The listening talker: A review of human and algorithmic context-induced modifications of speech

International audienceSpeech output technology is finding widespread application, including in scenarios where intelligibility might be compromised - at least for some listeners - by adverse conditions. Unlike most current algorithms, talkers continually adapt their speech patterns as a response to the immediate context of spoken communication, where the type of interlocutor and the environment are the dominant situational factors influencing speech production. Observations of talker behaviour can motivate the design of more robust speech output algorithms. Starting with a listener-oriented categorisation of possible goals for speech modification, this review article summarises the extensive set of behavioural findings related to human speech modification, identifies which factors appear to be beneficial, and goes on to examine previous computational attempts to improve intelligibility in noise. The review concludes by tabulating 46 speech modifications, many of which have yet to be perceptually or algorithmically evaluated. Consequently, the review provides a roadmap for future work in improving the robustness of speech output

Intelligibility model optimisation approaches for speech pre-enhancement

The goal of improving the intelligibility of broadcast speech is being met by a recent new direction in speech enhancement: near-end intelligibility enhancement. In contrast to the conventional speech enhancement approach that processes the corrupted speech at the receiver-side of the communication chain, the near-end intelligibility enhancement approach pre-processes the clean speech at the transmitter-side, i.e. before it is played into the environmental noise. In this work, we describe an optimisation-based approach to near-end intelligibility enhancement using models of speech intelligibility to improve the intelligibility of speech in noise. This thesis first presents a survey of speech intelligibility models and how the adverse acoustic conditions affect the intelligibility of speech. The purpose of this survey is to identify models that we can adopt in the design of the pre-enhancement system. Then, we investigate the strategies humans use to increase speech intelligibility in noise. We then relate human strategies to existing algorithms for near-end intelligibility enhancement. A closed-loop feedback approach to near-end intelligibility enhancement is then introduced. In this framework, speech modifications are guided by a model of intelligibility. For the closed-loop system to work, we develop a simple spectral modification strategy that modifies the first few coefficients of an auditory cepstral representation such as to maximise an intelligibility measure. We experiment with two contrasting measures of objective intelligibility. The first, as a baseline, is an audibility measure named 'glimpse proportion' that is computed as the proportion of the spectro-temporal representation of the speech signal that is free from masking. We then propose a discriminative intelligibility model, building on the principles of missing data speech recognition, to model the likelihood of specific phonetic confusions that may occur when speech is presented in noise. The discriminative intelligibility measure is computed using a statistical model of speech from the speaker that is to be enhanced. Interim results showed that, unlike the glimpse proportion based system, the discriminative based system did not improve intelligibility. We investigated the reason behind that and we found that the discriminative based system was not able to target the phonetic confusion with the fixed spectral shaping. To address that, we introduce a time-varying spectral modification. We also propose to perform the optimisation on a segment-by-segment basis which enables a robust solution against the fluctuating noise. We further combine our system with a noise-independent enhancement technique, i.e. dynamic range compression. We found significant improvement in non-stationary noise condition, but no significant differences to the state-of-the art system (spectral shaping and dynamic range compression) where found in stationary noise condition

Perceptual compensation for reverberation in human listeners and machines

This thesis explores compensation for reverberation in human listeners and machines. Late reverberation is typically understood as a distortion which degrades intelligibility. Recent research, however, shows that late reverberation is not always detrimental to human speech perception. At times, prolonged exposure to reverberation can provide a helpful acoustic context which improves identification of reverberant speech sounds. The physiology underpinning our robustness to reverberation has not yet been elucidated, but is speculated in this thesis to include efferent processes which have previously been shown to improve discrimination of noisy speech. These efferent pathways descend from higher auditory centres, effectively recalibrating the encoding of sound in the cochlea. Moreover, this thesis proposes that efferent-inspired computational models based on psychoacoustic principles may also improve performance for machine listening systems in reverberant environments. A candidate model for perceptual compensation for reverberation is proposed in which efferent suppression derives from the level of reverberation detected in the simulated auditory nerve response. The model simulates human performance in a phoneme-continuum identification task under a range of reverberant conditions, where a synthetically controlled test-word and its surrounding context phrase are independently reverberated. Addressing questions which arose from the model, a series of perceptual experiments used naturally spoken speech materials to investigate aspects of the psychoacoustic mechanism underpinning compensation. These experiments demonstrate a monaural compensation mechanism that is influenced by both the preceding context (which need not be intelligible speech) and by the test-word itself, and which depends on the time-direction of reverberation. Compensation was shown to act rapidly (within a second or so), indicating a monaural mechanism that is likely to be effective in everyday listening. Finally, the implications of these findings for the future development of computational models of auditory perception are considered

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

An investigation of the utility of monaural sound source separation via nonnegative matrix factorization applied to acoustic echo and reverberation mitigation for hands-free telephony

