Monaural speech separation with deep learning using phase modelling and capsule networks

The removal of background noise from speech audio is a problem with high practical relevance. A variety of deep learning approaches have been applied to it in recent years, most of which operate on a magnitude spectrogram representation of a noisy recording to estimate the isolated speaking voice. This work investigates ways to include phase information, which is commonly discarded, firstly within a convolutional neural network (CNN) architecture, and secondly by applying capsule networks, to our knowledge the first time capsules have been used in source separation. We present a Circular Loss function, which takes into account the periodic nature of phase. Our results show that the inclusion of phase information leads to an improvement in the quality of speech separation. We also find that in our experiments convolutional neural networks outperform capsule networks at speech separation

Trennung und Schätzung der Anzahl von Audiosignalquellen mit Zeit- und Frequenzüberlappung

Everyday audio recordings involve mixture signals: music contains a mixture of instruments; in a meeting or conference, there is a mixture of human voices. For these mixtures, automatically separating or estimating the number of sources is a challenging task. A common assumption when processing mixtures in the time-frequency domain is that sources are not fully overlapped. However, in this work we consider some cases where the overlap is severe — for instance, when instruments play the same note (unison) or when many people speak concurrently ("cocktail party") — highlighting the need for new representations and more powerful models. To address the problems of source separation and count estimation, we use conventional signal processing techniques as well as deep neural networks (DNN). We first address the source separation problem for unison instrument mixtures, studying the distinct spectro-temporal modulations caused by vibrato. To exploit these modulations, we developed a method based on time warping, informed by an estimate of the fundamental frequency. For cases where such estimates are not available, we present an unsupervised model, inspired by the way humans group time-varying sources (common fate). This contribution comes with a novel representation that improves separation for overlapped and modulated sources on unison mixtures but also improves vocal and accompaniment separation when used as an input for a DNN model. Then, we focus on estimating the number of sources in a mixture, which is important for real-world scenarios. Our work on count estimation was motivated by a study on how humans can address this task, which lead us to conduct listening experiments, confirming that humans are only able to estimate the number of up to four sources correctly. To answer the question of whether machines can perform similarly, we present a DNN architecture, trained to estimate the number of concurrent speakers. Our results show improvements compared to other methods, and the model even outperformed humans on the same task. In both the source separation and source count estimation tasks, the key contribution of this thesis is the concept of “modulation”, which is important to computationally mimic human performance. Our proposed Common Fate Transform is an adequate representation to disentangle overlapping signals for separation, and an inspection of our DNN count estimation model revealed that it proceeds to find modulation-like intermediate features.Im Alltag sind wir von gemischten Signalen umgeben: Musik besteht aus einer Mischung von Instrumenten; in einem Meeting oder auf einer Konferenz sind wir einer Mischung menschlicher Stimmen ausgesetzt. Für diese Mischungen ist die automatische Quellentrennung oder die Bestimmung der Anzahl an Quellen eine anspruchsvolle Aufgabe. Eine häufige Annahme bei der Verarbeitung von gemischten Signalen im Zeit-Frequenzbereich ist, dass die Quellen sich nicht vollständig überlappen. In dieser Arbeit betrachten wir jedoch einige Fälle, in denen die Überlappung immens ist zum Beispiel, wenn Instrumente den gleichen Ton spielen (unisono) oder wenn viele Menschen gleichzeitig sprechen (Cocktailparty) —, so dass neue Signal-Repräsentationen und leistungsfähigere Modelle notwendig sind. Um die zwei genannten Probleme zu bewältigen, verwenden wir sowohl konventionelle Signalverbeitungsmethoden als auch tiefgehende neuronale Netze (DNN). Wir gehen zunächst auf das Problem der Quellentrennung für Unisono-Instrumentenmischungen ein und untersuchen die speziellen, durch Vibrato ausgelösten, zeitlich-spektralen Modulationen. Um diese Modulationen auszunutzen entwickelten wir eine Methode, die auf Zeitverzerrung basiert und eine Schätzung der Grundfrequenz als zusätzliche Information nutzt. Für Fälle, in denen diese Schätzungen nicht verfügbar sind, stellen wir ein unüberwachtes Modell vor, das inspiriert ist von der Art und Weise, wie Menschen zeitveränderliche Quellen gruppieren (Common Fate). Dieser Beitrag enthält eine neuartige Repräsentation, die die Separierbarkeit für überlappte und modulierte Quellen in Unisono-Mischungen erhöht, aber auch die Trennung in Gesang und Begleitung verbessert, wenn sie in einem DNN-Modell verwendet wird. Im Weiteren beschäftigen wir uns mit der Schätzung der Anzahl von Quellen in einer Mischung, was für reale Szenarien wichtig ist. Unsere Arbeit an der Schätzung der Anzahl war motiviert durch eine Studie, die zeigt, wie wir Menschen diese Aufgabe angehen. Dies hat uns dazu veranlasst, eigene Hörexperimente durchzuführen, die bestätigten, dass Menschen nur in der Lage sind, die Anzahl von bis zu vier Quellen korrekt abzuschätzen. Um nun die Frage zu beantworten, ob Maschinen dies ähnlich gut können, stellen wir eine DNN-Architektur vor, die erlernt hat, die Anzahl der gleichzeitig sprechenden Sprecher zu ermitteln. Die Ergebnisse zeigen Verbesserungen im Vergleich zu anderen Methoden, aber vor allem auch im Vergleich zu menschlichen Hörern. Sowohl bei der Quellentrennung als auch bei der Schätzung der Anzahl an Quellen ist ein Kernbeitrag dieser Arbeit das Konzept der “Modulation”, welches wichtig ist, um die Strategien von Menschen mittels Computern nachzuahmen. Unsere vorgeschlagene Common Fate Transformation ist eine adäquate Darstellung, um die Überlappung von Signalen für die Trennung zugänglich zu machen und eine Inspektion unseres DNN-Zählmodells ergab schließlich, dass sich auch hier modulationsähnliche Merkmale finden lassen

