Block-Online Multi-Channel Speech Enhancement Using DNN-Supported Relative Transfer Function Estimates

This work addresses the problem of block-online processing for multi-channel speech enhancement. Such processing is vital in scenarios with moving speakers and/or when very short utterances are processed, e.g., in voice assistant scenarios. We consider several variants of a system that performs beamforming supported by DNN-based voice activity detection (VAD) followed by post-filtering. The speaker is targeted through estimating relative transfer functions between microphones. Each block of the input signals is processed independently in order to make the method applicable in highly dynamic environments. Owing to the short length of the processed block, the statistics required by the beamformer are estimated less precisely. The influence of this inaccuracy is studied and compared to the processing regime when recordings are treated as one block (batch processing). The experimental evaluation of the proposed method is performed on large datasets of CHiME-4 and on another dataset featuring moving target speaker. The experiments are evaluated in terms of objective and perceptual criteria (such as signal-to-interference ratio (SIR) or perceptual evaluation of speech quality (PESQ), respectively). Moreover, word error rate (WER) achieved by a baseline automatic speech recognition system is evaluated, for which the enhancement method serves as a front-end solution. The results indicate that the proposed method is robust with respect to short length of the processed block. Significant improvements in terms of the criteria and WER are observed even for the block length of 250 ms.Comment: 10 pages, 8 figures, 4 tables. Modified version of the article accepted for publication in IET Signal Processing journal. Original results unchanged, additional experiments presented, refined discussion and conclusion

An analysis of environment, microphone and data simulation mismatches in robust speech recognition

Speech enhancement and automatic speech recognition (ASR) are most often evaluated in matched (or multi-condition) settings where the acoustic conditions of the training data match (or cover) those of the test data. Few studies have systematically assessed the impact of acoustic mismatches between training and test data, especially concerning recent speech enhancement and state-of-the-art ASR techniques. In this article, we study this issue in the context of the CHiME- 3 dataset, which consists of sentences spoken by talkers situated in challenging noisy environments recorded using a 6-channel tablet based microphone array. We provide a critical analysis of the results published on this dataset for various signal enhancement, feature extraction, and ASR backend techniques and perform a number of new experiments in order to separately assess the impact of di↵erent noise environments, di↵erent numbers and positions of microphones, or simulated vs. real data on speech enhancement and ASR performance. We show that, with the exception of minimum variance distortionless response (MVDR) beamforming, most algorithms perform consistently on real and simulated data and can benefit from training on simulated data. We also find that training on di↵erent noise environments and di↵erent microphones barely a↵ects the ASR performance, especially when several environments are present in the training data: only the number of microphones has a significant impact. Based on these results, we introduce the CHiME-4 Speech Separation and Recognition Challenge, which revisits the CHiME-3 dataset and makes it more challenging by reducing the number of microphones available for testing

DNN-based mask estimation for distributed speech enhancement in spatially unconstrained microphone arrays

Deep neural network (DNN)-based speech enhancement algorithms in microphone arrays have now proven to be efficient solutions to speech understanding and speech recognition in noisy environments. However, in the context of ad-hoc microphone arrays, many challenges remain and raise the need for distributed processing. In this paper, we propose to extend a previously introduced distributed DNN-based time-frequency mask estimation scheme that can efficiently use spatial information in form of so-called compressed signals which are pre-filtered target estimations. We study the performance of this algorithm under realistic acoustic conditions and investigate practical aspects of its optimal application. We show that the nodes in the microphone array cooperate by taking profit of their spatial coverage in the room. We also propose to use the compressed signals not only to convey the target estimation but also the noise estimation in order to exploit the acoustic diversity recorded throughout the microphone array.Comment: Submitted to TASL

Reverberation: models, estimation and application

The use of reverberation models is required in many applications such as acoustic measurements, speech dereverberation and robust automatic speech recognition. The aim of this thesis is to investigate different models and propose a perceptually-relevant reverberation model with suitable parameter estimation techniques for different applications. Reverberation can be modelled in both the time and frequency domain. The model parameters give direct information of both physical and perceptual characteristics. These characteristics create a multidimensional parameter space of reverberation, which can be to a large extent captured by a time-frequency domain model. In this thesis, the relationship between physical and perceptual model parameters will be discussed. In the first application, an intrusive technique is proposed to measure the reverberation or reverberance, perception of reverberation and the colouration. The room decay rate parameter is of particular interest. In practical applications, a blind estimate of the decay rate of acoustic energy in a room is required. A statistical model for the distribution of the decay rate of the reverberant signal named the eagleMax distribution is proposed. The eagleMax distribution describes the reverberant speech decay rates as a random variable that is the maximum of the room decay rates and anechoic speech decay rates. Three methods were developed to estimate the mean room decay rate from the eagleMax distributions alone. The estimated room decay rates form a reverberation model that will be discussed in the context of room acoustic measurements, speech dereverberation and robust automatic speech recognition individually

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

Narrow-band Deep Filtering for Multichannel Speech Enhancement

In this paper, we address the problem of multichannel speech enhancement in the short-time Fourier transform (STFT) domain. A long short-time memory (LSTM) network takes as input a sequence of STFT coefficients associated with a frequency bin of multichannel noisy-speech signals. The network's output is the corresponding sequence of single-channel cleaned speech. We propose several clean-speech network targets, namely, the magnitude ratio mask, the complex STFT coefficients and the (smoothed) spatial filter. A prominent feature of the proposed model is that the same LSTM architecture, with identical parameters, is trained across frequency bins. The proposed method is referred to as narrow-band deep filtering. This choice stays in contrast with traditional wideband speech enhancement methods. The proposed deep filtering is able to discriminate between speech and noise by exploiting their different temporal and spatial characteristics: speech is non-stationary and spatially coherent while noise is relatively stationary and weakly correlated across channels. This is similar in spirit with unsupervised techniques, such as spectral subtraction and beamforming. We describe extensive experiments with both mixed signals (noise is added to clean speech) and real signals (live recordings). We empirically evaluate the proposed architecture variants using speech enhancement and speech recognition metrics, and we compare our results with the results obtained with several state of the art methods. In the light of these experiments we conclude that narrow-band deep filtering has very good speech enhancement and speech recognition performance, and excellent generalization capabilities in terms of speaker variability and noise type