Implementación y evaluación de un algoritmo de ocultación de datos para la señal de voz.

[ES]El objetivo de este proyecto es la implementación de un algoritmo de ocultación de datos para la señal de voz mediante el uso de su información de fase espectral. Cuando se trabaja con señales de voz lo más habitual es utilizar el módulo debido a su sencillez a la hora de manipularlo y porque está relacionado con la percepción. En este caso, se busca que la información oculta sea perceptualmente y estadísticamente indetectable y que a su vez degrade lo menos posible la calidad de la señal, por lo que modificar el módulo produciría efectos no deseados. Por lo tanto, el método más eficaz de conseguirlo es trabajando con la fase espectral, precisamente por el hecho de que el sistema auditivo humano es menos sensible ante modificaciones de fase. Esta característica es la que se aprovechará para introducir la información que se desea ocultar. Por último, se evaluará la técnica desarrollada de acuerdo a diferentes criterios. Mediante pruebas en las que se modificarán los valores de algunos parámetros se obtendrán resultados relacionados con la perceptibilidad, la robustez, el rendimiento o la capacidad entre otros, determinando así la configuración óptima del algoritmo.

Desarrollo de una herramienta de análisis de la señal de voz

El habla es la principal herramienta de comunicación de la que dispone el ser humano que, no sólo le permite expresar su pensamiento y sus sentimientos sino que le distingue como individuo. El análisis de la señal de voz es fundamental para múltiples aplicaciones como pueden ser: síntesis y reconocimiento de habla, codificación, detección de patologías, identificación y reconocimiento de locutor… En el mercado se pueden encontrar herramientas comerciales o de libre distribución para realizar esta tarea. El objetivo de este Proyecto Fin de Grado es reunir varios algoritmos de análisis de la señal de voz en una única herramienta que se manejará a través de un entorno gráfico. Los algoritmos están siendo utilizados en el Grupo de investigación en Aplicaciones MultiMedia y Acústica de la Universidad Politécnica de Madrid para llevar a cabo su tarea investigadora y para ofertar talleres formativos a los alumnos de grado de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación. Actualmente se ha encontrado alguna dificultad para poder aplicar los algoritmos ya que se han ido desarrollando a lo largo de varios años, por distintas personas y en distintos entornos de programación. Se han adaptado los programas existentes para generar una única herramienta en MATLAB que permite: . Detección de voz . Detección sordo/sonoro . Extracción y revisión manual de frecuencia fundamental de los sonidos sonoros . Extracción y revisión manual de formantes de los sonidos sonoros En todos los casos el usuario puede ajustar los parámetros de análisis y se ha mantenido y, en algunos casos, ampliado la funcionalidad de los algoritmos existentes. Los resultados del análisis se pueden manejar directamente en la aplicación o guardarse en un fichero. Por último se ha escrito el manual de usuario de la aplicación y se ha generado una aplicación independiente que puede instalarse y ejecutarse aunque no se disponga del software o de la versión adecuada de MATLAB. ABSTRACT. The speech is the main communication tool which has the human that as well as allowing to express his thoughts and feelings distinguishes him as an individual. The analysis of speech signal is essential for multiple applications such as: synthesis and recognition of speech, coding, detection of pathologies, identification and speaker recognition… In the market you can find commercial or open source tools to perform this task. The aim of this Final Degree Project is collect several algorithms of speech signal analysis in a single tool which will be managed through a graphical environment. These algorithms are being used in the research group Aplicaciones MultiMedia y Acústica at the Universidad Politécnica de Madrid to carry out its research work and to offer training workshops for students at the Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación. Currently some difficulty has been found to be able to apply the algorithms as they have been developing over several years, by different people and in different programming environments. Existing programs have been adapted to generate a single tool in MATLAB that allows: . Voice Detection . Voice/Unvoice Detection . Extraction and manual review of fundamental frequency of voiced sounds . Extraction and manual review formant voiced sounds In all cases the user can adjust the scan settings, we have maintained and in some cases expanded the functionality of existing algorithms. The analysis results can be managed directly in the application or saved to a file. Finally we have written the application user’s manual and it has generated a standalone application that can be installed and run although the user does not have MATLAB software or the appropriate version.

Descripción de parámetros glóticos basados en el modelado de los pliegues vocales para la detección de patología de la voz

