Spatial dissection of a soundfield using spherical harmonic decomposition

A real-world soundfield is often contributed by multiple desired and undesired sound sources. The performance of many acoustic systems such as automatic speech recognition, audio surveillance, and teleconference relies on its ability to extract the desired sound components in such a mixed environment. The existing solutions to the above problem are constrained by various fundamental limitations and require to enforce different priors depending on the acoustic condition such as reverberation and spatial distribution of sound sources. With the growing emphasis and integration of audio applications in diverse technologies such as smart home and virtual reality appliances, it is imperative to advance the source separation technology in order to overcome the limitations of the traditional approaches. To that end, we exploit the harmonic decomposition model to dissect a mixed soundfield into its underlying desired and undesired components based on source and signal characteristics. By analysing the spatial projection of a soundfield, we achieve multiple outcomes such as (i) soundfield separation with respect to distinct source regions, (ii) source separation in a mixed soundfield using modal coherence model, and (iii) direction of arrival (DOA) estimation of multiple overlapping sound sources through pattern recognition of the modal coherence of a soundfield. We first employ an array of higher order microphones for soundfield separation in order to reduce hardware requirement and implementation complexity. Subsequently, we develop novel mathematical models for modal coherence of noisy and reverberant soundfields that facilitate convenient ways for estimating DOA and power spectral densities leading to robust source separation algorithms. The modal domain approach to the soundfield/source separation allows us to circumvent several practical limitations of the existing techniques and enhance the performance and robustness of the system. The proposed methods are presented with several practical applications and performance evaluations using simulated and real-life dataset

DNN-Based Source Enhancement to Increase Objective Sound Quality Assessment Score

We propose a training method for deep neural network (DNN)-based source enhancement to increase objective sound quality assessment (OSQA) scores such as the perceptual evaluation of speech quality (PESQ). In many conventional studies, DNNs have been used as a mapping function to estimate time-frequency masks and trained to minimize an analytically tractable objective function such as the mean squared error (MSE). Since OSQA scores have been used widely for soundquality evaluation, constructing DNNs to increase OSQA scores would be better than using the minimum-MSE to create highquality output signals. However, since most OSQA scores are not analytically tractable, i.e., they are black boxes, the gradient of the objective function cannot be calculated by simply applying back-propagation. To calculate the gradient of the OSQA-based objective function, we formulated a DNN optimization scheme on the basis of black-box optimization, which is used for training a computer that plays a game. For a black-box-optimization scheme, we adopt the policy gradient method for calculating the gradient on the basis of a sampling algorithm. To simulate output signals using the sampling algorithm, DNNs are used to estimate the probability-density function of the output signals that maximize OSQA scores. The OSQA scores are calculated from the simulated output signals, and the DNNs are trained to increase the probability of generating the simulated output signals that achieve high OSQA scores. Through several experiments, we found that OSQA scores significantly increased by applying the proposed method, even though the MSE was not minimized

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

Implementation and evaluation of a low complexity microphone array for speaker recognition

Includes bibliographical references (leaves 83-86).This thesis discusses the application of a microphone array employing a noise canceling beamforming technique for improving the robustness of speaker recognition systems in a diffuse noise field

System approach to robust acoustic echo cancellation through semi-blind source separation based on independent component analysis

We live in a dynamic world full of noises and interferences. The conventional acoustic echo cancellation (AEC) framework based on the least mean square (LMS) algorithm by itself lacks the ability to handle many secondary signals that interfere with the adaptive filtering process, e.g., local speech and background noise. In this dissertation, we build a foundation for what we refer to as the system approach to signal enhancement as we focus on the AEC problem. We first propose the residual echo enhancement (REE) technique that utilizes the error recovery nonlinearity (ERN) to "enhances" the filter estimation error prior to the filter adaptation. The single-channel AEC problem can be viewed as a special case of semi-blind source separation (SBSS) where one of the source signals is partially known, i.e., the far-end microphone signal that generates the near-end acoustic echo. SBSS optimized via independent component analysis (ICA) leads to the system combination of the LMS algorithm with the ERN that allows for continuous and stable adaptation even during double talk. Second, we extend the system perspective to the decorrelation problem for AEC, where we show that the REE procedure can be applied effectively in a multi-channel AEC (MCAEC) setting to indirectly assist the recovery of lost AEC performance due to inter-channel correlation, known generally as the "non-uniqueness" problem. We develop a novel, computationally efficient technique of frequency-domain resampling (FDR) that effectively alleviates the non-uniqueness problem directly while introducing minimal distortion to signal quality and statistics. We also apply the system approach to the multi-delay filter (MDF) that suffers from the inter-block correlation problem. Finally, we generalize the MCAEC problem in the SBSS framework and discuss many issues related to the implementation of an SBSS system. We propose a constrained batch-online implementation of SBSS that stabilizes the convergence behavior even in the worst case scenario of a single far-end talker along with the non-uniqueness condition on the far-end mixing system. The proposed techniques are developed from a pragmatic standpoint, motivated by real-world problems in acoustic and audio signal processing. Generalization of the orthogonality principle to the system level of an AEC problem allows us to relate AEC to source separation that seeks to maximize the independence, hence implicitly the orthogonality, not only between the error signal and the far-end signal, but rather, among all signals involved. The system approach, for which the REE paradigm is just one realization, enables the encompassing of many traditional signal enhancement techniques in analytically consistent yet practically effective manner for solving the enhancement problem in a very noisy and disruptive acoustic mixing environment.PhDCommittee Chair: Biing-Hwang Juang; Committee Member: Brani Vidakovic; Committee Member: David V. Anderson; Committee Member: Jeff S. Shamma; Committee Member: Xiaoli M

A fast EM algorithm for Gaussian model-based source separation

International audienceWe consider the FASST framework for audio source separation, which models the sources by full-rank spatial covariance matrices and multilevel nonnegative matrix factorization (NMF) spectra. The computational cost of the expectation-maximization (EM) algorithm in [1] greatly increases with the number of channels. We present alternative EM updates using discrete hidden variables which exhibit a smaller cost. We evaluate the results on mixtures of speech and real-world environmental noise taken from our DEMAND database. The proposed algorithm is several orders of magnitude faster and it provides better separation quality for two-channel mixtures in low input signal-to-noise ratio (iSNR) conditions