Structured Sparsity Models for Multiparty Speech Recovery from Reverberant Recordings

We tackle the multi-party speech recovery problem through modeling the acoustic of the reverberant chambers. Our approach exploits structured sparsity models to perform room modeling and speech recovery. We propose a scheme for characterizing the room acoustic from the unknown competing speech sources relying on localization of the early images of the speakers by sparse approximation of the spatial spectra of the virtual sources in a free-space model. The images are then clustered exploiting the low-rank structure of the spectro-temporal components belonging to each source. This enables us to identify the early support of the room impulse response function and its unique map to the room geometry. To further tackle the ambiguity of the reflection ratios, we propose a novel formulation of the reverberation model and estimate the absorption coefficients through a convex optimization exploiting joint sparsity model formulated upon spatio-spectral sparsity of concurrent speech representation. The acoustic parameters are then incorporated for separating individual speech signals through either structured sparse recovery or inverse filtering the acoustic channels. The experiments conducted on real data recordings demonstrate the effectiveness of the proposed approach for multi-party speech recovery and recognition.Comment: 31 page

Direction-Aware Joint Adaptation of Neural Speech Enhancement and Recognition in Real Multiparty Conversational Environments

This paper describes noisy speech recognition for an augmented reality headset that helps verbal communication within real multiparty conversational environments. A major approach that has actively been studied in simulated environments is to sequentially perform speech enhancement and automatic speech recognition (ASR) based on deep neural networks (DNNs) trained in a supervised manner. In our task, however, such a pretrained system fails to work due to the mismatch between the training and test conditions and the head movements of the user. To enhance only the utterances of a target speaker, we use beamforming based on a DNN-based speech mask estimator that can adaptively extract the speech components corresponding to a head-relative particular direction. We propose a semi-supervised adaptation method that jointly updates the mask estimator and the ASR model at run-time using clean speech signals with ground-truth transcriptions and noisy speech signals with highly-confident estimated transcriptions. Comparative experiments using the state-of-the-art distant speech recognition system show that the proposed method significantly improves the ASR performance.Comment: INTERSPEECH 202

Foreground-Background Ambient Sound Scene Separation

Ambient sound scenes typically comprise multiple short events occurring on top of a somewhat stationary background. We consider the task of separating these events from the background, which we call foreground-background ambient sound scene separation. We propose a deep learning-based separation framework with a suitable feature normaliza-tion scheme and an optional auxiliary network capturing the background statistics, and we investigate its ability to handle the great variety of sound classes encountered in ambient sound scenes, which have often not been seen in training. To do so, we create single-channel foreground-background mixtures using isolated sounds from the DESED and Audioset datasets, and we conduct extensive experiments with mixtures of seen or unseen sound classes at various signal-to-noise ratios. Our experimental findings demonstrate the generalization ability of the proposed approach

Trennung und Schätzung der Anzahl von Audiosignalquellen mit Zeit- und Frequenzüberlappung