Las patologías de la voz se han transformado en los últimos tiempos en una problemática social con cierto calado. La contaminación de las ciudades, hábitos como el de fumar, el uso de aparatos de aire acondicionado, etcétera, contribuyen a ello. Esto alcanza más relevancia en profesionales que utilizan su voz de manera frecuente, como, por ejemplo, locutores, cantantes, profesores o teleoperadores. Por todo ello resultan de especial interés las técnicas de ayuda al diagnóstico que son capaces de extraer conclusiones clínicas a partir de una muestra de la voz grabada con un micrófono, frente a otras invasivas que implican la exploración utilizando laringoscopios, fibroscopios o videoendoscopios, técnicas en cualquier caso mucho más molestas para los pacientes al exigir la introducción parcial del instrumental citado por la garganta, en actuaciones consideradas de tipo quirúrgico. Dentro de aquellas técnicas se ha avanzado mucho en un período de tiempo relativamente corto. En lo que se refiere al diagnóstico de patologías, hemos pasado en los últimos quince años de trabajar principalmente con parámetros extraídos de la señal de voz –tanto en el dominio del tiempo como en el de la frecuencia– y con escalas elaboradas con valoraciones subjetivas realizadas por expertos a hacerlo también con parámetros procedentes de estimaciones de la fuente glótica. La importancia de utilizar la fuente glótica reside, a grandes rasgos, en que se trata de una señal vinculada directamente al estado de la estructura laríngea del locutor y también en que está generalmente menos influida por el tracto vocal que la señal de voz. Es conocido que el tracto vocal guarda más relación con el mensaje hablado, y su presencia dificulta el proceso de detección de patología vocal. Estas estimaciones de la fuente glótica han sido obtenidas a través de técnicas de filtrado inverso desarrolladas por nuestro grupo de investigación. Hemos conseguido, además, profundizar en la naturaleza de la señal glótica: somos capaces de descomponerla y relacionarla con parámetros biomecánicos de los propios pliegues vocales, obteniendo estimaciones de elementos como la masa, la pérdida de energía o la elasticidad del cuerpo y de la cubierta del pliegue, entre otros. De las componentes de la fuente glótica surgen también los denominados parámetros biométricos, relacionados con la forma de la señal, que constituyen por sí mismos una firma biométrica del individuo. También trabajaremos con parámetros temporales, relacionados con las diferentes etapas que se observan dentro de la señal glótica durante un ciclo de fonación. Por último, consideraremos parámetros clásicos de perturbación y energía de la señal. En definitiva, contamos ahora con una considerable cantidad de parámetros glóticos que conforman una base estadística multidimensional, destinada a ser capaz de discriminar personas con voces patológicas o disfónicas de aquellas que no presentan patología en la voz o con voces sanas o normofónicas. Esta tesis doctoral se ocupa de varias cuestiones: en primer lugar, es necesario analizar cuidadosamente estos nuevos parámetros, por lo que ofreceremos una completa descripción estadística de los mismos. También estudiaremos cuestiones como la distribución de los parámetros atendiendo a criterios como el de normalidad estadística de los mismos, ocupándonos especialmente de la diferencia entre las distribuciones que presentan sujetos sanos y sujetos con patología vocal. Para todo ello emplearemos diferentes técnicas estadísticas: generación de elementos y diagramas descriptivos, pruebas de normalidad y diversos contrastes de hipótesis, tanto paramétricos como no paramétricos, que considerarán la diferencia entre los grupos de personas sanas y los grupos de personas con alguna patología relacionada con la voz. Además, nos interesa encontrar relaciones estadísticas entre los parámetros, de cara a eliminar posibles redundancias presentes en el modelo, a reducir la dimensionalidad del problema y a establecer un criterio de importancia relativa en los parámetros en cuanto a su capacidad discriminante para el criterio patológico/sano. Para ello se aplicarán técnicas estadísticas como la Correlación Lineal Bivariada y el Análisis Factorial basado en Componentes Principales. Por último, utilizaremos la conocida técnica de clasificación Análisis Discriminante, aplicada a diferentes combinaciones de parámetros y de factores, para determinar cuáles de ellas son las que ofrecen tasas de acierto más prometedoras. Para llevar a cabo la experimentación se ha utilizado una base de datos equilibrada y robusta formada por doscientos sujetos, cien de ellos pertenecientes al género femenino y los restantes cien al género masculino, con una proporción también equilibrada entre los sujetos que presentan patología vocal y aquellos que no la presentan. Una de las aplicaciones informáticas diseñada para llevar a cabo la recogida de muestras también es presentada en esta tesis. Los distintos estudios estadísticos realizados nos permitirán identificar aquellos parámetros que tienen una mayor contribución a la hora de detectar la presencia de patología vocal. Alguno de los estudios, además, nos permitirá presentar una ordenación de los parámetros en base a su importancia para realizar la detección. Por otra parte, también concluiremos que en ocasiones es conveniente realizar una reducción de la dimensionalidad de los parámetros para mejorar las tasas de detección. Por fin, las propias tasas de detección constituyen quizá la conclusión más importante del trabajo. Todos los análisis presentes en el trabajo serán realizados para cada uno de los dos géneros, de acuerdo con diversos estudios previos que demuestran que los géneros masculino y femenino deben tratarse de forma independiente debido a las diferencias