Spatiotemporal Gesture Segmentation

Spotting patterns of interest in an input signal is a very useful task in many different fields including medicine, bioinformatics, economics, speech recognition and computer vision. Example instances of this problem include spotting an object of interest in an image (e.g., a tumor), a pattern of interest in a time-varying signal (e.g., audio analysis), or an object of interest moving in a specific way (e.g., a human's body gesture). Traditional spotting methods, which are based on Dynamic Time Warping or hidden Markov models, use some variant of dynamic programming to register the pattern and the input while accounting for temporal variation between them. At the same time, those methods often suffer from several shortcomings: they may give meaningless solutions when input observations are unreliable or ambiguous, they require a high complexity search across the whole input signal, and they may give incorrect solutions if some patterns appear as smaller parts within other patterns. In this thesis, we develop a framework that addresses these three problems, and evaluate the framework's performance in spotting and recognizing hand gestures in video. The first contribution is a spatiotemporal matching algorithm that extends the dynamic programming formulation to accommodate multiple candidate hand detections in every video frame. The algorithm finds the best alignment between the gesture model and the input, and simultaneously locates the best candidate hand detection in every frame. This allows for a gesture to be recognized even when the hand location is highly ambiguous. The second contribution is a pruning method that uses model-specific classifiers to reject dynamic programming hypotheses with a poor match between the input and model. Pruning improves the efficiency of the spatiotemporal matching algorithm, and in some cases may improve the recognition accuracy. The pruning classifiers are learned from training data, and cross-validation is used to reduce the chance of overpruning. The third contribution is a subgesture reasoning process that models the fact that some gesture models can falsely match parts of other, longer gestures. By integrating subgesture reasoning the spotting algorithm can avoid the premature detection of a subgesture when the longer gesture is actually being performed. Subgesture relations between pairs of gestures are automatically learned from training data. The performance of the approach is evaluated on two challenging video datasets: hand-signed digits gestured by users wearing short sleeved shirts, in front of a cluttered background, and American Sign Language (ASL) utterances gestured by ASL native signers. The experiments demonstrate that the proposed method is more accurate and efficient than competing approaches. The proposed approach can be generally applied to alignment or search problems with multiple input observations, that use dynamic programming to find a solution.

Stream segregation on a single electrode as a function of pulse rate in cochlear implant listeners.

While cochlear implants (CIs) usually provide high levels of speech recognition in quiet, speech recognition in noise remains challenging. To overcome these difficulties, it is important to understand how implanted listeners separate a target signal from interferers. Stream segregation has been studied extensively in both normal and electric hearing, as a function of place of stimulation. However, the effects of pulse rate, independent of place, on the perceptual grouping of sequential sounds in electric hearing have not yet been investigated. A rhythm detection task was used to measure stream segregation. The results of this study suggest that while CI listeners can segregate streams based on differences in pulse rate alone, the amount of stream segregation observed decreases as the base pulse rate increases. Further investigation of the perceptual dimensions encoded by the pulse rate and the effect of sequential presentation of different stimulation rates on perception could be beneficial for the future development of speech processing strategies for CIs.

The SmartVision navigation prototype for the blind

The goal of the project "SmartVision: active vision for the blind" is to develop a small and portable but intelligent and reliable system for assisting the blind and visually impaired while navigating autonomously, both outdoor and indoor. In this paper we present an overview of the prototype, design issues, and its different modules which integrate a GIS with GPS, Wi-Fi, RFID tags and computer vision. The prototype addresses global navigation by following known landmarks, local navigation with path tracking and obstacle avoidance, and object recognition. The system does not replace the white cane, but extends it beyond its reach. The user-friendly interface consists of a 4-button hand-held box, a vibration actuator in the handle of the cane, and speech synthesis. A future version may also employ active RFID tags for marking navigation landmarks, and speech recognition may complement speech synthesis.