Interaction intermodale dans les réseaux neuronaux profonds pour la classification et la localisation d'évènements audiovisuels

La compréhension automatique du monde environnant a de nombreuses applications telles que la surveillance et sécurité, l'interaction Homme-Machine, la robotique, les soins de santé, etc. Plus précisément, la compréhension peut s'exprimer par le biais de différentes taches telles que la classification et localisation dans l'espace d'évènements. Les êtres vivants exploitent un maximum de l'information disponible pour comprendre ce qui les entoure. En s'inspirant du comportement des êtres vivants, les réseaux de neurones artificiels devraient également utiliser conjointement plusieurs modalités, par exemple, la vision et l'audition. Premièrement, les modèles de classification et localisation, basés sur l'information audio-visuelle, doivent être évalués de façon objective. Nous avons donc enregistré une nouvelle base de données pour compléter les bases actuellement disponibles. Comme aucun modèle audio-visuel de classification et localisation n'existe, seule la partie sonore de la base est évaluée avec un modèle de la littérature. Deuxièmement, nous nous concentrons sur le cœur de la thèse: comment utiliser conjointement de l'information visuelle et sonore pour résoudre une tâche spécifique, la reconnaissance d'évènements. Le cerveau n'est pas constitué d'une "simple" fusion mais comprend de multiples interactions entre les deux modalités. Il y a un couplage important entre le traitement de l'information visuelle et sonore. Les réseaux de neurones offrent la possibilité de créer des interactions entre les modalités en plus de la fusion. Dans cette thèse, nous explorons plusieurs stratégies pour fusionner les modalités visuelles et sonores et pour créer des interactions entre les modalités. Ces techniques ont les meilleures performances en comparaison aux architectures de l'état de l'art au moment de la publication. Ces techniques montrent l'utilité de la fusion audio-visuelle mais surtout l'importance des interactions entre les modalités. Pour conclure la thèse, nous proposons un réseau de référence pour la classification et localisation d'évènements audio-visuels. Ce réseau a été testé avec la nouvelle base de données. Les modèles précédents de classification sont modifiés pour prendre en compte la localisation dans l'espace en plus de la classification.Abstract: The automatic understanding of the surrounding world has a wide range of applications, including surveillance, human-computer interaction, robotics, health care, etc. The understanding can be expressed in several ways such as event classification and its localization in space. Living beings exploit a maximum of the available information to understand the surrounding world. Artificial neural networks should build on this behavior and jointly use several modalities such as vision and hearing. First, audio-visual networks for classification and localization must be evaluated objectively. We recorded a new audio-visual dataset to fill a gap in the current available datasets. We were not able to find audio-visual models for classification and localization. Only the dataset audio part is evaluated with a state-of-the-art model. Secondly, we focus on the main challenge of the thesis: How to jointly use visual and audio information to solve a specific task, event recognition. The brain does not comprise a simple fusion but has multiple interactions between the two modalities to create a strong coupling between them. The neural networks offer the possibility to create interactions between the two modalities in addition to the fusion. We explore several strategies to fuse the audio and visual modalities and to create interactions between modalities. These techniques have the best performance compared to the state-of-the-art architectures at the time of publishing. They show the usefulness of audio-visual fusion but above all the contribution of the interaction between modalities. To conclude, we propose a benchmark for audio-visual classification and localization on the new dataset. Previous models for the audio-visual classification are modified to address the localization in addition to the classification