Single- and multi-microphone speech dereverberation using spectral enhancement

In speech communication systems, such as voice-controlled systems, hands-free mobile telephones, and hearing aids, the received microphone signals are degraded by room reverberation, background noise, and other interferences. This signal degradation may lead to total unintelligibility of the speech and decreases the performance of automatic speech recognition systems. In the context of this work reverberation is the process of multi-path propagation of an acoustic sound from its source to one or more microphones. The received microphone signal generally consists of a direct sound, reflections that arrive shortly after the direct sound (commonly called early reverberation), and reflections that arrive after the early reverberation (commonly called late reverberation). Reverberant speech can be described as sounding distant with noticeable echo and colouration. These detrimental perceptual effects are primarily caused by late reverberation, and generally increase with increasing distance between the source and microphone. Conversely, early reverberations tend to improve the intelligibility of speech. In combination with the direct sound it is sometimes referred to as the early speech component. Reduction of the detrimental effects of reflections is evidently of considerable practical importance, and is the focus of this dissertation. More specifically the dissertation deals with dereverberation techniques, i.e., signal processing techniques to reduce the detrimental effects of reflections. In the dissertation, novel single- and multimicrophone speech dereverberation algorithms are developed that aim at the suppression of late reverberation, i.e., at estimation of the early speech component. This is done via so-called spectral enhancement techniques that require a specific measure of the late reverberant signal. This measure, called spectral variance, can be estimated directly from the received (possibly noisy) reverberant signal(s) using a statistical reverberation model and a limited amount of a priori knowledge about the acoustic channel(s) between the source and the microphone(s). In our work an existing single-channel statistical reverberation model serves as a starting point. The model is characterized by one parameter that depends on the acoustic characteristics of the environment. We show that the spectral variance estimator that is based on this model, can only be used when the source-microphone distance is larger than the so-called critical distance. This is, crudely speaking, the distance where the direct sound power is equal to the total reflective power. A generalization of the statistical reverberation model in which the direct sound is incorporated is developed. This model requires one additional parameter that is related to the ratio between the direct sound energy and the sound energy of all reflections. The generalized model is used to derive a novel spectral variance estimator. When the novel estimator is used for dereverberation rather than the existing estimator, and the source-microphone distance is smaller than the critical distance, the dereverberation performance is significantly increased. Single-microphone systems only exploit the temporal and spectral diversity of the received signal. Reverberation, of course, also induces spatial diversity. To additionally exploit this diversity, multiple microphones must be used, and their outputs must be combined by a suitable spatial processor such as the so-called delay and sum beamformer. It is not a priori evident whether spectral enhancement is best done before or after the spatial processor. For this reason we investigate both possibilities, as well as a merge of the spatial processor and the spectral enhancement technique. An advantage of the latter option is that the spectral variance estimator can be further improved. Our experiments show that the use of multiple microphones affords a significant improvement of the perceptual speech quality. The applicability of the theory developed in this dissertation is demonstrated using a hands-free communication system. Since hands-free systems are often used in a noisy and reverberant environment, the received microphone signal does not only contain the desired signal but also interferences such as room reverberation that is caused by the desired source, background noise, and a far-end echo signal that results from a sound that is produced by the loudspeaker. Usually an acoustic echo canceller is used to cancel the far-end echo. Additionally a post-processor is used to suppress background noise and residual echo, i.e., echo which could not be cancelled by the echo canceller. In this work a novel structure and post-processor for an acoustic echo canceller are developed. The post-processor suppresses late reverberation caused by the desired source, residual echo, and background noise. The late reverberation and late residual echo are estimated using the generalized statistical reverberation model. Experimental results convincingly demonstrate the benefits of the proposed system for suppressing late reverberation, residual echo and background noise. The proposed structure and post-processor have a low computational complexity, a highly modular structure, can be seamlessly integrated into existing hands-free communication systems, and affords a significant increase of the listening comfort and speech intelligibility

