Deep Karaoke: Extracting Vocals from Musical Mixtures Using a Convolutional Deep Neural Network

Identification and extraction of singing voice from within musical mixtures is a key challenge in source separation and machine audition. Recently, deep neural networks (DNN) have been used to estimate 'ideal' binary masks for carefully controlled cocktail party speech separation problems. However, it is not yet known whether these methods are capable of generalizing to the discrimination of voice and non-voice in the context of musical mixtures. Here, we trained a convolutional DNN (of around a billion parameters) to provide probabilistic estimates of the ideal binary mask for separation of vocal sounds from real-world musical mixtures. We contrast our DNN results with more traditional linear methods. Our approach may be useful for automatic removal of vocal sounds from musical mixtures for 'karaoke' type applications

Trennung und Schätzung der Anzahl von Audiosignalquellen mit Zeit- und Frequenzüberlappung

Everyday audio recordings involve mixture signals: music contains a mixture of instruments; in a meeting or conference, there is a mixture of human voices. For these mixtures, automatically separating or estimating the number of sources is a challenging task. A common assumption when processing mixtures in the time-frequency domain is that sources are not fully overlapped. However, in this work we consider some cases where the overlap is severe — for instance, when instruments play the same note (unison) or when many people speak concurrently ("cocktail party") — highlighting the need for new representations and more powerful models. To address the problems of source separation and count estimation, we use conventional signal processing techniques as well as deep neural networks (DNN). We first address the source separation problem for unison instrument mixtures, studying the distinct spectro-temporal modulations caused by vibrato. To exploit these modulations, we developed a method based on time warping, informed by an estimate of the fundamental frequency. For cases where such estimates are not available, we present an unsupervised model, inspired by the way humans group time-varying sources (common fate). This contribution comes with a novel representation that improves separation for overlapped and modulated sources on unison mixtures but also improves vocal and accompaniment separation when used as an input for a DNN model. Then, we focus on estimating the number of sources in a mixture, which is important for real-world scenarios. Our work on count estimation was motivated by a study on how humans can address this task, which lead us to conduct listening experiments, confirming that humans are only able to estimate the number of up to four sources correctly. To answer the question of whether machines can perform similarly, we present a DNN architecture, trained to estimate the number of concurrent speakers. Our results show improvements compared to other methods, and the model even outperformed humans on the same task. In both the source separation and source count estimation tasks, the key contribution of this thesis is the concept of “modulation”, which is important to computationally mimic human performance. Our proposed Common Fate Transform is an adequate representation to disentangle overlapping signals for separation, and an inspection of our DNN count estimation model revealed that it proceeds to find modulation-like intermediate features.Im Alltag sind wir von gemischten Signalen umgeben: Musik besteht aus einer Mischung von Instrumenten; in einem Meeting oder auf einer Konferenz sind wir einer Mischung menschlicher Stimmen ausgesetzt. Für diese Mischungen ist die automatische Quellentrennung oder die Bestimmung der Anzahl an Quellen eine anspruchsvolle Aufgabe. Eine häufige Annahme bei der Verarbeitung von gemischten Signalen im Zeit-Frequenzbereich ist, dass die Quellen sich nicht vollständig überlappen. In dieser Arbeit betrachten wir jedoch einige Fälle, in denen die Überlappung immens ist zum Beispiel, wenn Instrumente den gleichen Ton spielen (unisono) oder wenn viele Menschen gleichzeitig sprechen (Cocktailparty) —, so dass neue Signal-Repräsentationen und leistungsfähigere Modelle notwendig sind. Um die zwei genannten Probleme zu bewältigen, verwenden wir sowohl konventionelle Signalverbeitungsmethoden als auch tiefgehende neuronale Netze (DNN). Wir gehen zunächst auf das Problem der Quellentrennung für Unisono-Instrumentenmischungen ein und untersuchen die speziellen, durch Vibrato ausgelösten, zeitlich-spektralen Modulationen. Um diese Modulationen auszunutzen entwickelten wir eine Methode, die auf Zeitverzerrung basiert und eine Schätzung der Grundfrequenz als zusätzliche Information nutzt. Für Fälle, in denen diese Schätzungen nicht verfügbar sind, stellen wir ein unüberwachtes Modell vor, das inspiriert ist von der Art und Weise, wie Menschen zeitveränderliche Quellen gruppieren (Common Fate). Dieser Beitrag enthält eine neuartige Repräsentation, die die Separierbarkeit für überlappte und modulierte Quellen in Unisono-Mischungen erhöht, aber auch die Trennung in Gesang und Begleitung verbessert, wenn sie in einem DNN-Modell verwendet wird. Im Weiteren beschäftigen wir uns mit der Schätzung der Anzahl von Quellen in einer Mischung, was für reale Szenarien wichtig ist. Unsere Arbeit an der Schätzung der Anzahl war motiviert durch eine Studie, die zeigt, wie wir Menschen diese Aufgabe angehen. Dies hat uns dazu veranlasst, eigene Hörexperimente durchzuführen, die bestätigten, dass Menschen nur in der Lage sind, die Anzahl von bis zu vier Quellen korrekt abzuschätzen. Um nun die Frage zu beantworten, ob Maschinen dies ähnlich gut können, stellen wir eine DNN-Architektur vor, die erlernt hat, die Anzahl der gleichzeitig sprechenden Sprecher zu ermitteln. Die Ergebnisse zeigen Verbesserungen im Vergleich zu anderen Methoden, aber vor allem auch im Vergleich zu menschlichen Hörern. Sowohl bei der Quellentrennung als auch bei der Schätzung der Anzahl an Quellen ist ein Kernbeitrag dieser Arbeit das Konzept der “Modulation”, welches wichtig ist, um die Strategien von Menschen mittels Computern nachzuahmen. Unsere vorgeschlagene Common Fate Transformation ist eine adäquate Darstellung, um die Überlappung von Signalen für die Trennung zugänglich zu machen und eine Inspektion unseres DNN-Zählmodells ergab schließlich, dass sich auch hier modulationsähnliche Merkmale finden lassen

