Audio source separation for music in low-latency and high-latency scenarios

Aquesta tesi proposa mètodes per tractar les limitacions de les tècniques existents de separació de fonts musicals en condicions de baixa i alta latència. En primer lloc, ens centrem en els mètodes amb un baix cost computacional i baixa latència. Proposem l'ús de la regularització de Tikhonov com a mètode de descomposició de l'espectre en el context de baixa latència. El comparem amb les tècniques existents en tasques d'estimació i seguiment dels tons, que són passos crucials en molts mètodes de separació. A continuació utilitzem i avaluem el mètode de descomposició de l'espectre en tasques de separació de veu cantada, baix i percussió. En segon lloc, proposem diversos mètodes d'alta latència que milloren la separació de la veu cantada, gràcies al modelatge de components específics, com la respiració i les consonants. Finalment, explorem l'ús de correlacions temporals i anotacions manuals per millorar la separació dels instruments de percussió i dels senyals musicals polifònics complexes.Esta tesis propone métodos para tratar las limitaciones de las técnicas existentes de separación de fuentes musicales en condiciones de baja y alta latencia. En primer lugar, nos centramos en los métodos con un bajo coste computacional y baja latencia. Proponemos el uso de la regularización de Tikhonov como método de descomposición del espectro en el contexto de baja latencia. Lo comparamos con las técnicas existentes en tareas de estimación y seguimiento de los tonos, que son pasos cruciales en muchos métodos de separación. A continuación utilizamos y evaluamos el método de descomposición del espectro en tareas de separación de voz cantada, bajo y percusión. En segundo lugar, proponemos varios métodos de alta latencia que mejoran la separación de la voz cantada, gracias al modelado de componentes que a menudo no se toman en cuenta, como la respiración y las consonantes. Finalmente, exploramos el uso de correlaciones temporales y anotaciones manuales para mejorar la separación de los instrumentos de percusión y señales musicales polifónicas complejas.This thesis proposes specific methods to address the limitations of current music source separation methods in low-latency and high-latency scenarios. First, we focus on methods with low computational cost and low latency. We propose the use of Tikhonov regularization as a method for spectrum decomposition in the low-latency context. We compare it to existing techniques in pitch estimation and tracking tasks, crucial steps in many separation methods. We then use the proposed spectrum decomposition method in low-latency separation tasks targeting singing voice, bass and drums. Second, we propose several high-latency methods that improve the separation of singing voice by modeling components that are often not accounted for, such as breathiness and consonants. Finally, we explore using temporal correlations and human annotations to enhance the separation of drums and complex polyphonic music signals

Inpainting of long audio segments with similarity graphs

We present a novel method for the compensation of long duration data loss in audio signals, in particular music. The concealment of such signal defects is based on a graph that encodes signal structure in terms of time-persistent spectral similarity. A suitable candidate segment for the substitution of the lost content is proposed by an intuitive optimization scheme and smoothly inserted into the gap, i.e. the lost or distorted signal region. Extensive listening tests show that the proposed algorithm provides highly promising results when applied to a variety of real-world music signals

