dt2118 speech and speaker recognition - introduction · dt2118 speech and speaker recognition ... i...

69
DT2118 Speech and Speaker Recognition Introduction Giampiero Salvi KTH/CSC/TMH [email protected] VT 2015 1 / 52

Upload: trinhthu

Post on 24-Apr-2018

240 views

Category:

Documents


4 download

TRANSCRIPT

Page 1: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

DT2118Speech and Speaker Recognition

Introduction

Giampiero Salvi

KTH/CSC/TMH [email protected]

VT 2015

1 / 52

Page 2: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Outline

Course Organization

IntroductionThe Big PictureChallenges

Models of Speech ProductionSource/Filter Model: Vowel-like soundsSource/Filter Model, General Case

2 / 52

Page 3: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Outline

Course Organization

IntroductionThe Big PictureChallenges

Models of Speech ProductionSource/Filter Model: Vowel-like soundsSource/Filter Model, General Case

3 / 52

Page 4: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Contact Info

Giampiero Salvi ([email protected])

All communications handled through the courseweb:

https://www.kth.se/social/course/DT2118/

4 / 52

Page 5: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Course Objectivesafter the course you should be able to:

I implement simple training and evaluation methods forHidden Markov Models

I train and evaluate a speech recogniser using the HTKsoftware package

I compare different feature extraction and trainingmethods

I document and discuss specific aspects related to speechand speaker recognition

I with the help of the literature, review and criticise otherstudents’ work in the subject

5 / 52

Page 6: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Schedule

Part 1 Introduction, Speech Signal, Features,Statistics (ca 4 hours)

Part 2 Hidden Markov Models, Training andDecoding, HTK tutorial (ca 4 hours)

Part 3 Decoding and Search Algorithms(ca 2 hours)

Part 4 Language Models (Grammars)(ca 2 hours)

Part 5 Noise robustness and SpeakerRecognition (ca 2-4 hours)

6 / 52

Page 7: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Literature

I Spoken Language Processing: A Guide to Theory,Algorithm, and System Development

Xuedong Huang, Alex Acero, Hsiao-Wuen Hon, Prentice Hall

I 3 (2) at KTH library,I 9 (9) at TMH library (against 300 SEK deposit)

I Automatic Speech Recognition: A deep learning approach

Dong Yu and Li Deng, Springer 2015

Available in PDF from SpringerLink (via KTH Biblioteket)

I HTK manual version 3.4

I selected research articles

7 / 52

Page 8: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Reading Instructions (course book)These are indicative, check the schedule for more updated instructions

pages # pagesPart 1 (Spoken Language Structure) (19–71) (52)

Digital Signal Processing (201–273) 73Probability, Statistics and Inform. Theory 73–131 59Pattern Recognition 133–197 65Speech Signal Representations 275–336 62

Part 2 Hidden Markov Models 377–413 37Acoustic Modeling 415–475 61Environmental Robustness 477–544 68HTK tutorial (HTK book)

Part 3 Basic Search Algorithms 591–643 53(Large-Vocabulary Search Algorithms) (645–685) (41)(Applications and User Interfaces) (919–956) (38)

Part 4 Language Modeling 545–590 46Part 5 Speaker Recognition literature

(Optional chapters in parentheses)

8 / 52

Page 9: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Requirements/Activities

Grades: Pass/FailIn order to pass you have to:

1. carry out three labs and hand in the report

2. write term paper or carry out mini-project ingroups and present results at final seminar

3. act as reviewer and opponent for anotherpaper/report at final seminar

9 / 52

Page 10: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Lab 1: Speech Feature Extraction

I implement feature extraction for typical speechfeatures

I analyse the features on speech data

I compare utterances with Dynamic TimeWarping

I hand in report

10 / 52

Page 11: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Lab 2: Automatic Speech Recognition

I record a small database of spoken digits

I use HTK to build a simple digit recogniser

I test the recogniser in different conditions

I hand in report and lab files

11 / 52

Page 12: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Lab 3: Language Modelling

I Create statistical language models

I study the effect on speech recognition

I hand in report and lab files

12 / 52

Page 13: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Term Paper/Project

I Suggest a title or choose a topic from a list

I Term Paper: around 6 pages (max 10)

I Suggested topics:

