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

Aprendizado de variedades para a síntese de áudio espacial

Orientadores: Luiz César Martini, Bruno Sanches MasieroTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: O objetivo do áudio espacial gerado com a técnica binaural é simular uma fonte sonora em localizações espaciais arbitrarias através das Funções de Transferência Relativas à Cabeça (HRTFs) ou também chamadas de Funções de Transferência Anatômicas. As HRTFs modelam a interação entre uma fonte sonora e a antropometria de uma pessoa (e.g., cabeça, torso e orelhas). Se filtrarmos uma fonte de áudio através de um par de HRTFs (uma para cada orelha), o som virtual resultante parece originar-se de uma localização espacial específica. Inspirados em nossos resultados bem sucedidos construindo uma aplicação prática de reconhecimento facial voltada para pessoas com deficiência visual que usa uma interface de usuário baseada em áudio espacial, neste trabalho aprofundamos nossa pesquisa para abordar vários aspectos científicos do áudio espacial. Neste contexto, esta tese analisa como incorporar conhecimentos prévios do áudio espacial usando uma nova representação não-linear das HRTFs baseada no aprendizado de variedades para enfrentar vários desafios de amplo interesse na comunidade do áudio espacial, como a personalização de HRTFs, a interpolação de HRTFs e a melhoria da localização de fontes sonoras. O uso do aprendizado de variedades para áudio espacial baseia-se no pressuposto de que os dados (i.e., as HRTFs) situam-se em uma variedade de baixa dimensão. Esta suposição também tem sido de grande interesse entre pesquisadores em neurociência computacional, que argumentam que as variedades são cruciais para entender as relações não lineares subjacentes à percepção no cérebro. Para todas as nossas contribuições usando o aprendizado de variedades, a construção de uma única variedade entre os sujeitos através de um grafo Inter-sujeito (Inter-subject graph, ISG) revelou-se como uma poderosa representação das HRTFs capaz de incorporar conhecimento prévio destas e capturar seus fatores subjacentes. Além disso, a vantagem de construir uma única variedade usando o nosso ISG e o uso de informações de outros indivíduos para melhorar o desempenho geral das técnicas aqui propostas. Os resultados mostram que nossas técnicas baseadas no ISG superam outros métodos lineares e não-lineares nos desafios de áudio espacial abordados por esta teseAbstract: The objective of binaurally rendered spatial audio is to simulate a sound source in arbitrary spatial locations through the Head-Related Transfer Functions (HRTFs). HRTFs model the direction-dependent influence of ears, head, and torso on the incident sound field. When an audio source is filtered through a pair of HRTFs (one for each ear), a listener is capable of perceiving a sound as though it were reproduced at a specific location in space. Inspired by our successful results building a practical face recognition application aimed at visually impaired people that uses a spatial audio user interface, in this work we have deepened our research to address several scientific aspects of spatial audio. In this context, this thesis explores the incorporation of spatial audio prior knowledge using a novel nonlinear HRTF representation based on manifold learning, which tackles three major challenges of broad interest among the spatial audio community: HRTF personalization, HRTF interpolation, and human sound localization improvement. Exploring manifold learning for spatial audio is based on the assumption that the data (i.e. the HRTFs) lies on a low-dimensional manifold. This assumption has also been of interest among researchers in computational neuroscience, who argue that manifolds are crucial for understanding the underlying nonlinear relationships of perception in the brain. For all of our contributions using manifold learning, the construction of a single manifold across subjects through an Inter-subject Graph (ISG) has proven to lead to a powerful HRTF representation capable of incorporating prior knowledge of HRTFs and capturing the underlying factors of spatial hearing. Moreover, the use of our ISG to construct a single manifold offers the advantage of employing information from other individuals to improve the overall performance of the techniques herein proposed. The results show that our ISG-based techniques outperform other linear and nonlinear methods in tackling the spatial audio challenges addressed by this thesisDoutoradoEngenharia de ComputaçãoDoutor em Engenharia Elétrica2014/14630-9FAPESPCAPE

