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

EXPERIMENTAL EVALUATION OF MODIFIED PHASE TRANSFORM FOR SOUND SOURCE DETECTION

The detection of sound sources with microphone arrays can be enhanced through processing individual microphone signals prior to the delay and sum operation. One method in particular, the Phase Transform (PHAT) has demonstrated improvement in sound source location images, especially in reverberant and noisy environments. Recent work proposed a modification to the PHAT transform that allows varying degrees of spectral whitening through a single parameter, andamp;acirc;, which has shown positive improvement in target detection in simulation results. This work focuses on experimental evaluation of the modified SRP-PHAT algorithm. Performance results are computed from actual experimental setup of an 8-element perimeter array with a receiver operating characteristic (ROC) analysis for detecting sound sources. The results verified simulation results of PHAT- andamp;acirc; in improving target detection probabilities. The ROC analysis demonstrated the relationships between various target types (narrowband and broadband), room reverberation levels (high and low) and noise levels (different SNR) with respect to optimal andamp;acirc;. Results from experiment strongly agree with those of simulations on the effect of PHAT in significantly improving detection performance for narrowband and broadband signals especially at low SNR and in the presence of high levels of reverberation

Analysis and design of smart antenna arrays (SAAs) for improved directivity at GHz range for wireless communication systems.

Doctor of Philosophy in Electronic Engineering. University of KwaZulu-Natal, Durban 2018.Abstract available in PDF file

Single- and multi-microphone speech dereverberation using spectral enhancement

In speech communication systems, such as voice-controlled systems, hands-free mobile telephones, and hearing aids, the received microphone signals are degraded by room reverberation, background noise, and other interferences. This signal degradation may lead to total unintelligibility of the speech and decreases the performance of automatic speech recognition systems. In the context of this work reverberation is the process of multi-path propagation of an acoustic sound from its source to one or more microphones. The received microphone signal generally consists of a direct sound, reflections that arrive shortly after the direct sound (commonly called early reverberation), and reflections that arrive after the early reverberation (commonly called late reverberation). Reverberant speech can be described as sounding distant with noticeable echo and colouration. These detrimental perceptual effects are primarily caused by late reverberation, and generally increase with increasing distance between the source and microphone. Conversely, early reverberations tend to improve the intelligibility of speech. In combination with the direct sound it is sometimes referred to as the early speech component. Reduction of the detrimental effects of reflections is evidently of considerable practical importance, and is the focus of this dissertation. More specifically the dissertation deals with dereverberation techniques, i.e., signal processing techniques to reduce the detrimental effects of reflections. In the dissertation, novel single- and multimicrophone speech dereverberation algorithms are developed that aim at the suppression of late reverberation, i.e., at estimation of the early speech component. This is done via so-called spectral enhancement techniques that require a specific measure of the late reverberant signal. This measure, called spectral variance, can be estimated directly from the received (possibly noisy) reverberant signal(s) using a statistical reverberation model and a limited amount of a priori knowledge about the acoustic channel(s) between the source and the microphone(s). In our work an existing single-channel statistical reverberation model serves as a starting point. The model is characterized by one parameter that depends on the acoustic characteristics of the environment. We show that the spectral variance estimator that is based on this model, can only be used when the source-microphone distance is larger than the so-called critical distance. This is, crudely speaking, the distance where the direct sound power is equal to the total reflective power. A generalization of the statistical reverberation model in which the direct sound is incorporated is developed. This model requires one additional parameter that is related to the ratio between the direct sound energy and the sound energy of all reflections. The generalized model is used to derive a novel spectral variance estimator. When the novel estimator is used for dereverberation rather than the existing estimator, and the source-microphone distance is smaller than the critical distance, the dereverberation performance is significantly increased. Single-microphone systems only exploit the temporal and spectral diversity of the received signal. Reverberation, of course, also induces spatial diversity. To additionally exploit this diversity, multiple microphones must be used, and their outputs must be combined by a suitable spatial processor such as the so-called delay and sum beamformer. It is not a priori evident whether spectral enhancement is best done before or after the spatial processor. For this reason we investigate both possibilities, as well as a merge of the spatial processor and the spectral enhancement technique. An advantage of the latter option is that the spectral variance estimator can be further improved. Our experiments show that the use of multiple microphones affords a significant improvement of the perceptual speech quality. The applicability of the theory developed in this dissertation is demonstrated using a hands-free communication system. Since hands-free systems are often used in a noisy and reverberant environment, the received microphone signal does not only contain the desired signal but also interferences such as room reverberation that is caused by the desired source, background noise, and a far-end echo signal that results from a sound that is produced by the loudspeaker. Usually an acoustic echo canceller is used to cancel the far-end echo. Additionally a post-processor is used to suppress background noise and residual echo, i.e., echo which could not be cancelled by the echo canceller. In this work a novel structure and post-processor for an acoustic echo canceller are developed. The post-processor suppresses late reverberation caused by the desired source, residual echo, and background noise. The late reverberation and late residual echo are estimated using the generalized statistical reverberation model. Experimental results convincingly demonstrate the benefits of the proposed system for suppressing late reverberation, residual echo and background noise. The proposed structure and post-processor have a low computational complexity, a highly modular structure, can be seamlessly integrated into existing hands-free communication systems, and affords a significant increase of the listening comfort and speech intelligibility

