true final
[asr1617.git] / methods.tex
index 23ae993..517ade5 100644 (file)
@@ -2,29 +2,29 @@
 
 %Experiment(s) (set-up, data, results, discussion)
 \section{Data \& Preprocessing}
-Several experiments have been performed to gain insight on the research
-question.  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 utilizing \emph{SoX}%
-\footnote{\url{http://sox.sourceforge.net/}}. Every file is annotated using
-Praat~\cite{boersma_praat_2002} where the lyrics 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 different spectral patterns visible over time.
+To answer the research question, several experiments have been performed. Data
+has been collected from several \gls{dm} and \gls{dom} 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
+utilizing \emph{SoX}\footnote{\url{http://sox.sourceforge.net/}}. Every file
+is annotated using Praat~\cite{boersma_praat_2002} where the lyrics 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 spectrogram and annotations are shown. It is clearly
+visible that within the genre of death metal there are different spectral
+patterns visible over time.
 
 \begin{figure}[ht]
        \centering
        \includegraphics[width=.7\linewidth]{cement}
-       \caption{A vocal segment of the \acrlong{CC} song
+       \caption{A vocal segment of the 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 \acrlong{DG} song
+       \caption{A vocal segment of the Disgorge song
                \emph{Enthroned Abominations}}\label{fig:abominations}
 \end{figure}
 
@@ -49,9 +49,10 @@ performs in several Muscovite 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.
 
-Additional detailss about the dataset are listed in Appendix~\ref{app:data}.
-The data is labeled as singing and instrumental and labeled per band. The
-distribution for this is shown in Table~\ref{tbl:distribution}.
+Additional details about the dataset such are listed in
+Appendix~\ref{app:data}.  The data is labeled as singing and instrumental and
+labeled per band. The distribution for this is shown in
+Table~\ref{tbl:distribution}.
 \begin{table}[H]
        \centering
        \begin{tabular}{lcc}
@@ -69,10 +70,10 @@ distribution for this is shown in Table~\ref{tbl:distribution}.
                0.59 & 0.16 & 0.19 & 0.06\\
                \bottomrule
        \end{tabular}
-       \caption{Data distribution}\label{tbl:distribution}
+       \caption{Proportional data distribution}\label{tbl:distribution}
 \end{table}
 
-\section{\acrlong{MFCC} Features}
+\section{Mel-frequencey Cepstral Features}
 The waveforms in itself are not very suitable to be used as features due to the
 high dimensionality and correlation in the temporal domain. Therefore we use
 the often used \glspl{MFCC} feature vectors which have shown to be suitable in
@@ -90,9 +91,7 @@ created from a waveform incrementally using several steps:
                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 contain just one subphone event. Singing for
-               $25ms$ is impossible so it might be necessary to increase the window
-               size.
+               they are small enough to contain just one subphone event.
        \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 to get a more tonotopic
@@ -102,8 +101,8 @@ created from a waveform incrementally using several steps:
                magnitudes\footnote{Fechner, Gustav Theodor (1860). Elemente der
                Psychophysik}. They found that energy is perceived in logarithmic
                increments. This means that twice the amount of energy does not mean
-               twice the amount of perceived loudness. Therefore we take the log of
-               the energy or amplitude of the \gls{MS} spectrum to closer match the
+               twice the amount of perceived loudness. Therefore we take the logarithm
+               of the energy or amplitude of the \gls{MS} spectrum to closer match the
                human hearing.
        \item The amplitudes of the spectrum are highly correlated and therefore
                the last step is a decorrelation step. \Gls{DCT} is applied on the
@@ -115,12 +114,12 @@ created from a waveform incrementally using several steps:
 The default number of \gls{MFCC} parameters is twelve. However, often a
 thirteenth value is added that represents the energy in the analysis window.
 The $c_0$ is chosen is this example. $c_0$ is the zeroth \gls{MFCC}. It
-represents the overall energy in the \gls{MS}. Another option would be
+represents the average over all \gls{MS} bands. Another option would be
 $\log{(E)}$ which is the logarithm of the raw energy of the sample.
 
