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

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

Pitch-Informed Solo and Accompaniment Separation

Das Thema dieser Dissertation ist die Entwicklung eines Systems zur Tonhöhen-informierten Quellentrennung von Musiksignalen in Soloinstrument und Begleitung. Dieses ist geeignet, die dominanten Instrumente aus einem Musikstück zu isolieren, unabhängig von der Art des Instruments, der Begleitung und Stilrichtung. Dabei werden nur einstimmige Melodieinstrumente in Betracht gezogen. Die Musikaufnahmen liegen monaural vor, es kann also keine zusätzliche Information aus der Verteilung der Instrumente im Stereo-Panorama gewonnen werden. Die entwickelte Methode nutzt Tonhöhen-Information als Basis für eine sinusoidale Modellierung der spektralen Eigenschaften des Soloinstruments aus dem Musikmischsignal. Anstatt die spektralen Informationen pro Frame zu bestimmen, werden in der vorgeschlagenen Methode Tonobjekte für die Separation genutzt. Tonobjekt-basierte Verarbeitung ermöglicht es, zusätzlich die Notenanfänge zu verfeinern, transiente Artefakte zu reduzieren, gemeinsame Amplitudenmodulation (Common Amplitude Modulation CAM) einzubeziehen und besser nichtharmonische Elemente der Töne abzuschätzen. Der vorgestellte Algorithmus zur Quellentrennung von Soloinstrument und Begleitung ermöglicht eine Echtzeitverarbeitung und ist somit relevant für den praktischen Einsatz. Ein Experiment zur besseren Modellierung der Zusammenhänge zwischen Magnitude, Phase und Feinfrequenz von isolierten Instrumententönen wurde durchgeführt. Als Ergebnis konnte die Kontinuität der zeitlichen Einhüllenden, die Inharmonizität bestimmter Musikinstrumente und die Auswertung des Phasenfortschritts für die vorgestellte Methode ausgenutzt werden. Zusätzlich wurde ein Algorithmus für die Quellentrennung in perkussive und harmonische Signalanteile auf Basis des Phasenfortschritts entwickelt. Dieser erreicht ein verbesserte perzeptuelle Qualität der harmonischen und perkussiven Signale gegenüber vergleichbaren Methoden nach dem Stand der Technik. Die vorgestellte Methode zur Klangquellentrennung in Soloinstrument und Begleitung wurde zu den Evaluationskampagnen SiSEC 2011 und SiSEC 2013 eingereicht. Dort konnten vergleichbare Ergebnisse im Hinblick auf perzeptuelle Bewertungsmaße erzielt werden. Die Qualität eines Referenzalgorithmus im Hinblick auf den in dieser Dissertation beschriebenen Instrumentaldatensatz übertroffen werden. Als ein Anwendungsszenario für die Klangquellentrennung in Solo und Begleitung wurde ein Hörtest durchgeführt, der die Qualitätsanforderungen an Quellentrennung im Kontext von Musiklernsoftware bewerten sollte. Die Ergebnisse dieses Hörtests zeigen, dass die Solo- und Begleitspur gemäß unterschiedlicher Qualitätskriterien getrennt werden sollten. Die Musiklernsoftware Songs2See integriert die vorgestellte Klangquellentrennung bereits in einer kommerziell erhältlichen Anwendung.This thesis addresses the development of a system for pitch-informed solo and accompaniment separation capable of separating main instruments from music accompaniment regardless of the musical genre of the track, or type of music accompaniment. For the solo instrument, only pitched monophonic instruments were considered in a single-channel scenario where no panning or spatial location information is available. In the proposed method, pitch information is used as an initial stage of a sinusoidal modeling approach that attempts to estimate the spectral information of the solo instrument from a given audio mixture. Instead of estimating the solo instrument on a frame by frame basis, the proposed method gathers information of tone objects to perform separation. Tone-based processing allowed the inclusion of novel processing stages for attack refinement, transient interference reduction, common amplitude modulation (CAM) of tone objects, and for better estimation of non-harmonic elements that can occur in musical instrument tones. The proposed solo and accompaniment algorithm is an efficient method suitable for real-world applications. A study was conducted to better model magnitude, frequency, and phase of isolated musical instrument tones. As a result of this study, temporal envelope smoothness, inharmonicty of musical instruments, and phase expectation were exploited in the proposed separation method. Additionally, an algorithm for harmonic/percussive separation based on phase expectation was proposed. The algorithm shows improved perceptual quality with respect to state-of-the-art methods for harmonic/percussive separation. The proposed solo and accompaniment method obtained perceptual quality scores comparable to other state-of-the-art algorithms under the SiSEC 2011 and SiSEC 2013 campaigns, and outperformed the comparison algorithm on the instrumental dataset described in this thesis.As a use-case of solo and accompaniment separation, a listening test procedure was conducted to assess separation quality requirements in the context of music education. Results from the listening test showed that solo and accompaniment tracks should be optimized differently to suit quality requirements of music education. The Songs2See application was presented as commercial music learning software which includes the proposed solo and accompaniment separation method