Análise de Desempenho e Recomendação para Soluções IVR

Mestrado em Engenharia Informática, Área de Especialização em Tecnologias do Conhecimento e da Decisão

Predicting market direction with hidden Markov models

This paper develops the model of Bicego, Grosso, and Otranto (2008) and applies Hidden Markov Models to predict market direction. The paper draws an analogy between financial markets and speech recognition, seeking inspiration from the latter to solve common issues in quantitative investing. Whereas previous works focus mostly on very complex modifications of the original hidden markov model algorithm, the current paper provides an innovative methodology by drawing inspiration from thoroughly tested, yet simple, speech recognition methodologies. By grouping returns into sequences, Hidden Markov Models can then predict market direction the same way they are used to identify phonemes in speech recognition. The model proves highly successful in identifying market direction but fails to consistently identify whether a trend is in place. All in all, the current paper seeks to bridge the gap between speech recognition and quantitative finance and, even though the model is not fully successful, several refinements are suggested and the room for improvement is significant.

Implications fonctionnelles du collicule inférieur chez l'humain

Le rôle du collicule inférieur dans les divers processus auditif demeure à ce jour méconnu chez l’humain. À l’aide d’évaluations comportementales et électrophysiologiques, le but des études consiste à examiner l’intégrité fonctionnelle du système nerveux auditif chez une personne ayant une lésion unilatérale du collicule inférieur. Les résultats de ces études suggèrent que le collicule inférieur n’est pas impliqué dans la détection de sons purs, la reconnaissance de la parole dans le silence et l’interaction binaurale. Cependant, ces données suggèrent que le collicule inférieur est impliqué dans la reconnaissance de mots dans le bruit présentés monauralement, la discrimination de la fréquence, la reconnaissance de la durée, la séparation binaurale, l’intégration binaurale, la localisation de sources sonores et, finalement, l’intégration multisensorielle de la parole.

Problèmes de perception de la parole dans le bruit chez les enfants présentant un trouble de traitement auditif

Il est bien connu que les enfants qui présentent un trouble de traitement auditif (TTA) ont de la difficulté à percevoir la parole en présence de bruit de fond. Cependant, il n’existe aucun consensus quant à l’origine de ces difficultés d’écoute. Ce programme de recherche est consacré à l’étude des incapacités sous-jacentes aux problèmes de perception de la parole dans le bruit chez les enfants présentant un TTA. Le Test de Phrases dans le Bruit (TPB) a été développé afin d’examiner si les difficultés de perception de la parole dans le bruit d’enfants ayant un TTA relèvent d’incapacités auditives, d’incapacités cognitivo-linguistiques ou des deux à la fois. Il comprend cinq listes de 40 phrases, composées de 20 phrases hautement prévisibles (HP) et de 20 phrases faiblement prévisibles (FP), de même qu’un bruit de verbiage. Le niveau de connaissance du mot clé (mot final) de chaque phrase a été vérifié auprès d’un groupe d’enfants âgés entre 5 et 7 ans. De plus, le degré d’intelligibilité des phrases dans le bruit et le niveau de prévisibilité ont été mesurées auprès d’adultes pour assurer l’équivalence entre les listes. Enfin, le TPB a été testé auprès d’un groupe de 15 adultes et d’un groupe de 69 enfants sans trouble auditif avant de l’administrer à des enfants ayant un TTA. Pour répondre à l’objectif général du programme de recherche, dix enfants présentant un TTA (groupe TTA) et dix enfants jumelés selon le genre et l’âge sans difficulté auditive (groupe témoin) ont été soumis aux listes de phrases du TPB selon différentes conditions sonores. Le groupe TTA a obtenu des performances significativement plus faibles comparativement au groupe témoin à la tâche de reconnaissance du mot final des phrases présentées en même temps qu’un bruit de verbiage compétitif, aux rapports signal-sur-bruit de 0, +3 et +4 dB. La moyenne de la différence des scores obtenue entre les phrases HP et FP à chaque condition expérimentale de bruit était similaire entre les deux groupes. Ces résultats suggèrent que les enfants ayant un TTA ne se distinguent pas des enfants du groupe témoin au plan de la compétence cognitivo-linguistique. L’origine des difficultés d’écoute de la parole dans le bruit dans le cas de TTA serait de nature auditive. Toutefois, les résultats des analyses de groupe diffèrent de ceux des analyses individuelles. Les divers profils de difficultés d’écoute identifiés auprès de cette cohorte appuient l’importance de continuer les investigations afin de mieux comprendre l’origine des problèmes de perception de la parole dans le bruit dans le cas de TTA. En connaissant mieux la nature de ces difficultés, il sera possible d’identifier les stratégies d’intervention de réadaptation spécifiques et efficaces.