orgánicas observadas entre ambos. Sin embargo, en lo referente a la detección de patología vocal contemplaremos también la posibilidad de trabajar con la base de datos unificada, comprobando que las tasas de acierto son también elevadas. Abstract Voice pathologies have become recently in a social problem that has reached a certain concern. Pollution in cities, smoking habits, air conditioning, etc. contributes to it. This problem is more relevant for professionals who use their voice frequently: speakers, singers, teachers, actors, telemarketers, etc. Therefore techniques that are capable of drawing conclusions from a sample of the recorded voice are of particular interest for the diagnosis as opposed to other invasive ones, involving exploration by laryngoscopes, fiber scopes or video endoscopes, which are techniques much less comfortable for patients. Voice quality analysis has come a long way in a relatively short period of time. In regard to the diagnosis of diseases, we have gone in the last fifteen years from working primarily with parameters extracted from the voice signal (both in time and frequency domains) and with scales drawn from subjective assessments by experts to produce more accurate evaluations with estimates derived from the glottal source. The importance of using the glottal source resides broadly in that this signal is linked to the state of the speaker's laryngeal structure. Unlike the voice signal (phonated speech) the glottal source, if conveniently reconstructed using adaptive lattices, may be less influenced by the vocal tract. As it is well known the vocal tract is related to the articulation of the spoken message and its influence complicates the process of voice pathology detection, unlike when using the reconstructed glottal source, where vocal tract influence has been almost completely removed. The estimates of the glottal source have been obtained through inverse filtering techniques developed by our research group. We have also deepened into the nature of the glottal signal, dissecting it and relating it to the biomechanical parameters of the vocal folds, obtaining several estimates of items such as mass, loss or elasticity of cover and body of the vocal fold, among others. From the components of the glottal source also arise the so-called biometric parameters, related to the shape of the signal, which are themselves a biometric signature of the individual. We will also work with temporal parameters related to the different stages that are observed in the glottal signal during a cycle of phonation. Finally, we will take into consideration classical perturbation and energy parameters. In short, we have now a considerable amount of glottal parameters in a multidimensional statistical basis, designed to be able to discriminate people with pathologic or dysphonic voices from those who do not show pathology. This thesis addresses several issues: first, a careful analysis of these new parameters is required, so we will offer a complete statistical description of them. We will also discuss issues such as distribution of the parameters, considering criteria such as their statistical normality. We will take special care in the analysis of the difference between distributions from healthy subjects and the distributions from pathological subjects. To reach these goals we will use different statistical techniques such as: generation of descriptive items and diagramas, tests for normality and hypothesis testing, both parametric and nonparametric. These latter techniques consider the difference between the groups of healthy subjects and groups of people with an illness related to voice. In addition, we are interested in finding statistical relationships between parameters. There are various reasons behind that: eliminate possible redundancies in the model, reduce the dimensionality of the problem and establish a criterion of relative importance in the parameters. The latter reason will be done in terms of discriminatory power for the criterion pathological/healthy. To this end, statistical techniques such as Bivariate Linear Correlation and Factor Analysis based on Principal Components will be applied. Finally, we will use the well-known technique of Discriminant Analysis classification applied to different combinations of parameters and factors to determine which of these combinations offers more promising success rates. To perform the experiments we have used a balanced and robust database, consisting of two hundred speakers, one hundred of them males and one hundred females. We have also used a well-balanced proportion where subjects with vocal pathology as well as subjects who don´t have a vocal pathology are equally represented. A computer application designed to carry out the collection of samples is also presented in this thesis. The different statistical analyses performed will allow us to determine which parameters contribute in a more decisive way in the detection of vocal pathology. Therefore, some of the analyses will even allow us to present a ranking of the parameters based on their importance for the detection of vocal pathology. On the other hand, we will also conclude that it is sometimes desirable to perform a dimensionality reduction in order to improve the detection rates. Finally, detection rates themselves are perhaps the most important conclusion of the work. All the analyses presented in this work have been performed for each of the two genders in agreement with previous studies showing that male and female genders should be treated independently, due to the observed functional differences between them. However, with regard to the detection of vocal pathology we will consider the possibility of working with the unified database, ensuring that the success rates obtained are also high.

