Fingerprinting Smart Devices Through Embedded Acoustic Components

The widespread use of smart devices gives rise to both security and privacy concerns. Fingerprinting smart devices can assist in authenticating physical devices, but it can also jeopardize privacy by allowing remote identification without user awareness. We propose a novel fingerprinting approach that uses the microphones and speakers of smart phones to uniquely identify an individual device. During fabrication, subtle imperfections arise in device microphones and speakers which induce anomalies in produced and received sounds. We exploit this observation to fingerprint smart devices through playback and recording of audio samples. We use audio-metric tools to analyze and explore different acoustic features and analyze their ability to successfully fingerprint smart devices. Our experiments show that it is even possible to fingerprint devices that have the same vendor and model; we were able to accurately distinguish over 93% of all recorded audio clips from 15 different units of the same model. Our study identifies the prominent acoustic features capable of fingerprinting devices with high success rate and examines the effect of background noise and other variables on fingerprinting accuracy

Speech enhancement algorithms for audiological applications

Texto en inglés y resumen en inglés y españolPremio Extraordinario de Doctorado de la UAH en el año académico 2013-2014La mejora de la calidad de la voz es un problema que, aunque ha sido abordado durante muchos años, aún sigue abierto. El creciente auge de aplicaciones tales como los sistemas manos libres o de reconocimiento de voz automático y las cada vez mayores exigencias de las personas con pérdidas auditivas han dado un impulso definitivo a este área de investigación. Esta tesis doctoral se centra en la mejora de la calidad de la voz en aplicaciones audiológicas. La mayoría del trabajo de investigación desarrollado en esta tesis está dirigido a la mejora de la inteligibilidad de la voz en audífonos digitales, teniendo en cuenta las limitaciones de este tipo de dispositivos. La combinación de técnicas de separación de fuentes y filtrado espacial con técnicas de aprendizaje automático y computación evolutiva ha originado novedosos e interesantes algoritmos que son incluidos en esta tesis. La tesis esta dividida en dos grandes bloques. El primer bloque contiene un estudio preliminar del problema y una exhaustiva revisión del estudio del arte sobre algoritmos de mejora de la calidad de la voz, que sirve para definir los objetivos de esta tesis. El segundo bloque contiene la descripción del trabajo de investigación realizado para cumplir los objetivos de la tesis, así como los experimentos y resultados obtenidos. En primer lugar, el problema de mejora de la calidad de la voz es descrito formalmente en el dominio tiempo-frecuencia. Los principales requerimientos y restricciones de los audífonos digitales son definidas. Tras describir el problema, una amplia revisión del estudio del arte ha sido elaborada. La revisión incluye algoritmos de mejora de la calidad de la voz mono-canal y multi-canal, considerando técnicas de reducción de ruido y técnicas de separación de fuentes. Además, la aplicación de estos algoritmos en audífonos digitales es evaluada. El primer problema abordado en la tesis es la separación de fuentes sonoras en mezclas infra-determinadas en el dominio tiempo-frecuencia, sin considerar ningún tipo de restricción computacional. El rendimiento del famoso algoritmo DUET, que consigue separar fuentes de voz con solo dos mezclas, ha sido evaluado en diversos escenarios, incluyendo mezclas lineales y binaurales no reverberantes, mezclas reverberantes, y mezclas de voz con otro tipo de fuentes tales como ruido y música. El estudio revela la falta de robustez del algoritmo DUET, cuyo rendimiento se ve seriamente disminuido en mezclas reverberantes, mezclas binaurales, y mezclas de voz con música y ruido. Con el objetivo de mejorar el rendimiento en estos casos, se presenta un novedoso algoritmo de separación de