I AE S In t er na t io na l J o urna l o f   Art if icia l In t ellig ence   ( I J - AI )   Vo l.   15 ,   No .   4 A u g u s t 2 0 2 6 ,   p p .   3 8 0 5 ~ 3 8 1 7   I SS N:  2 2 5 2 - 8 9 3 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijai.v 15 .i 4 . p p 3 8 0 5 - 3 8 1 7           3805     J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij a i . ia esco r e. co m   Unsuperv ised v o i ce activity  de tec ti o n bas ed on the  e nv elo pe's  fractal dime nsio n       Nesrine  Aba j a dd i 1 ,   Yo u s s ef   E lf a hm 1 L a ila   E lm a zo uzi 2 ,   I lha m   M o un ir 2 ,   B a dia   M o u ni r 2   Abdelm a j id F a rc hi 1   1 I M I I   La b o r a t o r y ,   D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   a n d   C o mp u t e r   E n g i n e e r i n g ,   F a c u l t y   o f   S c i e n c e a n d   Te c h n o l o g i e s ,   H a ssa n   F i r s t   U n i v e r si t y ,   S e t t a t ,   M o r o c c o   2 LA P S S I I   La b o r a t o r y ,   H i g h   S c h o o l   o f   Te c h n o l o g y ,   C a d i   A y y a d   U n i v e r si t y ,   S a f i ,   M o r o c c o       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Oct  3 0 ,   2 0 2 5   R ev is ed   Ma y   2 4 ,   2 0 2 6   Acc ep ted   J u n   1 9 ,   2 0 2 6       Cu rre n tl y ,   v o ice   a c ti v it y   d e tec t io n   (VA D)  is  u ti li z e d   i n   m a n y   field s,   in c lu d in g   f o re n sic s,  h e a lt h c a re ,   a n d   m e d icin e ,   to   d e tec v o c a l   a n o m a li e s,  a we ll   a in   tele c o m m u n ica ti o n a n d   m o b i le  tele p h o n y .   Du e   t o   it i m p o rtan c e   a n d   th e   d iffi c u lt y   o d isti n g u ish i n g   b e twe e n   sp e e c h   a n d   n o n s p e e c h   se g m e n ts,  e sp e c ially   in   n o isy   e n v iro n m e n ts  (lo si g n a l - to - n o ise   ra ti o   (S NR)) ,   t h is  a re a   re m a in u n d e c o n ti n u o u s   d e v e lo p m e n t.   M o st  e x isti n g   VA a lg o rit h m s   re q u ire  p re d e fin e d   th re sh o l d o trai n in g   d a ta,  wh ic h   re d u c e th e ir  co m p a ti b il i ty .   T h is  stu d y   p ro p o se a n   u n su p e rv ise d   VA sy ste m   th a u ti li z e th e   Ka tz  a lg o rit h m   to   c a lcu late   th e   fra c tal  d ime n sio n   o e n v e lo p e o b tai n e d   th r o u g h   a   si n g le  fre q u e n c y   fil teri n g   (S F F a p p ro a c h .   Th is  m e th o d   a ll o ws   fo h i g h   tem p o ra a n d   f re q u e n c y   re so l u ti o n .   Th e   p r o p o se d   VA D   a lg o rit h m   d o e n o re q u ire  a n y   tr a in in g   d a ta  a n d   is  su i tab le  fo v a r io u t y p e s   o n o ise   a n d   S NRs .   To   e v a l u a te  th e   e ffe c ti v e n e ss   o f   th e   p r o p o se d   m e th o d ,   two   d iffere n d a tab a se a re   u se d th e   Tex a In str u m e n ts  M a s sa c h u se tt In stit u te  o Tec h n o lo g y   (TI M IT d a tab a se   a n d   th e   Kin g   S a u d   Un iv e rsity   (KSU)  Ara b ic  sp e e c h   d a tab a se .   Th e   e x p e rime n tal  re su lt re v e a a n   a v e ra g e   d e tec ti o n   a c c u ra c y   o 9 6 . 8 6 % ,   d e m o n stra ti n g   it c o n si d e ra b le  v a lu e   in   v a rio u s a p p li c a ti o n s.   K ey w o r d s :   Fra ctal  d im en s io n   Sig n al  p r o ce s s in g   Sin g le  f r eq u e n cy   f ilter in g   Sp ee ch /n o n s p ee ch   Un s u p er v is ed   lear n in g   Vo ice  ac tiv ity   d etec tio n   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Nesr in Ab ajad d i   I MI I   L ab o r ato r y ,   Dep ar tm e n o f   E lectr ical  an d   C o m p u ter   E n g in ee r in g   Facu lty   o f   Scien ce s   an d   T ec h n o lo g ies,  Hass an   First Un iv er s i ty     R o ad   o f   C asab lan ca   B . P: 5 7 7 ,   Settat,  Mo r o cc o   E m ail: n . ab ajad d i@ u h p . ac . m a       1.   I NT RO D UCT I O N   Vo ice  ac tiv ity   d etec tio n   ( V AD )   is   tech n iq u f o r   id e n tify in g   s p ee c h   an d   d if f er e n tiatin g   it     f r o m   n o n s p ee ch   s eg m e n ts .   I n   s ev er al  f ield s ,   s u ch   as  s p ee ch   co d in g   [ 1 ] ,   d ig ital  h ea r i n g   aid s   [ 2 ] s p ee c h   r ec o g n itio n   [ 3 ] ,   [ 4 ] ,   a n d   v o ice - co n tr o lled   a p p licatio n s   [ 2 ] ,   VAD  is   n ec es s ar y   f ir s t step .   W h ile  h u m an s   ea s ily   d if f er en tiate  s p ee c h   f r o m   n o n s p ee ch ,   m ac h in es  s u f f e r   f r o m   th is   task .   Fu r th er m o r e,   p er f o r m an ce   is   r e d u ce d   in   lo s ig n al - to - n o is r atio   ( SNR )   s itu atio n s ,   s u ch   as  wh is p er ed   o r   s tr o n g ly   ac ce n ted   s p ee ch   s p o k en   at  lo w   v o lu m e,   e v en   wh e n   d ee p   lear n in g   o r   a d v an ce d   VAD  alg o r ith m s   ar em p lo y e d .   Nu m er o u s   alg o r ith m s   h av e   b e en   d escr ib ed   i n   th liter atu r t h at  ex h ib it  ef f icien p er f o r m a n ce   wh en   th SNR   i s   h ig h ,   b u s tr u g g le   in   lo w - SNR   en v ir o n m en ts .   W ea k   p h o n em es  s u ch   as  f r ica tiv es  an d   n asals ,   as   well  as  lo w - am p litu d s eg m en ts   at  th b eg in n in g   an d   en d   o f   u tter an ce s ,   ar ch allen g i n g   to   d etec in   th ese   co n d itio n s ,   lead in g   to   p o o r   p er f o r m a n ce   [ 5 ] .   T r ad itio n al  VAD  alg o r ith m s   wer b ased   o n   ac o u s tic  ch ar ac ter is tics   s u ch   as e n er g y ,   ze r o - cr o s s in g   r ate   [ 6 ] ,   a n d   a u to co r r elatio n   f u n ctio n   [ 7 ] .   T h es f ea tu r es p er f o r m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell Vo l.  15 ,   No .   4 Au g u s t 2 0 2 6 :   3 8 0 5 - 3 8 1 7   3806   w e l l   i n   s p e e c h   d e t e ct i o n   w h en   S N R   i s   h i g h ,   b u t   s u f f e r   wh e n   S N R   i s   l o w .   