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 and compact representations of head related transfer functions

These days most reproduced sound is consumed using portable devices and headphones, on which spatial binaural audio can be conveniently presented. One way of converting from conventional loudspeaker formats to binaural format is through the use of Head Related Transfer Functions (HRTFs), but head-tracking is also necessary to obtain a satisfactory externalisation of the simulated sound field. Typically a large HRTF dataset is required in order to provide enough measurements for a continuous virtual auditory space to be achieved through simple linear interpolation, or similar.\\This work describes an investigation into the use of alternative compact and efficient representations of an HRTF dataset measured in the azimuthal plane. The two main prongs of investigation are the use of orthogonal transformations in a decompositional approach, and parametric modelling approach that utilises techniques often associated with speech processing. The latter approach is explored through the application of a linear prediction derived all-pole model method and a pole-zero model design method proposed by Steiglitz and McBride \citep{Steiglitz1965}. The all-pole model is deemed to offer superior performance in matching the measured data after compression of the HRTF set through computer simulation results, whilst a preliminary subjective validation of the pole-zero models, that contrary to theoretical driven expectations, performed considerably worse in computer simulation experiments, is conducted as a pilot study.\\Consideration is also given to a method of secondary compression and interpolation that utilises the Discrete Cosine Transform applied to the angular dependent components derived from each of the approaches. It is possible that these techniques may also be useful in developing efficient schemes of custom HRTF capture

Proceedings of the EAA Spatial Audio Signal Processing symposium: SASP 2019

International audienc

A Model of Head-Related Transfer Functions based on a State-Space Analysis

This dissertation develops and validates a novel state-space method for binaural auditory display. Binaural displays seek to immerse a listener in a 3D virtual auditory scene with a pair of headphones. The challenge for any binaural display is to compute the two signals to supply to the headphones. The present work considers a general framework capable of synthesizing a wide variety of auditory scenes. The framework models collections of head-related transfer functions (HRTFs) simultaneously. This framework improves the flexibility of contemporary displays, but it also compounds the steep computational cost of the display. The cost is reduced dramatically by formulating the collection of HRTFs in the state-space and employing order-reduction techniques to design efficient approximants. Order-reduction techniques based on the Hankel-operator are found to yield accurate low-cost approximants. However, the inter-aural time difference (ITD) of the HRTFs degrades the time-domain response of the approximants. Fortunately, this problem can be circumvented by employing a state-space architecture that allows the ITD to be modeled outside of the state-space. Accordingly, three state-space architectures are considered. Overall, a multiple-input, single-output (MISO) architecture yields the best compromise between performance and flexibility. The state-space approximants are evaluated both empirically and psychoacoustically. An array of truncated FIR filters is used as a pragmatic reference system for comparison. For a fixed cost bound, the state-space systems yield lower approximation error than FIR arrays for D >10, where D is the number of directions in the HRTF collection. A series of headphone listening tests are also performed to validate the state-space approach, and to estimate the minimum order N of indiscriminable approximants. For D = 50, the state-space systems yield order thresholds less than half those of the FIR arrays. Depending upon the stimulus uncertainty, a minimum state-space order of 7 ≤ N ≤ 23 appears to be adequate. In conclusion, the proposed state-space method enables a more flexible and immersive binaural display with low computational cost.Ph.D.Electrical Engineering: SystemsUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/58485/1/nhadams_1.pd

Modeling and Analysis of Neural Spike Trains

open

Coding Strategies for Cochlear Implants Under Adverse Environments

Cochlear implants are electronic prosthetic devices that restores partial hearing in patients with severe to profound hearing loss. Although most coding strategies have significantly improved the perception of speech in quite listening conditions, there remains limitations on speech perception under adverse environments such as in background noise, reverberation and band-limited channels, and we propose strategies that improve the intelligibility of speech transmitted over the telephone networks, reverberated speech and speech in the presence of background noise. For telephone processed speech, we propose to examine the effects of adding low-frequency and high- frequency information to the band-limited telephone speech. Four listening conditions were designed to simulate the receiving frequency characteristics of telephone handsets. Results indicated improvement in cochlear implant and bimodal listening when telephone speech was augmented with high frequency information and therefore this study provides support for design of algorithms to extend the bandwidth towards higher frequencies. The results also indicated added benefit from hearing aids for bimodal listeners in all four types of listening conditions. Speech understanding in acoustically reverberant environments is always a difficult task for hearing impaired listeners. Reverberated sounds consists of direct sound, early reflections and late reflections. Late reflections are known to be detrimental to speech intelligibility. In this study, we propose a reverberation suppression strategy based on spectral subtraction to suppress the reverberant energies from late reflections. Results from listening tests for two reverberant conditions (RT60 = 0.3s and 1.0s) indicated significant improvement when stimuli was processed with SS strategy. The proposed strategy operates with little to no prior information on the signal and the room characteristics and therefore, can potentially be implemented in real-time CI speech processors. For speech in background noise, we propose a mechanism underlying the contribution of harmonics to the benefit of electroacoustic stimulations in cochlear implants. The proposed strategy is based on harmonic modeling and uses synthesis driven approach to synthesize the harmonics in voiced segments of speech. Based on objective measures, results indicated improvement in speech quality. This study warrants further work into development of algorithms to regenerate harmonics of voiced segments in the presence of noise

The Capture and Recreation of 3D Auditory Scenes

The main goal of this research is to develop the theory and implement practical tools (in both software and hardware) for the capture and recreation of 3D auditory scenes. Our research is expected to have applications in virtual reality, telepresence, film, music, video games, auditory user interfaces, and sound-based surveillance. The first part of our research is concerned with sound capture via a spherical microphone array. The advantage of this array is that it can be steered into any 3D directions digitally with the same beampattern. We develop design methodologies to achieve flexible microphone layouts, optimal beampattern approximation and robustness constraint. We also design novel hemispherical and circular microphone array layouts for more spatially constrained auditory scenes. Using the captured audio, we then propose a unified and simple approach for recreating them by exploring the reciprocity principle that is satisfied between the two processes. Our approach makes the system easy to build, and practical. Using this approach, we can capture the 3D sound field by a spherical microphone array and recreate it using a spherical loudspeaker array, and ensure that the recreated sound field matches the recorded field up to a high order of spherical harmonics. For some regular or semi-regular microphone layouts, we design an efficient parallel implementation of the multi-directional spherical beamformer by using the rotational symmetries of the beampattern and of the spherical microphone array. This can be implemented in either software or hardware and easily adapted for other regular or semi-regular layouts of microphones. In addition, we extend this approach for headphone-based system. Design examples and simulation results are presented to verify our algorithms. Prototypes are built and tested in real-world auditory scenes