Chapitre 1 -------- Perception Naturelle et Artificielle de la Parole Jean-Sylvain Liénard...
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Chapitre 1Chapitre 1----------------
PPerception erception Naturelle etNaturelle et
AArtificiellertificiellede la Parolede la Parole
Jean-Sylvain Liénard
LIMSI-CNRSORSAY
M2 Recherche Informatique
Filière Sciences Cognitives
Module PNPA
Déc 04 – Fév 05
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1. Perception naturelle et artificielle de la parole
2. Audition et modèles auditifs bas niveau
3. Perception auditive
4. Intelligibilité et contenu non linguistique de la parole
5. Modèles perceptifs de haut niveau
6. Analyse de scènes acoustiques: ASA et CASA
Organisation du cours 04-05Organisation du cours 04-05
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Quelques propriétés de laQuelques propriétés de laPerception NaturellePerception Naturelle
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Definition : perception Definition : perception naturellenaturelle
• fonction par laquelle un organisme prend connaissance de son environnement
• contribue à élaborer un comportement
• fonction vitale pour la survie
• du signal au sens: monde physique, monde cognitif, logiques différentes
• multiples modalités, une seule interprétation
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CCatégorisatégorisationation
• l'identification des objets du monde implique que des signaux différents soient placés dans la même catégorie
• la catégorisation selon Eleanor Rosch– principe du monde perçu
– principe d'économie cognitive
– ---> organisation hiérarchique des concepts, peu de rapports avec la perception. cf "ontologies" en IA
• catégorisation perceptive– perception catégorielle vs continue
– cf Reconnaissance des Formes, processus ascendants
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UUtilistilisationation ddes régularitéses régularités
• le monde change peu et lentement: régularités spatiales et temporelles
• la perception utilise massivement la prédiction, à toutes les échelles de temps.
• il faut aller plus vite que le phénomène considéré
• rôle de l'attention, processus descendants
La perception est plus une projection sur le monde que l'activation d'une représentation BN du monde
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UUtilistilisation deation de tous les indices tous les indices
• le monde est perçu par le biais de multiples canaux d'information; multimodalité
• exploitation simultanée de tous ces canaux, en fonction du but
• détection immédiate de toute incohérence, si elle a une importance pour la poursuite du but
• à l'intérieur d'un même canal on peut avoir plusieurs types d'information complémentaires
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DualitéDualité perception perception--actionaction
• la perception sert à guider l'action (p.ex. regarder où l'on va),
• et l'action à affiner la perception (p.ex. s'approcher pour mieux voir un objet)
• perception "active", double sens :– complémentarité flux ascendant et descendant
– association avec une action comportementale
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RReprésentations eprésentations intermédiaires intermédiaires
• le passage du bas au haut niveau ne peut se faire en une seule étape
• comment déterminer les niveaux intermédiaires ?
• Sont-ils identiques pour tous les individus ?
• Problème d'apprentissage
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Problèmes et modèles pour laProblèmes et modèles pour laPerception ArtificiellePerception Artificielle
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RepèresRepères
• années 40-60 : théorie de l'information, cybernétique, reconnaissance des formes, systèmes cellulaires
• années 60-80: perceptron et XOR, divorce IA/RF
• années 80-2000: connexionnisme, sciences cognitives, cognition et perception situées, société de l'information
• Actuellement : l'IA nouvelle, apprentissage, fouille de données, méthodes probabilistes, IA distribuée
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• Variabilité du signal, à "contenu constant" ; mais à quel contenu se réfère-t-on ?– en reconnaissance de la parole : l'information "linguistique " (celle
qui correspond à la langue écrite)
– en reconnaissance du locuteur : l'identité du locuteur (quoi qu'il dise ?)
– en reconnaissance d'objets : le label de l'objet (quelles que soient les conditions de prise de vue et d'éclairement ?)
• Hypothèse : contenu du signal = toute l'information perceptible par un humain
• Proposition : la variabilité reflète la non-prise en compte d'une partie de l'information perceptive du signal
le grand problème: la variabilité le grand problème: la variabilité
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Maj.Min.
AB
GaucheDroiteA
Maj.Min.
AB
GaucheDroite
A
Maj.Min.
AB
GaucheDroiteA
AB
Maj.Min.
GaucheDroiteB
pixels identité casse position
descriptionbas niveau
descriptionhaut niveau
MulticatégorisatiMulticatégorisationon
Maj.Min.
AB
GaucheDroite
a
AAB
AAB
AAB
BAB
CatégorisationCatégorisation
pixels identité
descriptionbas niveau
descriptionhaut niveau
AB
a
Catégorisation vs Catégorisation vs MulticatégorisationMulticatégorisation
En Catégorisation, seul un descripteur haut niveau est défini (ici l'identité de l'objet).
Il en résulte une grande variabilité (non-coïncidence des classes bas et haut niveau).
