VarArray Meets t-SOT: Advancing the State of the Art of Streaming Distant Conversational Speech Recognition

This paper presents a novel streaming automatic speech recognition (ASR) framework for multi-talker overlapping speech captured by a distant microphone array with an arbitrary geometry. Our framework, named t-SOT-VA, capitalizes on independently developed two recent technologies; array-geometry-agnostic continuous speech separation, or VarArray, and streaming multi-talker ASR based on token-level serialized output training (t-SOT). To combine the best of both technologies, we newly design a t-SOT-based ASR model that generates a serialized multi-talker transcription based on two separated speech signals from VarArray. We also propose a pre-training scheme for such an ASR model where we simulate VarArray's output signals based on monaural single-talker ASR training data. Conversation transcription experiments using the AMI meeting corpus show that the system based on the proposed framework significantly outperforms conventional ones. Our system achieves the state-of-the-art word error rates of 13.7% and 15.5% for the AMI development and evaluation sets, respectively, in the multiple-distant-microphone setting while retaining the streaming inference capability.Comment: 6 pages, 2 figure, 3 tables, v2: Appendix A has been adde

Blind audio-visual localization and separation via low-rank and sparsity

The ability to localize visual objects that are associated with an audio source and at the same time to separate the audio signal is a cornerstone in audio-visual signal-processing applications. However, available methods mainly focus on localizing only the visual objects, without audio separation abilities. Besides that, these methods often rely on either laborious preprocessing steps to segment video frames into semantic regions, or additional supervisions to guide their localization. In this paper, we aim to address the problem of visual source localization and audio separation in an unsupervised manner and avoid all preprocessing or post-processing steps. To this end, we devise a novel structured matrix decomposition method that decomposes the data matrix of each modality as a superposition of three terms: 1) a low-rank matrix capturing the background information; 2) a sparse matrix capturing the correlated components among the two modalities and, hence, uncovering the sound source in visual modality and the associated sound in audio modality; and 3) a third sparse matrix accounting for uncorrelated components, such as distracting objects in visual modality and irrelevant sound in audio modality. The generality of the proposed method is demonstrated by applying it onto three applications, namely: 1) visual localization of a sound source; 2) visually assisted audio separation; and 3) active speaker detection. Experimental results indicate the effectiveness of the proposed method on these application domains

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