Распознавание эмоций с помощью сверточной нейронной сети

Распознавание эмоций всегда было захватывающей задачей для ученых. В последнее время я работаю над экспериментальным SER-проектом (Speech Emotion Recognition), чтобы понять потенциал этой технологии – для этого я отобрал наиболее популярные репозитории на Github и сделал их основой моего проекта.

Прежде чем мы начнем разбираться в проекте, неплохо будет вспомнить, какие узкие места есть у SER.

Главные препятствия

• эмоции субъективны, даже люди интерпретируют их по-разному. Трудно определить само понятие «эмоции»;
• комментировать аудио – трудно. Должны ли мы как-то помечать каждое отдельное слово, предложение или все общение целиком? Набор каких именно эмоций использовать при распознавании?
• собирать данные тоже непросто. Много аудиоданных может быть собрано из фильмов и новостей. Однако оба источника «необъективны», потому что новостей обязаны быть нейтральными, а эмоции актеров – сыгранные. Трудно найти «объективный» источник аудиоданных.
• разметка данных требует больших человеческих и временных ресурсов. В отличие от рисования рамок на изображениях, здесь требуется специально обученный персонал, чтобы прослушивать целые аудиозаписи, анализировать их и снабжать комментариями. А затем эти комментарии должны быть оценены множеством других людей, потому что оценки субъективны.

Описание проекта

Использование сверточной нейронной сети для распознавания эмоций в аудиозаписях. И да, владелец репозитория не ссылался ни на какие источники.

Описание данных

Есть два датасета, которые использовались в репозиториях RAVDESS и SAVEE, я только лишь адаптировал RAVDESS в своей модели. В контекста RAVDESS есть два типа данных: речь (speech) и песня (song).

Датасет RAVDESS (The Ryerson Audio-Visual Database of Emotional Speech and Song):

• 12 актеров и 12 актрис записали свою речь и песни в своем исполнении;
• у актера #18 нет записанных песен;
• эмоции Disgust (отвращение), Neutral (нейтральная) и Surprises (удивленние) отсутствуют в «песенных» данных.

Разбивка по эмоциям:

Диаграмма распределения эмоций:

Извлечение признаков

Когда мы работаем с задачами распознавания речи, мел-кепстральные коэффициенты (MFCCs) – это передовая технология, несмотря на то, что она появилась в 80-х.

Цитата из туториала по MFCC:

Эта форма определяет, каков звук на выходе. Если мы можем точно обозначить форму, она даст нам точное представление прозвучавшей фонемы. Форма речевого тракта проявляет себя в огибающей короткого спектра, и работы MFCC – точно отобразить эту огибающую.

Форма сигнала

Спектрограмма

Мы используем MFCC как входной признак. Если вам интересно разобраться подробнее, что такое MFCC, то этот туториал – для вас. Загрузку данных и их конвертацию в формат MFCC можно легко сделать с помощью Python-пакета librosa.

Архитектура модели по умолчанию

Автор разработал CNN-модель с помощь пакет Keras, создав 7 слоев – шесть Con1D слоев и один слой плотности (Dense).

model = Sequential()
model.add(Conv1D(256, 5,padding='same', input_shape=(216,1))) #1
model.add(Activation('relu'))
model.add(Conv1D(128, 5,padding='same')) #2
model.add(Activation('relu'))
model.add(Dropout(0.1))
model.add(MaxPooling1D(pool_size=(8)))
model.add(Conv1D(128, 5,padding='same')) #3
model.add(Activation('relu'))
#model.add(Conv1D(128, 5,padding='same')) #4
#model.add(Activation('relu'))
#model.add(Conv1D(128, 5,padding='same')) #5
#model.add(Activation('relu'))
#model.add(Dropout(0.2))
model.add(Conv1D(128, 5,padding='same')) #6
model.add(Activation('relu'))
model.add(Flatten())
model.add(Dense(10)) #7
model.add(Activation('softmax'))
opt = keras.optimizers.rmsprop(lr=0.00001, decay=1e-6)

Автор закомментировал слои 4 и 5 в последнем релизе (18 сентября 2018 года) и итоговый размер файла этой модели не подходит под предоставленную сеть, поэтому я не смогу добиться такого же результат по точности – 72%.

Модель просто натренирована с параметрами batch_size=16 и epochs=700, без какого-либо графика обучения и пр.

# Compile Model
model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer=opt,metrics=['accuracy'])
# Fit Model
cnnhistory=model.fit(x_traincnn, y_train, batch_size=16, epochs=700, validation_data=(x_testcnn, y_test))

Здесь categorical_crossentropy это функция потерь, а мера оценки – точность.

Мой эксперимент

Разведочный анализ данных

В датасете RAVDESS каждый актер проявляет 8 эмоций, проговаривая и пропевая 2 предложения по 2 раза каждое. В итоге с каждого актера получается 4 примера каждой эмоции за исключением вышеупомянутых нейтральной эмоции, отвращения и удивления. Каждое аудио длится примерно 4 секунды, в первой и последней секундах чаще всего тишина.

