mfcc
[asr1617.git] / asr.tex
diff --git a/asr.tex b/asr.tex
index e4c126d..3f5eaaf 100644 (file)
--- a/asr.tex
+++ b/asr.tex
 %&asr
+\usepackage[nonumberlist,acronyms]{glossaries}
+%\makeglossaries%
+\newacronym{ANN}{ANN}{Artificial Neural Network}
+\newacronym{HMM}{HMM}{Hidden Markov Model}
+\newacronym{GMM}{GMM}{Gaussian Mixture Models}
+\newacronym{DHMM}{DHMM}{Duration-explicit \acrlong{HMM}}
+\newacronym{HTK}{HTK}{\acrlong{HMM} Toolkit}
+\newacronym{FA}{FA}{Forced alignment}
+\newacronym{MFC}{MFC}{Mel-frequency cepstrum}
+\newacronym{MFCC}{MFCC}{\acrlong{MFC} coefficient}
+\newacronym{IFPI}{IFPI}{International Federation of the Phonographic Industry}
+\newglossaryentry{dm}{name={Death Metal},
+       description={is an extreme heavy metal music style with growling vocals and
+       pounding drums}}
+\newglossaryentry{dom}{name={Doom Metal},
+       description={is an extreme heavy metal music style with growling vocals and
+       pounding drums played very slowly}}
+\newglossaryentry{FT}{name={Fourier Transform},
+       description={is a technique of converting a time representation signal to a
+       frequency representation}}
+\newglossaryentry{MS}{name={Mel-Scale},
+       description={is a human ear inspired scale for spectral signals.}}
+
 \begin{document}
-%Titlepage
+\frontmatter{}
+
 \maketitleru[
        course={(Automatic) Speech Recognition},
        institute={Radboud University Nijmegen},
-       authorstext={Author:}]
+       authorstext={Author:},
+       pagenr=1]
 \listoftodos[Todo]
 
