Studies in Signal Processing Techniques for Speech Enhancement: A comparative study

Speech enhancement is very essential to suppress the background noise and to increase speech intelligibility and reduce fatigue in hearing. There exist many simple speech enhancement algorithms like spectral subtraction to complex algorithms like Bayesian Magnitude estimators based on Minimum Mean Square Error (MMSE) and its variants. A continuous research is going and new algorithms are emerging to enhance speech signal recorded in the background of environment such as industries, vehicles and aircraft cockpit. In aviation industries speech enhancement plays a vital role to bring crucial information from pilot’s conversation in case of an incident or accident by suppressing engine and other cockpit instrument noises. In this work proposed is a new approach to speech enhancement making use harmonic wavelet transform and Bayesian estimators. The performance indicators, SNR and listening confirms to the fact that newly modified algorithms using harmonic wavelet transform indeed show better results than currently existing methods. Further, the Harmonic Wavelet Transform is computationally efficient and simple to implement due to its inbuilt decimation-interpolation operations compared to those of filter-bank approach to realize sub-bands

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

DESIGN AND EVALUATION OF HARMONIC SPEECH ENHANCEMENT AND BANDWIDTH EXTENSION

Improving the quality and intelligibility of speech signals continues to be an important topic in mobile communications and hearing aid applications. This thesis explored the possibilities of improving the quality of corrupted speech by cascading a log Minimum Mean Square Error (logMMSE) noise reduction system with a Harmonic Speech Enhancement (HSE) system. In HSE, an adaptive comb filter is deployed to harmonically filter the useful speech signal and suppress the noisy components to noise floor. A Bandwidth Extension (BWE) algorithm was applied to the enhanced speech for further improvements in speech quality. Performance of this algorithm combination was evaluated using objective speech quality metrics across a variety of noisy and reverberant environments. Results showed that the logMMSE and HSE combination enhanced the speech quality in any reverberant environment and in the presence of multi-talker babble. The objective improvements associated with the BWE were found to be minima

Analysis of very low quality speech for mask-based enhancement

The complexity of the speech enhancement problem has motivated many different solutions. However, most techniques address situations in which the target speech is fully intelligible and the background noise energy is low in comparison with that of the speech. Thus while current enhancement algorithms can improve the perceived quality, the intelligibility of the speech is not increased significantly and may even be reduced. Recent research shows that intelligibility of very noisy speech can be improved by the use of a binary mask, in which a binary weight is applied to each time-frequency bin of the input spectrogram. There are several alternative goals for the binary mask estimator, based either on the Signal-to-Noise Ratio (SNR) of each time-frequency bin or on the speech signal characteristics alone. Our approach to the binary mask estimation problem aims to preserve the important speech cues independently of the noise present by identifying time-frequency regions that contain significant speech energy. The speech power spectrum varies greatly for different types of speech sound. The energy of voiced speech sounds is concentrated in the harmonics of the fundamental frequency while that of unvoiced sounds is, in contrast, distributed across a broad range of frequencies. To identify the presence of speech energy in a noisy speech signal we have therefore developed two detection algorithms. The first is a robust algorithm that identifies voiced speech segments and estimates their fundamental frequency. The second detects the presence of sibilants and estimates their energy distribution. In addition, we have developed a robust algorithm to estimate the active level of the speech. The outputs of these algorithms are combined with other features estimated from the noisy speech to form the input to a classifier which estimates a mask that accurately reflects the time-frequency distribution of speech energy even at low SNR levels. We evaluate a mask-based speech enhancer on a range of speech and noise signals and demonstrate a consistent increase in an objective intelligibility measure with respect to noisy speech.Open Acces

