Cette thèse aborde les problèmes de variabilité et confusabilité phonémique du point de vue des modèles de prononciation pour un système de reconnaissance automatique de la parole. En particulier, plusieurs directions de recherche sont étudiées. Premièrement, on développe des méthodes de conversion automatique de graphème-phonème et de phonème-phonème. Ces méthodes engendrent des variantes de prononciation pour les mots du vocabulaire, ainsi que des prononciations et des variantes de prononciation, pour des mots hors-vocabulaire. Cependant, ajouter plusieurs prononciations par mot au vocabulaire peut introduire des homophones (ou quasi-homophones) et provoquer une augmentation de la confusabilité du système. Une nouvelle mesure de cette confusabilité est proposée pour analyser et étudier sa relation avec la performance d’un système de reconnaissance de la parole. Cette “confusabilité de prononciation” est plus élevée si des probabilités pour les prononciations ne sont pas fournies et elle peut potentiellement dégrader sérieusement la performance d’un système de reconnaissance de la parole. Il convient, par conséquent, qu’elle soit prise en compte lors de la génération de prononciations. On étudie donc des approches d’entraînement discriminant pour entraîner les poids d’un modèle de confusion phonémique qui autorise différentes facons de prononcer un mot tout en contrôlant le problème de confusabilité phonémique. La fonction objectif à optimiser est choisie afin de correspondre à la mesure de performance de chaque tâche particulière. Dans cette thèse, deux tâches sont étudiées: la tâche de reconnaissance automatique de la parole et la tâche de détection de mots-clés. Pour la reconnaissance automatique de la parole, une fonction objectif qui minimise le taux d’erreur au niveau des phonèmes est adoptée. Pour les expériences menées sur la détection de mots-clés, le “Figure of Merit” (FOM), une mesure de performance de la détection de mots-clés, est directement optimisée. / This thesis addresses the problems of phonemic variability and confusability from the pronunciation modeling perspective for an automatic speech recognition (ASR) system. In particular, several research directions are investigated. First, automatic grapheme-to- phoneme (g2p) and phoneme-to-phoneme (p2p) converters are developed that generate alternative pronunciations for in-vocabulary as well as out-of-vocabulary (OOV) terms. Since the addition of alternative pronunciation may introduce homophones (or close homophones), there is an increase of the confusability of the system. A novel measure of this confusability is proposed to analyze it and study its relation with the ASR performance. This pronunciation confusability is higher if pronunciation probabilities are not provided and can potentially severely degrade the ASR performance. It should, thus, be taken into account during pronunciation generation. Discriminative training approaches are, then, investigated to train the weights of a phoneme confusion model that allows alternative ways of pronouncing a term counterbalancing the phonemic confusability problem. The objective function to optimize is chosen to correspond to the performance measure of the particular task. In this thesis, two tasks are investigated, the ASR task and the KeywordSpotting (KWS) task. For ASR, an objective that minimizes the phoneme error rate is adopted. For experiments conducted on KWS, the Figure of Merit (FOM), a KWS performance measure, is directly maximized.

Malgré l'entrée récente de notre monde dans l'ère du tout numérique, de nombreux documents manuscrits continuent à s'échanger, obligeant nos sociétés et administrations à faire face au traitement de ces masses de documents. Le traitement automatique de ces documents nécessite d'accéder à un échantillon inconnu mais pertinent de leur contenu et implique de prendre en compte trois points essentiels : la segmentation du document en entités comparable à l'information recherchée, la reconnaissance de ces entités recherchées et le rejet des entités non pertinentes. Nous nous démarquons des approches classiques de lecture complète de documents et de détection de mots clés en parallélisant ces trois traitements en une approche d'extraction d'information. Une première contribution réside dans la conception d'un modèle de ligne générique pour l'extraction d'information et l'implémentation d'un système complet à base de modèles de Markov cachés (MMC) construit autour de ce modèle. Le module de reconnaissance cherche, en une seule passe, à discriminer l'information pertinente, caractérisée par un ensemble de requêtes alphabétiques, numériques ou alphanumériques, de l'information non pertinente, caractérisée par un modèle de remplissage. Une seconde contribution réside dans l'amélioration de la discrimination locale des observations des lignes par l'utilisation d'un réseau de neurones profond. Ce dernier permet également d'inférer une représentation de haut niveau des observations et donc d'automatiser le processus d'extraction des caractéristiques. Il en résulte un système complet, générique et industrialisable, répondant à des besoins émergents dans le domaine de la lecture automatique de documents manuscrits : l'extraction d'informations complexes dans des documents non-contraints.