L'effort associé à la reconnaissance de la parole chez les adultes et les personnes aînées

L’objectif principal de cette thèse était de quantifier et comparer l’effort requis pour reconnaître la parole dans le bruit chez les jeunes adultes et les personnes aînées ayant une audition normale et une acuité visuelle normale (avec ou sans lentille de correction de la vue). L’effort associé à la perception de la parole est lié aux ressources attentionnelles et cognitives requises pour comprendre la parole. La première étude (Expérience 1) avait pour but d’évaluer l’effort associé à la reconnaissance auditive de la parole (entendre un locuteur), tandis que la deuxième étude (Expérience 2) avait comme but d’évaluer l’effort associé à la reconnaissance auditivo-visuelle de la parole (entendre et voir le visage d’un locuteur). L’effort fut mesuré de deux façons différentes. D’abord par une approche comportementale faisant appel à un paradigme expérimental nommé double tâche. Il s’agissait d’une tâche de reconnaissance de mot jumelée à une tâche de reconnaissance de patrons vibro-tactiles. De plus, l’effort fut quantifié à l’aide d’un questionnaire demandant aux participants de coter l’effort associé aux tâches comportementales. Les deux mesures d’effort furent utilisées dans deux conditions expérimentales différentes : 1) niveau équivalent – c'est-à-dire lorsque le niveau du bruit masquant la parole était le même pour tous les participants et, 2) performance équivalente – c'est-à-dire lorsque le niveau du bruit fut ajusté afin que les performances à la tâche de reconnaissance de mots soient identiques pour les deux groupes de participant. Les niveaux de performance obtenus pour la tâche vibro-tactile ont révélé que les personnes aînées fournissent plus d’effort que les jeunes adultes pour les deux conditions expérimentales, et ce, quelle que soit la modalité perceptuelle dans laquelle les stimuli de la parole sont présentés (c.-à.-d., auditive seulement ou auditivo-visuelle). Globalement, le ‘coût’ associé aux performances de la tâche vibro-tactile était au plus élevé pour les personnes aînées lorsque la parole était présentée en modalité auditivo-visuelle. Alors que les indices visuels peuvent améliorer la reconnaissance auditivo-visuelle de la parole, nos résultats suggèrent qu’ils peuvent aussi créer une charge additionnelle sur les ressources utilisées pour traiter l’information. Cette charge additionnelle a des conséquences néfastes sur les performances aux tâches de reconnaissance de mots et de patrons vibro-tactiles lorsque celles-ci sont effectuées sous des conditions de double tâche. Conformément aux études antérieures, les coefficients de corrélations effectuées à partir des données de l’Expérience 1 et de l’Expérience 2 soutiennent la notion que les mesures comportementales de double tâche et les réponses aux questionnaires évaluent différentes dimensions de l’effort associé à la reconnaissance de la parole. Comme l’effort associé à la perception de la parole repose sur des facteurs auditifs et cognitifs, une troisième étude fut complétée afin d’explorer si la mémoire auditive de travail contribue à expliquer la variance dans les données portant sur l’effort associé à la perception de la parole. De plus, ces analyses ont permis de comparer les patrons de réponses obtenues pour ces deux facteurs après des jeunes adultes et des personnes aînées. Pour les jeunes adultes, les résultats d’une analyse de régression séquentielle ont démontré qu’une mesure de la capacité auditive (taille de l’empan) était reliée à l’effort, tandis qu’une mesure du traitement auditif (rappel alphabétique) était reliée à la précision avec laquelle les mots étaient reconnus lorsqu’ils étaient présentés sous les conditions de double tâche. Cependant, ces mêmes relations n’étaient pas présentes dans les données obtenues pour le groupe de personnes aînées ni dans les données obtenues lorsque les tâches de reconnaissance de la parole étaient effectuées en modalité auditivo-visuelle. D’autres études sont nécessaires pour identifier les facteurs cognitifs qui sous-tendent l’effort associé à la perception de la parole, et ce, particulièrement chez les personnes aînées.