Análisis de la modulación de voz ocasionada por el temblor vocal

La realización de este proyecto está basado en el estudio realizado por Jean Schoentgen en el cual el autor caracterizó el micro temblor vocal por medio del índice y la frecuencia de modulación. En este proyecto se utilizará la herramienta Matlab para el cálculo de estos parámetros y al finalizar se analizarán los datos obtenidos. El proyecto se ha dividido en tres grandes partes. En la primera de ellas se ha explicado brevemente los conceptos básicos de la voz y conceptos importantes tales como el temblor fisiológico, el patológico y el Jitter vocal entre otros, también se han detallado conceptos matemáticos utilizados en el desarrollo del código. Esto se realizó con el fin que el lector tenga claros algunos conceptos importantes antes del desarrollo del código y así pueda entender con más facilidad el estudio realizado en este proyecto, en esta parte no se ha realizado una explicación muy extensa de cada concepto, entendiendo que el lector posee unos conocimientos básicos de ingeniería, por otra parte existen innumerables libros que explican de una manera más precisa cada uno de estos conceptos. En la segunda parte se llevó a cabo el desarrollo del código. Como se mencionó anteriormente se ha utilizado la herramienta Matlab que es muy utilizada en la mayoría de las asignaturas de la carrera obteniendo así un buen dominio de esta, además posee unos toolbox muy útiles que facilitan los cálculos matemáticos. En esta parte se ilustra paso a paso cada etapa de elaboración del código y algunas graficas de la señal de voz a medida que pasa por cada etapa del código. En la última parte se obtienen los datos de todos los cálculos de los registros de voz y se analiza cada uno de ellos a la vez que se comparan con los del estudio de Jean Schoentgen y se analizan las posibles diferencias. ABSTRACT. The Project is based on the search made by Jean Schoentgen, whose research the micro tremor vocal can be established by frequency modulation and modulation index. This project has been carried out in Matlab to calculate the aforementioned parameters and finally, the results were contrasted with the results from Jean Shoetngen’s research. This project consists of three parts: The first of all, to be able to understand this project to future readers .It was explained different basic concepts about the voice such as physiologic tremor, pathological tremor and Jitter. Furthermore, mathematical concepts were explained in detail, due to these were used in the software development. Then, it was focused on software development such as the elaboration of code and different voice signals that were processed. This part was made with Matlab, which is mathematical software with high-level language for numerical computation, visualization, collaborate across disciplines including signal and image processing and application development. At finally, the acquired calculations were contrasted with the results from Jean Schoentgen’s research.