Own work and experiments after discussion with the teacherLimitations in standard HMM and a survey of alternativesPronunciation variation and its importance for speech recogni-tionLanguage models for speech recognitionNew search methodsTechniques for robust recognition of speechConfidence measures in speech recognitionThe role of prosody for speech recognitionSpeaker variability and methods for adaptation

13 / 52

Page 14: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Important dates

All deadlines are set at 23:55 (KTH Social)

1. Mon 20 April: submit Lab 1 report

2. Mon 4 May: submit Lab 2 report

3. Mon 18 May: submit Lab 3 report

4. Mon 25 May: hand-in term paper (draft).Needed for the peer review.

5. Mon 2 Jun: Final seminar: presentproject/term paper results, with opposition

6. Mon 9 Jun: Final report

14 / 52

Page 15: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Part 1

15 / 52

Page 16: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Outline

Course Organization

IntroductionThe Big PictureChallenges

Models of Speech ProductionSource/Filter Model: Vowel-like soundsSource/Filter Model, General Case

16 / 52

Page 17: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Motivation

I Natural way of communication (No trainingneeded)

I Leaves hands and eyes free (Good forfunctionally disabled)

I Effective (Higher data rate than typing)

I Can be transmitted/received inexpensively(phones)

17 / 52

Page 18: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

The dream of Artificial Intelligence

2001: A space odyssey (1968)

18 / 52

Page 19: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

A very long endeavour1952, Bell laboratories, isolated digit recognition,single speaker, hardware based [1]

An underestimated challenge:60 years of bold announcements

[1] K. H. Davis, R. Biddulph, and S. Balashek. “Automatic Recognition of Spoken Digits”. In: JASA 24.6 (1952),pp. 637–642

19 / 52

Page 20: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

A very long endeavour1952, Bell laboratories, isolated digit recognition,single speaker, hardware based [1]

An underestimated challenge:60 years of bold announcements

[1] K. H. Davis, R. Biddulph, and S. Balashek. “Automatic Recognition of Spoken Digits”. In: JASA 24.6 (1952),pp. 637–642

19 / 52

Page 21: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Today’s Reality

I Now Pronounce You Chuck & Larry (2007)

20 / 52

Page 22: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

The ASR Goal (for this course)Convert speech into text

AutomaticSpeech

Recognition“My name is . . . ”

CC Please tell me your nameLV Larry ValentineCC I’m sorry, I didn’t quite get thatLV Larry ValentineCC You said “Berry Schmallenpine”. . . is that

right?LV Schmallenpine?!?!CC You said “Schmallenpine”. . . is that right?

21 / 52

Page 23: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

The ASR Goal (for this course)Convert speech into text

AutomaticSpeech

Recognition“My name is . . . ”

CC Please tell me your nameLV Larry ValentineCC I’m sorry, I didn’t quite get thatLV Larry ValentineCC You said “Berry Schmallenpine”. . . is that

right?LV Schmallenpine?!?!CC You said “Schmallenpine”. . . is that right?

21 / 52

Page 24: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

The ASR Goal (for this course)Convert speech into text

AutomaticSpeech

Recognition“My name is . . . ”

CC Please tell me your nameLV Larry ValentineCC I’m sorry, I didn’t quite get thatLV Larry ValentineCC You said “Berry Schmallenpine”. . . is that

right?LV Schmallenpine?!?!CC You said “Schmallenpine”. . . is that right?

21 / 52

Page 25: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

The ASR Goal (for this course)Convert speech into text

AutomaticSpeech

Recognition“My name is . . . ”

CC Please tell me your nameLV Larry ValentineCC I’m sorry, I didn’t quite get thatLV Larry ValentineCC You said “Berry Schmallenpine”. . . is that

right?LV Schmallenpine?!?!CC You said “Schmallenpine”. . . is that right?

21 / 52

Page 26: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

The ASR Goal (for this course)Convert speech into text

AutomaticSpeech

Recognition“My name is . . . ”

CC Please tell me your nameLV Larry ValentineCC I’m sorry, I didn’t quite get thatLV Larry ValentineCC You said “Berry Schmallenpine”. . . is that

right?LV Schmallenpine?!?!CC You said “Schmallenpine”. . . is that right?

