Bag-of-words representations for computer audition

Computer audition is omnipresent in everyday life, in applications ranging from personalised virtual agents to health care. From a technical point of view, the goal is to robustly classify the content of an audio signal in terms of a defined set of labels, such as, e.g., the acoustic scene, a medical diagnosis, or, in the case of speech, what is said or how it is said. Typical approaches employ machine learning (ML), which means that task-specific models are trained by means of examples. Despite recent successes in neural network-based end-to-end learning, taking the raw audio signal as input, models relying on hand-crafted acoustic features are still superior in some domains, especially for tasks where data is scarce. One major issue is nevertheless that a sequence of acoustic low-level descriptors (LLDs) cannot be fed directly into many ML algorithms as they require a static and fixed-length input. Moreover, also for dynamic classifiers, compressing the information of the LLDs over a temporal block by summarising them can be beneficial. However, the type of instance-level representation has a fundamental impact on the performance of the model. In this thesis, the so-called bag-of-audio-words (BoAW) representation is investigated as an alternative to the standard approach of statistical functionals. BoAW is an unsupervised method of representation learning, inspired from the bag-of-words method in natural language processing, forming a histogram of the terms present in a document. The toolkit openXBOW is introduced, enabling systematic learning and optimisation of these feature representations, unified across arbitrary modalities of numeric or symbolic descriptors. A number of experiments on BoAW are presented and discussed, focussing on a large number of potential applications and corresponding databases, ranging from emotion recognition in speech to medical diagnosis. The evaluations include a comparison of different acoustic LLD sets and configurations of the BoAW generation process. The key findings are that BoAW features are a meaningful alternative to statistical functionals, offering certain benefits, while being able to preserve the advantages of functionals, such as data-independence. Furthermore, it is shown that both representations are complementary and their fusion improves the performance of a machine listening system.Maschinelles Hören ist im täglichen Leben allgegenwärtig, mit Anwendungen, die von personalisierten virtuellen Agenten bis hin zum Gesundheitswesen reichen. Aus technischer Sicht besteht das Ziel darin, den Inhalt eines Audiosignals hinsichtlich einer Auswahl definierter Labels robust zu klassifizieren. Die Labels beschreiben bspw. die akustische Umgebung der Aufnahme, eine medizinische Diagnose oder - im Falle von Sprache - was gesagt wird oder wie es gesagt wird. Übliche Ansätze hierzu verwenden maschinelles Lernen, d.h., es werden anwendungsspezifische Modelle anhand von Beispieldaten trainiert. Trotz jüngster Erfolge beim Ende-zu-Ende-Lernen mittels neuronaler Netze, in welchen das unverarbeitete Audiosignal als Eingabe benutzt wird, sind Modelle, die auf definierten akustischen Merkmalen basieren, in manchen Bereichen weiterhin überlegen. Dies gilt im Besonderen für Einsatzzwecke, für die nur wenige Daten vorhanden sind. Allerdings besteht dabei das Problem, dass Zeitfolgen von akustischen Deskriptoren in viele Algorithmen des maschinellen Lernens nicht direkt eingespeist werden können, da diese eine statische Eingabe fester Länge benötigen. Außerdem kann es auch für dynamische (zeitabhängige) Klassifikatoren vorteilhaft sein, die Deskriptoren über ein gewisses Zeitintervall zusammenzufassen. Jedoch hat die Art der Merkmalsdarstellung einen grundlegenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Modells. In der vorliegenden Dissertation wird der sogenannte Bag-of-Audio-Words-Ansatz (BoAW) als Alternative zum Standardansatz der statistischen Funktionale untersucht. BoAW ist eine Methode des unüberwachten Lernens von Merkmalsdarstellungen, die von der Bag-of-Words-Methode in der Computerlinguistik inspiriert wurde, bei der ein Textdokument als Histogramm der vorkommenden Wörter beschrieben wird. Das Toolkit openXBOW wird vorgestellt, welches systematisches Training und Optimierung dieser Merkmalsdarstellungen - vereinheitlicht für beliebige Modalitäten mit numerischen oder symbolischen Deskriptoren - erlaubt. Es werden einige Experimente zum BoAW-Ansatz durchgeführt und diskutiert, die sich auf eine große Zahl möglicher Anwendungen und entsprechende Datensätze beziehen, von der Emotionserkennung in gesprochener Sprache bis zur medizinischen Diagnostik. Die Auswertungen beinhalten einen Vergleich verschiedener akustischer Deskriptoren und Konfigurationen der BoAW-Methode. Die wichtigsten Erkenntnisse sind, dass BoAW-Merkmalsvektoren eine geeignete Alternative zu statistischen Funktionalen darstellen, gewisse Vorzüge bieten und gleichzeitig wichtige Eigenschaften der Funktionale, wie bspw. die Datenunabhängigkeit, erhalten können. Zudem wird gezeigt, dass beide Darstellungen komplementär sind und eine Fusionierung die Leistungsfähigkeit eines Systems des maschinellen Hörens verbessert