L a t e r   r es e ar c h   e x p l o r e d   m o r e   a d v a n c e d   f e a t u r e s   s u c h   as   h i g h e r - o r d e r   s t a t is t ic s   ( HO S )   o f   t h e r r o r   s i g n a l   i n   l i n e a r   p r e d i c t i v e   c o d i n g   ( L P C )   [ 8 ]   a n d   m e l   f r e q u e n c y   c e p s t r a l   c o ef f i c i e n ts   ( MF C C )   [ 9 ] .   I n   n o is y   c o n d i t i o n s ,   t h es c h a r a c t e r i s t i cs   p e r f o r m e d   b e t t e r ,   b u t h ey   w er s t ill   i n s u f f ic ie n tl y   r e lia b l f o r   p r ac t ica l u s es .   A n o t h e r   c lass   o f   VAD   al g o r it h m s   [ 1 0 ]   was in s p i r ed   b y   E p h r ai m   a n d   Ma la h   [ 1 1 ] ,   wh i ch   ass u m es   t h at   cl ea n   s p e ec h   a n d   n o is e   h a v e   d i f f e r e n t   s tatis t ic al   p r o p e r ti es.   T h ey   a p p l ie d   Ga u s s ia n   d is t r i b u ti o n   m o d el   t o   V AD   [ 1 2 ]   a n d   im p r o v ed   it   w it h   L a p l ac e   d i s tr i b u ti o n s   [ 1 3 ]   a n d   m i x e d   d is t r i b u ti o n s   [ 1 4 ] .   On e   o f   t h m a in   c h al le n g es  w it h   th ese  V AD  a lg o r it h m s   is   ca lcu lat in g   th SNR ,   wh i ch   r eq u ir es  est im ati n g   t h e   n o is e   s p ec t r u m   b y   ass u m i n g   th at  t h f ir s d o ze n   f r a m es  c o n tai n   o n l y   n o is e .   T h er ef o r e ,   s o m r ese a r c h e r s   h av p r o p o s e d   c o m b in in g   t h ese   p a r a m e te r s   t o   i n cr ea s t h r o b u s t n ess   o f   VA Ds  i n   v a r i o u s   n o is y   en v i r o n m en ts   o r   i n te g r ati n g   th em   i n t o   d ee p   l ea r n in g ,   w h i c h   h as   b ee n   a d o p ted   i n   r ec en y e ar s .   Neu r a n etw o r k   m o d els  h av e   b ee n   ap p l ie d   i n   s p ee c h   a cti v it y   d et ec ti o n   [ 1 5 ] ,   [ 1 6 ]   t o   d ete r m i n e   w h e th er   f r a m e   co n t ai n s   s p e ec h   o r   n o n s p e ec h .   Al th o u g h   s u p er v is e d   VA s y s te m s   h av l o e r r o r   r at an d   h i g h   ac c u r a cy ,   th e y   r e q u i r e   a   s i g n if ic an t   a m o u n t   o f   tr ai n i n g   d ata   to   r et r ai n   t h e   n e tw o r k   t o   d is ti n g u is h   s p e e ch   f r o m   n o n s p e ec h ,   wh i ch   l im i ts   th ei r   r ea l - ti m e   u s e .   Un s u p e r v is e d   VA is   c o m m o n ly   u s e d   i n   d i g i tal   s p e ec h   p r o ce s s in g .   I ts   p r im ar y   b e n e f it   o v e r   s u p er v is ed   VA te ch n i q u es   is   t h at   it   ca n   d i f f e r e n t iat b etw ee n   s p e ec h   a n d   n o n s p ee c h   s eg m e n ts   wit h o u r e q u ir i n g   tr ain in g   d ata   o r   p r i o r   k n o wl e d g e .   I n s te ad ,   u n s u p er v is ed   VA m et h o d s   u t ili ze   ac o u s tic   f ea tu r es   t o   d et er m i n e   th r es h o l d s   o r   o t h e r   p ar am et er s   in   t h e   ti m e   a n d / o r   f r eq u en c y   d o m ai n s .   T o   ex tr ac s p ee ch   f ea t u r es,  th m ajo r ity   o f   r esear ch   is   b ased   o n   s ig n al  p r o ce s s in g   u s in g   t h d is cr ete  Fo u r ier   tr an s f o r m   ( DFT)   [ 1 7 ]   o r   g a m m ato n f ilter s   [ 1 8 ] ,   [ 1 9 ] .   R ec en tly ,   n ew  ap p r o ac h   ca lled   s in g le   f r eq u e n cy   f ilter in g   ( SF F)  [ 2 0 ]   h as   o f f er ed   an   alter n ativ t o   p r e v io u s   m eth o d s .   T o   d is tin g u is h   s p ee ch   f r o m   n o n s p ee ch   r e g io n s ,   SF ex tr ac ts   th s ig n al' s   tem p o r al  en v elo p at  ea ch   f r eq u e n cy .   I t   ac h iev es  th is   b y   d eter m in in g   t h p ar am eter   c o n to u r   as a   f u n ctio n   o f   tim a f ter   co m p u tin g   th v ar ia n ce   an d   m ea n   o f   th s ig n al' s   weig h ted   en er g y   at  ea ch   f r eq u en cy .   T h m eth o d   was  also   u s ed   in   [ 2 1 ] ,   wh ic h   p r o p o s ed   r ep lacin g   th SF ap p r o ac h   with   a   q u asi - q u ad r a tu r f ilter   b an k   to   o b tain   en v elo p es  an d   u tili ze d   h is to g r am s   an d   esti m ato r s   o f   p r o b a b ilit y   d is tr ib u tio n s   to   d eter m in th d etec tio n   th r esh o ld .   No tab ly ,   th SF ap p r o ac h   h as  also   b ee n   ap p lied   to   s p ee ch   in tellig ib ilit y   en h a n ce m en t   [ 2 2 ] ,   e p o ch   e x tr ac tio n   f r o m   em o tio n al   s p e ec h   [ 2 3 ] ,   a n d   o th er   s im ilar   ap p licatio n s .   T h is   s u g g ests   th at  it is   p r o m is in g   ap p r o ac h .   T h is   p ap er   aim s   to   d ev elo p   r eliab le,   u n s u p er v is ed   VAD  s y s tem   b ased   o n   th f r ac tal  d im en s io n   o f   en v elo p es.  T h e n v elo p es  ar e   ca lcu lated   at  ea c h   f r eq u e n cy   u s in g   th SF ap p r o ac h .   T h f r ac tal  d im en s io n   is   m ath em atica to o wid ely   u s ed   in   v ar io u s   s cien tific   f ield s .   Pre v io u s   s tu d ies  h av esti m ated   th f r ac tal   d im en s io n   o f   elec tr o ca r d io g r am   ( E C G)   s ig n als  in   [ 2 4 ] [ 2 5 ]   to   aid   in   class if icatio n .   Nu m er o u s   tech n iq u es   h av b ee n   d e v elo p e d   to   m ea s u r th f r ac tal  d im e n s io n ,   in cl u d in g   th o s p r o p o s ed   b y   Katz   [ 2 6 ] ,   Hig u c h i   [ 2 7 ] Petr o s ian   [ 2 8 ] ,   Ma r ag o s   [ 2 9 ] ,   an d   t h am p litu d s ca le   ap p r o ac h   [ 3 0 ] .   I n   p ar ticu lar ,   two   alg o r ith m s ,     Hig u ch i a n d   Katz ,   h av b ee n   s tu d ied   f o r   th eir   e f f ec tiv en ess   in   VADs   [ 3 1 ] .   An   ac cu r ate  VAD  s y s tem   is   cr u cial  in   v ar i o u s   s cien tific   f ield s ,   s u ch   as  au d io   f o r en s ics,  m ed ical  d iag n o s is ,   an d   s p ee ch   r ec o g n it io n   ap p licatio n s .   