RTF-Based Binaural MVDR Beamformer Exploiting an External Microphone in a Diffuse Noise Field

Besides suppressing all undesired sound sources, an important objective of a binaural noise reduction algorithm for hearing devices is the preservation of the binaural cues, aiming at preserving the spatial perception of the acoustic scene. A well-known binaural noise reduction algorithm is the binaural minimum variance distortionless response beamformer, which can be steered using the relative transfer function (RTF) vector of the desired source, relating the acoustic transfer functions between the desired source and all microphones to a reference microphone. In this paper, we propose a computationally efficient method to estimate the RTF vector in a diffuse noise field, requiring an additional microphone that is spatially separated from the head-mounted microphones. Assuming that the spatial coherence between the noise components in the head-mounted microphone signals and the additional microphone signal is zero, we show that an unbiased estimate of the RTF vector can be obtained. Based on real-world recordings, experimental results for several reverberation times show that the proposed RTF estimator outperforms the widely used RTF estimator based on covariance whitening and a simple biased RTF estimator in terms of noise reduction and binaural cue preservation performance.Comment: Accepted at ITG Conference on Speech Communication 201

Using deep learning methods for supervised speech enhancement in noisy and reverberant environments

In real world environments, the speech signals received by our ears are usually a combination of different sounds that include not only the target speech, but also acoustic interference like music, background noise, and competing speakers. This interference has negative effect on speech perception and degrades the performance of speech processing applications such as automatic speech recognition (ASR), speaker identification, and hearing aid devices. One way to solve this problem is using source separation algorithms to separate the desired speech from the interfering sounds. Many source separation algorithms have been proposed to improve the performance of ASR systems and hearing aid devices, but it is still challenging for these systems to work efficiently in noisy and reverberant environments. On the other hand, humans have a remarkable ability to separate desired sounds and listen to a specific talker among noise and other talkers. Inspired by the capabilities of human auditory system, a popular method known as auditory scene analysis (ASA) was proposed to separate different sources in a two stage process of segmentation and grouping. The main goal of source separation in ASA is to estimate time frequency masks that optimally match and separate noise signals from a mixture of speech and noise. In this work, multiple algorithms are proposed to improve upon source separation in noisy and reverberant acoustic environment. First, a simple and novel algorithm is proposed to increase the discriminability between two sound sources by scaling (magnifying) the head-related transfer function of the interfering source. Experimental results from applications of this algorithm show a significant increase in the quality of the recovered target speech. Second, a time frequency masking-based source separation algorithm is proposed that can separate a male speaker from a female speaker in reverberant conditions by using the spatial cues of the source signals. Furthermore, the proposed algorithm has the ability to preserve the location of the sources after separation. Three major aims are proposed for supervised speech separation based on deep neural networks to estimate either the time frequency masks or the clean speech spectrum. Firstly, a novel monaural acoustic feature set based on a gammatone filterbank is presented to be used as the input of the deep neural network (DNN) based speech separation model, which shows significant improvement in objective speech intelligibility and speech quality in different testing conditions. Secondly, a complementary binaural feature set is proposed to increase the ability of source separation in adverse environment with non-stationary background noise and high reverberation using 2-channel recordings. Experimental results show that the combination of spatial features with this complementary feature set improves significantly the speech intelligibility and speech quality in noisy and reverberant conditions. Thirdly, a novel dilated convolution neural network is proposed to improve the generalization of the monaural supervised speech enhancement model to different untrained speakers, unseen noises and simulated rooms. This model increases the speech intelligibility and speech quality of the recovered speech significantly, while being computationally more efficient and requiring less memory in comparison to other models. In addition, the proposed model is modified with recurrent layers and dilated causal convolution layers for real-time processing. This model is causal which makes it suitable for implementation in hearing aid devices and ASR system, while having fewer trainable parameters and using only information about previous time frames in output prediction. The main goal of the proposed algorithms are to increase the intelligibility and the quality of the recovered speech from noisy and reverberant environments, which has the potential to improve both speech processing applications and signal processing strategies for hearing aid and cochlear implant technology

