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

A Low-Cost Robust Distributed Linearly Constrained Beamformer for Wireless Acoustic Sensor Networks with Arbitrary Topology

We propose a new robust distributed linearly constrained beamformer which utilizes a set of linear equality constraints to reduce the cross power spectral density matrix to a block-diagonal form. The proposed beamformer has a convenient objective function for use in arbitrary distributed network topologies while having identical performance to a centralized implementation. Moreover, the new optimization problem is robust to relative acoustic transfer function (RATF) estimation errors and to target activity detection (TAD) errors. Two variants of the proposed beamformer are presented and evaluated in the context of multi-microphone speech enhancement in a wireless acoustic sensor network, and are compared with other state-of-the-art distributed beamformers in terms of communication costs and robustness to RATF estimation errors and TAD errors

Enhancement by postfiltering for speech and audio coding in ad-hoc sensor networks

Enhancement algorithms for wireless acoustics sensor networks~(WASNs) are indispensable with the increasing availability and usage of connected devices with microphones. Conventional spatial filtering approaches for enhancement in WASNs approximate quantization noise with an additive Gaussian distribution, which limits performance due to the non-linear nature of quantization noise at lower bitrates. In this work, we propose a postfilter for enhancement based on Bayesian statistics to obtain a multidevice signal estimate, which explicitly models the quantization noise. Our experiments using PSNR, PESQ and MUSHRA scores demonstrate that the proposed postfilter can be used to enhance signal quality in ad-hoc sensor networks

Studies on noise robust automatic speech recognition

Noise in everyday acoustic environments such as cars, traffic environments, and cafeterias remains one of the main challenges in automatic speech recognition (ASR). As a research theme, it has received wide attention in conferences and scientific journals focused on speech technology. This article collection reviews both the classic and novel approaches suggested for noise robust ASR. The articles are literature reviews written for the spring 2009 seminar course on noise robust automatic speech recognition (course code T-61.6060) held at TKK

Acoustic sensor network geometry calibration and applications

In the modern world, we are increasingly surrounded by computation devices with communication links and one or more microphones. Such devices are, for example, smartphones, tablets, laptops or hearing aids. These devices can work together as nodes in an acoustic sensor network (ASN). Such networks are a growing platform that opens the possibility for many practical applications. ASN based speech enhancement, source localization, and event detection can be applied for teleconferencing, camera control, automation, or assisted living. For this kind of applications, the awareness of auditory objects and their spatial positioning are key properties. In order to provide these two kinds of information, novel methods have been developed in this thesis. Information on the type of auditory objects is provided by a novel real-time sound classification method. Information on the position of human speakers is provided by a novel localization and tracking method. In order to localize with respect to the ASN, the relative arrangement of the sensor nodes has to be known. Therefore, different novel geometry calibration methods were developed. Sound classification The first method addresses the task of identification of auditory objects. A novel application of the bag-of-features (BoF) paradigm on acoustic event classification and detection was introduced. It can be used for event and speech detection as well as for speaker identification. The use of both mel frequency cepstral coefficient (MFCC) and Gammatone frequency cepstral coefficient (GFCC) features improves the classification accuracy. By using soft quantization and introducing supervised training for the BoF model, superior accuracy is achieved. The method generalizes well from limited training data. It is working online and can be computed in a fraction of real-time. By a dedicated training strategy based on a hierarchy of stationarity, the detection of speech in mixtures with noise was realized. This makes the method robust against severe noises levels corrupting the speech signal. Thus it is possible to provide control information to a beamformer in order to realize blind speech enhancement. A reliable improvement is achieved in the presence of one or more stationary noise sources. Speaker localization The localization method enables each node to determine the direction of arrival (DoA) of concurrent sound sources. The author's neuro-biologically inspired speaker localization method for microphone arrays was refined for the use in ASNs. By implementing a dedicated cochlear and midbrain model, it is robust against the reverberation found in indoor rooms. In order to better model the unknown number of concurrent speakers, an application of the EM algorithm that realizes probabilistic clustering according to auditory scene analysis (ASA) principles was introduced. Based on this approach, a system for Euclidean tracking in ASNs was designed. Each node applies the node wise localization method and shares probabilistic DoA estimates together with an estimate of the spectral distribution with the network. As this information is relatively sparse, it can be transmitted with low bandwidth. The system is robust against jitter and transmission errors. The information from all nodes is integrated according to spectral similarity to correctly associate concurrent speakers. By incorporating the intersection angle in the triangulation, the precision of the Euclidean localization is improved. Tracks of concurrent speakers are computed over time, as is shown with recordings in a reverberant room. Geometry calibration The central task of geometry calibration has been solved with special focus on sensor nodes equipped with multiple microphones. Novel methods were developed for different scenarios. An audio-visual method was introduced for the calibration of ASNs in video conferencing scenarios. The DoAs estimates are fused with visual speaker tracking in order to provide sensor positions in a common coordinate system. A novel acoustic calibration method determines the relative positioning of the nodes from ambient sounds alone. Unlike previous methods that only infer the positioning of distributed microphones, the DoA is incorporated and thus it becomes possible to calibrate the orientation of the nodes with a high accuracy. This is very important for all applications using the spatial information, as the triangulation error increases dramatically with bad orientation estimates. As speech events can be used, the calibration becomes possible without the requirement of playing dedicated calibration sounds. Based on this, an online method employing a genetic algorithm with incremental measurements was introduced. By using the robust speech localization method, the calibration is computed in parallel to the tracking. The online method is be able to calibrate ASNs in real time, as is shown with recordings of natural speakers in a reverberant room. The informed acoustic sensor network All new methods are important building blocks for the use of ASNs. The online methods for localization and calibration both make use of the neuro-biologically inspired processing in the nodes which leads to state-of-the-art results, even in reverberant enclosures. The high robustness and reliability can be improved even more by including the event detection method in order to exclude non-speech events. When all methods are combined, both semantic information on what is happening in the acoustic scene as well as spatial information on the positioning of the speakers and sensor nodes is automatically acquired in real time. This realizes truly informed audio processing in ASNs. Practical applicability is shown by application to recordings in reverberant rooms. The contribution of this thesis is thus not only to advance the state-of-the-art in automatically acquiring information on the acoustic scene, but also pushing the practical applicability of such methods

