Single- and multi-microphone speech dereverberation using spectral enhancement

In speech communication systems, such as voice-controlled systems, hands-free mobile telephones, and hearing aids, the received microphone signals are degraded by room reverberation, background noise, and other interferences. This signal degradation may lead to total unintelligibility of the speech and decreases the performance of automatic speech recognition systems. In the context of this work reverberation is the process of multi-path propagation of an acoustic sound from its source to one or more microphones. The received microphone signal generally consists of a direct sound, reflections that arrive shortly after the direct sound (commonly called early reverberation), and reflections that arrive after the early reverberation (commonly called late reverberation). Reverberant speech can be described as sounding distant with noticeable echo and colouration. These detrimental perceptual effects are primarily caused by late reverberation, and generally increase with increasing distance between the source and microphone. Conversely, early reverberations tend to improve the intelligibility of speech. In combination with the direct sound it is sometimes referred to as the early speech component. Reduction of the detrimental effects of reflections is evidently of considerable practical importance, and is the focus of this dissertation. More specifically the dissertation deals with dereverberation techniques, i.e., signal processing techniques to reduce the detrimental effects of reflections. In the dissertation, novel single- and multimicrophone speech dereverberation algorithms are developed that aim at the suppression of late reverberation, i.e., at estimation of the early speech component. This is done via so-called spectral enhancement techniques that require a specific measure of the late reverberant signal. This measure, called spectral variance, can be estimated directly from the received (possibly noisy) reverberant signal(s) using a statistical reverberation model and a limited amount of a priori knowledge about the acoustic channel(s) between the source and the microphone(s). In our work an existing single-channel statistical reverberation model serves as a starting point. The model is characterized by one parameter that depends on the acoustic characteristics of the environment. We show that the spectral variance estimator that is based on this model, can only be used when the source-microphone distance is larger than the so-called critical distance. This is, crudely speaking, the distance where the direct sound power is equal to the total reflective power. A generalization of the statistical reverberation model in which the direct sound is incorporated is developed. This model requires one additional parameter that is related to the ratio between the direct sound energy and the sound energy of all reflections. The generalized model is used to derive a novel spectral variance estimator. When the novel estimator is used for dereverberation rather than the existing estimator, and the source-microphone distance is smaller than the critical distance, the dereverberation performance is significantly increased. Single-microphone systems only exploit the temporal and spectral diversity of the received signal. Reverberation, of course, also induces spatial diversity. To additionally exploit this diversity, multiple microphones must be used, and their outputs must be combined by a suitable spatial processor such as the so-called delay and sum beamformer. It is not a priori evident whether spectral enhancement is best done before or after the spatial processor. For this reason we investigate both possibilities, as well as a merge of the spatial processor and the spectral enhancement technique. An advantage of the latter option is that the spectral variance estimator can be further improved. Our experiments show that the use of multiple microphones affords a significant improvement of the perceptual speech quality. The applicability of the theory developed in this dissertation is demonstrated using a hands-free communication system. Since hands-free systems are often used in a noisy and reverberant environment, the received microphone signal does not only contain the desired signal but also interferences such as room reverberation that is caused by the desired source, background noise, and a far-end echo signal that results from a sound that is produced by the loudspeaker. Usually an acoustic echo canceller is used to cancel the far-end echo. Additionally a post-processor is used to suppress background noise and residual echo, i.e., echo which could not be cancelled by the echo canceller. In this work a novel structure and post-processor for an acoustic echo canceller are developed. The post-processor suppresses late reverberation caused by the desired source, residual echo, and background noise. The late reverberation and late residual echo are estimated using the generalized statistical reverberation model. Experimental results convincingly demonstrate the benefits of the proposed system for suppressing late reverberation, residual echo and background noise. The proposed structure and post-processor have a low computational complexity, a highly modular structure, can be seamlessly integrated into existing hands-free communication systems, and affords a significant increase of the listening comfort and speech intelligibility

