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

Exploiting Nonlinear Recurrence and Fractal Scaling Properties for Voice Disorder Detection

Background: Voice disorders affect patients profoundly, and acoustic tools can potentially measure voice function objectively. Disordered sustained vowels exhibit wide-ranging phenomena, from nearly periodic to highly complex, aperiodic vibrations, and increased "breathiness". Modelling and surrogate data studies have shown significant nonlinear and non-Gaussian random properties in these sounds. Nonetheless, existing tools are limited to analysing voices displaying near periodicity, and do not account for this inherent biophysical nonlinearity and non-Gaussian randomness, often using linear signal processing methods insensitive to these properties. They do not directly measure the two main biophysical symptoms of disorder: complex nonlinear aperiodicity, and turbulent, aeroacoustic, non-Gaussian randomness. Often these tools cannot be applied to more severe disordered voices, limiting their clinical usefulness.

Methods: This paper introduces two new tools to speech analysis: recurrence and fractal scaling, which overcome the range limitations of existing tools by addressing directly these two symptoms of disorder, together reproducing a "hoarseness" diagram. A simple bootstrapped classifier then uses these two features to distinguish normal from disordered voices.

Results: On a large database of subjects with a wide variety of voice disorders, these new techniques can distinguish normal from disordered cases, using quadratic discriminant analysis, to overall correct classification performance of 91.8% plus or minus 2.0%. The true positive classification performance is 95.4% plus or minus 3.2%, and the true negative performance is 91.5% plus or minus 2.3% (95% confidence). This is shown to outperform all combinations of the most popular classical tools.

Conclusions: Given the very large number of arbitrary parameters and computational complexity of existing techniques, these new techniques are far simpler and yet achieve clinically useful classification performance using only a basic classification technique. They do so by exploiting the inherent nonlinearity and turbulent randomness in disordered voice signals. They are widely applicable to the whole range of disordered voice phenomena by design. These new measures could therefore be used for a variety of practical clinical purposes.
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