Fully Learnable Front-End for Multi-Channel Acoustic Modeling using Semi-Supervised Learning

In this work, we investigated the teacher-student training paradigm to train a fully learnable multi-channel acoustic model for far-field automatic speech recognition (ASR). Using a large offline teacher model trained on beamformed audio, we trained a simpler multi-channel student acoustic model used in the speech recognition system. For the student, both multi-channel feature extraction layers and the higher classification layers were jointly trained using the logits from the teacher model. In our experiments, compared to a baseline model trained on about 600 hours of transcribed data, a relative word-error rate (WER) reduction of about 27.3% was achieved when using an additional 1800 hours of untranscribed data. We also investigated the benefit of pre-training the multi-channel front end to output the beamformed log-mel filter bank energies (LFBE) using L2 loss. We find that pre-training improves the word error rate by 10.7% when compared to a multi-channel model directly initialized with a beamformer and mel-filter bank coefficients for the front end. Finally, combining pre-training and teacher-student training produces a WER reduction of 31% compared to our baseline.Comment: To appear in ICASSP 202

Dual input neural networks for positional sound source localization

In many signal processing applications, metadata may be advantageously used in conjunction with a high dimensional signal to produce a desired output. In the case of classical Sound Source Localization (SSL) algorithms, information from a high dimensional, multichannel audio signals received by many distributed microphones is combined with information describing acoustic properties of the scene, such as the microphones' coordinates in space, to estimate the position of a sound source. We introduce Dual Input Neural Networks (DI-NNs) as a simple and effective way to model these two data types in a neural network. We train and evaluate our proposed DI-NN on scenarios of varying difficulty and realism and compare it against an alternative architecture, a classical Least-Squares (LS) method as well as a classical Convolutional Recurrent Neural Network (CRNN). Our results show that the DI-NN significantly outperforms the baselines, achieving a five times lower localization error than the LS method and two times lower than the CRNN in a test dataset of real recordings

Automatic Quality Estimation for ASR System Combination

Recognizer Output Voting Error Reduction (ROVER) has been widely used for system combination in automatic speech recognition (ASR). In order to select the most appropriate words to insert at each position in the output transcriptions, some ROVER extensions rely on critical information such as confidence scores and other ASR decoder features. This information, which is not always available, highly depends on the decoding process and sometimes tends to over estimate the real quality of the recognized words. In this paper we propose a novel variant of ROVER that takes advantage of ASR quality estimation (QE) for ranking the transcriptions at "segment level" instead of: i) relying on confidence scores, or ii) feeding ROVER with randomly ordered hypotheses. We first introduce an effective set of features to compensate for the absence of ASR decoder information. Then, we apply QE techniques to perform accurate hypothesis ranking at segment-level before starting the fusion process. The evaluation is carried out on two different tasks, in which we respectively combine hypotheses coming from independent ASR systems and multi-microphone recordings. In both tasks, it is assumed that the ASR decoder information is not available. The proposed approach significantly outperforms standard ROVER and it is competitive with two strong oracles that e xploit prior knowledge about the real quality of the hypotheses to be combined. Compared to standard ROVER, the abs olute WER improvements in the two evaluation scenarios range from 0.5% to 7.3%

Robust sound event detection in bioacoustic sensor networks

Bioacoustic sensors, sometimes known as autonomous recording units (ARUs), can record sounds of wildlife over long periods of time in scalable and minimally invasive ways. Deriving per-species abundance estimates from these sensors requires detection, classification, and quantification of animal vocalizations as individual acoustic events. Yet, variability in ambient noise, both over time and across sensors, hinders the reliability of current automated systems for sound event detection (SED), such as convolutional neural networks (CNN) in the time-frequency domain. In this article, we develop, benchmark, and combine several machine listening techniques to improve the generalizability of SED models across heterogeneous acoustic environments. As a case study, we consider the problem of detecting avian flight calls from a ten-hour recording of nocturnal bird migration, recorded by a network of six ARUs in the presence of heterogeneous background noise. Starting from a CNN yielding state-of-the-art accuracy on this task, we introduce two noise adaptation techniques, respectively integrating short-term (60 milliseconds) and long-term (30 minutes) context. First, we apply per-channel energy normalization (PCEN) in the time-frequency domain, which applies short-term automatic gain control to every subband in the mel-frequency spectrogram. Secondly, we replace the last dense layer in the network by a context-adaptive neural network (CA-NN) layer. Combining them yields state-of-the-art results that are unmatched by artificial data augmentation alone. We release a pre-trained version of our best performing system under the name of BirdVoxDetect, a ready-to-use detector of avian flight calls in field recordings.Comment: 32 pages, in English. Submitted to PLOS ONE journal in February 2019; revised August 2019; published October 201

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