Self-supervised deep learning approaches to speaker recognition
Authors:   , Khan Umair 
Published: October 2023

In speaker recognition, i-vectors have been the state-of-the-art unsupervised technique over the last few years, whereas x-vectors is becoming the state-of-the-art supervised technique, these days. Recent advances in Deep Learning (DL) approaches to speaker recognition have improved the performance but are constrained to the need of labels for the background data. In practice, labeled background data is not easily accessible, especially when large training data is required. In i-vector based speaker recognition, cosine and Probabilistic Linear Discriminant Analysis (PLDA) are the two basic scoring techniques. Cosine scoring is unsupervised whereas PLDA parameters are typically trained using speaker-labeled background data. This makes a big performance gap between these two scoring techniques. The question is: how to fill this performance gap without using speaker labels for the background data? In this thesis, the above mentioned problem has been addressed using DL approaches without using and/or limiting the use of labeled background data. Three DL based proposals have been made.
In the first proposal, a Restricted Boltzmann Machine (RBM) vector representation of speech is proposed for the tasks of speaker clustering and tracking in TV broadcast shows. This representation is referred to as RBM vector. The experiments on AGORA database show that in speaker clustering the RBM vectors gain a relative improvement of 12% in terms of Equal Impurity (EI). For speaker tracking task RBM vectors are used only in the speaker identification part, where the relative improvement in terms of Equal Error Rate (EER) is 11% and 7% using cosine and PLDA scoring, respectively.
In the second proposal, DL approaches are proposed in order to increase the discriminative power of i-vectors in speaker verification. We have proposed the use of autoencoder in several ways. Firstly, an autoencoder will be used as a pre-training for a Deep Neural Network (DNN) using a large amount of unlabeled background data. Then, a DNN classifier will be trained using relatively small labeled data. Secondly, an autoencoder will be trained to transform i-vectors into a new representation to increase their discriminative power. The training will be carried out based on the nearest neighbor i-vectors which will be chosen in an unsupervised manner. The evaluation was performed on VoxCeleb-1 database. The results show that using the first system, we gain a relative improvement of 21% in terms of EER, over i-vector/PLDA. Whereas, using the second system, a relative improvement of 42% is gained. If we use the background data in the testing part, a relative improvement of 53% is gained.
In the third proposal, we will train a self-supervised end-to-end speaker verification system. The idea is to utilize impostor samples along with the nearest neighbor samples to make client/impostor pairs in an unsupervised manner. The architecture will be based on a Convolutional Neural Network (CNN) encoder, trained as a siamese network with two branch networks. Another network with three branches will also be trained using triplet loss, in order to extract unsupervised speaker embeddings. The experimental results show that both the end-to-end system and the speaker embeddings, despite being unsupervised, show a comparable performance to the supervised baseline. Moreover, their score combination can further improve the performance.
The proposed approaches for speaker verification have respective pros and cons. The best result was obtained using the nearest neighbor autoencoder with a disadvantage of relying on background i-vectors in the testing. On the contrary, the autoencoder pre-training for DNN is not bound by this factor but is a semi-supervised approach. The third proposal is free from both these constraints and performs pretty reasonably. It is a self-supervised approach and it does not require the background i-vectors in the testing phase.
Los avances recientes en Deep Learning (DL) para el reconocimiento del hablante están mejorado el rendimiento de los sistemas tradicionales basados en i-vectors. En el reconocimiento de locutor basado en i-vectors, la distancia coseno y el análisis discriminante lineal probabilístico (PLDA) son las dos técnicas más usadas de puntuación. La primera no es supervisada, pero la segunda necesita datos etiquetados por el hablante, que no son siempre fácilmente accesibles en la práctica. Esto crea una gran brecha de rendimiento entre estas dos técnicas de puntuación. La pregunta es: ¿cómo llenar esta brecha de rendimiento sin usar etiquetas del hablante en los datos de background? En esta tesis, el problema anterior se ha abordado utilizando técnicas de DL sin utilizar y/o limitar el uso de datos etiquetados. Se han realizado tres propuestas basadas en DL. En la primera, se propone una representación vectorial de voz basada en la máquina de Boltzmann restringida (RBM) para las tareas de agrupación de hablantes y seguimiento de hablantes en programas de televisión. Los experimentos en la base de datos AGORA, muestran que en agrupación de hablantes los vectores RBM suponen una mejora relativa del 12%. Y, por otro lado, en seguimiento del hablante, los vectores RBM,utilizados solo en la etapa de identificación del hablante, muestran una mejora relativa del 11% (coseno) y 7% (PLDA). En la segunda, se utiliza DL para aumentar el poder discriminativo de los i-vectors en la verificación del hablante. Se ha propuesto el uso del autocodificador de varias formas. En primer lugar, se utiliza un autocodificador como preentrenamiento de una red neuronal profunda (DNN) utilizando una gran cantidad de datos de background sin etiquetar, para posteriormente entrenar un clasificador DNN utilizando un conjunto reducido de datos etiquetados. En segundo lugar, se entrena un autocodificador para transformar i-vectors en una nueva representación para aumentar el poder discriminativo de los i-vectors. El entrenamiento se lleva a cabo en base a los i-vectors vecinos más cercanos, que se eligen de forma no supervisada. La evaluación se ha realizado con la base de datos VoxCeleb-1. Los resultados muestran que usando el primer sistema obtenemos una mejora relativa del 21% sobre i-vectors, mientras que usando el segundo sistema, se obtiene una mejora relativa del 42%. Además, si utilizamos los datos de background en la etapa de prueba, se obtiene una mejora relativa del 53%. En la tercera, entrenamos un sistema auto-supervisado de verificación de locutor de principio a fin. Utilizamos impostores junto con los vecinos más cercanos para formar pares cliente/impostor sin supervisión. La arquitectura se basa en un codificador de red neuronal convolucional (CNN) que se entrena como una red siamesa con dos ramas. Además, se entrena otra red con tres ramas utilizando la función de pérdida triplete para extraer embeddings de locutores. Los resultados muestran que tanto el sistema de principio a fin como los embeddings de locutores, a pesar de no estar supervisados, tienen un rendimiento comparable a una referencia supervisada. Cada uno de los enfoques propuestos tienen sus pros y sus contras. El mejor resultado se obtuvo utilizando el autocodificador con el vecino más cercano, con la desventaja de que necesita los i-vectors de background en el test. El uso del preentrenamiento del autocodificador para DNN no tiene este problema, pero es un enfoque semi-supervisado, es decir, requiere etiquetas de hablantes solo de una parte pequeña de los datos de background. La tercera propuesta no tienes estas dos limitaciones y funciona de manera razonable. Es un en