Audio source separation for music in low-latency and high-latency scenarios

Aquesta tesi proposa mètodes per tractar les limitacions de les tècniques existents de separació de fonts musicals en condicions de baixa i alta latència. En primer lloc, ens centrem en els mètodes amb un baix cost computacional i baixa latència. Proposem l'ús de la regularització de Tikhonov com a mètode de descomposició de l'espectre en el context de baixa latència. El comparem amb les tècniques existents en tasques d'estimació i seguiment dels tons, que són passos crucials en molts mètodes de separació. A continuació utilitzem i avaluem el mètode de descomposició de l'espectre en tasques de separació de veu cantada, baix i percussió. En segon lloc, proposem diversos mètodes d'alta latència que milloren la separació de la veu cantada, gràcies al modelatge de components específics, com la respiració i les consonants. Finalment, explorem l'ús de correlacions temporals i anotacions manuals per millorar la separació dels instruments de percussió i dels senyals musicals polifònics complexes.Esta tesis propone métodos para tratar las limitaciones de las técnicas existentes de separación de fuentes musicales en condiciones de baja y alta latencia. En primer lugar, nos centramos en los métodos con un bajo coste computacional y baja latencia. Proponemos el uso de la regularización de Tikhonov como método de descomposición del espectro en el contexto de baja latencia. Lo comparamos con las técnicas existentes en tareas de estimación y seguimiento de los tonos, que son pasos cruciales en muchos métodos de separación. A continuación utilizamos y evaluamos el método de descomposición del espectro en tareas de separación de voz cantada, bajo y percusión. En segundo lugar, proponemos varios métodos de alta latencia que mejoran la separación de la voz cantada, gracias al modelado de componentes que a menudo no se toman en cuenta, como la respiración y las consonantes. Finalmente, exploramos el uso de correlaciones temporales y anotaciones manuales para mejorar la separación de los instrumentos de percusión y señales musicales polifónicas complejas.This thesis proposes specific methods to address the limitations of current music source separation methods in low-latency and high-latency scenarios. First, we focus on methods with low computational cost and low latency. We propose the use of Tikhonov regularization as a method for spectrum decomposition in the low-latency context. We compare it to existing techniques in pitch estimation and tracking tasks, crucial steps in many separation methods. We then use the proposed spectrum decomposition method in low-latency separation tasks targeting singing voice, bass and drums. Second, we propose several high-latency methods that improve the separation of singing voice by modeling components that are often not accounted for, such as breathiness and consonants. Finally, we explore using temporal correlations and human annotations to enhance the separation of drums and complex polyphonic music signals

Singing information processing: techniques and applications

Por otro lado, se presenta un método para el cambio realista de intensidad de voz cantada. Esta transformación se basa en un modelo paramétrico de la envolvente espectral, y mejora sustancialmente la percepción de realismo al compararlo con software comerciales como Melodyne o Vocaloid. El inconveniente del enfoque propuesto es que requiere intervención manual, pero los resultados conseguidos arrojan importantes conclusiones hacia la modificación automática de intensidad con resultados realistas. Por último, se propone un método para la corrección de disonancias en acordes aislados. Se basa en un análisis de múltiples F0, y un desplazamiento de la frecuencia de su componente sinusoidal. La evaluación la ha realizado un grupo de músicos entrenados, y muestra un claro incremento de la consonancia percibida después de la transformación propuesta.La voz cantada es una componente esencial de la música en todas las culturas del mundo, ya que se trata de una forma increíblemente natural de expresión musical. En consecuencia, el procesado automático de voz cantada tiene un gran impacto desde la perspectiva de la industria, la cultura y la ciencia. En este contexto, esta Tesis contribuye con un conjunto variado de técnicas y aplicaciones relacionadas con el procesado de voz cantada, así como con un repaso del estado del arte asociado en cada caso. En primer lugar, se han comparado varios de los mejores estimadores de tono conocidos para el caso de uso de recuperación por tarareo. Los resultados demuestran que \cite{Boersma1993} (con un ajuste no obvio de parámetros) y \cite{Mauch2014}, tienen un muy buen comportamiento en dicho caso de uso dada la suavidad de los contornos de tono extraídos. Además, se propone un novedoso sistema de transcripción de voz cantada basada en un proceso de histéresis definido en tiempo y frecuencia, así como una herramienta para evaluación de voz cantada en Matlab. El interés del método propuesto es que consigue tasas de error cercanas al estado del arte con un método muy sencillo. La herramienta de evaluación propuesta, por otro lado, es un recurso útil para definir mejor el problema, y para evaluar mejor las soluciones propuestas por futuros investigadores. En esta Tesis también se presenta un método para evaluación automática de la interpretación vocal. Usa alineamiento temporal dinámico para alinear la interpretación del usuario con una referencia, proporcionando de esta forma una puntuación de precisión de afinación y de ritmo. La evaluación del sistema muestra una alta correlación entre las puntuaciones dadas por el sistema, y las puntuaciones anotadas por un grupo de músicos expertos

Audio-based event detection for sports video

In this paper, we present an audio-based event detection approach shown to be effective when applied to the Sports broadcast data. The main benefit of this approach is the ability to recognise patterns that indicate high levels of crowd response which can be correlated to key events. By applying Hidden Markov Model-based classifiers, where the predefined content classes are parameterised using Mel-Frequency Cepstral Coefficients, we were able to eliminate the need for defining a heuristic set of rules to determine event detection, thus avoiding a two-class approach shown not to be suitable for this problem. Experimentation indicated that this is an effective method for classifying crowd response in Soccer matches, thus providing a basis for automatic indexing and summarisation

Singing voice separation: a study on training data

In the recent years, singing voice separation systems showed increased performance due to the use of supervised training. The design of training datasets is known as a crucial factor in the performance of such systems. We investigate on how the characteristics of the training dataset impacts the separation performances of state-of-the-art singing voice separation algorithms. We show that the separation quality and diversity are two important and complementary assets of a good training dataset. We also provide insights on possible transforms to perform data augmentation for this task

Automatic annotation of musical audio for interactive applications

PhDAs machines become more and more portable, and part of our everyday life, it becomes apparent that developing interactive and ubiquitous systems is an important aspect of new music applications created by the research community. We are interested in developing a robust layer for the automatic annotation of audio signals, to be used in various applications, from music search engines to interactive installations, and in various contexts, from embedded devices to audio content servers. We propose adaptations of existing signal processing techniques to a real time context. Amongst these annotation techniques, we concentrate on low and mid-level tasks such as onset detection, pitch tracking, tempo extraction and note modelling. We present a framework to extract these annotations and evaluate the performances of different algorithms. The first task is to detect onsets and offsets in audio streams within short latencies. The segmentation of audio streams into temporal objects enables various manipulation and analysis of metrical structure. Evaluation of different algorithms and their adaptation to real time are described. We then tackle the problem of fundamental frequency estimation, again trying to reduce both the delay and the computational cost. Different algorithms are implemented for real time and experimented on monophonic recordings and complex signals. Spectral analysis can be used to label the temporal segments; the estimation of higher level descriptions is approached. Techniques for modelling of note objects and localisation of beats are implemented and discussed. Applications of our framework include live and interactive music installations, and more generally tools for the composers and sound engineers. Speed optimisations may bring a significant improvement to various automated tasks, such as automatic classification and recommendation systems. We describe the design of our software solution, for our research purposes and in view of its integration within other systems.EU-FP6-IST-507142 project SIMAC (Semantic Interaction with Music Audio Contents); EPSRC grants GR/R54620; GR/S75802/01