21 / 52

Page 27: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

The Speech Chain

musclesVocal

Feedbacklink

Sensorynerves

Motornerves

Sensorynerves

levelLinguistic

levelPhysiological

levelAcoustic

levelPhysiological

levelLinguistic

EarBrain

BrainSound waves

Ear

SPEAKER LISTENER

Peter Denes, Elliot Pinson, 196322 / 52

Page 28: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

ASR versus Computer Vision

Peter Denes, Elliot Pinson, 1963

23 / 52

Page 29: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

ASR versus Computer Vision

Property ASR Computer Visionsignal originatesfrom:

cognition + physics physics

persistence: disappears as soon asheard

continually available(active perception)

across countries: different languages same objectstype of interac-tion:

two-way one-way

24 / 52

Page 30: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

The Speech Chain (from the book)

25 / 52

Page 31: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Not covered in this course:

I multimodality

I interaction (bi-directional)

I incrementality

I non-verbal communication

musclesVocal

Feedbacklink

Sensorynerves

Motornerves

Sensorynerves

levelLinguistic

levelPhysiological

levelAcoustic

levelPhysiological

levelLinguistic

EarBrain

BrainSound waves

Ear

SPEAKER LISTENER

26 / 52

Page 32: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Challenges — VariabilityBetween speakers

I AgeI GenderI AnatomyI Dialect

Within speaker

I StressI EmotionI Health conditionI Read vs SpontaneousI Adaptation to

environment (Lombardeffect)

I Adaptation to listener

Environment

I NoiseI Room acousticsI Microphone distanceI Microphone, telephoneI Bandwidth

Listener

I AgeI Mother tongueI Hearing lossI Known / unknownI Human / Machine

27 / 52

Page 33: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Example: spontaneous vshyper-articulated

Va jobbaru me Vad jobbar du med

“What is your occupation”(“What work you with”)

28 / 52

Page 34: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Examples of reduced pronunciation

Spoken Written In EnglishTesempel Till exempel for exampleahamba och han bara and he justbafatt bara for att just becausejavende jag vet inte I don’t know

29 / 52

Page 35: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Microphone distanceHeadset

2 m distance

30 / 52

Page 36: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Main variables in ASR

Speaking mode isolated words vs continuous speech

Speaking style read speech vs spontaneous speech

Speakers speaker dependent vs speakerindependent

Vocabulary small (<20 words) vs large (>50 000words)

Robustness against background noise

31 / 52

Page 37: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

http://www.itl.nist.gov/iad/mig/publications/ASRhistory/

32 / 52

Page 38: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Applications today

Call centers:

I traffic information

I time-tables

I booking. . .

Accessibility

I Dictation

I hand-free control (TV, video, telephone)

Smart phones

I Siri, Android. . .

33 / 52

Page 39: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Outline

Course Organization

IntroductionThe Big PictureChallenges

Models of Speech ProductionSource/Filter Model: Vowel-like soundsSource/Filter Model, General Case

34 / 52

Page 40: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Speech Examples

TIMIT database (American English)

example of “clean” speech

35 / 52

Page 41: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Elements of Signal Processing

I continuous/digital signals

I Linear and Time Invariant (LTI) systems

I impulse response and convolution

I Fourier transform and transfer function

I sampling theorem

I short-time Fourier transform

(Chapter 5 in the book)

36 / 52

Page 42: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Speech Examples

live examples

37 / 52

Page 43: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Physiology

Esophagus

Larynx

Soft palate(velum)

Hard palate

Lung

Trachea

Jaw

Oral cavity

Teeth

TongueLip

Nostril

Nasal cavity

Diaphragm

cavityPharyngeal

����������������������������������������

Trachea

Muscle Force and Relaxation

Lungs

FoldsVocal

Glottis

PharyngealCavity Cavity

Cavity

Oral

Nasal

Velum

NoseOutput

MouthOutput

38 / 52

Page 44: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Source/Filter Model, Vowel-like sounds

Vowels

Esophagus

Larynx

Soft palate(velum)

Hard palate

Lung

Trachea

Jaw

Oral cavity

Teeth

TongueLip

Nostril

Nasal cavity

Diaphragm

cavityPharyngeal

�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������

������������������������������������������������������

���������������������������������������������

������������������������

������������������������

����������������������������

����������������������������

����������������������������������������

����������������������������������������

������������������������

������������������������

����������������

������������������������

������������������������

��������������������

��������������������

����������������

����������������

������������������������

������������������������

�������������������������

�������������������������

� Source (periodic)� Front Cavity� Back Cavity� Back Cavity (2ndapprox.)