Distributed Microphone Array System for Two-way Audio Communication

Tässä työssä esitellään hajautettu mikrofoniryhmäjärjestelmä kahdensuuntaisessa äänikommunikaatiossa. Järjestelmän tavoitteena on paikallistaa hallitseva puhuja ja tallentaa puhesignaali mahdollisimman korkealaatuisesti. Työssä esiteltävässä järjestelmässä jokainen mikrofoniryhmä toimii polynomirakenteella parametrisoituna keilanmuodostajana (PBF), joka mahdollistaa jatkuvan keilanohjauksen. Hallitsevan puhelähteen suunta päätellään PBF:n jokaisen keilan ulostulotehoista. Lopuksi yhdistämällä jokaisen PBF:n kaikkien keilojen ulostulotehot muodostetaan avaruudellinen todennäköisyysfunktio (SLF), jonka suurin arvo määrää puhujan paikan. Puhesignaali tallennetaan ohjaamalla puhujaa lähinnä olevan PBF:n keila puhujan suuntaan. Tässä työssä esiteltävän järjestelmän toiminta arvioitiin simuloidulla ja mitatulla datalla. Arvionti näyttää, että toteutettu järjestelmä pystyy paikallistamaan puhujan noin 40 cm paikannustarkkuudella ja järjestelmä vaimentaa muista suunnista tulevia häiriölähteitä noin 15 dB. Lopuksi järjestelmä toteutettiin reaaliakaisena systeeminä Pure Data signaalinkäsittelyympäristössä.In this work a distributed microphone array system for two-way audio communication is presented. The goal of the system is to locate the dominant speaker and capture the speech signal with highest possible quality. In the presented system each microphone array works as a Polynomial Beamformer (PBF) thus enabling continuous beam steering. The output power of each PBF beam is used to determine the direction of the dominant speech source. Finally, a Spatial Likelihood Function (SLF) is formed by combining the output beam powers of each microphone array and the speaker is determined to be in the point that has highest value of SLF. The audio signal capture is done by steering the closest microphone array to the direction of the speaker. The presented audio capture front-end was evaluated with simulated and measured data. The evaluation shows that the implemented system gives approximately 40 cm localization accuracy and 15 dB attenuation of interference sources. Finally the system was implemented to run in real-time in the Pure Data signal processing environment

Adaptive Algorithms for Intelligent Acoustic Interfaces

Modern speech communications are evolving towards a new direction which involves users in a more perceptive way. That is the immersive experience, which may be considered as the “last-mile” problem of telecommunications. One of the main feature of immersive communications is the distant-talking, i.e. the hands-free (in the broad sense) speech communications without bodyworn or tethered microphones that takes place in a multisource environment where interfering signals may degrade the communication quality and the intelligibility of the desired speech source. In order to preserve speech quality intelligent acoustic interfaces may be used. An intelligent acoustic interface may comprise multiple microphones and loudspeakers and its peculiarity is to model the acoustic channel in order to adapt to user requirements and to environment conditions. This is the reason why intelligent acoustic interfaces are based on adaptive filtering algorithms. The acoustic path modelling entails a set of problems which have to be taken into account in designing an adaptive filtering algorithm. Such problems may be basically generated by a linear or a nonlinear process and can be tackled respectively by linear or nonlinear adaptive algorithms. In this work we consider such modelling problems and we propose novel effective adaptive algorithms that allow acoustic interfaces to be robust against any interfering signals, thus preserving the perceived quality of desired speech signals. As regards linear adaptive algorithms, a class of adaptive filters based on the sparse nature of the acoustic impulse response has been recently proposed. We adopt such class of adaptive filters, named proportionate adaptive filters, and derive a general framework from which it is possible to derive any linear adaptive algorithm. Using such framework we also propose some efficient proportionate adaptive algorithms, expressly designed to tackle problems of a linear nature. On the other side, in order to address problems deriving from a nonlinear process, we propose a novel filtering model which performs a nonlinear transformations by means of functional links. Using such nonlinear model, we propose functional link adaptive filters which provide an efficient solution to the modelling of a nonlinear acoustic channel. Finally, we introduce robust filtering architectures based on adaptive combinations of filters that allow acoustic interfaces to more effectively adapt to environment conditions, thus providing a powerful mean to immersive speech communications

