Deep learning-based denoising streamed from mobile phones improves speech-in-noise understanding for hearing aid users

The hearing loss of almost half a billion people is commonly treated with hearing aids. However, current hearing aids often do not work well in real-world noisy environments. We present a deep learning based denoising system that runs in real time on iPhone 7 and Samsung Galaxy S10 (25ms algorithmic latency). The denoised audio is streamed to the hearing aid, resulting in a total delay of around 75ms. In tests with hearing aid users having moderate to severe hearing loss, our denoising system improves audio across three tests: 1) listening for subjective audio ratings, 2) listening for objective speech intelligibility, and 3) live conversations in a noisy environment for subjective ratings. Subjective ratings increase by more than 40%, for both the listening test and the live conversation compared to a fitted hearing aid as a baseline. Speech reception thresholds, measuring speech understanding in noise, improve by 1.6 dB SRT. Ours is the first denoising system that is implemented on a mobile device, streamed directly to users' hearing aids using only a single channel as audio input while improving user satisfaction on all tested aspects, including speech intelligibility. This includes overall preference of the denoised and streamed signal over the hearing aid, thereby accepting the higher latency for the significant improvement in speech understanding

Coding Strategies for Cochlear Implants Under Adverse Environments

Cochlear implants are electronic prosthetic devices that restores partial hearing in patients with severe to profound hearing loss. Although most coding strategies have significantly improved the perception of speech in quite listening conditions, there remains limitations on speech perception under adverse environments such as in background noise, reverberation and band-limited channels, and we propose strategies that improve the intelligibility of speech transmitted over the telephone networks, reverberated speech and speech in the presence of background noise. For telephone processed speech, we propose to examine the effects of adding low-frequency and high- frequency information to the band-limited telephone speech. Four listening conditions were designed to simulate the receiving frequency characteristics of telephone handsets. Results indicated improvement in cochlear implant and bimodal listening when telephone speech was augmented with high frequency information and therefore this study provides support for design of algorithms to extend the bandwidth towards higher frequencies. The results also indicated added benefit from hearing aids for bimodal listeners in all four types of listening conditions. Speech understanding in acoustically reverberant environments is always a difficult task for hearing impaired listeners. Reverberated sounds consists of direct sound, early reflections and late reflections. Late reflections are known to be detrimental to speech intelligibility. In this study, we propose a reverberation suppression strategy based on spectral subtraction to suppress the reverberant energies from late reflections. Results from listening tests for two reverberant conditions (RT60 = 0.3s and 1.0s) indicated significant improvement when stimuli was processed with SS strategy. The proposed strategy operates with little to no prior information on the signal and the room characteristics and therefore, can potentially be implemented in real-time CI speech processors. For speech in background noise, we propose a mechanism underlying the contribution of harmonics to the benefit of electroacoustic stimulations in cochlear implants. The proposed strategy is based on harmonic modeling and uses synthesis driven approach to synthesize the harmonics in voiced segments of speech. Based on objective measures, results indicated improvement in speech quality. This study warrants further work into development of algorithms to regenerate harmonics of voiced segments in the presence of noise

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

Evaluation of the sparse coding shrinkage noise reduction algorithm for the hearing impaired

Although there are numerous single-channel noise reduction strategies to improve speech perception in a noisy environment, most of them can only improve speech quality but not improve speech intelligibility for normal hearing (NH) or hearing impaired (HI) listeners. Exceptions that can improve speech intelligibility currently are only those that require a priori statistics of speech or noise. Most of the noise reduction algorithms in hearing aids are adopted directly from the algorithms for NH listeners without taking into account of the hearing loss factors within HI listeners. HI listeners suffer more in speech intelligibility than NH listeners in the same noisy environment. Further study of monaural noise reduction algorithms for HI listeners is required.The motivation is to adapt a model-based approach in contrast to the conventional Wiener filtering approach. The model-based algorithm called sparse coding shrinkage (SCS) was proposed to extract key speech information from noisy speech. The SCS algorithm was evaluated by comparison with another state-of-the-art Wiener filtering approach through speech intelligibility and quality tests using 9 NH and 9 HI listeners. The SCS algorithm matched the performance of the Wiener filtering algorithm in speech intelligibility and speech quality. Both algorithms showed some intelligibility improvements for HI listeners but not at all for NH listeners. The algorithms improved speech quality for both HI and NH listeners.Additionally, a physiologically-inspired hearing loss simulation (HLS) model was developed to characterize hearing loss factors and simulate hearing loss consequences. A methodology was proposed to evaluate signal processing strategies for HI listeners with the proposed HLS model and NH subjects. The corresponding experiment was performed by asking NH subjects to listen to unprocessed/enhanced speech with the HLS model. Some of the effects of the algorithms seen in HI listeners are reproduced, at least qualitatively, by using the HLS model with NH listeners.Conclusions: The model-based algorithm SCS is promising for improving performance in stationary noise although no clear difference was seen in the performance of SCS and a competitive Wiener filtering algorithm. Fluctuating noise is more difficult to reduce compared to stationary noise. Noise reduction algorithms may perform better at higher input signal-to-noise ratios (SNRs) where HI listeners can get benefit but where NH listeners already reach ceiling performance. The proposed HLS model can save time and cost when evaluating noise reduction algorithms for HI listeners

Objective Assessment of Machine Learning Algorithms for Speech Enhancement in Hearing Aids

Speech enhancement in assistive hearing devices has been an area of research for many decades. Noise reduction is particularly challenging because of the wide variety of noise sources and the non-stationarity of speech and noise. Digital signal processing (DSP) algorithms deployed in modern hearing aids for noise reduction rely on certain assumptions on the statistical properties of undesired signals. This could be disadvantageous in accurate estimation of different noise types, which subsequently leads to suboptimal noise reduction. In this research, a relatively unexplored technique based on deep learning, i.e. Recurrent Neural Network (RNN), is used to perform noise reduction and dereverberation for assisting hearing-impaired listeners. For noise reduction, the performance of the deep learning model was evaluated objectively and compared with that of open Master Hearing Aid (openMHA), a conventional signal processing based framework, and a Deep Neural Network (DNN) based model. It was found that the RNN model can suppress noise and improve speech understanding better than the conventional hearing aid noise reduction algorithm and the DNN model. The same RNN model was shown to reduce reverberation components with proper training. A real-time implementation of the deep learning model is also discussed