Real-time decoding of question-and-answer speech dialogue using human cortical activity.

Natural communication often occurs in dialogue, differentially engaging auditory and sensorimotor brain regions during listening and speaking. However, previous attempts to decode speech directly from the human brain typically consider listening or speaking tasks in isolation. Here, human participants listened to questions and responded aloud with answers while we used high-density electrocorticography (ECoG) recordings to detect when they heard or said an utterance and to then decode the utterance's identity. Because certain answers were only plausible responses to certain questions, we could dynamically update the prior probabilities of each answer using the decoded question likelihoods as context. We decode produced and perceived utterances with accuracy rates as high as 61% and 76%, respectively (chance is 7% and 20%). Contextual integration of decoded question likelihoods significantly improves answer decoding. These results demonstrate real-time decoding of speech in an interactive, conversational setting, which has important implications for patients who are unable to communicate

Language Identification Using Visual Features

Automatic visual language identification (VLID) is the technology of using information derived from the visual appearance and movement of the speech articulators to iden- tify the language being spoken, without the use of any audio information. This technique for language identification (LID) is useful in situations in which conventional audio processing is ineffective (very noisy environments), or impossible (no audio signal is available). Research in this field is also beneficial in the related field of automatic lip-reading. This paper introduces several methods for visual language identification (VLID). They are based upon audio LID techniques, which exploit language phonology and phonotactics to discriminate languages. We show that VLID is possible in a speaker-dependent mode by discrimi- nating different languages spoken by an individual, and we then extend the technique to speaker-independent operation, taking pains to ensure that discrimination is not due to artefacts, either visual (e.g. skin-tone) or audio (e.g. rate of speaking). Although the low accuracy of visual speech recognition currently limits the performance of VLID, we can obtain an error-rate of < 10% in discriminating between Arabic and English on 19 speakers and using about 30s of visual speech

Visual units and confusion modelling for automatic lip-reading

Automatic lip-reading (ALR) is a challenging task because the visual speech signal is known to be missing some important information, such as voicing. We propose an approach to ALR that acknowledges that this information is missing but assumes that it is substituted or deleted in a systematic way that can be modelled. We describe a system that learns such a model and then incorporates it into decoding, which is realised as a cascade of weighted finite-state transducers. Our results show a small but statistically significant improvement in recognition accuracy. We also investigate the issue of suitable visual units for ALR, and show that visemes are sub-optimal, not but because they introduce lexical ambiguity, but because the reduction in modelling units entailed by their use reduces accuracy

Speech recognition systems and russian pronunciation variation in the context of VoiceInteraction