-t\cite{muller_multimodal_2012}
+\tableofcontents
+
+%Glossaries
+%\glsaddall{}
+%\printglossaries
+
+\mainmatter{}
+%Berenzweig and Ellis use acoustic classifiers from speech recognition as a
+%detector for singing lines.  They achive 80\% accuracy for forty 15 second
+%exerpts. They mention people that wrote signal features that discriminate
+%between speech and music. Neural net
+%\glspl{HMM}~\cite{berenzweig_locating_2001}.
+%
+%In 2014 Dzhambazov et al.\ applied state of the art segmentation methods to
+%polyphonic turkish music, this might be interesting to use for heavy metal.
+%They mention Fujihara (2011) to have a similar \gls{FA} system. This method uses
+%phone level segmentation, first 12 \gls{MFCC}s. They first do vocal/non-vocal
+%detection, then melody extraction, then alignment. They compare results with
+%Mesaros \& Virtanen, 2008~\cite{dzhambazov_automatic_2014}. Later they
+%specialize in long syllables in a capella. They use \glspl{DHMM} with
+%\glspl{GMM} and show that adding knowledge increases alignment (bejing opera
+%has long syllables)~\cite{dzhambazov_automatic_2016}.
+%
+
+
+%Introduction, leading to a clearly defined research question
+\chapter{Introduction}
+\section{Introduction}
+The primary medium for music distribution is rapidly changing from physical
+media to digital media. The \gls{IFPI} stated that about $43\%$ of music
+revenue rises from digital distribution. Another $39\%$ arises from the
+physical sale and the remaining $16\%$ is made through performance and
+synchronisation revenieus. The overtake of digital formats on physical formats
+took place somewhere in 2015. Moreover, ever since twenty years the music
+industry has seen significant growth 
+again\footnote{\url{http://www.ifpi.org/facts-and-stats.php}}.
+
+There has always been an interest in lyrics to music alignment to be used in
+for example karaoke. As early as in the late 1980s karaoke machines were
+available for consumers. While the lyrics for the track are almost always
+available, a alignment is not and it involves manual labour to create such an
+alignment.
+
+A lot of this musical distribution goes via non-official channels such as
+YouTube\footnote{\url{https://youtube.com}} in which fans of the performers
+often accompany the music with synchronized lyrics. This means that there is an
+enormous treasure of lyrics-annotated music available but not within our reach
+since the subtitles are almost always hardcoded into the video stream and thus
+not directly usable as data. Because of this interest it is very useful to
+device automatic techniques for segmenting instrumental and vocal parts of a
+song, apply forced alignment or even lyrics recognition on the audio file.
+
+Such techniques are heavily researched and working systems have been created.
+However, these techniques are designed to detect a clean singing voice and have
+not been testen on so-called \emph{extended vocal techniques} such as grunting
+or growling. Growling is heavily used in extreme metal genres such as \gls{dm}
+but it must be noted that grunting is not a technique only used in extreme
+metal styles. Similar or equal techniques have been used in \emph{Beijing
+opera}, Japanese \emph{Noh} and but also more western styles like jazz singing
+by Louis Armstrong\cite{sakakibara_growl_2004}. It might even be traced back
+to viking times. For example, an arab merchant visiting a village in Denmark
+wrote in the tenth century\cite{friis_vikings_2004}:
+
+\begin{displayquote}
+       Never before I have heard uglier songs than those of the Vikings in
+       Slesvig. The growling sound coming from their throats reminds me of dogs
+       howling, only more untamed.
+\end{displayquote}
+
+\section{\gls{dm}}
+
+%Literature overview / related work
+\section{Related work}
+The field of applying standard speech processing techniques on music started in
+the late 90s\cite{saunders_real-time_1996,scheirer_construction_1997} and it
+was found that music has different discriminating features compared to normal
+speech.
+
+Berenzweig and Ellis expanded on the aforementioned research by trying to
+separate singing from instrumental music\cite{berenzweig_locating_2001}.
+
+\todo{Incorporate this in literary framing}%
+~\cite{fujihara_automatic_2006}%
+~\cite{fujihara_lyricsynchronizer:_2011}%
+~\cite{fujihara_three_2008}%
+~\cite{mauch_integrating_2012}%
+~\cite{mesaros_adaptation_2009}%
+~\cite{mesaros_automatic_2008}%
+~\cite{mesaros_automatic_2010}%
+~%\cite{muller_multimodal_2012}%
+~\cite{pedone_phoneme-level_2011}%
+~\cite{yang_machine_2012}%
+
+
+
+\section{Research question}
+It is discutable whether the aforementioned techniques work because the
+spectral properties of a growling voice is different from the spectral
+properties of a clean singing voice. It has been found that growling voices
+have less prominent peaks in the frequency representation and are closer to
+noise then clean singing\cite{kato_acoustic_2013}. This leads us to the
+research question:
+
+\begin{center}\em%
+       Are standard \gls{ANN} based techniques for singing voice detection
+       suitable for non-standard musical genres like \gls{dm}.
+\end{center}
+
+\chapter{Methods}
+%Methodology
+
+%Experiment(s) (set-up, data, results, discussion)
+\section{Data \& Preprocessing}
+To run the experiments data has been collected from several \gls{dm} albums.
+The exact data used is available in Appendix~\ref{app:data}. The albums are
+extracted from the audio CD and converted to a mono channel waveform with the
+correct samplerate \emph{SoX}\footnote{\url{http://sox.sourceforge.net/}}.
+Every file is annotated using
+Praat\cite{boersma_praat_2002} where the utterances are manually aligned to
+the audio. Examples of utterances are shown in
+Figure~\ref{fig:bloodstained} and Figure~\ref{fig:abominations} where the
+waveform, $1-8000$Hz spectrals and annotations are shown. It is clearly visible
+that within the genre of death metal there are a different spectral patterns
+visible.
+
+\begin{figure}[ht]
+       \centering
+       \includegraphics[width=.7\linewidth]{cement}
+       \caption{A vocal segment of the \emph{Cannibal Corpse} song
+               \emph{Bloodstained Cement}}\label{fig:bloodstained}
+\end{figure}
+
+\begin{figure}[ht]
+       \centering
+       \includegraphics[width=.7\linewidth]{abominations}
+       \caption{A vocal segment of the \emph{Disgorge} song
+               \emph{Enthroned Abominations}}\label{fig:abominations}
+\end{figure}
+
+The data is collected from three studio albums. The
+first band is called \emph{Cannibal Corpse} and has been producing \gls{dm} for
+almost 25 years and have been creating the same type every album. The singer of
+\emph{Cannibal Corpse} has a very raspy growls and the lyrics are quite
+comprehensible. The vocals produced by \emph{Cannibal Corpse} are bordering
+regular shouting. 
+
+The second band is called \emph{Disgorge} and make even more violently sounding
+music. The growls of the lead singer sound like a coffee grinder and are more
+shallow. In the spectrals it is clearly visible that there are overtones
+produced during some parts of the growling. The lyrics are completely
+incomprehensible and therefore some parts were not annotated with the actual
+lyrics because it was not possible what was being sung.
+
+Lastly a band from Moscow is chosen bearing the name \emph{Who Dies in
+Siberian Slush}. This band is a little odd compared to the previous \gls{dm}
+bands because they create \gls{dom}. \gls{dom} is characterized by the very
+slow tempo and low tuned guitars. The vocalist has a very characteristic growl
+and performs in several moscovian bands. This band also stands out because it
+uses piano's and synthesizers. The droning synthesizers often operate in the
+same frequency as the vocals.
+
+\section{\gls{MFCC} Features}
+The waveforms in itself are not very suitable to be used as features due to the
+high dimensionality and correlation. Therefore we use the aften used
+\glspl{MFCC} feature vectors.\todo{cite which papers use this} The actual
+conversion is done using the \emph{python\_speech\_features}%
+\footnote{\url{https://github.com/jameslyons/python_speech_features}} package.
 