T h e   VAD  al g o r ith m s   m u s b s u itab le   f o r   v ar io u s   n o is ty p es  an d   SNR   lev els,  a n d   p r ef e r ab l y   s h o u ld   n o t n ee d   an y   tr ain in g   d ata  o r   p r io r   k n o wled g o f   n o is e.   T h n o v elty   o f   th is   s tu d y   is   th u s o f   f r ac tal   d im en s io n   an aly s is   o f   th en v elo p es  ex tr ac ted   b y   SF [ 2 0 ]   to   d ev elo p   n ew   ap p r o ac h   f o r   VAD.   T h f r ac tal  d im en s io n ' s   r o b u s tn ess   to   n o is an d   o th er   d is to r tio n s   is   an   ad v an tag o f   ap p ly in g   it  to   VAD.   I ca p tu r e s   th o v er all  c o m p lex ity   o f   th e   s ig n al,   r ath er   th an   r ely in g   o n   s p ec if ic  s p ec tr al  o r   tem p o r al  f ea tu r es  th at  m ay   b e   af f ec ted   b y   n o is o r   o th er   d i s to r tio n s .   Ad d itio n ally ,   u s in g   th SF ap p r o ac h ,   th en v el o p is   ca lcu lated   with   h ig h   tem p o r al  a n d   f r eq u en c y   r eso lu tio n ,   wh ich   im p r o v es  th ac cu r ac y   o f   th e   f r ac tal  d im en s io n   an d ,   h e n ce ,   th p er f o r m a n ce   o f   th p r o p o s ed   m eth o d .   E x is tin g   VAD  alg o r ith m s   u s p r ed ef in e d   o r   ad ju s ted   th r esh o ld s   d ep en d i n g   o n   th t y p o f   n o is an d   SNR   lev els   [ 2 0 ] ,   [ 3 1 ] [ 3 3 ] .   I n   co n tr ast,  th e   m eth o d   a u to m atica lly   d eter m in es  th t h r esh o ld   o f   ea ch   en v elo p e,   r eg ar d less   o f   th e   SNR   lev el  o r   n o is e   ty p e.   Mo r e o v er ,   th e   alg o r ith m   r eq u ir es  f ewe r   en v elo p es  co m p ar ed   to   th e   VAD  m eth o d   b ased   o n   th SFF  p r o p o s ed   in   [ 2 0 ] ,   t h er eb y   r ed u cin g   co m p lex ity   an d   m ak in g   it   s u itab le  f o r   v a r io u s   ap p licatio n s .   T h is   p ap er   is   s tr u ctu r ed   as  f o llo ws:   s ec tio n   2   d etails  th e   p r o p o s ed   VAD  m eth o d ,   wh ic h   in clu d es  SF F,  co m p u tatio n   o f   f r ac tal  d im en s io n ,   an d   au to m atic  th r esh o ld   esti m atio n .   T h r e s u lts   o b tain ed   ar e   p r esen ted   in   s ec tio n   3 ,   w h er e   two   s p ee ch   d atab ases   ar ev alu ated .   Ad d itio n ally ,   d is cu s s io n   is   p r o v id ed   to   an aly ze   an d   co m p a r th ef f ec tiv en ess   o f   th e   m eth o d .   Fin all y ,   s ec tio n   4   c o n clu d es with   th f in d in g s .       2.   M E T H O D   T h p er f o r m an ce   o f   th s u g g e s ted   ap p r o ac h   is   ass ess ed   u s in g   th T ex as  I n s tr u m e n ts   Ma s s ac h u s etts   I n s titu te  o f   T ec h n o lo g y   ( T I M I T)  [ 3 4 ]   a n d   Kin g   Sau d   Un i v er s ity   ( KSU )   [ 3 5 ] ,   [ 3 6 ]   d ata b ases ,   wh ich   wer r ec o r d e d   at  d if f er e n s am p lin g   f r eq u en cies  ( 1 6   k Hz  an d   4 8   k Hz,   r esp ec tiv ely ) .   T o   en s u r co n s is ten s am p lin g   f r e q u en c y ,   th e   KSU  s o u n d s   ar e   d o wn s am p led   to   1 6   k Hz.   T h SF tech n iq u i s   u s ed   to   o b tain   th e   s ig n al  en v elo p es  at  th e   d esi r ed   f r eq u e n cy .   T h e   s tep s   f o r   ca lcu latin g   th s ig n al   en v e lo p es  v ia  SF ar Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8         Un s u p ervis ed   vo ice  a ctivity  d etec tio n   b a s ed   o n   th e n ve lo p e 's fra cta l d imen s io n   ( N esr in A b a ja d d i )   3807   d escr ib ed   in   th e   f o llo win g   s u b s ec tio n .   T o   p r ev en i n f o r m at io n   lo s s ,   ze r o - p ad d i n g   was  im p lem en ted   at  th en d   o f   t h en v el o p e.   T o   in cr e ase  th ac cu r ac y   o f   s eg m en d etec tio n ,   s h o r te r   win d o i s   p r ef er r ed   ( 1 0   m s ) .   T h f r ac tal  d im en s io n   is   co m p u ted   f o r   ea ch   en v elo p f r am e,   allo win g   f o r   a u to m ati s p ee ch   s eg m en class if icatio n .   T h au to m atic   th r esh o ld   ca lcu latio n   s tep s   ar ex p lain ed   as  f o llo ws .   Fig u r 1   illu s tr ates  th g en er al  b lo c k   d iag r am   o f   th p r o p o s ed   alg o r ith m .           Fig u r 1 .   g en er al  b l o ck   d iag r am   o f   t h p r o p o s ed   m eth o d       2 . 1 .     E nv elo pes   ca lcula t io n   T o   o b tain   t h en v el o p f o r   s p ec if ic  f r eq u en cy ,   tech n iq u k n o wn   as  SF is   em p lo y ed   [ 2 0 ] .   T h e   s p ee ch   s ig n al  is   m u ltip lied   b y   co m p lex   s in u s o id ,   a n d   th f ilter ed   f r eq u e n cy   is   s h if ted   u s in g   s in g le - p o le   f ilter   p lace d   n ea r   th u n it  cir c le  ( r   0 . 9 9 )   at  2 ,   wh er   r ep r es en ts   th s am p lin g   f r e q u en c y .   T h is   en s u r es   th at  th f ilter   r em ain s   s tab le  an d   co n s is ten ac r o s s   all  f r eq u e n cies,  r esu ltin g   in   m o r ac c u r ate  en v elo p an d   im p r o v e d   r eso lu tio n   at  ea ch   f r eq u en c y .   T o   co m p u te  th e   am p litu d en v elo p o f   th s ig n al  at  d esire d   f r eq u e n cy ,   th e   f o llo win g   s tep s   ar p er f o r m e d .   T h s h if te d   s ig n al  [ ]   at  f r eq u en c y   k   is   as ( 1 ) .     ̃ [ , ] = [ ] 2 ̅   ( 1 )     T h d esire d   f r eq u en cy   is   d en o ted   b y   ̅ ,   wh er k   r an g es  f r o m   0   to   K - 1 ,   an d   n   r an g es  f r o m   1   to   T h to tal  n u m b er   o f   s am p les   an d   f r eq u e n cies  ar r ep r esen ted   b y   an d   K,   r esp ec tiv ely .   Af ter   s h if tin g   th s ig n al,   it is   f ilter ed   by   s in g le - p o le  f ilter   with   tr a n s f er   f u n ctio n   s p ec if ied   as  ( 2 ) .     [ ] = 1 1 + 1           ( 2 )     T h o u tp u t o f   th f ilter in g   p r o ce s s   in   ( 3 ) .   T o   en s u r s tab ilit y   ac r o s s   all  f r eq u en cies,  th p ar am eter   r   is   ch o s en   to   b g r ea ter   th an   0 . 9 9 .   T h r esu ltin g   o u tp u t,  [ , ] ,   is   c o m p lex   n u m b er   an d   ca n   b r e p r esen ted   in   p o lar   f o r m   u s in g   ( 4 ) .   T h SF F   en v elo p e,   d e n o ted   b y   [ , ] ,   is   d ef in ed   in   ( 5 ) .   I n   co n tr ast,  th p h a s e,   d en o ted   by  [ , ] ,   is   d ef in ed   u s in g   ( 6 ) ,   wh er "r an d   "i"  d en o te  t h r ea a n d   im ag in a r y   co m p o n en ts   o f   t h co m p le x   n u m b er ,   r esp ec tiv ely .     [ , ] =  [ , 1 ] + ̃ [ , ]   ( 3 )     [ , ] =   [ , ]  [ , ]     ( 4 )     [ , ] = 2 [ , ] + 2 [ , ]   ( 5 )     [ , ] =  1 ( [ , ] [ , ] )   ( 6 )     I n   th is   r esear ch ,   th e   SF m eth o d   ca n   o b tain   th en v elo p at  an y   d esire d   f r eq u en cy .   Ho wev er ,   f o r   p r ac tical  ap p licatio n s ,   th en v elo p was  ca lcu lated   ev er y   1 0 0   Hz  ( ∆f   =1 0 0 )   with in   th r an g o f   1 0 0   Hz  to   / 2 ,   wh ich   co v er s   th u s ef u s p e ctr al  b an d   o f   s p ee c h .   T h is   r es u lted   in   to tal  o f   8 0   en v elo p es  th at  v ar ied   o v er   tim e,   co m p ar e d   to   p r ev io u s   s tu d y   [ 2 0 ]   th at  u s ed   1 8 5   en v elo p es.  Usi n g   f ewe r   e n v el o p es  ca n   r ed u ce   th e   m eth o d ' s   im p lem en tatio n   tim e   an d   m em o r y   r eq u ir e m en ts .     2 . 2 .     F r a ct a l dim ens io ns   a nd   t hresh o ld ca lcula t io n   I n   th is   s tu d y ,   th f r ac tal  d im e n s io n s    [ , ]   wer co m p u ted   f o r   th f r am m   in   th en v elo p k .   T h f r ac tal  d im en s io n s   wer e   o b tain ed   b y   co m p u tin g   t h e   r atio   o f   th n o r m alize d   len g th   [ , ]   o f   th Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell Vo l.  15 ,   No .   4 Au g u s t 2 0 2 6 :   3 8 0 5 - 3 8 1 7   3808   en v elo p e   to   th e   m ax im u m   d is tan ce   b etwe en   th e   f ir s p o i n an d   an y   o th e r   p o in o n   th e   en v elo p e.   T h len g th   [ , ]   ( 7 )   was  d eter m in ed   b y   s u m m in g   u p   th d is tan ce s   b e twee n   two   s u cc ess iv p o in ts   u s in g   th co o r d in ates X   an d   o f   ea ch   p o in t f o r   th f r a m m   o f   th   en v elo p e.     [ , ] = ( [ , + 1 ] X [ , ] ) 2 + ( [ , + 1 ] Y [ , ] ) 2 1 = 1   ( 7 )     Her e,   = 1 . 2 . 1 ,   an d     r ep r esen ts   th s am p le  n u m b er   f o r   th e   f r am e   m .   As  well,   t h p la n ar   e x te n [ , ]   is   d ef in ed   in   ( 8 ) .     [ , ] =  ( ( [ , + 1 ] X [ , 1 ] ) 2 + ( [ , + 1 ] Y [ , 1 ] ) 2 )   ( 8 )     T o   o b tain   th  [ , ] ,   th len g th   [ , ] ,   an d   p la n ar   ex te n [ , ]   wer n o r m alize d   b y   th av er ag d is tan ce   [ , ] ,   wh ich   is   th d is tan ce   b etwe en   co n s ec u tiv p o in ts   o n   th en v el o p e.   T h e q u atio n   f o r   th a v er ag d is tan ce   is   g iv en   b y   ( 9 ) .     [ , ] =  ( ( [ , + 1 ] X [ , ] ) 2 + ( [ , + 1 ] X [ , ] ) 2 )   ( 9 )     T h i s   a p p r o a c h ,   d e f i n e d   b y   t h e   K a t z   a l g o r it h m ,   d e t e r m i n es   t h f r a c t a l   d i m e n s i o n    [ , ]   c a l c u l a t e d   u s i n g   ( 1 0 ) .        [ , ] = l o g 10 ( [ , ] [ , ] ) l o g 10 ( [ , ] [ , ] )   ( 1 0 )     T h f r ac tal  d im en s io n s   ar u s ed   to   d if f er en tiate  b etwe en   s p ee ch   an d   s ilen ce   f r am es.  Fig u r 2   illu s tr ates  th f ir s en v elo p e   o f   a   s p ee ch   s ig n al  f r o m   th KSU  d atab ase  a n d   its   co r r esp o n d in g   f r ac tal  d im en s io n   with   th e   VAD  d ec is io n .   Sp ec if ically ,   Fig u r 2 ( a)   p r esen ts   th f ir s s p ee ch   en v elo p e,   wh ile  Fig u r 2 ( b )   s h o ws  th e   f r ac tal  d im en s io n   o f   th f ir s t e n v elo p ( b lu lin e )   to g eth e r   w ith   th co r r esp o n d in g   VAD  d e cisi o n   ( r ed   lin e) .         ( a)         Fig u r 2 .   E x am p le  o f   VAD  d ec is io n   f o r   t h f ir s t e n v el o p b ased   o n   its   f r ac tal  d im e n s io n :   ( a)   f ir s t e n v el o p o f   s p ee ch   o f   th KSU  d atab as an d   ( b )   t h f r ac tal  d im en s io n   o f   th f ir s t e n v elo p e   an d   its   V AD  d ec is io n       2 . 3 .     L o g ic  decisi o n   2 . 3 . 1 .   T hresh o ld det er m ina t i o n   T o   d eter m in th en v elo p e' s   t h r esh o ld   d ec is io n   ( Fig u r 2 )   au to m atica lly was  em p lo y ed   th m eth o d   s u g g ested   in   [ 3 7 ] ,   [ 3 8 ]   was  em p lo y ed   t o   esti m ate  th f ir s s ig n if ican ch an g ( I n d )   o f   th s o r ted   f r ac tal  d im en s io n    [ , ] As ex p r ess ed   in   ( 1 1 ) ,   th th r esh o l d   is   ca lcu lated   b y   av er ag in g   th f r ac tal  d im en s io n s   f o r   ea ch   en v elo p e .   T h e   av er a g in g   is   p er f o r m e d   u p   t o   th f i r s t sig n if ican t c h an g e.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8         Un s u p ervis ed   vo ice  a ctivity  d etec tio n   b a s ed   o n   th e n ve lo p e 's fra cta l d imen s io n   ( N esr in A b a ja d d i )   3809   ( ) =  (  (  [ , 1 : Ind ] ) )   ( 1 1 )     2 . 3 . 2 Vo ice  a ct i v it y   det ec t i o decisi o   T h s p ee ch - p r esen ce   s eg m en ts   f o r   th en v elo p k   ar th o s ab o v th th r esh o ld   ( ) ,   an d   th e   s p ee ch - ab s en ce   s eg m en ts   ar t h o s b elo th th r esh o ld   ( ) .   T h e   en v elo p e   d ec is io n   [ , ]   is   as   ( 1 2 ) .     [ , ] = 1 ,       [ , ] > ( )     [ , ] = 0 ,       [ , ]   ( )   ( 12 )     W h er m   p r o v id es  th e   n u m b e r   o f   f r am es  f o r   th e     en v el o p e,   s p ee ch - p r esen ce   s eg m en ts   ar e   in d icate d   b y   1 ,   wh ile  s p ee ch - ab s en ce   o r   n o is s eg m en ts   ar in d icate d   b y   0 .   On   th b asis   o f   th en v el o p e' s   d ec is io n s ,   th e   Han g o v er   s ch em is   ap p lied   to   r ef in its   o u tp u an d   en h a n c its   p er f o r m an ce   [ 1 0 ] ,   [ 1 2 ] ,   [ 2 0 ] .   T h h a n g o v er   th r esh o ld   is   b etwe en   2 0   an d   4 0   ms   [ 2 0 ] .   Fo r   th is   s tu d y ,   th s m o o th in g   th r esh o l d   em p lo y ed   is   2 0   m s .   T h f in al  VAD  d ec is io n ,   ( ) ,   is   b ased   o n   th e n v elo p e' s   d ec is io n ,   [ , ] .   Fo r   clea n   s p ee ch ,   th alg o r ith m   r eq u ir es  m in im u m   o f   4 0 o f   th en v elo p es  to   ex h ib it  s p ee ch   ac tiv ity   in   o r d er   to   class if y   th s eg m en as  clea n   s p ee ch   [ 2 0 ] .   T h is   is   d u to   th f ac th at  clea n   s p ee ch   s ig n als  ty p ically   h av h ig h   d y n am ic   r an g in   b o t h   tim an d   f r eq u e n cy   d o m ain s .   C o n v e r s ely ,   f o r   n o is y   s p ee ch ,   th alg o r ith m   r e q u ir es  m in im u m   o f   6 0 o f   th e n v elo p es  t o   ex h ib it  s p ee ch   ac tiv ity   in   o r d er   to   class if y   th e   s eg m en as   n o is y   s p ee c h   [ 2 0 ] C o n s eq u en tly ,   if   th p er ce n tag is   ab o v th th r esh o ld   p er ce n tag η ,   th en   th f in al  d ec is io n   ( )   is   1     ( i.e . ,   s p ee ch   is   p r esen t) .   Oth er wis e,   th f in al  d ec is io n   is   0   ( i. e. ,   n o   s p ee c h   is   p r esen t) ,   as d e f in ed   in   ( 1 3 ) .     { ( ) = 1 ,        [ , ] = 1   ( ) = 0 ,        [ , ] = 1 <   ( 1 3 )       3.   RE SU L T S AN D I SCU SS I O N   I n   th is   p ar t,  th e   p e r f o r m an ce   o f   th e   d ev el o p ed   VAD  m eth o d   is   ev alu ate d   u s in g   two   d ata b ases ,   KSU  an d   T I MI T ,   an d   co m p a r ed   wit h   o th er   wid el y   r ec o g n ized   VA alg o r ith m s .   T h p er f o r m an c is   test ed   in   b o th   Ar ab ic  an d   E n g lis h   to   ass ess   its   ef f ec tiv en ess   f o r   d if f er en lan g u ag es.  Ad d itio n ally ,   t h e   r o b u s tn ess   o f   t h m eth o d   is   ev alu ated   b y   in tr o d u cin g   d if f er e n ty p es  o f   n o is at  v ar y i n g   le v els  o f   SNR .   Fig u r 3   illu s tr ates  th e   m etr ics em p lo y ed   t o   ev alu ate  t h r esu lts   o f   th e   p r o p o s ed   VAD  alg o r ith m   [ 3 9 ] .           Fig u r 3 .   I ll u s tr atio n   o f   t h p e r f o r m a n ce   m etr ics       3 . 1 .     P er f o r m a nce  m e a s ures   I n   ev al u atin g   t h p e r f o r m an c o f   VAD  m eth o d s ,   f iv p ar a m eter s   p r o p o s ed   b y   Fre em a n   et  a l .   [ 3 9 ]   ar ty p ically   u s ed ,   as sh o wn   in   Fig u r 3   a n d   d escr ib e d   as f o ll o ws :   i)   C OR R E C T : th VAD  alg o r ith m ' s   co r r ec t d ec is io n   in   d etec tin g   s p ee ch .     ii)   Fro n t - en d   clip p in g   ( FEC):  m is class if icatio n   o f   s p ee c h   p r esen ce   as  n o n s p ee ch   at  t h s tar o f   a     s p ee ch - p r esen ce   s eg m e n t.    iii)   Mid   s p ee ch   clip p in g   ( MS C ) m is class if icatio n   o f   s p ee ch   p r esen ce   as  n o n s p e ec h   in s id a     s p ee ch - p r esen ce   s eg m e n t.    i v )   C a r r y   o v e r   ( O VE R ) :   m i s cl a s s i f i c a t i o n   o f   n o n s p e e c h   a s   s p e e ch - p r e s e n c a t   th e   en d   o f     s p e e c h - p r e s e n ce   s e g m e n t.     v)   No is d etec ted   as sp ee ch   ( NDS) : m is clas s if icatio n   o f   n o n s p ee ch   as sp ee ch   with in   n o n s p ee ch   s eg m en t.   T o   o b tain   th p er ce n tag v alu o f   th ese  p ar am eter s ,   ea ch   is   d iv id ed   b y   th to tal  f r a m n u m b er   an d   th en   m u ltip lied   b y   1 0 0 .   T h e   s u m   o f   FEC  an d   MSC   is   r ef er r ed   to   as  tr u r ejec tio n   ( T R ) ,   r ep r esen tin g   th e   p er ce n tag e   o f   s p ee ch - p r esen c r ejec ted .   T h e   s u m   o f   OVE R   an d   NDS  is   r ef e r r ed   to   as  f al s ac ce p tan ce   ( FA) ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell Vo l.  15 ,   No .   4 Au g u s t 2 0 2 6 :   3 8 0 5 - 3 8 1 7   3810   r ep r esen tin g   n o n s p ee c h   th at  i s   d etec ted   as  s p ee ch   p r esen ce .   Fo r   b etter   p er f o r m a n ce ,   th e   C OR R E C T   m etr ic   s h o u ld   b h ig h er ,   wh ile  T R   an d   FA sh o u ld   b e   m o r m in iatu r e.     3 . 2 .     Da t a ba s es   I n   th is   wo r k ,   two   d atab ases   ar u s ed th T I M I T   d atab as e,   wh ich   is   wid ely   u s ed   in   v o ice  VAD   ap p licatio n s   an d   s p ee ch   s y s t em s ,   d ev elo p e d   b y   T e x as  I n s tr u m en ts   an d   th Ma s s ac h u s etts   I n s titu te  o f   T ec h n o lo g y   [ 3 4 ] ,   a n d   th KS s p ee ch   Ar a b ic  d atab ase,   cr e ated   b y   th e   s p ee ch   g r o u p   ( SG)   at  KSU   [ 3 5 ] ,   [ 3 6 ] Fifty   au d io   s am p les  o f   th f ir s s en ten ce   f r o m   th T I MI T   d atab ase  o f   ea ch   s p ea k er   ar s elec ted   to   ass e s s   th e   ef f ec tiv en ess   o f   th e   p r o p o s ed   alg o r ith m .   Alth o u g h   th T I MI T   s en ten ce s   co n tain   m o r s p e ec h   th an   n o n s p ee ch   s eg m en ts ,   alg o r ith m s   g en er all y   p er f o r m   well  in   ter m s   o f   s p ee ch   ac ce p tan ce   b u t m a y   h av p o o r er   p er f o r m an ce   in   n o n s p ee ch   r ejec tio n .   