Voice user interfaces have been growing in popularity and with them an interest for open vocabulary keyword spotting. In this thesis we focus on one particular approach to open vocabulary keyword spotting, query by example keyword spotting. Three types of query by example keyword spotting approaches are described and evaluated: sequence distances, speech to phonemes and deep distance learning. Evaluation is done on a series of custom tasks designed to measure a variety of aspects. The Google Speech Commands benchmark is used for evaluation as well, this to make it more comparable to existing works. From the results, the deep distance learning approach seem most promising in most environments except when memory is very constrained; in which sequence distances might be considered. The speech to phonemes methods is lacking in the usability evaluation. / Röstgränssnitt har växt i populäritet och med dem ett intresse för öppenvokabulärnyckelordsigenkänning. I den här uppsatsen fokuserar vi på en specifik form av öppenvokabulärnyckelordsigenkänning, den s.k nyckelordsigenkänning- genom- exempel. Tre typer av nyckelordsigenkänning- genom- exempel metoder beskrivs och utvärderas: sekvensavstånd, tal till fonem samt djupavståndsinlärning. Utvärdering görs på konstruerade uppgifter designade att mäta en mängd olika aspekter hos metoderna. Google Speech Commands data används för utvärderingen också, detta för att göra det mer jämförbart mot existerade arbeten. Från resultaten framgår det att djupavståndsinlärning verkar mest lovande förutom i miljöer där resurser är väldigt begränsade; i dessa kan sekvensavstånd vara av intresse. Tal till fonem metoderna visar brister i användningsuvärderingen.

<p>The introduction of artificial neural networks (ANNs) to speech recognition applications has sparked the rapid development and popularization of digital assistants. These digital assistants perform keyword spotting (KWS), constantly monitoring the audio captured by a microphone for a small set of words or phrases known as keywords. Upon recognizing a keyword, a larger audio recording is saved and processed by a separate, more complex neural network. More broadly, neural networks in speech recognition have popularized voice as means of interacting with electronic devices, sparking an interest in individuals using speech recognition in their own projects. However, while large companies have the means to develop custom neural network architectures alongside proprietary hardware platforms, such development precludes those lacking similar resources from developing efficient and effective neural networks for embedded systems. While small, low-power embedded systems are widely available in the hobbyist space, a clear process is needed for developing a neural network that accounts for the limitations of these resource-constrained systems. In contrast, a wide variety of neural network architectures exists, but often little thought is given to deploying these architectures on edge devices. </p> <p><br></p> <p>This thesis first presents an overview of audio processing techniques, artificial neural network fundamentals, and machine learning tools. A summary of a set of specific neural network architectures is also discussed. Finally, the process of implementing and modifying these existing neural network architectures and training specific models in Python using TensorFlow is demonstrated. The trained models are also subjected to post-training quantization to evaluate the effect on model performance. The models are evaluated using metrics relevant to deployment on resource-constrained systems, such as memory consumption, latency, and model size, in addition to the standard comparisons of accuracy and parameter count. After evaluating the models and architectures, the process of deploying one of the trained and quantized models is explored on an Arduino Nano 33 BLE using TensorFlow Lite for Microcontrollers and on a Digilent Nexys 4 FPGA board using CFU Playground.</p>

Tato diplomová práce se zabývá moderními přístupy detekce klíčových slov a detekce frází v řečových datech. V úvodní části je seznámení s problematikou a teoretický popis metod pro detekci. Následuje popis reprezentace vstupních datových sad použitých při experimentech a evaluaci. Dále jsou uvedeny metody pro detekci klíčových slov definovaných vzorem. Následně jsou popsány evaluační metody a techniky použité pro skórování. Po provedení experimentů na datových sadách a po evaluaci jsou diskutovány výsledky. V dalším kroku jsou navrženy a poté implementovány moderní postupy vedoucí k vylepšení systému pro detekci a opět je provedena evaluace a diskuze dosažených výsledků. V závěrečné části je práce zhodnocena a jsou zde navrženy další směy vývoje našeho systému. Příloha obsahuje manuál pro používání implementovaných skriptů.