-t\cite{pedone_phoneme-level_2011}
+\gls{MFCC} features are nature inspired and built incrementally in a several of
+steps. 
+\begin{enumerate}
+       \item The first step in the process is converting the time representation
+               of the signal to a spectral representation using a sliding window with
+               overlap. The width of the window and the step size are two important
+               parameters in the system. In classical phonetic analysis window sizes
+               of $25ms$ with a step of $10ms$ are often chosen because they are small
+               enough to only contain subphone entities. Singing for $25ms$ is
+               impossible so it is arguable that the window size is very small.
+       \item The standard \gls{FT} gives a spectral representation that has
+               linearly scaled frequencies. This scale is converted to the \gls{MS}
+               using triangular overlapping windows.
+       \item
+\end{enumerate}
 
-t\cite{fujihara_automatic_2006}
 
-t\cite{mesaros_adaptation_2009}
+\todo{Explain why MFCC and which parameters}
 
-t\cite{mesaros_automatic_2010}
+\section{\gls{ANN} Classifier}
+\todo{Spectrals might be enough, no decorrelation}
 
-t\cite{dzhambazov_automatic_2016}
+\section{Model training}
 
-t\cite{mesaros_automatic_2008}
+\section{Experiments}
 
-t\cite{berenzweig_locating_2001}
+\section{Results}
 
-t\cite{dzhambazov_automatic_2014}
 
-t\cite{fujihara_three_2008}
+\chapter{Conclusion \& Discussion}
+\section{Conclusion}
+%Discussion section
 
-t\cite{yang_machine_2012}
+\section{Discussion}
 
-t\cite{fujihara_lyricsynchronizer:_2011}
+\todo{Novelty}
+\todo{Weaknesses}
+\todo{Dataset is not very varied but\ldots}
 