Model-Based Speech Enhancement

Abstract A method of speech enhancement is developed that reconstructs clean speech from a set of acoustic features using a harmonic plus noise model of speech. This is a significant departure from traditional filtering-based methods of speech enhancement. A major challenge with this approach is to estimate accurately the acoustic features (voicing, fundamental frequency, spectral envelope and phase) from noisy speech. This is achieved using maximum a-posteriori (MAP) estimation methods that operate on the noisy speech. In each case a prior model of the relationship between the noisy speech features and the estimated acoustic feature is required. These models are approximated using speaker-independent GMMs of the clean speech features that are adapted to speaker-dependent models using MAP adaptation and for noise using the Unscented Transform. Objective results are presented to optimise the proposed system and a set of subjective tests compare the approach with traditional enhancement methods. Threeway listening tests examining signal quality, background noise intrusiveness and overall quality show the proposed system to be highly robust to noise, performing significantly better than conventional methods of enhancement in terms of background noise intrusiveness. However, the proposed method is shown to reduce signal quality, with overall quality measured to be roughly equivalent to that of the Wiener filter

Speech Enhancement By Exploiting The Baseband Phase Structure Of Voiced Speech For Effective Non-Stationary Noise Estimation

Speech enhancement is one of the most important and challenging issues in the speech communication and signal processing field. It aims to minimize the effect of additive noise on the quality and intelligibility of the speech signal. Speech quality is the measure of noise remaining after the processing on the speech signal and of how pleasant the resulting speech sounds, while intelligibility refers to the accuracy of understanding speech. Speech enhancement algorithms are designed to remove the additive noise with minimum speech distortion.The task of speech enhancement is challenging due to lack of knowledge about the corrupting noise. Hence, the most challenging task is to estimate the noise which degrades the speech. Several approaches has been adopted for noise estimation which mainly fall under two categories: single channel algorithms and multiple channel algorithms. Due to this, the speech enhancement algorithms are also broadly classified as single and multiple channel enhancement algorithms.In this thesis, speech enhancement is studied in acoustic and modulation domains along with both amplitude and phase enhancement. We propose a noise estimation technique based on the spectral sparsity, detected by using the harmonic property of voiced segment of the speech. We estimate the frame to frame phase difference for the clean speech from available corrupted speech. This estimated frame-to-frame phase difference is used as a means of detecting the noise-only frequency bins even in voiced frames. This gives better noise estimation for the highly non-stationary noises like babble, restaurant and subway noise. This noise estimation along with the phase difference as an additional prior is used to extend the standard spectral subtraction algorithm. We also verify the effectiveness of this noise estimation technique when used with the Minimum Mean Squared Error Short Time Spectral Amplitude Estimator (MMSE STSA) speech enhancement algorithm. The combination of MMSE STSA and spectral subtraction results in further improvement of speech quality

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

Improving the Speech Intelligibility By Cochlear Implant Users

In this thesis, we focus on improving the intelligibility of speech for cochlear implants (CI) users. As an auditory prosthetic device, CI can restore hearing sensations for most patients with profound hearing loss in both ears in a quiet background. However, CI users still have serious problems in understanding speech in noisy and reverberant environments. Also, bandwidth limitation, missing temporal fine structures, and reduced spectral resolution due to a limited number of electrodes are other factors that raise the difficulty of hearing in noisy conditions for CI users, regardless of the type of noise. To mitigate these difficulties for CI listener, we investigate several contributing factors such as the effects of low harmonics on tone identification in natural and vocoded speech, the contribution of matched envelope dynamic range to the binaural benefits and contribution of low-frequency harmonics to tone identification in quiet and six-talker babble background. These results revealed several promising methods for improving speech intelligibility for CI patients. In addition, we investigate the benefits of voice conversion in improving speech intelligibility for CI users, which was motivated by an earlier study showing that familiarity with a talker’s voice can improve understanding of the conversation. Research has shown that when adults are familiar with someone’s voice, they can more accurately – and even more quickly – process and understand what the person is saying. This theory identified as the “familiar talker advantage” was our motivation to examine its effect on CI patients using voice conversion technique. In the present research, we propose a new method based on multi-channel voice conversion to improve the intelligibility of transformed speeches for CI patients