A Unifying View on Blind Source Separation of Convolutive Mixtures based on Independent Component Analysis

In many daily-life scenarios, acoustic sources recorded in an enclosure can only be observed with other interfering sources. Hence, convolutive Blind Source Separation (BSS) is a central problem in audio signal processing. Methods based on Independent Component Analysis (ICA) are especially important in this field as they require only few and weak assumptions and allow for blindness regarding the original source signals and the acoustic propagation path. Most of the currently used algorithms belong to one of the following three families: Frequency Domain ICA (FD-ICA), Independent Vector Analysis (IVA), and TRIple-N Independent component analysis for CONvolutive mixtures (TRINICON). While the relation between ICA, FD-ICA and IVA becomes apparent due to their construction, the relation to TRINICON is not well established yet. This paper fills this gap by providing an in-depth treatment of the common building blocks of these algorithms and their differences, and thus provides a common framework for all considered algorithms

Sound Source Separation

This is the author's accepted pre-print of the article, first published as G. Evangelista, S. Marchand, M. D. Plumbley and E. Vincent. Sound source separation. In U. Zölzer (ed.), DAFX: Digital Audio Effects, 2nd edition, Chapter 14, pp. 551-588. John Wiley & Sons, March 2011. ISBN 9781119991298. DOI: 10.1002/9781119991298.ch14file: Proof:e\EvangelistaMarchandPlumbleyV11-sound.pdf:PDF owner: markp timestamp: 2011.04.26file: Proof:e\EvangelistaMarchandPlumbleyV11-sound.pdf:PDF owner: markp timestamp: 2011.04.2

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

Iterative Separation of Note Events from Single-Channel Polyphonic Recordings

This thesis is concerned with the separation of audio sources from single-channel polyphonic musical recordings using the iterative estimation and separation of note events. Each event is defined as a section of audio containing largely harmonic energy identified as coming from a single sound source. Multiple events can be clustered to form separated sources. This solution is a model-based algorithm that can be applied to a large variety of audio recordings without requiring previous training stages. The proposed system embraces two principal stages. The first one considers the iterative detection and separation of note events from within the input mixture. In every iteration, the pitch trajectory of the predominant note event is automatically selected from an array of fundamental frequency estimates and used to guide the separation of the event's spectral content using two different methods: time-frequency masking and time-domain subtraction. A residual signal is then generated and used as the input mixture for the next iteration. After convergence, the second stage considers the clustering of all detected note events into individual audio sources. Performance evaluation is carried out at three different levels. Firstly, the accuracy of the note-event-based multipitch estimator is compared with that of the baseline algorithm used in every iteration to generate the initial set of pitch estimates. Secondly, the performance of the semi-supervised source separation process is compared with that of another semi-automatic algorithm. Finally, a listening test is conducted to assess the audio quality and naturalness of the separated sources when they are used to create stereo mixes from monaural recordings. Future directions for this research focus on the application of the proposed system to other music-related tasks. Also, a preliminary optimisation-based approach is presented as an alternative method for the separation of overlapping partials, and as a high resolution time-frequency representation for digital signals

De animais a máquinas : humanos tecnicamente melhores nos imaginários de futuro da convergência tecnológica

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Sociais, Departamento de Sociologia, 2020.O tema desta investigação é discutir os imaginários sociais de ciência e tecnologia que emergem a partir da área da neuroengenharia, em sua relação com a Convergência Tecnológica de quatro disciplinas: Nanotecnologia, Biotecnologia, tecnologias da Informação e tecnologias Cognitivas - neurociências- (CT-NBIC). Estas áreas desenvolvem-se e são articuladas por meio de discursos que ressaltam o aprimoramento das capacidades físicas e cognitivas dos seres humanos, com o intuito de construir uma sociedade melhor por meio do progresso científico e tecnológico, nos limites das agendas de pesquisa e desenvolvimento (P&D). Objetivos: Os objetivos nesse cenário, são discutir as implicações éticas, econômicas, políticas e sociais deste modelo de sistema sociotécnico. Nos referimos, tanto as aplicações tecnológicas, quanto as consequências das mesmas na formação dos imaginários sociais, que tipo de relações se estabelecem e como são criadas dentro desse contexto. Conclusão: Concluímos na busca por refletir criticamente sobre as propostas de aprimoramento humano mediado pela tecnologia, que surgem enquanto parte da agenda da Convergência Tecnológica NBIC. No entanto, as propostas de melhoramento humano vão muito além de uma agenda de investigação. Há todo um quadro de referências filosóficas e políticas que defendem o aprimoramento da espécie, vertentes estas que se aliam a movimentos trans-humanistas e pós- humanistas, posições que são ao mesmo tempo éticas, políticas e econômicas. A partir de nossa análise, entendemos que ciência, tecnologia e política estão articuladas, em coprodução, em relação às expectativas de futuros que são esperados ou desejados. Ainda assim, acreditamos que há um espaço de diálogo possível, a partir do qual buscamos abrir propostas para o debate público sobre questões de ciência e tecnologia relacionadas ao aprimoramento da espécie humana.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)The subject of this research is to discuss the social imaginaries of science and technology that emerge from the area of neuroengineering in relation with the Technological Convergence of four disciplines: Nanotechnology, Biotechnology, Information technologies and Cognitive technologies -neurosciences- (CT-NBIC). These areas are developed and articulated through discourses that emphasize the enhancement of human physical and cognitive capacities, the intuition it is to build a better society, through the scientific and technological progress, at the limits of the research and development (R&D) agendas. Objectives: The objective in this scenery, is to discuss the ethic, economic, politic and social implications of this model of sociotechnical system. We refer about the technological applications and the consequences of them in the formation of social imaginaries as well as the kind of social relations that are created and established in this context. Conclusion: We conclude looking for critical reflections about the proposals of human enhancement mediated by the technology. That appear as a part of the NBIC technologies agenda. Even so, the proposals of human enhancement go beyond boundaries that an investigation agenda. There is a frame of philosophical and political references that defend the enhancement of the human beings. These currents that ally to the transhumanism and posthumanism movements, positions that are ethic, politic and economic at the same time. From our analysis, we understand that science, technology and politics are articulated, are in co-production, regarding the expected and desired futures. Even so, we believe that there is a space of possible dialog, from which we look to open proposals for the public discussion on questions of science and technology related to enhancement of human beings