Evaluación de la contribución y el impacto de las tecnologías del habla en la detección automática del Síndrome de la Apnea Obstructiva del Sueño = Contributions and impact assessment of speech technologies on the automatic detection of severe Obstructive Sleep Apnea syndrome

La presente Tesis analiza las posibilidades que ofrecen en la actualidad las tecnologías del habla para la detección de patologías clínicas asociadas a la vía aérea superior. El estudio del habla que tradicionalmente cubre tanto la producción como el proceso de transformación del mensaje y las señales involucradas, desde el emisor hasta alcanzar al receptor, ofrece una vía de estudio alternativa para estas patologías. El hecho de que la señal emitida no solo contiene este mensaje, sino también información acerca del locutor, ha motivado el desarrollo de sistemas orientados a la identificación y verificación de la identidad de los locutores. Estos trabajos han recibido recientemente un nuevo impulso, orientándose tanto hacia la caracterización de rasgos que son comunes a varios locutores, como a las diferencias existentes entre grabaciones de un mismo locutor. Los primeros resultan especialmente relevantes para esta Tesis dado que estos rasgos podrían evidenciar la presencia de características relacionadas con una cierta condición común a varios locutores, independiente de su identidad. Tal es el caso que se enfrenta en esta Tesis, donde los rasgos identificados se relacionarían con una de la patología particular y directamente vinculada con el sistema de físico de conformación del habla. El caso del Síndrome de Apneas Hipopneas durante el Sueno (SAHS) resulta paradigmático. Se trata de una patología con una elevada prevalencia mundo, que aumenta con la edad. Los pacientes de esta patología experimentan episodios de cese involuntario de la respiración durante el sueño, que se prolongan durante varios segundos y que se reproducen a lo largo de la noche impidiendo el correcto descanso. En el caso de la apnea obstructiva, estos episodios se deben a la imposibilidad de mantener un camino abierto a través de la vía aérea, de forma que el flujo de aire se ve interrumpido. En la actualidad, el diagnostico de estos pacientes se realiza a través de un estudio polisomnográfico, que se centra en el análisis de los episodios de apnea durante el sueño, requiriendo que el paciente permanezca en el hospital durante una noche. La complejidad y el elevado coste de estos procedimientos, unidos a las crecientes listas de espera, han evidenciado la necesidad de contar con técnicas rápidas de detección, que si bien podrían no obtener tasas tan elevadas, permitirían reorganizar las listas de espera en función del grado de severidad de la patología en cada paciente. Entre otros, los sistemas de diagnostico por imagen, así como la caracterización antropométrica de los pacientes, han evidenciado la existencia de patrones anatómicos que tendrían influencia directa sobre el habla. Los trabajos dedicados al estudio del SAHS en lo relativo a como esta afecta al habla han sido escasos y algunos de ellos incluso contradictorios. Sin embargo, desde finales de la década de 1980 se conoce la existencia de patrones específicos relativos a la articulación, la fonación y la resonancia. Sin embargo, su descripción resultaba difícilmente aprovechable a través de un sistema de reconocimiento automático, pero apuntaba la existencia de un nexo entre voz y SAHS. En los últimos anos las técnicas de procesado automático han permitido el desarrollo de sistemas automáticos que ya son capaces de identificar diferencias significativas en el habla de los pacientes del SAHS, y que los distinguen de los locutores sanos. Por contra, poco se conoce acerca de la conexión entre estos nuevos resultados, los sé que habían obtenido en el pasado y la patogénesis del SAHS. Esta Tesis continua la labor desarrollada en este ámbito considerando específicamente: el estudio de la forma en que el SAHS afecta el habla de los pacientes, la mejora en las tasas de clasificación automática y la combinación de la información obtenida con los predictores utilizados por los especialistas clínicos en sus evaluaciones preliminares. Las dos primeras tareas plantean problemas simbióticos, pero diferentes. Mientras el estudio de la conexión entre el SAHS y el habla requiere de modelos acotados que puedan ser interpretados con facilidad, los sistemas de reconocimiento se sirven de un elevado número de dimensiones para la caracterización y posterior identificación de patrones. Así, la primera tarea debe permitirnos avanzar en la segunda, al igual que la incorporación de los predictores utilizados por los especialistas clínicos. La Tesis aborda el estudio tanto del habla continua como del habla sostenida, con el fin de aprovechar las sinergias y diferencias existentes entre ambas. En el análisis del habla continua se tomo como punto de partida un esquema que ya fue evaluado con anterioridad, y sobre el cual se ha tratado la evaluación y optimización de la representación del habla, así como la caracterización de los patrones específicos asociados al SAHS. Ello ha evidenciado la conexión entre el SAHS y los elementos fundamentales de la señal de voz: los formantes. Los resultados obtenidos demuestran que el éxito de estos sistemas se debe, fundamentalmente, a la capacidad de estas representaciones para describir dichas componentes, obviando las dimensiones ruidosas o con poca capacidad discriminativa. El esquema resultante ofrece una tasa de error por debajo del 18%, sirviéndose de clasificadores notablemente menos complejos que los descritos en el estado del arte y de una única grabación de voz de corta duración. En relación a la conexión entre el SAHS y los patrones observados, fue necesario considerar las diferencias inter- e intra-grupo, centrándonos en la articulación característica del locutor, sustituyendo los complejos modelos de clasificación por el estudio de los promedios espectrales. El resultado apunta con claridad hacia ciertas regiones del eje de frecuencias, sugiriendo la existencia de un estrechamiento sistemático en la sección del tracto en la región de la orofaringe, ya prevista en la patogénesis de este síndrome. En cuanto al habla sostenida, se han reproducido los estudios realizados sobre el habla continua en grabaciones de la vocal /a/ sostenida. Los resultados son cualitativamente análogos a los anteriores, si bien en este caso las tasas de clasificación resultan ser más bajas. Con el objetivo de identificar el sentido de este resultado se reprodujo el estudio de los promedios espectrales y de la variabilidad inter e intra-grupo. Ambos estudios mostraron importantes diferencias con los anteriores que podrían explicar estos resultados. Sin embargo, el habla sostenida ofrece otras oportunidades al establecer un entorno controlado para el estudio de la fonación, que también había sido identificada como una fuente de información para la detección del SAHS. De su estudio se pudo observar que, en el conjunto de datos disponibles, no existen variaciones que pudieran asociarse fácilmente con la fonación. Únicamente aquellas dimensiones que describen la distribución de energía a lo largo del eje de frecuencia evidenciaron diferencias significativas, apuntando, una vez más, en la dirección de las resonancias espectrales. Analizados los resultados anteriores, la Tesis afronta la fusión de ambas fuentes de información en un único sistema de clasificación. Con ello es posible mejorar las tasas de clasificación, bajo la hipótesis de que la información presente en el habla continua y el habla sostenida es fundamentalmente distinta. Esta tarea se realizo a través de un sencillo esquema de fusión que obtuvo un 88.6% de aciertos en clasificación (tasa de error del 11.4%), lo que representa una mejora significativa respecto al estado del arte. Finalmente, la combinación de este clasificador con los predictores utilizados por los especialistas clínicos ofreció una tasa del 91.3% (tasa de error de 8.7%), que se encuentra dentro del margen ofrecido por esquemas más costosos e intrusivos, y que a diferencia del propuesto, no pueden ser utilizados en la evaluación previa de los pacientes. Con todo, la Tesis ofrece una visión