Principled methods for mixtures processing

This document is my thesis for getting the habilitation à diriger des recherches, which is the french diploma that is required to fully supervise Ph.D. students. It summarizes the research I did in the last 15 years and also provides the short­term research directions and applications I want to investigate. Regarding my past research, I first describe the work I did on probabilistic audio modeling, including the separation of Gaussian and α­stable stochastic processes. Then, I mention my work on deep learning applied to audio, which rapidly turned into a large effort for community service. Finally, I present my contributions in machine learning, with some works on hardware compressed sensing and probabilistic generative models.My research programme involves a theoretical part that revolves around probabilistic machine learning, and an applied part that concerns the processing of time series arising in both audio and life sciences

Bayesian methods in music modelling

This thesis presents several hierarchical generative Bayesian models of musical signals designed to improve the accuracy of existing multiple pitch detection systems and other musical signal processing applications whilst remaining feasible for real-time computation. At the lowest level the signal is modelled as a set of overlapping sinusoidal basis functions. The parameters of these basis functions are built into a prior framework based on principles known from musical theory and the physics of musical instruments. The model of a musical note optionally includes phenomena such as frequency and amplitude modulations, damping, volume, timbre and inharmonicity. The occurrence of note onsets in a performance of a piece of music is controlled by an underlying tempo process and the alignment of the timings to the underlying score of the music. A variety of applications are presented for these models under differing inference constraints. Where full Bayesian inference is possible, reversible-jump Markov Chain Monte Carlo is employed to estimate the number of notes and partial frequency components in each frame of music. We also use approximate techniques such as model selection criteria and variational Bayes methods for inference in situations where computation time is limited or the amount of data to be processed is large. For the higher level score parameters, greedy search and conditional modes algorithms are found to be sufficiently accurate. We emphasize the links between the models and inference algorithms developed in this thesis with that in existing and parallel work, and demonstrate the effects of making modifications to these models both theoretically and by means of experimental results

Fusion pour la séparation de sources audio

Underdetermined blind source separation is a complex mathematical problem that can be satisfyingly resolved for some practical applications, providing that the right separation method has been selected and carefully tuned. In order to automate this selection process, we propose in this thesis to resort to the principle of fusion which has been widely used in the related field of classification yet is still marginally exploited in source separation. Fusion consists in combining several methods to solve a given problem instead of selecting a unique one. To do so, we introduce a general fusion framework in which a source estimate is expressed as a linear combination of estimates of this same source given by different separation algorithms, each source estimate being weighted by a fusion coefficient. For a given task, fusion coefficients can then be learned on a representative training dataset by minimizing a cost function related to the separation objective. To go further, we also propose two ways to adapt the fusion coefficients to the mixture to be separated. The first one expresses the fusion of several non-negative matrix factorization (NMF) models in a Bayesian fashion similar to Bayesian model averaging. The second one aims at learning time-varying fusion coefficients thanks to deep neural networks. All proposed methods have been evaluated on two distinct corpora. The first one is dedicated to speech enhancement while the other deals with singing voice extraction. Experimental results show that fusion always outperform simple selection in all considered cases, best results being obtained by adaptive time-varying fusion with neural networks.La séparation aveugle de sources audio dans le cas sous-déterminé est un problème mathématique complexe dont il est aujourd'hui possible d'obtenir une solution satisfaisante, à condition de sélectionner la méthode la plus adaptée au problème posé et de savoir paramétrer celle-ci soigneusement. Afin d'automatiser cette étape de sélection déterminante, nous proposons dans cette thèse de recourir au principe de fusion. L'idée est simple : il s'agit, pour un problème donné, de sélectionner plusieurs méthodes de résolution plutôt qu'une seule et de les combiner afin d'en améliorer la solution. Pour cela, nous introduisons un cadre général de fusion qui consiste à formuler l'estimée d'une source comme la combinaison de plusieurs estimées de cette même source données par différents algorithmes de séparation, chaque estimée étant pondérée par un coefficient de fusion. Ces coefficients peuvent notamment être appris sur un ensemble d'apprentissage représentatif du problème posé par minimisation d'une fonction de coût liée à l'objectif de séparation. Pour aller plus loin, nous proposons également deux approches permettant d'adapter les coefficients de fusion au signal à séparer. La première formule la fusion dans un cadre bayésien, à la manière du moyennage bayésien de modèles. La deuxième exploite les réseaux de neurones profonds afin de déterminer des coefficients de fusion variant en temps. Toutes ces approches ont été évaluées sur deux corpus distincts : l'un dédié au rehaussement de la parole, l'autre dédié à l'extraction de voix chantée. Quelle que soit l'approche considérée, nos résultats montrent l'intérêt systématique de la fusion par rapport à la simple sélection, la fusion adaptative par réseau de neurones se révélant être la plus performante