Evaluation of an LSTM-RNN System in Different NIST Language Recognition Frameworks ¡ Ruben Zazo, Alicia Lozano-Diez and Joaquin Gonzalez-Rodriguez {ruben.zazo, alicia.lozano} @uam.es ATVS – Biometric Recognition Group. Universidad Autónoma de Madrid Odyssey 2016.
Outline ¡ 1. Motivation 2. Long Short-Term Memory Recurrent Neural Network (LSTM) 3. System Description 4. Reference i-Vector System 5. Datasets 6. Results (LRE09, LRE15) 7. Conclusions 2/24 ¡ Ruben ¡Zazo. ¡Odyssey ¡2016. ¡
Outline ¡ 1. Motivation 2. Long Short-Term Memory Recurrent Neural Network (LSTM) 3. System Description 4. Reference i-Vector System 5. Datasets 6. Results (LRE09, LRE15) 7. Conclusions 3/24 ¡ Ruben ¡Zazo. ¡Odyssey ¡2016. ¡
Motivation Language Identification The process of automatically identifying the language of a given spoken utterance v Most state-of-the-art systems rely on acoustic modeling v i-Vector extraction + Classification stage v Deep Neural Networks seem to outperform i-Vector based approaches when enough data for training is available. v End-to-end v Bottleneck v Senons ¡ ¡ 4/24 ¡ Ruben ¡Zazo. ¡Odyssey ¡2016. ¡
Motivation: DNNs n Deep Neural Network: q Input: Frame + Context q K hidden layers q Sigmoid q ReLu q Output layer q Softmax q Rely on stacking several acoustic frames in order to model time context ¡ ¡ ¡ ¡Can ¡we ¡model ¡context ¡in ¡a ¡be<er ¡way? ¡ ¡ 5/24 ¡ Ruben ¡Zazo. ¡Odyssey ¡2016. ¡
Motivation: RNNs n Recurrent Neural Networks: q Input: Same q K hidden layers q Recurrent connections q Output layer q Softmax q Can model temporal context and learn from previous input! -> Good model for sequences! Good ¡theoreAcal ¡model. ¡In ¡pracAce: ¡Vanishing ¡gradient ¡problem ¡ ¡ 6/24 ¡ Ruben ¡Zazo. ¡Odyssey ¡2016. ¡
Motivation: LSTMs n LSTM - RNNs: q We replace every hidden node with a LSTM block 7/24 ¡ Ruben ¡Zazo. ¡Odyssey ¡2016. ¡
Outline ¡ 1. Motivation 2. Long Short-Term Memory Recurrent Neural Network (LSTM) 3. System Description 4. Reference i-Vector System 5. Datasets 6. Results (LRE09, LRE15) 7. Conclusions 8/24 ¡ Ruben ¡Zazo. ¡Odyssey ¡2016. ¡
Long Short-Term Memory Recurrent Neural Network 9/24 ¡ Ruben ¡Zazo. ¡Odyssey ¡2016. ¡
Outline ¡ 1. Motivation 2. Long Short-Term Memory Recurrent Neural Network (LSTM) 3. System Description 4. Reference i-Vector System 5. Datasets 6. Results (LRE09, LRE15) 7. Conclusions 10/24 ¡ Ruben ¡Zazo. ¡Odyssey ¡2016. ¡
System Description v Input Layer: MFCC Shifted Delta Coefficients v No Stacking of Acoustic Frames v One or Two hidden layers v Unidirectional LSTM layers with peepholes v Output Layer: Softmax (same units as target languages). v Cross entropy error function. v Different training subset per iteration: Random chunks of 2 seconds -> 6 hours of audio per language. v Last 10% of output scores averaged to obtain final score. v Multiclass Linear Logistic Regression Calibration is applied to the output of every system (FoCal). ¡ 11/24 ¡ Ruben ¡Zazo. ¡Odyssey ¡2016. ¡
Outline ¡ 1. Motivation 2. Long Short-Term Memory Recurrent Neural Network (LSTM) 3. System Description 4. Reference i-Vector System 5. Datasets 6. Results (LRE09, LRE15) 7. Conclusions 12/24 ¡ Ruben ¡Zazo. ¡Odyssey ¡2016. ¡
Reference System v Input features: v MFCC-SDCs , configuration 7-1-3-7 v Each frame represented by a 56-dimensional vector v Same features for the proposed systems v UBM : 1024 Gaussian components v Total Variability space from Baum-Welch statistics: v 400 dimensions v Cosine-based scoring v Implemented in Kaldi v Same calibration technique (FoCal multiclass) ¡ 13/24 ¡ Ruben ¡Zazo. ¡Odyssey ¡2016. ¡
Outline ¡ 1. Motivation 2. Long Short-Term Memory Recurrent Neural Network (LSTM) 3. System Description 4. Reference i-Vector System 5. Datasets 6. Results (LRE09, LRE15) 7. Conclusions 14/24 ¡ Ruben ¡Zazo. ¡Odyssey ¡2016. ¡