The present thesis aims to describe the work performed during the internship for the master’s degree in Linguistics at VoiceInteraction, an international Artificial Intelligence (AI) company, specializing in developing speech processing technologies. The goal of the internship was to study phonetic characteristics of the Russian language, attending to four main tasks: description of the phonetic-phonological inventory; validation of transcriptions of broadcast news; validation of a previously created lexicon composed by ten thousand (10 000) most frequently observed words in a text corpus crawled from Russian reference newspapers websites; and integration of filled pauses into the Automatic Speech Recognizer (ASR). Initially, a collection of audio and text broadcast news media from Russian-speaking regions, European Russian, Belarus, and the Caucasus Region, featuring different varieties of Russian was conducted. The extracted data and the company's existing data were used to train the acoustic, pronunciation, and language models. The audio data was automatically processed in a proprietary platform and then revised by human annotators. Transcriptions produced automatically and reviewed by annotators were analyzed, and the most common errors were extracted to provide feedback to the community of annotators. The validation of transcriptions, along with the annotation of all of the disfluencies (that previously were left out), resulted in the decrease of Word Error Rate (WER) in most cases. In some cases (in European Russian transcriptions), WER increased, the models were not sufficiently effective to identify the correct words, potentially problematic. Also, audio with overlapped speech, disfluencies, and acoustic events can impact the WER. Since we used the model that was only trained with European Russian to recognize other varieties of Russian language, it resulted in high WER for Belarus and the Caucasus region. The characterization of the Russian phonetic-phonological inventory and the construction of pronunciation rules for internal and external sandhi phenomena were performed for the validation of the lexicon – ten thousand of the most frequently observed words in a text corpus crawled from Russian reference newspapers websites, were revised and modified for the extraction of linguistic patterns to be used in a statistical Grapheme-to-phone (G2P) model. Two evaluations were conducted: before the modifications to the lexicon and after. Preliminary results without training the model show no significant results - 19.85% WER before the modifications, and 19.97% WER after, with a difference of 0.12%. However, we observed a slight improvement of the most frequent words. In the future, we aim to extend the analysis of the lexicon to the 400 000 entries (total lexicon size), analyze the type of errors that are produced, decrease the word error rate (WER), and analyze acoustic models, as well. In this work, we also studied filled pauses, since we believe that research on filled pauses for the Russian language can improve the recognition system of VoiceInteraction, by reducing the processing time and increasing the quality. These are marked in the transcriptions with “%”. In Russian, according to the literature (Ten, 2015; Harlamova, 2008; Bogradonova-Belgarian & Baeva, 2018), these are %a [a], %am [am], %@ [ə], %@m [əm], %e [e], %ɨ [ɨ], %m [m], and %n [n]. In the speech data, two more filled pauses were found, namely, %na [na] and %mna [mna], as far as we know, not yet referenced in the literature. Finally, the work performed during an internship contributed to a European project - Artificial Intelligence and Advanced Data Analysis for Authority Agencies (AIDA). The main goal of the present project is to build a solution capable of automating the processing of large amounts of data that Law Enforcement Agencies (LEAs) have to analyze in the investigations of Terrorism and Cybercrime, using pioneering machine learning and artificial intelligence methods. VoiceInteraction's main contribution to the project was to apply ASR and validate the transcriptions of the Russian (religious-related content). In order to do so, all the tasks performed during the thesis were very relevant and applied in the scope of the AIDA project. Transcription analysis results from the AIDA project showed a high Out-of-Vocabulary (OOV) rate and high substitution (SUBS) rate. Since the language model used in this project was adapted for broadcast content, the religious-related words were left out. Also, function words were incorrectly recognized, in most cases, due to coarticulation with the previous or the following word.A presente tese descreve o trabalho que foi realizado no âmbito de um estágio em linguística computacional na VoiceInteraction, uma empresa de tecnologias de processamento de fala. Desde o início da sua atividade, a empresa tem-se dedicado ao desenvolvimento de tecnologia própria em várias áreas do processamento computacional da fala, entre elas, síntese de fala, processamento de língua natural e reconhecimento automático de fala, representando esta última a principal área de negócio da empresa. A tecnologia de reconhecimento de automático de fala da VoiceInteraction explora a utilização de modelos híbridos em combinação com as redes neuronais (DNN - Deep Neural Networks), que, segundo Lüscher et al. (2019), apresenta um melhor desempenho, quando comparado com modelos de end-to-end apenas. O objetivo principal do estágio focou-se no estudo da fonética da língua russa, atendendo a quatro tarefas: criação do inventário fonético-fonológico; validação das transcrições de noticiários; validação do léxico previamente criado e integração de pausas preenchidas no sistema. Inicialmente, foi realizada uma recolha dos principais meios de comunicação (áudio e texto), apresentando diferentes variedades do russo, nomeadamente, da Rússia Europeia, Bielorrússia e Cáucaso Central. Na Rússia europeia o russo é a língua oficial, na Bielorrússia o russo faz parte das línguas oficiais do país, e na região do Cáucaso Central, o russo é usado como língua franca, visto que este era falado na União Soviética e continua até hoje a ser falado nas regiões pós-Soviéticas. Tratou-se de abranger a maior cobertura possível da língua russa e neste momento apenas foi possível