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

Reverberation: models, estimation and application

The use of reverberation models is required in many applications such as acoustic measurements, speech dereverberation and robust automatic speech recognition. The aim of this thesis is to investigate different models and propose a perceptually-relevant reverberation model with suitable parameter estimation techniques for different applications. Reverberation can be modelled in both the time and frequency domain. The model parameters give direct information of both physical and perceptual characteristics. These characteristics create a multidimensional parameter space of reverberation, which can be to a large extent captured by a time-frequency domain model. In this thesis, the relationship between physical and perceptual model parameters will be discussed. In the first application, an intrusive technique is proposed to measure the reverberation or reverberance, perception of reverberation and the colouration. The room decay rate parameter is of particular interest. In practical applications, a blind estimate of the decay rate of acoustic energy in a room is required. A statistical model for the distribution of the decay rate of the reverberant signal named the eagleMax distribution is proposed. The eagleMax distribution describes the reverberant speech decay rates as a random variable that is the maximum of the room decay rates and anechoic speech decay rates. Three methods were developed to estimate the mean room decay rate from the eagleMax distributions alone. The estimated room decay rates form a reverberation model that will be discussed in the context of room acoustic measurements, speech dereverberation and robust automatic speech recognition individually

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

Neural Correlates of Auditory Perceptual Awareness and Release from Informational Masking Recorded Directly from Human Cortex: A Case Study.

In complex acoustic environments, even salient supra-threshold sounds sometimes go unperceived, a phenomenon known as informational masking. The neural basis of informational masking (and its release) has not been well-characterized, particularly outside auditory cortex. We combined electrocorticography in a neurosurgical patient undergoing invasive epilepsy monitoring with trial-by-trial perceptual reports of isochronous target-tone streams embedded in random multi-tone maskers. Awareness of such masker-embedded target streams was associated with a focal negativity between 100 and 200 ms and high-gamma activity (HGA) between 50 and 250 ms (both in auditory cortex on the posterolateral superior temporal gyrus) as well as a broad P3b-like potential (between ~300 and 600 ms) with generators in ventrolateral frontal and lateral temporal cortex. Unperceived target tones elicited drastically reduced versions of such responses, if at all. While it remains unclear whether these responses reflect conscious perception, itself, as opposed to pre- or post-perceptual processing, the results suggest that conscious perception of target sounds in complex listening environments may engage diverse neural mechanisms in distributed brain areas

Doppler spread estimation in mobile fading channels

The Doppler spread, or equivalently, the mobile speed, is a measure of the spectral dispersion of a mobile fading channel. Accurate estimation of the mobile speed is important in wireless mobile applications which require such as knowledge of the rate of channel variations. In this dissertation, first the performance of classical crossing- and covariance-based speed estimators is studied. Next, the problem of mobile speed estimation using diversity combining is investigated. Then, a nonparametric estimation technique is proposed that is robust to different channel variations. Finally, cyclostationarity-based speed estimators which can be applied either blindly or with the aid of pilot data, are developed. A unified framework for the performance analysis of well-known crossing and covariance based speed estimation techniques is presented. This allows a fair analytical comparison among all the methods. Interestingly, it is proved that all these methods are asymptotically equivalent, i.e., for large observation intervals. The extensive performance analysis, supported by Monte Carlo simulations, has revealed that depending on the channel condition and the observation interval, one needs to use a crossing or a covariance based technique to achieve the desired estimation accuracy over a large range of mobile speeds. Two common diversity schemes, selection combining (SC) and maximal ratio combining (MRC), are considered for Doppler spread estimation. Four new estimators are derived which rely on the inphase zero crossing rate, inphase rate of maxima, phase zero crossing rate, and the instantaneous frequency zero crossing rate of the output of SC. Two estimators, which work based on the level crossing rates of the envelopes at the output of SC and MRC, are also proposed. The performances of all these estimators are investigated in realistic noisy environments with different kinds of scatterings and different numbers of diversity branches. Then a novel speed estimation technique is proposed that is applicable to both mobile and base stations, based on the characteristics in the power spectrum of mobile fading channels. The analytic performance analysis, verified by Monte Carlo simulations, shows that this low-complexity estimator is not only robust to both Gaussian and non-Gaussian noises, but also insensitive to nonisotropic scattering observed at the mobile. The estimator performs very well in both two- and three-dimensional propagation environments. By taking advantage of resolvable paths in wideband fading channels, the robustness against both nonisotropic scattering and line of sight can be further increased, due to the differences among the Doppler spectra observed at different paths. This technique is also extended to base stations with antenna arrays. By exploiting the spatial information, the proposed space-time estimator exhibits excellent performance over a wide range of noise power, nonisotropic scattering, and the line-of-sight component. This is all verified by simulation. The utility of the new method is further demonstrated by applying it to the measured data. Finally, to design robust blind and data-aided mobile speed estimators, a proposal is made to exploit the inherent cyclostationarity of linearly modulated signals transmitted through fading channels. Two categories of cyclic-correlation- and cyclic-spectrum-based methods are developed. Extension to space-time speed estimation at the base station in macrocells is also provided. In comparison with the existing methods, the new estimators can be used without any need for pilot tones and are robust to additive stationary noise or interference of any color or distribution. Unlike the conventional multi-antenna based method, the proposed space-time speed estimator does not assume the receiver noise to be spatially white. A suboptimal training sequence is also devised for pilot-symbol assisted methods, to reduce the estimation error. The performance of the proposed estimators are illustrated via extensive Monte Carlo simulations

