collections.Las redes neuronales artificiales son sistemas de aprendizaje capaces de extraer la información embebida en las señales de voz. Son capaces de modelar de forma eficiente secuencias temporales complejas, con información no lineal y distribuida en distintos niveles semanticos, mediante el uso de algoritmos de optimización integral con la capacidad potencial de mejorar los sistemas aprendizaje automático existentes. Las redes neuronales artificiales son, pues, una tecnología prometedora para mejorar el reconocimiento automático de locutores e idiomas; siendo el reconocimiento de de locutores e idiomas, tareas con cada vez más demanda en los nuevos sistemas de control por voz, que ya utilizan millones de personas. Esta tesis tiene como objetivo la mejora del estado del arte de las tecnologías de reconocimiento de locutor y de idioma mediante la formulación, implementación y análisis empírico de nuevos enfoques basados en redes neuronales, aplicables a dispositivos portátiles y a su uso en gran escala. Las principales contribuciones de esta tesis incluyen la propuesta original de: (1) arquitecturas eficientes que hacen uso de capas neuronales densas, localmente densas, recurrentes y convolucionales; (2) una nueva estrategia de combinación de enfoques clásicos y enfoques basados en el uso de las denominadas redes de cuello de botella; (3) el diseño del primer sistema público de reconocimiento de voz, de vocabulario abierto y continuo, que es además multilingüe; y (4) la propuesta de un nuevo algoritmo de optimización integral para tareas de reconocimiento de locutor, aplicable también a otras tareas de verificación. Los resultados experimentales extraídos de esta tesis han demostrado que las redes neuronales artificiales son capaces de reducir el número de parámetros usados por los algoritmos de reconocimiento tradicionales, así como de mejorar el rendimiento de dichos sistemas de forma substancial. Dicha mejora relativa puede acentuarse a través del modelado de voz mediante redes recurrentes de memoria a largo plazo, el uso de algoritmos de optimización integral, el uso de locuciones de evaluation de corta duración y mediante la optimización del sistema con grandes cantidades de datos de entrenamiento

Deep learning for i-vector speaker and language recognition

Over the last few years, i-vectors have been the state-of-the-art technique in speaker and language recognition. Recent advances in Deep Learning (DL) technology have improved the quality of i-vectors but the DL techniques in use are computationally expensive and need speaker or/and phonetic labels for the background data, which are not easily accessible in practice. On the other hand, the lack of speaker-labeled background data makes a big performance gap, in speaker recognition, between two well-known cosine and Probabilistic Linear Discriminant Analysis (PLDA) i-vector scoring techniques. It has recently been a challenge how to fill this gap without speaker labels, which are expensive in practice. Although some unsupervised clustering techniques are proposed to estimate the speaker labels, they cannot accurately estimate the labels. This thesis tries to solve the problems above by using the DL technology in different ways, without any need of speaker or phonetic labels. In order to fill the performance gap between cosine and PLDA scoring given unlabeled background data, we have proposed an impostor selection algorithm and a universal model adaptation process in a hybrid system based on Deep Belief Networks (DBNs) and Deep Neural Networks (DNNs) to discriminatively model each target speaker. In order to have more insight into the behavior of DL techniques in both single and multi-session speaker enrollment tasks, some experiments have been carried out in both scenarios. Experiments on the National Institute of Standard and Technology (NIST) 2014 i-vector challenge show that 46% of this performance gap, in terms of minDCF, is filled by the proposed DL-based system. Furthermore, the score combination of the proposed DL-based system and PLDA with estimated labels covers 79% of this gap. In the second line of the research, we have developed an efficient alternative vector representation of speech by keeping the computational cost as low as possible and avoiding phonetic labels, which are not always accessible. The proposed vectors will be based on both Gaussian Mixture Models (GMMs) and Restricted Boltzmann Machines (RBMs) and will be referred to as GMM-RBM vectors. The role of RBM is to learn the total speaker and session variability among background GMM supervectors. This RBM, which will be referred to as Universal RBM (URBM), will then be used to transform unseen supervectors to the proposed low dimensional vectors. The use of different activation functions for training the URBM and different transformation functions for extracting the proposed vectors are investigated. At the end, a variant of Rectified Linear Unit (ReLU) which is referred to as Variable ReLU (VReLU) is proposed. Experiments on the core test condition 5 of