Reconnaissance des sons de l’environnement dans un contexte domotique

Environmental sounds recognition in a domotic context

• Auteur / Autrice : Mohamed el Amine Sehili
• Direction : Bernadette Dorizzi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 05/07/2013
• Etablissement(s) : Evry, Institut national des télécommunications
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie (Evry ; 2008-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Université : Université d'Évry-Val-d'Essonne (1991-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Machines à vecteurs de support

Son -- Traitement par ordinateur

Interaction humain-machine

Domotique

Mots clés libres

Reconnaissance du son

Sons de l'environnement

Domotique

SVM (Support Vector Machines)

GMM (Gaussian Mixture Models)

Sound recognition

Environmental sounds

Domotics

SVM (Support Vector Machines)

GMM (Gaussian Mixture Models)

Résumé

Dans beaucoup de pays du monde, on observe une importante augmentation du nombre de personnes âgées vivant seules. Depuis quelques années, un nombre significatif de projets de recherche sur l’assistance aux personnes âgées ont vu le jour. La plupart de ces projets utilisent plusieurs modalités (vidéo, son, détection de chute, etc.) pour surveiller l'activité de la personne et lui permettre de communiquer naturellement avec sa maison "intelligente", et, en cas de danger, lui venir en aide au plus vite. Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet ANR VERSO de recherche industrielle, Sweet-Home. Les objectifs du projet sont de proposer un système domotique permettant une interaction naturelle (par commande vocale et tactile) avec la maison, et procurant plus de sécurité à l'habitant par la détection des situations de détresse. Dans ce cadre, l'objectif de ce travail est de proposer des solutions pour la reconnaissance des sons de la vie courante dans un contexte réaliste. La reconnaissance du son fonctionnera en amont d'un système de Reconnaissance Automatique de la Parole. Les performances de celui-ci dépendent donc de la fiabilité de la séparation entre la parole et les autres sons. Par ailleurs, une bonne reconnaissance de certains sons, complétée par d'autres sources informations (détection de présence, détection de chute, etc.) permettrait de bien suivre les activités de la personne et de détecter ainsi les situations de danger. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés aux méthodes en provenance de la Reconnaissance et Vérification du Locuteur. Dans cet esprit, nous avons testé des méthodes basées sur GMM et SVM. Nous avons, en particulier, testé le noyau SVM-GSL (SVM GMM Supervector Linear Kernel) utilisé pour la classification de séquences. SVM-GSL est une combinaison de SVM et GMM et consiste à transformer une séquence de vecteurs de longueur arbitraire en un seul vecteur de très grande taille, appelé Super Vecteur, et utilisé en entrée d'un SVM. Les expérimentations ont été menées en utilisant une base de données créée localement (18 classes de sons, plus de 1000 enregistrements), puis le corpus du projet Sweet-Home, en intégrant notre système dans un système plus complet incluant la détection multi-canaux du son et la reconnaissance de la parole. Ces premières expérimentations ont toutes été réalisées en utilisant un seul type de coefficients acoustiques, les MFCC. Par la suite, nous nous sommes penchés sur l'étude d'autres familles de coefficients en vue d'en évaluer l'utilisabilité en reconnaissance des sons de l'environnement. Notre motivation fut de trouver des représentations plus simples et/ou plus efficaces que les MFCC. En utilisant 15 familles différentes de coefficients, nous avons également expérimenté deux approches pour transformer une séquence de vecteurs en un seul vecteur, à utiliser avec un SVM linéaire. Dans le première approche, on calcule un nombre fixe de coefficients statistiques qui remplaceront toute la séquence de vecteurs. La seconde approche (une des contributions de ce travail) utilise une méthode de discrétisation pour trouver, pour chaque caractéristique d'un vecteur acoustique, les meilleurs points de découpage permettant d'associer une classe donnée à un ou plusieurs intervalles de valeurs. La probabilité de la séquence est estimée par rapport à chaque intervalle. Les probabilités obtenues ainsi sont utilisées pour construire un seul vecteur qui remplacera la séquence de vecteurs acoustiques. Les résultats obtenus montrent que certaines familles de coefficients sont effectivement plus adaptées pour reconnaître certaines classes de sons. En effet, pour la plupart des classes, les meilleurs taux de reconnaissance ont été observés avec une ou plusieurs familles de coefficients différentes des MFCC. Certaines familles sont, de surcroît, moins complexes et comptent une seule caractéristique par fenêtre d'analyse contre 16 caractéristiques pour les MFCC

In many countries around the world, the number of elderly people living alone has been increasing. In the last few years, a significant number of research projects on elderly people monitoring have been launched. Most of them make use of several modalities such as video streams, sound, fall detection and so on, in order to monitor the activities of an elderly person, to supply them with a natural way to communicate with their “smart-home”, and to render assistance in case of an emergency. This work is part of the Industrial Research ANR VERSO project, Sweet-Home. The goals of the project are to propose a domotic system that enables a natural interaction (using touch and voice command) between an elderly person and their house and to provide them a higher safety level through the detection of distress situations. Thus, the goal of this work is to come up with solutions for sound recognition of daily life in a realistic context. Sound recognition will run prior to an Automatic Speech Recognition system. Therefore, the speech recognition’s performances rely on the reliability of the speech/non-speech separation. Furthermore, a good recognition of a few kinds of sounds, complemented by other sources of information (presence detection, fall detection, etc.) could allow for a better monitoring of the person's activities that leads to a better detection of dangerous situations. We first had been interested in methods from the Speaker Recognition and Verification field. As part of this, we have experimented methods based on GMM and SVM. We had particularly tested a Sequence Discriminant SVM kernel called SVM-GSL (SVM GMM Super Vector Linear Kernel). SVM-GSL is a combination of GMM and SVM whose basic idea is to map a sequence of vectors of an arbitrary length into one high dimensional vector called a Super Vector and used as an input of an SVM. Experiments had been carried out using a locally created sound database (containing 18 sound classes for over 1000 records), then using the Sweet-Home project's corpus. Our daily sounds recognition system was integrated into a more complete system that also performs a multi-channel sound detection and speech recognition. These first experiments had all been performed using one kind of acoustical coefficients, MFCC coefficients. Thereafter, we focused on the study of other families of acoustical coefficients. The aim of this study was to assess the usability of other acoustical coefficients for environmental sounds recognition. Our motivation was to find a few representations that are simpler and/or more effective than the MFCC coefficients. Using 15 different acoustical coefficients families, we have also experimented two approaches to map a sequence of vectors into one vector, usable with a linear SVM. The first approach consists of computing a set of a fixed number of statistical coefficients and use them instead of the whole sequence. The second one, which is one of the novel contributions of this work, makes use of a discretization method to find, for each feature within an acoustical vector, the best cut points that associates a given class with one or many intervals of values. The likelihood of the sequence is estimated for each interval. The obtained likelihood values are used to build one single vector that replaces the sequence of acoustical vectors. The obtained results show that a few families of coefficients are actually more appropriate to the recognition of some sound classes. For most sound classes, we noticed that the best recognition performances were obtained with one or many families other than MFCC. Moreover, a number of these families are less complex than MFCC. They are actually a one-feature per frame acoustical families, whereas MFCC coefficients contain 16 features per frame