Anonymizing Speech : Evaluating and Designing Speaker Anonymization Techniques - Inria - Institut national de recherche en sciences et technologies du numérique Access content directly
Theses Year : 2023

Anonymizing Speech : Evaluating and Designing Speaker Anonymization Techniques

Anonymisation de la parole : évaluation et conception de techniques d'anonymisation du locuteur

Abstract

The growing use of voice user interfaces, from telephones to remote controls, automobiles, and digital assistants, has led to a surge in the collection and storage of speech data. While data collection allows for the development of efficient tools powering most speech services, it also poses serious privacy issues for users as centralized storage makes private personal speech data vulnerable to cyber threats. Advanced speech technologies, such as voice-cloning and personal attribute recognition, can be used to access and exploit sensitive information. Voice-cloning technology allows an attacker to take a recording of a person's voice and use it to generate new speech that sounds like it is coming from that person. For example, an attacker could use voice-cloning to impersonate a person's voice to gain unauthorized access to his/her financial information over the phone. With the increasing use of voice-based digital assistants like Amazon's Alexa, Google's Assistant, and Apple's Siri, and with the increasing ease with which personal speech data can be collected and stored, the risk of malicious use of voice-cloning and speaker/gender/pathological/etc. recognition technologies have increased. Companies and organizations need to consider these risks and implement appropriate measures to protect user data in order to prevent misuse of speech technologies and comply with legal regulations (e.g., General Data Protection Regulation (GDPR)). To address these concerns, this thesis proposes solutions for anonymizing speech and evaluating the degree of the anonymization. In this work, anonymization refers to the process of making personal speech data unlinkable to an identity, while maintaining the usefulness (utility) of the speech signal (e.g., access to the linguistic content). The goal is to protect the privacy of individuals by removing or obscuring any Personally Identifiable Information (PPI) from the acoustic of speech. PPI includes things like a person's voice, accent, and speaking style; other personal information in the speech content like, phone number, person name, etc., is out of the scope of this thesis. Our research is built on top of existing anonymization methods based on voice conversion and existing evaluation protocols. We start by identifying and explaining several challenges that evaluation protocols need to consider to evaluate the degree of privacy protection properly. We clarify how anonymization systems need to be configured for evaluation purposes and highlight the fact that many practical deployment configurations do not permit privacy evaluation. Furthermore, we study and examine the most common voice conversion-based anonymization system and identify its weak points, before suggesting new methods to overcome some limitations. We isolate all components of the anonymization system to evaluate the degree of speaker PPI associated with each of them. Then, we propose several transformation methods for each component to reduce as much as possible speaker PPI while maintaining utility. We promote anonymization algorithms based on quantization-based transformation as an alternative to the most-used and well-known noise-based approach. Finally, we endeavor a new attack method to invert the anonymization, creating a new threat. In this thesis, we openly work on sharing anonymization systems and evaluation protocols to aid organizations in facilitating the preservation of privacy rights for individuals.
L'essor de l'utilisation d'assistants vocaux, présents dans les téléphones, automobiles et autres, a augmenté la quantité de données de parole collectées et stockées. Bien que cette collecte de données soit cruciale pour entrainer les modèles qui traitent la parole, cette collecte soulève également des préoccupations de protection de la vie privée. Des technologies de pointe traitant la parole, telles que le clonage vocal et la reconnaissance d'attributs personnels (telles que l'identité, l'émotion, l'âge, le genre, etc.), peuvent être exploitées pour accéder et utiliser des informations personnelles. Par exemple, un malfaiteur pourrait utiliser le clonage vocal pour se faire passer pour une autre personne afin d'obtenir un accès non autorisé à ses informations bancaires par téléphone. Avec l'adoption croissante des assistants vocaux tels qu'Alexa, Google Assistant et Siri, et la facilité avec laquelle les données peuvent être collectées et stockées, le risque d'utilisation abusive de technologies telles que le clonage vocal et la reconnaissance d'attributs personnels augmente. Il est donc important pour les entreprises et les organisations de prendre en compte ces risques et de mettre en place des mesures appropriées pour protéger les données des utilisateurs, en conformité avec les réglementations juridiques telles que le Règlement Général sur la Protection des Données (RGPD). Pour répondre aux enjeux liés à la protection de la vie privée, cette thèse propose des solutions permettant d'anonymiser la parole. L'anonymisation désigne ici le processus consistant à rendre les signaux de parole non associables à une identité spécifique, tout en préservant leur utilité, c'est-à-dire ne pas modifier le contenu linguistique du message. L'objectif est de préserver la vie privée des individus en éliminant ou en rendant floues toutes les informations personnellement identifiables (PPI) contenues dans le signal acoustique, telles que l'accent ou le style de parole d'une personne. Les informations linguistiques personnelles telles que numéros de téléphone ou noms de personnes ne font pas partie du champ d'étude de cette thèse. Notre recherche s'appuie sur les méthodes d'anonymisation existantes basées sur la conversion de la voix et sur des protocoles d'évaluation existants. Nous commençons par identifier et expliquer plusieurs défis auxquels les protocoles d'évaluation doivent faire face afin d'évaluer de manière précise le niveau de protection de la vie privée. Nous clarifions comment les systèmes d'anonymisation doivent être configurés pour être correctement évalués, en soulignant le fait que de nombreuses configurations ne permettent pas une évaluation adéquate de non-asociabilité d'un signal a une identité. Nous étudions et examinons également le système d'anonymisation basé sur la conversion de la voix le plus courant, identifions ses points faibles, et proposons de nouvelles méthodes pour en améliorer les performances. Nous avons isolé tous les composants du système d'anonymisation afin d'évaluer le niveau de PPI encodé par chaque composant. Ensuite, nous proposons plusieurs méthodes de transformation de ces composants dans le but de réduire autant que possible les PPI encodées, tout en maintenant l'utilité. Nous promouvons les algorithmes d'anonymisation basés sur l'utilisation de la quantification en alternative à la méthode la plus utilisée et la plus connue basée sur le bruit. Enfin, nous proposons une nouvelle méthode d'évaluation qui vise à inverser l'anonymisation, créant ainsi une nouvelle manière d'étudier les systèmes d'anonymisation.
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tel-04218098 , version 1 (26-09-2023)
tel-04218098 , version 2 (14-05-2024)

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Cite

Pierre Champion. Anonymizing Speech : Evaluating and Designing Speaker Anonymization Techniques. Artificial Intelligence [cs.AI]. Université de Lorraine, 2023. English. ⟨NNT : 2023LORR0101⟩. ⟨tel-04218098v2⟩
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