Preprocessing models for speech technologies : the impact of the normalizer and the grapheme-to-phoneme on hybrid systems

Um dos usos mais promissores e de crescimento mais rápido da tecnologia de linguagem natural corresponde às Tecnologias de Processamento da Fala. Esses sistemas usam tecnologia de reconhecimento automático de fala e conversão de texto em fala para fornecer uma interface de voz para aplicações de conversão. Com efeito, esta tecnologia está presente em diversas situações do nosso quotidiano, tais como assistentes virtuais em smartphones (como a SIRI ou Alexa), ou sistemas de interação por voz em automóveis. As tecnologias de fala evoluíram progressivamente até ao ponto em que os sistemas podem prestar pouca atenção à sua estrutura linguística. Com efeito, o Conhecimento Linguístico pode ser extremamente importante numa arquitetura de fala, particularmente numa fase de pré-processamento de dados: combinar conhecimento linguístico em modelo de tecnologia de fala permite produzir sistemas mais confiáveis e robustos. Neste sentido, o pré-processamento de dados é uma etapa fundamental na construção de um modelo de Inteligência Artificial (IA). Se os dados forem razoavelmente pré-processados, os resultados serão consistentes e de alta qualidade (García et al., 2016). Por exemplo, os sistemas mais modernos de reconhecimento de fala permitem modelizar entidades linguísticas em vários níveis, frases, palavras, fones e outras unidades, usando várias abordagens estatísticas (Jurafsky & Martin, 2022). Apesar de treinados sobre dados, estes sistemas são tão mais precisos quanto mais eficazes e eficientes a capturarem o conhecimento linguístico. Perante este cenário, este trabalho descreve os métodos de pré-processamento linguístico em sistemas híbridos (de inteligência artificial combinada com conhecimento linguístico) fornecidos por uma empresa internacional de Inteligência Artificial (IA), a Defined.ai. A start-up concentra-se em fornecer dados, modelos e ferramentas de alta qualidade para IA., a partir da sua plataforma de crowdsourcing Neevo. O utilizador da plataforma tem acesso a pequenas tarefas de anotação de dados, tais como: transcrição, gravação e anotação de áudios, validação de pronúncia, tradução de frases, classificação de sentimentos num texto, ou até extração de informação a partir de imagens e vídeos. Até ao momento, a empresa conta com mais de 500,000 utilizadores de 70 países e 50 línguas diferentes. Através duma recolha descentralizada dos dados, a Defined.ai responde à necessidade crescente de dados de treino que sejam justos, i.e., que não reflitam e/ou amplifiquem os padrões de discriminação vigentes na nossa sociedade (e.g., de género, raça, orientação sexual). Como resultado, a Defined.ai pode ser vista como uma comunidade de especialistas em IA, que produz sistemas justos, éticos e de futuro. Assim, o principal objetivo deste trabalho é aprimorar e avançar a qualidade dos modelos de pré-processamento, aplicando-lhes conhecimento linguístico. Assim, focamo-nos em dois modelos linguísticos introdutórios numa arquitetura de fala: Normalizador e Grafema-Fonema. Para abordar o assunto principal deste estudo, vamos delinear duas iniciativas realizadas em colaboração com a equipa de Machine learning da Defined.ai. O primeiro projeto centra-se na expansão e melhoria de um modelo Normalizador pt-PT. O segundo projeto abrange a criação de modelos Grafema-Fonema (do inglês Grapheme-to-phoneme, G2P) para duas línguas diferentes – Sueco e Russo. Os resultados mostram que ter uma abordagem baseada em regras para o Normalizador e G2P aumenta a sua precisão e desempenho, representado uma vantagem significativa na melhoria das ferramentas da Defined.ai e nas arquiteturas de fala. Além disso, com os resultados obtidos no primeiro projeto, melhoramos o normalizador na sua facilidade de uso, aumentando cada regra com o respetivo conhecimento linguístico. Desta forma, a nossa pesquisa demonstra o valor e a importância do conhecimento linguístico em modelos de pré-processamento. O primeiro projeto teve como objetivo fornecer cobertura para diversas regras linguísticas: Números Reais, Símbolos, Abreviaturas, Ordinais, Medidas, Moeda, Datas e Hora. A tarefa consistia em expandir as regras com suas respetivas expressões normalizadas a partir de regras a seguir que teriam uma leitura não marcada inequívoca própria. O objetivo principal é melhorar o normalizador tornando-o mais simples, consistente entre diferentes linguagens e de forma a cobrir entradas não ambíguas. Para preparar um modelo G2P para dois idiomas diferentes - Sueco e Russo - quatro tarefas foram realizadas: 1. Preparar uma análise linguística de cada língua, 2. Desenvolver um inventário fonético-fonológico inicial, 3. Mapear e converter automaticamente o léxico fonético para DC-Arpabet (o alfabeto fonético que a Defined.ai construiu), 4. Rever e corrigir o léxico fonético, e 4. Avaliar o modelo Grafema-Fonema. A revisão dos léxicos fonéticos foi realizada, em consulta com a nossa equipa da Defined.ai, por linguistas nativos que verificaram se os inventários fonéticos-fonológicos