Optimization Scheme of Joint Noise Suppression and Dereverberation Based on Higher-Order Statistics

APSIPA ASC 2012 : Asia-Pacific Signal and Information Processing Association 2012 Annual Summit and Conference, December 3-6, 2012, Hollywood, California, USA.In this paper, we apply the higher-order statistics parameter to automatically improve the performance of blind speech enhancement. Recently, a method to suppress both diffuse background noise and late reverberation part of speech has been proposed combining blind signal extraction and Wiener filtering. However, this method requires a good strategy for choosing the set of its parameters in order to achieve the optimum result and to control the amount of musical noise, which is a common problem in non-linear signal processing. We present an optimization scheme to control the value of Wiener filter coefficients used in this method, which depends on the amount of musical noise generated, measured by higher-order statistics. The noise reduction rate and cepstral distortion are also evaluated to confirm the effectiveness of this scheme

Single-Channel Signal Separation Using Spectral Basis Correlation with Sparse Nonnegative Tensor Factorization

A novel approach for solving the single-channel signal separation is presented the proposed sparse nonnegative tensor factorization under the framework of maximum a posteriori probability and adaptively fine-tuned using the hierarchical Bayesian approach with a new mixing mixture model. The mixing mixture is an analogy of a stereo signal concept given by one real and the other virtual microphones. An “imitated-stereo” mixture model is thus developed by weighting and time-shifting the original single-channel mixture. This leads to an artificial mixing system of dual channels which gives rise to a new form of spectral basis correlation diversity of the sources. Underlying all factorization algorithms is the principal difficulty in estimating the adequate number of latent components for each signal. This paper addresses these issues by developing a framework for pruning unnecessary components and incorporating a modified multivariate rectified Gaussian prior information into the spectral basis features. The parameters of the imitated-stereo model are estimated via the proposed sparse nonnegative tensor factorization with Itakura–Saito divergence. In addition, the separability conditions of the proposed mixture model are derived and demonstrated that the proposed method can separate real-time captured mixtures. Experimental testing on real audio sources has been conducted to verify the capability of the proposed method

Informed algorithms for sound source separation in enclosed reverberant environments

While humans can separate a sound of interest amidst a cacophony of contending sounds in an echoic environment, machine-based methods lag behind in solving this task. This thesis thus aims at improving performance of audio separation algorithms when they are informed i.e. have access to source location information. These locations are assumed to be known a priori in this work, for example by video processing. Initially, a multi-microphone array based method combined with binary time-frequency masking is proposed. A robust least squares frequency invariant data independent beamformer designed with the location information is utilized to estimate the sources. To further enhance the estimated sources, binary time-frequency masking based post-processing is used but cepstral domain smoothing is required to mitigate musical noise. To tackle the under-determined case and further improve separation performance at higher reverberation times, a two-microphone based method which is inspired by human auditory processing and generates soft time-frequency masks is described. In this approach interaural level difference, interaural phase difference and mixing vectors are probabilistically modeled in the time-frequency domain and the model parameters are learned through the expectation-maximization (EM) algorithm. A direction vector is estimated for each source, using the location information, which is used as the mean parameter of the mixing vector model. Soft time-frequency masks are used to reconstruct the sources. A spatial covariance model is then integrated into the probabilistic model framework that encodes the spatial characteristics of the enclosure and further improves the separation performance in challenging scenarios i.e. when sources are in close proximity and when the level of reverberation is high. Finally, new dereverberation based pre-processing is proposed based on the cascade of three dereverberation stages where each enhances the twomicrophone reverberant mixture. The dereverberation stages are based on amplitude spectral subtraction, where the late reverberation is estimated and suppressed. The combination of such dereverberation based pre-processing and use of soft mask separation yields the best separation performance. All methods are evaluated with real and synthetic mixtures formed for example from speech signals from the TIMIT database and measured room impulse responses

Blind source separation using statistical nonnegative matrix factorization

PhD ThesisBlind Source Separation (BSS) attempts to automatically extract and track a signal of interest in real world scenarios with other signals present. BSS addresses the problem of recovering the original signals from an observed mixture without relying on training knowledge. This research studied three novel approaches for solving the BSS problem based on the extensions of non-negative matrix factorization model and the sparsity regularization methods. 1) A framework of amalgamating pruning and Bayesian regularized cluster nonnegative tensor factorization with Itakura-Saito divergence for separating sources mixed in a stereo channel format: The sparse regularization term was adaptively tuned using a hierarchical Bayesian approach to yield the desired sparse decomposition. The modified Gaussian prior was formulated to express the correlation between different basis vectors. This algorithm automatically detected the optimal number of latent components of the individual source. 2) Factorization for single-channel BSS which decomposes an information-bearing matrix into complex of factor matrices that represent the spectral dictionary and temporal codes: A variational Bayesian approach was developed for computing the sparsity parameters for optimizing the matrix factorization. This approach combined the advantages of both complex matrix factorization (CMF) and variational -sparse analysis. BLIND SOURCE SEPARATION USING STATISTICAL NONNEGATIVE MATRIX FACTORIZATION ii 3) An imitated-stereo mixture model developed by weighting and time-shifting the original single-channel mixture where source signals can be modelled by the AR processes. The proposed mixing mixture is analogous to a stereo signal created by two microphones with one being real and another virtual. The imitated-stereo mixture employed the nonnegative tensor factorization for separating the observed mixture. The separability analysis of the imitated-stereo mixture was derived using Wiener masking. All algorithms were tested with real audio signals. Performance of source separation was assessed by measuring the distortion between original source and the estimated one according to the signal-to-distortion (SDR) ratio. The experimental results demonstrate that the proposed uninformed audio separation algorithms have surpassed among the conventional BSS methods; i.e. IS-cNTF, SNMF and CMF methods, with average SDR improvement in the ranges from 2.6dB to 6.4dB per source.Payap Universit

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