Applying source separation to music

International audienceSeparation of existing audio into remixable elements is very useful to repurpose music audio. Applications include upmixing video soundtracks to surround sound (e.g. home theater 5.1 systems), facilitating music transcriptions, allowing better mashups and remixes for disk jockeys, and rebalancing sound levels on multiple instruments or voices recorded simultaneously to a single track. In this chapter, we provide an overview of the algorithms and approaches designed to address the challenges and opportunities in music. Where applicable, we also introduce commonalities and links to source separation for video soundtracks, since many musical scenarios involve video soundtracks (e.g. YouTube recordings of live concerts, movie sound tracks). While space prohibits describing every method in detail, we include detail on representative music‐specific algorithms and approaches not covered in other chapters. The intent is to give the reader a high‐level understanding of the workings of key exemplars of the source separation approaches applied in this domain

An Overview of Deep-Learning-Based Audio-Visual Speech Enhancement and Separation

Speech enhancement and speech separation are two related tasks, whose purpose is to extract either one or more target speech signals, respectively, from a mixture of sounds generated by several sources. Traditionally, these tasks have been tackled using signal processing and machine learning techniques applied to the available acoustic signals. Since the visual aspect of speech is essentially unaffected by the acoustic environment, visual information from the target speakers, such as lip movements and facial expressions, has also been used for speech enhancement and speech separation systems. In order to efficiently fuse acoustic and visual information, researchers have exploited the flexibility of data-driven approaches, specifically deep learning, achieving strong performance. The ceaseless proposal of a large number of techniques to extract features and fuse multimodal information has highlighted the need for an overview that comprehensively describes and discusses audio-visual speech enhancement and separation based on deep learning. In this paper, we provide a systematic survey of this research topic, focusing on the main elements that characterise the systems in the literature: acoustic features; visual features; deep learning methods; fusion techniques; training targets and objective functions. In addition, we review deep-learning-based methods for speech reconstruction from silent videos and audio-visual sound source separation for non-speech signals, since these methods can be more or less directly applied to audio-visual speech enhancement and separation. Finally, we survey commonly employed audio-visual speech datasets, given their central role in the development of data-driven approaches, and evaluation methods, because they are generally used to compare different systems and determine their performance