recolher os dados das variedades mencionadas. Os dados extraídos de momento, juntamente com os dados já existentes na empresa, foram utilizados no treino dos modelos acústicos, modelos de pronúncia e modelos de língua. Para o tratamento dos dados de áudio, estes foram inseridos numa plataforma proprietária da empresa, Calligraphus, que, para além de fornecer uma interface de transcrição para os anotadores humanos poderem transcrever os conteúdos, efetua também uma sugestão de transcrição automática desses mesmos conteúdos, a fim de diminuir o esforço despendido pelos anotadores na tarefa. De seguida, as transcrições foram analisadas, de forma a garantir que o sistema de anotação criado pela VoiceInteraction foi seguido, indicando todas as disfluências de fala (fenómenos característicos da edição da fala), tais como prolongamentos, pausas preenchidas, repetições, entre outros e transcrevendo a fala o mais próximo da realidade. Posteriormente, os erros sistemáticos foram analisados e exportados, de forma a fornecer orientações e sugestões de melhoria aos anotadores humanos e, por outro lado, melhorar o desempenho do sistema de reconhecimento. Após a validação das transcrições, juntamente com a anotação de todas as disfluências (que anteriormente eram deixadas de fora), observamos uma diminuição de WER, na maioria dos casos, tal como esperado. Porém, em alguns casos, observamos um aumento do WER. Apesar das correções efetuadas aos ficheiros analisados, os modelos não foram suficientemente eficazes no reconhecimento das palavras corretas, potencialmente problemáticas. A elevada taxa de WER nos áudios com debates políticos, está relacionada com uma maior frequência de fala sobreposta e disfluências (e.g., pausas preenchidas, prolongamentos). O modelo utilizado para reconhecer todas as variedades foi treinado apenas com a variedade de russo europeu e, por isso, o WER alto também foi observado para as variedades da Bielorrússia e para a região do Cáucaso. Numa perspetiva baseada em dados coletados pela empresa, foi realizada, de igual modo, uma caracterização e descrição do inventário fonético-fonológico do russo e a construção de regras de pronúncia, para fenómenos de sandhi interno e externo (Shcherba, 1957; Litnevskaya, 2006; Lekant, 2007; Popov, 2014). A empresa já empregava, através de um G2P estatístico específico para russo, um inventário fonético para o russo, correspondente à literatura referida anteriormente, mas o mesmo ainda não havia sido validado. Foi possível realizar uma verificação e correção, com base na caracterização dos fones do léxico do russo e nos dados ecológicos obtidos de falantes russos em situações comunicativas diversas. A validação do inventário fonético-fonológico permitiu ainda a consequente validação do léxico de russo. O léxico foi construído com base num conjunto de características (e.g., grafema em posição átona tem como pronúncia correspondente o fone [I] e em posição tónica - [i]; o grafema em posição final de palavra é pronunciado como [- vozeado] - [f]; entre outras características) e foi organizado com base no critério da frequência de uso. No total, foram verificadas dez mil (10 000) palavras mais frequentes do russo, tendo por base as estatísticas resultantes da análise dos conteúdos existentes num repositório de artigos de notícias recolhidos previamente de jornais de referência em língua russa. Foi realizada uma avaliação do sistema de reconhecimento antes e depois da modificação das dez mil palavras mais frequentemente ocorridas no léxico - 19,85% WER antes das modificações, e 19,97% WER depois, com uma diferença de 0,12%. Os resultados preliminares, sem o treino do modelo, não demonstram resultados significativos, porém, observamos uma ligeira melhoria no reconhecimento das palavras mais frequentes, tais como palavras funcionais, acrónimos, verbos, nomes, entre outros. Através destes resultados e com base nas regras criadas a partir da correção das dez mil palavras, pretendemos, no futuro, alargar as mesmas a todo o léxico, constituído por quatrocentas mil (400 000) entradas. Após a validação das transcrições e do léxico, com base na literatura, foi também possível realizar uma análise das pausas preenchidas do russo para a integração no sistema de reconhecimento. O interesse de se incluir também as pausas no reconhecedor automático deveu-se sobretudo a estes mecanismos serem difíceis de identificar automaticamente e poderem ser substituídos ou por afetarem as sequências adjacentes. De acordo com o sistema de anotação da empresa, as pausas preenchidas são marcadas na transcrição com o símbolo de percentagem - %. As pausas preenchidas do russo encontradas na literatura foram %a [a], %am [am] (Rose, 1998; Ten, 2015), %@ [ə], %@m [əm] (Bogdanova-Beglarian & Baeva, 2018) %e [e], %ɨ [ɨ], %m [m] e %n [n] (Harlamova, 2008). Nos dados de áudio disponíveis na referida plataforma, para além das pausas preenchidas mencionadas, foram encontradas mais duas, nomeadamente, %na [na] e %mna [mna], até quanto nos é dado saber, ainda não descritas na literatura. De momento, todas as pausas preenchidas referidas já fazem parte dos modelos de reconhecimento automático de fala para a língua russa. O trabalho desenvolvido durante o estágio, ou seja, a validação dos dados existentes na empresa, foi aplicado ao projeto europeu AIDA - The Artificial Intelligence and Advanced Data Analysis for Authority Agencies. O objetivo principal do presente projeto é de criar uma solução capaz de detetar possíveis crimes informáticos e de terrorismo, utilizando métodos de aprendizagem automática. A principal contribuição da VoiceInteraction para o projeto foi a aplicação do ASR e validação das transcrições do russo (conteúdo relacionado com a religião). Para tal, todas as tarefas realizadas durante a tese foram muito relevantes e aplicadas no âmbito do projeto AIDA. Os resultados da validação das transcrições do projeto, mostraram uma elevada taxa de palavras Fora de Vocabulário (OOV) e uma elevada taxa de Substituição (SUBS). Uma vez que o modelo de língua utilizado neste projeto foi adaptado ao conteúdo noticioso, as palavras relacionadas com a religião não se encontravam neste. Além disso, as palavras funcionais foram incorretamente reconhecidas, na maioria dos casos, devido à coarticulação com a palavra anterior ou a seguinte

