Spatial, Spectral, and Perceptual Nonlinear Noise Reduction for Hands-free Microphones in a Car

Speech enhancement in an automobile is a challenging problem because interference can come from engine noise, fans, music, wind, road noise, reverberation, echo, and passengers engaging in other conversations. Hands-free microphones make the situation worse because the strength of the desired speech signal reduces with increased distance between the microphone and talker. Automobile safety is improved when the driver can use a hands-free interface to phones and other devices instead of taking his eyes off the road. The demand for high quality hands-free communication in the automobile requires the introduction of more powerful algorithms. This thesis shows that a unique combination of five algorithms can achieve superior speech enhancement for a hands-free system when compared to beamforming or spectral subtraction alone. Several different designs were analyzed and tested before converging on the configuration that achieved the best results. Beamforming, voice activity detection, spectral subtraction, perceptual nonlinear weighting, and talker isolation via pitch tracking all work together in a complementary iterative manner to create a speech enhancement system capable of significantly enhancing real world speech signals. The following conclusions are supported by the simulation results using data recorded in a car and are in strong agreement with theory. Adaptive beamforming, like the Generalized Side-lobe Canceller (GSC), can be effectively used if the filters only adapt during silent data frames because too much of the desired speech is cancelled otherwise. Spectral subtraction removes stationary noise while perceptual weighting prevents the introduction of offensive audible noise artifacts. Talker isolation via pitch tracking can perform better when used after beamforming and spectral subtraction because of the higher accuracy obtained after initial noise removal. Iterating the algorithm once increases the accuracy of the Voice Activity Detection (VAD), which improves the overall performance of the algorithm. Placing the microphone(s) on the ceiling above the head and slightly forward of the desired talker appears to be the best location in an automobile based on the experiments performed in this thesis. Objective speech quality measures show that the algorithm removes a majority of the stationary noise in a hands-free environment of an automobile with relatively minimal speech distortion

Noise-Robust Voice Conversion

A persistent challenge in speech processing is the presence of noise that reduces the quality of speech signals. Whether natural speech is used as input or speech is the desirable output to be synthesized, noise degrades the performance of these systems and causes output speech to be unnatural. Speech enhancement deals with such a problem, typically seeking to improve the input speech or post-processes the (re)synthesized speech. An intriguing complement to post-processing speech signals is voice conversion, in which speech by one person (source speaker) is made to sound as if spoken by a different person (target speaker). Traditionally, the majority of speech enhancement and voice conversion methods rely on parametric modeling of speech. A promising complement to parametric models is an inventory-based approach, which is the focus of this work. In inventory-based speech systems, one records an inventory of clean speech signals as a reference. Noisy speech (in the case of enhancement) or target speech (in the case of conversion) can then be replaced by the best-matching clean speech in the inventory, which is found via a correlation search method. Such an approach has the potential to alleviate intelligibility and unnaturalness issues often encountered by parametric modeling speech processing systems. This work investigates and compares inventory-based speech enhancement methods with conventional ones. In addition, the inventory search method is applied to estimate source speaker characteristics for voice conversion in noisy environments. Two noisy-environment voice conversion systems were constructed for a comparative study: a direct voice conversion system and an inventory-based voice conversion system, both with limited noise filtering at the front end. Results from this work suggest that the inventory method offers encouraging improvements over the direct conversion method

Spatial dissection of a soundfield using spherical harmonic decomposition

A real-world soundfield is often contributed by multiple desired and undesired sound sources. The performance of many acoustic systems such as automatic speech recognition, audio surveillance, and teleconference relies on its ability to extract the desired sound components in such a mixed environment. The existing solutions to the above problem are constrained by various fundamental limitations and require to enforce different priors depending on the acoustic condition such as reverberation and spatial distribution of sound sources. With the growing emphasis and integration of audio applications in diverse technologies such as smart home and virtual reality appliances, it is imperative to advance the source separation technology in order to overcome the limitations of the traditional approaches. To that end, we exploit the harmonic decomposition model to dissect a mixed soundfield into its underlying desired and undesired components based on source and signal characteristics. By analysing the spatial projection of a soundfield, we achieve multiple outcomes such as (i) soundfield separation with respect to distinct source regions, (ii) source separation in a mixed soundfield using modal coherence model, and (iii) direction of arrival (DOA) estimation of multiple overlapping sound sources through pattern recognition of the modal coherence of a soundfield. We first employ an array of higher order microphones for soundfield separation in order to reduce hardware requirement and implementation complexity. Subsequently, we develop novel mathematical models for modal coherence of noisy and reverberant soundfields that facilitate convenient ways for estimating DOA and power spectral densities leading to robust source separation algorithms. The modal domain approach to the soundfield/source separation allows us to circumvent several practical limitations of the existing techniques and enhance the performance and robustness of the system. The proposed methods are presented with several practical applications and performance evaluations using simulated and real-life dataset

VIDEO FOREGROUND LOCALIZATION FROM TRADITIONAL METHODS TO DEEP LEARNING

These days, detection of Visual Attention Regions (VAR), such as moving objects has become an integral part of many Computer Vision applications, viz. pattern recognition, object detection and classification, video surveillance, autonomous driving, human-machine interaction (HMI), and so forth. The moving object identification using bounding boxes has matured to the level of localizing the objects along their rigid borders and the process is called foreground localization (FGL). Over the decades, many image segmentation methodologies have been well studied, devised, and extended to suit the video FGL. Despite that, still, the problem of video foreground (FG) segmentation remains an intriguing task yet appealing due to its ill-posed nature and myriad of applications. Maintaining spatial and temporal coherence, particularly at object boundaries, persists challenging, and computationally burdensome. It even gets harder when the background possesses dynamic nature, like swaying tree branches or shimmering water body, and illumination variations, shadows cast by the moving objects, or when the video sequences have jittery frames caused by vibrating or unstable camera mounts on a surveillance post or moving robot. At the same time, in the analysis of traffic flow or human activity, the performance of an intelligent system substantially depends on its robustness of localizing the VAR, i.e., the FG. To this end, the natural question arises as what is the best way to deal with these challenges? Thus, the goal of this thesis is to investigate plausible real-time performant implementations from traditional approaches to modern-day deep learning (DL) models for FGL that can be applicable to many video content-aware applications (VCAA). It focuses mainly on improving existing methodologies through harnessing multimodal spatial and temporal cues for a delineated FGL. The first part of the dissertation is dedicated for enhancing conventional sample-based and Gaussian mixture model (GMM)-based video FGL using probability mass function (PMF), temporal median filtering, and fusing CIEDE2000 color similarity, color distortion, and illumination measures, and picking an appropriate adaptive threshold to extract the FG pixels. The subjective and objective evaluations are done to show the improvements over a number of similar conventional methods. The second part of the thesis focuses on exploiting and improving deep convolutional neural networks (DCNN) for the problem as mentioned earlier. Consequently, three models akin to encoder-decoder (EnDec) network are implemented with various innovative strategies to improve the quality of the FG segmentation. The strategies are not limited to double encoding - slow decoding feature learning, multi-view receptive field feature fusion, and incorporating spatiotemporal cues through long-shortterm memory (LSTM) units both in the subsampling and upsampling subnetworks. Experimental studies are carried out thoroughly on all conditions from baselines to challenging video sequences to prove the effectiveness of the proposed DCNNs. The analysis demonstrates that the architectural efficiency over other methods while quantitative and qualitative experiments show the competitive performance of the proposed models compared to the state-of-the-art

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