-\section{\acrlong{ANN}}
+\section{Artificial Neural Network}
 The data is classified using standard \gls{ANN} techniques, namely \glspl{MLP}.
-The classification problems are only binary and four-class so it is
+The classification problems are only binary or four-class problems so it is
 interesting to see where the bottleneck lies; how abstract can the abstraction
 be made. The \gls{ANN} is built with the Keras\footnote{\url{https://keras.io}}
 using the TensorFlow\footnote{\url{https://github.com/tensorflow/tensorflow}}
@@ -132,20 +131,24 @@ multiclass classification. The inputs are fully connected to the hidden layer
 which is fully connected too the output layer. The activation function used is
 a \gls{RELU}. The \gls{RELU} function is a monotonic symmetric one-sided
 function that is also known as the ramp function. The definition is given in
-Equation~\ref{eq:relu}. \gls{RELU} was chosen because of its symmetry and
-efficient computation. The activation function between the hidden layer and the
-output layer is the sigmoid function in the case of binary classification, of
-which the definition is shown in Equation~\ref{eq:sigmoid}. The sigmoid is a
-monotonic function that is differentiable on all values of $x$ and always
-yields a non-negative derivative. For the multiclass classification the softmax
-function is used between the hidden layer and the output layer. Softmax is an
-activation function suitable for multiple output nodes. The definition is given
-in Equation~\ref{eq:softmax}.
+Equation~\ref{eq:relu}. \gls{RELU} has the downside that it can create
+unreachable nodes in a deep network. This is not a problem in this network
+since it only has one hidden layer. \gls{RELU} was also chosen because of its
+efficient computation and nature inspiredness. 
+
+The activation function between the hidden layer and the output layer is the
+sigmoid function in the case of binary classification, of which the definition
+is shown in Equation~\ref{eq:sigmoid}. The sigmoid is a monotonic function that
+is differentiable on all values of $x$ and always yields a non-negative
+derivative. For the multiclass classification the softmax function is used
+between the hidden layer and the output layer. Softmax is an activation
+function suitable for multiple output nodes. The definition is given in
+Equation~\ref{eq:softmax}.
 
 The data is shuffled before fed to the network to mitigate the risk of
-overfitting on one album. Every model was trained using $10$ epochs and a
-batch size of $32$. The training set and test set are separated by taking a
-$90\%$ slice of all the data.
+overfitting on one album. Every model was trained using $10$ epochs which means
+that all training data is offered to the model $10$ times. The training set and
+test set are separated by taking a $90\%$ slice of all the data.
 
 \begin{equation}\label{eq:relu}
        f(x) = \left\{\begin{array}{rcl}
@@ -174,12 +177,12 @@ $90\%$ slice of all the data.
                \includegraphics[width=.8\linewidth]{mcann}
                \caption{Multiclass classifier network architecture}\label{fig:mcann}
        \end{subfigure}
-       \caption{\acrlong{ANN} architectures.}
+       \caption{Artificial Neural Network architectures.}
 \end{figure}
 
 \section{Experimental setup}
 \subsection{Features}
-The thirteen \gls{MFCC} features are used as the input.  Th parameters of the
+The thirteen \gls{MFCC} features are used as the input. The parameters of the
 \gls{MFCC} features are varied in window step and window length. The default
 speech processing parameters are tested but also bigger window sizes since
 arguably the minimal size of a singing voice segment is a lot bigger than the
@@ -206,7 +209,22 @@ is the act of segmenting an audio signal into segments that are labeled either
 as \emph{Singing} or as \emph{Instrumental}. The input of the classifier is a
 feature vector and the output is the probability that singing is happening in
 the sample. This results in an \gls{ANN} of the shape described in
-Figure~\ref{fig:bcann}. The input dimension is thirteen and the output is one.
+Figure~\ref{fig:bcann}. The input dimension is thirteen and the output
+dimension is one.
+
+The \emph{crosstenopy} function is used as the loss function. The
+formula is shown in Equation~\ref{eq:bincross} where $p$ is the true
+distribution and $q$ is the classification. Acurracy is the mean of the
+absolute differences between prediction and true value. The formula is show in
+Equation~\ref{eq:binacc}.
+
+\begin{equation}\label{eq:bincross}
+       H(p,q) = -\sum_x p(x)\log{q(x)}
+\end{equation}
+
+\begin{equation}\label{eq:binacc}
+       \frac{1}{n}\sum^n_{i=1} abs (ypred_i-y_i)
+\end{equation}
 
 \subsection{\emph{Singer}-voice detection}
 The second type of experiment conducted is \emph{Singer}-voice detection. This
@@ -216,5 +234,15 @@ classifier is a feature vector and the outputs are probabilities for each of
 the singers and a probability for the instrumental label. This results in an
 \gls{ANN} of the shape described in Figure~\ref{fig:mcann}. The input dimension
 is yet again thirteen and the output dimension is the number of categories. The
-output is encoded in one-hot encoding. This means that the categories are
-labeled as \texttt{1000, 0100, 0010, 0001}.
+output is encoded in one-hot encoding. This means that the four categories in
+the experiments are labeled as \texttt{1000, 0100, 0010, 0001}.
+
+The loss function is the same as in \emph{Singing}-voice detection.
+The accuracy is calculated a little differenty since the output of the network
+is not one probability but a vector of probabilities. The accuracy is
+calculated of each sample by only taking into account the highest value in the
+one-hot encoded vector. This exact formula is shown in Equation~\ref{eq:catacc}.
+
+\begin{equation}\label{eq:catacc}
+       \frac{1}{n}\sum^n_{i=1} abs(argmax(ypred_i)-argmax(y_i))
+\end{equation}