clara sobre la relación entre el SAHS y el habla, evidenciando el grado de madurez alcanzado por la tecnología del habla en la caracterización y detección del SAHS, poniendo de manifiesto que su uso para la evaluación de los pacientes ya sería posible, y dejando la puerta abierta a futuras investigaciones que continúen el trabajo aquí iniciado. ABSTRACT This Thesis explores the potential of speech technologies for the detection of clinical disorders connected to the upper airway. The study of speech traditionally covers both the production process and post processing of the signals involved, from the speaker up to the listener, offering an alternative path to study these pathologies. The fact that utterances embed not just the encoded message but also information about the speaker, has motivated the development of automatic systems oriented to the identification and verificaton the speaker’s identity. These have recently been boosted and reoriented either towards the characterization of traits that are common to several speakers, or to the differences between records of the same speaker collected under different conditions. The first are particularly relevant to this Thesis as these patterns could reveal the presence of features that are related to a common condition shared among different speakers, regardless of their identity. Such is the case faced in this Thesis, where the traits identified would relate to a particular pathology, directly connected to the speech production system. The Obstructive Sleep Apnea syndrome (OSA) is a paradigmatic case for analysis. It is a disorder with high prevalence among adults and affecting a larger number of them as they grow older. Patients suffering from this disorder experience episodes of involuntary cessation of breath during sleep that may last a few seconds and reproduce throughout the night, preventing proper rest. In the case of obstructive apnea, these episodes are related to the collapse of the pharynx, which interrupts the air flow. Currently, OSA diagnosis is done through a polysomnographic study, which focuses on the analysis of apnea episodes during sleep, requiring the patient to stay at the hospital for the whole night. The complexity and high cost of the procedures involved, combined with the waiting lists, have evidenced the need for screening techniques, which perhaps would not achieve outstanding performance rates but would allow clinicians to reorganize these lists ranking patients according to the severity of their condition. Among others, imaging diagnosis and anthropometric characterization of patients have evidenced the existence of anatomical patterns related to OSA that have direct influence on speech. Contributions devoted to the study of how this disorder affects scpeech are scarce and somehow contradictory. However, since the late 1980s the existence of specific patterns related to articulation, phonation and resonance is known. By that time these descriptions were virtually useless when coming to the development of an automatic system, but pointed out the existence of a link between speech and OSA. In recent years automatic processing techniques have evolved and are now able to identify significant differences in the speech of OSAS patients when compared to records from healthy subjects. Nevertheless, little is known about the connection between these new results with those published in the past and the pathogenesis of the OSA syndrome. This Thesis is aimed to progress beyond the previous research done in this area by addressing: the study of how OSA affects patients’ speech, the enhancement of automatic OSA classification based on speech analysis, and its integration with the information embedded in the predictors generally used by clinicians in preliminary patients’ examination. The first two tasks, though may appear symbiotic at first, are quite different. While studying the connection between speech and OSA requires simple narrow models that can be easily interpreted, classification requires larger models including a large number dimensions for the characterization and posterior identification of the observed patterns. Anyhow, it is clear that any progress made in the first task should allow us to improve our performance on the second one, and that the incorporation of the predictors used by clinicians shall contribute in this same direction. The Thesis considers both continuous and sustained speech analysis, to exploit the synergies and differences between them. On continuous speech analysis, a conventional speech processing scheme, designed and evaluated before this Thesis, was taken as a baseline. Over this initial system several alternative representations of the speech information were proposed, optimized and tested to select those more suitable for the characterization of OSA-specific patterns. Evidences were found on the existence of a connection between OSA and the fundamental constituents of the speech: the formants. Experimental results proved that the success of the proposed solution is well explained by the ability of speech representations to describe these specific OSA-related components, ignoring the noisy ones as well those presenting low discrimination capabilities. The resulting scheme obtained a 18% error rate, on a classification scheme significantly less complex than those described in the literature and operating on a single speech record. Regarding the connection between OSA and the observed patterns, it was necessary to consider inter-and intra-group differences for this analysis, and to focus on the articulation, replacing the complex classification models by the long-term average spectra. Results clearly point to certain regions on the frequency axis, suggesting the existence of a systematic narrowing in the vocal tract section at the oropharynx. This was already described in the pathogenesis of this syndrome. Regarding sustained speech, similar experiments as those conducted on continuous speech were reproduced on sustained phonations of vowel / a /. Results were qualitatively similar to the previous ones, though in this case perfomance rates were found to be noticeably lower. Trying to derive further knowledge from this result, experiments on the long-term average spectra and intraand inter-group variability ratios were also reproduced on sustained speech records. Results on both experiments showed significant differences from the previous ones obtained from continuous speech which could explain the differences observed on peformance. However, sustained speech also provided the opportunity to study phonation within the controlled framework it provides. This was also identified in the literature as a source of information for the detection of OSA. In this study it was found that, for the available dataset, no sistematic differences related to phonation could be found between the two groups of speakers. Only those dimensions which relate energy distribution along the frequency axis provided significant differences, pointing once again towards the direction of resonant components. Once classification schemes on both continuous and sustained speech were developed, the Thesis addressed their combination into a single classification system. Under the assumption that the information in continuous and sustained speech is fundamentally different, it should be possible to successfully merge the two of them. This was tested through a simple fusion scheme which obtained a 88.6% correct classification (11.4% error rate), which represents a significant improvement over the state of the art. Finally, the combination of this classifier with the variables used by clinicians obtained a 91.3% accuracy (8.7% error rate). This is within the range of alternative, but costly and intrusive schemes, which unlike the one proposed can not be used in the preliminary assessment of patients’ condition. In the end, this Thesis has shed new light on the underlying connection between OSA and speech, and evidenced the degree of maturity reached by speech technology on OSA characterization and detection, leaving the door open for future research which shall continue in the multiple directions that have been pointed out and left as future work.