En définissant plusieurs descripteurs haut niveau (multicatégorisation = plusieurs points de vue sur l'objet) la variabilité est fortement réduite.
La catégorisation est une forme particulière de multicatégorisation.
En ingéniérie : Traitement des Formes vs Reconnaissance des Formes
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Perception Située Perception Située
• la perception est contextuelle– prend en compte la situation du système dans son
contexte
• la perception est active– double flux ascendant et descendant
– action sur l'environnement
• la perception est multicatégorielle– tout signal perceptivement significatif peut faire
l'objet d'une description complète à tout niveau d'abstraction
– c'est le système cognitif qui choisit les aspects pertinents du signal, selon la situation
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hn
bn
entités longues et décorrélées
entités courtes et mélangées
La perception comme La perception comme changement de représentationchangement de représentation
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Divers modes de Divers modes de fonctionnementfonctionnementascendantascendant
hn
bn
hn
bn
descendantdescendant
• l'information bn est prédominante
• prévisibilité nulle
• streaming, pop-up, descripteurs intrinsèques (bn), Gestalt, émergence
• l'information hn est prédominante
• prévisibilité totale
• attention et connaissances attachées aux niveaux supérieurs
• les informations hn et bn sont partielles
• prédominance d'un niveau (plus proche hn ou bn, ou mieux structuré)
• conflit possible
hn
bn
Double fluxDouble flux
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Monde Monde (interne/externe)(interne/externe)
SYSTEME COGNITIF
Sous-but
hiérarchies sensori-motrices
couplages sensorimoteurs
concepts
signaux
Perception SituéePerception Située
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Analyse, Analyse, reconnaissance et reconnaissance et
perception de la paroleperception de la parole
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Sert à la communication entre humains- différences avec communication
écrite
Le signal de parole Le signal de parole
double structure acoustique- spectrale ou segmentale, mieux visible
en bande large- harmonique ou suprasegmentale, mieux
visible en bande étroite
Modèle source-filtre- inspiré par les mécanismes de la
production
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Communication : oral vs Communication : oral vs écrit écrit
Communication orale
Communication écrite
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Transmission Transmission • Le problème du débit d'information
---> comment supprimer l'information "superflue" ?
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![Page 23: Chapitre 1 -------- Perception Naturelle et Artificielle de la Parole Jean-Sylvain Liénard LIMSI-CNRS ORSAY M2 Recherche Informatique Filière Sciences.](https://reader035.fdocuments.us/reader035/viewer/2022062511/551d9da5497959293b8d5ee4/html5/thumbnails/23.jpg)
L'appareil vocalL'appareil vocal
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Analyse acoustique de la Analyse acoustique de la parole parole
Exemples de spectrogrammes– Winsnoori
• 101.wav Guy a péri bêtement du diabète en Italie voix H
• 201.wav id voix F
• 102.wav La porte du garage tomba avec lourdeur voix H
• 202.wav id voix F
– Sections en bande large et bande étroite
– Evolution de Fo
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spectrogrammes des voyelles
Les voyellesLes voyelles
F1 et F2 prépondérants: démo Snack Formants
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Fricatives (constrictives)
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Plosives (occlusives)
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• Synthèse à partir des phonèmesSynthèse à partir des phonèmes- A chaque phonème est associé un état stable
- Le problème de coarticulation : ch + a ne fait pas cha
- Il faut donc respecter les transitions
- Synthèse par règles
Avec un synthétiseur paramétrique (à formants) : calcul des transitions acoustiques
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• Reconnaissance par mots isolésReconnaissance par mots isolés
Apprentissage
Reconnaissance
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• Le problème de l'alignement Le problème de l'alignement temporeltemporel Alignement par
programmation dynamique DTW
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Reconnaissance par mots enchaînésReconnaissance par mots enchaînés
Extension de la programmation dynamique
![Page 32: Chapitre 1 -------- Perception Naturelle et Artificielle de la Parole Jean-Sylvain Liénard LIMSI-CNRS ORSAY M2 Recherche Informatique Filière Sciences.](https://reader035.fdocuments.us/reader035/viewer/2022062511/551d9da5497959293b8d5ee4/html5/thumbnails/32.jpg)
Reconnaissance par modèles de Reconnaissance par modèles de Markov cachésMarkov cachés
- Le signal est représenté par une suite d'états acoustiques
- le nombre d'états possibles est limité (d'après corpus)
- probabilités de transition et d'émission (d'après corpus)
- programmation dynamique
Formulation bayésienne- Le message est représenté par une suite de mots
- Probabilités déterminées d'après corpus
- Proba message :: proba suite acoustique x proba suite de mots
Modèle de mot
![Page 33: Chapitre 1 -------- Perception Naturelle et Artificielle de la Parole Jean-Sylvain Liénard LIMSI-CNRS ORSAY M2 Recherche Informatique Filière Sciences.](https://reader035.fdocuments.us/reader035/viewer/2022062511/551d9da5497959293b8d5ee4/html5/thumbnails/33.jpg)
Performances actuelles Performances actuelles (2000)(2000)
Machine ~ 10% des performances humaines...