the NIST Speaker Recognition Evaluation (SRE) 2010 show that comparable results with conventional i-vectors are achieved with a clearly lower computational load in the vector extraction process. Finally, for the Language Identification (LID) application, we have proposed a DNN architecture to model effectively the i-vector space of four languages, English, Spanish, German, and Finnish, in the car environment. Both raw i-vectors and session variability compensated i-vectors are evaluated as input vectors to DNN. The performance of the proposed DNN architecture is compared with both conventional GMM-UBM and i-vector/Linear Discriminant Analysis (LDA) systems considering the effect of duration of signals. It is shown that the signals with duration between 2 and 3 sec meet the accuracy and speed requirements of this application, in which the proposed DNN architecture outperforms GMM-UBM and i-vector/LDA systems by 37% and 28%, respectively.En los últimos años, los i-vectores han sido la técnica de referencia en el reconocimiento de hablantes y de idioma. Los últimos avances en la tecnología de Aprendizaje Profundo (Deep Learning. DL) han mejorado la calidad de los i-vectores, pero las técnicas DL en uso son computacionalmente costosas y necesitan datos etiquetados para cada hablante y/o unidad fon ética, los cuales no son fácilmente accesibles en la práctica. La falta de datos etiquetados provoca una gran diferencia de los resultados en el reconocimiento de hablante con i-vectors entre las dos técnicas de evaluación más utilizados: distancia coseno y Análisis Lineal Discriminante Probabilístico (PLDA). Por el momento, sigue siendo un reto cómo reducir esta brecha sin disponer de las etiquetas de los hablantes, que son costosas de obtener. Aunque se han propuesto algunas técnicas de agrupamiento sin supervisión para estimar las etiquetas de los hablantes, no pueden estimar las etiquetas con precisión. Esta tesis trata de resolver los problemas mencionados usando la tecnología DL de diferentes maneras, sin necesidad de etiquetas de hablante o fon éticas. Con el fin de reducir la diferencia de resultados entre distancia coseno y PLDA a partir de datos no etiquetados, hemos propuesto un algoritmo selección de impostores y la adaptación a un modelo universal en un sistema hibrido basado en Deep Belief Networks (DBN) y Deep Neural Networks (DNN) para modelar a cada hablante objetivo de forma discriminativa. Con el fin de tener más información sobre el comportamiento de las técnicas DL en las tareas de identificación de hablante en una única sesión y en varias sesiones, se han llevado a cabo algunos experimentos en ambos escenarios. Los experimentos utilizando los datos del National Institute of Standard and Technology (NIST) 2014 i-vector Challenge muestran que el 46% de esta diferencia de resultados, en términos de minDCF, se reduce con el sistema propuesto basado en DL. Además, la combinación de evaluaciones del sistema propuesto basado en DL y PLDA con etiquetas estimadas reduce el 79% de esta diferencia. En la segunda línea de la investigación, hemos desarrollado una representación vectorial alternativa eficiente de la voz manteniendo el coste computacional lo más bajo posible y evitando las etiquetas fon éticas, Los vectores propuestos se basan tanto en el Modelo de Mezcla de Gaussianas (GMM) y en las Maquinas Boltzmann Restringidas (RBM), a los que se hacer referencia como vectores GMM-RBM. El papel de la RBM es aprender la variabilidad total del hablante y de la sesión entre los supervectores del GMM gen érico. Este RBM, al que se hará referencia como RBM Universal (URBM), se utilizará para transformar supervectores ocultos en los vectores propuestos, de menor dimensión. Además, se estudia el uso de diferentes funciones de activación para el entrenamiento de la URBM y diferentes funciones de transformación para extraer los vectores propuestos. Finalmente, se propone una variante de la Unidad Lineal Rectificada (ReLU) a la que se hace referencia como Variable ReLU (VReLU). Los experimentos sobre los datos de la condición 5 del test de la NIST Speaker Recognition Evaluation (SRE) 2010 muestran que se han conseguidos resultados comparables con los i-vectores convencionales, con una carga computacional claramente inferior en el proceso de extracción de vectores. Por último, para la aplicación de Identificación de Idioma (LID), hemos propuesto una arquitectura DNN para modelar eficazmente en el entorno del coche el espacio i-vector de cuatro idiomas: inglés, español, alemán y finlandés. Tanto los i-vectores originales como los i-vectores propuestos son evaluados como vectores de entrada a DNN. El rendimiento de la arquitectura DNN propuesta se compara con los sistemas convencionales GMM-UBM y i-vector/Análisis Discriminante Lineal (LDA) considerando el efecto de la duración de las señales. Se muestra que en caso de señales con una duración entre 2 y 3 se obtienen resultados satisfactorios en cuanto a precisión y resultados, superando a los sistemas GMM-UBM y i-vector/LDA en un 37% y 28%, respectivament