Mathematics and Digital Signal Processing

Modern computer technology has opened up new opportunities for the development of digital signal processing methods. The applications of digital signal processing have expanded significantly and today include audio and speech processing, sonar, radar, and other sensor array processing, spectral density estimation, statistical signal processing, digital image processing, signal processing for telecommunications, control systems, biomedical engineering, and seismology, among others. This Special Issue is aimed at wide coverage of the problems of digital signal processing, from mathematical modeling to the implementation of problem-oriented systems. The basis of digital signal processing is digital filtering. Wavelet analysis implements multiscale signal processing and is used to solve applied problems of de-noising and compression. Processing of visual information, including image and video processing and pattern recognition, is actively used in robotic systems and industrial processes control today. Improving digital signal processing circuits and developing new signal processing systems can improve the technical characteristics of many digital devices. The development of new methods of artificial intelligence, including artificial neural networks and brain-computer interfaces, opens up new prospects for the creation of smart technology. This Special Issue contains the latest technological developments in mathematics and digital signal processing. The stated results are of interest to researchers in the field of applied mathematics and developers of modern digital signal processing systems

Recurrent neural networks for multi-microphone speech separation

This thesis takes the classical signal processing problem of separating the speech of a target speaker from a real-world audio recording containing noise, background interference — from competing speech or other non-speech sources —, and reverberation, and seeks data-driven solutions based on supervised learning methods, particularly recurrent neural networks (RNNs). Such speech separation methods can inject robustness in automatic speech recognition (ASR) systems and have been an active area of research for the past two decades. We particularly focus on applications where multi-channel recordings are available. Stand-alone beamformers cannot simultaneously suppress diffuse-noise and protect the desired signal from any distortions. Post-filters complement the beamformers in obtaining the minimum mean squared error (MMSE) estimate of the desired signal. Time-frequency (TF) masking — a method having roots in computational auditory scene analysis (CASA) — is a suitable candidate for post-filtering, but the challenge lies in estimating the TF masks. The use of RNNs — in particular the bi-directional long short-term memory (BLSTM) architecture — as a post-filter estimating TF masks for a delay-and-sum beamformer (DSB) — using magnitude spectral and phase-based features — is proposed. The data—recorded in 4 challenging realistic environments—from the CHiME-3 challenge is used. Two different TF masks — Wiener filter and log-ratio — are identified as suitable targets for learning. The separated speech is evaluated based on objective speech intelligibility measures: short-term objective intelligibility (STOI) and frequency-weighted segmental SNR (fwSNR). The word error rates (WERs) as reported by the previous state-of-the-art ASR back-end — when fed with the test data of the CHiME-3 challenge — are interpreted against the objective scores for understanding the relationships of the latter with the former. Overall, a consistent improvement in the objective scores brought in by the RNNs is observed compared to that of feed-forward neural networks and a baseline MVDR beamformer