Control of feedback for assistive listening devices

Acoustic feedback refers to the undesired acoustic coupling between the loudspeaker and microphone in hearing aids. This feedback channel poses limitations to the normal operation of hearing aids under varying acoustic scenarios. This work makes contributions to improve the performance of adaptive feedback cancellation techniques and speech quality in hearing aids. For this purpose a two microphone approach is proposed and analysed; and probe signal injection methods are also investigated and improved upon

Learning-Based Reference-Free Speech Quality Assessment for Normal Hearing and Hearing Impaired Applications

Accurate speech quality measures are highly attractive and beneficial in the design, fine-tuning, and benchmarking of speech processing algorithms, devices, and communication systems. Switching from narrowband telecommunication to wideband telephony is a change within the telecommunication industry which provides users with better speech quality experience but introduces a number of challenges in speech processing. Noise is the most common distortion on audio signals and as a result there have been a lot of studies on developing high performance noise reduction algorithms. Assistive hearing devices are designed to decrease communication difficulties for people with loss of hearing. As the algorithms within these devices become more advanced, it becomes increasingly crucial to develop accurate and robust quality metrics to assess their performance. Objective speech quality measurements are more attractive compared to subjective assessments as they are cost-effective and subjective variability is eliminated. Although there has been extensive research on objective speech quality evaluation for narrowband speech, those methods are unsuitable for wideband telephony. In the case of hearing-impaired applications, objective quality assessment is challenging as it has to be capable of distinguishing between desired modifications which make signals audible and undesired artifacts. In this thesis a model is proposed that allows extracting two sets of features from the distorted signal only. This approach which is called reference-free (nonintrusive) assessment is attractive as it does not need access to the reference signal. Although this benefit makes nonintrusive assessments suitable for real-time applications, more features need to be extracted and smartly combined to provide comparable accuracy as intrusive metrics. Two feature vectors are proposed to extract information from distorted signals and their performance is examined in three studies. In the first study, both feature vectors are trained on various portions of a noise reduction database for normal hearing applications. In the second study, the same investigation is performed on two sets of databases acquired through several hearing aids. Third study examined the generalizability of the proposed metrics on benchmarking four wireless remote microphones in a variety of environmental conditions. Machine learning techniques are deployed for training the models in the three studies. The studies show that one of the feature sets is robust when trained on different portions of the data from different databases and it also provides good quality prediction accuracy for both normal hearing and hearing-impaired applications

Doctor of Philosophy

dissertationHearing aids suffer from the problem of acoustic feedback that limits the gain provided by hearing aids. Moreover, the output sound quality of hearing aids may be compromised in the presence of background acoustic noise. Digital hearing aids use advanced signal processing to reduce acoustic feedback and background noise to improve the output sound quality. However, it is known that the output sound quality of digital hearing aids deteriorates as the hearing aid gain is increased. Furthermore, popular subband or transform domain digital signal processing in modern hearing aids introduces analysis-synthesis delays in the forward path. Long forward-path delays are not desirable because the processed sound combines with the unprocessed sound that arrives at the cochlea through the vent and changes the sound quality. In this dissertation, we employ a variable, frequency-dependent gain function that is lower at frequencies of the incoming signal where the information is perceptually insignificant. In addition, the method of this dissertation automatically identifies and suppresses residual acoustical feedback components at frequencies that have the potential to drive the system to instability. The suppressed frequency components are monitored and the suppression is removed when such frequencies no longer pose a threat to drive the hearing aid system into instability. Together, the method of this dissertation provides more stable gain over traditional methods by reducing acoustical coupling between the microphone and the loudspeaker of a hearing aid. In addition, the method of this dissertation performs necessary hearing aid signal processing with low-delay characteristics. The central idea for the low-delay hearing aid signal processing is a spectral gain shaping method (SGSM) that employs parallel parametric equalization (EQ) filters. Parameters of the parametric EQ filters and associated gain values are selected using a least-squares approach to obtain the desired spectral response. Finally, the method of this dissertation switches to a least-squares adaptation scheme with linear complexity at the onset of howling. The method adapts to the altered feedback path quickly and allows the patient to not lose perceivable information. The complexity of the least-squares estimate is reduced by reformulating the least-squares estimate into a Toeplitz system and solving it with a direct Toeplitz solver. The increase in stable gain over traditional methods and the output sound quality were evaluated with psychoacoustic experiments on normal-hearing listeners with speech and music signals. The results indicate that the method of this dissertation provides 8 to 12 dB more hearing aid gain than feedback cancelers with traditional fixed gain functions. Furthermore, experimental results obtained with real world hearing aid gain profiles indicate that the method of this dissertation provides less distortion in the output sound quality than classical feedback cancelers, enabling the use of more comfortable style hearing aids for patients with moderate to profound hearing loss. Extensive MATLAB simulations and subjective evaluations of the results indicate that the method of this dissertation exhibits much smaller forward-path delays with superior howling suppression capability

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

Two-microphone spatial filtering provides speech reception benefits for cochlear implant users in difficult acoustic environments

This article introduces and provides an assessment of a spatial-filtering algorithm based on two closely-spaced (∼1 cm) microphones in a behind-the-ear shell. The evaluated spatial-filtering algorithm used fast (∼10 ms) temporal-spectral analysis to determine the location of incoming sounds and to enhance sounds arriving from straight ahead of the listener. Speech reception thresholds (SRTs) were measured for eight cochlear implant (CI) users using consonant and vowel materials under three processing conditions: An omni-directional response, a dipole-directional response, and the spatial-filtering algorithm. The background noise condition used three simultaneous time-reversed speech signals as interferers located at 90°, 180°, and 270°. Results indicated that the spatial-filtering algorithm can provide speech reception benefits of 5.8 to 10.7 dB SRT compared to an omni-directional response in a reverberant room with multiple noise sources. Given the observed SRT benefits, coupled with an efficient design, the proposed algorithm is promising as a CI noise-reduction solution.National Institutes of Health (U.S.) (Grant R01 DC 000117)National Institutes of Health (U.S.) (Grant R01 DC DC7152)National Institutes of Health (U.S.) (Grant 2R44DC010524-02

Communications Biophysics

Contains research objectives, summary of research and reports on three research projects.National Institutes of Health (Grant 5 PO1 GM14940-04)National Institutes of Health (Grant 5 TOl GM01555-04)National Aeronautics and Space Administration (Grant NGL 22-009-304

Measurement of head-related transfer functions : A review

A head-related transfer function (HRTF) describes an acoustic transfer function between a point sound source in the free-field and a defined position in the listener's ear canal, and plays an essential role in creating immersive virtual acoustic environments (VAEs) reproduced over headphones or loudspeakers. HRTFs are highly individual, and depend on directions and distances (near-field HRTFs). However, the measurement of high-density HRTF datasets is usually time-consuming, especially for human subjects. Over the years, various novel measurement setups and methods have been proposed for the fast acquisition of individual HRTFs while maintaining high measurement accuracy. This review paper provides an overview of various HRTF measurement systems and some insights into trends in individual HRTF measurements