seriam adequados para transcrever. Segundo os resultados de cada modelo, nós avaliamos de acordo com 5 métricas padrão na literatura: Word Error Rate (WER), Precision, Recall, F1-score e Accuracy. Adaptamos a métrica WER para Word Error Rate over normalizable tokens (WERnorm) por forma a responder às necessidades dos nossos modelos. A métrica WER (ou taxa de erro por palavra) foi adaptada de forma a contabilizar tokens normalizáveis, em vez de todos os tokens. Deste modo, a avaliação do normalizador, avalia-se usando um conjunto de aproximadamente 1000 frases de referência, normalizadas manualmente e marcadas com a regra de normalização que deveria ser aplicada (por exemplo, números reais, símbolos, entre outros). De acordo com os resultados, na versão 2 do normalizador, obtivemos discrepâncias estatisticamente significativas entre as regras. A regra dos ordinais apresenta a maior percentagem (94%) e as abreviaturas (43%) o menor percentual. Concluímos também um aumento significativo no desempenho de algumas das regras. Por exemplo, as abreviaturas mostram um desempenho de 23 pontos percentuais (pp.) superior. Quando comparamos as duas versões, concluímos que a versão 2 do normalizador apresenta, em média, uma taxa de erro 4 pp. menor sobre os tokens normalizáveis em comparação com a versão 1. Assim, o uso da regra dos ordinais (94% F1-score) e da regra dos números reais (89% F1-score) é a maior fonte de melhoria no normalizador. Além disso, em relação à precisão, a versão 2 apresenta uma melhoria de, em média, 28 pp em relação à versão 1. No geral, os resultados revelam inequivocamente uma melhoria da performance do normalizador em todas as regras aplicadas. De acordo com os resultados do segundo projeto, o léxico fonético sueco alcançou um WER de 10%, enquanto o léxico fonético russo um WER ligeiramente inferior (11%). Os inventários fonético-fonológicos suecos apresentam uma precisão maior (97%) do que os inventários fonético-fonológicos russos (96%). No geral, o modelo sueco G2P apresenta um melhor desempenho (98%), embora a sua diferença ser menor quando comparado ao modelo russo (96%). Em conclusão, os resultados obtidos tiveram um impacto significativo na pipeline de fala da empresa e nas arquiteturas de fala escrita (15% é a arquitetura de fala). Além disso, a versão 2 do normalizador começou a ser usada noutros projetos do Defined.ai, principalmente em coleções de prompts de fala. Observamos que nossa expansão e melhoria na ferramenta abrangeu expressões que compõem uma proporção considerável de expressões normalizáveis, não limitando a utilidade da ferramenta, mas aumentando a diversidade que ela pode oferecer ao entregar prompts, por exemplo. Com base no trabalho desenvolvido, podemos observar que, ao ter uma abordagem baseada em regras para o Normalizador e o G2P, conseguimos aumentar a sua precisão e desempenho, representando não só uma vantagem significativa na melhoria das ferramentas da Defined.ai, como também nas arquiteturas de fala. Além disso, a nossa abordagem também foi aplicada a outras línguas obtendo resultados muito positivos e mostrando a importância da metodologia aplicada nesta tese. Desta forma, o nosso trabalho mostra a relevância e o valor acrescentado de aplicar conhecimento linguístico a modelos de pré-processamento.One of the most fast-growing and highly promising uses of natural language technology is in Speech Technologies. Such systems use automatic speech recognition (ASR) and text-to-speech (TTS) technology to provide a voice interface for conversational applications. Speech technologies have progressively evolved to the point where they pay little attention to their linguistic structure. Indeed, linguistic knowledge can be extremely important in a speech pipeline, particularly in the Data Preprocessing phase: combining linguistic knowledge in a speech technology model allows producing more reliable and robust systems. Given this background, this work describes the linguistic preprocessing methods in hybrid systems provided by an Artificial Intelligence (AI) international company, Defined.ai. The startup focuses on providing high-quality data, models, and AI tools. The main goal of this work is to enhance and advance the quality of preprocessing models by applying linguistic knowledge. Thus, we focus on two introductory linguistic models in a speech pipeline: Normalizer and Grapheme-to-Phoneme (G2P). To do so, two initiatives were conducted in collaboration with the Defined.ai Machine Learning team. The first project focuses on expanding and improving a pt-PT Normalizer model. The second project covers creating G2P models for two different languages – Swedish and Russian. Results show that having a rule-based approach to the Normalizer and G2P increases its accuracy and performance, representing a significant advantage in improving Defined.ai tools and speech pipelines. Also, with the results obtained on the first project, we improved the normalizer in ease of use by increasing each rule with linguistic knowledge. Accordingly, our research demonstrates the added value of linguistic knowledge in preprocessing models