-t\cite{mauch_integrating_2012}
+\todo{Doom metal}
+%Conclusion section
+%Acknowledgements
+%Statement on authors' contributions
+%(Appendices)
+\appendix
+\chapter{Experimental data}\label{app:data}
+\begin{table}[h]
+       \centering
+       \begin{tabular}{cllll}
+               \toprule
+               Num. & Artist & Album & Song & Duration\\
+               \midrule
+               00 & Cannibal Corpse & A Skeletal Domain & High Velocity Impact Spatter & 04:06.91\\
+               01 & Cannibal Corpse & A Skeletal Domain & Sadistic Embodiment & 03:17.31\\
+               02 & Cannibal Corpse & A Skeletal Domain & Kill or Become & 03:50.67\\
+               03 & Cannibal Corpse & A Skeletal Domain & A Skeletal Domain & 03:38.77\\
+               04 & Cannibal Corpse & A Skeletal Domain & Headlong Into Carnage & 03:01.25\\
+               05 & Cannibal Corpse & A Skeletal Domain & The Murderer's Pact & 05:05.23\\
+               06 & Cannibal Corpse & A Skeletal Domain & Funeral Cremation & 03:41.89\\
+               07 & Cannibal Corpse & A Skeletal Domain & Icepick Lobotomy & 03:16.24\\
+               08 & Cannibal Corpse & A Skeletal Domain & Vector of Cruelty & 03:25.15\\
+               09 & Cannibal Corpse & A Skeletal Domain & Bloodstained Cement & 03:41.99\\
+               10 & Cannibal Corpse & A Skeletal Domain & Asphyxiate to Resuscitate & 03:47.40\\
+               11 & Cannibal Corpse & A Skeletal Domain & Hollowed Bodies & 03:05.80\\
+               12 & Disgorge & Parallels of Infinite Torture & Revealed in Obscurity & 05:13.20\\
+               13 & Disgorge & Parallels of Infinite Torture & Enthroned Abominations & 04:05.39\\
+               14 & Disgorge & Parallels of Infinite Torture & Atonement & 02:57.36\\
+               15 & Disgorge & Parallels of Infinite Torture & Abhorrent Desecration of Thee Iniquity & 04:17.20\\
+               16 & Disgorge & Parallels of Infinite Torture & Forgotten Scriptures & 02:01.72\\
+               17 & Disgorge & Parallels of Infinite Torture & Descending Upon Convulsive Devourment & 04:38.85\\
+               18 & Disgorge & Parallels of Infinite Torture & Condemned to Sufferance & 04:57.59\\
+               19 & Disgorge & Parallels of Infinite Torture & Parallels of Infinite Torture & 05:03.33\\
+               20 & Disgorge & Parallels of Infinite Torture & Asphyxiation of Thee Oppressed & 05:42.37\\
+               21 & Disgorge & Parallels of Infinite Torture & Ominous Sigils of Ungodly Ruin & 04:59.15\\
+               22 & Who Dies In Siberian Slush & Bitterness Of The Years That Are Lost & Leave Me & 06:35.60\\
+               23 & Who Dies In Siberian Slush & Bitterness Of The Years That Are Lost & The Woman We Are Looking For & 06:53.63\\
+               24 & Who Dies In Siberian Slush & Bitterness Of The Years That Are Lost & M\"obius Ring & 07:20.56\\
+               25 & Who Dies In Siberian Slush & Bitterness Of The Years That Are Lost & Interlude & 04:26.49\\
+               26 & Who Dies In Siberian Slush & Bitterness Of The Years That Are Lost & Завещание Гумилёва & 08:46.76\\
+               27 & Who Dies In Siberian Slush & Bitterness Of The Years That Are Lost & An Old Road Through The Snow & 02:31.56\\
+               28 & Who Dies In Siberian Slush & Bitterness Of The Years That Are Lost & Bitterness Of The Years That Are Lost & 09:10.49\\
+               \midrule
+               & & & Total: & 02:13:40\\
+               \bottomrule
+       \end{tabular}
+       \caption{Songs used in the experiments}
+\end{table}
 
 \bibliographystyle{ieeetr}
 \bibliography{asr}