Mathematics and Digital Signal Processing

Modern computer technology has opened up new opportunities for the development of digital signal processing methods. The applications of digital signal processing have expanded significantly and today include audio and speech processing, sonar, radar, and other sensor array processing, spectral density estimation, statistical signal processing, digital image processing, signal processing for telecommunications, control systems, biomedical engineering, and seismology, among others. This Special Issue is aimed at wide coverage of the problems of digital signal processing, from mathematical modeling to the implementation of problem-oriented systems. The basis of digital signal processing is digital filtering. Wavelet analysis implements multiscale signal processing and is used to solve applied problems of de-noising and compression. Processing of visual information, including image and video processing and pattern recognition, is actively used in robotic systems and industrial processes control today. Improving digital signal processing circuits and developing new signal processing systems can improve the technical characteristics of many digital devices. The development of new methods of artificial intelligence, including artificial neural networks and brain-computer interfaces, opens up new prospects for the creation of smart technology. This Special Issue contains the latest technological developments in mathematics and digital signal processing. The stated results are of interest to researchers in the field of applied mathematics and developers of modern digital signal processing systems

The personal hearing system- A software hearing aid for a personal communication system

A concept and architecture of a personal communication system (PCS) is introduced that integrates audio communication and hearing support for the elderly and hearing-impaired through a personal hearing system (PHS). The concept envisions a central processor connected to audio headsets via a wireless body area network (WBAN). To demonstrate the concept, a prototype PCS is presented that is implemented on a netbook computer with a dedicated audio interface in combination with a mobile phone. The prototype can be used for field-testing possible applications and to reveal possibilities and limitations of the concept of integrating hearing support in consumer audio communication devices. It is shown that the prototype PCS can integrate hearing aid functionality, telephony, public announcement systems, and home entertainment. An exemplary binaural speech enhancement scheme that represents a large class of possible PHS processing schemes is shown to be compatible with the general concept. However, an analysis of hardware and software architectures shows that the implementation of a PCS on future advanced cell phone-like devices is challenging. Because of limitations in processing power, recoding of prototype implementations into fixed point arithmetic will be required and WBAN performance is still a limiting factor in terms of data rate and delay

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

Robust Distributed Multi-Source Detection and Labeling in Wireless Acoustic Sensor Networks

The growing demand in complex signal processing methods associated with low-energy large scale wireless acoustic sensor networks (WASNs) urges the shift to a new information and communication technologies (ICT) paradigm. The emerging research perception aspires for an appealing wireless network communication where multiple heterogeneous devices with different interests can cooperate in various signal processing tasks (MDMT). Contributions in this doctoral thesis focus on distributed multi-source detection and labeling applied to audio enhancement scenarios pursuing an MDMT fashioned node-specific source-of-interest signal enhancement in WASNs. In fact, an accurate detection and labeling is a pre-requisite to pursue the MDMT paradigm where nodes in the WASN communicate effectively their sources-of-interest and, therefore, multiple signal processing tasks can be enhanced via cooperation. First, a novel framework based on a dominant source model in distributed WASNs for resolving the activity detection of multiple speech sources in a reverberant and noisy environment is introduced. A preliminary rank-one multiplicative non-negative independent component analysis (M-NICA) for unique dominant energy source extraction given associated node clusters is presented. Partitional algorithms that minimize the within-cluster mean absolute deviation (MAD) and weighted MAD objectives are proposed to determine the cluster membership of the unmixed energies, and thus establish a source specific voice activity recognition. In a second study, improving the energy signal separation to alleviate the multiple source activity discrimination task is targeted. Sparsity inducing penalties are enforced on iterative rank-one singular value decomposition layers to extract sparse right rotations. Then, sparse non-negative blind energy separation is realized using multiplicative updates. Hence, the multiple source detection problem is converted into a sparse non-negative source energy decorrelation. Sparsity tunes the supposedly non-active energy signatures to exactly zero-valued energies so that it is easier to identify active energies and an activity detector can be constructed in a straightforward manner. In a centralized scenario, the activity decision is controlled by a fusion center that delivers the binary source activity detection for every participating energy source. This strategy gives precise detection results for small source numbers. With a growing number of interfering sources, the distributed detection approach is more promising. Conjointly, a robust distributed energy separation algorithm for multiple competing sources is proposed. A robust and regularized $t_{\nu}M$-estimation of the covariance matrix of the mixed energies is employed. This approach yields a simple activity decision using only the robustly unmixed energy signatures of the sources in the WASN. The performance of the robust activity detector is validated with a distributed adaptive node-specific signal estimation method for speech enhancement. The latter enhances the quality and intelligibility of the signal while exploiting the accurately estimated multi-source voice decision patterns. In contrast to the original M-NICA for source separation, the extracted binary activity patterns with the robust energy separation significantly improve the node-specific signal estimation. Due to the increased computational complexity caused by the additional step of energy signal separation, a new approach to solving the detection question of multi-device multi-source networks is presented. Stability selection for iterative extraction of robust right singular vectors is considered. The sub-sampling selection technique provides transparency in properly choosing the regularization variable in the Lasso optimization problem. In this way, the strongest sparse right singular vectors using a robust $\ell_1$-norm and stability selection are the set of basis vectors that describe the input data efficiently. Active/non-active source classification is achieved based on a robust Mahalanobis classifier. For this, a robust $M$-estimator of the covariance matrix in the Mahalanobis distance is utilized. Extensive evaluation in centralized and distributed settings is performed to assess the effectiveness of the proposed approach. Thus, overcoming the computationally demanding source separation scheme is possible via exploiting robust stability selection for sparse multi-energy feature extraction. With respect to the labeling problem of various sources in a WASN, a robust approach is introduced that exploits the direction-of-arrival of the impinging source signals. A short-time Fourier transform-based subspace method estimates the angles of locally stationary wide band signals using a uniform linear array. The median of angles estimated at every frequency bin is utilized to obtain the overall angle for each participating source. The features, in this case, exploit the similarity across devices in the particular frequency bins that produce reliable direction-of-arrival estimates for each source. Reliability is defined with respect to the median across frequencies. All source-specific frequency bands that contribute to correct estimated angles are selected. A feature vector is formed for every source at each device by storing the frequency bin indices that lie within the upper and lower interval of the median absolute deviation scale of the estimated angle. Labeling is accomplished by a distributed clustering of the extracted angle-based feature vectors using consensus averaging

MWF-based speech dereverberation with a local microphone array and an external microphone

status: publishe