Nonparametric uncertainty estimation and propagation for noise robust ASR

International audienceWe consider the framework of uncertainty propagation for automatic speech recognition (ASR) in highly non-stationary noise environments. Uncertainty is considered as the variance of speech distortion. Yet, its accurate estimation in the spectral domain and its propagation to the feature domain remain difficult. Existing methods typically rely on a single uncertainty estimator and propagator fixed by mathematical approximation. In this paper, we propose a new paradigm where we seek to learn more powerful mappings to predict uncertainty from data.We investigate two such possible mappings: linear fusion of multiple uncertainty estimators/propagators and nonparametric uncertainty estimation/propagation. In addition, a procedure to propagate the estimated spectral-domain uncertainty to the static Mel frequency cepstral coefficients (MFCCs), to the log-energy, and to their first- and second-order time derivatives is proposed. This results in a full uncertainty covariance matrix over both static and dynamic MFCCs. Experimental evaluation on Tracks 1 and 2 of the 2nd CHiME Challenge resulted in up to 29% and 28% relative keyword error rate reduction with respect to speech enhancement alone

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

An extended experimental investigation of DNN uncertainty propagation for noise robust ASR

International audienceAutomatic speech recognition (ASR) in noisy environments remains a challenging goal. Recently, the idea of estimating the uncertainty about the features obtained after speech enhancement and propagating it to dynamically adapt deep neural network (DNN) based acoustic models has raised some interest. However, the results in the literature were reported on simulated noisy datasets for a limited variety of uncertainty estimators. We found that they vary significantly in different conditions. Hence, the main contribution of this work is to assess DNN uncertainty decoding performance for different data conditions and different uncertainty estimation/propagation techniques. In addition, we propose a neural network based uncertainty estima-tor and compare it with other uncertainty estimators. We report detailed ASR results on the CHiME-2 and CHiME-3 datasets. We find that, on average, uncertainty propagation provides similar relative improvement on real and simulated data and that the proposed uncertainty estimator performs significantly better than the one in [1]. We also find that the improvement is consistent, but it depends on the signal-to-noise ratio (SNR) and the noise environment

A Study into Speech Enhancement Techniques in Adverse Environment

This dissertation developed speech enhancement techniques that improve the speech quality in applications such as mobile communications, teleconferencing and smart loudspeakers. For these applications it is necessary to suppress noise and reverberation. Thus the contribution in this dissertation is twofold: single channel speech enhancement system which exploits the temporal and spectral diversity of the received microphone signal for noise suppression and multi-channel speech enhancement method with the ability to employ spatial diversity to reduce reverberation

Variational Bayesian Inference for Source Separation and Robust Feature Extraction

International audienceWe consider the task of separating and classifying individual sound sources mixed together. The main challenge is to achieve robust classification despite residual distortion of the separated source signals. A promising paradigm is to estimate the uncertainty about the separated source signals and to propagate it through the subsequent feature extraction and classification stages. We argue that variational Bayesian (VB) inference offers a mathematically rigorous way of deriving uncertainty estimators, which contrasts with state-of-the-art estimators based on heuristics or on maximum likelihood (ML) estimation. We propose a general VB source separation algorithm, which makes it possible to jointly exploit spatial and spectral models of the sources. This algorithm achieves 6% and 5% relative error reduction compared to ML uncertainty estimation on the CHiME noise-robust speaker identification and speech recognition benchmarks, respectively, and it opens the way for more complex VB approximations of uncertainty.Dans cet article, nous considérons le problème de l'extraction des descripteurs de chaque source dans un enregistrement audio multi-sources à l'aide d'un algorithme général de séparation de sources. La difficulté consiste à estimer l'incertitude sur les sources et à la propager aux descripteurs, afin de les estimer de façon robuste en dépit des erreurs de séparation. Les méthodes de l'état de l'art estiment l'incertitude de façon heuristique, tandis que nous proposons d'intégrer sur les paramètres de l'algorithme de séparation de sources. Nous décrivons dans ce but une méthode d'inférence variationnelle bayésienne pour l'estimation de la distribution a posteriori des sources et nous calculons ensuite l'espérance des descripteurs par propagation de l'incertitude selon la méthode d'identification des moments. Nous évaluons la précision des descripteurs en terme d'erreur quadratique moyenne et conduisons des expériences de reconnaissance du locuteur afin d'observer la performance qui en découle pour un problème réel. Dans les deux cas, la méthode proposée donne les meilleurs résultats

Incorporating prior information in nonnegative matrix factorization for audio source separation

In this work, we propose solutions to the problem of audio source separation from a single recording. The audio source signals can be speech, music or any other audio signals. We assume training data for the individual source signals that are present in the mixed signal are available. The training data are used to build a representative model for each source. In most cases, these models are sets of basis vectors in magnitude or power spectral domain. The proposed algorithms basically depend on decomposing the spectrogram of the mixed signal with the trained basis models for all observed sources in the mixed signal. Nonnegative matrix factorization (NMF) is used to train the basis models for the source signals. NMF is then used to decompose the mixed signal spectrogram as a weighted linear combination of the trained basis vectors for each observed source in the mixed signal. After decomposing the mixed signal, spectral masks are built and used to reconstruct the source signals. In this thesis, we improve the performance of NMF for source separation by incorporating more constraints and prior information related to the source signals to the NMF decomposition results. The NMF decomposition weights are encouraged to satisfy some prior information that is related to the nature of the source signals. The priors are modeled using Gaussian mixture models or hidden Markov models. These priors basically represent valid weight combination sequences that the basis vectors can receive for a certain type of source signal. The prior models are incorporated with the NMF cost function using either log-likelihood or minimum mean squared error estimation (MMSE). We also incorporate the prior information as a post processing. We incorporate the smoothness prior on the NMF solutions by using post smoothing processing. We also introduce post enhancement using MMSE estimation to obtain better separation for the source signals. In this thesis, we also improve the NMF training for the basis models. In cases when enough training data are not available, we introduce two di erent adaptation methods for the trained basis to better t the sources in the mixed signal. We also improve the training procedures for the sources by learning more discriminative dictionaries for the source signals. In addition, to consider a larger context in the models, we concatenate neighboring spectra together and train basis sets from them instead of a single frame which makes it possible to directly model the relation between consequent spectral frames. Experimental results show that the proposed approaches improve the performance of using NMF in source separation applications