Modeling High-Dimensional Audio Sequences with Recurrent Neural Networks

Cette thèse étudie des modèles de séquences de haute dimension basés sur des réseaux de neurones récurrents (RNN) et leur application à la musique et à la parole. Bien qu'en principe les RNN puissent représenter les dépendances à long terme et la dynamique temporelle complexe propres aux séquences d'intérêt comme la vidéo, l'audio et la langue naturelle, ceux-ci n'ont pas été utilisés à leur plein potentiel depuis leur introduction par Rumelhart et al. (1986a) en raison de la difficulté de les entraîner efficacement par descente de gradient. Récemment, l'application fructueuse de l'optimisation Hessian-free et d'autres techniques d'entraînement avancées ont entraîné la recrudescence de leur utilisation dans plusieurs systèmes de l'état de l'art. Le travail de cette thèse prend part à ce développement. L'idée centrale consiste à exploiter la flexibilité des RNN pour apprendre une description probabiliste de séquences de symboles, c'est-à-dire une information de haut niveau associée aux signaux observés, qui en retour pourra servir d'à priori pour améliorer la précision de la recherche d'information. Par exemple, en modélisant l'évolution de groupes de notes dans la musique polyphonique, d'accords dans une progression harmonique, de phonèmes dans un énoncé oral ou encore de sources individuelles dans un mélange audio, nous pouvons améliorer significativement les méthodes de transcription polyphonique, de reconnaissance d'accords, de reconnaissance de la parole et de séparation de sources audio respectivement. L'application pratique de nos modèles à ces tâches est détaillée dans les quatre derniers articles présentés dans cette thèse. Dans le premier article, nous remplaçons la couche de sortie d'un RNN par des machines de Boltzmann restreintes conditionnelles pour décrire des distributions de sortie multimodales beaucoup plus riches. Dans le deuxième article, nous évaluons et proposons des méthodes avancées pour entraîner les RNN. Dans les quatre derniers articles, nous examinons différentes façons de combiner nos modèles symboliques à des réseaux profonds et à la factorisation matricielle non-négative, notamment par des produits d'experts, des architectures entrée/sortie et des cadres génératifs généralisant les modèles de Markov cachés. Nous proposons et analysons également des méthodes d'inférence efficaces pour ces modèles, telles la recherche vorace chronologique, la recherche en faisceau à haute dimension, la recherche en faisceau élagué et la descente de gradient. Finalement, nous abordons les questions de l'étiquette biaisée, du maître imposant, du lissage temporel, de la régularisation et du pré-entraînement.

Speaker identification using models for phonemes

Motivation for Speaker recognition work is presented in the first part of the thesis. An exhaustive survey of past work in this field is also presented. A low cost system not including complex computation has been chosen for implementation. Towards achieving this a PC based system is designed and developed. A front end analog to digital convertor (12 bit) is built and interfaced to a PC. Software to control the ADC and to perform various analytical functions including feature vector evaluation is developed. It is shown that a fixed set of phrases incorporating evenly balanced phonemes is aptly suited for the speaker recognition work at hand. A set of phrases are chosen for recognition. Two new methods are adopted for the feature evaluation. Some new measurements involving a symmetry check method for pitch period detection and ACE‘ are used as featured. Arguments are provided to show the need for a new model for speech production. Starting from heuristic, a knowledge based (KB) speech production model is presented. In this model, a KB provides impulses to a voice producing mechanism and constant correction is applied via a feedback path. It is this correction that differs from speaker to speaker. Methods of defining measurable parameters for use as features are described. Algorithms for speaker recognition are developed and implemented. Two methods are presented. The first is based on the model postulated. Here the entropy on the utterance of a phoneme is evaluated. The transitions of voiced regions are used as speaker dependent features. The second method presented uses features found in other works, but evaluated differently. A knock—out scheme is used to provide the weightage values for the selection of features. Results of implementation are presented which show on an average of 80% recognition. It is also shown that if there are long gaps between sessions, the performance deteriorates and is speaker dependent. Cross recognition percentages are also presented and this in the worst case rises to 30% while the best case is 0%. Suggestions for further work are given in the concluding chapter.