Single- and multi-microphone speech dereverberation using spectral enhancement

In speech communication systems, such as voice-controlled systems, hands-free mobile telephones, and hearing aids, the received microphone signals are degraded by room reverberation, background noise, and other interferences. This signal degradation may lead to total unintelligibility of the speech and decreases the performance of automatic speech recognition systems. In the context of this work reverberation is the process of multi-path propagation of an acoustic sound from its source to one or more microphones. The received microphone signal generally consists of a direct sound, reflections that arrive shortly after the direct sound (commonly called early reverberation), and reflections that arrive after the early reverberation (commonly called late reverberation). Reverberant speech can be described as sounding distant with noticeable echo and colouration. These detrimental perceptual effects are primarily caused by late reverberation, and generally increase with increasing distance between the source and microphone. Conversely, early reverberations tend to improve the intelligibility of speech. In combination with the direct sound it is sometimes referred to as the early speech component. Reduction of the detrimental effects of reflections is evidently of considerable practical importance, and is the focus of this dissertation. More specifically the dissertation deals with dereverberation techniques, i.e., signal processing techniques to reduce the detrimental effects of reflections. In the dissertation, novel single- and multimicrophone speech dereverberation algorithms are developed that aim at the suppression of late reverberation, i.e., at estimation of the early speech component. This is done via so-called spectral enhancement techniques that require a specific measure of the late reverberant signal. This measure, called spectral variance, can be estimated directly from the received (possibly noisy) reverberant signal(s) using a statistical reverberation model and a limited amount of a priori knowledge about the acoustic channel(s) between the source and the microphone(s). In our work an existing single-channel statistical reverberation model serves as a starting point. The model is characterized by one parameter that depends on the acoustic characteristics of the environment. We show that the spectral variance estimator that is based on this model, can only be used when the source-microphone distance is larger than the so-called critical distance. This is, crudely speaking, the distance where the direct sound power is equal to the total reflective power. A generalization of the statistical reverberation model in which the direct sound is incorporated is developed. This model requires one additional parameter that is related to the ratio between the direct sound energy and the sound energy of all reflections. The generalized model is used to derive a novel spectral variance estimator. When the novel estimator is used for dereverberation rather than the existing estimator, and the source-microphone distance is smaller than the critical distance, the dereverberation performance is significantly increased. Single-microphone systems only exploit the temporal and spectral diversity of the received signal. Reverberation, of course, also induces spatial diversity. To additionally exploit this diversity, multiple microphones must be used, and their outputs must be combined by a suitable spatial processor such as the so-called delay and sum beamformer. It is not a priori evident whether spectral enhancement is best done before or after the spatial processor. For this reason we investigate both possibilities, as well as a merge of the spatial processor and the spectral enhancement technique. An advantage of the latter option is that the spectral variance estimator can be further improved. Our experiments show that the use of multiple microphones affords a significant improvement of the perceptual speech quality. The applicability of the theory developed in this dissertation is demonstrated using a hands-free communication system. Since hands-free systems are often used in a noisy and reverberant environment, the received microphone signal does not only contain the desired signal but also interferences such as room reverberation that is caused by the desired source, background noise, and a far-end echo signal that results from a sound that is produced by the loudspeaker. Usually an acoustic echo canceller is used to cancel the far-end echo. Additionally a post-processor is used to suppress background noise and residual echo, i.e., echo which could not be cancelled by the echo canceller. In this work a novel structure and post-processor for an acoustic echo canceller are developed. The post-processor suppresses late reverberation caused by the desired source, residual echo, and background noise. The late reverberation and late residual echo are estimated using the generalized statistical reverberation model. Experimental results convincingly demonstrate the benefits of the proposed system for suppressing late reverberation, residual echo and background noise. The proposed structure and post-processor have a low computational complexity, a highly modular structure, can be seamlessly integrated into existing hands-free communication systems, and affords a significant increase of the listening comfort and speech intelligibility

Perspectives

International audienceSource separation and speech enhancement research has made dramatic progress in the last 30 years. It is now a mainstream topic in speech and audio processing, with hundreds of papers published every year. Separation and enhancement performance have greatly improved and successful commercial applications are increasingly being deployed. This chapter provides an overview of research and development perspectives in the field. We do not attempt to cover all perspectives currently under discussion in the community. Instead, we focus on five directions in which we believe major progress is still possible: getting the most out of deep learning, exploiting phase relationships across time-frequency bins, improving the estimation accuracy of multichannel parameters, addressing scenarios involving multiple microphone arrays or other sensors, and accelerating industry transfer. These five directions are covered in Sections 19.1, 19.2, 19.3, 19.4, and 19.5, respectively