Acoustic event detection and localization using distributed microphone arrays

Automatic acoustic scene analysis is a complex task that involves several functionalities: detection (time), localization (space), separation, recognition, etc. This thesis focuses on both acoustic event detection (AED) and acoustic source localization (ASL), when several sources may be simultaneously present in a room. In particular, the experimentation work is carried out with a meeting-room scenario. Unlike previous works that either employed models of all possible sound combinations or additionally used video signals, in this thesis, the time overlapping sound problem is tackled by exploiting the signal diversity that results from the usage of multiple microphone array beamformers. The core of this thesis work is a rather computationally efficient approach that consists of three processing stages. In the first, a set of (null) steering beamformers is used to carry out diverse partial signal separations, by using multiple arbitrarily located linear microphone arrays, each of them composed of a small number of microphones. In the second stage, each of the beamformer output goes through a classification step, which uses models for all the targeted sound classes (HMM-GMM, in the experiments). Then, in a third stage, the classifier scores, either being intra- or inter-array, are combined using a probabilistic criterion (like MAP) or a machine learning fusion technique (fuzzy integral (FI), in the experiments). The above-mentioned processing scheme is applied in this thesis to a set of complexity-increasing problems, which are defined by the assumptions made regarding identities (plus time endpoints) and/or positions of sounds. In fact, the thesis report starts with the problem of unambiguously mapping the identities to the positions, continues with AED (positions assumed) and ASL (identities assumed), and ends with the integration of AED and ASL in a single system, which does not need any assumption about identities or positions. The evaluation experiments are carried out in a meeting-room scenario, where two sources are temporally overlapped; one of them is always speech and the other is an acoustic event from a pre-defined set. Two different databases are used, one that is produced by merging signals actually recorded in the UPC¿s department smart-room, and the other consists of overlapping sound signals directly recorded in the same room and in a rather spontaneous way. From the experimental results with a single array, it can be observed that the proposed detection system performs better than either the model based system or a blind source separation based system. Moreover, the product rule based combination and the FI based fusion of the scores resulting from the multiple arrays improve the accuracies further. On the other hand, the posterior position assignment is performed with a very small error rate. Regarding ASL and assuming an accurate AED system output, the 1-source localization performance of the proposed system is slightly better than that of the widely-used SRP-PHAT system, working in an event-based mode, and it even performs significantly better than the latter one in the more complex 2-source scenario. Finally, though the joint system suffers from a slight degradation in terms of classification accuracy with respect to the case where the source positions are known, it shows the advantage of carrying out the two tasks, recognition and localization, with a single system, and it allows the inclusion of information about the prior probabilities of the source positions. It is worth noticing also that, although the acoustic scenario used for experimentation is rather limited, the approach and its formalism were developed for a general case, where the number and identities of sources are not constrained

Multizone wideband sound field reproduction

This thesis deals with the problem of multizone wideband sound field reproduction using an array of loudspeakers. A pressure matching approach is researched to control the sound field within the zones through the calculation of loudspeaker weights. The loudspeaker weights are computed first using a regularized least-squares (LS) approach and then a least-absolute shrinkage and selection operator (Lasso). It is demonstrated that the single-stage LS technique outperforms the single-stage Lasso in multizone wideband sound field reproduction, while the single-stage Lasso enables the judicious placement of loudspeakers. To improve the multizone sound reproduction performance of wideband sources using a limited number of loudspeakers, it is assumed that the virtual sources are fixed in positions. A new two-stage Lasso-LS pressure matching approach is then proposed to optimize both the loudspeaker locations and weights. In the first stage, a Lasso algorithm is used to select the loudspeakers' positions for all sources and frequency bands. A second stage then optimizes reproduction using all selected loudspeakers on the basis of a regularized LS algorithm. The results show that a horizontal array of limited number of loudspeakers (e.g. 52) can be used to effectively create personal audio spaces for multiple users of variable heights. The proposed method is then extended to a nested Lasso-LS method which employs harmonic nested arrays in the first stage Lasso to reduce the computational complexity. Effectively, the nested arrays provide a priori knowledge of prospective loudspeaker locations based on the frequency bands of interest. The final loudspeaker locations and weightings are then estimated during the two-stage Lasso-LS optimization