Deep Learning for Environmentally Robust Speech Recognition: An Overview of Recent Developments

Eliminating the negative effect of non-stationary environmental noise is a long-standing research topic for automatic speech recognition that stills remains an important challenge. Data-driven supervised approaches, including ones based on deep neural networks, have recently emerged as potential alternatives to traditional unsupervised approaches and with sufficient training, can alleviate the shortcomings of the unsupervised methods in various real-life acoustic environments. In this light, we review recently developed, representative deep learning approaches for tackling non-stationary additive and convolutional degradation of speech with the aim of providing guidelines for those involved in the development of environmentally robust speech recognition systems. We separately discuss single- and multi-channel techniques developed for the front-end and back-end of speech recognition systems, as well as joint front-end and back-end training frameworks

Towards End-to-End Acoustic Localization using Deep Learning: from Audio Signal to Source Position Coordinates

This paper presents a novel approach for indoor acoustic source localization using microphone arrays and based on a Convolutional Neural Network (CNN). The proposed solution is, to the best of our knowledge, the first published work in which the CNN is designed to directly estimate the three dimensional position of an acoustic source, using the raw audio signal as the input information avoiding the use of hand crafted audio features. Given the limited amount of available localization data, we propose in this paper a training strategy based on two steps. We first train our network using semi-synthetic data, generated from close talk speech recordings, and where we simulate the time delays and distortion suffered in the signal that propagates from the source to the array of microphones. We then fine tune this network using a small amount of real data. Our experimental results show that this strategy is able to produce networks that significantly improve existing localization methods based on \textit{SRP-PHAT} strategies. In addition, our experiments show that our CNN method exhibits better resistance against varying gender of the speaker and different window sizes compared with the other methods.Comment: 18 pages, 3 figures, 8 table

Listening for Sirens: Locating and Classifying Acoustic Alarms in City Scenes

This paper is about alerting acoustic event detection and sound source localisation in an urban scenario. Specifically, we are interested in spotting the presence of horns, and sirens of emergency vehicles. In order to obtain a reliable system able to operate robustly despite the presence of traffic noise, which can be copious, unstructured and unpredictable, we propose to treat the spectrograms of incoming stereo signals as images, and apply semantic segmentation, based on a Unet architecture, to extract the target sound from the background noise. In a multi-task learning scheme, together with signal denoising, we perform acoustic event classification to identify the nature of the alerting sound. Lastly, we use the denoised signals to localise the acoustic source on the horizon plane, by regressing the direction of arrival of the sound through a CNN architecture. Our experimental evaluation shows an average classification rate of 94%, and a median absolute error on the localisation of 7.5{\deg} when operating on audio frames of 0.5s, and of 2.5{\deg} when operating on frames of 2.5s. The system offers excellent performance in particularly challenging scenarios, where the noise level is remarkably high.Comment: 6 pages, 9 figure

Acoustic localization of people in reverberant environments using deep learning techniques

La localización de las personas a partir de información acústica es cada vez más importante en aplicaciones del mundo real como la seguridad, la vigilancia y la interacción entre personas y robots. En muchos casos, es necesario localizar con precisión personas u objetos en función del sonido que generan, especialmente en entornos ruidosos y reverberantes en los que los métodos de localización tradicionales pueden fallar, o en escenarios en los que los métodos basados en análisis de vídeo no son factibles por no disponer de ese tipo de sensores o por la existencia de oclusiones relevantes. Por ejemplo, en seguridad y vigilancia, la capacidad de localizar con precisión una fuente de sonido puede ayudar a identificar posibles amenazas o intrusos. En entornos sanitarios, la localización acústica puede utilizarse para controlar los movimientos y actividades de los pacientes, especialmente los que tienen problemas de movilidad. En la interacción entre personas y robots, los robots equipados con capacidades de localización acústica pueden percibir y responder mejor a su entorno, lo que permite interacciones más naturales e intuitivas con los humanos. Por lo tanto, el desarrollo de sistemas de localización acústica precisos y robustos utilizando técnicas avanzadas como el aprendizaje profundo es de gran importancia práctica. Es por esto que en esta tesis doctoral se aborda dicho problema en tres líneas de investigación fundamentales: (i) El diseño de un sistema extremo a extremo (end-to-end) basado en redes neuronales capaz de mejorar las tasas de localización de sistemas ya existentes en el estado del arte. (ii) El diseño de un sistema capaz de localizar a uno o varios hablantes simultáneos en entornos con características y con geometrías de arrays de sensores diferentes sin necesidad de re-entrenar. (iii) El diseño de sistemas capaces de refinar los mapas de potencia acústica necesarios para localizar a las fuentes acústicas para conseguir una mejor localización posterior. A la hora de evaluar la consecución de dichos objetivos se han utilizado diversas bases de datos realistas con características diferentes, donde las personas involucradas en las escenas pueden actuar sin ningún tipo de restricción. Todos los sistemas propuestos han sido evaluados bajo las mismas condiciones consiguiendo superar en términos de error de localización a los sistemas actuales del estado del arte