Proceedings

Proceedings of the NODALIDA 2009 workshop Nordic Perspectives on the CLARIN Infrastructure of Language Resources. Editors: Rickard Domeij, Kimmo Koskenniemi, Steven Krauwer, Bente Maegaard, Eiríkur Rögnvaldsson and Koenraad de Smedt. NEALT Proceedings Series, Vol. 5 (2009), v+45 pp. © 2009 The editors and contributors. Published by Northern European Association for Language Technology (NEALT) http://omilia.uio.no/nealt . Electronically published at Tartu University Library (Estonia) http://hdl.handle.net/10062/9207

Statistical morphological disambiguation with application to disambiguation of pronunciations in Turkish /

The statistical morphological disambiguation of agglutinative languages suffers from data sparseness. In this study, we introduce the notion of distinguishing tag sets (DTS) to overcome the problem. The morphological analyses of words are modeled with DTS and the root major part-of-speech tags. The disambiguator based on the introduced representations performs the statistical morphological disambiguation of Turkish with a recall of as high as 95.69 percent. In text-to-speech systems and in developing transcriptions for acoustic speech data, the problem occurs in disambiguating the pronunciation of a token in context, so that the correct pronunciation can be produced or the transcription uses the correct set of phonemes. We apply the morphological disambiguator to this problem of pronunciation disambiguation and achieve 99.54 percent recall with 97.95 percent precision. Most text-to-speech systems perform phrase level accentuation based on content word/function word distinction. This approach seems easy and adequate for some right headed languages such as English but is not suitable for languages such as Turkish. We then use a a heuristic approach to mark up the phrase boundaries based on dependency parsing on a basis of phrase level accentuation for Turkish TTS synthesizers

Conveying expressivity and vocal effort transformation in synthetic speech with Harmonic plus Noise Models