Feature Extraction Methods Based on Linear Predictive Coding and Wavelet Packet Decomposition for Recognizing Spoken Words in Malayalam

Speech signals are one of the most important means of communication among the human beings. In this paper, a comparative study of two feature extraction techniques are carried out for recognizing speaker independent spoken isolated words. First one is a hybrid approach with Linear Predictive Coding (LPC) and Artificial Neural Networks (ANN) and the second method uses a combination of Wavelet Packet Decomposition (WPD) and Artificial Neural Networks. Voice signals are sampled directly from the microphone and then they are processed using these two techniques for extracting the features. Words from Malayalam, one of the four major Dravidian languages of southern India are chosen for recognition. Training, testing and pattern recognition are performed using Artificial Neural Networks. Back propagation method is used to train the ANN. The proposed method is implemented for 50 speakers uttering 20 isolated words each. Both the methods produce good recognition accuracy. But Wavelet Packet Decomposition is found to be more suitable for recognizing speech because of its multi-resolution characteristics and efficient time frequency localizations

A Comparative Study of Wavelet Based Feature Extraction Techniques in Recognizing Isolated Spoken Words

Speech is a natural mode of communication for people and speech recognition is an intensive area of research due to its versatile applications. This paper presents a comparative study of various feature extraction methods based on wavelets for recognizing isolated spoken words. Isolated words from Malayalam, one of the four major Dravidian languages of southern India are chosen for recognition. This work includes two speech recognition methods. First one is a hybrid approach with Discrete Wavelet Transforms and Artificial Neural Networks and the second method uses a combination of Wavelet Packet Decomposition and Artificial Neural Networks. Features are extracted by using Discrete Wavelet Transforms (DWT) and Wavelet Packet Decomposition (WPD). Training, testing and pattern recognition are performed using Artificial Neural Networks (ANN). The proposed method is implemented for 50 speakers uttering 20 isolated words each. The experimental results obtained show the efficiency of these techniques in recognizing speech

Automated Transcription System for Malayalam Language

Malayalam is one of the 22 scheduled languages in India with more than 130 million speakers. This paper presents a report on the development of a speaker independent, continuous transcription system for Malayalam. The system employs Hidden Markov Model (HMM) for acoustic modeling and Mel Frequency Cepstral Coefficient (MFCC) for feature extraction. It is trained with 21 male and female speakers in the age group ranging from 20 to 40 years. The system obtained a word recognition accuracy of 87.4% and a sentence recognition accuracy of 84%, when tested with a set of continuous speech data.

Probabilistic Independence Networks for Hidden Markov Probability Models

Graphical techniques for modeling the dependencies of randomvariables have been explored in a variety of different areas includingstatistics, statistical physics, artificial intelligence, speech recognition, image processing, and genetics.Formalisms for manipulating these models have been developedrelatively independently in these research communities. In this paper weexplore hidden Markov models (HMMs) and related structures within the general framework of probabilistic independencenetworks (PINs). The paper contains a self-contained review of the basic principles of PINs.It is shown that the well-known forward-backward (F-B) and Viterbialgorithms for HMMs are special cases of more general inference algorithms forarbitrary PINs. Furthermore, the existence of inference and estimationalgorithms for more general graphical models provides a set of analysistools for HMM practitioners who wish to explore a richer class of HMMstructures.Examples of relatively complex models to handle sensorfusion and coarticulationin speech recognitionare introduced and treated within the graphical model framework toillustrate the advantages of the general approach.

Reference List: Accessibility Text Tutorial

List of references in Harvard format for the accessibility text tutorial created by Denis's Angels.