Типичные предложения:

Наблюдение

После того как я выбрал датасет из 1 актера и 1 актрисы, а затем прослушал все их записи, я понял, что мужчины и женщины выражают свои эмоции по-разному. Например:

• мужская злость (Angry) просто громче;
• мужские радость (Happy) и расстройство (Sad) – особенность в смеющемся и плачущем тонах во время «тишины»;
• женские радость (Happy), злость (Angry) и расстройство (Sad) громче;
• женское отвращение (Disgust) содержит в себе звук рвоты.

Повторение эксперимента

Автор убрал классы neutral, disgust и surprised, чтобы сделать 10-классовое распознавание датасета RAVDESS. Пытаясь повторить опыт автора, я получил такой результат:

Однако я выяснил, что имеет место утечка данных, когда датасет для валидации идентичен тестовому датасету. Поэтому я повторил разделение данных, изолировав датасеты двух актеров и двух актрис, чтобы они не были видны во время теста:

• актеры с 1 по 20 используются для сетов Train / Valid в соотношении 8:2;
• актеры с 21 по 24 изолированы от тестов;
• параметры Train Set: (1248, 216, 1);
• параметры Valid Set: (312, 216, 1);
• параметры Test Set: (320, 216, 1) — (изолировано).

Я заново обучил модель и вот результат:

Тест производительности

Из графика Train Valid Gross видно, что не происходит схождение для выбранных 10 классов. Поэтому я решил понизить сложность модели и оставить только мужские эмоции. Я изолировал двух актеров в рамках test set, а остальных поместил в train/valid set, соотношение 8:2. Это гарантирует, что в датасете не будет дисбаланса. Затем я тренировал мужские и женские данные отдельно, чтобы провести тест.

Мужской датасет

• Train Set – 640 семплов от актеров 1-10;
• Valid Set – 160 семплов от актеров 1-10;
• Test Set – 160 семплов от актеров 11-12.

Опорная линия: мужчины

Женский датасет

• Train Set – 608 семплов от актрис 1-10;
• Valid Set – 152 семпла от актрис 1-10;
• Test Set – 160 семплов от актрис 11-12.

Опорная линия: женщины

Как можно заметить, матрицы ошибок отличаются.

Мужчины: злость (Angry) и радость (Happy) – основные предугаданные классы в модели, но они не похожи.

Женщины: расстройство (Sad) и радость (Happy) – основыне предугаданные классы в модели; злость (Angry) и радость (Happy) легко спутать.

Вспоминая наблюдения из Разведочного анализа данных, я подозреваю, что женские злость (Angry) и радость (Happy) похожи до степени смешения, потому что их способ выражения заключается просто в повышении голоса.

Вдобавок ко всему, мне интересно, что если я еще больше упрощу модель, остави только классы Positive, Neutral и Negative. Или только Positive и Negative. Короче, я сгруппировал эмоции в 2 и 3 класса соответственно.

2 класса:

• Позитивные: радость (Happy), спокойствие (Calm);
• Негативные: злость (Angry), страх (fearful), расстройство (sad).

3 класса:

• Позитивные: радость (Happy);
• Нейтральные: спокойствие (Calm), нейтральная (Neutral);
• Негативные: злость (Angry), страх (fearful), расстройство (sad).

До начала эксперимента я настроил архитектуру модели с помощью мужских данных, сделав 5-классовое распознавание.

# Указываем нужное кол-во классов
target_class = 5
# Модель 
model = Sequential()
model.add(Conv1D(256, 8, padding='same',input_shape=(X_train.shape[1],1))) #1
model.add(Activation('relu'))
model.add(Conv1D(256, 8, padding='same')) #2
model.add(BatchNormalization())
model.add(Activation('relu'))
model.add(Dropout(0.25))
model.add(MaxPooling1D(pool_size=(8)))
model.add(Conv1D(128, 8, padding='same')) #3
model.add(Activation('relu')) 
model.add(Conv1D(128, 8, padding='same')) #4
model.add(Activation('relu'))
model.add(Conv1D(128, 8, padding='same')) #5
model.add(Activation('relu'))
model.add(Conv1D(128, 8, padding='same')) #6
model.add(BatchNormalization())
model.add(Activation('relu'))
model.add(Dropout(0.25))
model.add(MaxPooling1D(pool_size=(8)))
model.add(Conv1D(64, 8, padding='same')) #7
model.add(Activation('relu'))
model.add(Conv1D(64, 8, padding='same')) #8
model.add(Activation('relu'))
model.add(Flatten())
model.add(Dense(target_class)) #9
model.add(Activation('softmax'))
opt = keras.optimizers.SGD(lr=0.0001, momentum=0.0, decay=0.0, nesterov=False)

