Quality assessment of spherical microphone array auralizations

The thesis documents a scientific study on quality assessment and quality prediction in Virtual Acoustic Environments (VAEs) based on spherical microphone array data, using binaural synthesis for reproduction. In the experiments, predictive modeling is applied to estimate the influence of the array on the reproduction quality by relating the data derived in perceptual experiments to the output of an auditory model. The experiments adress various aspects of the array considered relevant in auralization applications: the influence of system errors as well as the influence of the array configuration employed. The system errors comprise spatial aliasing, measurement noise, and microphone positioning errors while the array configuration is represented by the sound field order in terms of spherical harmonics, defining the spatial resolution of the array. Based on array simulations, the experimental data comprise free-field sound fields and two shoe-box shaped rooms, one with weak and another with strong reverberation. Ten audio signals served as test material, e.g., orchestral/pop music, male/female singing voice or single instruments such as castanets. In the perceptual experiments, quantitative methods are used to evaluate the impact of system errors while a descriptive analysis assesses the array configuration using two quality factors for attribution: Apparent Source Width (ASW) and Listener Envelopment (LEV). Both are quality measures commonly used in concert hall acoustics to describe the spaciousness of a room. The results from the perceptual experiments are subsequently related to the technical data derived from the auditory model in order to build, train, and evaluate a variety of predictive models. Based on classification and regression approaches, these models are applied and investigated for automated quality assessment in order to identify and categorize system errors as well as to estimate their perceptual strength. Moreover, the models allow to predict the array’s influence on ASW and LEV perception and enable the classification of further sound field characteristics, like the reflection properties of the simulated room or the sound field order used. The applied prediction models comprise simple linear regression and decision trees, or more complex models such as support vector machines or artificial neural networks. The results show that the developed prediction models perform well in their classification and regression tasks. Although their functionality is limited to the conditions underlying the conducted experiments, they can still provide a useful tool to assess basic quality-related aspects which are important when developing spherical microphone arrays for auralization applications.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Qualitätsbewertung und -vorhersage in virtuellen akustischen Umgebungen, insbesondere in Raumsimulationen basierend auf Kugelarraydaten, die mithilfe binauraler Synthese auralisiert werden. Dabei werden verschiedene Prädiktionsverfahren angewandt, um den Einfluss des Arrays auf die Wiedergabequalität automatisiert vorherzusagen, indem die Daten von Hörexperimenten mit denen eines auditorischen Modells in Bezug gesetzt werden. Im Fokus der Experimente stehen unterschiedliche, praxisrelevante Aspekte des Messsystems, die einen Einfluss auf die Wiedergabequalität haben. Konkret sind dies Messfehler, wie räumliches Aliasing, Rauschen oder Mikrofonpositionierungsfehler, oder die Konfiguration des Arrays. Diese definiert das räumliche Auflösungsvermögen und entspricht der gewählten Ordnung der Sphärischen Harmonischen Zerlegung. Die Experimente basieren auf Kugelarray-Simulationen unter Freifeldbedingungen und in einfachen simulierten Rechteckräumen mit unterschiedlichen Reflexionseigenschaften, wobei ein Raum trocken, der andere dagegen stark reflektierend ist. Dabei dienen zehn Testsignale als Audiomaterial, die in praktischen Anwendungen relevant erscheinen, wie z. B. Orchester- oder Popmusik, männlicher und weiblicher Gesang oder Kastagnetten. In Wahrnehmungsexperimenten wird der Einfluss von Messfehlern in einer quantitativen Analyse bewertet und die Qualität der Synthese deskriptiv mit den Attributen Apparent Source Width (ASW) und Listener Envelopment (LEV) bewertet. Die resultierenden Daten bilden die Basis für die Qualitätsvorhersage, wobei die Hörtestergebnisse als Observationen und die Ausgangsdaten des auditorischen Modells als Prädiktoren dienen. Mit den Daten werden unterschiedliche Prädiktionsmodelle trainiert und deren Vorhersagegenauigkeit anschließend bewertet. Die entwickelten Modelle ermöglichen es, sowohl Messfehler zu identifizieren und zu klassifizieren als auch deren Ausprägung zu schätzen. Darüber hinaus erlauben sie es, den Einfluss der Arraykonfiguration auf die Wahrnehmung von ASW und LEV vorherzusagen und die verwendete Ordnung der Schallfeldzerlegung zu identifizieren, ebenso wie die Reflexionseigenschaften des simulierten Raumes. Es kommen sowohl einfache Regressionsmodelle und Entscheidungsbäume zur Anwendung als auch komplexere Modelle, wie Support Vector Machines oder neuronale Netze. Die entwickelten Modelle zeigen in der Regel eine hohe Genauigkeit bei der Qualitätsvorhersage und erlauben so die Analyse von grundlegenden Array-Eigenschaften, ohne aufwendige Hörexperimente durchführen zu müssen. Obwohl die Anwendbarkeit der Modelle auf die hier untersuchten Fälle beschränkt ist, können sie sich als hilfreiche Werkzeuge bei der Entwicklung von Kugelarrays für Auralisationsanwendungen erweisen