Instantaneous PSD Estimation for Speech Enhancement based on Generalized Principal Components

Power spectral density (PSD) estimates of various microphone signal components are essential to many speech enhancement procedures. As speech is highly non-nonstationary, performance improvements may be gained by maintaining time-variations in PSD estimates. In this paper, we propose an instantaneous PSD estimation approach based on generalized principal components. Similarly to other eigenspace-based PSD estimation approaches, we rely on recursive averaging in order to obtain a microphone signal correlation matrix estimate to be decomposed. However, instead of estimating the PSDs directly from the temporally smooth generalized eigenvalues of this matrix, yielding temporally smooth PSD estimates, we propose to estimate the PSDs from newly defined instantaneous generalized eigenvalues, yielding instantaneous PSD estimates. The instantaneous generalized eigenvalues are defined from the generalized principal components, i.e. a generalized eigenvector-based transform of the microphone signals. We further show that the smooth generalized eigenvalues can be understood as a recursive average of the instantaneous generalized eigenvalues. Simulation results comparing the multi-channel Wiener filter (MWF) with smooth and instantaneous PSD estimates indicate better speech enhancement performance for the latter. A MATLAB implementation is available online

Square root-based multi-source early PSD estimation and recursive RETF update in reverberant environments by means of the orthogonal Procrustes problem

Multi-channel short-time Fourier transform (STFT) domain-based processing of reverberant microphone signals commonly relies on power-spectral-density (PSD) estimates of early source images, where early refers to reflections contained within the same STFT frame. State-of-the-art approaches to multi-source early PSD estimation, given an estimate of the associated relative early transfer functions (RETFs), conventionally minimize the approximation error defined with respect to the early correlation matrix, requiring non-negative inequality constraints on the PSDs. Instead, we here propose to factorize the early correlation matrix and minimize the approximation error defined with respect to the early-correlation-matrix square root. The proposed minimization problem -- constituting a generalization of the so-called orthogonal Procrustes problem -- seeks a unitary matrix and the square roots of the early PSDs up to an arbitrary complex argument, making non-negative inequality constraints redundant. A solution is obtained iteratively, requiring one singular value decomposition (SVD) per iteration. The estimated unitary matrix and early PSD square roots further allow to recursively update the RETF estimate, which is not inherently possible in the conventional approach. An estimate of the said early-correlation-matrix square root itself is obtained by means of the generalized eigenvalue decomposition (GEVD), where we further propose to restore non-stationarities by desmoothing the generalized eigenvalues in order to compensate for inevitable recursive averaging. Simulation results indicate fast convergence of the proposed multi-source early PSD estimation approach in only one iteration if initialized appropriately, and better performance as compared to the conventional approach

Adaptive Algorithms for Intelligent Acoustic Interfaces

Modern speech communications are evolving towards a new direction which involves users in a more perceptive way. That is the immersive experience, which may be considered as the “last-mile” problem of telecommunications. One of the main feature of immersive communications is the distant-talking, i.e. the hands-free (in the broad sense) speech communications without bodyworn or tethered microphones that takes place in a multisource environment where interfering signals may degrade the communication quality and the intelligibility of the desired speech source. In order to preserve speech quality intelligent acoustic interfaces may be used. An intelligent acoustic interface may comprise multiple microphones and loudspeakers and its peculiarity is to model the acoustic channel in order to adapt to user requirements and to environment conditions. This is the reason why intelligent acoustic interfaces are based on adaptive filtering algorithms. The acoustic path modelling entails a set of problems which have to be taken into account in designing an adaptive filtering algorithm. Such problems may be basically generated by a linear or a nonlinear process and can be tackled respectively by linear or nonlinear adaptive algorithms. In this work we consider such modelling problems and we propose novel effective adaptive algorithms that allow acoustic interfaces to be robust against any interfering signals, thus preserving the perceived quality of desired speech signals. As regards linear adaptive algorithms, a class of adaptive filters based on the sparse nature of the acoustic impulse response has been recently proposed. We adopt such class of adaptive filters, named proportionate adaptive filters, and derive a general framework from which it is possible to derive any linear adaptive algorithm. Using such framework we also propose some efficient proportionate adaptive algorithms, expressly designed to tackle problems of a linear nature. On the other side, in order to address problems deriving from a nonlinear process, we propose a novel filtering model which performs a nonlinear transformations by means of functional links. Using such nonlinear model, we propose functional link adaptive filters which provide an efficient solution to the modelling of a nonlinear acoustic channel. Finally, we introduce robust filtering architectures based on adaptive combinations of filters that allow acoustic interfaces to more effectively adapt to environment conditions, thus providing a powerful mean to immersive speech communications