fuentes que combina la técnica de clustering mean shift con la base del algoritmo DUET. La etapa de clustering del algoritmo DUET, que esta basada en un histograma ponderado, es reemplazada por una modificación del algoritmo mean shift, introduciendo el uso de un kernel Gaussiano ponderado. El análisis de los resultados obtenidos muestran una clara mejora obtenida por el algoritmo propuesto en relación con el algoritmo DUET original y una modificación que usa k-means. Además, el algoritmo propuesto ha sido extendido para usar un array de micrófonos de cualquier tamaño y geometría. A continuación se ha abordado el problema de la enumeración de fuentes de voz, que esta relacionado con el problema de separación de fuentes. Se ha propuesto un novedoso algoritmo basado en un criterio de teoría de la información y en la estimación de los retardos relativos causados por las fuentes entre un par de micrófonos. El algoritmo ha obtenido excelente resultados y muestra robustez en la enumeración de mezclas no reverberantes de hasta 5 fuentes de voz. Además se demuestra la potencia del algoritmo para la enumeración de fuentes en mezclas reverberantes. El resto de la tesis esta centrada en audífonos digitales. El primer problema tratado es el de la mejora de la inteligibilidad de la voz en audífonos monoaurales. En primer lugar, se realiza un estudio de los recursos computacionales disponibles en audífonos digitales de ultima generación. Los resultados de este estudio se han utilizado para limitar el coste computacional de los algoritmos de mejora de la calidad de la voz para audífonos propuestos en esta tesis. Para resolver este primer problema se propone un algoritmo mono-canal de mejora de la calidad de la voz de bajo coste computacional. El objetivo es la estimación de una mascara tiempo-frecuencia continua para obtener el mayor parámetro PESQ de salida. El algoritmo combina una versión generalizada del estimador de mínimos cuadrados con un algoritmo de selección de características a medida, utilizando un novedoso conjunto de características. El algoritmo ha obtenido resultados excelentes incluso con baja relación señal a ruido. El siguiente problema abordado es el diseño de algoritmos de mejora de la calidad de la voz para audífonos binaurales comunicados de forma inalámbrica. Estos sistemas tienen un problema adicional, y es que la conexión inalámbrica aumenta el consumo de potencia. El objetivo en esta tesis es diseñar algoritmos de mejora de la calidad de la voz de bajo coste computacional que incrementen la eficiencia energética en audífonos binaurales comunicados de forma inalámbrica. Se han propuesto dos soluciones. La primera es un algoritmo de extremado bajo coste computacional que maximiza el parámetro WDO y esta basado en la estimación de una mascara binaria mediante un discriminante cuadrático que utiliza los valores ILD e ITD de cada punto tiempo-frecuencia para clasificarlo entre voz o ruido. El segundo algoritmo propuesto, también de bajo coste, utiliza además la información de puntos tiempo-frecuencia vecinos para estimar la IBM mediante una versión generalizada del LS-LDA. Además, se propone utilizar un MSE ponderado para estimar la IBM y maximizar el parámetro WDO al mismo tiempo. En ambos algoritmos se propone un esquema de transmisión eficiente energéticamente, que se basa en cuantificar los valores de amplitud y fase de cada banda de frecuencia con un numero distinto de bits. La distribución de bits entre frecuencias se optimiza mediante técnicas de computación evolutivas. El ultimo trabajo incluido en esta tesis trata del diseño de filtros espaciales para audífonos personalizados a una persona determinada. Los coeficientes del filtro pueden adaptarse a una persona siempre que se conozca su HRTF. Desafortunadamente, esta información no esta disponible cuando un paciente visita el audiólogo, lo que causa perdidas de ganancia y distorsiones. Con este problema en mente, se han propuesto tres métodos para diseñar filtros espaciales que maximicen la ganancia y minimicen las distorsiones medias para un conjunto de HRTFs de diseño