Aquesta tesi s'ha dut a terme dins del Grup en de Tecnologies Mèdia (GTM) de l'Escola d'Enginyeria i Arquitectura la Salle. El grup te una llarga trajectòria dins del cap de la síntesi de veu i fins i tot disposa d'un sistema propi de síntesi per concatenació d'unitats (US-TTS) que permet sintetitzar diferents estils expressius usant múltiples corpus. De forma que per a realitzar una síntesi agressiva, el sistema usa el corpus de l'estil agressiu, i per a realitzar una síntesi sensual, usa el corpus de l'estil corresponent. Aquesta tesi pretén proposar modificacions del esquema del US-TTS que permetin millorar la flexibilitat del sistema per sintetitzar múltiples expressivitats usant només un únic corpus d'estil neutre. L'enfoc seguit en aquesta tesi es basa en l'ús de tècniques de processament digital del senyal (DSP) per aplicar modificacions de senyal a la veu sintetitzada per tal que aquesta expressi l'estil de parla desitjat. Per tal de dur a terme aquestes modificacions de senyal s'han usat els models harmònic més soroll per la seva flexibilitat a l'hora de realitzar modificacions de senyal. La qualitat de la veu (VoQ) juga un paper important en els diferents estils expressius. És per això que es va estudiar la síntesi de diferents emocions mitjançant la modificació de paràmetres de VoQ de baix nivell. D'aquest estudi es van identificar un conjunt de limitacions que van donar lloc als objectius d'aquesta tesi, entre ells el trobar un paràmetre amb gran impacte sobre els estils expressius. Per aquest fet l'esforç vocal (VE) es va escollir per el seu paper important en la parla expressiva. Primer es va estudiar la possibilitat de transferir l'VE entre dues realitzacions amb diferent VE de la mateixa paraula basant-se en la tècnica de predicció lineal adaptativa del filtre de pre-èmfasi (APLP). La proposta va permetre transferir l'VE correctament però presentava limitacions per a poder generar nivells intermitjos d'VE. Amb la finalitat de millorar la flexibilitat i control de l'VE expressat a la veu sintetitzada, es va proposar un nou model d'VE basat en polinomis lineals. Aquesta proposta va permetre transferir l'VE entre dues paraules qualsevols i sintetitzar nous nivells d'VE diferents dels disponibles al corpus. Aquesta flexibilitat esta alineada amb l'objectiu general d'aquesta tesi, permetre als sistemes US-TTS sintetitzar diferents estils expressius a partir d'un únic corpus d'estil neutre. La proposta realitzada també inclou un paràmetre que permet controlar fàcilment el nivell d'VE sintetitzat. Això obre moltes possibilitats per controlar fàcilment el procés de síntesi tal i com es va fer al projecte CreaVeu usant interfícies gràfiques simples i intuïtives, també realitzat dins del grup GTM. Aquesta memòria conclou presentant el treball realitzat en aquesta tesi i amb una proposta de modificació de l'esquema d'un sistema US-TTS per incloure els blocs de DSP desenvolupats en aquesta tesi que permetin al sistema sintetitzar múltiple nivells d'VE a partir d'un corpus d'estil neutre. Això obre moltes possibilitats per generar interfícies d'usuari que permetin controlar fàcilment el procés de síntesi, tal i com es va fer al projecte CreaVeu, també realitzat dins del grup GTM. Aquesta memòria conclou presentant el treball realitzat en aquesta tesi i amb una proposta de modificació de l'esquema del sistema US-TTS per incloure els blocs de DSP desenvolupats en aquesta tesi que permetin al sistema sintetitzar múltiple nivells d'VE a partir d'un corpus d'estil neutre.Esta tesis se llevó a cabo en el Grup en Tecnologies Mèdia de la Escuela de Ingeniería y Arquitectura la Salle. El grupo lleva una larga trayectoria dentro del campo de la síntesis de voz y cuenta con su propio sistema de síntesis por concatenación de unidades (US-TTS). El sistema permite sintetizar múltiples estilos expresivos mediante el uso de corpus específicos para cada estilo expresivo. De este modo, para realizar una síntesis agresiva, el sistema usa el corpus de este estilo, y para un estilo sensual, usa otro corpus específico para ese estilo. La presente tesis aborda el problema con un enfoque distinto proponiendo cambios en el esquema del sistema con el fin de mejorar la flexibilidad para sintetizar múltiples estilos expresivos a partir de un único corpus de estilo de habla neutro. El planteamiento seguido en esta tesis esta basado en el uso de técnicas de procesamiento de señales (DSP) para llevar a cabo modificaciones del señal de voz para que este exprese el estilo de habla deseado. Para llevar acabo las modificaciones de la señal de voz se han usado los modelos harmónico más ruido (HNM) por su flexibilidad para efectuar modificaciones de señales. La cualidad de la voz (VoQ) juega un papel importante en diferentes estilos expresivos. Por ello se exploró la síntesis expresiva basada en modificaciones de parámetros de bajo nivel de la VoQ. Durante este estudio se detectaron diferentes problemas que dieron pié a los objetivos planteados en esta tesis, entre ellos el encontrar un único parámetro con fuerte influencia en la expresividad. El parámetro seleccionado fue el esfuerzo vocal (VE) por su importante papel a la hora de expresar diferentes emociones. Las primeras pruebas se realizaron con el fin de transferir el VE entre dos realizaciones con diferente grado de VE de la misma palabra usando una metodología basada en un proceso filtrado de pre-émfasis adaptativo con coeficientes de predicción lineales (APLP). Esta primera aproximación logró transferir el nivel de VE entre dos realizaciones de la misma palabra, sin embargo el proceso presentaba limitaciones para generar niveles de esfuerzo vocal intermedios. A fin de mejorar la flexibilidad y el control del sistema para expresar diferentes niveles de VE, se planteó un nuevo modelo de VE basado en polinomios lineales. Este modelo permitió transferir el VE entre dos palabras diferentes e incluso generar nuevos niveles no presentes en el corpus usado para la síntesis. Esta flexibilidad está alineada con el objetivo general de esta tesis de permitir a un sistema US-TTS expresar múltiples estilos de habla expresivos a partir de un único corpus de estilo neutro. Además, la metodología propuesta incorpora un parámetro que permite de forma sencilla controlar el nivel de VE expresado en la voz sintetizada. Esto abre la posibilidad de controlar fácilmente el proceso de síntesis tal y como se hizo en el proyecto CreaVeu usando interfaces simples e intuitivas, también realizado dentro del grupo GTM. Esta memoria concluye con una revisión del trabajo realizado en esta tesis y con una propuesta de modificación de un esquema de US-TTS para expresar diferentes niveles de VE a partir de un único corpus neutro.This thesis was conducted in the Grup en Tecnologies M`edia (GTM) from Escola d’Enginyeria i Arquitectura la Salle. The group has a long trajectory in the speech synthesis field and has developed their own Unit-Selection Text-To-Speech (US-TTS) which is able to convey multiple expressive styles using multiple expressive corpora, one for each expressive style. Thus, in order to convey aggressive speech, the US-TTS uses an aggressive corpus, whereas for a sensual speech style, the system uses a sensual corpus. Unlike that approach, this dissertation aims to present a new schema for enhancing the flexibility of the US-TTS system for performing multiple expressive styles using a single neutral corpus. The approach followed in this dissertation is based on applying Digital Signal Processing (DSP) techniques for carrying out speech modifications in order to synthesize the desired expressive style. For conducting the speech modifications the Harmonics plus Noise Model (HNM) was chosen for its flexibility in conducting signal modifications. Voice Quality (VoQ) has been proven to play an important role in different expressive styles. Thus, low-level VoQ acoustic parameters were explored for conveying multiple emotions. This raised several problems setting new objectives for the rest of the thesis, among them finding a single parameter with strong impact on the expressive style conveyed. Vocal Effort (VE) was selected for conducting expressive speech style modifications due to its salient role in expressive speech. The first approach working with VE was based on transferring VE between two parallel utterances based on the Adaptive Pre-emphasis Linear Prediction (APLP) technique. This approach allowed transferring VE but the model presented certain restrictions regarding its flexibility for generating new intermediate VE levels. Aiming to improve the flexibility and control of the conveyed VE, a new approach using polynomial model for modelling VE was presented. This model not only allowed transferring VE levels between two different utterances, but also allowed to generate other VE levels than those present in the speech corpus. This is aligned with the general goal of this thesis, allowing US-TTS systems to convey multiple expressive styles with a single neutral corpus. Moreover, the proposed methodology introduces a parameter for controlling the degree of VE in the synthesized speech signal. This opens new possibilities for controlling the synthesis process such as the one in the CreaVeu project using a simple and intuitive graphical interfaces, also conducted in the GTM group. The dissertation concludes with a review of the conducted work and a proposal for schema modifications within a US-TTS system for introducing the VE modification blocks designed in this dissertation

