Least squares DOA estimation with an informed phase unwrapping and full bandwidth robustness

The weighted least-squares (WLS) direction-of-arrival estimator that minimizes an error based on interchannel phase differences is both computationally simple and flexible. However, the approach has several limitations, including an inability to cope with spatial aliasing and a sensitivity to phase wrapping. The recently proposed phase wrapping robust (PWR)-WLS estimator addresses the latter of these issues, but requires solving a nonconvex optimization problem. In this contribution, we focus on both of the described shortcomings. First, a conceptually simpler alternative to PWR is presented that performs comparably given a good initial estimate. This newly proposed method relies on an unwrapping of the phase differences vector. Secondly, it is demonstrated that all microphone pairs can be utilized at all frequencies with both estimators. When incorporating information from other frequency bins, this permits a localization above the spatial aliasing frequency of the array. Experimental results show that a considerable performance improvement is possible, particularly for arrays with a large microphone spacing

Äänikentän tila-analyysi parametrista tilaäänentoistoa varten käyttäen harvoja mikrofoniasetelmia

In spatial audio capturing the aim is to store information about the sound field so that the sound field can be reproduced without a perceptual difference to the original. The need for this is in applications like virtual reality and teleconferencing. Traditionally the sound field has been captured with a B-format microphone, but it is not always a feasible solution due to size and cost constraints. Alternatively, also arrays of omnidirectional microphones can be utilized and they are often used in devices like mobile phones. If the microphone array is sparse, i.e., the microphone spacings are relatively large, the analysis of the sound Direction of Arrival (DoA) becomes ambiguous in higher frequencies. This is due to spatial aliasing, which is a common problem in narrowband DoA estimation. In this thesis the spatial aliasing problem was examined and its effect on DoA estimation and spatial sound synthesis with Directional Audio Coding (DirAC) was studied. The aim was to find methods for unambiguous narrowband DoA estimation. The current State of the Art methods can remove aliased estimates but are not capable of estimating the DoA with the optimal Time-Frequency resolution. In this thesis similar results were obtained with parameter extrapolation when only a single broadband source exists. The main contribution of this thesis was the development of a correlation-based method. The developed method utilizes pre-known, array-specific information on aliasing in each DoA and frequency. The correlation-based method was tested and found to be the best option to overcome the problem of spatial aliasing. This method was able to resolve spatial aliasing even with multiple sources or when the source’s frequency content is completely above the spatial aliasing frequency. In a listening test it was found that the correlation-based method could provide a major improvement to the DirAC synthesized spatial image quality when compared to an aliased estimator.Tilaäänen tallentamisessa tavoitteena on tallentaa äänikentän ominaisuudet siten, että äänikenttä pystytään jälkikäteen syntetisoimaan ilman kuuloaistilla havaittavaa eroa alkuperäiseen. Tarve tälle löytyy erilaisista sovelluksista, kuten virtuaalitodellisuudesta ja telekonferensseista. Perinteisesti äänikentän ominaisuuksia on tallennettu B-formaatti mikrofonilla, jonka käyttö ei kuitenkaan aina ole koko- ja kustannussyistä mahdollista. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää myös pallokuvioisista mikrofoneista koostuvia mikrofoniasetelmia. Mikäli mikrofonien väliset etäisyydet ovat liian suuria, eli asetelma on harva, tulee äänen saapumissuunnan selvittämisestä epäselvää korkeammilla taajuuksilla. Tämä johtuu ilmiöstä nimeltä tilallinen laskostuminen. Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia tilallisen laskostumisen ilmiötä, sen vaikutusta saapumissuunnan arviointiin sekä tilaäänisynteesiin Directional Audio Coding (DirAC) -menetelmällä. Lisäksi tutkittiin menetelmiä, joiden avulla äänen saapumissuunta voitaisiin selvittää oikein myös tilallisen laskostumisen läsnä ollessa. Työssä havaittiin, että nykyiset ratkaisut laskostumisongelmaan eivät kykene tuottamaan oikeita suunta-arvioita optimaalisella aikataajuusresoluutiolla. Tässä työssä samantapaisia tuloksia saatiin laajakaistaisen äänilähteen tapauksessa ekstrapoloimalla suunta-arvioita laskostumisen rajataajuuden alapuolelta. Työn pääosuus oli kehittää korrelaatioon perustuva saapumissuunnan arviointimenetelmä, joka kykenee tuottamaan luotettavia arvioita rajataajuuden yläpuolella ja useamman äänilähteen ympäristöissä. Kyseinen menetelmä hyödyntää mikrofoniasetelmalle ominaista, saapumissuunnasta ja taajuudesta riippuvaista laskostumiskuviota. Kuuntelukokeessa havaittiin, että korrelaatioon perustuva menetelmä voi tuoda huomattavan parannuksen syntetisoidun tilaäänikuvan laatuun verrattuna synteesiin laskostuneilla suunta-arvioilla