T o   s o lv th is   is s u e,   a   2 - s ec o n d   s ilen ce   p er io d   was  ad d ed   at  th e   b e g in n in g   an d   en d   o f   ea ch   T I MI T   s en ten ce ,   as  d escr ib ed   in   [ 2 0 ] ,   [ 3 7 ] .   Fo r   th KSU  d atab ase,   5 0   r ec o r d i n g s   o f   is o lated   d ig its   wer co llected   f r o m   v ar io u s   m icr o p h o n es  u s ed   in   th o f f ice,   as  th ey   p r o v id ed   clea r   p au s es  b etw ee n   s p o k en   wo r d s ,   allo win g   f o r   an   ac cu r ate  ass ess m en o f   th e   alg o r ith m ' s   p er f o r m an ce   in   d etec tin g   s p ee ch   a n d   s ilen ce   s eg m en ts .   T h T I MI T   d ataset  was  r ec o r d ed   at  1 6   k Hz   s am p lin g   r at e,   wh er ea s   th e   KSU  d atab ase   was  r ec o r d ed   at     48   k Hz  s am p lin g   r ate.   B o th   d a tab ases   ar d o wn s am p led   to   1 6   k Hz.     3 . 3 .     P er f o r m a nce  benchm a r k ing   3 . 3 . 1 .   E x perim ent a l set up   T h is   s ec tio n   aim s   to   ev alu ate  th p er f o r m an ce   o f   b o th   e x is tin g   an d   p r o p o s ed   VAD  a lg o r ith m s ,     u s in g   th p er f o r m an ce   m etr ics  o u tlin ed   ea r lier .   Fo r   th is   p u r p o s e,   f iv VAD  alg o r ith m s   wer s elec ted ,   n am ely   th VAD  f o r   ad ap tiv m u lti - r a te  o p tio n   2   ( AM R 2 ) ,   wh ich   w as  n o r m alize d   f o r   E u r o p ea n   T elec o m m u n icatio n s   Stan d ar d s   I n s titu te  ( E T SI)   [ 3 2 ] ,   th SF ap p r o ac h   f o r   d is cr im in atin g   s p ee ch   a n d   n o n s p ee c h   ( VAD - SFF)   [ 2 0 ] th u n s u p er v is ed   VAD  an d   class if icatio n   o f   au d io   s eg m en t s   u s in g   f r ac tal  d im en s io n s   ( VAD - FD)   [ 3 1 ] ,   an d   th VAD  alg o r ith m   u s in g   m o d if ied   g lo b al  a n d   f u zz y   en tr o p y   ( Fu zz y E n )   [ 3 3 ] .   T o   ass ess   th p er f o r m an ce   o f   th d ev elo p ed   alg o r ith m ,   n o is e - ad d ed   s p ee c h   s ig n als  with   v ar io u s   SNR   lev els,  r an g in g   f r o m   - 5   d B   to   2 5   d B   in   in cr em en ts   o f   1 0   d B ,   wer u tili ze d T h eir   p e r f o r m an ce   w as e v alu ated   o n   t h T I MI T   an d   KSU  d atab ases .     3 . 3 . 2 .   T ex a s   I ns t rum ent s   M a s s a chu s et t s   I n s t it ute   o f   T ec hn o lo g y   benchm a r k ing   T h ev alu atio n   r esu lts   in d icate   th at  th p r o p o s ed   VAD  m eth o d   p er f o r m s   well  o n   clea n   T I MI T   s en ten ce s ,   with   an   av er ag c o r r ec s co r o f   9 6 f o r   5 0   au d io   f iles .   T h r atio s   o f   FEC,  MSC ,   ND S,  an d   OVE R   ar 0 . 0 4 %,  2 . 3 2 %,  1 . 2 7 %,  an d   0 . 3 5 %,  r esp ec tiv ely .   T h an aly s is   s h o ws  th at  th p r o p o s ed   m eth o d   h as   lo FEC an d   OVE R   r atio ,   w h ile  MSC   an d   NDS  ar b elo 2 . 5 %.  Ho wev er ,   e v en   with   m a n u al  s eg m en tatio n   o f   th T I MI T   co r p u s ,   an   ac cu r ac y   b elo 1 0 0 was  o b tain ed ,   wh ich   co u ld   ex p lain   th v alu es  o f   th r atio s .   Fig u r 4   illu s tr ates  an   e x am p l o f   th e   VAD  d ec is io n   m a d b y   th e   p r o p o s ed   m eth o d   ( g r ee n   lin e)   a n d   m an u al   lab elin g   ( r ed   lin e )   f o r   a   T I MI T   s p ee ch ,   d em o n s tr atin g   th at   t h e   m eth o d   ac c u r ately   d etec ts   th s tar ( FEC)  an d   en d   ( OVE R )   o f   t h s p ee ch ,   as   well  as  th s h o r s ilen ce   b etwe en   s p ee ch   s eg m en ts   ( MSC ) ,   wh ich   ju s tifie s   th e   MSC   v alu e.   Ov er all,   th r esu lt s   illu s tr ate  th ef f ec tiv en ess   o f   th s u g g ested   VAD  alg o r ith m .           Fig u r 4 .   E x am p le  o f   th VA p r o p o s ed   m eth o d   an d   th m an u al  lab elin g   s eg m e n tatio n   o f   T I MI T   d ata b ase       Fig u r e   5   c o m p ar e   th p er f o r m an ce   o f   s ev er al  VAD  m eth o d s ,   in clu d in g   AM R 2   [ 3 2 ] ,   VAD - SFF  [ 2 0 ] Fu zz y E n   [ 3 3 ] ,   VAD - FD  [ 3 1 ] ,   an d   th p r o p o s ed   m eth o d .   T h e   ev alu atio n   was  ap p lied   to   T I MI T   s p ee ch   s ig n als  co r r u p te d   b y   a d d itiv wh ite  G au s s ian   n o is ( Fig u r 5 ( a) )   a n d   f iv n o n - s tatio n ar y   n o is ty p es,  in clu d in g   p in k   ( Fig u r 5 ( b ) ) ,   le o p ar d   Fig u r 5 ( c) ,   r estau r an t   ( Fig u r e   5 ( d ) ) ,   tr ain   ( Fig u r 5 ( e ) )   an d   ca r   ( Fi g u r e   5 ( f ) ) ,   at  SNR   lev els  r an g in g   f r o m   - 5   d B   to   2 5   d B .   T h m ax im u m   co r r e ct  v alu es  o b tain ed   f o r   2 5 ,   1 5 ,   5 ,   an d   - 5   d B   ar Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8         Un s u p ervis ed   vo ice  a ctivity  d etec tio n   b a s ed   o n   th e n ve lo p e 's fra cta l d imen s io n   ( N esr in A b a ja d d i )   3811   9 5 . 7 1 %,   9 4 . 9 9 %,  9 3 . 3 2 %,  an d   8 8 . 1 9 %,  r esp ec tiv el y .   T ab le   1   p r esen ts   th av er a g d etec t io n   ac cu r ac y   f o r   all   n o is e   ty p es.         ( a)       ( b )       ( c)       ( d )       ( e)       (f)     Fig u r 5 .   Per f o r m an c co m p ar is o n   o f   th T I MI T   d ata b ase  as a   p er ce n tag o f   C OR R E C T ,   F E C ,   MSC ,   ND S,  an d   OVE R   f o r   v a r io u s   n o is ty p es a t d if f er e n t SNR : ( a)   wh ite  n o is e ,   ( b )   p in k   n o is e ,   ( c )   leo p ar d   n o is e   ( d )   r estau r a n t n o is e,   ( e )   tr ain   n o is e,   an d   ( f )   ca r   n o is e       T ab le  1 .   Av e r ag ac cu r ac y   o f   d etec tio n   ( %)  at  d if f er en t SNR s   S N R   ( d B )   V A D   met h o d s   A M R 2   [ 3 2 ]   VAD - SFF  [ 2 0 ]   F u z z y E n   [ 3 3 ]   VAD - F D   [ 3 1 ]   P r o p o se d   m e t h o d   - 5   7 0 . 