Deep learning-based music source separation

Diese Dissertation befasst sich mit dem Problem der Trennung von Musikquellen durch den Einsatz von deep learning Methoden. Die auf deep learning basierende Trennung von Musikquellen wird unter drei Gesichtspunkten untersucht. Diese Perspektiven sind: die Signalverarbeitung, die neuronale Architektur und die Signaldarstellung. Aus der ersten Perspektive, soll verstanden werden, welche deep learning Modelle, die auf DNNs basieren, für die Aufgabe der Musikquellentrennung lernen, und ob es einen analogen Signalverarbeitungsoperator gibt, der die Funktionalität dieser Modelle charakterisiert. Zu diesem Zweck wird ein neuartiger Algorithmus vorgestellt. Der Algorithmus wird als NCA bezeichnet und destilliert ein optimiertes Trennungsmodell, das aus nicht-linearen Operatoren besteht, in einen einzigen linearen Operator, der leicht zu interpretieren ist. Aus der zweiten Perspektive, soll eine neuronale Netzarchitektur vorgeschlagen werden, die das zuvor erwähnte Konzept der Filterberechnung und -optimierung beinhaltet. Zu diesem Zweck wird die als Masker and Denoiser (MaD) bezeichnete neuronale Netzarchitektur vorgestellt. Die vorgeschlagene Architektur realisiert die Filteroperation unter Verwendung skip-filtering connections Verbindungen. Zusätzlich werden einige Inferenzstrategien und Optimierungsziele vorgeschlagen und diskutiert. Die Leistungsfähigkeit von MaD bei der Musikquellentrennung wird durch eine Reihe von Experimenten bewertet, die sowohl objektive als auch subjektive Bewertungsverfahren umfassen. Abschließend, der Schwerpunkt der dritten Perspektive liegt auf dem Einsatz von DNNs zum Erlernen von solchen Signaldarstellungen, für die Trennung von Musikquellen hilfreich sind. Zu diesem Zweck wird eine neue Methode vorgeschlagen. Die vorgeschlagene Methode verwendet ein neuartiges Umparametrisierungsschema und eine Kombination von Optimierungszielen. Die Umparametrisierung basiert sich auf sinusförmigen Funktionen, die interpretierbare DNN-Darstellungen fördern. Der durchgeführten Experimente deuten an, dass die vorgeschlagene Methode beim Erlernen interpretierbarer Darstellungen effizient eingesetzt werden kann, wobei der Filterprozess noch auf separate Musikquellen angewendet werden kann. Die Ergebnisse der durchgeführten Experimente deuten an, dass die vorgeschlagene Methode beim Erlernen interpretierbarer Darstellungen effizient eingesetzt werden kann, wobei der Filterprozess noch auf separate Musikquellen angewendet werden kann. Darüber hinaus der Einsatz von optimal transport (OT) Entfernungen als Optimierungsziele sind für die Berechnung additiver und klar strukturierter Signaldarstellungen.This thesis addresses the problem of music source separation using deep learning methods. The deep learning-based separation of music sources is examined from three angles. These angles are: the signal processing, the neural architecture, and the signal representation. From the first angle, it is aimed to understand what deep learning models, using deep neural networks (DNNs), learn for the task of music source separation, and if there is an analogous signal processing operator that characterizes the functionality of these models. To do so, a novel algorithm is presented. The algorithm, referred to as the neural couplings algorithm (NCA), distills an optimized separation model consisting of non-linear operators into a single linear operator that is easy to interpret. Using the NCA, it is shown that DNNs learn data-driven filters for singing voice separation, that can be assessed using signal processing. Moreover, by enabling DNNs to learn how to predict filters for source separation, DNNs capture the structure of the target source and learn robust filters. From the second angle, it is aimed to propose a neural network architecture that incorporates the aforementioned concept of filter prediction and optimization. For this purpose, the neural network architecture referred to as the Masker-and-Denoiser (MaD) is presented. The proposed architecture realizes the filtering operation using skip-filtering connections. Additionally, a few inference strategies and optimization objectives are proposed and discussed. The performance of MaD in music source separation is assessed by conducting a series of experiments that include both objective and subjective evaluation processes. Experimental results suggest that the MaD architecture, with some of the studied strategies, is applicable to realistic music recordings, and the MaD architecture has been considered one of the state-of-the-art approaches in the Signal Separation and Evaluation Campaign (SiSEC) 2018. Finally, the focus of the third angle is to employ DNNs for learning signal representations that are helpful for separating music sources. To that end, a new method is proposed using a novel re-parameterization scheme and a combination of optimization objectives. The re-parameterization is based on sinusoidal functions that promote interpretable DNN representations. Results from the conducted experimental procedure suggest that the proposed method can be efficiently employed in learning interpretable representations, where the filtering process can still be applied to separate music sources. Furthermore, the usage of optimal transport (OT) distances as optimization objectives is useful for computing additive and distinctly structured signal representations for various types of music sources

Audio source separation techniques including novel time-frequency representation tools

The thesis explores the development of tools for audio representation with applications in Audio Source Separation and in the Music Information Retrieval (MIR) field. A novel constant Q transform was introduced, called IIR-CQT. The transform allows a flexible design and achieves low computational cost. Also, an independent development of the Fan Chirp Transform (FChT) with the focus on the representation of simultaneous sources is studied, which has several applications in the analysis of polyphonic music signals. Dierent applications are explored in the MIR field, some of them directly related with the low-level representation tools that were analyzed. One of these applications is the development of a visualization tool based in the FChT that proved to be useful for musicological analysis . The tool has been made available as an open source, freely available software. The proposed Transform has also been used to detect and track fundamental frequencies of harmonic sources in polyphonic music. Also, the information of the slope of the pitch was used to define a similarity measure between two harmonic components that are close in time. This measure helps to use clustering algorithms to track multiple sources in polyphonic music. Additionally, the FChT was used in the context of the Query by Humming application. One of the main limitations of such application is the construction of a search database. In this work, we propose an algorithm to automatically populate the database of an existing Query by Humming, with promising results. Finally, two audio source separation techniques are studied. The first one is the separation of harmonic signals based on the FChT. The second one is an application for which the fundamental frequency of the sources is assumed to be known (Score Informed Source Separation problem)