Я добавил 2 слоя Conv1D, один слой MaxPooling1D и 2 слоя BarchNormalization; также я изменил значение отсева на 0.25. Наконец, я изменил оптимизатор на SGD со скоростью обучения 0.0001.

lr_reduce = ReduceLROnPlateau(monitor=’val_loss’, factor=0.9, patience=20, min_lr=0.000001)
mcp_save = ModelCheckpoint(‘model/baseline_2class_np.h5’, save_best_only=True, monitor=’val_loss’, mode=’min’)
cnnhistory=model.fit(x_traincnn, y_train, batch_size=16, epochs=700, validation_data=(x_testcnn, y_test), callbacks=[mcp_save, lr_reduce])

Для тренировки модели я применил уменьшение «плато обучения» и сохранил только лучшую модель с минимальным значением val_loss. И вот каковы результаты для разных целевых классов.

Производительность новой модели

Мужчины, 5 классов

Женщины, 5 классов

Мужчины, 2 класса

Мужчины, 3 класса

Увеличение (аугментация)

Когда я усилил архитектуру модели, оптимизатор и скорость обучения, выяснилось, что модель по-прежнему не сходится в режиме тренировки. Я предположил, что это проблема количества данных, так как у нас имеется только 800 семплов. Это привело меня к методам увеличения аудио, в итоге я увеличил датасеты ровно вдвое. Давайт взглянем на эти методы.

Мужчины, 5 классов

Динамическое увеличение значений

def dyn_change(data):
   """
   Случайное изменение значений
   """
   dyn_change = np.random.uniform(low=1.5,high=3)
   return (data * dyn_change)

Настройка высоты звука

def pitch(data, sample_rate):
   """
   Настройка высоты звука
   """
   bins_per_octave = 12
   pitch_pm = 2
   pitch_change =  pitch_pm * 2*(np.random.uniform())  
   data = librosa.effects.pitch_shift(data.astype('float64'),
                                     sample_rate, n_steps=pitch_change,
                                     bins_per_octave=bins_per_octave)

Смещение

def shift(data):
   """
   Случайное смещение
   """
   s_range = int(np.random.uniform(low=-5, high = 5)*500)
   return np.roll(data, s_range)

Добавление белого шума

def noise(data):
   """
   Добавление белого шума
   """
   # можете взять любой дистрибутив отсюда: https://docs.scipy.org/doc/numpy-1.13.0/reference/routines.random.html
   noise_amp = 0.005*np.random.uniform()*np.amax(data)
   data = data.astype('float64') + noise_amp * np.random.normal(size=data.shape[0])
   return data

Заметно, что аугментация сильно повышает точность, до 70+% в общем случае. Особенно в случае с добавлением белого, которое повышает точность до 87,19% – однако тестовая точность и F1-мера падают более чем на 5%. И тут мне ко пришла идея комбинировать несколько методов аугментации для лучшего результата.

Объединяем несколько методов

Белый шум + смещение

Тестируем аугментацию на мужчинах

Мужчины, 2 класса

Белый шум + смещение

Для всех семплов

Белый шум + смещение

Только для позитивных семплов, так как 2-классовый сет дисбалансированный (в сторону негативных семплов).

Настройка высоты звука + белый шум
Для всех семплов

Настройка высоты звука + белый шум

Только для позитивных семплов

Заключение

В конце концов, я смог поэкспериментировать только с мужским датасетом. Я заново разделил данные так, чтобы избежать дисбаланса и, как следствие, утечки данных. Я настроил модель на эксперименты с мужскими голосами, так как я хотел максимально упростить модель для начала. Также я провел тесты, используя разные методы аугментации; добавление белого шума и смещение хорошо зарекомендовали себя на дисбалансированных данных.

Выводы

• эмоции субъективны и их сложно фиксировать;
• необходимо заранее определять, какие эмоции подходят для целей проекта;
• не стоит всегда доверять контенту с Github, даже если он имеет много звезд;
• разделение данных – имейте его в виду;
• разведочный анализ данных всегда дает хорошее представление, однако надо быть терпеливым, когда речь о работе с аудиоданными;
• определяйте, что будете давать на вход вашей модели: предложение, всю запись или восклицание?
• нехватка данных – это важный фактор успеха в SER, однако создать хороший датасет с эмоциями – это комплексная и дорогостоящая задача;
• упрощайте свою модель в случае нехватки данных.

Дальнейшее улучшение

• я использовал только первые 3 секунды в качестве входных данных, чтобы снизить общий размер данных – оригинальный проект использовал 2.5 секунды. Я бы хотел поэкспериментировать с полноразмерными записями;
• можно предварительно обработать данные: обрезать тишину, нормализовать длину с помощью дополнения нулями и т.д.;
• попробовать рекуррентные нейронные сети для этой задачи.

Автор: nvpushkarskiy2

Источник