Learning representations of speech from the raw waveform

par Neil Zeghidour

Thèse de doctorat en Apprentissage automatique

Sous la direction de Emmanuel Dupoux et de Nicolas Usunier.

Le président du jury était Emmanuel Vincent.

Le jury était composé de Emmanuel Dupoux, Nicolas Usunier, Emmanuel Vincent, Tara N. Sainath, Gabriel Synnaeve, Stéphane Mallat.

Les rapporteurs étaient Emmanuel Vincent, Tara N. Sainath.

  • Titre traduit

    Apprentissage de représentations de la parole à partir du signal brut


  • Résumé

    Bien que les réseaux de neurones soient à présent utilisés dans la quasi-totalité des composants d’un système de reconnaissance de la parole, du modèle acoustique au modèle de langue, l’entrée de ces systèmes reste une représentation analytique et fixée de la parole dans le domaine temps-fréquence, telle que les mel-filterbanks. Cela se distingue de la vision par ordinateur, un domaine où les réseaux de neurones prennent en entrée les pixels bruts. Les mel-filterbanks sont le produit d’une connaissance précieuse et documentée du système auditif humain, ainsi que du traitement du signal, et sont utilisées dans les systèmes de reconnaissance de la parole les plus en pointe, systèmes qui rivalisent désormais avec les humains dans certaines conditions. Cependant, les mel-filterbanks, comme toute représentation fixée, sont fondamentalement limitées par le fait qu’elles ne soient pas affinées par apprentissage pour la tâche considérée. Nous formulons l’hypothèse qu’apprendre ces représentations de bas niveau de la parole, conjontement avec le modèle, permettrait de faire avancer davantage l’état de l’art. Nous explorons tout d’abord des approches d’apprentissage faiblement supervisé et montrons que nous pouvons entraîner un unique réseau de neurones à séparer l’information phonétique de celle du locuteur à partir de descripteurs spectraux ou du signal brut et que ces représentations se transfèrent à travers les langues. De plus, apprendre à partir du signal brut produit des représentations du locuteur significativement meilleures que celles d’un modèle entraîné sur des mel-filterbanks. Ces résultats encourageants nous mènent par la suite à développer une alternative aux mel-filterbanks qui peut être entraînée à partir des données. Dans la seconde partie de cette thèse, nous proposons les Time-Domain filterbanks, une architecture neuronale légère prenant en entrée la forme d’onde, dont on peut initialiser les poids pour répliquer les mel-filterbanks et qui peut, par la suite, être entraînée par rétro-propagation avec le reste du réseau de neurones. Au cours d’expériences systématiques et approfondies, nous montrons que les Time-Domain filterbanks surclassent systématiquement les melfilterbanks, et peuvent être intégrées dans le premier système de reconnaissance de la parole purement convolutif et entraîné à partir du signal brut, qui constitue actuellement un nouvel état de l’art. Les descripteurs fixes étant également utilisés pour des tâches de classification non-linguistique, pour lesquelles elles sont d’autant moins optimales, nous entraînons un système de détection de dysarthrie à partir du signal brut, qui surclasse significativement un système équivalent entraîné sur des mel-filterbanks ou sur des descripteurs de bas niveau. Enfin, nous concluons cette thèse en expliquant en quoi nos contributions s’inscrivent dans une transition plus large vers des systèmes de compréhension du son qui pourront être appris de bout en bout.


  • Résumé

    While deep neural networks are now used in almost every component of a speech recognition system, from acoustic to language modeling, the input to such systems are still fixed, handcrafted, spectral features such as mel-filterbanks. This contrasts with computer vision, in which a deep neural network is now trained on raw pixels. Mel-filterbanks contain valuable and documented prior knowledge from human auditory perception as well as signal processing, and are the input to state-of-the-art speech recognition systems that are now on par with human performance in certain conditions. However, mel-filterbanks, as any fixed representation, are inherently limited by the fact that they are not fine-tuned for the task at hand. We hypothesize that learning the low-level representation of speech with the rest of the model, rather than using fixed features, could push the state-of-the art even further. We first explore a weakly-supervised setting and show that a single neural network can learn to separate phonetic information and speaker identity from mel-filterbanks or the raw waveform, and that these representations are robust across languages. Moreover, learning from the raw waveform provides significantly better speaker embeddings than learning from mel-filterbanks. These encouraging results lead us to develop a learnable alternative to mel-filterbanks, that can be directly used in replacement of these features. In the second part of this thesis we introduce Time-Domain filterbanks, a lightweight neural network that takes the waveform as input, can be initialized as an approximation of mel-filterbanks, and then learned with the rest of the neural architecture. Across extensive and systematic experiments, we show that Time-Domain filterbanks consistently outperform melfilterbanks and can be integrated into a new state-of-the-art speech recognition system, trained directly from the raw audio signal. Fixed speech features being also used for non-linguistic classification tasks for which they are even less optimal, we perform dysarthria detection from the waveform with Time-Domain filterbanks and show that it significantly improves over mel-filterbanks or low-level descriptors. Finally, we discuss how our contributions fall within a broader shift towards fully learnable audio understanding systems.


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