Yari denetimli öğrenme ve füzyon teknikleri ile zayif etiketli veri kümelerinde ses olayi sezimi
Sound event detection on weakly labeled datasets with semi-supervised learning and fusion techniques
Yazar: YEŞİM AKAR
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA SERT
Başkent Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Bilgisayar Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Ses Olayı Sezimi, ses sinyalleri içerisinde yer alan spesifik ses olaylarını otomatik olarak tanımlama ve sınıflandırma görevidir. Güvenlik sistemleri, otomasyon sistemleri ve ses tabanlı kullanıcı etkileşimleri gibi geniş uygulama alanlarına sahiptir. Ancak, bu modellerin çoğu uzun eğitim süreleri ve hesaplama maliyetlerini beraberinde getirmektedir. Bu tez, çoğunluğu günlük yaşamdan elde edilmiş ses kayıtlarından, ses olaylarının ve bu olayların başlangıç ve bitiş noktalarının hassas bir şekilde tespit edilebilmesi için derin öğrenme tabanlı yöntemlerin geliştirilmesini hedefler. Araştırmada, benzer çalışmalardan farklı olarak, büyük çoğunluğu zayıf etiketli ve etiketsiz seslerden oluşan veri kümeleri üzerine yoğunlaşıyoruz. Eğitim sürecini hızlandırmak için, yarı denetimli öğrenme tekniklerinden birisi olan ortalama öğretmen modelini kullanılmaktadır. Diğer yandan, dikkat mekanizmalarının, ses sinyalleri içinde belirli kısımlara odaklanarak zamansal bağlamlar ve ilişkiler üzerinden daha etkin sonuçlar almayı mümkün kılmaktadır. Bu çalışmada, öğretmen-öğrenci modelinin yanı sıra, öz dikkat ve çok başlı dikkat mekanizmalarının, ses olayı sezimindeki rolleri derinlemesine incelenmiştir. Mel- Frequency Cepstral Coefficients (MFCC), Log-Mel Spectrogram (Log-Mel), Bidirectional Encoder representation from Audio Transformers (BEATs), Audio Spectrogram Transformer (AST) ve Pretrained Audio Neural Networks (PANNs) gibi düşük ve yüksek seviyeli ses öznitelikleri kullanılarak, dikkat mekanizmalarının bireysel ve birleştirilmiş özniteliklerle olan etkileri analiz edilmiştir. Çalışmamızda, erken ve geç füzyon tekniklerini de içerecek şekilde çok başlı dikkat mekanizmasının potansiyeli, öz dikkat mekanizmasıyla karşılaştırılmış ve değerlendirilmiştir. Sonuçlarımız, bireysel öznitelikler yerine birleştirilmiş öznitelik kullanımının, özellikle dikkat mekanizmaları entegre edildiğinde, ses olayı sezim performansında belirgin bir iyileşme sağladığını ortaya koymuştur. Bununla birlikte, erken füzyon yöntemi uygulanarak özniteliklerin birleştirmesi ve çok başlı dikkat mekanizması entegrasyonu ile daha da yüksek başarım elde edilmiştir. Bu çalışma, etiketli eğitim verilerinin az olduğu senaryolarda sinir ağlarının sağlamlığını ve genelleme performansını artıracak metotlar sunmaktadır.

Abstract:
Sound Event Detection (SED) is the task of automatically identifying and classifying specific sound events within audio signals. It has a wide range of applications including security systems, automation systems, and audio-based user interactions. However, most of these models come with long training durations and high computational costs. This thesis aims to develop deep learning-based methods for more accurately detecting sound events and their start and end points, primarily from sound recordings obtained from daily life. Unlike similar studies, our research focuses on datasets composed mostly of weakly labeled and unlabeled sounds. To accelerate the training process, we utilize the mean teacher model, which is a technique of semi supervised learning. On the other hand, attention mechanisms enable more effective results by focusing on specific parts within sound signals and through temporal contexts and relationships. In this study, alongside the teacher-student model, the roles of self-attention and multi-head attention mechanisms in sound event detection are thoroughly examined. The effects of attention mechanisms with individual and combined features have been analyzed using low and high-level audio features such as Mel-Frequency Cepstral Coefficients (MFCC), Log Mel-Spectrogram (Log-Mel), Bidirectional Encoder Representation from Audio Transformers (BEATs), Audio Spectrogram Transformer (AST), and Pretrained Audio Neural Networks (PANNs). Our work compares and evaluates the potential of the multi-head attention mechanism, including early and late fusion techniques, against the self-attention mechanism. Our results indicate that combined features with attention mechanisms compared to individual features, significantly improving detection performance. Additionally, even higher performance was achieved by combining features using the early fusion method and integrating the multi-head attention mechanism. This study offers methods to increase the robustness and generalization performance of neural networks in scenarios where labeled training data is scarce.