RTF-Based Binaural MVDR Beamformer Exploiting an External Microphone in a Diffuse Noise Field

Besides suppressing all undesired sound sources, an important objective of a binaural noise reduction algorithm for hearing devices is the preservation of the binaural cues, aiming at preserving the spatial perception of the acoustic scene. A well-known binaural noise reduction algorithm is the binaural minimum variance distortionless response beamformer, which can be steered using the relative transfer function (RTF) vector of the desired source, relating the acoustic transfer functions between the desired source and all microphones to a reference microphone. In this paper, we propose a computationally efficient method to estimate the RTF vector in a diffuse noise field, requiring an additional microphone that is spatially separated from the head-mounted microphones. Assuming that the spatial coherence between the noise components in the head-mounted microphone signals and the additional microphone signal is zero, we show that an unbiased estimate of the RTF vector can be obtained. Based on real-world recordings, experimental results for several reverberation times show that the proposed RTF estimator outperforms the widely used RTF estimator based on covariance whitening and a simple biased RTF estimator in terms of noise reduction and binaural cue preservation performance.Comment: Accepted at ITG Conference on Speech Communication 201

OBJECTIVE AND SUBJECTIVE EVALUATION OF DEREVERBERATION ALGORITHMS

Reverberation significantly impacts the quality and intelligibility of speech. Several dereverberation algorithms have been proposed in the literature to combat this problem. A majority of these algorithms utilize a single channel and are developed for monaural applications, and as such do not preserve the cues necessary for sound localization. This thesis describes a blind two-channel dereverberation technique that improves the quality of speech corrupted by reverberation while preserving cues that affect localization. The method is based by combining a short term (2ms) and long term (20ms) weighting function of the linear prediction (LP) residual of the input signal. The developed and other dereverberation algorithms are evaluated objectively and subjectively in terms of sound quality and localization accuracy. The binaural adaptation provides a significant increase in sound quality while removing the loss in localization ability found in the bilateral implementation

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

Effects of Coordinated Bilateral Hearing Aids and Auditory Training on Sound Localization

This thesis has two main objectives: 1) evaluating the benefits of the bilateral coordination of the hearing aid Digital Signal Processing (DSP) features by measuring and comparing the auditory performance with and without the activation of this coordination, and 2) evaluating the benefits of acclimatization and auditory training on such auditory performance and, determining whether receiving training in one aspect of auditory performance (sound localization) would generalize to an improvement in another aspect of auditory performance (speech intelligibility in noise), and to what extent. Two studies were performed. The first study evaluated the speech intelligibility in noise and horizontal sound localization abilities in HI listeners using hearing aids that apply bilateral coordination of WDRC. A significant improvement was noted in sound localization with bilateral coordination on when compared to off, while speech intelligibility in noise did not seem to be affected. The second study was an extension of the first study, with a suitable period for acclimatization provided and then the participants were divided into training and control groups. Only the training group received auditory training. The training group performance was significantly better than the control group performance in some conditions, in both the speech intelligibility and the localization tasks. The bilateral coordination did not have significant effects on the results of the second study. This work is among the early literature to investigate the impact of bilateral coordination in hearing aids on the users’ auditory performance. Also, this work is the first to demonstrate the effect of auditory training in sound localization on the speech intelligibility performance

The plastic ear and perceptual relearning in auditory spatial perception

The auditory system of adult listeners has been shown to accommodate to altered spectral cues to sound location which presumably provides the basis for recalibration to changes in the shape of the ear over a life time. Here we review the role of auditory and non-auditory inputs to the perception of sound location and consider a range of recent experiments looking at the role of non-auditory inputs in the process of accommodation to these altered spectral cues. A number of studies have used small ear moulds to modify the spectral cues that result in significant degradation in localization performance. Following chronic exposure (10-60 days) performance recovers to some extent and recent work has demonstrated that this occurs for both audio-visual and audio-only regions of space. This begs the questions as to the teacher signal for this remarkable functional plasticity in the adult nervous system. Following a brief review of influence of the motor state in auditory localisation, we consider the potential role of auditory-motor learning in the perceptual recalibration of the spectral cues. Several recent studies have considered how multi-modal and sensory-motor feedback might influence accommodation to altered spectral cues produced by ear moulds or through virtual auditory space stimulation using non-individualised spectral cues. The work with ear moulds demonstrates that a relatively short period of training involving sensory-motor feedback (5 – 10 days) significantly improved both the rate and extent of accommodation to altered spectral cues. This has significant implications not only for the mechanisms by which this complex sensory information is encoded to provide a spatial code but also for adaptive training to altered auditory inputs. The review concludes by considering the implications for rehabilitative training with hearing aids and cochlear prosthesis