An investigation of the utility of monaural sound source separation via nonnegative matrix factorization applied to acoustic echo and reverberation mitigation for hands-free telephony

In this thesis we investigate the applicability and utility of Monaural Sound Source Separation (MSSS) via Nonnegative Matrix Factorization (NMF) for various problems related to audio for hands-free telephony. We first investigate MSSS via NMF as an alternative acoustic echo reduction approach to existing approaches such as Acoustic Echo Cancellation (AEC). To this end, we present the single-channel acoustic echo problem as an MSSS problem, in which the objective is to extract the users signal from a mixture also containing acoustic echo and noise. To perform separation, NMF is used to decompose the near-end microphone signal onto the union of two nonnegative bases in the magnitude Short Time Fourier Transform domain. One of these bases is for the spectral energy of the acoustic echo signal, and is formed from the in- coming far-end user’s speech, while the other basis is for the spectral energy of the near-end speaker, and is trained with speech data a priori. In comparison to AEC, the speaker extraction approach obviates Double-Talk Detection (DTD), and is demonstrated to attain its maximal echo mitigation performance immediately upon initiation and to maintain that performance during and after room changes for similar computational requirements. Speaker extraction is also shown to introduce distortion of the near-end speech signal during double-talk, which is quantified by means of a speech distortion measure and compared to that of AEC. Subsequently, we address Double-Talk Detection (DTD) for block-based AEC algorithms. We propose a novel block-based DTD algorithm that uses the available signals and the estimate of the echo signal that is produced by NMF-based speaker extraction to compute a suitably normalized correlation-based decision variable, which is compared to a fixed threshold to decide on doubletalk. Using a standard evaluation technique, the proposed algorithm is shown to have comparable detection performance to an existing conventional block-based DTD algorithm. It is also demonstrated to inherit the room change insensitivity of speaker extraction, with the proposed DTD algorithm generating minimal false doubletalk indications upon initiation and in response to room changes in comparison to the existing conventional DTD. We also show that this property allows its paired AEC to converge at a rate close to the optimum. Another focus of this thesis is the problem of inverting a single measurement of a non- minimum phase Room Impulse Response (RIR). We describe the process by which percep- tually detrimental all-pass phase distortion arises in reverberant speech filtered by the inverse of the minimum phase component of the RIR; in short, such distortion arises from inverting the magnitude response of the high-Q maximum phase zeros of the RIR. We then propose two novel partial inversion schemes that precisely mitigate this distortion. One of these schemes employs NMF-based MSSS to separate the all-pass phase distortion from the target speech in the magnitude STFT domain, while the other approach modifies the inverse minimum phase filter such that the magnitude response of the maximum phase zeros of the RIR is not fully compensated. Subjective listening tests reveal that the proposed schemes generally produce better quality output speech than a comparable inversion technique

An investigation of the utility of monaural sound source separation via nonnegative matrix factorization applied to acoustic echo and reverberation mitigation for hands-free telephony

In this thesis we investigate the applicability and utility of Monaural Sound Source Separation (MSSS) via Nonnegative Matrix Factorization (NMF) for various problems related to audio for hands-free telephony. We first investigate MSSS via NMF as an alternative acoustic echo reduction approach to existing approaches such as Acoustic Echo Cancellation (AEC). To this end, we present the single-channel acoustic echo problem as an MSSS problem, in which the objective is to extract the users signal from a mixture also containing acoustic echo and noise. To perform separation, NMF is used to decompose the near-end microphone signal onto the union of two nonnegative bases in the magnitude Short Time Fourier Transform domain. One of these bases is for the spectral energy of the acoustic echo signal, and is formed from the in- coming far-end user’s speech, while the other basis is for the spectral energy of the near-end speaker, and is trained with speech data a priori. In comparison to AEC, the speaker extraction approach obviates Double-Talk Detection (DTD), and is demonstrated to attain its maximal echo mitigation performance immediately upon initiation and to maintain that performance during and after room changes for similar computational requirements. Speaker extraction is also shown to introduce distortion of the near-end speech signal during double-talk, which is quantified by means of a speech distortion measure and compared to that of AEC. Subsequently, we address Double-Talk Detection (DTD) for block-based AEC algorithms. We propose a novel block-based DTD algorithm that uses the available signals and the estimate of the echo signal that is produced by NMF-based speaker extraction to compute a suitably normalized correlation-based decision variable, which is compared to a fixed threshold to decide on doubletalk. Using a standard evaluation technique, the proposed algorithm is shown to have comparable detection performance to an existing conventional block-based DTD algorithm. It is also demonstrated to inherit the room change insensitivity of speaker extraction, with the proposed DTD algorithm generating minimal false doubletalk indications upon initiation and in response to room changes in comparison to the existing conventional DTD. We also show that this property allows its paired AEC to converge at a rate close to the optimum. Another focus of this thesis is the problem of inverting a single measurement of a non- minimum phase Room Impulse Response (RIR). We describe the process by which percep- tually detrimental all-pass phase distortion arises in reverberant speech filtered by the inverse of the minimum phase component of the RIR; in short, such distortion arises from inverting the magnitude response of the high-Q maximum phase zeros of the RIR. We then propose two novel partial inversion schemes that precisely mitigate this distortion. One of these schemes employs NMF-based MSSS to separate the all-pass phase distortion from the target speech in the magnitude STFT domain, while the other approach modifies the inverse minimum phase filter such that the magnitude response of the maximum phase zeros of the RIR is not fully compensated. Subjective listening tests reveal that the proposed schemes generally produce better quality output speech than a comparable inversion technique

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

Efficient Multiband Algorithms for Blind Source Separation

The problem of blind separation refers to recovering original signals, called source signals, from the mixed signals, called observation signals, in a reverberant environment. The mixture is a function of a sequence of original speech signals mixed in a reverberant room. The objective is to separate mixed signals to obtain the original signals without degradation and without prior information of the features of the sources. The strategy used to achieve this objective is to use multiple bands that work at a lower rate, have less computational cost and a quicker convergence than the conventional scheme. Our motivation is the competitive results of unequal-passbands scheme applications, in terms of the convergence speed. The objective of this research is to improve unequal-passbands schemes by improving the speed of convergence and reducing the computational cost. The first proposed work is a novel maximally decimated unequal-passbands scheme.This scheme uses multiple bands that make it work at a reduced sampling rate, and low computational cost. An adaptation approach is derived with an adaptation step that improved the convergence speed. The performance of the proposed scheme was measured in different ways. First, the mean square errors of various bands are measured and the results are compared to a maximally decimated equal-passbands scheme, which is currently the best performing method. The results show that the proposed scheme has a faster convergence rate than the maximally decimated equal-passbands scheme. Second, when the scheme is tested for white and coloured inputs using a low number of bands, it does not yield good results; but when the number of bands is increased, the speed of convergence is enhanced. Third, the scheme is tested for quick changes. It is shown that the performance of the proposed scheme is similar to that of the equal-passbands scheme. Fourth, the scheme is also tested in a stationary state. The experimental results confirm the theoretical work. For more challenging scenarios, an unequal-passbands scheme with over-sampled decimation is proposed; the greater number of bands, the more efficient the separation. The results are compared to the currently best performing method. Second, an experimental comparison is made between the proposed multiband scheme and the conventional scheme. The results show that the convergence speed and the signal-to-interference ratio of the proposed scheme are higher than that of the conventional scheme, and the computation cost is lower than that of the conventional scheme