39 / 52

Page 45: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Glottal Flow

����������������������������������������

Trachea

Muscle Force and Relaxation

Lungs

FoldsVocal

Glottis

PharyngealCavity Cavity

Cavity

Oral

Nasal

Velum

NoseOutput

MouthOutput

0 5 10 15

glo

tta

l flo

w

Liljencrants−Fant glottal model

0 5 10 15

de

riva

tive

time (msec)

G (z) =1

(1− βz)2, β < 1

40 / 52

Page 46: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Radiation form the Lips/Nose

����������������������������������������

Trachea

Muscle Force and Relaxation

Lungs

FoldsVocal

Glottis

PharyngealCavity Cavity

Cavity

Oral

Nasal

Velum

NoseOutput

MouthOutput

Problem of radiation at thelips plus diffraction about thehead too complicated.

41 / 52

Page 47: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Radiation form the Lips/Nose

����������������������������������������

Trachea

Muscle Force and Relaxation

Lungs

FoldsVocal

Glottis

PharyngealCavity Cavity

Cavity

Oral

Nasal

Velum

NoseOutput

MouthOutput

Approx. with a piston in arigid sphere: solved but notin closed form

41 / 52

Page 48: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Radiation form the Lips/Nose

����������������������������������������

Trachea

Muscle Force and Relaxation

Lungs

FoldsVocal

Glottis

PharyngealCavity Cavity

Cavity

Oral

Nasal

Velum

NoseOutput

MouthOutput

2nd approx: piston in an in-finite wall

R(z) ≈ 1− αz−1

41 / 52

Page 49: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Tube Model of the Vocal Tract

PharyngealCavity Cavity

Cavity

Oral

Nasal

Velum

NoseOutput

MouthOutput

42 / 52

Page 50: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Tube Model (cntd.)k k+1

0 1 2 3 4 5 6 7 8

all−pole transfer function

freqency (kHz)

I assume planar wave propagation and losslesstubes

I solve pressure p(x , t) and velocity u(x , t) ineach tube according to wave equation

I impose continuity of pressure and velocity atthe junctions

⇒ all-pole transfer function (N = number of tubes)

V (z) =Az−N/2

1−∑N

k=1 akz−k

43 / 52

Page 51: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Tube Model (cntd.)k k+1

0 1 2 3 4 5 6 7 8

all−pole transfer function

freqency (kHz)

I assume planar wave propagation and losslesstubes

I solve pressure p(x , t) and velocity u(x , t) ineach tube according to wave equation

I impose continuity of pressure and velocity atthe junctions

⇒ all-pole transfer function (N = number of tubes)

V (z) =Az−N/2

1−∑N

k=1 akz−k

43 / 52

Page 52: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Source/Filter Model: vowel-like sounds

0 5 10 15

waveform

0 2 4 6 8

spectrum (log)

0 5 10 15 0 2 4 6 8

0 5 10 15 0 2 4 6 8

0 5 10 15

time (msec)

0 2 4 6 8

freqency (kHz)

← p[n]

← p[n] ∗ g [n]

← p[n] ∗ g [n] ∗ r [n]

← p[n]∗g [n]∗r [n]∗v [n]

������������������������

������������������������

����������������������������

����������������������������

����������������������������������������

����������������������������������������

������������������������

������������������������

����������������

������������������������

������������������������

��������������������

��������������������

����������������

����������������

������������������������

������������������������

�������������������������

�������������������������

44 / 52

Page 53: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Source/Filter Model: vowel-like sounds

0 5 10 15

waveform

0 2 4 6 8

spectrum (log)

0 5 10 15 0 2 4 6 8

0 5 10 15 0 2 4 6 8

0 5 10 15

time (msec)

0 2 4 6 8

freqency (kHz)

← p[n]

← p[n] ∗ g [n]

← p[n] ∗ g [n] ∗ r [n]

← p[n]∗g [n]∗r [n]∗v [n]

