Application of generative models in speech processing tasks

Generative probabilistic and neural models of the speech signal are shown to be effective in speech synthesis and speech enhancement, where generating natural and clean speech is the goal. This thesis develops two probabilistic signal processing algorithms based on the source-filter model of speech production, and two based on neural generative models of the speech signal. They are a model-based speech enhancement algorithm with ad-hoc microphone array, called GRAB; a probabilistic generative model of speech called PAT; a neural generative F0 model called TEReTA; and a Bayesian enhancement network, call BaWN, that incorporates a neural generative model of speech, called WaveNet. PAT and TEReTA aim to develop better generative models for speech synthesis. BaWN and GRAB aim to improve the naturalness and noise robustness of speech enhancement algorithms. Probabilistic Acoustic Tube (PAT) is a probabilistic generative model for speech, whose basis is the source-filter model. The highlights of the model are threefold. First, it is among the very first works to build a complete probabilistic model for speech. Second, it has a well-designed model for the phase spectrum of speech, which has been hard to model and often neglected. Third, it models the AM-FM effects in speech, which are perceptually significant but often ignored in frame-based speech processing algorithms. Experiments show that the proposed model has good potential for a number of speech processing tasks. TEReTA generates pitch contours by incorporating a theoretical model of pitch planning, the piece-wise linear target approximation (TA) model, as the output layer of a deep recurrent neural network. It aims to model semantic variations in the F0 contour, which is challenging for existing network. By combining the TA model, TEReTA is able to memorize semantic context and capture the semantic variations. Experiments on contrastive focus verify TEReTA's ability in semantics modeling. BaWN is a neural network based algorithm for single-channel enhancement. The biggest challenges of the neural network based speech enhancement algorithm are the poor generalizability to unseen noises and unnaturalness of the output speech. By incorporating a neural generative model, WaveNet, in the Bayesian framework, where WaveNet predicts the prior for speech, and where a separate enhancement network incorporates the likelihood function, BaWN is able to achieve satisfactory generalizability and a good intelligibility score of its output, even when the noisy training set is small. GRAB is a beamforming algorithm for ad-hoc microphone arrays. The task of enhancing speech with ad-hoc microphone array is challenging because of the inaccuracy in position and interference calibration. Inspired by the source-filter model, GRAB does not rely on any position or interference calibration. Instead, it incorporates a source-filter speech model and minimizes the energy that cannot be accounted for by the model. Objective and subjective evaluations on both simulated and real-world data show that GRAB is able to suppress noise effectively while keeping the speech natural and dry. Final chapters discuss the implications of this work for future research in speech processing

Speech enhancement using deep dilated CNN

In recent years, deep learning has achieved great success in speech enhancement. However, there are two major limitations regarding existing works. First, the Bayesian framework is not adopted in many such deep-learning-based algorithms. In particular, the prior distribution for speech in the Bayesian framework has been shown useful by regularizing the output to be in the speech space, and thus improving the performance. Second, the majority of the existing methods operate on the frequency domain of the noisy speech, such as spectrogram and its variations. We propose a Bayesian speech enhancement framework, called BaWN (Bayesian WaveNet), which directly operates on raw audio samples. It adopts the recently announced WaveNet, which is shown to be effective in modeling conditional distributions of speech samples while generating natural speech. Experiments show that BaWN is able to recover clean and natural speech. Multi-channel speech enhancement with ad-hoc sensors has been a challenging task. Speech model guided beamforming algorithms are able to recover natural sounding speech, but the speech models tend to be oversimplified to prevent the inference from becoming too complicated. On the other hand, deep learning based enhancement approaches are able to learn complicated speech distributions and perform efficient inference, but they are unable to deal with variable number of input channels. Also, deep learning approaches introduce a lot of errors, particularly in the presence of unseen noise types and settings. We have therefore proposed an enhancement framework called DeepBeam, which combines the two complementary classes of algorithms. DeepBeam introduces a beamforming filter to produce natural sounding speech, but the filter coefficients are determined with the help of a monaural speech enhancement neural network. Experiments on synthetic and real-world data show that DeepBeam is able to produce clean, dry and natural sounding speech, and is robust against unseen noise

Inference of Room Geometry From Acoustic Impulse Responses

n/

Recurrent neural networks for multi-microphone speech separation

This thesis takes the classical signal processing problem of separating the speech of a target speaker from a real-world audio recording containing noise, background interference — from competing speech or other non-speech sources —, and reverberation, and seeks data-driven solutions based on supervised learning methods, particularly recurrent neural networks (RNNs). Such speech separation methods can inject robustness in automatic speech recognition (ASR) systems and have been an active area of research for the past two decades. We particularly focus on applications where multi-channel recordings are available. Stand-alone beamformers cannot simultaneously suppress diffuse-noise and protect the desired signal from any distortions. Post-filters complement the beamformers in obtaining the minimum mean squared error (MMSE) estimate of the desired signal. Time-frequency (TF) masking — a method having roots in computational auditory scene analysis (CASA) — is a suitable candidate for post-filtering, but the challenge lies in estimating the TF masks. The use of RNNs — in particular the bi-directional long short-term memory (BLSTM) architecture — as a post-filter estimating TF masks for a delay-and-sum beamformer (DSB) — using magnitude spectral and phase-based features — is proposed. The data—recorded in 4 challenging realistic environments—from the CHiME-3 challenge is used. Two different TF masks — Wiener filter and log-ratio — are identified as suitable targets for learning. The separated speech is evaluated based on objective speech intelligibility measures: short-term objective intelligibility (STOI) and frequency-weighted segmental SNR (fwSNR). The word error rates (WERs) as reported by the previous state-of-the-art ASR back-end — when fed with the test data of the CHiME-3 challenge — are interpreted against the objective scores for understanding the relationships of the latter with the former. Overall, a consistent improvement in the objective scores brought in by the RNNs is observed compared to that of feed-forward neural networks and a baseline MVDR beamformer

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

Recent Advances in Signal Processing

The signal processing task is a very critical issue in the majority of new technological inventions and challenges in a variety of applications in both science and engineering fields. Classical signal processing techniques have largely worked with mathematical models that are linear, local, stationary, and Gaussian. They have always favored closed-form tractability over real-world accuracy. These constraints were imposed by the lack of powerful computing tools. During the last few decades, signal processing theories, developments, and applications have matured rapidly and now include tools from many areas of mathematics, computer science, physics, and engineering. This book is targeted primarily toward both students and researchers who want to be exposed to a wide variety of signal processing techniques and algorithms. It includes 27 chapters that can be categorized into five different areas depending on the application at hand. These five categories are ordered to address image processing, speech processing, communication systems, time-series analysis, and educational packages respectively. The book has the advantage of providing a collection of applications that are completely independent and self-contained; thus, the interested reader can choose any chapter and skip to another without losing continuity