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

Estimating uncertainty models for speech source localization in real-world environments

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2006.Includes bibliographical references (p. 131-140).This thesis develops improved solutions to the problems of audio source localization and speech source separation in real reverberant environments. For source localization, it develops a new time- and frequency-dependent weighting function for the generalized cross-correlation framework for time delay estimation. This weighting function is derived from the speech spectrogram as the result of a transformation designed to optimally predict localization cue accuracy. By structuring the problem in this way, we take advantage of the nonstationarity of speech in a way that is similar to the psychoacoustics of the precedence effect. For source separation, we use the same weighting function as part of a simple probabilistic generative model of localization cues. We combine this localization cue model with a mixture model of speech log-spectra and use this combined model to do speech source separation. For both source localization and source separation, we show significantly performance improvements over existing techniques on both real and simulated data in a range of acoustic environments.by Kevin William Wilson.Ph.D

A psychoacoustic engineering approach to machine sound source separation in reverberant environments

Reverberation continues to present a major problem for sound source separation algorithms, due to its corruption of many of the acoustical cues on which these algorithms rely. However, humans demonstrate a remarkable robustness to reverberation and many psychophysical and perceptual mechanisms are well documented. This thesis therefore considers the research question: can the reverberation–performance of existing psychoacoustic engineering approaches to machine source separation be improved? The precedence effect is a perceptual mechanism that aids our ability to localise sounds in reverberant environments. Despite this, relatively little work has been done on incorporating the precedence effect into automated sound source separation. Consequently, a study was conducted that compared several computational precedence models and their impact on the performance of a baseline separation algorithm. The algorithm included a precedence model, which was replaced with the other precedence models during the investigation. The models were tested using a novel metric in a range of reverberant rooms and with a range of other mixture parameters. The metric, termed Ideal Binary Mask Ratio, is shown to be robust to the effects of reverberation and facilitates meaningful and direct comparison between algorithms across different acoustic conditions. Large differences between the performances of the models were observed. The results showed that a separation algorithm incorporating a model based on interaural coherence produces the greatest performance gain over the baseline algorithm. The results from the study also indicated that it may be necessary to adapt the precedence model to the acoustic conditions in which the model is utilised. This effect is analogous to the perceptual Clifton effect, which is a dynamic component of the precedence effect that appears to adapt precedence to a given acoustic environment in order to maximise its effectiveness. However, no work has been carried out on adapting a precedence model to the acoustic conditions under test. Specifically, although the necessity for such a component has been suggested in the literature, neither its necessity nor benefit has been formally validated. Consequently, a further study was conducted in which parameters of each of the previously compared precedence models were varied in each room in order to identify if, and to what extent, the separation performance varied with these parameters. The results showed that the reverberation–performance of existing psychoacoustic engineering approaches to machine source separation can be improved and can yield significant gains in separation performance.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

Exploring the use of speech in audiology: A mixed methods study

This thesis aims to advance the understanding of how speech testing is, and can be, used for hearing device users within the audiological test battery. To address this, I engaged with clinicians and patients to understand the current role that speech testing plays in audiological testing in the UK, and developed a new listening test, which combined speech testing with localisation judgments in a dual task design. Normal hearing listeners and hearing aid users were tested, and a series of technical measurements were made to understand how advanced hearing aid settings might determine task performance. A questionnaire was completed by public and private sector hearing healthcare professionals in the UK to explore the use of speech testing. Overall, results revealed this assessment tool was underutilised by UK clinicians, but there was a significantly greater use in the private sector. Through a focus group and semi structured interviews with hearing aid users I identified a mismatch between their common listening difficulties and the assessment tools used in audiology and highlighted a lack of deaf awareness in UK adult audiology. The Spatial Speech in Noise Test (SSiN) is a dual task paradigm to simultaneously assess relative localisation and word identification performance. Testing on normal hearing listeners to investigate the impact of the dual task design found the SSiN to increase cognitive load and therefore better reflect challenging listening situations. A comparison of relative localisation and word identification performance showed that hearing aid users benefitted less from spatially separating speech and noise in the SSiN than normal hearing listeners. To investigate how the SSiN could be used to assess advanced hearing aid features, a subset of hearing aid users were fitted with the same hearing aid type and completed the SSiN once with adaptive directionality and once with omnidirectionality. The SSiN results differed between conditions but a larger sample size is needed to confirm these effects. Hearing aid technical measurements were used to quantify how hearing aid output changed in response to the SSiN paradigm

Physiology, Psychoacoustics and Cognition in Normal and Impaired Hearing

​The International Symposium on Hearing is a prestigious, triennial gathering where world-class scientists present and discuss the most recent advances in the field of human and animal hearing research. The 2015 edition will particularly focus on integrative approaches linking physiological, psychophysical and cognitive aspects of normal and impaired hearing. Like previous editions, the proceedings will contain about 50 chapters ranging from basic to applied research, and of interest to neuroscientists, psychologists, audiologists, engineers, otolaryngologists, and artificial intelligence researchers.