A detection-based pattern recognition framework and its applications

The objective of this dissertation is to present a detection-based pattern recognition framework and demonstrate its applications in automatic speech recognition and broadcast news video story segmentation. Inspired by the studies of modern cognitive psychology and real-world pattern recognition systems, a detection-based pattern recognition framework is proposed to provide an alternative solution for some complicated pattern recognition problems. The primitive features are first detected and the task-specific knowledge hierarchy is constructed level by level; then a variety of heterogeneous information sources are combined together and the high-level context is incorporated as additional information at certain stages. A detection-based framework is a â divide-and-conquerâ design paradigm for pattern recognition problems, which will decompose a conceptually difficult problem into many elementary sub-problems that can be handled directly and reliably. Some information fusion strategies will be employed to integrate the evidence from a lower level to form the evidence at a higher level. Such a fusion procedure continues until reaching the top level. Generally, a detection-based framework has many advantages: (1) more flexibility in both detector design and fusion strategies, as these two parts can be optimized separately; (2) parallel and distributed computational components in primitive feature detection. In such a component-based framework, any primitive component can be replaced by a new one while other components remain unchanged; (3) incremental information integration; (4) high level context information as additional information sources, which can be combined with bottom-up processing at any stage. This dissertation presents the basic principles, criteria, and techniques for detector design and hypothesis verification based on the statistical detection and decision theory. In addition, evidence fusion strategies were investigated in this dissertation. Several novel detection algorithms and evidence fusion methods were proposed and their effectiveness was justified in automatic speech recognition and broadcast news video segmentation system. We believe such a detection-based framework can be employed in more applications in the future.Ph.D.Committee Chair: Lee, Chin-Hui; Committee Member: Clements, Mark; Committee Member: Ghovanloo, Maysam; Committee Member: Romberg, Justin; Committee Member: Yuan, Min

Simple acoustic features can explain phoneme-based predictions of cortical responses to speech

When we listen to speech, we have to make sense of a waveform of sound pressure. Hierarchical models of speech perception assume that, to extract semantic meaning, the signal is transformed into unknown, intermediate neuronal representations. Traditionally, studies of such intermediate representations are guided by linguistically defined concepts, such as phonemes. Here, we argue that in order to arrive at an unbiased understanding of the neuronal responses to speech, we should focus instead on representations obtained directly from the stimulus. We illustrate our view with a data-driven, information theoretic analysis of a dataset of 24 young, healthy humans who listened to a 1 h narrative while their magnetoencephalogram (MEG) was recorded. We find that two recent results, the improved performance of an encoding model in which annotated linguistic and acoustic features were combined and the decoding of phoneme subgroups from phoneme-locked responses, can be explained by an encoding model that is based entirely on acoustic features. These acoustic features capitalize on acoustic edges and outperform Gabor-filtered spectrograms, which can explicitly describe the spectrotemporal characteristics of individual phonemes. By replicating our results in publicly available electroencephalography (EEG) data, we conclude that models of brain responses based on linguistic features can serve as excellent benchmarks. However, we believe that in order to further our understanding of human cortical responses to speech, we should also explore low-level and parsimonious explanations for apparent high-level phenomena

Discovering a Domain Knowledge Representation for Image Grouping: Multimodal Data Modeling, Fusion, and Interactive Learning

In visually-oriented specialized medical domains such as dermatology and radiology, physicians explore interesting image cases from medical image repositories for comparative case studies to aid clinical diagnoses, educate medical trainees, and support medical research. However, general image classification and retrieval approaches fail in grouping medical images from the physicians\u27 viewpoint. This is because fully-automated learning techniques cannot yet bridge the gap between image features and domain-specific content for the absence of expert knowledge. Understanding how experts get information from medical images is therefore an important research topic. As a prior study, we conducted data elicitation experiments, where physicians were instructed to inspect each medical image towards a diagnosis while describing image content to a student seated nearby. Experts\u27 eye movements and their verbal descriptions of the image content were recorded to capture various aspects of expert image understanding. This dissertation aims at an intuitive approach to extracting expert knowledge, which is to find patterns in expert data elicited from image-based diagnoses. These patterns are useful to understand both the characteristics of the medical images and the experts\u27 cognitive reasoning processes. The transformation from the viewed raw image features to interpretation as domain-specific concepts requires experts\u27 domain knowledge and cognitive reasoning. This dissertation also approximates this transformation using a matrix factorization-based framework, which helps project multiple expert-derived data modalities to high-level abstractions. To combine additional expert interventions with computational processing capabilities, an interactive machine learning paradigm is developed to treat experts as an integral part of the learning process. Specifically, experts refine medical image groups presented by the learned model locally, to incrementally re-learn the model globally. This paradigm avoids the onerous expert annotations for model training, while aligning the learned model with experts\u27 sense-making