Application of sound source separation methods to advanced spatial audio systems

This thesis is related to the field of Sound Source Separation (SSS). It addresses the development and evaluation of these techniques for their application in the resynthesis of high-realism sound scenes by means of Wave Field Synthesis (WFS). Because the vast majority of audio recordings are preserved in twochannel stereo format, special up-converters are required to use advanced spatial audio reproduction formats, such as WFS. This is due to the fact that WFS needs the original source signals to be available, in order to accurately synthesize the acoustic field inside an extended listening area. Thus, an object-based mixing is required. Source separation problems in digital signal processing are those in which several signals have been mixed together and the objective is to find out what the original signals were. Therefore, SSS algorithms can be applied to existing two-channel mixtures to extract the different objects that compose the stereo scene. Unfortunately, most stereo mixtures are underdetermined, i.e., there are more sound sources than audio channels. This condition makes the SSS problem especially difficult and stronger assumptions have to be taken, often related to the sparsity of the sources under some signal transformation. This thesis is focused on the application of SSS techniques to the spatial sound reproduction field. As a result, its contributions can be categorized within these two areas. First, two underdetermined SSS methods are proposed to deal efficiently with the separation of stereo sound mixtures. These techniques are based on a multi-level thresholding segmentation approach, which enables to perform a fast and unsupervised separation of sound sources in the time-frequency domain. Although both techniques rely on the same clustering type, the features considered by each of them are related to different localization cues that enable to perform separation of either instantaneous or real mixtures.Additionally, two post-processing techniques aimed at improving the isolation of the separated sources are proposed. The performance achieved by several SSS methods in the resynthesis of WFS sound scenes is afterwards evaluated by means of listening tests, paying special attention to the change observed in the perceived spatial attributes. Although the estimated sources are distorted versions of the original ones, the masking effects involved in their spatial remixing make artifacts less perceptible, which improves the overall assessed quality. Finally, some novel developments related to the application of time-frequency processing to source localization and enhanced sound reproduction are presented.Cobos Serrano, M. (2009). Application of sound source separation methods to advanced spatial audio systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8969Palanci

Sparseness-controlled adaptive algorithms for supervised and unsupervised system identification

In single-channel hands-free telephony, the acoustic coupling between the loudspeaker and the microphone can be strong and this generates echoes that can degrade user experience. Therefore, effective acoustic echo cancellation (AEC) is necessary to maintain a stable system and hence improve the perceived voice quality of a call. Traditionally, adaptive filters have been deployed in acoustic echo cancellers to estimate the acoustic impulse responses (AIRs) using adaptive algorithms. The performances of a range of well-known algorithms are studied in the context of both AEC and network echo cancellation (NEC). It presents insights into their tracking performances under both time-invariant and time-varying system conditions. In the context of AEC, the level of sparseness in AIRs can vary greatly in a mobile environment. When the response is strongly sparse, convergence of conventional approaches is poor. Drawing on techniques originally developed for NEC, a class of time-domain and a frequency-domain AEC algorithms are proposed that can not only work well in both sparse and dispersive circumstances, but also adapt dynamically to the level of sparseness using a new sparseness-controlled approach. As it will be shown later that the early part of the acoustic echo path is sparse while the late reverberant part of the acoustic path is dispersive, a novel approach to an adaptive filter structure that consists of two time-domain partition blocks is proposed such that different adaptive algorithms can be used for each part. By properly controlling the mixing parameter for the partitioned blocks separately, where the block lengths are controlled adaptively, the proposed partitioned block algorithm works well in both sparse and dispersive time-varying circumstances. A new insight into an analysis on the tracking performance of improved proportionate NLMS (IPNLMS) is presented by deriving the expression for the mean-square error. By employing the framework for both sparse and dispersive time-varying echo paths, this work validates the analytic results in practical simulations for AEC. The time-domain second-order statistic based blind SIMO identification algorithms, which exploit the cross relation method, are investigated and then a technique with proportionate step-size control for both sparse and dispersive system identification is also developed

Advanced automatic mixing tools for music

PhDThis thesis presents research on several independent systems that when combined together can generate an automatic sound mix out of an unknown set of multi‐channel inputs. The research explores the possibility of reproducing the mixing decisions of a skilled audio engineer with minimal or no human interaction. The research is restricted to non‐time varying mixes for large room acoustics. This research has applications in dynamic sound music concerts, remote mixing, recording and postproduction as well as live mixing for interactive scenes. Currently, automated mixers are capable of saving a set of static mix scenes that can be loaded for later use, but they lack the ability to adapt to a different room or to a different set of inputs. In other words, they lack the ability to automatically make mixing decisions. The automatic mixer research depicted here distinguishes between the engineering mixing and the subjective mixing contributions. This research aims to automate the technical tasks related to audio mixing while freeing the audio engineer to perform the fine‐tuning involved in generating an aesthetically‐pleasing sound mix. Although the system mainly deals with the technical constraints involved in generating an audio mix, the developed system takes advantage of common practices performed by sound engineers whenever possible. The system also makes use of inter‐dependent channel information for controlling signal processing tasks while aiming to maintain system stability at all times. A working implementation of the system is described and subjective evaluation between a human mix and the automatic mix is used to measure the success of the automatic mixing tools