Signal Processing Methods for Music Synchronization, Audio Matching, and Source Separation

The field of music information retrieval (MIR) aims at developing techniques and tools for organizing, understanding, and searching multimodal information in large music collections in a robust, efficient and intelligent manner. In this context, this thesis presents novel, content-based methods for music synchronization, audio matching, and source separation. In general, music synchronization denotes a procedure which, for a given position in one representation of a piece of music, determines the corresponding position within another representation. Here, the thesis presents three complementary synchronization approaches, which improve upon previous methods in terms of robustness, reliability, and accuracy. The first approach employs a late-fusion strategy based on multiple, conceptually different alignment techniques to identify those music passages that allow for reliable alignment results. The second approach is based on the idea of employing musical structure analysis methods in the context of synchronization to derive reliable synchronization results even in the presence of structural differences between the versions to be aligned. Finally, the third approach employs several complementary strategies for increasing the accuracy and time resolution of synchronization results. Given a short query audio clip, the goal of audio matching is to automatically retrieve all musically similar excerpts in different versions and arrangements of the same underlying piece of music. In this context, chroma-based audio features are a well-established tool as they possess a high degree of invariance to variations in timbre. This thesis describes a novel procedure for making chroma features even more robust to changes in timbre while keeping their discriminative power. Here, the idea is to identify and discard timbre-related information using techniques inspired by the well-known MFCC features, which are usually employed in speech processing. Given a monaural music recording, the goal of source separation is to extract musically meaningful sound sources corresponding, for example, to a melody, an instrument, or a drum track from the recording. To facilitate this complex task, one can exploit additional information provided by a musical score. Based on this idea, this thesis presents two novel, conceptually different approaches to source separation. Using score information provided by a given MIDI file, the first approach employs a parametric model to describe a given audio recording of a piece of music. The resulting model is then used to extract sound sources as specified by the score. As a computationally less demanding and easier to implement alternative, the second approach employs the additional score information to guide a decomposition based on non-negative matrix factorization (NMF)

Pitch-Informed Solo and Accompaniment Separation

Das Thema dieser Dissertation ist die Entwicklung eines Systems zur Tonhöhen-informierten Quellentrennung von Musiksignalen in Soloinstrument und Begleitung. Dieses ist geeignet, die dominanten Instrumente aus einem Musikstück zu isolieren, unabhängig von der Art des Instruments, der Begleitung und Stilrichtung. Dabei werden nur einstimmige Melodieinstrumente in Betracht gezogen. Die Musikaufnahmen liegen monaural vor, es kann also keine zusätzliche Information aus der Verteilung der Instrumente im Stereo-Panorama gewonnen werden. Die entwickelte Methode nutzt Tonhöhen-Information als Basis für eine sinusoidale Modellierung der spektralen Eigenschaften des Soloinstruments aus dem Musikmischsignal. Anstatt die spektralen Informationen pro Frame zu bestimmen, werden in der vorgeschlagenen Methode Tonobjekte für die Separation genutzt. Tonobjekt-basierte Verarbeitung ermöglicht es, zusätzlich die Notenanfänge zu verfeinern, transiente Artefakte zu reduzieren, gemeinsame Amplitudenmodulation (Common Amplitude Modulation CAM) einzubeziehen und besser nichtharmonische Elemente der Töne abzuschätzen. Der vorgestellte Algorithmus zur Quellentrennung von Soloinstrument und Begleitung ermöglicht eine Echtzeitverarbeitung und ist somit relevant für den praktischen Einsatz. Ein Experiment zur besseren Modellierung der Zusammenhänge zwischen Magnitude, Phase und Feinfrequenz von isolierten Instrumententönen wurde durchgeführt. Als Ergebnis konnte die Kontinuität der zeitlichen Einhüllenden, die Inharmonizität bestimmter Musikinstrumente und die Auswertung des Phasenfortschritts für die vorgestellte Methode ausgenutzt werden. Zusätzlich wurde ein Algorithmus für die Quellentrennung in perkussive und harmonische Signalanteile auf Basis des Phasenfortschritts entwickelt. Dieser erreicht ein verbesserte perzeptuelle Qualität der harmonischen und perkussiven Signale gegenüber vergleichbaren Methoden nach dem Stand der Technik. Die vorgestellte Methode zur Klangquellentrennung in Soloinstrument und Begleitung wurde zu den Evaluationskampagnen SiSEC 2011 und SiSEC 2013 eingereicht. Dort konnten vergleichbare Ergebnisse im Hinblick auf perzeptuelle Bewertungsmaße erzielt werden. Die Qualität eines Referenzalgorithmus im Hinblick auf den in dieser Dissertation beschriebenen Instrumentaldatensatz übertroffen werden. Als ein Anwendungsszenario für die Klangquellentrennung in Solo und Begleitung wurde ein Hörtest durchgeführt, der die Qualitätsanforderungen an Quellentrennung im Kontext von Musiklernsoftware bewerten sollte. Die Ergebnisse dieses Hörtests zeigen, dass die Solo- und Begleitspur gemäß unterschiedlicher Qualitätskriterien getrennt werden sollten. Die Musiklernsoftware Songs2See integriert die vorgestellte Klangquellentrennung bereits in einer kommerziell erhältlichen Anwendung.This thesis addresses the development of a system for pitch-informed solo and accompaniment separation capable of separating main instruments from music accompaniment regardless of the musical genre of the track, or type of music accompaniment. For the solo instrument, only pitched monophonic instruments were considered in a single-channel scenario where no panning or spatial location information is available. In the proposed method, pitch information is used as an initial stage of a sinusoidal modeling approach that attempts to estimate the spectral information of the solo instrument from a given audio mixture. Instead of estimating the solo instrument on a frame by frame basis, the proposed method gathers information of tone objects to perform separation. Tone-based processing allowed the inclusion of novel processing stages for attack refinement, transient interference reduction, common amplitude modulation (CAM) of tone objects, and for better estimation of non-harmonic elements that can occur in musical instrument tones. The proposed solo and accompaniment algorithm is an efficient method suitable for real-world applications. A study was conducted to better model magnitude, frequency, and phase of isolated musical instrument tones. As a result of this study, temporal envelope smoothness, inharmonicty of musical instruments, and phase expectation were exploited in the proposed separation method. Additionally, an algorithm for harmonic/percussive separation based on phase expectation was proposed. The algorithm shows improved perceptual quality with respect to state-of-the-art methods for harmonic/percussive separation. The proposed solo and accompaniment method obtained perceptual quality scores comparable to other state-of-the-art algorithms under the SiSEC 2011 and SiSEC 2013 campaigns, and outperformed the comparison algorithm on the instrumental dataset described in this thesis.As a use-case of solo and accompaniment separation, a listening test procedure was conducted to assess separation quality requirements in the context of music education. Results from the listening test showed that solo and accompaniment tracks should be optimized differently to suit quality requirements of music education. The Songs2See application was presented as commercial music learning software which includes the proposed solo and accompaniment separation method