Semantic Attributes for Transfer Learning in Visual Recognition

Angetrieben durch den Erfolg von Deep Learning Verfahren wurden in Bezug auf künstliche Intelligenz erhebliche Fortschritte im Bereich des Maschinenverstehens gemacht. Allerdings sind Tausende von manuell annotierten Trainingsdaten zwingend notwendig, um die Generalisierungsfähigkeit solcher Modelle sicherzustellen. Darüber hinaus muss das Modell jedes Mal komplett neu trainiert werden, sobald es auf eine neue Problemklasse angewandt werden muss. Dies führt wiederum dazu, dass der sehr kostenintensive Prozess des Sammelns und Annotierens von Trainingsdaten wiederholt werden muss, wodurch die Skalierbarkeit solcher Modelle erheblich begrenzt wird. Auf der anderen Seite bearbeiten wir Menschen neue Aufgaben nicht isoliert, sondern haben die bemerkenswerte Fähigkeit, auf bereits erworbenes Wissen bei der Lösung neuer Probleme zurückzugreifen. Diese Fähigkeit wird als Transfer-Learning bezeichnet. Sie ermöglicht es uns, schneller, besser und anhand nur sehr weniger Beispiele Neues zu lernen. Daher besteht ein großes Interesse, diese Fähigkeit durch Algorithmen nachzuahmen, insbesondere in Bereichen, in denen Trainingsdaten sehr knapp oder sogar nicht verfügbar sind. In dieser Arbeit untersuchen wir Transfer-Learning im Kontext von Computer Vision. Insbesondere untersuchen wir, wie visuelle Erkennung (z.B. Objekt- oder Aktionsklassifizierung) durchgeführt werden kann, wenn nur wenige oder keine Trainingsbeispiele existieren. Eine vielversprechende Lösung in dieser Richtung ist das Framework der semantischen Attribute. Dabei werden visuelle Kategorien in Form von Attributen wie Farbe, Muster und Form beschrieben. Diese Attribute können aus einer disjunkten Menge von Trainingsbeispielen gelernt werden. Da die Attribute eine doppelte, d.h. sowohl visuelle als auch semantische, Interpretation haben, kann Sprache effektiv genutzt werden, um den Übertragungsprozess zu steuern. Dies bedeutet, dass Modelle für eine neue visuelle Kategorie nur anhand der sprachlichen Beschreibung erstellt werden können, indem relevante Attribute selektiert und auf die neue Kategorie übertragen werden. Die Notwendigkeit von Trainingsbildern entfällt durch diesen Prozess jedoch vollständig. In dieser Arbeit stellen wir neue Lösungen vor, semantische Attribute zu modellieren, zu übertragen, automatisch mit visuellen Kategorien zu assoziieren, und aus sprachlichen Beschreibungen zu erkennen. Zu diesem Zweck beleuchten wir die attributbasierte Erkennung aus den folgenden vier Blickpunkten: 1) Anders als das gängige Modell, bei dem Attribute global gelernt werden müssen, stellen wir einen hierarchischen Ansatz vor, der es ermöglicht, die Attribute auf verschiedenen Abstraktionsebenen zu lernen. Wir zeigen zudem, wie die Struktur zwischen den Kategorien effektiv genutzt werden kann, um den Lern- und Transferprozess zu steuern und damit diskriminative Modelle für neue Kategorien zu erstellen. Mit einer gründlichen experimentellen Analyse demonstrieren wir eine deutliche Verbesserung unseres Modells gegenüber dem globalen Ansatz, insbesondere bei der Erkennung detailgenauer Kategorien. 2) In vorherrschend attributbasierten Transferansätzen überwacht der Benutzer die Zuordnung zwischen den Attributen und den Kategorien. Wir schlagen in dieser Arbeit vor, die Verbindung zwischen den beiden automatisch und ohne Benutzereingriff herzustellen. Unser Modell erfasst die semantischen Beziehungen, welche die Attribute mit Objekten koppeln, um ihre Assoziationen vorherzusagen und unüberwacht auszuwählen welche Attribute übertragen werden sollen. 3) Wir umgehen die Notwendigkeit eines vordefinierten Vokabulars von Attributen. Statt dessen schlagen wir vor, Enyzklopädie-Artikel zu verwenden, die Objektkategorien in einem freien Text beschreiben, um automatisch eine Menge von diskriminanten, salienten und vielfältigen Attributen zu entdecken. Diese Beseitigung des Bedarfs eines benutzerdefinierten Vokabulars ermöglicht es uns, das Potenzial attributbasierter Modelle im Kontext sehr großer Datenmengen vollends auszuschöpfen. 4) Wir präsentieren eine neuartige Anwendung semantischer Attribute in der realen Welt. Wir schlagen das erste Verfahren vor, welches automatisch Modestile lernt, und vorhersagt, wie sich ihre Beliebtheit in naher Zukunft entwickeln wird. Wir zeigen, dass semantische Attribute interpretierbare Modestile liefern und zu einer besseren Vorhersage der Beliebtheit von visuellen Stilen im Vergleich zu anderen Darstellungen führen