1 7   8 2 . 1 5   9 2 . 0 5   8 1 . 3 1   8 4 . 6 8   5   8 3 . 8 5   9 4 . 5 5   9 2 . 3 7   8 6 . 4 7   9 2 . 7 4   15   8 8 . 4 4   9 4 . 6 6   9 2 . 5 3   8 8 . 4 3   9 4 . 2 6   25   9 1 . 4 5   9 5 . 9 4   9 3 . 1 3   8 9 . 9 2   9 5 . 3 7   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell Vo l.  15 ,   No .   4 Au g u s t 2 0 2 6 :   3 8 0 5 - 3 8 1 7   3812   3 . 3 . 3 .   K SU benchm a rk ing   Fo r   b etter   ac cu r ac y ,   th r o b u s tn ess   o f   th alg o r ith m   was  ev alu ated   u s in g   th Ar a b ic  KSU  d atab ase,   r ec o r d in g s   in   an   o f f ice   r o o m ,   an d   with   d if f er e n r ec o r d i n g   to o ls .   T h e   av er a g c o r r ec t   s co r f o r   5 0   clea n   s p ee ch   s am p les  in   th KSU  d atab ase   was  9 8 . 4 8 %,  with   n eg lig ib le  NDS  an d   OVE R   v a lu es.  T h FEC  an d   MSC   er r o r s   ar n ea r   ze r o ,   0 . 8 8 an d   0 . 6 5 %,  r esp ec tiv el y .   T h ese  r esu lts   d em o n s tr ate   th at  th e   ap p r o ac h   p er f o r m s   ex ce llen tly   in   n o n - is o lated   r o o m s .   T o   ev alu ate  th r o b u s tn ess   o f   th ap p r o ac h   o n   th KSU  d atab ase,   v ar io u s   ty p es  o f   n o is wer ad d ed ,   in clu d in g   w h ite,   r estau r a n t,  tr ain ,   ca r ,   p in k ,   an d   leo p ar d   n o is e,   at  d i f f er en t   SNR   lev els  ( 2 5 ,   1 5 ,   5 ,   an d   - 5   d B ) .   Fig u r e   6   illu s tr ates  th av er ag p er f o r m an ce   o f   th KSU  d atab ase  with   v ar io u s   n o is lev els  at  d if f er e n SNR s .   Fig u r 7   s h o ws  th ac cu r ac y   o f   th s u g g ested   a p p r o ac h   f o r   s ev e r al   ty p es  o f   n o is at  d if f er en t   S NR s .   T h b est  r esu lts   ar e   o b tain ed   with   ac cu r ac y   r ates  o f   9 6 . 7 7 %,   9 3 . 7 9 %,  9 1 . 0 8 %,  an d   8 1 . 4 2 at  2 5 ,   1 5 ,   5 ,   an d   - 5   d B ,   r esp ec tiv ely .   T h r esu lts   in d icate   th at  th p r o p o s ed   m eth o d   als o   p er f o r m s   well  f o r   Ar ab ic  n o is y   s p ee ch .           Fig u r 6 .   Per f o r m an c co m p ar is o n   o f   th KSU  d atab ase  as a v er ag f o r   d i f f er en n o is ty p e s   at  v ar io u s   SNR           Fig u r 7 .   Av e r ag ac c u r ac y   o f   d etec tio n   ( %)  at  v a r io u s   SNR s   o f   VAD - FD   [ 3 1 ]   an d   th p r o p o s ed   m eth o d       3 . 4 .     Dis cus s io n   T h p r o p o s ed   m eth o d   lev er ag es  th f r ac tal  d im en s io n   o f   en v elo p es,  d er iv e d   u s in g   th SF m eth o d ,   to   d if f er en tiate  b etwe en   s p ee ch   an d   n o n s p ee ch   s eg m en ts .   T h SF ap p r o ac h   p r o v id es  h ig h   tem p o r al  an d   s p ec tr al  r eso lu tio n   f o r   co m p u tin g   th am p litu d e n v elo p a ea ch   f r e q u en c y   o f   th e   s p ee c h   s ig n al.   T h Katz   alg o r ith m   is   u tili ze d   to   d eter m in th e   f r ac tal  d im en s io n ,   wh ich   ca p tu r es  am p litu d e   v a r iatio n ,   an d   th e   Katz   alg o r ith m   d e m o n s tr ates su p er i o r   p er f o r m a n ce   in   d etec tin g   s p ee ch   ac tiv ity   [ 3 1 ] .   T h r esu lts   p r esen ted   in   T ab le   1   f r o m   th T I M I T   d atab ase  s h o th at  th e   p r o p o s ed   ap p r o a ch   an d   th VAD - SFF   [ 2 0 ]   u n d e r   p o s itiv SNR   co n d itio n s .   At  th s a m tim e,   th Fu zz y E n   [ 3 3 ]   m eth o d   o u tp er f o r m s   60 65 70 75 80 85 90 95 1 0 0 p r o p o se d V A D _ F D p r o p o se d V A D _ F D p r o p o se d V A D _ F D p r o p o se d VA D_ FD p r o p o se d V A D _ F D w h i t e Tr a i n l e o p a r d C a r p i n k C o r r e c t   ( %) S N ( d B) -5 5 15 25 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8         Un s u p ervis ed   vo ice  a ctivity  d etec tio n   b a s ed   o n   th e n ve lo p e 's fra cta l d imen s io n   ( N esr in A b a ja d d i )   3813   th em   in   ad v er s e   SNR   co n d itio n s .   Ho wev er ,   th e   Fu zz y E n   m eth o d   r eq u i r es  s elec tin g   an d   ad ju s tin g   t h g l o b al   th r esh o ld   b ased   o n   th ty p o f   n o is an d   t h SNR   lev els.   No tab ly ,   th e   ap p r o ac h   ac h ie v es  an   ac cu r ac y   o f   8 4 . 6 4 %   with o u t   an y   p r ed ef in e d   o r   ad j u s ted   th r esh o ld ,   d em o n s tr atin g   its   p o ten tial  f o r   r ea l - wo r ld   a p p licatio n s .   I n   ad d itio n ,   th e   al g o r ith m   r ed u ce s   th n u m b er   o f   p r o ce s s ed   en v elo p es  c o m p ar e d   to   VAD - SF F,  wh ich   em p lo y s   1 8 2   e n v elo p es  an d   r elies  o n   t h s tatis tics   f ea tu r δ( n )   to   m ak e   d ec is io n   b ased   o n   s tan d a r d   d ev iatio n ,   m ea n s ,   s m o o th in g   p ar am eter s ,   an d   o th e r   p ar am ete r s .   I n   co n tr ast,  th e   p r o p o s ed   m eth o d   u s es o n ly   8 0   en v elo p es,  m o r th an   5 0 r e d u ctio n   in   th n u m b er   o f   en v elo p es,  an d   au to m atica lly   ca lc u lates  th th r esh o ld   b ased   o n ly   o n   th f r ac tal  d i m en s io n   o f   th e n v elo p es.  T h f r ac tal  d im en s io n   ac c u r ate ly   d etec ts   am p litu d e   v ar iatio n ,   with o u th n ee d   f o r   o th er   p ar a m eter s ,   as  in   V AD - SF F.  T h ese   ad v an tag es  m ak th e   d ev elo p e d   m eth o d   h i g h ly   r eliab le  a n d   s u itab le  f o r   f a v o r a b le  SNR   co n d itio n s ,   d em o n s tr atin g   g o o d   p er f o r m an ce   f o r   a   wid r an g o f   ap p licatio n s .     