Mesurées en termes de taux d’erreurs de mots
nécessite un corpus transcrit manuellement (référence)
0.7%
7%
40%
0.01% 0.5%4%
Chiffres Journaux lusConversations tel.
20%
Journaux televises
![Page 34: Chapitre 1 -------- Perception Naturelle et Artificielle de la Parole Jean-Sylvain Liénard LIMSI-CNRS ORSAY M2 Recherche Informatique Filière Sciences.](https://reader035.fdocuments.us/reader035/viewer/2022062511/551d9da5497959293b8d5ee4/html5/thumbnails/34.jpg)
Point de vuePoint de vuesur la reconnaissance de la sur la reconnaissance de la
paroleparole• Les approches actuelles sont limitées
– méthodes essentiellement ascendantes et monocatégorielles, basées sur la Reconnaissance des Formes
– suffisantes pour certaines applications
– mais progrès asymptotiques, dûs seulement à puissance de calcul et collecte de bases de données
• Point de vue situé
– prendre en compte simultanément tous les aspects perceptifs du signal : parole, locuteur, situation, contexte, prise de son
– chercher les lois de variation du signal en fonction des descripteurs non-linguistiques
![Page 35: Chapitre 1 -------- Perception Naturelle et Artificielle de la Parole Jean-Sylvain Liénard LIMSI-CNRS ORSAY M2 Recherche Informatique Filière Sciences.](https://reader035.fdocuments.us/reader035/viewer/2022062511/551d9da5497959293b8d5ee4/html5/thumbnails/35.jpg)
Variabilité du signal de paroleVariabilité du signal de parole
• Le signal de parole varie considérablement selon le locuteur et la situation, à contenu linguistique constant --> Rechercher des invariants ?
• La reconnaissance automatique : trop de variabilité ?
– principes actuels : alignement temporel, modélisation probabiliste (acoustique et lexicale). Puissance de calcul, grandes bases de données
– limitations : variations du locuteur et de la prise de son; domaine sémantique restreint (cf systèmes experts). Problème artificiellement contraint.
– proposition : reconnaître à la fois ce qui est dit, qui le dit, où et comment
• La synthèse : pas assez de variabilité ?– voix synthétique ennuyeuse et inexpressive. Comment déduire du texte écrit les
descripteurs non-linguistiques qui n'y sont pas ?
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![Page 37: Chapitre 1 -------- Perception Naturelle et Artificielle de la Parole Jean-Sylvain Liénard LIMSI-CNRS ORSAY M2 Recherche Informatique Filière Sciences.](https://reader035.fdocuments.us/reader035/viewer/2022062511/551d9da5497959293b8d5ee4/html5/thumbnails/37.jpg)
![Page 38: Chapitre 1 -------- Perception Naturelle et Artificielle de la Parole Jean-Sylvain Liénard LIMSI-CNRS ORSAY M2 Recherche Informatique Filière Sciences.](https://reader035.fdocuments.us/reader035/viewer/2022062511/551d9da5497959293b8d5ee4/html5/thumbnails/38.jpg)
![Page 39: Chapitre 1 -------- Perception Naturelle et Artificielle de la Parole Jean-Sylvain Liénard LIMSI-CNRS ORSAY M2 Recherche Informatique Filière Sciences.](https://reader035.fdocuments.us/reader035/viewer/2022062511/551d9da5497959293b8d5ee4/html5/thumbnails/39.jpg)
![Page 40: Chapitre 1 -------- Perception Naturelle et Artificielle de la Parole Jean-Sylvain Liénard LIMSI-CNRS ORSAY M2 Recherche Informatique Filière Sciences.](https://reader035.fdocuments.us/reader035/viewer/2022062511/551d9da5497959293b8d5ee4/html5/thumbnails/40.jpg)
Perception de la parolePerception de la parole
• les niveaux d'abstraction sont déterminés par la résolution temporelle
• à chaque niveau la description du contenu perceptif est complète
• descripteurs de plus en plus indépendants
• traitement conjoint des informations linguistiques et non-linguistiques
• deux flux d'information: ascendant et descendant
niveau 6 500msunités cognitives
niveau 2 15msindices acoustiques
niveau 1 1msunités cochléaires
niveau 0 0.1msSignal
niveau 3 30mstraits phonétiques
niveau 4 60msunités phonetiques
niveau 5 200msunités lexicales
branche verbale branche prosodique
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![Page 42: Chapitre 1 -------- Perception Naturelle et Artificielle de la Parole Jean-Sylvain Liénard LIMSI-CNRS ORSAY M2 Recherche Informatique Filière Sciences.](https://reader035.fdocuments.us/reader035/viewer/2022062511/551d9da5497959293b8d5ee4/html5/thumbnails/42.jpg)