A Review of Deep Learning Techniques for Speech Processing

The field of speech processing has undergone a transformative shift with the advent of deep learning. The use of multiple processing layers has enabled the creation of models capable of extracting intricate features from speech data. This development has paved the way for unparalleled advancements in speech recognition, text-to-speech synthesis, automatic speech recognition, and emotion recognition, propelling the performance of these tasks to unprecedented heights. The power of deep learning techniques has opened up new avenues for research and innovation in the field of speech processing, with far-reaching implications for a range of industries and applications. This review paper provides a comprehensive overview of the key deep learning models and their applications in speech-processing tasks. We begin by tracing the evolution of speech processing research, from early approaches, such as MFCC and HMM, to more recent advances in deep learning architectures, such as CNNs, RNNs, transformers, conformers, and diffusion models. We categorize the approaches and compare their strengths and weaknesses for solving speech-processing tasks. Furthermore, we extensively cover various speech-processing tasks, datasets, and benchmarks used in the literature and describe how different deep-learning networks have been utilized to tackle these tasks. Additionally, we discuss the challenges and future directions of deep learning in speech processing, including the need for more parameter-efficient, interpretable models and the potential of deep learning for multimodal speech processing. By examining the field's evolution, comparing and contrasting different approaches, and highlighting future directions and challenges, we hope to inspire further research in this exciting and rapidly advancing field

Development of a Self-Learning Approach Applied to Pattern Recognition and Fuzzy Control

Systeme auf Basis von Fuzzy-Regeln sind in der Entwicklung der Mustererkennung und Steuersystemen weit verbreitet verwendet. Die meisten aktuellen Methoden des Designs der Fuzzy-Regel-basierte Systeme leiden unter folgenden Problemen 1. Das Verfahren der Fuzzifizierung berücksichtigt weder die statistischen Eigenschaften noch reale Verteilung der betrachteten Daten / Signale nicht. Daher sind die generierten Fuzzy- Zugehörigkeitsfunktionen nicht wirklich in der Lage, diese Daten zu äußern. Darüber hinaus wird der Prozess der Fuzzifizierung manuell definiert. 2. Die ursprüngliche Größe der Regelbasis ist pauschal bestimmt. Diese Feststellung bedeutet, dass dieses Verfahren eine Redundanz in den verwendeten Regeln produzieren kann. Somit wird diese Redundanz zum Auftreten der Probleme von Komplexität und Dimensionalität führen. Der Prozess der Vermeidung dieser Probleme durch das Auswahlverfahren der einschlägigen Regeln kann zum Rechenaufwandsproblem führen. 3. Die Form der Fuzzy-Regel leidet unter dem Problem des Verlusts von Informationen, was wiederum zur Zuschreibung diesen betrachteten Variablen anderen unrealen Bereich führen kann. 4. Ferner wird die Anpassung der Fuzzy- Zugehörigkeitsfunktionen mit den Problemen von Komplexität und Rechenaufwand, wegen der damit verbundenen Iteration und mehrerer Parameter, zugeordnet. Auch wird diese Anpassung im Bereich jeder einzelner Regel realisiert; das heißt, der Anpassungsprozess im Bereich der gesamten Fuzzy-Regelbasis wird nicht durchgeführt

Low-Resource Unsupervised NMT:Diagnosing the Problem and Providing a Linguistically Motivated Solution

Unsupervised Machine Translation hasbeen advancing our ability to translatewithout parallel data, but state-of-the-artmethods assume an abundance of mono-lingual data. This paper investigates thescenario where monolingual data is lim-ited as well, finding that current unsuper-vised methods suffer in performance un-der this stricter setting. We find that theperformance loss originates from the poorquality of the pretrained monolingual em-beddings, and we propose using linguis-tic information in the embedding train-ing scheme. To support this, we look attwo linguistic features that may help im-prove alignment quality: dependency in-formation and sub-word information. Us-ing dependency-based embeddings resultsin a complementary word representationwhich offers a boost in performance ofaround 1.5 BLEU points compared to stan-dardWORD2VECwhen monolingual datais limited to 1 million sentences per lan-guage. We also find that the inclusion ofsub-word information is crucial to improv-ing the quality of the embedding