Analysis of very low quality speech for mask-based enhancement

The complexity of the speech enhancement problem has motivated many different solutions. However, most techniques address situations in which the target speech is fully intelligible and the background noise energy is low in comparison with that of the speech. Thus while current enhancement algorithms can improve the perceived quality, the intelligibility of the speech is not increased significantly and may even be reduced. Recent research shows that intelligibility of very noisy speech can be improved by the use of a binary mask, in which a binary weight is applied to each time-frequency bin of the input spectrogram. There are several alternative goals for the binary mask estimator, based either on the Signal-to-Noise Ratio (SNR) of each time-frequency bin or on the speech signal characteristics alone. Our approach to the binary mask estimation problem aims to preserve the important speech cues independently of the noise present by identifying time-frequency regions that contain significant speech energy. The speech power spectrum varies greatly for different types of speech sound. The energy of voiced speech sounds is concentrated in the harmonics of the fundamental frequency while that of unvoiced sounds is, in contrast, distributed across a broad range of frequencies. To identify the presence of speech energy in a noisy speech signal we have therefore developed two detection algorithms. The first is a robust algorithm that identifies voiced speech segments and estimates their fundamental frequency. The second detects the presence of sibilants and estimates their energy distribution. In addition, we have developed a robust algorithm to estimate the active level of the speech. The outputs of these algorithms are combined with other features estimated from the noisy speech to form the input to a classifier which estimates a mask that accurately reflects the time-frequency distribution of speech energy even at low SNR levels. We evaluate a mask-based speech enhancer on a range of speech and noise signals and demonstrate a consistent increase in an objective intelligibility measure with respect to noisy speech.Open Acces

SEGREGATION OF SPEECH SIGNALS IN NOISY ENVIRONMENTS

Automatic segregation of overlapping speech signals from single-channel recordings is a challenging problem in speech processing. Similarly, the problem of extracting speech signals from noisy speech is a problem that has attracted a variety of research for several years but is still unsolved. Speech extraction from noisy speech mixtures where the background interference could be either speech or noise is especially difficult when the task is to preserve perceptually salient properties of the recovered acoustic signals for use in human communication. In this work, we propose a speech segregation algorithm that can simultaneously deal with both background noise as well as interfering speech. We propose a feature-based, bottom-up algorithm which makes no assumptions about the nature of the interference or does not rely on any prior trained source models for speech extraction. As such, the algorithm should be applicable for a wide variety of problems, and also be useful for human communication since an aim of the system is to recover the target speech signals in the acoustic domain. The proposed algorithm can be compartmentalized into (1) a multi-pitch detection stage which extracts the pitch of the participating speakers, (2) a segregation stage which teases apart the harmonics of the participating sources, (3) a reliability and add-back stage which scales the estimates based on their reliability and adds back appropriate amounts of aperiodic energy for the unvoiced regions of speech and (4) a speaker assignment stage which assigns the extracted speech signals to their appropriate respective sources. The pitch of two overlapping speakers is extracted using a novel feature, the 2-D Average Magnitude Difference Function, which is also capable of giving a single pitch estimate when the input contains only one speaker. The segregation algorithm is based on a least squares framework relying on the estimated pitch values to give estimates of each speaker's contributions to the mixture. The reliability block is based on a non-linear function of the energy of the estimates, this non-linear function having been learnt from a variety of speech and noise data but being very generic in nature and applicability to different databases. With both single- and multiple- pitch extraction and segregation capabilities, the proposed algorithm is amenable to both speech-in-speech and speech-in-noise conditions. The algorithm is evaluated on several objective and subjective tests using both speech and noise interference from different databases. The proposed speech segregation system demonstrates performance comparable to or better than the state-of-the-art on most of the objective tasks. Subjective tests on the speech signals reconstructed by the algorithm, on normal hearing as well as users of hearing aids, indicate a significant improvement in the perceptual quality of the speech signal after being processed by our proposed algorithm, and suggest that the proposed segregation algorithm can be used as a pre-processing block within the signal processing of communication devices. The utility of the algorithm for both perceptual and automatic tasks, based on a single-channel solution, makes it a unique speech extraction tool and a first of its kind in contemporary technology

Studies on noise robust automatic speech recognition

Noise in everyday acoustic environments such as cars, traffic environments, and cafeterias remains one of the main challenges in automatic speech recognition (ASR). As a research theme, it has received wide attention in conferences and scientific journals focused on speech technology. This article collection reviews both the classic and novel approaches suggested for noise robust ASR. The articles are literature reviews written for the spring 2009 seminar course on noise robust automatic speech recognition (course code T-61.6060) held at TKK

Co-Localization of Audio Sources in Images Using Binaural Features and Locally-Linear Regression

This paper addresses the problem of localizing audio sources using binaural measurements. We propose a supervised formulation that simultaneously localizes multiple sources at different locations. The approach is intrinsically efficient because, contrary to prior work, it relies neither on source separation, nor on monaural segregation. The method starts with a training stage that establishes a locally-linear Gaussian regression model between the directional coordinates of all the sources and the auditory features extracted from binaural measurements. While fixed-length wide-spectrum sounds (white noise) are used for training to reliably estimate the model parameters, we show that the testing (localization) can be extended to variable-length sparse-spectrum sounds (such as speech), thus enabling a wide range of realistic applications. Indeed, we demonstrate that the method can be used for audio-visual fusion, namely to map speech signals onto images and hence to spatially align the audio and visual modalities, thus enabling to discriminate between speaking and non-speaking faces. We release a novel corpus of real-room recordings that allow quantitative evaluation of the co-localization method in the presence of one or two sound sources. Experiments demonstrate increased accuracy and speed relative to several state-of-the-art methods.Comment: 15 pages, 8 figure

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

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