Exploiting temporal context in CNN based multisource DOA estimation

Supervised learning methods are a powerful tool for direction of arrival (DOA) estimation because they can cope with adverse conditions where simplified models fail. In this work, we consider a previously proposed convolutional neural network (CNN) approach that estimates the DOAs for multiple sources from the phase spectra of the microphones. For speech, specifically, the approach was shown to work well even when trained entirely on synthetically generated data. However, as each frame is processed separately, temporal context cannot be taken into account. This prevents the exploitation of interframe signal correlations, and the fact that DOAs do not change arbitrarily over time. We therefore consider two different extensions of the CNN: the integration of a long short-term memory (LSTM) layer, or of a temporal convolutional network (TCN). In order to accommodate the incorporation of temporal context, the training data generation framework needs to be adjusted. To obtain an easily parameterizable model, we propose to employ Markov chains to realize a gradual evolution of the source activity at different times, frequencies, and directions, throughout a training sequence. A thorough evaluation demonstrates that the proposed configuration for generating training data is suitable for the tasks of single-, and multi-talker localization. In particular, we note that with temporal context, it is important to use speech, or realistic signals in general, for the sources. Experiments with recorded impulse responses and noise reveal that the CNN with the LSTM extension outperforms all other considered approaches, including the plain CNN, and the TCN extension

2D Angularly Dependent Array Error Calibration for 1D Array via Neural Network with Local Manifold Interpolation

The calibration of the angularly dependent array error is a challenging task for signal processing. In this paper, we propose a neural network (NN)-based two-dimensional (2D) calibration method for a linear array. Firstly, the array steering vectors are measured on an azimuth grid at different elevations in an anechoic chamber, and the off-grid steering vectors are derived by the proposed local manifold interpolation (LMI) technique to reduce the risk of model overfitting. Then, the phase differences are extracted to form the features of the training data. At last, noise is added to the training data to enable the NN model to generalize well to the noisy data. The proposed method is evaluated by the indoor and outdoor measured data from a 77 GHz automotive radar and is compared with the conventional signal processing-based methods. The evaluation results show that a single NN model trained at the lowest signal-to-noise ratio (SNR) outperforms conventional methods by at least 55% on average over the entire SNR range and gives close performance to the perfect array without array error at low to medium SNR

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

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

Sensor Array Processing with Manifold Uncertainty

<p>The spatial spectrum, also known as a field directionality map, is a description of the spatial distribution of energy in a wavefield. By sampling the wavefield at discrete locations in space, an estimate of the spatial spectrum can be derived using basic wave propagation models. The observable data space corresponding to physically realizable source locations for a given array configuration is referred to as the array manifold. In this thesis, array manifold ambiguities for linear arrays of omni-directional sensors in non-dispersive fields are considered. </p><p>First, the problem of underwater a hydrophone array towed behind a maneuvering platform is considered. The array consists of many hydrophones mounted to a flexible cable that is pulled behind a ship. The towed cable will bend or distort as the ship performs maneuvers. The motion of the cable through the turn can be used to resolve ambiguities that are inherent to nominally linear arrays. The first significant contribution is a method to estimate the spatial spectrum using a time-varying array shape in a dynamic field and broadband temporal data. Knowledge of the temporal spectral shape is shown to enhance detection performance. The field is approximated as a sum of uncorrelated planewaves located at uniform locations in angle, forming a gridded map on which a maximum likelihood estimate for broadband source power is derived. Uniform linear arrays also suffer from spatial aliasing when the inter-element spacing exceeds a half-wavelength. Broadband temporal knowledge is shown to significantly reduce aliasing and thus, in simulation, enhance target detection in interference dominated environments. </p><p>As an extension, the problem of towed array shape estimation is considered when the number and location of sources are unknown. A maximum likelihood estimate of the array shape using the field directionality map is derived. An acoustic-based array shape estimate that exploits the full 360$^\circ$ field via field directionality mapping is the second significant contribution. Towed hydrophone arrays have heading sensors in order to estimate array shape, but these sensors can malfunction during sharp turns. An array shape model is described that allows the heading sensor data to be statistically fused with heading sensor. The third significant contribution is method to exploit dynamical motion models for sharp turns for a robust array shape estimate that combines acoustic and heading data. The proposed array shape model works well for both acoustic and heading data and is valid for arbitrary continuous array shapes.</p><p>Finally, the problem of array manifold ambiguities for static under-sampled linear arrays is considered. Under-sampled arrays are non-uniformly sampled with average spacing greater than a half-wavelength. While spatial aliasing only occurs in uniformly sampled arrays with spacing greater than a half-wavelength, under-sampled arrays have increased spatial resolution at the cost of high sidelobes compared to half-wavelength sampled arrays with the same number of sensors. Additionally, non-uniformly sampled arrays suffer from rank deficient array manifolds that cause traditional subspace based techniques to fail. A class of fully agumentable arrays, minimally redundant linear arrays, is considered where the received data statistics of a uniformly spaced array of the same length can be reconstructed in wide sense stationary fields at the cost of increased variance. The forth significant contribution is a reduced rank processing method for fully augmentable arrays to reduce the variance from augmentation with limited snapshots. Array gain for reduced rank adaptive processing with diagonal loading for snapshot deficient scenarios is analytically derived using asymptotic results from random matrix theory for a set ratio of sensors to snapshots. Additionally, the problem of near-field sources is considered and a method to reduce the variance from augmentation is proposed. In simulation, these methods result in significant average and median array gains with limited snapshots.</p>Dissertatio

Interferometric Synthetic Aperture Sonar Signal Processing for Autonomous Underwater Vehicles Operating Shallow Water

The goal of the research was to develop best practices for image signal processing method for InSAS systems for bathymetric height determination. Improvements over existing techniques comes from the fusion of Chirp-Scaling a phase preserving beamforming techniques to form a SAS image, an interferometric Vernier method to unwrap the phase; and confirming the direction of arrival with the MUltiple SIgnal Channel (MUSIC) estimation technique. The fusion of Chirp-Scaling, Vernier, and MUSIC lead to the stability in the bathymetric height measurement, and improvements in resolution. This method is computationally faster, and used less memory then existing techniques