Real-Time Target Sound Extraction

We present the first neural network model to achieve real-time and streaming target sound extraction. To accomplish this, we propose Waveformer, an encoder-decoder architecture with a stack of dilated causal convolution layers as the encoder, and a transformer decoder layer as the decoder. This hybrid architecture uses dilated causal convolutions for processing large receptive fields in a computationally efficient manner while also leveraging the generalization performance of transformer-based architectures. Our evaluations show as much as 2.2-3.3 dB improvement in SI-SNRi compared to the prior models for this task while having a 1.2-4x smaller model size and a 1.5-2x lower runtime. We provide code, dataset, and audio samples: https://waveformer.cs.washington.edu/.Comment: ICASSP 2023 camera-read

Signal processing algorithms for digital hearing aids

Hearing loss is a problem that severely affects the speech communication and disqualify most hearing-impaired people from holding a normal life. Although the vast majority of hearing loss cases could be corrected by using hearing aids, however, only a scarce of hearing-impaired people who could be benefited from hearing aids purchase one. This irregular use of hearing aids arises from the existence of a problem that, to date, has not been solved effectively and comfortably: the automatic adaptation of the hearing aid to the changing acoustic environment that surrounds its user. There are two approaches aiming to comply with it. On the one hand, the "manual" approach, in which the user has to identify the acoustic situation and choose the adequate amplification program has been found to be very uncomfortable. The second approach requires to include an automatic program selection within the hearing aid. This latter approach is deemed very useful by most hearing aid users, even if its performance is not completely perfect. Although the necessity of the aforementioned sound classification system seems to be clear, its implementation is a very difficult matter. The development of an automatic sound classification system in a digital hearing aid is a challenging goal because of the inherent limitations of the Digital Signal Processor (DSP) the hearing aid is based on. The underlying reason is that most digital hearing aids have very strong constraints in terms of computational capacity, memory and battery, which seriously limit the implementation of advanced algorithms in them. With this in mind, this thesis focuses on the design and implementation of a prototype for a digital hearing aid able to automatically classify the acoustic environments hearing aid users daily face on and select the amplification program that is best adapted to such environment aiming at enhancing the speech intelligibility perceived by the user. The most important contribution of this thesis is the implementation of a prototype for a digital hearing aid that automatically classifies the acoustic environment surrounding its user and selects the most appropriate amplification program for such environment, aiming at enhancing the sound quality perceived by the user. The battery life of this hearing aid is 140 hours, which has been found to be very similar to that of hearing aids in the market, and what is of key importance, there is still about 30% of the DSP resources available for implementing other algorithms

Acoustic source separation based on target equalization-cancellation

Normal-hearing listeners are good at focusing on the target talker while ignoring the interferers in a multi-talker environment. Therefore, efforts have been devoted to build psychoacoustic models to understand binaural processing in multi-talker environments and to develop bio-inspired source separation algorithms for hearing-assistive devices. This thesis presents a target-Equalization-Cancellation (target-EC) approach to the source separation problem. The idea of the target-EC approach is to use the energy change before and after cancelling the target to estimate a time-frequency (T-F) mask in which each entry estimates the strength of target signal in the original mixture. Once the mask is calculated, it is applied to the original mixture to preserve the target-dominant T-F units and to suppress the interferer-dominant T-F units. On the psychoacoustic modeling side, when the output of the target-EC approach is evaluated with the Coherence-based Speech Intelligibility Index (CSII), the predicted binaural advantage closely matches the pattern of the measured data. On the application side, the performance of the target-EC source separation algorithm was evaluated by psychoacoustic measurements using both a closed-set speech corpus and an open-set speech corpus, and it was shown that the target-EC cue is a better cue for source separation than the interaural difference cues

A survey on artificial intelligence-based acoustic source identification

The concept of Acoustic Source Identification (ASI), which refers to the process of identifying noise sources has attracted increasing attention in recent years. The ASI technology can be used for surveillance, monitoring, and maintenance applications in a wide range of sectors, such as defence, manufacturing, healthcare, and agriculture. Acoustic signature analysis and pattern recognition remain the core technologies for noise source identification. Manual identification of acoustic signatures, however, has become increasingly challenging as dataset sizes grow. As a result, the use of Artificial Intelligence (AI) techniques for identifying noise sources has become increasingly relevant and useful. In this paper, we provide a comprehensive review of AI-based acoustic source identification techniques. We analyze the strengths and weaknesses of AI-based ASI processes and associated methods proposed by researchers in the literature. Additionally, we did a detailed survey of ASI applications in machinery, underwater applications, environment/event source recognition, healthcare, and other fields. We also highlight relevant research directions