Automatic Speech Separation for Brain-Controlled Hearing Technologies

Speech perception in crowded acoustic environments is particularly challenging for hearing impaired listeners. While assistive hearing devices can suppress background noises distinct from speech, they struggle to lower interfering speakers without knowing the speaker on which the listener is focusing. The human brain has a remarkable ability to pick out individual voices in a noisy environment like a crowded restaurant or a busy city street. This inspires the brain-controlled hearing technologies. A brain-controlled hearing aid acts as an intelligent filter, reading wearers’ brainwaves and enhancing the voice they want to focus on. Two essential elements form the core of brain-controlled hearing aids: automatic speech separation (SS), which isolates individual speakers from mixed audio in an acoustic scene, and auditory attention decoding (AAD) in which the brainwaves of listeners are compared with separated speakers to determine the attended one, which can then be amplified to facilitate hearing. This dissertation focuses on speech separation and its integration with AAD, aiming to propel the evolution of brain-controlled hearing technologies. The goal is to help users to engage in conversations with people around them seamlessly and efficiently. This dissertation is structured into two parts. The first part focuses on automatic speech separation models, beginning with the introduction of a real-time monaural speech separation model, followed by more advanced real-time binaural speech separation models. The binaural models use both spectral and spatial features to separate speakers and are more robust to noise and reverberation. Beyond performing speech separation, the binaural models preserve the interaural cues of separated sound sources, which is a significant step towards immersive augmented hearing. Additionally, the first part explores using speaker identifications to improve the performance and robustness of models in long-form speech separation. This part also delves into unsupervised learning methods for multi-channel speech separation, aiming to improve the models' ability to generalize to real-world audio. The second part of the dissertation integrates speech separation introduced in the first part with auditory attention decoding (SS-AAD) to develop brain-controlled augmented hearing systems. It is demonstrated that auditory attention decoding with automatically separated speakers is as accurate and fast as using clean speech sounds. Furthermore, to better align the experimental environment of SS-AAD systems with real-life scenarios, the second part introduces a new AAD task that closely simulates real-world complex acoustic settings. The results show that the SS-AAD system is capable of improving speech intelligibility and facilitating tracking of the attended speaker in realistic acoustic environments. Finally, this part presents employing self-supervised learned speech representation in the SS-AAD systems to enhance the neural decoding of attentional selection

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

Binaural scene analysis : localization, detection and recognition of speakers in complex acoustic scenes

The human auditory system has the striking ability to robustly localize and recognize a specific target source in complex acoustic environments while ignoring interfering sources. Surprisingly, this remarkable capability, which is referred to as auditory scene analysis, is achieved by only analyzing the waveforms reaching the two ears. Computers, however, are presently not able to compete with the performance achieved by the human auditory system, even in the restricted paradigm of confronting a computer algorithm based on binaural signals with a highly constrained version of auditory scene analysis, such as localizing a sound source in a reverberant environment or recognizing a speaker in the presence of interfering noise. In particular, the problem of focusing on an individual speech source in the presence of competing speakers, termed the cocktail party problem, has been proven to be extremely challenging for computer algorithms. The primary objective of this thesis is the development of a binaural scene analyzer that is able to jointly localize, detect and recognize multiple speech sources in the presence of reverberation and interfering noise. The processing of the proposed system is divided into three main stages: localization stage, detection of speech sources, and recognition of speaker identities. The only information that is assumed to be known a priori is the number of target speech sources that are present in the acoustic mixture. Furthermore, the aim of this work is to reduce the performance gap between humans and machines by improving the performance of the individual building blocks of the binaural scene analyzer. First, a binaural front-end inspired by auditory processing is designed to robustly determine the azimuth of multiple, simultaneously active sound sources in the presence of reverberation. The localization model builds on the supervised learning of azimuthdependent binaural cues, namely interaural time and level differences. Multi-conditional training is performed to incorporate the uncertainty of these binaural cues resulting from reverberation and the presence of competing sound sources. Second, a speech detection module that exploits the distinct spectral characteristics of speech and noise signals is developed to automatically select azimuthal positions that are likely to correspond to speech sources. Due to the established link between the localization stage and the recognition stage, which is realized by the speech detection module, the proposed binaural scene analyzer is able to selectively focus on a predefined number of speech sources that are positioned at unknown spatial locations, while ignoring interfering noise sources emerging from other spatial directions. Third, the speaker identities of all detected speech sources are recognized in the final stage of the model. To reduce the impact of environmental noise on the speaker recognition performance, a missing data classifier is combined with the adaptation of speaker models using a universal background model. This combination is particularly beneficial in nonstationary background noise

Speech enhancement in binaural hearing protection devices

The capability of people to operate safely and effective under extreme noise conditions is dependent on their accesses to adequate voice communication while using hearing protection. This thesis develops speech enhancement algorithms that can be implemented in binaural hearing protection devices to improve communication and situation awareness in the workplace. The developed algorithms which emphasize low computational complexity, come with the capability to suppress noise while enhancing speech