������������������������

������������������������

����������������������������

����������������������������

����������������������������������������

����������������������������������������

������������������������

������������������������

����������������

������������������������

������������������������

��������������������

��������������������

����������������

����������������

������������������������

������������������������

�������������������������

�������������������������

44 / 52

Page 54: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Source/Filter Model: vowel-like sounds

0 5 10 15

waveform

0 2 4 6 8

spectrum (log)

0 5 10 15 0 2 4 6 8

0 5 10 15 0 2 4 6 8

0 5 10 15

time (msec)

0 2 4 6 8

freqency (kHz)

← p[n]

← p[n] ∗ g [n]

← p[n] ∗ g [n] ∗ r [n]

← p[n]∗g [n]∗r [n]∗v [n]

������������������������

������������������������

����������������������������

����������������������������

����������������������������������������

����������������������������������������

������������������������

������������������������

����������������

������������������������

������������������������

��������������������

��������������������

����������������

����������������

������������������������

������������������������

�������������������������

�������������������������

44 / 52

Page 55: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Source/Filter Model: vowel-like sounds

0 5 10 15

waveform

0 2 4 6 8

spectrum (log)

0 5 10 15 0 2 4 6 8

0 5 10 15 0 2 4 6 8

0 5 10 15

time (msec)

0 2 4 6 8

freqency (kHz)

← p[n]

← p[n] ∗ g [n]

← p[n] ∗ g [n] ∗ r [n]

← p[n]∗g [n]∗r [n]∗v [n]

������������������������

������������������������

����������������������������

����������������������������

����������������������������������������

����������������������������������������

������������������������

������������������������

����������������

������������������������

������������������������

��������������������

��������������������

����������������

����������������

������������������������

������������������������

�������������������������

�������������������������

44 / 52

Page 56: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Source/Filter Model: vowel-like sounds

0 5 10 15

waveform

0 2 4 6 8

spectrum (log)

0 5 10 15 0 2 4 6 8

0 5 10 15 0 2 4 6 8

0 5 10 15

time (msec)

0 2 4 6 8

freqency (kHz)

← p[n]

← p[n] ∗ g [n]

← p[n] ∗ g [n] ∗ r [n]

← p[n]∗g [n]∗r [n]∗v [n]

������������������������

������������������������

����������������������������

����������������������������

����������������������������������������

����������������������������������������

������������������������

������������������������

����������������

������������������������

������������������������

��������������������

��������������������

����������������

����������������

������������������������

������������������������

�������������������������

�������������������������

44 / 52

Page 57: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

F0 and Formants

I Varying F0 (vocal fold oscillation rate)

0 2 4 6 8

spectrum (log) f0 = 100Hz

freqency (kHz)

0 2 4 6 8

spectrum (log) f0 = 250Hz

freqency (kHz)

I Varying Formants (vocal tract shape)

0 2 4 6 8

spectrum (log) vowel [ε]

freqency (kHz)

0 2 4 6 8

spectrum (log) vowel [u]

freqency (kHz)

45 / 52

Page 58: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

F0 and Formants

I Varying F0 (vocal fold oscillation rate)

0 2 4 6 8

spectrum (log) f0 = 100Hz

freqency (kHz)

0 2 4 6 8

spectrum (log) f0 = 250Hz

freqency (kHz)

I Varying Formants (vocal tract shape)

0 2 4 6 8

spectrum (log) vowel [ε]

freqency (kHz)

0 2 4 6 8

spectrum (log) vowel [u]

freqency (kHz)

45 / 52

Page 59: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Source/Filter Model, General Case

Vowels

Esophagus

Larynx

Soft palate(velum)

Hard palate

Lung

Trachea

Jaw

Oral cavity

Teeth

TongueLip

Nostril

Nasal cavity

Diaphragm

cavityPharyngeal

�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������

������������������������������������������������������

���������������������������������������������

������������������������

������������������������

����������������������������

����������������������������

����������������������������������������

����������������������������������������

������������������������

������������������������

����������������

������������������������

������������������������

��������������������

��������������������

����������������

����������������

������������������������

������������������������

�������������������������

�������������������������

� Source (periodic)� Front Cavity� Back Cavity� Back Cavity (2ndapprox.)