Adaptive Algorithms for Intelligent Acoustic Interfaces

Modern speech communications are evolving towards a new direction which involves users in a more perceptive way. That is the immersive experience, which may be considered as the “last-mile” problem of telecommunications. One of the main feature of immersive communications is the distant-talking, i.e. the hands-free (in the broad sense) speech communications without bodyworn or tethered microphones that takes place in a multisource environment where interfering signals may degrade the communication quality and the intelligibility of the desired speech source. In order to preserve speech quality intelligent acoustic interfaces may be used. An intelligent acoustic interface may comprise multiple microphones and loudspeakers and its peculiarity is to model the acoustic channel in order to adapt to user requirements and to environment conditions. This is the reason why intelligent acoustic interfaces are based on adaptive filtering algorithms. The acoustic path modelling entails a set of problems which have to be taken into account in designing an adaptive filtering algorithm. Such problems may be basically generated by a linear or a nonlinear process and can be tackled respectively by linear or nonlinear adaptive algorithms. In this work we consider such modelling problems and we propose novel effective adaptive algorithms that allow acoustic interfaces to be robust against any interfering signals, thus preserving the perceived quality of desired speech signals. As regards linear adaptive algorithms, a class of adaptive filters based on the sparse nature of the acoustic impulse response has been recently proposed. We adopt such class of adaptive filters, named proportionate adaptive filters, and derive a general framework from which it is possible to derive any linear adaptive algorithm. Using such framework we also propose some efficient proportionate adaptive algorithms, expressly designed to tackle problems of a linear nature. On the other side, in order to address problems deriving from a nonlinear process, we propose a novel filtering model which performs a nonlinear transformations by means of functional links. Using such nonlinear model, we propose functional link adaptive filters which provide an efficient solution to the modelling of a nonlinear acoustic channel. Finally, we introduce robust filtering architectures based on adaptive combinations of filters that allow acoustic interfaces to more effectively adapt to environment conditions, thus providing a powerful mean to immersive speech communications

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 dereverberation and speaker separation using microphone arrays in realistic environments

This thesis concentrates on comparing novel and existing dereverberation and speaker separation techniques using multiple corpora, including a new corpus collected using a microphone array. Many corpora currently used for these techniques are recorded using head-mounted microphones in anechoic chambers. This novel corpus contains recordings with noise and reverberation made in office and workshop environments. Novel algorithms present a different way of approximating the reverberation, producing results that are competitive with existing algorithms. Dereverberation is evaluated using seven correlation-based algorithms and applied to two different corpora. Three of these are novel algorithms (Hs NTF, Cauchy WPE and Cauchy MIMO WPE). Both non-learning and learning algorithms are tested, with the learning algorithms performing better. For single and multi-channel speaker separation, unsupervised non-negative matrix factorization (NMF) algorithms are compared using three cost functions combined with sparsity, convolution and direction of arrival. The results show that the choice of cost function is important for improving the separation result. Furthermore, six different supervised deep learning algorithms are applied to single channel speaker separation. Historic information improves the result. When comparing NMF to deep learning, NMF is able to converge faster to a solution and provides a better result for the corpora used in this thesis

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