Datasets v Balanced subset of NIST 2009 LRE 3s task: v VOA only , to avoid unbalanced mix of CTS and VOA v Languages with 200 or more hours available v 8 representative languages: US English, Spanish, Dari, French, Pashto, Russian, Urdu and Chinese Mandarin. v Dev set of NIST LRE 2015 : v Mix of CTS and Broadcast Narrow Band Speech v 20 languages grouped in 6 clusters according to similarity v Amount of training data ranges from .5h to >100h v 15% of data, split in segments of 3, 10 and 30s used as test v Test set of NIST LRE 2015: v Broad range of speech durations. 15/24 ¡ Ruben ¡Zazo. ¡Odyssey ¡2016. ¡
Outline ¡ 1. Motivation 2. Long Short-Term Memory Recurrent Neural Network (LSTM) 3. System Description 4. Reference i-Vector System 5. Datasets 6. Results (LRE09, LRE15) 7. Conclusions 16/24 ¡ Ruben ¡Zazo. ¡Odyssey ¡2016. ¡
Results: Discarding Initial Frame Scores Performance (EER) versus percentage of frame outputs discarded 18 17.5 17 EER (%) 16.5 16 15.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Percentage of frame outputs discarded 17/24 ¡ Ruben ¡Zazo. ¡Odyssey ¡2016. ¡
Results: Balanced Subset of LRE09 (I) v Balanced subset of NIST 2009 LRE , VOA only, 8 lang, 1600h total train v 4 out of 5 systems outperform up to 15% in terms of Cavg the reference i-Vector system. v Proposed architectures have 5 to 21 times fewer parameters . v Fusion of i-Vector and LSTM gives best performance. ¡ 18/24 ¡ Ruben ¡Zazo. ¡Odyssey ¡2016. ¡
Results: Balanced Subset of LRE09 (II) v Balanced subset of NIST 2009 LRE , VOA only, 8 lang, 1600h total train 19/24 ¡ Ruben ¡Zazo. ¡Odyssey ¡2016. ¡
Results: Dev set of LRE15 (I) v Dev set of LRE15: 6 clusters, database mismatch, unbalanced sets. v One LSTM per cluster (no inter-cluster trials). v Same architecture than best result in LRE09: 2 hidden layers of size 512 . C avg ¡x ¡100 ¡ System ¡ Ara ¡ Eng ¡ Fren ¡ Iber ¡ Slav ¡ Chin ¡ Avg LSTM ¡ 13.79 ¡ 18.88 ¡ 2.70 ¡ 17.11 ¡ 15.01 ¡ 10.11 ¡ 12.93 ¡ 3s ¡ i-‑vector ¡ 15.59 ¡ 13.91 ¡ 5.68 ¡ 19.96 ¡ 19.71 ¡ 22.06 ¡ 16.15 ¡ Fusion ¡ 11.50 ¡ 12.48 ¡ 2.86 ¡ 13.28 ¡ 13.71 ¡ 9.75 ¡ 10.60 ¡ LSTM ¡ 8.59 ¡ 18.76 ¡ 1.04 ¡ 14.73 ¡ 8.68 ¡ 9.95 ¡ 10.29 ¡ 30s ¡ i-‑vector ¡ 3.08 ¡ 1.99 ¡ 0 ¡ 12.78 ¡ 4.23 ¡ 4.93 ¡ 4.50 ¡ Fusion ¡ 3.06 ¡ 3.87 ¡ 0 ¡ 9.84 ¡ 3.31 ¡ 4.60 ¡ 4.11 ¡ v LSTM system performs better than i-Vector system when facing short durations v Fusion of i-Vector and LSTM gives best and most robust performance 20/24 ¡ Ruben ¡Zazo. ¡Odyssey ¡2016. ¡
Results: Dev set of LRE15 (II) v Dev set of LRE15: 6 clusters, database mismatch, unbalanced sets. v Results on the 3s task 0.3 LSTM i − vector v LSTM has over 20% Fusion 0.25 relative improvement over 0.2 ref. i-Vector system Cavg 0.15 v Fusion is better and more robust than 0.1 single systems 0.05 0 Arabic English French Iberic Slavic Chinese Average 21/24 ¡ Ruben ¡Zazo. ¡Odyssey ¡2016. ¡
Results: Test set of LRE15 v Test set of LRE15: Similar to dev set of LRE15 but with continuous durations and a big mismatch between training and testing data. v LSTM system 0.5 LSTM degrades faster in i − vector 0.45 mismatched scenarios Fusion Fusion CV 0.4 v i-Vector handles better 0.35 long utterances 0.3 v Fusion is worse than Cavg single systems 0.25 (mismatch) 0.2 v 2-fold fusion shows 0.15 that the systems are 0.1 learning complementary 0.05 information 0 3 5 10 15 20 25 30 All ¡ Durations (in seconds) 22/24 ¡ Ruben ¡Zazo. ¡Odyssey ¡2016. ¡
Outline ¡ 1. Motivation 2. Long Short-Term Memory Recurrent Neural Network (LSTM) 3. System Description 4. Reference i-Vector System 5. Datasets 6. Results (LRE09, LRE15) 7. Conclusions 23/24 ¡ Ruben ¡Zazo. ¡Odyssey ¡2016. ¡
Conclusions v Controlled/Balanced scenario (e.g., LRE09): v 85% less parameters v Over 15% relative improvement v Highly unbalanced scenario, (e.g., LRE15): v Comparable results v Complementary information. Robust fusion . v Strong dependence on mismatch: need for variability compensation. ¡ 24/24 ¡ Ruben ¡Zazo. ¡Odyssey ¡2016. ¡
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