Everyday audio recordings involve mixture signals: music contains a mixture of instruments; in a meeting or conference, there is a mixture of human voices. For these mixtures, automatically separating or estimating the number of sources is a challenging task. A common assumption when processing mixtures in the time-frequency domain is that sources are not fully overlapped. However, in this work we consider some cases where the overlap is severe — for instance, when instruments play the same note (unison) or when many people speak concurrently ("cocktail party") — highlighting the need for new representations and more powerful models. To address the problems of source separation and count estimation, we use conventional signal processing techniques as well as deep neural networks (DNN). We first address the source separation problem for unison instrument mixtures, studying the distinct spectro-temporal modulations caused by vibrato. To exploit these modulations, we developed a method based on time warping, informed by an estimate of the fundamental frequency. For cases where such estimates are not available, we present an unsupervised model, inspired by the way humans group time-varying sources (common fate). This contribution comes with a novel representation that improves separation for overlapped and modulated sources on unison mixtures but also improves vocal and accompaniment separation when used as an input for a DNN model. Then, we focus on estimating the number of sources in a mixture, which is important for real-world scenarios. Our work on count estimation was motivated by a study on how humans can address this task, which lead us to conduct listening experiments, confirming that humans are only able to estimate the number of up to four sources correctly. To answer the question of whether machines can perform similarly, we present a DNN architecture, trained to estimate the number of concurrent speakers. Our results show improvements compared to other methods, and the model even outperformed humans on the same task. In both the source separation and source count estimation tasks, the key contribution of this thesis is the concept of “modulation”, which is important to computationally mimic human performance. Our proposed Common Fate Transform is an adequate representation to disentangle overlapping signals for separation, and an inspection of our DNN count estimation model revealed that it proceeds to find modulation-like intermediate features.Im Alltag sind wir von gemischten Signalen umgeben: Musik besteht aus einer Mischung von Instrumenten; in einem Meeting oder auf einer Konferenz sind wir einer Mischung menschlicher Stimmen ausgesetzt. Für diese Mischungen ist die automatische Quellentrennung oder die Bestimmung der Anzahl an Quellen eine anspruchsvolle Aufgabe. Eine häufige Annahme bei der Verarbeitung von gemischten Signalen im Zeit-Frequenzbereich ist, dass die Quellen sich nicht vollständig überlappen. In dieser Arbeit betrachten wir jedoch einige Fälle, in denen die Überlappung immens ist zum Beispiel, wenn Instrumente den gleichen Ton spielen (unisono) oder wenn viele Menschen gleichzeitig sprechen (Cocktailparty) —, so dass neue Signal-Repräsentationen und leistungsfähigere Modelle notwendig sind. Um die zwei genannten Probleme zu bewältigen, verwenden wir sowohl konventionelle Signalverbeitungsmethoden als auch tiefgehende neuronale Netze (DNN). Wir gehen zunächst auf das Problem der Quellentrennung für Unisono-Instrumentenmischungen ein und untersuchen die speziellen, durch Vibrato ausgelösten, zeitlich-spektralen Modulationen. Um diese Modulationen auszunutzen entwickelten wir eine Methode, die auf Zeitverzerrung basiert und eine Schätzung der Grundfrequenz als zusätzliche Information nutzt. Für Fälle, in denen diese Schätzungen nicht verfügbar sind, stellen wir ein unüberwachtes Modell vor, das inspiriert ist von der Art und Weise, wie Menschen zeitveränderliche Quellen gruppieren (Common Fate). Dieser Beitrag enthält eine neuartige Repräsentation, die die Separierbarkeit für überlappte und modulierte Quellen in Unisono-Mischungen erhöht, aber auch die Trennung in Gesang und Begleitung verbessert, wenn sie in einem DNN-Modell verwendet wird. Im Weiteren beschäftigen wir uns mit der Schätzung der Anzahl von Quellen in einer Mischung, was für reale Szenarien wichtig ist. Unsere Arbeit an der Schätzung der Anzahl war motiviert durch eine Studie, die zeigt, wie wir Menschen diese Aufgabe angehen. Dies hat uns dazu veranlasst, eigene Hörexperimente durchzuführen, die bestätigten, dass Menschen nur in der Lage sind, die Anzahl von bis zu vier Quellen korrekt abzuschätzen. Um nun die Frage zu beantworten, ob Maschinen dies ähnlich gut können, stellen wir eine DNN-Architektur vor, die erlernt hat, die Anzahl der gleichzeitig sprechenden Sprecher zu ermitteln. Die Ergebnisse zeigen Verbesserungen im Vergleich zu anderen Methoden, aber vor allem auch im Vergleich zu menschlichen Hörern. Sowohl bei der Quellentrennung als auch bei der Schätzung der Anzahl an Quellen ist ein Kernbeitrag dieser Arbeit das Konzept der “Modulation”, welches wichtig ist, um die Strategien von Menschen mittels Computern nachzuahmen. Unsere vorgeschlagene Common Fate Transformation ist eine adäquate Darstellung, um die Überlappung von Signalen für die Trennung zugänglich zu machen und eine Inspektion unseres DNN-Zählmodells ergab schließlich, dass sich auch hier modulationsähnliche Merkmale finden lassen