The thesis is aimed on visualisation of data mined by speech processing technologies. Some methods speech data extraction were studied and technologies for this task were analysed. The variety of meta data that can be mined from speech was defined. Were also examined existing standards and processes of call centres. Some requirements for the user interface were gathered and analysed. On that basis and after communication with call centre employees there was defined and implemented a concept for speech data visualization. Gained solutions were integrated into Speech Analytics Server (SPAS).

Cieľom tejto diplomovej práce je vytvoriť Electronic Flight Bag (EFB) aplikáciu pre mobilné telefóny s operačným systémom Android. Pre splnenie tejto úlohy bola preskúmaná aktuálna legislatíva ohľadom EFB aplikácií spolu s najmodernejšími EFB aplikáciami dostupnými na aplikačnom trhu. Na základe týchto informácií je navrhnutá a implementovaná EFB aplikácia určená pre pilotov všeobecného letectva. Výsledný produkt obsahuje funkcie pre plánovanie letu, vlastnú leteckú mapu, pilotný denník, katalóg letísk s dátami z celého sveta a ďalšie. Podpora offline zaručuje funkčnosť v reálnych podmienkach letu. Konečný produkt sa taktiež snaží inovovať nad existujúcimi EFB aplikáciami zahrnutím funkcionalít, akými sú napríklad automatické kontrolné zoznamy a náhľad v rozšírenej realite.

Keyword spotting is one of the many applications of automatic speech recognition. Its purpose is determining spots in given utterance in which some of the specified words were spoken. Keyword spotting has a great potential to enhance performance of new applications as well as the existing ones. An example could be a mobile phone voice control. Due to OS Symbian's coming to the market it is even possible for end user to implement a keyword spotting for a mobile phone on his or her own. The thesis describes theoretical prerequisites for keyword spotting and its implementation. Firstly the OS Symbian is presented with respect to the given task. Secondly each step of keyword spotting process is described. Finally the object design of keyword spotter is presented followed by implementation description. The thesis concludes with results review and notes on possible improvements.