Learning disentangled speech representations

A variety of informational factors are contained within the speech signal and a single short recording of speech reveals much more than the spoken words. The best method to extract and represent informational factors from the speech signal ultimately depends on which informational factors are desired and how they will be used. In addition, sometimes methods will capture more than one informational factor at the same time such as speaker identity, spoken content, and speaker prosody. The goal of this dissertation is to explore different ways to deconstruct the speech signal into abstract representations that can be learned and later reused in various speech technology tasks. This task of deconstructing, also known as disentanglement, is a form of distributed representation learning. As a general approach to disentanglement, there are some guiding principles that elaborate what a learned representation should contain as well as how it should function. In particular, learned representations should contain all of the requisite information in a more compact manner, be interpretable, remove nuisance factors of irrelevant information, be useful in downstream tasks, and independent of the task at hand. The learned representations should also be able to answer counter-factual questions. In some cases, learned speech representations can be re-assembled in different ways according to the requirements of downstream applications. For example, in a voice conversion task, the speech content is retained while the speaker identity is changed. And in a content-privacy task, some targeted content may be concealed without affecting how surrounding words sound. While there is no single-best method to disentangle all types of factors, some end-to-end approaches demonstrate a promising degree of generalization to diverse speech tasks. This thesis explores a variety of use-cases for disentangled representations including phone recognition, speaker diarization, linguistic code-switching, voice conversion, and content-based privacy masking. Speech representations can also be utilised for automatically assessing the quality and authenticity of speech, such as automatic MOS ratings or detecting deep fakes. The meaning of the term "disentanglement" is not well defined in previous work, and it has acquired several meanings depending on the domain (e.g. image vs. speech). Sometimes the term "disentanglement" is used interchangeably with the term "factorization". This thesis proposes that disentanglement of speech is distinct, and offers a viewpoint of disentanglement that can be considered both theoretically and practically