New methodology for the integration of biometric features in speaker recognition systems applied to security environments

La cuestión principal abordada en esta tesis doctoral es la mejora de los sistemas biométricos de reconocimiento de personas a partir de la voz, proponiendo el uso de una nueva parametrización, que hemos denominado parametrización biométrica extendida dependiente de género (GDEBP en sus siglas en inglés). No se propone una ruptura completa respecto a los parámetros clásicos sino una nueva forma de utilizarlos y complementarlos. En concreto, proponemos el uso de parámetros diferentes dependiendo del género del locutor, ya que como es bien sabido, la voz masculina y femenina presentan características diferentes que deberán modelarse, por tanto, de diferente manera. Además complementamos los parámetros clásicos utilizados (MFFC extraídos de la señal de voz), con un nuevo conjunto de parámetros extraídos a partir de la deconstrucción de la señal de voz en sus componentes de fuente glótica (más relacionada con el proceso y órganos de fonación y por tanto con características físicas del locutor) y de tracto vocal (más relacionada con la articulación acústica y por tanto con el mensaje emitido). Para verificar la validez de esta propuesta se plantean diversos escenarios, utilizando diferentes bases de datos, para validar que la GDEBP permite generar una descripción más precisa de los locutores que los parámetros MFCC clásicos independientes del género. En concreto se plantean diferentes escenarios de identificación sobre texto restringido y texto independiente utilizando las bases de datos de HESPERIA y ALBAYZIN. El trabajo también se completa con la participación en dos competiciones internacionales de reconocimiento de locutor, NIST SRE (2010 y 2012) y MOBIO 2013. En el primer caso debido a la naturaleza de las bases de datos utilizadas se obtuvieron resultados cercanos al estado del arte, mientras que en el segundo de los casos el sistema presentado obtuvo la mejor tasa de reconocimiento para locutores femeninos. A pesar de que el objetivo principal de esta tesis no es el estudio de sistemas de clasificación, sí ha sido necesario analizar el rendimiento de diferentes sistemas de clasificación, para ver el rendimiento de la parametrización propuesta. En concreto, se ha abordado el uso de sistemas de reconocimiento basados en el paradigma GMM-UBM, supervectores e i-vectors. Los resultados que se presentan confirman que la utilización de características que permitan describir los locutores de manera más precisa es en cierto modo más importante que la elección del sistema de clasificación utilizado por el sistema. En este sentido la parametrización propuesta supone un paso adelante en la mejora de los sistemas de reconocimiento biométrico de personas por la voz, ya que incluso con sistemas de clasificación relativamente simples se consiguen tasas de reconocimiento realmente competitivas. ABSTRACT The main question addressed in this thesis is the improvement of automatic speaker recognition systems, by the introduction of a new front-end module that we have called Gender Dependent Extended Biometric Parameterisation (GDEBP). This front-end do not constitute a complete break with respect to classical parameterisation techniques used in speaker recognition but a new way to obtain these parameters while introducing some complementary ones. Specifically, we propose a gender-dependent parameterisation, since as it is well known male and female voices have different characteristic, and therefore the use of different parameters to model these distinguishing characteristics should provide a better characterisation of speakers. Additionally, we propose the introduction of a new set of biometric parameters extracted from the components which result from the deconstruction of the voice into its glottal source estimate (close related to the phonation process and the involved organs, and therefore the physical characteristics of the speaker) and vocal tract estimate (close related to acoustic articulation and therefore to the spoken message). These biometric parameters constitute a complement to the classical MFCC extracted from the power spectral density of speech as a whole. In order to check the validity of this proposal we establish different practical scenarios, using different databases, so we can conclude that a GDEBP generates a more accurate description of speakers than classical approaches based on gender-independent MFCC. Specifically, we propose scenarios based on text-constrain and text-independent test using HESPERIA and ALBAYZIN databases. This work is also completed with the participation in two international speaker recognition evaluations: NIST SRE (2010 and 2012) and MOBIO 2013, with diverse results. In the first case, due to the nature of the NIST databases, we obtain results closed to state-of-the-art although confirming our hypothesis, whereas in the MOBIO SRE we obtain the best simple system performance for female speakers. Although the study of classification systems is beyond the scope of this thesis, we found it necessary to analise the performance of different classification systems, in order to verify the effect of them on the propose parameterisation. In particular, we have addressed the use of speaker recognition systems based on the GMM-UBM paradigm, supervectors and i-vectors. The presented results confirm that the selection of a set of parameters that allows for a more accurate description of the speakers is as important as the selection of the classification method used by the biometric system. In this sense, the proposed parameterisation constitutes a step forward in improving speaker recognition systems, since even when using relatively simple classification systems, really competitive recognition rates are achieved.

Análisis de descriptores perceptuales para la caracterización del habla de pacientes de la apnea obstructiva del sueño

A día de hoy, a pesar de todos los avances médicos y tecnológicos, no existe una prueba capaz de diagnosticar el Síndrome de Apneas-Hipopneas durante el Sueño (SAHS) o Síndrome de Apnea del Sueño (SAS), con una prueba in-situ rápida y eficaz. La detección de este trastorno, se lleva a cabo con una prueba larga y costosa, en la que el paciente debe pasar una noche hospitalizado y monitorizado en todo momento. Con el fin de minimizar tiempo y costes de diagnóstico de esta patología, el Grupo de Aplicaciones de Procesado de Señales (GAPS) lleva años trabajando en el desarrollo de una herramienta de apoyo, basada en el análisis de la señal de voz, que proporcione una alternativa a los métodos de diagnóstico actuales. En definitiva, desarrollar una prueba in-situ capaz de diagnosticar esta enfermedad. El Síndrome de Apnea del Sueño (SAS) es un trastorno muy prevalente y con muy bajo índice de casos diagnosticados. Se define como un cuadro de somnolencia excesiva, trastornos cognitivos-conductuales, respiratorios, cardiacos, metabólicos o inflamatorios secundarios a episodios repetidos de obstrucción de la vía aérea superior (VAS) durante el sueño. Esta obstrucción se produce por el colapso de las partes blandas de la garganta, impidiendo una correcta respiración, y como consecuencia, interrupciones del sueño no consciente e hipoxia. En este contexto se ha desarrollado un Proyecto de Fin de Grado conjunto las Srtas. Laura Soria Simón y Bárbara Recarte Steegman. Se estructura en tres bloques: análisis perceptual conjunto, estudio de técnicas de clasificación (Laura) y estudio acústico (Bárbara). Los resultados y conclusiones correspondientes al estudio de las técnicas de clasificación de los descriptores perceptuales y global del proyecto, se recogen en el presente documento.

Modelado de fuente glotal para extraer características de la identidad del locutor

La producción de la voz humana se lleva a cabo en el tracto vocal. Los sintetizadores consiguen emular a las distintas partes del tracto vocal, y gracias a ellos se pueden modificar características propias del hablante. Una de estas modificaciones consiste variar el tono de un locutor inicial, mezclando parámetros de éste con los de un locutor deseado. En este proyecto se ha desarrollado un modelo propuesto para este cambio de identidad. Partiendo de las señales de voz originales se han extraído parámetros para crear una base de datos para cada locutor. Las voces se sintetizarán mezclando estas bases de datos y otros parámetros correspondientes a distintos locutores dando como resultado una señal de voz con características de dos locutores diferentes. Finalmente se realizarán pruebas auditivas para comprobar la identidad del locutor de la voz sintetizada. ABSTRACT. Human voice production is carried out in the vocal tract. Each part of the vocal tract is emulated in synthesizers, and for that, speaker features can be modified. One of these modifications is to change the initial speaker tone, mixing parameters of this speaker with the parameters of a desired speaker. In this project it has been developed a proposed model for this identity change. Starting from the originals voice signals its parameters have been extracted to built a database for each speaker. Voices will be synthesized mixing these databases with parameters of the others speakers giving as result a voice signal with features of two different speakers. Finally, hearing tests will be made to check the speaker identity of the synthesized voice.