Automatic detection of major depressive disorder via a bag-of-behaviour-words approach

A paper in the Third International Symposium on Image Computing and Digital Medicine (ISICDM 2019

The ACM Multimedia 2022 Computational Paralinguistics Challenge: vocalisations, stuttering, activity, & mosquitoes

The ACM Multimedia 2022 Computational Paralinguistics Challenge addresses four different problems for the first time in a research competition under well-defined conditions: In the Vocalisations and Stuttering Sub-Challenges, a classification on human non-verbal vocalisations and speech has to be made; the Activity Sub-Challenge aims at beyond-audio human activity recognition from smartwatch sensor data; and in the Mosquitoes Sub-Challenge, mosquitoes need to be detected. We describe the Sub-Challenges, baseline feature extraction, and classifiers based on the 'usual' ComParE and BoAW features, the auDeep toolkit, and deep feature extraction from pre-trained CNNs using the DeepSpectrum toolkit; in addition, we add end-to-end sequential modelling, and a log-mel-128-BNN

Face mask recognition from audio: the MASC database and an overview on the mask challenge

The sudden outbreak of COVID-19 has resulted in tough challenges for the field of biometrics due to its spread via physical contact, and the regulations of wearing face masks. Given these constraints, voice biometrics can offer a suitable contact-less biometric solution; they can benefit from models that classify whether a speaker is wearing a mask or not. This article reviews the Mask Sub-Challenge (MSC) of the INTERSPEECH 2020 COMputational PARalinguistics challengE (ComParE), which focused on the following classification task: Given an audio chunk of a speaker, classify whether the speaker is wearing a mask or not. First, we report the collection of the Mask Augsburg Speech Corpus (MASC) and the baseline approaches used to solve the problem, achieving a performance of [Formula: see text] Unweighted Average Recall (UAR). We then summarise the methodologies explored in the submitted and accepted papers that mainly used two common patterns: (i) phonetic-based audio features, or (ii) spectrogram representations of audio combined with Convolutional Neural Networks (CNNs) typically used in image processing. Most approaches enhance their models by adapting ensembles of different models and attempting to increase the size of the training data using various techniques. We review and discuss the results of the participants of this sub-challenge, where the winner scored a UAR of [Formula: see text]. Moreover, we present the results of fusing the approaches, leading to a UAR of [Formula: see text]. Finally, we present a smartphone app that can be used as a proof of concept demonstration to detect in real-time whether users are wearing a face mask; we also benchmark the run-time of the best models

Az akusztikus szózsák eljárás korpuszfüggetlenségének vizsgálata

Cikkünkben egy jellemzőreprezentációs módszer, az akusztikus szózsák (Bag of Audio Words, BoAW) metódus szélesebb körű használhatóságát elemezzük. A BoAW eljárás lehetővé teszi a változó hosszúságú hangminták fix méretű jellemzővektorokként való kezelését. Ezáltal a különböző hangadatbázisok kezelhetővé és taníthatóvá válnak a hagyományos tanulóalgoritmusokkal is. A BoAW eljárás kezdeti lépésében klaszterközéppontokat (ún. kódszavakat) határozunk meg a keretszintű jellemzővektorok fölött valamilyen felügyelet nélküli módszerrel (pl. kmeans klaszterezéssel, vagy akár csak véletlenszerű kiválasztással). Ezt a lépést hagyományosan az adott akusztikus adatbázis tanító halmazán szokás elvégezni. Ez azonban amellett, hogy minden adatbázison új kódszavak kiválasztását teszi szükségessé, így megnyújtva a jellemzőreprezentációk előállításának idejét, akár túlillesztést is okozhat. Jelen tanulmányunkban megvizsgáljuk, hogy mennyire korpuszfüggő az előálló kódszóhalmaz. Kísérleteinkben egy magyar nyelvű érzelemadatbázison mérünk osztályozási eredményeket, miközben a kódszavak kiválasztása vagy egy német nyelvű érzelemadatbázison, vagy egy magyar nyelvű, általános beszédadatbázison történik. Eredményeink szerint mindkét új típusú megközelítéssel elérhető, a korábban említett hagyományos megközelítéssel elérhető osztályozási pontosság, ami megkönnyítheti a BoAW eljárás gyakorlati alkalmazását