[ES] La detección de palabras clave (Keyword Spotting, en inglés), aplicada a documentos de texto manuscrito, tiene como objetivo recuperar los documentos, o partes de ellos, que sean relevantes para una cierta consulta (query, en inglés), indicada por el usuario, entre una gran colección de documentos. La temática ha recogido un gran interés en los últimos 20 años entre investigadores en Reconocimiento de Formas (Pattern Recognition), así como bibliotecas y archivos digitales. Esta tesis, en primer lugar, define el objetivo de la detección de palabras clave a partir de una perspectiva basada en la Teoría de la Decisión y una formulación probabilística adecuada. Más concretamente, la detección de palabras clave se presenta como un caso particular de Recuperación de la Información (Information Retrieval), donde el contenido de los documentos es desconocido, pero puede ser modelado mediante una distribución de probabilidad. Además, la tesis también demuestra que, bajo las distribuciones de probabilidad correctas, el marco de trabajo desarrollada conduce a la solución óptima del problema, según múltiples medidas de evaluación utilizadas tradicionalmente en el campo. Más tarde, se utilizan distintos modelos estadísticos para representar las distribuciones necesarias: Redes Neuronales Recurrentes o Modelos Ocultos de Markov. Los parámetros de estos son estimados a partir de datos de entrenamiento, y las respectivas distribuciones son representadas mediante Transductores de Estados Finitos con Pesos (Weighted Finite State Transducers). Con el objetivo de hacer que el marco de trabajo sea práctico en grandes colecciones de documentos, se presentan distintos algoritmos para construir índices de palabras a partir de modelos probabilísticos, basados tanto en un léxico cerrado como abierto. Estos índices son muy similares a los utilizados por los motores de búsqueda tradicionales. Además, se estudia la relación que hay entre la formulación probabilística presentada y otros métodos de gran influencia en el campo de la detección de palabras clave, destacando cuáles son las limitaciones de los segundos. Finalmente, todas la aportaciones se evalúan de forma experimental, no sólo utilizando pruebas académicas estándar, sino también en colecciones con decenas de miles de páginas provenientes de manuscritos históricos. Los resultados muestran que el marco de trabajo presentado permite construir sistemas de detección de palabras clave muy rápidos y precisos, con una sólida base teórica. / [CA] La detecció de paraules clau (Keyword Spotting, en anglès), aplicada a documents de text manuscrit, té com a objectiu recuperar els documents, o parts d'ells, que siguen rellevants per a una certa consulta (query, en anglès), indicada per l'usuari, dintre d'una gran col·lecció de documents. La temàtica ha recollit un gran interés en els últims 20 anys entre investigadors en Reconeixement de Formes (Pattern Recognition), així com biblioteques i arxius digitals. Aquesta tesi defineix l'objectiu de la detecció de paraules claus a partir d'una perspectiva basada en la Teoria de la Decisió i una formulació probabilística adequada. Més concretament, la detecció de paraules clau es presenta com un cas concret de Recuperació de la Informació (Information Retrieval), on el contingut dels documents és desconegut, però pot ser modelat mitjançant una distribució de probabilitat. A més, la tesi també demostra que, sota les distribucions de probabilitat correctes, el marc de treball desenvolupat condueix a la solució òptima del problema, segons diverses mesures d'avaluació utilitzades tradicionalment en el camp. Després, diferents models estadístics s'utilitzen per representar les distribucions necessàries: Xarxes Neuronal Recurrents i Models Ocults de Markov. Els paràmetres d'aquests són estimats a partir de dades d'entrenament, i les corresponents distribucions són representades mitjançant Transductors d'Estats Finits amb Pesos (Weighted Finite State Transducers). Amb l'objectiu de fer el marc de treball útil per a grans col·leccions de documents, es presenten distints algorismes per construir índexs de paraules a partir dels models probabilístics, tan basats en un lèxic tancat com en un obert. Aquests índexs són molt semblants als utilitzats per motors de cerca tradicionals. A més a més, s'estudia la relació que hi ha entre la formulació probabilística presentada i altres mètodes de gran influència en el camp de la detecció de paraules clau, destacant algunes limitacions dels segons. Finalment, totes les aportacions s'avaluen de forma experimental, no sols utilitzant proves acadèmics estàndard, sinó també en col·leccions amb desenes de milers de pàgines provinents de manuscrits històrics. Els resultats mostren que el marc de treball presentat permet construir sistemes de detecció de paraules clau molt acurats i ràpids, amb una sòlida base teòrica. / [EN] Keyword Spotting, applied to handwritten text documents, aims to retrieve the documents, or parts of them, that are relevant for a query, given by the user, within a large collection of documents. The topic has gained a large interest in the last 20 years among Pattern Recognition researchers, as well as digital libraries and archives. This thesis, first defines the goal of Keyword Spotting from a Decision Theory perspective. Then, the problem is tackled following a probabilistic formulation. More precisely, Keyword Spotting is presented as a particular instance of Information Retrieval, where the content of the documents is unknown, but can be modeled by a probability distribution. In addition, the thesis also proves that, under the correct probability distributions, the framework provides the optimal solution, under many of the evaluation measures traditionally used in the field. Later, different statistical models are used to represent the probability distribution over the content of the documents. These models, Hidden Markov Models or Recurrent Neural Networks, are estimated from training data, and the corresponding distributions over the transcripts of the images can be efficiently represented using Weighted Finite State Transducers. In order to make the framework practical for large collections of documents, this thesis presents several algorithms to build probabilistic word indexes, using both lexicon-based and lexicon-free models. These indexes are very similar to the ones used by traditional search engines. Furthermore, we study the relationship between the presented formulation and other seminal approaches in the field of Keyword Spotting, highlighting some limitations of the latter. Finally, all the contributions are evaluated experimentally, not only on standard academic benchmarks, but also on collections including tens of thousands of pages of historical manuscripts. The results show that the proposed framework and algorithms allow to build very accurate and very fast Keyword Spotting systems, with a solid underlying theory. / Puigcerver I Pérez, J. (2018). A Probabilistic Formulation of Keyword Spotting [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/116834