46 / 52

Page 60: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Source/Filter Model, General Case

Fricatives (e.g. sh) or Plosive (e.g. k)

Esophagus

Larynx

Soft palate(velum)

Hard palate

Lung

Trachea

Jaw

Oral cavity

Teeth

TongueLip

Nostril

Nasal cavity

Diaphragm

cavityPharyngeal

�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������

������������������

������������������

������������������������

������������������������

������������������������������

������������������������������

����������������������������

����������������������������

����������������������������������������

����������������������������������������

������������������������

������������������������

����������������

������������������������

������������������������

��������������������

��������������������

����������������

����������������

������������������������

������������������������

������������������������������

������������������������������

� Source (noise orimpulsive)� Front Cavity� Back Cavity� Back Cavity (2ndapprox.)

46 / 52

Page 61: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Source/Filter Model, General Case

Fricatives (e.g. s) or Plosive (e.g. t)

Esophagus

Larynx

Soft palate(velum)

Hard palate

Lung

Trachea

Jaw

Oral cavity

Teeth

TongueLip

Nostril

Nasal cavity

Diaphragm

cavityPharyngeal

�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������

��������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������

������������������������

������������������������

����������������������������

����������������������������

����������������������������������������

����������������������������������������

������������������������

������������������������

����������������

������������������������

������������������������

��������������������

��������������������

����������������

����������������

������������������������

������������������������

�������������������������

�������������������������

� Source (noise orimpulsive)� Front Cavity� Back Cavity� Back Cavity (2ndapprox.)

46 / 52

Page 62: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Source/Filter Model, General Case

Nasalised Vowels

Esophagus

Larynx

Soft palate(velum)

Hard palate

Lung

Trachea

Jaw

Oral cavity

Teeth

TongueLip

Nostril

Nasal cavity

Diaphragm

cavityPharyngeal

�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������

������������������������������������������������������

�����������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������

���������������������������������������

���������������������������������������

����������������

������������������������

������������������������

��������������������

��������������������

����������������

����������������

��������������������

��������������������

������������������������

������������������������

����������������������������

����������������������������

����������������������������������������

����������������������������������������

������������������������

������������������������

��������������������

��������������������

����������������������������

����������������������������

��������������������������������

��������������������������������

��������������������

��������������������

������������

������������

�������������������������

�������������������������

� Source (periodic)� Front Cavity� Back Cavity� Back Cavity (2ndapprox.)

46 / 52

Page 63: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Source/Filter Model: fricative sounds

0 5 10 15

waveform

0 2 4 6 8

spectrum (log)

0 5 10 15 0 2 4 6 8

0 5 10 15

time (msec)

0 2 4 6 8

freqency (kHz)

← p[n]

← p[n] ∗ r [n]

← p[n] ∗ r [n] ∗ v [n]

������������������������������

������������������������������

����������������������������

����������������������������

����������������������������������������

����������������������������������������

������������������������

������������������������

����������������

������������������������

������������������������

��������������������

��������������������

����������������

����������������

������������������������

������������������������

������������������������������

������������������������������

47 / 52

Page 64: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Complete Source/Filter Model

Ap

A f

AvωG( )

ωV( ) ωR( )fricative

plosive

Source

voiced

Filter

48 / 52

Page 65: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

IPA Chart: Consonants

49 / 52

Page 66: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

IPA Chart: Vowels

50 / 52

Page 67: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Phonology vs Phonetics

Phonemes

co-articulation, speakingstyle, dialogue, reduction,

assimilation, speakerdifferences, environment

(loudness, channel,room acoustics, noise)

Phones

Words

Sounds

51 / 52

Page 68: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Phonology vs Phonetics

Phonemes

co-articulation, speakingstyle, dialogue, reduction,

assimilation, speakerdifferences, environment

(loudness, channel,room acoustics, noise)

Phones

Words

Sounds

51 / 52

Page 69: DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction · DT2118 Speech and Speaker Recognition ... I HTK manual version 3.4 ... DT2118 Speech and Speaker Recognition - Introduction

Components of ASR System

Speech SignalSpectralAnalysis

FeatureExtraction

Searchand Match

Recognised Words

Acoustic Models

Lexical Models

Language Models

Representation

Constraints - KnowledgeDecoder

52 / 52