In this thesis we investigate the applicability and utility of Monaural Sound Source Separation (MSSS) via Nonnegative Matrix Factorization (NMF) for various problems related to audio for hands-free telephony. We first investigate MSSS via NMF as an alternative acoustic echo reduction approach to existing approaches such as Acoustic Echo Cancellation (AEC). To this end, we present the single-channel acoustic echo problem as an MSSS problem, in which the objective is to extract the users signal from a mixture also containing acoustic echo and noise. To perform separation, NMF is used to decompose the near-end microphone signal onto the union of two nonnegative bases in the magnitude Short Time Fourier Transform domain. One of these bases is for the spectral energy of the acoustic echo signal, and is formed from the in- coming far-end user’s speech, while the other basis is for the spectral energy of the near-end speaker, and is trained with speech data a priori. In comparison to AEC, the speaker extraction approach obviates Double-Talk Detection (DTD), and is demonstrated to attain its maximal echo mitigation performance immediately upon initiation and to maintain that performance during and after room changes for similar computational requirements. Speaker extraction is also shown to introduce distortion of the near-end speech signal during double-talk, which is quantified by means of a speech distortion measure and compared to that of AEC. Subsequently, we address Double-Talk Detection (DTD) for block-based AEC algorithms. We propose a novel block-based DTD algorithm that uses the available signals and the estimate of the echo signal that is produced by NMF-based speaker extraction to compute a suitably normalized correlation-based decision variable, which is compared to a fixed threshold to decide on doubletalk. Using a standard evaluation technique, the proposed algorithm is shown to have comparable detection performance to an existing conventional block-based DTD algorithm. It is also demonstrated to inherit the room change insensitivity of speaker extraction, with the proposed DTD algorithm generating minimal false doubletalk indications upon initiation and in response to room changes in comparison to the existing conventional DTD. We also show that this property allows its paired AEC to converge at a rate close to the optimum. Another focus of this thesis is the problem of inverting a single measurement of a non- minimum phase Room Impulse Response (RIR). We describe the process by which percep- tually detrimental all-pass phase distortion arises in reverberant speech filtered by the inverse of the minimum phase component of the RIR; in short, such distortion arises from inverting the magnitude response of the high-Q maximum phase zeros of the RIR. We then propose two novel partial inversion schemes that precisely mitigate this distortion. One of these schemes employs NMF-based MSSS to separate the all-pass phase distortion from the target speech in the magnitude STFT domain, while the other approach modifies the inverse minimum phase filter such that the magnitude response of the maximum phase zeros of the RIR is not fully compensated. Subjective listening tests reveal that the proposed schemes generally produce better quality output speech than a comparable inversion technique

An investigation of the utility of monaural sound source separation via nonnegative matrix factorization applied to acoustic echo and reverberation mitigation for hands-free telephony

In this thesis we investigate the applicability and utility of Monaural Sound Source Separation (MSSS) via Nonnegative Matrix Factorization (NMF) for various problems related to audio for hands-free telephony. We first investigate MSSS via NMF as an alternative acoustic echo reduction approach to existing approaches such as Acoustic Echo Cancellation (AEC). To this end, we present the single-channel acoustic echo problem as an MSSS problem, in which the objective is to extract the users signal from a mixture also containing acoustic echo and noise. To perform separation, NMF is used to decompose the near-end microphone signal onto the union of two nonnegative bases in the magnitude Short Time Fourier Transform domain. One of these bases is for the spectral energy of the acoustic echo signal, and is formed from the in- coming far-end user’s speech, while the other basis is for the spectral energy of the near-end speaker, and is trained with speech data a priori. In comparison to AEC, the speaker extraction approach obviates Double-Talk Detection (DTD), and is demonstrated to attain its maximal echo mitigation performance immediately upon initiation and to maintain that performance during and after room changes for similar computational requirements. Speaker extraction is also shown to introduce distortion of the near-end speech signal during double-talk, which is quantified by means of a speech distortion measure and compared to that of AEC. Subsequently, we address Double-Talk Detection (DTD) for block-based AEC algorithms. We propose a novel block-based DTD algorithm that uses the available signals and the estimate of the echo signal that is produced by NMF-based speaker extraction to compute a suitably normalized correlation-based decision variable, which is compared to a fixed threshold to decide on doubletalk. Using a standard evaluation technique, the proposed algorithm is shown to have comparable detection performance to an existing conventional block-based DTD algorithm. It is also demonstrated to inherit the room change insensitivity of speaker extraction, with the proposed DTD algorithm generating minimal false doubletalk indications upon initiation and in response to room changes in comparison to the existing conventional DTD. We also show that this property allows its paired AEC to converge at a rate close to the optimum. Another focus of this thesis is the problem of inverting a single measurement of a non- minimum phase Room Impulse Response (RIR). We describe the process by which percep- tually detrimental all-pass phase distortion arises in reverberant speech filtered by the inverse of the minimum phase component of the RIR; in short, such distortion arises from inverting the magnitude response of the high-Q maximum phase zeros of the RIR. We then propose two novel partial inversion schemes that precisely mitigate this distortion. One of these schemes employs NMF-based MSSS to separate the all-pass phase distortion from the target speech in the magnitude STFT domain, while the other approach modifies the inverse minimum phase filter such that the magnitude response of the maximum phase zeros of the RIR is not fully compensated. Subjective listening tests reveal that the proposed schemes generally produce better quality output speech than a comparable inversion technique