Adaptive Algorithms for Intelligent Acoustic Interfaces

Modern speech communications are evolving towards a new direction which involves users in a more perceptive way. That is the immersive experience, which may be considered as the “last-mile” problem of telecommunications. One of the main feature of immersive communications is the distant-talking, i.e. the hands-free (in the broad sense) speech communications without bodyworn or tethered microphones that takes place in a multisource environment where interfering signals may degrade the communication quality and the intelligibility of the desired speech source. In order to preserve speech quality intelligent acoustic interfaces may be used. An intelligent acoustic interface may comprise multiple microphones and loudspeakers and its peculiarity is to model the acoustic channel in order to adapt to user requirements and to environment conditions. This is the reason why intelligent acoustic interfaces are based on adaptive filtering algorithms. The acoustic path modelling entails a set of problems which have to be taken into account in designing an adaptive filtering algorithm. Such problems may be basically generated by a linear or a nonlinear process and can be tackled respectively by linear or nonlinear adaptive algorithms. In this work we consider such modelling problems and we propose novel effective adaptive algorithms that allow acoustic interfaces to be robust against any interfering signals, thus preserving the perceived quality of desired speech signals. As regards linear adaptive algorithms, a class of adaptive filters based on the sparse nature of the acoustic impulse response has been recently proposed. We adopt such class of adaptive filters, named proportionate adaptive filters, and derive a general framework from which it is possible to derive any linear adaptive algorithm. Using such framework we also propose some efficient proportionate adaptive algorithms, expressly designed to tackle problems of a linear nature. On the other side, in order to address problems deriving from a nonlinear process, we propose a novel filtering model which performs a nonlinear transformations by means of functional links. Using such nonlinear model, we propose functional link adaptive filters which provide an efficient solution to the modelling of a nonlinear acoustic channel. Finally, we introduce robust filtering architectures based on adaptive combinations of filters that allow acoustic interfaces to more effectively adapt to environment conditions, thus providing a powerful mean to immersive speech communications

Audio source separation into the wild

International audienceThis review chapter is dedicated to multichannel audio source separation in real-life environment. We explore some of the major achievements in the field and discuss some of the remaining challenges. We will explore several important practical scenarios, e.g. moving sources and/or microphones, varying number of sources and sensors, high reverberation levels, spatially diffuse sources, and synchronization problems. Several applications such as smart assistants, cellular phones, hearing aids and robots, will be discussed. Our perspectives on the future of the field will be given as concluding remarks of this chapter

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

Spatio-Temporal Analysis of Spontaneous Speech with Microphone Arrays

Accurate detection, localization and tracking of multiple moving speakers permits a wide spectrum of applications. Techniques are required that are versatile, robust to environmental variations, and not constraining for non-technical end-users. Based on distant recording of spontaneous multiparty conversations, this thesis focuses on the use of microphone arrays to address the question Who spoke where and when?. The speed, the versatility and the robustness of the proposed techniques are tested on a variety of real indoor recordings, including multiple moving speakers as well as seated speakers in meetings. Optimized implementations are provided in most cases. We propose to discretize the physical space into a few sectors, and for each time frame, to determine which sectors contain active acoustic sources (Where? When?). A topological interpretation of beamforming is proposed, which permits both to evaluate the average acoustic energy in a sector for a negligible cost, and to locate precisely a speaker within an active sector. One additional contribution that goes beyond the eld of microphone arrays is a generic, automatic threshold selection method, which does not require any training data. On the speaker detection task, the new approach is dramatically superior to the more classical approach where a threshold is set on training data. We use the new approach into an integrated system for multispeaker detection-localization. Another generic contribution is a principled, threshold-free, framework for short-term clustering of multispeaker location estimates, which also permits to detect where and when multiple trajectories intersect. On multi-party meeting recordings, using distant microphones only, short-term clustering yields a speaker segmentation performance similar to that of close-talking microphones. The resulting short speech segments are then grouped into speaker clusters (Who?), through an extension of the Bayesian Information Criterion to merge multiple modalities. On meeting recordings, the speaker clustering performance is signicantly improved by merging the classical mel-cepstrum information with the short-term speaker location information. Finally, a close analysis of the speaker clustering results suggests that future research should investigate the effect of human acoustic radiation characteristics on the overall transmission channel, when a speaker is a few meters away from a microphone