Fig u r 8   illu s tr ates  ex am p les  o f   th VAD  d ec is io n   r elate d   t o   th p r o p o s ed   alg o r ith m   f o r   t h T I MI T   d atab ase:  Fig u r 8 ( a)   clea n   s p ee ch ,   Fig u r 8 ( b )   s p ee ch   d e g r ad ed   b y   wh ite  n o is at  2 5   d B ,   Fig u r 8 ( c)   at  1 5   d B ,   Fig u r 8 ( d )   at  5   d B ,   an d   Fig u r 8 ( e)   at  5   d B .   T h V AD  lab elin g   ac r o s s   all  SNR   l ev els  in d icate s   g o o d   p er f o r m an ce ,   wh ich   ca n   b att r ib u ted   to   th h ig h   r eso lu tio n   p r o v id e d   b y   th SF an d   th a u to m atic  th r esh o ld   co m p u tatio n   b y   f r ac tal  d im e n s io n .   T h e   p r o p o s ed   m eth o d   p er f o r m s   well  f o r   p o s itiv SN R   v alu es,  wh ile  f o r   n eg ativ SNR   v alu es  ( Fig u r 8 ( e) ) ,   it  ca n   ac cu r ately   d etec n o n s p ee ch   s eg m e n ts   with o u m is s in g   s p ee ch .   I n   th is   ca s e,   ad ju s tin g   th p er ce n tag to   s m o o th   th f in al  d ec is io n   im p r o v es th r esu lts .   Similar ly ,   f o r   th KSU  d atab a s e,   th p r o p o s ed   m eth o d   s ig n i f ican tly   o u t p er f o r m s   VAD - FD,  as  s h o wn   in   Fig u r 9 .   T h m ain   d i f f er en ce   b etwe en   th d ev elo p e d   alg o r ith m   an d   VAD - FD  is   th at  th p r o p o s ed   m eth o d   ca lcu lates  th f r ac tal  d im en s io n   in   ea ch   f r am o f   ea ch   e n v el o p e.   T h SF ap p r o ac h   en a b le s   th ca lcu latio n   o f   th en v elo p with   h ig h   tem p o r al  an d   f r eq u en cy   r eso lu tio n ,   wh ich   in   tu r n   en h an ce s   th ac cu r ac y   o f   t h VAD  alg o r ith m s   b y   im p r o v i n g   th e   f r ac tal  d im e n s io n .   Fig u r 9   illu s tr ates  th VAD  d ec is io n s   o f   t h p r o p o s ed   alg o r ith m   f o r   th KSU  d atab ase:  Fig u r 9 ( a)   clea n   s p ee c h ,   Fig u r 9 ( b )   s p ee ch   d eg r a d e d   b y   wh ite  n o is at    2 5   d B ,   Fig u r 9 ( c)   at  1 5   d B ,   Fig u r 9 ( d )   at  5   d B ,   an d   Fig u r 9 ( e)   at  5   d B .   T h p r o p o s ed   alg o r ith m   s u cc ess f u lly   d etec ts   s p ee ch   f o r   p o s itiv SNR   v alu es  ( F ig u r 9 ( b )   to   ( d ) ) .   Fo r   n eg ativ SNR   v alu es    ( Fig u r 9 ( e) ) ,   it  ac cu r ately   d e tects  n o n s p ee ch   s eg m en ts   with o u m is s in g   s p ee c h ,   a n d   th p er ce n tag e   o f   f in al   d ec is io n s   r em ain s   ac ce p tab le.         ( a)       ( b )       ( c)       ( d )       ( e)     Fig u r 8 .   VAD  p er f o r m a n ce   o f   th p r o p o s ed   m eth o d   f o r   T I MI T   d atab ase: ( a)   clea n   s p ee ch ,   ( b )   s p ee ch   d eg r ad e d   b y   wh ite  n o is at  2 5   d B ,   ( c)   at  1 5   d B ,   ( d )   at  5   d B ,   a n d   ( e)   at  - 5   d B   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell Vo l.  15 ,   No .   4 Au g u s t 2 0 2 6 :   3 8 0 5 - 3 8 1 7   3814     ( a)       ( b )       ( c)       ( d )       ( e)     Fig u r 9 .   VAD  p er f o r m a n ce   o f   th p r o p o s ed   m eth o d   f o r   th KSU  d atab ase: ( a)   clea n   s p ee c h ,   ( b )   s p ee ch   d eg r a d ed   b y   wh ite  n o is at  2 5   d B ,   ( c )   at  1 5   d B ,   ( d )   at  5   d B ,   an d   ( e )   at  - 5   d B       4.   CO NCLU SI O N   I n   t h i s   s t u d y ,   r e l i a b le   m e th o d   f o r   V A w a s   d e v e lo p ed   t h a ef f ec t i v e ly   d i s c r im i n a t es   b e t w ee n   s p e e c h   an d   n o n s p e e ch   s e g m e n t s T h e   m e t h o d o l o g y   u s e s   co m b in a t io n   o f   S F F   an d   f r a c t a d i m en s i o n   a n a l y s i s .   T h e   en v e lo p e s   a r c a l c u l a t ed   u s in g   th e   S F F   a p p r o a ch ,   an d   th e   f r a c t a l   d i m e n s i o n   o f   t h e s e n v e lo p e s   i s   o b t a in ed   u s i n g   t h e   K a tz   a lg o r i t h m .   T h r e s h o ld s   a r e   th e n   d e t e r m i n ed   a u to m a t i c a l l y   f o r   e a ch   e n v e lo p e   to   m ak t h f in a V A D   d ec i s i o n .   T h p r o p o s e d   m e t h o d 's   p e r f o r m a n c i s   ev a l u a te d   u s in g   t w o   d i f f e r en t   d a t a b a s e s ,   n a m e ly ,   t h e   T I M I T   a n d   K S d a t ab a s e s .   T h e   r e s u l t s   s h o w   t h a t   t h e   V A D   d ec i s i o n   i s   r o b u s t   f o r   n o i s y   an d   c l e an   s p e e ch .   T h e   ap p r o a ch   s ig n if i ca n t l y   s u r p a s s e d   o r   m a t c h e d   th e   p e r f o r m an c o f   o t h er   m e t h o d s   s u ch   a s   A MR 2 ,   V A D - S F F ,   F u zz y E n ,   an d   V A D - F D .   M o r eo v er ,   t h is   m e t h o d   r e d u c e s   m e m o r y   a n d   t im e   c o n s u m p t io n   a n d   d o e s   n o t   r e q u i r a n y   t r a in i n g   d a t a   o r   p r i o r   k n o w le d g o f   s p e e c h   o r   n o i s c h ar a c t er i s t i c s .   T h e   d e v e l o p ed   a lg o r i t h m   o f f e r s   a n   e f f e c t i v an d   ef f i c i en s o l u t io n   f o r   V A D ,   e n h an c in g   th e   p e r f o r m a n c e   o f   s p e e ch   p r o ce s s i n g   ap p l ic a t io n s .   F in a l l y ,   i n   s h o r t e r m ,   f o c u s   w i l l   b e   p la c e d   on  h y b r id   f r a c t a l   d i m en s i o n m a c h in e   l e ar n in g   m o d e l s ,   a n d   i n   l o n g   t e r m   f o r   r e a l   t im e   d ep l o y m en t   i n   s p e e ch   r e c o g n i t io n   s y s t e m s .       ACK NO WL E DG E M E NT S   T h au th o r s   ex p r ess   th eir   g r atitu d to   th R esear ch er s   S u p p o r tin g   Pro ject  ( R SP 2 0 2 3 R 3 4 ) ,   Kin g   Sau d   Un iv er s ity ,   R iy ad h ,   Sau d i A r ab ia,   f o r   th s u p p o r r ec e iv ed .       F UNDING   I NF O R M A T I O N   T h au th o r s   s tate  n o   f u n d in g   in v o lv e d .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.