Semisupervised Speech Data Extraction from Basque Parliament Sessions and Validation on Fully Bilingual Basque–Spanish ASR

In this paper, a semisupervised speech data extraction method is presented and applied to create a new dataset designed for the development of fully bilingual Automatic Speech Recognition (ASR) systems for Basque and Spanish. The dataset is drawn from an extensive collection of Basque Parliament plenary sessions containing frequent code switchings. Since session minutes are not exact, only the most reliable speech segments are kept for training. To that end, we use phonetic similarity scores between nominal and recognized phone sequences. The process starts with baseline acoustic models trained on generic out-of-domain data, then iteratively updates the models with the extracted data and applies the updated models to refine the training dataset until the observed improvement between two iterations becomes small enough. A development dataset, involving five plenary sessions not used for training, has been manually audited for tuning and evaluation purposes. Cross-validation experiments (with 20 random partitions) have been carried out on the development dataset, using the baseline and the iteratively updated models. On average, Word Error Rate (WER) reduces from 16.57% (baseline) to 4.41% (first iteration) and further to 4.02% (second iteration), which corresponds to relative WER reductions of 73.4% and 8.8%, respectively. When considering only Basque segments, WER reduces on average from 16.57% (baseline) to 5.51% (first iteration) and further to 5.13% (second iteration), which corresponds to relative WER reductions of 66.7% and 6.9%, respectively. As a result of this work, a new bilingual Basque&ndash;Spanish resource has been produced based on Basque Parliament sessions, including 998 h of training data (audio segments + transcriptions), a development set (17 h long) designed for tuning and evaluation under a cross-validation scheme and a fully bilingual trigram language model.This work was partially funded by the Spanish Ministry of Science and Innovation (OPEN-SPEECH project, PID2019-106424RB-I00) and by the Basque Government under the general support program to research groups (IT-1704-22)

Universal Automatic Phonetic Transcription into the International Phonetic Alphabet

This paper presents a state-of-the-art model for transcribing speech in any language into the International Phonetic Alphabet (IPA). Transcription of spoken languages into IPA is an essential yet time-consuming process in language documentation, and even partially automating this process has the potential to drastically speed up the documentation of endangered languages. Like the previous best speech-to-IPA model (Wav2Vec2Phoneme), our model is based on wav2vec 2.0 and is fine-tuned to predict IPA from audio input. We use training data from seven languages from CommonVoice 11.0, transcribed into IPA semi-automatically. Although this training dataset is much smaller than Wav2Vec2Phoneme's, its higher quality lets our model achieve comparable or better results. Furthermore, we show that the quality of our universal speech-to-IPA models is close to that of human annotators.Comment: 5 pages, 7 table