Codificación de voz en subbandas

Tesis (Maestría en Ciencias de la Ingeniería con Especialidad en Telecomunicaciónes) UANL

Desarrollo de videojuegos para rehabilitación de la voz en entornos móviles

Este proyecto consiste en crear una serie de tres pequeños videojuegos incluidos en una sola aplicación, para plataformas móviles Android, que permitan en cualquier lugar entrenar la estética de la voz del paciente con problemas de fonación. Dependiendo de los aspectos de la voz (sonidos sonoros y sordos, el pitch y la intensidad) a trabajar se le asignará un ejercicio u otro. En primer lugar se introduce el concepto de rehabilitación de la voz y en qué casos es necesario. Seguidamente se realiza un trabajo de búsqueda en el que se identifican las distintas plataformas de desarrollo de videojuegos que son compatibles con los sistemas Android, así como para la captura de audio y las librerías de procesado de señal. A continuación se eligen las herramientas que presentan las mejores capacidades y con las que se va a trabajar. Estas son el motor de juego Andengine, para la parte gráfica, el entorno Java específico de Android, para la captura de muestras de audio y la librería JTransforms que realiza transformadas de Fourier permitiendo procesar el audio para la detección de pitch. Al desarrollar y ensamblar los distintos bloques se prioriza el funcionamiento en tiempo real de la aplicación. Las líneas de mejora y conclusiones se comentan en el último capítulo del trabajo así como el manual de usuario para mayor comprensión. ABSTRACT. The main aim of this project is to create an application for mobile devices which includes three small speech therapy videogames for the Android OS. These videogames allow patients to train certain voice parameters (such as voice and unvoiced sounds, pitch and intensity) wherever they want and need to. First, an overview of the concept of voice rehabilitation and its uses for patients with speech disorders is given. Secondly a study has been made to identify the most suitable video game engine for the Android OS, the best possible way to capture audio from the device and the audio processing library which will combine with the latter. Therefore, the chosen tools are exposed. Andengine has been selected regarding the game engine, Android’s Java framework for audio capture and the fast Fourier transform library, JTransforms, for pitch detection. Real time processing is vital for the proper functioning of the application. Lines of improvement and other conclusions are discussed in the last part of this dissertation paper.

Optimal management of conflicting species: Grey seal (Halichoerus grypus) and Atlantic salmon (Salmo salar) in the Baltic Sea

The objective of this thesis is to examine the economic effects in the conflict between grey seal population and the salmon fishery in the Baltic Sea. We will formulate a bioeconomic model which provides new insights on the optimal management of Atlantic salmon with respect to the effects brought about by the grey seal population. As the catch losses caused by seals have an effect on salmon fishery in Baltic, we will study how seal population affects the present value of the salmon fishery. The study considers the Finnish coastal trap net fishery. The bioeconomic model considers a scenario of sole salmon fishery and a scenario of salmon fishery affected by the grey seal population. On the basis of these scenarios, a seal compensation scheme is introduced. We can observe a significant economic seal-induced effect on the salmon fishery. The results suggest that the present seal compensation scheme emploid by the Finnish government is suboptimal. This thesis is part of the TARMO –project, in which the conflict between grey seal population and salmon fishery is studied using the methods of environmental economics.

Molecular and serological studies on the recent seal virus epizootics in Europe and Siberia

The virus epizootics which occurred in seals in both Europe and Siberia during 1987/1988 were caused by two different morbillivirus, referred to as phocid distemper virus (PDV) 1 and 2, respectively. Molecular and serological studies have shown that the European virus is quite distinct from canine distemper virus (CDV), its closest relative in the morbillivirus group. Analysis of tissues obtained from infected seals from a wide geographical distrubution over Northern Europe showed that the infectious agent (PDV 1) was identical in all cases. Nucleotide sequence analysis of one of the virus genes suggested that this virus has evolved away from CDV over a long time period and is most probably an enzootic virus of marine mammals. In contrast, the virus (PDV 2) which caused the deaths of many Siberian seals was indistinguishable, both serologically and at the molecular level, from CDV and must have originated from a land source.

La enunciación en El torito de los muchachos : la voz del gaucho en el periodismo rosista

Resumen: Este trabajo pretende rastrear en los veinte números de El Torito de los Muchachos, un periódico gauchesco publicado en 1830, las marcas que permitan caracterizar al enunciador y el enunciatario construidos por el periódico. También se analizará la enunciación, entendida como un conjunto de recursos discursivos, procedimientos y géneros, que dan forma al mensaje; es decir, que determinan una determinada “manera de decir” (Verón, 2004:172). ¿Qué gaucho habla, a quién le habla, qué vínculo construye con su enunciatario? El análisis de las voces que circulan en las páginas de estos ejemplares ofrece algunas claves para entender una etapa del periodismo argentino atravesada por la polarización política.