An application of an auditory periphery model in speaker identification

The number of applications of automatic Speaker Identification (SID) is growing due to the advanced technologies for secure access and authentication in services and devices. In 2016, in a study, the Cascade of Asymmetric Resonators with Fast Acting Compression (CAR FAC) cochlear model achieved the best performance among seven recent cochlear models to fit a set of human auditory physiological data. Motivated by the performance of the CAR-FAC, I apply this cochlear model in an SID task for the first time to produce a similar performance to a human auditory system. This thesis investigates the potential of the CAR-FAC model in an SID task. I investigate the capability of the CAR-FAC in text-dependent and text-independent SID tasks. This thesis also investigates contributions of different parameters, nonlinearities, and stages of the CAR-FAC that enhance SID accuracy. The performance of the CAR-FAC is compared with another recent cochlear model called the Auditory Nerve (AN) model. In addition, three FFT-based auditory features – Mel frequency Cepstral Coefficient (MFCC), Frequency Domain Linear Prediction (FDLP), and Gammatone Frequency Cepstral Coefficient (GFCC), are also included to compare their performance with cochlear features. This comparison allows me to investigate a better front-end for a noise-robust SID system. Three different statistical classifiers: a Gaussian Mixture Model with Universal Background Model (GMM-UBM), a Support Vector Machine (SVM), and an I-vector were used to evaluate the performance. These statistical classifiers allow me to investigate nonlinearities in the cochlear front-ends. The performance is evaluated under clean and noisy conditions for a wide range of noise levels. Techniques to improve the performance of a cochlear algorithm are also investigated in this thesis. It was found that the application of a cube root and DCT on cochlear output enhances the SID accuracy substantially

Classification and Separation Techniques based on Fundamental Frequency for Speech Enhancement

[ES] En esta tesis se desarrollan nuevos algoritmos de clasificación y mejora de voz basados en las propiedades de la frecuencia fundamental (F0) de la señal vocal. Estas propiedades permiten su discriminación respecto al resto de señales de la escena acústica, ya sea mediante la definición de características (para clasificación) o la definición de modelos de señal (para separación). Tres contribuciones se aportan en esta tesis: 1) un algoritmo de clasificación de entorno acústico basado en F0 para audífonos digitales, capaz de clasificar la señal en las clases voz y no-voz; 2) un algoritmo de detección de voz sonora basado en la aperiodicidad, capaz de funcionar en ruido no estacionario y con aplicación a mejora de voz; 3) un algoritmo de separación de voz y ruido basado en descomposición NMF, donde el ruido se modela de una forma genérica mediante restricciones matemáticas.[EN]This thesis is focused on the development of new classification and speech enhancement algorithms based, explicitly or implicitly, on the fundamental frequency (F0). The F0 of speech has a number of properties that enable speech discrimination from the remaining signals in the acoustic scene, either by defining F0-based signal features (for classification) or F0-based signal models (for separation). Three main contributions are included in this work: 1) an acoustic environment classification algorithm for hearing aids based on F0 to classify the input signal into speech and nonspeech classes; 2) a frame-by-frame basis voiced speech detection algorithm based on the aperiodicity measure, able to work under non-stationary noise and applicable to speech enhancement; 3) a speech denoising algorithm based on a regularized NMF decomposition, in which the background noise is described in a generic way with mathematical constraints.Tesis Univ. Jaén. Departamento de Ingeniería de Telecomunición. Leída el 11 de enero de 201